TWI686994B - 光穿透輻射元件 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種光穿透輻射元件。此光穿透輻射元件主要包含基板和至少一透明導電膜結構，其可用於轉換射頻訊號之頻率響應以增強天線之效能，進而改善含有天線之無線通訊產品的效能。
Description
本發明係有關於一種光穿透輻射元件，且特別係有關於一種具有透明且導電特性之薄膜結構的光穿透輻射元件，其可以耦合方式轉換射頻訊號為響應相異之另一射頻訊號，可用以調整天線之頻率響應，藉以改善含有天線之無線通訊產品的效能。此光穿透輻射元件具有高透光度，故在與無線通訊產品的整合上具有極高彈性。
一般而言，天線裝置廣泛應用於現今無線通訊產品中，例如筆記型電腦、手機等包含天線之無線通訊產品。然而，經由機殼封裝後，通訊電子產品的訊號收發能力會降低。針對上述問題，習知解決方法為採用整合於保護蓋上之天線以增強訊號收發能力，且調整無線通訊產品中的天線輻射訊號。然而，此解決方法係採用金屬做為無線通訊產品外部的耦合天線材料，為達到天線效能，無法採用透明導電材料(例如透明導電膜)製作，故無法將耦合天線透明化。另一方面，習知透明導電元件係採用透明導電膜進行製作，然而，現今的透明導電膜之量產方式係採用濺鍍設備(sputter)，此濺鍍設備生產透明導電膜的速度極慢；若
用於製作射頻被動元件，需考量到薄膜厚度需要大於元件操作頻率之集膚深度(skin effect)，亦即特定頻率電磁波在金屬導體表面傳播時所需厚度，故採用透明導電膜生產被動元件不符合經濟效益。有鑑於此，有必要開發一光穿透輻射元件，其藉由耦合方式改善無線通訊產品訊號收發效能，且其具備高透明度之特性，以易於與無線通訊產品外觀結合。
參照台灣專利公告號M458059之新型專利，其揭示了一種手機保護殼結構，其為一種加強手機訊號之手機保護殼結構，利用應用非接觸式的方法將設置於保護殼上的金屬片與手機的天線耦合，藉以達到增加無線通訊裝置的效果。然而，金屬片的色澤無法整合於透明保護殼上，而勢必採用有色保護殼以遮蔽金屬片，導致影響手機本身外觀之顯現。
職是之故，申請人乃細心試驗與研究，並一本鍥而不捨的精神，終於研究出一種光穿透輻射元件，特別係有關於一種可轉換射頻訊號頻率響應之光穿透輻射元件，且其具有高透明度之特性。藉由此光穿透輻射元件，可轉換既有天線之頻率響應，改善配置天線之無線通訊產品的效能，以及調整使用頻段以擴展用途之功效。此外，因本光穿透輻射元件具有高透光度，故其在與無線通訊產品的整合上具有高度彈性。
本發明之主要目的在於提出一種光穿透輻射元件，藉由其以耦合方式轉換一射頻訊號為響應相異之另一射頻訊號，可用以調整天線之頻率響應，藉以改善含有此天線之無線通訊產品的效能，且因其具有高透光度，故在與無線通訊產品的整合上具有高度彈性。
為達上述目的，本發明提出一種光穿透輻射元件，其包含有基板、至少一透明導電膜結構和輻射結構。透明導電膜結構配置於基板之至少一表面，其電阻值小於0.1mΩ，且其在光波長440奈米處之光穿透度大於50%。輻射結構用以產生第一射頻訊號，此第一射頻訊號透過基板電性耦合於透明導電膜結構，藉以產生第二射頻訊號。第一射頻訊號與第二射頻訊號之頻率位置、返回損失(return loss)、電壓駐波比及諧波模態均為相異。
根據本發明之一實施例，上述透明導電膜結構之厚度介於0.5微米(μm)與5微米之間。
根據本發明之又一實施例，上述透明導電膜結構之電阻率係為可調整，其電阻值介於0.01mΩ與0.1mΩ之間。
根據本發明之又一實施例，上述基板在光波長為380奈米至780奈米處之光穿透度大於88%。
根據本發明之又一實施例，上述基板之材質為玻璃、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環烯烴共聚物或透明陶瓷材料。
根據本發明之又一實施例，上述透明導電膜結構係步階式阻抗共振器(stepped impedance resonator)、環形共振器(stepped impedance resonator)、片型共振器(patch resonator)、四分之一波長共振器(quarter-wavelength resonator)、二分之一波長共振器(half-wavelength resonator)或槽孔式共振器(slot resonator)。
根據本發明之又一實施例，上述輻射結構係單極天線(monopole antenna)、偶極天線(monopole antenna)、槽孔天線(slot antenna)、迴圈天線(loop antenna)、螺線天線(spiral antenna)、倒F型天線(PIFA antenna)、平板天線(patch antenna)、八木天線(Yagi antenna)或陣列天線(array antenna)。
根據本發明之又一實施例，上述透明導電膜結構包含第一透明導電膜結構及第二透明導電膜結構，此第一透明導電膜結構與此第二透明導電膜結構分別配置於基板之相對兩表面上。
根據本發明之又一實施例，上述第一透明導電膜結構與上述第二透明導電膜結構之透光度及電阻率均為相異。
根據本發明之又一實施例，上述第二射頻訊號與上述第一射頻訊號之頻率差異介於0.1MHz與10GHz之間，且上述第二射頻訊號與上述第一射頻訊號之返回損失差異介於5dB與30dB之間。
本發明之光穿透輻射元件至少具有以下之功效。藉由本發明之光穿透輻射元件，可轉換射頻訊號，且具有改善無線通訊產品訊號收發能力之功效。此外，本發明之光穿透輻射元件可整合至透明機殼上，改善先前技術無法製作於透明機殼上之缺點。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100、200、300‧‧‧光穿透輻射元件
110、210、310‧‧‧基板
111、112、211、212、311、312‧‧‧表面
120、220‧‧‧透明導電膜結構
321‧‧‧第一透明導電膜結構
322‧‧‧第二透明導電膜結構
130、230、330‧‧‧輻射結構
131‧‧‧饋入端
140‧‧‧第一射頻訊號
150‧‧‧第二射頻訊號
231、232‧‧‧端部
500‧‧‧無線通訊裝置
501‧‧‧正面
502‧‧‧側面
503‧‧‧背面
600‧‧‧殼體
601‧‧‧容置面
602‧‧‧固定面
603‧‧‧槽體
d‧‧‧耦合距離
t‧‧‧厚度
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1A〕為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件的結構示意圖；〔圖1B〕為〔圖1A〕之光穿透輻射元件的剖面視圖；〔圖2〕為天線與結合光穿透輻射元件之天線的頻率響應圖；〔圖3A〕為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件的結構示意圖；〔圖3B〕為〔圖3A〕之光穿透輻射元件在不同耦合距離下的頻率響應；〔圖4〕為〔圖1A〕之光穿透輻射元件在不同厚度下的頻率響應圖；
〔圖5A〕至〔圖5C〕分別為光穿透輻射元件設置在無線通訊裝置上的示例；〔圖6A〕和〔圖6B〕分別為光穿透輻射元件設置在殼體上的示例；以及〔圖7〕為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件的結構示意圖。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明之較佳實施例，並請瞭解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
可理解的是，雖然在本文可使用「第一」和「第二」等用語來描述各種元件、結構和/或部分，但此些用語不應限制此些元件、結構和/或部分。此些用語僅用以區別一元件、結構和/或部分與另一元件、結構和/或部分。
現請參考圖1A，其為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件100之結構示意圖。光穿透輻射元件100包含有基板110、透明導電膜結構120和輻射結構130。基板110在光波長為380奈米至780奈米處之光穿透度大於88%。此外，基板110之材質可以是玻璃、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環烯烴共聚物、透明陶瓷材料或其他合適的材質。透明導電膜結構120係配置於基板110之表面
111，此透明導電膜結構120之厚度介於0.5微米(μm)與5微米之間。透明導電膜結構120的電阻值小於0.1mΩ。在一些實施例中，透明導電膜結構120的電阻率係可調整，其電阻值可介於0.01mΩ至0.1mΩ之間。透明導電膜結構120之電阻率的調整可以是藉由表面化學鍵結或靜電作用(surface chemical binding or electrostatic interactions)、微探針或光學鑷子(microprobes or optical tweezers)、吹泡膜(blown bubble films)、朗繆爾和布勞傑特膜(Langmuir-Blodgett technique)、微流體與微通道(microfluidic and microchannels)、接觸或滾印技術(contact or roll printing)、介電泳或電場力(dielectrophoresis or electric fields)、磁場力(magnetic fields)技術、架橋技術(bridging method)、或靜電紡絲技術(electrospinning)來達成，其可參照文獻Chemical Society Reviews,vol.41,no.12,2012,pp.4560-4580。
舉例來說，當透明導電膜結構120之電阻值為0.056mΩ且射頻訊號之頻率為30MHz至300GHz時，其對應之表面電阻值(surface resistivity)為0.079Ω至7.868Ω；當透明導電膜結構120之電阻值為0.037mΩ且射頻訊號之頻率為30MHz至300GHz時，其對應之表面電阻值為0.066Ω至6.620Ω。表面電阻值(以R s 表示)定義為
其中σ為導體的電導率，其單位為(S/m)，且δ s 為集膚深度(skin depth)，其單位為公尺且定義為
其中f為操作頻率(赫茲)，μ為導體的絕對磁導率，且σ為導體的電導率(S/m)。透明導電膜結構120在光波長440奈米處之光穿透度大於50%。透明導電膜結構120係由多個奈米結構所構成，此些奈米結構之直徑範圍介於15nm與80nm之間，其長度範圍介於5μm與50μm之間，且其電阻值介於0.01mΩ與0.1mΩ之間。透明導電膜結構120在每平方毫米面積中的奈米結構數量低於1500個，且此些奈米結構的長寬比小於10。在一些實施例中，此些奈米結構包含金奈米線、鎳銅奈米線、銀奈米線、鎳鐵奈米線、鈷奈米線、銅奈米線、鉛奈米線、鎳奈米線或奈米碳管。在一些實施例中，此些奈米結構為奈米碳管，其包含多層奈米碳管、雙層奈米碳管、單層奈米碳管或奈米碳纖維。
透明導電膜結構120在溫度-72℃至85℃以及濕度為85%之環境下的片電阻變化不超過10%。
在其他實施例中，透明導電膜結構可以是自組裝導電網路結構，其包含導電材料和基板。基板具有一或多個穿孔，且在穿孔的邊緣具有金屬接線。導電材料與在穿孔的邊緣處的金屬接線電性連接。在一些實施例中，導電材料為金屬奈米顆粒，例如銀奈米顆粒或其他奈米顆粒。導電材料在基板上的區域覆蓋率低於5%。在多個穿孔的例子中，穿孔至另一穿孔的距離可介於10微米與10毫米之間。
在一些實施例中，導電材料為金屬跡線，此些金屬跡線可與穿孔形成徑向圖案，即分佈至穿孔外側的金屬跡線由外而內延伸並進入至穿孔。金屬跡線的平均寬度和平均高度可分別為小於5微米和介於3微米與5微米之間。
在一些實施例中，透明導電膜結構120為步階式阻抗共振器(stepped impedance resonator)、環形共振器(ring resonator)、片型共振器(patch resonator)、四分之一波長共振器(quarter-wavelength resonator)、二分之一波長共振器(half-wavelength resonator)、槽孔式共振器(slot resonator)、方形螺旋狀共振器(square-spiral resonator)、圓形螺旋狀共振器(circular-spiral resonator)或槽孔式螺旋狀共振器(slot-spiral resonator)。
於本發明實施例中，輻射結構130產生之第一射頻訊號140透過基板110電性耦合於透明導電膜結構120，藉以產生第二射頻訊號150。第一射頻訊號140與第二射頻訊號150之頻率位置、返回損失大小、電壓駐波比及諧波模態均為相異。在一些實施例中，第二射頻訊號150與第一射頻訊號140之頻率差異介於0.1MHz與10GHz之間，且第二射頻訊號150與第一射頻訊號140之返回損失差異介於5dB與30dB之間。輻射結構130可以是單極天線(monopole antenna)、偶極天線(dipole antenna)、槽孔天線(slot antenna)、迴圈天線(loop antenna)、螺線天線(spiral antenna)、倒F型天線(PIFA antenna)、
平板天線(patch antenna)、八木天線(Yagi antenna)或陣列天線(array antenna)，但不限於此。在一些實施例中，輻射結構130具有饋入端131及接地端，此饋入端131係用以輸入第一射頻訊號140，且其與接地端形成單極天線。
現請參照圖2，其為本發明之具有光穿透輻射元件100之天線及具有光穿透輻射元件之天線之頻率響應圖。天線之頻率響係指第一射頻訊號140，而天線結合光穿透輻射元件之頻率響應係指第二射頻訊號150。第一射頻訊號140相異於第二射頻訊號150，其相異之處在於中心頻率由約4GHz偏移至約5.2GHz，且中心頻率的返回損失(return loss)(即圖2之縱軸數值的絕對值)增加約12dB。
現請參照圖3A，其為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件200之結構示意圖。光穿透輻射元件200包含基板210、透明導電膜結構220以及輻射結構230。在本實施例中，藉由變化透明導電膜結構220與輻射結構230之間的耦合距離d’(相似於圖1B之透明導電膜結構120與輻射結構130之間的耦合距離d)，使透明導電膜結構220對輻射結構230之頻率響應產生影響。透明導電膜結構220係配置於基板210之表面211，而輻射結構230係配置於基板210之另一表面212，並量測輻射結構230之一端部231或另一端部232之返回損失。如圖3B所示，以耦合距離d為0mm為對照組，當耦合距離d增加至2mm時，共振頻率由約5.5GHz偏移至約5GHz，且返回損失(即圖3A之縱軸數值的絕對值)
增加約10dB；當耦合距離d增加至4mm時，在頻率為約5GHz處及約5.5GHz處時均產生共振響應，且在頻率為約5GHz處的返回損失增加約8dB。此外，當耦合距離d分別增加至2mm與4mm時，位於1.8GHz的頻率響應偏移至約2.5GHz。本實施例顯示透明導電膜結構220可透過耦合機制實施轉換射頻訊號響應之功效。此耦合機制可以是直接式耦合或間接式耦合，其中直接式耦合係指透明導電膜結構120與輻射結構130重疊或部分重疊，而間接式耦合係指透明導電膜結構120與輻射結構130未重疊。
現請參照圖1B，其為光穿透輻射元件100之剖面視圖，並請參照圖4，其為藉由變動透明導電膜結構120之厚度t(如圖1B所示)來改變第二射頻訊號150之頻率響應。如圖4所示，透明導電膜結構120在其厚度t為0.8微米時有最高的返回損失(即圖4之縱軸數值的絕對值)約10dB。
現請參照圖5A，其係為光穿透輻射元件100設置於無線通訊裝置500之正面501上的示例，使設置於無線通訊裝置500內之天線改變其頻率響應。於本實施例中，光穿透輻射元件100必定部分重疊於無線通訊裝置500。其中無線通訊裝置500可為平版電腦、行動電話或其它具無線通訊功能的裝置。於本實施例中，光穿透輻射元件100設置於無線通訊裝置500之正面上，但不限於特定方位。在其他實施例中，如圖5B、圖5C所示，光穿透輻射元件100另可設置於無線通訊裝置500之側面502上或背面503上。
需注意的是，於本發明實施例中，無線通訊裝置500可以是例如全球移動通訊系統(Global System for Mobile Communications；GSM)、無線區域網路(Wireless LAN)、第二代行動通訊系統(2G)、第三代行動通訊系統(3G)或***行動通訊系統(4G)定義的工作站(STA)、用戶裝置(User Equipment；UE)或行動站(Mobile Station；MS)等，但本發明並不限於此。
現請參照圖6A，其係為光穿透輻射元件100設置於殼體600上的示例，此殼體600適於容置無線通訊裝置(例如圖5A之無線通訊裝置500)。殼體600具有容置面601，且在此容置面601中具有槽體603，其用以放置光穿透輻射元件100。殼體600更包含固定面602，其用以在容置無線通訊裝置後包覆無線通訊裝置。殼體600可為例如平版電腦或行動電話之保護殼。於其他實施例中，如圖6B所示，槽體603另可配置於固定面602中。
於本發明之其他實施例中，光穿透輻射元件可包含第一透明導電膜結構及第二透明導電膜結構，其分別配置於光穿透輻射元件之基板的相對兩表面上，亦即第二透明導電膜結構配置於與前述實施例中之輻射結構130、230同側。舉例而言，請參照圖7A，其為依據本發明一些實施例之光穿透輻射元件300之結構示意圖。光穿透輻射元件300包含基板310、第一透明導電膜結構321、第二透明導電膜結構322以及輻射結構330，其中第一透明導電膜結構321位於基板310的表面311上，而第二透明導電膜結構322與
輻射結構330均位於基板310的另一表面312上。基板310、第一透明導電膜結構321和輻射結構330分別對應光穿透輻射元件100之基板110、第一透明導電膜結構120和輻射結構130。相較於光穿透輻射元件100，光穿透輻射元件300還包含與輻射結構330位於基板310之同一表面312上的第二透明導電膜結構322。第一透明導電膜結構321與第二透明導電膜結構322之透光度與電阻率可相異。藉由增加第二透明導電膜結構322的的設置，可調整光穿透輻射元件的頻率響應，包含共振頻率位置及返回損失等。
綜上所述，本發明之光穿透輻射元件至少具有以下之功效。藉由本發明之光穿透輻射元件，可轉換射頻訊號，且具有可改善無線通訊產品訊號收發能力之功效。此外，本發明之光穿透輻射元件可整合至透明機殼上，改善先前技術無法製作於透明機殼上之缺點。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此創作的精神。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。
110‧‧‧基板
111、112‧‧‧表面
120‧‧‧透明導電膜結構
130‧‧‧輻射結構
131‧‧‧饋入端
140‧‧‧第一射頻訊號
150‧‧‧第二射頻訊號
Claims (10)
- 一種光穿透輻射元件，包含：一基板；至少一透明導電膜結構，係配置於該基板之至少一表面，該至少一透明導電膜結構係由複數個奈米結構所構成，該至少一透明導電膜結構之電阻值小於0.1mΩ，且該至少一透明導電膜結構在光波長為440奈米處之光穿透度大於50%，其中每一該些奈米結構之直徑介於15nm與80nm之間，每一該些奈米結構之長度介於5μm與50μm之間，每一該些奈米結構之電阻值介於0.01mΩ與0.1mΩ之間，每一該些奈米結構之長寬比小於10，且該至少一透明導電膜結構在每平方毫米面積中的奈米結構數量低於1500個；以及一輻射結構，用以產生一第一射頻訊號，該第一射頻訊號透過該基板電性耦合於該至少一透明導電膜結構，藉以產生一第二射頻訊號，該第一射頻訊號與該第二射頻訊號之頻率位置、返回損失(return loss)、電壓駐波比及諧波模態均為相異。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該至少一透明導電膜結構之厚度介於0.5微米(μm)與5微米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該至少一透明導電膜結構之電阻率係可調整，其電阻值介於0.01mΩ與0.1mΩ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該基板之材質為玻璃、聚乙烯對苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環烯烴共聚物或透明陶瓷材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該至少一透明導電膜結構係一步階式阻抗共振器(stepped impedance resonator)、一環形共振器(ring resonator)、一片型共振器(patch resonator)、一四分之一波長共振器(quarter-wavelength resonator)、一二分之一波長共振器(half-wavelength resonator)或一槽孔式共振器(slot resonator)。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該輻射結構係一單極天線(monopole antenna)、一偶極天線(dipole antenna)、一槽孔天線(slot antenna)、一迴圈天線(loop antenna)、一螺線天線(spiral antenna)、一倒F型天線(PIFA antenna)、一平板天線(patch antenna)、一八木天線(Yagi antenna)或一陣列天線(array antenna)。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該至少一透明導電膜結構包含一第一透明導電膜結構及一第二透明導電膜結構，該第一透明導電膜結構與該第二透明導電膜結構配置於該基板之相對兩表面上。
- 如申請專利範圍第7項所述之光穿透輻射元件，其中該第一透明導電膜結構與該第二透明導電膜結構之透光度及電阻率均為相異。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該第二射頻訊號與該第一射頻訊號之頻率差異介於0.1MHz與10GHz之間，且該第二射頻訊號與該第一射頻訊號之返回損失差異介於5dB與30dB之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之光穿透輻射元件，其中該些奈米結構包含金奈米線、鎳銅奈米線、銀奈米線、鎳鐵奈米線、鈷奈米線、銅奈米線、鉛奈米線、鎳奈米線或奈米碳管。
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