TWI424615B - 具有用於基於近接射頻功率控制的整合近接感測器之天線 - Google Patents

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Description

具有用於基於近接射頻功率控制的整合近接感測器之天線
本發明大體而言係關於天線，且更特定言之係關於用於電子器件之天線。
本申請案主張2011年2月17日申請之美國專利申請案第13/029,581號的優先權，其全文特此以引用的方式併入本文中。
諸如攜帶型電腦及手持型電子器件之電子器件變得日益風行。諸如此等之器件常常具備無線通信性能。舉例而言，電子器件可使用長程無線通信電路以使用蜂巢式電話頻帶通信。電子器件可使用短程無線通信鏈路來處置與附近設備之通信。
可能難以成功地將天線併入至電子器件中。一些電子器件被製造成具有小的外觀尺寸，因此供天線使用之空間有限。在許多電子器件中，在天線附近之電子組件的存在充當可能之電磁干擾來源。天線操作亦可藉由導電結構阻礙。此可使得難以實施在含有可潛在地阻礙射頻信號之導電外殼壁或其他導電結構之電子器件中的天線。可藉由管制機構對可藉由器件以無線方式傳輸之射頻功率的最大量強加限制。此等限制在以升高之功率位準操作電子器件天線時引起挑戰。
因此，將需要能夠提供具有改良之無線性能的電子器件。
一種電子器件可具有自諸如導電印刷電路結構之導電結構所形成的一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構。
導電印刷電路結構可包括在印刷電路基板之對置側上的相同之第一及第二圖案化導電層。第一層與第二層可電隔離且可充當用於電子器件中之近接感測器的第一及第二電容器電極。第一層及第二層亦可耦接至射頻收發器且可充當天線共振元件，該天線共振元件與電子器件中之接地平面一起形成用於電子器件的天線。
射頻收發器可經由高通電路(諸如，一對電容器)耦接至導電印刷電路結構。電容器中之第一者可介入於第一傳輸線導體與第一圖案化導電層之間，且電容器中之第二者可介入於第二傳輸線導體與第一圖案化導電層之間。在與無線信號相關聯之頻率下，第一圖案化導電層與第二圖案化導電層之間的阻抗為相對小的，因此可在傳輸及接收天線信號時使用導電印刷電路結構中之第一及第二圖案化導電層兩者。在較低之頻率(諸如，與進行近接感測器電容量測相關聯之頻率)下，第一及第二圖案化導電層可充當用於量測附近外部物件之近接的各別第一及第二電容器電極。當偵測到附近物件之存在時，可對用於射頻收發器之最大可允許傳輸功率強加限制。
本發明之其他特徵、其本質及各種優點將自隨附圖式及較佳實施例的以下詳細描述更顯而易見。
電子器件可具備無線通信電路。無線通信電路可用以支援在一或多個無線通信頻帶中之無線通信。舉例而言，無線通信電路可在蜂巢式電話頻帶中傳輸及接收信號。
為了滿足對於小的外觀尺寸之無線器件的消費者需求，製造商正不斷地爭取減小用於此等器件中之組件的大小同時提供增強之功能性。尤其在電子器件係在於蜂巢式電話頻帶及具有相對寬之頻寬的其他通信頻帶中傳輸及接收射頻信號時使用之組態中，符合緊密器件中之所要天線效能準則可為挑戰性的。可能需要高的傳輸功率及寬的天線頻寬以確保通信期間之充足信號強度，但此等屬性可能引起關於控制所發射輻射位準之挑戰。
一般而言，完全屏蔽電子器件之使用者以防所傳輸射頻信號為不實際的。舉例而言，習知蜂巢式電話手機在電話呼叫期間一般在使用者之頭部附近發射信號。政府規章限制射頻信號功率。同時，無線載波要求用於其網路中之使用者設備能夠產生某些最小射頻功率以便確保設備之令人滿意的操作。
在許多管轄權中，對手機製造商強加最大能量吸收限制之特定吸收率(SAR)標準係適當的。此等標準限制可在天線之給定距離內之任何特定點發射的輻射之量。特別注意在距器件約1 mm至20 mm之距離處的輻射限制，在該距離處使用者很可能將身體部分置於天線附近。
令人滿意之天線效能及法規遵循可藉由使用不展現局域 作用區域(hotspot)之天線來確保，在作用區域中所發射輻射超出所要功率位準。近接感測器亦可用以偵測外部物件(諸如，使用者之身體)何時在天線附近。當偵測到外部物件之存在時，可降低所傳輸功率位率。
近接感測器可使用電容器電極結構來實施。電容器電極結構可用以進行電容量測。來自電容器電極結構之所量測電容值的改變反映外部物件至電容器電極結構之距離的改變。
天線結構可使用基板上之圖案化導電跡線來實施。舉例而言，用於天線之天線共振元件可自印刷電路基板上之圖案化金屬跡線予以形成。
為了最小化電子器件中所消耗之空間的量，天線結構及近接感測器結構可整合。舉例而言，充當天線共振元件之圖案化導電結構亦可充當用於電容式近接感測器之一或多個電容器電極。耦接電路可用以將射頻收發器及電容量測電路耦接至導電結構。
任何合適的電子器件可具備整合式天線及近接感測器結構。作為一實例，整合式天線及近接感測器結構可形成於電子器件中，諸如桌上型電腦、諸如膝上型電腦及平板電腦之攜帶型電腦、諸如蜂巢式電話之手持型電子器件等。在一合適組態(本文中有時描述為實例)之情況下，整合式天線及近接感測器結構形成於內部空間可為有價值之相對緊密的電子器件中。此等緊密器件可為攜帶型電子器件。
可具備天線及近接感測器之攜帶型電子器件包括膝上型 電腦及小的攜帶型電腦，諸如超攜帶型電腦、筆記型電腦及平板電腦。攜帶型電子器件亦可為稍微較小之器件。可具備天線之較小之攜帶型電子器件的實例包括蜂巢式電話、腕錶器件、懸垂(pendant)器件、頭戴式耳機及耳機器件，及其他可佩戴及小型器件。
空間在攜帶型電子器件中非常珍貴且用於此等器件之外殼有時係自阻礙天線信號之導電材料建構。天線結構及近接感測器係形成於允許電磁信號通過之窗(有時稱為天線窗、介電窗或射頻窗)後方的配置可幫助解決此等挑戰。窗可藉由自導電外殼壁中之開口形成介電窗結構而形成於導電外殼壁中。需要時，基於槽之電磁信號窗可形成於導電外殼壁中。在基於槽之窗中，窗區係藉由窗槽之圖案界定。天線及近接感測器組件亦可定位成鄰近於允許射頻信號通過之其他介電結構，諸如顯示器覆蓋層(覆蓋玻璃)。
在含有諸如金屬外殼壁及內部金屬外殼結構之導電外殼結構的電子器件中，導電外殼結構可充當接地平面之全部或部分。接地平面可形成用於器件中之一或多個天線的天線接地。接地平面亦可包括與電子組件相關聯之導電結構(例如，整合式電路、感測器、開關、連接器等)、印刷電路上之導電跡線(例如，可撓性或硬質印刷電路板上之接地平面跡線)，或電子器件中之其他導電結構。
在典型組態中，天線可自接地平面(天線接地)及一體式天線-近接感測器結構(充當天線共振元件)予以形成。天線可使用耦接至天線共振元件之正天線饋電端子及使用耦接 至接地平面(例如，導電外殼)之接地天線饋電端子來饋電。在操作期間，用於天線之射頻信號可通過天線窗、顯示器覆蓋玻璃之一部分，或其他無線電透明結構。一體式天線-近接感測器結構亦可耦接至使用電容量測來偵測外部物件之存在的近接感測器處理電路。
基於近接之天線功率控制電路可用以在於使用一體式天線-近接感測器結構所形成之近接感測器之附近偵測到外部物件的存在時減小近場電磁輻射強度。因為感測器電極結構及天線共振元件結構形成為一體式結構集合之部分，所以使用感測器電極結構所量測之電容改變反映外部物件是否定位於天線附近。
具有諸如此等之組態的天線及近接感測器結構可安裝於攜帶型電子器件之任何合適暴露部分中。舉例而言，天線及近接感測器結構可設置於器件之前表面或頂表面上。在平板電腦、蜂巢式電話，或器件之正面全部或大多數以諸如觸控螢幕顯示器之導電結構佔據的其他器件中，可能需要在後器件表面上及/或沿著器件之邊緣形成天線窗之至少部分或使用介電後外殼組態。其他組態亦為可能的(例如，天線及近接感測器安裝於器件側壁上之更受限位置中，等)。天線及近接感測器結構安裝位置(其中介電射頻信號窗之至少部分形成於導電後外殼表面中)之使用有時在本文中描述為一實例，但一般而言，需要時，任何合適之天線安裝位置可用於電子器件中。
圖1中展示可包括一或多個一體式天線共振元件及近接 感測器電極結構之說明性攜帶型器件。如圖1中所展示，器件10可為相對薄之器件，諸如平板電腦。器件10可具有安裝於其前(頂)表面上之顯示器(諸如，顯示器50)。外殼12可具有形成器件10之邊緣的彎曲部分及形成器件10之後表面的相對平坦部分(作為一實例)。射頻(RF)窗(有時稱為天線窗)(諸如，RF窗58)可形成於外殼12中。用於器件10之天線及近接感測器結構可形成於窗58附近。
器件10可具有諸如按鈕59之使用者輸入-輸出器件。顯示器50可為在收集使用者觸碰輸入時使用之觸控螢幕顯示器。顯示器50之表面可使用諸如平坦覆蓋玻璃部件之介電部件覆蓋。顯示器50之中央部分(在圖1中展示為區56)可為對觸碰輸入敏感之作用區。顯示器50之周邊區(諸如，區54)可為無觸碰感測器電極之非作用區。諸如不透明油墨之材料層可置放於周邊區54中之顯示器50的底側上(例如，覆蓋玻璃之底側上)。此層對射頻信號可為透明的。區56中之導電觸碰感測器電極可傾向於阻礙射頻信號。然而，射頻信號可通過非作用顯示區54中之覆蓋玻璃及不透明油墨(作為一實例)。在相反方向上，射頻信號可通過天線窗58。較低頻率電磁場亦通過窗58，因此用於近接感測器之電容量測可經由天線窗58進行。
外殼12可自一或多個結構予以形成。舉例而言，外殼12可包括內部框架及安裝至該框架之平坦外殼壁。外殼12亦可自諸如澆鑄或機械加工之鋁塊的單一材料塊予以形成。需要時，使用此等方法兩者之配置亦可被使用。
外殼12可由任何合適材料形成，該等材料包括塑膠、木頭、玻璃、陶瓷、金屬、基於纖維之複合物(諸如，碳纖維複合物)、其他合適材料，或此等材料之組合。在一些情形中，外殼12之部分可自介電或其他低導電率材料形成，以便不干擾定位成接近外殼12之導電天線元件的操作。在其他情形中，外殼12可自金屬元件予以形成。自金屬或其他結構上堅固之導電材料形成外殼12的優點在於：此可改良器件美觀度且可幫助改良耐久性及攜帶性。
在一合適配置的情況下，外殼12可自諸如鋁之金屬予以形成。天線窗58附近之外殼12的部分可用作天線接地。天線窗58可自諸如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、PC/ABS摻合物或其他塑膠(作為實例)之介電材料予以形成。窗58可使用黏著劑、扣件或其他合適附接機構附接至外殼12。為了確保器件10具有吸引人之外觀，可能需要形成窗58以使得窗58之外部表面符合藉由器件10之其他部分中的外殼12所展現之邊緣輪廓。舉例而言，若外殼12具有直邊緣12A及平坦底表面，則窗58可藉由直角彎曲及垂直側壁予以形成。若外殼12具有彎曲邊緣12A，則窗58可具有類似彎曲表面。
圖2係圖1之器件10的後視透視圖，其展示器件10可具有相對平坦後表面12B之方式且展示天線窗58可在形狀上為矩形而具有匹配彎曲外殼邊緣12A之形狀的彎曲部分的方式。
圖3中展示器件10之示意圖，其展示器件10可包括一或 多個天線26及與天線26通信之收發器電路的方式。圖3之電子器件10可為諸如膝上型電腦之攜帶型電腦、攜帶型平板電腦、行動電話、具有媒體播放器性能之行動電話、手持型電腦、遠端控制機、遊戲播放器、全球定位系統(GPS)器件、桌上型電腦、音樂播放器、此等器件之組合，或任何其他合適的電子器件。
如圖3中所展示，電子器件10可包括儲存及處理電路16。儲存及處理電路16可包括一或多個不同類型之儲存器，諸如硬碟驅動儲存器、非揮發性記憶體(例如，快閃記憶體或其他電可程式化唯讀記憶體)、揮發性記憶體(例如，靜態或動態隨機存取記憶體)等。儲存及處理電路16中之處理電路可用以控制器件10之操作。處理電路16可基於處理器(諸如，微處理器)及其他合適之積體電路。在一合適配置的情況下，儲存及處理電路16可用以執行器件10上之軟體，諸如網際網路瀏覽應用程式、網際網路語音通訊協定(VOIP)電話呼叫應用程式、電子郵件應用程式、媒體播放應用程式、作業系統功能、用於控制射頻功率放大器及其他射頻收發器電路之控制功能等。可在實施合適之通信協定時使用儲存及處理電路16。可使用儲存及處理電路16實施之通信協定包括網際網路協定、蜂巢式電話協定、無線區域網路協定(例如，IEEE 802.11協定--有時稱作WiFi® )、用於其他短程無線通信鏈路之協定(諸如，Bluetooth® 協定)等。
輸入-輸出電路14可用以允許將資料供應至器件10，且 用以允許將資料自器件10提供至外部器件。諸如觸控螢幕及其他使用者輸入介面之輸入-輸出器件18係輸入-輸出電路14之實例。輸入-輸出器件18亦可包括使用者輸入-輸出器件，諸如按鈕、操縱桿、點選式輪盤(click wheel)、滾輪、觸控板、小鍵盤、鍵盤、麥克風、相機等。使用者可藉由經由此等使用者輸入器件供應命令來控制器件10之操作。顯示及音訊器件可包括於器件18中，諸如液晶顯示器(LCD)螢幕、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)，及呈現視覺資訊及狀態資料的其他組件。輸入-輸出器件18中之顯示及音訊組件亦可包括音訊設備，諸如揚聲器及用於產生聲音之其他器件。需要時，輸入-輸出器件18可含有諸如插口之音訊-視訊介面設備及用於外部頭戴式耳機及監視器之其他連接器。
無線通信電路20可包括自一或多個積體電路、功率放大器電路、低雜訊輸入放大器、被動射頻(RF)組件、一或多個天線及用於處置RF無線信號之其他電路所形成的RF收發器電路23。無線信號亦可使用光(例如，使用紅外線通信)發送。
無線通信電路20可包括用於處置多個射頻通信頻帶之射頻收發器電路。舉例而言，電路20可包括處置用於WiFi(IEEE 802.11)通信之2.4 GHz及5 GHz頻帶以及2.4 GHz藍芽通信頻帶的收發器電路22。電路20亦可包括用於處置蜂巢式電話頻帶(諸如，850 MHz、900 MHz、1800 MHz及1900 MHz下之GSM頻帶，及2100 MHz之資料頻帶(作為實 例))中之無線通信的蜂巢式電話收發器電路24。需要時，無線通信電路20可包括用於其他短程無線鏈路及長程無線鏈路之電路。舉例而言，無線通信電路20可包括全球定位系統(GPS)接收器設備、用於接收無線電及電視信號之無線電路、傳呼電路等。在WiFi及藍芽鏈路以及其他短程無線鏈路中，無線信號通常用以傳送資料經過幾十或幾百呎。在蜂巢式電話鏈路及其他長程鏈路中，無線信號通常用以傳送資料經過幾千呎或哩。
無線通信電路20可包括天線26，諸如定位成鄰近於圖1及圖2之天線窗58的天線。天線26可為各自涵蓋特定所要通信頻帶之單頻帶天線或可為多頻帶天線。多頻帶天線可用以(例如)涵蓋多個蜂巢式電話通信頻帶。需要時，雙頻帶天線可用以涵蓋兩個WiFi頻帶(例如，2.4 GHz及5 GHz)。不同類型之天線可用於不同頻帶及頻帶之組合。舉例而言，可能需要形成用於形成區域無線鏈路天線之雙頻帶天線、用於處置蜂巢式電話通信頻帶之多頻帶天線，及用於形成全球定位系統天線之單頻帶天線(作為實例)。
傳輸線路徑44可用以在收發器22及24與天線26之間傳送射頻信號。射頻收發器(諸如，射頻收發器22及24)可使用一或多個積體電路及相關聯之組件(例如，開關電路、諸如離散電感器、電容器及電阻器之匹配網路組件，及積體電路濾波器網路等)實施。此等器件可安裝於任何合適的安裝結構上。在一合適配置的情況下，收發器積體電路可安裝於印刷電路板上。路徑44可用以互連收發器積體電路 及印刷電路板上之其他組件與器件10中之天線結構。路徑44可包括射頻信號可藉以傳送之任何合適的導電通路，包括傳輸線路徑結構(諸如，同軸纜線、微帶傳輸線、帶狀線傳輸線等)。路徑44可包括接地信號線及相應之正信號線。
一般而言，可使用任何合適之天線類型形成天線26。用於天線26之合適天線類型的實例包括具有共振元件之天線，該等共振元件係自貼片天線結構、倒F形天線結構、閉合及開放槽孔天線結構、迴圈天線結構、單極、偶極、平坦倒F形天線結構、此等設計之混合等予以形成。在一合適配置(有時在本文中描述為一實例)之情況下，外殼12之部分(例如，在天線窗58附近之外殼12的部分)可形成用於與窗58相關聯之天線的接地。需要時，可在形成用於器件10中之天線的接地(例如，為硬質及/或可撓性印刷電路板之部分的接地結構、導電器件組件等)時使用其他接地結構。
為了最小化器件10內之空間，天線26中之一或多者可使用充當天線共振元件結構及電容式近接感測器電極兩者之導電結構來實施。導電結構用以形成圖4之整合式天線共振元件及近接電容器感測器電極結構200。如圖4之電路圖中所說明，結構200可耦接至射頻收發器(諸如，射頻收發器23)以傳輸及接收天線信號。導電結構亦可耦接至儲存及處理電路16中之近接感測器處理電路以進行近接感測器量測。來自結構200中之電容器電極的近接感測器信號(例 如，電容量測)係使用充當天線共振元件之相同導電組件進行，因此此等近接感測器信號表示外部物件與天線之間的距離。
可在控制藉由器件10經由結構200所傳輸之天線信號的功率時使用使用結構200所進行之近接量測。近接感測器信號(電容量測)可使用路徑86自結構200傳送至儲存及處理電路16。來自結構200之近接感測器信號(電容量測)可使用電容轉數位轉換器及/或電路16中之其他感測器信號處理電路處理以產生類比及/或數位近接資料。近接資料可(例如)為指示物件87在或不在結構200之給定預定距離內的布林資料或可為表示D之當前距離值的連續資料。
儲存及處理電路16可耦接至收發器電路23及功率放大器電路82。虛線83展示所接收射頻信號可自使用結構200所形成之天線傳送至收發器電路23的方式。在資料傳輸操作期間，控制線84可用以將控制信號自儲存及處理電路16傳送至收發器電路23及功率放大器電路82以即時調整輸出功率。舉例而言，當資料被傳輸時，收發器23及相關聯之輸出放大器82可經指引以增加或減少經由傳輸線44提供至天線之射頻信號的功率位準，以確保滿足用於電磁輻射發射之法規限制。
若近接感測器尚未偵測到外部物件87之存在，則功率可以相對高(不受限制)之位準提供。然而，若近接感測器量測指示使用者之腿或其他身體部分或其他外部物件87緊鄰自結構200所形成之天線及近接感測器(例如，20 mm或更 小內、15 mm或更小內、10 mm或更小內等)，則儲存及處理電路可藉由指引收發器電路23及/或功率放大器82經由傳輸線44以減少之功率傳輸射頻信號來相應地回應。
圖5中展示沿圖2之線300所截取且在方向302上檢視之器件10的橫截面視圖。如圖5中所展示，結構200可在RF窗(天線窗)58附近安裝於器件10內。結構200充當用於天線之天線共振元件。天線可使用傳輸線44饋電。傳輸線44可具有耦接至正天線饋電端子76之正信號導體及在接地天線饋電端子78處耦接至天線接地(例如，外殼12及其他導電結構)的接地信號導體。
自結構200所形成之天線共振元件可基於任何合適的天線共振元件設計(例如，結構200可形成貼片天線共振元件、單臂倒F形天線結構、雙臂倒F形天線結構、其他合適的多臂或單臂倒F形天線結構、閉合及/或開放槽孔天線結構、迴圈天線結構、單極、偶極、平坦倒F形天線結構、此等設計中之任何兩者或兩者以上的混合等)。外殼12可充當用於天線26之天線接地，或器件10內之其他導電結構可充當接地(例如，導電組件、印刷電路上之跡線等)。
導電結構200可形成一或多個近接感測器電容器電極。在一合適配置之情況下，結構200可自兩個對置側上以圖案化導體之層塗佈的介電材料層予以形成。圖案化導電材料層中之一者可在方向300上面向外，且圖案化導電層中之另一者可在方向302上面向內至外殼12中(作為一實例)。兩個圖案化導電材料層可藉由介入之介電層彼此電隔離以 形成平行板電容器。在約1 MHz以下之頻率下，平行板電容器具有相對高的阻抗(例如，形成DC開路)，使得圖案化塗層可充當獨立的第一及第二近接感測器電容器電極。在1 MHz以上之頻率下(例如，在100 MHz以上或1 GHz以上之頻率下)，平行板電容器之阻抗為低的，因此圖案化導電層有效地短接於一起。此允許該兩個層一起作為天線共振元件中之單一圖案化導體而操作。
在自結構200所形成之天線的操作期間，射頻天線信號可經由介電窗58傳送。與結構200相關聯之射頻天線信號亦可經由顯示器覆蓋部件(諸如，覆蓋玻璃60)傳送。顯示器50可具有諸如區56之作用區，其中覆蓋玻璃60具有下伏導電結構，諸如顯示器面板模組64。顯示器面板64中之結構(諸如，觸碰感測器電極及作用顯示器像素電路)可導電且因此可衰減射頻信號。然而，在區54中，顯示器50可為非作用中的(亦即，面板64可能不存在)。不透明油墨(諸如，油墨62)可在區54中形成於透明覆蓋玻璃60之底側上，以阻礙天線共振元件以防檢視。區54中之油墨62及覆蓋部件60之介電材料可對射頻信號足夠透明以使得射頻信號可經由此等結構在方向70上傳送。
圖6說明結構200可定位於導電外殼結構12之一部分中的開口中之方式(作為一實例)。圖6中未展示圖5之窗58。圖6中之開口具有沿著外殼結構12之一邊緣的矩形凹座之形狀。需要時，可使用其他形狀之開口。如圖6中所展示，結構200之圖案化導電層可具有倒F形天線共振元件之形 狀。詳言之，結構200可具有諸如分支200-1之主分支、諸如分支200-2之一或多個額外分支(例如，以提供額外頻率共振及/或加寬之天線頻寬)、諸如分支200-4之短路分支，及諸如分支200-3之饋電分支。需要時，可包括其他分支(臂)、特徵(諸如，彎曲)、彎曲邊緣及其他形狀。
傳輸線44(圖3及圖5)可耦接於結構200與收發器電路23(圖3)之間。傳輸線44可具有連接至正天線饋電端子76之正信號線及連接至接地天線饋電端子78之接地信號線。正天線饋電端子76可經由電容器Cfp耦接至天線共振元件分支200-3上之正天線饋電端子76'。接地天線饋電端子78可經由電容器Cfg耦接至天線共振元件分支200-4上之接地天線饋電端子78'。
用於電容器Cfp及Cfg之電容值較佳具有足夠大小以確保此等電容器之阻抗為低的且不會中斷與器件10中之無線信號相關聯的頻率下之天線操作。舉例而言，若路徑44用以處置100 MHz或更大之頻率下的信號(例如，蜂巢式電話信號、無線區域網路信號等)，則Cfp及Cfg之值可為10 pF或更大、100 pF或更大(例如，幾百pF)，或可具有確保所傳輸及所接收之天線信號未經阻礙的其他合適大小。在較低之頻率下，電容器Cfp及Cfg之阻抗較佳足夠大以防止干擾到達自結構200所形成之天線共振元件。
近接感測器電路可經由(多個)電感器202耦接至結構200。舉例而言，諸如電容轉數位轉換器電路136(圖3之電路16的部分)之近接感測器電路可用以使用自結構200之該 (等)圖案化導電層所形成的一或多個電容器電極進行電容量測。(多個)電感器202可具有防止射頻天線信號(例如，100 MHz或更大之頻率下的天線信號)到達電容轉數位轉換器136或其他近接感測器電路同時允許AC近接感測器信號(例如，頻率在1 MHz以下之信號)在結構200與近接感測器電路之間傳遞的阻抗值(例如，幾百nH之阻抗)。
電容器Cfp及Cfg形成高通濾波器。藉由使用高通電路(諸如，電容器Cfp及Cfg)，可防止低頻率雜訊干擾用於結構200之天線操作。(多個)電感器202形成低通濾波器。藉由使用低通電路(諸如，(多個)電感器202)，可防止來自天線信號之射頻雜訊干擾用於結構200之近接感測器操作。需要時，其他類型之高通及低通濾波器可介入於結構200與射頻收發器電路及與結構200相關聯之近接感測器電路之間。圖6之配置僅為說明性的。
圖7係展示關於導電結構200之電容量測可用以量測外部物件87與器件10之間的距離D(亦即，結構200與物件87之間的距離)之方式的圖。導電結構200可包括充當用於電容式近接感測器電路80之電極的至少一圖案化導體(例如，印刷電路基板上之圖案化跡線)。電路80可為(例如)圖3之電路16的部分。信號產生器130可為(例如)在約200 kHZ至250 kHZ之頻率下產生交流(AC)信號的電壓源(作為一實例)。信號偵測器132可為電流計或用於監視與藉由導電結構200所形成之該(等)電容器電極相關聯之信號的其他合適量測電路。
在操作期間，信號偵測器132可監視與結構200相關聯之電容。當使用者之腿或其他外部物件87在結構200之範圍內時，外部物件之存在將產生可藉由信號偵測器132偵測之電容的改變。信號偵測器132可在線134上提供指示結構200附近之外部物件87之存在或不存在的輸出信號。可以類比或數位形式提供之此信號可為布林值，該布林值在未偵測到外部物件87時具有第一邏輯值(例如，邏輯0)且在偵測到外部物件87時具有第二邏輯值(例如，邏輯1)。
線134上之輸出信號亦可具有回應於不同的所偵測電容改變而連續變化之位準。在此類型之配置的情況下，電路80可估計分離結構200與外部物件87之距離D的值。當物件87係靠近的時，近接感測器電路80將在輸出134上產生相對高之值。當物件87係遠的時，近接感測器電路80將在輸出134上產生相對低之值。輸出134上之信號可為類比信號(例如，類比電壓)或數位值。
路徑134上之輸出信號可經完全處理(例如，以指示D之值)或可為原始信號(例如，表示來自導電結構200之所偵測電容值的信號)。可使用處理器、特殊應用積體電路及與儲存及處理電路16相關聯之其他資源進一步處理原始信號。需要時，可使用其他配置。舉例而言，可使用其他信號源、可使用其他信號偵測方案，可使用類比信號與數位信號之組合提供信號輸出等。
結構200可自如下任何合適的導電結構形成：可偵測歸因於外部物件(諸如，人體部分)之存在的電容改變。結構 200之形狀在自頂部(方向71)檢視時可具有直側、彎曲側、直側與彎曲側之混合，或其他合適形狀。舉例而言，結構200可具有圖6中所展示的類型之倒F形天線共振元件形狀。結構200之尺寸可使得結構200之輪廓適配於介電天線窗58之輪廓(亦即，圖6之實例中之接地平面12的矩形切掉部分，其在每一橫向尺寸上可為約0.5 cm至10 cm)內。在橫截面中，結構200之厚度可小於1 mm、小於0.5 mm、小於0.2 mm、小於0.1 mm，或任何其他合適厚度。可在形成結構200時使用基板(諸如，硬質及可撓性印刷電路板基板)。結構200亦可自金屬箔或其他導電材料予以形成。
結構200可自單一導電材料層或者兩個或兩個以上導電材料層予以形成。結構200可自可撓性印刷電路基板或硬質印刷電路基板予以形成。可撓性印刷電路(「撓曲電路」)可自可撓性聚合物或其他介電質之薄片予以形成。硬質印刷電路基板可自玻璃纖維填充之環氧樹脂或其他合適材料予以形成。兩層組態中之上部及下部圖案化導電層可為(例如)自諸如銅或鍍以金之銅(作為實例)之金屬所形成的導電跡線。導電跡線可視情況以介電塗層塗佈。當結構200含有兩個層時，電極層中之一者可充當感測器電極層且電極層中之另一者可充當作用屏蔽層。
圖8展示在同時使用雙層結構200以作為天線共振元件及作為近接感測器電容器電極時可使用之電路。如圖8中所展示，導電結構200可具有第一圖案化導電層200U及第二圖案化導電層200L。圖案化導電層200U及200L可藉由介 入之介電層(諸如，介電層206)電隔離。收發器電路204(例如，諸如圖4之收發器23及放大器82之電路及相關聯的傳輸線44)可藉由如結合圖6所描述之電容器Cfp及Cfg耦接至第一圖案化導電層200U。
用於圖案化導電層200U之圖案(例如，圖6之倒F形天線共振元件圖案)可與用於圖案化導電層200L之圖案相同。在與器件10中之無線信號相關聯的頻率(例如，100 MHz以上之頻率)下，層200U與200L之間的電容C2充當短路(亦即，層200U與200L之間的阻抗為小的)。結果，層200U及200L有效地組合為單一共振元件(具有藉由層200U及200L所共用之圖案)。需要時，層200U及200L可具有不同之圖案，其限制條件為所得組合圖案在以無線信號頻率操作時充當有效天線共振元件。較佳地，層200U與200L之間無直流(DC)短路(亦即，層200U與200L較佳藉由介入之介電層206隔離)，使得層200U及200L可用作兩電極近接感測器之部分。
近接感測器電路80可包括信號產生器電路及感測器電路。電容轉數位轉換器功能性可藉由電路80提供以將來自電極200U及200L之電容量測轉換為近接感測器資料。
電路80可藉由電感器L2耦接至圖案化導電層200U且藉由電感器L2耦接至圖案化導電層200L。電感器L1及L2可具有約200 nH至4000 nH之電感值或允許電感器L1及L2充當射頻抗流器(亦即，射頻抗流電感器)之其他合適的值。在容量中使用結構200作為天線共振元件所傳輸之射頻信 號歸因於電感器L1及L2(圖6之電感器202)的存在而經受相對高的阻抗，且不傳遞至電容轉數位轉換器。在射頻天線信號藉由電感器L1及L2(其充當射頻抗流器)阻礙之同時，較低頻率信號(諸如，藉由圖7之來源130(圖8之電路80的部分)供應至結構200之在kHz範圍中的交流(AC)激勵信號)可經由電感器L1及L2在結構200與電路80之間傳遞。此係因為電感器L1及L2之阻抗隨頻率而按比例縮放。
電路80可使用任何合適的電容式觸碰感測器控制電路來實施。在一合適配置之情況下，電路80可包括電容轉數位轉換器電路，諸如可自Analog Devices of Norwood,Massachusetts購得之AD7147可程式化電容轉數位轉換器積體電路。電容轉數位轉換器電路80將其輸入端上之電容式輸入信號轉換為其輸出端上之數位電容值以用於藉由如結合圖4所描述的電路16處理。
在操作期間，導電層200U與200L之間的所量測電容C2可藉由將近接信號驅動至並聯之導體200U及200L上來最小化。此幫助改良近接感測器效能。在感測器電極200U與外殼12之間通常存在約150 pF或更小之固定電容C1。電容C1由外殼12內之電磁場引起且不回應於外部物件87相對於電極200U之位置的改變。外殼12外部之邊緣電場在導電層200L與外殼12之間引起電容CA。
可變電容CAX出現於外部物件87與導電層200L之間。電容CAX之量值取決於外部物件87與電極層200L之間的距離。當外部物件87不存在時，CAX之值處於最小值。隨著 物件87接近層200L，CAX之值上升。當物件87在層200L附近時(亦即，當物件87距層200L為小於2 cm或其他合適距離時)，CAX之相對大之值出現。電容轉數位轉換器電路80可量測電容CAX(其與電容CA並聯)且可產生相應之數位電容值。儲存及處理電路16(圖3及圖4)可接收已藉由電容轉數位轉換器電路80量測之數位電容值且可計算指示外部物件距結構200之距離的相應之距離值。
當外部物件87接近結構200時(例如，當使用者將器件10置放於使用者之膝蓋上以使得自結構200所形成之天線共振元件靠近使用者之腿時)，電容轉數位轉換器電路80可輸出相應高的電容值。儲存及處理電路16可分析來自電容轉數位轉換器電路80之電容信號且可採取適當動作。
舉例而言，若儲存及處理電路16得出外部物件87距自結構200所形成之天線大於2 cm(或其他合適距離)的結論，則可允許收發器電路23以任何所要功率(包括用於器件10之最大可用傳輸功率)傳輸射頻天線信號。然而，若儲存及處理電路16得出外部物件87在天線附近之結論，則儲存及處理電路16可限制來自收發器23之可准許傳輸功率的量。以此方式，儲存及處理電路16可在判定將在操作收發器電路23時使用之射頻輸出功率位準時使用外部物件近接資訊。當外部物件(諸如，使用者之身體)靠近器件10及天線時，可減小最大傳輸功率以確保符合法規限制。當無外部物件在器件10及天線附近時，可移除基於近接之傳輸功率限制且可使用較大的射頻輸出功率。
如圖9之分解透視圖中所展示，作為一實例，導電結構200可包括實質上相同之圖案化層200L及200U。舉例而言，若層200L具有倒F形天線共振元件之形狀，則層200U可具有同一倒F形天線共振元件之形狀。如結合圖8所描述，在與器件10中之天線信號相關聯的頻率下，層200U及200L有效地組合為單一導電天線共振元件結構(具有共用之倒F形天線共振元件形狀)，此係因為電容器C2(圖8)之阻抗在高頻率下為低的。
當組裝時，導電結構200可如圖10中所展示而出現。如圖10中所展示，導電結構200可彎曲(例如，當導電結構200係自撓曲電路形成時)。舉例而言，導電結構200之邊緣中之一者可沿著其長度向後彎曲以形成彎曲邊緣200B。彎曲邊緣200B可允許結構200適配於外殼12內，以使得彎曲邊緣200B擱置於顯示器覆蓋玻璃60之非作用區54下方，如圖5中所展示。此僅為可用於將導電結構200安裝於器件10之外殼12內的說明性組態。需要時，可使用其他組態(例如，無彎曲邊緣之組態、具有多個彎曲邊緣之組態等)。
前述內容僅說明本發明之原理，且在不脫離本發明之範疇及精神的情況下，熟習此項技術者可進行各種修改。
根據一實施例，提供一種電子器件，其包括：一射頻收發器；電容式近接感測器電路；接地結構；及導電結構，其經由高通電路耦接至該射頻收發器且經由低通電路耦接至該電容式近接感測器電路，其中該等導電結構包括形成 一天線共振元件之至少一圖案化導體，該天線共振元件與該等接地結構一起操作以形成該射頻收發器藉以傳輸射頻天線信號之一天線，且其中該至少一圖案化導體形成該電容式近接感測器電路藉以進行電容量測之一電容器電極。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該高通電路包括至少兩個電容器。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其亦包括具有正信號線及接地信號線之一傳輸線，其中該收發器電路經由該正信號線及該兩個電容器中之一第一者耦接至該至少一圖案化導體且經由該接地信號線及該兩個電容器中的一第二者耦接至該至少一圖案化導體。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該至少一圖案化導體包括該等導電結構中之一對圖案化導體層中之一者，且其中該等導電結構包括介入於該對圖案化導體層之間的一介電層。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該低通電路包括耦接於該近接感測器電路與該對圖案化導體中之一第一者之間的一第一電感器及耦接於該近接感測器電路與該對圖案化導體中的一第二者之間的一第二電感器。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該第一圖案化導體及該第二圖案化導體具有實質上相同的圖案。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該第一圖案化導體及該第二圖案化導體具有實質上相同的倒F形天線共振元件圖案。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該等接地結構包括導電外殼結構。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其亦包括該等導電外殼結構中之一介電窗，其中該等導電結構鄰近於該介電窗而安裝。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該等導電結構包括具有一彎曲邊緣之一撓曲電路基板。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該等導電結構包括形成用於該天線共振元件之一倒F形天線共振元件結構的一圖案化跡線。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該等導電結構包括一介電基板之對置側上的第一圖案化導電層及第二圖案化導電層，且該電子器件亦包括：一正天線饋電端子，其經由該等電容器中之一第一者連接至該等圖案化導電層中之該第一者；及一接地天線饋電端子，其經由該等電容器中之一第二者連接至該等圖案化導電層中的該第一者。
根據一實施例，提供一種電子器件，其包括：一接地；射頻收發器電路；電容式近接感測器電路；一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構，其耦接至該電容式近接感測器電路；及正天線饋電端子及接地天線饋電端子，其耦接至該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構，其中該射頻收發器電路耦接至該正天線饋電端子及該接地天線饋電端子，且其中該接地與該等一體式 天線共振元件及近接感測器電容器電極結構形成一天線。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構包括在一介電層之對置側上的第一圖案化導體層及第二圖案化導體層。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其亦包括介入於該正天線饋電端子與該第一圖案化導體層之間的一第一電容器及介入於該接地天線饋電端子與該第一圖案化導體層之間的一第二電容器。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該第一圖案化導體層及該第二圖案化導體層具有相同的形狀且藉由該介電層電隔離。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該接地包括導電外殼結構，該電子器件進一步包括鄰近於該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構的該導電外殼結構中之一介電窗。
根據一實施例，提供一種電子器件，其包括：導電結構，其具有形成於一介電基板層之對置側上的第一圖案化導電層及第二圖案化導電層；近接感測器電路，其耦接至該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層且經組態以使用來自該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層之電容量測來產生近接資料，該近接資料反映印刷電路結構與該電子器件之外部的物件之間的距離；無線收發器電路；及一傳輸線，其將該無線收發器電路耦接至該等印刷電路結構，其中該無線收發器電路使用該第一圖案化導電層及該 第二圖案化導電層傳輸天線信號。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該傳輸線包括第一信號線及第二信號線，且其中該電子器件進一步包括介入於該第一信號線與該等導電結構之間的一第一電容器及介入於該第二信號線與該等導電結構之間的一第二電容器。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有相同的圖案，且其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有至少具有一饋電分支及一短路分支之一倒F形天線共振元件形狀。
根據另一實施例，提供一種電子器件，其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有相同的圖案，且其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有至少兩個分支。
10‧‧‧電子器件
12‧‧‧外殼/導電外殼結構/接地平面
12A‧‧‧直邊緣/彎曲邊緣
12B‧‧‧後表面
14‧‧‧輸入-輸出電路
16‧‧‧儲存及處理電路
18‧‧‧輸入-輸出器件
20‧‧‧無線通信電路
22‧‧‧收發器電路
23‧‧‧射頻(RF)收發器電路/射頻收發器
24‧‧‧蜂巢式電話收發器電路
26‧‧‧天線
44‧‧‧傳輸線路徑
50‧‧‧顯示器
54‧‧‧非作用顯示區/周邊區
56‧‧‧區
58‧‧‧RF窗/天線窗/介電窗
59‧‧‧按鈕
60‧‧‧覆蓋玻璃/覆蓋部件
62‧‧‧油墨
64‧‧‧顯示器面板模組
70‧‧‧方向
71‧‧‧方向
76‧‧‧正天線饋電端子
76'‧‧‧正天線饋電端子
78‧‧‧接地天線饋電端子
78'‧‧‧接地天線饋電端子
80‧‧‧電容式近接感測器電路
82‧‧‧功率放大器電路/輸出放大器/功率放大器
83‧‧‧虛線
84‧‧‧控制線
86‧‧‧路徑
87‧‧‧外部物件
130‧‧‧信號產生器/來源
132‧‧‧信號偵測器
134‧‧‧線/輸出/路徑
136‧‧‧電容轉數位轉換器電路
200‧‧‧整合式天線共振元件及近接電容器感測器電極結構/導電結構
200-1‧‧‧分支
200-2‧‧‧分支
200-3‧‧‧天線共振元件分支
200-4‧‧‧天線共振元件分支
200B‧‧‧彎曲邊緣
200L‧‧‧第二圖案化導電層/電極/導體/電極層
200U‧‧‧第一圖案化導電層/電極/導體
202‧‧‧電感器
204‧‧‧收發器電路
206‧‧‧介電層
300‧‧‧線/方向
302‧‧‧方向
C1 ‧‧‧固定電容
C2 ‧‧‧電容/電容器
CA ‧‧‧電容
CAX ‧‧‧可變電容
CFP ‧‧‧電容器
CFG ‧‧‧電容器
D‧‧‧距離
L1‧‧‧電感器
L2‧‧‧電感器
圖1係根據本發明之實施例的可具備一體式天線及近接感測器結構的類型之說明性電子器件的前視透視圖。
圖2係根據本發明之實施例之說明性電子器件(諸如，圖1之電子器件)的後視透視圖。
圖3係根據本發明之實施例之說明性電子器件的示意圖。
圖4係根據本發明之實施例之可用於電子器件(諸如，圖1之電子器件)中的射頻通信電路及近接感測器電路之電路圖。
圖5係根據本發明之實施例之圖1及圖2的電子器件之一部分的橫截面側視圖。
圖6係根據本發明之實施例之電子器件中的說明性整合式天線及近接感測器的俯視圖。
圖7係根據本發明之實施例展示電容量測可用以判定近接感測器與外部物件之間的距離之方式的圖。
圖8係根據本發明之實施例展示具有圖案化導體之兩側的導電結構可用作天線共振元件及近接感測器之方式的圖。
圖9係根據本發明之實施例之可用以實施一體式天線及近接感測器結構的具有藉由介電層所分離之兩個圖案化導電層之說明性結構的分解透視圖。
圖10係根據本發明之實施例之在沿著結構的一邊緣形成彎曲以適應安裝於電子器件內之後的圖9中所展示之類型之結構的透視圖。
10‧‧‧電子器件
12‧‧‧外殼/導電外殼結構/接地平面
12A‧‧‧直邊緣/彎曲邊緣
50‧‧‧顯示器
54‧‧‧非作用顯示區/周邊區
56‧‧‧區
58‧‧‧RF窗/天線窗/介電窗
59‧‧‧按鈕

Claims (21)

  1. 一種電子器件，其包含：一射頻收發器；電容式近接感測器電路；接地結構；及導電結構，其經由高通電路耦接至該射頻收發器且經由低通電路耦接至該電容式近接感測器電路，其中該等導電結構包括形成一天線共振元件之至少一圖案化導體，該天線共振元件與該等接地結構一起操作以形成該射頻收發器藉以傳輸及接收射頻資料信號之一天線，且其中該至少一圖案化導體形成該電容式近接感測器電路藉以進行電容量測之一電容器電極。
  2. 如請求項1之電子器件，其中該高通電路包含至少兩個電容器。
  3. 如請求項2之電子器件，其進一步包含具有正信號線及接地信號線之一傳輸線，其中該收發器電路經由該正信號線及該兩個電容器中之一第一者耦接至該至少一圖案化導體且經由該接地信號線及該兩個電容器中的一第二者耦接至該至少一圖案化導體。
  4. 如請求項3之電子器件，其中該至少一圖案化導體包含該等導電結構中之一對圖案化導體層中之一者，且其中該等導電結構包括介入於該對圖案化導體層之間的一介電層。
  5. 如請求項4之電子器件，其中該低通電路包含耦接於該 電容式近接感測器電路與該對圖案化導體中之一第一圖案化導體之間的一第一電感器及耦接於該電容式近接感測器電路與該對圖案化導體中的一第二圖案化導體之間的一第二電感器。
  6. 如請求項5之電子器件，其中該第一圖案化導體及該第二圖案化導體具有實質上相同的圖案。
  7. 如請求項6之電子器件，其中該第一圖案化導體及該第二圖案化導體具有實質上相同的倒F形天線共振元件圖案。
  8. 如請求項2之電子器件，其中該等接地結構包含導電外殼結構。
  9. 如請求項8之電子器件，其進一步包含該等導電外殼結構中之一介電窗，其中該等導電結構鄰近於該介電窗而安裝。
  10. 如請求項9之電子器件，其中該等導電結構包含具有一彎曲邊緣之一撓曲電路基板。
  11. 如請求項10之電子器件，其中該等導電結構包括形成用於該天線共振元件之一倒F形天線共振元件結構的一圖案化跡線。
  12. 如請求項2之電子器件，其中該等導電結構包括一介電基板之對置側上的第一圖案化導電層及第二圖案化導電層，該電子器件進一步包含：一正天線饋電端子，其經由該等電容器中之一第一者連接至該等圖案化導電層中之該第一者；及 一接地天線饋電端子，其經由該等電容器中之一第二者連接至該等圖案化導電層中之該第一者。
  13. 一種電子器件，其包含：一接地；射頻收發器電路，其經組態以經由一天線傳輸資料；電容式近接感測器電路；一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構，該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構耦接至該電容式近接感測器電路；及正天線饋電端子及接地天線饋電端子，該等正天線饋電端子及接地天線饋電端子耦接至該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構，其中該射頻收發器電路耦接至該正天線饋電端子及該接地天線饋電端子，且其中該接地與該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構形成該天線。
  14. 如請求項13之電子器件，其中該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構包含在一介電層之對置側上的第一圖案化導體層及第二圖案化導體層。
  15. 如請求項14之電子器件，其進一步包含介入於該正天線饋電端子與該第一圖案化導體層之間的一第一電容器及介入於該接地天線饋電端子與該第一圖案化導體層之間的一第二電容器。
  16. 如請求項15之電子器件，其中該第一圖案化導體層及該第二圖案化導體層具有相同的形狀且藉由該介電層電隔 離。
  17. 如請求項13之電子器件，其中該接地包含導電外殼結構，該電子器件進一步包含鄰近於該等一體式天線共振元件及近接感測器電容器電極結構的該導電外殼結構中之一介電窗。
  18. 一種電子器件，其包含：導電結構，其等具有形成於一介電基板層之對置側上的第一圖案化導電層及第二圖案化導電層；近接感測器電路，其耦接至該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層且經組態以使用來自該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層之電容量測來產生近接資料，該近接資料反映印刷電路結構與該電子器件之外部的物件之間的距離；無線收發器電路；及一傳輸線，其將該無線收發器電路耦接至該等印刷電路結構，其中該無線收發器電路使用該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層傳輸資料信號。
  19. 如請求項18之電子器件，其中該傳輸線包含第一信號線及第二信號線，且其中該電子器件進一步包含介入於該第一信號線與該等導電結構之間的一第一電容器及介入於該第二信號線與該等導電結構之間的一第二電容器。
  20. 如請求項19之電子器件，其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有相同的圖案，且其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有至少具有一饋電分支及一短路分支的一倒F形天線共振元件形狀。
  21. 如請求項18之電子器件，其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有相同的圖案，且其中該第一圖案化導電層及該第二圖案化導電層具有至少兩個分支。
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