专利名称：用于通过绝缘体同轴耦合天线和用于放大相邻绝缘体的信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及耦合系统和方法，更具体地涉及用于通过绝缘体耦合天线的系统和方法。例如将天线耦合到无线电话机。
背景技术：
天线耦合系统和方法被广泛应用于将天线通过绝缘体与接收机耦合。例如，在移动无线电话通信中，无线电话机例如蜂窝无线电话机可以安装在车辆内部。天线可以安装在车辆外部。耦合系统和方法被用于经过如车窗这样的绝缘体将该天线与无线电话机耦合。如在此使用的，术语“无线电话机”包括模拟和数字无线电话机，多模式无线电话机，高功能个人通信系统(PCS)设备，该设备可以包括大显示器、扫描仪、全尺寸键盘等，无线个人数字辅助器(PDA)和其他设备例如装备了无线调制解调器和其它无线电电子设备的个人计算机。
本领域技术人员应当理解，尽管本申请描述移动无线电话机与天线通过车窗耦合，本发明可以应用于任何无线电收发信机并且绝缘体不限于车窗。另外，本发明不必用于移动环境，也可以用于将建筑物外的天线与建筑物内的收发信机通过绝缘体耦合。
利用在窗户任何一侧的电容性平板将高频信号通过窗户电容性耦合是公知的。见Harada的美国专利4621243题目为“用于天线的发射信道耦合器”。该专利也描述了利用环路线圈和螺旋谐振器通过窗户发射高频信号。
多个平版也用于窗户的任何一侧将通过那里的信号进行电容性耦合。例如见Rychlik的美国专利2829367题目“电视导入耦合器”和Larsen等人的美国专利4764773题目“移动天线和穿过玻璃的阻抗匹配馈电系统”。
最后，提供安装在电介质例如车窗表面上的共线辐射器和安置在安装在电介质相反表面上导电外壳内的可调谐耦合电路是公知的。见Hadzoglou的美国专利4839662题目“蜂窝移动通信天线”。
在提供天线耦合系统和方法时，通常希望将天线通过具有低插入损耗的绝缘体与收发信机耦合。例如，在提供低链路余量的卫星无线电话机中，希望通过绝缘体的插入损耗保持在0.5dB或更小。不幸地是，许多常规耦合系统产生2db或更大的插入损耗。另外，许多高性能天线利用两个或几个导体而非单一导体。例如，四线螺旋天线可以利用两个或更多导体。因此，希望通过同轴电缆将射频信号从绝缘体内部耦合到绝缘体外部的同轴电缆上。
高效地将天线与无线电话机收发信机耦合更困难。特别是，在许多无线电话机应用中，无线电话机位于封闭环境内，例如车辆或建筑物。可是，希望包括封闭环境外的天线以便提供足够的链路余量。例如，在涉及移动车辆与通信卫星之间无线电链路的无线电话通信中，通常希望天线在车辆外。也通常希望使射频接收机单元接近天线，以便允许改善接收机天线增益与接收机系统温度的比值。此外，实际上，也希望包括一个接近天线的发射机功率放大器，以克服天线和收发信机之间的发射损耗。
提供邻近车窗外天线的外部电子线路组件或模块是公知的，由此改善车辆内无线电话机的性能。不幸地是，外部电子线路组件会受到环境破坏或故意损坏。其它潜在危险包括可以损坏外部电子线路组件的自动汽车清洗机。
另外，很难将车窗外电子线路组件与车辆内无线电话机耦合。在车窗或车体其它部分打孔是不可容许的。穿过门框布置同轴电缆也是不可容许的。因此，组合了天线和电子线路组件的室外天线单元已经用于运输行业或航海应用(例如INMARSAT-C系统)，但通常不希望用于陆地蜂窝和卫星无线电话通信系统例如铱星、全球星和ACeS系统。
允许无线电话机天线用于封闭环境例如建筑物或车辆中是公知的。尽管该方案对于许多蜂窝无线电话通信是可接受的，但不希望用于具有低链路余量帮助最好工作在无线电话机与通信卫星之间直线上的卫星无线电话通信中。
发明内容
本发明可以提供同轴耦合系统和方法，该系统和方法通过包括第一和第二绝缘体表面的绝缘体，将包括第一内部导体和第一屏蔽导体的第一同轴电缆与包括第二内部导体和第二屏蔽导体的第二同轴电缆耦合。第一中心平板和第一环绕平板适合于安装在第一绝缘体表面上，以便第一环绕平板围绕第一绝缘体表面上的第一中心平板。第一中心平板电连接到第一内部导体，而第一环绕平板电连接到第一屏蔽导体。第二中心平板和第二环绕平板适合于安装在第二绝缘体表面上，以便第二环绕平板围绕第二绝缘体表面上的第二中心平板，第一和第二中心平板相互相邻，它们之间为绝缘体，而第一和第二环绕平板相互相邻，它们之间为绝缘体。第二中心平板电连接到第二内部导体和第二环绕平板电连接到第二屏蔽导体。
已经发现按照本发明，上述同轴耦合系统和方法可以允许所需要频率范围的通信信号在安装在窗户外部的天线与安装在窗户内的无线电收发信机之间以低损耗通过，通过窗户每侧上的同轴传输线进行发射。另外，通过允许两个或几个导体电容性耦合，可以为高性能天线提供“单一端口”或“多端口”。
在优选实施例中，第一和第二中心平板是第一和第二圆盘，而第一和第二环绕平板是第一和第二圆环。更具体地，第一和第二圆环是第一和第二连续环。另外，第一电感器最好电连接在第一中心平板和第一环绕平板之间，而第二电感器最好电连接在第二中心平板和第二环绕平板之间。可以包括一对第一垫片，该对垫片的各个垫片在第一中心平板和第一环绕平板上，以便第一电感器电连接到第一垫片对之间。也可以包括一对第二垫片，该对垫片的各个垫片在第二中心平板上和第二环绕平板上，以便第二电感器电连接到第二垫片对之间。
本发明的优选设计可以在宽频带上提供减少的插入损耗，同时减少不需要的杂散耦合。特别是，第一内部导体在那上面的第一位置上电连接到第一中心平板，而第一电感器在远离第一位置的第二位置上电连接到第一中心平板。第二内部导体优选地在那上面的第一位置上电连接到第二中心平板，并且优选地在远离第一位置的第二位置上电连接到第二中心平板。
更好地，第一中心平板上的第一位置与第二中心平板上的第二位置相邻，而第一中心平板上的第二位置与第一中心平板上的第一位置相邻。更好地，第一屏蔽导体在那上面的第一位置上电连接到第一环绕平板，而第二屏蔽导体在远离第一环绕平板上第一位置的第二位置上电连接到第二环绕平板。
更好地，第一屏蔽导体也在那上面的第一位置上电连接到第一环绕平板，而第二屏蔽导体在与第一环绕平板上第一位置相对的第二位置上连接到第二环绕平板。因此，第一和第二同轴电缆优选地在相反方向上从耦合系统中露出，以减少不需要的寄生耦合。第一和第二电感器优选地也位于相互相对的位置，以减少互感。
在本发明的另一方面，第一中心平板和第一环绕平板限定了它们之间的第一间隔，而第二中心平板和第二环绕平板限定了它们之间的第二间隔。第一屏蔽导体优选地伸展到第一间隔中，而第二屏蔽导体优选地伸展到第二间隔中。更好地，第一屏蔽导体伸展到第一间隔中间，而第二屏蔽导体优选地伸展到第二间隔中间。
第一中心平板和环绕平板可以包含在第一外壳中。第二中心平板和第二环绕平板可以包含在第二外壳中。在第一和第二外壳至少一个上可以提供一个对准销，有助于在绝缘体各自第一和第二表面上将第一外壳和第二外壳相互相对对准。
本发明可以用于将天线通过包括外表面和内表面的窗户与无线电话机耦合。因此，如上所述，第一同轴电缆包括与天线耦合的第一内导体和第一屏蔽导体。第二同轴电缆包括与无线电话机耦合的第二内导体和第二屏蔽导体。可是，如上所述，本发明可以用于其它耦合应用。
按照本发明的方法可以用于将包括第一内导体和第一屏蔽导体的第一同轴电缆通过包括第一和第二绝缘体表面的绝缘体与包括第二内导体和第二屏蔽导体的第二同轴电缆耦合。第一中心平板和第一环绕平板附着在第一绝缘体表面，以便第一环绕平板围绕第一表面上的第一中心平板。第一中心平板电连接到第一内导体，而第一环绕平板电连接到第一屏蔽导体。第二中心平板和第二环绕平板附着在第二绝缘体表面，以便第二环绕平板围绕第二表面上的第二中心平板，第一和第二环绕平板相互相邻，之间是绝缘体。第二中心平板电连接到第二内导体，而第二环绕平板电连接到第二屏蔽导体。第一中心平板也可以电感性耦合到第一环绕平板，而第二中心平板也可以电感性耦合到第二环绕平板。由此同轴耦合系统和方法可以提供所希望频率范围上以低损耗通过绝缘体的耦合同轴线。
按照本发明的另一个方面，来自车窗外天线的信号可以通过窗户同轴耦合，而该信号可以相邻和在窗户内放大。放大的信号然后提供给远离窗户的无线电话机。通过将来自该天线的信号同轴耦合穿过窗户，可以提供从窗户外向窗户内的高性能耦合。通过相邻窗户或在窗户内放大该信号，在低链路余量条件下可以获得高性能，而不需要将电子线路组件遭受外部损害。
按照本发明这方面的系统包括一个透过窗户的同轴耦合器，该耦合器在窗户内部和外部表面之间同轴耦合射频(RF)信号。透过窗户同轴耦合器包括一个安装在窗户内部表面上的内部部分，和一个安装在窗户外部表面上并且耦合到外部天线的外部部分。优选地，可以使用上述的同轴耦合器。一个内部电子线路组件与透过窗户同轴耦合器内部部分耦合，并且位于内部部分附近和远离无线电话机。内部电子线路组件包括一个接收放大器，该放大器放大从外部天线通过透过窗户同轴耦合器接收的RF信号，并且通过这样放大的RF信号给无线电话机。
在实施例中，电子线路组件也包括一个发射放大器，该放大器放大从无线电话机接收的第二RF信号并且通过透过窗户同轴耦合器提供这样放大的第二RF信号给该天线。接收放大器优选地是一个低噪声放大器，而发射放大器优选的是一个功率放大器。内部电子线路组件也可以包括一个切换系统，该系统响应无线电话机在接收放大器和发射放大器之间切换，以提供发射和接收操作。内部电子线路组件也可以包括一个控制器，该控制器响应无线电话机控制切换系统。
在另一个实施例中，内部电子线路组件可以包括一个无线电收发信机，该收发信机无线地对无线电话机发射信号和从无线电话机接收信号。因此，只需要对内部电子线路组件提供电源，而信号和/或控制连接可以利用无线电通信提供给无线电话机。可以使用的这样一种无线电通信协议是著名的“蓝牙”协议，该协议规定了能够将无线电电子设备连接和通过短距离无线地与特别网络通信的2.4GHz频带上的通用无线电接口。在该实施例中，无线电话机的部分或全部元件可以安装在与耦合器内部部分相邻的电子线路组件中。信号则被无线地中继给能够提供用户接口的蓝牙兼容无线电电子设备。
因此，利用同轴耦合器来去天线的信号可以有效地透过窗户耦合，该耦合器与相邻窗户而远离无线电话机的内部电子线路组件耦合。该内部电子线路组件可以利用同轴电缆和一个或几个控制电缆连接到无线电话机，或可以无线地连接到无线电话机。因此，通过将天线透过窗户与无线电话机耦合并且相邻和在窗户内部放大信号可以提供高性能的系统和方法。
图1表示按照本发明的系统和方法，用于通过放大相邻和在窗户内部信号将天线透过窗户与无线电话机耦合。
图2是图1的内部电子线路组件实施例的方框图。
图3表示按照本发明的系统和方法，其中封闭环境是建筑物。
图4表示按照本发明的系统和方法的另一个实施例，用于将外部天线透过窗户与无线电话机同轴耦合。
图5上按照本发明的无线电内部电子线路组件实施例的方框图。
图6A、6B和6C分别是顶视图、截面图和底视图，表示按照本发明将外部同轴电缆透过窗户与内部同轴电缆耦合的系统和方法。
图7A-7C表示按照本发明同轴耦合系统和方法的替代设计。
图8A-8B表示按照本发明的耦合系统和方法的应用，将车辆外部的天线与车辆内部的无线电话机耦合。
图9图示说明了按照本发明耦合系统和方法的模拟衰减损耗。
图10图示说明了按照本发明耦合系统和方法的模拟反射损耗。
图11是史密斯圆图，表示按照本发明的耦合系统和方法的模拟输入阻抗。
图12是按照本发明耦合系统和方法的等效电路图。
图13图示说明了按照本发明耦合系统和方法的测量数据。
具体实施例方式
现在将参照附图更详细地描述本发明，图中表示了本发明的优选实施例。可是，可以用许多不同形式实现本发明，在此阐述的实施例不构成对本发明的限制；相反，提供这些实施例以便说明书公开更充分彻底，并且向本领域技术人员更完整地传达本发明的范围。在图中，为清楚而夸大了各层和区域的厚度。相同的参考号码代表相同的元件。应当理解，当所称一个元件在另一个元件“上”时，它可以直接在其它元件上或也可以出现插入元件。相反，当一个元件所称直接在另一个元件上时，没有出现插入元件。
现在参照图1，描述按照本发明通过相邻和在窗户内放大信号而将天线透过窗户同轴耦合到无线电话机的系统和方法。如图1所示，在封闭环境例如车辆100的外部安装一个外部天线102。可是，将理解，封闭环境也可以是个建筑物，如同下面将描述的。也将理解，也可以安装几个天线，如同下面将描述的。车辆100外部的外部天线102利用透过窗户同轴耦合器106和内部电子线路组件110耦合到车辆100内部的无线电话机114。透过窗户同轴耦合器106将射频(RF)信号在窗户104的内部表面104a和外部表面104b之间同轴耦合。透过窗户同轴耦合器106包括一个安装在内部表面104a上的内部部分106a，和一个安装在外部表面104b上的外部部分106b。外部部分106b直接或通过耦合连杆108与外部天线102耦合，该连杆包括外部部分106b和外部天线102之间的同轴电缆。下面将详细描述同轴耦合器106的优选设计。
仍然继续参照图1的说明，内部电子线路组件110将内部部分106a耦合到无线电话机114，该组件位于相邻内部部分106a而远离无线电话机114。如同下面详细描述的，电子线路组件优选地包括一个接收放大器，该放大器放大从外部天线102通过透过窗户同轴耦合器106接收的RF信号并且提供如此放大的RF信号给无线电话机114。电子线路组件也可以包括一个发射放大器，该放大器放大来自无线电话机114通过同轴耦合器之前的RF信号。发射放大器可以将从外部天线20发射的功率提高到所希望的电平，如同本领域公知的。
在图1中，第一电缆116用于耦合内部部分106a和内部电子线路组件110，第二电缆112用于耦合电子线路组件110和无线电话机114。第一电缆116优选地包括同轴电缆，而第二电缆112优选地包括同轴电缆。应当理解，第一电缆116可以省略，而内部电子线路组件110可以与内部部分106a形成整体的。替代地，电缆而非同轴电缆可以用于将内部部分106a与电子线路模块110耦合。另外，第二电缆112也可以包括一个控制电缆，耦合内部电子线路组件110和无线电话机114，和/或包括电源电缆，对内部电子线路组件110提供电源。替代地，控制和/或电源可以通过同轴电缆提供。在另一个替代形式中，下面将详细描述，在内部电子线路组件110和无线电话机114之间可以提供无线电联系。
图2是按照本发明的内部电子线路组件110实施例的方框图。如图2所示，内部电子线路组件110包括一个接收放大器，例如低噪声放大器(LNA)202，该放大器放大从外部天线102通过透过窗户同轴耦合器106和第一电缆116接收的RF信号，并且提供这样放大的RF信号给无线电话机114。可以安装有关的滤波器204a和204b，如同本领域技术人员所公知的。
内部电子线路组件110也可以包括一个发射放大器例如RF功率放大器212，该放大器放大从无线电话机114接收的RF信号并且通过透过窗户同轴耦合器106提供这样放大的RF信号给外部天线102。可以提供有关滤波器214a、214b，如同本领域技术人员所公知的。通过包含发射放大器212，可以获得对发射功率的精确控制。
也如图2所示，内部电子线路组件110可以包括一个切换系统，该系统包括两个开关元件206a、206b在低噪声放大器202与功率放大器212之间切换，以在响应无线电话机114的控制器208控制下提供半双工通信。通过包括控制器208，可以获得发射突发的精确定时。最后，如图2所示，无线电话机114和内部电子线路组件110之间的第二电缆112可以包括一个携带RF信号的同轴电缆112a，或提供电源给内部电子线路组件的耗电元件的一个或几个电源电缆112b，和可以加到控制器208的一个或几个控制信号电缆112c。
图3表示按照本发明的系统和方法，其中封闭环境是一个建筑物300。如图3所示，透过窗户同轴耦合器106分别在窗户104的内部表面104a和外部表面104b之间同轴耦合RF信号。透过窗户同轴耦合器106包括一个安装在内部表面104a上的内部部分106a，和一个安装在外部表面104b上的外部部分106b。图3中，双工器218被包含在窗户104外，以便同轴耦合器106可以通过耦合连杆208a、208b分别与几个天线202a、202b耦合。例如，该天线202a可以是发射天线，而该天线202b可以是接收天线。耦合到多个天线202a、202b的双工器设计是本领域技术人员公知的，在此不需要进一步描述。同轴耦合器可以提供单一端口连接，该连接可以有助于使用双工器218对多个天线202a、202b提供多端口连接。
最后，如图3所示，内部电子线路组件110被耦合到内部部分106a，并且也通过第二电缆112耦合到无线电话机114。内部电子线路组件110的设计可以与图2的类似，不需要再次描述。
现在参照图4，说明按照本发明通过窗户将外部天线与无线电话机同轴耦合的系统和方法的另一个实施例。如图4所示，内部电子线路组件110｀与无线电话机114｀之间的链路是利用内部电子线路组件110｀上的第一天线402和无线电话机114｀上第二天线404的无线电链路406。因此，只需要对无线电内部电子线路组件110｀提供电源连接。控制和信号连接可以通过无线电链路406提供。
无线电内部电子线路组件110｀可以包含放大器、滤波器、开关和控制电路，与关于图2所描述的类似。可是，不用第二电缆112，可以使用短距离射频收发信机。在该实施例中，无线电话机114｀可以是常规蜂窝卫星或其它无线电话机。替代地，无线电话机114｀可以是短距离无线电话机例如无绳无线电话机或工作在蓝牙协议下的短距离收发信机，如同下面详细描述的。
在无线电内部电子线路组件110｀的优选方面，所有移动收发信机RF电路、数字信号处理电路和控制处理器电路可以包含在无线电内部电子线路组件110｀内。然后，无线电话机114｀可以是任何种类的无线电电子设备，例如便携计算机或传真机，以及蜂窝电话机或无绳电话机。无线电话机114｀可以是包括麦克风、扬声器和/或数据端口的无线电输入/输出电子设备。也应当理解，无线电链路406可以使用红外线或其它形式的无线电链路。
图5是无线电内部电子线路组件110｀的一个实施例方框图，该组件使用无线电技术对无线电话机发射外部无线电话信号和从无线电话机接收无线电话信号。如图5所示，无线电内部电子线路组件110｀包括一个蜂窝/卫星部分502和一个短距离无线电部分504。
蜂窝/卫星部分502可以包括一个蜂窝/卫星收发信机512、一个数字信号处理器(DSP)514和一个控制器516，例如微处理器控制器。收发信机通过第一电缆116与同轴耦合器106的内部部分106a耦合。本领域技术人员应当理解，蜂窝/卫星部分502优选地与通过外部天线102接口的蜂窝/卫星系统相兼容。
短距离无线电部分504可以包括一个短距离无线电收发信机522和一个控制器526。短距离无线电收发信机522通过第一天线402和无线电链路406向无线电话机114｀发射消息和从无线电话机114｀接收消息。
短距离无线电部分504可以控制蜂窝/卫星部分502。短距离无线电收发信机可以是红外线收发信机或无绳RF收发信机，例如用于无绳电话机的。在优选实施例中，短距离无线电部分包括一个收发信机。如同本领域技术人员公知的，蓝牙技术提供在2.45GHz频带上的通用无线电接口，该技术能够将便携电子设备通过短距离特别网络连接和进行无线电通信。蓝牙技术在例如Haartsen所著“蓝牙——用于特别无线电连接的通用无线电接口”，Ericsson ReviewNo.3，1998，pp.110-117描述，该公开文件在此引用作为参考。这类协议可以用于旅客车辆中的个人，以及出租车服务、高级大轿车服务，和包括公共汽车和其它多单元封闭环境。
现在将描述按照本发明的透过窗户同轴耦合器106的优选实施例。图6A、6B和6C分别是系统和方法的顶视图、截面图和底视图，用于将第一同轴电缆通过绝缘体耦合到第二同轴电缆。如图6A-6C所示，耦合系统和方法106将包括第一内部导体14和第一屏蔽导体16的外部同轴电缆12通过分别包括外部和内部窗户表面104a和104b的风挡或其它窗户104耦合到包括第二内部导体24和第二屏蔽导体26的第一同轴电缆116。如同本领域技术人员公知的，每个同轴电缆也可以包括一个内部绝缘体和一个外套。
第一中心平板42和第一环绕平板44适合于利用黏合剂、按扣和/或其它常规附着装置附着在外部窗户表面104b上，以便第一环绕平板44在外部表面104b上围绕第一中心平板42。第一中心平板42利用焊锡34a和/或其它常规电连接装置电连接到第一内部导体14。第一环绕平板44利用焊锡34b和/或其它常规电连接装置电连接到第一屏蔽导体16。
第二中心平板52和第二环绕平板54也适合于利用黏合剂、按扣和/或其它常规附着装置附着在内部窗户表面104a上，以便第二环绕平板54在内部表面104a上围绕第二中心平板52。如图所示，第一和第二中心平板42和52分别中间隔着窗户104相互相邻。第一和第二环绕平板44和54也中间隔着窗户104相互相邻。第二中心平板52利用焊锡34c和/或其它常规电连接装置电连接到第二内部导体24。第二环绕平板54利用焊锡34d和/或其它电连接装置电连接到第二屏蔽导体26。
如图6A-6C所示，第一和第二中心平板42和52分别优选地是第一和第二圆盘。第一和第二环绕平板44和54分别优选地是第一和第二圆环。也如图6A-6C所示，第一和第二圆环44和54分别优选地是第一和第二连续圆环。可是，可以使用多边形中心平板和环绕平板，包括但不限于正方形中心平板和环绕平板，在中心平板和/或环绕平板上可能出现间隔以使它们不连续。
第一电感器46利用焊锡44e、44f和/或其它常规电连接装置电连接到第一中心平板42和第一环绕平板44之间。第二电感器56利用焊锡54g、54h电连接到第二中心平板52和第二环绕平板54之间。也可以在中心平板和环绕平板之间电连接几个电感器，如同下面所描述的。
同轴电缆12和116和电感器46和56在那上面的任何任意位置上电连接到中心平板和环绕平板。可是，优选地，它们如图6A-6C所示连接，以便减少和优选地使不需要的耦合和寄生效应最小。更具体地，第一内部导体14优选地在那上面的第一位置42a电连接到第一中心平板42，第一电感器46优选地在远离第一位置的第二位置42b上连接到第一中心平板42。第二内部导体24优选地在那上面的第一位置52a电连接到第二中心平板52，第二电感器56优选地在远离第一位置52a的第二位置52b上连接到第二中心平板52。另外，在第一中心平板42上的第一位置42a优选地相邻第二中心平板52上的第二位置52b。第一中心平板42上的第二位置42b优选地相邻第二中心平板52上的第一位置52a。
第一屏蔽导体16优选地在那上面的第一位置44a上电连接到第一环绕平板44。第二屏蔽导体26优选地在远离第一环绕平板44上第一位置44a并且与优选地与其相对的那上面的第二位置54a电连接到第二环绕平板54。另外，第一电感器46优选地在远离第一位置44a并且优选地与其相对的第二位置44b上电连接到第一环绕平板44。第二电感器56在远离第一位置54a并且优选地与其相对的第二位置54b上电连接到第二环绕平板54。因此，如图所示，第一和第二同轴电缆优选地从相对方向出现并且第一电感器优选地互相远离地安置。
如图6A-6C所示，第一中心平板42和第一环绕平板44优选地限定了它们之间的第一间隔48，第二中心平板52和第二环绕平板54优选地限定了它们之间的第二间隔58。第一屏蔽导体16优选地延伸进入第一间隔，而第二屏蔽导体26优选地延伸进入第二间隔58。优选地，如图所示，第一屏蔽16优选地延伸到第一间隔48中间，而第二屏蔽26优选地延伸到第二间隔58中间。
仍然参照图6A-6C，第一中心平板42、第一环绕平板44、第二中心平板52和第二环绕平板54每个上的第一和第二位置可以利用翼片例如凸出的翼片限定。该翼片可以有助于在中心平板和环绕平板上适当位置的焊锡连接。该翼片可以提高并且可以具有增强焊接的形状。可以使用多层翼片。可是，应当理解，中心平板和环绕平板每个上的第一和第二位置不必由具体零件例如翼片所限定。
最后，第一外壳50包含第一中心平板42和第一环绕平板44。第二外壳60包含第二中心平板52和第二环绕平板54。第一外壳50也可以包含外部同轴电缆12和第一同轴电缆接头18。类似地，第二外壳60也可以包含第一同轴电缆116和第二同轴电缆接头28。可是应当理解，同轴电缆接头18和28不必包含在外壳内或相邻外壳，也可以被完全取消。类似地，同轴电缆12和116自身可以在外壳50和60之外。
为有助于将第一外壳50和第二外壳60在窗户104相对表面上相互对准，对准销例如一对凹坑36a、36b可以安装在各自外壳50和60上。替代地，对准销36a、36b可以涂或相反刻在外壳50和60上，也可以通过外壳50和60的总形状提供。另外，对准销并不需要提供。
中心平板、环绕平板、电感器和外壳的材料和尺寸可以根据特定应用改变。可是，中心平板和环绕平板优选地包括冲压铜片，而外壳优选地包括塑料。环绕平板可以具有大约45mm的外径和大约20mm的内径。中心平板可以具有大约15mm的直径以便出现大约2.5mm的间隔。该平板厚度可以小于1mm。外壳应当优选地保持上面和下面大约1cm的清楚面积。电感器可以是曲线电感器而非线圈。
应当理解，可以使用几个电感器将各个中心平板与各自环绕平板耦合。图7A-7C表示了中心平板、环绕平板和同轴电缆定位和电感器的替代设计。电感可以是分布式的，以减少制造小型电感器值的困难。因此，例如，四个20nH线圈可以用于实现一个5nH线圈。
图8A-8B表示了按照本发明的耦合系统和方法应用，将车辆外部的天线与车辆内的无线电话机耦合。如图8A所示，耦合106用于将第一同轴电缆108透过车辆100的后窗104与第二同轴电缆112耦合，该第一同轴电缆连接到一个天线，例如车辆100顶棚上的四线螺旋天线102，而第二同轴电缆自身与车辆100内无线电话机114耦合。图8B表示了类似图8A的实施例，除了贴片天线102｀可以用在车辆100顶棚上外。应当理解，其它天线也可以使用，并且使用耦合器、天线和收发信机例如无线电话机的其它安装位置。也可以使用透过窗户而非后风挡的耦合。
如上所述，本发明可以用于将两个或几个导体透过窗户同轴耦合。两个导体电路可以提供信号激励和信号反射以形成一个电路。这是公知的“单一端口”。可以从单一端口级联具有输入端口和输出端口的元件，称为“两端口”或“多端口”的。这种两端口的例子是传输线、双工器、滤波器，以及正交匹配网络。按照本发明的低损耗两导体耦合可以使这些上述元件变成外部网络的一部分。
现在将提供按照本发明的耦合系统和方法的另外设计思路。如上所述，中心导体电容器平板与环型屏蔽导体电容器平板一起形成在玻璃的每一侧。在电容器平板的任何一侧，从中心电容器平板到屏蔽电容器平板安置了并联电感器。因此，形成了高通Pi电路，该电路等效于一短节传输线。
在给定频带设计中可以考虑几个因素。例如对于L波段(1500-1700MHz)，电容器平板在所希望的波长上稍微大些，不能严格认为是集总元件。即，由于其尺寸该电容器有分布特性。另外，由于同轴电缆是非平衡的，所以希望环绕平板的电容大于中心平板电容。在中心平板和屏蔽平板之间提供额外绝缘空间也是有利的。另外，玻璃每侧上的同轴电缆应当相互物理绝缘，以便减少附加的导电模式。电感器的位置也可以选择，以减少附加导电模式的传播。在这些定位原则之外，对元件值改变有相对好的容差，因为在耦合器中不需要精细调谐谐振器。
按照本发明的耦合器可以支持圆极化天线的馈电线要求，该天线使用对辐射结构的同轴或至少两线连接。例如，L波段收发信机工作在1500和1700MHz之间。本发明对该频率范围被估计。低于1500MHz，由于高通Pi电路可能逐渐增加传输损耗。高于1700MHz可能由于通过该结构传播的其它微波模式最终增加传输损耗。
本发明也可以对更高或更低频率范围被估计。更低频率范围可以包括蜂窝无线电话频带。更高频率范围可以包括例如1800和1900MHz附近的PCS范围。在较低S波段卫星无线电话收发信机也可以使用本发明。
为设计该电路，假设从50欧姆传输线提供能量，和向50欧姆传输线传递能量。汽车风挡在室温下通常具有7.5的标准介电值。因此，一平方厘米面积可以具有1.24pF/cm2的电容值.电容值可以被认为是等效集总元件传输线的一部分。
在L波段实现按照本发明耦合器的仿真。该仿真根据同轴中心2.1pF的窗户电容值和15pF的屏蔽窗户电容值。窗户每侧上跨越中心到屏蔽导体的并联电感器具有9.8nH值。在所有元件例子中，元件Q值设置在50。该Q值在网络中起损耗作用。
图9图示说明了从1500MHz到1700MHz的仿真衰减损耗。该网络基本上是具有并联电感器、串联电容器和并联电感器的高通结构。该网络的截止频率由串联电容器值确定。串联电容器选择得考虑对可允许的尺寸和考虑围绕中心电容器的屏蔽电容器。在串联电容器例子中，安装了2nH的串联电感。
图9表示可以在1500MHz和1700MHz之间获得大约-0.3dB仿真插入损耗值。图10图示说明反射损耗，它表示在所需要的频率上具有良好的匹配。图11是史密斯圆图，表示该网络以50欧姆端接的输入阻抗。因此，图9-11表示在L波段同轴耦合可以实现小于0.5dB的传输损耗。
图12是按照本发明耦合器的等效电路图。M表示元件之间的互耦合。第一和第二环绕平板44和54为等效电路分别断成半环。
利用上述参数可以对按照本发明的耦合器进行精确测量。在这些测量中，该校准在整个连接中使用小型接头。如此，用电缆测量，等效长度的RG-233同轴电缆损耗可以从耦合中扣除。在下列表格中右侧栏内的耦合损耗值由这些测量获得。
表格
从1.0到3.0GHz的数据在图3中表示。该数据包括类似于上述电缆损耗数据耦合的同轴电缆长度。该数据表示高达大约2GHz的高通滤波器特性。耦合的分布特性往往引起与朝着3GHz曲线有关的低通。因此，获得具有低插入损耗的宽带宽。
因此，本发明的耦合系统和方法可以允许通信信号在安装在窗户外的一个天线与安装在窗户内无线电收发信机之间在所希望的频率范围上以低插入损耗传递。通过在窗户每侧上的同轴传输线进行传输。因此，可以进行单一端口和多端口耦合。
也如上所述，电子线路组件优选地包含一个低噪声放大器202。可以主要由天线增益与接收机系统噪声温度的比值确定接收来自地球轨道卫星信号的无线电话机的最优值。接收机系统噪声温度是接收机噪声温度与该天线噪声温度的总和。通常，评价该比值的基准点是接收机系统的输入端子。当该天线由传输线与接收机隔开时，传输线损耗通常包含在按照公知公式的天线温度中，该公式在例如John D.Kraus所著McGraw-Hill出版社1998年，“天线，第二版”第17章第3节中描述。本发明可以用有利于与地球轨道通信卫星进行通信的移动通信收发信机的方式使用这些理论，方便地满足电缆路由要求同时减少暴露在车辆外的电缆敷设和最好使之最短。
因此，本发明能够提供从外部天线穿过窗户到内部无线电话机的有效耦合。此外，本发明能够提供使过去太不方便而不能使用的产品可以用于车辆和/或建筑的开放技术。
在附图和详细说明中，已经公开了典型的本发明优选实施例。尽管使用了特定条件，但它们仅仅是在普通和说明性意义上使用，而不是为限制目的，本发明的范围在下列权利要求书中阐述。
权利要求
1.一种将包括第一内部导体和第一屏蔽导体的第一同轴电缆通过包括第一和第二绝缘体表面的绝缘体与包括第二内部导体和第二屏蔽导体的第二同轴电缆耦合的系统，该系统包括第一中心平板和第一环绕平板，它们适合于附着在第一绝缘体表面上，以使在第一绝缘体表面上第一环绕平板围绕第一中心平板，该第一中心平板电连接到第一内部导体而第一环绕平板电连接到第一屏蔽导体；和第二中心平板和第二环绕平板，它们适合于附着在第二绝缘体表面上，以便在第二绝缘体表面上第二环绕平板围绕第二中心平板，该第一和第二中心平板之间间隔绝缘体而相互相邻，和第一和第二环绕平板之间间隔绝缘体而相互相邻，该第二中心平板电连接到第二内部导体而第二环绕平板电连接到第二屏蔽导体；
2.按照权利要求1的一种系统，其中第一和第二中心平板是第一和第二圆盘，和其中第一和第二环绕平板是第一和第二圆环。
3.按照权利要求2的一种系统，其中第一和第二圆环是第一和第二连续圆环。
4.按照权利要求1的一种系统，进一步包括电连接到第一中心平板和第一环绕平板之间的第一电感器，和电连接到第二中心平板和第二环绕平板之间的第二电感器。
5.按照权利要求4的一种系统，其中第一内部导体电连接到第一中心平板上的第一位置，和其中第一电感器电连接到第一中心平板上远离第一位置的第二位置；和其中第二内部导体电连接到第二中心平板上的第一位置，和其中第二电感器电连接到第二中心平板上远离第一位置的第二位置。
6.按照权利要求5的一种系统，其中第一中心平板上第一位置相邻第二中心平板上的第二位置，和其中第一中心平板上的第二位置相邻第二中心平板上的第一位置。
7.按照权利要求6的一种系统，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上远离第一环绕平板上第一位置的第二位置。
8.按照权利要求7的一种系统，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上与第一环绕平板上第一位置相对的第二位置。
9.按照权利要求1的一种系统，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上不相邻第一环绕平板上第一位置的第二位置。
10.按照权利要求1的一种系统，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上与第一环绕平板上第一位置相对的第二位置。
11.按照权利要求1的一种系统，其中第一中心平板和第一环绕平板限定它们之间的第一间隔，其中第二中心平板和第二环绕平板限定它们之间的第二间隔，其中第一屏蔽导体延伸到第一间隔中和其中第二屏蔽导体延伸到第二间隔中。
12.按照权利要求11的一种系统，其中第一屏蔽导体延伸到第一间隔中间和其中第二屏蔽导体延伸到第二间隔中间。
13.按照权利要求4的一种系统，进一步包括一对第一垫片，其各自垫片在第一中心平板和第一环绕平板上，第一电感器电连接到该对第一垫片之间；和一对第二垫片，其各自垫片在第二中心平板和第二环绕平板上，第二电感器电连接到该对第二垫片之间。
14.按照权利要求1的一种系统，进一步包括第一外壳，它包含第一中心平板和第一环绕平板；第二外壳，它包含第二中心平板和第二环绕平板；和一个对准销，在第一和第二外壳至少之一上，该对准销有助于第一外壳和第二外壳在绝缘体各自第一和第二表面上相互相对对准。
15.按照权利要求1的一种系统，其中绝缘体是窗户，其中第一绝缘体表面是外部表面和其中第二绝缘体表面是内部表面，该系统进一步包括一个内部电子线路组件，该组件将第二内部导体和第二屏蔽导体与无线电话机耦合，该内部电子线路组件位于相邻内部表面远离无线电话机，该内部电子线路组件包括一个接收放大器，该放大器放大从与第一内部导体和第一屏蔽导体耦合的外部天线接收的RF信号，并且该放大器提供如此放大的RF信号给无线电话机。
16.按照权利要求15的一种系统，其中内部电子线路组件进一步包括一个发射放大器，该放大器放大从无线电话机接收的第二RF信号并且提供如此放大的第二RF信号给第二内部导体和第二屏蔽导体。
17.按照权利要求16的一种系统，其中内部电子线路组件进一步一个转接系统，该转接系统响应无线电话机在接收放大器和发射放大器之间切换。
18.按照权利要求17的一种系统，其中内部电子线路组件进一步包括一个控制器，该控制器响应无线电话机控制转接系统。
19.按照权利要求15的一种系统，进一步包括一个双工器，该双工器与第一内部导体和第一屏蔽导体耦合并且与外部天线和至少一个第二外部天线耦合。
20.按照权利要求16的一种系统，其中内部电子线路组件包括相互耦合的第一无线收发信机和第二无线收发信机，第一无线收发信机包括发射放大器和接收放大器，第一无线收发信机利用外部天线无线地发射和接收外部无线电话机信号，第二无线收发信机对和从无线电话机无线地发射和接收内部无线电话机信号。
21.按照权利要求16的一种系统，其中内部电子线路组件包括一个包含发射放大器和接收放大器的无线收发信机，该无线收发信机利用外部天线无线电发射和接收外部无线电话机信号，该无线收发信机对和从无线电话机无线地发射和接收内部无线电话机信号。
22.按照权利要求20的一种系统，其中第二无线收发信机包括工作在蓝牙协议下的短距离无线收发信机。
23.按照权利要求15的一种系统，进一步包括一个第三同轴电缆，该电缆将内部电子线路组件与无线电话机耦合。
24.按照权利要求15的一种系统，进一步包括一个第三同轴电缆和一个控制电缆，这些电缆将内部电子线路组件与无线电话机耦合。
25.一种将包括第一内部导体和第一屏蔽导体的第一同轴电缆通过包括第一和第二绝缘体表面的绝缘体与包括第二内部导体和第二屏蔽导体的第二同轴电缆耦合的方法，该方法包括步骤将第一中心平板和第一环绕平板附着在第一绝缘体表面上，以便在第一绝缘体表面上第一环绕平板围绕第一中心平板；将该第一中心平板电连接到第一内部导体而将第一环绕平板电连接到第一屏蔽导体；将第二中心平板和第二环绕平板附着在第二绝缘体表面上，以便在第二绝缘体表面上第二环绕平板围绕第二中心平板，该第一和第二中心平板之间间隔绝缘体而相互相邻，和第一和第二环绕平板之间间隔绝缘体而相互相邻；和将第二中心平板电连接到第二内部导体而将第二环绕平板电连接到第二屏蔽导体。
26.按照权利要求25的一种方法，进一步包括步骤将第一中心平板电感性耦合到第一环绕平板；和将第二中心平板电感性耦合到第二环绕平板。
27.按照权利要求25的一种方法，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上的第二位置，和其中将第二中心平板和第二环绕平板附着在第二绝缘体表面上的步骤包括将第二中心平板和第二环绕平板附着到第二绝缘体表面上以使第二位置不与第一环绕平板上的第一位置相邻的步骤。
28.按照权利要求25的一种方法，其中第一屏蔽导体电连接到第一环绕平板上的第一位置，和其中第二屏蔽导体电连接到第二环绕平板上的第二位置，和其中将第二中心平板和第二环绕平板附着在第二绝缘体表面上的步骤包括将第二中心平板和第二环绕平板附着到第二绝缘体表面上以使第二位置与第一环绕平板上的第一位置相对的步骤。
29.按照权利要求25的方法其中将第一中心平板和第一环绕平板附着在第一绝缘体表面上的步骤包括将包含第一中心平板和第一环绕平板的第一外壳附着在第一表面上以使第一环绕平板在第一绝缘体表面上围绕第一中心平板的步骤；其中将第二中心平板和第二环绕平板附着在第二绝缘体表面上的步骤包括将包含第二中心平板和第二环绕平板的第二外壳附着在第二表面上以使第二环绕平板在第二绝缘体表面上围绕第二中心平板的步骤；和其中至少附着步骤之一之前有将绝缘体各自第一和第二表面上的第一外壳和第二外壳相互相对对准的步骤。
30.按照权利要求25的方法，进一步包括将至少两个端口与第一和第二同轴电缆至少之一耦合的步骤。
31.按照权利要求25的方法，进一步包括步骤将第二内部导体和第二屏蔽导体连接到相邻绝缘体的放大器上；和将放大器与远离绝缘体的无线电话机耦合。
32.按照权利要求31的方法，其中耦合步骤包括将放大器通过第三同轴电缆与远离绝缘体的无线电话机耦合的步骤。
33.按照权利要求31的方法，其中耦合步骤包括将放大器无线地与远离绝缘体的无线电话机耦合的步骤。
34.按照权利要求33的方法，其中无线地耦合步骤使用蓝牙协议执行。
全文摘要
同轴耦合系统将包括第一内部导体和第一屏蔽导体的第一同轴电缆通过包括第一和第二绝缘体表面的绝缘体与包括第二内部导体和第二屏蔽导体的第二同轴电缆耦合。第一中心平板和第一环绕平板适合于附着在第一绝缘体表面上以便在第一绝缘体表面上第一环绕平板围绕第一中心平板。第一中心平板电连接到第一内部导体而第一环绕平板电连接到第一屏蔽导体。第二中心平板和第二环绕平板适合于附着在第二绝缘体表面上和用于以相同方式连接第二同轴电缆。
文档编号H01R13/73GK1340224SQ00803696
公开日2002年3月13日 申请日期2000年1月31日 优先权日1999年2月11日
发明者小G·A·奥内尔 申请人:艾利森公司