CN219303940U - 一种穿戴设备的磁偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种穿戴设备的磁偶极子天线，配置在穿戴设备上，包括磁耦极子天线本体、馈电模块和匹配电路，所述磁耦极子天线本体为穿戴设备的中框，所述中框组成磁偶极子天线的电流环。本实用新型的有益效果是：采用中框金属作为磁耦极子天线本体，具有空间节约、成本低廉、设计简单明显优势。

Description

一种穿戴设备的磁偶极子天线

技术领域

本实用新型涉及智能穿戴技术领域，特别是一种穿戴设备的磁偶极子天线。

背景技术

现代通信技术日新月异，以3GPP 5G标准和蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）蓝牙协议标准的相继公布，无线通信正式进入以5G、蓝牙为基础的物联网时代。天线作为无线通信系统中电磁信号发送和接收的传感前端，决定着无线通信系统的质量。磁偶极子天线利用一段闭合环路的电流元来实现，其具有稳定的方向图和较高的增益，当有地面时与电偶极子不同磁耦极子具有工作距离与地面无关的特征，因此磁偶极子具有低剖面的特点，这对于小尺寸的智能手表而言具有节省空间的优势。

随着人们对对健康监测的越来越重视，穿戴手表的功能早已超出了其计时功能，基于手表实现生命体征监测的智能健康手表应运而生。为了满足物联网以及信息化发展的需要，当前的健康智能穿戴手表内置操作系统使用蓝牙或者4G/5G移动网络实现通信。一方面频段的多样性，导致通信天线复杂；另外一方面，由于智能手表空间资源有限，导致通信天线的设计困难，并且性能相对较差。当前智能手表采用天线有陶瓷贴片天线、FPC天线、板子PCB天线等，这些天线缺点在于占据有限的手表空间、并且需要不菲的费用；同时会受到屏幕金属、中框金属屏蔽影响而影响性能。如何利用有限的空间实现较好的天线性能并且降低天线整机的成本至关重要。

公开号为CN 114865289 A的中国实用新型专利：一种可用于基站天线的低剖面磁偶极子天线，描述了一种低剖面的基站磁偶极子天线，其由反射板和金属贴片构成，其整体尺寸较大，不适应智能穿戴手表小空间要求；公开号为CN 115189486A的中国实用新型专利：基于谐振式磁偶极子的能量采集天线，开口谐振环设计磁偶极子的能量采集天线，用于能量收集领域；公开号为CN 111710982B的中国实用新型专利：一种新型的宽频带磁偶极子天线，描述了包括接地层、一对金属贴片和弯折馈电线片组成的磁偶极子天线该磁偶极子天线具有较大的尺寸，不适合智能穿戴的空间。

当前智能手表采用的蓝牙天线主要是：PCB倒F天线、贴片陶瓷天线以及FPC天线等。PCB板级天线具有易加工实现、成本低廉的优点，然而天线占据了PCB板面积，在传感器越来越多的智能健康手表中增加了PCB设计难度；陶瓷贴片天线在实际应用中需要在PCB板上预留一定的净空区域才能保证良好的性能，虽然面积相对PCB板级天线少，但是天线附近有金属验证影响天线性能，增加了结构设计难度；FPC天线虽然不占用PCB的面积，但是需要进行板级与FPC天线的馈电连接，从而增加了同轴馈线的成本和装配难度。

发明内容

本实用新型提出一种将微型穿戴设备的金属中框作为磁偶极子天线的闭合环路，在PCB板上采用顶针直馈或交叉指耦合馈电对闭合环进行馈电，实现射频信号注入磁偶极子中框，同时设计了射频匹配电路实现阻抗匹配，是通过如下技术方案实现的。

一种穿戴设备的磁偶极子天线，包括磁耦极子天线本体、馈电模块和匹配电路，所述磁耦极子天线本体为穿戴手表的中框，中框组成偶极子天线的电流环，电流环由缝隙、馈电点、射频接地点、两侧对称的开路枝节接组成，馈电点与射频接地点用于射频信号馈入，并构成射频信号环路，对称开路枝节用于调节电流路径，实现匹配调试，同时可以用于表带安装。

馈电模块，馈电部分采用交叉指耦合结构或者直接顶针接触方式实现馈电。

匹配电路由π形网络、隔直电容、变容二极管以及控制变容二极管的电容的偏置DAC模块组成。

本实用新型的有益效果是：利用穿戴设备的中框金属结构实现磁偶极子天线设计，金属中框不受屏蔽影响而性能好，天线空间利用率高、性能相对好、成本低廉的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的磁偶极子天线的框图。

图2是本实用新型实施例的穿戴设备中框金属磁偶极子天线示意图。

图3是本实用新型实施例的磁偶极子天线的S参数图。

图4是本实用新型实施例的磁偶极子的电流分布。

图5是本实用新型实施例的辐射方向图。

图6是本实用新型实施例的磁偶极子接地点的直接馈电原理图。

图7是本实用新型实施例的磁偶极子馈电点的耦合馈电方式示意图。

图8是本实用新型实施例的匹配电路的电路原理图。

实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实用新型的穿戴设备是具有中框的穿戴设备，如用于侦测体征数据的智能手表、手环、戒指、指环、项链挂坠等微型穿戴设备，这些穿戴设备集成多个传感器，如光学心率传感器、加速度计、陀螺仪、血氧传感器、生物阻抗传感器、GPS/北斗、ECG、温度传感器等，除此之外还有些穿戴设备配置有紫外线传感器、高度计及环境光传感器等辅助传感器。

除了集成多个传感器外，还需要有控制各种传感器的处理器，用于通信的蓝牙模块/Wi-Fi，甚至还可选移动通信模块，用作信号传输。

本实用新型的方案适用于内部紧凑的穿戴设备，以下以智能穿戴手表为例，用于佩戴在用户手腕上，获取心率、血氧、血压、运动姿态、体表温度等体征数据。

如图1所示，在本实用新型的实施例中，配置一块智能的穿戴手表，该穿戴手表上配置用于通信的蓝牙天线，蓝牙天线利用手表金属中框作为磁偶极子天线的本体，其主要包括：磁耦极子天线本体10、馈电模块20和匹配电路30，其中：将穿戴手表的中框作为蓝牙天线的磁偶极本体；天线与主板蓝牙的连接模块为天线的馈电模块；天线与微带线连接的之间的匹配电路。

在本实用新型实施例中，磁偶极本体部分位于穿戴设备的壳体外，部分位于穿戴设备壳体内，由金属制成。

磁耦极子天线本体10的是用于实现磁偶极子天线的电流路径调节，其包括电流环11，电流环由缝隙12、馈电点13、射频接地点、两侧对称的开路枝节接14组成，如图2所示。

电流环11上设置有两侧对称的开路枝节接14，开路枝节接的长度大于等于零，开路枝节等于零时，电流环为纯电流环。

馈电与接地点用于射频信号馈入，并构成射频信号环路，对称开路枝节用于调节电流路径，实现匹配调试，同时可以用于表带安装。

磁偶极本体的形状根据穿戴设备中框的外形而定，本实用新型的实施例以圆环形为例，在其他实施例中，可以是其他形状。

缝隙12，在电流环设置不连接的缝隙，缝隙的数量大于一个，可组成多个环实现多种频率，可用作不同的无线通信天线。

馈电点13、射频接地点位于电流环内，与电流环连接。

测试仿真结果如图3所示，该磁偶极子天线工作频率约2.4GHz，与蓝牙的的工作频率（2.402G到2.480G）匹配。

图4显示了磁偶极子的电流分布，从图可以看出，天线表面电流强弱分布均匀，开路枝节接的长度适当减少，也不影响天线性能。

图5是辐射方向图，主瓣宽度大，天线辐射分散，前后比小，说明天线的后向辐射大。从辐射方向图看，该天线非常适合作为蓝牙天线使用，不会因角度使得蓝牙连接中端或影响传输。

馈电模块20是为了实现射频信号的注入，包括馈电点和接地点。

在本实用新型实施例中，馈电模块采用直接馈电和耦合馈电两种形式。考虑智能手表的佩带时接触人体，人体会产生静电，静电会对系统造成损坏。本实用新型实施例的第一选择是，在接地点采用直接馈电的形式，即使产生的了静电，静电被引到了主地。直接馈电在接地点设置一贴片顶针22，顶针用于主板与磁耦极子天线本体直接连接。

在本实用新型另一实施例中，耦合馈电方式的馈电点采用交叉指21耦合结构实现馈电，交叉指具体隔离直流静电的效果。

如图7所示，交叉指的指交错排列分布，是作为耦合结构馈电的一种形式。

匹配电路如下图所示，电路由π形网络31、隔直电容32、变容二极管33组成，其中：π形网络用于滤波，由RLC组成无源阻抗匹配。DAC模块输入输出的隔直电容用于隔离直流信号，即隔离DAC模块产生的直流偏置；

一方面可以通过调节DAC模块输出控制电容实现对系统的射频校准。具体是，变容二极管串联的电感34用于隔离射频信号，避免射频信号进入DAC模块，即与DAC模块连接的电路；变容二极管在DAC模块直流偏置下用于实现阻抗匹配的微调节或者生产定标校准。

另一方面可以通过DAC模块输出控制二极管电容实现对电路中器件性能差异的补偿，具体是，DAC模块输出的直流电压控制变容二极管容值，用于实现阻抗匹配的微调节或用于纠正器件所产生的容差。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种穿戴设备的磁偶极子天线，其特征在于，配置在微型穿戴设备上，包括磁耦极子天线本体、馈电模块和匹配电路，所述磁耦极子天线本体为穿戴设备的中框，所述中框是磁偶极子天线的电流环。

2.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述电流环由缝隙、馈电点、射频接地点、两侧对称的开路枝节接组成，所述馈电点与射频接地点用于射频信号馈入，并构成射频信号环路，所述对称开路枝节用于调节电流路径，实现匹配调试。

3.根据权利要求2所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述开路枝节设置在电流环上，其数量为一对或多对，其长度大于等于零。

4.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述馈电模块包括馈电点和接地点，所述馈电点采用交叉指耦合结构或者直接顶针接触方式实现馈电。

5.根据权利要求4所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述耦合结构的馈电点采用交叉指耦合结构。

6.根据权利要求4所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述顶针用于与磁耦极子天线本体直接连接。

7.根据权利要求1所述的磁偶极子天线，其特征在于，所述匹配电路由π形网络、隔直电容、变容二极管组成，所述隔直电容用于隔离直流信号，与变容二极管串联连接的电感，用于隔离射频信号，避免射频信号进入DAC模块。

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