CN108429011B - 应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，包括金属腔体、金属边框、塑料边框、塑料支撑环、金属短路片以及上、下层平面介质板。金属腔体为电子元器件及电池的载体，置于金属边框内部；金属边框及塑料边框共同构成了智能手表的结构外框；金属短路片使金属腔体及金属边框保持电连接；塑料支撑环为金属腔体的支撑结构。本发明通过相互短路的金属腔体及金属边框之间进行馈电，形成短路槽形结构的天线，并通过下层平面介质板底面金属的反射作用，形成垂直于手表平面向上辐射的波束。另外通过平移金属腔体形成非对称形式的槽形结构，可以进一步改善阻抗匹配，实现蓝牙、4G及5G移动通信频段的良好覆盖。

Description

应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线
技术领域
本发明涉及智能手表天线，特别涉及适用于蓝牙、4G及5G数据连接的智能手表天线，属于移动通信中的天线技术领域。
背景技术
最近几年，随着芯片运算能力的增强，电子设备逐渐小型化，智能手表、手环开始兴起，并朝着智能化的方向发展。
但智能手表天线的性能很容易受到金属边框、金属地板、电池以及其余电子元器件的影响。与此同时，由于人体手腕为高介电常数、高导电率的介质，会对天线性能产生加载作用，造成频率偏移。另外，由于每个人的手腕组织各不相同，造成的频偏也不尽相同。因此，需要开发一种新的智能手表天线，同时满足宽频带以及不受电子元器件电磁干扰这两点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，解决现有技术中手表天线频带窄以及容易受电子元器件电磁干扰两个问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，包括金属腔体、金属边框、塑料边框、塑料支撑环、金属短路片、上层平面介质板及下层平面介质板；
所述金属腔体与金属边框等高，且金属腔体置于金属边框内部；所述塑料边框与金属边框大小相同，且金属边框置于塑料边框的上方，两者共同构成智能手表天线的结构外框；所述塑料支撑环与金属腔体大小相同，且塑料支撑环为金属腔体的支撑结构，置于金属腔体的下方，塑料支撑环与塑料边框等高，且塑料支撑环置于塑料边框内部；所述金属腔体、金属边框分别与金属短路片保持电连接，且金属短路片与金属腔体及金属边框三者组成对称的短路形式的槽形辐射结构；所述上层平面介质板置于金属边框的顶部，且上层平面介质板两面皆无金属；所述下层平面介质板置于塑料边框的底部，且与塑料边框接触的一面无金属，另一面覆盖金属。
作为本发明的一种优选方案，所述金属腔体的形状为立方体、长方体、圆柱和椭圆柱中的任一种。
作为本发明的一种优选方案，所述金属边框的形状为矩形环、圆形环和椭圆环中的任一种。
作为本发明的一种优选方案，所述金属短路片的形状为矩形片状、圆柱状和椭圆柱状中的任一种。
作为本发明的一种优选方案，所述上层平面介质板、下层平面介质板的相对介电常数均在2-11之间。
作为本发明的一种优选方案，所述上层平面介质板、下层平面介质板的厚度均在0.2mm-3.5mm之间。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提供的智能手表天线具有结构简单易装配、抗电磁干扰能力强、宽频带以及阻抗匹配良好的特点，覆盖了2.45GHz蓝牙频段、2.6GHz的4G频带以及最新的3.45GHz的5G频段。
2、本发明通过天线的结构设计实现了垂直于手腕向上的辐射波束以及降低了对人体组织的热效应——比吸收率SAR值。
附图说明
图1是本发明应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线的结构示意图。
图2是本发明智能手表天线在x方向的视图。
图3是本发明智能手表天线在y方向的视图。
图4是本发明智能手表天线在z方向的视图。
图5是本发明智能手表天线实施例一的尺寸标注示意图。
图6是本发明智能手表天线实施例一在手臂模型上的反射系数|S11|的仿真对比图(平移金属腔体前后)。
图7是本发明智能手表天线实施例一在手臂模型上各工作频段的增益及实际增益(考虑匹配损耗)对比图。
图8是本发明智能手表天线实施例一在手臂模型上的xoz平面辐射方向图(三个频段)。
图9是本发明智能手表天线实施例一在手臂模型上的yoz平面辐射方向图(三个频段)。
图10是本发明智能手表天线实施例二在手臂模型上的反射系数|S11|的仿真图。
图11是本发明智能手表天线实施例二在手臂模型上各工作频段的增益及实际增益(考虑匹配损耗)对比图。
其中，1-金属腔体；2-金属边框；3-塑料边框；4-塑料支撑环；5-金属短路片；6-上层平面介质板；7-下层平面介质板；8-馈电端口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，包括金属腔体1、金属边框2、塑料边框3、塑料支撑环4、金属短路片5、上层平面介质板6、下层平面介质板7、馈电端口8。
金属腔体1是天线及电路的金属地，同时为电子元器件的载体，可以有效避免电池及其余电子元件对天线的性能造成影响。金属腔体1可以为立方体状、长方体状、圆柱体状以及椭圆柱体中的任一种。其与金属边框2等高，置于金属边框2内部。
金属边框2是手表的外部结构，同时为手表天线辐射体的一部分，可以为矩形环状、圆形环状、椭圆环状中的任一种，金属腔体1与金属边框2组成环状缝隙天线结构。
塑料边框3和金属边框2内外半径相同，位于金属边框正下方。塑料边框3也是手表的外部结构，同时将金属边框2与底部的金属表面隔离。塑料边框3与金属边框2两者共同构成了智能手表天线的结构外框。
塑料支撑环4外径和金属腔体1半径大小相同，位于金属腔体1的正下方，为金属腔体1的支撑结构，同时将金属腔体1与底部的金属表面隔离。
金属短路片5与金属腔体1及金属边框2两者皆保持电连接，即金属短路片5将金属腔体1和金属边框2短路，因此这三者之间构成了一个短路形式的槽形辐射结构。金属短路片5可以是矩形片状、圆柱状、椭圆柱状中的任一种。沿金属边框2与金属腔体1之间槽形结构选取合适馈电位置，可以改善天线匹配。另外，通过平移金属腔体1形成非对称形式的槽形结构可以进一步改善阻抗匹配。
上层平面介质板6为显示屏的替代物，顶面与底面皆无金属覆盖，其半径大小与金属边框2外径大小相同，位于金属边框2的正上方。
下层平面介质板7为智能手表天线的底部外壳，顶面无金属覆盖，底面为全金属。下层平面介质板7半径大小与金属边框2外径大小相同，位于塑料边框3的正下方。下层平面介质板7底面的全金属有两个作用，一方面将环形槽的双向辐射转变为垂直于手腕向上的单向辐射，另一方面降低了天线的热效应——比吸收率SAR值，避免对人体产生过度的热效应。
上层平面介质板6、下层平面介质板7的相对介电常数均在2-11之间，优选3.66。上层平面介质板6、下层平面介质板7的厚度均在0.2mm-3.5mm之间，优选0.51mm。
馈电端口8为金属腔体1和金属边框2之间的馈电处，可以通过同轴以及金属探针实现高频信号的馈入。将馈电端口8沿金属腔体1和金属边框2之间的槽形结构旋转至特定位置，可以使手表天线的阻抗匹配最好，该特定位置需不断试验获得。更近一步，通过平移金属腔体1，形成非对称形式的槽形结构，可以进一步改善阻抗匹配，最终形成2.45GHz蓝牙频段、2.6GHz的4G频带以及最新的3.45GHz的5G频段的有效覆盖。
本发明提供的手表天线是一种结合内部金属腔体1、外部金属边框2以及金属短路片5形成的短路形式的槽形辐射体，并通过底部金属面的反射形成了向上的单向辐射。另外，通过旋转馈电端口8以及平移金属腔体1的方式，改善了阻抗匹配，实现了多频段的有效覆盖。与此同时，金属腔体1作为电池载体及电路的接地面，屏蔽了电池及其余内部电子元器件对天线的电磁干扰。
实施例一：
如图5所示，手表天线金属边框2及塑料边框3内径、外径皆相同，内径r＝22mm，边框厚度t＝1mm，圆心为O点。金属边框2高度hf＝6mm，塑料边框高度sp＝5.49mm，整个大小符合智能手表要求。塑料支撑环4内径rs＝17mm，厚度ts＝1mm，平移后的圆心为O′点。金属短路片宽度为ws＝2mm。上下介质板厚度h＝0.51mm。金属腔体1平移距离s＝2mm，平移方向和x轴夹角a＝10度。馈电端口和y轴夹角b＝10度。天线置于人体手腕模型之上时的反射系数仿真对比如图6所示。天线置于人体手腕模型之上时的各工作频段的增益及实际增益(考虑匹配损耗)对比如图7所示，天线置于人体手腕模型之上时的xoz平面辐射方向图(三个频段)如图8所示，天线置于人体手腕模型之上时的yoz平面辐射方向图(三个频段)如图9所示。从图中可以看出，天线工作频段覆盖了2.45GHz蓝牙频段、2.6GHz的4G频带以及最新的3.45GHz的5G频段，因此可以用于蓝牙通信以及4G、5G移动通信。
实施例二：
由于提出的槽形结构天线的槽内为空气，为了进一步减小天线体积，可以将此空气部分填充介质。在高度为hf＝6mm的空气槽的最顶端和最底端分别嵌入厚度为0.76mm的Rogers 4350介质板，则金属边框2的内径r可以减小到20mm，同时变化的参数有rs＝15mm，a＝0度和b＝0度，其余尺寸参数保持不变。此天线结构在人体手臂模型上的反射系数仿真结果图如图10所示，增益图如图11所示。从图中我们可以看到，天线工作频段仍然有效覆盖了2.45GHz蓝牙频段、2.6GHz的4G频带以及最新的3.45GHz的5G频段。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，包括金属腔体、金属边框、塑料边框、塑料支撑环、金属短路片、上层平面介质板及下层平面介质板；
所述金属腔体与金属边框等高，且金属腔体置于金属边框内部；所述塑料边框与金属边框大小相同，且金属边框置于塑料边框的上方，两者共同构成智能手表天线的结构外框；所述塑料支撑环与金属腔体大小相同，且塑料支撑环为金属腔体的支撑结构，置于金属腔体的下方，塑料支撑环与塑料边框等高，且塑料支撑环置于塑料边框内部；所述金属腔体、金属边框分别与金属短路片保持电连接，且金属短路片与金属腔体及金属边框三者组成对称的短路形式的槽形辐射结构；馈电端口为金属腔体和金属边框之间的馈电处；所述上层平面介质板置于金属边框的顶部，且上层平面介质板两面皆无金属；所述下层平面介质板置于塑料边框的底部，且与塑料边框接触的一面无金属，另一面覆盖金属。
2.根据权利要求1所述应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，所述金属腔体的形状为立方体、长方体、圆柱和椭圆柱中的任一种。
3.根据权利要求1所述应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，所述金属边框的形状为矩形环、圆形环和椭圆环中的任一种。
4.根据权利要求1所述应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，所述金属短路片的形状为矩形片状、圆柱状和椭圆柱状中的任一种。
5.根据权利要求1所述应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，所述上层平面介质板、下层平面介质板的相对介电常数均在2-11之间。
6.根据权利要求1所述应用于蓝牙及移动通信的智能手表天线，其特征在于，所述上层平面介质板、下层平面介质板的厚度均在0.2mm-3.5mm之间。
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