CN103943948B - 用于入耳式无线耳机的可折叠pcb板螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线耳机天线技术领域的用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，它包括一天线PCB、一垂直于天线PCB的立方体PCB组和分别与天线PCB和立方体PCB组进行相互连接的柔性PCB，该立方体PCB组由两块以上的硬性PCB竖向折叠组合形成立方体结构，天线PCB与立方体PCB组之间形成距离保持不变的恒定间隙，恒定间隙有利于螺旋天线到接地面之间的耦合形成，这也有利于通过螺旋天线产生圆极化电磁波。本发明的螺旋天线非常适合入耳式耳机的应用，与传统的倒F型天线具有相似功效和增益系数，与传统的倒F型天线设计完全不同，螺旋天线下方的接地平面进一步延伸，比四分之一波长更长，有助于提高螺旋天线网络的辐射效率。

Description

用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线

技术领域

本发明涉及无线耳机天线技术领域，具体涉及一种螺旋天线，特别涉及用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线。

背景技术

根据外形尺寸，大部分无线耳机可以分为入耳式、耳罩式或外挂式耳机。如今，2.4GHz的蓝牙方案是多媒体应用中最受欢迎的无线解决方案，而陶瓷芯片天线或PCB直接印制倒F型天线则是天线设计中最容易的解决方案。无论陶瓷天线还是PIFA（PCB印制倒F型天线）天线，它们均是根据RF载波有效发射和接收为四分之一波长的原则而设计。陶瓷材料具有高介电常数的特性，可以使有效波长缩短，有助于陶瓷天线的外形尺寸变得更小。然而，陶瓷天线的小型化并不意味着其没有不良影响。随着尺寸减小，陶瓷天线的辐射效率也降低。大部分陶瓷天线根据其尺寸获得0dBi至4dBi的增益。通常而言，陶瓷天线的尺寸越短或越小，损耗会越多。陶瓷天线由于尺寸较小，损耗较高，通信范围也将减少。

印制倒F形PCB天线的设计非常稳健，但是其尺寸至少限制为30mm（四分之一波长）。它的性能通常与偶极天线相似，具有大约2dBi的增益。为了使辐射更加有效，天线需要长于四分之一波长的接地平面。这些与波长相关的物理限制使产品尺寸缩小变得更加困难。

许多研究和文件涉及紧凑型倒F型天线的设计，减小倒F型天线外形尺寸的设计也是RF工程的一个共同课题。采用折测线的方法折叠辐射体长度是缩短倒F型天线的常用方法。然而，辐射体折叠程度越高，天线的辐射效率和增益越低，它会影响到无线应用性能。

耳罩式和外挂式耳机有足够空间装入陶瓷或PCB型天线，这个问题应该不大。由于PIFA天线的PCB面积需要大约30毫米长，入耳式耳机几乎不能在产品壳体内装入如此大的天线。因为陶瓷的尺寸小，很明显入耳式耳机的解决方案为陶瓷天线。陶瓷芯片天线的设计准则是限制天线区域附近“非金属”区的空间利用率。除了性能以外，该产品的无线通信范围将降低。这些就是为什么陶瓷芯片天线不能帮助解决入耳式天线应用的原因。

现本发明人研发出一种能够解决上述问题的可折叠PCB板螺旋天线。

发明内容

本发明的目的是解决以上缺陷，提供用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，其与传统的倒F型天线具有相似功效和增益系数。

螺旋天线是由金属线或PCB走线的单导线组成并缠绕成螺旋的形状；螺旋天线是无线应用中最常见的一种选择，具有方便构建、良好的物理强度和圆极化的优点。圆极化天线也有助于减少方向接收问题，有利于耳机的使用；

多圈螺旋天线通常具有较高的电感效应，高电感会产生高Q值，很容易使天线的谐振频率与附近的人体或金属物体失谐。为了避免上述问题，本发明采用单匝线圈结构。

针对上述螺旋天线所存在的问题，本发明是通过以下方式实现的：

用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，它包括：

一天线PCB，该天线PCB为硬性电路板，其表面印制有倒F型天线和与倒F型天线连接的螺旋天线，本发明所述的螺旋天线为单匝线圈结构。

本发明的内容还包括一垂直于天线PCB的立方体PCB组，该立方体PCB组由两块以上的硬性PCB竖向设置组合形成立方体结构，从电气角度而言，立方体PCB组的硬性PCB分别通过铜引线和铜层进行装配，从而使立方体PCB组形成坚实的金属体。立方体PCB组的顶面为平整面，立方体PCB组位于螺旋天线的边缘下方，各硬性PCB之间的接地端均通过第一柔性PCB进行连接。该立方体PCB组包含基带硬件电路和射频电路，基带硬件电路和射频电路的接地端共同形成地线层。另外还包括第二柔性PCB，第二柔性PCB分别与天线PCB和立方体PCB组进行相互连接，第二柔性PCB的一端分别与立方体PCB组的地线层连接，其另一端直接与天线PCB连接，第二柔性PCB上设有竖向贯通第二柔性PCB的短路螺柱和馈电引线，短路螺柱用于减少螺旋天线的电阻抗，使螺旋天线具有有效的辐射和接收能力，同时用于与需要的无线频段进行谐振;短路螺柱平行于馈电引线，短路螺柱的一端与倒F型天线的接地端进行连接，短路螺柱的另一端与立方体PCB组进行连接，馈电引线的一端与倒F型天线的馈电端进行连接，馈电引线的另一端延伸至立方体PCB组上形成RF馈电点，使天线PCB的螺旋天线直接接地。本发明通过短路螺柱结合倒F型天线的方法来匹配新的螺旋天线

传统的倒F型天线具有与接地平面平行的四分之一波长的辐射体，它在辐射体和接地平面之间产生恒定的电场耦合。由于电场耦合的影响，形成了RF馈电点传输的导行电磁波并在辐射体周围感应出电场。电场感应机制形成了自由空间电磁波的传播机制。所有传输机制基于共面设计，也就是一切都在平面上，这也限制了其应用到入耳式无线设备上。

本发明试图模拟倒F型天线电场耦合机制的相同效果，在螺旋天线和其下金属接地之间保持恒定间隙。为了实现这一目标，在螺旋天线下的立方体PCB组需要保持平整。天线PCB与立方体PCB组之间形成距离保持不变的恒定间隙，恒定间隙有利于螺旋天线到接地面之间的耦合形成，这也有利于通过螺旋天线产生圆极化电磁波。

它与传统的共面倒F型天线设计完全不同。入耳式耳机有附加导线连接至扬声器的另一侧形成立体声***。通过利用这些导线，螺旋天线下方的接地平面通过导线进一步延伸，比四分之一波长更长，有助于提高天线网络的辐射效率。

上述技术方案中，更为优选的方案为：该恒定间隙的高度大于5mm。

上述技术方案中，更为优选的方案为：该射频电路包括Pi型网络匹配电路或者T型网络匹配电路，Pi型网络匹配电路或者T型网络匹配电路用于将电阻转换到50欧姆并加宽整个螺旋天线网络的频带宽度。由于短路螺柱的存在，螺旋天线电阻的电阻部分仍低于50欧姆，因此需要附加Pi型网络匹配电路或者T型网络匹配电路将电阻转换到50欧姆并加宽整个螺旋天线网络的频带宽度。

本发明所产生的有益效果如下：

1）本发明的螺旋天线非常适合入耳式耳机的应用，与传统的倒F型天线具有相似功效和增益系数;

2）与传统的倒F型天线设计完全不同，螺旋天线下方的接地平面进一步延伸，比四分之一波长更长，有助于提高螺旋天线网络的辐射效率;

3）螺旋天线和立方体PCB组之间的恒定间隙有利于螺旋天线到接地面之间的耦合形成，这也有利于通过螺旋线产生圆极化电磁波;

4）增设短路螺柱的结构可帮助减少螺旋天线的电阻抗;

5）立方体PCB组形成一地线层，使其厚度尺寸更大，传统设计只是由一个平面PCB构成地线层，形成薄的平面设计。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图;

图2为本发明实施例的立体结构简化示意图;

图3为本发明实施例的平面结构展开示意图;

图4为传统倒F型天线和新发明螺旋天线的传输功率辐射比较图;

图1～图3中，1为天线PCB，2为第二柔性PCB，3为USB充电接口，4为立方体PCB组，5为恒定间隙;

101为倒F型天线，102为螺旋天线，103为RF馈电点，104为短路螺柱,105为馈电引线;

401为硬性PCB一，402为硬性PCB二，403为硬性PCB三，404为第一柔性PCB，405为铜引线插脚;

图4中，A为传统倒F型天线的传输功率辐射图，B为新发明螺旋天线的传输功率辐射图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例，参照图1～图3，其具体实施方式包括一天线PCB1、一垂直于天线PCB1的立方体PCB组4和用于连接天线PCB1和立方体PCB组4的第二柔性PCB2。

其中，该天线PCB1为硬性电路板，其表面印制有倒F型天线101和与倒F型天线101连接的螺旋天线102。如图1所示，天线PCB1的表面还设置有用于接入耳式耳机天线进行充电的小型USB充电接口3。本实施例的螺旋天线102为单匝线圈，突破了将单匝线圈作为螺旋天线102用于入耳式耳机的无线应用。

本实施例的立方体PCB组4由三块硬性PCB竖向设置组合形成立方体结构，如图1所示，本实施例的三块硬性PCB均同向排列，且相互处于平行状态，分别为硬性PCB一401、硬性PCB二402和硬性PCB三403，如图3所示展开后各硬性PCB之间的接地端均通过第一柔性PCB404进行连接，本实施例所述的第一柔性PCB404与第二柔性PCB2的含义一样，其所起的作用也是一样的，主要用于接地端的连接。硬性PCB一401的表面焊接有若干个用于与入耳式耳机进行焊接的铜引线插脚405，铜引线插脚405从硬性PCB一401的表面引出并折弯后向下延伸，与传统的倒F型天线101设计完全不同，螺旋天线102下方的接地平面进一步延伸，比四分之一波长更长，有助于提高螺旋天线102网络的辐射效率。铜引线插脚405也就是硬性PCB的接地端。由于立方体PCB组4的硬性PCB分别通过铜引线和铜层进行装配，从而使立方体PCB组4形成坚实的金属体，各硬性PCB组成的顶面为平整面，金属***于螺旋天线102的边缘下方。如图2所示，本实施例的硬性PCB共设有两块，分别为硬性PCB一401和硬性PCB二402，其均竖向设置，且相互处于相邻的垂直状态。本实施例中，立方体PCB组4的硬性PCB中包含基带硬件电路和射频电路，基带硬件电路和射频电路的接地端共同形成地线层。该射频电路包括Pi型网络匹配电路，Pi型网络匹配电路用于将电阻转换到50欧姆并加宽整个螺旋天线102网络的频带宽度。

第二柔性PCB2的一端分别与立方体PCB组4的地线层连接，其另一端直接与天线PCB1连接，第二柔性PCB2上设有竖向贯通第二柔性PCB2的短路螺柱104和馈电引线105，短路螺柱104用于减少螺旋天线102的电阻抗，使螺旋天线102具有有效的辐射和接收能力，同时用于与需要的无线频段进行谐振。如图2所示，短路螺柱104平行于馈电引线105，短路螺柱104的一端与倒F型天线101的接地端进行连接，短路螺柱104的另一端与立方体PCB组4进行连接，短路螺柱104的另一端直接与立方体PCB组4的接地端连接。馈电引线105的一端与倒F型天线101的馈电端进行连接，馈电引线105的另一端延伸至立方体PCB组4上形成RF馈电点，使天线PCB的螺旋天线直接接地。如图2和图3所述，本实施例中倒F型天线101的RF馈电点103通过馈电引线105延伸至立方体PCB组4的硬性PCB上。

另外，天线PCB1与立方体PCB组4之间形成距离保持不变的恒定间隙5，该恒定间隙5的高度大于5mm。恒定间隙5有利于螺旋天线102到接地面之间的耦合形成，这也有利于通过螺旋天线102产生圆极化电磁波。

如图4所示，图中，A为传统倒F型天线101的传输功率辐射图，B为新发明螺旋天线102的传输功率辐射图，传统倒F型天线101和新发明螺旋天线102间的发送功率平均差别在0.5dB以内。这也意味着，新发明的螺旋天线102具有相似功效和增益系数，非常适合入耳式耳机的应用。

以上内容是结合具体的优选实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，其特征在于，它包括：

一天线PCB，该天线PCB为硬性电路板，其表面印制有倒F型天线和与倒F型天线连接的螺旋天线;

一垂直于天线PCB的立方体PCB组，该立方体PCB组由两块以上的硬性PCB竖向设置组合形成立方体结构，立方体PCB组的硬性PCB分别通过铜引线和铜层进行装配，从而使立方体PCB组形成坚实的金属体，立方体PCB组的顶面为平整面，立方体PCB组位于螺旋天线的边缘下方，各硬性PCB之间的接地端均通过第一柔性PCB进行连接，该立方体PCB组包含基带硬件电路和射频电路，基带硬件电路和射频电路的接地端共同形成地线层;

分别与天线PCB和立方体PCB组进行相互连接的第二柔性PCB，第二柔性PCB的一端分别与立方体PCB组的地线层连接，其另一端直接与天线PCB连接，第二柔性PCB上设有竖向贯通第二柔性PCB的短路螺柱和馈电引线，短路螺柱用于减少螺旋天线的电阻抗，使螺旋天线具有有效的辐射和接收能力，同时用于与需要的无线频段进行谐振;短路螺柱平行于馈电引线，短路螺柱的一端与倒F型天线的接地端进行连接，短路螺柱的另一端与立方体PCB组进行连接，馈电引线的一端与倒F型天线的馈电端进行连接，馈电引线的另一端延伸至立方体PCB组上形成RF馈电点，使天线PCB的螺旋天线直接接地;

天线PCB与立方体PCB组之间形成距离保持不变的恒定间隙，恒定间隙有利于螺旋天线到接地面之间的耦合形成，这也有利于通过螺旋天线产生圆极化电磁波。

2.根据权利要求1所述用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，其特征在于：该恒定间隙的高度大于5mm。

3.根据权利要求1或者2所述用于入耳式无线耳机的可折叠PCB板螺旋天线，其特征在于：该射频电路包括Pi型网络匹配电路或者T型网络匹配电路，Pi型网络匹配电路或者T型网络匹配电路用于将电阻转换到50欧姆并加宽整个螺旋天线网络的频带宽度。