与金属体集成的PCB馈电天线的制作方法

与金属体集成的pcb馈电天线
技术领域
1.本公开总体上涉及天线。尤其是，本公开涉及用于与金属体集成的天线的系统和方法。


背景技术：

2.各种各样的设备利用天线进行无线通信，例如无线接入点(ap)、流媒体设备、笔记本电脑、平板电脑等(统称为“无线设备”)。此外，这种设备的设计趋势集中在美学、紧凑的外形等方面，从而导致天线设计困难。这些无线设备需要利用wi-fi、蓝牙、zigbee、zwave等进行通信，这可能需要多个天线来实现。典型的无线设备通常包括用于发送和接收无线信号的三个硬件部分。在图1中示出了这三个硬件部分，图1是无线设备的典型发送和接收配置10的示意图。典型发送和接收配置10的三个硬件部分包括无线电装置13、桥接器12和天线11。
3.无线电装置13通常位于印刷电路板(pcb)或柔性件上，并且附有其他部件，例如前端模块(fem)、滤波器、开关、本地振荡器(lo)、混频器、风扇、冷却器、散热器等。桥接器12将无线电装置连接到天线，并且通常由同轴电缆、柔性件、弹簧夹、接触垫等形成。天线11通常由冲压和/或成形的金属片、具有导电层的柔性件、具有印刷导电层的塑料、金属中的开放的或闭合的槽和切口等形成。
4.在无线设备中，每个天线11、对应的桥接器12和对应的无线电装置13之间的物理连接通常每次一个。针对无线设备的每个天线11和对应的桥接器12单独形成连接可能需要大量的时间，因此可能增加无线设备的制造时间和成本。


技术实现要素：

5.在实施例中，公开了一种集成金属部件。该集成金属部件包括金属体和天线。该金属体适于以下两者至少其一：充当热交换器和至少部分地包围印刷电路板(pcb)上的电子部件。天线包括天线元件、短壁和天线馈电支腿。天线元件偏离金属体，并且包括沿金属体的周边延伸的长度。短壁将天线元件连接到金属体。天线馈电支腿沿天线元件的长度方向偏离短壁，并适于从天线元件延伸到pcb，并与pcb上的射频(rf)信号迹线的电触头形成电连接。
6.在实施例中，金属体在包括集成金属部件的设备中的电路周围形成连续屏蔽。
7.在实施例中，金属体适于充当散热器。
8.在实施例中，集成金属部件包括围绕金属体的周边定位的多个天线，每个天线通过对应的短壁连接到金属体。可选地，多个天线中的每个天线适于在不同的频率下操作。可选地，在多输入多输出(mimo)配置中，多个天线在同一频率下操作。可选地，多个天线中的相邻天线间隔小于其操作频率的四分之一波长。
9.在实施例中，天线馈电支腿在其中的馈电接触端中形成腔，并且其中，腔适于在其中容纳电触头，其中形成腔的表面接触电触头，以在馈电接触端与pcb接触时形成电连接。
10.在实施例中，集成金属部件是一体结构，其中金属体、天线元件、短壁和天线馈电支腿是单一结构形成的一体成型体。该一体结构通过模制、冲压和折叠以及计算机数字控制(cnc)中的一种将单件材料加工成集成金属部件而一体形成。
11.在实施例中，天线元件的长度为天线适于接收的波长的10％至20％，天线元件的宽度为天线元件的长度的20％至30％，天线元件的厚度为天线元件的长度的70％至80％。
12.在实施例中，天线还包括至少一个天线终端支腿，该至少一个天线终端支腿沿天线元件的长度方向偏离天线馈电支腿，并适于从天线元件延伸到pcb，并且与pcb上的rf信号返回线路的电触头形成电连接。
13.在另一实施例中，公开了一种集成天线系统。集成天线系统包括pcb和集成金属部件。pcb包括rf信号迹线和电子部件。集成金属部件包括金属体和天线。该金属体至少部分地包围电子部件。该天线包括天线元件、短壁和天线馈电支腿。天线元件偏离金属体，并且包括沿金属体的周边延伸的长度。短壁将天线元件连接到金属体。天线馈电支腿沿天线元件的长度方向偏离短壁，并从天线元件延伸到pcb。天线馈电支腿与rf信号迹线的电触头形成电连接。
14.在实施例中，天线馈电支腿在其中的馈电接触端中形成腔，并且其中，电触头被容纳在腔中，其中形成腔的表面与电触头接触，以形成与pcb的电连接。
15.在实施例中，集成金属部件是一体结构，其中金属体、天线元件、短壁和天线馈电支腿是单一结构形成的一体成型体。一体结构通过模制、冲压和折叠以及计算机数字控制(cnc)中的一种将单件材料加工成集成金属部件而一体形成。
16.在实施例中，天线元件的长度为天线适于接收的波长的10％至20％，天线元件的宽度为天线元件的长度的20％至30％，天线元件的厚度为天线元件的长度的70％至80％。
17.在实施例中，天线还包括沿天线元件的长度方向偏离天线馈电支腿的至少一个天线终端支腿，该至少一个天线终端支腿从天线元件延伸到pcb，并与pcb上的rf信号返回线路的电触头形成电连接。
18.在实施例中，集成金属部件包括多个天线，多个天线围绕金属体的周边定位，并且其中，金属体和多个天线是一体形成的一体结构。
19.在另外的实施例中，无线设备是封闭的。该无线设备包括pcb和至少一个集成金属部件。pcb至少包括rf信号迹线和电子部件。至少一个集成金属部件包括金属体和至少一个天线。金属体至少部分地包围电子部件。该至少一个天线包括天线元件、短壁和天线馈电支腿。天线元件偏离金属体，并且包括沿金属体的周边延伸的长度。短壁将天线元件连接到金属体。天线馈电支腿沿天线元件的长度方向偏离短壁，并从天线元件延伸到pcb。天线馈电支腿与rf信号迹线的电触头形成电连接。
20.在实施例中，天线馈电支腿在其中的馈电接触端中形成腔，并且其中，电触头被容纳在腔中，其中形成腔的表面接触电触头，以形成与pcb的电连接。
21.在实施例中，至少一个集成金属部件中的每个集成金属部件是一体结构，其中金属体、天线元件、短壁和天线馈电支腿是单一结构形成的一体成型体。一体结构通过模制、冲压和折叠以及计算机数字控制(cnc)中的一种将单件材料加工成集成金属部件而一体形成。
22.在实施例中，对于至少一个天线中的每个天线，天线元件的长度是天线元件适于
接收的波长的10％至20％，天线元件的宽度是天线元件的长度的20％至30％，天线元件的厚度是天线元件的长度的70％至80％。
23.在实施例中，该至少一个天线还包括沿天线元件的长度方向偏离天线馈电支腿的至少一个天线终端支腿，该至少一个天线终端支腿从天线元件延伸到pcb，并与pcb上的rf信号返回线路的电触头形成电连接。
24.在实施例中，至少一个金属部件中的每个金属部件包括散热器。
附图说明
25.本文参照各种附图来说明和描述本公开，在附图中，视情况，使用相似的附图标记来表示相似的系统部件/方法步骤，并且在附图中：
26.图1是无线设备的典型发送和接收配置的示意图；
27.图2是集成天线系统的透视图；
28.图3是图2的集成天线系统的顶部透视图；
29.图4是图2和图3的集成天线系统的侧面透视图；
30.图5是图2的集成天线系统的包括两个集成金属部件的实施例的横截面图；
31.图6是图2的集成天线系统的实施例的透视图；
32.图7是图6的集成天线系统的天线支腿的侧面透视图；
33.图8是图7的天线支腿的横截面图；
34.图9是图2的集成天线系统的实施例的透视图；
35.图10是图9的集成天线系统的包括两个集成金属部件的实施例的横截面图；
36.图11是图10的集成天线系统的实施例的横截面图；
37.图12是图2的集成天线系统的示意图；
38.图13是图2的集成天线系统的实施例的透视图；
39.图14是图2的集成天线系统的透视图，示出了具有开路终端的电流；
40.图15是图2的集成天线系统的透视图，示出了具有电感器(l)和/或电容器(c)终端的电流；
41.图16是包括集成天线系统的无线设备的一部分的透视图；以及
42.图17是图16的无线设备的一部分的分解透视图。
具体实施方式
43.在各种实施例中，本公开涉及用于集成天线系统的系统和方法。集成天线系统包括pcb和集成金属部件。该集成金属部件包括金属体，该金属体适于以下两者至少其一：屏蔽pcb上的电子部件以及充当热交换器。集成金属部件还包括天线。天线的天线元件偏离金属外壳的周边，沿着周边延伸，并且通过短壁整体连接到金属外壳。
44.通过将天线与金属体集成，例如通过对单件材料进行模制、冲压和折叠以及计算机数字控制(cnc)加工中的一种来整体形成金属体和天线，整个集成金属部件可以在单个步骤中安装，该单个步骤包括在pcb上连接天线元件信号迹线，例如通过将天线的馈电支腿与信号迹线的接触元件对齐。
45.此外，金属体既可以屏蔽电子部件又可以充当热交换器，例如集成在屏蔽中的散
热器。因此，集成金属部件是用于电子部件、散热器和天线的屏蔽，模糊了rf pcb、散热器与天线之间的线路。
46.图2是集成天线系统100的透视图。图3是图2的集成天线系统100的顶部透视图。图4是图2和图3的集成天线系统100的侧面透视图。集成天线系统100包括集成金属部件105和pcb 130。集成金属部件105包括金属体120和一个或更多个天线110。
47.金属体120适于以下两者至少其一：将电子设备的电子部件包围在其中，充当热交换器，例如散热器或冷板。在一些实施例中，金属体120在诸如安装在pcb 130上的电子部件之类的相应设备的电路周围形成连续的屏蔽。在实施例中，金属体120也连接至pcb 130的射频(rf)地。在一些实施例中，金属体120适于屏蔽电子部件并充当热交换器。
48.一个或更多个天线110中的每个天线包括天线元件112、短壁114和天线馈电支腿116。天线元件112邻近金属体120的周边边缘并偏离其定位和定向。在所示实施例中，天线元件112沿着金属体120的周边边缘延伸，例如纵向、平行于金属体120的周边边缘或与其相切。在实施例中，天线元件112通常沿天线元件112的长度匹配金属体120的周边边缘的轮廓。
49.天线元件112可以适用于各种技术和标准，例如短程无线电(例如蓝牙)、zigbee、超宽带(uwb)、蜂窝、双频wi-fi等。
50.选择金属体120的周边边缘与天线元件112之间的间隙，以最小化天线110的轮廓。在实施例中，间隙近似为天线元件112的长度的四分之一。在实施例中，间隙是天线元件112的长度的20％至30％。
51.在实施例中，天线元件112的长度小于天线110适于接收的波长的四分之一。在一些实施例中，天线元件112近似为波长的六分之一，例如波长的百分之十至百分之二十。例如，5ghz信号的波长近似为60毫米，天线元件112的长度为6毫米至12毫米，例如10毫米。
52.在实施例中，天线元件112的宽度类似于间隙的宽度，近似为天线元件112长度的四分之一，例如天线元件112的长度的20％到30％。在上面的5ghz示例中，其中天线元件的长度是10毫米，天线元件112的宽度是2毫米至3毫米，例如2.5毫米。
53.在实施例中，天线元件112的厚度近似为天线元件112的长度的四分之三，例如天线元件112的长度的70％至80％。在上面的5ghz示例中，其中天线元件的长度是10毫米，天线元件112的厚度是7毫米至8毫米，例如7.5毫米。在一些实施例中，宽度和厚度尺寸互换。
54.短壁114将天线元件112连接到金属体120。在实施例中，从金属体120到天线元件112的短壁114的宽度是间隙的宽度，例如天线元件112的长度的近似四分之一。在实施例中，短壁114的宽度是天线元件112的长度的20％至30％。在所示实施例中，短壁114位于天线元件112的一端。在其他实施例中，短壁114沿着天线元件112的长度定位在天线元件112的端部之间。
55.在一些实施例中，天线元件112的长度小于天线110适于接收的波长的五分之一，天线元件112的宽度小于波长的二十分之一，并且天线元件112的厚度小于波长的五分之一，其中长度、宽度和厚度的总和小于波长的一半。在实施例中，天线元件的表面积大于五分之一乘五分之一平方波长。
56.天线馈电支腿116沿着天线元件112的长度偏离短壁114。在所示实施例中，相对于天线元件112，天线馈电支腿116远离短壁114定位，例如在天线元件112的一端处或邻近其
一端。天线馈电支腿116从天线元件112延伸到pcb 130，并且包括适于从pcb 130接收电流的馈电接触端117。
57.在实施例中，例如图2至图4所示的实施例，天线110还包括一个或更多个天线终端支腿(antenna termination legs)115、118。一个或更多个天线终端支腿115、118中的每个天线终端支腿沿着天线元件112的长度偏离天线馈电支腿116。在所示实施例中，天线终端支腿118靠近短壁114，远离天线馈电支腿116，并且天线终端支腿118位于短壁114与天线馈电支腿116之间。也可以考虑天线终端支腿115、118的其他配置。一个或更多个天线终端支腿115、118中的每个天线终端支腿从天线元件112延伸到pcb 130，并且包括适于向pcb 130提供电流的终端接触端119。在实施例中，天线馈电支腿116和一个或更多个天线终端支腿115、118为天线元件110提供支撑，为集成金属部件105提供支撑，并对天线元件110进行调谐。
58.虽然在所示实施例中示出了两个附加的天线终端支腿115、118，但是也可以包括另外的天线终端支腿115。在实施例中，天线终端支腿115、118的数量及其定位连同天线馈电支腿116及其位置基于集成金属部件105的一个或更多个物理支撑要求和天线元件110的调谐要求。
59.参照图2，pcb 130包括适于通过天线馈电支腿116向天线元件110提供电流的射频(rf)信号迹线136。在所示实施例中，通过电触头134使rf信号迹线136和馈电接触端117之间的电连接更容易。在所示实施例中，电触头134是弹簧夹。然而，也可以考虑其他接触机构，例如接触垫、橡胶垫圈、焊料等。
60.在包括一个或更多个天线终端支腿115、118的实施例中，pcb 130还包括rf信号返回线路138。在实施例中，rf信号返回线路138包括匹配网络137。匹配网络137可以包括电感器(l)和/或电容器(c)，或者可以保持开路。在所示实施例中，通过电触头134使rf信号返回线路138与终端接触端119之间的电连接更容易。
61.图5是图2的集成天线系统100的包括两个集成金属部件105的实施例的横截面图。参照图5，rf信号迹线136和rf信号返回线路138可以处于pcb130的表面处，例如在pcb 130的顶层或底层上，或者可以嵌入pcb 130中，例如在pcb 130的中间层上。
62.集成天线系统100还包括pcb 130上的电子部件。在实施例中，这些电子部件包括一个或更多个fem 140、一个或更多个无线电装置141、存储器142、ac/dc 143、电子装置144、开关145、存储装置146等。rf信号迹线146和rf信号返回线路138将天线馈电支腿116和天线终端支腿115、118电连接到对应的无线电装置140。
63.在图5所示的实施例中，集成天线系统100包括多个集成金属部件105，每个部件包括多个天线110。在所示实施例中，集成金属部件105中的每个金属部件是一体结构，其中金属体120和天线110是单一结构形成的一体成型体。在一些实施例中，集成金属部件105中的每个金属部件通过将单件材料模制、计算机数字控制(cnc)加工或者冲压和折叠成集成金属部件105而一体形成。集成金属部件105的这种一体形成避免了一些问题，例如在非一体形成的结构中用于将金属部件连接在一起的冶金结合的结构弱化。
64.在一些实施例中，多个天线110在同一频率下操作，并且被配置为以多输入多输出(mimo)配置进行操作。在其他实施例中，多个天线110在不同的频率下操作。多个天线110围绕金属体120的周边设置。在一些实施例中，相邻天线的间隔小于其操作频率的四分之一波
长。
65.从图5中可以看出，金属体120中的每个金属体围绕pcb 130上的电子部件并将其包围在金属体120内，并在金属体120与pcb 130之间。如上所述，在实施例中，金属体120还是热交换器，例如散热器或冷板。在实施例中，集成天线系统100包括一个或更多个风扇150，该风扇使空气在金属体120内循环并促使热量传递到金属体120。
66.图6是图2的集成天线系统100的实施例的透视图。图7是图6的集成天线系统的天线支腿115、116、118的侧面透视图。图8是图7的天线支腿115、116、118的横截面图。参照图6至图8，在实施例中，一个或更多个天线支腿115、116、118(例如天线馈电支腿116和天线终端支腿115、118)在接触端117、119(例如馈电接触端117和终端接触端119)中形成腔111。腔111适于隐藏迹线接触点，例如其中的电触头134，同时便于天线支腿115、116、118和相应的rf迹线136、138之间的电连接。在实施例中，腔的表面113适于接触电触头134，并且至少在天线支腿115、116、118与pcb 130接触时，在天线支腿115、116、118与相应的rf迹线136之间建立电连接。
67.图9是图2的集成天线系统100的实施例的透视图。图10是图9的集成天线系统100的包括两个集成金属部件105的实施例的横截面图。在实施例中，如图9和图10所示，pcb 130的外层135(例如pcb 130的顶层或底层)充满导电材料，例如铜。如图9所示，外层135处的导电材料与金属体120热接触，例如在其基底处热接触。在实施例中，过孔131围绕pcb 130的周边定位，该过孔还适于与金属部件105热接触。充满导电材料的外层135包括围绕天线支腿115、116、118(例如天线馈电支腿116和天线终端支腿115、118)中的每个支腿的间隙，使得导电材料不接触天线支腿115、116、118的接触端117、119。在这些实施例中，rf迹线(例如rf信号迹线136和rf信号返回线路138)位于pcb 130的中间层上，与充满导电材料的外表面135和过孔131分离。
68.图11是图10的集成天线系统100的实施例的横截面图。在一些实施例中，集成天线系统100还包括覆盖件160。覆盖件160围绕一个或更多个集成金属部件105的全部或至少一部分和pcb 130。在实施例中，覆盖件160是油漆、塑料、陶瓷、皮革、不受天气影响的涂层等中的一种。
69.图12是图2的集成天线系统100的示意图。如上所述，天线元件112通过接地短壁114连接到金属体120。天线元件112通过天线馈电支腿116进行馈电，并且可以通过天线终端支腿118进行端接。基于天线元件匹配和机械支撑要求，还可以包括另外的天线终端支腿115。每个终端支腿115、118的匹配网络137可以包括电感器(l)和电容器(c)的组合，或者保持开路。
70.图13是图2的集成天线系统的实施例的透视图。在实施例中，添加了超出天线馈电支腿116与短壁114之间、以及天线馈电支腿116与天线终端支腿118之间的上述长度的附加的延伸部108、109。延伸部108相对于短壁114延伸超出天线馈电支腿116，延伸部109相对于天线馈电支腿116延伸超出短壁114。由于天线元件112的相对宽度和厚度，附加的延伸部108、109将天线元件112扩展为多频段元件，其可以扩展以覆盖2ghz wi-fi、5ghz wi-fi和uwb的频段。在实施例中，附加的延伸部108、109各自延伸超出馈电点/终端点，例如超出天线馈电支腿116和天线终端支腿118小于十分之一的波长。
71.图14是图2的集成天线系统100的透视图，示出了具有开路终端的电流。图15是图2
的集成天线系统100的透视图，示出了具有电感器(l)和/或电容器(c)终端的电流。如图14和图15所示，天线系统100中的电流可以取决于天线终端的配置，特别是匹配网络137。在匹配网络137保持开路的实施例中，如图14所示，电流形成回路，该回路从沿天线馈电支腿116向上的天线馈电开始，延伸穿过天线元件112的长度，穿过短壁114，并返回到天线馈电。在匹配网络137用l和/或c终端来端接系统的实施例中，电流从天线馈电穿过短壁并返回到天线馈电进行循环(如在开路终端的情况下)，但是也从天线馈电穿过匹配网络137并返回到天线馈电进行循环。由于电流回路中的这种控制，可以减小电子设备中天线110之间的间距，例如，在5ghz下减小到波长的大约六分之一，在其他频率下减小到波长的十二分之一，并且仍然保持天线元件112之间的充分隔离。
72.图16是包括集成天线系统100的无线设备200的一部分的透视图。图17是图16的无线设备200的一部分的分解透视图。参照图16和图17，集成金属部件105包括多个天线110，其中许多天线围绕金属体120的周边最小程度地间隔定位。在所示实施例中，金属体120是散热器，包括定向成散热的鳍片，并且包括用于容纳风扇的开口和底架状结构。从图16和图17中可以看出，天线110中的每个天线的整体轮廓通常可以遵循金属体120的周边轮廓和整个无线设备200的周边轮廓。
73.在所示实施例中，无线设备200还包括中间散热器220和底部散热器225，这些散热器中的每个散热器可以包括整体形成在其中的天线110。
74.应当理解，本文描述的一些实施例可以包括或利用一个或更多个通用或专用处理器(“一个或更多个处理器”)，诸如微处理器；中央处理器(cpu)；数字信号处理器(dsp)：定制处理器，诸如网络处理器(np)或网络处理单元(npu)、图形处理单元(gpu)等；现场可编程门阵列(fpga)；以及这样的具有唯一存储的程序指令(包括软件和固件)，用于控制其结合某些非处理器电路实现本文描述的方法和/或系统的一些、大部分或全部功能。替代地，一些或所有功能可以由没有存储程序指令的状态机实现，或者在一个或更多个专用集成电路(asic)中实现，其中，每个功能或某些功能的一些组合被实现为定制逻辑或电路。当然，可以使用上述方法的组合。对于本文所述的一些实施例，硬件中的相应设备以及可选的软件、固件及他们的组合能够被称为“配置为
……
的电路”、“配置为
……
的逻辑”等，以对如本文针对各种实施例所述的数字信号和/或模拟信号执行一组操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等。
75.此外，一些实施例可以包括其上存储有用于对计算机、服务器、设备、装置、处理器、电路等进行编程的指令的非暂态计算机可读介质。以执行本文描述和要求保护的功能。这种非暂态计算机可读介质的示例包括但不限于硬盘、光存储设备、磁存储设备、只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪速存储器等。当存储在非暂态计算机可读介质中时，软件能够包括可由处理器或设备(例如，任何类型的可编程电路或逻辑电路)执行的指令，如本文针对各种实施例所描述的，这些指令响应于这样的执行，使得处理器或设备执行一组操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等。
76.尽管本文已经参照优选实施例及其具体示例说明和描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员来说，其他实施例和示例可以执行类似的功能和/或实现类似的结果是显而易见的。所有这些等同的实施例和示例都在本公开的精神和范围内，由此被考虑，并且旨
在由所附权利要求覆盖。