CN103943945A - 手表天线及设有该手表天线的手表 - Google Patents

手表天线及设有该手表天线的手表 Download PDF

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手表天线及设有该手表天线的手表。本发明公开了一种可用于GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN通信的手表天线，其包括设置在手表内部的天线部分，所述手表在所述天线部分的上方设有金属环/框；所述天线部分与所述金属环/框电耦合，所述金属环/框作为主要的天线辐射体，且设置在手表外周。本发明同时还公开了一种设置有上述天线的手表。本发明的手表天线使用了电耦合(馈电)天线结构，通过在手表内的天线部分上方设置与之电耦合的金属环/框，并将金属环/框作为天线辐射体，使该天线达到了优异的GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN通信性能。

Description

手表天线及设有该手表天线的手表
技术领域
本发明涉及一种可用于GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN通信的手表天线及设置有该天线的手表。 
背景技术
基于GPS（Global Position System，全球定位系统）的健身产品和其它基于GPS的腕带式个人健身教练产品越来越多的被运动员和其他的个人锻炼者使用，以使用GPS生成成绩和/或其它基于位置的信息。但是，GPS的信号非常弱，因此，当基于GPS的健身产品在复杂地区以及散射/衍射丰富的地区例如大城市或其它具有挑战性的地形使用时，它们难以接收到卫星导航信号。 
另一个挑战是，新产品如腕表和智能手表需要有一个非常有吸引力的外表，以使使用者喜欢。这些产品通常有一个薄的外形，更理想是这些产品能够具有金属部分，尤其是金属环，金属边框，或者其他装饰上和机械上要求的金属物体。但是，这些金属部分会减弱天线性能，因此对达到高的天线效率以及形成合适的右旋圆极化都是一个挑战。 
此外，传统的陶瓷贴片GPS天线的尺寸和重量都很大，因此不适用于腕表装置。 
之前的将陶瓷贴片GPS天线设置在腕表上的方式（例如EP2128724A2）具有使腕表款式变劣和增加重量的缺陷。现在的趋势是把天线集成到手表的机械结构中，以消除上面提到的缺陷。 
多种GPS和蓝牙（BT，Blue Tooth）天线都曾被提议作为集成天线，其中绝大部分属于传统的倒F型天线，倒L形天线，单极子天线，环状，C-形结构，其中某些天线形式已经在之前的申请中有应用，例如EP2317602A1,US2013/0181873A1等；但是，上面这些方案最大的缺陷是，当表的上方设置有金属环或金属边框时，例如设置在显示屏的周围时，这些天线将不能工作。 
发明内容
本发明的第一目的是提供一种电耦合型手表天线，其以设置在手表盘上部的金属环/框作为天线的主要辐射体，以解决现有技术中存在的上述缺陷。 
本发明的第二目的是提供一种设有上述手表天线的手表，以解决现有技术中存在的上述缺陷。 
本发明的技术方案如下： 
一种可用于GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN通信的手表天线，其包括设置在手表内部的天线部分，所述手表在所述天线部分的上方设有金属环/框；所述天线部分与所述金属环/框电耦合，所述金属环/框作为主要的天线辐射体，且设置在手表外周。 
本发明还提供一种具有GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN功能的手表，其包括设置在手表内部的天线部分，以及设置在手表盘上方外周并位于所述天线部分上方的金属环/框，所述天线部分与所述金属环/框电耦合，所述金属环/框作为主要的天线辐射体。 
与现有技术相比，本发明的有益效果如下： 
第一.本发明的手表天线使用了电耦合天线结构，通过在手表内的天线部分上方设置与之电耦合的金属环/框，并将金属环/框作为主要的天线辐射体，达到了优异的GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN性能； 
第二.本发明的手表天线结构简单，是一种机械集成式天线，使用它可制作出更薄，更小，更轻，外观具有吸引力的产品； 
第三.本发明的手表天线可实现双馈GPS/蓝牙，或组合，单馈GPS/蓝牙； 
第四，本发明的手表天线的金属环/框给手表提供了额外的机械强度。 
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。 
附图说明
图1（a）为本发明一个具体实施例的典型手表结构示意图； 
图1（b）为本发明一个具体实施例的手表的典型层叠结构的横截面示意图； 
图1（c）为本发明另一个具体实施例的手表的层叠结构的横截面示意图； 
图1（d）为本发明的手表中天线部分的一个具体实施例，其对应图1（a）的手表的俯视图，但是移除了金属环/框，镜片和塑料支撑体； 
图1（e）为与图1（d）具有相似结构的横截面图，其示出了可放置天线部分的辐射体的几种位置； 
图2（a）和图2（b）示出了本发明的手表及手表天线的又一实施例； 
图3为本发明的双馈结构天线在佩戴状态时的反射系数和隔离； 
图4为本发明的单馈天线在佩戴状态时在GPS/Glonass频段的总效率和辐射效率； 
图5为本发明的两种不同配置的手表BT天线在佩戴状态和不佩戴(自由空间)状态时的 总效率，其中P4_3表示单馈天线，P3_1B表示双馈天线； 
图6为本发明的单馈天线在佩戴状态时的3D辐射图，其中辐射在1.58GHz的右旋圆极化增益图。 
具体实施方式
下方将结合附图对本发明的一些具体实施方式和实施例做进一步的描述。 
实施例 
请参见图1（a），其示出了本发明的一种典型的手表结构的俯视图，此种手表的典型外径例如可以为50mm，此外，本发明中手表的外径还可以大于50mm或者小于50mm，具体的手表外径的数值取决于手表的外形，本发明不对手表的外径进行限定。图1(a)中手表包括腕带1、金属环/框2、镜片和显示屏3，其中，镜片可以由玻璃或其它透明介质制成，其设置在显示屏的旁边且位于外侧。 
请参见图1（b），其为本发明一个具体实施例的手表的层叠结构的横截面图。在该图中可以看到，金属环/框2设置在显示屏31的上方，镜片32的外围。金属环/框可以由不锈钢、铝、铜及其它类型金属制备而成，金属环/框上可有各种电镀层和/或图案。金属环/框2的下方设有塑料支撑体41，手表外侧设有塑料外壳4，显示屏31的外围设有塑料环5，一印刷电路板（PCB）6设置在显示屏31的下方，印刷电路板（PCB）6下方可装设有电池7，其中印刷电路板（PCB）6为主DC-接地。塑料环5用于容纳显示屏31，并作为金属环/框2和镜片32的支撑结构。此外，本发明的手表还可选择性的设置有金属后盖8。 
金属环/框2可以与PCB电隔离，或可以基于ESD/EMC目的可DC/电连接到地，但金属环/框2必须与地射频隔离；通常，地可以为PCB的一部分，PCB具有多个不同的设有若干导电轨迹或是多层方式，它们的一部分可用于DC接地和部分用于RF接地，最典型的地是PCB板上的一金属层;此外，地也可以通过其它方式实现，例如，地可以是独立于PCB的一个单独部分，如金属片等。 
如图1（b）中所示的印刷电路板6，可以包括设置有多个分离的有源器件的填充板，这些有源器件例如可以包括GPS和BT无线电发射器，GPS低噪声放大器，用于天线部分和电池的多个连接触点等等。金属后盖8为选择性设置，其可作为天线反射器，可屏蔽手/手腕吸收损耗；金属后盖8可以悬浮设置于地平面，或者可以通过几个触点连接到地平面/PCB。本发明的方案不设置金属后盖8也可以使用。 
请参见图1（c），其示出了本发明的手表的另一种典型实施例的横截面图，该实施例与 图1（a）所示的实施例的主要不同之处在于：金属环/框2’具有另一种不同的外形，并因此位于金属环/框下方的塑料支撑体41可以略去，从而金属环/框2’的一部分可直接与塑料外壳4接触，另一部分与塑料环5接触。 
图1（d）示出了本发明的设置在手表内部的天线部分的一种具体结构，图1（d）也是如图1（a）中视角的俯视图，但是移除了图1（b）中的金属环/框2、镜片32、塑料支撑体41。图1（d）中示出了两种不同的天线结构，它们分别是GPS和BT的天线单元、谐振器、天线馈点网络，这些可被创建为如一个1mm宽、适当长度的铜臂走线。两个天线单元分别具有独立的馈源，如图1（d）中标注所示。这些馈源可通过孔或使用适当的触点（例如弹簧夹spring clips,C形夹C-clips,弹簧引脚pogo pins）连接至对应无线电发射器（例如设置在主线路板PCB上的无线电发射器）；可使用不同的匹配电路与天线进行适当匹配以达到期望的阻抗（通常为50Ohm）。此处一个非常重要的特点是这些天线单元电耦合于金属环/框2，电耦合的具体方式例如可以为电磁耦合或者电容耦合结构。此时，金属环/框2作为主要的辐射体，天线单元和金属环/框之间期望的耦合由两者之间的距离，以及天线臂的尺寸、宽度、长度等来控制。GPS天线馈源和BT天线馈源可沿手表的周长方向移动，以此来选择最佳的可能和优化的位置，这一点对于GPS/Glonass天线优化右旋圆极化增益，轴比和其它极化特性是尤其重要的设计参数。 
图1（e）示出了一种类似结构的横截面，其中加深加粗的表面（图中标记为a、b、c）代表可以选择性设置天线部分的天线辐射体的不同位置。其中的表面a即代表图1（d）中天线部分的设置方式。这三个表面例如可以是塑料环5的表面，或者是塑料外壳4的表面或其它类似元件的表面。该天线辐射体设置位置的主要原则是：使天线辐射体设置位置尽可能远离周围的金属物体和破坏性的金属物体，例如LCD外框，PCB地，电池，任何噪声源等。该天线辐射体可用LDS工艺制作。 
图2（a）和图2（b）示出了本发明的另一个实施例。在此实施例中，特别之处在于，在金属环/框2’’上具有一切口或缝21，如图2（a）所示，此时金属环/框2’’为C形。这种结构结合图2（b）中天线部分的图形，对GPS/BT具有单馈，即所谓的组合解决方案。馈源沿手表周长的精确放置，结合切口或缝的合适位置放置，可以优化GPS天线的极化特性，例如较好右旋圆极化增益，低轴比等。 
图3至图6示出了本发明的手表天线的典型测试结果。 
其中，图3示出了双馈结构的手表天线在佩戴状态时的反射系数和隔离，从图中可以看 出，本发明的双馈结构天线具有良好的匹配水平和频段，以及低于-15dB的隔离，其带宽已经足够覆盖GPS和Glonass频段。 
图4示出了本发明的单馈天线在佩戴状态下GPS/Glonass频段的总效率和辐射效率，也包括在失配的条件下。图5示出了两种配置的天线在佩戴状态、不佩戴(自由空间)状态下在BT频段的总效率，两种配置的天线分别是：P4_3单馈情况和P3_1B双馈情况。从图4和图5中可见，本发明的该些实施例的天线在GPS/Glonass频段的总效率和辐射效率，以及在BT频段的总效率均高于-7dB，说明本发明的天线具有良好的总效率和辐射效率。 
图6示出了本发明的单馈天线在佩戴状态下的3D辐射模式图形，可看出其在1.58GHz处具有右旋圆极化增益。这些说明本发明的天线具有一个良好的定向辐射模式，其主波束方向指向天空（即卫星）。 
以上实施例和附图中示出的手表的圆形外形仅为举例，本发明的手表的外形还可以是任何期望的形状，例如方形，椭圆形，六边形等。 
本发明中，手表的显示屏31还可以为一个触摸显示屏，手表本身可以是一个所谓的智能手表，该智能手表还可以设有其它无线电发射器，例如蜂巢式，GSM，LTE，NFC等。 
本发明中BT天线的实现方式还可以采用其它方式，例如设置在主PCB上的走线。 
本发明的手表可以制作成防水式的，使其能用于各种艰苦的和具有挑战性的室外和室内条件，以及极限运动等情况下。 
本发明的手表的金属环/框可用各种方式与手表的其余机械部分连接，例如使用螺丝，胶粘，胶黏剂，插入成型，包覆成型或一些其它的可选择的制作方式。该金属环/框可选用各种宽度，通常在1mm-5mm范围内浮动。 
本发明的手表的镜片32可由任何合适的材料制成，例如玻璃、透明的塑料材料、PMML，或者其它介质。 
本发明的手表内设置的天线部分可通过在塑料环5上通过LDS工艺制作（此处，塑料环的塑料需要是LDS兼容的，可填充有或不填充玻纤）。此外，还可以使用MID工艺或柔性箔工艺（又称柔性印刷电路FPC工艺）、金属片/冲压金属技术,印刷技术（油墨或贴印刷）等。用于该天线部分的金属可以为铜或其它金属，例如不锈钢、铝、镀镍和/或镀金金属，或一些其它合适的选择。 
本发明中，除馈源外，还可将接地触点加入到本发明的手表天线中，具体的加入位置可以为设于手表内部的天线部分，或者该天线部分和金属环/框上。 
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。 

Claims (16)

1.一种可用于GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN通信的手表天线，其特征在于，其包括设置在手表内部的天线部分，所述手表在所述天线部分的上方设有金属环/框；所述天线部分与所述金属环/框电耦合，所述金属环/框作为主要的天线辐射体，且设置在手表外周。
2.如权利要求1所述的手表天线，其特征在于，所述金属环/框为封闭环式，所述天线部分包括两条天线臂，所述两条天线臂分别为对应GPS功能的GPS天线臂和对应BT功能的BT天线臂；所述GPS天线臂设有GPS馈源,所述BT天线臂设有BT馈源。
3.如权利要求1所述的手表天线，其特征在于，所述金属环/框为C形，所述天线部分包括同时对应GPS功能和BT功能的一条天线臂，该条天线臂设有GPS/BT单馈源。
4.如权利要求2或3所述的手表天线，其特征在于，所述天线部分与所述金属环/框之间所需的耦合由它们之间的距离、所述天线臂的尺寸、宽度和长度控制。
5.如权利要求2或3所述的手表天线，其特征在于，所述GPS馈源和所述BT馈源或所述GPS/BT单馈源能沿所述手表的周长移动，以选择可能的最佳位置来优化右旋圆极化增益、轴比和其他极化特性。
6.如权利要求2或3所述的手表天线，其特征在于，所述天线部分的材料选自铜、不锈钢、铝、镀镍和/或镀金材料中的一种。
7.如权利要求1所述的手表天线，其特征在于，所述“电耦合”方式为电磁耦合或电容耦合。
8.一种具有GPS/Glonass和BT/WiFi/WLAN功能的手表，其特征在于，包括设置在手表内部的天线部分，以及设置在手表外周、并位于所述天线部分上方的金属环/框，所述天线部分与所述金属环/框电耦合，所述金属环/框作为主要的天线辐射体。
9.如权利要求8所述的手表，其特征在于，所述手表还包括PCB/地，所述金属环/框与所述PCB地射频隔离，并且所述金属环/框与所述PCB/地电隔离，或基于静电放电抗扰度(ESD)/电磁兼容(EMC)目的，所述金属环/框与所述PCB/地可DC/电气连接。
10.如权利要求8所述的手表，其特征在于，所述金属环/框为封闭环式，所述天线部分包括两条天线臂，所述两条天线臂分别为对应GPS功能的GPS天线臂和对应BT功能的BT天线臂；所述GPS天线臂设有GPS馈源,所述BT天线臂设有BT馈源。
11.如权利要求8所述的手表，其特征在于，所述金属环/框为C形，所述天线部分包括同时对应GPS功能和BT功能的一条天线臂，该条天线臂设有GPS/BT单馈源。
12.如权利要求10或11所述的手表，其特征在于，所述天线部分与所述金属环/框之间所需的耦合由它们之间的距离、所述天线臂的尺寸、宽度和长度控制。
13.如权利要求10或11所述的手表，其特征在于，所述GPS馈源和BT馈源或所述GPS/BT单馈源能沿所述手表的周长移动，以选择可能的最佳位置来优化右旋圆极化增益、轴比和其它极化特性。
14.如权利要求10或11所述的手表，其特征在于，所述天线部分的材料选自铜、不锈钢、铝、镀镍和/或镀金材料中的一种。
15.如权利要求8所述的手表，其特征在于，所述“电耦合”方式为电容耦合或电磁耦合。
16.如权利要求8所述的手表，其特征在于，所述手表还设有金属后盖，所述金属后盖作为天线反射器，屏蔽手/手腕吸收损耗。
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