槽缝模式天线的制作方法

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本公开内容一般地涉及在电子装置诸如无线或可携式无线电装置中、更特别地在使用槽缝天线的设备中使用的天线设备。

背景技术：

天线通常存在于大多数现代无线电装置中，诸如移动计算机、可携式导航装置、移动电话、智能电话、个人数字助理(pda)、腕表或其他个人通信装置(pcd)。通常，这些天线包括具有接地平面的平面辐射元件，所述接地平面一般地平行于平面辐射元件。平面辐射元件和接地平面通常经由短路导体彼此连接，以便实现天线的所需阻抗匹配。该结构被配置成使其在所需的操作频率下用作谐振器。通常，这些内部天线位于塑料外壳内的无线电装置的印刷电路板(pcb)上，所述塑料外壳允许射频波传播到天线和从天线传播射频波。

近来，希望这些无线电装置包括金属体或外部金属表面。金属体或外部金属表面可以出于多种原因而被使用所述原因包括例如提供美学效益，诸如为底层无线电装置产生令人愉悦的外观和感觉。然而，金属外壳的使用为射频(rf)天线实现带来了新的挑战。通常的先前技术天线解决方案诸如具有导电环状结构的辐射器元件的耦接天线在所有情况下例如由于其辐射场型的固有方向性而表现不佳。如下事实有利于槽缝型天线：无线电装置的金属外壳和/或外部金属表面用作特别是在天线需要在数个频带中工作时降低天线性能的rf屏蔽。槽缝天线是具有线性极化的全向微波天线，并且通常用于300mhz至24ghz之间的频率。

波导槽缝天线通常在标准矩形波导的与波导的长度平行的宽面中具有一或若干纵向槽缝。切入波导壁的纵向槽缝中断在壁中流动的横向电流，迫使电流围绕槽缝行进，这在槽缝中感应出电场。波导中槽缝的位置决定电流。由于波导壁的电流与任意两点之间的电场的差异成比例，所以位置确定呈现给传输线的阻抗以及耦接到槽缝和从槽缝辐射的能量的量。

为了在圆形波导中制造槽缝天线诸如在表式gps装置或腕上计算机使用的槽缝天线，重要的设计标准是定位最大电场点，其取决于沿着圆形波导的外围的槽缝的位置。为了在圆形波导中确定电场的走向，它在遇到不连续性诸如槽缝时也必须避免旋转。槽缝尺寸、形状和后面的空腔在可以用于调节性能的设计变量之中。

在先前技术解决方案中，天线槽缝是特制的或由专用部件制作并且形成在腕表式装置的边框和壳体上。在us7271774中公开了完整槽缝天线的示例，其形成在手腕可穿戴装置的外壳的导电材料部分中。

因此，显著需要一种与具有外部金属表面诸如由非导电材料制成的边框和外壳/本体的可穿戴或腕戴的无线电装置配合使用的天线解决方案。

技术实现要素：

本公开内容的发明人已经作出令人惊讶的观察结果，槽缝天线可以产生于由导电材料诸如金属制成的边框以及电路板本身的外围。这提供了显著的优点，因为天线结构——包括但不限于槽缝和馈电点——的位置可以用于优化辐射场型，并且因此用于专用用途以及运动诸如跑步、散步或骑自行车的gnss(全球导航卫星系统)信号的接收。gnss系统包括但不限于gps、格洛纳斯(glonass)、伽利略(galileo)和北斗(beidou)导航系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在槽缝模式(slotmode)下操作的天线的组件，其中，该组件包括：电子装置的至少一个电路板；导电体，其布置在距所述至少一个电路板一定距离处；至少一个馈电元件，其用于在所述导电体与所述电路板之间耦接电磁信号，并且其中，至少一个导电轮缘结构沿着至少一个所述电路板的外围的至少一部分定位，其中，所述导电轮缘和所述导电体在导电轮缘与导电体自身之间限定槽缝模式天线，并且其中，槽缝模式天线的长度被限定在两个连接点之间，在所述连接点处，所述导电体被连接到所述导电轮缘。

根据本发明的一些实施例，电路板被布置在与所述导电体平行且至少部分地与所述导电体对齐的平面，并且在所述接地平面具有至少沿着电路板的外围的一部分的导电层。

根据本发明的一些实施例，组件包括在将所述导电体电连接到所述导电轮缘结构和所述电路板的所述接地平面的两个连接点处的元件。连接点位于所述槽缝模式天线的第一端和第二端处。

根据本发明的一些实施例，导电体是作为腕表式装置的壳体的一部分的边框。导电体或边框可以具有环形、椭圆形、矩形、正方形或任何其他多边形的形状。

根据本发明的一些实施例，所述腕表式装置中的所述第一连接点和所述第二连接点以及至少一个馈电元件沿着装置的外围被定位于大致3点钟至9点钟之间，优选地在5点钟至9点钟之间。

根据本发明的一些实施例，组件可以包括多于两个连接点。导电体和导电轮缘可以布置成在导电体与导电轮缘之间限定多个槽缝。例如，每个槽缝然后被限定在两个连接点之间，并且每个槽缝可以在所述连接点之间具有馈电元件。

根据本发明的一些实施例，组件中的至少一个槽缝适合用于gnss(全球导航卫星系统)信号的接收。例如，gnss信号可以是gps、格洛纳斯、伽利略和/或北斗信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种电子腕表式装置，其包括：壳体；在所述壳体内的至少一个电路板；导电边框，其布置在距所述电路板一定距离处作为所述壳体的一部分，并且至少一个导电轮缘结构沿着至少一个所述电路板的外围的至少一部分定位，并且其中，所述导电轮缘与所述导电体在导电轮缘与导电体自身之间限定至少一个槽缝模式天线，并且其中，槽缝模式天线的长度被限定在两个连接点之间，在所述连接点处，所述导电体被连接到所述导电轮缘。

本发明的天线组件和腕表装置的特征在于所附权利要求书中阐述的内容。根据附图和以下详细描述，本公开内容的其他特征、其性质和各种优点将更加明显。

附图说明

根据下面结合附图给出的详细描述，本公开内容的特征、目的和优点将变得更加明显，在附图中：

图1呈现了根据本发明的至少一些实施例的原则的用于在槽缝模式下操作的天线的组件；

图2呈现了根据本发明的一些其他实施例的原则的用于在槽缝模式下操作的天线的组件；

图3呈现了可以与本发明的至少一些实施例一起使用的圆形pcb；

图4示出了根据本发明的至少一些实施例的电子腕表式装置模式；

图5示出了可以在本发明的一些实施例中有用的用于在槽缝模式下操作的天线的组件；

图6示出了可以在本发明的一些其他实施例中有用的用于在槽缝模式下操作的天线的组件；

图7示出了先前技术gps天线的准确性；

图8示出了本发明的槽缝模式gps天线的对应准确性；

图9a和图9b示出了先前技术天线和本发明天线的rhcp辐射场型；

图10显示了根据本发明的一些实施例的用于在槽缝模式中操作的天线的组件；

图11显示了根据本发明的一些其他实施例的用于在槽缝模式中操作的天线的组件。

具体实施方式

在图1中示出了本发明用于在槽缝模式下操作的天线的组件10。示例性组件包括：用于诸如运动手表或智能手表的装置的电路板(pcb)12，以及由导电材料制成并布置在pcb12的顶部上并与pcb12平行的本体，诸如环形边框11。在pcb12与环形边框11之间距离为d的间隙限定槽缝，该槽缝使得组件10充当槽缝模式下的天线。pcb12的外围至少部分地与边框11的外部形状对齐，并且具有至少沿着该外围的一部分的金属层(参见图3，项33)，该金属层连接到pcb12的接地平面。

显然地，边框可以采取例如环形、椭圆形、正方形、矩形或任何其他多边形的形状。接着需要相应地设计pcb的形状。

图1中的示例性组件还包括馈电元件或引脚13，其用于在槽缝模式天线与pcb12之间耦接电磁信号。在图1所示的实施例中，馈电元件13被耦接在边框11与pcb12之间。元件13可以以各种方式在pcb上实现为引脚或弹簧棒，简单地实现为跳线连接，或者实现为螺栓，以在pcb的边缘处与槽缝模式天线结构接触，可能例如与进一步在多层pcb中传导信号的通孔接触。根据设计、制造和信号增益考虑的需要，可以在本发明的任何实施例中使用这些种类的解决方案中的任何一种。

引脚14和15是用于将导电体11接地到电路板上的接地平面的连接点。连接点14与15之间的距离限定槽缝的长度。例如，引脚可以是简单的跳线或弹簧加载的接触(弹簧)引脚。馈电引脚优选地附接到旨在与其进行电连接的pcb的外边缘、边框或其他结构，以便利于容易调节。除了边缘之外的其他附接点也是可行的，但是可能需要对其他相关部件进行更多调节。

根据一些实施例，引脚14和15被视为使导电体11连接到pcb12的接地平面的连接点的实体表示。在一些实施例中，引脚可以是位于pcb与导电体之间的作为支撑或其他的绝缘元件(未示出)的不可缺的部分。然而，在一些实施例中，包含引脚的元件可以是分开的，并且位于所述槽缝的第一端和第二端处，从而限定槽缝天线。

在一些实施例中，所述组件可以具有浮接或绝缘支撑引脚(未示出)或者保持边框11与pcb12之间的间隙的绝缘环。替代地或另外地，引脚15可以经由频率选择电路(例如，低通滤波器)或电子开关16连接到地。因此，相同的馈电引脚13可以被配置成以两个不同的槽缝长度——在引脚14与15之间较短，而在引脚14与17之间较长——对相同的槽缝组件进行馈电。这种布置将使天线槽缝可选择或可切换，并且因此适用于两个不同的频率，是因为由馈电点13观察到的槽缝的电气长度在一方面由引脚14(逆时针方向)到引脚15来确定，或者在另一方面由引脚14到引脚17来确定。

现在转到图2，类似的组件20如图1中所示，但设置有分别耦接到pcb22的边框21的两个部分，从而提供在槽缝模式下操作的两个天线。第一槽缝模式天线的长度由边框21的连接点或引脚24a至24c之间的部分(逆时针)来限定，相应地，第二槽缝模式天线的长度由引脚24c至24b之间的部分来限定。因此，第一槽缝模式天线具有接地引脚24a和24c。如所示，馈电元件或引脚23a位于接地引脚之间。

如所示，第二槽缝模式天线具有接地引脚24b和邻近其第二接地引脚24c定位的馈电引脚23b。

在分配给不同天线的不同长度的边框部分下，它们变得能够调节到不同的操作频率，并且它们所连接的电子装置因此能够作为多频带装置操作。

印刷电路板(pcb)上的接地平面是连接到电路的接地点——通常是电源的一个端子——的大面积铜箔或铜箔层。它用作来自许多不同部件的电流的返回路径。接地平面通常尽可能大，覆盖pcb的未被电路迹线占据的大部分区域。

大面积的铜也传导来自许多部件的大的返回电流而没有显著的电压降，以确保所有部件的对地连接在相同的参考电势处。在数字和射频pcb中，使用大接地平面的原因是通过接地回路来减少电噪声和干扰，并防止相邻电路迹线之间的串扰。出于说明的目的，在图3中示出了一般的圆形pcb30，其具有微控制器或处理器31和一些铜布线32。根据本发明的示例性实施例，接地平面可以布置为围绕圆形pcb30的外围的铜轮缘33。这确保了如图1和图2所示的本发明的槽缝模式天线的操作。

处理器31可以包括例如单核心或多核心处理器，其中，单核心处理器包括一个处理核心，而多核心处理器包括多于一个的处理核心。处理核心可以包括例如由安谋国际科技(armholdings)制造的cortex-a8处理核心或由超微半导体(advancedmicrodevices)公司生产的steamroller处理核心。处理器31可以包括至少一个高通蛟龙(qualcommsnapdragon)和/或英特尔凌动(intelatom)处理器。处理器31可以包括至少一个专用集成电路(asic)。处理器31可以包括至少一个现场可编程门阵列(fpga)。处理器31可以是用于在pcb30中执行方法步骤的装置。

在图4中示意性地示出了电子腕表式装置40的上视图。金属边框41环绕壳体。通常地，在跑步且佩戴在手腕上期间，装置具有沿着装置的边缘延伸的槽缝天线，其主要定位在具有3点钟至9点钟之间的弧长s的半圆形扇区上。天线的辐射场型接着向上指向天空，即卫星星座。

槽缝天线的角宽度(此处用作来自圆圈中点的中心角的同义词)取决于装置的直径和所用的材料，其中，诸如介电材料的介电常数的参数影响结果。角宽度可以比所建议的180°更大或更窄，从而导致在图4中3点钟至9点钟之间的弧长s。s可以写成其中，s是弧长，α是具有弧长s的圆扇区的中心角(以度为单位)，以及r是同一个圆——在此是圆形槽缝天线——的半径。装置的直径越小，角宽度α应越大，以便产生特定的弧长s。

在图4中还显示大致5点钟至9点钟之间的约120°的较窄的扇形s'。发明人已发现，相对于馈电引脚通常配置在槽缝天线的中心的先前技术解决方案，对于在手腕上并在行走和/或跑步时携带的装置，如果pcb与边框之间的馈电引脚(参见图1和图2)位于从天线的起点算起距离不超过总槽缝天线长度的四分之一到三分之一的扇区中，则本发明的天线组件的极化特性在最佳地运作。在此，起点位于9点钟位置。利用馈电引脚的定位，寻求在gps谐振频率下天线的最佳阻抗匹配。然后，可能需要对其他部件的较少调节，以便实现gps或其他卫星系统信号的最佳接收。

一般地，馈电引脚或馈电连接点可以位于槽缝的边框侧或槽缝的pcb边缘侧。然而，馈电引脚的优选放置通常在边框上，以便实现最佳的天线辐射。pcb布置可能因其机械简单性而受到青睐，并且可以在能够实现足够好的天线性能时被选用。

当装置佩戴在手腕上(通常为左手腕)时，辐射场型的rhcp(右旋圆极化)分量似乎接着具有向上指向的理想主导峰值。可实现的最佳辐射场型部分地取决于装置，即，装置的尺寸和槽缝天线的阻抗，并且部分地取决于输入信号的方向和极化。后者要求槽缝天线及其辐射场应当在主要使用的gnss接收使用位置中至少部分地面朝上。

根据本发明的一些实施例，可以由沉积在或附接到电路板的接地平面且面对所述导电体的导电轮缘结构来至少部分地改变槽缝的有效宽度和/或长度。这种轮缘结构可以包括片金属部件等。图5中示出一个示例，其具有组件50，组件50包括边框环51、第一半圆形pcb板52和作为接地平面的围绕pcb52的外围布置的铜轮缘54以及布置在第一pcb板52下方的第二半圆形pcb板53。附接到第二(最下面)pcb板53的是片金属轮缘55，其宽度(即，其相对于pcb52的高度)和长度可以选择成使其连同pcb52和边框51一起形成gps槽缝天线的一部分。槽缝限定构件56和57——其可以作为限定槽缝天线的端部的接地引脚——示出在片金属轮缘55与边框51之间。也示出了馈电引脚58。

图6是与图5中的组件类似的组件，其中，部件60至68对应于图5中的部件50至58。然而，在图6中，金属片轮缘65形成为第二最低pcb板63的延伸部。轮缘延伸部65可以被连接到pcb62的铜轮缘64以及/或者连接到pcb63的铜轮缘(未显示)。此外，可以选择轮缘65的宽度(即相对于pcb62的高度)和长度，以使其连同pcb62和边框61一起形成gps槽缝天线的一部分。

在图7和图8中示出了本发明的槽缝模式天线与先前技术的天线相比的改进准确性。在图7中，地形往返路线a-b-c由人所跑出，同时由具有先前技术的耦接辐射器gps天线诸如已知形式的例如us2017/0179581的腕表式gps装置来追踪跑步。在沿着路线的许多地方可以看到行程的不同路程之间在d1处的通常偏差。在图8中，在具有类似性能但使用本发明的槽缝模式天线的装置中，沿着路线a-b-c的路程的偏差d2小得多。

在图9a和图9b中示出了在2维(2d)中对应的rhcp(右旋圆极化)辐射场型。通常的腕表式gps装置91被佩戴在图9a和图9b两图中的圆形横截面中示出的左手的腕90上。例如，使用具有辐射元件的常规边框天线的一般先前技术的天线辐射场型92示出在图9a中。辐射场型92的顶峰92a在横向方向上指向，并且在所示的使用位置中接收输入卫星信号方面不太理想。辐射场型93的顶峰93a向上指向，并且因此当装置处于其最经常使用位置时，具有在0度方向上的强辐射场。

从图9a和图9b中可以注意到，图9b中的槽缝天线在人将表穿戴在手腕内侧的情况下也表现良好。在此情况下，表相对于图9b上下颠倒，但是接着在0度方向上指向的槽缝天线辐射场型(此处在180度方向上示出)仍将比图9a中的先前技术边框天线的对应0度方向场型更宽。

根据本发明的一些实施例，槽缝的有效宽度和/或长度可以完全由沉积在或附接到电路板的接地平面且面对导电体的导电轮缘结构来限定。一个示例如图10所示，其中，组件100包括边框环101、半圆形pcb板102和围绕pcb102的外围布置的铜轮缘104作为接地平面。第二半圆形pcb板103(虚线)可以布置在第一pcb板102下方。附接到pcb板的是片金属轮缘105，其沿着pcb102的外围的至少一部分定位。轮缘105的宽度和长度可以被选择以使轮缘的上边缘105a形成gps槽缝天线的下部，边框101为上部。金属轮缘可以与接地的铜轮缘104电接触，或者它可以具有不同的电势。可以用作接地引脚的槽缝限定端元件106和107被示出在片金属轮缘105与边框101之间。也示出了引脚式馈电元件108，其在它的一端连接到pcb102的接地平面104，并且在其另一端连接到槽缝模式天线的导电部分。此部分可以是边框101、金属轮缘105，或天线的一些其他部分，其中接收的无线电电波具有感应电流。如上所述，馈电元件可以采用多种形状并以各种方式实现。

图11是与图10中的组件类似的组件。然而，在图11中，金属片轮缘115具有形成在其顶部上的至少部分盖113，所述至少部分盖113用作电磁屏蔽板，例如，诸如法拉第笼。板113可以采用各种形式和尺寸，但会形成gps槽缝天线的第二部分115、113的一部分，边框111为第一部分。第二半圆形pcb板(未显示)可以被布置在第一pcb板112的下方。

金属轮缘115和板113可以与接地的铜轮缘114电接触，或者它们可以具有不同的电势。可以用作接地引脚的槽缝限定端元件116和117被示出在片金属轮缘115与边框111之间。还示出了馈电元件118。

应当理解，虽然本公开内容的某些方面是根据方法的特定顺序的步骤来描述的，但是这些描述仅是本公开内容的更广泛方法的说明，并且可以根据特定应用的需要进行修改。在某些情况下，某些步骤可能变得不必要或可选的。此外，可以将某些步骤或功能添加到所公开的实施例，或者置换两个或更多个步骤的执行顺序。所有这些变化都被认为包括在本文公开和要求保护的公开内容中。

虽然以上详细描述已经显示、描述并指出了应用于各种实施例的天线设备的新颖特征，但是应当理解，本领域技术人员可以在不脱离天线设备的基本原理的情况下对于所示装置或过程的形式和细节进行各种省略、替换和变化。前面的描述是本公开内容的目前设想的实现的最佳模式。此描述绝不意味着限制，而是应当被视为对本公开内容的一般原理的说明。应当参考权利要求书来确定本公开内容的范围。