穿戴式无线设备中的耦合多频天线的制作方法

相关申请案交叉申请

本申请要求2015年7月28日递交的发明名称为“穿戴式无线设备中的耦合多频天线(coupledmulti-bandsantennasinwearablewirelessdevices)”的第14/811,621号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。

本发明大体上涉及用于穿戴式无线通信设备的系统和方法，且在具体实施例中，涉及在穿戴式无线通信设备中提供性能改进的耦合多频天线的系统和方法。

背景技术：

现代无线设备的工业设计正向着低轮廓设备方向发展。这些现代无线设备包括蜂窝电话、平板，或者诸如手表、眼镜和虚拟现实耳机等之类的穿戴式电子设备。无线设备需要多个多频射频(radiofrequency，rf)天线来对使用者操作或在其附近操作。典型的天线包括蜂窝主天线、分集天线、无线联网(例如，wifi、802.11或蓝牙)天线、近场天线(例如，近场通信或无线充电)和全球定位(例如，gps、gnss、北斗)天线。多个多频天线需要联合设计为相互合作并且与扬声器、lcd显示屏、电池、传感器等其它电磁部件合作。然而，相互靠近的天线导致隔离度低、效率降低和信道干扰增加。

技术实现要素：

根据本发明一实施例，一种穿戴式无线设备包括：电路板；容纳所述电路板的壳体，所述壳体有一个正面和一个背面，在穿戴时，设置所述背面比所述正面靠近使用者；第一天线振子，电连接到所述电路板并且位于所述壳体的所述正面；以及第二天线振子，电连接到所述电路板并且位于所述壳体的所述正面，其中，所述第一天线振子的第一端和所述第二天线振子的第一端间隔第一距离，所述第一天线振子的第二端和所述第二天线振子的第二端间隔第二距离。

根据本发明一实施例，一种穿戴式无线设备包括：第一天线，包括第一天线振子和共享接地板；第二天线，包括第二天线振子和所述共享接地板；以及在正面和背面容纳所述第一和第二天线振子的壳体，设置所述正面背离使用者，所述背面与所述正面相对，设置所述背面面对所述使用者，其中，所述第一天线振子的第一端和所述第二天线振子的第一端间隔第一距离，所述第一天线振子的第二端和所述第二天线振子的第二端间隔第二距离。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：

图1示出了根据一实施例的穿戴式无线设备的透视图；

图2示出了根据一实施例的没有外壳材料的穿戴式无线设备的透视图；

图3示出了根据一实施例的穿戴式无线设备的外壳的透视图；

图4示出了根据一实施例的穿戴式无线设备的外壳的另一透视图；

图5示出了根据一实施例的穿戴式无线设备的外壳的又一透视图；

图6示出了根据一实施例的穿戴式无线设备的外壳的再一透视图；

具体实施方式

下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。另外，所描述的方法和装置可能应用于无线通信系统天线布局和设计，但不特定限制于这些。

现代通信设备能够在不同频段的多个不同信道上同时进行通信，使得数据吞吐量增加并且能够在单个设备中提供多个同步无线通信服务。很多无线通信设备设计成多频段设备，能够在不同的蜂窝频段上进行通信，例如在700mhz至960mhz频段、1700mhz至2700mhz频段上通信。另外，无线设备经常具有其它的特性，例如2400mhz、3600mhz和5000mhz等频段上的wifi连通性，1227mhz和1575mhz频率上的gps，以及2400mhz至2485mhz频率上的蓝牙。多频天线能够在不同频率或频段上进行通信。例如，在一些设备中，蜂窝服务由用于在两个或多个不同的蜂窝频段上进行通信的天线或一组天线提供，辅助服务由用于在wifi、gps和蓝牙频段上进行通信的wifi/gps/蓝牙天线或一组天线提供。

然而，在一些实例中，蜂窝频段和wifi、gps或蓝牙频段可重叠，从而在蜂窝和gps/wifi/蓝牙天线极为靠近时产生干扰。另外，在穿戴式电子设备(例如，手表、眼镜和虚拟现实耳机)、手持式蜂窝电话或平板电脑等较小设备中，将相似频段的天线分配在越来越小的空间中。例如，针对824mhz至960mhz和1700mhz至2700mhz范围优化的蜂窝天线需要大容量进行有效工作。这些频率与gps、wifi或蓝牙信号接近或重叠。重叠频段，结合蜂窝和gps/wifi/蓝牙天线的接近，将干扰引入到天线中。例如，1700mhz频段的蜂窝天线上的传输会干扰到1575mhz频段的gps信号。对这种信号的干扰尤其是一个问题，因为gps信号从卫星传输而来，导致信号弱且信号功率容易超负荷。

本文描述的系统和方法提供相互靠近放置的耦合多频天线。例如，所述系统和方法提供一个多频蜂窝无线天线和一个围绕穿戴式无线设备的上表面延伸的gps/wifi/蓝牙天线。在一些实施例中，多频天线位于显示器周围，沿着穿戴式无线设备的末端，远离最近身体或皮肤组织。这种布置使得皮肤和身体的吸附性最小且辐射孔径增加。确保gps/wifi/蓝牙天线和多频蜂窝天线之间有适当的耦合距离，从而减少天线之间的干扰。

为了减少天线覆盖面积和穿戴式无线设备的总尺寸，多个天线放置在远离使用者的穿戴式无线设备的端部。这种设置使得无线连接增强，这是因为天线位于远离使用者的身体或皮肤的穿戴式无线设备的外围。天线的位置可以更好地远离身体或皮肤，因为皮肤可能遮挡或减弱射频信号。在一些实施例中，通过耦合多个天线也可以增强连通性。在其它实施例中，小的覆盖面积可通过提供共享接地板(例如，电路板)来实现。

一些实施例的优点是：到两个天线振子的馈电点在电路板上相互靠近放置。馈电点可布置在电路板的一个区域中，该区域中没有其它组件或电线。换言之，馈电点位于电路板的一个区域中，受其它电子元件的干扰、电力中断或失真很少或最小。使用这些位于电路板表面的一个分配区域的馈电位置增强了穿戴式无线设备的天线性能。另外，在无线设备的不同侧上布线部分gps/wifi/蓝牙天线提高了各个天线的天线效率并且当共享相同或重叠频段时，加强了它们相对于彼此的隔离度。

图1所示为用户可穿戴的穿戴式无线设备100。穿戴式无线设备100，例如穿戴式手表，包括壳体110、显示器120和天线振子150、160。天线振子150、160位于壳体110的正面114的不同侧，远离使用者的身体和皮肤。换言之，在穿戴时，设置背面115比正面114靠近使用者。壳体的正面114与壳体110的背面115相对。正面114通过侧面116连接到背面115。显示器120可设置在正面114，背面115大部分由罩盖(未示出)覆盖，设置罩盖打开以替换电池。

穿戴式设备100可包括第一天线(包括天线振子150)和第二天线(包括天线振子160)。天线可以是用于在多个频段上传送、传输和接收信号的多模天线。在一些实施例中，第一天线和第二天线为转换天线或智能天线，取决于频率匹配性能。电路板的电路系统用于监测有源天线的传入或接收的无线电信号。

第一天线可用于为蜂窝无线通信服务提供通信能力。第一天线能够以700mhz至960mhz频段、1700mhz、1900mhz、2100mhz、2500mhz和2700mhz频段等蜂窝频段进行通信。第二天线可用于为蓝牙、gps、wifi等通信服务提供通信能力。在一些实施例中，第二天线为双模天线，用于在用于多个通信服务的多个频段上进行传送、传输或接收。例如，第二天线可以是gps/wifi/蓝牙天线，它在gps频率、一组频率或一个频段上接收gps定位信号。这种gps/wifi/蓝牙天线还可以用于在2400mhz、3600mhz和5000mhz等wifi频段上传输和接收wifi信号。此外，gps/wifi/蓝牙天线还可以用于在2400mhz至2485mhz等频段上传输和接收蓝牙信号。

天线振子150、160可以在显示器120周围布线，并且可以沿着正面114的上表面的边或边缘放置。天线振子150、160可以与外壳110的端部、外/内面或外部/内部表面共形布置。第一天线振子150可沿着壳体110的上边缘延伸，在第一拐角和第二拐角周围弯曲。第一天线振子150可覆盖上表面的一部分和侧面的部分位置。第二天线振子160可沿着壳体110的其它上边缘延伸，在第三拐角周围拐弯。还可以覆盖上表面的一部分和侧面的部分位置。这种布置使得gps/wifi/蓝牙天线振子160与多频蜂窝天线振子150间隔两个距离111、112放置。距离111、112可以不同。例如，靠近至电路板的馈电点位置的距离112(下文在图2处论述)可能比远离馈电点位置的距离111短。距离111、112、天线振子和壳体110的设置极大地改进了天线耦合且提供了适当隔离。

天线振子150、160可包括导体材料，例如金属。该金属可以是铜、铝或这些材料的合金。天线振子150、160可包括导体材料条，例如金属条。天线振子150、160在壳体110的外部一般不暴露在空气中但会嵌入其中。换言之，天线振子150、160可以由壳体材料或覆盖材料所覆盖，因此使用者看不见。以这种方式布置天线振子150、160的一个优点是它们远离使用者身体/皮肤和穿戴式无线设备的接地金属结构(例如，电路板)进行布线。这最大程度降低了来自于皮肤/组织的电磁吸附性并且增加了辐射孔径。

天线振子150、160可包括不同的长度。例如，第一天线振子150可以是一个多频蜂窝天线振子，第二天线振子160可以是一个用于无线服务而不是蜂窝服务的多频无线天线振子。多频天线160可以是一个gps天线振子、wifi天线振子和蓝牙天线振子的组合。多频天线振子160可包括比这三个无线服务多或少的服务。天线振子150、160可形似或近似l，也可形似或接近u。两个天线振子都在一个或多个拐角周围弯曲。例如，多频无线天线振子160可在一个拐角周围弯曲，多频蜂窝天线振子150可在两个拐角周围弯曲。可选地，天线振子150、160分别在一个拐角周围弯曲。在一些实施例中，天线振子的形状和厚度相同，但长度不同。

天线振子150、160都可以是偶极子中的一个元件。其它元件可以是接地板(例如，图2所示的电路板130)。例如，第一天线振子150和接地板(例如，电路板130)可以构成第一偶极子，第二天线振子160和接地板(例如，电路板130)可以构成第二偶极子。该接地板为共享接地板。偶极子可以是半波偶极子。可选地，天线振子与接地板可以构成单极子。

第一天线振子150的长度约为55mm至90mm或70mm至90mm。可选地，第一天线振子150的长度约为84mm。第二天线振子160的长度约为40mm至65mm或50mm至65mm。可选地，第二天线振子160的长度约为61mm。第一天线振子150的宽度约为3mm至6mm，或者小于10mm或小于5mm。第二天线振子160的宽度约为3mm至6mm，或者小于10mm或小于5mm。在各种实施例中，第一天线振子150和第二天线振子160的宽度可能相同。天线振子150、160的厚度可大于3mm。

壳体110可在天线振子150、160之间包括距离、区域或间距111、112。区域111、112设计用来在两个天线振子150、160之间提供辐射隔离和电隔离。区域111、112可用于降低或最大程度降低两个天线振子150、160之间的电磁耦合。壳体110的材料可包括塑料材料，例如热塑材料(例如聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯(polycarbonate/acrylonitrilebutadienestyrene，pc/abs))、玻璃材料或橡胶材料。该材料可以是介电材料。壳体110的材料的相对介电常数约为2或2.5。可选地，该材料可提供更高的相对介电常数，例如高达4.4。在其它实施例中，壳体110的相对介电常数约为2.5至3.5或至4.4。覆盖天线振子150、160的相对介电常数越高，天线振子150、160就越短。然而，覆盖材料上的相对介电常数越高，天线效率越低。当蜂窝天线的长度约为84mm，无线天线(蓝牙等)的长度约为61mm，并且壳体110的材料的相对介电常数约为2.5时，天线效率尤其好。

天线振子150、160可嵌入壳体110的壳体材料中。可选地，天线振子150、160位于壳体110的表面并覆有覆盖材料。覆盖材料可与壳体材料具有相同或相似的电气性质。在一实施例中，壳体110的壳体材料可与涂层材料具有不同的相对介电常数。

图2所示为没有壳体110(但是有天线振子150、160)的穿戴式无线设备100，这样可以看到穿戴式无线设备100的内部。除了前面描述的元件，穿戴式无线设备100还可包括电路板130和电路板130下方的电池140。

电路板130可以是印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)，例如具有8、10、12、13或14层导电材料的8层、10层或12至14层板，或者通过诸如玻璃纤维、聚合物等之类的介电层或绝缘层隔开和电绝缘的元件。导电层通过过孔进行电连接，并且可以整体构成接地板。诸如显示器120、触摸屏、输入按钮、发射器、处理器、存储器、电池140、充电电路、片上系统(systemonchip，soc)结构等部件可以安装在电路板130上或连接到电路板130；或者电连接到电路板130中的导电层。

第一天线振子150在位于电路板130的一侧135的第一馈电点134处连接到电路板130；第二天线振子160在位于电路板130的同一侧135的第二馈电点136处连接到电路板130。可选地，第一馈电点134和第二馈电点136可位于电路板130靠近拐角的相邻侧135、137。馈电点134、136可通过导电连接151、161连接到天线振子150、160。可以布置馈电点134、136靠近电路板130的一个拐角，而远离电路板130的其它拐角。

馈电点134、136可位于电路板130的区域中，其中该区域中没有导线、元件或部件(除了将馈电点134、136连接到电路板130的其它导线、元件或部件的导线)。电路板在该区域仅包括绝缘材料，没有导电材料。馈电点134、136间隔约10mm至50mm或者20mm至40mm。

在一些实施例中，区域111中两个天线振子150、160端部之间的距离d1比区域112中这些天线振子150、160的其它端部之间的距离d2长。因此，天线辐射臂(天线振子150、160)的最长开口端朝天线馈源134、136的相反方向布线。在一些实施例中，距离d1和d2可能在10mm到50mm之间。

从图2可以看出，另一个优点是天线振子150、160不仅远离身体组织/皮肤，而且远离接地板130(接地金属结构)。这降低了来自于皮肤的电磁吸附性、来自接地板的干扰并且增加了辐射孔径。

图3所示为根据一些实施例的壳体110的透视图。天线振子150、160位于壳体110的正面114。壳体110的正面包括上表面118和侧面116。壳体110的上表面118中的开口125用于支撑显示器120。天线振子150、160仅位于上表面118，而不位于侧面116。天线振子150、160通常从外面看不到，因为它们嵌入在或靠近壳体110的外表面，或者由覆盖涂层的薄层覆盖，使得天线振子150、160免受划伤或其它损害。

图4所示为根据其它实施例的壳体110的另一透视图；天线振子150、160位于壳体110的正面114。类似于图3，正面114包括上表面118和侧面116。上表面118包括用于支撑显示器120的开口125。天线振子150、160在边缘和拐角161、162和164周围弯曲，从而使它们位于上表面118和侧面116的部分位置。在一些实施例中，边缘和拐角161至164为圆的而不带棱角。天线振子150、160嵌入在壳体110的外表面内且靠近壳体110的外表面放置或者由(薄)涂覆层覆盖。

图5所示为根据一些其它实施例的壳体110的又一透视图；天线振子150、160位于壳体110的正面114。类似于图3，正面114包括上表面118和侧面116。然而，侧面116通过倾斜、斜坡或斜向连接表面171至174连接到上表面118。上表面118包括用于支撑显示器120的开口125。天线振子150、160在边缘和拐角161、162和164周围弯曲，从而使它们放置倾斜表面171至174的区域里。天线振子150、160可放置在上表面118的一部分和侧面116的部分位置。在一些实施例中，上表面118和倾斜表面之间的边缘、倾斜表面和侧面116之间的边缘，以及拐角161至164为圆的而不带棱角。天线振子150、160可嵌入在壳体110的外表面内且靠近壳体110的外表面放置或被(薄)涂覆层覆盖。

图6所示为根据其它实施例的壳体110的再一透视图。天线振子150、160位于壳体110的正面114。类似于图3，正面114包括上表面118和连接背面的半外圆角或全外圆角113、115、117和119。上表面118包括用于支撑显示屏120的开口125。天线振子150、160在拐角161、162和164周围弯曲，从而使它们放置在上表面118的部分位置和外圆角113、115、117和119的部分位置，或者仅仅放置在外圆角113、115、117和119的部分位置。拐角161至164为圆的而不带棱角。天线振子150、160嵌入在壳体110的外表面内且靠近壳体110的外表面放置或者由(薄)涂覆层覆盖。

在一些实施例中，穿戴式无线设备的尺寸可以是43mm×43mm×11mm。

本发明实施例包括使用者穿戴穿戴式无线设备的方法。方法可包括根据之前实施例的无线设备。穿戴式无线设备不仅可以戴在手腕上，还可以戴在人体的任何部位(例如，项链、眼镜等)。

虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不意图限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明其他实施例。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。