專利名稱：用于便攜無線電單元的一種無線電單元機殼的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于便攜無線電單元的一種無線電單元機殼，帶有單一高增益天線單元用于在衛星通信系統中廣泛掃描范圍內發射和接收無線信號。
有關技術說明名稱便攜無線電單元包括所有便攜設備往往用于無線電通信，如移動電話、收發信機，尋呼機，電傳機，電子筆記本和通信設備。這些設備能夠用于任何類型的無線電通信系統，諸如蜂窩網絡，衛星或小局域網。
一類無線電通信是蜂窩移動通信，其中便攜無線電單元相互或與固定單元通過地面移動基站通信。通常在接近900兆赫茲或1800-1900兆赫茲(MHz)頻率發射和接收信號的便攜無線電單元，例如移動電話，是公知的。
現在另一個無線通信類型已經變得重要，即衛星通信。
在不遠的將來，我們將預見到通過衛星直接與便攜無線電單元通信。衛星能夠達到在由于缺少必要的蜂窩天線塔，基站或兼容標準使蜂窩通信不能使用地區內的便攜無線電單元。這種衛星通信能夠配給2吉赫茲(GHz)頻帶和20/30GHz頻帶。具有高數據率(64kbps和2Mbps)的幾個系統正在計劃階段。
該系統的衛星可以是不同類型的，諸如GEO(對地靜止地球軌道)，ICO(中間圓形軌道)，LEO(低地球軌道)或HEO(高橢圓軌道)。
因為蜂窩天線通常為線性極化而衛星天線通常為圓極化，所以認為對于蜂窩和衛星方式通信不同類型的天線是必須的。進一步的區別在于衛星通信方式涉及方向性元件，其中當便攜無線電單元上的衛星天線指向衛星時可增加鏈路余量，而蜂窩通信方式通常不具有這種方向性元件。因此，在便攜無線電單元中的衛星天線位置是非常重要的，與衛星天線的結構一樣。
便攜無線電單元的一個例子是便攜電話。用于便攜電話的翻蓋一般用于保護小鍵盤或顯示器。可是，在某些應用中翻蓋已經被利用容納天線(例如，美國專利5337061，美國專利5542106，美國專利5451965)。
具有公開號碼EP752735的歐洲專利申請描述了附著或集成到移動電話機殼中的幾個單獨天線的天線系統。從每個天線發射的高頻功率是可以單獨控制的。該天線系統計量每個天線的波阻抗并操縱對那些計量自由空間傳播阻抗的天線的輻射功率。該天線系統的目的是避免在用戶頭部的輻射。該天線系統也給出了接收分集(在說明書和權利要求中沒有提及)。
具有公開號碼JP56-168437的日本專利描述了帶有附著在無線電設備機殼上的兩個單獨微帶天線的一種便攜無線電設備。兩個天線排列在無線電設備的相同一側。這些天線的一個能夠用于既發射又接收而另一個天線只用于要求接收分集的接收。該專利的目的是消除由于把兩個微帶天線附著在無線電設備機殼表面上而損壞天線的風險。
具有公開號碼WO95/04386的PCT專利申請描述了一種復合天線用于包括至少兩個單獨天線的手持通信應用。這些天線相互分開特定距離。
如同在此所見，在這些專利中所公開的每個天線是不同于本發明的衛星天線的無線電單元機殼的結構。
發明概述本發明解決了有關在衛星通信系統中的便攜無線電單元上天線的若干問題。
一個問題是天線單元與機殼中發射和接收裝置的集成，在機殼內天線單元的面積不得不限制到便攜無線電單元的幾何尺寸。
另一個問題是獲得高天線方向性而不管便攜無線電單元的無線電單元機殼上可使用的有限面積。
當便攜無線電單元被移動或以對準衛星的波束方向與天線單元孔徑法線方向之間夾角變大的方式轉動時，發生另一個問題。這需要機殼中的該天線單元必須設計得具有幾乎與無線電單元位置無關的天線增益。
當便攜無線電單元中的天線不得不掃描上半球的廣泛部分以定位衛星時，仍有另一個問題出現。
這需要發射和接收裝置的掃描體積(scan volume)必須相同和掃描范圍寬廣。
類似問題是在衛星和/或便攜無線電單元移動期間便攜無線電單元中天線必須用其發射和接收波束跟蹤衛星。
這需要便攜無線電單元中天線必須具有指向基本上相同方向波束既發射又接收的能力。
當衛星與便攜無線電單元之間的無線電波由于來自衛星或便攜無線電單元的低輸出功率或由于衛星與無線電單元天線之間的無線電波傳播路徑中有衰減而減弱時另一個問題出現。這需要更高的無線電單元天線增益以獲得額外鏈路余量。
另一個問題是避免天線單元的波束被便攜無線電單元用戶散射。
根據上述問題，本發明的主要目的是提供帶有能夠工作在衛星通信方式的集成共型天線的無線電單元機殼。
本發明的另一個目的是提供帶有集成天線的無線電單元機殼，該天線具有在整個掃描范圍中的近似恒定增益和搜索并跟蹤單獨衛星的能力。
本發明的另一個目的是提供帶有用于便攜無線電單元的集成天線的無線電單元機殼，其中天線單元的發射和接收裝置共享相同的孔徑和掃描體積。
本發明的又一個目的是提供用于便攜無線電單元的帶有集成天線單元的無線電單元機殼，其中所述天線單元具有至少半球一半的掃描范圍和帶有可控制發射和接收波束的高方向性天線輻射圖。
本發明的另一個目的是獲得在無線電單元機殼中面對許多方向的廣布的天線孔徑面積以在甚至大掃描角保持合理的接收和發射質量。
本發明的另一個目的是使用高增益和波束控制用于無線電單元中的衛星跟蹤以將來自天線單元的波束轉移開便攜無線電單元用戶，以減少功率損耗和避免散射。
本發明的又一個目的是在便攜無線電單元幾何尺寸限制內獲得最高可能的天線增益以增加鏈路預算的余量。
本發明的另一個目的是使天線單元能夠建立足夠尖銳的波束以選擇從便攜無線電單元地點能夠觀察到的幾個衛星中的一個。
按照本發明，所公開的無線電單元機殼中的共型天線陣列排列在該無線電單元機殼內。
更具體地，該天線陣列包括大量帶有發射和接收裝置的相鄰天線陣列表面，這些天線陣列表面以天線陣列表面面對許多方向的方式排列在無線電單元機殼內。多于一個的這些天線陣列表面同時合作以產生用于發射和接收無線電信號的波束。該天線單元與便攜無線電單元共型，沒有可移動部分并在多層結構中包括交錯的天線輻射單元，例如貼片或縫隙。
本發明的優點在于天線陣列的波束是高方向性的，它們具有高的終端天線發射和接收增益和相同掃描體積。這要求便攜無線電單元能夠跟蹤單獨的衛星并建立通信鏈路。
另一個優點是無線電單元機殼內的該天線陣列面對多個方向，這要求無線電單元幾乎配置獨立的天線增益。這也要求來自天線陣列的波束能夠對上半球衛星在寬掃描范圍掃描。
其它優點是天線單元波束避免被用戶散射和無線電機殼中的天線單元沒有可移動或伸出的部件。
附圖簡介這些上述目的和本發明的其它特征通過結合附圖并參照下列說明將變得更清楚。
圖1是普通便攜無線電單元的透視圖。
圖2a是按照本發明的帶有集成天線單元的無線電單元機殼第一實施例的第一實例的透視圖。
圖2b是按照本發明的帶有集成天線單元的無線電單元機殼第一實施例的第二實例的透視圖。
圖3是按照圖2a的天線單元的透視圖。
圖4a是按照本發明的帶有集成天線單元的無線電單元機殼第二實施例的第一實例的透視圖。
圖4b是按照本發明的帶有集成天線單元的無線電單元機殼第二實施例的第二實例的透視圖。
圖5是按照圖4a的天線單元的透視圖。
圖6a是帶有圓型貼片天線陣列的第一實例。
圖6b是在天線陣列中貼片圖形的第一實例。
圖7是按照圖6a的天線陣列的截面圖。
圖8a是天線陣列中貼片圖形的第二實例。
圖8b是帶有圓形貼片的天線陣列的第二實例。
圖9a是帶有縫隙的天線陣列的實例。
圖9b是在天線陣列中縫隙圖形的實例。
圖10是按照圖9a的天線陣列的截面圖。
實施例詳細說明圖1是本領域公知的包括終端單元101和蜂窩方式天線單元102的便攜無線電單元100的透視圖。該終端單元101包括包圍內部的終端單元101的無線電單元機殼103。該無線電單元機殼103分別具有前和后表面104，105。該無線電單元機殼103也分別具有頂和底表面106、107和分別具有第一和第二側面108、109。該后、底和第二側面105、107、109分別隱藏在圖1中。
帶有無線電單元機殼103的該終端單元101在圖1中的實例表示為移動電話。帶有無線電單元機殼103的終端單元其它實例是收發信機，尋呼機，電子筆記本和通信設備。
圖2a是根據本發明帶有衛星天線單元202的無線電單元機殼201的第一實施例的第一實例透視圖。該衛星天線單元202被集成在無線電單元機殼201的上部分，該機殼由圖2a中的無線電單元機殼201的陰影部分表示。
無線電單元機殼201的上部分是接近無線電單元機殼201頂表面106的區域。
圖2b是無線電單元機殼203的第一實施例的第二實例的透視圖，例如帶有按照本發明的衛星天線單元204的收發信機機殼。該衛星天線單元204被集成到在圖2b中由無線電單元機殼203的陰影部分所表示的無線電單元機殼203的主要部分上。
圖3說明了根據圖2a的天線單元202。該天線單元202包括天線陣列301(相控陣)帶有能夠通過使用公知技術電轉動它們的無線電波束的發射和接收裝置。
天線陣列包括類似類型的單獨天線單元，正常地有規則地分布在天線表面上。每個單獨天線單元連接到波束形成網絡，在該網絡中根據給出所需要輻射圖的預定值設置其中的單元相移。
天線單元202的天線陣列301分別包括帶有發射和接收裝置第一、第二，第三和第四相鄰天線陣列表面302a-d，在此表面302b隱藏在圖3中。這些天線陣列表面302a-d分別為矩形并安裝成盒子樣而沒有蓋子和側面，而集成到無線電單元機殼201中，見圖2a。
第一天線陣列表面302a集成在天線單元機殼201的第一側表面108的一部分中，分別靠近后表面105和頂表面106。
第二天線陣列表面302b集成在無線電單元機殼201的第二側表面109的一部分中，分別靠近后表面105和頂表面106而且在第一天線陣列表面302a對面。第二側表面109隱藏在圖2a中。
第三天線陣列表面302c集成到無線電單元機殼201的后表面105的一部分中，靠近頂表面106并分別在第一和第二天線陣列表面302a-b之間。
第四天線陣列表面302d集成在無線電單元機殼201的頂表面106的一部分中分別在第一和第二天線陣列表面302a-b之間緊接著第三天線陣列表面302c。
這要求該天線陣列301包括四個合作相鄰天線陣列表面302a-d面對四個不同方向，這給出天線單元廣泛的掃描體積。天線陣列表面302a-b的每個能夠如同實例具有帶高增益的第一掃描體積和一起產生帶有高增益比第一掃描體積更廣泛的掃描體積。第一掃描體積的實例是相對天線陣列表面法線的±45度。廣泛掃描體積的實例相對天線陣列表面法線至少±60度。
這些天線陣列表面302中的至少兩個的發射和接收裝置同時合作以產生用于發射和接收無線信號的波束。
該衛星天線單元202能夠以另一個形式安裝在無線電單元機殼201上。這在任何圖中都沒有表示。
根據圖2b集成在無線電單元機殼203中的該衛星天線單元204是帶有另外第五天線陣列表面205的天線單元202的擴大形式。該天線陣列表面205安裝在無線電單元機殼203的底表面206上以便該天線單元204形成沒有蓋子的盒子。該底表面206和第五天線陣列表面205隱藏在圖2b中。
該衛星天線單元204能夠以另一個形式安裝在無線電單元機殼203中。這沒有在任何圖中表示。
圖4a是根據本發明帶有衛星天線單元402的無線電單元機殼401第二實施例的第一實例的透視圖。該衛星天線單元402集成在無線電單元機殼401的上部分中，如同根據圖2a的第一實施例。
其中集成了天線單元402的無線電單元機殼401的該部分形成類似部分橢圓體，由圖4a中無線電單元機殼401的陰影區表示。
圖4b是無線電單元機殼403第二實施例的第二實例的透視圖，例如根據本發明的帶有衛星天線單元404的收發信機機殼。該衛星天線單元404集成在無線電單元機殼403的主要部分中，由圖4b中的無線電單元機殼403的陰影部分表示。
圖5說明了根據圖4a的天線單元402。該天線單元402包括能夠通過使用公知技術電轉動其無線電波束的天線陣列501。該天線陣列501包括在大量相鄰和合作天線陣列表面502上的發射和接收裝置，排列類似部分橢圓體共型集成到無線電單元機殼401橢圓體形狀的上部分中。這要求天線陣列501面對給出天線單元廣泛掃描體積的多個方向。天線陣列表面502的每個能夠如同實例具有帶高增益的第一掃描體積和一起產生帶如同第一實施例的高增益比第一掃描體積更廣泛的掃描體積。
安裝得類似部分橢圓體的相鄰天線陣列表面502能夠以天線陣列501形成平滑彎曲表面或小平面表面方式安裝。多于一個的這些天線陣列表面502的發射和接收裝置同時合作以產生用于發射和接收無線信號的波束。
相鄰天線陣列表面502可以例如是矩形，三角形，五角形或六角形。
該衛星天線單元402可以另一個方式安裝在無線電單元機殼401上。這沒有在任何圖中表示。
根據圖4b集成在無線電單元機殼403中的該衛星天線單元404是天線單元402的擴大形式。
該衛星天線單元404可以另一個方式安裝在無線電單元機殼403上。這沒有在任何圖中表示。
天線陣列301和501的發射和接收裝置包括大量天線單元，例如貼片或縫隙，以接收和發射圓極化無線電信號。
在天線陣列301和501中的貼片可以如同實例是矩形或圓形，而該縫隙可以如同實例是類似十字形。該貼片和縫隙可以如同實例安放在矩形，圓形，六角形或三角形格子中。在天線陣列301和501上的發射和接收貼片/縫隙的大小和數量因為接收和發射無線電信號的頻率不同而不同。
圖6a-10說明大量實例，其中用于發射和接收無線電信號的貼片和縫隙相互交錯并安裝在周期變化的多層結構中。該周期由接收和發射頻率確定。
圖6a分別表示天線陣列301、501如何以用于在第一和第二層中發射的601和接收的602圓形貼片安裝的第一實例，見圖7。用于接收的602貼片用虛線表示，它們與用于發射的601貼片在不同層中。
由于發射的無線電信號比接收的無線電信號的頻率更高，用于發射的601貼片比用于接收的602貼片更小且數量更大。
如果所接收無線電信號頻率高于所發射信號用于接收貼片602可以另一個方式用于發射和用于發射601的貼片可以用于接收。
根據沿圖6a中所示A-A線的截面7，用于發射的601貼片安裝在第一層而用于接收的貼片602安裝在第二層。在第一和第二層之間是安裝的第一電介質體702。包括導電材料的接地板701安裝在第三層。在第二和第三層之間是安裝的第二電介質體703。
用于發射貼片601的每個具有第一中心軸C1a穿過所述第一，第二和第三層垂直延伸。用于接收貼片602的每個具有第二中心軸C2a穿過所述第一，第二和第三層垂直延伸。
貼片601和602以周期性的圖形安裝在各自層中。圖6b表示這種圖形的第一實例，其中4個用于發射的貼片601a-d安裝成正方形603，其中它們的每個中心軸C1a位于正方形603的角上。正方形603在圖中由虛線表示。
貼片601a與貼片601d對角線安裝。用于接收貼片602a以貼片602a的中心軸C2a與用于發射貼片601a中心軸C1a同軸的方式安裝在第二層。用于接收貼片602b以貼片602b的中心軸C2a與用于發射貼片601d的中心軸C1a同軸的方式安裝在第二層。用于接收貼片602a與用于發射貼片601a形成公共天線陣列節點604a，而用于接收的貼片602b與用于發射的貼片601d形成公共天線陣列節點604b。
如圖6a所見該圖形在整個陣列中重復。有意使在第一層用于發射601的每個其它貼片(第一數量的貼片)與在第二層用于接收的602一個貼片分別形成公共天線陣列節點604a，604b，如圖7所見。
圖8a表示天線陣列301，501的貼片如何分別以周期圖形排列的第二實例。第一層具有6個用于發射貼片801a-f安裝在統一六角形803中和一個用于發射的中心貼片801g安裝在六角形803中間。
用于接收的貼片802a以貼片802a中心軸C2a與用于發射的中心貼片801g的中心軸C1a同軸的方式安裝在第二層中。用于接收的貼片802a與用于發射中心貼片801a形成公共天線陣列804a。
該圖形以三個相鄰六角形用于發射貼片具有一個公共貼片的方式在整個陣列中重復，見圖8b中的貼片801e。
圖9a說明了帶有用于接收和發射的十字形縫隙902、901的天線陣列301，501分別如何安裝在第一和第二層的實例，見圖7。用于發射的十字形縫隙901在圖9a中以虛線說明它們與用于接收的縫隙902在不同層。
用于接收的十字形縫隙902的每個安裝在導電材料的矩形體903中心。
用于發射的縫隙901小于和數量多于用于接收的縫隙902，由于發射無線電信號頻率高于接收無線電信號頻率。
用于接收縫隙902可以另一形式用于發射，而用于發射縫隙901可以用于接收，如果接收無線電信號頻率高于發射無線電信號頻率。
根據沿圖9a所示線B-B的截面10，用于接收縫隙902安裝在第一層而用于發射縫隙901安裝在第二層上的導電體1001中。在第一和第二層之間安裝了第一電介質體702。包括導電材料的接地板701安裝在第三層。在第二和第三層之間安裝了第二電介質體703。
用于發射縫隙901的每個具有第一中心軸C1b，該軸穿過所述第一，第二和第三層垂直伸展。用于接收縫隙902的每個具有第二中心軸C2b，該軸穿過所述第一，第二和第三層垂直伸展。
縫隙901和902以周期圖形安裝在各自層中。圖9b表示這種圖形的實例，其中4個用于發射的縫隙901a-d在第二層中排列成正方形904，其中它們的每個中心軸C1b位于正方形904角上。該正方形由圖中虛線表示。
縫隙901a與縫隙901d對角安裝。用于接收的縫隙902a以縫隙902a中心軸C2b與第二層中的縫隙901a中心軸C1b同軸的方式安裝在第一層中。用于接收的縫隙902b以縫隙902b中心軸C2b與第二層中縫隙901d中心軸C1b同軸的方式安裝在第一層中。用于接收的縫隙902a與用于發射的縫隙901a形成公共天線陣列節點905a，而用于接收的縫隙902b與用于發射的縫隙901d形成公共天線陣列節點905b。
該圖形如圖9a所見在整個陣列中重復。這有意使在第二層中的用于發射的縫隙901(第一數量縫隙)的每個其它縫隙與在第一層中的一個用于接收的縫隙902分別形成公共天線陣列節點905a，905b如圖10所見。
在圖6a-10中貼片和縫隙之間的尺寸和距離以公知方式由發射和接收頻率確定。
天線陣列301和501也包括波束形成網絡，沒有在任何圖中表示，以公知方式連接到每個單獨天線單元，例如縫隙或貼片。
天線陣列301和501可以如同實例用于大約10GHz的頻率。
權利要求
1.一種無線電單元機殼(201，203，401，403)，用于包括發射和接收來自/對無線電單元(202，204，402，404)的無線電信號的單一高增益天線單元(202，204，402，404)的便攜無線電單元(100)，其中所述天線單元(202，204，402，404)缺少可移動部件，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)包括帶有大量相鄰天線陣列表面(302a-d，502)的一個天線陣列(301，501)，該天線陣列表面包括用于接收和發射無線電信號的接收和發射裝置，其中所述天線陣列(301，501)的所述天線陣列表面(302a-d，502)以每個所述天線陣列表面(302a-d，502)不同于其它天線陣列表面(302a-d，502)的方向的方式排列，和其中所述天線陣列(301，501)的多于一個的所述天線陣列表面(302a-d，502)的所述接收和發射裝置配合以產生在基本上等于掃描體積內的用于發射和接收的天線波束。
2.權利要求1中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)集成在所述無線電單元機殼(201，203，401，403)中。
3.權利要求1中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)安裝在所述無線電單元機殼(201，203，401，403)上。
4.權利要求2或3中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)與無線電單元機殼(201，203，401，403)共型。
5.權利要求1-4之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)是用于衛星通信系統中衛星通信的一種天線單元，其中所述用于發射和接收的天線波束具有指向基本上相同方向的能力。
6.權利要求1-5之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)上的所述接收和發射裝置安排發射和接收圓極化無線電信號。
7.權利要求1-6之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線單元(202，204，402，404)上的所述接收和發射裝置具有至少上半球的掃描范圍。
8.權利要求1-7之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線陣列(501)的所述天線陣列表面(502)形成橢圓體的一部分(圖5)。
9.權利要求8中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線陣列表面(502)以天線陣列(501)形成平滑彎曲表面的方式安裝。
10.權利要求8中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線陣列表面(502)以天線陣列(501)形成小平面表面的方式安裝。
11.權利要求1-10之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線陣列(301，501)的所述接收和發射裝置包括安裝在多層結構中的用于發射貼片(601，601a-d，801a-g)，用于接收貼片(602，602a-b，802a)和接地板(701)(圖7)。
12.權利要求11中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述用于接收貼片(602，602a-b，802a)和用于發射貼片(601，601a-d，801a-g)相互交錯(圖6b，8a)。
13.權利要求12中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述交錯的用于接收貼片(602，602a-b，802a)和用于發射貼片(601，601a-d，801a-g)安裝在周期變化的多層結構中(圖7)，其中第一數量所述用于發射貼片(601b，601，801a-f)與所述用于接收貼片(602a，602b，802a)形成公共天線陣列節點(604a-b，804a)(圖6a，圖7)。
14.權利要求1-10之一中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述天線陣列(301，501)的所述接收和發射裝置包括安裝在多層結構中的用于接收縫隙(902，902a-b)和用于發射縫隙(901，901a-d)和接地板(701)。
15.權利要求14中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述用于接收縫隙(902，902a-b)和用于發射縫隙(901，901a-d)相互交錯(圖9b)。
16.權利要求15中所要求的一種無線電單元機殼，特征在于所述交錯的用于接收和發射縫隙(902，902a-b，901，901a-d)安裝在周期變化的多層結構中(圖10)，其中第一數量所述用于發射縫隙(901b，901c)與所述用于接收縫隙(902a，902b)形成公共天線陣列節點(905a-b)。
全文摘要
本發明涉及一種用于便攜無線電單元的一種無線電單元機殼,帶有能夠工作在衛星通信方式的集成天線陣列。該天線陣列包括大量安裝的相鄰配合的天線陣列表面并集成在無線電單元機殼(401)內。該天線陣列表面面對給出天線陣列廣泛掃描體積的多個方向。天線陣列的這些表面包括大量交錯的在多層結構中的發射和接收天線單元,例如圓形貼片。
文檔編號H01Q5/00GK1273700SQ9880984
公開日2000年11月15日 申請日期1998年9月18日 優先權日1997年10月1日
發明者H·舍夫特, A·G·德爾尼賴德, J·S·雷尼夫喬德 申請人:艾利森電話股份有限公司