专利名称：具有受控方向图的天线系统、收发机和网络便携式计算机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线设备和收发设备，用于发射和接收在便携式网络计算机中所使用的各种类型的数据。
背景技术：
当前，无线局域网(WLAN)已经发现了在用于在许多用户之间传输和分配数据和其他信息的IT应用中的更广泛的用途，例如，在位于一个大楼内的PC和膝上型计算机之间，而不会减弱这样设备的移动性。当便携式计算机要在这样的网络中使用时，其安装有各种类型的天线系统和不同的收发设备。在提供广泛的功能范围的同时，这样的计算机的天线系统应该是尺寸较小、重量较轻且易于制造的。
针对便携式计算机的天线系统是已知的，其由衬底构成，在所述衬底的一侧，两个天线形成于导电层中。在所述衬底的另一侧上，定位两个载流线，以使槽型天线与适当的馈电点[1]相连。在已知的天线系统中，一个天线操作在接收模式下，而另一个操作在发送模式下，取消了接收/发送开关。然而，已知天线系统的功能是非常有限的，这是由于该设备仅可以操作在一个模式下或全向或单向，取决于尺寸。
全向天线用在针对WLAN用户的已知收发设备[2]中。已知收发设备由配备有全向天线的收发机构成，并且与处理器、存储单元和等待模式计时器均与之相连的总线相连，结果，通过与等待模式计时器和功率控制电路相连的开关，与接线到收发机上的自备电源相连。已知的收发设备能够延长网络用户的自备电源的服务寿命。同时，全向天线的使用限制了WLAN的范围，该范围通常由收发机的发射功率及其接收机的灵敏度来确定，通常不能够随着由自备电源供电的移动网络用户而充分地增加。此外，由于在信号接收点处可能的多径干扰和衰落效应，已知的收发设备不能确保无线电通信的接收可靠性。
便携式网络计算机是已知的，由连接在一起并且围绕水平轴旋转地安装的主单元和显示单元构成的壳体组成，其显示单元包含具有平板全向天线[3]的收发设备。在已知便携式网络计算机中使用全向天线限制了网络中计算机的到达范围或动作范围，该范围通常由收发机的发射功率及其接收机的灵敏度来确定，通常不能够随着由自备电源供电的移动网络用户而充分增加。此外，需要特定设计的计算机壳体，用于将天线放置在显示单元内。
便携式计算机的天线系统是已知的，包括两个单独的衬底，在其上，与转换开关相连的天线通过印刷[4]来形成。已知的天线系统能够减小衰落效应，然而，这通过不适当地增加天线系统的尺寸来实现，此外，这里，天线系统具有永久配置的方向图，缩减了其功能。
在WLAN中使用的收发设备是公知的[5]，包括与转换开关相连的多个天线，转换开关用于在传输数据分组前同步码期间，切换到具有更好性能特性的天线上。该收发系统能够使衰落最小，然而，在该设备中仍存在使用全向天线进行数据发送和接收的设备所固有的范围限制。
便携式网络计算机是已知的[4]，由主单元和具有天线系统的LCD显示单元构成的壳体组成，其连接在一起，并安装为围绕水平轴旋转。该天线系统由具有印刷在其上的天线的两个衬底构成，并且与转换开关相连。所述衬底垂直固定在位于显示器后的显示单元中的电磁屏幕上。已知便携式网络计算机能够使用其发送和接收条件更好的两个天线之一来进行无线通信。然而，使用这样的单独的全向天线仍然趋向于相同的范围限制，这是使用一个全向天线来进行数据发送和接收的网络计算机的特性。
在某些方面最接近于本发明的天线系统是具有受控方向图[6]的天线系统，包括电介质衬底，将中空圆柱元件放置在其中心，且位于衬底一侧上，其外表面安装有多个径向片(radial fin)，在其间按照扇状方式来放置多个引脚的线形行。所述电介质衬底、具有片和引脚的圆柱元件具有导电涂层，并且分别执行接地平面、反射镜和引向器的功能。将有源元件放置在与引向器相同平面中的电介质衬底中的开口中。每一个有源元件、具有两个片和线形引脚行的圆柱元件的分段形成了天线系统的各个天线。与所述天线相连的转换开关安装在所述圆柱元件的空腔中。
通过将发送/接收开关切换到提供最好的无线通信的可用条件的天线，原型天线系统允许通过使用方向天线来扩展便携式网络计算机的到达范围或动作范围。另外，所述天线系统是复杂设计的，并且需要在计算机壳体内的另外空间来安装。使用单个的方向天线来进行无线通信将缩减天线系统的功能，这是由于在这种情况下，用户与本地局域网上的多方的同时无线交换将是不可能的。
对于收发设备，最接近本发明的是收发设备[7]，具有拥有方向天线的天线系统。该系统包括至少一个方向天线和一个全向天线，通过转换开关与接收/发送模式开关的可移动触点相连，其固定触点分别与接收机的输入和发射机的输出相连。接收机的第一输出与控制器的第一输入相连，而接收机的第二输出与信号质量测量单元的输入相连，其输出与控制器的第二输入相连。控制器的第一输出与天线转换开关单元相连，控制器的第二输出与发射机的第一输入相连，而控制器的第三输出与发射机的第二输入相连。控制器具有与存储单元和用户接口的双向通信。
为了要用于数据发送和接收的方向天线的后续定向，在建立通信的同时，原型收发设备采用全向天线。该方法能够通过减小多束干扰和衰落的影响，改善两个用户之间的无线通信的可靠性(质量)。然而，由于数据传输的较长时间和不能够同时将数据传送到多个网络用户，抵消了这些优点。该已知的原型设备不能够增加网络用户的到达范围和动作范围，如同其中使用空间分隔的天线的设备那样，这是由于在建立通信的第一阶段中，利用全向天线来同时进行发送和接收。
对于个人网络计算机，最接近本发明的是配备有具有受控方向图的天线系统的计算机[8]。已知的便携式网络计算机包括由显示单元和主单元构成的壳体，连接为围绕水平轴旋转。天线系统由具有步进电动机驱动器的方向螺旋天线构成，所述步进电动机驱动器用于所述天线在所需方向上的定向。将所述天线系统本身放置在主单元中，并且在无线接触期间，可以从计算机壳体中拉出。
配备有具有受控方向图的天线系统的便携式网络原型计算机在局域网内具有增加的动作范围或到达范围，但是将步进电动机用于天线定向的事实阻碍了对网络中无线通信条件变化的定时监控，这可能对无线通信的质量存在负面影响。由于不能够同时与多个网络用户进行无线通信，因此，限制了这样的计算机的功能。将所述天线系统放置在计算机内将需要主要改变其壳体的设计。
发明内容
这里要求保护本发明的内容。本发明所要求保护的工程问题的目的是开发一种天线系统、以及使用其的收发设备和便携式网络计算机，其保留了原型的优点，当在局域网中操作时，将增强功能性，而在便携式计算机的设计中无任何主要改变。
对于天线系统，本发明的主旨在于具有受控方向图的天线系统包括扁平衬底，衬底上带有至少两个扇状方式朝向的方向扁平天线，并且包括用于控制所述天线系统的方向图的转换开关，制造所述转换开关，从而用于同时与一个或两个或多个天线相连。
按照带有按照扇状方式定向的方向扁平天线的衬底形式并具有与其相连的方向图控制转换开关来制造天线系统的事实确保了在以下不同模式下的设备操作全向模式、方向扫描模式和固定方向模式。在此，转换开关可以同时与用于接收/发送的单个天线、或两个或多个天线相连，能够任意地从整体上改变天线系统的方向图的配置，从而确保方向图与接收/发送的特定条件完全一致。
可以使用任何已知天线类型作为上述天线，例如，制成扁平的行波天线、槽型天线、介质天线。这些天线可以同时位于衬底上或位于衬底主体内。
如果要使用其设计需要反射器的天线，则可以将转换开关放置在天线之间，并安装有接地外壳，外壳的小平面用作这样的天线的反射器，从而允许使天线系统的尺寸更小。
在本发明的天线系统中，可以将所述天线制造为行波天线，数量上至少三个，并且位于衬底的两侧，使所述衬底一侧上的天线的朝向不同于所述衬底的另一侧上的天线的朝向。
在本发明的天线系统中，可以安装附加天线，包括有源元件和反射器，沿与所述衬底实质上垂直的线定位。在这种情况下，可以将所述转换开关设置在该天线之后，并安装有接地外壳，将面向所述天线的有源元件的所述转换开关的接地外壳的小平面用作所述附加天线的反射器。安装附加天线扩展了在与衬底平面垂直的方向上控制天线系统的方向图的能力。
在本发明的天线系统中，可以安装两个相反朝向的附加天线，位于所述衬底的不同侧，并且包括有源元件和反射器，沿与所述衬底实质上垂直的线定位。在这种情况下，可以将所述转换开关定位在这些附加天线之间并安装有接地外壳，以及可以将面向所述附加天线的有源元件的所述转换开关的所述外壳的小平面用作所述附加天线的至少一个的反射器。第二附加天线的利用还增强了在与衬底平面垂直的方向上的对天线系统的方向图的控制能力。
对于收发设备，本发明的主旨在于收发设备包括在所述其实现的任何特定情况下的具有受控方向图的上述天线系统；以及接收/发送开关；接收机；发射机；控制单元，所述控制单元用于控制在全向模式、方向扫描模式或固定方向模式下的上述天线系统的操作；以及控制器，其中上述天线系统的转换开关与接收/发送开关的第一输入/输出相连，其输出与接收机的输入相连，以及第二输入与发射机的输出相连，所述接收机的输出与控制器的第一输入相连，所述控制器的第一输出与上述控制单元相连，其输出与所述天线系统的转换开关的各个输入相连，所述控制器的第二输出与发射机的输入相连，而控制器的第三输出设计为与用于数据接收和/或发送的用户设备相连。
收发设备的这样的设备，伴随着其动作到达或到达范围的增加，用于其功能的扩展，由于当天线系统在方向模式下操作时，能够保持与特定网络用户的无线通信，以及当天线系统在全向模式下操作时，能够保持与所有网络用户的无线通信。
所述设备可以另外包括信号质量评估单元和信号识别单元，接收机的输出与信号质量评估单元的输入和信号识别单元的输入相连，信号质量评估单元的输出与控制器的第二输入相连，所述信号识别单元的输出与所述控制器的第三输入相连。在这种情况下，能够在考虑接收/发送的最佳条件时，控制天线系统的方向图。
对于便携式网络计算机，本发明的主旨在于所述便携式网络计算机包括由铰链连接在一起的显示单元和主单元构成的壳体、以及安装有具有受控方向图的上述天线系统且利用铰链固定于所述壳体的收发设备。
为了将本发明的天线系统安装在便携式计算机上以便操作，充分地，利用铰链将其安装在显示单元的外表面，天线系统将固定在其上。天线系统的扁平形状允许将其设置在显示器或主单元的外表面上的较浅的隔间内、或附加在计算机外壳上的塑料容器内。同时，显示单元将充当电磁屏蔽，保护用户免受天线系统的辐射。
可以通过铰链，将天线系统安装到计算机外壳的显示器或主单元的外表面上、或安装到显示单元的边缘。任何已知类型的铰链可以用作该目的，包括球窝式铰链，其能够单点地将天线系统固定到显示单元上。可以使天线系统可拆卸，为此目的，使用于固定所述天线系统的所述铰链接合可拆卸。
在以下的图形材料和附图中示出了本发明所要求保护的内容，图1-具有朝向相反方向的两个扁平八木天线(Yagi antenna)的天线系统的实施例的示例；图2-与图1相同，具有位于衬底表面上的八木天线(侧视图)；图3-与图1相同，具有位于衬底主体内的八木天线(侧视图)；图4-具有朝向相反方向并且共享公用反射器的两个扁平八木天线的天线系统的实施例的示例；图5-具有四个扁平介质天线和位于其间的转换开关的天线系统的实施例的示例；
图6-具有四个扁平八木天线的天线系统的实施例的示例，转换开关的接地外壳的小平面充当反射器；图7-具有五个扁平八木天线的天线系统的实施例的示例；图8-具有位于衬底一侧的两个扁平八木天线和位于衬底另一侧的两个八木天线的天线系统的实施例的示例(顶视图)；图9-与图8相同，底视图；图10-具有朝向相反方向的两个扁平八木天线和一个附加天线的天线系统的实施例的示例；图11-与图10相同，侧视图；图12-具有朝向相反方向的两个扁平八木天线和位于衬底的不同侧上的两个附加天线的天线系统的实施例的示例；图13-具有位于衬底的相同侧上的四个扁平行波天线和一个附加天线的天线系统的实施例的示例；图14-在与衬底垂直的平面上，对图11所示的系统的所有天线进行切换后所得到的方向图；图15-在与衬底垂直的平面上，图12所示的天线系统的方向图(虚线-扁平八木天线的方向图，点划线-附加天线的方向图，实线-同时切换一个八木天线和一个附加天线所得到的方向图)；图16-在与衬底垂直的平面中，切换图12所示的系统中的所有天线所得到的方向图；图17-本发明的收发设备的流程图；图18-针对具有另外切换的信号质量评估单元和信号评估单元的、本发明的收发设备的实现版本之一的流程图；图19-本发明的便携式网络计算机的版本之一的侧视图；图20-本发明的便携式网络计算机的第二版本的侧视图；图21-本发明的便携式网络计算机的第三版本的侧视图；图22-本发明的便携式网络计算机的轴侧投影图。
具体实施例方式
最简单结构的本发明的天线系统1包括衬底2，在衬底表面上例如通过印刷形成朝向相反方向的两个扁平天线3(见图1和2，其中示出了两个八木天线作为示例)，由有源元件4和反射器5构成。有源元件4与转换开关6相连，在整体上控制天线系统1的方向图。天线3可以配备有引向器7，以对天线3的窄方向图进行整形。天线3可以位于衬底2的表面上(见图2)和位于衬底2的主体中(见图3)。为了减小天线系统1的尺寸，天线3可以具有公用反射器5(见图4)。
天线系统1可以诸如构造为按照扇状方式朝向的四个介质天线3(见图5)，转换开关6位于其间。转换开关6可以配备有接地外壳，其小平面充当八木天线3的反射器5(见图6)。在图7中，示出了衬底2上的五个扁平八木天线3的示例位置。
构造为扁平行波天线的天线3可以按照扇状方式设置在衬底2的两侧。在图8中(顶视图)和图9(底视图)中，示出了按照该方式的四个八木天线3的示例位置。
为了工作空间的更宽覆盖范围，可以将单个附加天线8安装在天线系统1中，由有源元件9和反射器10构成(见图10、图11和图13)。在图14中给出了其所有天线3和8同时工作的、图11所示的天线系统1的方向图。在天线系统1中(见图12)，在衬底2的任一侧上，可以安装两个附加天线8中的一个。图16给出了其所有天线3和8同时工作的这样的天线系统1的方向图。
图17示出了具有本发明的天线系统的收发设备。所述收发设备包括天线系统1，其转换开关6与接收/发送模式开关12的第一输入/输出11相连。接收/发送模式开关12的第二输入13与接收机16的输出相连。接收机16的输出与控制器17的第一输入相连。控制器17的第一输出与天线系统1的操作控制单元18相连，确保了全向模式下、方向扫描模式或固定方向模式下的操作，控制器17的第二输出与发射机14的输入相连，并且为了接收和/或发送数据的目的，控制器17的第三输出设计为与用户设备19(例如，计算机)相连。
该收发设备(见图17)可以补充有信号质量评估单元20和信号识别单元21。在该版本的收发设备实现中，接收机16的输出另外与信号质量评估单元20的输入和信号识别单元21的输入相连，而信号质量评估单元20的输出与控制器17的第二输入相连，其第三输入与信号识别单元21的输出相连。收发设备的这样的实现提高了其功能性，特别地，其允许识别所接收到的信号，并且在评估接收到的信号的功率特性时，在该信号将为最好的方向上，执行天线系统1的定向。
其中利用本发明的天线系统(见图19、图20、图21和图22)的便携式网络计算机包括由通过铰链24连接在一起的主单元22和显示单元23构成的壳体。将具有受控天线图的天线系统1通过铰链25固定到显示单元23。收发设备的其他组件位于主单元22中，并且在图19-22中未示出。天线系统1还可以位于单元23的外表面26上的凹进件28中(见图22)、或位于主单元22的底部外表面30上的凹进件29中(见图20)。天线系统1还可以构造为可拆卸的，并容纳在单独的包装中。
按照以下的方式在网络中使用该便携式计算机。在无线电联系用户19利用天线系统1来扫描无线电空间之前，工作在方向模式下。根据天线系统1的实际实现，在方位角、仰角的方向上、以及同时在方位角和仰角的方向上执行扫描，从而覆盖无线电空间的半球或整个球面。在图15中，作为示例，给出了如图12所示的天线系统1的方向图的可能配置，利用单个天线3、单个附加天线8、或由转换开关6切换的同时的天线3和天线8。可以按照不同的方式来执行扫描步进扫描(以选择的角度或摆锤式前进)，包括具有更好的信号接收条件的无线电空间的预定一半，具有间距45°、60°、90°、120°、180°，电子地切换方向图，或使用其他已知的技术。在该模式下，会发生对来自其他网络用户的信号源的搜索。一旦由信号识别单元21识别了有用的信号，由信号质量评估单元20在天线系统1的方向图的不同位置处，测量该信号的功率参数之一(例如，信号电平或信噪比)。另外，可以利用信号的各种极化来获取功率参数的测量。将这些测量的结果提供给控制器17，控制器17产生针对单元18的控制信号，以便沿与最好或预设质量的接收信号相对应的方向，设置天线系统1的方向图，之后，用户设备19进入接收模式，接收从接收机16到达控制器17的数据(图18)。在进行数据发送的确定之后，天线系统1扫描无线电空间以避免冲突。如果无线电空间是空的，则利用方向图切换单元18，将天线系统1切换到全向模式，接收/发送开关12的第一输入/输出11与发射机14的输出相连，并且传送所述数据。
技术应用性制造了具有受控天线图的天线系统的样品(图1、图6、图7、图11和图12所示)。收发机(图18所示的图)配备有这些样品。如图19和21所示，将天线系统的样品安装在计算机上。根据天线系统的操作模式，其方向图如图14、图15和图19所示。天线系统扩展了便携式计算机的功能性(当其在局域网中操作时)，并且同时，该应用不需要对便携式计算机的设计进行任何修改。
参考文献1.美国专利No.6292153，H01Q 13/08，2001.
2.美国专利No.5546397，H04B 7/04，1996.
3.美国专利No.6249254，H01Q 1/38，2001.
4.美国专利No.5138328，H01Q 1/24，1992.
5.美国专利No.5748676，H04K 1/10，1998.
6.美国专利No.6127987，H01Q 19/00，2000Γ.
7.欧洲专利No.1063789，H04B 7/04，2000.
8.美国专利No.5644320，H01Q 1/24，1997.
权利要求
1.一种具有受控方向图的天线系统，包括扁平衬底，带有至少两个扇状朝向的方向平面天线；和用于控制所述天线系统的方向图的转换开关，其中，制造所述转换开关，从而用于在所述天线的任一个上切换、或同时在两个或多个所述天线上切换。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于在使用配备有反射器的所述天线的情况下，将所述转换开关设置在所述天线之间，并且安装有接地外壳，所述转换开关外壳的侧部小平面用作所述天线的反射器。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于将所述天线制造为行波天线，数量上不少于三个，位于衬底的两侧，位于所述衬底一侧上的所述天线的朝向不同于位于所述衬底的另一侧上的所述天线的朝向。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于所述天线系统包括由有源元件和反射器构成的附加天线，两者均沿与所述衬底实质上垂直的线设置。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于所述转换开关设置在附加天线后面，并安装有接地外壳，以及将面向所述附加天线的有源元件的、所述转换开关的接地外壳的小平面用作所述附加天线的反射器。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于所述天线系统包含位于所述衬底的不同侧并朝向相反方向的两个附加天线，由有源元件和反射器构成，沿与所述衬底实质上垂直的线设置。
7.根据权利要求6所述的天线系统，其特征在于将所述转换开关设置在所述附加天线之间并安装有接地外壳，以及将面向所述附加天线的有源元件的、所述转换开关的所述外壳的小平面用作所述附加天线中的至少一个的反射器。
8.一种收发设备，包括权利要求1-7任一个所述的天线系统；接收/发送开关；接收机；发射机；针对所述天线系统的控制单元，所述控制单元用于控制所述天线系统在全向模式、方向扫描模式或固定方向模式下的操作；以及控制器，其中所述天线系统的转换开关与接收/发送开关的第一输入/输出相连，其输出与接收机的输入相连，以及第二输入与发射机的输出相连，所述接收机的输出与控制器的第一输入相连，所述控制器的第一输出与所述控制单元相连，其输出与所述天线系统的所述转换开关的各个输入相连，所述控制器的第二输出与发射机的输入相连，而控制器的第三输出设计为与提供数据接收和/或发送服务的用户设备相连。
9.根据权利要求8所述的收发设备，其特征在于所述设备另外包括信号质量评估单元和信号识别单元，在此，接收机的输出与信号质量评估单元的输入和信号识别单元的输入相连，信号质量评估单元的输出与控制器的第二输入相连，所述信号识别单元的输出与所述控制器的第三输入相连。
10.一种便携式网络计算机，包括由铰链连接在一起的显示单元和主单元构成的壳体、以及安装有根据权利要求1-7任一个所述的天线系统且利用铰链固定于所述壳体的收发设备。
11.根据权利要求10所述的计算机，其特征在于将所述天线系统固定于所述显示单元的外表面。
12.根据权利要求10所述的计算机，其特征在于将所述天线系统固定于所述显示单元的边缘。
13.根据权利要求10所述的计算机，其特征在于将所述天线系统固定于所述主单元的外表面。
14.根据权利要求10所述的计算机，其特征在于将所述天线系统构造为可拆卸的。
15.根据权利要求10所述的计算机，其特征在于根据权利要求8和9任一个来构造收发设备。
全文摘要
本发明涉及用于网络便携式计算机的天线系统和收发设备。所述天线系统包括扁平衬底(2)，带有至少两个按照扇状方式定向的方向扁平天线(3)；以及用于控制天线系统的方向图的转换开关(6)。制造所述转换开关，从而能够同时切换到一个或两个或多个天线上。所述收发设备包括天线系统(1)、接收/发送开关(12)、发射机(14)、接收机(16)、用于控制全向模式、方向扫描模式或固定方向模式下天线系统的操作的天线系统操作控制单元(18)、以及控制器(17)。其还可以追加信号质量评估单元(20)和信号识别单元(21)。所述网络便携式计算机包括收发设备、通过铰链将其固定到计算机外壳上的天线系统。
文档编号H01Q3/24GK1656646SQ03812327
公开日2005年8月17日 申请日期2003年3月24日 优先权日2002年3月27日
发明者奥列格·尤里耶维奇·阿布拉莫夫, 亚利山大·格尔马诺维奇·卡什卡罗夫, 法国德·易卜拉欣莫维奇·纳加耶夫 申请人:艾尔盖恩有限公司