CN106921030A - 用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备，包括设置有天线匹配电路和射频参考地的PCB板、自上而下相接的金属天线层、基材层和参考地层；金属天线层上开设有馈电过孔和接地过孔；馈电过孔穿过基材层和参考地层通过第一导电装置与PCB上的天线匹配电路连接而形成了馈电点；接地过孔穿过基材层与参考地层连接；参考地层通过第二导电装置与PCB上的射频参考地连接而形成了馈地点；金属天线体形成PIFA天线形式，金属天线层即为天线辐射体；当智能穿戴设备为全金属外壳时，金属天线层作为金属外壳的一部分或置于显示屏之下后采取沟槽设计屏蔽噪声，使得天线信号不受金属外壳的屏蔽，实现了在全金属外壳结构环境下的天线设计。

Description

用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备
技术领域
本发明属于智能穿戴设备技术领域，具体地说，是涉及一种用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备。
背景技术
智能穿戴设备，诸如智能手环、智能脚环等等，在用户走路、跑步、上下台阶、游泳等等运动过程中，通过大数据采集、分析和传输等方式，可以用于监测用户身体状况，受到消费者的喜爱。
现有的智能穿戴设备基本采用塑料外壳结构，蓝牙、WIFI等数据传输功能中使用到的天线通常一下两类设计形式：1、产品无显示屏或显示屏很小时，采用chip天线，SMT（Surface Mount Technology,表面贴装技术）在PCB上；2、当显示屏较大时，采用LDS（LaserDirect Structuring，激光直接成型技术）天线或者冲压天线，将天线放置在外壳的内侧。
全金属外壳设计基于其高质感和高美感的特点，是智能穿戴设备提高产品品质的一个设计方向，但在全金属外壳设计时，若采用以上两种天线设计方式，射频电磁波会受到金属外壳的屏蔽，使得金属外壳下天线难以设计或设计性能很差，无法满足消费者的需求，也无法提高智能穿戴设备的品质。
发明内容
本申请提供了一种用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备，解决现有全金属外壳产品的天线难以设计或设计性能差的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
提出一种用于金属外壳的天线组件，包括设置有天线匹配电路和射频参考地的PCB板；包括自上而下相接的金属天线层、基材层和参考地层；所述金属天线层上开设有馈电过孔和接地过孔；所述馈电过孔穿过所述基材层和所述参考地层通过第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接；所述接地过孔穿过所述基材层与所述参考地层连接；所述参考地层通过第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接。
进一步的，所述基材层为陶瓷、塑料或聚合物材料。
进一步的，所述第一导电装置为弹片和/或pogo pin；所述第二导电装置为弹片和/或pogo pin。
进一步的，所述馈电过孔穿过所述基材层和所述参考地层通过第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接，具体为：所述参考地层开设有馈电区，所述馈电区设置有馈电焊盘；所述馈电过孔穿过所述基材层与所述馈电焊盘相连；所述馈电焊盘通过所述第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接；其中，所述天线匹配电路包括天线信号源。
进一步的，所述接地过孔穿过所述基材层与所述参考地层连接，所述参考地层通过第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接，具体为：所述参考地层开设有接地区，所述接地区设置有与所述参考地层连接的接地焊盘，且所述接地焊盘与所述参考地层之间串联有电容；所述接地焊盘通过所述第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接。
进一步的，所述接地过孔包括第一接地过孔和第二接地过孔；所述第一接地过孔设置在距离所述馈电过孔半波长位置区域内；所述第二接地过孔设置于所述第一接地过孔附近区域。
进一步的，所述接地过孔还包括第三接地过孔；所述第三接地过孔设置在距离所述馈电过孔四分之一波长位置区域内。
进一步的，所述金属天线层镭射在所述基材层上。
提出一种智能穿戴设备，包括有上述的用于金属外壳的天线组件；所述智能穿戴设备的外壳为全金属外壳；所述金属天线层为所述全金属外壳的一部分。
还提出一种智能穿戴设备，包括外壳和显示屏；所述外壳为金属外壳；所述显示屏下方安装有上述的用于金属外壳的天线组件；所述金属天线层的相对两侧均开设有用于耦合所述显示屏工作中产生的噪声的沟槽。
与现有技术相比，本申请的优点和积极效果是：本申请提出的用于金属外壳的天线组件和智能穿戴设备中，用于蓝牙传输、WIFI传输等功能的天线组件由自上而下相接的金属天线层、基材层和参考地层组成；金属天线层的馈电过孔穿过基材层和参考地层通过诸如弹片、pogo pin等的第一导电装置与PCB 上的天线匹配电路连接形成了馈电点，接地过孔穿过基材层后与参考地层连接，参考地层再通过诸如弹片、pogo pin等的第二导电装置与PCB上的射频参考地连接形成了馈地点，使得金属天线体形成了PIFA天线的形式，金属天线层即为天线辐射体；当智能穿戴设备为全金属外壳时，金属天线层可以作为金属外壳的一部分，天线信号不受金属外壳的屏蔽，而是将金属外壳作为天线的一部分，保证了天线的性能且天线设计体积小巧，实现了在全金属外壳结构环境下的天线设计，解决了现有全金属外壳设计中因为金属外壳对射频信号的屏蔽而导致天线难设计或设计出的天线性能差的技术问题。当智能穿戴设备具备显示屏时，金属天线层可以是金属外壳的一部分，也可以作为单独设计部分设置于显示屏下方，此时为了消除显示屏工作时辐射给天线的耦合噪声，在金属天线层的相对两侧开设沟槽，隔离显示屏工作时屏幕引线区域形成的电流噪声，减小显示屏工作噪声对天线的性能影响。基材层采用陶瓷基材，金属天线层采用陶瓷瞬态注射镭射工艺，使得天线的抗干扰能力更强、辐射性能更好。
结合附图阅读本申请实施方式的详细描述后，本申请的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1 为本申请提出的用于金属外壳的天线组件的组成结构图；
图2为本申请提出的参考地层的结构图；
图3为本申请提出的带显示屏的智能穿戴设备中金属天线层的设计结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细地说明。
本申请提出的用于金属外壳的天线组件，如图1所示，包括设置有天线匹配电路和射频参考地的PCB板14、自上而下相接的金属天线层11、基材层12和参考地层13；金属天线层11上开设有馈电过孔111和接地过孔112/113；馈电过孔111穿过基材层12和参考地层13通过第一导电装置15与PCB上的天线匹配电路连接；接地过孔112/113穿过基材层12与参考地层13连接；参考地层13通过第二导电装置16与PCB上的射频参考地连接。
上述，基材层12优选采用陶瓷基材，介电常数10左右；金属天线层11采用陶瓷瞬态注射镭雕工艺镭雕在陶瓷基材上，天线效率更高、面积更小且抗干扰能力更强。金属天线层11的馈电过孔111穿过基材层12和参考地层13通过诸如射频弹片、pogo pin等的第一导电装置15与PCB 上的天线匹配电路连接形成了馈电点，接地过孔112/113穿过基材层12后与参考地层13连接，参考地层13再通过诸如射频弹片、pogo pin等的第二导电装置16与PCB上的射频参考地连接形成了馈地点，使得金属天线体11形成了PIFA天线的形式，金属天线层即为天线辐射体；当智能穿戴设备为全金属外壳时，金属天线层可以作为金属外壳的一部分，天线信号不受金属外壳的屏蔽，而是将金属外壳作为天线的一部分，保证了天线的性能且天线设计体积小巧，实现了在全金属外壳结构环境下的天线设计，解决了现有全金属外壳设计中因为金属外壳对射频信号的屏蔽而导致天线难设计或设计出的天线性能差的技术问题。
上述的基材层12，不仅限于使用陶瓷基材，还可以使用塑料、玻璃或者聚合物材料，金属天线层采用镭射工艺镭射在基材层上。
具体的，馈电过孔穿过基材层和参考地层通过第一导电装置与PCB上的天线匹配电路连接，可以采用如下方式：如图2所示，参考地层13开设有馈电区131，馈电区设置有馈电焊盘1311；馈电过孔111穿过基材层12与馈电焊盘1311相连；馈电焊盘1311通过第一导电装置与PCB上的天线匹配电路连接；这里所述的天线匹配电路包括有天线信号源。同理，接地过孔穿过基材层与参考地层连接，参考地层通过第二导电装置与PCB上的射频参考地连接，可以采用如下方式：参考地层13开设有接地区132，接地区132设置有与参考地层13连接的接地焊盘1321/1322，且接地焊盘1321/1322与参考地层13之间串联有电容C1\C2；接地焊盘1321/1322通过第二导电装置与PCB上的射频参考地连接。
天线工作时，PCB上的天线信号源以及天线匹配电路产生信号，经第一导电装置15、馈电焊盘1311、馈电过孔111至金属天线层辐射出去；接地过孔112/113、接地焊盘1321/1322、电容C1/C2、参考地层和第二导电装置16至PCB射频参考地形成信号回路。这里，参考地层13通过第二导电装置16连接PCB射频地，一方面能够增加PCB地的面积，另一方面还提升了金属天线层11的参考地高度。电容C1/C2的作用为去耦以及滤波，过滤例如显示屏等耦合辐射给天线的低频噪声，提高产品接收灵敏度，从而提高产品OTA性能。
馈电过孔111的位置不做限定，由电路射频输出位置以及结构堆叠确定，两个接地点用于调整天线的接地位置、通过电容调节天线谐振频率以及辅助天线匹配。本申请中的接地过孔，可以是一个，设置在距离馈电过孔111半波长区域范围内；优选设置为两个，以实现蓝牙天线为例，如图1所示，包括第一接地过孔112和第二接地过孔113；设计中，第一接地过孔112设置在距离馈电过孔111二分之一蓝牙波长位置范围内；第二接地过孔113设置于第一接地过孔附近区域；实际应用中，两个接地点的位置可根据实际设计情况进行调整。
另外，根据实际天线调试情况，还可以增加第三接地过孔,设置在距离馈电过孔111四分之一蓝牙波长位置区域范围内，用于协助天线调试以及匹配。
基于上述提出的用于金属外壳的天线组件，本申请提出一种智能穿戴设备，该智能穿戴设备的外壳为全金属外壳，设计有显示屏或没有显示屏均可。此时，金属天线层设计为全金属外壳的一部分，在实现天线功能同时，金属天线层还作为设备外表面做美观处理，例如喷金属砂，各种金属镀等。
如图3所示,本申请提出的智能穿戴设备在设计有显示屏时，除了将金属天线层作为金属外壳32的一部分设计以外，还可以采用以下设计方式：在显示屏31下方安装上述用于金属外壳的天线组件，而不是直接使用金属外壳32作为金属天线层设计使用，此时，存在显示屏31给天线辐射耦合噪声的情况，可以在金属天线层11（图中所示为金属天线层、基材层和参考地层的集成件）的相对两侧均开设有用于耦合显示屏工作中产生的噪声的沟槽115，沟槽呈弧形，可根据实际使用时显示屏对天线的影响来设定长度和宽度，用于隔离显示屏工作时屏幕引线区域形成的电流噪声，减小显示屏工作噪声对天线的性能影响。
天线组件背面需充分考虑PCB参考地或PCB的屏蔽罩，使天线组件背面的参考地层成为产品的地层。
上述提出的用于金属外壳的天线组件，其测试数据如下：
表一
可见，其自由空间效率在50%以上，仿真手臂效率25%左右，性能优异。
上述可见，本申请提出的用于金属外壳的天线组件，金属天线层作为金属外壳的一部分或者覆盖金属外壳作为设备的外观面，形状不予固定，可以根据产品实际设计形状变化；克服了全金属外壳对射频信号的屏蔽以及显示屏对天线的干扰，设计出一种性能优良的用于金属外壳的天线组件。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属外壳的天线组件，包括设置有天线匹配电路和射频参考地的PCB板；其特征在于，包括自上而下相接的金属天线层、基材层和参考地层；
所述金属天线层上开设有馈电过孔和接地过孔；所述馈电过孔穿过所述基材层和所述参考地层通过第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接；
所述接地过孔穿过所述基材层与所述参考地层连接；所述参考地层通过第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接。
2.根据权利要求1所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述基材层为陶瓷、塑料或聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述第一导电装置为弹片和/或pogo pin；所述第二导电装置为弹片和/或pogo pin。
4.根据权利要求1所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述馈电过孔穿过所述基材层和所述参考地层通过第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接，具体为：
所述参考地层开设有馈电区，所述馈电区设置有馈电焊盘；所述馈电过孔穿过所述基材层与所述馈电焊盘相连；所述馈电焊盘通过所述第一导电装置与所述PCB上的所述天线匹配电路连接；
其中，所述天线匹配电路包括天线信号源。
5.根据权利要求1所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述接地过孔穿过所述基材层与所述参考地层连接，所述参考地层通过第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接，具体为：
所述参考地层开设有接地区，所述接地区设置有与所述参考地层连接的接地焊盘，且所述接地焊盘与所述参考地层之间串联有电容；所述接地焊盘通过所述第二导电装置与所述PCB上的射频参考地连接。
6.根据权利要求1或5所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述接地过孔包括第一接地过孔和第二接地过孔；
所述第一接地过孔设置在距离所述馈电过孔半波长位置区域内；
所述第二接地过孔设置于所述第一接地过孔附近区域。
7.根据权利要求6所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述接地过孔还包括第三接地过孔；所述第三接地过孔设置在距离所述馈电过孔四分之一波长位置区域内。
8.根据权利要求1所述的用于金属外壳的天线组件，其特征在于，所述金属天线层镭射在所述基材层上。
9.一种智能穿戴设备，其特征在于，包括有如权利要求1-8任一项所述的用于金属外壳的天线组件；
所述智能穿戴设备的外壳为全金属外壳；所述金属天线层为所述全金属外壳的一部分。
10.一种智能穿戴设备，包括外壳和显示屏；所述外壳为金属外壳；其特征在于，所述显示屏下方安装有如权利要求1-8任一项所述的用于金属外壳的天线组件；
所述金属天线层的相对两侧均开设有用于耦合所述显示屏工作中产生的噪声的沟槽。
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