一种改进的天线的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2017年3月30日提交的瑞典专利申请no.1750377-2的优先权，其通过引用方式并入本文。

本发明涉及天线领域，特别涉及一种天线布置和一种提供改进的天线的方法。

背景技术：

天线是一种用于从一个地方向另一个地方发送和/或接收信息的接口。天线是一种电子设备，在传输信息1时将电力转换为电磁辐射，在接收信息时则将电磁辐射转换为电力。电磁辐射是指电磁场的波，其携带电磁辐射在太空中传播(辐射)。电磁波为电电场和磁场的同步振荡，以光速在真空中传播。它们包括其他无线电波，这些无线电波的频率高达300ghz，低至3khz的频率。该范围内的任何电磁波频率都称为射频。无线电波在空中传递信号，几乎没有传输损耗，因此为远距离传输信息提供了一种很好的方式。

天线是所有使用无线电并希望与另一个实体通信(发送和/或接收信息/数据)的设备的基本部件。它们用于无线电广播、移动终端、双向广播和广播电视等系统，以及其他设备，例如车库开门器、蓝牙设备、智能手表、无线计算机网络和商品上的射频识别(rfid)标签。

天线的设计尺寸与预期波长有关。天线具有一系列性能指标，这些指标在为特定应用选择或设计特定天线时非常重要。最重要的因素是方向特性和产生的增益。

方向性是对天线辐射方向图的“定向”程度的度量，用来测量辐射集中在单个方向上的程度。天线增益综合了天线的方向性和电性能，是衡量天线辐射方向图的方向性和功率密度的指标。高方向性的天线会把大部分的能量辐射到一个特定的方向，而低方向性的天线会把能量辐射到一个更大的角度。增益随方向变化的曲线称为方向图。因此，辐射方向图将天线辐射功率的变化定义为远离天线方向的函数。此外，天线效率是衡量天线相对于天线输入功率辐射多少功率的指标。

当机械设计天线时，首先要明确天线的用途，因为某些类型的天线更适合某些应用。此外，天线的一般环境必须根据周围的组件和材料特性来指定，因为这也会影响性能指标。例如，金属是电和磁的导体，因此它能够吸收无线电波并改变辐射方向图。因此，一个包含大量金属的环境将严重影响天线，在设计天线时必须考虑和处理。

1970年代，第一只数字手表问世。从那以后，手表的发展还在继续。从一开始包括一个简单的数字显示器，也许还有一个计算器，到1990年代后期首次推出的智能手表。智能手表是一种计算机化的手表，其功能超越了计时功能，并具有与其他实体进行沟通的能力。

然而，为了在手表(或智能手表)或任何其他通信设备中包含通信可能性，至少必须包含一个天线。为了获得最好的通信条件，手表(或设备)必须在天线之后进行设计，天线的类型和设计要根据所需的性能指标来选择。因此，必须首先确保天线设计和性能，以实现所需的通信结果。由于必须优先考虑天线，因此手表或设备必须依赖于天线。这限制了最终产品(手表或设备)的设计可能性。这些限制既涉及设备的形状和尺寸，也涉及设备的构造材料。

技术实现要素：

近年来，天线的使用急剧增加。1900年代初，世界上总共只有几根天线，而如今，天线的数量甚至比人还多。天线的使用仍在继续增长，在未来，预计天线将比物体更多，物体包括所有电子设备，例如我们的家庭、工作场所和商店中的电子设备。预计几乎所有种类的物体都将至少包含一个天线，可能还要更多。

关于上述内容，本发明的发明人已经认识到现有天线存在问题，目前还没有一种天线能够有效地发射和接收无线电信号，达到所有期望的性能，同时又能极其简单、灵活地使用最少的部件。

本发明要解决或至少减轻的一个问题是制造一种高效的天线，该天线的制作非常简单，具有最少的零件数量和天线实现的灵活性。

根据第一方面，通过提供一种天线装置来解决该问题，该天线装置包括印刷电路板(pcb)，该pcb配置为承载收发信机，其中，pcb被配置为设置在导电外壁内，从而在导电外壁与所述pcb之间形成天线间隙。

在一个实施例中，所述天线装置还包括一个馈源，所述馈源用于连接所述收发信机与所述导电外壁。在一个实施例中，馈源的耦合元件由一个导电片实现。

在一实施例中，天线装置包括导电外壁。在一实施例中，导电外壁由金属制成。

在一个实施例中，天线装置包括盖子，并且在盖子和导电外壁之间存在盖子间隙。在一实施例中，盖子是金属的。在一实施例中，盖子为表盘。

在一个实施例中，天线装置包括后盖。在一实施例中，后盖是金属的。

在一实施例中，pcb包括接地面。

在一个实施例中，天线间隙的周长是谐振频率的波长的一半。

在一个实施例中，在收发信机和射频馈源之间设置匹配电路。

在一个实施例中，天线装置进一步包括至少两个接地弹簧，所述接地弹簧被设置用于将pcb连接到导电外壁，从而在天线间隙中提供至少一个有源区域和至少一个非有源区域。

在一个实施例中，天线装置将被封装在智能手表内。

本申请还提供了一种智能手表，其包括根据所述实施例的天线装置。

本申请还提供了一种用于提供天线布置的方法，其中，所述方法包括：提供一种配置为携带收发信机并设置在导电外壁内的pcb，从而在导电外壁与pcb之间形成天线间隙。

本申请还提供了一种用于提供天线布置的方法，其中，所述方法包括：在导电外壁内设置一pcb，其配置为携带收发信机，从而在导电外壁与pcb之间形成天线间隙。

本发明的发明人经过创造性和有见地的推理，进一步认识到，通过巧妙地重新设计现有技术的缝隙天线来构造天线，将提供一种高效灵活的天线。方法是通过拉伸缝隙并连接两个缝隙端以形成复合间隙，其中该间隙形成天线。该天线的设计也很简单。所述天线装置将具有内表面和外壁，其中外壁可以用作外壳，该外壳也屏蔽包括天线本身的产品。该天线装置重量轻，占用空间小，生产成本低。所提出的装置还提供了减震性能，这对于可穿戴设备是非常有益的。

本文的教导可用于任何使用天线来发送和接收数据的设备中，例如蓝牙设备、怀表、台式时钟、带有金属外壳的音箱和可穿戴设备，例如手表，手镯和吊坠。

实施例的其他特征和优点将从以下所附从属权利要求以及附图中详细披露。通常，除非本文另外明确定义，否则将根据其在技术领域中的普通含义来解释权利要求中使用的所有术语。

对术语“天线”，“天线系统”和“天线装置”的所有引用应开放式地解释为是指任何设备或系统，这些设备或系统包含一个单一元件、多个元件，或一个或多个接收及/或传送及/或传送一个或多个电磁辐射频带的元件阵列。

除非明确说明，否则对“一/一个/所述[元件、设备、组件、装置等]”的所有引用应开放式地解释为指该元件、设备、组件、装置等的至少一个实例。

附图说明

本发明参照附图描述如下，其中

图1是根据本发明简化的天线装置。

图2显示了两个通信天线装置的简化实施例。

图3a和3b示出了根据本发明的天线装置的实施例。

图4显示了一种天线装置，其中馈源是通过导电片实现的。

图5显示了一种天线装置，其中馈源通过导电片实现，其中天线装置被放置在外壳内。

图6显示了带有盖子的天线装置。

图7显示了在两端具有辐射窗的天线装置。

图8示出了包括天线装置的可穿戴设备，例如智能手表。

图9示出了用于提供天线装置的一般方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更全面地描述所附的实施例，其中显示了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，这些实施例仅作为示例提供，以使本公开将是透彻和完整的，并且将充分地向技术人员传达本发明的范围。相同标号始终表示相同元件。

图1大体上显示了一种根据本实施例的简化的天线装置(100)，该天线装置布置在导电外壁(10)中。天线装置(100)包括发送或接收和/或传播电磁辐射的收发信机(30)。收发信机既可以作为发射机，也可以作为接收机，因此既可以接收信号，也可以发送信号。可以根据所需要求以几种方式设计收发信机(30)。在一个实施例中，收发信机(30)被仅具有接收能力的一个或多个元件代替。在一个实施例中，收发信机(30)被仅具有发送能力的一个或多个元件代替。通过将收发信机替换为仅接收或仅发射元件，可以获得具有单焦点(发送或接收能力)的天线装置。

在发送过程中，收发信机(30)提供射频振荡的电流(即高频交流电(ac))，并且天线以电磁波的形式从电流中辐射出能量。在接收过程中，天线拦截电磁波的部分功率以产生微弱信号，产生的微弱信号应用于待放大和处理的收发信机(30)。

天线装置(100)所产生和接收的辐射在电磁光谱中的波长长于红外光。这些电波的频率从最低3khz到最高300ghz不等，并且天线装置可以适用于gps，蓝牙，wifi，ant，蜂窝等不同无线电应用。无线电波可以从一个地点传输到另一地点，其中一个或多个地点可移动、固定和/或固定到某个地点，例如可以固定到地面上的基站。图2示出了包括天线装置(101、102)的两个移动设备如何彼此通信的简化实施例。在图2中，天线装置(101)向天线装置(102)发送信号/信息，天线装置(102)接收信号/信息。

天线装置(100)的收发信机(30)连接至一个印刷电路板pcb(20)，该印刷电路板pcb(20)包括一个接地面。印刷电路板(pcb)是一种用于电子产品的电路板，存在于所有电子产品中。pcb(20)利用传输线、衬垫和其他例如由铜片压在非导电衬底上(如聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃纤维和特殊聚合物)蚀刻而成的特征，机械地支撑和电连接电子元件。pcb(20)可以是仅携带一个或几个组件的非常简单的设计，也可以是包含多个组件的更复杂的设计。根据用途和组件的数量，pcb(20)可以是单面(一铜层)，双面(两铜层)或多层(外层和内层)。在pcb(20)上，一大片或一层铜箔连接到电路的接地点(通常是电源的一端)，形成接地面。接地面作为众多不同元件电流的返回路径。

因此，由于pcb(20)的设计和功能是可变和灵活的，因此在天线装置(100)中使用pcb(20)的功能是有利的。除了天线之外，pcb(20)可以同时用于其他多种用途。因此，根据本发明的天线装置(100)使得可以解决以下问题：当天线装置(100)与具有其他功能的设备组合时，如何在不需要多个额外组件的情况下做出简单的天线装置(100)。

在一实施例中，导电外壁(10)围绕pcb(20)，如图3a和3b所示。如图3a或3b所示，导电外壁(10)围绕pcb(20)，pcb因此被包含在导电外壁(10)内。因此，导电外壁(10)为pcb(20)提供对外部环境的保护。导电外壁(10)的材料限定了其提供的保护类型。

导电外壁(10)可以例如提供保护以免受外部干扰。导电外壁(10)可用作物理屏蔽，以防止天线装置(100)受到诸如冲击、水和污物等干扰的影响。

导电外壁(10)是金属的，但是可以包括任何导电材料。所述导电外墙(10)可由不锈钢、银、金和钛等金属制成。可以在导电外壁(10)的外部添加材料的附加层。然后，导电外壁(10)的外部被另一种材料包围。该材料可以是另一种金属，但可以包括任何其他材料，例如塑料或纺织品。

在图3a和3b中，导电外壁(10)和pcb(20)是圆形的，但是导电外壁(10)和pcb(20)的形状可以例如是三角形，矩形或不规则的。导电外壁(10)和pcb(20)可以具有任何形状，只要pcb(20)是安装在本发明天线装置(100)的内部即可，因此具有很高的适应性。在一实施例中，导电外壁(10)是一个外壳。由于本发明使得可以在天线装置(100)的各种材料和形状中选择，因此本发明提供了一种解决方案，解决了如何使天线装置具有很大的灵活性，以满足各种设计标准和要求的问题。

在导电外壁(10)和pcb(20)之间为间隙(50)。间隙中充满空气或任何非导电材料、气体或真空。pcb(20)和导电外壁(10)之间的间隙(50)产生辐射并形成天线。通过控制天线间隙(50)的大小和尺寸，可以控制或确定天线装置(100)谐振的频率。

在一个实施例中，pcb(20)具有比导电外壁(10)的相应延伸小的延伸，例如直径、宽度和/或长度。延伸的差异为，当将pcb(20)插入或以其他方式布置在导电外壁(10)中时形成的天线间隙(50)的尺寸。

天线波长λ，导电外壁(10)和天线间隙(50)之间的关系可以表示为：

λ＝(c+w)/2，

其中c是导电外壁(10)内表面的周长，w是天线间隙(50)的大小。因此，当天线间隙(50)较大时，需要在计算波长和谐振频率时加以考虑，而当天线间隙(50)较小时，可以忽略不计。

此外，天线间隙(50)的宽度与天线装置(100)的带宽有关。天线间隙(50)越宽，带宽将越大。带宽要求因应用而异。例如。蓝牙无线电带宽约为245mhz，而对于gps，带宽小于2mhz。

间隙的正上方或正下方(从与pcb(20)相同的水平上看)需要在垂直方向一定距离内有良好的间隙，以保持合适的辐射效率。在天线间隙(50)内部、上面或下面的任何金属或有损耗物体都可能对天线装置(100)造成损耗和失谐，这取决于该物体的尺寸和电学特性。因此，任何阻挡天线装置(100)内辐射路径或突出到天线间隙(50)内的金属或有损耗物体都会潜在地影响辐射效率和辐射图。从pcb(20)和天线间隙(50)观察，设备上下对称。导电外壁(10)的高度不影响天线装置(100)的谐振，而是与辐射图的方向性有关。导电外墙(10)越高，天线装置(100)的方向性越强。

为了更好地理解本发明，具有导电外壁(10)，pcb(20)和天线间隙(50)的天线装置可以看作是高度改进的缝隙天线。该缝隙天线由对应于并充当天线间隙(50)的天线间隙(50)和对应于并充当缝隙天线主体的导电外壁(10)形成。

在一个实施例中，天线装置(100)还包括馈源(40)。天线馈源(40)指的是将无线电波馈送到天线装置其余部分1，或在接收模式下收集传入的无线电波，将其转换为电流并将其发送到接收器的天线的所有组件。因此，馈源是指能够传输能量、转换阻抗、增强性能特性、并使输入或输出射频信号之间的阻抗特性符合一个或多个连接元件(例如散热器)阻抗特性的任何能量导体和耦合元件。馈源将收发器(30)与导电外壁(10)连接起来。

在一个实施例中，所述馈源(40)为直接馈源，所述直接馈源与所述导电外壁(10)有物理接触。

在一个实施例中，馈源(40)的耦合元件由导电材料片即导电片(90)实现，见图4。将导电片(90)靠近导电外壁(10)但不与其物理接触。通过该天线装置(100)，导电片(90)可避免导电外壁(10)用于馈电连接的专用机械特征，例如弹簧或其他物理接触部件。只要内部尺寸在不同设计中相同，这将降低制造成本并使不同的外壳设计易于与天线装置(100)兼容。因此，只要内部结构相同，包含携带收发信机(30)的pcb(20)的天线布置(100)可以放置在任意壳体设计中，也可以放置在导电外壁(10)的设计中，其尺寸和形状可以是任意的，如图5所示。

通过本发明所述天线装置(100)的元件，所提供的天线装置(100)非常简单，零件数最少，但是对于天线的实现仍然具有很大的灵活性。由于天线装置(100)，即天线间隙(50)和导电外壁(10)的形状可以改变，因此可以使天线装置(100)具有任何理想的尺寸和形式。因此，可以以任何期望的尺寸和形式来制造使用所述天线装置(100)的设备，天线装置(100)的复杂性、尺寸和间隙要求不限制以期望的尺寸和形式来设计设备的可能性，并且天线装置可以满足广泛的设计要求。

此外，天线布置(100)简单灵活，而且天线效率足够高，能够在所有所需性能上发射和接收无线电信号。表面电流集中在馈源(40)和沿pcb(20)接地面边缘的对角区域，以及平行于pcb(20)的外圆周内表面。由于导电外壁(10)的深度或高度，整个天线装置的辐射图被调节成具有相对高方向性并且被垂直极化的波束。

发明人还进一步认识到，在现有的天线装置(100)下，还可以在不影响或不降低天线效率的情况下，用金属盖(70)覆盖天线装置(100)。这解决了如何将天线装置(100)封装在诸如手表，扬声器或活动手环之类的设备内的问题。图6示出了具有盖子(70)的天线装置(100)。

通过围绕pcb(20)构建本发明所述的天线装置(100)，使得该特定天线装置(100)对覆盖在pcb(20)顶部一定距离和区域内的金属或有损耗物体不敏感，这使得将天线装置(100)封闭在一个设备内成为可能。

只要盖子(70)在盖子和导电外壁(10)之间留下一个或多个开口或辐射窗，盖子(70)可以是任何形状或尺寸。辐射窗是辐射可以射出或进入天线装置(100)的地方。因此，可以在盖子(70)和导电外壁(10)之间保持一个或多个开口槽或盖间隙(80)。盖间隙(80)的一个示例在图6中示出。盖间隙(80)的尺寸可以根据共振频率而变化，但是至少为0.5mm。

盖子(70)可以具有任何功能或设计，并且可以由任何材料制成。在一实施例中，盖子(70)由金属制成，例如不锈钢、银、金或钛。盖子(70)可以是除了覆盖天线装置(100)之外没有其他功能的普通盖子，也可以具有例如显示信息、接收用户输入或提供传感器(例如太阳能电池)的功能。根据一个实施例，所述盖子(70)为一个表盘，使其能够将天线装置(100)封装在手表内，例如怀表或台式时钟。根据另一个实施例，盖子(70)为金属表面，所述金属表面将天线装置装在音箱内。在另一个实施例中，盖子(70)包括输出设备，例如数字显示、触摸屏、驱动程序/fpc模块(如lcd、oled或电子墨水显示等)。

发明人进一步认识到，本发明可以解决的另一个问题是，当天线装置被配置为由用户佩戴时。

当天线装置靠近人体时，无线电波将受到吸收的影响，天线的谐振频率将由于与人体的耦合而发生偏移，导致天线效率和辐射水平将降低。这些问题被称为身体损耗和失谐。许多人已经尝试制造一种在外壳内具有天线的可穿戴设备，例如连接手表。但是，这些尝试通常是不成功的，或者至少在效率和功耗上受到限制。原因之一是现有天线设计的复杂性，尺寸和间隙要求影响并限制了以期望的尺寸和形式设计美观的外壳的可能性。

当天线装置(100)的两端都具有辐射窗(50)时，参见图7，辐射/信号将从设备的顶侧和底侧发射和接收。这形成了一个多方位的辐射图。然而，如果天线装置将由使用者穿戴，底侧紧贴身体，把底窗密封起来有很大的好处。这样可以防止无线电信号从底部发出并受到身体的影响。相反地，无线电信号将仅从装置(100)的顶侧出来。由于本发明所述的天线装置(100)是按照本发明公开的方式布置的，因此可以在不影响其性能的情况下为其提供一个后盖(60)，从而减轻身体损耗的问题。后盖(60)直接与导电外壁(10)连接。

在一实施例中，后盖(60)由金属制成，例如不锈钢、银、金和钛。金属后盖(60)为设备下部的天线提供了恒定的参考平面。这将消除因佩戴(天线耦合到手腕)引起的天线失谐和性能变化，从而解决身体损耗的问题。因此，本天线装置(100)使得可以设计一种高效的天线，该天线能够在具有大量金属材料覆盖的可穿戴设备中，在所有期望的性能(连接质量和工作距离等)上发射和接收无线电信号。

在一个实施例中，天线装置(100)包括在导电外壁(10)内承载收发信机(30)的pcb(20)。馈源(40)将收发信机与导电外壁(10)连接。天线装置(100)进一步包括盖子(70)和后盖(60)，如图5或图6所示，并且被封闭在可穿戴设备内。可穿戴设备可以是连接的手表或智能手表，见图8，天线在外壳内。在一个实施例中，可穿戴设备是一个活动手环，所述活动手环具有一个显示器及显示器下方的天线。由于所述实施例中的天线位于导电外壁(10)的内部，并且与周围环境隔离，因此美学修饰和附接装置(如腕带)对天线性能没有影响。此外，腕带的材料也不会影响天线性能。

在一个实施例中，为了实现最小或减少损失和更有效的辐射，金属后盖(60)最好设置在远离天线间隙(50)的几毫米处，例如1mm(与2mm相比，其效率降低了约几个db)。

在一个实施例中，天线装置(100)包括在导电外壁(10)内承载收发信机(30)的pcb(20)。馈源(40)将收发信机与导电外壁(10)连接。天线装置(100)还包括均由金属制成的导电外壁(10)、盖子(70)和后盖(60)。金属可以是例如不锈钢、金、银或钛。导电外壁(10)和后盖(60)被旋合、电缩短，通过这种结构，天线装置(100)具有一个作为导电元件的金属外壳。因此，所述天线装置(100)与设备下部周围的环境隔离，并且不受由于磨损引起的损耗和失谐的影响，同时仍提供一种天线装置(100)，该天线装置(100)具有改进的天线效率、稳定的高峰值增益，且与本领域中已知的其他天线装置相比，该天线装置具有更集中的波束。本发明利用所披露的天线装置(100)，解决了如何在金属结构内提供天线装置的问题。

根据本发明的天线装置(100)是节能的，因此减少了对充电能力的需求。具有本发明所述天线装置(100)的设备不会增加其功耗，因此可能不需要充电电池，因此减少了对例如笨重的充电器触点的需要。

本发明解决的另一个问题是如何以简单的方式调谐天线装置以在期望的频率范围内工作。当电磁波穿过天线装置的不同部分时，可能会遇到阻抗差异。在每个接口处，根据阻抗匹配情况，一部分波能量将反射回源。

因此，通过最小化每个接口处的阻抗差异(阻抗匹配)，通过天线布置的每个部分的功率传输将得到最大化，信号反射将得到最小化。这可以通过在收发信机(30)和馈源(40)之间放置一个匹配电路来实现。然后，可以将谐振调谐到期望频率，从而解决上述问题。匹配电路可以由分立的电感器和电容器组成，并且还可以给天线增加额外的谐振，从而使其更加宽频。

在一个实施例中，可以通过根据调谐频率在导电外壁(10)和pcb(20)接地面之间放置接地连接来解决或减少调谐天线的问题。这可以在有或没有串联元件的情况下执行。这种效果等同于改变天线间隙的周长以及谐振频率。为进行微调，可以使用串联电容器或电感器。通过使用串联静电放电(esd)组件或电感器(高电感/额定值)，还可以提供从导电外壁(10)到pcb(20)接地的放电esd保护。

在一个实施例中，通过控制导电外壁(10)和pcb(20)接地面的尺寸来解决或减少调谐天线的问题，该尺寸将决定天线的谐振频率。通过将天线间隙的最大周长设置为所需谐振频率波长的一半来执行此操作。如果天线间隙的宽度明显小于圆周，则天线间隙的宽度可以忽略不计。

本发明解决的另一个问题是，如何能在天线装置内容纳与有源天线区域隔离的金属或有损耗物体。

在一个实施例中，通过应用至少两个接地弹簧以将天线间隙分成有源区域和非有源区域来解决或减轻了上述问题。接地弹簧被设置用于将pcb(20)连接到导电外壁(10)，从而在天线间隙(50)中提供至少一个有源区域和至少一个非有源区域。通过将天线装置分为有源区域和非有源区域，可以在天线装置内容纳与有源天线区域隔离的金属或有损耗物体。此外，接地弹簧还可以起到esd保护的作用。

本申请还包括天线装置(100)地智能手表，如图8所示。该智能手表包括输出设备(801)，如时钟指针显示和/或拨盘；输入设备(804,805)，如按钮。智能手表还包括pcb(802)和射频接口(803)，pcb(802)携带用于控制智能手表操作的控制器，射频接口(803)包括根据本发明用于连接到其他设备的天线装置。

本申请还包括一种用于根据本发明提供天线装置(100)的方法。图9示出了根据本发明提供一种设置于天线装置(100)中的pcb(20)地通用方法以及提供所述天线装置的通用方法的流程图，所述方法包括提供(1201)一pcb(20)，所述pcb(20)配置为设置(1202)在导电外壁(10)中，从而形成天线间隙(50)。

以上主要参考几个实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员容易理解，正如所附的专利权利要求书所定义的那样，上述公开的实施例之外的其他实施例也同样可以在本发明的范围内实施。