CN105792049B - 采用最佳单极天线的纯正无线耳机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通讯技术领域的采用最佳单极天线的纯正无线耳机，包括入耳式耳机壳及设置于入耳式耳机壳内的RF信号产生装置，底壳的顶部为与耳甲腔的形状配对的定位台，RF信号产生装置由天线、主PCB和电池构成，天线用于与音频源及副听筒的天线建立RF通信链路，以天线为中心点且以入耳式耳机壳中最接近天线的外壁为半径画圆球，该圆球所形成的空间为天线放置区域，天线位于该天线放置区域内，且该圆球的半径大于4毫米。天线与人体皮肤或组织的距离大于4毫米时，能够与人体皮肤形成最佳耦合，并能产生最佳RF爬波通信链路，入耳式蓝牙设备的天线增益和效率衰减处于可接受范围内，天线也能够维持主听筒与移动电话之间具有适当RF通信链路。

Description

采用最佳单极天线的纯正无线耳机

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种耳机，特别涉及采用最佳单极天线的纯正无线耳机。

背景技术

目前，大部分普通无线耳机仅配备有一个RF收发器，用于维持耳机与音频源（如移动电话）之间的无线通信。纯正无线耳机指左右听筒之间无需电线连接的耳机对，而是采用另一个无线通信信道同步左右听筒之间的立体声音频播放。为打造纯正无线耳机，需在左右听筒上均配备专用无线收发器。显而易见，可采用蓝牙无线通信标准作为较合适的解决方案，当纯正无线耳机两侧分别配备有无线收发器（共计2个）时，意味着需要两条蓝牙链路；a）听筒与音频源之间的主通信链路;b）左右听筒之间的次级通信链路。纯正无线耳机通常在左右听筒之间采用“主 - 从”配置，主听筒用于处理与音频源（如移动电话）之间的通信链路，同时采用另一条蓝牙信号信道将音频信号转发至从听筒。

对于能够穿透人体的无线信号，采用近场磁感应（NFMI）技术或通过增强RF信号强度，补偿人体组织造成的信号损失。相关原理为，人体组织可吸收或高度衰减RF信号，而NFMI通过采用磁场代替电磁（EM）波，以此顺利穿透人体组织。

据此，为确保左右听筒之间通信正常，我们可将天线远离人体皮肤，以此尽量降低人体衰减效应。此外，采用尺寸较大的天线同样能够改善RF传输效率，以此抵消人体造成的信号衰减。上述2种方案均无法生产适于佩戴于耳廓内的产品外形。目前，其中一种打造纯正无线产品的常用方法为，将设备不置于耳廓附近，而是增大产品外壳尺寸，将电子元件配置于外壳内。但是，较大产品尺寸与当前的小型化趋势相悖，且无法确保产品具有轻量化、适于入耳式应用的外形。

制造纯正无线耳机的另一种方案是采用耳挂式设计，据此，设计者可将天线置于挂钩内，通过采用这种方法，易于将天线与人体皮肤相分离，同样，这也不适于入耳式耳机应用。

发明内容

本发明的目的是解决以上缺陷，提供采用最佳单极天线的纯正无线耳机，该最佳单极天线能够在佩戴于头部的入耳式“主 - 从”听筒之间建立合适RF通信链路，同时，该最佳单极天线也能够维持主听筒与移动电话之间具有适当RF通信链路，其适于产生RF通信链路以及RF爬波与人体皮肤相耦合，确保天线具有全方向辐射特点。

经合理设计，天线能够控制收发RF信号，天线是主听筒与移动电话之间主链路、主从听筒之间链路的关键组件。

大量研究表明，RF波可通过皮肤表面传输至不同身体部位，基于此现象，我们可得出如下结论，RF波无需通过媒介（如人体）进行直线传输，作为替代方案，可沿人体曲面进行传输。此类在人体皮肤表面进行的RF传输称为“RF爬波”，耦合至人体皮肤的RF波和天线辐射图均将影响产生RF爬波的能力。

由于RF传输功率受蓝牙芯片组限制，因此，“通过增强RF输出功率，以产生更强的RF爬波”这一方法不可取。同时，较高功率也将致使功耗较高，并且不适于便携设备，特别是入耳式耳机应用，因为其电池容量有限。因此，“左耳”-“右耳”之间的最短通信距离为耳廓背面，据此，在耳廓背面产生RF爬波为最佳选择。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

采用最佳单极天线的纯正无线耳机，包括入耳式耳机壳及设置于入耳式耳机壳内的RF信号产生装置，入耳式耳机壳由顶壳和底壳配对扣合组成，入耳式耳机壳的内部设有容纳空腔，底壳的底部向下延伸，底壳的底部为与容纳空腔导通的出音口，底壳的内部设有与出音口导通的扬声器，并在底壳的底部套装有用于塞入外耳道口的耳垫，底壳的顶部为与耳甲腔的形状配对的定位台，定位台的外底面配对贴合在耳甲腔的表面，定位台的外壁与耳屏接触，RF信号产生装置位于容纳空腔内，RF信号产生装置由天线、主PCB和电池构成，主PCB包括蓝牙芯片组，该天线用于与音频源及副听筒的天线建立RF通信链路，电池、天线及扬声器均与主PCB进行电性连接，以天线为中心点且以入耳式耳机壳中最接近天线的外壁为半径画圆球，该圆球所形成的空间为天线放置区域，天线位于该天线放置区域内，且该圆球的半径大于4毫米，由于使用耳机时入耳式耳机壳将贴紧人体耳甲腔及耳屏，圆球的半径也就是指天线与人体皮肤或组织的距离，当圆球的半径大于4毫米时，也就是指天线与人体皮肤或组织的距离大于4毫米。

上述说明中，作为优选的方案，天线与人体皮肤或组织的最佳耦合限值为4毫米，当其距离为4毫米时为最佳天线中心，最佳天线中心也为天线反馈点。

RF信号可穿透人体头骨耳孔和耳甲腔附近的最薄耳廓区域，耦合至耳廓背面附近的皮肤，并通过最佳的RF爬波线路进行连接。

天线阻抗、辐射图和效率等方面均受人体组织影响，因此，如果天线距离人体皮肤或组织过近，人体效应将影响RF传输效率和天线增益，然后其将直接影响RF通信链路和产品的无线工作范围，此外，人体效应造成的天线增益和效率衰减也将影响耦合至人体的RF波。据发现，如果天线间距大于4 mm，则其适于产生RF以及RF爬波与人体皮肤相耦合。

上述说明中，作为优选的方案，所述主PCB设有垂直设置的金属接地层，金属接地层均匀围绕着主PCB的边缘，金属接地层用于确保射频辐射电流均匀地分布。

由于入耳式耳机壳需要设置与耳甲腔接触的定位台，这也限制了主PCB的尺寸，耳甲腔的宽度是小于1/4波长（约30mm）蓝牙信号，这也意味着主要的PCB将小于1/4波长，由于主PCB尺寸的限制，天线的辐射模式和效率将更全方位的恶化，在大多数情况下，主PCB的主要形式是一个非常薄的电气接地射频辐射，这个小的电气接地方案将导致天线的效率会降低，为了抵消地面尺寸退化，金属接地层可弥补这种不利的影响，这是因为较厚的金属接地层可以减少电地计划的内部阻力，整个组件包括主PCB和电池会形成较厚的电气接地方案，这整个电池连PCB的金属接地层，它可提高天线的增益，提高天线的辐射和提高效率，使得射频辐射更加全方位，是射频传输和接收的关键。

上述说明中，作为优选的方案，所述金属接地层由铜箔材料构成。

上述说明中，作为优选的方案，所述电池设置于主PCB的底面，金属接地层围绕着电池，并在主PCB的边缘设有用于给电池充电的USB端板。

通常情况下，当音频源远离或十分靠近用户时（例如位于用户衣服的各口袋内），无线耳机需具有高效与灵敏的通信发射接收能力。

上述说明中，作为优选的方案，所述天线为短单极天线，短单极天线适于耳机应用的适当辐射特性，为达到这一要求，我们需确保天线具有全方向辐射特点。

上述说明中，作为优选的方案，所述短单极天线为短螺旋单极天线，短螺旋单极天线最适用于天线放置区域。

上述说明中，作为优选的方案，所述短单极天线为平衡型天线，大量研究结果表明，在相同的人体皮肤间距条件下，相比于非平衡型天线，平衡型天线受人体组织的影响程度较低，由于平衡型天线受人体的影响程度较低，因此，其更适于纯正无线耳机应用，但是，产品外壳需足够大，以容纳此类天线。

本发明所产生的有益效果如下：

1）当圆球的半径等于4毫米，也就是指天线与人体皮肤或组织的距离等于4毫米时，天线的顶部为最佳天线反馈点，其满足所有设计准则，能够确保实现最佳RF爬波产生及与音频源（如智能手机）间建立稳固RF链路;

2）天线与人体皮肤或组织的距离大于4毫米时，在此间距条件下，入耳式蓝牙设备的天线增益和效率衰减处于可接受范围内，天线也能够维持主听筒与移动电话之间具有适当RF通信链路;

3）当天线与人体皮肤之间的间距为4 mm时，能够与人体皮肤形成最佳耦合，并能在左右耳机设备之间产生最佳RF爬波通信链路;

4）耳廓、耳甲腔区域是允许放置入耳式耳机的唯一凹陷区域，同时，也正是由于人耳孔和耳朵背面附近的最薄人体组织，其才属于允许RF波穿透耳廓，并在耳朵背面产生RF爬波的最佳部位。

附图说明

图1为本发明实施例的结构分解示意图;

图2为本发明实施例的剖面图;

图3为本发明实施例中RF信号产生装置的立体结构示意图;

图4为本发明实施例中RF爬波的基本概念图;

图5为本发明实施例中3D天线辐射工作原理图;

图6为本发明实施例中模拟和实际天线辐射图的“X - Z”平面2D曲线图;

图3中，双向箭头为各零部件安装连接方向，图6中，虚线为模拟辐射图，实线为实测辐射图;

图1～图5中，1为底壳，2为顶壳，3为出音口，4为定位台，5为天线，6为主PCB，7为扬声器，8为电池，9为耳垫，10为USB端板，11为金属接地层，12为人体头部，13为RF爬波，14为RF通信链路。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例，参照图1～图6，其具体实施的采用最佳单极天线的纯正无线耳机包括入耳式耳机壳入设置于入耳式耳机壳内的RF信号产生装置，如图1和图3，入耳式耳机壳由顶壳2和底壳1配对扣合组成。入耳式耳机壳的内部设有容纳空腔，底壳1的底部向下延伸，底壳1的底部为与容纳空腔导通的出音口3，底壳1的内部设有与出音口3导通的扬声器7，并在底壳1的底部套装有用于塞入外耳道口的耳垫9。

底壳1的顶部为与耳甲腔的形状配对的定位台4，定位台4的外底面配对贴合在耳甲腔的表面，定位台4的外壁与耳屏接触，RF信号产生装置位于容纳空腔内，RF信号产生装置由天线5、主PCB6和电池8构成，本实施例的天线5为短螺旋单极天线，主PCB6包括蓝牙芯片组，本实施例的主PCB6横向设置于容纳空腔内，该天线5用于与音频源及副听筒的天线5建立RF通信链路14，电池8、天线5及扬声器7均与主PCB6进行电性连接。

以天线5为中心点且以入耳式耳机壳中最接近天线5的外壁为半径画圆球，该圆球所形成的空间为天线5放置区域，天线5位于该天线5放置区域内，且该圆球的半径大于4毫米,由于使用耳机时入耳式耳机壳将贴紧人体耳甲腔及耳屏，圆球的半径也就是指天线5与人体皮肤或组织的距离，当圆球的半径大于4毫米时，也就是指天线5与人体皮肤或组织的距离大于4毫米,如果天线5与人体皮肤或组织的间距大于4 mm，则其适于产生RF以及RF爬波13与人体皮肤相耦合。

如图3所示，主PCB6设有垂直设置的金属接地层11，金属接地层11均匀围绕着主PCB6的边缘，金属接地层11用于确保射频辐射电流均匀地分布，属接地层由铜箔材料焊接而成，电池8设置于主PCB6的底面，金属接地层11围绕着电池8，并在主PCB6的边缘设有用于给电池8充电的USB端板10。

当圆球的半径等于4毫米，也就是指天线5与人体皮肤或组织的距离等于4毫米时，天线5的顶部为最佳天线反馈点，其满足所有设计准则，能够确保实现最佳RF爬波13产生及与音频源（如智能手机）间建立稳固RF链路;天线5与人体皮肤或组织的距离大于4毫米时，在此间距条件下，入耳式蓝牙设备的天线5增益和效率衰减处于可接受范围内，天线5也能够维持主听筒与移动电话之间具有适当RF通信链路14;当天线5与人体皮肤之间的间距为4mm时，能够与人体皮肤形成最佳耦合，并能在左右耳机设备之间产生最佳RF爬波13通信链路;耳廓、耳甲腔区域是允许放置入耳式耳机的唯一凹陷区域，同时，也正是由于人耳孔和耳朵背面附近的最薄人体组织，其才属于允许RF波穿透耳廓，并在耳朵背面产生RF爬波13的最佳部位。

如图4所示，“左耳”-“右耳”之间的最短通信距离为耳廓背面，在人体头部12的耳廓背面产生RF爬波13为最佳选择，RF信号可穿透人体头骨耳孔和耳甲腔附近的最薄耳廓区域，由于人耳孔和耳朵背面附近的最薄人体组织，其才属于允许RF波穿透耳廓，在耳朵背面产生RF爬波13的最佳部位，耦合至耳廓背面附近的皮肤。

如图5所示，其中示出了EM波如何辐射，如何穿透人体头部12耳廓并与耳廓背面的人体皮肤耦合，以及在左右耳机之间形成RF通信链路14。

如图6所示，从模拟和实际辐射图的结果表明，两个辐射图几近拟合，同时，这也证明能够实现“主 - 从”听筒与音频源之间的RF波收发设计目标。

以上内容是结合具体的优选实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.采用最佳单极天线的纯正无线耳机，包括入耳式耳机壳及设置于入耳式耳机壳内的RF信号产生装置，入耳式耳机壳由顶壳和底壳配对扣合组成，入耳式耳机壳的内部设有容纳空腔，底壳的底部向下延伸，底壳的底部为与容纳空腔导通的出音口，底壳的内部设有与出音口导通的扬声器，并在底壳的底部套装有用于塞入外耳道口的耳垫，其特征在于：底壳的顶部为与耳甲腔的形状配对的定位台，定位台的外底面配对贴合在耳甲腔的表面，定位台的外壁与耳屏接触，RF信号产生装置位于容纳空腔内，RF信号产生装置由天线、主PCB和电池构成，主PCB包括蓝牙芯片组，该天线用于与音频源及副听筒的天线建立RF通信链路，电池、天线及扬声器均与主PCB进行电性连接，以天线为中心点且以入耳式耳机壳中最接近天线的外壁为半径画圆球，该圆球所形成的空间为天线放置区域，天线位于该天线放置区域内，且该圆球的半径大于4毫米,所述主PCB设有垂直设置的金属接地层，金属接地层均匀围绕着主PCB的边缘，金属接地层用于确保射频辐射电流均匀地分布，所述电池设置于主PCB的底面，金属接地层围绕着电池，并在主PCB的边缘设有用于给电池充电的USB端板。

2.根据权利要求1所述采用最佳单极天线的纯正无线耳机，其特征在于：所述金属接地层由铜箔材料构成。

3.根据权利要求1或者2所述采用最佳单极天线的纯正无线耳机，其特征在于：所述天线为短单极天线。

4.根据权利要求3所述采用最佳单极天线的纯正无线耳机，其特征在于：所述短单极天线为短螺旋单极天线。

5.根据权利要求3所述采用最佳单极天线的纯正无线耳机，其特征在于：所述短单极天线为平衡型天线。