無線設備的干涉天線陣的制作方法

專利名稱：無線設備的干涉天線陣的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及到控制無線通信設備的電磁波傳播以減少對可能接近于輻射天線的用戶的頭部或身體或者敏感電子設備的不需要的能量的量的裝置和方法。尤其是，本發明使用兩個或多個天線的干涉陣列，使得在接近于干涉陣列的選定區域消除任何不需要的輻射，這另外導致遠場空白。
背景技術：
便攜式無線通信設備已經受到涉及其對于與這樣的裝置傳送信號有關的潛在危險的安全性的詳細審查。當無線通信設備例如蜂窩電話的用戶在這種設備上通話時，用戶將電話拿到他的頭部使得耳機與他的耳朵接觸。通常從電話的上面伸出并傳送電磁輻射的天線處于非常接近的位置。典型地，蜂窩電話和其它無線通信技術(PCS、C3或藍牙)的天線在UHF和/或微波頻率區域發射輻射。
這種電磁輻射對用戶身體組織的影響正在研究之中。調查正在試圖確認是否在這種輻射和疾病，例如癌癥、信腦血管疾病、和高血壓之間存在關聯(參見，Cellular PhonesWhy the Health Risk Can’t be Dismissed，Microwave News，Jan/Feb 1993；Digital Mobile Phone Radiation CausesRise in Blood Pressure，Microwave News，Jul/Jul/Aug 1998；Questionsand Answers About Electric and Magnetic Fields Associated with theUse of Electric Power，National Institute of Environmental HealthSciences U.S.Department of Energy，November 1994.)隨著公眾對潛在的健康危險的認識的增長，減少直接指向用戶的和被用戶吸收的輻射量的要求也在增長。另外，也已經發現不需要的電磁輻射也干擾位于附近的一些敏感的電子設備。圖3表示蜂窩電話1的典型配置，其中，伸縮式或固定的天線部件5被布置成從電話的上面伸出。該圖也顯示出代表從這樣的天線發射的電磁輻射的線條3。因為用作天線部件的平衡的印刷電路板(PWB)(與電話的電路一起)的平面的形狀和尺寸引起在天線部件中和地面中的不均衡的電流分布，所以這種類型的天線經常產生不對稱的輻射圖。
通常，在商業和軍事應用中，電磁波傳播已經被控制以作為減少在某些位置的信號干擾、定位目標、或者在所需區域提高增益和定向性的手段。過去的減少輻射的方法采取了幾種技術形式，包括使用由特殊材料制成的屏蔽、或者其它裝置例如在對稱或不對稱偶極天線配置中使用多波束輻射或寄生部件。典型地，輻射部件之間的尺寸和距離，連同其它變量一起，提供一種產生所需要的波形的裝置。這些方法與接近用戶的天線陣和頭部的電磁波傳播無關，而且對此產生不一致的結果。
眾所周知，通過提供屏蔽，一些不需要的電磁輻射可以被抑制。這種方法已經在Luxon等人的美國專利5,66,125和Humbert等人的美國專利5,124,889中實現。
其它人則試圖通過應用對稱或不對稱的天線配置(Uda-Yagi方法)控制電磁波的傳播。Wallace等人的美國專利6,147,653描述了一種用于移動電話的平衡偶極天線，包括輻射體部件和與移動電話的PWB電分離的配衡體。由于這些發明人的目的是控制遠場的方向性而不是減少接近天線陣的電磁能量，天線部件幾何上按照產生在方位上均勻的增益的方式被安置。Johnson等人的美國專利6,239,765描述使用一種不對稱偶極天線組件，用于在預定的波長操作并具有收發器電路、使用以具有第一端部、四分之一波長的電長度和第二個半偶極的線路，采用普通的印刷電路板制造技術在絕緣體上鍍敷的導體線路部件的通信設備。然而，一些通信工程師對在工業中使用定向配置表示懷疑。參見“Handset Natennas and Human”，IEEEProceedings，January 1995。
控制電磁波傳播的第三種途徑使用一個陣列，其中生成的信號被改變相位(向里或向外)，或者信號被橫向極化(cross-polarized)。例如，Takatori等人的美國專利6,292,135描述一種適應性陣列天線，這種天線設計成在不良的多路環境中識別和增強或減弱所需的信號強度。并且，Chen的美國專利6,275,199描述一種零信號(nulling)定向輻射陣列和多個對稱地安置在主陣列周圍的輔助陣列。這種系統包括一個零信號處理器(nulling processor)、一個適應性的加權網絡和在零信號處理器里的權重生成器，并且，與再次源于遠非被動接收天線陣系統的阻塞干擾信號軍事應用有關，而不是減少從無線設備發射的輻射。
于是，需要一種用于無線通信設備的天線陣，其中，天線陣以一種減少或消除接近于天線陣的不需要的電磁輻射的方式被配置和激發。

發明內容
本發明提供一種干涉天線陣，作為簡單、獨特、自然和完全的裝置，用于控制在所需位置例如用戶的頭部或身體周圍的能量，或者作為防止不需要的能量負面影響在輻射部件附近的敏感設備運行的裝置。例如，助聽設備(助聽器)對通常從無線通信設備發射的能量是敏感的，而本發明對此提供了解決辦法。
本發明的另一個應用環境是生物電磁學領域。可植入的傳送器可以被用于收集、接收來自用戶的數據和傳送數據到用戶。這樣的傳送可以完全是自動的，或者需要用戶的有意識的合作。本發明提供一種高度定向天線，它可以被用在可植入到主體身體的可植入的無線傳送器中，能夠傳送到所需要的目標，而減少在不需要的方向上的電磁傳送(例如，進一步進入到人體)。
在一個實施例中，本發明提供兩個輻射天線部件，連接到在無線通信設備的公用信號源和輻射天線部件之間的信號平衡和相位變換裝置。從輻射部件發射的信號實質上幅度相等但相位超出360°/N，這里N代表天線的數目(即，在本實施例中是2)。天線部件被并排安置，并且發射產生對稱波形的輻射，對稱波形包括沿著和接近在天線部件之間的對稱軸的零信號區域(null)。天線部件被定位以使得當使用通信設備時，通信設備的用戶將位于沿著或接近這一對稱的軸定位。
在另一個實施例中，本發明提供無線通信設備的干涉天線陣，配置有三個或多個輻射部件，輻射部件按照這樣的模式發射電磁波產生一個靠近需要保護的天線陣和無線通信設備用戶的頭部和身體或敏感電子設備的零信號空間。


圖1是按照本發明的天線陣的一個實施例的框圖。
圖2說明配備有兩個輻射部件的蜂窩電話。
圖3說明使用生成全方向的電磁波形的單個輻射部件的現有技術的無線通信設備的用戶。
圖4說明應用按照本發明配置的兩個部件天線陣的無線通信設備產生的波形。
圖5是說明用于在輻射的能量波之間產生180度相位差的另一裝置的框圖。
圖6是說明配備有三個輻射部件的蜂窩電話。
圖7說明應用按照本發明配置的三部件天線陣的無線通信設備生成的波形。
具體實施例方式
現在，參考附圖，其中，相似的附圖標記描述相似的部件，本發明的實施例在圖1-7中說明。雖然，某些優選的實施例在蜂窩電話的上下文中被描述，但是，本領域技術人員很容易理解，按照本發明的減少或消除不需要的輻射的干涉天線陣的使用可被應用于在多頻率范圍中運行，例如蜂窩電話(824-890MHz和860-980MHz)、PCS設備(1710-1880MHz、1750-1870MHz和1850-1990MHz)、無繩電話(902-928MHz)、軍事和Satcon通信(225-400MHz)，或者BLUETOOTHTM設備(2.4-2.5GHz)，并且遵守如802.11，CDMA和CDPD協議的無線通信設備。
在圖1中所示的一個實施例中，本發明提供一種適合于在無線通信設備4中使用的雙部件天線陣2。陣列2被設計成發射對稱的RF能量的電磁模式，并且在由無線通信設備4的用戶的頭部和身體占據的空間中設置一個零信號空間，這將最有可能也是與誘導的電磁干涉最有關系的空間存在的區域。兩個輻射偶極部件6、8適用于無線設備4并且被并排安置和按照合理選擇的小于被發射的輻射的波長的一半的距離D10相互分開。優選地，在輻射部件之間的距離D10將是波長的三分之一或更短。供給兩個輻射部件6、8的是相反極性(即，具有180°的相位差)的兩個信號S412和S514，從而產生不需要能量的輻射RF能量的這一空白。
在確定距離沿著輻射部件的點的向量16中，在輻射部件6、8之間的角設置和距離D10是重要的參數，在此，從輻射部件輻射的電磁波結合以形成干涉圖和在所需的區域中互相抵消。距離D10將首先被輻射部件6、8所在的無線設備4的寬度(在圖2中所示的蜂窩電話的情況中近似于3英寸)限制。輻射部件可以被固定或者為伸縮式，但按照這樣的方法配置在部件之間的距離D 10保持不變，并且，無線設備4的用戶16是在對稱軸18上或附近，如在圖4中所示。沿著這一軸線，來自每一個輻射部件的電磁波行進大致相同的距離并結合以互相抵消彼此的能量。在接近對稱的軸的區域，能量被減少到安全、健康或防止電磁干擾所需要的量。這種陣列部件的配置和激發，在特定對稱方向提高增益和信號強度的天線陣有較大的距離時，可能會有偶然的影響。但是，應該注意到如果被接收的信號強度不足，那么，無線通信設備的用戶通常使自己和無線通信設備一起重新定向，以使得信號接收最大化。
在一些實施例中，輻射部件6、8具有對稱的幾何形狀，并且，在優選的實施例中包括任何長度的普通的偶極天線，但具有實際上是無線通信設備傳送的信號的波長的1/2的全有效長度。本領域熟練技術人員應明白其它的天線部件長度也可以被使用，例如，被傳送的信號的波長的1/4。每一個部件被制成所需的形式(模壓金屬、印刷電路板、柔性電路、導線或形成電路的其它裝置)。部件6、8可以按照需要和/或合理的被固定地嵌入在無線設備4里面或者放置在無線設備4周圍，每種配置都提供上述的優點。部件可以被放置在一個按照人類工程學、安全和經濟使用原則設計的，并且由ABS或其它可模制的或可沖壓的材料構成的外殼18中。
圖1是采用本發明的原理的天線陣系統的兩部件實施例的框圖。如圖所示，兩個輻射部件6、8被連接到負責從無線設備4生成的信號S122產生相等電流產生的波和反波信號電路20。電路20和輻射部件6、8本身可以被全體印刷在PWB上。在優選的實施例中，輻射部件與PWB的接地層電分離，然而，使用PWB接地層是允許的。電路陰抗是50歐姆以匹配無線通信裝置。在示出的電路中，由電路和傳送路徑產生的相位變換導致輻射部件被具有相等振幅而彼此具有180度相位差的信號S412和S514激發。這里，從部件發射的能量波重疊，形成的波形生成一個零信號區域、一個與無線設備通信時的用戶的位置一致的部分。該配置導致在縱向軸線上具有提供額外的增益的前和后波瓣的“8字形”圖案24，如在圖4中所示。當在嚴格的對稱要求下制造時，線路圖和電路導致自平衡和自抵消的干涉性能。系統另外產生遠離輻射天線部件的波形零信號區域。兩個輻射部件相對于電路的布置沒有嚴格地規定，只要輻射部件被安置以在用戶所在的橫向軸線18中產生零信號并且，在部件之間保持合適的相對的相位關系。可以任意地采用一個平衡不平衡轉換器以適應引起不平衡系統的設計。
為了在圖1的兩個部件的配置中生成零信號空間，用電路20處理信號S122。信號S122可以從無線設備4的共用饋入點26被接收，或者可以通過在電路中的任選的接口36從饋入點26提供。接口36使來自外面的設備或負荷的信號替換從無線設備接收的信號，并且被干涉天線陣傳送。這一實施例的電路20可包括射頻功率分配器28和設置在一個或兩個分設信號S232和S334的路徑中的相位變換器30。信號S122可以被功率分配器28分成具有相等振幅和頻率的兩個信號S232和S334。然后，信號S232和S334可以通過相位變換器裝置30被傳送到各自的輻射部件4、8。不同長度的傳送路徑能夠在初始相位的兩個信號之間提供一個相位變換裝置，這是本領域技術人員公知的。在這一第一實施例中使用的相位變換裝置30包括不同長度的傳送路徑，它們被適當地選擇以在信號S438和S540之間產生一個近似180度的相位差。當生成的電磁波從輻射部件傳播時，由于這一相位差，它們在接近于輻射部件的區域互相抵消，從而在橫向軸線18上和附近形成一個零信號空間，如在圖4中所示。零信號空間沒有與無線設備的用戶和健康相關的電磁輻射。也如圖所示，這一天線陣配置容易產生具有沿著縱向軸的增加的增益的對稱的波形。
用于在兩個信號之間獲得相位差的其它裝置是現有技術，并且，被認為在本發明的范圍中。例如，在IAA電路20的另一個實施例中，如在圖5中所示，相對的相位變換通過饋入基本相似的相位特征的功率分配信號S232和S334，到與它們相聯的偶極天線部件6、8的相對端(前端饋入或末端饋入)而實現。這獲得與在上面描述的相位變換裝置相同的零信號空間的效果。
在另一個實施例中，本發明提供配置有兩個以上輻射部件的干擾天線陣。例如，三部件6、8、9陣列，如在圖6中所示。在一些情況中，具有兩個以上輻射部件的配置導致沿著整個橫向軸18的全方向零信號空間的丟失，但是，目標區域(用戶的頭部和身體)減少電磁輻射仍然可以獲得。使用三部件配置可獲得的波形的一般cartoidl形狀如在圖7中所示。在這一配置中，第三個輻射部件9是在與如前面描述的兩個輻射部件6、8距離相等的地方。為了獲得這一波形，激發輻射部件6、8、9的信號之間應該不存在實際的相位差，然而，傳送到第三輻射部件9的功率應該接近等于傳送到兩個輻射部件6、8中的每一個的功率的兩倍。
在又一個實施例中，本發明提供一種用于無線通信設備的N-部件干涉天線陣，使得在天線陣附近減少不需要的電磁能量。結構具有高數量的輻射部件的陣列的復雜性和昂貴可能會值得顯著地增加，而不必然獲得超過具有低數量的輻射部件的陣列的優良的電磁能量減少效果。一般來說，較大數量的輻射部件導致較大數量的傳播波瓣和零信號空間區域，雖然比較狹窄。N輻射部件中的每一個可以通過N個相聯的相位變換裝置被饋入。作為一個例子，分支電路或其它配置(以及可能的放大器)可以被用于劃分來自無線通信設備的共用饋入信號為多個可用于N天線部件中的一個的等同信號。
在確定在N-部件陣列中獲得所需零信號空間所需要的激發信號的參數中，天線陣的設計者應該按照下面的公式進行E→(r→,t)=Re{Σn=iNAnE0ei(wt-k|r→-r→ln|+Φn)l^n}]]>其中N是在陣列中的部件的數目； 可以被表示在笛卡爾坐標、極坐標或任何其它坐標系統中；E0是基本電場值；An是相對振幅常數，它能夠通過微處理器實時調整以獲得最優化操作，但是，在下面給出的例子被認為是固定的；w是弧度時間頻率；t表示時間；k是在自由空間中的傳播常數，由2π/λ給出，這里，λ代表傳送輻射的波長；
代表在空間中的點的位置向量； 表示形成干涉陣列的單個部件n的等價位置向量； 表示在單個的部件n和在被分析的空間中的點之間的等價距離，例如|r→-r→ln|=(x-xln)2+(y-yln)2+(z-zln)2,]]>這里xln，yln，zln是陣列部件n的等價的坐標；φn是被饋入陣列部件n的信號的固定(或者微處理器調整)的相位； 表示陣列部件n的傳送電場的方向中的單位向量；Re{ }表示實數運算符(real operator)；并且，這里An和φn被選擇以在這里表示為r→=r→0]]>的需要零信號的位置(例如，接近用戶的頭部)處，集合場消失，E→(r→,t)=Σn=iNAnE0el(wt-k|r→-r→ln|+Φn)l^n=0]]>為方便起見，例如，2-部件實施例，A1＝A2＝1φ1和φ2被饋入差異180的相位(±90、或0和180)，并且，優選地，l^1=l^2.]]>本領域熟練技術人員從說明書的教導或通過對在這里揭示的本發明的實踐，本發明的其它實施方式也將是顯而易見的。例如，如上所述，干涉天線陣能夠與可植入的無線傳輸器一起結合使用。應該注意到說明書和實施例僅是示范性的，本發明的真正的范圍和精神由權利要求指明。
權利要求
1.一種用于無線通信設備的減少接近于天線陣的區域中的電磁能量的干涉天線陣，包括兩個由導電材料形成的輻射部件，適用于無線通信設備，并且，隔開一個距離并排安置；一個連接到無線通信設備的功率分配裝置，用于把由無線通信設備饋入的信號分為兩個分設的信號；一個相位變換裝置，連接到兩個輻射部件及功率分配裝置，用于在兩個分設信號之間產生相位差；其中，兩個輻射部件中的各一個用兩個相位變換的分設信號中的一個饋入；和其中，由從輻射部件發射的電磁能量形成的波形包括接近于天線陣的零信號空間。
2.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，兩個輻射部件還包括偶極天線。
3.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，兩個分設的信號具有接近相等的幅度。
4.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，相位差接近于180度。
5.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，零信號空間還包括沿著和接近于輻射部件之間的對稱軸的對稱的零信號區域。
6.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，兩個輻射部件被分隔開一個距離，該距離小于從兩個輻射部件發射的信號的自由空間波長的一半。
7.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，兩個輻射部件被分隔開一個距離，該距離小于從兩個輻射部件發射的信號的自由空間波長的三分之一。
8.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，無線通信設備包括便攜式無線通信設備。
9.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，被發射的信號的頻率范圍從下列組中選取對應于蜂窩電話頻率的824-890MHz和860-980MHz，對應于PCS頻率的1710-1880MHz和1850-1990MHz，對應于無繩電話、BLUETOOTHTM和無線LANs的902-928MHz、2.4-2.485Ghz和ISM頻率，以及對應于軍事和Satcon頻率的225-400MHz。
10.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，相位變換裝置包括從功率分配裝置到輻射部件的不同的傳送路徑長度。
11.按照權利要求1的干涉天線陣，其中，相位變換裝置包括在輻射部件或者在功率分配器整合連接反向的相似的傳送路徑長度。
12.一種用于無線通信設備的減少接近于天線陣的發射的電磁能量的干涉天線陣，包括三個由導電材料形成的輻射部件，用于無線通信設備，并且，相互隔開一個距離；一個連接到無線通信設備的功率分配裝置，用于把由無線通信設備饋入的信號分為三個分設的信號；一個相位變換裝置，連接到三個輻射部件和功率分配裝置，用于在三個分設信號之間產生相位差；其中，三個輻射部件中的每一個用三個相位變換分設信號中的一個饋入，使得由輻射部件產生的電磁波形，包括接近于天線陣的零信號空間。
13.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，三個輻射部件被這樣配置三個輻射部件被配置成頭兩個并排，而第三個輻射部件與頭兩個成三角形。
14.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，各輻射部件被分隔開一個距離，該距離小于將從三個輻射部件發射的信號的自由空間波長的一半。
15.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，三個分設信號中的一個的功率接近于其它兩個分設信號的功率的兩倍。
16.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，三個輻射部件還包括偶極天線。
17.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，零信號空間還包括與第三個輻射部件相對的無線通信設備的一側的零信號區域。
18.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，三個輻射部件被分隔開一個距離，該距離小于將從三個輻射部件發射的信號的自由空間波長的三分之一。
19.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，無線通信設備包括便攜式無線通信設備。
20.按照權利要求12的干涉天線陣，其中，被發射的信號的頻率范圍從下列組中選取對應于蜂窩電話頻率的824-890MHz和860-980MHz，對應于PCS頻率的1710-1880MHz和1850-1990MHz，對應于無繩電話、BLUETOOTHTM和無線LANs的902-928MHz、2.4到2.485Ghz和ISM頻率，以及對應于軍事和Satcon頻率的225-400MHz。
21.一種用于無線通信設備的減少接近于天線陣的發射的電磁能量的干涉天線陣，包括N個由導電材料形成的輻射部件，適用于無線通信設備，并且被分隔開一個距離；一個連接到無線通信設備的功率分配裝置，用于把由無線通信設備饋入的信號分為N個分設的信號；一個相位變換裝置，連接到N個輻射部件及功率分配裝置，用于在N個分設信號之間產生相位差；其中，N個輻射部件中的每一個用N個相位變換的分設信號中的一個饋入，從而由N個輻射部件產生的電磁波形包括接近于天線陣的零信號空間。
22.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，N個輻射部件的每一個與最接近的輻射部件被分隔開一個小于從N個輻射部件發射的信號的自由空間波長的一半的距離。
23.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，N個輻射部件還包括偶極天線。
24.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，零信號空間位于無線通信設備用戶的頭部所在的區域。
25.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，N個輻射部件的每一個被分隔開一個小于從天線陣發射的信號的自由空間波長的三分之一的距離。
26.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，無線通信設備包括便攜式無線通信設備。
27.按照權利要求21的干涉天線陣，其中，被發射的信號的頻率范圍從下列組中選取對應于蜂窩電話頻率的824-890MHz和860-980MHz，對應于PCS頻率的1710-1880MHz和1850-1990MHz，對應于無繩電話、BLUETOOTHTM和無線LANs的902-928MHz、2.4-2.485Ghz和ISM頻率，以及對應于軍事和Satcon頻率225-400MHz。
28.按照權利要求1、12或21的干涉天線陣，其中，無線通信設備是貼附在用戶身體上的發送器。
29.按照權利要求28的干涉天線陣，其中，天線陣被貼附在用戶的身體上。
30.按照權利要求1、12或21的干涉天線陣，其中，無線通信設備是植入用戶身體里的發送器。
31.按照權利要求30的干涉天線陣，其中，天線陣被植入用戶的身體里。
全文摘要
本發明公開了一種用于無線通信設備的減少接近于天線陣的區域中的電磁能量的干涉天線陣。該天線陣包括兩個或多個輻射部件，通過電路連接到無線通信設備。電路運行以將來自通信設備的信號適當地分成多個信號，并且對該多個信號進行相位變換，從而通過由相位變換的多個信號饋入的兩個或多個輻射部件在天線陣附近形成的電磁波形包括一個零信號空間。零信號空間位于敏感的電子設備、或通信設備的用戶的某些部分所在的區域。
文檔編號H01Q21/00GK1628397SQ02829084
公開日2005年6月15日 申請日期2002年4月5日 優先權日2002年4月5日
發明者史蒂文·L·邁爾斯, 詹姆斯·R·約翰遜 申請人:邁爾斯約翰遜公司