CN117748098A - 一种可穿戴设备 - Google Patents

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CN117748098A CN202211114401.0A CN202211114401A CN117748098A CN 117748098 A CN117748098 A CN 117748098A CN 202211114401 A CN202211114401 A CN 202211114401A CN 117748098 A CN117748098 A CN 117748098A
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Abstract

本申请提供了一种可穿戴设备,包括一种天线,该天线的方向图可切换,能够提升可穿戴设备的抗干扰能力。可穿戴设备包括:外壳,天线和地板。天线包括设置在外壳内的馈电单元,开关,第一电子元件,第一辐射体和第二辐射体。第一辐射体的端部和第二辐射体的端部相对且互不接触,第一辐射体的第一端包括馈电点,馈电单元在馈电点处与第一辐射体电连接,第二辐射体的第一端包括接地点,开关在接地点处电连接于第二辐射体和地板之间,第一电子元件电连接于开关和地板之间。

Description

一种可穿戴设备
技术领域
本申请涉及无线通信领域,尤其涉及一种可穿戴设备。
背景技术
无线耳机因具有便捷性和迷你性,越来越受到用户的喜爱,特别是真无线(truewireless stereo,TWS)蓝牙(blue tooth,BT)耳机。然而,由于TWS耳机直接佩戴于用户耳部,其天线性能较易受到用户头部的影响,因此较难实现优良的天线性能。同时,当TWS耳机佩戴在用户的耳朵上,在用户周围出现干扰时,例如,其他电子设备发出蓝牙频段的电信号,或与蓝牙频段同频的2.4GHz的WiFi信号,均会对用户使用TWS耳机造成干扰。
对于用户佩戴的其他可穿戴设备也会面临同样的问题,例如,智能手表和智能眼镜等。由于上述问题,可穿戴设备的天线对方向图切换的需求十分迫切。
发明内容
本申请提供一种可穿戴设备,包括一种天线,该天线结构简单,可以在保证其良好的辐射特性的基础上进行方向图的切换,提升可穿戴设备的抗干扰能力。
第一方面,提供了一种可穿戴设备,包括:外壳;天线,包括馈电单元,开关,第一电子元件,第一辐射体和第二辐射体,所述馈电单元,所述开关,所述第一辐射体和所述第二辐射体位于所述外壳内;地板,所述第二辐射体的第一端通过开关电连接于所述地板;其中,所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部相对且互不接触;所述第一辐射体的第一端包括馈电点,所述馈电单元在所述馈电点处与所述第一辐射体电连接;所述第二辐射体的第一端包括接地点,所述开关在所述接地点处电连接于所述第二辐射体和所述地板之间,所述第一电子元件电连接于所述开关和所述地板之间;所述开关处于第一开关状态时,所述天线的工作频段包括第一频段,所述天线产生第一方向图;所述开关处于第二开关状态时,所述天线的工作频段包括所述第一频段,所述天线产生第二方向图,所述第一方向图和所述第二方向图互补。
根据本申请实施例的技术方案,通过调整开关的电连接状态,控制第二辐射体的第一端与地板之间的电连接状态,从而改变天线的工作模式,通过天线的不同的工作模式实现两个互补的方向图的切换。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述开关处于所述第一开关状态时,所述第二辐射体的第一端通过所述开关接地;所述开关处于所述第二开关状态时,所述第二辐射体的第一端不通过所述开关接地。
根据本申请实施例的技术方案,通过控制第一开关的状态,可以控制天线的工作模式,在第一天线单元和第二天线单元之间切换。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述天线还包括第二电子元件;所述第二电子元件电连接于相对设置的所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部之间。
根据本申请实施例的技术方案,通过控制第二电子元件,使第二辐射体上由第二电子元件传输的电信号与第二辐射体上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),两者可以相互抵消,以降低第一辐射体和第二辐射体之间的耦合。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第二电子元件为电感,且电感值大于或等于10nH。
根据本申请实施例的技术方案,第二电子元件的电感值可以根据实际的设计进行调整,本申请对此并不做限制。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述天线还包括中和线;所述中和线的第一端在第一位置与所述第一辐射体电连接,所述中和线的第二端在第二位置与所述第二辐射体电连接。
根据本申请实施例的技术方案,当第一辐射体和第二辐射体之间电连接有中和线时,可以通过控制中和线的电长度,使第二辐射体上由中和线传输的电信号与第二辐射体上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),两者可以相互抵消,以降低第一辐射体和第二辐射体之间的耦合。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一位置与所述馈电点之间的距离小于第一波长的十六分之一,和/或,所述第二位置与所述接地点之间的距离小于所述第一波长的十六分之一,所述第一波长为所述第一频段对应的波长。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述天线还包括第三电子元件;所述中和线包括缝隙,所述第三电子元件电连接于所述缝隙两侧的中和线之间。
根据本申请实施例的技术方案,通过调整第三电子元件可以控制中和线的电长度,以使第二辐射体上由中和线传输的电信号与第二辐射体上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),相互抵消。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第三电子元件为电感,且电感值大于或等于5nH。
根据本申请实施例的技术方案,第三电子元件的电感值可以根据实际的设计进行调整,本申请对此并不做限制。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体和所述地板之间的距离大于或等于0.5mm,且小于或等于3mm。
根据本申请实施例的技术方案,第一辐射体和地板之间的距离可以理解为第一辐射体上的点与地板上的点之间的线段距离的最小值,或者,可以理解为第一辐射体和地板在第一方向上的距离,第一方向可以为垂直于第一辐射体所在平面的方向。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,相对设置的所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部之间的距离小于或等于1mm。
根据本申请实施例的技术方案,相对设置的第一辐射体的端部和第二辐射体的端部之间的距离可以为0.6mm。第一辐射体的端部和第二辐射体的端部之间的距离可以理解为第一辐射体的端部和第二辐射体的端部之间形成的缝隙的宽度。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体的长度L1与所述第二辐射体的长度L2,满足:L1×60%≤L2,或,L2×60%≤L1。
根据本申请实施例的技术方案,第一辐射体的电长度和第二辐射体的电长度可以相同(例如,电长度相差±10%),由于可穿戴设备内部的空间布局,可以通过在辐射体与地板之间设置电子元件(例如,电容或电感),使其在电长度不变的情况下,缩短辐射体的物理长度。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体和所述第二辐射体在所述地板所在平面的投影在第一方向上相互平行,且在第二方向上的间隔小于第一波长的四分之一,其中,所述第一方向为所述第一辐射体和所述第二辐射体的延伸方向,所述第二方向与所述第一方向垂直,所述第一波长为所述第一频段对应的波长。
根据本申请实施例的技术方案,第一辐射体和第二辐射体可以平行排布。第一辐射体和第二辐射体可以沿同一直线排布,或者,第一辐射体和第二辐射体可以交错排布。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端相对且互不接触;所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体的第一端和所述第二辐射体的第二端相对且互不接触;所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体的第二端和所述第一辐射体的第二端相对且互不接触;所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体的第一端和所述第一辐射体的第二端相对且互不接触;所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述可穿戴设备为真无线TWS耳机;所述可穿戴设备包括耳塞部和耳柄部,所述天线设置于所述耳柄部;所述第一辐射体与所述耳塞部之间的距离小于所述第二辐射体与所述耳塞部之间的距离。
根据本申请实施例的技术方案,第一辐射体可以设置于耳柄部靠近耳塞部的区域,第一辐射体可以作为主辐射体(设置有馈电点),利用耳塞部中与地板电连接的金属部件产生辐射,以提升天线的辐射特性。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一辐射体和所述第二辐射体为片状;所述可穿戴设备还包括印刷电路板PCB,所述PCB包括金属层,所述金属层与所述第一辐射体和所述第二辐射体相向设置。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述馈电单元与所述第一辐射体或所述地板之间均不包括开关。
根据本申请实施例的技术方案,馈电单元与第一辐射体之间未设置有开关或馈电单元与地板之间未设置有开关。由于在馈电单元处并不设置开关来切换匹配网络,因此并不会由开关的引入带来额外的插损,从而损失天线的辐射性能。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述第一频段包括蓝牙频段2.4-2.485GHz。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种可穿戴设备的结构性示意图。
图2是TWS耳机的天线结构在不同情况下的方向图的对比示意图。
图3是本申请实施例提供的天线结构的方向图的切换示意图。
图4是本申请实施例提供的天线201的示意图。
图5是本申请提供的一种线天线的共模模式的结构及对应的电流、电场的分布示意图。
图6是本申请提供的一种线天线的差模模式的结构及对应的电流、电场的分布示意图。
图7是本申请提供的槽天线的共模模式的结构及对应的电流、电场、磁流的分布图。
图8是本申请提供的槽天线的差模模式的结构及对应的电流、电场、磁流的分布图。
图9是本申请实施例提供的一种天线300的结构示意图。
图10是本申请实施例提供的一种天线300的俯视图。
图11是图9所示天线的S参数。
图12是图9所示天线的电流分布图。
图13是图9所示天线的S参数以及系统效率的仿真结果。
图14是图9所示天线在yoz面的方向图。
图15是图9所示天线在人头模型下的方向图。
图16是图9所示天线在人体模型下的方向图。
图17是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
图18是图17所示天线中第一辐射体和第二辐射体之间的隔离度。
图19是图17所示天线的仿真结果。
图20是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
图21是图20所示天线中第一辐射体和第二辐射体之间的隔离度。
图22是图20所示天线的仿真结果。
图23是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
图24是图23所示天线的系统效率的仿真结果。
图25是图23所示天线的电流分布图。
图26是图23所示天线的方向图。
图27是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
图28是图31所示天线的系统效率的仿真结果。
图29是图31所示天线的电流分布图。
图30是图33所示天线的方向图。
图31是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
图32是图31所示天线的系统效率的仿真结果。
图33是图31所示天线的电流分布图。
图34是图31所示天线的方向图。
图35是本申请实施例提供的另一个可穿戴设备。
图36是本申请实施例提供的另一个可穿戴设备。
具体实施方式
下面将结合附图,对本申请中的技术方案进行描述。
以下,对本申请实施例可能出现的术语进行解释。
耦合:可理解为直接耦合和/或间接耦合,“耦合连接”可理解为直接耦合连接和/或间接耦合连接。直接耦合又可以称为“电连接”,理解为元器件物理接触并电导通;也可理解为线路构造中不同元器件之间通过印制电路板(printed circuit board,PCB)铜箔或导线等可传输电信号的实体线路进行连接的形式;“间接耦合”可理解为两个导体通过隔空/不接触的方式电导通。在一个实施例中,间接耦合也可以称为电容耦合,例如通过两个导电件间隔的间隙之间的耦合形成等效电容来实现信号传输。
连接/相连:可以指一种机械连接关系或物理连接关系,例如,A与B连接或A与B相连可以指,A与B之间存在紧固的构件(如螺钉、螺栓、铆钉等),或者A与B相互接触且A与B难以被分离。
接通:通过以上“电连接”或“间接耦合”的方式使得两个或两个以上的元器件之间导通或连通来进行信号/能量传输,都可称为接通。
电容:可理解为集总电容和/或分布电容。集总电容指的是呈容性的元器件,例如电容元件;分布电容(或分布式电容)指的是两个导电件间隔一定间隙而形成的等效电容。
谐振/谐振频率:谐振频率又叫共振频率。谐振频率可以指天线输入阻抗虚部为零处的频率。谐振频率可以有一个频率范围,即,发生共振的频率范围。共振最强点对应的频率就是中心频率点频率。中心频率的回波损耗特性可以小于-20dB。
谐振频段/通信频段/工作频段:无论何种类型的天线,总是在一定的频率范围(频段宽度)内工作。例如,支持B40频段的天线,其工作频段包括2300MHz~2400MHz范围内的频率,或者是说,该天线的工作频段包括B40频段。满足指标要求的频率范围可以看作天线的工作频段。
电长度:可以是指物理长度(即机械长度或几何长度)与所传输电磁波的波长之比,电长度可以满足以下公式:
其中,L为物理长度,λ为电磁波的波长。
波长:或者工作波长,可以是谐振频率的中心频率对应的波长或者天线所支持的工作频段的中心频率。例如,假设B1上行频段(谐振频率为1920MHz至1980MHz)的中心频率为1955MHz,那工作波长可以为利用1955MHz这个频率计算出来的波长。不限于中心频率,“工作波长”也可以是指谐振频率或工作频段的非中心频率对应的波长。
应理解,波长(工作波长)可以理解为电磁波在介质中的波长,例如,辐射体产生的电磁波在介质中传输的波长与真空中传输的波长满足以下公式:
其中,λε为电磁波在介质中的波长,λc为电磁波在真空中的波长,εr为介质层中介质的相对介电常数。本申请实施例中的波长,通常指的是介质波长,可以是谐振频率的中心频率对应的介质波长,或者天线所支持的工作频段的中心频率对应的介质波长。例如,假设B1上行频段(谐振频率为1920MHz至1980MHz)的中心频率为1955MHz,那波长可以为利用1955MHz这个频率计算出来的介质波长。不限于中心频率,“介质波长”也可以是指谐振频率或工作频段的非中心频率对应的介质波长。为便于理解,本申请实施例中提到的介质波长可以简单地通过辐射体的一侧或多侧所填充介质的相对介电常数来计算。
本申请实施例中提及的中间或中间位置等这类关于位置、距离的限定,均是针对当前工艺水平而言的,而不是数学意义上绝对严格的定义。例如,导体的中间(位置)可以是指导体上包括中点的一段导体部分,例如,导体的中间(位置)可以是指导体上距离中点小于预定阈值(例如,1mm,2mm,或2.5mm)的一段导体部分。
天线系统效率(total efficiency):指在天线的端口处输入功率与输出功率的比值。
天线辐射效率(radiation efficiency):指天线向空间辐射出去的功率(即有效地转换电磁波部分的功率)和输入到天线的有功功率之比。其中,输入到天线的有功功率=天线的输入功率-损耗功率;损耗功率主要包括回波损耗功率和金属的欧姆损耗功率和/或介质损耗功率。辐射效率是衡量天线辐射能力的值,金属损耗、介质损耗均是辐射效率的影响因素。
本领域技术人员可以理解,效率一般是用百分比来表示,其与dB之间存在相应的换算关系,效率越接近0dB,表征该天线的效率越优。
天线方向图:也称辐射方向图。是指在离天线一定距离处,天线辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形,通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。
天线方向图通常都有多个辐射波束。其中辐射强度最大的辐射波束称为主瓣,其余的辐射波束称为副瓣或旁瓣。在副瓣中,与主瓣相反方向上的副瓣也叫后瓣。
天线回波损耗:可以理解为经过天线电路反射回天线端口的信号功率与天线端口发射功率的比值。反射回来的信号越小,说明通过天线向空间辐射出去的信号越大,天线的辐射效率越大。反射回来的信号越大,说明通过天线向空间辐射出去的信号越小,天线的辐射效率越小。
天线回波损耗可以用S11参数来表示,S11属于S参数中的一种。S11表示反射系数,此参数能够表征天线发射效率的优劣。S11参数通常为负数,S11参数越小,表示天线回波损耗越小,天线本身反射回来的能量越小,也就是代表实际上进入天线的能量就越多,天线的系统效率越高;S11参数越大,表示天线回波损耗越大,天线的系统效率越低。
需要说明的是,工程上一般以S11值为-6dB作为标准,当天线的S11值小于-6dB时,可以认为该天线可正常工作,或可认为该天线的发射效率较好。
地,或地板:可泛指电子设备(比如手机)内任何接地层、或接地板、或接地金属层等的至少一部分,或者上述任何接地层、或接地板、或接地部件等的任意组合的至少一部分,“地”可用于电子设备内元器件的接地。一个实施例中,“地”可以是电子设备的电路板的接地层,也可以是电子设备中框形成的接地板或屏幕下方的金属薄膜形成的接地金属层。一个实施例中,电路板可以是印刷电路板(printed circuit board,PCB),例如具有8、10、12、13或14层导电材料的8层、10层或12至14层板,或者通过诸如玻璃纤维、聚合物等之类的介电层或绝缘层隔开和电绝缘的元件。一个实施例中,电路板包括介质基板、接地层和走线层,走线层和接地层通过过孔进行电连接。
上述任何接地层、或接地板、或接地金属层由导电材料制得。一个实施例中,该导电材料可以采用以下材料中的任一者:铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。
本领域技术人员可以理解,接地层/接地板/接地金属层也可由其它导电材料制得。
本申请提供的技术方案适用于采用以下一种或多种通信技术的可穿戴设备:BT通信技术、全球定位系统(global positioning system,GPS)通信技术、无线保真(wirelessfidelity,WiFi)通信技术、全球移动通讯系统(global system for mobilecommunications,GSM)通信技术、宽频码分多址(wideband code division multipleaccess,WCDMA)通信技术、长期演进(long term evolution,LTE)通信技术、(5thgeneration,5G)通信技术以及未来其他通信技术等。
图1是本申请实施例提供的一种可穿戴设备的结构性示意图,以无线耳机为例进行说明。
如图1所示,是一种无线耳机100的结构性示意图,无线耳机100可以例如是TWS蓝牙耳机。无线耳机100可以被划分为耳塞部1和耳柄部2。耳塞部1连接于耳柄部2的一端。耳塞1可以容置或嵌入于用户的耳廓内,耳柄部2可以挂接在用户耳廓的边缘,并位于用户耳廓的外周。
如图1中的(a)、(c)所示,耳柄部2可以被进一步划分为与耳塞部1相接的连接段21,以及位于连接段21两侧的顶段22和底段23。耳柄部2的顶段22、连接段21及底段23沿无线耳机的纵向依次排布。在本申请中,纵向可以是耳柄部2的延伸方向(如图1中的(a)所示的Y轴),也是耳柄部2的长度方向。纵向的两端可以分别为顶端和底端。顶段22、连接段21及底段23可以是一体式结构或分体式结构。
如图1中的(b)所示,耳柄部2还可以被划分为与耳塞部1相接的连接段21,以及位于连接段21一侧的底段23。连接端21连接在耳塞部1与底段23之间。连接段21与底段23沿无线耳机100的纵向分布。也就是说,在本申请中,无线耳机100可以具有也可以不具有如图1中的(a)、(c)所示的顶段22。
如图1中的(a)、(b)所示,无线耳机100可以包括外壳10。外壳10可以用于收容无线耳机100的各种部件。外壳10可以包括主壳体101、底部壳体102以及侧部壳体103。
主壳体101可以覆盖耳柄部2的部分底段23、耳柄部2的连接段21、耳柄部2的顶段22、耳塞部1中与连接段21相连的部分。主壳体101在耳柄部2的底段23可以形成第一开口1011,在耳塞部1可以形成第二开口1012。第一开口1011和第二开口1012可以用于装入无线耳机100内的部件。
底部壳体102可以位于耳柄部2的底段23的最底部。底部壳体102可以通过第一开口1011与主壳体101固定连接。在一种可能的实现方式中,底部壳体102与主壳体101之间的连接为可拆卸连接(例如扣合连接、螺纹连接等),以便于无线耳机100的后续维修(或维护)。在另一种可能的实现方式中,底部壳体102与主壳体101之间的连接可以为不可拆卸连接(例如胶接),以降低底部壳体102意外脱落的风险,有利于提高无线耳机100的可靠性。
侧部壳体103可以位于耳塞部1的远离耳柄部2的一侧。侧部壳体103可以通过第二开口1012与主壳体101固定连接。在一种可能的实现方式中,侧部壳体103与主壳体101之间的连接为可拆卸连接(例如扣合连接、螺纹连接等),以便于无线耳机100的后续维修(或维护)。在另一种可能的实现方式中,侧部壳体103与主壳体101之间的连接也可以为不可拆卸连接(例如胶接),以降低侧部壳体103意外脱落的风险,有利于提高无线耳机100的可靠性。
在侧部壳体103上可以设置有一个或多个出音孔1031,使得外壳10内部的声音可以经出音孔1031传输至外壳10外部。本申请可以不限定出音孔1031的形状、位置、数量等。
应理解,本申请可以不限定外壳10上的开口数量和开口位置。在不同的无线耳机100可以具有不同开口数量和/或不同开口位置。例如,如图1中的(c)所示,外壳10可以包括第一壳体104、第二壳体105。第一壳体104上可以形成第三开口1041。第一壳体104可以通过第三开口1041与第二壳体105固定连接。在图1中的(c)所示的示例中,无线耳机100可以具有更少的开口数量。
应理解,图1所示的无线耳机100的结构仅仅是一些示例,无线耳机100还可以有其他不同的实施例,以下仅以图1所示的无线耳机100为例进行详细说明等。
图2是TWS耳机的天线结构在不同情况下的方向图的对比示意图。其中,图2中的(a)是用户未佩戴TWS耳机时,其天线结构的方向图,图2中的(b)是用户佩戴TWS耳机时,其天线结构的方向图。
由于TWS耳机佩戴在用户的耳朵上,紧贴用户头部,因此,人体对耳机的天线结构辐射出来能量吸收严重,其方向图会发生改变,并且由于反射效应使得耳机的天线结构在靠近人头的一侧会产生辐射性能极差的零点,如图2中的(b)所示,在用户的使用过程中引起卡顿问题,降低了用户体验感。应理解,天线结构的方向图的零点可以认为是天线结构的方向图中的增益的较小值,或者,也可认为是其增益小于一定阈值的区域,由于天线结构及所处环境的不同,天线结构的方向图也可能具有多个零点。
同时,当TWS耳机佩戴在用户的耳朵上,在用户周围出现干扰时,例如,其他电子设备发出蓝牙频段的电信号,或与蓝牙频段同频的2.4GHz的WiFi信号,均会对用户使用TWS耳机造成干扰。对于用户佩戴的其他可穿戴设备也会面临同样的问题,例如,智能手表和智能眼镜等。
由于上述问题,可穿戴设备的天线对方向图切换的需求十分迫切。
本申请实施例提供的天线结构可以包括天线单元1和天线单元2,其中,天线单元1在用户佩戴时的方向图为图3中的方向图1,天线单元2在用户佩戴时的方向图为图3中的方向图2,方向图1和方向图2是互补的两个方向图。耳机可以通过天线单元的灵敏度,当丢包率低于阈值时,在天线单元1和天线单元2之间切换,从而在两个互补的方向图之间切换,原本单一天线方向图的零点位置被补齐,合成的双天线方向图弥补了任一单天线方向图在零点处的小增益,从而提升天线结构整体的空中下载技术测试(over the air,OTA)性能。应理解,两个互补的方向图可以理解为两个方向图的零点不在同一方向上,即零点不重合。丢包率可以理解为电子设备在接收数据包的过程中丢失数据包的比率,当丢包率大于阈值时,可以判断当前天线结构受环境影响较大,其辐射特征较差。合成的方向图是为了便于理解,而将至少两个方向图组合而形成,合成的方向图可以理解为在任意一个角度的增益为该至少两个方向图中在该角度对应的增益的较大值。应可理解,两个互补的方向图所合成的方向图至少可以增大任一方向图在零点处的增益。
图4是天线201(也可称为天线201)的示意图。
如图4所示,天线201可以包括辐射体211,PCB220,馈电单元230和开关240。
其中,辐射体211可以利用可穿戴设备的外壳的金属部分形成。辐射体211可以与PCB220相向设置,相向设置可以理解为辐射体211与PCB220面对面设置。馈电单元230电连接于辐射体211的第一端和地板(例如,PCB220中的金属层211)之间。开关240电连接于辐射体211的第二端和地板之间。
在图4所示的天线201中,通过开关240切换金属层221与辐射体211的第二端之间的电连接状态,可以实现天线辐射体在相同频段下不同的工作模态,不同工作模态下的辐射体211可以看作对应于不同的天线单元,例如,包括第一天线单元和第二天线单元。第一天线单元和第二天线单元共用辐射体211。当开关240在第一开关状态(例如,连通)时,辐射体211的第二端与金属层221处于第一连接状态(例如,电连接状态),金属部分的第二端通过第一开关接地,金属部分211的部分或全部作为第一天线单元的辐射体,在这种情况下,第一单元可以是左手天线或者环(loop)天线。当开关240在第二开关状态(例如,断开)时,辐射体211的第二端与金属层221处于第二连接状态(例如,金属部分211的第二端与金属层221之间不连通,即不形成电连接,电信号不进行传输),辐射体211的第二端不通过开关240接地,辐射体211的部分或全部作为第二天线单元的辐射体,在这种情况下,第二单元可以是单极子天线。
因此,通过控制开关240的状态,可以控制天线201在第一天线单元和第二天线单元之间切换。第一天线单元和第二天线单元均利用辐射体211作为辐射体产生辐射。由于第一天线单元和第二天线单元的方向图互补。
但是,在该天线结构中,由于当开关240在第一开关状态和第二开关状态之间切换时,第一天线单元和第二天线单元之间的模式差距较大(第一单元为左手天线或者环(loop)天线,第二天线单元为单极子天线)。因此,为保证天线结构具有良好的辐射特性,在馈电单元230和辐射体211之间还需要设置开关241,以切换第一天线单元和第二天线单元对应的不同匹配。
由于可穿戴设备内空间紧凑,难以在有限的空间内布局多个开关,因此,对于上述图4所示的天线来说,难以在可穿戴设备内实现。
本申请提供了一种可穿戴设备,可以包括一种天线,该天线结构简单,可以在保证其良好的辐射特性的基础上进行方向图的切换,提升可穿戴设备的抗干扰能力。
首先,由图5至图8来介绍本申请将涉及四个天线模式。其中,图5是本申请提供的一种线天线的共模模式的结构及对应的电流、电场的分布示意图。图6是本申请提供的另一种线天线的差模模式的结构及对应的电流、电场的分布示意图。图7是本申请提供的一种槽天线的共模模式的结构及对应的电流、电场、磁流的分布示意图。图8是本申请提供的另一种槽天线的差模模式的结构及对应的电流、电场、磁流的分布示意图。
1、线天线的共模(common mode,CM)模式
图5中的(a)示出线天线40的辐射体通过馈电线42连接到地(例如地板,可以是PCB)。线天线40在中间位置41处连接馈电单元(图未示),并采用对称馈电(symmetricalfeed)。馈电单元可以通过馈电线42连接在线天线40的中间位置41。应理解,对称馈电可以理解为馈电单元一端连接辐射体,另外一端接地,其中,馈电单元与辐射体连接点(馈电点)位于辐射体中心,辐射体中心,例如可以是集合结构的中点,或者,电长度的中点(或上述中点附近一定范围内的区域)。
线天线40的中间位置41,例如中间位置41可以是线天线的几何中心,或者,辐射体的电长度的中点,例如馈电线42与线天线40连接处覆盖中间位置41。
图5中的(b)示出了线天线40的电流、电场分布。如图5中的(b)所示,电流在中间位置41两侧呈现对称分布,例如反向分布;电场在中间位置41两侧,呈现同向分布。如图5中的(b)所示,馈电线42处的电流呈现同向分布。基于馈电线42处的电流同向分布,图5中的(a)所示的这种馈电可称为线天线的CM馈电。基于电流在辐射体与馈电线42连接处的两侧呈现对称分布,图5中的(b)所示的这种线天线模式,可以称为线天线的CM模式(也可简称为CM模式,例如对于线天线而言,CM模式则指的是线天线的CM模式)。图5中的(b)所示的电流、电场可分别称为线天线的CM模式的电流、电场。
线天线的CM模式的电流、电场是线天线40在中间位置41两侧的两个枝节(例如,两个水平枝节)作为工作在四分之一波长模式的天线产生的。电流在线天线40的中间位置41处强,在线天线40的两端弱。电场在线天线40的中间位置41处弱,在线天线40的两端强。
2、线天线的差模(differential mode,DM)模式
如图6中的(a)示出线天线50的两个辐射体通过馈电线52连接到地(例如地板,可以是PCB)。线天线50在两个辐射体之间的中间位置51处连接馈电单元,并采用反对称馈电(anti-symmetrical feed)。馈电单元的一端通过馈电线52与其中一个辐射体连接,馈电单元的另一端通过馈电线52与其中另一个辐射体连接。中间位置51可以是线天线的几何中心,或者,辐射体之间形成的缝隙。
应理解,本申请中提到的“中心反对称馈电”可以理解为,馈电单元的正负两极分别连接在辐射体的上述中点附近的两个连接点。馈电单元的正负极输出的信号幅度相同,相位相反,例如相位相差180°±10°。
图6中的(b)示出了线天线50的电流、电场分布。如图6中的(b)所示,电流在线天线50的中间位置51两侧呈现非对称分布,例如同向分布;电场在中间位置51两侧呈反向分布。如图6中的(b)所示,馈电线52处的电流呈现反向分布。基于馈电线52处的电流反向分布,图6中的(a)所示的这种馈电可称为线天线DM馈电。基于电流在辐射体与馈电线52连接处的两侧呈现非对称分布(例如,同向分布),图6中的(b)所示的这种线天线模式可以称为线天线的DM模式(也可简称为DM模式,例如对于线天线而言,DM模式则指的是线天线的DM模式)。图6中的(b)所示的电流、电场可分别称为线天线的DM模式的电流、电场。
线天线的DM模式的电流、电场是整个线天线50作为工作在二分之一波长模式的天线产生的。电流在线天线50的中间位置51处强,在线天线50的两端弱。电场在线天线50的中间位置51处弱,在线天线50的两端强。
应理解,对于线天线的辐射体,可以理解为产生辐射的金属结构件,其数量可以是一件,如图5所示,或者,也可以是两件,如图6所示,可以根据实际的设计或生产需要进行调整。例如,对于线天线的CM模式,也可以如图6所示采用两个辐射体,两个辐射体的两端相对设置并间隔一缝隙,在相互靠近的两端采用对称馈电的方式,例如在两个辐射体相互靠近的两端分别馈入同一馈源信号,也可以获得与图5所示天线结构类似的效果。相应的,对于线天线的DM模式,也可以如图5所示采用一个辐射体,在辐射体的中间位置设置两个馈电点并采用反对称馈电的方式,例如在该辐射体上对称的两个馈电点如分别馈入幅度相同、相位相反的信号,也可以获得与图6所示天线结构类似的效果。
3、槽天线的CM模式
图7中的(a)示出的槽天线60,可以是槽天线的辐射体中具有镂空的槽或缝隙61而形成的,或者可以是,槽天线的辐射体与地(例如地板,可以是PCB)合围出该槽或槽61而形成的。槽61可通过在地板上开槽形成。槽61的一侧设有开口62,开口62可具体开设在该侧的中间位置。槽61的该侧的中间位置例如可以是槽天线的几何中点,或者,辐射体的电长度的中点,例如开口62开设在辐射体上的区域覆盖该侧的中间位置。开口62处可连接馈电单元,并采用反对称馈电。应理解,反对称馈电可以理解为,馈电单元的正负两极分别连接在辐射体的两端。馈电单元的正负极输出的信号幅度相同,相位相反,例如相位相差180°±10°。
图7中的(b)示出了槽天线60的电流、电场、磁流分布。如图7中的(b)所示,电流在槽61周围的导体(如地板,和/或辐射体60)上围绕槽61呈同向分布,电场在槽61的中间位置两侧呈现反向分布,磁流在槽61的中间位置两侧呈反向分布。如图7中的(b)所示,开口62处(例如,馈电处)的电场同向,开口62处(例如,馈电处)的磁流同向。基于开口62处(馈电处)的磁流同向,图7中的(a)所示的这种馈电可称为槽天线CM馈电。基于电流在开口62两侧的辐射体上呈现非对称分布(例如,同向分布),或者,基于电流在槽61周围的导体上围绕槽61呈同向分布,图7中的(b)所示的这种槽天线模式可以称为槽天线的CM模式(也可简称为CM模式,例如对于槽天线而言,CM模式则指的是槽天线的CM模式)。图7中的(b)所示的电场、电流、磁流分布可称为槽天线的CM模式的电场、电流、磁流。
槽天线的CM模式的电流、电场是槽天线60的中间位置两侧的槽天线体作为工作在二分之一波长模式的天线产生的。磁场在槽天线60的中间位置处弱,在槽天线60的两端强。电场在槽天线60的中间位置处强,在槽天线60的两端弱。
4、槽天线的DM模式
如图8中的(a)示出的槽天线70,可以是槽天线的辐射体中具有镂空的槽或缝隙72而形成的,或者可以是,槽天线的辐射体与地(例如地板,可以是PCB)合围出该槽或槽72而形成的。槽72可通过在地板上开槽形成。槽72的中间位置71处连接馈电单元,并采用对称馈电。应理解,对称馈电可以理解为馈电单元一端连接辐射体,另外一端接地,其中,馈电单元与辐射体连接点(馈电点)位于辐射体中心,辐射体中心,例如可以是集合结构的中点,或者,电长度的中点(或上述中点附近一定范围内的区域)。槽72的一侧边的中间位置连接馈电单元的正极,槽72的另一侧边的中间位置连接馈电单元的负极。槽72的侧边的中间位置例如可以是槽天线60的中间位置/地的中间位置,比如槽天线的几何中点,或者,辐射体的电长度的中点,例如馈电单元与辐射体的连接处覆盖该侧的中间位置51。
图8中的(b)示出了槽天线70的电流、电场、磁流分布。如图8中的(b)所示,在槽72周围的导体(如地板,和/或辐射体60)上,电流围绕槽72分布,且在槽72的中间位置两侧呈反向分布,电场在中间位置71两侧呈现同向分布,磁流在中间位置71两侧呈同向分布。馈电单元处的磁流呈反向分布(未示出)。基于馈电单元处的磁流呈反向分布,图8中的(a)所示的这种馈电可称为槽天线DM馈电。基于电流在馈电单元与辐射体的连接处两侧呈现对称分布(例如,反向分布),或者,基于电流围绕缝隙71呈现对称分布(例如,反向分布),图8中的(b)所示的这种槽天线模式可以称为槽天线的DM模式(也可简称为DM模式,例如对于槽天线而言,DM模式则指的是槽天线的DM模式)。图8中的(b)所示的电场、电流、磁流分布可称为槽天线的DM模式的电场、电流、磁流。
槽天线的DM模式的电流、电场是整个槽天线70作为工作在一倍波长模式的天线产生的。电流在槽天线70的中间位置处弱,在槽天线70的两端强。电场在槽天线70的中间位置处强,在槽天线70的两端弱。
应理解,对于槽天线的辐射体,可以理解为产生辐射的金属结构件(例如包括地板的一部分),可以包括开口,如图7所示,或者,也可以为完整的环形,如图8所示,可以根据实际的设计或生产需要进行调整。例如,对于槽天线的CM模式,也可以如图8所示采用完整的环形辐射体,在槽61的一侧上的辐射体的中间位置设置两个馈电点并采用反对称馈电的方式,例如在原本设置开口位置的两端分别馈入幅度相同、相位相反的信号,也可以获得与图7所示天线结构类似的效果。相应的,对于槽天线的DM模式,也可以如图7所示采用包括开口的辐射体,在开口位置的两端采用对称馈电的方式,例如在开口两侧的辐射体的两端分别馈入同一馈源信号,也可以获得与图8所示天线结构类似的效果。
图9是本申请实施例提供的一种天线300的结构示意图,可以应用于图1所示的可穿戴设备中。
如图9所示,天线300包括第一辐射体310,第二辐射体320,第一电子元件341,馈电单元330和开关340。
其中,第一辐射体310,第二辐射体320,馈电单元330和开关340可以设置于图1所示的可穿戴设备的外壳10内。在一个实施例中,第一辐射体310,第二辐射体320,馈电单元330和开关340可以设置于图1所示的可穿戴设备的耳柄部2。
第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部相对且互不接触。在一个实施例中,第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端相对且互不接触,第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端为开放端,开放端可以理解为,辐射体在端部不与其他导体连接。为了论述的简洁,在该实施例中仅以第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端相对为例进行说明。
第一辐射体310的第一端包括馈电点311,馈电单元330在馈电点311处与第一辐射体310电连接。第二辐射体320的第一端包括接地点321,开关340在接地点321处电连接于第二辐射体320和地板301之间。第一电子元件341电连接于开关340和地板301之间。
开关340处于第一开关状态时,天线300的工作频段包括第一频段,天线300产生第一方向图。开关340处于第二开关状态时,天线300的工作频段包括第一频段,天线产生第二方向图,第一方向图和第二方向图互补。
在一个实施例中,开关340处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体320的第一端通过开关340接地。开关340处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体320的第一端不通过开关340接地。
本申请实施例提供的技术方案,通过调整开关340的电连接状态,控制第二辐射体320的第一端与地板301之间的电连接状态,从而改变天线300的工作模式,通过天线300的不同的工作模式实现两个互补的方向图的切换。在一个实施例中,如图9所示,当开关340处于第二开关状态(例如,断开状态)时,天线300可以作为第一天线单元,天线300的工作模式为线天线的CM模式。当开关340处于第一开关状态(例如,连通状态)时,天线300可以作为第二天线单元,天线300的工作模式为包括槽天线的CM模式和DM模式的混合模式。第一天线单元和第二天线单元产生的谐振均可以支持可穿戴设备在第一频段内进行通信,利用第一天线单元的CM模式产生的第一方向图与第二天线单元的混合模式产生的互补的第二方向图,可以实现天线的方向图的切换。
在一个实施例中,馈电单元330与第一辐射体310之间未设置有开关或馈电单元330与地板301之间未设置有开关。在本申请实施例提供的技术方案中,通过调整开关340的电连接状态,切换第一天线单元和第二天线单元,由于第一天线单元和第二天线单元的工作模式接近,因此,并不需要在馈电单元330处设置额外的开关以切换不同天线单元的工作模式对应的匹配网络(例如,馈电单元330和第一辐射体310之间串联电容,并联电感),可以减少天线300所占用的布局空间。此外由于在馈电单元330处并不设置开关来切换匹配网络,因此并不会由开关的引入带来额外的插损,从而损失天线的辐射性能。
在一个实施例中,第一辐射体310的第一端并不能狭义的理解为一定是一个点,还可以认为是第一辐射体310上包括端点(第一辐射体310的端点可以是第一辐射体310的边缘上的任一点)的一段辐射体,例如,可以认为第一端是距离端点第一波长的十六分之一以内的辐射体,或者,也可以认为是距离第一端点2mm以内的辐射体。在本申请实施例中的辐射体的第一端或第二端也可以相应理解。第一波长可以为第一频段对应的波长,例如,第一波长可以是第一频段中谐振点对应的波长,或者,也可以是第一频段的中心频率对应的波长。
在一个实施例中,天线300可以设置于图1所示的可穿戴设备的耳柄部2。
在一个实施例中,第一辐射体310与图1所示的可穿戴设备的耳塞部1之间的距离小于第二辐射体320与耳塞部1之间的距离。第一辐射体310可以设置于耳柄部2靠近耳塞部1的区域,第一辐射体310可以作为主辐射体(设置有馈电点),利用耳塞部1中与地板301电连接的金属部件产生辐射,以提升天线300的辐射特性。
在一个实施例中,地板301可以为可穿戴设备中的PCB350的金属层351,由金属层351作为天线的地板,或者与金属层351电连接的导体也可以作为天线的地板。
在一个实施例中,第一辐射体310和第二辐射体320可以为片状。金属层351可以与第一辐射体310和第二辐射体320相向设置(面对面设置)。
在一个实施例中,馈电单元330和开关340可以设置在相同的基板(例如,PCB350)上,或,也可以根据布局的需要设置在两个或多个不同的基板,例如设置于不同于PCB350的另一PCB、和/或柔性电路板(flexible printed circuit,FPC)上,本申请对此并不做限制,可以根据实际的设计进行调整。
在一个实施例中,第一辐射体310和地板301之间的距离大于或等于0.5mm,且小于或等于3mm。在一个实施例中,第一辐射体310和地板301之间的距离可以为1.6mm。第一辐射体310和地板301之间的距离可以理解为第一辐射体310上的点与地板301上的点之间的线段距离的最小值,或者,可以理解为第一辐射体310和地板301在第一方向上的距离,第一方向可以为垂直于第一辐射体310所在平面的方向(例如,z方向)。
在一个实施例中,相对设置的第一辐射体310的端部(第二端)和第二辐射体320的端部(第二端)之间的距离小于或等于1mm。在一个实施例中,第一辐射体310的端部(第二端)和第二辐射体320的端部(第二端)之间的距离可以为0.6mm。第一辐射体310的端部(第二端)和第二辐射体320的端部(第二端)之间的距离可以理解为第一辐射体310的端部(第二端)和第二辐射体320的端部(第二端)之间形成的缝隙的宽度。
在一个实施例中,第一辐射体310的长度L1与第二辐射体320的长度L2,满足:L1×60%≤L2,或,L2×60%≤L1。在一个实施例中,第一辐射体310的电长度和第二辐射体320的电长度可以相同(例如,电长度相差±10%),由于可穿戴设备内部的空间布局,可以通过在辐射体与地板之间设置电子元件(例如,电容或电感),使其在电长度不变的情况下,缩短辐射体的物理长度。
在一个实施例中,第一辐射体310和第二辐射体320可以平行排布。在一个实施例中,第一辐射体310和第二辐射体320可以沿同一直线排布,第一辐射体310和第二辐射体320在地板所在平面的投影沿同一直线排布。或者,在一个实施例中,第一辐射体310和第二辐射体320可以交错排布,第一辐射体310和第二辐射体320在地板所在平面的投影在第一方向上相互平行,且在第二方向上的间隔,其中,第一方向为第一辐射体310和第二辐射体320的延伸方向(例如y方向),第二方向(例如x方向)与第一方向垂直。
在一个实施例中,第一辐射体310和第二辐射体320在地板所在平面的投影在第一方向上相互平行,且在第二方向上的间隔小于第一波长的四分之一,第一波长为第一频段对应的波长,或者,也可以认为在第二方向上的间隔小于5mm。
在一个实施例中,第一频段包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
在一个实施例中,当第一辐射体310和第二辐射体320设置或形成于外壳的内表面时,可以通过贴片或激光直接成型(laser-direct-structuring,LDS)技术设置在可穿戴设备外壳的表面(内表面或外表面)。
当第一辐射体310和第二辐射体320设置于外壳围成的内部空间中时,第一辐射体310和第二辐射体320可以通过金属层、金属贴片,例如浮动金属(floating metal,FLM),FPC,内部的导电/结构件或者PCB的板载等形式实现,本申请对此并不做限制。
在一个实施例中,开关340可以是单刀单掷的开关,或者其他类型的开关,例如,单刀双掷开关,单刀四掷开关或四刀单掷开关,也可以达到相同的技术效果,或者也可以是其他类型的元件,例如,可变电容器(adjustable capacitor),通过可变电容器的电容值变化切换金属层351与第二辐射体320之间的电连接状态。可变电容器可以包括第一电容状态和第二电容状态,分别对应于开关340的第一开关状态和第二开关状态,所述第一电容状态对应第一电容值,所述第二电容状态对应第二电容值,第一电容值和第二电容值的设置与所述天线结构的工作频率相关。对于蓝牙频段(2.4-2.485GHz)来说,第一电容状态的可变电容器的第一电容值小于或等于0.2pF时,可以认为第二辐射体320的第一端与金属层351不连通。第二电容状态的可变电容器的第二电容值大于或等于10pF时,可以认为第二辐射体320的第一端与金属层351电连接。应理解,在不同的频段,金属层351与第二辐射体320之间的电连接状态(断开或连接)对应的电容值不同,因此对于其他频段,也可以通过调整可变电容器的容值达到相同的效果,本申请对此并不做限制。
可变电容器是一种电容值可以在一定范围内调节的可变的电容器。电容器的电容值的计算公式如下:
其中,ε为两极板间的介电常数;δ为真空中的绝对介电常数;k为静电力常量;S为两极板正对面积;d为两极板间垂直距离。
因此,可变电容器的原理一般是通过改变电容器的两极板正对面积或两极板间垂直距离,使其电容值相应地变化。
图11是图9所示天线的S参数。
如图11所示,当开关处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体的第一端不通过开关接地,天线可以作为第一天线单元,利用第一天线单元的CM模式可以产生一个谐振。
当开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,天线可以作为第二天线单元。由于在辐射体的电长度由开关处于第二开关状态时,第一天线单元产生的一个谐振的频点确定。
当开关和辐射体之间未电连接电子元件时,由于无法调整辐射体的电长度,不能满足槽天线的CM模式和DM模式的混合模式的边界条件,仅能产生一个谐振,且工作模式类似于第一天线单元的CM模式,在该情况下,第二天线单元产生的第二方向图与第一天线单元产生的第一方向图类似,第一方向图与第二方向图并不互补,无法实现方向图的切换。
当开关和辐射体之间电连接电子元件时,可以通过电子元件的不同取值(电容值或电感值)(本申请实施例以电子元件为电感,且电感值为2.2nH为例进行说明),调整辐射体的电长度,激励起CM模式和DM模式,可以产生两个谐振(低频的谐振可以对应的CM模式,高频的谐振可以对应于DM模式)。并且,在该情况下,第二天线单元产生的第二方向图与第一天线单元产生的第一方向图互补,可以实现方向图的切换。
图12是图9所示天线的电流分布图。
如图12中的(a)所示,为开关处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体的第一端不通过开关接地,第一天线单元的电流分布图。在电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。
如图12中的(b)所示,为开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,第二天线单元在槽天线的CM模式的电流分布图。在电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。
如图12中的(c)所示,为开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,第二天线单元在槽天线的DM模式的电流分布图。在电流路径中,电流发生依次反向,可以对应于一倍波长模式。
图13和图14是图9所示天线的仿真结果。其中,图13是图9所示天线的S参数以及系统效率的仿真结果。图14是图9所示天线在yoz面的方向图。
如图13所示,通过调整电子元件的取值,可以使槽天线的CM模式和DM模式产生的谐振相互靠近,形成一个谐振频段。第一天线单元的工作频段和第二天线单元的工作频段均包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
对于第二天线单元,在蓝牙频段(2.4-2.485GHz),本申请实施例仅以其对应的工作模式为槽天线的CM模式为例进行说明。
如图13所示,在2.44GHz,第一天线单元和第二天线单元的系统效率大致相同,且在工作频带内平坦,满足天线在蓝牙频段的基本通信需求。
如图14所示,第一天线单元产生的方向图的零点位于约60°和120°的方向。第二天线单元产生的方向图的零点位于约95°和70°的方向。第一天线单元产生的方向图和第二天线单元产生的方向图互补。
图15和图16分别是图9所示天线在人头模型以及人体模型下的方向图。
应理解,图15和图16示出了在2.44GHz,可穿戴设备佩戴在模型的左耳情况下的不同视角对应的方向图。
如图15中的(a)和图16中的(a)所示,为模型佩戴可穿戴设备后,在xoy面(水平面)的方向图。在0°~150°上,第一天线单元的增益大于第二天线单元的增益(大于5dB)。当干扰信号从该角度射入时,可以切换到第二天线单元,以使接受到较弱的干扰信号,或者,当音频信号从该角度射入时,可以切换到第一天线单元,以使接受到较强的音频信号,提升可穿戴设备的性能。在150°~360°上,第二天线单元的增益大于第一天线单元的增益,可以根据干扰信号或音频信号进行切换。
如图15中的(b)和图16中的(b)所示,为模型佩戴可穿戴设备后,在xoz面的方向图。在远离模型一侧的方向图中,第一天线单元的增益与第二天线单元的增益大致相同。
如图15中的(c)和图16中的(c)所示,为模型佩戴可穿戴设备后,在yoz面的方向图。在远离模型一侧的方向图中,第一天线单元的增益大于第二天线单元的增益。
图17是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
如图17所示,天线300还可以包括中和线360,中和线360的第一端在第一位置361与第一辐射体310电连接,第二端在第二位置362与第二辐射体320电连接。
应理解,图17所示的天线300与图9所示的天线300的区别仅在与在第一辐射体310和第二辐射体320之间电连接中和线360。
由于可穿戴设备内部的空间内设置有多个电子元件,会影响天线300,因此,可能会影响第一辐射体310和第二辐射体320之间的耦合。当第一辐射体310和第二辐射体320之间的耦合较弱时,可以通过调整开关340与地板301之间电连接的第一电子元件341,控制第二天线单元的CM模式和DM模式产生谐振之间的频率之差,使其产生的谐振频段包括第一频段。当第一辐射体310和第二辐射体320之间的耦合较强时,第二天线单元的CM模式和DM模式产生谐振的谐振点分别位于第一频段的两侧,无法通过调整第一电子元件341,控制第二天线单元的CM模式和DM模式产生谐振之间的频率之差,使其产生的谐振频段包括第一频段。
因此,当第一辐射体310和第二辐射体320之间电连接有中和线360时,可以通过控制中和线360的电长度,使第二辐射体320上由中和线360传输的电信号与第二辐射体320上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),两者可以相互抵消,以降低第一辐射体310和第二辐射体320之间的耦合。
在一个实施例中,第一位置361与馈电点311之间的距离小于第一波长的十六分之一,和/或,第二位置362与接地点321之间的距离小于第一波长的十六分之一,第一波长为第一频段对应的波长。或者,在一个实施例中,第一位置361与馈电点311之间的距离小于3mm,和/或,第二位置362与接地点321之间的距离小于3mm。
在一个实施例中,中和线360还可以包括缝隙。天线300的第二电子元件342可以电连接于缝隙两侧的中和线之间。通过调整第二电子元件342可以控制中和线360的电长度,以使第二辐射体320上由中和线360传输的电信号与第二辐射体320上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),相互抵消。
在一个实施例中,第二电子元件342可以为电感,电感值可以大于或等于5nH。应理解,第二电子元件342的电感值可以根据实际的设计进行调整,本申请对此并不做限制。
图18和图19分别是图17所示天线的仿真结果。其中,图18是图17所示天线中第一辐射体和第二辐射体之间的隔离度。图19是图17所示天线的仿真结果。
应理解,为了论述的简洁,本申请实施例仅以第二电子元件342为电感,且电感值为5nH为例进行说明,在实际的应用中,可以根据设计进行调整,本申请对此并不做限制。
如图18所示,由于第一辐射体310和第二辐射体320之间电连接有中和线360,第一辐射体310和第二辐射体320之间的隔离度在蓝牙频段(2.4-2.485GHz)附近出现凹坑。因此,在蓝牙频段内,第一辐射体310和第二辐射体320之间可以保持良好的隔离度。
如图19所示,由于第一辐射体310和第二辐射体320之间可以保持良好的隔离度,因此,第二天线单元的CM模式和DM模式产生谐振之间的频率之差可以缩小,使两者产生的谐振可以形成一个谐振频段,该谐振频段包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
图20是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
如图20所示,天线300还可以包括第三电子元件343,第三电子元件343可以电连接于相对设置的第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部之间(例如,电连接于第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端之间)。
应理解,图17所示的天线300与图9所示的天线300的区别仅在与在相对设置的第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部之间电连接第三电子元件343。
当天线300包括第三电子元件343时,可以通过控制第三电子元件343,使第二辐射体320上由第三电子元件343传输的电信号与第二辐射体320上由空间耦合的电信号之间的相位相反(例如,相位差为180°),两者可以相互抵消,以降低第一辐射体310和第二辐射体320之间的耦合。
在一个实施例中,第三电子元件343为电感,且电感值大于或等于10nH。应理解,第三电子元件343的电感值可以根据实际的设计进行调整,本申请对此并不做限制。
图21和图22分别是图20所示天线的仿真结果。其中,图21是图20所示天线中第一辐射体和第二辐射体之间的隔离度。图22是图20所示天线的仿真结果。
应理解,为了论述的简洁,本申请实施例仅以第三电子元件343为电感,且电感值为24nH为例进行说明,在实际的应用中,可以根据设计进行调整,本申请对此并不做限制。
如图21所示,由于第一辐射体310和第二辐射体320之间电连接有第三电子元件343,第一辐射体310和第二辐射体320之间的隔离度在蓝牙频段(2.4-2.485GHz)附近出现凹坑。因此,在蓝牙频段内,第一辐射体310和第二辐射体320之间可以保持良好的隔离度。
如图22所示,由于第一辐射体310和第二辐射体320之间可以保持良好的隔离度,因此,第二天线单元的CM模式和DM模式产生谐振之间的频率之差可以缩小,使两者产生的谐振可以形成一个谐振频段,该谐振频段包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
在上述实施例中,以第一辐射体的开放端(第二端)和第二辐射体的开放端(第二端)相互靠近,第一辐射体的接地端(与馈电单元电连接的一端)和第二辐射体的接地端(与开关电连接的一端)相互远离为例进行说明,本申请实施例提供的技术方案也可以应用于其他双辐射体的布局方式中,在下述实施例中将会进行说明。
图23是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
如图23所示,第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部相对且互不接触。在一个实施例中,第一辐射体310的第一端与第二辐射体320的第二端相对且互不接触。第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端为开放端。第一辐射体310的第一端包括馈电点,馈电单元330在馈电点处与第一辐射体310电连接。第二辐射体320的第一端包括接地点,开关340在接地点处电连接于第二辐射体320和地板301之间。第一电子元件341电连接于开关340和地板301之间。
应理解,图23所示的天线300与图17所示的天线300的区别仅在与在第一辐射体310和第二辐射体320的布局方式不同。图17所示的天线300中,第一辐射体的开放端(第二端)和第二辐射体的开放端(第二端)相互靠近,第一辐射体的接地端(与馈电单元电连接的一端)和第二辐射体的接地端(与开关电连接的一端)相互远离。而图23所示的天线300中,第一辐射体的接地端和第二辐射体的开放端相互靠近。
图24是图23所示天线的系统效率的仿真结果。
应理解,通过调整开关和地板之间电连接的第一电子元件(在该实施例中以电感值为4nH为例进行说明)和中和线缝隙内设置的第二电子元件(在该实施例中以电感值为10nH为例进行说明)的取值,可以使第二天线单元的混合工作模式(槽天线的工作模式与线天线的工作模式)产生的两个谐振相互靠近,形成一个谐振频段。第一天线单元的工作频段和第二天线单元的工作频段均包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
如图24所示,在2.44GHz,第一天线单元和第二天线单元的系统效率大致相同,且在工作频带内平坦,满足天线在蓝牙频段的基本通信需求。
图25和图26是图23所示天线的仿真结果。其中,图25是图23所示天线的电流分布图。图26是图23所示天线的方向图。
如图25中的(a)所示,为开关处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体的第一端不通过开关接地,第一天线单元在线天线的CM模式的电流分布图。在电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。第一天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图26中的(a)所示。
如图25中的(b)所示,为开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,第二天线单元在混合模式的电流分布图。第二天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图26中的(b)所示。
如图26所示,第一天线单元产生的第一方向图和第二天线单元产生的第二方向图互补,天线可以通过开关切换第一方向图和第二方向图,以提升可穿戴设备的性能。
图27是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
如图27所示,第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部相对且互不接触。在一个实施例中,第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第一端相对且互不接触。第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端为开放端。第一辐射体310的第一端包括馈电点,馈电单元330在馈电点处与第一辐射体310电连接。第二辐射体320的第一端包括接地点,开关340在接地点处电连接于第二辐射体320和地板301之间。第一电子元件341电连接于开关340和地板301之间。
应理解,图27所示的天线300与图17所示的天线300的区别仅在与在第一辐射体310和第二辐射体320的布局方式不同。图17所示的天线300中,第一辐射体的开放端(第二端)和第二辐射体的开放端(第二端)相互靠近,第一辐射体的接地端(与馈电单元电连接的一端)和第二辐射体的接地端(与开关电连接的一端)相互远离。而图27所示的天线300中,第一辐射体的开放端和第二辐射体的接地端相互靠近。
图28是图27所示天线的系统效率的仿真结果。
应理解,通过调整开关和地板之间电连接的第一电子元件(在该实施例中以电感值为3.5nH为例进行说明)和中和线缝隙内设置的第二电子元件(在该实施例中以电感值为12nH为例进行说明)的取值,可以使第二天线单元的混合工作模式(槽天线的工作模式与线天线的工作模式)产生的两个谐振相互靠近,形成一个谐振频段。第一天线单元的工作频段和第二天线单元的工作频段均包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
如图28所示,在2.44GHz,第一天线单元和第二天线单元的系统效率大致相同,且在工作频带内平坦,满足天线在蓝牙频段的基本通信需求。
图29和图30是图27所示天线的仿真结果。其中,图29是图27所示天线的电流分布图。图30是图27所示天线的方向图。
如图29中的(a)所示,为开关处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体的第一端不通过开关接地,第一天线单元在线天线的CM模式的电流分布图。在电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。第一天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图30中的(a)所示。
如图29中的(b)所示,为开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,第二天线单元在混合模式的电流分布图。第二天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图30中的(b)所示。
如图30所示,第一天线单元产生的第一方向图和第二天线单元产生的第二方向图互补,天线可以通过开关切换第一方向图和第二方向图,以提升可穿戴设备的性能。
图31是本申请实施例提供的又一种天线300的示意图。
如图31所示,第一辐射体310的端部和第二辐射体320的端部相对且互不接触。在一个实施例中,第一辐射体310的第一端与第二辐射体320的第一端相对且互不接触。第一辐射体310的第二端与第二辐射体320的第二端为开放端。第一辐射体310的第一端包括馈电点,馈电单元330在馈电点处与第一辐射体310电连接。第二辐射体320的第一端包括接地点,开关340在接地点处电连接于第二辐射体320和地板301之间。第一电子元件341电连接于开关340和地板301之间。
应理解,图31所示的天线300与图9所示的天线300的区别仅在与在第一辐射体310和第二辐射体320的布局方式不同。图9所示的天线300中,第一辐射体的开放端(第二端)和第二辐射体的开放端(第二端)相互靠近,第一辐射体的接地端(与馈电单元电连接的一端)和第二辐射体的接地端(与开关电连接的一端)相互远离。而图31所示的天线300中,第一辐射体的接地端和第二辐射体的接地端相互靠近。
图32是图31所示天线的系统效率的仿真结果。
应理解,通过调整开关和地板之间电连接的第一电子元件的取值,可以使第二天线单元的线天线的DM模式产生的两个谐振相互靠近,形成一个谐振频段。第一天线单元的工作频段和第二天线单元的工作频段均包括蓝牙频段(2.4-2.485GHz)。
如图32所示,在2.44GHz,第一天线单元和第二天线单元的系统效率大致相同,且在工作频带内平坦,满足天线在蓝牙频段的基本通信需求。
图33和图34是图31所示天线的仿真结果。其中,图33是图31所示天线的电流分布图。图34是图31所示天线的方向图。
如图33中的(a)所示,为开关处于第二开关状态(例如,断开状态)时,第二辐射体的第一端不通过开关接地,第一天线单元在线天线的CM模式的电流分布图。在电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。第一天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图34中的(a)所示。
如图33中的(b)所示,为开关处于第一开关状态(例如,连通状态)时,第二辐射体的第一端通过开关接地,第二天线单元在线天线的DM模式的电流分布图。电流路径中,电流未发生反向,可以对应于二分之一波长模式。第二天线单元在2.44GHz产生的第一方向图如图34中的(b)所示。
如图34所示,第一天线单元产生的第一方向图和第二天线单元产生的第二方向图互补,天线可以通过开关切换第一方向图和第二方向图,以提升可穿戴设备的性能。
本申请提供了一种可穿戴设备,可以包括一种天线,该天线可以设置于可穿戴设备的外壳内设计。该天线的工作频率可以支持可穿戴设备与另一电子设备之间的通信连接,无论与可穿戴设备连接的这一电子设备放在包中、口袋中,还是用户身处机场等信号干扰较强的地方,通过天线的开关切换该天线结构的工作模式,就可以实现可穿戴设备与该电子设备稳定的通信连接。具体的,具有该天线结构的可穿戴设备可以通过切换天线结构的开关,实现信号的稳定连接。通信连接可以是蓝牙连接。
图35和图36是本申请实施例提供的另一个可穿戴设备。
应理解,本申请实施例提供的天线结构可以应用于除了TWS耳机以外的可穿戴设备,例如,智能手表或智能眼镜等。
如图35所示,上述实施例中的天线结构可以应用于智能手表,本申请并不限制天线结构的具体位置,仅作为举例使用。例如,天线的辐射体可以设置于表圈内,PCB可以设置于金属外壳所围成的空间中,馈电单元可以设置在PCB上,开关也可以设置在PCB上,其设计位置可以如图35所示,应可理解天线的辐射体也可以设置在智能手表的外壳内表面。
如图36所示,天线结构可以利用智能眼镜的镜腿设计,其设计位置如图所示,或者,也可以设计利用智能眼镜的镜框设计,或者,也可以根据实际的生产设计需求进行调整。例如,智能眼镜的镜腿或镜框的内部空间中可以设置天线辐射体,PCB可以设置于镜腿中,馈电单元可以设置在PCB上,开关也可以设置在PCB上,其设计位置如图36所示。
本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性或其它的形式。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请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申请揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种可穿戴设备,其特征在于,包括:
外壳;
天线,包括馈电单元,开关,第一电子元件,第一辐射体和第二辐射体,所述馈电单元,所述开关,所述第一辐射体和所述第二辐射体位于所述外壳内;
地板,所述第二辐射体的第一端通过所述开关电连接于所述地板;
其中,所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部相对且互不接触;
所述第一辐射体的第一端包括馈电点,所述馈电单元在所述馈电点处与所述第一辐射体电连接;
所述第二辐射体的第一端包括接地点,所述开关在所述接地点处电连接于所述第二辐射体和所述地板之间,所述第一电子元件电连接于所述开关和所述地板之间;
所述开关处于第一开关状态时,所述天线的工作频段包括第一频段,所述天线产生第一方向图;
所述开关处于第二开关状态时,所述天线的工作频段包括所述第一频段,所述天线产生第二方向图,所述第一方向图和所述第二方向图互补。
2.根据权利要求1所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述开关处于所述第一开关状态时,所述第二辐射体的第一端通过所述开关接地;
所述开关处于所述第二开关状态时,所述第二辐射体的第一端不通过所述开关接地。
3.根据权利要求1或2所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述天线还包括第二电子元件;
所述第二电子元件电连接于相对设置的所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部之间。
4.根据权利要求1所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第二电子元件为电感,且电感值大于或等于10nH。
5.根据权利要求1或2所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述天线还包括中和线;
所述中和线的第一端在第一位置与所述第一辐射体电连接,所述中和线的第二端在第二位置与所述第二辐射体电连接。
6.根据权利要求5所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一位置与所述馈电点之间的距离小于第一波长的十六分之一,和/或,
所述第二位置与所述接地点之间的距离小于所述第一波长的十六分之一,所述第一波长为所述第一频段对应的波长。
7.根据权利要求5或6所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述天线还包括第三电子元件;
所述中和线包括缝隙,所述第三电子元件电连接于所述缝隙两侧的中和线之间。
8.根据权利要求7所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第三电子元件为电感,且电感值大于或等于5nH。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体和所述地板之间的距离大于或等于0.5mm,且小于或等于3mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
相对设置的所述第一辐射体的端部和所述第二辐射体的端部之间的距离小于或等于1mm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体的长度L1与所述第二辐射体的长度L2,满足:L1×60%≤L2,或,L2×60%≤L1。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体和所述第二辐射体在所述地板所在平面的投影在第一方向上相互平行,且在第二方向上的间隔小于第一波长的四分之一,其中,所述第一方向为所述第一辐射体和所述第二辐射体的延伸方向,所述第二方向与所述第一方向垂直,所述第一波长为所述第一频段对应的波长。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端相对且互不接触;
所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体的第一端和所述第二辐射体的第二端相对且互不接触;
所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
15.根据权利要求1至12中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体的第二端和所述第一辐射体的第二端相对且互不接触;
所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体的第一端和所述第一辐射体的第二端相对且互不接触;
所述第一辐射体的第二端和所述第二辐射体的第二端为开放端。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述可穿戴设备为真无线TWS耳机;
所述可穿戴设备包括耳塞部和耳柄部,所述天线设置于所述耳柄部;
所述第一辐射体与所述耳塞部之间的距离小于所述第二辐射体与所述耳塞部之间的距离。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,
所述第一辐射体和所述第二辐射体为片状;
所述可穿戴设备还包括印刷电路板PCB,所述PCB包括金属层,所述金属层与所述第一辐射体和所述第二辐射体相向设置。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,所述馈电单元与所述第一辐射体或所述地板之间均不包括开关。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的可穿戴设备,其特征在于,所述第一频段包括蓝牙频段2.4-2.485GHz。
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