具有引导的rf电流的天线系统的制作方法

专利名称：具有引导的rf电流的天线系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及无线天线，具体地说涉及用于便携式通信设备的天线。
背景技术：
诸如蜂窝电话的无线手持通信设备发射RF功率，并且被很关注地考察它们对用户的RF辐射。最大RF辐射通常是来自在设备外壳的金属部分上或其中流动的RF电流而不是来自天线。减少或消除外壳的RF电流的现有技术方法导致了大量和广泛地使用天线或大的RF电流，导致天线的大的反应近场，然后使得它变成不可接受的RF辐射的主要来源。在任何一种情况下，都增加了天线和电话的尺寸。
过去，便携式通信设备的尺寸由内嵌的电子器件和电池所限制。消费者和用户的要求已经导致连续地急剧地减少通信设备的尺寸。结果，在发射期间，天线以不可控制的方式感应了更大的RF电流到通信设备的小外壳、机壳或者印制电路板上。这些RF电流通常被耗散，而不是有效地贡献于辐射RF通信信号。RF功率的耗散可以不利地影响很小的单元的电路。而且，这种功率的丢失降低了通信质量，并且减少了设备寿命。
现有技术的天线的另一个问题是当操作者手持和使用便携式无线装置时，发生辐射降低。电子器件和电池技术的不断发展已经允许急剧地减少尺寸，使得由于天线被包围在用户的手中而使天线性能很差。
通常，将便携式无线装置的外壳的金属部分作为天线的接地或者接地网，并且允许RF电流以不可控制的方式流动。通常，当用户将手放在外壳附近时，发生不可接受的辐射降低，从而导致接地辐射器的辐射效率的降低。
因此，所需要的是一种通信设备，其具有在设备的外壳内的可控的RF电流流动，从而将它们从用户的接近中除去。这也有利于外壳电流的减少，而无需大的天线，从而更加适合用户。因此，它可以有利于完成这些需要，而不降低辐射、减少电池寿命，或者增加通信设备的尺寸或成本。


图1是根据本发明的带有天线系统的通信设备的截面视图；图2是图1的本发明的第一实施例的侧视图；图3是本发明的第二实施例的侧视图；和图4-8为由本发明提供的改进的试验数据的图形表示。
具体实施例方式
本发明提供了一种无线通信设备，其被配置以控制在设备外壳内的RF电流流动，使得将它们从用户的接近中除去。这可以通过使用更加适应用户的、小的固定天线来完成。此外，本发明通过将更多的RF电流引入希望的天线系统且远离靠近用户的机壳或外壳的那些部分，从而增加电池寿命而不增加通信设备的尺寸和成本来提高天线效率。
随着便携式通信技术的发展，天线效率和电磁场辐射(exposure)在双向(发射)手持无线通信产品中已经成为问题。市场上要求更小的、手持无线通信产品，并且满足天线效率和电磁场辐射要求更加困难。本发明有利地提供了提高的天线效率，同时也降低了对用户的电磁辐射。此外，本发明也允许减小产品尺寸，而无须降低性能。
本发明可以应用在不同于在此介绍的优选实施例中，并且所提供的介绍仅仅是说明和描述本发明，而不应当认为是对本发明的限制。尽管说明书包括了限定被认为是新颖的本发明的特征的权利要求书，相信从对下面说明中并且结合附图可以更好地理解本发明，在附图中，全部使用相同的附图标记。正如本发明所限定，无线电话是一种利用射频范围内的电磁波将信息传送到基站的通信设备。通常，无线电话是便携式的，当在被使用时，通常将它靠近人的头部，接近他们的耳朵。
有利的是，本发明的构思可以用在要求收发RF信号的任何电子产品。优选地，通信设备的无线电话部分是适用于个人通信的蜂窝无线电话，但可以是寻呼机、无绳电话或者个人通信服务(PCS)无线电话。可以根据模拟通信标准或者数字通信标准来构造无线电话部分。无线电话部分通常包括射频(RF)发射器、RF接收器、控制器、天线、电池、双工滤波器、频率合成器、信号处理器和包括键盘、显示器、控制开关和话筒中至少之一的用户接口。无线电话也可包括寻呼接收机。包括在蜂窝电话、双向无线或者选择性的无线接收机的电子器件，诸如寻呼机，在本领域中是公知的，并且可以包括到本发明的通信设备中。
图1说明根据本发明的通信设备。通过示例的方式，正如本领域中公知的一样，通信设备被嵌入到具有常规的蜂窝无线收发器电路的蜂窝电话中，并且在此为了简单起见，不对其进行介绍。根据本发明，蜂窝电话包括集成在紧凑外壳中的诸如处理器和用户接口的常规的蜂窝电话硬件(为简单起见也未示出)，且进一步包括天线系统。每一个特定的无线设备将用于实现这种构思和为每一应用选择的装置。这里根据实践，提供了一系列特定实施例，它们说明了本发明的基本构思的应用。
在本发明中，阻抗(电抗性的和/或电阻的设备)被集成到无线设备机壳中，其通过用低阻抗来吸引电流或用高阻抗来排斥电流来“控制”RF电流。电阻设备耗散掉RF功率，因此最有效方法是利用电容性或电感性的电抗性设备。实际的或仿真的(artificial)传输线器件是优选的，并且四分之一波长的谐振器是最有用的。
无线装置机壳由带有通常被称为接地的导电部分(PC板，电池，壳体，屏蔽等)的几个部分组成，且所有设备通过接地连线连接到其上。本发明限定了这些部分或其它部分的互连，使得产生传输互连线，其“控制”无线装置机壳上的RF电流。这里将介绍不同的实施例作为特定的例子。每一个例子提供了对(或除了)通信设备的导电和非导电结构的有意修改，以达到将RF电流从诸如用户头部、肢体或身体的耗散介质中转移出去。优选的方法是通过仔细地选择电池背面的位置、连接点和导电结构以使其成为对天线的谐振接地网来使用现有的结构。如果不能充分地修改导电结构来获得谐振，则必须添加附加的调谐元件。而且，修改无线装置壳体和/或导电外壳使其为非谐振或更加抗谐振，降低了机壳上的RF电流。优选的结构是四分之一波长的、带有位于要减少的RF电流路径中的开口端的短路扼流圈。
实际中，本发明由两种类型的设备组成，它们被加到或集成到通信设备100的RF机壳和/或导电部分中以转移不平衡的天线102的接地网电流。在通常的应用中，天线102从外壳106向外伸出，并且电连接到设备100的收发器电路110。然而，天线也可以被完全包含在外壳中。收发器电路110以任何公知的无线收发器的运行模式来工作。
转移电流的第一种器件是第一导体104，其对RF电流呈现出低阻抗，从而将电流吸引到它们之上。在工作中，这种第一器件位于远离(distally)诸如用户头部或手的所有耗散介质。优选地，第一导体位于靠近与设备100的前面表面112相反的外壳106的上面、侧面。在这个位置，第一导体将基本上远离放置在设备前面附近的用户的头部和覆盖设备的后面的底部的用户的手。在无线电话利用单独使用的或组合使用的几种措施来工作的频率上，第一导体104具有低的电阻抗，且优选地具有大的电纳。这些措施(means)包括大导体(例如具有低电感的宽条(strap))的使用；谐振的长度，诸如具有基本上等于奇数倍四分之一波长的电长度的末端开口的结构；电抗调谐设备(在图3示出的并且在下面介绍的Z2)，其连接到接地谐振器以增加诸如电池的现有设备的电纳。
转移电流的第二种器件类型是第二导体108，其对RF电流呈现出高阻抗，并且被用来将电流转移远离其自身和任何位于接近它的耗散介质。在利用单独使用的或组合使用的几种措施来工作的频率上，第二导体108具有大的电阻抗。这些措施(means)包括小导体，也就是具有比第一导体窄很多的宽度以增加电感的薄线(thin wire)或导体的使用；抗谐振的长度，诸如具有基本上等于偶数倍四分之一波长的电长度的末端开口的结构；和连接在印制电路板和无线电话电路(诸如电池)之间的电抗调谐设备(在图3示出的并且在下面介绍的Z1和/或Z2)，当运行设备时，其增加诸如在靠近用户的电话中的键盘、显示器、听筒、屏蔽或任何其它部分的现有设备的阻抗。
图2中具体地说明了本发明的实体实施。该图表示截面视图的本发明的天线系统的基本部分。基本上是四分之一波长的接地谐振器104(接地网)被连接到通信设备印制电路板的背面，从印制电路板接地108到谐振器104的导电连连线208放在设备的顶部边沿202。正如电流幅度分布206所示，接地谐振器具有大约为四分之一波长的有效的电长度。螺旋单极天线102向该接地网(104)移动。电话的主印制电路板和相关的接地面108或适当选择的导体的长度提供了实际上大约是在工作频率上的二分之一波长的电长度。正如在图中示出的电流幅度分布204所指出，这将印制电路板和接地面作为抗谐振的结构。同样地，抗谐振结构对从天线102流出的接地网电流呈现出高阻抗(也就是，它的自然电流(natural current)分布支持在电话顶部边沿的最小电流)。另一方面，谐振器104是形成支持在图中示出的、在天线附近具有最大值的电流幅度分布206的谐振。应当理解，天线102可以位于分别对电长度有适当的调整的第一和第二导体104，108之间的导电连线208上的任意位置，而不是仅仅在示出的和优选地用于减少对用户的天线辐射的最好的部分。
第一和第二导体104，108的组合以及在导体之间的空气填充的容腔(air-filled volvme)210可以看作四分之一波长传输线，其将顶部边沿202处的短路改变成谐振器104处的断路(也就是电路术语中的断路，其出现在谐振器的底部和印制电路板之间)。天线在传输线的第一端附近被激励(driven)。正如由在谐振器的顶端的最大电流说明的一样，具有在底部上的断路的四分之一波长导体对从顶部的天线102流出的接地网电流呈现出低激励点(driving-point)阻抗。至于所关心的谐振器，其和电话的其余部分不连接(decoupled)，使得从辐射点来考虑，可以将它的外部长度设置成最优值，使天线接地网电流优选地在其上而不是在印制电路板上流动。对于给出的空气填充的例子，这个长度也正好是四分之一波长。总之，我们可以从功能上区分上面介绍的传输线的内部结构和辐射由天线产生的电流的支撑导体104，108的外表面的外部结构。内部和外部功能一起有利于提供对印制电路板108的高阻抗和对谐振器104的低阻抗的组合以引起大多数天线接地网电流在谐振器104上而不是在印制电路板上流动。这导致对用户的耗散减少，因此，在用户的前面，吸收系数降低且辐射效率增加。例子如图1所示，根据本发明来配置实验的天线系统，用于具有安装在接地谐振器的平面上的天线的第一配置。被配置的第二导体与移去第一导体的例外相同，也就是没有谐振器。两个使用的固定螺旋单极在相同频率(大约835MHz)上分别是阻抗匹配的。
图4示出了带接地谐振器(谐振器中的单极)的天线系统的测量到的回波损耗。图形清楚地说明了RF功率被发送到天线而不是被转移到其它地方。换言之，天线匹配得很好，而且没有将功率反射回到源上。图5示出了在印制电路板的前面和谐振器的后面上的测量到的电流。这些电流是利用磁场探针来测量到的。这些曲线说明接地网电流已经被从印制电路板中排出(曲线502)，并且送到谐振器上(曲线504)，在工作频率上具有大约20dB的幅值差。换言之，由本发明从用户引走的RF电流是较低幅度两倍(two orders)。图4和5的显著点在于本发明提供的改进不是源于功率没有被传送到天线(如图4的良好匹配所示)，而是源于本发明的天线和接地网系统的辐射特性的根本差别(即，更多的发送功率被辐射掉而不是被用户耗散)。
图6说明了带有接地谐振器(曲线602)和不带有接地谐振器(曲线604)的天线结构的测量到的EME(在正如本领域普通技术人员公知的幻影模拟用户中测量到的相对SAR的电磁辐射量)。图7示出了测量到的SAR，而图8示出了两个结构的天线效率，分别用电话在模拟用户的电子特性的幻影(phantom)头部处、在正常使用位置中测量到，正如本领域公知的一样。可以看出，使用根据本发明的接地谐振器减少了EME和SAR，也提高了效率(提高电池寿命)。通过电磁场仿真已经证明了本发明的运行具有相似的结果。特别地，已经证明在靠近电话接触用户的颊的电话区域(这里通常出现SAR峰值)中场强急剧下降。
实际上，难以实现具有足够的电长度的印制电路板来获得上面介绍的所希望的谐振。而且，电话包括使本发明的实现变复杂的电池和其它结构。图3示出了本发明的改进实施例，其克服了这些实际的困难。因为限于减少电话尺寸的要求，通常印制电路板小于第一实施例中指出的最佳长度，提供了在这种电流通路中提供大阻抗的另一个装置(means)。因此，在接地谐振器104(接地网)的顶部和印制电路板的顶部202之间使用诸如集总的元件平衡转换器302任何阻抗设备。平衡转换器和印制电路板(第二导体)一起提供了大约为二分之一波长的有效电长度，使得可以利用较短的印制电路板。
由于电池304包括在通信设备中的实际导体(substantialconductor)，并且因为在很多便携式通信设备中没有足够的空间用于全长的四分之一波长接地网，可以使用电池304来有利地加载接地网104以提供适当的总谐振(用于来自天线102的电流的低阻抗通路)。这是通过实现和控制电抗调谐设备(阻抗Z1和Z2)来完成的，其中的器件在电话的几何形状方面是不明显的，也是分离的器件。电抗设备Z2被调谐以增加对电池负载的电纳，电抗设备Z1也被调谐以增加对电池负载的阻抗。
在实验运行中，已经确定，通过将Z1设为大约2nH的小电感，并且实际将Z2设为由物理上重叠电池304的接地网104的较低端形成的平行板传输线组成的、大约5pF的分布电抗，在目标电话中获得最佳性能。实际的值完全取决于电池的大小和形状以及所有的其它导体，并且可以很好地通过实验确定。主要的调谐目标是调整Z1和Z2以使在工作频率处、在前面导体(108)表面的磁场最小。应当认识到，为了使EME中的减少最佳，总设计也要求使用一些受控的阻抗来代替电话顶部的平衡转换器302，或者除了电话顶部的平衡转换器302之外。此外，在电池和导体之间的Z1和Z2的连接不需要象图中示出的那样靠近电池顶部，而是可以在其它任何地方连接，因为仍然需要反复调谐(iterative tuning)。在示出的例子中，使用的连接已经用作电池的接触。图3的结构已经证明了对在上面的子例中所示出的性能改进。然而，减少长度的代价是使在其上得到改进的带宽减少。对于很小的电话，需要主动地调谐阻抗Z1和Z2以克服这种带宽限制。
减少要求用于谐振器和印制电路板的另一个结构是制造L型导体(示于图1中的114和116)或者蛇状(serpentine)导体。根据印制电路板的长度，也需要利用平衡转换器来给印制电路板提供大阻抗通路。
总之，应当认识到，本发明是一种机壳改进技术。因此，它可以有利地用于任何类型的天线元件或激励器。已经给出了很多对将螺旋单极用作激励器的说明，但是本发明也可以应用在正如本领域中公知的象印制有线天线或平面反向F天线(PIFA)的其它不平衡天线结构。
应当理解，在此采用的措辞或术语只是为了说明而不是为了进行限制。因此，本发明包括落在权利要求书范围内的所有的替换、修改、等价物和变化。
权利要求
1.一种带有改进的天线系统的通信设备，该设备包括部分地包含所述天线系统和收发器的外壳，所述系统包括电连接到所述收发器的天线；第一导体，连接到在所述天线附近的接地连线，并且包含在所述外壳内且位于远离可由用户手持或者放在接近用户的所述外壳的表面，第一导体在所述通信设备的工作频率处呈现出低阻抗，使得RF电流被吸引到第一导体上；和第二导体，连接到第一导体的接地连线，并且包含在所述外壳内，第二导体在所述通信设备的工作频率处呈现出高阻抗，使得RF电流被从第二导体中转移出去。
2.如权利要求1所述的通信设备，其中，第一导体是末端开口结构，其具有基本上等于所述通信设备的工作频率的奇数倍四分之一波长的长度。
3.如权利要求1所述的通信设备，进一步包括第一电抗调谐设备，其被连接到第一导体以增加电纳。
4.如权利要求3所述的通信设备，其中，第一电抗设备连接在包含在所述外壳内的第一导体和无线电话电路之间。
5.如权利要求4所述的通信设备，其中所述无线电话电路包括电池和印制电路板组中的至少一个。
6.如权利要求1所述的通信设备，其中，第二导体具有比第一导体窄得多的宽度，以增加对所述通信设备的工作频率的抗谐振的电感和长度。
7.如权利要求6所述的通信设备，其中，第二导体是末端开口结构，其具有基本上等于所述通信设备的工作频率的偶数倍四分之一波长的长度。
8.如权利要求1所述的通信设备，进一步包括第二电抗调谐设备，其被连接到第二导体以增加阻抗。
9.如权利要求1所述的通信设备，其中，第二电抗设备倍连接在当运行所述设备时位于很靠近用户的第二导体和无线电话电路之间。
10.如权利要求9所述的通信设备，其中，所述无线电话电路包括屏蔽、显示器、键盘和听筒组中的至少之一。
全文摘要
本发明公开了一种用于诸如螺旋单极(102)的不平衡天线的、对沟道接地网电流的改进的天线系统。第一导体(104)或接地谐振器连接到在天线(102)附近的接地连线(208)，并且位于远离用户之处以减少电磁辐射。第一导体(104)在天线的工作频率之处提供低阻抗通路，使得RF电路被吸引到第一导体(104)中。诸如印制电路板或用户接口电路的第二导体(108)也连接到第一导体(104)的接地连线(208)。第二导体(108)在天线的工作频率处提供高阻抗通路，使得RF电流被从比第一导体(104)更靠近用户的第二导体(108)中转移出去。
文档编号H01Q1/00GK1483229SQ01817422
公开日2004年3月17日 申请日期2001年10月22日 优先权日2000年10月23日
发明者詹姆斯·P·菲利普斯, 埃里克·L·克伦茨, 安德鲁·A·叶法诺夫, 纳伦德拉·普利米, A 叶法诺夫, L 克伦茨, 拉 普利米, 詹姆斯 P 菲利普斯 申请人:摩托罗拉公司