CN1270708A - 用于射频无线键盘的天线系统和装置 - Google Patents

Abstract

用于射频(RF)无线键盘的一种天线系统,它包括作为天线系统一部分的金属板。该金属板设置在无线键盘内。一射频发射器耦合到该金属板和形成天线环的天线导线。该天线环也可以通过在金属板内形成切割空间而直接集成在金属板上。天线系统还可以包括直接与射频发射器耦合的金属板,由此使金属板成为鞭状天线或偶极子天线。射频发射器产生与无线键盘的特定键开关相关的射频信号。天线系统将产生的射频信号发射到与无线键盘分开设置但与之通信的射频接收器。

Description

用于射频无线键盘的天线系统和装置

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于数据处理系统的无线键盘，尤其涉及用于数据处理系统的无线键盘的天线系统。

2.现有技术描述

用于个人计算机的无线键盘是众所周知的。特别是，用于个人计算机的红外无线键盘更是众所周知。红外无线键盘简单地采用键盘内的红外发射器和个人计算机内的红外接收器，建立一条从键盘到个人计算机的输入连接。当然，红外无线键盘在键盘与个人计算机之间无需实际的线路连接，故不存在杂乱的线路。

然而，红外无线键盘也存在许多不足。尤其是，红外无线键盘要求在键盘内的红外发射器与个人计算机内的红外接收器之间有空旷的可视通路。再者，红外键盘与个人计算机之间的距离不能太长，否则，个人计算机内的红外接收器无法检测到来自无线键盘内的红外发射器的红外光束。

空旷的可视通路和距离要求制约了用户对无线设备所期望的灵活性，因为人为的限制制约了红外无线键盘与个人计算机之间可能设置的位置和距离。此外，因红外发射器的缘故，红外无线键盘具有较大的功耗要求。红外无线键盘通常工作于6伏电源，一般由4节1.5伏电池供电。再者，所增加的功耗降低了总的电池寿命，故必须更为频繁地更换电池。

常规的射频无线键盘克服了红外无线键盘的某些缺陷。相对红外无线键盘，常规的射频无线键盘仅需较低的功耗，因此，总的电池寿命延长，故无需经常更换电池。

常规的射频无线键盘也有一些不足。一个不足是需要有足够大的射频天线才能有效发射射频信号。例如，应用电磁传播原理的常规射频天线需要做到与射频波长相同等级的尺寸。例如，27兆赫信号的波长为11米，它需要约3米至6米长的天线发射信号。然而，如此大的射频天线与诸如无线键盘之类必须小到足以方便使用的设备并不相配。

为了解决大天线不利于无线键盘轻巧便利的问题，在常规的射频无线键盘中结合了复杂和昂贵的天线电路。然而，此种电路增加了与常规射频无线键盘相关的生产成本。再者，复杂和昂贵的电路还增加了系统的功耗，由此降低了电池寿命，使电池仍需频繁更换。此外，在许多情况下，即使是复杂和昂贵的天线电路仍无法有效地发射大射频天线所能提供的射频信号。

因此，需要这样一种适用于无线键盘的天线系统：(1)它具有操作灵活性，对无线键盘与个人计算机之间的通信无物理限制，(2)无需复杂和昂贵的附加电路即可廉价地操作和生产，(3)紧凑到足以安装在小的壳体内，(4)功耗较小，(5)较容易实现。

发明概述

本发明包括应用于无线键盘的一种廉价、高效、紧凑的天线系统。该无线键盘包括盘体和键。天线系统包括用于射频无线键盘的射频天线。该射频天线远距离地将无线键盘耦合到个人计算机或可以从键盘接收输入的其它设备。

射频无线键盘的天线系统包括具有第一端和第二端的天线导线，含有数字处理电路和射频发射器电路的射频印刷电路板，以及具有第一端和第二端、设置在无线键盘内的金属板。在一个实施例中，该印刷电路板可以包含接地部分。该天线系统设置在无线键盘的盘体内。

金属板的第一端耦合到射频发射器电路的输出，在一个实施例中它可以耦合到接地部分。金属板的第二端耦合到天线导线的第一端。天线导线的第二端耦合到射频发射器电路的另一输出。这样，本发明的结构就形成了一个天线环，它包括天线导线和金属板作为天线环的部件。该天线环用于产生一个磁场，射频信号根据电磁传播原理由该磁场发射。

射频印刷电路板包括用于射频无线键盘的数字处理电路和射频发射器。键盘内的金属板可以是原先就设置在常规键盘盘体内的金属板。键盘内的金属板用于防止静电放电。金属板还为键盘结构增强了刚性，为键盘增加了某些重量，使用户产生一种高质和耐用的感觉。

本发明的天线环的长度约等于键盘的长度，其宽度像键盘内部留下的自由空间(高度、长度和/或宽度)那样大。再者，天线系统如此设计，使得整个天线环可以设置在常规键盘的盘体内部。

在另一个实施例中，天线系统的射频天线可以由金属板组成。例如，在一个实施例中，天线导线可以由裁切的金属板替换。天线系统包括具有第一部分和第二部分、中间具有裁切空间的金属板。第一部分耦合到射频发射器电路的输出，第二部分可以耦合到射频发射器电路的另一输出或接地。天线环由第一和第二部分形成，其长度为键盘的长度，而其宽度则像键盘留下的自由空间(高度、长度和/或宽度)那样大。再者，天线环用以产生一个磁场，射频信号由此发射。

在本发明的另一个实施例中，射频发射器可以直接耦合到金属板无需接地连接。该天线系统由金属板组成。该金属板可以作为鞭状天线或偶极子天线用以产生一个电场，射频信号根据电磁传播原理由此发射。

本发明的优点在于利用许多常规键盘中本来就有的金属板作为天线系统的一部分，以提高天线的辐射效率。此外，本发明还通过在水平极化和垂直极化两方面提供优良的辐射性能来提高效率。本发明效率的提高有利于提供一种无线键盘，与常规的无线键盘相比其功耗更低。在一个实施例中，天线系统和设备仅需3.0伏特的电源，例如可以由两个1.5伏特的电池供电。

除了提高效率和减低功耗外，本发明的优点还在于紧凑，由此可以安装在无线键盘的盘体内部。本发明还为连接到含有射频发射器的印刷电路板提供了方便。

说明书中所述的特征和优点并非全面，尤其是，从附图、说明书和权利要求书来看，对本领域的熟练人员而言还有许多附加的特征和优点。再者，应当注意，说明书中所用的语言主要是出于可读性和教导的目的，而并非用来详细记述或限制发明的主题。

附图简述

图1是根据本发明的含有无线键盘的数据处理系统的方框图；

图2是表示根据本发明的计算机键盘的示意图；

图3a是表示根据本发明的无线键盘的内部结构的示意图；

图3b是根据本发明的射频发射器印刷电路板(“RF发射器PCB”)410的方框图；

图4a，4b和4c是表示根据本发明的一个实施例的位于无线键盘盘体内的射频天线系统的示意图；

图5a，5b和5c是表示根据本发明的另一个实施例的位于无线键盘盘体内的射频天线系统的示意图；

图6a，6b和6c是表示根据本发明的第二个实施例的位于无线键盘盘体内的射频天线系统的示意图；以及

图7a，7b是表示根据本发明的第三个实施例的位于无线键盘盘体内的射频天线系统的示意图。

较佳实施例的详细描述

以下将参照附图描述本发明的较佳实施例。相同的参照号表示相同或功能相似的元件。本发明包括应用于无线键盘设备的一种廉价、高效、紧凑的天线系统。该天线系统包括射频天线系统。

图1表示根据本发明的一个数据处理系统101。该数据处理系统101包括含有中央处理单元(CPU)115、射频接收器子系统120、输入设备子系统130a、视频子系统135a以及数据总线140的处理器系统110。CPU115、接收器子系统120、输入设备子系统130a、视频子系统135a全都耦合到数据总线140。

此外，数据处理系统101包含鼠标130b、视频监视器135b和射频无线键盘125。输入设备子系统与输入设备例如鼠标130b耦合。视频子系统135a耦合到视频系统例如视频监视器135b。射频接收器子系统120耦合到射频输入设备例如无线键盘125。

射频接收器子系统120可以是单通道接收器或多通道接收器。即，射频接收器子系统120可以通过射频单独与无线键盘耦合，或者，与无线键盘和其他射频发射设备，例如射频无线鼠标耦合。注意，在另一个实施例中，射频接收器子系统120可以是一种独立设备，它可以耦合到处理器系统110，但设置在处理器系统110的外面。

在数据处理系统101工作期间，无线键盘125将代表键盘特定键的射频信号传送到处理系统110，具体地说传送到射频接收器系统120。射频接收器系统120将射频信号转换为合适的键符，并将该键符送到CPU115进行处理。CPU115可以将该键符送到显示单元135进行显示。

图2是根据本发明的无线键盘125的一个实施例的外形图。无线键盘125具有盘体210和键帽子系统215，它包括一或多个键帽215a。盘体210可以由塑料，例如注模热塑材料或其他类似材料制成。此外，键帽215a也可以由热塑材料制成。

注意，无线键盘125的键盘功能在功能上和结构上可以与商用键盘相类似，诸如纽约Armonk的IBM公司的101键键盘，华盛顿州Redmond的微软公司的波浪形键盘，或者薄膜型键盘。此外，无线键盘125的尺寸例如约为46厘米×18厘米×3厘米。

图3a是无线键盘125的键开关系统301的内部结构部件图。键开关系统301包括键开关衬垫310、键开关印刷电路薄膜(键开关PCM)子系统315(包括一或多个键开关印刷电路薄膜)以及金属板320。键开关衬垫包括键开关315，它例如是薄膜键开关或机械键开关。注意，在另一个实施例中，键开关PCM子系统315可以由键开关印刷电路板(键开关PCB)替换。此外，键开关PCB可以结构成结合例如像铜薄膜之类的金属板320。

键开关衬垫310和键开关PCM子系统315可以由轻而柔性的塑料或其它类似材料制成。金属板320例如可以由柔性或大体上刚性、尺寸为40厘米×15厘米的金属材料制成。键开关325例如为薄膜键开关或机械键开关。每个键开关325a与一个特定的键帽215a相联系，后者又与无线键盘125上的一个特定的键符或功能相联系。

键开关衬垫310耦合到键开关PCM子系统315。组合的键开关衬垫310与键开关PCM子系统315耦合到金属板，后者为无线键盘125的键开关系统101提供结构上的刚性。金属板320还保护键开关PCM子系统315免遭静电放电的损害。

此外，键开关PCM子系统315包括一系列的电触点。每个电触点为开路状态，直至由一个特定的键开关325a将它闭合。当用户按下相关的键帽215时，键开关325a将该电触点闭合。以下将进一步描述射频无线键盘125将表示与特定键帽215a和键开关325a相关的字符或功能的射频信号发送到射频接收器子系统120的过程。

图3b是根据本发明的一个射频发射器印刷电路板(射频发射器PCB)410或一个射频发射器印刷电路薄膜(射频发射器PCM)的方框图。射频发射器PCB410产生射频信号发射到接收器子系统120。射频发射器PCB410包括数字处理电路350和具有两个输出端的小功率射频发射器电路360。在一个实施例中，一个输出端是发射器PCB410的一个电气接地370。数字处理电路350耦合到射频发射器电路360。

数字处理电路350包括键开关扫描器子系统352和键开关编码器子系统354。射频发射器电路360包括调制器子系统362，还可以包括放大器子系统364。扫描器子系统352耦合到键开关PCM子系统315和键开关编码器子系统354。键开关编码器子系统354耦合到调制器子系统362。调制器子系统362耦合到放大器子系统364。根据本发明，射频发射器电路360耦合到射频天线系统。

在一个实施例中，无线键盘125操作期间，由扫描器子系统352扫描键开关PCM子系统315，以检测因按下键帽215a而闭合的电触点。一旦检测到，键开关编码器子系统354即产生一个与按下的键帽215a的字符或功能有关的编码的数据信号。该编码的数据信号由调制器子系统362调制，由此可以作为射频信号发射。在由射频天线系统发射之前，射频信号也可以由放大器子系统364放大。注意，射频无线键盘125内的射频发射器PCB410以及其它电气系统例如可以由两节1.5伏碱性或镍-镉电池供电。

图4a是根据本发明的无线键盘125内的一个射频天线系统401的一个实施例的示意图。图4b是根据本发明的一个射频天线系统401的单独示意图。射频天线系统401包括金属板320、天线导线415和连接器导线420。射频天线系统401可以包括射频发射器PCB410。

天线导线415的第一端耦合到射频发射器PCB410的放大器子系统364的输出端，第二端耦合到金属板320的第一端或第一部分。金属板320的第二端或第二部分通过连接器导线420耦合到放大器子系统364的第二输出端，它可以是射频发射器PCB410的接地端370。

天线导线415和金属板320形成了一个天线环，它耦合到放大器子系统364的输出端。天线环的长度大致可相等于无线键盘125的长度，其宽度可以像无线键盘125内的剩余空间(高度、长度和/或宽度)那样大。例如，该天线环可以为40厘米长和2厘米宽。在另一个实施例中，天线环的长度和/或宽度可以增大或缩小。

天线系统401的天线环产生一个磁场，按照电磁传播原理，射频信号由此从射频发射器电路360发射到接收器子系统120。天线导线415与金属板320之间的空间提供了一个较大的天线环表面，用以发射射频信号。

注意，在本发明的一个实施例中，射频天线系统401包括具有一匝的天线导线415。在本发明的另一个实施例中，天线导线415可以有一匝以上。例如，图4c表示天线导线415为两匝的一个天线环。天线导线415增加的匝数扩大了天线环的表面积，增大了射频天线系统401的发射范围。此外注意，在本发明的另一个实施例中，天线环可以卧放在与金属板320同一个几何平面上，如图5a所示，或者处于任何其它的平面，例如图5b和5c所示。

图6a是根据本发明的第二个实施例的射频无线键盘125内的射频天线系统403。图6b是根据本发明的射频天线系统403的第二个实施例的单独示意图。注意，该天线系统403在功能上等效于天线系统401。

射频天线系统403包括第二个实施例的具有第一天线部分322a和第二天线部分322b的金属板322、射频发射器PCB410以及连接导线420。射频天线系统403也可以包括射频发射器PCB410。注意，第二个实施例的金属板322在功能上和结构上都与上述金属板320相似。

第一天线部分322a和第二天线部分322b由同一金属板322形成，其间形成一个切割空间322c。射频发射器电路360的放大器子系统364的一个输出端经由连接线420耦合到第一天线部分322a。射频发射器电路360的放大器子系统364的第二输出端(它可以是射频发射器PCB410的接地端370)耦合到第二天线部分322b。

天线环由金属板322的第一天线部分322和第二天线部分322b形成。再者，天线环的长度大致等效于无线键盘125的长度，其宽度可以像无线键盘125内的剩余空间(高度、长度和/或宽度)那样大。天线环可以参照图5a，5b和5c设置于任何平面。

第一天线部分322a和第二天线部分322c之间的切割空间322c提供较大的天线环表面，以发射射频信号。再者，金属板可以切割成包含多于两个的天线部分，形成具有两匝或多匝的切割空间，如图6c所示。如以上参照图4c所述，附加的匝数扩大了天线环的表面积，增大了天线系统403的发射范围。再者，由天线环发射的射频信号可以由接收器子系统120接收。

图7a是根据本发明第三个实施例的射频无线键盘125内的射频天线系统405的示意图。图7b是该第三个实施例的射频天线系统405的单独示意图。注意，该天线系统405与天线系统401相类似，这样就无需用大尺寸的天线来发射来自无线键盘125的射频发射器电路360的射频信号。

该天线系统405包括第三个实施例的金属板324、射频发射器PCB410和连接线420。注意，该第三个实施例的金属板324与金属板320相类似，它例如用作天线系统部分，同时防止静电放电和提供结构上的刚性。射频发射器电路360的放大器子系统364的输出经由连接线420直接耦合到金属板324。金属板324与射频发射器PCB410之间没有接地连接。

天线系统405包括用作鞭状天线或偶极子天线的金属板324。天线系统405的鞭状天线产生一个电场，根据电磁传播原理，射频信号由此发射到接收器子系统120。

无线键盘125操作期间，当键帽215a被按下时，由射频发射器PCB产生放大的射频信号，它表示与按下的键帽215a相关的键符或功能，如参照图3b所示。射频信号沿着天线系统401、402、403的天线环(电流流动)或鞭状天线(电压差)由放大器子系统364输出，作为由射频无线键盘125发射。通过天线系统401、403、405发射的射频信号可以由接收器子系统120接收，用以处理射频信号。

在本发明的一个实施例中，天线系统401、403、405被调谐以发射频率为27兆赫的射频信号，尽管它也可以被调谐在发射功能上等效的其它频率上。频率为27兆赫的发射射频信号形成约11米的波长。而常规的射频天线需要3至6米的尺寸才能发射该射频信号，本发明的优点在于紧凑到可以装配在无线键盘125内部而没有降低其性能。

本发明的天线系统401、403、405的优点在于采用无线键盘内现成的金属板320、322、324作为射频天线系统的一部分，用以与接收器子系统120通信。像现有的键盘元件用作天线系统401、403、405那样，综合金属板320、322、324能有效地进行射频信号发射。再者，采用金属板320、322、324作为天线系统401、403、405的一部分，由于键盘内存在金属板320、322、324，可防止发射因过分衰减或干扰而失真的射频数据信号。注意，金属板320、322、324可以有不同的几何形状并具有各种构造，而不脱离本发明的精神。

本发明还通过沿水平极化和垂直极化提供优良的辐射性能来提高天线的效率。这样，即使射频发射器电路360或接收器子系统120并非平放在桌子上，无线键盘125与接收器子系统120之间的射频信号连接质量仍保持高质连接。天线系统401、403、405的另一优点在于接收器子系统120无需定制的结构，而且可以简单地集成在台式或立式(tower)个人计算机内部。除了高效以外，天线系统401、403、405还是紧凑的，由此可以安装在无线键盘125的键盘盘体210内。

本发明的天线系统401、403、405的优点还在于采用了小功率的射频发射器子系统364发射射频信号。尤其是，降低了无线键盘125的功耗，由此增加了电池寿命。例如，天线系统401、403、405允许采用3.0伏的电源，例如两节1.5伏的电池，其寿命比常规无线键盘内的6.0伏或更大的电源还长。

尽管以上说明和描述了本发明的特定实施例和应用，应当理解本发明并非局限于以上所述的精确结构和部件，对于本领域的熟练人员而言，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，还可以在上述本发明的方法和设备的设计、操作和细节方面作出各种修改、变化和变换。

Claims (10)

1.在包含结合射频接收器的计算机和具有射频发射器的无线键盘的数据处理系统中，一种用以远距离耦合射频发射器与射频接收器的射频天线系统包括：

耦合于无线键盘内的金属板；以及

在无线键盘内耦合到射频发射器和金属板的天线导线，该天线导线和金属板形成一天线环，该天线环用以发射来自射频发射器的射频信号。

2.如权利要求1所述的射频天线系统，其特征在于该天线导线包括至少一匝。

3.如权利要求1所述的射频天线系统，其特征在于该天线环产生一磁场用以发射射频信号。

4.无线射频键盘中的一种射频天线系统，它包括：

金属板；

具有第一输出和第二输出的射频发射器，该第二输出耦合到该金属板，该射频发射器用以产生射频信号；以及

具有第一端和第二端的天线导线，该第一端耦合到金属板，该第二端耦合到射频发射器，该天线系统用以发射射频信号。

5.如权利要求4所述射频天线系统，其特征在于该天线导线包括至少一匝。

6.无线射频键盘中的一种射频天线系统，它包括：

具有第一输出和第二输出的射频发射器，用以产生射频信号；以及

含有第一部分和第二部分的金属板，该第一部分和第二部分间具有切割空间形成一个天线环，该金属板耦合到放大器子系统的第一输出和射频发射器的第二输出，该天线环用以发射射频信号。

7.如权利要求6所述的射频天线系统，其特征在于该金属板包含位于第一部分与第二部分之间的第三部分，该第一部分与第三部分之间的空间形成第一切割空间，该第三部分与第二部分之间的空间形成第二切割空间，该第一部分、第二部分和第三部分形成天线环的至少一匝。

8.如权利要求6所述的射频天线系统，其特征在于该天线环产生一磁场，用以发射射频信号。

9.具有多个键开关的无线键盘中的一种射频天线系统，它包括：

响应于无线键盘上的特定键开关，产生射频信号的射频发射器；以及

耦合到该射频发射器，用以发射射频信号的金属板。

10.如权利要求9所述的射频天线系统，其特征在于该金属板产生一电场，用以发射射频信号。

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