CN101488605A - 用于无线数字设备的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无线数字设备的天线系统。该天线系统包括容纳在无线数字设备内的N个天线(N：整数)的阵列，N个天线中的每个天线在空间上覆盖方位角近似等于2*π/N孤度的角度扇区。该天线系统包括安装构件，用于在无线数字设备中排列天线以提供伪全向的电磁空间覆盖，使得除了使用无线数字设备的使用者的方向之外，朝向无线数字设备外部的整体方位角覆盖范围基本上是球状的，并且组合天线辐射图形在使用者的方向呈现强的零点。

Description

用于无线数字设备的天线系统

技术领域

本发明涉及天线技术，更具体地说，涉及用于无线数字设备的天线系统。

背景技术

在媒体和科学文献中已经报道，主动地(intentionally)发出电磁能的电子系统可以潜在地对其使用者具有某些生物学影响。在美国，联邦通信委员会(FCC)通过其工程技术(OET)局调节暴露在无线电频率电磁波中的职业和常规人口的容许水平。OET公告56对这个问题及发展方针作了介绍，OET公告65为依从FCC的方针提供了评估方法。电子主动辐射装备的暴露水平被确定为称为特定吸收率(SAR)的经验测量值。在世界范围内其它的调整者已经开发类似的原则。

虽然当前不认为这样的影响会对人体健康产生任何长期的损害，但是应该使使用者对这种主动辐射电子装备放心，知道沿着使用者方向的辐射(SAR)水平已经被减到最小。这对于蜂窝电话、无线个人数字助理(PDA)、组合数字/通信设备、便携式强固型(rugged)或者半强固型(semi-rugged)数据采集终端、手持双向无线电设备，以及在非常靠近人体时主动地发出辐射的其它无线的身穿或手持的通信装置的使用者来说是特别有价值的。

同时，在这些数字设备的开发领域中进行实践的人将理解，这些设备内的各种电子系统会非故意地发出不想要的电磁信号。这些信号会或多或少地干扰到所产生的该设备的无线通信部件打算接收的想要的信号。因此，对于这些装置的开发者来说有益的是，可以使用允许拒绝不需要的电磁信号的技术进步，同时允许自由地捕获和发射想要的无线通信信号。

同时，对于数字通信设备来说所希望的是能够在任何方位角方向建立到网络接入点、基站或者通信基础结构的其它元件的通信链路。作为非常理想的特征，全向覆盖可能被肤浅地认为与上述在该设备的使用者的单方向上降低辐射的目标是不能相容的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种消除或者减轻现有系统的至少一个缺点的方法和系统。

按照本发明的一个方面，提供了一种天线系统，其包括N个天线(N：整数)的阵列。N个天线中的每个天线在近似等于2*π/N孤度的方位角上覆盖一个角度扇区空间。该天线系统包括安装构件，用于在无线数字设备中安装N个天线的阵列，以提供伪全向电磁空间覆盖，从而使除了使用无线数字设备的使用者的方向之外，朝向无线数字设备的外部的全部方位角覆盖基本上是球状的，并且组合天线辐射图形在使用者的方向呈现强的零点(null)。

附图说明

通过阅读参考附图的以下描述，将会清楚本发明的这些和其它的特征，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的具有天线系统的手持无线数字设备一个例子的透视图；

图2是图1的无线设备的顶视图；

图3示出了用于图1的设备的天线的一个例子的剖面图；

图4是图3的天线的顶视图；

图5是图3的天线的底视图；

图6示出了图1中的天线的二维辐射图形的一个例子的示意图；

图7示出了图1中的天线的三维辐射图形的一个例子的示意图；

图8示出了图1中天线的组合辐射图形的一个例子的示意图；

图9是图1的设备中的内部天线的电压驻波比(VSWR)曲线图；

图10示出了图1的设备中的天线和接收装置组合的示意图；

图11示出了图1的设备中的天线和发送装置组合的示意图；

图12示出了根据本发明的另一实施例的具有天线系统的手持无线设备数字设备的一个例子的透视图；

图13是图12的无线设备的顶视图；

图14示出了图12中的天线的组合辐射图形的一个例子的示意图；和

图15示出了从图1的手持无线数字设备的一个例子中测量的辐射图形的一个例子。

具体实施方式

利用手持或者便携式无线数字设备来描述本发明的实施例。按照本发明的实施例的天线系统在除了由手持或者便携式无线数字设备的使用者所占据的方向之外的基本上所有方位角方向上，提供用于想要的电磁波通信的伪全向空间覆盖天线图形，同时在空间域和频率域中都拒绝来自数字设备的内部电子配件发出的不想要的电磁信号。

按照本发明实施例的天线系统被实施在例如但不限于蜂窝电话、PDA、组合数字/通信设备、便携式强固型或者半强固型数据采集终端、手持双向无线电设备，和在非常靠近人体时主动地发出辐射的其它无线的身穿或者手持的通信设备上。在本说明书中，术语“手持”和“便携式”可互换地使用。在本说明书中，术语“壳体”、“机壳”和“封装”可互换地使用。

图1示出了根据本发明一个实施例的具有天线系统的手持无线数字设备的一个例子的透视图。图2是图1的手持无线数字设备的顶视图。图1-2的手持无线数字设备10包括多个内部天线(N：天线的数目)。在图1-2中，作为多个天线(N＝2)的例子，示出了两个天线12a和12b。天线12a和12b例如是完全平面隙缝天线。如下所述，每个天线12a、12b呈现趋向于定向的辐射图形。

当使用手持无线数字设备10的时候，使用者面对手持无线数字设备10的正面侧。在以下的描述中，“(手持无线数字设备的)正面侧”或者“(手持无线数字设备的)正面”表示无线设备的一个侧面，即，当使用者使用手持无线数字设备的时候朝向使用者的侧面，并且“背面侧”表示与正面侧相反的侧面。例如，显示器被设置在正面侧中。如下所述，除了由于使用者的出现而阻挡或者占用的扇区之外，具有用于手持无线数字设备10的天线12a和12b的天线系统基本上在所有方位角方向上呈现高的接收效率。

该手持无线数字设备10包括位于手持无线数字设备10内的一个或多个电子配件16。电子配件16包括一个或多个电磁反射组件18。电磁反射组件18是，例如主电子组件、机械框架组件、显示器组件或者其组合，但不限于此。对于电磁反射的组件的最低要求是该组件高度导电，例如，基本上由铜、锡、镁或者任何其他类似地导电的金属组成；并且该组件的外形尺寸为大于产生从该设备主动发射出的通信信号的天线中的任意天线的最低通频带工作频率上的波长的十分之一。

天线12a和12b位于手持无线数字设备10的壳体14内。该天线12a和12b被安排成封闭在设备壳体14内，并且在设备侧壁后面处于相对的位置上。在图1-2中，天线12a和12b位于设备10的左侧和右侧，在电子配件16和外壁之间。

该手持无线数字设备10可以是强固型或者半强固型设备，其可以满足恶劣环境/严酷的使用用途的需要。该设备10的侧壁、框架、机盖或者壳体可以形成为插入或者包裹组件16和天线12a和12b。该系统10可以包括用于在某个位置固定设备10的至少一个部件(例如，组件16、天线12a、12b)的一个或多个部分。在另一个例子中，设备10的侧壁、框架、机盖或者壳体的至少一部分可以与至少一个部件一体形成，例如，组件16、天线12a、12b。例如，形成设备10的任何一个部件的印刷电路板可以与设备10的侧壁、框架、机盖或者壳体的至少一部分一体形成。手持无线数字设备10可以具有封条，其防止进入不合需要的物质，例如，水和灰尘。手持无线数字设备10可以具有位于该设备10内的框架，并且防止不合需要的物质进入各个电子零件。

在一个例子中，手持无线数字设备10具有安装构件，用于将天线12a和12b安装进该设备10中，使得天线12和12b的组合天线图形在朝向手持无线数字设备10的正面方向上呈现强的零点。在另一个例子中，提供安装构件，用于固定天线12a和12b相对于一个或多个组件18的位置，这样，由于一个或多个组件18的存在而修改了组合天线图形。

在一个例子中，用于天线12a和12b的安装构件可以形成在壳体14的内部或表面上。在另一个例子中，用于天线12a和12b的安装构件可以与壳体14一体形成、铸模或者固定在壳体14上。

美国专利号No.7,050,009提供了一组天线设计的一种例子，其满足理想的整体空间辐射图形结构的需求。图3示出了应用于图1的设备10的天线的一个例子的剖面图。图4是图3的天线的顶视图。图5是图3的天线的底视图。在美国专利号No.7,050,009中公开了图3-5中示出的天线细节。在美国专利号No.7,050,009中公开的天线结构通过引用结合在本文中。

参考图3-5，天线100包括具有两个反向的导电平面120和130的基片110。平面120可以称为源平面120，而底平面130可以称为接地平面130。狭槽(例如，121、132)被分别地形成在平面120和130中。

基片110例如可以是印刷电路板(PCB)的基片部分。利用导电材料层，例如铜，经过层压、辗压覆层或者任何其它这样的处理来覆盖基片110来生成导电平面120、130。源平面导体120与接地平面导体130电隔离。通过蚀刻或者以其他方式从导电平面120、130上分别除去导电材料，生成源狭槽(例如，121)和接地狭槽(例如，132)。

在源平面120和接地平面130上的狭槽的相对位置和大小可以被调整，以便在正向(例如，图2-3的X方向)增强辐射强度，并且在反向(例如，与图2-3的X相反的一侧)降低辐射强度。这可以通过考虑来自每个平面的辐射分量的相对相位来实现。类似地，各平面之间的间距可以被调整，以优化来自每个平面的辐射的相互影响，以获得期望的辐射图形。

每个狭槽可以从上述基片的外部边缘伸出。至少一个狭槽可以是L形状。每个狭槽可以具有在天线的纵向轴上延伸的轴向支线和从外部边缘伸出的与轴向支线交叉的横向支线。轴向支线可以排列在平面120和130中的每个平面上。横向支线可以排列在上述平面中的每个平面上。狭槽之中的一个可以形成为H形，具有延伸到外部边缘的中间支线。在源平面中的狭槽的长度可以是在接地平面130中的狭槽的1.46和1.36倍之间。源平面120中的狭槽长度可以是接地平面130中的狭槽长度的1.60和1.51倍之间。在源平面120中的狭槽的长度可以是在接地平面130中的狭槽长度的3.0和3.04倍之间。

如图4-5所示，每个狭槽121和132可以具有平行于天线的纵向轴延伸的一个或多个轴向支线(例如，123，133)，和垂直或者横穿该轴延伸的一个或多个横向支线(例如，122a，122b，125，135)。各个支线被并置在每个平面上，使得各支线彼此对齐。在图4-5中，源平面120的狭槽121具有H图案，该H图案具有连接一对横向支线122a和122b的单个轴向条123。该轴向条123连接到从轴向条123伸出到边缘的中间支线125。支线125与狭槽121的横向支线122a和122b平行排列。接地平面130的狭槽132具有L图案，该L图案的轴向条133终止于横向支线135。支线135延伸到边缘。接地平面130的支线133与源平面120的轴向条123对齐。信号馈电线(未示出)在孔127处连接到源平面120，并且接地平面130或者通过电缆屏蔽接地，或者经过设备的主体(例如，图1的10)上的机械连接器接地。狭槽互相对应地调整大小和位置以抑制从接地平面130发出的辐射的强度。

在配置的一个例子中，条123的轴向长度是1400米尔(mill)，并且每条横向支线是415米尔。该中间支线125是370米尔，并且与支线122a和122b中之一的偏移是600米尔。狭槽132的条和/或支线是0.370米尔。狭槽的宽度是0.020米尔。天线的总尺寸例如是大约1960×688米尔。

可选择地，基片110可以是其它非导电材料，诸如硅片或者刚性或者柔性的塑料材料。基片110也可以被形成为非平面形状，例如，弯曲的，从而适应于例如设备壳体内的特定空间。某些所希望的特性，诸如提高效率，可以通过使用在期望的频率或者工作频率范围上具有特定的性质(诸如特定的电容率或者介电常数)的材料来制造基片110来获得。例如，在较高的频率上，诸如5GHz的频率上，希望有较高的介电常数。优选地，用于基片110的材料具有均衡的厚度和性质。

在美国专利号No.7,050,009中公开的天线拥有高的正反向比(front-to-back ratio)，定义为在正向(期望的波束)辐射的电磁功率除以在反向(不希望有的反向波束)非故意地辐射的电磁功率得到的比值。它们是平坦的平面天线，可以像在图1-2中那样适当地布置在主机通信设备内。相对于工作频率上的波长，它们拥有期望的质量的高辐射效率和较小的尺寸。它们拥有呈现强横向辐射零点和近似半球形的期望的波束宽度的辐射图形。这个波束宽度可以通过设计来进行调整，以覆盖方位角等于2π/N孤度的所需角度的扇区。

图6是当使用图3-5的天线设计的时候，用于每个天线12a、12b的二维辐射图形的一个例子的剖视图。图7是当使用图3-5的天线设计的时候，用于每个天线12a、12b的三维辐射图形的一个例子的剖视图。每个天线在空间上覆盖方位角近似等于2π/N孤度的角度扇区。朝向设备10外部的总方位角覆盖范围基本上是球状的。

组合天线辐射图形在设备的使用者(正面)的方向呈现强的零点，如图8所示。特别地，单个天线的横向辐射零点被组合地使用，以在希望的方向上提供经过设计的零点。在图1的手持无线数字设备10的前面(即，朝向手持无线数字设备10使用者的方向)的组合的天线辐射及使用者对辐射的吸收(SAR)被减到最小。图15示出了从手持无线数字设备10(在图15中的10′)的例子中测量的辐射图形的一个例子。如图8和15所示，来自手持无线数字设备的辐射图形是定向的，使得朝向手持无线数字设备使用者的辐射图形是零点(例如，比峰值低19dB)。朝向使用者辐射的能量例如是小于1％。

可选地，该组合天线辐射图形可以通过提供电磁反射组件18而修改。特别地，电磁反射组件反射来自天线的反向(例如，图3的接地平面130)的辐射的任何部分，例如，图2的13a和13b，并且将其导向通信设备的外部以及远离使用者的方向。使用者因此被进一步屏蔽，避免所泄漏的辐射。

图1的天线12a和12b的辐射图形在正向呈现正的增益，正向被定义为天线的主动发射平面120产生强的半球形状或者扇形的波束所朝向的方向。它们在反向呈现负的增益(损失)，反向被定义为与正向相反的方向。当正向波束被引导到通信设备的外面并且反向波束被导向其内部构件时，来自数字设备10内部的不合需要的电磁信号被有效地拒绝，同时来自数字设备10外面的期望的信号被增强。

天线12a和12b拥有基于频率的特性，使得它们拒绝其频率没有落在天线的期望通频带内的电磁信号。对天线进行电子地和物理地设计，使得其通频带基本上局限于通信的期望频率范围内，这允许小的额外百分比带宽，从而允许出现预期的制造变化，同时无损于天线的期望操作。在基本上出现在通信设备内的所有其他的频率上，天线是故意低效的，有效地使不希望有的频率和信号不能通过。

图9是图1的设备10中的内部天线的电压驻波比(VSWR)曲线图。如所属技术领域的专业人员所公知的，VSWR被用作性能参数来量化天线的输入端上所反映的功率百分比。当估算VSWR时，与更高的值相比，更希望得到接近1.00:1的值。在图9中，图3-5的天线100用于图1的设备10中。如图9所示，内部天线显示了期望的频率范围2.4GHz至2.5GHz内的非常良好的VSWR测量结果。通常，对于内部天线的要求是VSWR值低于3。该天线读取低于1.5的VSWR值(与室外天线等效)，但是具有较低的外形，适合于安装在便携式终端内部。

图1的手持无线数字设备10可以是通信设备，具有经至少一个天线12a和12b接收无线信号的功能。例如，天线12a和12b接收无线电信号。如图10所示，天线12a和12b被直接耦合到手持无线数字设备10中的无线电接收装置20，其被提供以用于从天线12a和12b接收信号，并且可以与处理该接收信号的处理器通信。接收装置20可选地可以从天线12a和12b中的任何一个选择最强的信号。接收装置20与电子配件16通信。

图1的手持无线数字设备10可以是具有发射无线电信号功能的通信设备。例如，天线12a和12b的至少一个发射无线电信号。在一个例子中，如图11所示，天线12a被耦合到手持无线数字设备10中的无线电发射装置22，其被提供以用于经由天线12a和12b发射信号。

图1的天线12a和12b可以是多频带天线，能够在多个通频带中收发电磁信号，同时拒绝其频率没有落在天线的期望通频带内的电磁信号。

在图1-2中，示出了两个天线。但是，天线的数目“N”不局限于两个，而是可以变化，并且可以是N>2。本领域普通技术人员应该理解，在图1中示出的天线和设备的配置是一个例子，并且不局限于图1的配置。在无线设备10中的天线可以是L形的平面天线，或者是在美国专利号No.7,050,009中公开的任何一种实施方式，或者是满足上述方向性、零点、有效、小尺寸和可调整波束宽度的原则的任何其它的天线设计。

图12示出了按照本发明另一个实施例的具有天线系统的手持无线数字设备的一个例子的透视图。图13是图12的手持无线数字设备的顶视图。

图12-13的手持无线数字设备50类似于图1的设备10。该手持无线设备50包括三个内部天线52a、52b和52c。天线52a和52b与图1的天线12a和12b是类似的或者相同的。三个平面天线52a、52b和52c被排列成，使得两个天线基本上位于类似于图1的天线12a和12b的位置，同时天线52c被设置在手持无线数字设备50的壳体54的后部。天线52a和52b朝向手持无线设备的正面方向被旋转微小的角度，使得其辐射图形覆盖向侧面外部延伸且部分朝向该单元的正面延伸的方位角扇区；天线52c覆盖该单元正后方的方位角扇区。图14示出了天线52a-52c的组合辐射图形的一个例子。

该天线52a-53c可以是多频带天线，能够在多个通频带中收发电磁信号，同时拒绝其频率没有落在天线的期望通频带内的电磁信号。

以上任何一个优选实施例都可以用于在严酷的使用环境中使用的无线数字设备，包括设计为多次掉到坚硬表面的那些设备。例如，当故意地或者偶然地掉落的时候，具有(一个或多个)外部天线的无线数字设备可能遭受(一个或多个)外部天线的损坏，通常这是这种设备的一个弱点。这可能总是导致无线通信链路的恶化或者永久性中断。系统10和50给使用者提供许多的优点，使天线被安装在数字设备内部，并且由于外部设备壳体的严格处理，减轻了无线通信链路的恶化或者中断。

已经通过举例的方式描述了一个或多个当前的优选实施例。对于那些本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，可以进行多种修改和变化。

Claims (12)

1.一种天线系统，包括：

N个天线的阵列，每个天线在空间上覆盖方位角等于2*π/N孤度的角度扇区，其中N是整数；和

安装构件，用于在无线数字设备中排列所述N个天线的阵列，以提供伪全向电磁空间覆盖，使得除了使用所述无线数字设备的使用者的方向之外，朝向所述无线数字设备外部的整体方位角覆盖基本上是球状的，并且组合天线辐射图形在使用者的方向呈现强的零点。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述安装构件将所述天线安装在所述无线数字设备中，使得到达使用者的组合电磁辐射及使用者对其的吸收SAR被减到最小。

3.根据权利要求2所述的天线系统，其中所述天线包括：

具有源狭槽的源平面；和

具有接地狭槽的接地平面，

所述天线被放置在所述无线数字设备中，使得当使用所述无线数字设备时所述接地平面面对使用者。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述无线数字设备包括一个或多个电磁反射组件，并且其中所述安装构件固定所述天线在无线数字设备中相对于一个或多个电磁反射组件的位置，使得通过提供所述一个或多个电磁反射组件来修改组合天线辐射图形，并使组合天线辐射图形在所述无线数字设备的使用者的方向呈现强的零点。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述天线的辐射图形在第一方向呈现正增益，并且在与所述第一方向相反的第二方向呈现负增益，使得来自所述无线数字设备内部的不合需要的电磁信号被拒绝，同时来自所述无线数字设备外部的期望的信号被增强。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述天线拥有基于频率的特性，使得所述天线拒绝其频率没有落在天线的期望通频带内的电磁信号。

7.根据权利要求6所述的天线系统，其中所述天线是多频带天线，能够在多个通频带中收发电磁信号，同时拒绝其频率没有落在天线的期望通频带内的电磁信号。

8.根据权利要求1所述的天线系统，其中，除了由于出现使用所述无线数字设备的使用者而阻挡或者占用的扇区之外，所述天线系统在基本上所有方位角方向上呈现高的接收效率。

9.根据权利要求4所述的天线系统，其中所述一个或多个电磁反射组件包括主电子组件、机械框架组件、显示器组件或者其组合。

10.根据权利要求9所述的天线系统，其中所述N个天线中的两个或多个天线被直接耦合到所述无线数字设备内的无线电接收装置，所述无线电接收装置具有从所述天线中的任何一个天线中选择最强的接收信号的功能。

11.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述天线中的至少一个用于将数字数据发射到无线通信网络基础结构。

12.根据权利要求11所述的天线系统，其中所述无线数字设备是强固型或者半强固型设备。

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