专利名称：射频数据通信装置的天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及RF(射频)数据通信装置的天线领域，具体地说，是涉及那些用来发送和接收数字信号，例如双向寻呼机和类似的装置。近年来，RF远程通信有了迅猛的发展，例如无绳电话和蜂窝式电话这类产品成为常见的产品。特别是寻呼机，在需要从远距离地点迅速取得联络的人群(如技术人员)之中，已变成常用的物品。对于这类装置，非常重要的是提供清晰强大的信号，保持数据传输的完整性。
已有的RF数据通信装置的所用的天线中有许多值得注意的问题。某些装置例如寻呼机常常是使用者自己随身带的。但人的身体有某些固有的介电特性(如由于起电和电流起伏等)，便产生了一种电磁边界。使用者的身体固有的边界条件改变着周围场的阻抗，影响天线电流分布和信号辐射方向性图，因此使天线增益降低约4dB。这样，天线便处于“失调”状态。天线的失调也会由某些客体的存在(如金属物体)以及地面条件而引起。这种结果，使RF数据通信装置特别是寻呼机的工作范围变小，室内性能变差。
已有的装置也有涉及发送和接收信号极化特性方面的性能问题。电磁辐射可在任何平面上传播。因此，可看作有垂直极化和水平极化。为了接收到强信号，天线必须正确地对准入射信号的极化平面。然而，装置在开作时，天线可以在所有不同方向上偏转，它不一定能最恰当地对准所要接收的入射信号。在双向装置中，类似的问题也在发射中发生。已有的装置的天线包含一种环路设计，在实现两个极化方面通常是有效的，但也有低增益和低带宽的缺点。环境源也对极化信号的接收有影响。例如，室内的金属能有效地“倾倒”垂直极化波，因此减弱以垂直极化天线接收的信号的强度。
回应上述在RF数据通信装置如寻呼机中出现的局限性的一个方法是建立双向通信，这样，应答或回响信号可从寻呼机返回到源头。但是，由于这些装置常常是随身带的或贴近使用者的身体使用的。围绕使用者身体的电磁边界明显地降低了传输效率。另外，已有的双向寻呼机，传输带宽一般地低至1/2％。由此可见，已有的RF数据通信装置的天线不能提供数字信号发送和接收所必需的可靠而有效的工作状态。
鉴于已有的用于RF数据通信装置的天线的困难和缺点，在此提供一种天线系统，即通过更为可靠而有效的天线设计，解决已有的问题。
因此，需要一种改进的天线系统，使RF数据通信装置增加工作的地域范围。
还需要一种改进的天线系统，使双向数据通信装置改善室内性能。
还需要一种天线系统，使RF数据通信装置对环境波动不太敏感。
还需要一种天线系统，使RF数据通信装置在工作时对方位不太敏感。
还需要一种RF数据通信装置，提供稳定的、高增益、双向数据通信。
还需要一种天线系统，允许在RF数据通信装置中同时发送和接收数据。
还需要一种通过天线系统与RF数据通信装置联合使用，而改善发送和接收的方法。
利用本发明的天线可以实现这些及其它需要，这种天线较好地包括一个偶极子，它有两个相互垂直的元件，用于接收和发送电磁信号。一个电磁耦合器，被用于平衡每个偶极子元件之间的信号强度，以建立符合要求的谐振带宽。一个阻抗匹配电路，较好地采用LC集总匹配电路，包括至少一个电容器和至少一个电感器，这个电路被用于将偶极子电连接至数据通信装置。
本发明可有各种不同的实施例，它的一些细节可以在各方面修改，而都不偏离本发明，这一点将会得到理解。因此，图形和叙述都是说明性的而非限制性的。
下面，将参考附图仅以举例的方法说明本发明的实施例，其中相同的零部件有同样的参考标号
图1a表示手提式数据通信装置，具有根据本发明的单天线。
图1b表示手提式数据通信装置的另一个实施例，具有根据本发明的双天线。
图2表示本发明的天线的结构和操作。
图3表示根据本发明的匹配电路的细节。
图4A和4B分别表示根据本发明的偶极天线在欠耦合和临界耦合情况下的幅度和空间响应。
图5A和5B分别表示根据本发明的偶极天线在过耦合情况下的幅度和空间响应。
图6A和6B分别表示RF数据通信装置所含有的本发明单天线和双天线结构。
图7A是RF数据通信装置采用根据本发明的单天线结构的示意图。
图7B是RF数据通信装置采用根据本发明的双天线结构的示意图。
现在参看附图来说明，这些图只是为了说明本发明的优选实施例，而不是对本发明的限制，图中表示本发明的一个实施例，其中，单个偶极子天线具有电磁耦合和LC阻抗匹配电路，使不平衡的变换得以平衡。说明使用双天线结构的第二实施例也被表示。不论是单个天线或是作为双天线结构的一部分，都适合于800-1000MHz范围的发射和接收。当然熟悉这方面技术的人知道，工作于其他频率范围的天线也是可以构成的。
作为本发明的优选实施例，图1a表示装置10，例如一个寻呼机，该装置包含根据本发明的天线。在这个优选实施例中，装置包括机盖12和机身14。机盖12最好包括一个用于显示发出和接收的字母数字数据的LCD(液晶显示器)16。机身14接受和保持电子元件，这些电子元件对装置的信号进行处理，并提供装置的其他功能。天线20最好并入到机盖14的里面，这样可以看不见。图1b表示在结构上设计为两个天线30，这样的设计，或是为了能同时发射和接收数据，或是为了减少单个天线结构所需的设计需求。
如图1a,1b和2所示，天线20的优选结构是由水平臂22和垂直臂24形成的偶极子，用每个垂直和水平极化面接收数据。偶极子各个臂22,24的尺寸应能把它们装配到装置的机盖12之中，而在双天线配置的情况下，放置的方法是使每个天线30与另一个天线绝缘。臂22,24最好用铜制造，铜的厚度约0.0025″，放在厚度为0.001″的Kapton〔卡普顿(聚酰亚胺薄膜)〕材料基体上。水平臂22最好约2.04″长，带一个约0.54″的扩展部。垂直臂24最好约2.17″长，带一个约1.19″长的底部。在该优选实施例中水平臂和垂直臂基本上是正交的，也就是说，它们基本上构成90°角。但是，通常知道这方面技术的人都了解，臂的位置只要求有一个角度，使两个臂不在一条线上。因为天线20的形状是二维的。所以它能够在两个极化面发射和接收信号(如图2所示)，这样可使装置对倾斜和方向性能够不太敏感，以提供优良的室内性能。偶极子天线20的优选结构在900MHz时可得到大约0dB增益，比寻呼机经常使用的现有的环形天线的增益至少提高5dB。
在单一天线结构中，数据信号经过集总LC匹配电路30，被互逆地处理，如图3所示，它最好包括电容(C1,C2)和电感(L1,L2,L3)，以便将偶极子臂22,24连接到机身14里的同轴电缆上。工作在900MHz频率范围的优选实施例中，C1=4.3pF,C2=7.5pF,L1=L2=3.9nH和L3=4.7nH；同轴电缆是MXFX81电缆和显示器16，它也可能影响C1,C2,L1,L2和L3的数值，最好选用香港Varitronix第CRUS1024-V05号的FSTN LCD(液晶显示器)。对于任何给定数据的通信装置，装置的内部阻抗可以直接测量，从测量的阻抗值能够根据经验对C1,C2,L1,L2和L3的数值进行计算。LC电路30提供变换作用，匹配作用和平衡作用，如以下说明。
LC电路30为天线20提供一个阻抗，该阻抗与包含在装置机身14里面的RF(射频)器件的50欧姆阻抗相匹配。该阻抗匹配能使由于操作员的存在和不同地平面条件而感应的电流减小，因此提高了装置的增益。本匹配电路也提供每个臂之间信号能量按比例的变换作用。在发射方式中，RF信号通过同轴电缆32馈送到电路30，在这里分开进入每个臂22,24,信号在各个臂变换为电磁辐射，通过空气向外传播。在接收方式中，匹配电路30将接收到的信号合并并把RF信号变换为可检测的信号电平。然后，可检测的信号通过同轴电缆传播到RF数据通信装置。
由于偶极子臂22,24之间的耦合，大大促进本天线的性能。申请人发现，天线附近各向异性介质的存在对控制装置里面的电子环境，以及影响天线的传播方向是有效的。如申请人发现的，本液晶显示器16的液晶材料是各向异性的，它的各向异性的性质提供所希望的耦合特性。如在此所用的，本文中“耦合”类似于变压器中的相互感应，在这里，电磁能量的传播穿越各谐振电路中的一对电感线圈。
通过精心定位的两个偶极子臂，馈送电缆和液晶显示器16，申请人发现，两个偶极子臂22,24能够电磁耦合，就像变压器中的电感线圈那样。液晶显示器16的各向异性材料产生一个非均匀电场，能有效地使每个偶极子元件发射和接收的信号分离出垂直分量。来自水平偶极子臂22的传播信号，以水平极化方式传播。但是，通过液晶显示器16传播的一部分信号变换成垂直极化，因此初始的极化波有效地分离为具有垂直和水平极化的波。类似的，从垂直偶极子24传播的极化信号分离出垂直分量，通过液晶显示器16的电磁耦合，各个垂直分量的每一个分量相互在相位上增强，因此，每个极化构成波前。这样，各个耦极子22,24的每一个被电磁耦合。
当每个偶极子元件与邻近的各个其他元件相互影响产生单一的谐振幅度峰时，偶极子的欠耦合出现。临界耦合在中心频率附近导致一个具有最大幅值的单一谐振波型。欠耦合和临界耦合天线的谐振响应在图4A中示出。这些耦合也得到如图4B所示的空间幅度峰值，这里，天线增益的峰值大约在230度(0度是面向用户的)。
当耦合进一步增加以改于偶极子变成为耦合的时候。根据优选实施例那样的天线性能就会出现。过耦合偶极子的谐振幅度在两上谐振频率峰上是等幅的，就所要求的基频来说，这两个峰可以表现为对称的或不对称的，如图5A所示。这样就有效地扩展了谐振频率的带宽。另外，频率峰是双折射的，也就是说，每个频率峰有垂直于另一个的传播向量。这样过耦合偶极子传播两个相互垂直的信号，只是在谐振对称的频率和非对称的频率上稍有差别。这个结果使天线在两种极化方向上加宽了有效的带宽，提高了天线的增益。过耦合偶极子也具有两个空间的幅度谐振峰，如图5B所见。这样，在用户较大的圆周范围内，增益是较高的，而且本天线的增益对方向变化不太敏感。
偶极子20和匹配电路30相结合，能使双向RF数据通信装置稳定，并对处于周圆环境中的天线失调不敏感。在许多原因中，可能由于寄生电容和不利的地平面条件而出现天线失调现象。本发明对建筑物内方向定位和信号反射不敏感。本发明比现有的环形天线增益至少有5dB的提高，比手持数据通信装置使用的插接式天线增益至少有3dB的提高，另外，工作带宽约为10％，比较起来，其他的单向装置为1-2％，其他双向的装置为0.5％。
现在参见图6A和6B，图中表示两个与RF数据通信装置一起的发明装置。图6A表示包含本发明的RF数据通信装置如寻呼机的简单方块图。这个装置包括一个控制子系统200，该子系统包括DSP(数字信号处理器)130，存储器140和控制器150；无线电接收机110和无线电发射机120；以及本发明的天线系统170，该系统包括连带匹配电路的偶极子天线20，和显示器16，如上面讨论的，该显示器具有双重功能作为数据接口160的一部分而显示数据，以及作为各向异性介质，用于电磁耦合偶极子天线20的臂杆辐射来的信号。开关/天线收发转换开关175是处置天线系统170的元件，使天线不是在发射方式就是在接收方式，尽管开关/天线收发转换开关175表示为天线系统20的部件，但它很容易被表现和构成为天线20以外的功能部分，只是操作上与天线系统是连接起来的。下面详细地讨论，图7A表示开关/天线收发转换开关175处在天线系统20外面的位置。另外，开关/天线收发转换开关175功能的执行可以用电子的、软件的或机械的开关、或收发转换开关或用任何一种方法实现，其中，不同的数据流入站和出站能够相应地通过偶极子天线20而分离，并且不是发射就是接收，。
图6B仅在使用双天线系统171这一点上不同于图6A。接收天线28和发射天线29代替单一偶极子天线20，使RF数据通信装置能同时发射和接收，或者减少与单一天线有关的设计要求。这种结构消除对图6中开关/天线收发转换开关175的需要，因为在这种结构中每种方式是由分离的天线提供的。
图7A和7B分别是图6A和6B所示RF通信装置的更加具体示意图。天线20和显示器16用天线/显示子系统600代表。无线电接收机110由单元111-117、IQ解调器118、辅助本地振荡合成器119和本地振荡合成器200表示，无线电接收机110和无线电发射机120共享本地振荡合成器200。无线电发射机120包括单元311-314,321-324,330-336，时钟电路210，和本地振荡合成器200，该振荡合成器由发射机120和无线电接收机110共享。存储器140由刷新RAM 141和SRAM142代表。控制150由微处理机500连同控制线151代表。数据接口由串行线16连同微处理机500代表。如上所述，显示器16也可以考虑为数据接口160的部件。此外，任何输入装置，例如键盘，鼠标，触模屏等等应当考虑为数据接口160的部件。
除上面的单元外，图7A和7B说明了RF数据通信装置的其他元件。单元601和602表示处理来自电池电压传感器603的数据的电路，单元701和702表示处理来自温度传感器703数据的电路。装置还包括电源管理电路100。
图7B与图7A的不同之处仅在于它包括由接收天线28和发送天线29构成的双天线。结果，开关/天线收发转换开关175不再需要包含T/R开关。但应当注意，由于接收电路和发射电路其享本地振荡合成器200，因此，这个装置不可能利用双天线同时发射和接收。通过一个附加的本地振荡合成器，再现这种共享功能，显然可见，在这种情况下，使用双天线，就能同时发射和接收。
如上所述，本发明能解决用在RF数据通信方面的现有天线的许多有关问题，并可提高效率和适用性。虽然在上文中已参考寻呼机叙述了本发明的优选实施例，但本发明适用任何需要一种能解决现有天线许多问题的天线系统的装置。应当注意，在能应用本发明的天线系统的装置中，本发明的通用性不受限制，如笔记本计算机、蜂窝式电话和寻呼机、个人数字助理(PDA)、个人信息管理(PIM)和其他的个人数据装置，包括那些戴在手腕上、与眼镜相结合或作为带状绕在身上的装置。另外，可以理解，对熟悉这方面技术的人来说，可以在如后附权利要求所表达的本发明的原则和范围内，实现上面为了解释本发明的特征而已经叙述过的细节、材料和部件安排的各种变形。
权利要求
1．一种用于提高射频数据通信装置性能的天线系统，其特征在于，它包括一个偶极天线，它有一个在第一方向伸展的第一臂，和一个在与第一方向不在一条线上的第二方向伸展的第二臂；一个电磁耦合器，其中，这个电磁耦合器平衡第一臂和第二臂之间的信号强度，并为RF数据通信装置建立符合要求的谐振带宽；以及一个阻抗匹配电路，它包括至少一个电容器元件和至少一个电感器元件，其中，匹配电路使在操作上与天线相连接的射频数据通信装置的阻抗相匹配。
2．根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，该电磁耦合器包括位置邻近偶极天线的一个各向异性介质。
3．根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，各向异性介质包括液晶显示器。
4．根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，匹配电路是一个集总LC电路。
5．根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于，每个电感器和每个电容器的数值被选择，以提供阻抗匹配，并使偶极天线和射频数据通信装置之间的不平衡变换得以平衡。
6．根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，偶极天线是一个第一偶极天线，且其中天线系统还包括邻近第一偶极天线和电磁耦合器的一个第二偶极天线。
7．一种具有改进的天线性能的一种射频数据通信装置，其特征在于，还包括一个数据接口；一个列线电接收机和一个无线电发射机，其中，数据接口，无线电接收机和无线电发射机通过微处理机连接；以及一个天线系统，其中，天线系统包括一个偶极天线，它有一个在第一方向伸展的第一臂，和一个在与第一方向不在一条线上的第二方向伸展的第二臂；一个电磁耦合器，其中，这个电磁耦合器平衡第一臂和第二臂之间的信号强度，并为射频数据通信装置建立符合要求的谐振带宽；以及一个阻抗匹配电路，它包括至少一个电容器元件和至少一个电感器元件，其中，匹配电路使在操作上与天线相连接的射频数据通信装置的阻抗协调配合。
8．根据权利要求7所述的射频数据通信装置，进一步包括一个发射/接收开关，其特征在于，开关切换天线系统的工作方式，即从发射切换到接收，以及从接收切换到发射，当开关将天线系统切换到发射方式时，偶极天线用于发射，当开关将天线系统切换到接收方式时，偶极天线用于接收。
9．根据权利要求8所述的射频数据通信装置，其特征在于，发射/接收开关是一个天线收发转换开关。
10．根据权利要求7所述的射频数据通信装置，其特征在于，该偶极天线是一个第一偶极天线，且天线系统还包括邻近第一偶极天线和电磁耦合器的一个第二偶极天线。
11．根据权利要求10所述的射频数据通信装置，其特征在于，射频信号通过第一偶极天线接收，射频信号通过第二偶极天线发射。
12．一种提高与射频数据通信装置配用的天线性能的方法，包括下列步骤将各向异性介质设备在偶极天线的两臂之间；以及激励各向异性介质和偶极天线，使信号分离，而来自每个偶极天线臂辐射为正交分量，以形成将合要求的谐振带宽。
全文摘要
所示为一种RF(射频)数据通信装置天线系统(10),包括一个偶极天线和一个电磁耦合器(16),该电磁耦合器(16)在每个偶极天线臂(22,24)之间耦合,以建立符合要求的谐振带宽。另有一个LC匹配电路(30),用以使偶极天线与射频数据通信装置的阻抗匹配,并在天线系统的偶极天线臂之间变换射频信号。
文档编号H01Q1/22GK1231069SQ97198020
公开日1999年10月6日 申请日期1997年9月17日 优先权日1996年9月18日
发明者朱里中, 齐异红, 佩里·雅尔利奇维斯基, 彼得·埃德蒙森, 史蒂文·卡克纳 申请人:捷讯研究有限公司