CN101080876B - 用于无线通信设备的叠层结构 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信设备的叠层结构，包括显示装置和键盘，所述键盘位于用于所述设备的壳体的正面。用于为无线通信设备的组件供电的电池设置于显示装置下方。电路板设置于电池下方，所述电路板容纳用于所述无线通信设备的处理电路和RF电路，所述电路板的上表面邻近所述电池。位于电路板上的噪声电路被位于电路板背面的屏蔽所遮盖。外部或内部天线在馈电点处连接至电路。本发明的一个实施方案中的天线设置于电路板下方，即设置于壳体的背面和电路板的背面之间。电池位于显示装置和电路板之间减少了在所关心的近场范围内由无线通信设备辐射的能量的量。

Description

用于无线通信设备的叠层结构

相关申请

本发明与共同所有权的题为“用于无线通信设备的叠层结构”的第11/014,541号共同未决的美国专利申请相关，该申请的全部内容通过引用而并入本文。

技术领域

本发明一般涉及无线通信设备中的组件结构，更具体地说，涉及用以降低SAR(Specific Absorption Rate，辐射吸收率)水平的无线通信设备的组件叠层结构。

背景技术

随着无线通信行业不断发展，对于越来越小的无线通信设备的需求不断增加。在本文中，无线通信设备还可称作“无线设备”、“手持装置”、“蜂窝电话”、“移动电话”等。缩小无线设备的尺寸对设计提出的挑战包括将设备组件放置在较小空间内。其他的挑战包括将所关心的近场范围内的无线设备所辐射的射频(RF)能量保持在可接受水平，并同时保持该设备的辐射效率。

当RF模块发送信号时，功率放大器对电信号进行放大，然后通过天线将经过调制的能量传播到空气中。该能量中的第一部分通过自由空间传播到目的地。该能量中的另一部分在设备内作为热量被消耗掉。最后，某些能量被设备附近的物体吸收，其中包括使用者的身体。

无线设备的天线周围的功率密度作为例如到天线的距离和天线的方位的函数而改变。天线周围的场通常被分成两个区域。第一区域为天线附近的区域，被称作近场；第二区域为距离天线较远的区域，被称作远场。两个区域的分界线通常取在半径R处，其中R＝2L²/λ，L为天线的最大尺寸，λ为波长。远场是其中辐射模式(radiation pattern)与例如到发送天线的距离无关的区域。近场是非常靠近发送天线的区域，并且在近场中场模式与到天线的距离有关。

对于人们可安全地暴露于近场中的无线设备所辐射的射频(RF)能量的限制，根据被称作辐射吸收率(SAR)的单位而给出。辐射吸收率是人在使用无线发射器时人体所吸收的射频能量的量。在不同的国家，可接受的SAR水平不同。美国联邦通信委员会(FCC)将暴露于移动电话的RF能量的可接受量限制在1.6瓦特每千克组织(1.6W/kg)的特定局部(或空间峰值)SAR水平。当无线设备工作在该范围内时，无线设备不会对使用者造成危害。因此，在任何移动电话设计中必须考虑符合可适用的近场影响限制。

各种电话的SAR水平有所不同，在某种程度上是由于SAR为许多不同参数的函数，其中包括设备的几何形状、发送频率、放大器功率级、天线位置等。图4示出了现有技术的蜂窝电话70的典型的叠层结构。电话70封装在壳体88中，壳体88具有正面84和背面86。电话70的组件包括电路板74，电路板74容纳用于控制下列组件的处理电路(未示出)：显示装置72、键盘80、RF和其他噪声(即辐射)、罐型屏蔽76(canister-type shield)所包封的组件90、以及其他设备组件(未示出)。天线82通过馈电点92耦合至电路板74上的发射器和接收器。电池78也装入壳体88内，用以为设备70的组件供电。

继续参照图4，用于电话70的现有技术的叠层结构是在壳体88的正面84上设置显示装置72，显示装置72叠置在电路板74上方，在电路板上方和下方可设置一个或多个罐型屏蔽76，以屏蔽噪声组件。电池78叠置在电路板下方，通常可通过位于壳体88的背面86上的电池门94来装卸电池78。除了利用罐型屏蔽76来遮盖电路板上的噪声组件之外，因为在正面84上方直接具有高能量密度，因此现有技术的电话70还需要附加屏蔽(未示出)以使电话70达到SAR标准，该附加屏蔽在本文中称作兼容屏蔽(compliance shielding)。该附加屏蔽可以包括箔、RF吸收材料、金属化的塑料以及金属支架等。

在制造电话70时，电话70中为了实现符合可接受的SAR水平的屏蔽，在以下方面继续带来重大负担：实际的设计工作、反复进行兼容性测试、以及兼容屏蔽带来的附加成本。上述挑战随着电话尺寸的减小而增大。因此，在增加兼容屏蔽之前，希望继续进行产业创新，以降低电话的SAR水平，并降低电话在设计和材料方面的最终成本。

发明内容

无线通信设备包括用于容纳显示装置和键盘的壳体，所述壳体具有背面和正面。电池为所述无线通信设备的元件供电，并位于壳体内以及至少部分位于所述显示装置和电路板的正面之间。所述电路板容纳用于所述无线通信设备的处理电路和RF电路。所述电路板的背表面容纳辐射电路元件，所述辐射电路元件被罐型屏蔽所屏蔽。外部或内部天线在馈电点连接至所述电路板。本发明的一个实施方案中的天线设置于电路板的下方，即设置于壳体的背面和电路板的背表面之间。

与其中电池位于电路板下方、并且可从壳体背面拆卸的传统设备叠层结构相比，将电池设置在显示装置和电路板之间的空间中减少了在所述壳体正面上方的指定距离测量的辐射吸收率。SAR水平的降低减少了为了满足可接受的SAR水平而所需的附加的兼容屏蔽的量。随着无线设备尺寸的不断缩小，这一点是特别有利的。

位于电路板上方的电池和显示装置的叠层结构还可以提供具有增大的容积的空腔，以便容纳扬声器。所述空腔的容积由电池和显示装置的组合高度、电路板或壳体的宽度以及电路板与电池的长度之差来确定。增大的空腔容积可以改善来自无线通信设备的扬声器的声音的质量。

附图说明

无论从哪一点来看，都应当将所描述的实施方案看作是示意性的而非限定性的。还应当理解，本发明并不局限于本文所示出和描述的特殊的实施方案，而是能够在本发明的范围内进行许多调整、修改和替换。因此，通过研究下面描述的附图，可以部分地发现本发明在结构和操作方面的细节，在附图中，相同的附图标记指代相同的部分：

图1是本发明的实施方案的、具有外部天线的叠层结构的侧视图；

图2是本发明的另一实施方案的叠层结构的端视图；

图3是本发明的又一实施方案的、具有内部天线的无线设备组件的透视图；

图4是现有技术的叠层结构的侧视图；

图5示出本发明的叠层结构的近场能量密度图以及现有技术的叠层结构的近场能量密度图，所述能量密度图分别是在距离图4的正面84和图1的正面6一定距离的位置测定的；

图6示出现有技术的叠层结构对于使用者头部表面的辐射水平；

图7示出本发明一个实施方案的叠层结构对于使用者头部表面的辐射水平；

图8是无线通信设备的叠层结构的一个实施方案的方框图；以及

图9是用于本发明的实施方案的设备电路的电路图。

具体实施方式

随着无线通信产业的扩大，蜂窝电话制造业正在开发尺寸越来越小的新型无线设备。通过辐射吸收率(SAR)水平来测量，发现电话尺寸的减小将在近场中使更多射频(RF)能量暴露给使用者的头部，而在远场中辐射的RF能量则较少。因此，减少人们的暴露、提高辐射效率、并同时保持小的电话尺寸则是非常有挑战性的。本发明通过提出一种电话内组件的创新的叠层结构而处理了这项挑战。

如上所述，图4所示的现有技术的电话具有从电话的顶表面到背表面的传统的机械叠层结构。传统的叠层结构在顶表面上具有显示装置(例如液晶显示装置(LCD))，显示装置下方依次为主板、屏蔽和电池。通常，天线馈电点位于主板上。相反，图1示出了本发明一个实施方案的叠层结构。无线设备2包封在壳体4中，壳体4具有正面6和背面8。无线设备2的正面6容纳显示装置10和键盘22。电池12设置于显示装置下方、电路板16上方。电路板16容纳用于无线设备2的大多数电路，其中包括噪声组件24，即辐射RF能量的组件。辐射组件24是采用例如罐(canister)、RF吸收材料、金属化的塑料盖等的屏蔽材料14。在图1所示的实施方案中，天线18为外部天线，其具有位于电路板16的背表面26上的天线馈电点20。经调制的RF信号的RF能量通过天线18进行辐射，从而产生近场和远场。

与图4的现有技术的叠层结构相比，图1的机械叠层结构减少了所关心的近场中辐射的能量。具体地说，将电池12设置于显示装置10和电路板16之间有助于减少所关心的近场中辐射的能量。如下所述，在与设备2的正面6邻近的平面28处，进行自由空间中能量密度分布的模拟。平面28高于正面0.5mm，在使用者使用设备2时，平面28也接近使用者头部的位置。

图5为自由空间能量密度(J/m³)分布图，其中曲线90示出用于传统叠层结构的、分布在图4中的平面28上的自由空间能量密度，而曲线92则示出用于本发明的叠层结构的一个实施方案的、分布在图1中的平面28上的自由空间能量密度。两种模拟均是在未包含如上所述的兼容屏蔽的情况下进行的。平面28位于正面上方0.5mm。在图1和图4所示的平面28上获得的样本模拟结果仅仅是示意性的。其他模拟可导致能量密度的值发生改变，并且示出的示例不应认为是对本发明的实施方案的限制。用于所关心的区域的图显示出，图4的传统叠层结构上方的最大能量密度约为图1的创新的叠层结构上方的最大能量密度的3.8倍。

在图4的现有技术的叠层结构的一个样本SAR性能模拟中，从正面84到背面86的电话厚度为22mm，基于IEEE标准1529的平均SAR在24dBm处为2.10W/kg。该模拟结果是在未采用如上所述的兼容屏蔽的情况下获得的。因此，对于现有技术电话的该特殊样本来说，为了达到所需的1.6W/kg的SAR标准，装置壳体将不得不包括附加的兼容屏蔽。相比而言，具有22mm的同样厚度的、图1的创新叠层结构，在24dBm处具有基于IEEE-1529的1.58W/kg的平均SAR。对该模拟结构进行分析可知，本发明的叠层结构的SAR值减小了约24.8％。因此，需要用来使本发明的电话样本达到SAR标准的兼容屏蔽的量减少了。这种减少意味着在设计时间、制造时间和材料方面节约了成本。

图6和7示出了如上所述的SAR性能，并且图6和7是基于样本模拟的。图6示出了使用者头部102，其中现有技术的电话抵靠其头部102。以W/kg表示的辐射吸收率功率密度“带”A、B、C和D随着到源104的距离的增大而减小。带A表示使用者头部上吸收最高功率密度的区域。相比而言，本发明实施方案的SAR功率密度降低了，如图7所示。参照带A′、B′、C′和D′，使用者头部102上吸收最高功率密度的区域远远小于现有技术的该区域。

对于传统的叠层样本结构来说，在远场中、自由空间中的模拟的辐射性能具有92.84％的辐射效率、2.73dBi的方向性以及2.41dBi的增益。相比而言，本发明实施方案的样本叠层结构具有92.86％的辐射效率、2.75dBi的方向性以及2.43dBi的增益。因此，传统的叠层结构和创新的叠层结构在自由空间中具有相同的辐射性能。然而，在远场中，对于紧邻头部的现有技术样本来说，模拟结果显示其具有22.77％的辐射效率、5.98dBi的方向性和-0.45dBi的增益。相比而言，本发明实施方案的样本叠层结构具有32.72％辐射效率、5.89dBi的方向性和1.04dBi的增益。因此，当保持样本紧邻人的头部时，在远场中，创新的叠层结构与传统的叠层结构相比，其天线效率约高10％。

图2示出本发明的另一实施方案的设备30的端视图。叠层结构沿着高度轴线H分别为。位于屏蔽38和外部天线40上方的电路板36、位于电路板36上方的电池34、以及位于电池34上方的显示装置32。如图所示，设备30不需要关于其长度轴线L和宽度轴线W来对组件特殊设置，以实现SAR降低。在图2所示的设备30的一个实施方案中，可通过位于壳体42中的电池门44来装卸电池34。

图3是无线设备叠层结构50的另一实施方案的透视图，其中所述叠层结构具有通过馈电点68连接至电路板54的内部天线66。电池58叠放在显示装置52和键盘(未示出)下方、电路板54上方。辐射器和例如位于电路板54底面的存储器的其他组件被屏蔽56屏蔽。在该实施方案中，扬声器60放置在不被电池58和显示装置52的叠层结构遮盖的空间64中。该空间64改进了扬声器60的声音质量。在该空间64中还示出了麦克风62。

图8是本发明实施方案的、示出组件相对于壳体正表面和背表面的相对位置的方框图110。位于设备110正面的显示装置124和键盘126由电路板120上的设备电路控制。扬声器128和麦克风130向设备电路120发送和接收音频信号。电源122(例如电池)通过电路板120为设备110的组件供电。天线116通过馈电点118连接至电路120。屏蔽132遮盖电路板120上的至少某些电路。

图9是示出无线通信设备150的方框图，无线通信设备150可与本发明中描述的各种实施方案一起使用。然而，也可以采用其他无线通信设备和/或架构，这一点对于本领域技术人员来说是显而易见的。在所示的实施方案中，无线通信设备150包括天线152、多路复用器154、低噪声放大器(“LNA”)156、功率放大器(“PA”)158、调制电路160、基带处理器162、扬声器164、麦克风166、中央处理器(“CPU”)168、数据存储区170以及用户接口172。在无线设备150中，射频(“RF”)信号通过天线152发送和接收。多路复用器154用作在发送信号路径和接收信号路径之间耦合天线152的开关。在接收路径中，接收的RF信号从多路复用器154耦合至LNA156。LNA156对接收的RF信号进行放大，并将经放大的信号耦合至调制电路160的解调部分。解调器去除RF载波信号，从而留下基带接收音频信号，基带接收音频信号从解调器的输出发送到基带处理器162。如果基带接收音频信号包含音频信息，那么基带处理器162便对该信号进行解码、将其转换成模拟信号、并将其发送到扬声器164。

基带处理器162还从麦克风166接收模拟音频信号。这些模拟音频信号由基带处理器162转换成数字信号并被编码。基带处理器162还对用于传输的数字信号进行编码，并生成基带发送音频信号，该基带发送音频信号被路由到调制电路160的调制器部分。调制器将基带发送音频信号与RF载波信号进行混合，以产生RF发送信号，而RF发送信号被路由到功率放大器158。功率放大器158对RF发送信号进行放大并将其路由到多路复用器154，在多路复用器154处，该信号切换到天线端口用于天线152进行传输。基带处理器162还与中央处理器单元168通信耦合，中央处理器单元168访问数据存储区170。中央处理器单元168被配置成执行可存储于数据存储区170中的指令(即计算机程序或软件)。计算机程序还可从基带处理器162接收，并存储在数据存储区170中或者在收到后执行。

本发明所包含的说明和附图是本发明的特殊实施方案，并且代表本发明所广泛预期的主题。然而，本发明包含对本领域技术人员来说显而易见的其他实施方案。因此，本发明的范围仅受到所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种用于无线通信设备的组装叠层结构，包括：

壳体，具有单一隔室，并包括正面、背面、第一侧面和第二侧面；

主电路板，用于容纳多个通信电路，并包括顶表面和底表面，其中，所述底表面上的至少一个电路被屏蔽装置覆盖；

天线，具有连接于所述底表面的天线馈电点，并位于所述底表面和所述背面之间；

电池，具有电池上表面和电池下表面，并位于所述主电路板的所述顶表面上方；以及

显示装置，位于所述电池上表面的至少一部分的上方，以使所述电池位于所述主电路板和所述显示装置之间，其中，所述主电路板、所述电池和所述显示装置形成层叠的组件配置，以最小化所述正面和所述背面之间的高度，并降低所述天线通过所述壳体的正面辐射的近场能量。

2.如权利要求1所述的组装叠层结构，其中所述天线为内部天线。

3.如权利要求1所述的组装叠层结构，其中，所述壳体包括：

基本垂直于所述主电路板的所述顶表面的至少一个侧面；以及

位于所述至少一个侧面上的电池拆装板，用于从所述壳体中取出所述电池。

4.一种无线通信设备，包括：

壳体，其包括具有上壳体表面、下壳体表面和至少一个侧面的单一隔室；

容纳在所述壳体中的至少一个电路板，所述至少一个电路板包括顶表面和底表面，并用于容纳处理电路，其中所述至少一个电路板包括射频电路，所述射频电路至少部分地位于所述至少一个电路板的底表面上；

天线，连接于所述至少一个电路板的底表面；

显示装置，容纳在所述壳体中并邻近所述壳体的所述顶表面；以及

电池，容纳在所述壳体中，并位于所述显示装置和所述至少一个电路板的上部电路之间；

其中，所述至少一个电路板、所述电池和所述显示装置在所述单一隔室内形成层叠的组件配置，以最小化所述上壳体表面和所述下壳体表面之间的高度，并降低所述天线通过所述壳体的正面辐射的近场能量。

5.如权利要求4所述的无线通信设备，其中所述天线为包含在所述壳体的所述单一隔室内的内部天线。

6.如权利要求4所述的无线通信设备，其中所述天线为延伸到所述壳体的所述单一隔室外的外部天线。

7.如权利要求4所述的无线通信设备，其中可通过所述壳体的所述至少一个侧面上的侧板而拆卸所述电池。

8.一种用于将无线通信设备组装在壳体内的方法，包括：

在所述壳体的单一隔室的底部附接至少一个电路板，所述至少一个电路板具有多个电元件，并包括上表面和下表面，其中天线连接于所述下表面的馈电点；

在所述壳体的所述单一隔室内，将电池附接在所述至少一个电路板的所述上表面上方；以及

在所述壳体的所述单一隔室内，将显示装置附接在所述电池上方，其中，所述至少一个电路板、所述电池和所述显示装置在所述单一隔室内形成层叠的组件配置，以最小化所述壳体的上壳体表面和下壳体表面之间的高度，并降低了所述天线通过所述壳体的正面辐射的近场能量辐射。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：

将至少一个屏蔽附接至所述至少一个电路板的所述下表面，用以屏蔽所述多个电元件中的至少一个电元件。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：

将电池门附接至所述壳体的侧面，所述电池门用于拆装所述电池。

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