CN111694408A - 耦合有天线和水接触组件的潜水计算机 - Google Patents

耦合有天线和水接触组件的潜水计算机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及耦合有天线和水接触组件的可穿戴潜水计算机和/或检测可穿戴设备水下状况的水接触检测器组件。计算机包括：外壳，包括有辐射器元件的导电环圈和主体；无线电单元，与外壳中的潜水计算机电路功能性连接，具有到辐射器元件的导电耦合部，允许潜水计算机与外部设备无线通信；延伸通过主体的至少部分导电的水接触表面；水接触检测器电路，能感测潜水计算机的水下状况；水下状况感测电路，包括水接触表面、辐射器元件及低通滤波器，包括一端连接到导电耦合部另一端连接到潜水计算机的接地电势的电感器；水接触检测器电路在水建立通过水下状况感测电路的电流路径时检测从水接触表面到接地的电连接，并向潜水计算机提供水下状况的指示。

Description

耦合有天线和水接触组件的潜水计算机
技术领域
本发明大体上涉及诸如无线或便携式无线电设备之类的电子设备，还涉及其使用方法。具体来说，本发明涉及潜水计算机和用于该潜水计算机的水接触检测组件。
背景技术
在大多数现代无线电设备(例如，移动计算机、便携式导航设备、移动电话、智能手机、个人数字助理(PDA)或其他个人通信设备(PCD))中通常都设置有天线。通常，这些天线包括平面辐射元件，并具有接地平面通常平行于该平面辐射元件。平面辐射元件和接地平面通常经由短路导体彼此连接，以便实现天线的期望阻抗匹配。该结构被配置为使其在所需的工作频率下用作谐振器。通常，这些内部天线位于塑料外壳内的无线电设备的印刷电路板(PCB)上，该塑料外壳允许射频波传播向天线或从天线传播出去。
目前，希望这些无线电设备包括金属体或外部金属表面。可以出于各种原因而使用金属主体或外部金属表面，这些原因例如包括提供美学益处，例如为所覆盖的无线电设备提供令人愉悦的外观和触感。但是，金属外壳的使用为射频(RF) 天线的实施带来了新的挑战。典型的现有技术中的天线方案通常不足以与金属外壳和/或外部金属表面一起使用。这是因为无线电设备的金属外壳和/或外部金属表面会充当RF屏蔽层，这会降低天线性能，特别是在需要天线在多个频带中运行时更是如此。
在潜水计算机的情况下，主体的至少一部分通常由不导电的聚合物材料制成。为了检测这种设备的水下状况，需要进行水接触。这些潜水计算机通常在主体中包含一对孔，水可以穿过这些孔而接触到与外壳中的水检测电路相连的导电表面，以检测通过这些导电表面之间的水的电流，并且建立设备的水下状况。然后，可将该设备相应地配置为例如可切换到潜水状态。在确定水下状况下的正确动作过程时，潜水计算机还可以从其他传感器(例如压力传感器)收集信息。
然而，在潜水计算机的外壳上开孔或开洞是需要尽可能避免的。每个孔都必须仔细设计和密封，以防止水进入系统，也避免处于高水压环境下。
因此，迫切需要一种例如用于潜水计算机设备的水检测方案，其只需要在主体中开设较少的额外的孔或洞，或不需开设额外的孔或洞。
发明内容
本发明通过提供一种水接触检测组件来满足前述需求，该水接触检测组件设置为能用于在金属或塑料外壳内感测水下状况。
在第一方面中，提出了一种可穿戴式潜水计算机。该可穿戴式潜水计算机包括：
-外壳，包括导电环圈和主体，所述环圈包括辐射器元件；
-无线电单元，所述无线电单元与所述外壳中的潜水计算机电路功能性连接，并具有到所述辐射器元件的导电耦合部，以允许所述潜水计算机与外部设备之间的无线通信；
-延伸通过所述主体的水接触表面，所述水接触表面至少部分为导电的；
-水接触检测器电路，所述水接触检测器电路配置为能感测所述可穿戴式潜水计算机的水下状况；
-水下状况感测电路，所述水下状况感测电路包括所述水接触表面、所述辐射器元件以及低通滤波器，所述低通滤波器包括至少一个在一端处连接到所述导电耦合部、在另一端处连接到所述潜水计算机的接地电势的电感器；
其中，所述水接触检测器电路配置为在水建立了通过所述水下状况感测电路的电流路径时检测从所述水接触表面到接地的电连接，并向所述潜水计算机提供水下状况的指示。
本发明还涉及用于检测可穿戴式设备的水下状况的水接触检测器组件的方面，该组件包括：
-所述可穿戴式设备的外壳，所述外壳具有导电环圈和主体；
-位于所述外壳内的无线电单元，所述无线电单元具有到所述环圈中的辐射器元件的导电耦合部，以允许所述可穿戴式设备和外部设备之间的无线通信；
-延伸通过所述主体的水接触表面，所述水接触表面至少部分为导电的；
-水接触检测器电路；
-水下状况感测电路，所述水下状况感测电路包括所述水接触表面、所述辐射器元件和低通滤波器，所述低通滤波器包括至少一个在一端处连接到所述导电耦合部、在另一端处连接到所述可穿戴式设备的接地电势的电感器；
其中，所述水接触检测器电路配置为在水建立了通过所述水下状况感测电路的电流路径时检测从所述水接触表面到接地的电连接，并向所述可穿戴式设备提供水下状况的指示。
本发明的可穿戴式潜水计算机和/或用于检测可穿戴式设备的水下状况的水接触检测器组件的各种实施例可包括下列特征中的一个或多个。
-水接触表面通过能从所述主体之外操作的按钮来提供，所述按钮的结构包括所述水接触表面。
-按钮为按钮机构，包括具有按钮部分和中空的引导部分的结构，其中，所述按钮部分包括连接到轴杆部的接触表面部，所述轴杆部设置为能在使用者接合所述按钮部分时在所述中空的引导部分内滑动，并且至少所述引导部分包括所述水接触表面。
-所述无线电单元为近场无线电单元，例如蓝牙或WiFi收发器单元。
-所述无线电单元为卫星接收器单元，例如GPS接收器单元。
-所述水接触检测器电路设置为在检测到水下状况时停用所述无线电单元。
-所述水接触检测器电路设置为能在检测到水下状况时自动切换到所述潜水计算机的工作模式。
通过下文中的附图和详细说明能够更加清楚本发明的其他特征、其特性和各种优势。
附图说明
通过下文中结合附图的详细描述可以更加清楚本发明的特征、目的和优势，其中：
图1为显示了根据本发明的一个实施例的天线装置的细节的示意图；
图2A为根据本发明的原理的无线电设备的耦合天线装置的一个实施例的底侧立体图；
图2B为根据本发明的一个实施例配置的图2A中的耦合天线装置的立体图；
图2C为图2A至图2B中的耦合天线装置的爆炸图，其中详细显示了根据本发明的原理的耦合天线装置的各种器件；
图3显示了耦合天线装置的一个实施例；
图4和图4A显示了耦合天线装置的多个实施例；
图5显示了可用于本发明的至少某些实施例的可穿戴式潜水计算机的示意图；
图6显示了可用于本发明的至少某些实施例的按钮结构；
图7显示了可用于本发明的组件的至少某些实施例的夹式垫圈；
图8显示了本发明的水接触检测组件的某些基本部分。
具体实施方式
定义
在本文中使用的用语“天线”和“天线组件”非限制性地指的是结合了能接收/发送和/或传播一个或多个电磁辐射频带的单个元件、多个元件或一个或多个元件阵列的任何系统。辐射可以具有多种类型，例如微波、毫米波、射频、数字调制、模拟、模拟/数字编码、数字编码的毫米波能量等。可以使用一个或多个转发器链路将能量从一个位置传输到另一个位置，并且一个或多个位置可以是移动的、固定的，或固定在地球上某个位置(例如基站)。
在本文中使用的用语“板”和“基板”通常非限制性地指的是可以在其上布置其他器件的任何基本上平坦或弯曲的表面或组件。例如，基板可以包括单层或多层印刷电路板(例如，FR4)、半导体管芯或晶片，或者甚至是外壳或其他设备器件的表面，并且可以是基本上刚性的或至少有些柔性。
用语“频率范围”和“频带”非限制性地指的是用于传递信号的任何频率范围。这种信号可根据一个或多个标准或无线空中接口来进行传递。
在本文中使用的用语“便携式设备”、“移动设备”、“客户端设备”和“计算设备”包括但不限于个人计算机(PC)和小型计算机(无论是台式计算机、膝上型计算机，还是其他)、机顶盒、个人数字助理(PDA)、手持计算机、个人通信器、平板计算机、便携式导航辅助设备、配备J2ME的设备、蜂窝电话、智能手机、平板计算机、个人集成通信或娱乐设备、便携式导航设备，或实际上任何其他能够处理数据的设备。
此外，在本文中使用的用语“辐射器”、“辐射平面”和“辐射元件”非限制性地指的是可以用作接收和/或发射射频电磁辐射的系统(例如，天线)的一部分的元件。因此，示例性的辐射器可以接收电磁辐射，发送电磁辐射，或两者皆可。
用语“馈电器”和“RF馈电器”非限制性地指的是可向一个或多个导电元件(例如，辐射器)的能量导体和耦合元件传输能量、变换阻抗、增强性能特性并使输入/输出RF能量信号之间的阻抗特性相符的任意能量导体和耦合元件。
在本文中使用的用语“顶部”、“底部”、“侧部”、“上”，“下”，“左”，“右”等仅表示一个器件相对于另一个器件的相对位置或几何形状，绝不表示绝对的参照系或任何所需的方向。例如，当一个器件安装到另一器件(例如，安装到PCB的底侧)时，该器件的“顶部”部分实际上可位于“底部”部分的下方。
在本文中所使用的用语“无线”指的是任何无线信号、数据、通信或其他接口，包括但不限于Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、3GPP2和UMTS)、HSDPA /HSUPA、TDMA、CDMA(例如，IS-95A、WCDMA等)、FHSS、DSSS、GSM、 PAN/802.15、WiMAX(802.16)、802.20、窄带/FDMA、OFDM、PCS/DCS、长期演进(LTE)或高级LTE(LTE-A)、模拟蜂窝、CDPD、卫星系统(例如 GPS和GLONASS)，以及毫米波或微波系统。
概述
在一个值得注意的方面中，本发明提供了改进的天线装置以及使用和调谐方法。在一个示例性实施例中，本发明的解决方案特别适于利用卫星无线链路(例如，GPS)并使用电磁(例如，在一个实施例中为电容性的)的馈电方法的小尺寸、有金属外壳的应用，其包括一个或多个未电流连接到天线的辐射元件的独立的馈电元件。另外，天线装置的某些实施方式提供了承载天线的一个以上工作频带的能力。
示例性实施例的详细说明
下面将参考附图，其中相同的附图标记在全文中指代相同的部分。
下面将提供本发明的装置和方法的各种实施例和变型的详细描述。尽管主要在诸如手表的便携式无线电设备的语境下进行了说明，但是本文所述的各种装置和方法不限于此。实际上，本文描述的许多装置和方法可用于各种设备，包括可受益于本文描述的耦合天线装置和方法的移动设备和固定设备。
此外，虽然图1至图2C中的耦合天线装置的实施例主要在GPS无线频谱内的工作环境下进行说明，但是本发明不限于此。实际上，图1至图2C中的天线装置可用于各种工作频带，包括但不限于以下工作频带：GLONASS、Wi-Fi、蓝牙、3G(例如，3GPP、3GPP2和UMTS)、HSDPA/HSUPA、TDMA、CDMA (例如，IS-95A、WCDMA等)、FESS、DSSS、GSM、PAN/802.15、WiMAX(802.16)、802.20、窄带/FDMA、OFDM、PCS/DCS、长期演进(LTE)或高级 LTE(LTE-A)、模拟蜂窝，以及CDPD。
示例性的天线装置
下面参考图1，其示出并详细描述了耦合天线装置100的一个示例性实施例。如图1所示，耦合天线装置100包括三个主天线元件，包括与中间辐射器元件104 相邻设置的外侧元件102，以及内侧馈电元件106。辐射器元件104、馈电元件 106和外侧元件102彼此并不电流连接，而是如下文所述地电容耦合。外侧元件 102还配置为用作天线装置100的基本辐射器元件。外侧元件的宽度以及外侧元件与中间元件之间的距离是基于特定的天线设计要求来选择的，包括(i)感兴趣的频率工作频带，以及(ii)工作带宽，本领域的普通技术人员在阅读了本发明之后可以容易地得到其示例性值。
如图1所示，耦合天线装置的中间辐射器元件邻近外侧元件布置，并以间隙距离120而与外侧元件间隔开。例如，在一种实施方案中，使用0.2-1mm的距离，但是应当理解，该值可以根据实施方案和工作频率而变化。此外，可以通过调节间隙距离、通过调节外侧元件和中间辐射器元件的重叠面积以及外侧元件与中间辐射器元件的总面积来调节耦合强度。间隙120尤其允许调谐天线谐振频率、带宽和辐射效率。中间辐射器元件还包括两个部分104(a)和104(b)。第一部分104(a) 是主耦合元件，而第二部分104(b)则保持悬空而不连接到天线结构。如果由于某些机械上的原因而使中间元件形成为较大的部分而其中只有较短的一部分需要用作为耦合元件，那么第二部分104(b)可以保留在该结构中。在中间辐射器元件的部分104(a)的一端处设置有短路点110，用于将中间辐射器元件104接地。在所示的实施例中，短路点110位于与内侧馈电元件106相距预定距离122(在示例性实施方案中通常为1-5mm，但是可根据实施方案和工作频率而变化)处。短路点110的位置部分地确定耦合天线装置100的谐振频率。部分104(a)连接到部分104(b)，其中部分104(b)形成完整的中间辐射器(环)。
图1还示出了包含接地点114以及电流连接的馈电点116的内侧馈电元件 106。内侧馈电元件106布置成与中间辐射器元件104相距距离124。此外，接地点114相对于馈电点116的布置和定位部分地确定了耦合天线装置100的谐振频率。应当注意的是，馈电元件的接地点主要用于馈电点阻抗匹配。在一个实施方案中，馈电元件形成本领域已知类型的IFA型(倒F天线)结构，并且这种元件的阻抗调节是普通天线设计人员所熟知的，因此在此不再赘述。馈电点和接地点之间的典型距离约为1-5mm，但这可以根据频率和应用而变化。
此外，应当理解的是，如果需要，例如可以通过将并联电感器设置在馈电线上来消除接地点。如下文所述，馈电点116以及接地点110和114的设置会极大地影响右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)隔离增益。简短地说，GPS 和大多数卫星导航传输都是RHCP。卫星传输RHCP信号是因为发现它例如与线性极化信号相比受大气信号变形和损耗的影响较小。因此，任何接收天线应具有与发射卫星相同的极化。如果接收设备的天线主要是LHCP极化的，则会发生显著的信号损耗(大约数十dB)。另外，每当卫星信号被物体(例如地球表面或建筑物)反射时，其极化都将从RHCP变为LHCP。与直接接收的RHCP信号相比，在接收单元附近反射过一次的信号具有几乎相同的幅度，但具有小的延时和 LHCP。这些反射信号特别有害于GPS接收器的灵敏度，因此优选的是使用LHCP 增益至少比RHCP增益低5dB至10dB的天线。
例如，在示例性附图中，馈电线和接地线的布置选择为用于使RCHP增益占优势，并抑制LHCP增益(从而增强对GPS圆极化信号的灵敏度)。然而，如果馈电线和接地线的布置被颠倒，则天线装置100的“旋向性”将颠倒，从而在抑制RHCP增益的同时产生占优势的LHCP增益。为此，本发明还在某些实施方案中设想了诸如借由硬件或软件开关或手动地例如在运行中切换或重新配置天线的能力，以便根据特定用途或应用的需要来切换前述“旋向性”。例如，可以希望与LHCP源相结合地工作，或接收上述反射信号。
因此，尽管未示出，但是本发明设想：(i)具有可以基本彼此独立地工作的 RHCP占优势的天线和LHCP占优势的天线的便携式设备或其他设备，以及(ii) 接收器可以根据所接收的信号的极化而在两者之间切换的变体。
因此，图1的耦合天线装置100包括堆叠结构，该堆叠结构包括外侧元件102，布置在该外侧元件的内侧的中间辐射器元件104，以及内侧馈电元件106。应当注意的是，一个中间辐射器元件足以在期望的工作频率下激发。但是，对于多频带工作而言，可以添加其他的中间元件和馈电元件。例如，如果需要2.4GHz的 ISM频段，则同一外侧辐射器可由另一组中间元件和馈电元件馈电。内侧馈电元件还配置为与馈电点116电流耦合，中间辐射器元件配置为与内侧馈电元件电容耦合。外侧元件102配置为用作最终天线辐射器，并且还配置为与中间辐射器元件电容耦合。在本实施例中，外侧元件102以及馈电元件104和106的尺寸选择为能实现期望的性能。具体而言，如果元件(外侧元件，中间元件，内侧元件) 测量为彼此分离，则不会将它们中的任何一个独立地调谐到接近所需工作频率的值。然而，当三个元件耦合在一起时，它们会形成一个能在所需的一个或多个工作频率中产生谐振的辐射器组。由于天线的物理尺寸以及低介电介质(如塑料) 的使用，可以实现相对较宽的单谐振带宽。在卫星导航应用的示例性环境中，这种结构的一个显著优点为，普遍有利于示例性实施方案所允许的具有同一天线的 GPS和GLONASS导航系统(即，最小为1575-1610MHz)。
本领域的技术人员在阅读本发明时可以理解，以上参数对应于一个特定的天线/设备的实施例，配置为基于特定的实施方案，并因此仅是对本发明的较广泛原理的说明。距离120、122和124还被选择为能实现耦合天线装置100的期望阻抗匹配。例如，由于可以调节多个元件，因此即使单元尺寸(天线尺寸)产生大幅变化，也可以将所得到的天线调谐到期望的工作频率。例如，顶部(外侧)元件的尺寸可以扩大到100mm乘60mm，并且通过调整元件之间的耦合，可以有利地实现正确的调谐和匹配。
便携式无线电设备的结构
参照图2A至图2C，示出并描述了根据本发明的原理配置的包括耦合天线装置的便携式无线电设备的一个示例性实施例。外侧元件的各种实施方案可以与图 2A至图2C所示的耦合天线装置的实施例结合使用，以便进一步优化各种天线工作特性。在一些实施例中，可用金属覆盖的塑料体主来形成图1中的天线装置100 的一个或多个器件，该金属覆盖的塑料主体可通过任意适当的制造方法(例如，示例性的激光直接构造(“LDS”)制造工艺，或者甚至诸如下文所述的印刷工艺)来制造。
LDS天线制造工艺的最新进展使得天线能够直接构造在原本不导电的表面上(例如，构造在掺杂有金属添加剂的热塑性材料上)。随后通过激光来激活掺杂的金属添加剂。LDS允许将天线构造在更复杂的三维(3D)几何形状上。例如，在各种典型的智能电话、手表和其他移动设备应用中，可以在其上放置天线的底层设备外壳和/或其他天线器件是使用LDS聚合物通过标准注射成型工艺来制造的。然后，使用激光来激活(热塑性)材料的区域，然后对这些区域进行电镀。通常，随后进行电解铜浴，然后增加连续的附加层(例如镍或金)，以完成天线的构造。
另外，可以与本发明相符地使用移印、导电油墨印刷、FPC、金属板、PCB 工艺。应当理解的是，本发明的各种特征有利地不限于任何特定的制造技术，因此可以广泛地与各种前述特征一起使用。尽管某些技术固有地在制造例如3D成型的辐射器以及调节元件之间的间隙方面具有局限性，但是可以通过使用任何种类的导电材料和工艺来形成本发明的天线结构。
然而，尽管LDS的使用是示例性的，但是其他实施方案也可以用于制造耦合天线装置，例如通过使用上文所述的柔性印刷电路板(PCB)、金属板、印刷辐射器等。然而，可以选择上述各种设计考虑因素来例如与维持期望的小尺寸形状和/或其他设计要求和属性相符合。例如，在一个变体中，在US9780438中描述的基于印刷的方法和装置用于基板上的天线辐射器的设置。在这样一个变体中，天线辐射器包括使用本文所述的印刷工艺印在基板上的四分之一波长环或线状结构。
图2A至图2C所示的便携式设备(即，具有GPS功能的可腕戴式手表、资产追踪器、运动计算机、潜水计算机等)放置在外壳200内，该外壳200配置为具有大体为圆形的形式。然而，应当理解的是，尽管该所示的设备具有大体上圆形的形状，但是本发明可以实施为设备具有其他期望的形状，包括但不限于正方形、矩形、其他多边形、椭圆形、不规则形状等。另外，外壳配置为能接收至少部分地由透明材料(例如，透明聚合物、玻璃或其他合适的透明材料)形成的显示盖(未示出)。外壳还配置为能接收耦合天线装置，类似于图1所示的耦合天线装置。在示例性实施例中，外壳由诸如聚乙烯或ABS-PC之类的注模聚合物形成。在一种变型中，塑料材料还具有设置在其表面上的金属化导电层(例如，铜合金)。金属化的导体层通常形成如图1所示的耦合天线装置。
参考图2A至图2C，示出了根据本发明的原理的用于便携式无线电设备中的耦合天线装置200的一个实施例。图2A示出了耦合天线装置200的底侧，其显示了到印刷电路板219(图2B和图2C)的各种连接。具体地，图2A示出了用于环形的中间辐射器元件204的短路点210，以及用于内侧馈电轨迹元件206的短路点216和电流馈电点214。内侧馈电轨迹元件和环形的中间辐射器元件均设置在所示实施例中的与便携式无线电设备一起使用的耦合天线装置的前盖203 内。根据本发明的第一实施例，使用激光直接构造(“LDS”)聚合物材料来制造前盖203(参见图2A和图2C)，该聚合物材料随后被掺杂并镀有环形的外侧辐射元件202(参见图2B-2C)。LDS技术的使用是示例性的，其允许将复杂的 (例如，弯曲的)金属结构直接形成在下面的聚合物材料上。或者，环形的外侧辐射元件402可包括例如由不锈钢、铝或其他耐腐蚀材料(如果暴露在环境应力下而没有任何额外的保护涂层)形成的冲压金属环。理想地，所选材料应具有足够的RF电导率。也可以使用电镀金属，例如镍金镀层等，或其他众所周知的能设置在前盖203上的RF材料。
另外，在一个示例性实施例中，也可使用LDS技术在掺杂的前盖203的内侧设置环形的中间辐射器元件204。环形的中间辐射器元件204构造成两个部分 204(a)和204(b)。在一个示例性实施方案中，元件204(a)用于提供与接地触点(短路点)210配合的有利位置。短路点210设置在环形的中间辐射器的第一部分204(a) 的一端上。耦合天线装置200还包括LDS聚合物馈电框架218，在其上构造有内侧馈电元件206。内侧馈电元件包括电流馈电点216以及短路点214，这两者配置为分别在点216'和214'处耦合至印刷电路板219(见图2C)。内侧馈电框架元件布置为与环形的中间辐射器元件部分204相邻，以使得同轴的馈电点与中间辐射器元件的短路点210相距一定距离222。中间辐射器元件的短路点210和内侧馈电元件的短路点214配置为分别在点210'和214'处与PCB 219接合。后盖220 位于印刷电路板的下侧，并形成耦合天线装置的封闭结构。
尽管前述实施例通常包括布置在主机设备外壳内的单个耦合天线装置，但是还应当理解的是，在一些实施例中，除了例如图1中的示例性的耦合天线装置100 之外，还可以在主机设备中设置其他的天线元件。这些其他的天线元件可设计为接收其他类型的无线信号，例如但不限于
Figure RE-GDA0002515318000000111
低功耗蓝牙(BLE)、802.11 (Wi-Fi)、无线通用串行总线(USB)、AM/FM无线电、国际科学医学(ISM) 频段(例如ISM-868、ISM-915等)、
Figure RE-GDA0002515318000000112
等，以扩展便携式设备的功能，同时又保持空间紧凑的外形。
如图所示的耦合天线装置200可以包括两个包含中间辐射器元件和内侧馈电元件(未示出)的天线组件，两个天线组件具有共同的环形的外侧元件202。这两个天线组件可在相同的频带中工作，或者在不同的频带中工作。例如，天线组件“a”可以配置为在约2.4GHz的Wi-Fi频带中工作，而另一天线组件可以配置为在GNSS频率范围内工作以提供GPS功能。工作频率的选择是示例性的，并且可以根据本发明的原理针对不同的应用而改变。
另外，当结合用户身体组织负荷来调谐天线馈电阻抗时，可以影响本发明的天线装置的轴比(AR)(参见前面基于地面和馈电轨迹位置的阻抗调谐的说明)。轴比(AR)是定义圆极化天线性能的一项重要参数；最佳轴向比是1，它对应于旋转信号的幅度在所有相位上均相等的情况。完全线性极化的天线将具有无限的轴比，这意味着当相位旋转90度时，其信号幅度将减小为零。如果使用完全线性极化的天线来接收最佳的圆极化信号，那么会由于极化失配而发生3dB的信号损失。换句话说，会丢失50％的入射信号。在实践中，由于机械结构等的不对称性，很难实现最佳的圆极化(AR＝1)。常规使用的陶瓷GPS贴片天线在用于实际方案中时通常具有1至3dB的轴比。这被认为是“行业标准”，并且具有足够的性能水平。
此外，还应当理解的是，装置200还可包括显示器，例如液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)或有机LED(OLED)、TFT(薄膜晶体管)等，以用于向用户显示所需的信息。另外，主机设备还可包括触摸屏输入及显示装置(例如，电容性或电阻性)，或电子领域中公知类型的装置，以提供用户触摸输入的能力以及传统的显示功能。
图3示出了包括瞬态电压抑制器(TVS)的耦合天线装置的另一实施例。图3与上述图1类似。在某些情况下，希望将外侧辐射器元件132作为天线的一部分。外侧辐射器元件132可与上文所述的外侧元件102共享一些或全部特性。然而，在外侧辐射器元件132是天线的一部分时，它不能容易地在图1的天线结构中接地。因此，TVS二极管130电连接到外侧辐射器元件132。在图3中显示了这种情况的一个示意性例子。因此，当外侧辐射器元件132中有足够大的电势或电压时，TVS 130将外侧辐射器元件132接地。这样，TVS二极管可保护装置内的电子设备免受例如来自设备外侧的电火花的伤害。
在图3的实施例中，中间辐射器元件的第一部分104(a)和内侧馈电元件106 接地。另外，它们处于由连接到TVS二极管的外侧辐射器元件132提供的静电放电(ESD)保护内。如果不将TVS接地，那么实际上将会有足够大的电势穿过设备的最外层导电部，并损坏内部的电子器件。智能手表和移动设备中的一个特殊问题在于，大的电势会通过显示线和显示连接进入并损坏显示驱动器。
图4示出了本发明的包括瞬态电压抑制器电路134的耦合天线装置的一个实施例。图4与上述图1和图3类似。在某些情况下，希望将外侧辐射器元件132 作为天线的一部分。外侧辐射器元件132可与上文所述的外侧元件102共享一些或全部特性。然而，在外侧辐射器元件132是天线的一部分时，它不能容易地在图1的天线结构中接地。因此，LC电路134电连接到外侧辐射器元件132。在图 4中示出了这种情况的一个例子。LC电路134是闭合的，即，将外侧辐射器元件 132以低频和直流电接地。因此，LC电路的阻抗值选择为允许静电放电流过其中。 LC电路134保护设备中的电子器件免受例如来自设备外的电火花的伤害。
LC电路134在其谐振频率下会形成阻带，并像开路一样起作用。L和C分量的值选择为使得电路在天线的工作频率下谐振。
在图4的实施例中，中间辐射器元件的第一部分104(a)和内部馈电元件106 接地。另外，通过外侧辐射器元件132连接到LC电路134来提供静电放电(ESD) 保护。如果没有这种高阻抗接地，那么实际上会有足够大的电势穿过设备最外侧的导电部分，并损坏内部的电子器件。智能手表和移动设备中的一个特殊问题在于，大的电势会通过显示线和显示连接进入并损坏显示驱动器。
根据某些示例，可以与线圈L并联地增加固定或可变电容器C或者一个或多个可切换电容器C1、C2(见图4A)，以使LC电路134可调谐。通过调谐可变电容器C，和/或通过接通和/或断开具有适当选择的电容的电容器C1和C2，LC 电路134或134a可以被调谐到天线所接收的不同频率，例如GPS、格洛纳斯和伽利略导航系统的频率。另外，其他无线系统也可以与本发明的设备接合，例如蓝牙或WiFi，其频率可被接收并且LC电路134或134a也可被调谐到在这些频率上谐振，从而在各种系统中优化天线性能。出人意料的是，LC电路134或134a能提供对天线性能的负面影响很小的ESD保护。
例如用于腕戴式电子设备的环圈可以具有内表面和外表面。环圈的整个外表面或一部分外表面可以是外侧辐射器元件。此外，一个或多个其他辐射器元件可由环圈的内表面处定位、容纳和/或支撑。根据某些实施例，一个或多个其他辐射器元件与环圈的内表面电绝缘但机械式连接。
如上文所述，耦合天线装置可以包括环圈，该环圈包括外侧辐射器元件。外侧辐射器元件形成天线结构的一部分。外侧辐射器元件例如可以是环圈的一部分和/或一段。外侧辐射器元件可具有闭环结构，甚至可以是整个环圈。在金属环圈的实施例中，外侧辐射器元件可以是环圈的一个整体部分。外侧辐射器元件也可以是环圈的一个独立部分，其与一个或多个其他部分相结合以形成环圈。
许多类型的电子设备可以包含如本文所述的耦合天线装置。一个例子是腕戴式电子设备，其具有包括一个或多个部分的外壳。外壳的至少一部分可以是环圈。根据某些实施例，该设备的外壳包括根据上文所述的任何环圈，以及主体。主体和/或环圈可以包含多个电子器件。环圈的外部可以包含金属部分，该金属部分为外侧辐射器元件或可充当外侧辐射器元件。外侧辐射器元件通常可以不接地。然而，上述外侧辐射器元件例如可通过弹簧针而电耦合到容纳在外壳内的TVS器件，以保护多个内部电子器件中的至少一些免受外侧辐射器元件可能会暴露于其中的大电势的影响。
此外，根据某些实施例，电子设备还可包括至少一个螺钉。螺钉可主要用于将环圈机械连接到外壳的主体和/或设备的一个或多个其他部分。螺钉可以是导电的，例如为金属的，并因此与环圈和/或外侧辐射器元件的一部分电接触。因此，螺钉可形成外侧辐射器元件的额外的导电部分。在某些实施例中，螺钉可以将环圈的至少一部分电接地。此外，也可以使用除了螺钉之外的但具有相似的机电性能的其他连接机构来代替实际的螺钉。
下面参考图5，示出了可与本发明的至少一些实施例相结合地使用的潜水计算机50的示意图。可穿戴式潜水计算机具有外壳，该外壳主要包括导电环圈51 和主体52。环圈包括辐射器元件，例如图2A至图2C中所示的不接地的外侧辐射器元件202。无线电单元54与封装在外壳内的潜水计算机电路(未示出)功能性相连，并且具有到辐射器元件的导电耦合部58，用于允许潜水计算机与外部设备之间进行无线通信。用于无线电单元的合适的核心电路例如可以是Nordic
Figure RE-GDA0002515318000000141
公司提供的蓝牙处理器(BLE SoC)nRF51422。无线电单元54 还可包括位于蓝牙处理器与电感器56之间的巴伦转换器，例如为ST
Figure RE-GDA0002515318000000142
公司提供的NRF02D3，以在平衡和不平衡的信号之间转换，和/ 或在处理器和电感电路之间转换阻抗。电感器56可以是线圈，例如为
Figure RE-GDA0002515318000000143
公司提供的LQG15HS22NJ02D，天线能通过该线圈而为DC电流接地，并且可建立用于水接触的电流路径59。
还可包括水接触检测器电路55，其布置成感测可穿戴式潜水计算机何时进入水下状态。可以从主体的外侧来操作延伸穿过主体52的示例性的按钮53。该按钮包括导电的水接触表面，以使得该按钮能够将水接触信号传送到水接触检测器电路55，该信号被感测为电阻器R上的电压降。按钮53可以是作为潜水计算机的用户界面的一部分的推压按钮或导航按钮，通过这种方式使用它不会影响水接触检测，反之亦然。
作为按钮的替代，水接触器可以布置为导航型按钮，或者可由外壳中的任何能在潜水计算机浸入水中时与水接触的表面或结构形成。
作为感测电阻器R上的电压降的替代，可使用电流源在水接触检测器电路中进行电流感测。这可以淘汰电阻器R，并通过半导体电路进行检测。其他实施例可包括各种信号形式，例如DC、脉冲DC，或AC(交流电)。
图5中的水下状况感测电路包括位于环圈51中的辐射器元件与无线电单元 54之间的导电耦合部58，以及低通滤波器，该低通滤波器至少包括一端连接至导电耦合部58、另一端连接到潜水计算机的接地电势部57的电感器56。
因此，水下状况感测电路58、56和57感测水何时在从按钮的水接触表面到环圈51与辐射器元件之间建立导电路径59，作为通过电感器56到接地的DC短路路径，从而在电阻器R的感测环路中向水接触检测器电路55提供水下状况的电压指示。
重要的是，无线电单元54因低通滤波器56而不会察觉到到其辐射器元件短路。通常，举例而言，无线电单元在用于蓝牙应用时在2.4GHz的范围内工作，而在用于GPS应用中时在1.5GHz的范围内工作。DC短路会通过滤波器56，但是不会通过GHz范围信号。
根据一些实施例，水接触检测器电路55可配置为在检测到水下状况时自动切换到潜水计算机的潜水工作模式。在一些实施例中，接触检测器电路55可配置为在检测到水下状况时停用无线电单元，以便例如减少功耗。
下面参考图6，示出了至少在本发明的一些实施例中可用的按钮机构。按钮机构在外壳中的孔处与设备外壳接合，并具有按钮部分60，该按钮部分60具有圆形或其他适合形状的触摸表面部64a，以由用户手指的触摸或按压来形成接合。如图所示，按钮部分60还包括轴杆部64b，该轴杆部64b连接到触摸表面部64a，并且接触表面部64a优选地与轴杆部64b成型为一体并且垂直于轴杆部64b。当按钮部分60被用户触及时，轴杆部64b在固定引导部分63中如箭头B所示地向内和向外滑动。
固定的引导部分63用作按钮部分60的衬套。按钮的轴杆部64b由涂有润滑油的O形环69a支撑在引导部分内。具有垫圈69c的弹簧69b向触摸表面64a提供了所需的返回力和阻力。
在引导部分63的另一端处，还设置有一个用于按钮部分的接触表面部64a 的衬套表面69d。
按钮64a、64b的向外运动受到止动件67的限制，该止动件67抵靠在引导部 63的端部上。
优选地，固定引导部分63包括导电的水接触表面区域A，如上文所述，在水下状况中，水会接触到该水接触表面区域A，然后可通过导电元件65和检测器电路66来感测水。显然，水接触部可以由按钮机构中的任意导电表面制成。然而，由于按钮64a、64b可以由非导电材料制成，因此允许更多的设计自由度，并且可以改善设备的美观性，并且由于可以由固定结构形成与传感器电路的更可靠的连接，因此引导部分63上的水接触表面区域A是优选的实施方案。在一些实施例中，可以在设备的主体部61和底部62处分别设置有凹槽61a和62a(虚线)。凹槽的目的是使水能流到引导部分63的水接触表面区域A，并防止在按钮60和设备的外壳之间积聚压力和/或气泡(这会削弱水与引导部分的接触)。可以对轴杆部64b和按钮部64a进行涂覆，例如以抑制蠕变电流引起错误的电性的水接触指示。
通过分别在装置的引导部分63、主体部61和底部62之间延伸的诸如O形环68之类的密封件，可阻止水进入设备的内部。
在图6中还示出了本发明的夹式垫圈65，其被按压或卡扣到引导部分63上，还示出了相对于夹式垫圈65延伸并提供电连接销66的连接元件。下面将参见图 7和图8来详细描述夹式垫圈。
在图7中，示出了可用于本发明的组件的一些实施例中的夹式垫圈。夹式垫圈70优选地由一体的金属片制成，其整体外观为卡簧紧固件，包括具有开口端的半柔性金属夹环71，该开口端可被按压或卡扣到图6中的引导部分63上。
夹式垫圈设置有从垫圈延伸出去一定距离的柔性连接元件73，以提供用于设备中的电路的电连接部，例如接触销74。这种电路可以是如图5所示的水接触检测电路。元件73可以与夹子70成型为一体，并由同一金属片制成，或者元件73 可以是舌片、弹簧、金属丝，或任何其他适当的连接元件。
在一些实施例中，夹环71的内边缘72可以是锋利的，并且切入引导部分的导电表面，由此能在夹环被压到引导部分上时将其自身锁定在适当的位置。在一些其他实施例中，夹环71的内边缘72可以是倒圆的，并且卡入引导部分的导电表面上的周向凹槽中，由此能在夹环被压到引导部分上时将其自身锁定在适当的位置。
由于位于接触销74处的柔性连接元件73受到来自印刷电路板等上的对应销的力77，因此在一些实施例中，优选的是确保夹式垫圈70不会开始围绕引导部分旋转。可以通过在夹式垫圈的某些点75a、75b、75c处提供来自设备外壳或结构的支撑来防止这种情况。在图7中显示了在点75a处的这种支撑结构76，这可防止向下的力77导致垫圈70旋转。
图8示出了本发明的组件的一些主要部分。如图7所示的夹式垫圈81通过按压和/或卡扣安装在组件的引导部分82(类似于图6的引导部分63)上。引导部分支撑按钮部分80，该按钮部分包括如虚线所示的在引导部分中的触摸表面部 83和轴杆部84。当按钮部分80被使用者接合时，轴杆部84在引导部分中如箭头85所示地向内和向外滑动。
应当理解的是，所公开的本发明的实施例不限于本文所述的特定结构、方法步骤或材料，而是可扩展至相关领域的普通技术人员能想到的它们的等价物。还应理解的是，本文采用的术语仅用于描述特定的实施例，而无意于进行限制。
在整个说明书中，对“一个实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在说明书中各处出现的用语“在一个实施例中”并不一定都指同一个实施例。
在本文中使用的多个物体、结构元件、组成元素和/或材料可为了方便而呈现在共同的列表中。但是，这些列表应解释为列表中的每个元素都独立地作为单独且唯一的元素。因此，仅基于它们呈现在共同的组中而没有相反的指示，该列表中的任何单个元素都不应被解释为同一列表中的任何其他元素的事实上的等价物。另外，在本文中，本发明的各种实施例和例子可具有其各种部分的替代物。应该理解的是，这些实施例、例子和替代物不应被理解为彼此的实际上等同，而是应被认为是本发明的独立和自主的表达。
此外，所描述的特征、结构或特性可通过任意适当的方式结合到一个或多个实施例中。在本文描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的例子，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应当理解，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在利用其他方法、部件、材料等的情况下实践本发明。另外，为了避免使本发明的各个方面变得不清楚，未详细显示或描述公知的结构、材料或操作。
尽管上述实施例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不进行创造力劳动且不背离本发明的原理和概念的情况下，可以进行形式、用途和实施细节的许多修改。因此，本发明不欲受到除了随附的权利要求书之外的限制。

Claims (12)

1.一种可穿戴式潜水计算机，包括：
外壳，包括导电环圈和主体，所述环圈包括辐射器元件；
无线电单元，所述无线电单元与所述外壳中的潜水计算机电路功能性连接，并具有到所述辐射器元件的导电耦合部，以允许所述潜水计算机与外部设备之间的无线通信；
延伸通过所述主体的水接触表面，所述水接触表面至少部分为导电的；
水接触检测器电路，所述水接触检测器电路配置为能感测所述可穿戴式潜水计算机的水下状况；
水下状况感测电路，所述水下状况感测电路包括所述水接触表面、所述辐射器元件以及低通滤波器，所述低通滤波器包括至少一个在一端处连接到所述导电耦合部、在另一端处连接到所述潜水计算机的接地电势的电感器；
其中，所述水接触检测器电路配置为在水建立了通过所述水下状况感测电路的电流路径时检测从所述水接触表面到接地的电连接，并向所述潜水计算机提供水下状况的指示。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述水接触表面通过能从所述主体之外操作的按钮来提供，所述按钮的结构包括所述水接触表面。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述按钮为按钮机构，包括具有按钮部分和中空的引导部分的结构，其中，所述按钮部分包括连接到轴杆部的接触表面部，所述轴杆部设置为能在所述按钮部分被使用者接合时在所述中空的引导部分内滑动，并且至少所述引导部分包括所述水接触表面。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述无线电单元为近场无线电单元，例如蓝牙或WiFi收发器单元。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述无线电单元为卫星接收器单元，例如GPS接收器单元。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述水接触检测器电路设置为在检测到水下状况时停用所述无线电单元。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的可穿戴式潜水计算机，其特征在于，所述水接触检测器电路设置为能在检测到水下状况时自动切换到所述潜水计算机的工作模式。
8.一种用于检测可穿戴式设备的水下状况的水接触检测器组件，包括：
所述可穿戴式设备的外壳，所述外壳具有导电环圈和主体；
位于所述外壳内的无线电单元，所述无线电单元具有到所述环圈中的辐射器元件的导电耦合部，以允许所述可穿戴式设备和外部设备之间的无线通信；
延伸通过所述主体的水接触表面，所述水接触表面至少部分为导电的；
水接触检测器电路；
水下状况感测电路，所述水下状况感测电路包括所述水接触表面、所述辐射器元件和低通滤波器，所述低通滤波器包括至少一个在一端处连接到所述导电耦合部、在另一端处连接到所述可穿戴式设备的接地电势的电感器；
其中，所述水接触检测器电路配置为在水建立了通过所述水下状况感测电路的电流路径时检测从所述水接触表面到接地的电连接，并向所述可穿戴式设备提供水下状况的指示。
9.根据权利要求8所述的水接触检测器组件，其特征在于，所述水接触表面通过能从所述主体之外操作的按钮来提供，所述按钮的结构包括所述水接触表面。
10.根据权利要求9所述的水接触检测器组件，其特征在于，所述按钮为按钮机构，包括具有按钮部分和中空的引导部分的结构，其中，所述按钮部分包括连接到轴杆部的接触表面部，所述轴杆部设置为能在所述按钮部分被使用者接合时在所述中空的引导部分内滑动，并且至少所述引导部分包括所述水接触表面。
11.根据权利要求8到10中任一项所述的水接触检测器组件，其特征在于，所述水接触检测器电路设置为在检测到水下状况时停用所述无线电单元。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的水接触检测器组件，其特征在于，所述水接触检测器电路设置为能在检测到水下状况时自动切换到所述潜水计算机的工作模式。
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