一种三维结构的蓝牙天线装置及蓝牙设备的制作方法

本实用新型属于蓝牙天线技术领域,尤其涉及一种三维结构的蓝牙天线装置及蓝牙设备。

背景技术：

蓝牙天线技术是一种得到广泛应用,工作在2.4ghz频段的低成本,低功耗的无线通信技术。

其中,蓝牙耳机是一种应用蓝牙天线技术将语音,音乐,以及相关数据与相关智能设备进行无线传输的消费类音频产品；而天线是蓝牙耳机中,进行电磁波发射,接收的重要组件；从构造类型及应用材料上来进行归纳,常用的天线有以下类型的天线：lds(镭射)天线,fpc天线,陶瓷天线,pcb板载天线；而lds天线,fpc天线,陶瓷天线因为构造及材料的因素,需要不同的工厂进行协同加工,生产,而不同的生产厂家之间的协作必然会导致品质,交期的不确定性,同样也会造成成本的上升。

当今,蓝牙耳机由于便携性,美观性以及使用的灵活性而导致市场的销售量呈现爆发性的增长。同样,为了满足市场消费的需求,蓝牙耳机的外型设计越来越美观,越小巧,功能越来越多样化；而耳机外型的小型化必将使pcb的面积减小,pcb面积的减小,功能的多样化,将会导致相关电路因为电磁干扰,而产生的功耗增加,音乐播放,通话时的噪声；同样,电磁干扰也会使蓝牙天线射频参数发生变化,而影响蓝牙耳机与相关智能设备的通信连接距离的减小,通信连接质量的降低,从而影响产品的稳定性及可靠性。

另外,蓝牙耳机是由不同的器件构造而成,按照蓝牙耳机使用的场景要求,蓝牙天线在设计时需要满足天线的全方向性或者多方向性；因此,在蓝牙天线以及rf信号回路附近较短的范围内禁止具备有导体特性的器件放置,这样可以保证蓝牙射频信号能够有效的进行发射/接收；这就是一些通信终端,通信设备所提及的射频“净空区”；在一般的蓝牙产品的应用中,基于蓝牙天线性能,参数的要求,在蓝牙天线的四周最小净空区为5mm内不能放置有具备有导体特性的器件；而蓝牙耳机的元器件中的电池,喇叭,按键,麦克风及电池的焊接线,pcb上的铜箔,都是具备有导体特性的器件；这些器件放置在有限的结构空间内,对蓝牙天线的设计和开发提出了苛刻的挑战,这也是众多蓝牙耳机厂商亟待解决的技术上的难点。

为此,需要一种有别于现有蓝牙耳机相关电路,天线结构的设计方式,来降低相关电路的电磁干扰的同时提高天线的辐射功率,辐射效率,辐射方向性以及相关射频参数的一致性,从而实现蓝牙耳机的可靠性和稳定性。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提供一种三维结构的蓝牙天线装置,旨在解决背景技术中所提出的问题。

本实用新型实施例是这样实现的,一种三维结构的蓝牙天线装置,包括至少设有两层结构的pcb基板,所述pcb基板的顶层和底层均设有第一天线参考地和第二天线参考地；所述蓝牙天线装置还包括：

第一金属包边结构,设置在所述pcb基板的一侧；所述第一天线参考地和所述第二天线参考地之间通过所述第一金属包边结构进行连接；

第二金属包边结构设置在所述pcb基板的另一侧；

第三金属包边结构,设置在与所述第二金属包边结构在所述pcb基板的相同一侧；

第一天线结构,设置在所述第一天线参考地与所述第二天线参考地之间,其包括至少两段具有导体特征且蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层的天线线段；相邻两段蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层的天线线段之间通过所述第二金属包边结构和所述第三金属包边结构进行连接；

第二天线结构,设置在所述第一天线参考地与所述第二天线参考地之间,其包括具有导体特征且蚀刻在所述pcb基板的底层或顶层的天线线段；以及具有导体特征的过孔,设置在所述pcb基板上；所述第一天线结构通过所述过孔与所述第二天线结构相连。

作为本实用新型实施例的一个优选方案,所述第一天线结构包括：

具有导体特征的第一天线线段,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线参考地相互平行；

具有导体特征的第二天线线段,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且为“n”型结构；所述第二天线线段的一端通过所述第二金属包边结构与所述第一天线线段相连；以及具有导体特征的第三天线线段,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第二天线参考地相互平行；所述第三天线线段的通过所述第三金属包边结构与所述第二天线线段的另一端相连。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述第一天线结构还包括：

具有导体特征的短路线段,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线线段相连；以及天线馈电端,设置在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线线段相连。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述第二天线结构包括：

具有导体特征的第四天线线段,蚀刻在所述pcb基板的底层或顶层,且为“s”型结构。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述pcb基板包括：

pcb第一层,pcb第四层,以及设置所述pcb第一层与pcb第四层之间的pcb内层一,pcb内层二；所述pcb第一层上蚀刻有导体特征的电源正极线段,所述pcb内层一上蚀刻有导体特征的信号线正极,所述pcb内层二上蚀刻有导体特征的信号线负极。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述第二天线参考地上设有电源负极焊盘,电源正极焊盘,信号线正极焊盘和信号线负极焊盘。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述pcb基板的厚度为0.6～1mm。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述蓝牙天线装置还包括：

具备有电感或电容特征的被动元件,放置在所述第一天线参考地与所述第一天线结构之间。

作为本实用新型实施例的另一个优选方案,所述被动元件包括：

具备有电感或电容特征的被动元件第一管脚,放置在所述第一天线参考地上；

具备有电感或电容特征的被动元件第二管脚,放置在所述第一天线结构上。

本实用新型实施例的另一目的在于提供一种蓝牙设备,其包括微控制单元,电源装置以及上述的蓝牙天线装置。

在本实用新型中，三维结构的蓝牙天线装置中的”三维”,是指使用x,y,z坐标轴来对天线的整体构造的结构中所有设置在pcb基板上相关天线线段的方向进行描述,其中所述x轴:是指第一天线参考地与所述第二天线参考地之间所示意的天线构造中的天线长度；其中所述y轴:是指pcb两侧之间所示意的的天线结构中的天线宽度；其中所述z轴:是指pcb基板的厚度,同样也是指使用金属包边工艺在pcb基板一侧构造完整天线结构中的相关天线线段的宽度。

本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置,具有结构体积小,成本低,参数一致性好,抗电磁干扰能力强等优点。具体的,本实用新型实施例通过在pcb基板上的一侧设置第一金属包边结构,可以将第一天线参考地和第二天线参考地连接起来,从而可以增加蓝牙天线装置整体的天线参考地面积,使其在作为电源负极的同时,也可以做为电磁屏蔽地线,用以增强蓝牙天线装置中电路的电磁抗干扰能力。另外,本实用新型实施例通过在pcb基板上的另一侧设置的第二金属包边结构,第三金属包边结构,可以将第一天线结构中的多段天线线段连接起来,从而可以实现在有限的结构空间内增加天线的谐振长度,进而可以进一步减小蓝牙天线装置的整体尺寸。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的pcb第一层的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的pcb第四层的结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的其中一个侧面的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的另一个侧面的结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的pcb第一层的结构尺寸示意图。

图7为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的pcb第四层的结构尺寸示意图。

图8为本实用新型实施例提供的一种三维结构的蓝牙天线装置的四层pcb层构造示意图；

图中：1-第一天线参考地,2-被动元件,3-天线馈电端,4-过孔,5-第一金属包边线段,6-第二金属包边线段,7-第三金属包边线段,8-电源正极线段,11-pcb第一层,12-pcb内层一,13-pcb内层二,14-pcb第四层,20-被动元件第一管脚,21-被动元件第二管脚,101-第二天线参考地,102-电源负极焊盘,103-电源正极焊盘,104-信号线正极焊盘,105-信号线负极焊盘,201-短路线段,202-第一天线线段,203-第二天线线段,204-第三天线线段,205-第四天线线段,801-信号线正极线段,802-信号线负极线段。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的,技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。

另外,在本申请的描述中,所采用到的术语应当作广义的理解,对于本领域的技术人员而言,可以根据实际的具体情况来理解术语的具体含义。譬如,本申请中所采用的术语“设置”和“设有”,可以定义为接触式设置或者未接触式设置等；所采用的术语“连接”和“相连”可以定义为机械连接方式或电性连接方式；所采用的方位词术语均是以附图为参考或者根据以实际情况以及公知常识所定义的方向为准。

如附图1所示,本实用新型实施例提供了一种三维结构的蓝牙天线装置,其包括至少设有两层结构的pcb基板,所述pcb基板的顶层和底层均设有第一天线参考地1和第二天线参考地101；所述蓝牙天线装置还包括：

第一金属包边结构,设置在所述pcb基板的一侧；所述第一天线参考地1和所述第二天线参考地101之间通过所述第一金属包边结构进行连接；

第二金属包边结构,设置在所述pcb基板的另一侧；

第三金属包边结构,设置在与所述第二金属包边结构在所述pcb基板的相同一侧；

第一天线结构,设置在所述第一天线参考地1与所述第二天线参考地101之间,其包括至少两段具有导体特征且蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层的天线线段；相邻两段蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层的天线线段之间通过所述第二金属包边结构和所述第三金属包边结构进行连接；

第二天线结构,设置在所述第一天线参考地1与所述第二天线参考地101之间,其包括具有导体特征且蚀刻在所述pcb基板的底层或顶层的天线线段；以及

具有导体特征的过孔4,设置在所述pcb基板上；所述第一天线结构通过所述过孔4与所述第二天线结构相连。

在实际应用中,pcb基板可以由多层介电材料层叠而成,多层介电材料层叠后,两侧可以通过金属包边工艺进行封装,以形成第一金属包边结构和第二金属包边结构,具体的,pcb基板可以采用fr4作为材质。另外,在本实用新型中,所提及的所有类型的线段(包括下述的实施例)是指蚀刻在pcb基板上具备有导体特征而且具备有不同长度和宽度的铜箔。pcb基板的顶层和底层均设有结构相同的第一天线参考地1和第二天线参考地101,第一天线参考地1和第二天线参考地101分别设置在pcb基板的顶层或底层的两端,pcb基板的顶层或底层的中间部分用于设置第一天线结构或第二天线结构。过孔4贯穿于pcb基板,其孔壁经过金属化处理,以便于连接上下两层的第一天线结构和第二天线结构,具体可以采用现有技术的沉铜电镀工艺进行加工处理。

具体的,如附图5所示,第一金属金属包边结构包括第一金属包边线段5,第一金属包边线段5设置在pcb基板的其中一个侧面上；pcb基板顶层和底层两端的第一天线参考地1和第二天线参考地101均通过第一金属包边线段5进行连接,以增加蓝牙天线装置整体的天线参考地面积和增强蓝牙天线装置的电路的电磁抗干扰能力。

本实用新型实施例通过在pcb基板上的一侧设置第一金属包边结构,可以将第一天线参考地1和第二天线参考地101连接起来,从而可以增加蓝牙天线装置整体的天线参考地面积,使其在作为电源负极的同时,也可以做为电磁屏蔽地线,用以增强蓝牙天线装置中电路的电磁抗干扰能力。另外,本实用新型实施例通过在pcb基板上的另一侧设置第二金属包边结构,可以将第一天线结构中的多段天线线段连接起来,从而可以实现在有限的结构空间内增加天线的谐振长度,进而可以减小蓝牙天线装置的整体尺寸。

如附图图1,图2和图4所示,在本实用新型的一个优选实施例中,所述第二金属包边结构包括设置在所述pcb基板一侧的第二金属包边线段6，所述第三金属包边结构包括设置在所述pcb基板一侧的第三金属包边线段7，第二金属包边线段6与第三金属包边线段7位于同一侧；所述第一天线结构包括：

具有导体特征的第一天线线段202,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线参考地1相互平行；

具有导体特征的第二天线线段203,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且为“n”型结构；所述第二天线线段203的一端通过所述第二金属包边线段6与所述第一天线线段202相连；以及具有导体特征的第三天线线段204,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第二天线参考地101相互平行；所述第三天线线段204的通过所述第三金属包边线段7与所述第二天线线段203的另一端相连。

具体的,第一天线线段202,第二天线线段203和第三天线线段204均可蚀刻在pcb基板的顶层,且均位于pcb基板顶层的第一天线参考地1和第二天线参考地101之间；通过设置第一天线线段202,第二天线线段203和第三天线线段204,并利用设置在pcb基板侧面的第二金属包边线段6和第三金属包边线段7将这些天线线段连接起来,可以在有限的的结构空间内实现较大程度地增加天线的谐振长度,从而可以在保证天线谐振长度足够长的情况下(即能够保证天线的射频参数等要求),将蓝牙天线装置的整体结构尺寸设计得更小些,以减少蓝牙天线装置在蓝牙设备中的占用空间。

如附图图1,图2和图4所示,在本实用新型的另一个优选实施例中,所述第一天线结构还包括：

具有导体特征的短路线段201,蚀刻在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线线段202相连；以及天线馈电端3,设置在所述pcb基板的顶层或底层,且与所述第一天线线段202相连。

具体的,短路线段201可蚀刻在pcb基板的顶层,其与第一天线线段202相互垂直；天线馈电端3也可蚀刻在pcb基板的顶层,其也与第一天线线段202相互垂直,且与短路线段201,第一天线线段202设置于同一pcb层。天线馈电端3,短路线段201,第一天线线段202,第二金属包边线段6,第二天线线段203,第三金属包边线段7与第三天线线段204之间构成完整的第一天线结构。另外,天线馈电端3的特征阻抗可以设计为50欧姆。

如附图3所示,在本实用新型的另一个优选实施例中,所述第二天线结构包括：

具有导体特征的第四天线线段205,蚀刻在所述pcb基板的底层或顶层,且为“s”型结构。

具体的,第四天线线段205可以蚀刻在所述pcb基板的底层,其位于pcb基板底层的第一天线参考地1和第二天线参考地101之间,且第四天线线段205的一端通过过孔04与pcb基板顶层的第三天线线段204的一端相连,以将第一天线结构与第二天线结构连接起来,构成完整的天线谐振长度。

如附图3所示,在本实用新型的另一个优选实施例中,所述pcb基板包括：

pcb第一层11,pcb第四层14,以及设置所述pcb第一层11与pcb第四层14之间的pcb内层一12,pcb内层二13；所述pcb第一层11上蚀刻有导体特征的电源正极线段8,所述pcb内层一12上蚀刻有导体特征的信号线正极801,所述pcb内层二13上蚀刻有导体特征的信号线负极802。

具体的,pcb第一层11即为上述实施例中所述的pcb基板的顶层；pcb内层一12和pcb内层二13即为上述实施例中所述的pcb基板的内层；pcb第四层14即为上述实施例中所述的pcb基板的底层；在该实施例中，pcb内层一12,pcb内层二13分别设置于pcb第一层11与pcb第四层14之间；另外,电源正极线段8可以蚀刻在pcb第一层11上,且位于第一天线结构的一侧；信号线正极线段801和信号线负极线段802分别蚀刻在pcb内层一12(第二层),pcb内层二13(第三层)13上,其可用作于麦克风等信号线的连接线段,以增加蓝牙天线装置电路的功能。此外,第一pcb层11(顶层)上的第二天线参考地101上还依次设有电源负极焊盘102,电源正极焊盘102,信号线正极焊盘104和信号线负极焊盘105。

如附图图4,图5,图8所示,在本实用新型的另一个优选实施例中,所述pcb基板的总厚度(即为图4,图5,图8中pcb_h)为0.6～1mm,优选为0.8mm,但不限于此。

另外,图6,图7中,ant_l是指第一天线结构和第二天线结构所占用空间的长度,其可设计为5mm,但不限于此；ant_w指第一天线结构和第二天线结构所占用空间的宽度,其可设计为4.9mm,但不限于此；ant_fb是指天线馈电端3的长度,其可设计为1.2～1.3mm,但不限于此；ant_s是指天线馈电端3与第二管脚21的间距,其可设计为1.7～1.9mm,但不限于此；ant_l0是指第三天线线段204的长度,其可设计为3.0～3.5mm,但不限于此；ant_ls0是指第二金属包边线段6的长度,其可设计为1.5～1.7mm,但不限于此；ant_ls1是指第三金属包边线段7的长度,其可设计为1.5～1.7mm,但不限于此。

图7中,ant_bl是指第四天线线段205的长度,其可设计为3.0～3.1mm,但不限于此；ant_bh是指第四天线线段205的宽度,其可设计为2.9～3.0mm,但不限于此；ant_via是指过孔4的直径,其可设计为0.2～0.35mm,但不限于此。

根据附图4、图6和图7的尺寸设计可以看出,本实用新型实施例提供的蓝牙天线装置的第一天线结构和第二天线结构的总尺寸可设计为5mm×4.9mm×0.8mm,但不限于此；

所述三维结构的蓝牙pcb天线的结构尺寸相比于现有技术中的pcb板载天线所占用空间只有其四分之一(譬如申请号为:cn201610540958所公开的关于蓝牙耳机天线的发明专利)。

如附图1和图4所示,在本实用新型的另一个优选实施例中,所述蓝牙天线装置还包括：

具备有电感或电容特征的被动元件2,设置在所述第一天线参考地1与所述第一天线结构之间。

具体的,所述被动元件2包括：

具备有电感或电容特征的被动元件第一管脚20,设置在所述第一天线参考地1上；

具备有电感或电容特征的被动元件第二管脚21,设置在所述第一天线结构上。

具体的,被动元件第一管脚20和被动元件第二管脚21均可设置在pcb基板的顶层。通过在第一天线参考地1与所述第一天线结构之间设置带有第一管脚20和第二管脚21的被动元件2,可以对因pcb的板材及工艺差异而导致的天线特征参数变化而进行l/c(电感/电容)参数调整,以满足天线的辐射效率以及天线的方向性,同时还可以通过被动元件2进行参数优化,以进一步减小天线结构的所占用面积。

在本实用新型的另一个实施例中,还提供了一种蓝牙设备,其包括微控制单元,电源装置以及上述的蓝牙天线装置。

具体的,该蓝牙设备可以是蓝牙耳机或者蓝牙音箱等,其还可包括天线阻抗匹配电路,rf信号回路,音频回路等电路结构以及喇叭,按键,麦克风等部件,但不限于此。

综上所述,本实用新型实施例提供的蓝牙天线装置可应用在蓝牙耳机上,其具备有三维结构特征的超小尺寸的pcb板载单极子蓝牙天线,相对于目前市场上相同结构特征的pcb板载天线而言,它具有结构体积小,成本低,参数一致性好,抗电磁干扰能力强等优点。

按照电磁场理论以及实际的应用经验,在蓝牙设备中,只有天线的长度等于1/4波长时,天线的辐射强度和辐射效率处于最优状态,可以有效的实现蓝牙耳机产品的可靠性,稳定性以及一致性。在蓝牙耳机实际的生产,装配过程中发现,在pcb天线板载天线有效的禁空区附近,任意具备有导体特性的部件出现,将严重影响天线的特征阻抗,从而将影响天线的辐射方向性以及天线的辐射效率,因此会导致蓝牙耳机的生产良率,影响蓝牙耳机的可靠性,稳定性。

对于上述技术问题,本实用新型的创造性的在pcb基板两侧相关的位置上,将不同长度,不同宽度的线段进行金属化包边工艺处理,构成整体天线长度其中一部分具备导体特征的天线线段；同时,按照天线构架的设计规则,将天线导体分别刻蚀在的pcb基板顶层和底层的铜箔上；完成上述的两个步骤的生产加工之后,通过金属化的过孔将顶层和底层的天线导体以及pcb基板两侧的包边金属化工艺的相关导体进行完整的连接,构造成一个完全符合天线设计参数的的蓝牙pcb板载天线；同时,在不影响蓝牙天线的相关参数的条件下,还可在多层的pcb基板的每一层上,放置有四个宽度相同,长度不同的线段,以作为电路的电源线,麦克风等信号线,从而可以增加电路的功能性。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。