集成在金属外壳中的具有背腔天线阵列的装置的制作方法

本发明总体涉及包括金属壳体的无线通信设备领域。本发明可以集成到但不限于家庭网络电子设备，比如因特网网关、机顶盒、路由器和智能家居设备。

背景技术：

本节旨在向读者介绍本领域的各个方面，这可能与下面描述和/或要求保护的本公开的各个方面有关。认为该讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些说明将以此轻描述，而不是现有技术的陈述。

家庭网络设备比如因特网网关、机顶盒、路由器和智能家庭设备集成了许多无线系统，以提供多种服务和应用。这些包括符合各种通信标准的不同系统，例如比如wifi、蓝牙、rf4ce、zigbee、zwave。因此，电子设备倾向于集成越来越多的天线，同时它们变得更小。因此，集成和共存受限以及制造和组装成本得到显著提高。

通常，这种装置的外壳由塑料材料制成。产品外壳可以由于不同原因而用金属实现。金属高档精加工金属表面提供更时尚和更美观的产品。更好的机械阻力和密封性能使得金属壳体对室外设备感兴趣。金属外壳具有一些优点，例如由于更高的重量而增加的稳定性、由于外壳的鲁棒性提高而减小了尺寸、更有效的热管理、增加了与由电子部件引起的嵌入在电子产品中的噪声的隔离、以及更好地处理电磁兼容性(emc)问题。使用例如压铸或加工技术制造这种金属外壳。然而，完整的金属壳体防止射频(rf)信号在外部环境与内部部件之间流动。因此，为了保持无线通信的性能，必须特别注意天线集成。

移动电话行业的解决方案允许将手机中的天线与金属外壳集成。所提出的天线解决方案属于背腔贴片或缝隙天线类型。然而，大多数这些解决方案集成在具有有限数量的天线的小型设备上。对于集成多输入多输出(mimo)wifi能力或嵌入多个无线通信系统的无线通信设备，必须将一个以上的天线集成在金属壳体中。需要考虑以下一些约束来解决这个目标：整个天线系统的良好的角度覆盖，以便最小化在金属壳体情况下的性能(通过量)变化、天线之间的低rf耦合以及低成本机械解决方案，第一个在这种情况下特别难以实现。

技术实现要素：

本发明的目的是至少部分地缓解上述缺陷。更具体地，本发明的目的是将多个背腔天线集成在用于无线通信设备的紧凑型金属壳体中。

本公开是关于一种配置为执行无线通信的电子设备，包括：壳体，其包括壳体的第一部分和壳体的第二部分，所述壳体以金属材料实现或以非金属材料实现，非金属材料在其表面上金属化；印刷电路板，包括配置为提供至少无线通信能力的电子部件，所述电子部件至少包括用于至少一个天线馈线的驱动电路，所述印刷电路板包括在其第一表面上的接地平面，由天线馈线馈送的至少一个背腔天线，其中所述腔的第一部分由所述壳体的第一部分形成，所述壳体的第一部分包括垂直于所述第一部分的壁，所述壁关于天线的尺寸和位置调节所述背腔天线的谐振频率和品质因数，所述腔的第二部分由所述印刷电路的第一表面的接地平面形成，所述腔的第三部分由所述壳体的第二部分形成，且所述腔的第四部分由从所述壳体的第一部分朝向所述印刷电路板的第一表面竖立的壁形成，所述壁关于天线的尺寸和位置确定所述背腔天线的谐振频率和品质因数，其中，当组装所述壳体的第一部分、所述壳体的第二部分和所述印刷电路板时形成所述腔。在变型实施例中，天线是缝隙天线或贴片天线之一。根据变型实施例，所述壁通过压铸、通过机械加工实现，或通过固定到壳体的第一部分上的分开的金属部分来实现。在变型实施例中，还包括在壳体的第一部分的所述壁和所述印刷电路板的所述接地平面之间的电连接。所述电连接通过使用金属泡沫、弹簧触点、焊膏中的至少一种来实现。

在第二方面，间隔件定位在所述壳体的第一部分和所述壳体的第二部分之间，所述间隔件在所述壳体的第一部分和所述壳体的第二部分之间提供间隙以操作缝隙天线。在第二方面的变型中，所述间隔件由电介质材料制成。

在第三方面，金属壳体的至少一部分包括至少一个压铸或机械加工的缝隙，其在金属壳体中提供开口以操作缝隙天线。在第三方面的变型中，金属壳体中的所述开口填充有电介质材料。

在第四方面，所述设备设计成水平放置，使得所述壳体的第一部分对应于顶部壳体，并且所述壳体的第二部分对应于底部壳体。

在第五方面，所述设备设计成竖直放置，使得所述壳体的第一部分对应于左、右、前或后壳体之一，所述壳体的第二部分对应于相对侧。

在前述方面的变型中，所述壳体的第二部分还包括从所述壳体的第二部分朝向印刷电路板竖立的壁。

附图说明

现在将参考附图，通过根据优选实施例的非限制性示例来描述本公开的优选特征，其中：

图1a示出了根据优选实施例的无线通信设备的透视图；

图1b示出了分解图，其示出了包括顶部壳体、间隔件、可选屏蔽件、印刷电路板和底部壳体的无线通信设备的不同部分的组装；

图2a示出了顶部壳体的透视图；

图2b示出了间隔件的透视图；

图2c示出了印刷电路板的透视图；

图2d示出了底部壳体的透视图；

图3a示出了根据替代实施例的无线通信设备的透视图，没有集成四个5ghz天线的间隔件；

图3b示出了根据替代实施例的无线通信设备的透视图，其中出于美学原因插入了假缝隙；

图3c示出了根据替代实施例的无线通信设备的透视图，其中出于美学原因插入了具有不同方面的假缝隙；

图3d示出了根据替代实施例的无线通信设备的透视图，其中缝隙天线被贴片天线取代。

具体实施方式

图1a示出了根据优选实施例的无线通信设备的透视图。在优选实施例中，设备100是机顶盒。它包括用于wifi的四个5ghz天线和用于蓝牙无线通信的一个2.4ghz天线，尽管在图1a中未示出。通过各种连接器比如通用串行总线类型c(usb-c)或高清多媒体接口(hdmi)提供与比如用于呈现的电视机的其它设备的连接。该设备集成了或通过无线通信或通过物理连接器接收的视听信号的解码能力，以及通过用户界面与用户的交互。设备的壳体主要由金属制成，因此将无线通信能力与良好的性能相结合是非常有挑战性的。

图1b示出了根据优选实施例的设备100的不同部分的组装的分解图。通过使用压铸或加工技术，顶部壳体110以金属实现，并形成背腔天线的第一部分。间隔件120允许在顶部壳体110和底部壳体150之间形成间隙，例如形成缝隙型天线。该间隔件优选地以介电材料(例如abs材料)实现，其减小天线尺寸，但也可以是可增加天线效率的空气填充区域。间隙宽度控制天线带宽和效率。该机械部分可以通过模制注塑技术实现。可选屏蔽件130焊接或固定到印刷电路板140上以减少设备中的噪声。可以在电子部件与壳体的一个或两个金属部分之间施加可选热垫。为了降低热垫高度以节约成本，顶部和/或底部壳体的内侧可机械地匹配。印刷电路板140形成背腔天线的第二部分。在该腔表面区域中，印刷电路板包括至少一个导电层。通过使用压铸或机械加工技术，底部壳体150以金属实现，并形成背腔天线的第三部分。壁从顶部壳体110朝向印刷电路板140竖立，并且构成形成腔的第四部分并且在诸如侧面的其余区域上封闭腔的突起。因此，空腔通过顶部壳体、印刷电路板和底部壳体的组装形成。在将部件组装在一起之前，不存在腔。每个腔从rf电路连接到天线导体馈线，天线导体馈线与顶部和/或底部壳体直接连接，形成(缝隙)天线或电磁耦合到(缝隙)天线。

金属壳体的鲁棒性允许最小化壳体的尺寸。在优选实施例中，设备的长度和宽度约为12厘米，装置的高度小于2厘米。

图2a示出了顶部壳体110的透视图。区域111、112、113、114表示5ghz天线的腔的第四部分。以腔111为例，腔的第一部分由顶部壳体110的表面形成，由侧壁111a、111b和后壁11c完成。这些壁或形成在顶部表面中或作为单独的金属部分固定到顶部表面。为了实现宽带频率应用，应尽量减小腔的品质因数。侧壁允许调节背腔天线的谐振频率。壁的形状和尺寸根据设备的整体形式通过模拟确定。例如，可以使用圆形的(不是直的)、倾斜的(非垂直的)壁或更复杂的壁形状，尽管在优选实施例中，壁是直的并且垂直于顶部壳体110，如图2a所示。四个5ghz腔布置成提出辐射图案分集，以便例如在设备的水平平面中提出互补辐射图案。通过在同一设备边缘上(在每个角中的当前5ghz天线之间)添加缝隙孔，或者通过在金属壳体的该第一部分中创建额外孔，可以采用这种布置来解决更高的mimo顺序，因此需要更高数量的天线。腔115专用于2.4ghz。上述原理适用于该腔。

图2b示出了间隔件的透视图。间隔件120包括电介质中的多个切口或开口。切口121a、122a、123a、124a布置成支撑天线馈线。切口121b、121c、122b、122c、123b、123c、124b、124c布置成插入顶部壳体，并且特别适于装配至集成到顶部壳体中的壁。可选地，孔125a、125b布置成允许顶部壳体的插入并且提供用于将间隔件朝向顶部壳体定位和保持的引导。

图2c示出了印刷电路板的透视图。印刷电路板140承载提供设备的功能的电子部件。这些部件在图中未示出。它包括允许天线馈线(未示出)与缝隙天线、天线驱动电路141a、142a、143a、144a、145a接触的导体垫141、142、143、144、145。腔区域141b、142b、143b、144b使用填充导体并且可以添加电镀通孔以增加从印刷电路板到天线的能量传递。接地平面149a、149b、149c布置在印刷电路板的顶层上，无涂覆，以确保与顶盖的壁的良好接地连接。实际上，印刷电路板与顶盖的壁之间的电接触确保了腔的电磁密封。印刷电路板与顶部壳体的壁之间的接触点远离波长的不到四分之一，并且优选地，触点几乎是连续的，例如通过使用金属泡沫。本领域技术人员将理解，可以使用若干种解决方案来确保顶盖的壁与印刷电路板上的接地平面之间的电连接，比如弹簧触点、焊膏或金属泡沫。

图2d示出了底部壳体的透视图。底部壳体150的垂直部分151和水平部分153形成用于每个背腔天线的腔的第三部分。实际上，由于印刷电路板不完全装配到垂直部分，所以水平部分需要闭合腔：需要在印刷电路板周围配置一些自由空间以允许其组装。可选地，孔155a、155b、155c用于将印刷电路板固定到底部壳体150上，并且孔157a、157b用于通过连接电缆或设备比如dc电源单元、hdmi、usb、usb-c等而将设备与外部元件连接。可选地，底部壳体还可以集成与集成到顶部壳体的壁类似的壁，以进一步改善腔的隔离。

本领域技术人员将理解构成该设备的不同元件的其它布置是可能的。例如，当设备站立时(主要是垂直的而不是大致水平的，如图1a所示)，顶部和底部壳体被左右壳体或前后壳体代替，而不改变本发明的原理。天线的位置也可以随着性能的轻微影响而改变。例如，5ghz天线可以放置在设备每侧的中间，2.4ghz天线可以放置在设备的角部中。可以使用任何其他数量的天线。例如，将优选实施例的天线的数量加倍，使用5ghz的8个天线和2.4ghz的2个天线，天线分布在壳体的侧面、角部和顶部。

图3a示出了根据替代实施例的无线通信设备300的透视图，没有集成四个5ghz天线的间隔件。在该实施例中，顶部和底部壳体之间没有间隔件，因此形成全金属壳体。每个缝隙天线301、302、303、304由金属壳体中的缝隙实现，该开口通过使用压铸或加工技术制成。该缝隙天线使用与优选实施例中描述的那些相似的腔，因此上述所有原理适用于该替代实施例。例如，缝隙可以打开(充气区)或用电介质材料填充。

图3b示出了根据替代实施例的无线通信设备310的透视图，其中出于美观原因插入假缝隙315、316。在这种情况下，仅使用缝隙311、312、313、314作为缝隙天线。其他缝隙具有相同的方面，但没有相关的缝隙天线功能。

图3c示出了根据替代实施例的无线通信设备320的透视图，其中出于美观原因插入具有不同方面的假缝隙325、326。在这种情况下，仅使用缝隙321、322、323、324作为缝隙天线。具有相同方面的其他缝隙诸如缝隙325或具有不同方面的其他缝隙诸如缝隙326没有相关的缝隙天线功能。

图3d示出了根据替换实施例的无线通信设备330的透视图，其中缝隙天线被贴片天线取代。在本实施例中，金属壳体中的开口包括“c”形和倒“c”形双重开口，如虚线高亮所示。这种形状形成了在整个壳体上复制的图案。这些形状中的一些是活动的并且具有相关的贴片天线功能，而另外一些(贴片335、336)仅出于美观原因被插入并且没有相关的天线功能。图案可以在单个平面(如贴片天线332的壳体的表面)上、在两个平面(如贴片天线331、333、334的壳体的边界)上或在三个平面上(在壳体的角上，未示出)。缝隙可以打开(充气区)或填充介电材料。与腔相关的原理也适用于这种天线。

金属壳体可以有利地用于电子部件的散热。在图2a中，顶部壳体上的方形突起119是用于该设备的处理器的接触区域，并且用于将热量从处理器传送到金属壳体。元件的组装确保处理器的顶表面与该方形突起物理接触。优选使用热膏来改善热传递。

虽然已经用以金属实现的壳体进行了描述，但本领域普通技术人员将理解，壳体也可以以非金属材料(例如塑料、陶瓷、玻璃、有机材料等)实现，其表面被金属化，因此获得相同的效果，除了一些材料的增强的鲁棒性和热效率之外。

应当理解，本发明的优点之一是组装可以以“盲”组装的方式完成，同时允许天线馈线对贴片或缝隙天线进行精确定位，从而提供良好的天线性能。此外，由于腔壁的部分集成到壳体中，所以组装所需的操作次数减少，并且当将元件组装在一起时自动进行馈线的电接触，而不需要额外的操作来将连接器连接在一起或焊接馈线。

根据经典平行六面体设备壳体形状进行了描述，其中设备的高度小于宽度，从而确定“顶部”和“底部”。如果使用其他比例或其他形状，则“顶部”的定义可能不再与元件的物理位置相关。如在说明书中使用的术语“顶部”定义通过覆盖来封闭腔的表面。在高度大于宽度的竖立装置的情况下，顶部对应于其中一侧。

电子设备100还可以是包括如所描述的天线的任何其它电子设备，例如比如网关、平板电脑、智能电话、头戴式显示器。