TWI542072B - 穿戴式裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種穿戴式裝置(Wearable Device)，特別係關於一種穿戴式裝置及其天線結構。
隨著行動通訊技術的發達，行動裝置在近年日益普遍，常見的例如：手提式電腦、行動電話、多媒體播放器以及其他混合功能的攜帶型電子裝置。為了滿足人們的需求，行動裝置通常具有無線通訊的功能。有些涵蓋長距離的無線通訊範圍，例如：行動電話使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系統及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的頻帶進行通訊，而有些則涵蓋短距離的無線通訊範圍，例如：Wi-Fi、Bluetooth系統使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的頻帶進行通訊。
依據各品牌大廠之研究方向，次世代新興之行動裝置很可能會是「穿戴式裝置(Wearable Device)」。例如，手錶、眼鏡，甚至是身上衣物，都有機會在未來具有無線通訊功能。然而，以穿戴式裝置中的手錶為例，其內部空間非常狹小，不足以容納用於無線通訊之天線。此將成為天線設計者之一大挑戰。
在較佳實施例中，本發明提供一種穿戴式裝置，包括：一非導體基座，大致為一中空結構；一金屬環圈，設置於該非導體基座上，並具有一饋入點和一接地點，其中該金屬環圈至少具有一第一缺口；以及一匹配電路，其中該金屬環圈之該接地點係經由該匹配電路耦接至一接地電位；其中該金屬環圈和該匹配電路係共同形成一天線結構。
在一些實施例中，在一些實施例中，該穿戴式裝置係實施於一手錶。
在一些實施例中，該非導體基座大致為一無蓋箱型，而該金屬環圈係位於該無蓋箱型之一開口側。
在一些實施例中，該穿戴式裝置更包括：一印刷電路板，設置於該非導體基座內，並包括一接地面，其中該接地面提供該接地電位。
在一些實施例中，該金屬環圈之該饋入點係鄰近於該第一缺口。
在一些實施例中，該金屬環圈更具有一第二缺口，使得該金屬環圈係由該第一缺口和該第二缺口分離為一第一部份和一第二部份。
在一些實施例中，該金屬環圈之該接地點係鄰近於該第二缺口。
在一些實施例中，該匹配電路包括一電感器、一電容器，或是其組合。
在一些實施例中，該穿戴式裝置更包括：一透明元件，由該金屬環圈所包圍。
在一些實施例中，該天線結構係激發產生一操作頻帶，而該操作頻帶約介於2400MHz至2484MHz之間。
100、500、700、800‧‧‧穿戴式裝置
110、710、810‧‧‧非導體基座
120、520、720、820‧‧‧金屬環圈
128、528‧‧‧第一共振路徑
129、529‧‧‧第二共振路徑
131、531、731、831‧‧‧第一缺口
521、721、821‧‧‧金屬環圈之第一部份
522、722、822‧‧‧金屬環圈之第一部份
532、732、832‧‧‧第二缺口
140‧‧‧匹配電路
150、750、850‧‧‧印刷電路板
190‧‧‧信號源
260‧‧‧透明元件
270‧‧‧錶帶
C1‧‧‧電容器
CP‧‧‧接地點
FB1‧‧‧操作頻帶
FP‧‧‧饋入點
L1‧‧‧電感器
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之部份組合圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之完整組合圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之匹配電路之示意圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之匹配電路之示意圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之部份組合圖；第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之天線結構之電壓駐波比圖；第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之部份組合圖；以及第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置之部份組合圖。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置(Wearable Device)100之部份組合圖。在較佳實施例中，穿戴式裝置100為一手腕穿戴式裝置(Wrist-wearable Device)，例如：一智慧型手錶，或是一智慧型運動手環。如第1圖所示，穿戴式裝置100至少包括一非導體基座110、一金屬環圈120、以及一匹配電路140。
非導體基座110可用塑膠材料所製成。非導體基座110大致為一中空結構。非導體基座110之外型、花紋、以及表面處理在本發明中並不特別作限制。金屬環圈120可用銅、銀、鋁、鐵，或其合金所製成。金屬環圈120係設置於非導體基座110上，其中金屬環圈120至少具有一第一缺口131，使得金屬還圈120本身大致呈現一C字形。金屬環圈120具有一饋入點FP和一接地點CP，其中饋入點FP係鄰近於第一缺口131。舉例而言，饋入點FP和第一缺口131之間距可小於5mm。匹配電路140係設置於非導體基座110內。匹配電路140可提供一電抗值(Reactance)。在一些實施例中，匹配電路140包括一或複數個電容器、一或複數個電感器，或是其組合，其中前述電容器可為晶片電容器(Chip Capacitor)，而前述電感器可為晶片電感器(Chip Inductor)。金屬環圈120之接地點CP係經由匹配電路140耦接至一接地電位。在一些實施例中，穿戴式裝置100更包括一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)150，其中印刷電路板150係設置於非導體基座110內，並包括一接地面，而此接地面可提供前述接地電位。印刷電路板150上更可設置其他各種電子電路零件。
金屬環圈120和匹配電路140係共同形成穿戴式裝置100之一天線結構。金屬環圈120之饋入點FP可以耦接至一信號源190，例如：一射頻(Radio Frequency，RF)模組，其可用於激發天線結構。饋入點FP和接地點CP之位置在本發明中並不特別作限制。舉例來說，饋入點FP和接地點CP可位於金屬環圈120之同一側邊，或分別位於金屬環圈120之二相對側邊，或是分別位於金屬環圈120之二相對角落。在一些實施例中，金屬環圈120之饋入點FP係經由一頂針或一彈片(未顯示)耦接至印刷電路板150上之信號源190，而金屬環圈120之接地點CP則經由另一頂針或另一彈片(未顯示)耦接至印刷電路板150上之匹配電路140。
在一些實施例中，非導體基座110大致為一無蓋箱型(例如：一無蓋空心立方體，其具有一正方形開口)，而金屬環圈120係位於此無蓋箱型之一開口側。非導體基座110可用於容納各種裝置零組件，例如：一電池、一時針、一分針、一秒針、一射頻模組、一信號處理模組、一計數器、一處理器、一溫度計，或(且)一氣壓計(未顯示)。在一些實施例中，金屬環圈120可以大致為一正方形環圈，用以搭配非導體基座110之一正方形開口。必須理解的是，雖然未顯示於第1圖中，但穿戴式裝置100更可包括其他元件，例如：一時間調整器、一連接帶、一防水外殼，或(且)一扣環等等。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置100之完整組合圖。在第2圖之實施例中，穿戴式裝置100係實施於一手錶。在此設計下，穿戴式裝置100更可包括一透
明元件260和一錶帶270。舉例來說，透明元件260可以是一錶面玻璃或是一透明塑膠板。透明元件260可以設置於金屬環圈120中，並可由金屬環圈120所包圍。其他手錶元件，例如：一時針、一分針，以及一秒針，皆可設置於透明元件260之下方，以利一使用者進行觀察。錶帶270可以連接至非導體基座110之相對二側，以利一使用者可藉由錶帶270來配掛穿戴式裝置100於其手腕上。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之匹配電路340之示意圖。第3圖之匹配電路340可套用至第1、2圖之穿戴式裝置100當中。在第3圖之實施例中，匹配電路340包括一電感器L1，其中電感器L1之一電感值約介於1nH至10nH之間。電感器L1可用於調整穿戴式裝置100之阻抗匹配。當金屬環圈120之接地點CP經由電感器L1耦接至接地電位時，天線結構之等效共振長度將增加，使得天線結構之操作頻帶會往低頻方向移動。在一些實施例中，電感器L1可改成一可變電感器，而此可變電感器之一電感值可根據一控制信號或一使用者輸入信號而進行調整，以對應至各種操作頻率。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之匹配電路440之示意圖。第4圖之匹配電路440可套用至第1、2圖之穿戴式裝置100當中。在第4圖之實施例中，匹配電路440包括一電容器C1，其中電容器C1之一電感值約介於0.1pF至10pF之間。電容器C1可用於調整穿戴式裝置100之阻抗匹配。當金屬環圈120之接地點CP經由電容器C1耦接至接地電位時，天線結構之等效共振長度將減少，使得天線結構之操作頻帶會往高頻方向
移動。在一些實施例中，電容器C1可改成一可變電容器，而此可變電容器之一電容值可根據一控制信號或一使用者輸入信號而進行調整，以對應至各種操作頻率。
必須理解的是，第3、4圖之匹配電路330、340之內部結構僅為舉例，但本發明並不限於此。在另一些實施例中，第1圖之匹配電路140可包括一或複數個電容器或(且)一或複數個電感器。例如，匹配電路140可由一電容器和一電感器兩者串聯耦接而形成，抑或可由一電容器和一電感器兩者並聯耦接而形成。又例如，匹配電路140可包括一短路元件或一開路元件。藉由適當地設計匹配電路140來調整等效共振長度，設計者可在不改變金屬環圈120之尺寸之情況下，仍能讓穿戴式裝置100之天線結構操作於各種不同頻帶。在一些實施例中，金屬環圈120之長度約可縮短至所需頻帶之六分之一波長或更短。由於金屬環圈120之長度無須如傳統設計般一定要對應至所需頻帶之二分之一波長或四分之一波長，本發明之穿戴式裝置100對設計者而言，其設計自由度將能大幅提升。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置500之部份組合圖。第5圖基本上與第1、2圖相似。在第5圖之實施例中，穿戴式裝置500之一金屬環圈520具有一第一缺口531和一第二缺口532，使得金屬環圈520係由第一缺口531和第二缺口532完全分離為一第一部份521和一第二部份522。金屬環圈500之一饋入點FP係鄰近於第一缺口531。例如，饋入點FP和第一缺口531之間距可小於5mm。金屬環圈500之一接地點CP係鄰近於第二缺口532。例如，接地點CP和第二缺口532之
間距可小於5mm。金屬環圈520之第一部份521之長度相對較短，且其大致呈現一直條形。金屬環圈520之第二部份522之長度相對較長，且其大致呈現一C字形。第5圖之穿戴式裝置500之其餘特徵皆與第1、2圖之穿戴式裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置100之天線結構之電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)圖，其中橫軸代表操作頻率(MHz)，而縱軸代表電壓駐波比。根據第6圖之量測結果可知，當穿戴式裝置100之金屬環圈120由信號源190所饋入時，其天線結構可激發產生至少一操作頻帶FB1。在一些實施例中，天線結構之操作頻帶FB1約介於2400MHz至2484MHz之間。因此，本發明之穿戴式裝置100至少可支援Wi-Fi和Bluetooth頻帶之無線通訊功能。由於金屬環圈120可藉由一極輕薄金屬片來實施，並成為穿戴式裝置100之外觀元件之一部份，本發明將可兼得縮小天線尺寸、維持天線頻寬、降低成本，以及美化裝置外型等等優點，其非常適合應用於各種小型化之智慧型穿戴式裝置。
請再次參考第1圖以理解本發明之天線原理和設計方式。因為金屬環圈120之形狀特性，穿戴式裝置100之天線結構將具有一第一共振路徑128和一第二共振路徑129，其中第一共振路徑128為金屬環圈120上由饋入點FP至接地點CP之間之一較短部份路徑，而第二共振路徑129為金屬環圈120上由接地點CP至第一缺口131之間之一較長部份路徑。第一共振路徑128和第二共振路徑129之一組合可大致涵蓋完整之金屬環圈
120。在天線原理方面，第6圖之操作頻帶FB1通常係由較短之第一共振路徑128所激發，再由匹配電路140作微調。因此，藉由適當地改變饋入點FP和接地點CP兩者之位置，設計者亦能輕易地控制天線結構之操作頻帶FB1。
若是討論第5圖之情況，在天線原理方面，穿戴式裝置500之天線結構之操作頻帶FB1通常係由金屬環圈520之第一部份521(包括介於饋入點FP和接地點CP之間之一第一共振路徑528)所激發，再由匹配電路140作微調，其運作方式與第1圖之穿戴式裝置100之天線結構相近似。
第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置700之部份組合圖。第7圖基本上與第1、2圖相似。在第7圖之實施例中，穿戴式裝置700之一非導體基座710大致為一無蓋空心圓柱體，其具有一圓形開口。另外，穿戴式裝置700之一金屬環圈720可以大致為一圓形環圈，用以搭配非導體基座710之圓形開口。在其他實施例中，亦可調整成非導體基座710大致為一無蓋空心橢圓柱體，而金屬環圈720大致為一橢圓形環圈。金屬環圈720可僅具有一第一缺口731，或是同時具有一第一缺口731和一第二缺口732。第7圖之穿戴式裝置700之其餘特徵皆與第1、2圖之穿戴式裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第8圖係顯示根據本發明一實施例所述之穿戴式裝置800之部份組合圖。第8圖基本上與第1、2圖相似。在第8圖之實施例中，穿戴式裝置800之一非導體基座810大致為一無蓋空心梯形柱體，其具有一梯形開口。另外，穿戴式裝置800
之一金屬環圈820可以大致為一梯形環圈，用以搭配非導體基座810之梯形開口。金屬環圈820可僅具有一第一缺口831，或是同時具有一第一缺口831和一第二缺口832。第8圖之穿戴式裝置800之其餘特徵皆與第1、2圖之穿戴式裝置100相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
本發明提出一種新穎之穿戴式裝置，其天線結構與外觀金屬部緊密結合，加以使用匹配電路、設計金屬部缺口來調整共振長度，將可同時達成功能及外型上之雙重改良效果。
值得注意的是，以上所述之元件尺寸、元件形狀、以及頻率範圍均非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。另外，本發明之穿戴式裝置及天線結構並不僅限於第1-8圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-8圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之穿戴式裝置及天線結構當中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧穿戴式裝置
110‧‧‧非導體基座
120‧‧‧金屬環圈
128‧‧‧第一共振路徑
129‧‧‧第二共振路徑
131‧‧‧第一缺口
140‧‧‧匹配電路
150‧‧‧印刷電路板
190‧‧‧信號源
CP‧‧‧接地點
FP‧‧‧饋入點
Claims (7)
- 一種穿戴式裝置，包括：一非導體基座，大致為一中空結構，且大致為一無蓋箱型；一金屬環圈，設置於該非導體基座上，並具有一饋入點和一接地點，其中該金屬環圈至少具有一第一缺口；以及一匹配電路，其中該金屬環圈之該接地點係經由該匹配電路耦接至一接地電位；其中該金屬環圈和該匹配電路係共同形成一天線結構；其中該金屬環圈之該饋入點係鄰近於該第一缺口，而該饋入點和該第一缺口之間距小於5mm；其中該金屬環圈更具有一第二缺口，使得該金屬環圈係由該第一缺口和該第二缺口分離為一第一部份和一第二部份；其中該金屬環圈之該接地點係鄰近於該第二缺口，而該接地點和該第二缺口之間距小於5mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該穿戴式裝置係實施於一手錶。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該金屬環圈係位於該無蓋箱型之一開口側。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，更包括：一印刷電路板，設置於該非導體基座內，並包括一接地面，其中該接地面提供該接地電位。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該匹配電路包括一電感器、一電容器，或是其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，更包括：一透明元件，由該金屬環圈所包圍。
- 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該天線結構係激發產生一操作頻帶，而該操作頻帶約介於2400MHz至2484MHz之間。
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