用于可穿戴电子设备和导电壳体的缝隙天线设计的方法与流程
本公开涉及于2014年5月29日提交并于2014年9月18日公开的题为“hybridradiofrequency/inductiveloopantenna”的美国专利公开no.2014/0266939，其全部内容通过引用并入本文，形成本说明书的一部分以用于所有目的(并作为本说明书的附录包括在内)。
本申请要求于2016年12月14日提交的美国临时专利申请no.62/433994的权益，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
背景
本公开大体上涉及可穿戴电子设备领域，更具体地涉及用于可穿戴电子设备的天线。
相关技术描述
现代电子设备通常包括一个或多个射频天线，以促进与其他电子设备的无线通信。例如，在小型可穿戴电子设备中，天线可以被配置为装配在受限制的封套内，同时仍然提供期望的发射和接收特性。
附图说明
出于说明性目的，在随附附图中描绘了各种实施方式，并且绝不应将其解释为对本发明范围的限制。另外，可以组合公开的不同实施方式的各种特征以形成另外的实施方式，这些实施方式是本公开的一部分。在所有附图中，可以重复使用附图标记来指示参考元件之间的对应关系。
图1示出了在金属壳体内具有金属板的示例性可穿戴电子设备的俯视图，形成由单极天线激励的缝隙天线。
图2示出了图1的可穿戴电子设备的俯视图，其中示出了显示器和窗口下面的缝隙天线的相对位置。
图3示出了沿可穿戴电子设备的宽度截取的图1的可穿戴电子设备的剖面。
图4示出了沿可穿戴电子设备的长度截取的图1的可穿戴电子设备的剖面。
图5示出了图1的可穿戴电子设备的俯视图，其中在金属板的顶部具有nfc(nearfieldcommunication，近场通信)天线。
图6示出了图1的可穿戴电子设备的俯视图，其中在金属板的顶部示出触摸模块和显示模块，并指示了显示器的最靠近单极天线的一侧的死区，所述单极天线具有公开的天线配置。
图7-图9示出了各种视图的印刷电路板，其具有耦接到单极天线的馈电夹，以驱动缝隙天线。
图10a-图10b示出了金属板的另一示例性实施方式，所述金属板被配置为在金属壳体内形成缝隙天线。
图11示出了示例性可穿戴电子设备的剖面，其具有与图10a-图10b的金属板类似配置的金属板。
图12a示出了示例性塑料支架，所述塑料支架将电池在金属壳体内固定就位。
图12b示出了可穿戴电子设备的示例性金属壳体，所述金属壳体具有如本文所述的缝隙天线。
图13a、图13b和图13c示出了用于可穿戴电子设备的单极激励缝隙天线设计的示例的模拟结果。
图14a和图14b示出了另一示例性可穿戴电子设备的俯视图和剖面，该另一示例性可穿戴电子设备在金属壳体内具有金属板，形成由来自印刷电路板的直接馈电激励的缝隙天线。
图15a、图15b、图15c和图15d分别示出了另一示例性可穿戴电子设备的沿其宽度的剖面、俯视图、透视图和沿其长度的剖面，该另一示例性可穿戴电子设备在金属壳体内具有金属支架，形成有可以由单极天线激励的缝隙天线，并且在印刷电路板和金属支架之间具有背腔(介电间隙)。
图16a和图16b分别示出了促进天线频率调谐的金属支架的示例性实现方式。
图17示出了针对多个突片配置的回波损耗的模拟结果。
图18a、图18b、图18c、图18d和图18e示出了将金属支架连接到金属壳体的三个接地点。
图19示出了沿另一示例性可穿戴电子设备的宽度的剖面，该另一示例性可穿戴电子设备在金属壳体内具有金属支架，形成由来自印刷电路板的直接馈电激励的缝隙天线，其中所述直接馈电连接到印刷电路板和金属壳体，并且在印刷电路板和金属支架之间具有背腔(介电间隙)。
图20示出了沿另一示例性可穿戴电子设备的宽度的剖面，该另一示例性可穿戴电子设备在金属壳体内具有金属支架，形成由来自印刷电路板的直接馈电激励的缝隙天线，其中所述直接馈电连接到印刷电路板和金属支架，并且在印刷电路板和金属支架之间具有背腔(介电间隙)。
图21示出了沿另一示例性可穿戴电子设备的宽度的剖面，该另一示例性可穿戴电子设备在金属壳体内具有金属支架，形成由来自印刷电路板的直接馈电激励的缝隙天线，其中所述直接馈电连接到印刷电路板和金属壳体，并且在金属支架和金属壳体之间具有背腔(介电间隙)。
具体实施方式
本文提供的标题仅为了方便起见，并不一定影响本发明要求保护的范围或含义。各附图中相同的附图标记和指示可以表示或不表示相同的元件。
尽管下面公开了某些优选的实施方式和示例，但是发明的主题超出了具体公开的实施方式而延伸到其他替代实施方式和/或用途以及其修改和等同物。因此，本文可能出现的权利要求的范围不受下面描述的任何特定实施方式的限制。例如，在本文公开的任何方法或过程中，该方法或过程的动作或操作可以以任何合适的序列执行，并且不必限于任何特定的公开序列。可以以有助于理解某些实施方式的方式依次将各种操作描述为多个离散操作；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作是依赖于顺序的。另外，本文描述的结构、系统和/或设备可以体现为集成部件或单独部件。出于比较各种实施方式的目的，描述了这些实施方式的某些方面和优点。不一定所有这些方面或优点都通过任何特定实施方式实现。因此，例如，各种实施方式可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点而不一定实现本文还可以教导或建议的其他方面或优点的方式来执行。
概观
包括腕戴式生物识别监测设备的生物识别监测设备可以被配置为向一个或多个单独电子设备发送生物识别数据和其他数据，和从一个或多个单独电子设备接收生物识别数据和其他数据。为了无线地发送和接收数据，这种监测设备需要在设备中使用一个或多个天线。这可能会带来各种问题。例如，天线可能在显示窗口中需要死区或非有效区域。天线会占据金属(和/或导电)壳体内的大量空间，或者会形成部件的一种配置，在该配置中减小了电源、电源电池和/或电池的大小，从而减少了设备的电池寿命。一些天线至少会部分地位于金属壳体的外部，使得设备的防水或耐游泳变得困难、昂贵或不切实际。一些天线设计在显示窗口上施加向上或向外的力，导致显示窗口随时间与金属壳体分离，这可能导致设备变得不再防水和/或耐游泳。最后，一些天线设计可能具有不期望的机械复杂性和/或是昂贵的。因此，本文公开了具有单极激励缝隙天线设计的可穿戴设备和生物识别监测设备的实施方式，其解决了上述问题中的一个或多个。
本文公开了用于可穿戴电子设备的天线架构。所公开的天线架构包括两部分。首先，天线架构包括单极天线，所述单极天线在塑料载体上具有单极辐射器，所述塑料载体实现在设备的金属壳体内的显示区域的顶部处。单极辐射器通过印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)上的天线夹连接到射频(radiofrequency，rf)引擎。单极天线可以实现为组装在例如塑料载体上的柔性薄膜天线辐射器。单极辐射器可以产生电磁场以引发缝隙天线发射或接收射频信号。
可以将天线设计成具体地接收(或发射)用于天线设计所支持的(一个或多个)无线通信协议的(一个或多个)频带内的频率的射频能量，并且天线还可以设计成不具体地接收(或发射)所述(一个或多个)频带之外的频率的射频能量。天线可以凭借其物理几何形状和限定该几何形状的尺寸来实现这种选择性。
其次，天线架构包括由金属(和/或导电)板与金属壳体之间的间隙形成的缝隙天线。缝隙天线通过显示模块、触摸模块和玻璃窗口从缝隙结构辐射rf信号。将单极辐射器和缝隙天线进行电容耦合，使得单极辐射器产生变化的电场，该电场在缝隙天线处引发变化的电场，导致rf信号的发射。单极辐射器与缝隙天线之间的电场的这种耦合允许rf信号从该设备发送以及由该设备接收。单极辐射器位于缝隙天线区域内，以通过电磁场耦合来激励缝隙天线。可以调节缝隙天线和单极天线的尺寸以实现目标通信频带。此外，可以将单极天线部分调节到具有一定长度，并且可以利用pcb上的匹配电路来调节天线阻抗以实现目标性能特性。在一些实施方式中，金属板和/或金属壳体可以是导电的。金属板和/或金属壳体可包括一种或多种材料，所述材料具有1e5siemens/m和/或更高的电导率。
在一些实施方式中，所公开的单极激励缝隙天线减小了显示窗口的死区或在显示窗口的顶部处提供期望的或有利的小的死区。激励缝隙天线的单极天线部件可以为缝隙天线提供目标激励，相对于具有类似天线性能的纯单极天线或倒f天线(inverted-fantenna，ifa)架构，这在金属壳体的顶侧与显示模块之间具有减小的距离。
在一些实施方式中，所公开的单极激励缝隙天线适应一种设备架构，所述设备架构具有安装在金属壳体底部附近的印刷电路板(pcb)。对于锥形金属壳体，这允许将相对较大的电池放置在pcb上方和金属壳体内。相反，具有采用其他天线设计的类似锥形金属壳体的设备可能需要将pcb安装在电池上方以实现适当的性能、制造成本和/或机械复杂性。相对于包含允许将电池放置在pcb上方的本文所公开的天线架构的设备，在这样的设备中，减小了电池大小。
在一些实施方式中，所公开的单极激励缝隙天线设计完全位于金属壳体内。有利地的是，这有助于将设备制造成防水和/或耐游泳。如果天线的至少一些部分在金属壳体外部，则可能需要金属壳体具有过孔或孔，以向金属壳体外部的天线部分发送和接收电信号。这些过孔或孔可能损害设备的一些防水能力，或者可能不合需要地增加使这种设备防水和/或耐游泳的成本。
在一些实施方式中，所公开的单极激励缝隙天线设计不在玻璃窗口上施加接触压力。有利地的是，这有助于将设备制造成防水和/或耐游泳，为部件之间的连接部制造防水密封。例如，如果天线在显示窗口上施加向外的力，则显示窗口可能倾向于与金属壳体分离，从而损害防水密封。
所公开的单极激励缝隙天线通过使用电容耦合的单极天线辐射器来激励天线缝隙而起作用。相对于使用具有从pcb直接馈电以激励缝隙天线的缝隙天线的设备，所公开的天线设计可能是有利的，这至少部分由于机械上更简单(例如，不需要使用同轴电缆或从pcb到天线的其他传输线)，从而降低了成本并提高了制造的便利性。
本文讨论的各种实现方式可以用于例如提供单极激励缝隙天线，所述单极激励缝隙天线提供
由于这种设备的尺寸小，诸如本文所公开的那些单极激励缝隙天线可以提供比其他方式可能提供的更紧凑的通信解决方案的能力，以允许金属壳体内的额外体积可用于其他目的，诸如更大的电池。可以证明这样的尺寸特别适合于
还可以使用本文概述的原理来设计支持其他无线通信协议的单极激励缝隙天线。例如，所公开的天线架构可以被配置为或将尺寸设计为适合与无线网络和无线电技术一起使用，诸如无线广域网(wirelesswideareanetwork，wwan)(例如，蜂窝)和/或无线局域网(wirelesslocalareanetwork，wlan)载波。这种无线网络和无线电技术的示例包括但不限于长期演进(longtermevolution，lte)频带或其他蜂窝通信协议频带、gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)或gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)频带、anttm、802.11和zigbeetm，以及例如与其他通信标准相关的频带。可以根据需要调整rf辐射器大小、部件之间的间隙以及本文讨论的其他参数，以便产生与此类其他频带兼容的如本文所述的单极激励缝隙天线。
生物识别监测
在一些实现方式中，本公开涉及用于生物识别监测设备的天线配置。术语“生物识别监测设备”在本文中根据其广泛和普通的含义使用，并且可以在本文的各种上下文中使用以指代任何类型的生物识别跟踪设备、个人健康监测设备、便携式监测设备、便携式生物识别监测设备等。在一些实施方式中，根据本公开的生物识别监测设备可以是可穿戴设备，诸如可以被设计为由人(即，“用户”、“穿戴者”等)穿戴(例如，持续地)。当被穿戴时，这种生物识别监测设备可以被配置为收集关于由穿戴者执行的活动的数据，或者关于穿戴者的生理状态的数据。这种数据可以包括表示穿戴者附近的周围环境或穿戴者与环境交互的数据。例如，该数据可以包括关于穿戴者的运动、环境光、环境噪声、空气质量等的运动数据，和/或通过测量穿戴者的各种生理特征所获得的生理数据，诸如心率、排汗水平等。
在一些情况下，生物识别监测设备可以利用生物识别监测设备外部的其他设备，诸如ekg传感器形式的外部心率监测器，以用于获得心率数据，或者可以使用智能手机中的gps或gnss接收器，以获得例如位置数据。在这种情况下，生物识别监测设备可以使用有线或无线通信连接与这些外部设备进行通信。本文公开和讨论的概念可以应用于独立的生物识别监测设备以及利用外部设备中提供的传感器或功能(例如由智能手机等提供的外部传感器、传感器或功能)的生物识别监测设备。
具有单极激励缝隙天线的示例性可穿戴电子设备
图1示出了示例性可穿戴电子设备100的俯视图，所述可穿戴电子设备100在金属壳体105内具有金属板110，形成由单极天线120激励的缝隙天线115。壳体(诸如金属壳体)105可以设计成容纳将穿戴在人的手腕上的显示器。腕带(未示出)可以连接到金属壳体105的相对端部，并且完整的单元可以穿戴在某人的手腕上。金属壳体105可以设计成更好地符合人的前臂的剖面曲率，并且金属壳体的内部可以被各种电气部件占据，所述电气部件包括pcb或fpcb(flexibleprintedcircuitboard，柔性印刷电路板)，所述pcb或fpcb包括例如各种传感器、处理器、电源管理部件等。金属壳体105可以包括附加特征件，诸如金属按钮支架107，以支撑金属壳体105内的其他元件。
缝隙天线115被构造为金属板110与金属壳体105(包括金属按钮支架107)之间的间隙，其终止于两个端部，这两个端部具有在金属板110和金属壳体105之间的接地触头112a、112b。在接地触头112a、112b之间延伸的金属板110和金属壳体105之间的间隙形成缝隙天线115，当由单极天线120激励时，所述缝隙天线辐射或接收rf信号。缝隙天线115可以被配置为半波长缝隙天线(例如，长度为约6.25cm，以用于
缝隙天线115包括在金属板110和金属壳体105之间的两个缝隙天线接地112a、112b。可以包括第三接地引脚114以改善性能。接地112a、112b可用于调谐缝隙天线的缝隙谐振(例如，在
单极天线120被设计为在目标模式下激励缝隙天线115。单极天线120包括柔性天线，所述柔性天线作为单极辐射器124位于由塑料机械部件制成的单极天线载体122上。柔性天线124组装在载体122的表面上，并且载体122放置在金属壳体105内。载体122可以附接到金属壳体105或设备100的其他部件。
图2示出了图1的可穿戴电子设备100的俯视图，其具有显示窗口130。在图1中，未示出显示窗口130以便更清楚地示出金属板110和单极天线120的配置。在图2中，示出了显示窗口130以展示显示窗口130下面的缝隙天线115的相对位置。缝隙天线115位于显示窗口130下方并辐射通过窗口130。在一些实施方式中，并且仅作为示例，根据一些实施方式，显示窗口130的尺寸可以在约0.65”x1.05”(16.5mmx26.6mm)至约0.77”x1.28”(19.6mmx32.6mm)之间。
图3和图4示出了沿着如图2所示的可穿戴电子设备的宽度截取的图1的可穿戴电子设备100的剖面(图3)和沿着可穿戴电子设备的长度截取的图1的可穿戴电子设备100的剖面(图4)。剖面示出了金属壳体105内的某些部件的相对位置。应理解，可以使用更多或更少的部件，并且它们的布置可以与这里所示的不同。还应理解，该图不是按比例的，并且图中的距离不表示任何特定实施方式中的实际距离。
设备100包括机械耦接到金属壳体105的显示窗口130。在一些实施方式中，显示窗口130和金属壳体105形成防水和/或耐游泳的密封外壳。设备100包括触摸模块132和显示模块134。触摸模块132被配置为检测显示窗口130上的触摸输入。显示模块134被配置为通过显示窗口130显示图像或信息。
在触摸模块132和显示模块134下方，金属板110定位在金属壳体105内以形成缝隙天线115(由金属壳体105或金属按钮支架107与金属板110之间的间隙表示)。金属板110可以通过接地引脚112电耦接(例如，接地)到金属壳体105。应理解，接地引脚的数量可以根据目标性能特性而变化。例如，接地引脚的数量可以是至少2个、至少3个、至少4个、至少5个等等。
在金属板110下方定位有电池135。电池135可以固定在金属壳体105内，以保持其在金属壳体105内的相对位置。例如，间隔件137可用于保持电池135和金属壳体105之间的分离。
在电池135下方定位有在pcb140上的部件层141。部件层141可以包括微处理器、ram(randomaccessmemory，随机存取存储器)、rom(readonlymemory，只读存储器)、asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)、fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)、表面安装元件、集成电路等。pcb140提供电子部件和电子线路，以为设备100指导和解译电信号。例如，将pcb140电耦接到触摸模块132和显示模块134，以解译触摸输入并提供图像或信息以进行显示。pcb140耦接到天线馈电夹142，所述天线馈电夹电耦接到单极天线120。pcb140可以包括接地平面区域140a，所述接地平面区域形成用于单极天线120的接地平面。pcb140可以包括馈电夹区域140b，所述馈电夹区域不包括除天线馈电夹142安装到并且电耦接到pcb140的区域之外的导电元件。例如，pcb140可以包括将接地平面区域140a电耦接到馈电夹区域140b的迹线，以及将馈电夹142电耦接到馈电夹区域140b的迹线。用于单极天线120的接地平面可以由以下提供：大的金属化区域、印刷电路板(例如，pcb140)或柔性印刷电路板中的导电迹线、金属壳体105内的金属板和/或表面等。设备100还可包括振动马达143，以提供触觉反馈或以其他方式机械地振动设备100。pcb140可以通过一个或多个接地螺钉接地到金属壳体105，所述接地螺钉将pcb140电耦接到金属壳体105。
电池135可以在金属板110下方约0.05mm处。在一些实施方式中，可以插入一层非导电的低rf损耗的刚性材料以配合0.05mm的间隙，从而将金属板110附接到或以其他方式机械地耦接到电池135。在一些实施方式中，电池135在金属板110下方约0.01mm至约0.1mm之间、在金属板110下方约0.03mm至约0.7mm之间，或在金属板110下方约0.04mm至约0.06mm之间。
在电池135和部件层141之间，存在介电间隙(例如，空气或塑料或空气和塑料的组合)146，所述介电间隙146在包封的金属壳体设计内形成用于缝隙天线的背腔。介电间隙的高度可以变化，但必须确保电池135与部件层141上的任何部件之间的隔离。电池135可以在部件层141上方约0.48mm处。在一些实施方式中，电池135在部件层141上方约0.4mm至约0.6mm之间、在部件层141上方约0.42mm至约0.55mm之间，或者在部件层141上方约0.45mm至约0.5mm之间。在一些实施方式中，如本文所述，塑料支架可放置在该间隙中，以将电池135支撑在pcb140的部件层141上方。
电池135可以距金属壳体105的右侧约0.53mm(例如，如图3所示)。在一些实施方式中，电池135距金属壳体105的右侧约0.4mm至约0.6mm之间、距金属壳体105的右侧约0.45mm至约0.58mm之间，或距离金属壳体105的右侧约0.5mm至约0.55mm之间。
电池135可以距金属壳体105的底侧约0.95mm(例如，图4的右侧)。在一些实施方式中，电池135距金属壳体105的底侧约0.8mm至约1.2mm之间、距金属壳体105的底侧约0.85mm至约1.1mm之间，或距金属壳体105的底侧约0.9mm至约1.0mm之间。
电池135可以距金属按钮支架107约0.33mm(例如，如图3所示)。在一些实施方式中，电池135距金属按钮支架107约0.2mm至约0.45mm之间、距金属按钮支架107约0.25mm至约0.4mm之间，或距金属按钮支架107约0.3mm至约0.35mm之间。
电池135的厚度可为约3.2mm。在一些实施方式中，电池135的厚度可在约2.5mm至约4mm之间、厚度在约2.75mm至约3.75mm之间，或厚度在约3mm至约3.5mm之间。尽管已经提供了某些设备几何形状的特定值，但是应理解，这些尺寸可以相对于金属壳体105的大小而改变。
如本文所述，所公开的单极激励缝隙天线配置提供若干优点，尤其是当在诸如生物识别监测设备的可穿戴设备中实现时。为了说明一个或多个优点，可以与其他天线配置进行比较。例如，具有单个单极或ifa(倒“f”天线)天线设计的设备可以通过增加显示窗口顶部处的死区来实现类似的性能。这是不希望的，因为它会降低设备的设计和实用性。因此，所公开的天线设计相对于单极或ifa天线配置提供了减小的死区，所述减小的死区提供相当的天线性能(例如，发射和接收强度)。在一些实施方式中，缝隙天线不直接由物理耦接到pcb的天线馈电激励。
另一替代配置包括从pcb直接馈电而不是被耦接到单极天线的缝隙天线，其中pcb被放置在电池上方。在具有锥形剖面的设备中，这可能不期望地减小了电池的大小。
另一替代配置包括从pcb直接馈电而不是被耦接到单极天线的缝隙天线，其中pcb被放置在电池下方。这将需要使用从pcb到金属板110或金属板110附近的金属壳体105的馈线(例如，同轴电缆)，以激励金属壳体105和金属板110之间的场。使用同轴电缆使机械实现方式复杂化，并增加了设备的成本。此外，所公开的天线架构可以被配置为实现与使用同轴电缆所提升的馈电设计类似的性能特性。
另一替代配置包括金属壳体105外部的单极天线或ifa天线。这种设计的一个缺点是引入了额外的机械复杂性，并且增加了实现防水和/或耐游泳的设备的困难。天线馈电通常将金属壳体105内部的pcb连接到位于金属壳体105外部的天线。因此，所公开的天线架构可以完全容纳在金属壳体105内，以助于设备100的防水。
图5示出了图1的可穿戴电子设备100的俯视图，其中，在金属板110的顶部具有nfc天线145。单极激励缝隙天线114可以被配置为以如下方式操作：允许nfc天线145继续操作，并且可以以相当的性能操作。在一些实施方式中，nfc天线145可以是大约25.6mm×12.8mm。nfc天线145可以定位在距缝隙天线115约1mm处。设备100还可以包括第一柔性电缆144a和第二柔性电缆144b，所述第一柔性电缆被配置为耦接到一个或多个模块(例如，触摸模块132或显示模块134)；所述第二柔性电缆被配置为耦接到电池135和/或nfc天线145。应理解，柔性电缆的数量可以变化，并且可以是至少1个柔性电缆、至少2个柔性电缆、至少3个柔性电缆等。还应理解，柔性电缆中的一个或多个可以用一根或多根电线代替。例如，电线可以耦接到电池135和/或nfc天线145。
图6示出了图1的可穿戴电子设备100的俯视图，其中，在金属板110的顶部上示出了显示模块134和触摸模块132，以示出具有所公开的天线配置的显示窗口的死区。如本文所使用的，显示器的死区被认为是显示窗口的非有效区域，或者显示模块134不通过显示窗口显示信息的区域。因此，如图6所示，显示窗口的死区从显示窗口的边缘(这里示出为与金属壳体105的外边缘重合)延伸到超出显示模块134的边缘的点。应当理解，显示窗口可以延伸超出金属壳体105，或者所述显示窗口可以配置成不延伸到金属壳体105的边缘。从显示模块134的边缘到显示模块134的有效区域的距离促成显示窗口的死区，并且可以具有大约1mm的长度。如本文所述，来自缝隙天线115的rf信号通过金属壳体105与显示模块134和触摸模块132的边缘之间的间隙进行辐射。单极天线120在设备100的顶部处具有从金属壳体105的内部到显示模块134的边缘的约2mm的空隙，其为总死区贡献大约2mm。对死区的贡献，或相对于显示模块与金属壳体105的内壁齐平的设备区域增加的死区，可以在约1mm至约3mm之间、约1.5mm至约2.5mm之间，或约1.75mm至约2.25mm之间。因此，在一些实施方式中，显示窗口的死区可小于或等于约6mm，小于或等于约5mm，小于或等于约4.5mm，或小于或等于约4mm。在一些实施方式中，显示器的死区与单极天线的死区重叠。在一些实施方式中，显示器的死区与单极天线的死区包括金属壳体105的内表面和金属板110的边缘之间的空间。
如本文所述，替代天线设计包括放置在显示区域顶部处的单极天线、ifa天线或环形天线。然而，为了实现类似的性能，模拟表明，天线对显示窗的死区的贡献必须从约2mm增加到约4.8mm。因此，与纯单极天线、ifa天线或环形天线的实现方式相比，所公开的天线架构提供具有相对小的死区的所期望的或有利的性能。
图7-图9示出了印刷电路板140的各种视图，其具有耦接到单极天线120的馈电夹142，以驱动缝隙天线。馈电夹142耦接到单极辐射器124，以选择性地驱动辐射器，使得所述辐射器激励缝隙天线以目标频率辐射。馈电夹142提供导电路径，以用于响应于接收到的rf辐射经由单极激励缝隙天线接收或发送电信号，或者响应于这种电信号在单极激励缝隙天线中产生。在一些实施方式中，该设备可以包括天线匹配电路，以实现目标天线阻抗。这可以改善rf系统的发送和接收。可以在pcb140上具有天线匹配电路设计。天线匹配电路可以被配置为将馈电夹142连接到pcb140上的rf引擎芯片组。馈电夹142还可以由除了所示结构之外的结构提供，例如粘合线、弹簧接触销、这些特征件或提供单极辐射器和印刷电路板之间的导电接触的其他特征件的组合。在一些实施方式中，单极辐射器124以顺时针方式路由，以有效激励如图7所示的缝隙天线模式。在某些实施方式中，单极辐射器124在靠近显示窗口(未示出)放置时性能更佳。存在多种技术可用于实现单极天线120，包括但不限于：激光指定结构(laserdesignatedstructure，lds)、2次电镀、冲压金属板、印刷天线等。
pcb140可以在接地点(例如接地螺钉)处接地到金属壳体105。在一些实施方式中，可以移除pcb140的铜层，以通过减小pcb与金属壳体105之间的电容耦合来改善性能。
图10a-图10b示出了金属支架1010的另一示例性实施方式，其被配置为在金属壳体内形成缝隙天线。金属支架1010可包括具有竖直壁1013的金属框架，所述竖直壁被配置成将电池容纳或固定在适当位置和/或控制辐射缝隙宽度。金属支架1010包括主板1011和具有接地夹1012a、1012b、1014的侧壁1013。
还可以在金属壳体侧壁和金属支架1010之间的两个侧间隙处使用薄介电间隔件，以控制辐射缝隙宽度的变化。介电间隔件可以具有良好受控的材料，其不导电、rf损耗低、刚性并且能够保持其厚度。在一些实施方式中，具有受控厚度的塑料薄膜可以与压力或弹簧配合一起使用以控制间隔。在某些实施方式中，带可以与具有弹簧指的金属支架1010一起使用以控制间隔。
图11示出了示例性可穿戴电子设备1100的剖面，其具有与图10a-图10b的金属支架1010类似配置的金属支架1110。在其他方面，设备1100类似于本文参考图1-图9描述的设备100，除了金属板1110包括沿着电池135的侧面延伸的侧壁以控制缝隙天线1115的间隙宽度之外。
图12a示出了示例性塑料支架1250，其将电池在金属壳体内固定就位。塑料支架1250可以定位在电池135和pcb的部件层141之间。塑料支架1250可以由聚碳酸酯塑料或其他类似材料制成。
图12b示出了可穿戴电子设备的示例性金属壳体1305，其具有如本文所述的缝隙天线。由金属壳体1305形成的腔可以为电子设备的部件提供一定体积。通常，腔体积越大，预期的天线效率越好。然而，通常优选较小的设备以用于特定应用，诸如在健身活动期间使用的生物识别监测设备。在一些实施方式中，将金属壳体1305的表面1306电容耦合到电池和其他pcb部件。有利的是，使用本文所述的一个或多个特征件来控制部件相对于金属壳体1305的间隔，以避免不期望的rf短路。
图13a、图13b和图13c示出了用于可穿戴电子设备的示例性激励缝隙天线的模拟结果。图13a示出了对于包括匹配电路和原始天线阻抗(例如，排除匹配电路)的配置的s参数s11在频率上的模拟结果。模拟结果表明，这种设计在
具有直接馈电缝隙天线的示例性可穿戴电子设备
图14a和图14b分别示出了另一示例性可穿戴电子设备1400的俯视图和沿着宽度的剖面，其在金属壳体1405内具有金属板1410，形成缝隙天线1415，该缝隙天线由来自印刷电路板1440的直接馈电1447来激励。直接馈电1447可以使用同轴电缆或其他传输线来实现，以将馈电1447从pcb1440提升到金属板1410。馈电1447可包括两个或更多个电线或电导体，一个(例如rf馈电)耦接到金属板1410，且其他个(例如，地)耦接到金属壳体1405。在一些实施方式中，馈电1447是同轴电缆，其中外导体(例如，编织外壳)电耦接到金属板1410，并且内导体电耦接到金属壳体1405。金属板1410可包括两个或更多个接地引脚或接地连接部，所述接地引脚或接地连接部将金属板1410电耦接到目标位置处的金属壳体1405，以限定缝隙天线1415的长度和/或改善性能(例如，通过减少金属板1410中不期望的谐振)。背腔(和/或介电间隙)1460可以是电池1435下方和pcb1440以及pcb的部件层1441上方的区域。
为了实现目标或期望的性能特性，将金属板1410定位在设备1400的显示窗口1430附近是有益的。直接馈电1447允许金属板1410在金属壳体1405内定位得较高，同时仍允许pcb1440放置在电池1435下方。这有利地允许电池1435大于pcb1440在电池1435上方的配置。尽管具有直接馈电1447的缝隙天线1415相对于本文所述的单极激励缝隙天线可能增加了复杂性和成本，但是设备1400可以提供类似的rf通信性能，同时提供与单极激励缝隙天线架构类似的优点，诸如减少死区并且防水。
具有单极激励缝隙天线的示例性可穿戴电子设备
在一些实施方式中，金属支架可以包封电池的至少一部分。图15a、图15b、图15c和图15d分别示出了另一示例性可穿戴电子设备1500的沿其宽度的剖面、俯视图、立体图和沿其长度的剖面，其在金属壳体1512内具有金属支架1504，形成可以由单极天线1510激励的缝隙天线1513。在一些实施方式中，金属壳体1512可设计成穿戴在人的手腕上。在一些实施方式中，缝隙天线1513可以从接地点(例如，夹接地)1514延伸到另一个接地点(例如，螺钉接地)1518。附加接地点1516可用于消除不希望的谐振。单极天线1510可以例如通过电磁场耦合来激励缝隙天线1513。
在一些实施方式中，缝隙天线架构包括安装在金属壳体的底部附近的印刷电路板(“pcb”)。电池可以设置在pcb上方，并在金属壳体内。可以由电容耦合单极天线辐射器激励缝隙天线。
在一些实施方式中，单极天线1510可以放置在塑料载体上。有利地，可以减少和/或消除对盖玻璃窗口的弹力，这可以提供防水特征的益处。单极天线1510可包括可设置在塑料载体上的激光直接成型天线。单极天线1510可以设置在金属壳体1512内部的显示区域顶部处的死区中。单极天线1510可以通过放置在pcb上的天线夹来连接到射频引擎。金属支架1504嵌入成型到用于单极天线1510的塑料载体中。
在一些实施方式中，金属支架1504至少部分地围绕电池1502。电池1502可以设置在金属支架1504的周界内。显示模块可以设置在电池1502上方。nfc柔性天线可以放置在电池1502的顶部或显示模块下方。pcb可以放置在金属板1504下方。
在一些实施方式中，金属支架1504可以至少部分地设置在电池1502下方。金属支架1504可以设置成使得在金属支架1504和金属壳体1512之间的间隙形成缝隙，并且使得金属支架1504和pcb之间的背腔间隙1568可以不受电池1502的大小和/或膨胀的影响。例如，金属支架1504可以设置在电池1502的底表面上，并且竖向延伸以与电池1502的侧壁的至少一部分相邻。这样，缝隙间隔件1552和1554和/或侧键加强件1553可以不受电池公差的影响，因此，缝隙间隙，诸如缝隙间隙1560、1558、1562、1564以及背腔1566和1568也可以不受电池大小公差的影响。金属支架1504可以与电池1502的底部的至少一部分和电池1502的一个或多个侧壁相邻。金属支架1504可以沿着电池1502的轮廓和/或根据电池1502的形状折叠(例如，如果电池的侧壁和底部处于90度，则金属板1504可以折叠90度)。
在一些实施方式中，缝隙间隙1560、1558、1562和1564以及背腔1566和1568可以为缝隙天线提供辐射信号通过的通道，因此，可以基于金属支架1504和电池1502的结构设计降低和/或消除电池公差对天线性能的影响。
此外，背腔1566和1568可以是天线电磁场谐振的金属支架1504下方和pcb或金属壳体1512上方的区域。这样，背腔1566和1568可以是用于金属壳体中的缝隙天线设计的敏感区域。有利地，这种结构设计可以改善金属壳体1512、pcb和/或金属支架1504与背腔1566和1568的隔离。这变得很重要，因为如果金属部件设置在背腔内，则背腔内的电磁场会影响天线性能。
有利地，该结构设计可以不受电池公差的影响。例如，金属支架1504的这种结构设计可以允许电池的大小不断变化。而且，这种结构设计允许电池膨胀，同时减少和/或消除对天线性能的影响。例如，电池在其使用寿命期间会膨胀。如果金属支架1504设置在电池1502的下方和/或周围，则可以允许电池1502膨胀，同时仍然保持金属支架1504与金属壳体1512和pcb之间的相同间隙。这种结构允许电池在高度、宽度和/或长度上膨胀，同时减少和/或消除对天线性能的影响。
具有基于多突片配置的频率调谐的示例性可穿戴电子设备
在一些实施方式中，提供了一种频率调谐机构。频率调谐机构可以在不需要对设备设计的大小和/或结构进行机械改变的情况下提供对天线的调谐。图16a和图16b分别示出了促进天线频率调谐的金属支架。图16a示出了具有八突片结构的金属支架。图16b示出了具有零突片结构的金属支架。
在一些实施方式中，可穿戴设备包括可由单极天线激励的缝隙天线。缝隙天线的长度可以沿着可穿戴设备内的路径。例如，缝隙天线的长度可以沿着围绕八个金属突片结构的线。(一个或多个)金属突片结构可以以一定的分辨率提供频率调谐。可以移除齿或突片(或突片的组合)中每个以提供天线的频移。
在一些实施方式中，突片结构可包括一个或多个突片。这样，可以通过围绕各个突片延长缝隙天线的长度。在图16a的示例中，突片结构包括八个突片。天线缝隙的长度包括各个突片周围的长度。缝隙天线可以通过修剪突片将天线谐振调谐到更高的频率范围。这变得有利，因为可能需要将缝隙天线调谐到一定长度，并且可能需要pcb上的匹配电路，以便适当地调谐天线阻抗。
在一些实施方式中，可以从突片结构中移除一个或多个突片。例如，图16a的突片结构最初可以以八个突片开始。可以通过修剪和/或切割工具来移除一个或多个突片。有利地，通过简单地修剪一个或多个突片，突片结构允许快速频率调谐。这在开发阶段中和/或对于定制设计可能是有利的。此外，这种频率调谐可能不需要工具设计改变或固定设备改变。这种突片结构提供了优化天线性能的灵活性，同时形成了用于嵌入成型的机械互锁结构。突片结构可以防止支架与嵌入成型的塑料分层和/或分离。在一个或多个突片的端部处的锥形突片结构和/或铸造边缘可提供互锁功能。此外，突片结构可以允许频率调谐，而对设备进行最小和/或外部结构设计的改变。
在一些实施方式中，突片结构包括八突片配置1642。可以修剪掉一个或多个突片，形成七突片配置1640、六突片配置1638、五突片配置1636、四突片配置1634、三突片配置1632、两突片配置1630和/或单突片配置1628。图16b示出了已经修剪掉所有突片的结构。图17示出了针对多个突片配置的s参数s11的模拟结果。例如，线1表示单突片配置，线2表示两突片配置，线3表示三突片配置，线4表示四突片配置，线5表示五突片配置，线6表示六突片配置，线7表示七突片配置，线8表示八突片配置，线9表示零突片配置。如图所示，八突片配置和单突片配置之间的调谐范围约为104mhz。每个突片可以提供频移，诸如13mhz频移。
具有促进天线通信的接地点的示例性可穿戴电子设备
在一些实施方式中，金属支架和金属壳体之间的接地点限定了缝隙长度区域。图18a、图18b、图18c、图18d和图18e示出了直接与金属壳体接触的三个接地点1810、1814和1812。在一些实施方式中，可穿戴设备可包括至少部分地包封在金属支架1806内的电池1804、包括凸片配置1802的缝隙天线1853、可由单极天线1808激励的缝隙天线以及三个接地点1810、1814和1812。
在一些实施方式中，第一接地点1810和第二接地点1814可以限定缝隙天线的长度。第一接地点1810和第二接地点1814可以设计成放置在某些位置处，以调谐缝隙长度在
在一些实施方式中，可以通过移动第一接地点1810来改变缝隙天线长度。例如，第一接地点1810的位置可以移动为更靠近接地点1812，这将增加缝隙天线的长度，因为缝隙天线的长度由第一接地点1810和第二接地点1814限定。
在一些实施方式中，可以移除与第一接地点1810相关联的焊接夹以调整缝隙天线的长度。例如，如图18c所示，可以移除与第一接地点1810相关联的焊接夹1882。移除与第一接地点1810相关联的焊接夹，并且使用靠近缝隙的另一端部处的夹的接地螺钉1812，可以在缝隙天线上实现额外的长度。
在一些实施方式中，可以移动端部支架以调整缝隙天线的长度。例如，如图18c所示，端部支架可以延伸得更靠近可穿戴设备1884的顶部。因为缝隙天线的长度可以是第一接地点1810和第二接地点1814之间的距离，所以将端部支架朝向设备1884的端部延伸可以实现缝隙天线的更长的长度。在一些实施方式中，端部支架可以缩短(远离设备1884的端部移动)以实现缝隙天线的更短的长度。
具有从pcb到金属壳体的直接馈电的缝隙天线的示例性可穿戴电子设备
图19示出了沿另一示例性可穿戴电子设备1900的宽度的剖面，其在金属壳体1905内具有金属支架1910，形成由来自印刷电路板1940的直接馈电1947激励的缝隙天线1915，其中直接馈电1947连接到印刷电路板1940和金属壳体1905，并且在印刷电路板1940和金属支架1910之间具有背腔(介电间隙)1946。直接馈电1947可以使用弹簧夹或弹簧针来实现，以将馈电1947从pcb1940连接到金属壳体1905。印刷电路板1940可以定位在金属壳体1905内。例如，印刷电路板1940可以定位在金属支架1910上方。金属壳体1905可以包括两个或更多个接地引脚或接地连接部，所述接地引脚或接地连接部在目标位置处电耦接金属壳体1905，以限定缝隙天线1915的端部处的缝隙天线1915的长度和/或改善性能(例如，通过减少不希望的谐振)。电池1950可以定位在金属支架1910中的大部分的下方。
在一些实施方式中，设备1900可以包括触摸模块1932和/或显示模块1934。触摸模块1932可以被配置为检测显示窗口1930上的触摸输入。显示模块1934可以被配置为通过显示窗口1930显示图像或信息。
在一些实施方式中，在金属支架1910和印刷电路板1940之间存在介电间隙(例如，空气或塑料或空气和塑料的组合)1946。介电间隙可以在包封的金属壳体设计内形成用于缝隙天线的背腔。介电间隙的高度可以变化和/或可以确保pcb1940和金属支架1910之间的隔离。介电间隙还可以确保pcb1940和金属壳体1905之间的隔离。
在底部不是锥形的金属壳体1905的设备实现方式中，电池1950可以位于pcb1940下方并且不需要减小尺寸。当直接馈电1947位于更靠近显示窗口1930时，缝隙天线1915的效率通常更高。
具有从pcb到金属支架的直接馈电缝隙天线的示例性可穿戴电子设备
图20示出了沿另一示例性可穿戴电子设备2000的宽度的剖面，所述可穿戴电子设备在金属壳体2005内具有金属支架2010，形成由来自印刷电路板2040的直接馈电2047激励的缝隙天线2015，其中直接馈电2047连接到印刷电路板2040和金属支架2010，并且介电间隙2046在印刷电路板2040和金属支架2010之间。直接馈电2047可以使用弹簧夹或弹簧针来实现，以将馈电2047从pcb2040连接到金属支架2010。印刷电路板2040可以定位在金属壳体2005内。例如，印刷电路板2040可以定位在金属支架2010上方。金属壳体2005可以包括两个或更多个接地引脚或接地连接部，所述接地引脚或接地连接部在目标位置处电耦接金属壳体2005以限定缝隙天线2015的长度和/或改善性能(例如，通过减少不希望的谐振)。电池2050可以定位在金属支架2010中的大部分的下方。
在一些实施方式中，设备2000可以包括触摸模块2032和/或显示模块2034。触摸模块2032可以被配置为检测显示窗口2030上的触摸输入。显示模块2034可以被配置为通过显示窗口2030显示图像或信息。
在一些实施方式中，在金属支架2010和印刷电路板2040之间存在介电间隙(例如，空气或塑料或空气和塑料的组合)2046。介电间隙可以在包封的金属壳体设计内形成用于缝隙天线的背腔。介电间隙的高度可以变化和/或可以确保pcb2040和金属支架2010之间的隔离。介电间隙还可以确保pcb2040和金属壳体2005之间的隔离。
在底部不是锥形的金属壳体2005的设备实现方式中，电池2050可以位于pcb2040下方并且不需要减小尺寸。发现缝隙天线2015的效率高于图19中所示的实现方式，这可能是因为金属支架2010和金属壳体2005之间的连接具有较低的电流和较低的损耗。
具有从印刷电路板到金属支架的直接馈电缝隙天线、在电池下方带有背腔的示例性可穿戴电子设备
图21示出了沿另一示例性可穿戴电子设备2100的宽度的剖面，其在金属壳体2105内具有金属支架2110，形成由来自印刷电路板2140的直接馈电2147激励的缝隙天线2115，其中直接馈电2147连接到印刷电路板2140和金属壳体2105，并且在金属支架2110和金属壳体2105之间具有介电间隙2146。直接馈电2147可以使用弹簧夹或弹簧针来实现，以将馈电2147从pcb2140连接到金属壳体2105。印刷电路板2140可以定位在金属壳体2105内。例如，印刷电路板2140可以定位在金属支架2110上方。金属壳体2105可以包括两个或更多个接地引脚或接地连接部，所述接地引脚或接地连接部在目标位置处电耦接金属壳体2105以限定缝隙天线2115的长度和/或改善性能(例如，通过减少不希望的谐振)。电池2150可以定位在金属支架2110中的大部分的上方。
在一些实施方式中，设备2100可以包括触摸模块2132和/或显示模块2134。触摸模块2132可以被配置为检测显示窗口2130上的触摸输入。显示模块2134可以被配置为通过显示窗口2130显示图像或信息。
在一些实施方式中，在金属支架2110和金属壳体2105之间存在介电间隙(例如，空气或塑料或空气和塑料的组合)2146。介电间隙可以在包封的金属壳体设计内形成用于缝隙天线的背腔。介电间隙的高度可以变化和/或可以确保金属支架2110和金属壳体2105之间的隔离。
附加实施方式
除非另有明确说明或者在所使用的上下文中以其他方式理解，否则本文使用的条件语言，诸如“能够”、“可能”、“可以”、“会”、“例如”等等，旨在其通常意义，并且通常旨在表达：某些实施方式包括而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施方式以任何方式需要该特征、元件和/或步骤。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的，以其普通意义使用，且以开放式方式包含地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”在其包含意义上使用(而不是在其独有意义上)，因此当使用时，例如，为了连接列表中的元件，术语“或”表示该列表中的元件中的一个、一些或全部。除非另外特别说明，否则连接性语言，诸如短语“x、y和z中的至少一个”，在上下文中应理解为通常用于表达项目、术语、元件等可以是x、y或z。因此，这种连接性语言通常不旨在暗示某些实施方式需要分别存在x中的至少一个、y中的至少一个以及z中的至少一个。
在整个说明书中对“某些实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施方式中。因此，在整个说明书中在各个地方出现的短语“在一些实施方式中”或“在实施方式中”不一定全部指代相同的实施方式，并且可以指代相同或不同的实施方式中的一个或多个。此外，如本领域普通技术人员根据本公开显而易见的，在一个或多个实施方式中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
应理解，在以上对实施方式的描述中，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，有时将各种特征组合在单个实施方式、附图或其描述中。然而，该公开的方法不应被解释为反映任何权利要求比该权利要求中明确记载要求更多特征的意图。此外，本文的特定实施方式中示出和/或描述的任何部件、特征或步骤可以应用于任何其他实施方式或与任何其他实施方式一起使用。此外，对于每个实施方式，多个部件、特征或步骤中的某个部件、特征或步骤不是必需的或必不可少的。因此，目的在于，本文所公开和要求保护的本发明的范围不应受上述特定实施方式的限制，而应仅通过公正地阅读所附权利要求来确定。
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