用于可穿戴装置的天线

相关申请的交叉引用

本申请是2018年9月13日提交的美国专利申请No.16/130,411的继续申请，该美国专利申请的公开内容通过引用并入本文。

背景技术

便携式电子装置包括一个或多个天线，用于在各种通信频带中发送和接收信号。小型电子装置(例如，可穿戴装置)的天线设计可能非常具有挑战性，这是因为这样的装置的受限制的形状因素。例如，智能电话可能具有有限的空间来容纳其天线，而具有紧凑型形状因素的耳塞必然会具有甚至更小的空间。有限的空间通常会影响天线性能，可以通过辐射效率和带宽来测量该天线性能。例如，具有较大尺寸的天线通常具有较高的效率。此外，天线与其它部件之间的物理间隙很小，这会导致天线与其它部件(诸如，输入触摸板)之间的高射频(RF)耦合。高RF耦合会导致天线性能下降，并且由于在组装中其它部件的较大公差而导致天线性能退化和大变型。由于可穿戴装置与穿戴者极为接近，因此可穿戴装置的天线性能也会受到身体效应的严重影响，这可能会导致天线的失谐、衰减和遮蔽。

由于将耳塞深深地嵌入耳中并降低总高度以提供更好的穿戴体验的趋势，耳塞天线面临着额外的挑战，这是因为接近人头部产生的严重身体效应，以及与诸如PCB、触摸板和芯片等其它部件之间越来越小的间隙。耳塞天线性能还应该能够涵盖由于各种用户体验而引起的变化，例如，不同的耳朵尺寸和形状以及人们安装耳塞的不同方式。天线设计必须足够稳健以适应上述变化。为了克服身体效应，可以将天线放置在距人体最远的位置。然而，耳塞的六个面中有五个面被人体组织覆盖，并且只有一个面完全暴露于自由空间，所以难以将天线从人体移离。此外，将天线与任何其它电子结构(诸如，也必须在耳塞的暴露表面上的触摸板)集成在一起是非常成问题的。

发明内容

本公开提供一种用于诸如耳塞的可穿戴计算装置(或可穿戴电子装置)的天线。尽管在此描述了用于在耳塞中实施的天线，但是所描述的天线可以在除耳塞之外的可穿戴电子装置(诸如智能手表、头戴式耳机、智能眼镜等)中实施。天线靠近耳塞的如下表面延伸：在将耳塞插入到用户的耳朵中时被露出。在第一示例中，天线基本上围绕耳塞的输入控件(例如，触摸板)的外周延伸。在另一个示例中，两个天线迹线以嵌套配置布置。嵌套的迹线可以围绕耳塞的一部分(诸如，触摸板)延伸。例如，嵌套迹线可以靠近暴露表面围绕耳塞外周的大约1/2、2/3、3/4等延伸。

本公开的一个形态提供了一种天线，该天线包括：外部迹线，该外部迹线部分地围绕可穿戴电子装置的一部分延伸，该外部迹线具有第一端，该第一端被配置成用作天线的馈源；以及内部迹线，该内部迹线与该外部迹线嵌套并部分地围绕可穿戴电子装置的一部分延伸，该内部迹线具有第二端，该第二端被耦合到地面，其中该外部迹线的第一端被定位成与该内部迹线的第二端相反。在一些示例中，内部迹线和外部迹线可以各自具有敞开端，外部迹线的敞开端被定位成与内部迹线的第二端相邻，而该内部迹线的敞开端被定位成与外部迹线的第一端相邻。所述内部迹线和外部迹线可以是四分之一波长迹线。在一些示例中，所述内部迹线和外部迹线可以是圆形的，其中在第一端和第二端之间具有开口，该开口在90度和180度之间。包含天线的电子装置可以是耳塞，并且当耳塞被定位在用户的耳朵中时，开口朝向用户头部的上后部定向。内部迹线和外部迹线可以靠近电子装置的表面围绕触摸板延伸，并且该触摸板可以不被耦合到接地平面。在电子装置是耳塞的情况下，在耳塞被插入在用户的耳朵中时，耳塞可以具有暴露表面，其中触摸板被定位在该暴露表面上，而天线被定位成靠近该暴露表面的边缘。

本公开的另一形态提供了一种可穿戴电子装置，该可穿戴电子装置包括壳体，该壳体被成形成穿戴在人体上，其中该壳体的至少一个第一表面被成形成与身体接触，而该壳体的至少一个第二表面被成形成在被穿戴在身体上时露出。该可穿戴电子装置还可以包括：输入控件，该输入控件在所述壳体的至少一个第二表面处；以及天线，该天线在所述壳体的至少一个第二表面处。该天线可以包括：外部迹线，该外部迹线部分地围绕输入控件延伸，该外部迹线具有第一端，该第一端被配置成用作天线的馈源；以及内部迹线，该内部迹线与该外部迹线嵌套并且部分地围绕输入控件延伸，该内部迹线具有第二端，该第二端被耦合到地面，其中该外部迹线的第一端被定位成与该内部迹线的第二端相反。在一些示例中，内部迹线和外部迹线各自具有敞开端，外部迹线的敞开端被定位成与内部迹线的第二端相邻，而内部迹线的敞开端被定位成与外部迹线的第一端相邻。内部迹线和外部迹线可以是例如四分之一波长迹线。输入控件可以是圆形的，并且内部迹线和外部迹线也可以是圆形。

可穿戴电子装置还可以包括在外部迹线的第一端和内部迹线的第二端之间的开口，该开口在90度和180度之间。可穿戴电子装置可以是耳塞，并且当将耳塞定位在用户的耳朵中时，该开口可以朝向用户头部的上后部定向。在一些示例中，输入控件可以是触摸板，并且该触摸板可以不被耦合到接地平面。

本公开的又一形态提供了一种可穿戴电子装置，该可穿戴电子装置包括壳体，该壳体被成形成穿戴在人体上，其中该壳体的至少一个第一表面被成形成与身体接触，并且该壳体的至少一个第二表面被成形成在被穿戴在身体上时露出。该可穿戴电子装置还包括：输入控件，该输入控件在所述壳体的至少一个第二表面处，该输入控件包括地面迹线；以及天线，该天线在所述壳体的至少一个第二表面处。该天线可以包括：环路迹线，该环路迹线基本上围绕输入控件，该环路迹线包括连接到天线馈源的第一端和连接到地面的第二端；以及耦合器，该耦合器将该环路迹线连接到地面迹线。耦合器可以被定位在环路迹线的与第一端和第二端基本上相反的部分处。可穿戴电子装置还包括用于输入控制的接地平面，其中天线的第二端被耦合到该接地平面。

附图说明

图1是根据本公开的形态的包括天线的示例耳塞的截面图。

图2A是根据本公开的形态的第一示例天线的俯视图。

图2B是根据本公开的形态的第一示例天线的接地平面的透视图。

图3A是根据本公开的形态的第一示例天线的透视图。

图3B是包括第一示例天线的示例耳塞的横截面图。

图4是根据本公开的形态的第二示例天线的俯视图。

图5A是根据本公开的形态的第二示例天线的透视图。

图5B是包括第二示例天线的示例耳塞的横截面图。

图6示出了根据本公开的形态的用于包括第一示例天线或第二示例天线的耳塞的示例辐射图案。

图7是比较根据本公开的形态的第一示例天线、第二示例天线和常规天线的天线性能的图。

具体实施方式

概述

本公开提供了用于诸如耳塞的可穿戴电子装置的新颖天线的示例。在第一示例中，环路迹线(例如，半波长圆形环路迹线)基本上围绕输入控件(诸如，接地圆形触摸板)延伸。环路迹线的一端是天线馈源，而另一端连接到地面。连接到地面的端部可以相对极为接近作为天线馈源的端部，其中两者之间只有很短的距离，从而形成环路开口。刚性耦合器将触摸板连接到印刷电路板(PCB)。该刚性耦合器可以被定位在与环路开口大致相反的位置。触摸板和刚性耦合器都具有接地平面，该接地平面利用十字图案减少了与下方芯片的耦合，使得该接地平面具有更好的公差、效率和带宽。

可以将第一示例天线定位在可穿戴装置中。例如，可以将第一示例天线定位在耳塞中靠近如下表面：当将耳塞放置在人耳内部时，被露出。可以将天线定向成使得环路开口朝向用户的耳朵的顶部定位。天线迹线的这种布置使天线与用户的耳朵之间的间距最大化。这减少了身体效应，同时允许相对较大的天线尺寸。它还在很大程度上避免了由用户的手指触摸耳塞提供的输入的干扰。

在第二示例中，两条迹线被定位成靠近电子装置(诸如耳塞)的暴露表面。迹线可以靠近外周围绕装置的一部分延伸。例如，迹线可以被成形为围绕触摸板的一部分延伸。迹线可以被嵌套，使得第一迹线是内部迹线，而第二迹线是外部迹线。嵌套的迹线可以围绕触摸板延伸大约2/3或3/4延伸。外部迹线在一端处被连接到天线馈源，而内部迹线在相反端处被连接到地面。这两条迹线可以是四分之一波长的圆形迹线。在一些示例中，触摸板或触摸板耦合器或皮线(flex)都没有接地平面，以减少与触摸板的耦合以及改进触摸板灵敏度。取而代之的是，内部接地迹线可以被耦合到外部迹线，以防止与触摸板的耦合以及改进天线结构的公差和耐用性。两条迹线在物理上接近并且在相当长的长度上重叠，这在两条迹线之间提供了牢固的耦合。

第二示例天线也可以被定位在可穿戴装置(诸如，耳塞)中。例如，可以将该第二示例天线定位成靠近耳塞的外表面的如下边缘：当将耳塞放置在人耳内部时被露出。可以将该第二示例天线定位成使得，当将耳塞定位在用户的右耳中时，外表面的不包括天线在内的开口或边缘被朝上并朝左定向。这样的定位减少了身体效应和来自耳朵的失谐作用，同时使天线的效率最大化。它还会降低比吸收率(SAR)。

第一示例天线和第二示例天线中的每一个天线可以是例如2.4GHz天线。每个天线都足够小且足够细以配合在耳塞内，并且能够与其它部件(诸如，触摸板、PCB等)兼容。这些天线不需要较大的接地平面即可正常运行。

示例系统

图1示出了示例可穿戴电子装置，特别是耳塞100的横截面。耳塞100包括壳体，在该示例中，该壳体包括球状部分102和延伸部分104。当被用户穿戴时，延伸部分104将被插入到用户的耳道中，使得球状部分搁置在用户外耳的腔内，其中顶部表面106被露出。在一些示例中，壳体的顶表面106可以不延伸超过外耳的某些部分，诸如耳翼(pinna)、耳廓(earflap)或其它部分。在其它示例中，顶表面106可以仅略微延伸超过包括用户外耳的至少一部分的平面。虽然壳体被示出为具有球状部分102、延伸部分104和相对平坦的顶表面106，但是应当理解，可以对壳体的尺寸和形状进行各种修改。

壳体内部有许多部件，这些部件用于接收来自相关联的装置的信号，并且将与所述信号相对应的声音发出到用户的耳朵中。例如，耳塞100可以从移动电话、音乐播放器、游戏装置或其它电子计算装置接收短距离无线音频信号。耳塞100可以缓冲接收到的信号并且将其转换成通过扬声器发出的声波。信号的这种接收、缓冲、转换和发出需要大量的电子部件，但是本文仅详细描述了一些电子部件。例如，电池122可以向各种部件供电，而扬声器124发出声音。在一些示例中，耳塞100可以进一步包括麦克风或其它装置，用于捕获来自用户的语音输入。

耳塞100的上部110包括输入控件，诸如触摸板112、天线140、电路板和计算机芯片116。触摸板112可以被用于接收起作用的用户输入。例如，用户可以点击触摸板以暂停或播放音乐，以将耳塞100从声音发出模式切换到语音输入模式，从而激活耳塞100与其它装置的配对，或执行多个其它功能中的任一个。在一些示例中，能够使用在不同部分上以不同的持续时间，以不同的顺序或以其它不同的方式来触摸或点击触摸板，以在各种期望的用户输入之间进行区分。触摸板112被定位在耳塞100的暴露表面处，以用于方便用户的手指触及以键入输入。例如，触摸板112可以在壳体的内部或外部。

来自触摸板112的输入可以被提供给计算机芯片116以用于执行相关联的任务。例如，计算机芯片116可以包括微处理器或其它硬件，以用于检测用户输入，识别与用户输入相对应的功能并且执行该功能。在一些示例中，计算机芯片116可以是蓝牙芯片。它可以包括耦合到天线馈源的射频(RF)信号源。

天线140也被定位成靠近耳塞的如下表面：当穿戴耳塞100时，该表面相对于用户的耳朵被露出。例如，当插入球状部分102的侧面时，该球状部分102的侧面可以与用户耳朵的一部分接触，而顶表面106可以暴露于露天。这改进了天线140的接收，其中来自身体部位或耳塞部件的干扰较少。天线140可以在壳体的内部或外部。

图2A提供了第一示例天线240的俯视图，该天线240基本上围绕耳塞的一部分延伸，从而形成外侧环路。天线240包括环路迹线，该环路迹线可以由诸如铜或其它金属的多种材料中的任一种制成的迹线形成。天线环路迹线240包括第一端242和第二端244。第一端242是天线馈源，而第二端244可以被连接到地面。例如，天线迹线的第一端242和第二端244可以被分别耦合到第一连接器243和第二连接器245。连接器243、245可以是例如从第一端242和第二端244朝向计算机芯片上的RF信号源或朝向地面延伸的弹簧触头。

第一端242和第二端244可以极为接近彼此。例如，由第一端242和第二端244之间的距离产生的环路开口246可以为大约0.1mm至1.0mm宽，或者更大或更小。在一个示例实施方式中，第一端242和第二端244之间的距离可以为大约0.5mm宽。

第二端244可以被耦合到地面迹线250。例如，地面迹线250可以是由天线环路迹线240形成的外部环路内的内部环路。地面迹线250可以用作触摸板传感器的地面以及作为天线240的一部分。地面迹线250可以是例如一定长度的材料(诸如金属、电介质、等离子体等)，其被成形为形成内部环路。地面迹线250的长度和宽度被设计成使得天线240将在2.44GHz下工作。宽度和长度可以被用作调谐结，使得改变地面迹线250的长度和宽度将改变天线240的频率。此外，能够改变地面迹线250与天线240之间的距离。地面迹线250可以是诸如铜的柔性金属，并且可以用作电感器。

地面迹线250可以通过例如耦合器252和延伸部254连接到地面。耦合器252和延伸部254可以由与天线240和/或地面迹线250相同的材料制成。耦合器252可以被定位在与环路开口246基本上相反的位置，诸如与环路开口246成大约90度至180度之间的角度α。该耦合器位置角度α能够改变环路上的阻抗和电流方向。例如，尽管开口246在沿着耳塞的顶表面的外周的第一位置处，但是耦合器252可以位于沿着圆周距第一位置大约90度至180度的第二位置处。

在诸如图2B中所示的其它示例中，地面迹线可以是接地平面260。在图2B的示例中，接地平面260是具有十字形图案的基本上圆形板。该图案可以减少到接地平面260下方的芯片的耦合，从而提供更好的公差、效率和带宽。

图3A至图3B示出了第一示例天线240的不同视图。如所示出的，天线迹线240基本上围绕触摸板212，使得用作天线馈源的第一端242接近用作地面的第二端244。耦合器252将触摸板212耦合到印刷电路板218。耦合器252被定位在与第一端242和第二端244之间的开口大致相反的位置。耦合器252可以由刚性材料或半刚性的材料制成，从而允许在通过用户的手指挤压耦合器252时触摸板21的一些移动。芯片216位于PCB 218上，而电池222和扬声器224被定位在下方。

图4示出了第二示例天线440。第二示例天线440不具有诸如图2A的第一示例天线的内部环路，而是包括围绕耳塞的一部分(例如，耳塞的触摸板的一部分)延伸的两个迹线(例如，两个四分之一波长圆形迹线)。例如，第一迹线402可以具有嵌套在其中的第二迹线404，使得第一迹线402是外部迹线，而第二迹线404是内部迹线。举例来说，嵌套的迹线可以围绕触摸板的大约2/3或3/4延伸。然而，应当理解，迹线402、404可以替代地或多或少地围绕耳塞外周延伸。

外部迹线402的第一端442被连接到天线馈源，而外部迹线402的第二端446是开放的或不受束缚的。例如，第一端442可以被耦合到第一连接器443，诸如弹簧触点或其它连接器，该第一连接器443将第一端442耦合到天线馈源。内部迹线404的第一端444被耦合到地面，而内部迹线404的第二端448是开放的或不受束缚的。例如，第一端444可以被耦合到第二连接器445，诸如弹簧触点或其它连接器，该第二连接器445被耦合到地面。外部迹线402的第一端442可以与内部迹线404的第一端444相反地定向。例如，外部迹线402的第一端442可以被定位成靠近内部迹线404的第二端448，而内部迹线404的第一端444定位成靠近外部迹线402的第二端446。这样，外部迹线402的第一端442和内部迹线404的第一端444可以在耳塞的表面的基本上相反的部分处。

在外部迹线402的耦合到天线馈源的第一端442和内部迹线404的耦合到地面的第一端444之间的开口446可以大于图2A的第一示例耳塞中的开口246。内部迹线中激发了强电流，所以较大的宽度能够帮助减少损耗。例如，第二示例天线440的开口446可以具有大约90度至180度之间的角度β，或者开口可以包括耳塞的一部分，该一部分是耳塞的外周的大约1/4、1/3、1/2或更多或更少。

第一迹线402和第二迹线404的长度和宽度可以确定天线440的频率。例如，每个迹线402、404可以为大约30mm至50mm长和0.2mm至1.5mm宽。这样的迹线402、404的最终频率可以是例如1GHz至5GHz。

第一迹线402和第二迹线404可以被定位成在穿戴耳塞时避开用户的耳朵。例如，当将耳塞插入在用户的耳朵中时，第一迹线402和第二迹线404可以围绕耳塞的朝向用户的面部的暴露表面的一部分延伸，从而使开口446朝向用户的头的上后部。

与第一示例天线240相比，第二示例天线440未被耦合到接地平面。与第二示例天线440一起使用的触摸板也不具有接地平面，以减少与触摸板的耦合并且改进触摸板灵敏度。替代地，内部接地迹线404可以被耦合到外部迹线402，以防止与触摸板的耦合并且改进天线结构的公差和鲁棒性。

图5A至图5B示出了与触摸板412和耳塞的其它部件相关的第二示例天线440。如图5A中所示，第二示例天线440包括外部迹线402和嵌套的内部迹线404。外部迹线402的第一端442被连接到天线馈源，而内部迹线404的第一端444被连接到地面。PCB 418和芯片416被定位在触摸板412下方，并且接收来自触摸板412的输入。通过消除触摸板的接地平面和内部迹线404，使触摸板耦合452最小化。电池422可以为耳塞的部件供电，而扬声器424被用于发出声音。例如，当由天线440从配对的电子装置接收到诸如短距离无线信号(例如，蓝牙信号等)的信号时，所述信号可以被扬声器424转换成音频输出。

图6示出了包括第一示例天线或第二示例天线的耳塞的示例性辐射图案。如所示出的，用户605在他的耳朵中穿戴耳塞600，该耳塞600配置有以上结合图2A至图5B所述的天线中的一个。频带671至681描绘了天线在天线前后方向上的各种增益水平。例如，最接近用户的头部的频带677可以在大约5dBi至2dBi的范围内，而频带以dBi为单位进一步逐渐向外增加。例如，频带675至676和678至679可以大约为1.5dBi至2.5dBi，频带673至674和680至681可以大约为2dBi至3dBi，而频带671至672可以大约为2.5dBi至4dBi。应当理解，这些仅仅是示例范围，并且实际能量水平可能变化。

图7是比较第一示例天线、第二示例天线和常规天线的天线性能的图。例如，曲线762指示第一示例天线的辐射效率，曲线764指示第二示例天线的辐射效率，而曲线766指示常规天线。如该示例中所示，第一示例天线(曲线762)的最大效率出现在大约2.3GHz至2.4GHz的频率处，并且然后效率随着频率的增加而下降。在大约2.8GHz的最小效率之后，由曲线762表示的第一示例天线的效率再次增加。第二示例天线(曲线764)的最大效率出现在大约2.5GHz的频率处，然后随着频率的增加而下降。与曲线762和764相比，指示常规天线的效率的曲线766保持在相对稳定的水平。

特别是对于小因子可穿戴电子装置而言，上述天线提供了对装置的有效操作。每个天线都足够小且足够细以配合在耳塞内，并且与其它部件(诸如触摸板、PCB等)兼容。这些天线不需要较大的接地平面即可正常运行。天线以使天线与用户耳朵之间的距离最大化的方式布置在耳塞中，从而降低了身体效应和特定吸收率，同时允许相对较大的天线尺寸。天线布置也可以避免了由用户的手指触摸耳塞提供的输入的干扰。

除非另有说明，否则上述替代示例不是互相排斥的，而是可以以各种组合实施以实现独特的优点。由于能够在不脱离权利要求书所限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其它变形以及组合，因此，对实施例的前述描述应通过说明的方式而非通过限制由权利要求书所限定的主题的方式进行。另外，对本文描述的示例的提供以及用短语表达为“诸如”、“包括”等的用语不应被解释为将权利要求书的主题限制于特定示例；而是，这些示例仅旨在说明许多可能的实施例中的一个。此外，不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。