一种可穿戴设备 |
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| 申请号 | CN202010424295.0 | 申请日 | 2020-05-19 | 公开(公告)号 | CN113690582A | 公开(公告)日 | 2021-11-23 |
| 申请人 | 华为技术有限公司; | 发明人 | 许志玮; 王汉阳; 刘兵; | ||||
| 摘要 | 本 申请 实施例 提供了一种可穿戴设备，包括：金属边框，印刷 电路 板PCB和第一馈电单元；其中，所述金属边框与所述PCB之间形成缝隙；所述金属边框包括第一馈电点，第一接地点和第二接地点，所述金属边框在所述第一接地点和所述第二接地点处接地；所述金属边框由所述第一接地点和所述第二接地点分为第一区域和第二区域，所述第一区域对应的周向长度大于所述第二区域对应的周向长度；所述第一馈电点设置于第一区域，所述第一馈电点与所述第一接地点沿所述金属边框的距离小于所述第一区域对应的周向长度的三分之一；所述第一馈电单元在所述第一馈电点处馈电。本申请提供的技术方案可以利用可穿戴设备的金属边框实现4G通信系统的全频段 覆盖 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：印刷电路板PCB和天线结构； |
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| 说明书全文 | 一种可穿戴设备技术领域[0001] 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[0002] 随着移动通信技术的发展，可穿戴设备可用于随时监控人体心跳、睡眠状态等重要数据，藉由通信功能与互联网连接，完成数据同步。或是可穿戴设备也可以获得天气温度等信息。此外，内置的近场通信(near field communication，NFC)功能让用户能方便简易透过可穿戴设备进行消费行为。 [0003] 上述可穿戴设备的重要应用离不开通信功能，需要内置天线来发射或接收电磁信号。目前，一般使用单极子，倒F形天线(inverted-F antenna，IFA)等天线形式，将天线放置在印刷电路板(printed circuit board，PCB)的四周。受限于可穿戴设备(例如智能手表)的尺寸，其内置的天线很难支持第四代(second generation，4G)移动通信系统中的所有频段。发明内容 [0005] 第一方面，提供了一种可穿戴设备，包括：印刷电路板PCB和天线结构，所述天线结构包括金属边框，和第一馈电单元；其中，所述金属边框与所述PCB之间形成缝隙；所述金属边框包括第一馈电点，第一接地点和第二接地点，所述金属边框在所述第一接地点和所述第二接地点处接地；所述金属边框由所述第一接地点和所述第二接地点分为第一区域和第二区域，所述第一区域对应的周向长度大于所述第二区域对应的周向长度；所述第一馈电点设置于第一区域，所述第一馈电点与所述第一接地点沿所述金属边框的距离小于所述第一区域对应的周向长度的三分之一；所述第一馈电单元在所述第一馈电点处为所述天线结构馈电。 [0006] 根据本申请实施例的技术方案，在不增加可穿戴设备结构复杂度的情况下，利用可穿戴设备的金属边框和印刷电路板形成可穿戴设备的天线结构，可以产生三个谐振，覆盖4G通信系统中的全频段。 [0007] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述天线结构为缝隙天线。 [0008] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一馈电单元馈电时，所述天线结构产生第一谐振，第二谐振和第三谐振；其中，所述第一谐振的谐振点的频率小于所述第二谐振的谐振点的频率，所述第二谐振的谐振点的频率小于所述第三谐振的谐振点的频率。 [0009] 根据本申请实施例的技术方案，当第一馈电单元馈电时，天线结构可以产生第一谐振，第二谐振和第三谐振。可以分别对应于4G通信系统中的低频段，中频段和高频段。其中，产生第一谐振时，天线结构可以工作在二分之一波长模式下，产生第二谐振时，天线结构可以工作在一倍波长模式下，产生第三谐振时，天线结构可以工作在二分之三波长模式下。 [0010] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二谐振对应的所述天线结构的工作频段覆盖全球定位系统GPS频段。 [0011] 根据本申请实施例的技术方案，第二谐振还可以覆盖全球定位系统频段，将定位天线也集成在可穿戴设备的金属边框上，为可穿戴设备提供定位服务，可以进一步减少整体结构的复杂程度。 [0012] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一谐振对应的所述天线结构的工作频段覆盖698MHz-960MHz，所述第二谐振对应的所述天线结构的工作频段覆盖1710MHz-2170MHz，所述第三谐振对应的所述天线结构的工作频段覆盖2300MHz至2690MHz。 [0013] 根据本申请实施例的技术方案，第一谐振，第二谐振和第三谐振可以分别对应于4G通信系统中的低频段，中频段和高频段。 [0014] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述可穿戴设备还包括带通滤波器；所述金属边框还包括第三接地点，所述第三接地点设置于第一区域，位于所述第一馈电点与所述第二接地点之间；所述带通滤波器一端在所述第三接地点处与所述金属边框电连接，另一端接地。 [0015] 根据本申请实施例的技术方案，可以用于调整天线结构产生谐振的谐振点。 [0016] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述带通滤波器的工作频段覆盖所述第三谐振对应的所述天线结构的工作频段。 [0018] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述带通滤波器在所述第一谐振对应的所述天线结构的工作频段或所述第二谐振对应的所述天线结构的工作频段呈容性。 [0019] 根据本申请实施例的技术方案，由于带通滤波器工作在高频段时，对于低频段和中频段来说呈容性。因此，可以将带通滤波器中的电容设置为可调器件，可以用于调整天线结构产生第一谐振和第二谐振覆盖4G移动通信系统中的低频段和中频段的谐振点。 [0020] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述带通滤波器的工作频段覆盖2300MHz至2690MHz。 [0021] 根据本申请实施例的技术方案，带通滤波器410可以工作在4G移动通信系统中的高频段。 [0022] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第三接地点与所述第一接地点沿所述金属边框的距离为所述第一区域对应的周向长度的三分之一。 [0023] 根据本申请实施例的技术方案，可以有效缩短天线结构工作在二分之三波长模式时的回地路径，在高频段工作时，可以减小由于金属边框附近环境引起的干扰，增加天线结构工作在高频段时的辐射特性。 [0024] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一区域对应的周向长度为所述第一谐振的谐振点对应的工作波长的二分之一。 [0025] 根据本申请实施例的技术方案，第一区域对应的周向长度为第一谐振的谐振点对应的工作波长的二分之一，具体数值可以根据仿真得到。 [0026] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一区域对应的周向长度介于120mm与90mm之间。 [0027] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，其特征在于，所述第一区域对应的周向长度为112mm，102mm或97mm。 [0028] 根据本申请实施例的技术方案，对于圆形的金属边框而言，当表径为46mm时，第一区域250对应的周向长度可以为112mm；当表径为42mm时，第一区域250对应的周向长度可以为102mm；当表径为40mm时，第一区域250对应的周向长度可以为97mm。 [0029] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一区域对应的圆心角的角度介于288°至252°之间。 [0030] 根据本申请实施例的技术方案，第一区域对应的圆心角可以介于288°至252°之间。天线结构的辐射体所占金属边框比例约为0.7至0.8。 [0031] 结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一区域为金属材料，所述第二区域为非金属材料。 [0032] 根据本申请实施例的技术方案，第二区域与PCB之间的缝隙可以用于可穿戴设备的屏幕与PCB实现电连接，或者柔性电路板与PCB实现电连接。可以避免过多的走线，降低天线结构的损耗。 [0033] 第二方面，提供了一种可穿戴设备，包括：天线结构和印刷电路板PCB，天线结构包括金属边框，带通滤波器，和第一馈电单元；其中，所述金属边框与所述PCB之间形成缝隙；所述金属边框包括第一馈电点，第一接地点和第二接地点，所述金属边框在所述第一接地点和所述第二接地点处接地；所述金属边框由所述第一接地点和所述第二接地点分为第一区域和第二区域，所述第一区域对应的周向长度大于所述第二区域对应的周向长度；所述第一馈电点设置于第一区域，所述第一馈电点与所述第一接地点沿所述金属边框的距离小于所述第一区域对应的周向长度的三分之一；所述第一馈电单元在所述第一馈电点处为所述天线结构馈电；所述金属边框还包括第三接地点，所述第三接地点设置于第一区域，位于所述第一馈电点与所述第二接地点之间；所述带通滤波器一端在所述第三接地点处与所述金属边框电连接，另一端接地，所述带通滤波器的工作频段覆盖2300MHz至2690MHz；所述第三接地点与所述第一接地点沿所述金属边框的距离为所述第一区域对应的周向长度的三分之一。 附图说明 [0034] 图1是本申请实施例提供的可穿戴设备的示意图。 [0035] 图2是本申请提供的可穿戴设备的天线结构的示意性结构图。 [0036] 图3为图2所示的天线结构的S参数仿真结果。 [0038] 图5是天线结构工作在二分之一波长模式时缝隙内的电场分布示意图。 [0039] 图6是天线结构工作在一倍波长模式时缝隙内的电场分布示意图。 [0040] 图7是天线结构工作在二分之三波长模式时缝隙内的电场分布示意图。 [0041] 图8是本申请提供的可穿戴设备的另一种天线结构的示意性结构图。 [0042] 图9是本申请实施例提供的可穿戴设备的示意性结构图。 [0043] 图10是本申请实施例提供的金属边框的展开图。 [0044] 图11是本申请实施例提供的一种带通滤波器结构。 [0045] 图12是本申请实施例提供的一种天线结构的馈电方案的结构示意图。 具体实施方式[0046] 下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。 [0047] 本申请提供的可穿戴设备可以是一种可整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备，具备计算功能，可连接手机以及各类终端设备。示例性地，可穿戴设备可以是手表、智能腕带、便携式音乐播放器、健康监测设备、计算或游戏设备、智能电话、配饰等。在一些实施例中，可穿戴设备为可围绕用户的手腕佩戴的表。 [0048] 图1是本申请提供的可穿戴设备的示意性结构图。在一些实施例中，可穿戴设备可以是表或手环。 [0049] 参考图1，可穿戴设备100包括主体101和一个或多个腕带102(图1中示出了腕带102的部分区域)。腕带102固定连接在主体101上，腕带102可缠绕于手腕、胳膊、腿或身体的其他部位，以将可穿戴设备固定到用户的身上。主体101作为可穿戴设备100的中心元件，可以包括金属边框180和屏幕140。金属边框180可以环绕可穿戴设备一周，作为可穿戴设备外观的一部分，包围屏幕140。屏幕140的边缘邻接且固定在中框180上，形成为主体101的表面。金属边框180和屏幕140之间形成容纳空间，可容纳多个电子器件的组合，以实现可穿戴设备100的各种功能。主体101还包括输入设备120，金属边框180和屏幕140之间的容纳空间可容纳有输入设备120的部分，输入设备120的外露部分便于用户接触。 [0050] 可以理解，本申请实施例中可穿戴设备的金属边框180可以为圆形，方形，多边形也还可以为其它各种规则的或不规则的形状，此处不作限定。为表述的简洁，以下实施例以圆形的金属边框180为例进行说明。 [0051] 屏幕140作为主体101的表面，可作为主体101的保护板，以避免容纳于金属边框180内的部件外露而被损坏。示例性地，屏幕140可以包括液晶显示器(liquid crystal display，LCD)和保护件，保护件可以是蓝宝石晶体，玻璃，塑料或其他材料。屏幕的保护件可以通过热可塑性塑胶(PC/ABS)与金属边框成为一体。 [0052] 用户可通过屏幕140与可穿戴设备100进行交互。示例性地，屏幕140可接收用户的输入操作，并且，响应于该输入操作做出相应的输出，例如，用户可以通过触摸或按压屏幕140上的图形位置处来选择(或以其他方式)打开、编辑该图形等。 [0053] 输入设备120附接到金属边框180的外侧且延伸至金属边框180的内部。在一些实施例中，输入设备包括相连的头部121和杆部122。杆部122伸入壳体180内，头部121外露于壳体180，可作为和用户接触的部分，以允许用户接触输入设备，通过旋转、平移、倾斜或按压头部121来接收用户的输入操作，当用户操作头部121时，杆部122可随着头部121一起运动。可以理解，头部121可呈任意形状，例如，头部121可呈圆柱形。可以理解，可旋转的输入设备120可称为按钮，在可穿戴设备100是表的实施例中，可旋转的输入设备120可形成表的冠部，将输入设备120称为表冠。 [0054] 在本申请中，通过对输入设备120做相关设计，在输入设备120中集成一种或多种功能，以提高用户体验，下文做详细说明。 [0055] 可以理解，输入设备120不仅限于图1所示的结构，任何可接收用户的输入操作的机械部件都可以作为本申请的输入设备。 [0056] 可穿戴设备100包括按键1202，作为输入设备120的一例，可允许用户按压、移动或倾斜按键1202进行输入操作。示例性地，按键1202可安装在金属边框180的侧面180-A上，按键1202的一部分外露，另一部分从金属边框180的侧面朝着壳体180的内部延伸(图中未示出)。示例性地，按键1202也可以设置在按钮1201的头部121上，在进行旋转操作的同时也可进行按压操作。示例性地，按键1202也可设置在主体101上安装有显示屏140的顶面上。 [0057] 继续参考图1，在另一些实施例中，可穿戴设备100可包括按钮1201和按键1202，按钮1201和按键1202可设置在金属边框180的同一个表面上，例如，都设置在金属边框180的同一侧面上，按钮1201和按键1202也可设置在金属边框180的不同表面上，本申请不做任何限定。可以理解，可穿戴设备100可包括一个或多个按键1202，也可包括一个或多个按钮1201。 [0058] 应理解，可穿戴设备离不开通信功能，需要内置天线来发射或接收电磁信号。目前，一般使用单极子，IFA等天线形式。受限于可穿戴设备(例如智能手表)的尺寸，其内置的天线很难支持4G移动通信系统中的所有频段。 [0059] 本申请实施例提供了一种可穿戴设备的天线设计方案，可以利用可穿戴设备的金属边框实现4G通信系统中的低频(low band，LB)(698MHz-960MHz)，中频(middle band，MB)(1710MHz-2170MHz)和高频(high band，HB)(2300MHz-2690MHz)，为可穿戴设备提供良好的通信性能。 [0060] 图2是本申请提供的可穿戴设备的天线结构的示意性结构图。 [0061] 如图2所示，可穿戴设备可以包括PCB220和天线结构200，天线结构可以包括金属边框210和第一馈电单元230。 [0062] 其中，金属边框210与PCB220之间形成缝隙240。金属边框210可以包括第一馈电点201，第一接地点211和第二接地点212。金属边框210可以在第一接地点211和第二接地点 212处接地。金属边框210由第一接地点211和第二接地点212分为第一区域250和第二区域 260，第一区域250对应的周向长度大于第二区域260对应的周向长度。第一馈电点201可以设置于第一区域250，靠近第一接地点211。第一馈电点201与第一接地点211沿所述金属边框210的距离小于第一区域250对应的周向长度的三分之一。第一馈电单元230在第一馈电点201处为天线结构馈电。第一区域250对应的周向长度可以认为是第一接地点211沿金属边框210表面到第二接地点212的较长距离。第二区域260对应的周向长度可以认为是第一接地点211沿金属边框210表面到第二接地点212的较短距离。 [0063] 可选地，天线结构200可以是缝隙天线。 [0065] 可选地，金属边框210的第一区域250可以为金属材料，第二区域260可以为非金属材料。 [0066] 可选地，第一馈电单元230可以设置于PCB220上，可以是可穿戴设备中的电源芯片。 [0067] 可选地，可穿戴设备还可以包括至少一个调谐器件，可以设置于第一接地点211或第二接地点212处，用于调整天线结构的工作频率。 [0068] 可选地，第一区域250对应的圆心角可以介于288°至252°之间。天线结构的辐射体所占金属边框210比例约为0.7至0.8。 [0069] 可选地，第一区域对应的周向长度可以介于120mm与90mm之间。 [0070] 可选地，对于圆形的金属边框而言，当表径为46mm时，第一区域250对应的周向长度可以为112mm；当表径为42mm时，第一区域250对应的周向长度可以为102mm；当表径为40mm时，第一区域250对应的周向长度可以为97mm。应理解，第一区域250对应的周向长度可以根据设计或仿真进行调整，本申请对此并不做限制。 [0071] 可选地，第二区域260与PCB220之间的缝隙可以用于可穿戴设备的屏幕与PCB220实现电连接，或者柔性电路板(flexible printed circuit，FPC)与PCB220实现电连接。可以避免过多的走线，降低天线结构的损耗。 [0072] 图3为图2所示的天线结构的S参数仿真结果。 [0073] 如图3所示，当第一馈电单元馈电时，天线结构可以产生第一谐振，第二谐振和第三谐振。 [0074] 其中，第一谐振可以是天线结构工作在二分之一波长模式产生的谐振，对应于4G通信系统中的LB。第二谐振可以是天线结构工作在一倍波长模式产生的谐振，对应于4G通信系统中的MB。第三谐振可以是天线结构工作在二分之三波长模式产生的谐振，对应于4G通信系统中的HB。 [0075] 应理解，本申请实施例提供的技术方案中提供的天线结构，利用了体积复用的概念，使每个谐振都可以充满天线结构。还可以在本方案的基础上增加寄生枝节，可以激励出新的谐振模式，进一步拓展天线的工作带宽。 [0076] 可选地，第二谐振还可以覆盖全球定位系统(global positioning system，GPS)频段，将定位天线也集成在可穿戴设备的金属边框上，为可穿戴设备提供定位服务，可以进一步减少整体结构的复杂程度。 [0077] 可选地，天线结构对应的工作频段也可以覆盖全球移动通讯(global system of mobile communication，GSM)系统或码分多址(code division multiple access，CDMA)对应的频段，或者，也可以覆盖宽带码分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)，通用移动通信系统(universal Mobile telecommunication system，UMTS)、全球互联微波接入(worldwide interoperability for microwave access，WiMAX)通信系统或通用分组无线业务(general packet radio service，GPRS)等对应的频段。应理解，本申请提供的技术方案也可以应用于5G通信中，本申请对此并不做限制。 [0078] 图4是本申请实施例提供的天线结构的电场强度的分布示意图。 [0079] 如图2所示，可以将金属边框210由第一接地点211处展开形成图4的结构。即图4结构中的金属边框210的两端连接可以形成图2中的圆形结构。 [0080] 如图4所示，第一馈电点201可以设置于近地位置，即金属边框的强电流区/弱电场区。天线结构可以产生多个工作在倍频的谐振，例如，天线结构可以工作在二分之一波长模式，一倍波长模式，二分之三波长模式或者两倍波长模式等。 [0081] 可选地，当金属边框210的第一区域250为金属材料，第二区域260为非金属材料时，第一区域250与第二区域260的连接处可以设置有电子元件，即第一接地点211处还可以设置有电子器件，通过电子器件的容性或感性调节天线结构产生的谐振的谐振点。例如，可以在第一接地点处211设置电感，电感一端在第一接地点处211与金属边框210连接，另一端接地，可以将天线结构的谐振的谐振点降低。 [0082] 可选地，可以在第二接地点处212设置电子器件，可以调整天线结构产生的谐振的谐振点。例如，可以在第二接地点处212设置电感，电感一端在第二接地点处212与金属边框210连接，另一端接地，可以将天线结构的谐振的谐振点降低。 [0083] 图5至图7是本申请实施例提供的天线结构工作在各个模式的电场强度的分布示意图。其中，图5是天线结构工作在二分之一波长模式时缝隙内的电场分布示意图。图6是天线结构工作在一倍波长模式时缝隙内的电场分布示意图。图7是天线结构工作在二分之三波长模式时缝隙内的电场分布示意图。 [0084] 如图5至7所示，为各个工作模式下PCB与金属边框形成的缝隙上的电场强度的分布示意图，图中深色区域为电场零点位置，可以对应于金属边框上电流强点。 [0085] 可选地，可以在各个模式对应的电场强点加载或减载电子器件，如电容或电感，可以微调各个模式对应的谐振的谐振点。 [0086] 图8是本申请提供的可穿戴设备的另一种天线结构的示意性结构图。 [0087] 如图8所示，可穿戴设备还包括第二馈电单元310。金属边框210还可以包括第二馈电点301，第二馈电点301可以设置于第一区域250，位于所述第一馈电点201与第二接地点212之间。第二馈电单元310可以在第二馈电点处为天线结构馈电。 [0088] 可选地，第二馈电点301与第一接地点211沿金属边框210的距离为第一区域250对应的周向长度的二分之一。即如图4所示，第二馈电点301可以设置于一倍波长模式时的电场零点处。第二馈电单元310在第二馈电点301馈电时，可以激励起天线结构的二分之一波长模式和二分之三波长模式，对应于4G通信系统中的LB和HB。应理解，可穿戴设备可以包括带通滤波器，用于产生MB，使天线结构的工作频段覆盖4G通信系统。 [0089] 图9和图10是本申请提供的可穿戴设备的又一种天线结构的示意性结构图。其中，图9是本申请实施例提供的可穿戴设备的示意性结构图。图10是本申请实施例提供的金属边框的展开图。 [0090] 如图9所示，可穿戴设备还包括带通滤波器410。 [0091] 其中，金属边框210还可以包括第三接地点401，第三接地点401设置于第一区域250，位于第一馈电点201与第二接地点212之间。带通滤波器410一端在第三接地点401处与金属边框210电连接，另一端接地。 [0092] 可选地，带通滤波器410可以设置于PCB220上，通过金属弹片在第三接地点401处与金属边框210电连接。 [0093] 可选地，带通滤波器410的工作频段覆盖2300MHz至2690MHz。即带通滤波器410可以工作在4G移动通信系统中的HB。 [0094] 可选地，第三接地点401与第一接地点211沿金属边框210的距离为第一区域250对应的周向长度的三分之一。第三接地点401为天线结构工作在二分之三波长模式时的电流强点，如图10所示。可以有效缩短天线结构工作在二分之三波长模式时的回地路径，减小由于金属边框附近环境引起的干扰。 [0095] 如图11所示，是一种简单的带通滤波器结构，应理解，本申请实施例本不限制带通滤波器的具体形式。带通滤波器可以包括电感411和电容412。由于带通滤波器工作在HB时，对于LB和MB来说呈容性。因此，可以将电容412设置为可调器件，可以用于调整天线结构产生第一谐振和第二谐振覆盖4G移动通信系统中的LB和MB的谐振点。 [0097] 图12是本申请实施例提供的一种天线结构的馈电方案的结构示意图。 [0098] 如图12所示，可穿戴设备的馈电单元可以设置PCB220上，通过弹片501与金属边框210上的馈电点电连接。 [0099] 可选地，弹片501可以与各个馈电点直接电连接，也可以进行耦合馈电，本申请对比并不做限制。 [0100] 应理解，本申请实施例提供的该技术方案还可以应用于天线结构的接地结构，通过弹片与地相连。或者，也可以通过弹片实现PCB上的各个电子器件与金属边框电连接。 [0101] 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。 [0102] 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。 |
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