专利名称：用于移动通信站的天线系统,该通信站,和用于无线通信的一种方法
技术领域：
本发明涉及移动电信系统中的天线，和更具体地涉及可联接移动通信站的天线单元。
相关技术的描述在移动电信系统中，通信站移动的一个结果通常是难于建立和保持无线电接触。说明此事的一个典型情况是当已经通过例如无线电基站与网络建立联系的移动用户突然进入了路径损耗或多径衰落严重减弱所接收的无线电信号的位置。明显地，相应的效果也可以影响从进入这样位置的移动站信号的发射。
从移动站上保持或建立联系成问题的情况的另一个例子是在对卫星通信系统的直接移动站中。由于在移动站与卫星之间的大距离，需要无线电波能量方向性地集中，除非无线台电源供电足够大允许全向辐射方向图。可是，当前的移动站具有有限的电源容量，和因而方向性集中是必要的。可是，无线电波的方向性集中需要沿移动站与卫星之间视线上必须避免障碍物。
消解这一问题的一个方法是利用相对极接近移动站的中继器。可是，为不减少移动站的移动性，中继器也必须移动；移动其意义至少在于移动站用户应该能用最小的力量放置或替换中继器。对于极小的手持单元的当前需求不可避免地导致一个需要，即如果需要中继器，它必须容易从移动站连接和断开，并也非常小和重量轻。
例如，代表当前的现有技术，在日本专利申请JP4-127728(A)中公开了一个可断开的中继器天线系统。一个中继器天线能够从移动电话断开并安置在来自基站的无线电信号能够到达中继器的位置。
JP4-127728(A)中所代表的方案的缺点是根据中继器是否连接到移动电话上中继器单元和移动电话之间的通信通过物理上不同的信道进行。当连接时，通过电接触方式的连接装置进行通信。当断开时，通过展开的天线进行通信。该方案需要通过中继器到移动电话的两个不同信号路径和如此复杂。
德国专利申请DE4330436中公开了可连接天线的另一个例子。移动电话具有一个可连接和断开的主天线单元用于与移动网络通信。概括地讨论了用于在电话和主天线单元之间的本地通信的天线模块。
在上述DE4330436中没有公开如何在天线单元之间以功率高效方式获得通信，而不管天线模块是相互靠近或距离很远。
本发明概述通过考虑代表现有技术的方案的缺点可以理解本发明所解决的问题。在移动单元与天线之间的信号路径中需要设计一个可分离的天线单元，能够使无线电波能量集中，而不需要物理连接。
因此，本发明的一个目的是获得一个可分离中继器，它不管是联接到移动单元或是从其断开利用相同的装置与移动单元通信。
本发明的另一个目的是获得不需要接口能够在中继器单元与基站或卫星之间进行通信的可分离中继器来与移动站通信。
根据本发明的天线系统依靠带有能够电容性耦合到移动站或能够通过电磁远场与该站通信的可分离天线单元的移动通信站解决了这些问题。
更特别地，移动站上的天线系统包括一个含有至少一个网络天线的主天线单元，一个中继天线用于与移动站通信，和一个接口单元连接到网络天线和中继天线。该天线系统还包括一个在该移动通信站中的本地天线用于与主天线单元中的中继天线通信。该主单元可从通信站上连接或断开，而同时中继天线和本地天线缺少电接触。在连接状态，中继天线和本地天线依靠电容性连接相互电连接，和在断开状态，中继天线和本地天线通过电远场连接相互电连接。
本发明的一个优点是利用相同的中继和本地天线实现移动站与主天线单元之间的通信，不论这些单元是否相互机械连接。
另一个优点是利用相对辐射功率的相同效率实现移动站与主天线单元之间的通信，不论这些单元是否相互机械连接。
又一个优点是利用单元之间辐射方向的方向集中实现移动站与主天线单元之间的通信。
附图简述
图1表示根据本发明的天线系统的示意性方框图。
图2表示实现根据本发明的天线系统的一个电信系统。
图3A表示天线单元的第一示意图，包括贴片天线，连接到移动通信单元。
图3B表示天线单元的第二示意图，包括喇叭口天线，连接到移动通信单元。
图3C表示天线单元的示意图，从移动通信单元断开。
图4表示包括贴片的天线单元的示意性透视图，从移动通信站断开。
优选实施例的详细说明图1表示一个天线系统100，一个移动通信站150和一个该站用来通过天线系统100与之通信的电信网络170的示意性方框图。天线系统100在通信站150与一个主天线单元101之间实际上是分离的。
通信站150包括一个输入单元152和一个输出单元153，两者与一个控制单元154连接。一个本地天线105通过一个无线电单元151与控制单元154连接。本地天线包括一个发射本地天线子单元108A和一个接收本地天线子单元108B。在一个简单实施中，输入单元152和输出单元153分别为话筒和扬声器的形式。在此情况下控制单元154代表所有的需要该站150的用户可能需要通信的信号处理功能，本领域所公知。
主天线单元101包括一个包含一个发射网络天线子单元106A和一个接收网络天线子单元106B的网络天线单元102。该网络天线子单元106A，106B连接到一个接口单元104。一个包含一个发射中继天线子单元107B和一个接收中继天线子单元107A的中继天线单元103也连接到接口单元104。该网络天线102通过与网络170的无线电连接171来接收和发射无线电信号。该网络170按照任何已知的现有技术的配置可以包含通信单元，图1中未表示，在下面结合图2示意性地说明。接口单元104执行中继来自网络天线102和中继天线103的信号的功能。在网络无线电连接171包括一个第一无线电信号频率和本地连接181利用一个第二频率段的情况下，接口单元104在两个频率段之间转换。在频率段之间的转换是本领域公知的，因此不进行更详细的讨论。
主天线单元100中的中继天线103通过通信站150与主天线单元101之间的本地电磁连接181接收和发射信号。下面将结合图3A-C进一步讨论本地连接181。
注意，在此例中的中继天线103和本地天线105两者每个包括一个接收天线107A，108B和一个发射天线108A，107B。可是，依靠通信站150中的控制单元154和主天线单元101中的接口单元104的功能，有可能在本地天线105与中继天线103两者之间具有单一的双向天线单元。在本地105与中继103天线之间通信期间，本领域所知的时分多路复用能够用于在发射与接收之间进行切换。换句话说，本发明不限于用于移动通信的任何具体系统。它能够用于模拟频分多路复用系统(FDMA)，例如NMT和AMPS，或数字时分多路复用(TDMA)，例如GSM和D-AMPS和码分多路复用(CDMA)系统。
由于通信站150和主天线单元101两者包括发射机和其它信号处理装置，明显需要供电。然而，用于这些性能的供电电器设备的设计是本领域公知的，例如以电池的形式。因此应理解通信站150和主天线单元101两者包括供电单元，其具体实施例对说明本发明的目的并不重要。
图2说明了可能包括上面结合图1介绍的网络170的电信系统200的一些详细部件。移动通信网络201包括一个移动交换中心203，其上连接了陆地基站205和卫星基站204。陆地基站205利用移动交换中心203连接无线台206，和卫星基站204利用移动交换中心203连接卫星地面站207。第一移动用户单元211通过无线电连接252正在与系统200中的任何其它用户通信，通过无线台206和无线电基站205。同样地，第二移动用户单元209通过第一卫星无线电连接250，通过卫星208，通过第二卫星无线电连接251，通过卫星地面站207和卫星基站204与系统200中的任何其它用户通信。第二移动用户单元209如图1中所述通过天线单元210与卫星208通信。第一移动用户单元211可以是任何类型，如本领域所公知的。在网络201中通信方法的实施例的详细说明超出了本发明的范围。任何本领域公知的系统，模拟或数字，都可以利用。尽管没有为网络通信优选具体的无线电频率段，很明显卫星连接250和251所涉及的任何频率最好是无线电频谱中的微波部分。这是因为上述无线电能量需要方向性集中。
通信系统200也包括一个电话网络202，包括一个交换机212和两个固定用户单元213，214。表示出这些电话网络部件仅为说明利用本发明的系统200的一般特性。
当然，移动网络201可以包括任何数量的基站和移动用户单元。实际上，在已知现有技术的网络中上千基站服务于具有移动通信站的上百万移动用户是很普遍的。
图3A，3B和3C用移动通信站302，352与主天线单元301，351之间的电磁连接306，356说明了本发明，对应于图1中的本地连接181。通信站302，352象主天线单元301，351一样仅示意性地作了部分图示和它们都包括图1中所公开的装置。尽管通信站302，352与主天线单元301，351之间的通信意味着在主天线301，351与网络中其它单元之间有连接，由于已经是本领域所公知的，就没有进行说明。
图3A表示通信站302，其上的中继天线单元304，对应于图1中的108A，108B，是一整体部件。在此情况下，中继天线304是微带贴片。通过一个连接单元305，主天线单元301与通信站302机械地连接。主天线单元301包括一个本地天线单元303，对应于图1中的107A，107B，也是微带贴片形式。尽管通信站302和主天线单元301相互连接，在它们之间没有电流接触。在贴片天线303，304之间出现的是电磁场形式306的电连接。贴片303，304之间相互接近意味着贴片303，304是电容性耦合。
如同本领域所公知，贴片天线单元可以具有正方形，矩形或圆形并最好具有大约半波长的一个谐振尺寸。贴片303，304分别相互反向安放在主天线单元301和通信站302上，和它们之间分隔一个小于谐振尺寸的距离以便限制寄生辐射。任何寄生辐射都是不需要的泄漏，其可以通过引入四分之一波长扼流圈而进一步减少，如本领域所知。
图3B表示图3A相似的情况。在此电磁场356分别处于主天线单元351与通信站352上的两个喇叭天线353，354之间。如同现有技术所知的，喇叭象孔径一样耦合，反之贴片象电容一样耦合。
图3C表示主天线单元310与通信站302机械断开的情况。如同利用图1所讨论的例子，中继天线303是微带贴片的形式，本地天线304也一样是微带贴片的形式。连接单元305从主天线单元301断开，和如同前面的例子一样在单元301，302之间没有电流接触。在此情况下在两个单元301，302之间有利用电磁远场的电连接。在图3C中，远场表示为一个带有明显限定的方向性集中的波瓣360。在图中只表示了一个波瓣360。可是，这样仅仅是为了清楚起见。在单元301，302之间的远场连接可以用发自两个单元301，302的代表发射和接收的波瓣说明，如同本领域所知。也为本领域所知的是波瓣360的形状和方向，其由天线单元的详细实施例控制。
图4表示移动通信站400的一部分，例如一个移动电话，和一个可连接和可断开的主天线单元401的一部分。一个机械连接单元404允许两个单元机械地连接。在图中，也表示了中继天线(图1中的103)如何安放在主天线单元401的一端上。用于发射的矩形贴片402A，402B与用于接收的贴片403A，403B一起表示。可是，如同前面的例子中，并非必须具有用于发射和接收的分开的贴片。根据向贴片提供信号的信号处理装置的功能，每个贴片可以用于发射，也可以用于接收信号。通信站400也包括对应于本地天线单元105(图1)的贴片。可是，这些安装在法兰盘405后面，在图4中不可见。
权利要求
1.天线系统(100)用于移动电信网络(170)中的移动通信站(150)，所述天线系统(100)包括一个主单元(101)，该单元包括至少一个网络天线(102)，用于在网络(170)中通信，所述主单元(101)可机械地连接或断开移动通信站(150)，一个中继天线(103)，用于与移动通信站(150)通信，一个接口单元(104)，连接到网络天线(102)和中继天线(103)，一个本地天线(105)，用于与中继天线(103)通信，所述本地天线(105)被包含在移动通信站(150)中，所述天线系统(100)特征在于中线天线(103)和本地天线(105)设有电的接触，当相互机械地连接和断开时，中继天线(103)和本地天线(105)相互电磁耦合。
2.根据权利要求1的天线系统(100)，特征还在于，当主单元(101)与移动通信站(150)处于连接状态时，中继天线(103)与本地天线(105)通过电磁近场连接而相互电连接。
3.根据权利要求2的天线系统(100)，特征还在于，该电磁近场是电容性连接(306)。
4.根据权利要求2的天线系统(100)，特征还在于，该电磁近场是电感性连接。
5.根据权利要求1的天线系统(100)，特征还在于，当主单元(101)与移动通信站(150)处于断开状态时，中继天线(103)与本地天线(105)通过电磁远场连接而相互电连接。
6.根据权利要求5的天线系统(100)，特征还在于，远场方向集中(360)。
7.根据权利要求1到6的任一个天线系统(100)，特征还在于，中继天线(103)和本地天线(105)包括贴片天线(303，304)。
8.根据权利要求1到7的任一个天线系统(100)，特征还在于，中继天线(103)和本地天线(105)包括喇叭天线(353，354)。
9.根据权利要求1到8的任一个天线系统(100)，特征还在于，中继天线(103)和本地天线(105)包括孔径天线。
10.根据权利要求1到9的任一个天线系统(100)，能够在由网络确定的一个主无线电频率段上在移动通信网络(201)中通信，特征在于，在不同于主频率段的一个本地频率段上进行中继天线(103)与本地天线(105)之间的通信。
11.根据权利要求10的天线系统(100)，特征还在于，该本地通信无线电频率段具有对应于一个典型波长的一个典型频率，该波长与天线(103，105)的物理尺寸是相同数量级。
12.一个移动通信站(400)包括一个根据权利要求1到11的任意一个的天线系统(100)，所述通信站(400)能够在一个移动电信系统(201)中通信。
13.一个移动通信站(400)包括一个根据权利要求1到11的任意一个的天线系统(100)，所述通信站(400)能够在一个移动卫星电信系统(201)中通信。
14.一种通过一个移动通信站(150)上的一个天线系统(100)在一个移动电信网络(201)中的无线通信的方法，所述天线系统(100)包括一个主单元(101)包括至少一个网络天线(102)用于在网络(170)中通信，一个中继天线(103)用于与移动通信站(150)通信，一个接口单元(104)连接到网络天线(102)和中继天线(103)，一个本地天线(105)用于与中继天线(103)通信，所述本地天线(105)被包括在移动通信站中，特征在于该方法包括步骤将主单元(101)机械地连接到移动通信站(150)，在移动通信站(150)与网络(201)中的一个站(206，208)之间建立一个无线电连接，借此电容性耦合(306)将移动通信站(150)中的本地天线(105)与主单元(101)中的中继天线(103)电磁连接。
15.根据权利要求14的一种无线通信方法，特征在于步骤将主单元(101)从移动通信站(150)机械地断开，持续在移动通信站(150)与主单元(101)之间建立的无线电连接，由此移动通信站(150)被置于相对主单元(101)的一个电磁远场内，和主单元(101)被置于相对移动通信站(150)的一个电磁远场内。
16.根据权利要求15的一种无线通信方法，特征在于各自远场(360)方向集中在相对于移动通信站(150)和主单元(101)的有关位置中。
全文摘要
在移动通信站(150)上的一种天线系统(100),包括一个包含至少一个网络天线(102)的主单元(101),一个中继天线(103)用于与移动站(150)通信,和一个接口单元(104)连接到网络天线(102)和中继天线(103)。该天线系统(100)也包括移动通信站(150)中的一个本地天线(105)用于与主单元(101)中的中继天线(103)通信。该主单元(101)与移动通信站(150)可连接或断开,而同时中继天线(103)与本地天线(105)缺少电流接触。在连接状态,中继天线(103)与本地天线(105)通过一个电容性连接而相互电连接,和在断开状态,中继天线(103)与本地天线(105)通过一个电运场连接而相互电连接。
文档编号H04B7/185GK1256034SQ9880509
公开日2000年6月7日 申请日期1998年4月28日 优先权日1997年5月16日
发明者H·舍夫特, A·德尼赖德, S·雷尼夫乔德 申请人:艾利森电话股份有限公司