CN107808999A - 具有包括弯曲贴片或槽的空腔背衬天线的无线通信设备 - Google Patents

Abstract

一种无线通信设备，包括集成至少一个空腔背衬天线的金属外壳(51)。该至少一个空腔背衬天线包括在至少两个不同方向上辐射的弯曲贴片或槽(55，57)。

Description

具有包括弯曲贴片或槽的空腔背衬天线的无线通信设备

技术领域

本发明一般涉及包括金属外壳(也称为“金属壳体”)的无线通信设备领域。本发明可以集成到但不限于家庭联网电子设备，例如因特网网关、机顶盒、路由器和智能家庭设备。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与下文所述的和/或所要求保护的本公开各个方面相关的现有技术的各方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以便帮助更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解：这些陈述应按这种方式解读，而不是作为对现有技术的承认。

诸如因特网网关、机顶盒路由器和智能家庭设备之类的家庭联网设备集成了许多无线系统，以提供多种服务和应用。这些包括符合各种通信标准的不同系统，例如WiFi、蓝牙、RF4CE、ZigBee、Zwave。因此，电子设备倾向于集成越来越多的天线，而同时它们变得更小。因此，集成和共存限制以及制造和组装成本被敏感地提高。

通常，这种设备的壳体由塑料材料制成。产品壳体可能因为不同的原因而用金属实现。金属高端精加工金属表面提供更时尚和更美观的产品。更好的机械阻力和密封性能使得金属外壳用于室外设备是令人感兴趣的。金属壳体具有一些优点，例如由于更高的重量而增加的稳定性、由于壳体的鲁棒性提高而减小的尺寸、更高效的热管理、与由电子组件引起的电子产品中嵌入的噪声的增加的隔离，以及电磁兼容性(EMC)问题的更好处理。这种金属壳体使用例如压铸或机加工技术制造。然而，完整的金属外壳防止射频(RF)信号在外部环境和内部组件之间流动。因此，为了保持无线通信的性能，必须特别注意天线集成。

移动电话行业的解决方案允许将移动电话中的天线与金属壳体集成。所提出的天线解决方案属于空腔背衬贴片或槽天线类型。然而，大多数这些解决方案集成在具有有限数量的天线的小型设备上。

对于集成多输入多输出(MIMO)WiFi能力或嵌入多无线通信系统的无线通信设备，必须将多于一个的天线集成在金属外壳中。需要考虑以下一些限制来解决这个目标：整个天线系统的良好的角度覆盖，以便最小化金属外壳背景下的性能(吞吐量)变化、天线之间的低RF耦合和低成本机械解决方案，第一项在这种背景下特别难以实现。

图4示出了根据现有技术的集成在金属壳体中的空腔背衬贴片天线。它包括空腔42(在所示示例中具有大致平行六面体形状)、由两个辐射孔49限定的平面贴片45/47，和用于将信号耦合在PCB 44和平面贴片之间的的天线馈线43。更具体地，平面贴片是平面堆叠贴片，其包括作为金属外壳41(顶部外壳或底部外壳)的一部分的第一平面金属贴片45(寄生贴片)和在寄生贴片下面的第二平面贴片47(也称为驱动贴片)。换句话说，平面堆叠贴片被实现在外壳的单个平面(平面表面)上。使用堆叠的贴片允许增加空腔背衬贴片天线的阻抗频率带宽。电介质材料46的元件(例如，过模制塑料元件)被配置用于填充辐射孔49和/或空腔42的至少一部分，从而允许减小辐射孔的电长度。空腔背衬贴片天线可以包括图4中未示出的其它元件，例如，PCB和金属外壳之间的弹簧触点、泡沫金属带或导电胶带。

然而，为了针对5GHz WiFi天线，金属壳体的尺寸代表若干个波长，从而提供集成在金属壳体中的高方向性天线。这种行为(高方向性天线)不适合，特别是针对MIMO应用，并导致相对于角度设备位置的高性能(吞吐量)变化。实际上，为了在具有金属外壳的无线通信设备的背景下优化无线性能，MIMO系统应尽可能使用非定向天线以有利于散射室内环境的多路径丰富性。

发明内容

本公开的特定方面涉及一种无线通信设备，其包括集成至少一个空腔背衬天线的金属外壳，其特征在于，所述至少一个空腔背衬天线包括在至少两个不同方向上辐射的弯曲贴片或槽。

因此，本公开提出了一种集成在无线通信设备的金属外壳中的空腔背衬天线的新的和创造性的解决方案。使用弯曲贴片或弯曲槽允许在至少两个不同的方向上分割电场。因此，空腔背衬(贴片或槽)天线比基于平面贴片或槽的已知解决方案较少定向。所提出的解决方案特别地涉及在实现MIMO系统的无线通信设备的背景下优化无线性能。实际上，具有尽可能非定向的MIMO系统的天线允许有利于散射室内环境的多路径丰富性。所提出的解决方案解决了这个问题，特别是针对5GHz WiFi应用。

根据具体特征，所述弯曲贴片或槽在所述弯曲贴片或槽的长度的中间弯曲。

因此，弯曲的贴片或槽在两个不同的方向上以相似的幅度辐射，这有助于获得尽可能非定向的空腔背衬(贴片或槽)天线的目的。

根据具体特征，所述弯曲贴片或槽按照基本上直角或按照圆形褶皱来弯曲。

因此，所提出的解决方案可以用具有不同形状的外壳的无线通信设备来执行。

根据具体特征，所述弯曲贴片或槽在位于金属外壳边缘的两侧上的金属外壳的两个面上延伸。

因此，弯曲贴片或槽易于集成到金属外壳。

根据具体特征，所述至少两个不同方向包括至少两个正交方向。

因此，空腔背衬天线尽可能非定向。

根据具体特征，所述弯曲贴片或槽由至少一个开口限定，所述至少一个开口具有由属于包括以下各项的组的平面图案的弯曲产生的弯曲图案：双C形、I形、S形、C形、倒C形和蜿蜒形状。

换句话说，所提出的解决方案可以用许多不同的弯曲图案执行(上面的列表并不详尽)。

根据具体特征，所述弯曲贴片或槽由填充有电介质材料的至少一个开口限定。

因此，可以减小至少一个开口(辐射孔)的电长度。

根据具体特征，所述金属外壳集成了多输入多输出系统的多个空腔背衬天线，所述多个空腔背衬天线中的每一个包括在至少两个不同的方向上辐射的弯曲贴片或槽。

如上所述，所提出的解决方案特别地涉及在实现MIMO系统的无线通信设备的背景下优化无线性能。

附图说明

作为根据具体实施例的非限制性示例，现在将参考附图来描述本公开的优选特征，图中：

-图1A示出了根据本公开的实施例的无线通信设备的透视图；

-图1B示出了图1A的无线通信设备的不同部件的组装，其包括顶部外壳、间隔物、可选屏蔽件、印刷电路板和底部外壳；

-图2A、2B、2C和2D分别示出了图1B中公开的顶部外壳、间隔物、印刷电路板和底部外壳的透视图；

-图3A、3B、3C和3D示出了根据不同替代实施例的无线通信设备的透视图；

-图4示出了根据现有技术的集成在金属壳体中的空腔背衬贴片天线；

-图5示出了根据本公开的实施例的集成在金属壳体中的空腔背衬贴片天线；

-图6示出了根据本公开的实施例的集成在金属壳体中的空腔背衬槽式天线；

-图7A和7B示出了根据本公开的替代实施例的槽的透视图；以及

-图8A至8E示出了根据本公开的替代实施例的不同的槽或贴片图案。

具体实施方式

在本文件的所有附图中，相同的附图标记表示相似的元件。

所公开解决方案的一般原理在于一种无线通信设备，其包括集成至少一个空腔背衬天线的金属外壳，所述空腔背衬天线本身包括在至少两个不同方向上辐射的弯曲贴片或槽。

所提出的解决方案特别适用(但是不仅仅如此)于当金属外壳集成了多输入多输出(MIMO)系统的多个空腔背衬天线时，这些空腔背衬天线中的每一个包括在至少两个不同的方向上辐射的弯曲贴片或槽。

图1A示出了根据优选实施例的无线通信设备的透视图。在优选实施例中，设备100是机顶盒。它包括四个用于WiFi的5GHz天线和一个用于蓝牙无线通信的2.4GHz天线，尽管图1A中未示出。通过诸如通用串行总线类型C(USB-C)或高清多媒体接口(HDMI)之类的各种连接器来提供与诸如用于渲染的电视机之类的其它设备的连接。该设备集成了通过无线通信或通过物理连接器接收的视听信号的解码能力，以及通过用户界面与用户的交互。设备的外壳主要由金属制成，因此将无线通信能力与良好的性能集成起来具有挑战性。

槽式天线1010存在于设备100的壳体的四个拐角中的每一个上。如下面关于图1B所公开的，槽式天线的辐射孔1001(即，槽本身，金属壳体中物理槽孔的含义)填充有由电介质材料制成的间隔物(120)的部分1202，从而允许减小辐射槽孔的电长度。在其他实施例中，槽式天线可以通过创建其他孔而存在于或添加在其它位置处。作为槽式天线的附加或替代，也可以考虑贴片天线，如下面关于图3D、5和8A所公开的。

图1B示出了根据优选实施例的设备100的不同部件的组装的分解图。顶部外壳110通过使用压铸或机加工技术用金属实现，并形成空腔背衬天线的第一部分。间隔物120允许在顶部外壳110和底部外壳150之间形成间隙，从而形成例如槽型天线。该间隔物优选以电介质材料(例如ABS材料)实现，其减小了天线尺寸，但也可以是可以增加天线效率的充气区。间隙宽度控制天线带宽和效率。该机械部件可以通过注塑技术实现。可选的屏蔽件130被焊接或固定到印刷电路板140上以降低设备中的噪声。可选的散热垫可以施加在电子组件和外壳的一个或两个金属部件之间。由于成本节约的原因，顶部和/或底部外壳的内侧可以机械地匹配，以便降低散热垫高度。印刷电路板140形成空腔背衬天线的第二部分。在该空腔表面区域中，印刷电路板包括至少一个导电层。底部外壳150通过使用压铸或机加工技术用金属实现，并形成空腔背衬天线的第三部分。因此，空腔通过顶部外壳、印刷电路板和底部外壳的组装形成。每个空腔从RF电路链接到天线导体馈件，天线导体馈件与顶部和/或底部外壳直接连接从而形成(槽)天线或电磁耦合到(槽)天线。

金属外壳的鲁棒性允许最小化外壳的尺寸。在优选实施例中，设备的长度和宽度约为10厘米，设备的高度小于2厘米。

图2A示出了顶部外壳110的透视图。区域111，112，113，114表示5GHz天线的空腔。以空腔111为例，空腔的第一部分由顶部外壳110的表面形成，由侧壁111A、111B和后壁111C完成。这些壁或者形成在顶部表面中或者作为单独的金属部件固定到顶部表面。为了实现宽频带应用，应当最小化空腔的品质因数。侧壁允许调整空腔背衬天线的谐振频率。壁的形状和尺寸根据设备的整体形状通过模拟确定。这四个5GHz的空腔被布置成提供辐射图案分集，以便例如在设备的水平平面中提供互补辐射图案。通过在同一设备边缘(在每个拐角中的当前5GHz天线之间)添加槽孔，或者通过在金属外壳的该第一部分中创建附加的孔，可以用这种布置来解决更高阶MIMO。空腔115专用于2.4GHz。上述原理适用于该空腔。

图2B示出了间隔物的透视图。间隔物120在电介质中包括多个切口和开口。切口121A、122A、123A、124A被布置成支撑天线馈件。切口121B、121C、122B、122C、123B、123C、124B、124C被布置成插入顶部外壳，并且特别适于适配集成到顶部外壳中的壁。可选地，孔125A、125B被布置成允许顶部外壳的插入并且提供用于将间隔物定位和保持朝向顶部外壳的引导。

图2C示出了印刷电路板的透视图。印刷电路板140承载提供设备的功能的电子组件。这些组件在图中未示出。它包括导体垫141、142、143、144、145，从而允许天线馈件(未示出)与槽式天线和天线驱动电路141A、142A、143A、144A、145A的接触。空腔区域141B、142B、143B、144B使用填充导体并且可以添加电镀通孔以增加从印刷电路板到天线的能量传递。接地平面149A、149B、149C被布置在印刷电路板中无涂层的顶层上，以确保与顶盖的壁的良好接地连接。实际上，印刷电路板和顶盖的壁之间的电接触确保了空腔的电磁密封。印刷电路板和顶部外壳的壁之间的触点相距小于波长的四分之一，并且优选地，例如通过使用金属泡沫，触点几乎是连续的。本领域技术人员将理解，可以使用若干解决方案来确保顶盖的壁和印刷电路板上的接地平面之间的电连接，例如弹簧触点、焊膏或金属泡沫。

图2D示出了底部外壳的透视图。底部外壳150的垂直部分151和水平部分153形成每个背衬空腔天线的空腔的第三部分。实际上，由于印刷电路板并非完美地适配于垂直部分，因此水平部分需要封闭空腔：需要在印刷电路板周围配置一些可用空间以允许其组装。可选地，孔155A、155B、155C用于将印刷电路板固定到底部外壳150上，并且孔157A、157B用于通过连接线缆或设备(诸如DC电源单元、HDMI、USB、USB-C等)将设备与外部元件对接，可选地，底部外壳还可以集成类似于集成到顶部外壳的壁的壁，以进一步改善空腔的隔离。

本领域技术人员将理解构成该设备的不同元件的其它布置是可能的。例如，当设备直立(主要是垂直的，并不主要是如图1A所示水平的)时，顶部和底部外壳被左右外壳或前后外壳所代替，而不改变本发明的原理。天线的位置也可以随着性能的轻微影响而改变。例如，5GHz天线可以放置在设备每侧的中间，2.4GHz天线可以放置在设备的拐角。可以使用任何其他数量的(槽或贴片)天线。例如，优选实施例使用用于5Ghz的8个天线和用于2.4GHz的2个天线使天线的数量加倍，天线分布在外壳的侧面、拐角和顶部上。

图3A示出了根据替代实施例的没有间隔物并集成四个5GHz天线的无线通信设备300的透视图。在该实施例中，在顶部外壳和底部外壳之间没有间隔物，因此形成全金属外壳。每个槽式天线301、302、303、304由金属外壳中的槽实现，该开口通过使用压铸或机加工技术制成。该槽式天线使用与优选实施例中描述的那些相似的空腔，因此上述所有原理适用于该替代实施例。例如，槽可以保持打开(空气填充区)或用电介质材料填充。

图3B示出了根据替代实施例的无线通信设备310的透视图，其中出于美学原因插入假槽315、316。在这种情况下，仅使用槽311、312、313、314作为槽式天线。其他槽具有相同的方面，但没有相关联的槽式天线功能。

图3C示出了根据替代实施例的无线通信设备320的透视图，其中出于美学原因插入具有不同方面的假槽325、326。在这种情况下，仅使用槽321、322、323、324作为槽式天线。具有相同方面的其它槽(诸如槽325)或具有不同方面的其它槽(诸如槽326)没有相关联的槽式天线功能。

图3D示出了根据替代实施例的无线通信设备330的透视图，其中槽式天线被贴片天线替代。在该实施例中，对于每个贴片，金属外壳中的开口包括两个开口：一个是“C”形，另一个是倒“C”形，如虚线方形所强调的。这种形状形成了在整个外壳上复制的图案。这些形状中的一些是活动的并且具有相关联的贴片天线功能，而另外一些形状(贴片335、336)仅出于美学原因被插入并且没有相关联的天线功能。图案可以在单个平面(如贴片天线332的外壳的表面)上、在两个平面(如贴片天线331、333、334的外壳的边界)上或在三个平面(在外壳的拐角上，未示出)上实现。开口可以保持打开(空气填充区)或用电介质材料填充。与空腔相关的原理也适用于这种天线。

金属外壳可以有利地用于电子组件的散热。在图2A中，顶部外壳上的方形突起119是用于该设备的处理器的接触区域，并用于将热量从处理器传递到金属外壳。元件的组装确保了处理器的顶表面与该方形突起物理接触。优选使用散热膏来改善热量传递。

图5示出了根据本公开的实施例的集成在金属壳体中的空腔背衬贴片天线。空腔背衬贴片天线包括空腔52(在所示示例中具有大致平行六面体形状)、由两个辐射孔59a、59b限定的弯曲贴片55/57，以及用于将信号耦合在PCB 54和贴片之间的天线馈件53。

电介质材料56的元件(例如，过模制塑料元件)被配置用于填充辐射孔59a、59b和/或空腔52的至少一部分，从而允许减小辐射孔的电长度。在具体实施例中，过模制塑料元件56是位于顶部外壳110和底部外壳150(当它们被安装在一起时)之间的间隔物120(参见图1B)的一部分。

空腔背衬贴片天线可以包括图5中未示出的其它元件，例如，PCB和金属外壳之间的弹簧触点、泡沫金属带或导电胶带。

更具体地，在本实施例中，弯曲贴片是弯曲堆叠贴片55/57，其包括作为金属外壳51(顶部外壳和/或底部外壳)的一部分的第一弯曲金属贴片55(寄生贴片)，以及在寄生贴片下面(并随着寄生贴片弯曲)的第二弯曲贴片57(也称为驱动贴片)。使用堆叠贴片允许增加空腔背衬贴片天线的阻抗频率带宽。然而，所提出的解决方案也适用于单个(非堆叠)贴片。

在该具体实施例中，限定弯曲堆叠贴片55/57的两个辐射孔59a、59b具有由“双C形”平面图案的弯曲产生的弯曲图案，即，包括“C”形的第一辐射孔59b和倒“C”形的第二辐射孔59b的平面图案(另参见图3D和图8A)。

弯曲图案是非平面的，并且沿着外壳51的边界58在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。换句话说，弯曲图案堆叠贴片55/57延伸在金属外壳51的位于金属外壳的边缘(边界)58两侧的两个面上。在替代实施例中，弯曲图案被实现在外壳的两个非正交平面上。根据具体特征，弯曲图案(因此也是弯曲的贴片)在其长度的中间弯曲。在另一替代实施例中，弯曲图案在外壳的拐角上的三个平面上实现。

上述不同实施例的一般原理在于弯曲的贴片在至少两个不同的方向上辐射(电场在这至少两个不同的方向上分离)。在图5的示例中，弯曲贴片55/57在垂直和水平两个方向上辐射，并且具有比图4所示示例的平面贴片45/47更小的尖峰方向性。

在图5所示的实施例中，弯曲贴片55/57按照基本上直角来弯曲。在这种背景下，基本上直角的定义例如对应于45°和135°之间包含的角度。在其他实施例中，它可以按照圆形褶皱来弯曲(参见下文在弯曲槽的情况下的结合图7A和7B的对应讨论)。

图6示出了根据本公开的实施例的集成在金属壳体中的空腔背衬槽式天线。空腔背衬槽式天线包括空腔62(在所示示例中具有大致平行六面体形状)、弯曲槽65(其是金属外壳61(顶部外壳和/或底部外壳)的一部分)和用于在PCB 64和槽65之间耦合信号的天线馈件63。

电介质材料66的元件(例如，过模制塑料元件)被配置用于填充弯曲槽65和/或空腔62的至少一部分，从而允许减小辐射孔的电长度。在具体实施例中，过模制塑料元件66是位于顶部外壳110和底部外壳150(当它们被安装在一起时)之间的间隔物120(参见图1B)的一部分。

空腔背衬槽式天线可以包括图6中未示出的其它元件，例如，PCB和金属外壳之间的弹簧触点、泡沫金属带或导电胶带。

更具体地，在本实施例中，弯曲槽具有由“I形”平面图案的弯曲产生的弯曲图案(也参见图3A至3C和图8B)。

弯曲图案是非平面的，并且沿着外壳61的边界68在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。在替代实施例中，弯曲图案被实现在外壳的两个非正交平面上。根据具体特征，弯曲图案(因此也是弯曲的贴片)在其长度的中间弯曲。在另一替代实施例中，弯曲图案在外壳的拐角上的三个平面上实现。

上述不同实施例的一般原理在于弯曲槽在至少两个不同的方向上辐射。

在图6所示的实施例中，槽65按照基本上直角来弯曲。如图7A和7B所示，在其它实施例中，槽71、71′在金属外壳72、72′的拐角处按照圆形褶皱而弯曲。因此，这些弯曲槽71、71’也在至少两个不同的方向上辐射。

图8A至8E示出了根据本公开的替代实施例的不同的槽或贴片图案。

在图8A中，并且如上面已经公开的(参见图5)，限定弯曲的堆叠贴片的两个辐射孔59a、59b具有由“双C形”平面图案的弯曲产生的弯曲图案(即，包括“C”形的第一辐射孔59a和倒“C”形的第二辐射孔59b的平面图案)。弯曲图案沿着外壳的边界58在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。

在图8B中，并且如上面已经公开的(参见图6)，弯曲槽是具有由“I形”平面图案的弯曲产生的弯曲图案的辐射孔。弯曲图案沿着外壳的边界68在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。

在图8C中，弯曲槽821是具有由“S形”平面图案的弯曲产生的弯曲图案的辐射孔。弯曲图案沿着外壳的边界820在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。

在图8D中，弯曲槽831是具有由倒“C”形平面图案的弯曲产生的弯曲图案的辐射孔。弯曲图案沿着外壳的边界830在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。

在图8E中，弯曲槽841是具有由蜿蜒形状平面图案的弯曲产生的弯曲图案的辐射孔。弯曲图案沿着外壳的边界840在两个正交平面(垂直和水平平面)上实现。

虽然已经参照一个或多个示例描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行形式和细节上的改变。

例如，电子设备100还可以是诸如网关、平板电脑、智能电话、头戴式显示器之类的包括所描述的天线的任何其它电子设备。

虽然已经对用金属实现的外壳进行了描述，但是本领域普通技术人员将理解，外壳也可以以非金属材料(例如塑料、陶瓷、玻璃、有机材料等)实现，其表面被金属化，因此获得相同的效果，除了针对一些材料鲁棒性和热效率增加之外。

Claims (8)

1.一种无线通信设备(100)，包括集成至少一个空腔背衬天线的金属或金属化外壳(110，150，51，61，72，72′)，其特征在于，所述至少一个空腔背衬天线包括弯曲贴片或槽(55，57，65，71，71′，821，831，841)，所述弯曲贴片或槽在位于金属或金属化外壳的边缘(58，68，820，830，840)的两侧的金属外壳的两个面上延伸，使得所述弯曲贴片或槽在至少两个不同的方向上辐射。

2.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述弯曲贴片或槽在所述弯曲贴片或槽的长度的中间弯曲。

3.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述弯曲贴片或槽按照基本上直角或按照圆形褶皱来弯曲。

4.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述至少两个不同方向包括至少两个正交方向。

5.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述弯曲贴片或槽由至少一个开口限定，所述至少一个开口具有由属于包括以下各项的组的平面图案的弯曲产生的弯曲图案：双C形(59a，59b)、I形(65)、S形(821)、C形、倒C形(831)和蜿蜒形状(841)。

6.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述弯曲贴片或槽由填充有电介质材料(56，66)的至少一个开口限定。

7.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述金属外壳集成了多输入多输出系统的多个空腔背衬天线，所述多个空腔背衬天线中的每一个包括在至少两个不同的方向上辐射的弯曲贴片或槽。

8.根据权利要求1所述的无线通信设备(100)，其特征在于，所述设备是机顶盒、网关、平板电脑、智能电话或头戴式显示器。