CN112909503B - 一种智能可穿戴设备天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能可穿戴设备天线及其设计方法，该天线包括金属边框、基板、地板、若干电气连接组件，其中，金属边框为无断点边框；电气连接组件包括金属连接块、金属固定件、金属连接片，基板经金属固定件与金属连接块固定连接，金属连接片经金属固定件、金属连接块与金属边框电连接；金属连接片与地板之间间隔设置形成净空区，并且间隔之间设有用于调整天线模式的电气加载，电气加载的加载状态为天线的馈电点或元件加载点或开路点或短路点。本发明利用可穿戴设备金属边框和地板作为辐射体，保持了金属边框的完整性和整个可穿戴设备外观的美观，同时基于多样化的电气加载可以实现不同模式下单一方位或者多方位综合最佳的天线性能。

Description

一种智能可穿戴设备天线及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通信天线技术领域，尤其涉及一种智能可穿戴设备天线及其设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，智能可穿戴设备市场越来越吸引消费者的眼球，因为智能可穿戴设备比如智能手表外观非常时尚并且能实现许多传统机械可穿戴设备无法实现的功能，如收发邮件，GPS或北斗导航，实时监控心率等。

然而，智能可穿戴设备要实现无线通信的功能，其天线设计面临很大的挑战。首先，智能可穿戴设备内部空间比智能手机更加有限，在如此有限的空间里面设计需要覆盖多个频段的天线非常困难，传统的单极子天线，环形天线，IFA天线或PIFA天线将不再适用。其次，智能可穿戴设备外部的美观和完整性也非常重要，所以在手机中经常用到金属边框断点或者开缝来设计天线的方法也不再适用。再次，智能可穿戴设备厂商需要保证可穿戴设备佩戴在人手上时仍然能正常无线通信，而人手的损耗非常大，因此智能可穿戴设备天线很大一部分能量会被人手吸收，若不合理设计天线，其效率将非常低而导致无法正常通信。因此，如何提高智能可穿戴设备在人手上的辐射效率也是一个非常具有挑战性也非常重要的一个课题。

另一方面，智能可穿戴设备或者智能手环的许多用户是室外运动爱好者，为了保证跑步状态下智能可穿戴设备仍能和卫星进行通信以实现导航功能，GPS或者北斗天线方向图在用户跑步状态下智能可穿戴设备6点钟方向上，即朝天空的方向上，需要有比较大的增益。或者，当用户在走路手臂自然朝下的状态下智能可穿戴设备朝天空方向即9点钟方向天线需要有比较大的增益。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种智能可穿戴设备天线及其设计方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种智能可穿戴设备天线，包括：金属边框、基板、地板、若干电气连接组件，地板设于基板表面，其中，金属边框为无断点边框；

电气连接组件包括金属连接块、金属固定件、金属连接片，金属连接块固定于金属边框上，基板经金属固定件与金属连接块固定连接，金属连接片同地板设于基板同一表面，金属连接片经金属固定件、金属连接块与金属边框电连接；

金属连接片与地板之间间隔设置形成净空区，并且间隔之间设有用于调整天线模式的电气加载，电气加载的加载状态为天线的馈电点或元件加载点或开路点或短路点。

在其中一个实施例中，至少一个电气连接组件中的电气加载为连接匹配网络的馈电点。

在其中一个实施例中，馈电点基于电容耦合激励设于天线模式电流最弱的电气连接组件中，或者馈电点基于电感耦合激励设于天线模式电流最强的电气连接组件中。

在其中一个实施例中，馈电点包括电容、金属条、馈电端口，馈电端口与匹配网络电连接，地板依次经馈电端口、金属条、电容与金属连接片电连接，以实现电容耦合激励的结构。

在其中一个实施例中，馈电点包括金属条、馈电端口，馈电端口与匹配网络电连接，地板经馈电端口与金属条电连接，金属条与金属连接片间隔且开路设置，以实现电容耦合激励的结构。

在其中一个实施例中，至少两个电气连接组件中的电气加载为连接匹配网络的馈电点，其中，两个馈电点为差分馈电设置。

在其中一个实施例中，单个电气加载包括多个加载状态，电气加载还设有开关切换电路，用于不同加载状态之间的切换。

在其中一个实施例中，元件加载点为电容器件或电感器件或者分布式电容或分布式电感或其中的多种组合。

一种如上述实施例任意一项所述的智能可穿戴设备天线的设计方法，包括以下步骤：

基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式方向图，确定所需的天线模式，其中，若天线的电气连接组件的位置可变，则改变电气连接组件的位置调节所确定模式的谐振频率；

电气连接组件的位置固定之后或者电气连接组件的位置无法变动，则根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点，并且，在保证模式方向图不变的情况下，通过调整电气加载控制所确定天线模式的谐振频率。

在其中一个实施例中，基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式远场方向图，确定所需的天线模式进一步包括：

根据模式电流的电流分布确定在工作状态下辐射效率最高的天线模式，或者根据模式方向图确定最佳辐射方向图的天线模式。

在其中一个实施例中，根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点进一步包括：

将馈电点设于天线模式电流最弱的电气连接组件中进行电容耦合激励，或者将馈电点设于天线模式电流最强的电气连接组件中进行电感耦合激励。

在其中一个实施例中，在保证模式方向图不变的情况下，通过调整电气加载控制所确定天线模式的谐振频率进一步包括：

在保证模式方向图不变的情况下，通过调整不同电气连接组件中的电气加载的加载状态控制所确定天线模式的谐振频率，其中，加载状态为单个加载或者通过开关切换电路进行不同加载状态之间的切换。

本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明的天线结构可以在智能可穿戴设备有限的空间里面设计成覆盖多个频段的天线，相比传统的单极子天线、环形天线、IFA天线或PIFA天线，不仅结构更加简单、节省空间，而且可以利用无断点的全金属边框和系统地板的固有模式来设计天线，避免在智能可穿戴设备金属边框上断点或者开缝的设计，从而保留了智能可穿戴设备外部的美观和完整性，同时基于多样化的电气加载可以实现不同模式下单一方位或者多方位综合最佳的天线性能；

2)本发明根据特征模式电流分布选择电流分布最远离人手的模式以实现最高或较高的辐射效率，根据对天线辐射方向图的要求，利用不用的模式来实现单一方位或者多方位综合最佳的天线性能，使天线设计更加直观、科学和有效率，非常适用于利用全金属边框和系统地来辐射的智能可穿戴设备天线的设计。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1是本发明一实施例中包含四个电气连接组件的智能可穿戴设备天线的一布局结构；

图2a是本发明一实施例中在电气连接组件T1、T2和T4开路、电气连接组件T3短路情况下智能可穿戴设备天线的最低频特征模模式电流和远场方向图分布示意图；

图2b是本发明一实施例中在电气连接组件T1和T2开路、电气连接组件T3和T4短路情况下智能可穿戴设备天线的最低频特征模模式电流和远场方向图分布示意图；

图2c是本发明一实施例中在电气连接组件T1和T4开路、电气连接组件T2和T3短路情况下智能可穿戴设备天线的最低频特征模模式电流和远场方向图分布示意图；

图3a是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2和T4开路、T3电气加载情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在自由空间中工作时电流和远场方向图分布示意图；

图3b是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2开路、T3和T4电气加载情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在自由空间中工作时电流和远场方向图分布示意图；

图3c是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2和T3电气加载、T4开路情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在自由空间中工作时电流和远场方向图分布示意图；

图4a是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2和T4开路、T3电气加载情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在人手上工作时电流和远场方向图分布示意图；

图4b是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2开路、T3和T4电气加载情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在人手上工作时电流和远场方向图分布示意图；

图4c是本发明一实施例中在电气连接组件T1馈电、T2和T3电气加载、T4开路情况下智能可穿戴设备天线在1.57542GHz在人手上工作时电流和远场方向图分布示意图；

图5是图4c中所示多频智能可穿戴设备天线的反射系数|S₁₁|参数示意图；

图6是图4c中所示多频智能可穿戴设备天线的天线效率示意图；

图7是本发明一实施例中包含三个电气连接组件的智能可穿戴设备天线的一布局结构；

图8是图7中所示多频智能可穿戴设备天线的反射系数|S₁₁|参数示意图；

图9是本发明一实施例中包含五个电气连接组件的智能可穿戴设备天线的一布局结构；

图10是图9中所示多频智能可穿戴设备天线状态1的反射系数|S₁₁|参数示意图；

图11是图9中所示多频智能可穿戴设备天线状态2的反射系数|S₁₁|参数示意图。

附图标记说明：

1：金属边框；2：基板；3：地板；41～44：金属连接块；51～54：金属固定件；61～64：金属连接片；71～74：净空区；81～84：电气加载；11：扬声器；12：屏幕。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种智能可穿戴设备天线及其设计方法作进一步详细说明。

参看图1，本申请提供了一种智能可穿戴设备天线，包括：金属边框1、基板2、地板3、若干电气连接组件，地板3设于基板2表面，其中，金属边框1为无断点边框；

电气连接组件包括金属连接块(41、42、43、44)、金属固定件(51、52、53、54)、金属连接片(61、62、63、64)，金属连接块(41、42、43、44)固定于金属边框1上，基板2经金属固定件(51、52、53、54)与金属连接块(41、42、43、44)固定连接，金属连接片(61、62、63、64)同地板3设于基板2同一表面，金属连接片(61、62、63、64)经金属固定件(51、52、53、54)、金属连接块(41、42、43、44)与金属边框1电连接；

金属连接片(61、62、63、64)与地板3之间间隔设置形成净空区(71、72、73、74)，并且间隔之间设有用于调整天线模式的电气加载(81、82、83、84)，电气加载(81、82、83、84)的加载状态为天线的馈电点或元件加载点或开路点或短路点。

现对本实施例进行具体的说明，但不仅限于此。

参看图1，本实施例的智能可穿戴设备天线，该天线包括无断点全金属边框1、基板2、地板3、若干个金属边框与地板之间的电气连接组件(T1、T2、T3、T4)、以及扬声器11、屏幕12和底部的介质盖子。其中，金属边框与地板之间的电气连接组件(T1、T2、T3、T4)包括：金属连接块(41、42、43、44)、金属固定件(51、52、53、54)、金属连接片(61、62、63、64)、净空区(71、72、73、74)和电气加载(81、82、83、84)。金属连接块(41-44)与金属固定件(51-54)用于物理固定基板以及铺设于基板上的地板、金属连接片，金属连接片(61、62、63、64)分别经各自的金属连接块(41、42、43、44)、金属固定件(51、52、53、54)与金属边框1电连接，金属连接片(61、62、63、64)与地板3之间间隔设置分别形成净空区(71、72、73、74)，净空区(71、72、73、74)中分别设置有用于调整天线模式的电气加载(81、82、83、84)，电气加载的加载状态为天线的馈电点或元件加载点或开路点或短路点，其中，至少一个电气连接组件中的电气加载为连接馈电网络的馈电点。

具体地，与地板同在基板表面的金属连接片(61-64)可以用任意的形状，不限定为本实施例给出的形状，位于金属连接片和地板之间的净空区(71-74)可以是任意形状，不限定为本实施例给出的形状，只要能够用于把金属连接片和地板物理上隔开，也为电气加载预留空间。

在上述实施例中，优选地，智能可穿戴设备结构关于YOZ面对称，4个电气连接组件关于XOZ面和YOZ面对称，但是本实施例不限制为对称结构，非对称结构也可以用本实施例的天线设计方法设计最优或较优的天线结构；电气连接组件的数量也不限制为4个，但至少需要3个为了实现结构的稳定性，也可以是5个、6个甚至更多。

参看图1，在本实施例中，电气连接组件T1被选为天线馈电点，但本实施例天线馈电点不限制为电气连接组件T1，电气连接组件T2、T3、T4也可以用作天线馈电点。并且多个天线馈电点可以同时使用，两个馈电点也可以用来设置差分馈电，比如电气连接组件T1和T4可以设置为一对差分馈电。

具体地，馈电点基于电容耦合激励设于天线模式电流最弱的电气连接组件中，或者馈电点基于电感耦合激励设于天线模式电流最强的电气连接组件中。本实施例为了实现馈电点的电容耦合激励，本实施例在净空区加了一块金属条9，金属条9和金属连接片61之间串联了一个电容81，同时金属条9和地板3直接加入一个馈电端口10。除了通过串联电容来实现电容耦合激励，电容耦合激励也可以通过非直接电连接的耦合馈电金属条和金属边框之间耦合激励，其中，相比与前一实施方式，可以除去串联电容81，同时将金属条9和金属连接片61断开，同时增加金属条9的横向长度来提高耦合度，金属条9的长度和形状都可以优化以实现最佳的耦合激励。馈电端口10连接有匹配网络，匹配网络只用来调整天线阻抗匹配不影响天线的模式特性，匹配网络包含电感、电容、传输线中的一种或几种串联或并联或混联组成的结构。若设计的天线是多频段工作的天线，需要采用多频段的阻抗匹配网络。同时，馈电端口10可以用同轴线、微带线、带状线等传输线形式来与芯片相连接而实现无线通信。在另一种实施方式中，馈电点也可以采用电感耦合激励，也即是直接激励，不需添加其他元器件。

参看图1，本实施例的电气连接组件T2、T3、T4中，地板3和金属连接片62、63、64之间分别串联了一个电气加载82、83、84，这些电气加载82、83、84可以是单个加载，即单个加载状态，也可以是通过设置开关切换电路来实现多个加载，即多个加载状态，开关切换电路可控制在不同单个加载状态之间进行切换以实现更强大的功能。其中，单个加载可以是电容或电感器件，也可以是分布式的电容或电感，分布式的电容可以用小于四分之一波长的开路传输线来实现，分布式的电感可以用小于四分之一波长的短路传输线来实现，当加载的电感值为0或电容值为无穷大时，加载点变为金属连接点或短路点；当加载的电感值为无穷大或电容值为0时，加载点变为断开点或开路点。

在上述实施例中，馈电点、元件加载点、开路点和短路点的选择是基于特征模分析的天线设计方法，其中，电气连接组件T1被选为天线馈电点原因是，如图2a，2b和2c所示，T1处三个模式的模式电流均最弱或较弱，净空处其模式电场强度均较强，故T1可用于做电容耦合激励。本实施例中，为了简化特征模分析，图2a，2b和2c中的可穿戴设备模型只保留了金属边框的内表面曲面、系统地、金属连接片和电气加载，并且电气加载只有开路和短路两种状态。表1给出了图2a，2b和2c对应的三个天线最低的两个特征模模式的谐振频率，由表1可知，三个天线模式1的谐振频率从1.16GHz逐渐升高至1.74GHz。

表1

现结合具体天线结构的设计对本实施例进行说明，但不仅限于此。

参看图2a，天线一电气连接组件T1、T2和T4开路，电气连接组件T3短路。由模式电流分布可知，模式电流最强点出现在短路点T3处，模式电流最弱点出现在开路点T1处，可知该模式是全金属边框的λ/2谐振模式。由模式远场方向图可知，该模式的远场方向图在可穿戴设备6点钟和9点钟之间出现了一个辐射零点，故该模式可以用来设计6点钟和9点钟辐射增益综合最佳的天线设计。

参看图2b，天线二电气连接组件T1和T2开路，电气连接组件T3和T4短路。由模式电流分布可知，模式电流最强点出现在短路点T3和T4处，模式电流最弱点出现在6点钟方向的金属边框处，开路点T1处靠近6点钟方向电流也较弱，可知该模式是部分金属边框(T3-T2-T1-T4顺时针路径)的λ/2谐振模式，T4与T3之间较短的那部分金属电流基本为零不参与辐射，故天线二的物理辐射面积比天线一小。由模式远场方向图可知，该模式的远场方向图在可穿戴设备6点钟方向出现了一个辐射零点。相比天线一，天线二方向图逆时针旋转了45度，而使9点钟辐射增益最佳，故该模式可以实现9点钟辐射增益最佳的天线设计。

参看图2c，天线三电气连接组件T1和T4开路，电气连接组件T2和T3短路。由模式电流分布可知，模式电流最强点出现在短路点T2和T3处，模式电流最弱点出现在9点钟方向的金属边框处，开路点T1处靠近9点钟方向电流也较弱，可知该模式是部分金属边框(T2-T1-T4-T3顺时针路径)的λ/2谐振模式，T2与T3之间较短的那部分金属电流基本为零不参与辐射。因为天线三不参与辐射的路径比天线二不参与辐射的路径长，所以天线三的物理辐射面积比天线二更小。由模式远场方向图可知，该模式的远场方向图在可穿戴设备9点钟方向出现了一个辐射零点。相比天线一，天线三方向图顺时针旋转了45度，而使6点钟辐射增益最佳，故该模式可以实现6点钟辐射增益最佳的天线设计。同时，相比天线一和天线二，天线三模式1的模式电流主要集中在金属边框上下边缘，其正好在手臂边缘，离手臂最远，故这个模式是在人手上工作时辐射效率最高/较高的模式。

图3a、3b和3c分别为实际可穿戴设备天线利用上述特征模模式激励并电气加载后在自由空间中调节在1.57542GHz工作时的电流分布和远场辐射方向图。图4a、4b和4c为对应天线一、2和3在人手上调节在1.57542GHz处工作时的电流分布和远场辐射方向图。

参看图3a和4a，天线一在自由空间中和人手上的电流分布和远场辐射方向图和图2a中的模式电流分布和模式远场辐射方向图非常接近，故该天线能实现6点钟和9点钟辐射增益综合最佳。天线一电气连接组件T2和T4同样开路，和图2a中的特征模分析模型不同的地方有两点：1)电气连接组件T3不是短路而是加载了电容2.3pF/1.7pF，其目的是将天线谐振频率往高频调到1.57542GHz，若要将天线谐振频率往低频调则需要加载电感；2)电气连接组件T1不是开路而是变成馈电点，馈电点处串联了一个0.2pF/0.5pF的电容来实现电容耦合馈电。

参看图3b和4b，天线二在自由空间中和人手上的电流分布和远场辐射方向图和图2b中的模式电流分布和模式远场辐射方向图非常接近，故该天线能实现9点钟辐射增益最佳。天线二电气连接组件T2同样开路，和图2b中的特征模分析模型不同的地方有两点：1)电气连接组件T3和T4不是短路而是加载了电容3.2pF/2.1pF，其目的是将天线谐振频率往高频调到1.57542GHz，若要将天线谐振频率往低频调则需要加载电感；2)电气连接组件T1不是开路而是变成馈电点，馈电点处串联了一个0.2pF/0.5pF的电容来实现电容耦合馈电。

参看图3c和4c，天线三在自由空间中和人手上的电流分布和远场辐射方向图和图2c中的模式电流分布和模式远场辐射方向图非常接近，故该天线能实现6点钟辐射增益最佳并且可以在人手上可以得到最高/较高的辐射效率。天线三电气连接组件T4同样开路，和图2c中的特征模分析模型不同的地方有两点：1)电气连接组件T2和T3不是短路而是加载了电容7.6pF/3.7pF，其目的是将天线谐振频率往高频调到1.57542GHz，若要将天线谐振频率往低频调则需要加载电感；2)电气连接组件T1不是开路而是变成馈电点，馈电点处串联了一个0.2pF/0.5pF的电容来实现电容耦合馈电。

图3b、4b中的T3和T4以及图3c、4c中的T2和T3均采用了对称加载，在实际复杂的可穿戴系统环境中因为软板电路(FPCs)和其他电子元器件的影响破坏了天线的对称性，加载也需要变得不对称以实现最佳的天线性能。

为了说明上述三种天线各自的优缺点，表2给出了天线一、二和三在自由空间和在人手上的性能比较。由表2可知，在空气中，天线一辐射效率效率最高，天线二辐射效率稍微低了0.16dB，天线三比天线二低了0.14dB。这和之前分析的天线物理辐射面积对应上了，天线一物理辐射面积最大，天线二其次，天线三最小。参看表2，当天线放置于人手臂上时，天线一、2和3的辐射效率相比自由空间上分别降低了7.83dB、9.14dB和6.41dB。

表2

可见，天线二辐射效率下降最多，其次是天线一，下降最少的是天线三。由图4b可知，天线二的电流主要集中在金属边框左右边缘，其正好在手臂中间，离手臂近，天线能量被手臂吸收的最多，这也是为什么天线二在人手上工作时辐射效率相比自由空间中下降最多的原因；由图4c可知，天线三的电流主要集中在金属边框上下边缘，其正好在手臂边缘，离手臂最远，天线能量被手臂吸收的最少，这也是为什么天线三在人手上工作时辐射效率相比自由空间中下降最少的原因；由图4a可知，天线一的电流主要集中在金属边框上边缘和右边缘，故天线一在人手上工作时辐射效率相比自由空间中下降值介于天线二和天线三之间。总的来说，天线一可以实现6点钟和9点钟辐射增益综合最佳；天线二可以实现最高的9点钟增益；天线三可以实现最高的辐射效率并且其6点钟辐射增益最高。所以，可以看出同一个可穿戴设备结构，可以有很多种方式来实现在同一个工作频率工作的天线。

但传统天线设计方法是采用随机调试或根据以往经验来调试，而本实施例提出的基于特征模分析的天线设计方法让对模式有直观的认识，也知道不同天线模式的优缺点。当知道所需天线的性能要求时，就可以选取相应的天线模式来设计天线，让天线设计更加直观和科学也可以提高天线设计的效率，这也是本实施例提出的天线设计方法的优势。比如说，当所需设计的GPS天线性能要求是最高的辐射效率和跑步状态6点钟方向最佳的辐射方向图时，可以选择天线三的特征模模式来设计所需的天线就能实现所需的性能要求。需要注意的是，本实施例所提供的天线结构不受工作频段和可穿戴设备尺寸的限制，因为工作频段和可穿戴设备的尺寸是相关的，只要是采用本实施例的思路和天线结构都是本发明的保护范围。

优选地，本实施例提出的可穿戴设备天线可以通过在T1、T2、T3和T4设置开关切换电路来实现更强大的功能，可以把上诉三种天线模式通过控制开关1、2、3和4来实时切换，以实现在不同的使用情况下更强大的功能。表3给出了6种模式分别是天线一、天线二和天线三在自由空间中以及在人手上的情况，模式越多，开关电路越复杂，在实际应用中可以考虑成本、复杂度和天线性能的平衡来选取是否需要采用开关电路，若需要，需要选取多少个模式。同样地，对于有些开关切换电路，比如表3中的开关1和开关3是电容值的变化，因此可以采用变容器来代替。

开关	开关1@T1	开关2@T2	开关3@T3	开关4@T4
					模式1	0.2pF	开路	2.3pF	开路
模式2	0.2pF	开路	3.2pF	3.2pF
					模式3	0.2pF	7.6pF	7.6pF	开路
模式4	0.5pF	开路	1.7pF	开路
					模式5	0.5pF	开路	2.1pF	2.1pF
模式6	0.5pF	3.7pF	3.7pF	开路

表3

参考图3a-4c，图中的馈电端口也可以包含匹配网络来实现多频可穿戴设备天线。不失一般性地，选择以图4c中天线三在人手上的情况为例子，为了调节高频频段天线的阻抗匹配，图4c中T1馈电点中用于电容耦合馈电的电容值由0.5pF变成0.4pF，同时还串联了一个电感值为4.3nH的电感。该多频可穿戴天线实施例的反射系数|S11|参数和天线效率分别如图5和图6所示。由图5可知，本多频可穿戴天线实施例能工作在GPS L1频段(1575.42±1.023MHz)、WiFi/Bluetooth频段(2.4-2.5GHz)、4G部分频段(2.32-2.7GHz)和5G部分sub-6G频段(3.3-3.59GHz)，在工作频段内反射系数|S11|参数小于-5dB。参看图6，该多频可穿戴天线实施例在人手上工作时辐射效率很高，在GPS L1中心频率处，辐射效率和总效率分别高达-8.53dB和-8.56dB；在WiFi/Bluetooth中心频率处，辐射效率和总效率分别高达-6.71dB和-6.32dB；在4G频段内，辐射效率和总效率分别在-6.66dB和-8.36dB以上；在5G频段内，辐射效率和总效率分别在-3.25dB和-3.66dB以上；总的来说，随着频率升高，辐射效率逐渐升高，然后由于阻抗失配的原因，总效率会低于辐射效率。

图7示出了本实施例的另外一个具体天线结构，由图可以看出该智能可穿戴设备天线的结构与图1中的天线结构不同之处在于，本实施例金属边框与地板之间只有三个电气连接组件(T1、T2、T3)。参看图7，优选地，电气连接组件T1被选为天线馈电点，电气连接组件T2、T3被用来做电气加载点。但本实施例天线馈电点不限制为电气连接组件T1，电气连接组件T2、T3也可以用作天线馈电点。并且多个天线馈电点可以同时使用，两个馈电点也可以用来设置差分馈电，比如电气连接组件T1和T3可以设置为一对差分馈电。为了实现耦合馈电，T1馈电点处串联了一个0.3pF的小电容；同时，T1馈电点处还串联了一个电感值为15.3nH的电感来调节该天线实施例高频段的阻抗匹配。电气连接组件2加载了一个11.3pF的电容来调节天线的谐振频率；同时，电气连接转置3开路。优化后，该天线实施例的反射系数|S11|参数如图8所示。参看图8，本多频可穿戴天线实施例能工作在GPS L5频段(1176.45±1.023MHz)、WiFi/Bluetooth频段(2.4-2.5GHz)、4G部分频段(1.96-2.62GHz)，在工作频段内反射系数|S11|参数小于-5dB。

图9示出了本实施例的另外一个具体天线结构，由图可以看出该智能可穿戴设备天线的结构与图1和图7中天线结构不同之处在于，本实施例金属边框与地板之间有五个电气连接组件(T1、T2、T3、T4、T5)。参看图9，优选地，电气连接组件T1被选为天线馈电点，电气连接组件T2、T3、T4、T5被用来做电气加载点。但本实施例天线馈电点不限制为电气连接组件T1，电气连接组件T2、T3、T4、T5也可以用作天线馈电点。并且多个天线馈电点可以同时使用，两个馈电点也可以用来设置差分馈电，比如电气连接组件T1和T5或者T2和T4可以设置为一对差分馈电。为了实现天线更宽带的工作频段，本实施例采用两种工作状态。状态1为，T1馈电，T2、T4、T5开路，T3电气加载；状态2为，T1馈电，T3、T5开路，T2、T4电气加载。

具体地，状态1为了实现耦合馈电，T1馈电点处串联了一个0.3pF的小电容；同时，T1馈电点处还串联了一个电感值为14.1nH的电感来调节该天线实施例高频段的阻抗匹配。电气连接组件T3加载了一个8.4pF的电容来调节天线的谐振频率。优化后，该天线实施例在人手上的反射系数|S11|参数如图10所示。参看图10，本多频可穿戴天线实施例能工作在GPS L5频段(1176.45±1.023MHz)、WiFi/Bluetooth频段(2.4-2.5GHz)、4G部分频段(1.92-2.61GHz)，在工作频段内反射系数|S11|参数小于-5dB。

具体地，状态2为了实现耦合馈电，T1馈电点处串联了一个0.4pF的小电容；同时，T1馈电点处还串联了一个电感值为4.2nH的电感来调节该天线实施例高频段的阻抗匹配。电气连接组件T3和T4分别加载了一个3.9pF的电容来调节天线的谐振频率。优化后，该天线实施例在人手上的反射系数|S11|参数如图10所示。参看图10，本多频可穿戴天线实施例能工作在GPS L1频段(1575.42±1.023MHz)、WiFi/Bluetooth频段(2.4-2.5GHz)、4G部分频段(2.4-2.71GHz)和5G sub-6G频段(3.3-4.2GHz)，在大部分工作频段内(除了3.86-4.09GHz外)反射系数|S11|参数小于-5dB。

同理，本实施例可以通过在T1、T2、T3和T4用加载开关电路来实现更强大的功能，可以把上述加载状态1和状态2通过控制开关1、2、3和4来实时切换，以实现在不同的使用情况下更强大的功能。表4列出了2种状态所需匹配网络电感和电容值以及加载值的总结。通过开关控制，本实施例可以实现GPS L1和L5频段的切换以及不同4G和5G频段的切换。这些强大的功能，使得本实施例能够满足现代无线通信系统对宽带4G、5G天线的兼容要求，并且能够实现更佳的GPS定位服务，同时天线结构非常简单。

表4

需要说明的，本实施例不限于上述提供的工作频段，别的频段或多频段天线设计也可使用本实施例的设计思想。通过增加或减小可穿戴设备的尺寸，改变电气加载点的位置，调节电气加载值的类别和大小，采用不同介电常数εr或磁导率μr的基板材料等方式，对其它单频或多频段天线设计完全适用。

本发明还提供一种上述实施例中智能可穿戴设备天线的设计方法，包括以下步骤：

基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式方向图，确定所需的天线模式，其中，若天线的电气连接组件的位置可变，则改变电气连接组件的位置调节所确定模式的谐振频率；

电气连接组件的位置固定之后或者电气连接组件的位置无法变动，则根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点，并且，在保证模式方向图不变的情况下，通过调整电气加载控制所确定天线模式的谐振频率。

具体地，本实施例基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式远场方向图，确定所需的天线模式进一步包括：根据模式电流的电流分布确定在工作状态下辐射效率最高的天线模式，或者根据模式方向图确定最佳辐射方向图的天线模式。

具体地，根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点进一步包括：将馈电点设于天线模式电流最弱的电气连接组件中进行电容耦合激励，或者将馈电点设于天线模式电流最强的电气连接组件中进行电感耦合激励。具体地，馈电点的选取有两种方式，一种是馈电点选取在模式电流最强或较强的电气连接组件处，这种叫电感耦合激励；另一种是馈电点选取在模式电场最强或较强即模式电流最弱或较弱的电气连接组件处，这种叫电容耦合激励；电感耦合激励也叫直接激励因为不需要添加其它元器件，电容耦合激励可以通过串联电容来激励或者通过非直接电连接的耦合馈电金属条和金属边框之间耦合激励。天线馈电点包含匹配网络，匹配网络只用来调整天线阻抗匹配不影响天线的模式特性；匹配网络包含电感、电容、传输线中的一种或几种串联或并联或混联组成的结构；同时，若采用电容耦合馈电，匹配网络还包含在金属边框和地板之间的电容耦合激励所需的串联电容或耦合馈电金属条。

具体地，在保证模式方向图不变的情况下，通过调整电气加载控制所确定天线模式的谐振频率进一步包括：在保证模式方向图不变的情况下，通过调整不同电气连接组件中的电气加载的加载状态控制所确定天线模式的谐振频率，其中，加载状态为单个加载或者通过开关切换电路进行不同加载状态之间的切换。具体地，加载点处的加载可以是单个加载，也可以是加载开关电路来控制在不同单个加载状态之间进行切换以实现更强大的功能，不同加载点的加载可以是单个加载和加载开关电路的各种组合。其中，单个加载可以是电容或电感器件，也可以是分布的电容或电感，或者两者之间的组合。分布式的电容可以用小于四分之一波长的开路传输线来实现，分布式的电感可以用小于四分之一波长的短路传输线来实现。

该方法为基于特征模分析的一种基于矩量法的模式分析方法，和传统天线设计方法非常不同。具体地，特征模分析的时候不需要像传统天线设计方法一样添加激励端口。这种方法首先分析整体金属结构所拥有的特征模模式，可以观察每个模式的特征属性，如谐振频率，电流和电场分布以及远场辐射方向图。然后，根据设计天线的具体要求，比如GPSL1(1575.42MHz)、L5(1176.45MHz)频段或北斗B1(1559.052～1591.788MHz)、B2(1166.22～1217.37MHz)、B3(1250.618～1286.423MHz)频段和方向图要求，比如跑步状态6点钟或走路状态9点钟辐射方向图最佳，选择最佳的特征模式。其次，根据模式电流和电场分布，选择最佳的馈电位置和馈电方式来激励我们所需的模式。再次，根据特征模式电流分布我们可以选择电流分布最远离人手的模式以实现最高的辐射效率。最后，通过加载来调节激励模式的谐振频率和通过匹配网络来优化天线在工作频段内的阻抗匹配。可见，特征模分析的天线设计方法是一种先分析模式，再选择模式，再激励模式，再调节模式，最后再整体优化天线的方法。该方法是一种系统性的天线设计方法，使天线设计更加直观、科学和有效率，非常适用于利用全金属边框和系统地来辐射的智能可穿戴设备天线的设计。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种智能可穿戴设备天线，其特征在于，包括：金属边框、基板、地板、若干电气连接组件，所述地板设于所述基板表面，其中，所述金属边框为无断点边框；

所述电气连接组件包括金属连接块、金属固定件、金属连接片，所述金属连接块固定于所述金属边框上，所述基板经所述金属固定件与所述金属连接块固定连接，所述金属连接片同所述地板设于所述基板同一表面，所述金属连接片经所述金属固定件、所述金属连接块与所述金属边框电连接；

所述金属连接片与所述地板之间间隔设置形成净空区，并且间隔之间设有用于调整天线模式的电气加载，所述电气加载的加载状态为天线的馈电点或元件加载点或开路点或短路点；

利用特征模式分析所述智能可穿戴设备天线，选择最佳的特征模式；根据选择的最佳的特征模式的电流和电场分布，选择最佳的馈电位置和馈电方式激励选择的所述最佳的特征模式；

根据所述最佳的特征模式电流分布选择电流分布最远离人手的模式以实现最高的辐射效率；

通过调整所述电气加载控制所确定天线模式的谐振频率和通过匹配网络来优化天线在工作频段内的阻抗匹配，以实现天线朝一个特定方向收发信号的能力的优化，以适应不同的佩戴情景。

2.根据权利要求1所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，至少一个所述电气连接组件中的所述电气加载为连接匹配网络的所述馈电点。

3.根据权利要求2所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，所述馈电点基于电容耦合激励设于天线模式电流最弱的所述电气连接组件中，或者所述馈电点基于电感耦合激励设于天线模式电流最强的所述电气连接组件中。

4.根据权利要求3所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，所述馈电点包括电容、金属条、馈电端口，所述馈电端口与所述匹配网络电连接，所述地板依次经所述馈电端口、所述金属条、所述电容与所述金属连接片电连接，以实现所述电容耦合激励的结构。

5.根据权利要求3所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，所述馈电点包括金属条、馈电端口，所述馈电端口与所述匹配网络电连接，所述地板经所述馈电端口与所述金属条电连接，所述金属条与所述金属连接片间隔且开路设置，以实现所述电容耦合激励的结构。

6.根据权利要求1所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，至少两个所述电气连接组件中的所述电气加载为连接匹配网络的所述馈电点，其中，两个所述馈电点为差分馈电设置。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，单个所述电气加载包括多个所述加载状态，所述电气加载还设有开关切换电路，用于不同所述加载状态之间的切换。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的智能可穿戴设备天线，其特征在于，所述元件加载点为电容器件或电感器件或其组合。

9.一种如权利要求1至8任意一项所述的智能可穿戴设备天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式方向图，确定所需的天线模式，其中，若天线的电气连接组件的位置可变，则改变所述电气连接组件的位置调节所确定模式的谐振频率；

所述电气连接组件的位置固定之后或者所述电气连接组件的位置无法变动，则根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点，并且，在保证所述模式方向图不变的情况下，通过调整所述电气加载控制所确定天线模式的谐振频率。

10.根据权利要求9所述的智能可穿戴设备天线的设计方法，其特征在于，所述基于可穿戴设备结构的特征模模式、谐振在所需频段附近模式的谐振频率、模式电流和模式远场方向图，确定所需的天线模式进一步包括：

根据所述模式电流的电流分布确定在工作状态下辐射效率最高的天线模式，或者根据所述模式方向图确定最佳辐射方向图的天线模式。

11.根据权利要求9或10所述的智能可穿戴设备天线的设计方法，其特征在于，所述根据所确定天线模式的电流或电场分布确定最佳的馈电点进一步包括：

将所述馈电点设于天线模式电流最弱的所述电气连接组件中进行电容耦合激励，或者将所述馈电点设于天线模式电流最强的所述电气连接组件中进行电感耦合激励。

12.根据权利要求9或10所述的智能可穿戴设备天线的设计方法，其特征在于，所述在保证所述模式方向图不变的情况下，通过调整所述电气加载控制所确定天线模式的谐振频率进一步包括：

在保证所述模式方向图不变的情况下，通过调整不同所述电气连接组件中的所述电气加载的加载状态控制所确定天线模式的谐振频率，其中，所述加载状态为单个加载或者通过开关切换电路进行不同所述加载状态之间的切换。

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