CN110504528A - 一种天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备，所述天线结构包括：金属件；与金属件相对设置的电路主板，电路主板与金属件二者之间的空隙构成馈电空间；设置于馈电空间内的耦合天线，耦合天线与金属件耦合连接，耦合天线的接地脚与电路主板的地电导通；以及设置于馈电空间内的馈电天线，馈电天线与金属件耦合连接，馈电天线的馈源与电路主板的射频端口相连接；其中，耦合天线的接地脚开始的天线支节与馈电天线的馈源开始的天线支节放置于金属件的圆周上，调整馈电天线的馈源与耦合天线的接地脚的圆周距离来调节天线结构的右旋圆极化工作的频段满足全球导航卫星定位系统(GNSS)频段。

Description

一种天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备
技术领域
本发明涉及电子通信领域，尤其涉及一种天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备。
背景技术
随着电子通信技术和可穿戴设备技术的不断发展，可穿戴设备，尤其是带有全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位功能的可穿戴设备，越来越受到人们的青睐，并广泛应用于各个领域。
目前，大多数的可穿戴设备主要采用以下几种天线结构：1)把GNSS天线辐射体安放在非金属壳体(比如塑料，陶瓷等)上，天线形式主要是PIFA、IFA、monopole或者loop天线等线极化天线。2)利用可穿戴设备的金属壳作为天线辐射体，通过电路主板上的馈电弹片或接地弹片与金属壳接触形成GNSS线极化天线。3)在非金属壳侧壁或者非金属内支架上从低到高依次层叠放置PIFA或IFA天线、接地天线支节以及顶部不接地的金属件，构造GNSS右旋圆极化天线。4)在非金属壳侧壁或者非金属内支架上从低到高依次层叠放置PIFA或IFA天线，并耦合到顶部不接地的金属件上，构造GNSS右旋圆极化天线。
然而，上述天线结构在接收GNSS卫星发射的右旋圆极化电磁波时，存在以下明显的问题：1)理论上，使用线极化天线接收GNSS卫星发射的右旋圆极化电磁波会产生能量损失，最大能量损失可达3dB，这样降低了接收性能，影响定位速度和定位精度。2)受限制于可穿戴设备产品结构和外观设计等因素，不能灵活调节天线右旋圆极化的工作频段。3)受限制于可穿戴设备产品结构和外观设计等因素，可能造成最终天线是左旋圆极化，造成接收GNSS卫星信号的性能极大降低，甚至无法接收右旋圆极化电磁波。
发明内容
本发明实施例为了解决以上问题，创造性地提供一种天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备。
根据本发明的第一方面，提供一种天线结构，所述天线结构包括：金属件；与所述金属件相对设置的电路主板，所述电路主板与金属件二者之间的空隙构成馈电空间；设置于所述馈电空间内的耦合天线，所述耦合天线与所述金属件耦合连接，所述耦合天线的接地脚与所述电路主板的地电导通；以及设置于所述馈电空间内的馈电天线，所述馈电天线与所述金属件耦合连接，所述馈电天线的馈源与所述电路主板的射频端口相连接；其中，所述耦合天线的接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，通过调整所述馈电天线的馈源与所述耦合天线的接地脚的圆周距离来调节所述天线结构的右旋圆极化工作的频段满足GNSS频段。
根据本发明一实施方式，当所述天线结构的右旋圆极化工作的频段满足GNSS频段的情况下，所述馈电天线的馈源与所述耦合天线的接地脚的圆周距离的计算表达式为其中λfreespace是GNSS频段在自由空间的波长，εr.effective是所述金属件所在周围环境的等效相对介电常数。
根据本发明一实施方式，所述金属件与所述电路主板之间绝缘不导电；或所述金属件与所述电路主板通过电阻、电感或电感性器电导通。
根据本发明一实施方式，所述耦合天线与所述金属件之间绝缘不导电，二者之间通过电容或电磁耦合。
根据本发明一实施方式，所述馈电天线与所述金属件之间绝缘不导通，二者之间通过电容或电磁耦合。
根据本发明一实施方式，所述耦合天线的接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，包括：所述耦合天线接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节均沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，所述耦合天线接地脚开始的天线支节沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上，所述馈电天线的馈源开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，所述耦合天线接地脚开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上，所述馈电天线的馈源开始的天线支节沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，所述耦合天线接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节均沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上。
根据本发明的第二方面，还提供一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括：具有穿戴功能的非金属部件；如本发明的第一方面所述的天线结构；其中，通过所述非金属部件将所述天线结构的各组成结构组合在一起。
根据本发明一实施方式，所述可穿戴设备还包括：一显示/触摸屏模组，位于所述可穿戴设备的正面，用于显示操作界面和/或接收操作指令，所述正面为所述可穿戴设备面向用户视线的一表面。
根据本发明一实施方式，所述可穿戴设备还包括：一金属后壳，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
根据本发明一实施方式，所述可穿戴设备还包括：一金属后壳，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电不导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
本发明实施例天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备，结合了可穿戴产品设计结构和产品实际使用方式，可复用外观和结构设计的金属件(比如，金属环或金属框)，通过馈电天线、耦合天线及所述金属件，构造出一个工作于GNSS频段(1560MHz～1600MHz)的右旋圆极化天线。其中，所述金属件与所述电路主板相对设置，二者之间的空隙可构成馈电空间；所述耦合天线与馈电天线设置于该馈电空间，与金属件耦合连接；所述耦合天线的接地脚与所述电路主板的地电导通；而所述馈电天线的馈源与所述电路主板的射频端口相连接；所述耦合天线的接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上。这种天线结构，比起现有技术中从低到高依次层叠放置天线的方式更容易实现天线右旋圆极化；而且，所述馈电天线的馈源与所述耦合天线的接地脚的圆周距离是可调节的，通过调节该距离可调节所述天线结构的右旋圆极化工作的频段，使得该天线结构在GNSS频段获得最佳的右旋圆极化性能，从而提升了GNSS定位卫星信号的接收性能，使得可穿戴设备定位更快更准。
需要理解的是，本发明的教导并不需要实现上面所述的全部有益效果，而是特定的技术方案可以实现特定的技术效果，并且本发明的其他实施方式还能够实现上面未提到的有益效果。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1示出了本发明实施例天线结构示意图；
图2示出了本发明实施例天线结构中两天线支节之间的位置关系图；
图3示出了本发明实施例天线结构满足右手螺旋法则的示意图；
图4示出了本发明实施例可穿戴设备示意图；
图5示出了本发明实施例可穿戴设备的自由空间天线辐射方向图；
图6示出了本发明实施例可穿戴设备的佩戴状态下的天线辐射方向图；
图7示出了本发明实施例可穿戴设备的天线谐振图；
图8示出了本发明实施例可穿戴设备的天线效率图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为使本发明更加透彻和完整，并能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
图1示出了本发明实施例天线结构示意图。参考图1，本发明实施例天线结构包括：金属件1；与所述金属件1相对设置的电路主板2，所述电路主板2与金属件1二者之间的空隙构成馈电空间；设置于所述馈电空间内的耦合天线3，所述耦合天线3与所述金属件1耦合连接，所述耦合天线3的接地脚31与所述电路主板2的地电导通；以及设置于所述馈电空间内的馈电天线4，所述馈电天线4与所述金属件1耦合连接，所述馈电天线4的馈源41与所述电路主板2的射频端口相连接；其中，所述耦合天线3的接地脚31开始的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，调整所述馈电天线4的馈源41与所述耦合天线3的接地脚31的圆周距离来调节所述天线结构的右旋圆极化工作的频段满足GNSS频段。
其中，金属件1可以是金属环，也可以是金属框等不同形状的金属件。金属件1甚至还可以是在非金属体表面电镀或者喷涂的导电环或框。
根据一可能实施方式，当本发明实施例天线结构的右旋圆极化工作的频段满足GNSS频段的情况下，所述馈电天线4的馈源41与所述耦合天线3的接地脚31的圆周距离L的计算表达式为其中λfreespace是GNSS频段在自由空间的波长，εr.effective是所述金属件1所在周围环境的等效相对介电常数。需要注明的是，在通常情况下，这里的等号代表的意义并非精确相等，更多情况下是约等于。
根据一可能实施方式，本发明实施例天线结构中的所述金属件1与所述电路主板2之间绝缘不导电；或所述金属件1与所述电路主板2通过电阻、电感或电感性器电导通。
根据一可能实施方式，本发明实施例天线结构中的所述耦合天线3与所述金属件1之间绝缘不导电，二者之间通过电容或电磁耦合。
根据一可能实施方式，本发明实施例天线结构中的所述馈电天线4与所述金属件1之间绝缘不导通，二者之间通过电容或电磁耦合。
根据一可能实施方式，本发明实施例天线结构中的所述耦合天线3的接地脚开始31的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，包括如图2天线支节位置关系图所示的4种方式：
如位置关系(a)所示，所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节均沿顺时针方向放置于所述金属件1的圆周上；或，
如位置关系(b)所示，所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节沿顺时针方向放置于所述金属件1的圆周上，所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件1的圆周上；或，
如位置关系(c)所示，所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件1的圆周上，所述馈电天线4的馈源开始的天线支节41沿顺时针方向放置于所述金属件1的圆周上；或，
如位置关系(d)所示，所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节均沿逆时针方向放置于所述金属件1的圆周上。
在决定如何放置所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节，可参考右手螺旋法则。如图3所示，当所述耦合天线3接地脚31开始的天线支节与所述馈电天线4的馈源41开始的天线支节均沿逆时针方向放置于所述金属件1的圆周上。从所述馈电天线4的馈源41开始到所述耦合天线3接地脚31结束的方向(图3中虚线箭头指示的方向)与右手四指从指根到指尖的方向一致，则大拇指所指的方向就是指向电磁波传播方向。在图3所示的实施例中，电磁波传播方向向上。由此可见，所述天线结构比起现有技术中简单叠加的天线结构，更加容易实现满足右手螺旋法则的右旋圆极化。
进一步地，基于上文所述的天线结构，本发明实施例还提供一种可穿戴设备，如图4所示，所述可穿戴设备包括：具有穿戴功能的非金属部件；如上文所述的天线结构，包括金属件1、电路主板2、耦合天线3及接近地脚31和馈电天线4及馈源41，具体细节可参考图1及之前对本发明实施例天线结构的描述；其中，通过所述非金属部件将所述天线结构的各组成结构组合在一起。
根据本发明一实施方式，如图4所示，所述可穿戴设备还包括：一显示/触摸屏模组6，位于所述可穿戴设备的正面，用于显示操作界面和/或接收操作指令，所述正面为所述可穿戴设备面向用户视线的一表面。显示/触摸屏模组6可以有，也可以没有。依不同可穿戴设备来定。当所述可穿戴设备具有显示/触摸屏模组6时，金属件1与电路主板2通过电阻、电感或电感性器电导通，以便满足ESD要求或避免金属件1对显示/触摸屏模组6的干扰。
根据本发明一实施方式，如图4所示，所述可穿戴设备还包括：一金属后壳5，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
根据本发明一实施方式，如图4所示，所述可穿戴设备还包括：一金属后壳5，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电不导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
其中，在实际设计中，金属后壳5可以有也可以没有。当然，有金属后壳5的情况下可提升可穿戴设备佩戴时GNSS天线性能。
所述可穿戴设备有两种存在状态：一是处于自由空间的状态下，即没有佩戴在人体上；二是处于佩戴状态，此时穿戴设备佩戴于人体的某个部位。
图5示出了本发明实施例可穿戴设备的自由空间天线辐射方向图。可看出GNSS天线辐射电磁波的右旋圆极化分量主要朝可穿戴设备的正面辐射，所述正面为所述可穿戴设备面向用户视线的一表面；而其左旋圆极化分量主要朝可穿戴设备的背面辐射，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
图6示出了本发明实施例可穿戴设备的佩戴时天线辐射方向图。如图6所示，佩戴时可穿戴设备背面是人体(例如手腕)，由于人体是不良导体，会损耗和反射进入的电磁波，而且左旋圆极化电磁波在经过1次或奇数次反射后会变为右旋圆极化电磁波，但朝正面辐射朝向天空GNSS定位卫星的右旋圆极化分量受到的影响却非常小，如此电磁波的右旋圆极化分量(最大约-3.7dBi)比左旋圆极强化分量(最大约-11.2dBi)大了约7.5dB。由此可见，本发明实施例天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备极易实现右旋圆极化GNSS天线。
图7示出了本发明实施例可穿戴设备的天线谐振图。其中，由虚线表示可穿戴设备处于穿戴状态有金属后壳的情况下测量得到的天线谐振值；由点线表示可穿戴设备处于穿戴状态无金属后壳的情况下测量得到的天线谐振值；由点划线表示可穿戴设备处于自由空间状态无金属后壳的情况下测量得到的天线谐振值。根据图7所示的实验数据不难看出，用户佩戴与不佩戴(自由空间)以及是否有金属后壳，他们之间天线谐振值差异不大。
图8示出了本发明实施例可穿戴设备的天线效率图。其中，由虚线表示可穿戴设备处于穿戴状态有金属后壳的情况下测量得到的天线效率；由点线表示可穿戴设备处于穿戴状态无金属后壳的情况下测量得到的天线效率；由点划线表示可穿戴设备处于自由空间状态无金属后壳的情况下测量得到的天线效率。根据图8所示的实验数据不难看出，在GNSS频段(1560MHz～1600MHz)，佩戴与不佩戴(自由空间)天线效率基本一致；若加上金属后壳5能明显提升天线效率，约提升2dB。另一方面，在得到图8实验数据的实验环境中，当本实施例天线结构右旋圆极化工作的频段调节到1600MHz左右的情况下天线效率达到最佳。
通过以上的描述和实验结果不难看出，本发明实施例天线结构及具有该天线结构的可穿戴设备很容易实现天线右旋圆极化，并且可灵活调节天线右旋圆极化的工作频段，使得天线在GNSS频段获得最佳的右旋圆极化性能，提升GNSS定位卫星信号的接收性能，从而使可穿戴设备定位更快更准。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天线结构，其特征在于，所述天线结构包括：
金属件；
与所述金属件相对设置的电路主板，所述电路主板与金属件二者之间的空隙构成馈电空间；
设置于所述馈电空间内的耦合天线，所述耦合天线与所述金属件耦合连接，所述耦合天线的接地脚与所述电路主板的地电导通；以及
设置于所述馈电空间内的馈电天线，所述馈电天线与所述金属件耦合连接，所述馈电天线的馈源与所述电路主板的射频端口相连接；
其中，所述耦合天线的接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，调整所述馈电天线的馈源与所述耦合天线的接地脚的圆周距离来调节所述天线结构的右旋圆极化工作的频段满足全球导航卫星定位系统GNSS频段。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，当所述天线结构的右旋圆极化工作的频段满足GNSS频段的情况下，所述馈电天线的馈源与所述耦合天线的接地脚的圆周距离的计算表达式为
其中λfreespace是GNSS频段在自由空间的波长，εr.effective是所述金属件所在周围环境的等效相对介电常数。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，
所述金属件与所述电路主板之间绝缘不导电；或
所述金属件与所述电路主板通过电阻、电感或电感性器电导通。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，
所述耦合天线与所述金属件之间绝缘不导电，二者之间通过电容或电磁耦合。
5.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，
所述馈电天线与所述金属件之间绝缘不导通，二者之间通过电容或电磁耦合。
6.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述耦合天线的接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节放置于所述金属件的圆周上，包括：
所述耦合天线接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节均沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，
所述耦合天线接地脚开始的天线支节沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上，所述馈电天线的馈源开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，
所述耦合天线接地脚开始的天线支节沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上，所述馈电天线的馈源开始的天线支节沿顺时针方向放置于所述金属件的圆周上；或，
所述耦合天线接地脚开始的天线支节与所述馈电天线的馈源开始的天线支节均沿逆时针方向放置于所述金属件的圆周上。
7.一种可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备包括：
具有穿戴功能的非金属部件；
如权利要求1至6任一项所述的天线结构；其中，通过所述非金属部件将所述天线结构的各组成结构组合在一起。
8.根据权利要求7所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备还包括：
一显示/触摸屏模组，位于所述可穿戴设备的正面，用于显示操作界面和/或接收操作指令，所述正面为所述可穿戴设备面向用户视线的一表面。
9.根据权利要求7或8所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备还包括：
一金属后壳，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
10.根据权利要求7或8所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备还包括：
一金属后壳，位于所述可穿戴设备的背面，与所述天线结构的电路主板电不导通，所述背面为所述可穿戴设备背向用户视线的一表面。
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