CN102646861B - 具有基于邻近度射频功率控制的集成邻近度传感器的天线 - Google Patents

具有基于邻近度射频功率控制的集成邻近度传感器的天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有基于邻近度射频功率控制的集成邻近度传感器的天线。一种电子设备，该设备可以具有内部安装有天线的壳体。在壳体中可以安装一个天线窗口，以便允许从天线发送射频信号，以及允许天线接收射频信号。当在电介质天线窗口和天线附近检测到外部对象时，通过减小发射功率，可以满足近场辐射限制。在检测天线附近的外部对象的过程中可以使用电容式邻近度传感器。该邻近度传感器和天线可以是用一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构形成的。收发机和邻近度传感器可以各自通过的高通和低通电路耦合到所述结构。

Description

具有基于邻近度射频功率控制的集成邻近度传感器的天线
本申请要求根据2011年2月17日提交的美国专利申请13/029,581而享有优先权，其中该申请在这里全部引入作为参考。
技术领域
本申请主要涉及天线，尤其涉及用于电子设备的天线。
背景技术
诸如便携计算机和手持电子设备之类的电子设备正变得日益普及。此类设备通常配备了无线通信能力。例如，电子设备可以使用远程无线通信电路来进行使用蜂窝电话波段的通信。电子设备还可以使用短程无线通信链路来与附近的装备进行通信。
要想在电子设备中成功地引入天线会是困难的。一些电子设备是以很小的形状因素制造的，因此，用于天线的空间是有限的。在许多电子设备中，天线附近存在的电子部件可能会充当电磁干扰源。天线操作还有可能受到导电结构的阻碍。而这会导致难以在包含导电壳壁或其他可能阻碍射频信号的导电结构的电子设备中实施天线。监管机构会对设备能够无线传输的射频功率最大量施加限制。在以提升的功率水平操作电子设备的时候，这些限制有可能会产生问题。
由此，如果能够提供具有改进的无线能力的电子设备，那么将会是非常理想的。
发明内容
电子设备可以具有由导电印刷电路板结构之类的导电结构形成的一体化的天线谐振元件及邻近度传感器电容器电极结构。
导电印刷电路结构可以包括处于印刷电路基底的相对两侧上的相同的第一和第二图案化导电层。所述第一和第二层可以是电绝缘的，并且可以充当用于电子设备中的邻近度传感器的第一和第二电容器电极。该第一和第二层还可以耦合到射频收发机，能够用作天线谐振元件，并且与电子设备中的地平面一起形成用于该电子设备的天线。
该射频收发机可以通过一对电容器之类的高通电路耦合到导电印刷电路结构。这其中的第一电容器可被插在第一传输线导体与第一图案化导电层之间，并且第二电容器可被插在第二传输线导体与第一图案化导电层之间。在与无线信号相关联的频率上，第一与第二图案化导电层之间的阻抗相对较小，由此可以在发送和接收天线信号的过程中使用导电印刷电路结构中的第一和第二图案化导电层。在诸如与执行邻近度传感器电容测量相关联的较低的频率上，第一和第二图案化导电层可以充当用于测量附近外部对象的邻近度的相应的第一和第二电容器电极。当检测到存在附近对象时，可以对射频收发机的最大许可发射功率加以限制。
从附图以及后续关于优选实施例的详细描述中可以清楚了解本发明的进一步的特征、其特性和各种优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的配备有一体化的天线和邻近度传感器结构类型的说明性电子设备的前部透视图。
图2是根据本发明实施例的诸如图1电子设备的说明性电子设备的后部透视图。
图3是根据本发明实施例的说明性电子设备的示意图。
图4是根据本发明实施例的可以在诸如图1电子设备的电子设备中使用的射频通信电路和邻近度传感器电路的电路图。
图5是根据本发明实施例的图1和图2的电子设备的一部分的截面侧视图。
图6是根据本发明实施例的电子设备中的说明性集成天线和邻近度传感器的顶视图。
图7是显示了根据本发明实施例如何可以使用电容测量确定邻近度传感器与外部对象之间的距离的图示。
图8是显示了根据本发明实施例如何可以将具有两个图案化导体侧面的导电结构用作天线谐振元件和邻近度传感器的图示。
图9是根据本发明实施例的具有用电介质层分隔开的两个图案化导电层的说明性结构的分解透视图，所述结构可以用于实施一体化的天线和邻近度传感器结构。
图10是根据本发明实施例的在沿着图9所示类型的结构的一个边缘形成用于与安装在电子设备内部相适应的弯曲之后的所述结构的透视图。
具体实施方式
电子设备可以配备有无线通信电路。该无线通信电路可以用于支持一个或多个无线通信波段中的无线通信。例如，无线通信电路可以发送和接收蜂窝电话波段中的信号。
为了满足消费者对于小型形状因素无线设备的需要，在提供增强的功能的同时，制造商不断争取减小在这些设备中使用的部件的大小。特别地，在使用电子设备而在蜂窝电话波段和具有相对较宽带宽的其他通信波段中发送和接收射频信号的配置中，要想满足紧凑设备中的期望天线性能标准是有挑战性的。为了在通信过程中确保足够的信号强度，有可能期望高发射功率和宽天线带宽，但是这些属性有可能会导致产生控制发射辐射水平的问题。
通常，要使电子设备用户完全避开所发送的射频信号是不切实际的。例如，在电话呼叫过程中，常规的蜂窝电话手持机通常会在用户头部附近发射信号。政府法规限制了射频信号功率。同时，无线载波需要那些在其网络中使用的用户装备能够产生某个最小射频功率，以便确保令人满意的设备操作。
在很多管辖范围中，特定吸收率(SAR)标准合适地对手持机制造商施加了最大能量吸收限制。这些标准限制了可以在处于天线指定距离以内的任何特定点发射的辐射量。人们对与设备相距约1-20mm的距离上的辐射限度给予了特别的关注，其中用户很有可能会将身体部位放置在天线附近的这个距离。
令人满意的天线性能及法规遵从能够通过使用不呈现局部热点(其中发射辐射超出预期功率水平)的天线而得以确保。也可以使用邻近度传感器来检测诸如用户身体之类的外部对象何时处于天线附近。当检测到存在外部对象时，可以减小发送的功率水平。
邻近度传感器可以用电容器电极结构来实施。电容器电极结构可被用于执行电容测量。从电容器电极结构测得的电容值的变化反映了外部对象与电容器电极结构的距离的变化。
天线结构可以用基底上的图案化导电迹线来实施。例如，用于天线的天线谐振元件可由印刷电路基底上的图案化金属迹线形成。
为了最小化在电子设备中消耗的空间量，天线结构和邻近度传感器结构可被集成。例如，充当天线谐振元件的图案化导电结构还可充当电容式邻近度传感器的一个或多个电容器电极。耦合电路可以用于将射频收发机和电容测量电路耦合到导电结构。
任何合适的电子设备都可以配备集成的天线和邻近度传感器结构。举个例子，在以下的电子设备中可以形成集成的天线和邻近度传感器结构，例如台式计算机、膝上计算机和平板计算机之类的便携计算机、蜂窝电话之类的手持电子设备等等。借助在这里有时举例描述的某种合适配置，在内部空间有可能极具价值的相对紧凑的电子设备中形成集成的天线和邻近度传感器结构。这些紧凑设备可以是便携电子设备。
可以配备天线和邻近度传感器的便携电子设备包括膝上计算机和小型便携计算机，例如超便携计算机、上网本计算机以及平板计算机。便携电子设备还可以是更小的设备。关于可以配备天线的更小便携电子设备的示例包括蜂窝电话、腕表设备、吊坠设备、耳机和耳塞设备、以及其他可佩戴和微型设备。
在便携电子设备中，空间是是非常宝贵的，并且这些设备的壳体有时是用阻碍天线信号的导电材料制成的。在允许电磁信号通过的窗口(有时也被称为天线窗口、电介质窗口或射频窗口)之后形成天线结构和邻近度传感器的布置则能有助于解决这些问题。通过用导电壳壁中的开口形成电介质窗口结构，可以在导电壳壁中形成窗口。如果期望，在导电壳壁中还可以形成基于狭缝的电磁信号窗口。在基于狭缝的电磁窗口中，窗口区域是由窗口狭缝的图案定义的。天线和邻近度传感器部件同样可以位于其他那些允许射频信号通过的电介质结构附近，例如显示覆盖层(覆盖玻璃)。
在包含金属壳壁和内部金属壳体结构之类的导电壳体结构的电子设备中，导电壳体可以充当所有或部分的地平面。该地平面可以形成设备中的一个或多个天线的天线地。该地平面还可以包括与电子部件(例如集成电路、传感器、开关、连接器等等)相关联的导电结构、印刷电路上的导电迹线(例如柔性或刚性印刷电路板上的地平面迹线)、或是电子设备中的其他导电结构。
在典型的配置中，天线可由地平面(天线地)和一体化的天线-邻近度传感器结构(充当天线谐振元件)形成。该天线可以用与天线谐振元件耦合的正天线馈送端子以及使用与地平面(例如导电壳体)耦合的地天线馈送端子来馈送。在操作过程中，用于天线的射频信号能够通过天线窗口、显示器覆盖玻璃的一部分或是其他的无线电透明结构。该一体化的天线-邻近度传感器结构还可以耦合到邻近度传感器处理电路，其中该电路使用电容测量来检测外部对象的存在。
当在使用一体化的天线-邻近度传感器结构形成的邻近度传感器附近检测到外部对象存在时，可以使用基于邻近度的天线功率控制电路来减小近场电磁辐射强度。由于传感器电极结构和天线谐振元件结构是作为整套结构的一些部分形成的，因此，使用传感器电极结构测得的电容变化反映了外部对象是否位于天线附近。
具有此类配置的天线和邻近度传感器结构可被安装在便携电子设备中的任何合适的暴露部分。例如，天线和邻近度传感器结构可以在设备的前部或顶部表面提供。在平板计算机、蜂窝电话或是其他那些设备前部完全或者大部分被触摸屏显示器之类的导电结构占用的设备中，可以期望在后部设备表面和/或沿着设备边缘形成天线窗口的至少一部分，或是使用电介质后部壳体配置。其他配置同样是可能的(例如将天线和邻近度传感器安装在更为局限的位置、安装在设备侧壁上等等)。在这里有时会举例描述其中在导电后部壳体表面内形成电介质射频信号窗口的至少一部分的天线和邻近度传感器结构安装位置的应用，然而一般来说，如有需要，任何合适的天线安装位置都是可以在电子设备中使用的。
在图1中显示了可以包括一个或多个一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电极结构的说明性便携设备。如图1所示，设备10可以是相对较薄的设备，例如平板计算机。设备10可以具有安装在其前(顶部)表面上的显示器，例如显示器50。壳体12可以具有形成设备10的边缘的弯曲部分以及形成设备10的后表面的相对平坦的部分(作为示例)。在壳体12中可以形成射频(RF)窗口(有时也被称为天线窗口)，例如射频RF窗口58。在窗口58的附近可以形成用于设备10的天线和邻近度传感器结构。
设备10可以具有用户输入输出设备，例如按钮59。显示器50可以是在收集用户触摸输入的过程中使用的触摸屏显示器。显示器50的表面可以用电介质构件覆盖，例如平面覆盖玻璃构件。显示器50的中心位置(被显示成图1的区域56)可以是对触摸输入敏感的活动区域。诸如区域54之类的显示器50的周边区域可以是没有触摸传感器电极的非活动区域。在显示器50的下面，在周边区域54中(例如在覆盖玻璃下方)可以放置材料层，例如不透明墨。该层可以对射频信号透明。区域56中的导电触摸传感器电极往往会阻碍射频信号。然而，射频信号可以穿过非活动显示器区域54中的覆盖玻璃以及不透明墨(作为示例)。在相反的方向上，射频信号可以穿过天线窗口58。较低频率的电磁场也会穿过窗口58，以使可以通过天线窗口58来进行用于邻近度传感器的电容测量。
壳体12可以是由一个或多个结构形成的。例如，壳体12可以包括内部框架和安装在该框架上的平面壳壁。壳体12也可由单块金属制成，例如铸塑或机加工的铝块。如果期望，使用这两种方法的布置也是可以使用的。
壳体12可以由任何合适的材料制成，包括塑料、木材、玻璃、陶瓷、金属、诸如碳纤维复合物之类的基于纤维的复合物、其他合适材料或是这些材料的组合。在一些情况中，壳体12的某些部分是用电介质或其他低导电性材料制成的，以免扰乱位于壳体12附近的导电天线元件的操作。在其他情形中，壳体12可由金属元件制成。用金属或其他结构可靠的导电材料形成壳体12的优点在于：这样做可以改善设备美观，并且可以帮助改善耐久性和便携性。
对于一种合适的布置，壳体12可由诸如铝之类的金属制成。处于天线窗口58附近的壳体12的部分可用作天线地。天线窗口58可由电介质材料制成，例如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、PC/ABS混合、或是其它塑料(作为示例)。窗口58可以用粘合剂、扣件或其他合适的附着机制附着于壳体12。为了确保设备10具有吸引人的外观，可以期望形成窗口58以使窗口58的外表面顺应壳体12在设备10的其他部分中呈现的轮廓边缘。举个例子，如果壳体12具有直线边缘12A以及平的底部表面，那么可以用直角弯曲和垂直侧壁来形成窗口58。如果壳体12具有弯曲边缘12A，那么窗口58可以具有相似弯曲的表面。
图2是图1中的设备10的后部透视图，其中该图显示了设备10如何可以具有相对平坦的后表面12B，并且显示了矩形形状的天线窗口58如何可以具有与弯曲的壳体边缘12A的形状相匹配的弯曲部分。
图3显示的是设备10的示意图，其中该图显示了设备10如何可以包括一个或多个天线26以及与天线26通信的收发机电路。图3的电子设备10可以是膝上计算机之类的便携计算机、便携平板计算机、移动电话、具有媒体播放器能力的移动电话、手持计算机、遥控器、游戏机、全球定位系统(GPS)设备、台式计算机、音乐播放器、这些设备的组合或是任何其他合适的电子设备。
如图3所示，电子设备10可以包括存储和处理电路16。存储和处理电路16可以包括一个或多个不同类型的存储装置，例如硬盘驱动器存储装置、非易失存储器(例如闪速存储器或其他的电可编程只读存储器)、易失存储器(例如静态或动态随机存取存储器)等等。存储和处理电路16中的处理电路可以用于控制设备10的操作。处理电路16可以基于处理器，例如微处理器或是其他合适的集成电路。对于一种合适的布置，存储和处理电路16可以用于在设备10上运行软件，例如因特网浏览应用。经网际协议的语音传输(VoIP)电话呼叫应用、电子邮件应用、媒体回放应用、操作系统功能、用于控制射频功率放大器和其他射频收发机电路的控制功能等等。在实施合适的通信协议的过程中可以使用存储和处理电路16。可以使用存储和处理电路16实施的通信协议包括：网际协议、蜂窝电话协议、无线局域网协议(例如IEEE 802.11协议——有时也被称为)，用于其他短程无线通信链路的协议，例如
Figure BDA0000134904710000082
协议等等。
输入输出电路14可被用于允许将数据提供给设备10，以及允许将数据从设备10提供给外部设备。诸如触摸屏和其他用户输入接口之类的输入输出设备18是输入输出电路14的示例。输入输出设备18可以包括用户输入输出设备，例如按钮、摇杆、点击轮、滚轮、触摸板、数字键盘、键盘、麦克风、相机等等。用户可以通过此类用户输入设备来提供命令，以便控制设备10的操作。在设备18中可以包括显示和音频设备，例如液晶显示(LCD)屏、发光二级管(LED)、有机发光二级管(OLED)以及给出视觉信息和状态数据的其他部件。输入输出设备18中的显示和音频部件还可以包括音频装备，例如扬声器和用于创建声音的其他设备。如果期望，输入输出设备18还可以包含音频视频接口装备，例如插口和用于外部耳机和监视器的其他连接器。
无线通信电路20可以包括用一个或多个集成电路、功率放大器电路、低噪声输入放大器、无源RF部件、一个或多个天线、以及用于处理RF无线信号的其他电路形成的射频(RF)收发机电路23。无线信号还可以使用光来发送(例如使用红外通信)。
无线通信电路20可以包括用于处理多个射频通信波段的射频收发机电路。例如，电路20可以包括收发机电路22，其中该电路处理的是用于WiFi(IEEE 802.11)通信的2.4GHz和5GHz波段，以及2.4GHz的蓝牙通信波段。电路20还可以包括用于处理诸如850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz以及2100MHz处的GSM波段的蜂窝电话波段中的无线通信的蜂窝电话收发机电路24(作为示例)。如果期望，无线通信电路20还可以包括用于其他短程和长程无线链路的电路。例如，无线通信电路20可以包括全球定位系统(GPS)接收机装备、用于接收无线电和电视信号的无线电路、寻呼电路等等。在WiFi和蓝牙链路以及其他短程无线链路中，无线信号通常被用于在数十或数百英尺的距离上传送数据。在蜂窝电话链路和其他长程链路中，无线链路通常被用于在数千英尺或英里的距离上传送传递数据。
无线通信电路20可以包括天线26，例如位于图1和2的天线窗口58附近的天线。天线26可以是各自覆盖某个期望通信波段的单波段天线或者可以是多波段天线。举例来说，多波段天线可以用于覆盖多个蜂窝电话通信波段。如果期望，双波段天线可以用于覆盖两个WiFi波段(例如2.4GHz和5GHz)。不同类型的天线可以用于不同的波段和波段组合。例如，可以期望形成用于构成本地无线链路天线的双波段天线，用于处理蜂窝电话通信波段的多波段天线，以及用于构成全球定位系统天线的单波段天线(作为示例)。
传输线路径44可以用于在收发机22和24与天线26之间传送射频信号。诸如射频收发机22和24之类的射频收发机可以使用一个或多个集成电路以及相关联的部件(例如开关电路、诸如分立的电感器、电容器和电阻器之类的匹配网络部件以及集成电路滤波器网络等等)来实施。这些设备可以安装在任何合适的安装结构中。对于一种合适的布置，收发机集成电路可以安装在印刷电路板上。路径44可以用于将收发机集成电路和印刷电路板上的其他部件与设备10中的天线结构互连在一起。路径44可以包括射频信号能够经其传送的任何合适的导电通路，这其中包括传输线路径结构，例如同轴线缆、微带线传输线、条线传输线等等。路径44可以包括地信号线和相应的正信号线。
通常，天线26可以使用任何合适的天线类型形成。关于天线26的合适天线类型的示例包括具有由贴片天线结构、倒F天线结构、闭合和开放槽型天线结构、环形天线结构、单极、双极、平面倒F天线结构、这些设计的混合等等形成的谐振元件的天线。对于一种有时在这里被举例描述的合适的布置，壳体12的部分(例如处于天线窗口58附近的壳体12的部分)可以形成用于与窗口58相关联的天线的地。如果期望，在形成设备10的接地过程中还可以使用其他地结构(例如作为刚性和/或柔性印刷电路板、导电设备部件等等的一部分的地结构)。
为了最小化设备10内部的空间，可以使用充当天线谐振元件结构和电容式邻近度传感器电极两者的导电结构来实施一个或多个天线26。该导电结构可被用于形成图4中的集成的天线谐振元件和邻近度电容器传感器电极结构200。如图4的电路图所示，结构200可以耦合到诸如射频收发机23之类的射频收发机，以便发送和接收天线信号。该导电结构还可以耦合到存储和处理电路16中的邻近度传感器处理电路，以便执行邻近度传感器测量。来自结构200中的电容器电极的邻近度传感器信号(例如电容测量)是用充当天线谐振元件的相同导电部件产生的，由此，这些邻近度传感器信号表示外部对象与天线之间的距离。
使用结构200产生的邻近度测量可以在控制由设备10经由结构200发送的天线信号功率的过程中使用。邻近度传感器信号(电容测量)可以从结构200使用路径86发送到存储和处理电路16。来自结构200的邻近度传感器信号(电容测量)可以用电容至数字转换器和/或电路16中的其他传感器信号处理电路来处理，以便产生模拟和/或数字邻近度数据。举例来说，该邻近度数据可以是表明对象87处于或不处于与结构200相距所给出的预定距离以内的布尔数据，或者可以是表示用于D的当前距离值的连续数据。
存储和处理电路16可以耦合到收发机电路23以及功率放大器电路82。虚线83显示的是接收到的射频信号如何可以从使用结构200形成的天线传送到收发机电路23。在数据传输操作过程中，控制线84可以用于将控制信号从存储和处理电路16传送到收发机电路23以及功率放大器电路82，以便实时调整输出功率。例如，在发送数据时可以指引收发机23以及相关联的输出放大器82增大或减小经由传输线44提供给天线的射频信号的功率水平，以便确保满足用于电磁辐射发射的监管限制。
如果邻近度传感器没有检测到外部对象87的存在，那么可以以相对较高的(不受限制的)水平来提供功率。然而，如果邻近度传感器测量表明用户的腿部或其他身体部位或是其他外部对象87极为接近由结构200形成的天线和邻近度传感器(例如20mm以内或是更小，15mm以内或更小，10mm以内或更小等等)，那么存储和处理电路可以通过指引收发机电路23和/或功率放大器82以减小的功率通过传输线44发送射频信号来相应地做出响应。
在图5中显示了在图2中沿着线条300获取并沿着方向302查看的设备10的截面图。如图5所示，结构200可以安装在设备10内部RF窗口(天线窗口)58的附近。结构200充当了天线的天线谐振元件。该天线可以用传输线44来馈送。传输线44可以具有与正天线馈送端子76耦合的正信号导体，以及在地天线馈送端子78处与天线地(例如壳体12和其他导电结构)耦合的接地信号导体。
由结构200形成的天线谐振元件可以基于任何合适的天线谐振元件设计(例如，结构200可以形成贴片天线谐振元件、单臂倒F天线结构、双臂倒F天线结构、其他合适的多臂或单臂倒F天线结构、闭合和/或开放的槽型天线结构、环形天线结构、单极、双极、平面倒F天线结构、这其中的任何的两个或多个设计的混合等等)。壳体12可以充当天线26的天线地，或者设备10内部的其他导电结构可以充当地(例如导电部件，印刷电路板上的迹线等等)。
导电结构200可以形成一个或多个邻近度传感器电容器电极。对于一个合适的布置，结构200可由电介质材料层形成，其中在该层的两个相对侧面上涂有图案化导体层。所述图案化导电材料层之一可以朝着方向300，并且另一个图案化导电层可以以方向302面朝壳体12的内部(作为示例)。这两个图案化导电材料层可以通过插入的电介质层而被相互电绝缘，以形成平行板电容器。在低于大约1MHz的频率上，该平行板电容器具有相对较高的阻抗(例如形成DC开路)，以使所述图案化涂层可以充当独立的第一和第二邻近度传感器电容器电极。在高于1MHz的频率上(例如在高于100MHz或高于1GHz的频率上)，平行板电容器的阻抗很低，由此，图案化的导电层会被有效地短接在一起。这样做允许这两个层同时作为天线谐振元件中的单一图案化导体工作。
在用结构200形成的天线的工作过程中，射频天线信号可以通过电介质窗口58传送。与结构200相关联的射频天线信号还可以通过覆盖玻璃60之类的显示器覆盖构件来传送。显示器50可以具有诸如区域56之类的活动区域，其中在所述区域中，覆盖玻璃60具有显示面板模块64之类的下层导电结构。诸如触摸传感器电极和活动显示像素电路之类的显示面板64中的结构可以是导电的，并且由此可能会衰减射频信号。然而在区域54中，显示器50有可能是非活动的(也就是说，面板64有可能不存在)。在区域54中，在覆盖玻璃60的下侧上可以形成诸如墨水62之类的不透明墨，以避免天线谐振元件被看到。在区域54中，墨水62和覆盖构件60的电介质材料对射频信号而言是足够透明的，由此可以在方向70上通过这些结构来传送射频信号。
图6示出了如何可以将结构200定位在导电壳体结构12的某个部分的开口中(作为示例)。在图6中并未显示图5的窗口58。图6中的开口具有沿着壳体结构12的一个边缘的矩形凹口的形状。如果期望，其他形状的开口也是可以使用的。如图6所示，结构200的图案化导电层可以具有倒F天线谐振元件的形状。特别地，结构200可以具有诸如分支200-1之类的主分支、诸如分支200-2之类的一个或多个附加分支(例如用于提供附加频率谐振和/或扩大的天线带宽)、诸如分支200-4之类的短路分支、以及诸如分支200-3之类的馈送分支。如果期望，也可以包括其他分支(臂部)、诸如弯曲之类的特征、弯曲边缘以及其他形状。
传输线44(图3和图5)可以耦合在结构200与收发机电路23(图3)之间。该传输线44可以具有与正天线馈送端子76相连的正信号线以及与地天线馈送端子78相连的地信号线。正天线馈送端子76可以经由电容器Cfp耦合到天线谐振元件分支200-3上的正天线馈送端子76’。地天线馈送端子78可以经由电容器Cfg耦合到天线谐振元件分支200-4上的地天线馈送端子78’。
电容器Cfp和Cfg的电容值优选具有足够的大小，以便确保这些电容器的阻抗很低，并且不会干扰到在与设备10中的无线信号相关联的频率上进行的操作。举个例子，如果使用路径44来处理处于100MHz或更高频率的信号(例如蜂窝电话信号，无线局域网信号等等)，那么Cfp和Cfg的值可以是10pF或更大、100pF或更大(例如100pF量级)，或者可以具有其他确保所发送和接收的天线信号不会受到阻碍的合适大小。在较低的频率上，电容器Cfp和Cfg的阻抗优选足够大，以便防止干扰到达由结构200形成的天线谐振元件。
邻近度传感器电路可以通过一个或多个电感器202耦合到结构200。例如，通过使用一个或多个由结构200的一个或多个图案化导电层形成的一个或多个电容器电极，可以将诸如电容至数字转换器电路136(图3的电路16的一部分)之类的邻近度传感器用于执行电容测量。所述一个或多个电感器202可以具有在允许AC邻近度传感器信号(例如频率低于1MHz的信号)通过结构200与邻近度传感器电路之间的同时阻止射频天线信号(例如处于100MHz或更高频率的天线信号)到达电容至数字转换器136或其他邻近度传感器电路的阻抗值(例如100nH量级的阻抗)。
电容器Cfp和Cfg形成高通滤波器。通过使用电容器Cfp和Cfg之类的高通电路，可以防止低频噪声干扰结构200的天线操作。一个或多个电感器202形成低通滤波器。通过使用一个或多个电感器202之类的低通滤波器，可以防止来自天线信号的射频噪声干扰结构200的邻近度传感器操作。如果期望，在结构200与射频收发机电路以及与结构200相关联的邻近度传感器电路之间也可以插入其他类型的高通和低通滤波器。图6的布置仅仅是说明性的。
图7是显示了如何可以使用具有导电结构200的电容测量来测量外部对象87与设备10之间的距离D(也就是结构200与对象87之间的距离)的图示。导电结构200可以包括充当电容式邻近度传感器电路80的电极的至少一个图案化导体(例如印刷电路基底上的图案化迹线)。举例来说，电路80可以是图3的电路16的一部分。并且举例来说，信号发生器130可以是产生频率约为200-250kHz的交流电流(AC)信号的电压源(作为示例)。信号检测器132可以是电流计或是用于监视与由导电结构200形成的一个或多个电容器电极相关联的信号的其他合适的测量电路。
在操作过程中，信号检测器132可以监视与结构200相关联的电容。当用户的腿或其他外部对象87进入结构200的范围以内的时候，所述外部对象的存在会使信号检测器132检测到的电容发生变化。信号检测器132可以在线路134上提供一个表明在结构200的附近存在或不存在外部对象87的输出信号。该信号可以采用模拟或数字形式提供，并且可以是在没有检测到外部对象时具有第一逻辑值(例如逻辑零)并且在检测到外部对象87时具有第二逻辑值(例如逻辑1)的布尔值。
线路134上的输出信号还可以具有响应于检测到的不同电容变化而持续改变的电平。对于这种类型的布置来说，电路80可以估计将结构200与外部对象87分离的距离D的值。当对象87接近时，邻近度传感器电路80会在输出134上产生相对较高的值。当对象87远离时，邻近度传感器电路80会在输出134上产生相对较低的值。输出134上的信号可以是模拟信号(例如模拟电压)或数字值。
路径134上的输出信号可以是经过完全处理的(例如指示D的值)或者可以是原始信号(例如代表来自导电结构200的检测到的电容值的信号)。原始信号可以通过使用处理器、专用集成电路以及与存储和处理电路16相关联的其他资源而被进一步处理。如果期望，其他布置也是可以使用的。例如，可以使用其他的信号源，可以使用其他的信号检测方案，可以用模拟和数字信号的组合来提供信号输出，等等。
结构200可以由任何合适的导电结构形成，其中所述结构可以检测因为人体部位之类的外部对象的存在而导致的电容变化。在从顶部(方向71)查看时，结构200的形状可以具有直线侧面，曲线侧面，直线侧面与曲线侧面的混合以及其他合适的形状。例如，结构200可以具有图6所示类型的倒F天线谐振元件形状。结构200的维度可以使得结构200的轮廓适合电介质天线窗口58的轮廓(即，图6示例中的地平面12的矩形切口部分，其中所述部分在每一个横向维度上约为0.5-10cm)。在截面中，结构200的厚度可以小于1mm、小于0.5mm、小于0.2mm、小于0.1mm或是其他任何合适的厚度。在形成结构200的过程中可以使用诸如刚性或柔性印刷电路板基底之类的基底。结构200可以由金属箔或其他导电材料制成。
结构200可以由单独的导电材料层或是两个或更多导电材料层构成。结构200可以由柔性印刷电路基底或刚性印刷电路基底构成。柔性印刷电路(“柔性电路”)可以由柔性聚合物或其他电介质片构成。刚性印刷电路基底可以由玻璃纤维填充的环氧树脂或其他合适的材料构成。举例来说，双层配置中的上部和下部图案化导电层可以是由铜或镀有黄金的铜之类的金属形成的导电迹线(作为示例)。这些导电迹线可选地涂有电介质涂层。当结构200包含两个层时，其中一个电极层可以充当传感器电极层，而另一个电极层则可以充当活动屏蔽层。
图8显示的是可以在将双层结构200同时用作天线谐振元件以及邻近度传感器电容器电极之时使用的电路。如图8所示，导电结构200可以具有第一图案化导电层200U以及第二图案化导电层200L。图案化导电层200U和200L可以由电介质层206之类的插入的电介质层电绝缘。如结合图6所述，收发机电路204(例如图4的收发机23和放大器82以及相关联的传输线44之类的电路)可以通过电容器Cfp和Cfg耦合到第一图案化导电层200U。
用于图案化导电层200U的图案(例如图6的倒F天线谐振元件图案)与用于图案化导电层200L的图案可以是相同的。在与设备10中的无线信号相关联的频率上(例如高于100MHz的频率)，层200U与200L之间的电容C2起到了短路的作用(也就是说，层200U与200L之间的阻抗很小)。由此，层200U和200L被有效地合并成一个单独的谐振元件(具有由层200U和200L共用的图案)。如果期望，层200U和200L可以具有不同的图案，其条件是最终得到的组合图案充当的是在无线信号频率上工作的有效天线谐振元件。优选地，在层200U与200L之间没有直流(DC)短路(也就是说，层200U和200L优选是通过插入的电介质层206绝缘的)，由此可以使用层200U和200L作为双电极邻近度传感器的一部分。
邻近度传感器电路80可以包括信号发生器电路和传感器电路。电路80可以提供电容至数字转换器功能，以便将来自电极200U和200L的电容测量转换成邻近度传感器数据。
电路80可以由电感器L2耦合到图案化导电层200U，以及由电感器L1耦合到图案化导电层200L。电感器L1和L2可以具有大约200-4000nH的电感值或是允许电感器L1和L2充当射频扼流器(也就是射频扼流电感器)的其他合适的值。由于电感器L1和L2(图6的电感器202)的存在，使用其电容被用作天线谐振元件的结构200发送的射频信号将会遭遇到相对较高的阻抗，并且不会被传递到电容至数字转换器。在射频天线信号受到电感器L1和L2(充当射频扼流器)阻碍的同时，诸如处于kHz范围的交流电(AC)激励信号之类的由图7的源130(图8的电路80的一部分)提供给结构200较低频率的信号可以在结构200与电路80之间通过电感器L1和L2传递。这是因为电感器L1和L2的阻抗会随着频率扩缩。
电路80可以使用任何合适的电容触摸传感器控制电路来实施。对于一种合适的布置，电路80可以包括电容至数字转换器电路，例如可以从马萨诸塞州Norwood的Analog Devices得到的AD7147可编程电容至数字转换器集成电路。如结合图4所描述的那样，电容至数字转换器电路80将其输入端上的电容输入信号转换成其输出端上的数字电容值，以供电路16进行处理。
在工作过程中，通过并行地将邻近度信号驱动至导体200U和200L，可以将在导电层200U与200L之间测得的电容C2减至最小。这样做有助于改善邻近度传感器性能。通常，在传感器电极200U与壳体12之间存在一个大约150pF或更小的固定电容C1。该电容C1是从壳体12内部的电磁场产生的，并且不会对外部对象87与电极200U的相对位置的变化做出响应。而壳体12外部的边缘通量电磁场则会在导电层200L与壳体12之间产生电容CA。
在外部对象87与导电层200L之间出现可变电容CAX。电容CAX的幅度取决于外部对象87与电极层200L之间的距离。当外部对象87不存在时，CAX的值处于最小。当对象87接近层200L时，CAX的值将会上升。当对象87处于层200L的附近时(也就是当对象87与层200L相距小于2cm或其他合适的距离时)，将会出现相对较大的CAX值。电容至数字转换器电路80可以测量电容CAX(其与电容CA是并行的)，并且可以产生相应的数字电容值。存储和处理电路16(图3和4)可以接收电容至数字转换器电路80测得的数字电容值，并且可以计算指示外部对象与结构200的距离的相应距离值。
当外部对象87处于结构200附近时(例如当用户将设备10放在用户的膝盖上，从而使得结构200形成的天线谐振元件接近用户腿部时)，电容至数字转换器电路80可以输出一个相应较高的电容值。存储和处理电路16可以分析来自电容至数字转换器电路80的电容信号，并且采取恰当的操作。
举个例子，如果存储和处理电路16推断出外部对象与结构200形成的天线的距离大于2cm(或其他合适的距离)，那么收发机电路23可被允许以任何期望功率来发送射频天线信号，这其中包括设备10的最大可用发送功率。然而，如果存储和处理电路16推断出外部对象87处于天线附近，那么存储和处理电路16可以限制来自收发机23的许可发送功率的量。以此方式，存储和处理电路16可以在确定用以操作收发机电路23的射频输出功率水平的过程中使用外部对象邻近度信息。当用户身体之类的外部对象接近设备10和天线时，可以通过减小最大发送功率来确保符合监管限制。当设备10和天线附近没有外部对象时，可以移除基于邻近度的发送功率限制，并且可以使用较大的射频输出功率。
如图9的分解透视图所示，作为示例，导电结构200可以包括基本相同的图案化层200L和200U。举个例子，如果层200L具有倒F天线谐振元件的形状，那么层200U可以具有相同的倒F天线谐振元件的形状。如结合图8描述的那样，在与设备10中的天线信号相关联的频率上，由于电容器C2(图8)的阻抗在高频上是很低的，因此层200U和200L被有效地合并成单个导电天线谐振元件结构(具有共享的倒F天线谐振元件形状)。
在装配时，导电结构200有可能具有如图10所述的外观。如图10所示，导电结构200可以弯曲(例如在用柔性电路形成导电结构200时)。举个例子，导电结构200的一个边缘可以沿着其长度反向弯曲，以便形成弯曲边缘200B。如图5所示，弯曲边缘200B可以允许将结构200适配在壳体12的内部，以使弯曲边缘200B依靠在显示器覆盖玻璃60的非活动区域54的下方。但这仅仅是一个可以用于将导电结构200安装在设备10的壳体12内部的说明性配置。如果期望，其他配置也是可以使用的(例如没有弯曲边缘的配置，具有多个弯曲边缘的配置等等)。
上文仅仅示出了本发明的原理，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，本领域技术人员是可以做出各种修改。
根据一个实施例，提供了一种电子设备，该电子设备包括射频收发机，电容式邻近度传感器电路，地结构，以及通过高通电路耦合到射频收发机并且通过低通电路耦合到电容式邻近度传感器电路的导电结构，其中该导电结构包括形成天线谐振元件的至少一个图案化导体，所述元件则通过与地结构一起工作来形成供射频收发机发送射频天线信号的天线，以及其中所述至少一个图案化导体形成供电容式邻近度传感器电路用以执行电容测量的电容器电极。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中高通电路包括至少两个电容器。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中该电子设备还包括具有正信号线和地信号线的传输线，其中收发机电路与通过正信号线与至少一个图案化导体相耦合，并且通过地信号线以及这两个电容器中的第二电容器耦合到所述至少一个图案化导体。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中至少一个图案化导体包括导体结构内的一对图案化导电层中的一个导电层，并且其中所述导电结构包括插在所述一对图案化导电层之间的电介质层。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中低通电路包括耦合在邻近度传感器电路与图案化导体配对中的第一导体之间的第一电感器，以及耦合在邻近度传感器电路与所述一对图案化导体中的第二导体之间的第二电感器。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中第一和第二图案化导体具有基本相同的图案。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中第一和第二图案化导体具有基本相同的倒F天线谐振元件图案。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中地结构包括导电壳体结构。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中该电子设备还包括处于导电壳体结构中的电介质窗口，其中所述导电结构是邻近电介质窗口安装的。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中导电结构包括具有弯曲边缘的柔性电路基底。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中导电结构包括形成用于天线谐振元件的倒F天线谐振元件结构的图案化迹线。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中导电结构包括处于电介质基底的相对两侧上的第一和第二图案化导电层，并且该电子设备还包括通过第一电容器连接到第一图案化导电层的正天线馈送端子，以及通过第二电容器连接到第一图案化导电层的地天线馈送端子。
根据一个实施例，提供了一种电子设备，包括：地，射频收发机电路，电容式邻近度传感器电路，与电容式邻近度传感器电路耦合的一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构，以及与一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构耦合的正天线馈送端子和地天线馈送端子，其中射频收发机电路耦合到正天线馈送端子和地天线馈送端子，并且其中所述地和所述一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构形成一个天线。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构包括处于电介质层相对两侧上的第一和第二图案化导体层。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，该电子设备还包括：插在正天线馈送端子与第一图案化导体层之间的第一电容器，以及插在地天线馈送端子与第一图案化导电层之间的第二电容器。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中第一和第二图案化导体层具有相同的形状，并且是由电介质层电绝缘的。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中地包括导电壳体结构，所述电子设备还包括处于导电壳体结构中且与一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构相邻的电介质窗口。
根据一个实施例，提供了一种电子设备，包括：具有在电介质基底层的相对两侧上形成的第一和第二图案化导电层的导电结构，与第一和第二图案化导电层耦合并且被配置成通过使用源自第一和第二图案化导电层的电容测量来产生反映印刷电路结构与电子设备外部对象之间距离的邻近度数据的邻近度传感器电路，无线收发机电路，以及将无线收发机电路耦合到印刷电路结构的传输线，其中无线收发机电路使用第一和第二图案化导电层来发送天线信号。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中传输线包括第一和第二信号线，并且其中电子设备还包括插在第一信号线与导电结构之间的第一电容器，以及插在第二信号线与导电结构之间的第二信号线。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中第一和第二图案化导电层具有相同的图案，并且其中第一和第二图案化导电层具有倒F天线谐振元件形状，所述形状则具有至少一个馈送分支以及一个短路分支。
根据另一个实施例，提供了一种电子设备，其中第一和第二图案化导电层具有相同的图案，并且其中第一和第二图案化导电层具有至少两个分支。

Claims (16)

1.一种电子设备，包括：
射频收发机；
电容式邻近度传感器电路；
地结构；通过高通电路耦合到射频收发机并且通过低通电路耦合到电容式邻近度传感器电路的导电结构，其中该导电结构包括形成天线谐振元件的至少一个图案化导体，所述天线谐振元件与地结构一起工作来形成供射频收发机发送射频天线信号的天线，并且其中所述至少一个图案化导体形成供电容式邻近度传感器电路用以执行电容测量的电容器电极，其中高通电路包括至少两个电容器；以及
具有正信号线和地信号线的传输线，其中收发机电路通过正信号线和所述两个电容器中的第一电容器耦合至所述至少一个图案化导体，并且通过地信号线和所述两个电容器中的第二电容器耦合到所述至少一个图案化导体。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个图案化导体包括导体结构内的一对图案化导体层中的一个图案化导体层，并且其中所述导电结构包括插在所述一对图案化导体层之间的电介质层。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中低通电路包括耦合在邻近度传感器电路与所述一对图案化导体中的第一图案化导体之间的第一电感器，以及耦合在邻近度传感器电路与所述一对图案化导体中的第二图案化导体之间的第二电感器。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中第一图案化导体和第二图案化导体具有基本相同的图案。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中第一图案化导体和第二图案化导体具有基本相同的倒F天线谐振元件图案。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中地结构包括导电壳体结构。
7.根据权利要求6所述的电子设备，还包括：处于导电壳体结构中的电介质窗口，其中所述导电结构邻近电介质窗口安装。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其中导电结构包括具有弯曲边缘的柔性电路基底。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中导电结构包括形成用于天线谐振元件的倒F天线谐振元件结构的图案化迹线。
10.一种电子设备，包括：
射频收发机；
电容式邻近度传感器电路；
地结构；
通过高通电路耦合到射频收发机并且通过低通电路耦合到电容式邻近度传感器电路的导电结构，其中该导电结构包括形成天线谐振元件的至少一个图案化导体，所述天线谐振元件与地结构一起工作来形成供射频收发机发送射频天线信号的天线，并且其中所述至少一个图案化导体形成供电容式邻近度传感器电路用以执行电容测量的电容器电极，其中高通电路包括至少两个电容器，并且导电结构包括处于电介质基底的相对两侧上的第一图案化导体层和第二图案化导体层；
通过所述电容器中的第一电容器连接到第一图案化导体层的正天线馈送端子；以及
通过所述电容器中的第二电容器连接到第一图案化导体层的地天线馈送端子。
11.一种电子设备，包括：
地；
射频收发机电路；
电容式邻近度传感器电路；
与电容式邻近度传感器电路相耦合的一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构；以及
与一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构相耦合的正天线馈送端子和地天线馈送端子，其中射频收发机电路耦合到正天线馈送端子和地天线馈送端子，并且其中所述地和所述一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构形成一个天线，其中所述一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构包括处于电介质层相对两侧上的第一图案化导体层和第二图案化导体层；以及
插在正天线馈送端子与第一图案化导体层之间的第一电容器，以及插在地天线馈送端子与第一图案化导体层之间的第二电容器。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中第一图案化导体层和第二图案化导体层具有相同的形状，并且是由电介质层电绝缘的。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中地包括导电壳体结构，所述电子设备还包括处于导电壳体结构中且与一体化的天线谐振元件和邻近度传感器电容器电极结构相邻的电介质窗口。
14.一种电子设备，包括：
具有在电介质基底层的相对两侧上形成的第一图案化导体层和第二图案化导体层的导电结构；
与第一图案化导体层和第二图案化导体层耦合的邻近度传感器电路，所述邻近度传感器电路被配置成使用源自第一图案化导体层和第二图案化导体层的电容测量来产生反映印刷电路结构与电子设备外部对象之间距离的邻近度数据；
无线收发机电路；以及
将无线收发机电路耦合到印刷电路结构的传输线，其中无线收发机电路使用第一和第二图案化导体层来发送天线信号，其中传输线包括第一信号线和第二信号线，并且其中电子设备还包括插在第一信号线与导电结构之间的第一电容器，以及插在第二信号线与导电结构之间的第二电容器。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中第一图案化导体层和第二图案化导体层具有相同的图案，并且其中第一图案化导体层和第二图案化导体层具有倒F天线谐振元件形状，所述倒F天线谐振元件形状至少具有馈送分支以及短路分支。
16.根据权利要求14所述的电子设备，其中第一图案化导体层和第二图案化导体层具有相同的图案，并且其中第一图案化导体层和第二图案化导体层具有至少两个分支。
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