CN116093620A - 应用于智能指环的环形天线和智能指环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于智能指环的环形天线和智能指环。一种应用于智能指环的环形天线包括同心的外侧金属圈与内侧金属圈，且外侧金属圈的直径大于内侧金属圈的直径，外侧金属圈与内侧金属圈之间通过至少一对金属连接线短接，每对金属连接线包括两根分别位于外侧金属圈与内侧金属圈垂直两端的金属连接线，设置于外侧金属圈与内侧金属圈之间的环形PCB，环形PCB上设置的馈电点与外侧金属圈连接；内侧金属圈与外侧金属圈之间通过环状非金属填充支撑；外侧金属圈上开设垂直贯穿圈壁的第一缝隙。本发明实施例的提供的应用于智能指环的环形天线和智能指环，提供了一种小型化、性能稳定的智能指环天线。

Description

应用于智能指环的环形天线和智能指环

技术领域

本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种应用于智能指环的环形天线和智能指环。

背景技术

随着人们对健康的关注度的提高，能够实时监控人体生理参数的可穿戴设备已经进入人们的日常生活。可穿戴设备具有多种形式，例如智能手表、智能眼镜、智能指环等。各种可穿戴设备可以通过与人体的接触，持续监测人体体温、脉搏、心率、血压等生理参数，并通过无线通信技术将监测到的数据传输至手机等终端。在众多的可穿戴设备中，智能指环由于具有结构小巧、携带方便等优点，在健康监控方面有很大的应用潜力。

天线作为智能指环与外部终端之间通信不可或缺的部分，天线的性能将直接影响智能指环是否能够正常受控工作，监测的数据是否能够正确回传到外部终端中。但正是由于智能指环结构小巧，天线能够占据的空间是极其有限的，传统的与波长比拟的天线形式是难以胜任的。再者，智能指环通常佩戴在人体的手指上，人体的手部将随着不同的抓握而改变，也就是说智能指环的天线所处的人体环境不仅与周围环境相关同时还是动态可变的。这些问题导致智能指环天线的工作频率和阻抗匹配性能发生变换，从而将影响智能指环的通信性能和可靠性。

发明内容

本发明提供一种应用于智能指环的环形天线和智能指环，提供了一种小型化、性能稳定的智能指环天线。

第一方面，本发明实施例提供了一种应用于智能指环的环形天线，包括：内侧金属圈、环形PCB、外侧金属圈、环状非金属填充；

所述外侧金属圈与所述内侧金属圈同心，且所述外侧金属圈的直径大于所述内侧金属圈的直径，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过至少一对金属连接线短接，每对金属连接线包括两根分别位于所述外侧金属圈与所述内侧金属圈垂直两端的金属连接线，所述环形PCB设置于所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间，所述环形PCB上设置的馈电点与所述外侧金属圈连接；

所述内侧金属圈与所述外侧金属圈之间通过所述环状非金属填充支撑；

所述外侧金属圈上开设垂直贯穿圈壁的第一缝隙。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述馈电点与所述外侧金属圈之间串联匹配电容。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述环形PCB上还设置有天线匹配网络，所述天线匹配网络连接于所述馈电点与射频收发端口之间。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过两对金属连接线短接，所述两对金属连接线在所述外侧金属圈与所述内侧金属圈垂直两端上相对设置。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过一对金属连接线短接。

在第一方面一种可能的实现方式中，每对金属连接线位于所述外侧金属圈垂直方向的一条直线上。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述环状非金属填充为环状陶瓷块。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述环状陶瓷块为两个，分别设置于所述内侧金属圈与所述外侧金属圈垂直方向的两端，且所述环形陶瓷块的形状与所述内侧金属圈与所述外侧金属圈之间的空隙形状相同。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述环形PCB上设置的馈电点通过金属片或金属探针与所述外侧金属圈连接。

第二方面，本发明实施例提供一种智能指环，包括如第一方面任一种可能的实现方式所示的应用于智能指环的环形天线和智能指环电路，所述智能指环电路设置于所述应用于智能指环的环形天线中的环形PCB上。

本发明实施例提供的应用于智能指环的环形天线和智能指环，由于采用了与智能指环的共形设计，实现了天线辐射体的小型化，且稳定性高，能够满足智能指环对天线的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种应用于智能指环的环形天线的结构示意图；

图2为图1所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的频率带宽响应示意图；

图3为图1所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的辐射性能示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种应用于智能指环的环形天线的结构示意图；

图5为图4所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的频率带宽响应示意图；

图6为图4所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的辐射性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

传统的智能指环天线主要以缝隙天线和环形天线为主。传统的缝隙指环天线，主要是在指环的金属壁上开设半波长缝隙或四分之一波长缝隙，再通过偏馈的形式激励起缝隙辐射源，实现缝隙的谐振和能量辐射，但该类天线所占用空间较大，难以满足高密度集成的智能指环应用需求。传统的环形指环天线，依托指环的整个环形金属壁作为辐射体，在上部开口位置进行激励，实现环形天线辐射，但该类天线的谐振频率收到指环面积限制，同时还存在天线辐射环体易受人体组织干扰等问题。因此传统的缝隙形式和环形结构的指环天线，均难以满足智能指环的无线通信需求。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种小型化且高稳定性的智能指环天线，以满足智能指环对天线性能的需求。

图1为本发明实施例提供的一种应用于智能指环的环形天线的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的应用于智能指环的环形天线包括：内侧金属圈11、环形印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)12、外侧金属圈13、环状非金属填充14。

所述外侧金属圈13与所述内侧金属圈11同心，且所述外侧金属圈13的直径大于所述内侧金属圈11的直径。所述外侧金属圈13和所述内侧金属圈11均为具有一定圈壁宽度的金属圈。所述外侧金属圈13和所述内侧金属圈11的横截面可以是圆形也可以是椭圆形，所述外侧金属圈13和所述内侧金属圈11的圈壁的宽度可以相同也可以不同，可以根据智能指环的设计外形确定外侧金属圈13和所述内侧金属圈11的细节形状，但需要保持外侧金属圈13和所述内侧金属圈11的基本金属圈形结构。内侧金属圈11的直径略大于人体手指的直径，内侧金属圈11作为智能指环与人体手指接触的部分。外侧金属圈13的直径大于内侧金属圈11的直径，在外侧金属圈13和内侧金属圈11之间设置用于智能指环的其他器件。

所述外侧金属圈13与所述内侧金属圈11之间通过至少一对金属连接线15短接，每对金属连接线15包括两根分别位于所述外侧金属圈13与所述内侧金属圈11垂直两端的金属连接线15，图1中示出两对金属连接线15，且两对金属连接线15在所述外侧金属圈13与所述内侧金属圈11垂直两端上相对设置。通过金属连接线15的连接，在外侧金属圈13和内侧金属圈11之间可以形成电流环路。那么整个环形天线的有效电长度为外侧金属圈13的周长与内侧金属圈11的周长之和再加上金属连接线15的长度。外侧金属圈13和内侧金属圈11之间的至少一对金属连接线15形成了环形天线的感性加载，实现了环形天线电磁能量的辐射。

进一步地，每对金属连接线15位于所述外侧金属圈13垂直方向的一条直线上，也就是每对金属连接线15相对设置。

所述环形PCB 12设置于所述外侧金属圈13与所述内侧金属圈11之间，所述环形PCB 12上设置的馈电点16与所述外侧金属圈13连接。智能指环中各种器件均可以设置于环形PCB 12上，例如智能指环的处理器、射频处理模块、各种传感器和外部设备等。环形PCB12为圆环形，环形PCB 12的外径可以与外侧金属圈13的内径相同，环形PCB 12的内径可以与内侧金属圈11的外径相同。也就是说，环形PCB 12紧密填充在外侧金属圈13与内侧金属圈11之间，一方面环形PCB 12可以作为外侧金属圈13与内侧金属圈11之间的支撑，另一方面，更大面积的PCB 12也有利于为各种器件提供部署空间。环形PCB 12上的馈电点16通过金属片或金属探针17与外侧金属圈13连接，实现射频信号的接入和环形天线的激励。通过调整馈电点16与外侧金属圈13连接位置，可以对整个环形天线的阻抗匹配和通带性能进行调整。

所述内侧金属圈11与所述外侧金属圈13之间通过所述环状非金属填充14支撑。智能指环作为可穿戴设备，需要被人体佩戴并在人体日常生活中被使用，因此智能指环一方面需要一定的美观，另一方面也需要一定的强度。因此在内侧金属圈11与所述外侧金属圈13之间设置环状非金属填充14，一方面为智能指环提供支撑强度，另一方面为智能指环提供装饰性地外观。环状非金属填充14一般选择为硬质的材料，例如陶瓷材料，或者其他非金属材料。环状非金属填充14的形状可以与环形PCB 12的形状相同，且分别位于环形PCB 12的两侧，遮挡环形PCB 12并为环形PCB 12上的器件提供保护。

环状非金属填充14为环状陶瓷块时，所述环状陶瓷块可以为两个，分别设置于所述内侧金属圈11与所述外侧金属圈13垂直方向的两端，且所述环形陶瓷块的形状与所述内侧金属圈11与所述外侧金属圈13之间的空隙形状相同。也就是使用环形陶瓷块将所述内侧金属圈11与所述外侧金属圈13之间的空隙填充满，一方面使得采用本实施例提供的环形天线的智能指环外形美观，另一方面也能够为智能指环内部的器件提到足够保护。环状陶瓷块与所述内侧金属圈11以及所述外侧金属圈13可以通过粘接的方式连接，在环状陶瓷块与所述内侧金属圈11以及所述外侧金属圈13形状匹配，且粘接所使用的粘接材料防水性能较高时，整个智能指环也能够具有较好的防水性能。

外侧金属圈13上开设有垂直贯穿圈壁的第一缝隙18，第一缝隙18是在外侧金属圈13圈壁垂直方向上开设的，也就是从外侧金属圈13垂直方向的一端延伸至另一端，完全贯穿外侧金属圈13的圈壁。也就是在开设第一缝隙18后，外侧金属圈13呈“C”形。第一缝隙18为一窄缝隙，第一缝隙18的宽度远小于环形天线的波长。第一缝隙18形成了环形天线的容性加载，实现了环形天线电磁能量辐射泄露。

通过至少一对金属连接线15连接的外侧金属圈13和内侧金属圈11作为智能指环的共形天线，外侧金属圈13即为智能指环的外壁，内侧金属圈11即为智能指环的内壁。第一缝隙18作为整个环形天线电磁能量的辐射出口，这样整个环形天线的电磁能量辐射较为稳定，不易受人体组织的影响。本实施例提供的应用于智能指环的环形天线由于采用了与智能指环的共形设计，实现了天线辐射体的小型化，且稳定性高，能够满足智能指环对天线的需求。

进一步地，在所述馈电点16与所述外侧金属圈13之间还包括串联的匹配电容19，匹配电容19串联于环形天线的馈电电路中，使得天线端口获得良好的阻抗匹配，改善了天线的辐射性能。

进一步地，所述环形PCB 12上还可以设置天线匹配网络，所述天线匹配网络连接于所述馈电点16与射频收发端口之间。天线匹配网络可以是PI型匹配网络，可以通过对天线匹配网络的调整，实现对天线的阻抗匹配和通带性能的调整。

图2为图1所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的频率带宽响应示意图，图3为图1所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的辐射性能示意图。图2中的横坐标为频率，纵坐标为天线端口反射系数，图2中的两条曲线中，实线为天线在可穿戴环境下的频率带宽响应，虚线为天线在空气环境下的频率带宽响应，从图2中可以看出，图1所示实施例提供的天线的-10db阻抗带宽覆盖2.4GHz-2.48GHz蓝牙频段，满足蓝牙/WIFI等可穿戴设备的无线通信需求。同时对比天线在空气环境和可穿戴环境下的阻抗性能，天线的反射系数稳定，频段具有高稳定性的特点，因此采用图1所示天线的智能指环是用于不同的可穿戴场景。从图3中可以看出，天线辐射方向图呈准全向性，能够实现宽域的辐射覆盖。

图4为本发明实施例提供的另一种应用于智能指环的环形天线的结构示意图，如图4所示，本实施例提供的应用于智能指环的环形天线与图1所示应用于智能指环的环形天线的区别在于，外侧金属圈13与所述内侧金属圈11之间通过一对金属连接线15短接。

外侧金属圈13与所述内侧金属圈11之间仅通过一对金属连接线15短接，同样可以实现外侧金属圈13与内侧金属圈11的共形设计，且结构更为简单，便于加工。

图4所示实施例提供的天线与图1所示实施例提供的天线相比，可以满足可穿戴设备对更紧凑尺寸和系统集成的需求，同时也进一步简化了天线辐射体的结构。在本实施例中，采用电小谐振器加载技术、共形结构设计以及等效合成反方，不仅实现了辐射体尺寸的缩减，同时还极大简化了结构装配。

图5为图4所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的频率带宽响应示意图，图6为图4所示实施例提供的应用于智能指环的环形天线的辐射性能示意图。图5中的横坐标为频率，纵坐标为天线端口反射系数，图5中的两条曲线中，实线为天线在可穿戴环境下的频率带宽响应，虚线为天线在空气环境下的频率带宽响应，从图5中可以看出，图4所示实施例提供的天线的-10db阻抗带宽覆盖2.4GHz-2.48GHz蓝牙频段，满足蓝牙/WIFI等可穿戴设备的无线通信需求。同时对比天线在空气环境和可穿戴环境下的频带性能，天线的阻抗带宽受天线周围环境变化影响小，天线性能稳定，因此该天线适用于动态可变的复杂场景应用。从图6中可以看出，天线辐射方向图呈准全向性，能够实现大角度的通信覆盖。

综上所述，本发明实施例提供的应用于智能指环的环形天线，具有小型化和占用空间小等优点，适合小型化可穿戴设备的通信需求；天线的结构形式多样，设计灵活，可拓展到不同的设备和不同的应用场景中；天线采用了金属边框设计，天线性能稳定，受人体组织环境影响小，具有高稳定的优点，能够适用于可穿戴这种复杂多变的应用场景；天线利用指环固有的金属圈结构作为辐射体，仅需要在射频端预留一个集总匹配电路即可，成本低廉，适合大规模应用和生产。

另外，基于本发明实施例提供的应用于智能指环的环形天线的设计思路，还可以该天线拓展到物联网设备、其他植入式/可穿戴设备中。

本发明实施例还提供一种智能指环，包括应用于智能指环的环形天线和智能指环电路，应用于智能指环的环形天线可以为图1或图4所示天线，所述智能指环电路设置于所述应用于智能指环的环形天线中的环形印制电路板PCB上。所述智能指环电路包括智能指环用于实现其功能的各种器件或组合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种应用于智能指环的环形天线，其特征在于，包括：内侧金属圈、环形印制电路板PCB、外侧金属圈、环状非金属填充；

所述外侧金属圈与所述内侧金属圈同心，且所述外侧金属圈的直径大于所述内侧金属圈的直径，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过至少一对金属连接线短接，每对金属连接线包括两根分别位于所述外侧金属圈与所述内侧金属圈垂直两端的金属连接线，所述环形PCB设置于所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间，所述环形PCB上设置的馈电点与所述外侧金属圈连接；

所述内侧金属圈与所述外侧金属圈之间通过所述环状非金属填充支撑；

所述外侧金属圈上开设垂直贯穿圈壁的第一缝隙。

2.根据权利要求1所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述馈电点与所述外侧金属圈之间串联匹配电容。

3.根据权利要求2所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述环形PCB上还设置有天线匹配网络，所述天线匹配网络连接于所述馈电点与射频收发端口之间。

4.根据权利要求1所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过两对金属连接线短接，所述两对金属连接线在所述外侧金属圈与所述内侧金属圈垂直两端上相对设置。

5.根据权利要求1所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述外侧金属圈与所述内侧金属圈之间通过一对金属连接线短接。

6.根据权利要求4或5所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，每对金属连接线位于所述外侧金属圈垂直方向的一条直线上。

7.根据权利要求1所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述环状非金属填充为环状陶瓷块。

8.根据权利要求7所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述环状陶瓷块为两个，分别设置于所述内侧金属圈与所述外侧金属圈垂直方向的两端，且所述环形陶瓷块的形状与所述内侧金属圈与所述外侧金属圈之间的空隙形状相同。

9.根据权利要求1所述的应用于智能指环的环形天线，其特征在于，所述环形PCB上设置的馈电点通过金属片或金属探针与所述外侧金属圈连接。

10.一种智能指环，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的应用于智能指环的环形天线和智能指环电路，所述智能指环电路设置于所述应用于智能指环的环形天线中的环形印制电路板PCB上。

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