CN109613817B

CN109613817B - 穿戴式装置

Info

Publication number: CN109613817B
Application number: CN201710976314.9A
Authority: CN
Inventors: 曾智聪; 洪崇庭
Original assignee: Quanta Computer Inc
Current assignee: Quanta Computer Inc
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: TWI638485B; US20190109367A1; CN109613817A; TW201916465A

Abstract

本发明公开一种穿戴式装置，包括：一非导体背盖、一金属环圈、一印刷电路板、一馈入部，以及一短路部。非导体背盖呈现一中空结构。金属环圈设置于非导体背盖之上，其中金属环圈具有一馈入点和一接地点。印刷电路板设置于非导体背盖之内，其中印刷电路板包括一接地面。一信号源经由馈入部耦接至金属环圈的馈入点。金属环圈的接地点经由短路部耦接至接地面。金属环圈、馈入部，以及短路部共同形成一天线结构。

Description

穿戴式装置

技术领域

本发明涉及一种穿戴式装置(Wearable Device)，特别是涉及一种穿戴式装置及其天线结构。

背景技术

随着移动通讯技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式电脑、移动电话、多媒体播放器以及其他混合功能的携带型电子装置。为了满足人们的需求，移动装置通常具有无线通讯的功能。有些涵盖长距离的无线通讯范围，例如：移动电话使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)***及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的频带进行通讯，而有些则涵盖短距离的无线通讯范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth***使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通讯。

依据各品牌大厂的研究方向，次世代新兴的移动装置很可能会是「穿戴式装置(Wearable Device)」。例如，手表、眼镜，甚至是身上衣物，都有机会在未来具有无线通讯功能。然而，以穿戴式装置中的手表为例，其内部空间非常狭小，不足以容纳用于无线通讯的天线。此将成为天线设计者的一大挑战。

发明内容

在优选实施例中，本发明提供一种穿戴式装置，包括：一非导体背盖，呈现一中空结构；一金属环圈，设置于该非导体背盖之上，其中该金属环圈具有一馈入点和一接地点；一印刷电路板，设置于该非导体背盖之内，并包括一接地面；一馈入部，其中一信号源经由该馈入部耦接至该金属环圈的该馈入点；以及一短路部，其中该金属环圈的该接地点经由该短路部耦接至该接地面；其中该金属环圈、该馈入部，以及该短路部共同形成一天线结构。

在一些实施例中，该穿戴式装置为一手表，而该金属环圈为一手表边框。

在一些实施例中，该馈入部和该短路部各自为一金属弹片、一金属螺丝，或是一金属顶针。

在一些实施例中，该非导体背盖大致为一无盖箱型，而该金属环圈位于该无盖箱型的一开口侧。

在一些实施例中，该穿戴式装置还包括：一透明元件，由该金属环圈所包围。

在一些实施例中，该穿戴式装置还包括：一寄生部，耦接至该接地面，并形成该天线结构的一延伸部分。

在一些实施例中，该天线结构涵盖一第一频带、一第二频带，以及一第三频带。

在一些实施例中，该第一频带介于746MHz至787MHz之间，该第二频带介于2400MHz至2500MHz之间，而该第三频带位于1575MHz处。

在一些实施例中，该第一频带和该第二频带都由该金属环圈所激发产生。

在一些实施例中，该第三频带由该寄生部所激发产生。

附图说明

图1A为本发明一实施例所述的穿戴式装置的俯视图；

图1B为本发明一实施例所述的穿戴式装置的侧视图；

图2为本发明一实施例所述的穿戴式装置的天线结构的电压驻波比图；

图3A为本发明一实施例所述的穿戴式装置的俯视图；

图3B为本发明一实施例所述的穿戴式装置的侧视图；

图4为本发明一实施例所述的穿戴式装置的天线结构的电压驻波比图；

图5为本发明一实施例所述的穿戴式装置的俯视图；以及

图6为本发明一实施例所述的穿戴式装置的侧视图。

符号说明

100、300、500、600～穿戴式装置；

110～非导体背盖；

111～非导体背盖的开口侧；

120～金属环圈；

128～第一共振路径；

129～第二共振路径；

130～印刷电路板；

135～接地面；

140～馈入部；

150～短路部；

160～旋钮；

170～表带；

180～透明元件；

190～信号源；

320～寄生部；

321～寄生部的第一端；

322～寄生部的第二端；

330～非金属净空区间；

541～第一匹配电路；

542～第二匹配电路；

543～第三匹配电路；

650～承载元件；

FB1～第一频带；

FB2～第二频带；

FB3～第三频带；

FP～馈入点；

GP～接地点；

W1、W2～宽度。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」及「包括」一词为开放式的用语，故应解释成「包含但不仅限定于」。「大致」一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，「耦接」一词在本说明书中包含任何直接及间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电连接至该第二装置。

图1A显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置(Wearable Device)100的俯视图。图1B显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置100的侧视图。请一并参考图1A、图1B。在优选实施例中，穿戴式装置100为一手腕穿戴式装置(Wrist-wearable Device)，例如：一智能型手表，或是一智能型运动手环。如图1A、图1B所示，穿戴式装置100至少包括：一非导体背盖(Nonconductive Back Cover)110、一金属环圈(Metal Loop)120、一印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)130、一馈入部(Feeding Element)140，以及一短路部(Shorting Element)150。

非导体背盖110可用塑胶材料所制成。非导体背盖110大致呈现一中空结构(Hollow Structure)。金属环圈120可用铜、银、铝、铁，或其合金所制成。金属环圈120可以呈现一圆形、一正方形、一矩形、一正三角形，或是一椭圆形。若穿戴式装置100为一手表(Watch)，则金属环圈120可为一手表边框(Watch Bezel)。非导体背盖110和金属环圈120的外型、花纹、以及表面处理在本发明中都不特别作限制。金属环圈120设置于非导体背盖110之上，其中金属环圈120具有位置彼此相异的一馈入点(Feeding Point)FP和一接地点(Grounding Point)GP。印刷电路板130也可呈现一圆形、一正方形、一矩形、一正三角形，或是一椭圆形。印刷电路板130设置于非导体背盖110之内，并包括一接地面135，其中印刷电路板130上还可设置各种电子电路零件。例如，一信号源190可设置于印刷电路板130上。信号源190可以是一射频模块(Radio Frequency Module)，并可用于产生一发射信号或是处理一接收信号。馈入部140和短路部150可以各自为一金属弹片(Metal Spring)、一金属螺丝(Metal Screw)，或是一金属顶针(Metal Pogo Pin)，但也不仅限于此。信号源190经由馈入部140耦接至金属环圈120的馈入点FP，而金属环圈120的接地点GP经由短路部150耦接至接地面135。在优选实施例中，金属环圈120、馈入部140，以及短路部150共同形成穿戴式装置100的一天线结构。

在一些实施例中，非导体背盖110大致为一无盖箱型(例如：近似一碗形，其具有一圆形开口)，而金属环圈120位于此无盖箱型的一开口侧111。非导体背盖110可用于容纳各种装置零组件，例如：一电池、一时针、一分针、一秒针、一射频模块、一信号处理模块、一计数器、一处理器、一温度计，或(且)一气压计(未显示)。在一些实施例中，金属环圈120大致为一圆形环圈，用以搭配非导体背盖110的一圆形开口。

在一些实施例中，穿戴式装置100还包括一旋钮(Knob)160、一表带170，以及一透明元件180。旋钮160可内嵌于金属环圈120的一侧边孔中，并可作为一时间调整器(TimeTuner)。表带170可以连接至金属环圈120的相对二侧，以利一使用者可通过表带170来配挂穿戴式装置100于其手腕上。透明元件180可以是一表面玻璃或是一透明塑胶板。透明元件180可以设置于金属环圈120中，并可由金属环圈120所包围。其他手表元件，例如：一时针、一分针、一秒针，或是一数位显示器，都可设置于透明元件180的下方，以利一使用者进行观察。必须理解的是，虽然未显示于图1A、图1B中，但穿戴式装置100还可包括其他元件，例如：一防水外壳或一扣环。

图2显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置100的天线结构的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表电压驻波比。根据图2的量测结果可知，当穿戴式装置100的金属环圈120由信号源190所馈入时，其天线结构可涵盖一第一频带FB1和一第二频带FB2。例如，第一频带FB1可介于746MHz至787MHz之间，而第二频带FB2可介于2400MHz至2500MHz之间。因此，本发明的穿戴式装置100至少可支持LTE(Long Term Evolution)Band 13和WLAN(Wireless Local Area Networks)2.4GHz的双频带操作。前述的频带范围也可根据不同需要进行调整。由于金属环圈120可通过一轻薄金属元件来实施，并作为穿戴式装置100的外观元件的一部分，本发明将可兼得缩小天线尺寸、维持天线频宽、降低成本，以及美化装置外型等等优势，故其很适合应用于各种小型化的智能型穿戴式装置。

请再次参考图1A、图1B以理解本发明的天线原理和设计方式。因为金属环圈120的馈入点FP和接地点GP的设计特性，穿戴式装置100的天线结构将具有一第一共振路径128和一第二共振路径129，其中第一共振路径128为金属环圈120上由馈入点FP至接地点GP之间的一较短部分路径，而第二共振路径129为金属环圈120上由馈入点FP至接地点GP之间的一较长部分路径。详细而言，第一共振路径128可为角度小于180度的一第一圆弧形(例如：约120度)，而第二共振路径129可为角度大于180度的一第二圆弧形(例如：约240度)。第一共振路径128和第二共振路径129的一组合可大致涵盖完整的金属环圈120(例如：约360度)。在天线原理方面，前述的第一频带FB1和第二频带FB2都由金属环圈120所激发产生。详细而言，第一频带FB1由金属环圈120的第二共振路径129所激发产生，而第二频带FB2由金属环圈120的第一共振路径128所激发产生。因此，通过适当地改变馈入点FP和接地点GP两者的位置，设计者将能轻易地控制天线结构的操作频带范围。在元件尺寸方面，第一共振路径128的长度可大致等于第二频带FB2的0.25倍波长(λ/4)，第二共振路径129的长度可大致等于第一频带FB1的0.25倍波长(λ/4)，而金属环圈120的宽度W1可大致介于2mm至3mm之间。以上尺寸范围根据多次实验结果而得出，故其可最佳化天线结构的阻抗匹配(ImpedanceMatching)。

图3A显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置300的俯视图。图3B显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置300的侧视图。图3A、图3B和图1A、图1B相似。在图3A、图3B的实施例中，穿戴式装置300还包括一寄生部(Parasitic Element)320，其由金属材质所制成。例如，寄生部320可大致呈现一L字形或是四分之一圆弧形，但不仅限于此。详细而言，寄生部320具有一第一端321和一第二端322，其中寄生部320的第一端321耦接至接地面135，而寄生部320的第二端322为一开路端(Open End)并大致沿着金属环圈120作延伸。寄生部320设置于金属环圈120和印刷电路板130之间的一非金属净空区间330(Non-metalClearance Region)内，其中此非金属净空区间330大致呈现一圆环形，而其宽度W2可约介于1mm至2mm之间。在优选实施例中，寄生部320形成穿戴式装置300的天线结构的一延伸部分，并由金属环圈120所耦合激发，从而可增加天线结构的操作频宽。

图4显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置300的天线结构的电压驻波比图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表电压驻波比。根据图4的量测结果可知，当穿戴式装置300的金属环圈120由信号源190所馈入时，除了前述的第一频带FB1、第二频带FB2以外，其天线结构还可涵盖一第三频带FB3。例如，第三频带FB3可位于1575MHz处。因此，本发明的穿戴式装置300还可支持GPS(Global Positioning System)***的功能应用。在天线原理和元件尺寸方面，第三频带FB3由寄生部320所激发产生，其中寄生部320的长度(亦即，由第一端321至第二端322的长度)可大致等于第三频带FB3的0.25倍波长(λ/4)。图3A、图3B的穿戴式装置300的其余特征都与图1A、图1B的穿戴式装置100类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图5显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置500的俯视图。图5和图3A相似。在图5的实施例中，穿戴式装置500还包括一第一匹配电路(Matching Circuit)541、一第二匹配电路542，以及一第三匹配电路543，其中信号源190经由第一匹配电路541和馈入部140耦接至金属环圈120的馈入点FP，金属环圈120的接地点GP经由短路部150和第二匹配电路542耦接至接地面135，而寄生部320的第一端321经由第三匹配电路543耦接至接地面135。第一匹配电路541、第二匹配电路542，以及第三匹配电路543的每一者都为被动式(Passive)元件，并可包括一或多个电容器(Capacitor)或(且)一或多个电感器(Inductor)，例如：芯片电容器(Chip Capacitor)或(且)芯片电感器(Chip Inductor)，以调整穿戴式装置500的天线结构的共振路径长度。例如，若使用第一匹配电路541、第二匹配电路542，以及第三匹配电路543，则金属环圈120的长度和寄生部320的长度都可缩短，从而可微缩穿戴式装置500的整体尺寸。图5的穿戴式装置500的其余特征都与图3A、图3B的穿戴式装置300类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

图6显示根据本发明一实施例所述的穿戴式装置600的侧视图。图6和图3B相似。在图6的实施例中，穿戴式装置600还包括一承载元件(Carrier Element)650，其可由非导体材质所制成，例如：塑胶材质。承载元件650可位于非导体背盖110之内，并用于支撑及固定印刷电路板130，其中寄生部320可通过激光雕刻技术(Laser Direct Structuring，LDS)而形成于承载元件650的侧壁上。此种设计不会额外增加穿戴式装置600的天线结构的整体尺寸。图6的穿戴式装置600的其余特征都与图3A、图3B的穿戴式装置300类似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。

本发明提供一种新颖的穿戴式装置，其利用无断口(No Fracture)的金属环圈来形成一天线结构，此种设计可美化穿戴式装置的外观一致性。另一方面，由于天线结构无需使用主动式(Active)匹配电路来作调整，故不会占用印刷电路板上的额外的净空区间。因此，本发明至少具有小型化、低成本，以及改良外观的优势，在此同时也能维持天线结构足够的操作频宽。

值得注意的是，以上所述的元件尺寸、元件形状、以及频率范围均非为本发明的限制条件。天线设计者可以根据不同需要调整这些设定值。另外，本发明的穿戴式装置及天线结构并不仅限于图1A～图6所图示的状态。本发明可以仅包括图1A～图6的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均需同时实施于本发明的穿戴式装置及天线结构当中。

在本说明书以及权利要求中的序数，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。

虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种穿戴式装置，包括：

非导体背盖，呈现一中空结构，其包括承载元件；

金属环圈，设置于该非导体背盖之上，其中该金属环圈具有馈入点和接地点；

印刷电路板，设置于该非导体背盖之内，并包括接地面；

馈入部，其中一信号源经由该馈入部耦接至该金属环圈的该馈入点；

短路部，其中该金属环圈的该接地点经由该短路部耦接至该接地面；以及

寄生部，该寄生部通过激光雕刻技术形成于该承载元件的侧壁上，其具有第一端和第二端，该寄生部的第一端耦接至接地面，该寄生部的第二端为一开路端并大致沿着金属环圈延伸；

其中该金属环圈、该馈入部，以及该短路部共同形成一天线结构，该寄生部形成该天线结构的一延伸部分。

2.如权利要求1所述的穿戴式装置，其中该穿戴式装置为一手表，而该金属环圈为一手表边框。

3.如权利要求1所述的穿戴式装置，其中该馈入部和该短路部各自为金属弹片、金属螺丝，或是金属顶针。

4.如权利要求1所述的穿戴式装置，其中该非导体背盖大致为一无盖箱型，而该金属环圈位于该无盖箱型的一开口侧。

5.如权利要求1所述的穿戴式装置，还包括：

透明元件，由该金属环圈所包围。

6.如权利要求1所述的穿戴式装置，其中该天线结构涵盖一第一频带、一第二频带，以及一第三频带。

7.如权利要求6所述的穿戴式装置，其中该第一频带介于746MHz至787MHz之间，该第二频带介于2400MHz至2500MHz之间，而该第三频带位于1575MHz处。

8.如权利要求6所述的穿戴式装置，其中该第一频带和该第二频带都由该金属环圈所激发产生。

9.如权利要求6所述的穿戴式装置，其中该第三频带由该寄生部所激发产生。