自适应眼戴设备天线的制作方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2018年12月18日提交的名称为“自适应眼戴设备天线”的美国临时专利申请62/781,309号的优先权，其内容通过引用全文纳入本申请。

发明领域

本发明涉及天线系统，并且更特别地，涉及用于眼戴设备等可穿戴设备的天线系统。

发明背景

目前，消费电子产品和眼戴设备等可穿戴设备呈融合之势。此外，当今的消费者需要时尚的眼戴设备。很多款式，从飞行员眼镜和猫眼眼镜到厚瓶底眼镜和电脑迷方框眼镜，都可以满足这种需求。然而，这种庞大的款式多样性使得眼戴设备电子产品的设计特别具有挑战性。

附图简述

当结合附图阅读下面的详细说明时，可以最好地理解本发明，其中相同的元件具有相同的附图标记。当存在多个相似元件时，一个附图标记可以被分配给多个相似元件，其中具有指代特定元件的小写字母标记。当指代全体元件或指代非特定的一个或多个元件时，可省略小写字母标记。这里强调，根据惯例，除非另有指示，否则附图的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清晰起见，可扩大或减小各种特征的尺寸。附图包括：

图1是眼戴设备设备的透视图，示出了眼戴设备的物理特征，以及眼戴设备天线、收发器和调谐器的可能位置。

图2是说明处理器等计算组件与收发器、调谐器和天线等通信组件之间的功能关系块图。

图3a-c描述了其中包含电动天线的眼戴设备三个非限制性示例。

图3d是电动天线及其等效电路的示意图。

图4a-c描述了其中包含磁性天线的眼戴设备三个非限制性示例。

图4d是电动天线及其等效电路的示意图。

图5是并入到眼戴设备中的电动天线的说明，以及用于无线电调谐的模拟设备内的计算组件和用于辅助眼戴设备进行无线电调谐的辅助计算设备的块图。

图6是说明对并入到可穿戴设备中的电动天线执行初始工厂天线调谐过程的流程图。

图7是说明对并入到可穿戴设备中的磁性天线执行初始工厂天线调谐过程的流程图。

发明详述

在以下详细说明中，为了对相关教示能够有透彻的理解，通过示例的方式阐述了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实施本教示。在其它实例中，为了避免不必要地使本教示的各个方面难以理解，本文将以相对较高的水平来说明众所周知的方法、程序、组件和电路，而不阐述细节。

本文使用的术语“耦合”或“连接”是指任何逻辑、光学、物理或电连接等，通过这些连接，由一个系统元件产生或提供的电或磁信号被传递给另一个耦合或连接的元件。除非另外描述，否则耦合或连接的元件或设备不一定彼此直接连接，可以由可修改、操纵或携载电/磁信号的中间组件、元件或传播介质来分离。如本文所使用的，术语镜片涉及透明或半透明的玻璃或塑料片，所述玻璃或塑料片具有导致光会聚/发散或导致很少或没有会聚/发散的弯曲面和/或平面。本文使用的术语“约”是指围绕实际值的值的范围，即+/-10％。

为了说明和讨论的目的，仅以示例的方式给出了如任何附图所示的眼戴设备、相关组件和任何完整设备的方向。在操作中，眼戴设备可在适合于眼戴设备特定应用的任何其它方向上定向，例如向上、向下、向侧面或任何其它方向。此外，在本文所使用的范围内，前、后、向内、向外、朝向、左、右、横向、纵向、向上、向下、上、下、顶部、底部、侧面、水平、垂直和对角线等任何方向术语仅以示例的方式使用，且不限于如本文另外描述所构造的深度捕捉摄像头的任何深度捕捉摄像头或组件的方向或取向。

由于眼戴设备的款式多种多样，眼戴设备天线系统的设计具有挑战性。当今的大众市场消费电子设备中的天线是为特定设备量身定做的，它们的设计本质上是工业设计的一部分。因此，需要技术工作来设计用于每款眼戴设备的天线系统。本文提供的示例展示了天线和射频(rf)前端设计中的不同方法，旨在应对电子眼戴设备特有的设计挑战。

示例的其它目的、优点和新特点将部分地在下面的说明中阐述，并且对于本领域技术人员来说，在查看下面的附图后将部分地变得显而易见，或者可以通过示例的生产或操作而获知。本主题的目的和优点可以通过所附权利要求中特别指出的方法、手段和组合来实现和获得。

图1描述了眼戴设备100。眼戴设备100包括具有框架102、右镜腿104a和左镜腿104b的支撑结构。框架102包括支撑右镜片108a的右边缘106a和支撑左镜片108b的左边缘106b。鼻梁架107连接左边缘106a和右边缘106b，并适于接纳佩戴者的鼻子。眼戴设备100还包括收发器(tx/rx)110、调谐器112、天线114和选择器115等输入设备。天线114嵌入在框架102内。可选择地，天线114可以嵌入右镜腿104a、左镜腿104b和/或框架102内。

眼戴设备100还包括可选的组块116a和116b，组块116a和116b定位在框架102和相应的镜腿104a和104b之间以容纳电子组件。组块116可附接到框架102上或集成到框架102中。铰链117等铰链可以将镜腿连接到组块116，以使镜腿104能够以传统方式向框架102折叠。尽管提供了眼戴设备示例，但是应当理解，本文描述的示例可以应用于具有天线的其他电子设备。

图2概念性地描述了天线114和用于传输和接收信号的电子组件。电子组件包括收发器110和经由传输馈线206耦合到天线114的调谐器112。电子组件还包括微处理器202和存储器204。

调谐器112在各种使用情况下校正天线阻抗的变化。校正天线阻抗导致收发器和天线114之间的功率传输最大化，并最大化天线系统的效率。调谐器112被配置为通过改变调谐器112的电容和/或通过切换离散集总组件的输入/输出来匹配阻抗。通过使用调谐器112，并通过使主天线系统能够被具有校正阻抗失配以最大化效率的能量高效阻抗调谐系统的各种款式眼戴设备共享的方式，与将天线并入各种款式眼戴设备相关联的设计复杂性最小化。

调谐器112可以在实验室或工厂中最初设备生产时被配置。然而，如果需要通过预选的无线电设置进行循环，或者执行调谐过程或重新校准，则按钮115连接到处理器202以允许用户能够发信号通知调谐器112需要改变其调谐。该按钮可以发信号通知一般的无线电调谐改变，例如在每次按下按钮115时以5mhz的增量增加无线电频带，直到达到设置的最大频带，最终的按下将无线电频带返回到设置的最小值。按钮115还可以在已知的无线电频带设置之间循环，所述已知的无线电频带设置在某些情况下是最优的，例如当存在外部干扰时。根据用户的需要，按钮115还可以在使用wi-fi和蓝牙频带之间循环。

天线114位于框架102内并延伸到边缘106a和106b中。天线114可位于框架102内，使得其与佩戴者的头部分开，以避免由于人体组织而造成的损失，人体组织非常损耗rf频率。这种分离还有助于遵守法规限制，如比吸收率(sar；体内射频能量吸收率的测量)。此外，该位置提供良好的左/右对称辐射图。

天线114可以是电动天线，例如单极天线(见图3a至3d和相关描述)或环形天线等磁性天线(见图4a至4d和相关描述)。

图3a至3c描述了眼戴设备302、304和306的三个非限制性示例，其中电动天线114a(图3d)可并入。眼戴设备302、304和306中的每一个都具有框架102，该框架102结合了与嵌入框架内的天线114a相邻的非导电材料。非导电材料可以是玻璃、聚合物、纤维、陶瓷或其它类型的非导电材料。

图3d描述了电动天线114a及其等效电路310的示意图。等效电路包括串联连接的电容器ca、电阻器ra和电感器la。为了使天线适合于多种款式的眼戴设备，可以选择相对较小的天线厚度(例如小于1mm厚的固定量)。这允许相同的天线元件装配在非常薄的外壳或厚得多的外壳内。另外，天线长度的选择适合于许多不同的款式(例如在5至10cm之间的固定长度)。固定天线厚度和长度降低了设计的复杂性和生产成本。然而，固定天线长度和厚度以及在不同款式眼戴设备上使用相同的天线会对呈现给收发器的阻抗变化有影响。

天线114a的长度和厚度决定了天线的电感la(图3d)。假设天线长度短于工作波长的一半，天线长度的任何增加都会增加天线电感。此外，与较厚的天线相比，较薄的天线具有增加的电感和减少的电容。由于串联rlc电路的品质因数q与电容的平方根成反比并且与电感的平方根成正比，因此较薄的天线也将具有较高的q值和较低的阻抗带宽。

当图3d所示的电感和电容相互调出时，天线辐射最好，因此所有可用的能量都被用于辐射。这种现象被称为谐振。天线谐振频率与天线电感和天线电容的平方根成反比。如果天线长度和厚度固定，则天线电感固定。另一方面，天线电容ca可以在图3a-3c所示的各种眼戴设备设计之间变化。因为天线电容受其周围材料的电性能的影响。

天线114a的谐振频率在不同款式的眼戴设备上应该是相同的，以最大化辐射效率，即使固有的天线电容在不同款式之间是不同的并且天线电感是固定的。在示例中，调谐器112被配置为调整收发器和天线114a之间的串联电容。调谐器112向天线114a提供适当的串联电容以将眼戴设备调谐到期望的谐振频率。

在一个示例中，调谐器112可以是自适应调谐器。自适应调谐器连续监测天线阻抗，并根据需要调整电容量(调谐器状态)，以最大化阻抗。天线阻抗可以通过测量回波损耗或通过测量时间双工通信方案中的接收信号强度指示(rssi)来监控。

自适应调谐器执行相对耗电的处理，这可能不适合电池容量相对较小的眼戴设备。然而，一旦确定了适当的电容水平，眼戴设备相对不受需要改变天线电容的影响。因此，可以利用固定调谐方案来代替自适应调谐方案。

在固定调谐方案中，工厂校准期间，可以为在眼戴设备款式设计期间结合固定长度/厚度天线的每款眼戴设备确定最佳调谐电容值。然后，可以在生产期间或之前将用于某种款式的最佳调谐电容写入用于这种款式的存储器204(例如只读存储器rom)。

例如，工厂测试命令可以将收发器110配置为以固定rf功率传输，同时处理器202改变天线调谐器状态，并且工厂校准测试夹具中的接收系统可以测量其接收的功率。然后，提供最大功率传输的调谐器状态将被认为是理想的调谐器状态。

在频率双工系统中，在单元的处理器改变调谐状态且其收发器测量其接收的信号强度的同时，随着工厂校准测试夹具以固定rf功率传输将过程逆转。可将导致最强接收信号的调谐状态视为理想的调谐状态，并在工厂时写入设备的只读存储器上。

图4a至4c描述了眼戴设备402、404和406的三个非限制性示例，其中磁性天线114b(图4d)可并入。眼戴设备402、404和406中的每一个具有导电框架102，导电框架102形成具有环的磁性天线114b。可以通过使用导电框架作为围绕非导电镜片的天线元件来形成环。

图4d描述了磁性天线114b及其等效电路410的示意图。对于磁性天线114b，天线电感是环长度的直接结果。假设环长度仍然比信号波长短，则环越长，天线的电感将增加。通过固定天线长度和厚度，由于一些款式具有比其它款式更大的镜片，从一种设计到另一种设计的显著改变受限于天线电感。

示例眼戴设备402、404和406上的金属镜片边缘可以被配置为使用磁性天线。为了实现谐振，天线电感和天线电容被配置为相互调出。与电动天线不同，电感在不同款式之间变化，而不是电容。由于磁性天线114b具有并联rlc的等效电路，如图4所示，调节电容调谐的调谐器112能被用来调谐天线系统。天线114b和收发器110之间的调谐器112可以向磁性天线114b提供适当的串联电容，并将整个系统调谐到期望的谐振频率。这里的调谐系统基本上校正了不同眼戴设备镜片边缘设计之间环长度的差异。

由于磁性天线可以采用相同的调谐器机制，所以这里可以应用与上文关于电动天线部分讨论的相同的调谐逻辑。工厂测试命令可配置rf前端以固定rf功率传输，同时处理器扫描天线调谐器状态，且工厂校准测试夹具中的接收系统可测量其接收的功率。然后，提供最大功率传输的调谐器状态将被认为是理想的调谐器状态。由于理想的调谐状态是在工厂找到并写入设备的rom，调谐器机制将对眼戴设备的电池寿命几乎没有影响。这样，相同的收发器和基本的天线设计可以用于非常不同的工业设计，消除了定制天线技术工作的需要。

图5说明了并入眼戴设备100中的电动天线114，其中模拟器系统500、辅助存储器506和处理器504用于在(例如)工厂调谐过程期间控制眼戴设备调谐器112。眼戴设备100与图1中的眼戴设备100大致相同，包括具有在图3d中描述的电动天线114。眼戴设备100放置在特定的拟人化人体模型(sam)头部模型502上，该头部模型502是用于检测来自辐射设备(例如手机或蓝牙设备)的辐射的特定吸收率的设备。

在一个示例中，眼戴设备100连接到辅助处理器504和存储器506以用于调谐。辅助处理器504和存储器506被配置为与模拟器系统500交互并在眼戴设备100的调谐器112上执行调谐过程。辅助处理器504和存储器506可通过有线连接或无线连接(可能使用眼戴设备100内的替代无线电)连接到眼戴设备100。在调谐过程结束时，断开辅助处理器504与存储器506之间的连接。可替换地，辅助处理器504可以嵌入在眼戴设备100中，或者与眼戴设备的处理器202处于同一处。类似地，辅助存储器506可以嵌入眼戴设备100中，或者与眼戴设备的存储器204处于同一处。

模拟设备500包括处理器508、存储器510、收发器512、调谐器514、天线518以及调谐器和无线电516之间的连接。所有这些组件可具有与眼戴设备100内的对应组件类似的性能。在该存储器510中存在将处理器508配置为与眼戴设备100通信以允许调谐眼戴设备调谐器112的程序。这涉及向眼戴设备100发送恒定信号以用于优化调谐器112的接收器功能，即，提高收发器110的性能。它还涉及在预期带宽上接收信号，并在接收到的信号最强时进行记录。模拟设备500将这些记录的测量值发送到眼戴设备100，以优化调谐器112的传输器功能，即，改进收发器110的性能。

模拟设备500和眼戴设备100可以使用有线连接，在模拟器处理器508和眼戴设备处理器202之间或者在模拟器处理器508和辅助处理器504之间进行通信。模拟设备500和眼戴设备100还可以通过未被调谐的另一无线连接进行通信，或者可以通过正被调谐的连接进行不完美的通信。在一些实施中，辅助存储器506和模拟器存储器510可以具有不需要模拟设备500和眼戴设备100之间的显式通信来校准调谐器112的编程。例如，眼戴设备100可以被配置为如果例如在通电10秒内检测到预定无线电信号，则开始调谐序列。当从模拟设备500接收到该信号时，眼戴设备可以有30秒来尝试其所有的接收器设置，以便优化无线电。然后，在接下来的三十秒中，发生传输器过程的调谐，其中模拟器设备500发回接收最优信号的时间和/或设置。

图6是说明执行用于嵌入式天线接收器的固定调谐方案初始工厂设置的流程图。首先，将眼戴设备100连接到模拟器系统500。该连接可以是例如有线连接，或者无线连接，可能利用另一天线，或者甚至是利用本身调谐的天线114。使用该连接，在操作602中，模拟器系统500从其无线电518传输固定无线电信号。在操作604中，眼戴设备100使用嵌入式天线114接收该信号。操作606使眼戴设备通过调整调谐器112内的rlc电路114中的电容而循环通过若干不同设置。当操作606发生时，眼戴设备112还可测量接收效率并对每个设置处的模拟器系统信号500的强度进行评级，如操作608。

眼戴设备100在对调谐器112的全部设置进行采样并对效率进行评级后，在步骤610中选择接收效率最高的设置。在示例中，选择最强的信号，因为模拟器系统在整个采样过程期间提供恒定强度的信号。最后，在选择了最有效的调谐器设置之后，在操作612中，眼戴设备100将调谐器配置写入存储器204，使得不需要调谐器112的自适应采样和调谐来利用天线114进行接收，从而提高了眼戴设备100的能源效率。

替代地或附加地，眼戴设备100的工厂调谐功能被保持在单独的辅助处理器504和存储器506中。这允许眼戴设备处理器202和存储器204不需要执行该工厂调谐的功能，潜在地释放了眼戴设备存储器204的空间并降低眼戴设备处理器202的复杂性。

图7是说明执行用于为嵌入式天线传输器执行固定调谐方案的初始工厂设置的流程图。首先，将眼戴设备100连接到模拟器系统500。该连接可以是例如有线连接，或者无线连接，可能利用另一天线，或者甚至是利用本身调谐的天线114。在操作702中，使用该连接，眼戴设备100从其天线114传输无线电信号。在操作704中，模拟器设备100使用其自身的天线接收该信号。操作706使眼戴设备100通过调整调谐器112内的rlc电路114中的电容而循环通过若干不同设置。当操作706发生时，在操作708中，模拟器设备500测量每个设置下的接收效率并对模拟器系统500信号在每个设置下的强度进行评级。在本示例中，眼戴设备100在发送传输信号时，传递调谐器112使用的设置。一旦测试循环完成，操作710使模拟设备发送回生成最有效信号的设置。

在另一示例中，模拟设备500和眼戴设备100都被预编程为知晓调谐器设置测试以特定时间间隔发生，即频率a在0秒处、频率b在1秒处、频率c在2秒处。在该示例中，模拟设备500发送回与最有效频率对应的时间等值，眼戴设备100将该值转换回调谐器112的设置。眼戴设备100在接收到来自模拟设备500的反馈后，在操作710中选择接收效率最高的设置。在示例中，选择最强信号的设置，因为模拟器系统500在整个采样过程期间监听特定频率信号。最后，在选择了最有效的调谐器设置之后，在操作712中，眼戴设备100将调谐器配置写入存储器204，使得不需要调谐器112的自适应采样和调谐来利用天线114进行传输，从而提高了眼戴设备100的能量效率。

替代地或附加地，眼戴设备100的工厂调谐功能被保持在单独的辅助处理器504和存储器506中。这允许眼戴设备处理器202和存储器204不需要执行该工厂调谐的功能，潜在地释放了眼戴设备存储器204的空间并降低眼戴设备处理器202的复杂性。

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虽然上文已经描述了被认为是最佳方式和其他示例的内容，但是应当理解，可以在其中进行各种修改，可以以各种形式和示例来实现本文公开的主题，并且它们可以应用于许多应用中，本文仅描述了其中的一些应用。所附权利要求书旨在要求保护落在本概念真实范围内的任何和所有修改和变化。