专利名称：用于便携无线电单元的一种无线电单元机壳的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于便携无线电单元的一种无线电单元机壳，带有单一高增益天线单元用于在卫星通信系统中广泛扫描范围内发射和接收无线信号。
有关技术说明名称便携无线电单元包括所有便携设备往往用于无线电通信，如移动电话、收发信机，寻呼机，电传机，电子笔记本和通信设备。这些设备能够用于任何类型的无线电通信系统，诸如蜂窝网络，卫星或小局域网。
一类无线电通信是蜂窝移动通信，其中便携无线电单元相互或与固定单元通过地面移动基站通信。通常在接近900兆赫兹或1800-1900兆赫兹(MHz)频率发射和接收信号的便携无线电单元，例如移动电话，是公知的。
现在另一个无线通信类型已经变得重要，即卫星通信。
在不远的将来，我们将预见到通过卫星直接与便携无线电单元通信。卫星能够达到在由于缺少必要的蜂窝天线塔，基站或兼容标准使蜂窝通信不能使用地区内的便携无线电单元。这种卫星通信能够配给2吉赫兹(GHz)频带和20/30GHz频带。具有高数据率(64kbps和2Mbps)的几个系统正在计划阶段。
该系统的卫星可以是不同类型的，诸如GEO(对地静止地球轨道)，ICO(中间圆形轨道)，LEO(低地球轨道)或HEO(高椭圆轨道)。
因为蜂窝天线通常为线性极化而卫星天线通常为圆极化，所以认为对于蜂窝和卫星方式通信不同类型的天线是必须的。进一步的区别在于卫星通信方式涉及方向性元件，其中当便携无线电单元上的卫星天线指向卫星时可增加链路余量，而蜂窝通信方式通常不具有这种方向性元件。因此，在便携无线电单元中的卫星天线位置是非常重要的，与卫星天线的结构一样。
便携无线电单元的一个例子是便携电话。用于便携电话的翻盖一般用于保护小键盘或显示器。可是，在某些应用中翻盖已经被利用容纳天线(例如，美国专利5337061，美国专利5542106，美国专利5451965)。
具有公开号码EP752735的欧洲专利申请描述了附着或集成到移动电话机壳中的几个单独天线的天线系统。从每个天线发射的高频功率是可以单独控制的。该天线系统计量每个天线的波阻抗并操纵对那些计量自由空间传播阻抗的天线的辐射功率。该天线系统的目的是避免在用户头部的辐射。该天线系统也给出了接收分集(在说明书和权利要求中没有提及)。
具有公开号码JP56-168437的日本专利描述了带有附着在无线电设备机壳上的两个单独微带天线的一种便携无线电设备。两个天线排列在无线电设备的相同一侧。这些天线的一个能够用于既发射又接收而另一个天线只用于要求接收分集的接收。该专利的目的是消除由于把两个微带天线附着在无线电设备机壳表面上而损坏天线的风险。
具有公开号码WO95/04386的PCT专利申请描述了一种复合天线用于包括至少两个单独天线的手持通信应用。这些天线相互分开特定距离。
如同在此所见，在这些专利中所公开的每个天线是不同于本发明的卫星天线的无线电单元机壳的结构。
发明概述本发明解决了有关在卫星通信系统中的便携无线电单元上天线的若干问题。
一个问题是天线单元与机壳中发射和接收装置的集成，在机壳内天线单元的面积不得不限制到便携无线电单元的几何尺寸。
另一个问题是获得高天线方向性而不管便携无线电单元的无线电单元机壳上可使用的有限面积。
当便携无线电单元被移动或以对准卫星的波束方向与天线单元孔径法线方向之间夹角变大的方式转动时，发生另一个问题。这需要机壳中的该天线单元必须设计得具有几乎与无线电单元位置无关的天线增益。
当便携无线电单元中的天线不得不扫描上半球的广泛部分以定位卫星时，仍有另一个问题出现。
这需要发射和接收装置的扫描体积(scan volume)必须相同和扫描范围宽广。
类似问题是在卫星和/或便携无线电单元移动期间便携无线电单元中天线必须用其发射和接收波束跟踪卫星。
这需要便携无线电单元中天线必须具有指向基本上相同方向波束既发射又接收的能力。
当卫星与便携无线电单元之间的无线电波由于来自卫星或便携无线电单元的低输出功率或由于卫星与无线电单元天线之间的无线电波传播路径中有衰减而减弱时另一个问题出现。这需要更高的无线电单元天线增益以获得额外链路余量。
另一个问题是避免天线单元的波束被便携无线电单元用户散射。
根据上述问题，本发明的主要目的是提供带有能够工作在卫星通信方式的集成共型天线的无线电单元机壳。
本发明的另一个目的是提供带有集成天线的无线电单元机壳，该天线具有在整个扫描范围中的近似恒定增益和搜索并跟踪单独卫星的能力。
本发明的另一个目的是提供带有用于便携无线电单元的集成天线的无线电单元机壳，其中天线单元的发射和接收装置共享相同的孔径和扫描体积。
本发明的又一个目的是提供用于便携无线电单元的带有集成天线单元的无线电单元机壳，其中所述天线单元具有至少半球一半的扫描范围和带有可控制发射和接收波束的高方向性天线辐射图。
本发明的另一个目的是获得在无线电单元机壳中面对许多方向的广布的天线孔径面积以在甚至大扫描角保持合理的接收和发射质量。
本发明的另一个目的是使用高增益和波束控制用于无线电单元中的卫星跟踪以将来自天线单元的波束转移开便携无线电单元用户，以减少功率损耗和避免散射。
本发明的又一个目的是在便携无线电单元几何尺寸限制内获得最高可能的天线增益以增加链路预算的余量。
本发明的另一个目的是使天线单元能够建立足够尖锐的波束以选择从便携无线电单元地点能够观察到的几个卫星中的一个。
按照本发明，所公开的无线电单元机壳中的共型天线阵列排列在该无线电单元机壳内。
更具体地，该天线阵列包括大量带有发射和接收装置的相邻天线阵列表面，这些天线阵列表面以天线阵列表面面对许多方向的方式排列在无线电单元机壳内。多于一个的这些天线阵列表面同时合作以产生用于发射和接收无线电信号的波束。该天线单元与便携无线电单元共型，没有可移动部分并在多层结构中包括交错的天线辐射单元，例如贴片或缝隙。
本发明的优点在于天线阵列的波束是高方向性的，它们具有高的终端天线发射和接收增益和相同扫描体积。这要求便携无线电单元能够跟踪单独的卫星并建立通信链路。
另一个优点是无线电单元机壳内的该天线阵列面对多个方向，这要求无线电单元几乎配置独立的天线增益。这也要求来自天线阵列的波束能够对上半球卫星在宽扫描范围扫描。
其它优点是天线单元波束避免被用户散射和无线电机壳中的天线单元没有可移动或伸出的部件。
附图简介这些上述目的和本发明的其它特征通过结合附图并参照下列说明将变得更清楚。
图1是普通便携无线电单元的透视图。
图2a是按照本发明的带有集成天线单元的无线电单元机壳第一实施例的第一实例的透视图。
图2b是按照本发明的带有集成天线单元的无线电单元机壳第一实施例的第二实例的透视图。
图3是按照图2a的天线单元的透视图。
图4a是按照本发明的带有集成天线单元的无线电单元机壳第二实施例的第一实例的透视图。
图4b是按照本发明的带有集成天线单元的无线电单元机壳第二实施例的第二实例的透视图。
图5是按照图4a的天线单元的透视图。
图6a是带有圆型贴片天线阵列的第一实例。
图6b是在天线阵列中贴片图形的第一实例。
图7是按照图6a的天线阵列的截面图。
图8a是天线阵列中贴片图形的第二实例。
图8b是带有圆形贴片的天线阵列的第二实例。
图9a是带有缝隙的天线阵列的实例。
图9b是在天线阵列中缝隙图形的实例。
图10是按照图9a的天线阵列的截面图。
实施例详细说明图1是本领域公知的包括终端单元101和蜂窝方式天线单元102的便携无线电单元100的透视图。该终端单元101包括包围内部的终端单元101的无线电单元机壳103。该无线电单元机壳103分别具有前和后表面104，105。该无线电单元机壳103也分别具有顶和底表面106、107和分别具有第一和第二侧面108、109。该后、底和第二侧面105、107、109分别隐藏在图1中。
带有无线电单元机壳103的该终端单元101在图1中的实例表示为移动电话。带有无线电单元机壳103的终端单元其它实例是收发信机，寻呼机，电子笔记本和通信设备。
图2a是根据本发明带有卫星天线单元202的无线电单元机壳201的第一实施例的第一实例透视图。该卫星天线单元202被集成在无线电单元机壳201的上部分，该机壳由图2a中的无线电单元机壳201的阴影部分表示。
无线电单元机壳201的上部分是接近无线电单元机壳201顶表面106的区域。
图2b是无线电单元机壳203的第一实施例的第二实例的透视图，例如带有按照本发明的卫星天线单元204的收发信机机壳。该卫星天线单元204被集成到在图2b中由无线电单元机壳203的阴影部分所表示的无线电单元机壳203的主要部分上。
图3说明了根据图2a的天线单元202。该天线单元202包括天线阵列301(相控阵)带有能够通过使用公知技术电转动它们的无线电波束的发射和接收装置。
天线阵列包括类似类型的单独天线单元，正常地有规则地分布在天线表面上。每个单独天线单元连接到波束形成网络，在该网络中根据给出所需要辐射图的预定值设置其中的单元相移。
天线单元202的天线阵列301分别包括带有发射和接收装置第一、第二，第三和第四相邻天线阵列表面302a-d，在此表面302b隐藏在图3中。这些天线阵列表面302a-d分别为矩形并安装成盒子样而没有盖子和侧面，而集成到无线电单元机壳201中，见图2a。
第一天线阵列表面302a集成在天线单元机壳201的第一侧表面108的一部分中，分别靠近后表面105和顶表面106。
第二天线阵列表面302b集成在无线电单元机壳201的第二侧表面109的一部分中，分别靠近后表面105和顶表面106而且在第一天线阵列表面302a对面。第二侧表面109隐藏在图2a中。
第三天线阵列表面302c集成到无线电单元机壳201的后表面105的一部分中，靠近顶表面106并分别在第一和第二天线阵列表面302a-b之间。
第四天线阵列表面302d集成在无线电单元机壳201的顶表面106的一部分中分别在第一和第二天线阵列表面302a-b之间紧接着第三天线阵列表面302c。
这要求该天线阵列301包括四个合作相邻天线阵列表面302a-d面对四个不同方向，这给出天线单元广泛的扫描体积。天线阵列表面302a-b的每个能够如同实例具有带高增益的第一扫描体积和一起产生带有高增益比第一扫描体积更广泛的扫描体积。第一扫描体积的实例是相对天线阵列表面法线的±45度。广泛扫描体积的实例相对天线阵列表面法线至少±60度。
这些天线阵列表面302中的至少两个的发射和接收装置同时合作以产生用于发射和接收无线信号的波束。
该卫星天线单元202能够以另一个形式安装在无线电单元机壳201上。这在任何图中都没有表示。
根据图2b集成在无线电单元机壳203中的该卫星天线单元204是带有另外第五天线阵列表面205的天线单元202的扩大形式。该天线阵列表面205安装在无线电单元机壳203的底表面206上以便该天线单元204形成没有盖子的盒子。该底表面206和第五天线阵列表面205隐藏在图2b中。
该卫星天线单元204能够以另一个形式安装在无线电单元机壳203中。这没有在任何图中表示。
图4a是根据本发明带有卫星天线单元402的无线电单元机壳401第二实施例的第一实例的透视图。该卫星天线单元402集成在无线电单元机壳401的上部分中，如同根据图2a的第一实施例。
其中集成了天线单元402的无线电单元机壳401的该部分形成类似部分椭圆体，由图4a中无线电单元机壳401的阴影区表示。
图4b是无线电单元机壳403第二实施例的第二实例的透视图，例如根据本发明的带有卫星天线单元404的收发信机机壳。该卫星天线单元404集成在无线电单元机壳403的主要部分中，由图4b中的无线电单元机壳403的阴影部分表示。
图5说明了根据图4a的天线单元402。该天线单元402包括能够通过使用公知技术电转动其无线电波束的天线阵列501。该天线阵列501包括在大量相邻和合作天线阵列表面502上的发射和接收装置，排列类似部分椭圆体共型集成到无线电单元机壳401椭圆体形状的上部分中。这要求天线阵列501面对给出天线单元广泛扫描体积的多个方向。天线阵列表面502的每个能够如同实例具有带高增益的第一扫描体积和一起产生带如同第一实施例的高增益比第一扫描体积更广泛的扫描体积。
安装得类似部分椭圆体的相邻天线阵列表面502能够以天线阵列501形成平滑弯曲表面或小平面表面方式安装。多于一个的这些天线阵列表面502的发射和接收装置同时合作以产生用于发射和接收无线信号的波束。
相邻天线阵列表面502可以例如是矩形，三角形，五角形或六角形。
该卫星天线单元402可以另一个方式安装在无线电单元机壳401上。这没有在任何图中表示。
根据图4b集成在无线电单元机壳403中的该卫星天线单元404是天线单元402的扩大形式。
该卫星天线单元404可以另一个方式安装在无线电单元机壳403上。这没有在任何图中表示。
天线阵列301和501的发射和接收装置包括大量天线单元，例如贴片或缝隙，以接收和发射圆极化无线电信号。
在天线阵列301和501中的贴片可以如同实例是矩形或圆形，而该缝隙可以如同实例是类似十字形。该贴片和缝隙可以如同实例安放在矩形，圆形，六角形或三角形格子中。在天线阵列301和501上的发射和接收贴片/缝隙的大小和数量因为接收和发射无线电信号的频率不同而不同。
图6a-10说明大量实例，其中用于发射和接收无线电信号的贴片和缝隙相互交错并安装在周期变化的多层结构中。该周期由接收和发射频率确定。
图6a分别表示天线阵列301、501如何以用于在第一和第二层中发射的601和接收的602圆形贴片安装的第一实例，见图7。用于接收的602贴片用虚线表示，它们与用于发射的601贴片在不同层中。
由于发射的无线电信号比接收的无线电信号的频率更高，用于发射的601贴片比用于接收的602贴片更小且数量更大。
如果所接收无线电信号频率高于所发射信号用于接收贴片602可以另一个方式用于发射和用于发射601的贴片可以用于接收。
根据沿图6a中所示A-A线的截面7，用于发射的601贴片安装在第一层而用于接收的贴片602安装在第二层。在第一和第二层之间是安装的第一电介质体702。包括导电材料的接地板701安装在第三层。在第二和第三层之间是安装的第二电介质体703。
用于发射贴片601的每个具有第一中心轴C1a穿过所述第一，第二和第三层垂直延伸。用于接收贴片602的每个具有第二中心轴C2a穿过所述第一，第二和第三层垂直延伸。
贴片601和602以周期性的图形安装在各自层中。图6b表示这种图形的第一实例，其中4个用于发射的贴片601a-d安装成正方形603，其中它们的每个中心轴C1a位于正方形603的角上。正方形603在图中由虚线表示。
贴片601a与贴片601d对角线安装。用于接收贴片602a以贴片602a的中心轴C2a与用于发射贴片601a中心轴C1a同轴的方式安装在第二层。用于接收贴片602b以贴片602b的中心轴C2a与用于发射贴片601d的中心轴C1a同轴的方式安装在第二层。用于接收贴片602a与用于发射贴片601a形成公共天线阵列节点604a，而用于接收的贴片602b与用于发射的贴片601d形成公共天线阵列节点604b。
如图6a所见该图形在整个阵列中重复。有意使在第一层用于发射601的每个其它贴片(第一数量的贴片)与在第二层用于接收的602一个贴片分别形成公共天线阵列节点604a，604b，如图7所见。
图8a表示天线阵列301，501的贴片如何分别以周期图形排列的第二实例。第一层具有6个用于发射贴片801a-f安装在统一六角形803中和一个用于发射的中心贴片801g安装在六角形803中间。
用于接收的贴片802a以贴片802a中心轴C2a与用于发射的中心贴片801g的中心轴C1a同轴的方式安装在第二层中。用于接收的贴片802a与用于发射中心贴片801a形成公共天线阵列804a。
该图形以三个相邻六角形用于发射贴片具有一个公共贴片的方式在整个阵列中重复，见图8b中的贴片801e。
图9a说明了带有用于接收和发射的十字形缝隙902、901的天线阵列301，501分别如何安装在第一和第二层的实例，见图7。用于发射的十字形缝隙901在图9a中以虚线说明它们与用于接收的缝隙902在不同层。
用于接收的十字形缝隙902的每个安装在导电材料的矩形体903中心。
用于发射的缝隙901小于和数量多于用于接收的缝隙902，由于发射无线电信号频率高于接收无线电信号频率。
用于接收缝隙902可以另一形式用于发射，而用于发射缝隙901可以用于接收，如果接收无线电信号频率高于发射无线电信号频率。
根据沿图9a所示线B-B的截面10，用于接收缝隙902安装在第一层而用于发射缝隙901安装在第二层上的导电体1001中。在第一和第二层之间安装了第一电介质体702。包括导电材料的接地板701安装在第三层。在第二和第三层之间安装了第二电介质体703。
用于发射缝隙901的每个具有第一中心轴C1b，该轴穿过所述第一，第二和第三层垂直伸展。用于接收缝隙902的每个具有第二中心轴C2b，该轴穿过所述第一，第二和第三层垂直伸展。
缝隙901和902以周期图形安装在各自层中。图9b表示这种图形的实例，其中4个用于发射的缝隙901a-d在第二层中排列成正方形904，其中它们的每个中心轴C1b位于正方形904角上。该正方形由图中虚线表示。
缝隙901a与缝隙901d对角安装。用于接收的缝隙902a以缝隙902a中心轴C2b与第二层中的缝隙901a中心轴C1b同轴的方式安装在第一层中。用于接收的缝隙902b以缝隙902b中心轴C2b与第二层中缝隙901d中心轴C1b同轴的方式安装在第一层中。用于接收的缝隙902a与用于发射的缝隙901a形成公共天线阵列节点905a，而用于接收的缝隙902b与用于发射的缝隙901d形成公共天线阵列节点905b。
该图形如图9a所见在整个阵列中重复。这有意使在第二层中的用于发射的缝隙901(第一数量缝隙)的每个其它缝隙与在第一层中的一个用于接收的缝隙902分别形成公共天线阵列节点905a，905b如图10所见。
在图6a-10中贴片和缝隙之间的尺寸和距离以公知方式由发射和接收频率确定。
天线阵列301和501也包括波束形成网络，没有在任何图中表示，以公知方式连接到每个单独天线单元，例如缝隙或贴片。
天线阵列301和501可以如同实例用于大约10GHz的频率。
权利要求
1.一种无线电单元机壳(201，203，401，403)，用于包括发射和接收来自/对无线电单元(202，204，402，404)的无线电信号的单一高增益天线单元(202，204，402，404)的便携无线电单元(100)，其中所述天线单元(202，204，402，404)缺少可移动部件，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)包括带有大量相邻天线阵列表面(302a-d，502)的一个天线阵列(301，501)，该天线阵列表面包括用于接收和发射无线电信号的接收和发射装置，其中所述天线阵列(301，501)的所述天线阵列表面(302a-d，502)以每个所述天线阵列表面(302a-d，502)不同于其它天线阵列表面(302a-d，502)的方向的方式排列，和其中所述天线阵列(301，501)的多于一个的所述天线阵列表面(302a-d，502)的所述接收和发射装置配合以产生在基本上等于扫描体积内的用于发射和接收的天线波束。
2.权利要求1中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)集成在所述无线电单元机壳(201，203，401，403)中。
3.权利要求1中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)安装在所述无线电单元机壳(201，203，401，403)上。
4.权利要求2或3中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)与无线电单元机壳(201，203，401，403)共型。
5.权利要求1-4之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)是用于卫星通信系统中卫星通信的一种天线单元，其中所述用于发射和接收的天线波束具有指向基本上相同方向的能力。
6.权利要求1-5之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)上的所述接收和发射装置安排发射和接收圆极化无线电信号。
7.权利要求1-6之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线单元(202，204，402，404)上的所述接收和发射装置具有至少上半球的扫描范围。
8.权利要求1-7之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线阵列(501)的所述天线阵列表面(502)形成椭圆体的一部分(图5)。
9.权利要求8中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线阵列表面(502)以天线阵列(501)形成平滑弯曲表面的方式安装。
10.权利要求8中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线阵列表面(502)以天线阵列(501)形成小平面表面的方式安装。
11.权利要求1-10之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线阵列(301，501)的所述接收和发射装置包括安装在多层结构中的用于发射贴片(601，601a-d，801a-g)，用于接收贴片(602，602a-b，802a)和接地板(701)(图7)。
12.权利要求11中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述用于接收贴片(602，602a-b，802a)和用于发射贴片(601，601a-d，801a-g)相互交错(图6b，8a)。
13.权利要求12中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述交错的用于接收贴片(602，602a-b，802a)和用于发射贴片(601，601a-d，801a-g)安装在周期变化的多层结构中(图7)，其中第一数量所述用于发射贴片(601b，601，801a-f)与所述用于接收贴片(602a，602b，802a)形成公共天线阵列节点(604a-b，804a)(图6a，图7)。
14.权利要求1-10之一中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述天线阵列(301，501)的所述接收和发射装置包括安装在多层结构中的用于接收缝隙(902，902a-b)和用于发射缝隙(901，901a-d)和接地板(701)。
15.权利要求14中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述用于接收缝隙(902，902a-b)和用于发射缝隙(901，901a-d)相互交错(图9b)。
16.权利要求15中所要求的一种无线电单元机壳，特征在于所述交错的用于接收和发射缝隙(902，902a-b，901，901a-d)安装在周期变化的多层结构中(图10)，其中第一数量所述用于发射缝隙(901b，901c)与所述用于接收缝隙(902a，902b)形成公共天线阵列节点(905a-b)。
全文摘要
本发明涉及一种用于便携无线电单元的一种无线电单元机壳,带有能够工作在卫星通信方式的集成天线阵列。该天线阵列包括大量安装的相邻配合的天线阵列表面并集成在无线电单元机壳(401)内。该天线阵列表面面对给出天线阵列广泛扫描体积的多个方向。天线阵列的这些表面包括大量交错的在多层结构中的发射和接收天线单元,例如圆形贴片。
文档编号H01Q5/00GK1273700SQ9880984
公开日2000年11月15日 申请日期1998年9月18日 优先权日1997年10月1日
发明者H·舍夫特, A·G·德尔尼赖德, J·S·雷尼夫乔德 申请人:艾利森电话股份有限公司