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手機室內無線通訊的新寵兒 UWB - 了解 UWB 手機天線發展趨勢

小米近期發表了 MIX 4 旗艦手機,其中室內通訊的部分採用了 UWB (Ultra-Wide Band) 標準,其傳輸速率最高達 480Mbps,大約是 Wi-Fi 的 18.5 倍,藍芽的 160 倍。 UWB 的技術其實在 20 年前就被美國軍方使用作為短距離的高速通訊技術,但美國 FCC (Federal Communications Commission) 則是在 2002 年前才開始開放給民間進行商品化應用,但真正有機會普及使用,則是在 2020 年下半季,三星小米蘋果樂金分別說要將其納入手機中使用。

UWB 的有效傳輸距離大概是 10 米左右,且採用非正弦波窄脈波來傳輸資料,因此具有低耗電的優勢,再者,UWB 因為脈波持續時間極短,故難以被惡意捕抓解析,而具有高安全性低干擾性。 UWB 也因為使用窄脈波來傳輸資料,故不需要混頻器、本地振盪器 (LO) 及中頻 (IF) 濾波器、放大器等類比電路,但傳送端卻需要低頻率漂移的脈衝產生器,且接收端也需要精準的匹配濾波器,也就是說需要有能夠高速操作且精準的數位電路。 在以往晶片技術上,要實現上述數位電路晶片的成本較高,但在近幾年,因為晶片製造技術的突破,上述數位電路晶片則能以較低成本製作,因此,UWB 才會逐漸被手機廠商採用。

因為 UWB 的定位精準度與藍芽 5.1 版的定位精準度都可以達到 3 公分左右的等級,故在台灣工研院在推廣工業 4.0 時,曾經指出可以將 UWB 用於室內定位的用途。 然而,UWB 除了用來做定位之外,其優秀的高傳輸速率,更適合用來作為需要傳輸海量影音數據的智慧家庭應用。因此,未來除了手機會採用之外,智慧家庭應用的各類音箱、電視、遊戲機與監控設備等,勢必地也會採用。

不管那種通訊標準,天線設計會永遠是跑到最前端的商品,因此,透過天線專利的申請趨勢,可以知道這個通訊標準是否有機會被電子產品所大量採用而普及化。 圖 1 是根據在台灣全球專利檢索資料庫針對下關鍵字為「(UWB) and (天線)@TI and (手機)」且檢索去重獲取之檢索結果 (僅對台灣與中國專利分析) 所繪出的技術生命週期曲線,撇除 2021 年的點來看 (因為發明案是在 18 個月後才公開),可以看到 UWB 手機天線的技術生命大概仍在成長期往成熟期之間,也就是這類 UWB 手機天線會是市場的主流,且會有各家廠商競爭。

圖 2 是根據在台灣全球專利檢索資料庫下關鍵字為「(UWB) and (天線)@TI and (手機)」且檢索去重獲取之檢索結果 (僅對台灣與中國專利分析) 所繪出的申請人專利申請數量長條圖,由圖 2 可以知道中國廠商與日本廠商大量在 UWB 手機天線進行專利佈局,台灣廠商則沒有針對此部分進行專利佈局,雖然說台灣目前幾乎沒有手機品牌廠,多數是手機代工廠,但不少代工仍是在中國那邊工廠進行,因此,台灣廠商屆時在製造有支援 UWB 的手機時,天線的設計必須要很小心地避開中國小米與中國努比亞的獲准專利,以避免侵權。


參考資料:

- 傳次世代 Pixel 將跟上 UWB 超寬頻規格

- UWB 的「殺手級應用」終於來了?

- 蘋果 AirTag 的 UWB 技術詳解,到底有什麼用?能成為一種基礎設施嗎?

- 小米全球發表 MIX 4 旗艦手機滿滿黑科技!


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法如專利商標事務所, 專利部 2021.08.11
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往有成功機會的道路走 - 善用專利分析進行專利佈局