CN100578948C - 用于提供具有gps能力的无线通信装置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于提供具有全球定位系统(GPS)能力的天线的系统和方法。所述具有GPS能力的天线可以被用于诸如无线手机的无线通信装置。该无线通信装置包括与传统通信天线连接的GPS开关模块及其相关电路。GPS开关模块适于选择性地将通信天线连接至GPS匹配电路。在这种安排中，GPS匹配电路调节大约在1575MHz的阻抗以使通信天线与无线装置中的GPS电路更接近地匹配。

Description

用于提供具有GPS能力的无线通信装置的系统
技术领域
本发明一般涉及用于提供具有全球定位系统(GPS)能力的天线的系统和方法。
背景技术
传统的手持全球定位系统(GPS)装置通过接受和处理来自于包括卫星和基站的GPS系统的波段信号以提供与GPS装置的位置有关的位置信息。尽管这样的位置信息可以非常有用，然而与诸如膝上型电脑、移动电话、PDA这样的移动无线通信装置和其它当今用户所依赖的移动装置一起携带传统的GPS装置却是不方便的。
令人遗憾的是，GPS技术与诸如蜂窝(cellular)电话或个人通信服务(PCS)电话等的其它移动无线通信装置的集成已证明是困难的。特别地，已确定了三种将GPS性能加于无线装置和手机的可选方案，但在它们使用中都已被证明是不能令人满意的。
第一种选择是通过增设用于GPS接收的独立天线将GPS性能增加到无线手机中。由于无线网络天线没被改变，所以网络通信质量不会受到不利影响。但是，由于用于网络通信的移动手机已变得非常小，在手机壳中能够用于安置独立的、按用户需要设计的GPS天线的空间也更少。而且，置于手机壳中的GPS天线通常会遇到一系列接收方面的问题。例如，手机壳中的电磁屏蔽和手机壳本身可造成接收不良。为安置GPS天线而调节电磁屏蔽会基本上造成对手机的重新设计和测试。甚至当无线手机的用户在握持手机时，用户的手也会干扰内置的GPS天线的接收。另外，给无线手机增加独立天线及相关电路也增加成本和设计的复杂性。
给无线手机增加GPS性能的第二种选择是强迫现存的无线手机网络的天线充分接收GPS波段信号。例如，典型的双波段天线可被构造成能够接收大约在1900MHz的PCS信号和大约在800MHz的蜂窝信号。因而，现存的双波段天线也可能能够接收大约在1575MHz的GPS信号。然而，GPS信号处于双波段天线的非谐振频率处，因此GPS信号在衰减的信号传输中不会达到最佳结果。从这方面考虑，公知的双波段天线系统不能以足够的强度和质量来接收GPS信号，以在无线手机上执行稳健的GPS定位功能。
给无线手机增加GPS性能的第三种选择是使用三波段天线。例如，三波段天线被构造为接收蜂窝、PCS和GPS频率。尽管这样的天线能够使GPS信号被接受，由于天线设计上的限制，这样的天线通常要么包括蜂窝的性能，要么包括PCS性能，或者两者都包括。所以使用三波段天线实质上也为天线增加了额外成本。
由此，存在以稳健、经济的方式在无线手机中增加GPS定位性能的需求。更进一步地，人们需要以一种方便的、带有悦人的美感的方式提供GPS定位性能。
发明内容
本发明很大程度上克服了传统的在无线通信装置中提供具有全球定位系统(GPS)能力的天线的系统和方法的缺陷。
因此，本发明提供了一种用于提供具有全球定位系统(GPS)能力的无线通信装置的系统，包括：天线；天线分离滤波器，其与所述天线连接，用于将多个第一波段信号分离到第一端口以及将多个第二波段信号分离到第二端口；第一通信波段双工器，其与所述天线分离滤波器的所述第一端口连接；开关模块，其与所述天线分离滤波器的所述第二端口连接，其中所述开关模块适于选择性地将所述多个第二波段信号耦合至第一开关输出和第二开关端口；第二通信波段双工器，其与所述开关模块的所述第二开关端口连接；GPS模块，其与所述开关模块的所述第一开关输出连接，所述GPS模块包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路被配置成在大约GPS信号频率处匹配阻抗。
在一个典型的实施例中，本发明提供了一种为诸如无线手机的无线通信装置提供具有GPS能力的天线的系统和方法。所述无线通信装置包括连接到传统通信天线的GPS开关模块，所述模块包括其相关电路。所述GPS开关模块适于有选择地将通信天线连接至GPS匹配电路。在这种配置中，所述GPS匹配电路在大约1575MHz的频率处调节阻抗以使通信天线与无线装置中的GPS电路更接近地匹配，由此确保天线信号能量到GPS接收器的最佳传输。
在另一个实施例中，本发明包括接收具有通信信号成分和GPS信号成分的混合信号的天线。所述混合信号由天线发送给频率分离器。所述频率分离器可以是例如互扰消除装置(triplexer)或三路开关模块的形式。所述频率分离器将GPS信号传送给GPS模块，并将通信信号传送给通信电路。
在另一个实施例中，本发明包括接收具有通信信号成分和GPS信号成分的混合信号的天线。所述混合信号由天线发送给开关模块。所述开关模块可以包括转换开关以支持GPS接收和一个其它的通信波段，如蜂窝波段或PCS波段。所述开关模块也可包括能够将天线信号分送至无线通信装置的蜂窝电路、PCS电路或GPS电路的三路开关。所述通信波段电路或GPS电路可各自包括其自己的波段优化匹配电路。
本发明有利于使无线通信装置中现存的天线能够适应稳健地接收GPS波段信号。使用现存的通信天线提供GPS信号是一种用于在无线通信装置中提供GPS定位功能的经济而有效的方式。更进一步地，由于不需要独立的GPS天线，所以电话的美感不受影响。这种改动现存天线的方式释放了无线通信装置中的空间，否则该空间可能要为独立的内部天线保留。另外，由于现存的天线从无线通信装置中伸出，因此本发明也可从经改进的GPS波段信号的接收中获益。
本发明的上述和其他特征和优点可由以下结合附图对本发明所做的详细说明中得到理解，附图中相同的标号代表了相同的部件。
附图说明
图1说明了根据本发明所述的无线通信系统的一个典型实施例；
图2A示出了本发明所述无线通信装置的一个典型实施例的各选定组成部分；
图2B示出了本发明所述的无线通信装置的另一个典型实施例的各选定组成部分；
图3A是本发明一个典型实施例的频率响应图；
图3B是本发明另一个典型实施例的频率响应图；
图4示出了本发明所述的无线通信装置的另一个典型实施例的各选定组成部分；
图5是本发明另一个典型实施例的频率响应图；
图6示出了传统匹配网络的一个例子；
图7示出了传统开关电路的一个例子；
图8示出了本发明所述的无线通信装置的另一个典型实施例的一些组成部分；
图9示出了本发明所述的无线通信装置的还一个典型实施例的一些组成部分。
具体实施方式
图1示出了根据本发明所述的含有无线通信装置100的无线通信系统的一个典型实施例。无线通信装置100可包括例如手持无线通信装置、移动电话、汽车电话、蜂窝电话或个人通信服务(PCS)电话、无绳电话、膝上型电脑或其它具有无线调制解调器的计算装置、寻呼机，或者个人数字助理(PDA)。无线装置100可以是数字式的或模拟式的或者它们的一些组合。实际上，本发明预计到了本领域普通技术人员所公知的其它形式的无线通信装置。
无线通信装置100包括天线110。天线110被构造为能够发射和接收无线通信信号。在图1中，天线110与基站120进行双向通信。基站120可以是例如无线通信网络中的多个基站120中的一个。天线110与一个或更多的卫星，如卫星130，至少进行单向通信。卫星130可以是例如多个卫星中的一个，例如一组全球定位系统(GPS)卫星及其地面站中的一个卫星。
在一个具体的实施例中，无线通信装置100是一个无线手机，其具有能够在例如至少两个不同的通信波段上接收和发射无线通信信号的天线110。所述两波段可以包括，例如，大约在800MHz处蜂窝波段和大约在1900MHz处的PCS波段。在这个典型的实施例中，天线110是现存的被构造成可在PCS和蜂窝两个波段上接收和发射无线信号的双波段天线。应该预见到，通过合适地选择已知的天线和相关电路，就可以容纳更多或者更少的通信波段。例如，无线装置可以被构造为仅使用PCS波段，或被构造为在三个或更多的通信波段上接收和发射信号。本发明也考虑到了使用本领域普通技术人员所公知的其它无线通信波段。
无线通信装置100上的天线110被配置为可稳健地接受定位信号，例如来自于卫星130的GPS信号。天线110的优点在于它可以是已知的传统天线，例如标准双波段天线。按照这种方式，可经济而方便地将全球定位功能增加到无线通信装置中。
图2A示出了使用传统通信天线110来稳健接收GPS信号的电路。无线通信装置100可以包括，例如，天线110，天线分离滤波器(diplexer)140，第一波段(例如蜂窝波段)双工器150，第二波段(例如PCS波段)双工器160，GPS开关模块170以及GPS模块175。天线分离滤波器140可用双路开关(如图9所示)代替。如图2A所示，开关模块170可以包括，例如，开关165。GPS模块175可以包括，例如，与GPS低噪声放大器(LNA)190连接的阻抗匹配模块180。可以理解，图2A所示电路只是用来做解释，而且，为了构造实际工作的通信装置，必须增加其它的公知电路。
如图2A所示，天线110连接至天线分离滤波器140。天线分离滤波器140连接至第一波段双工器150。天线分离滤波器140还连接至开关模块170。开关模块170连接至第二波段双工器160。开关模块170也连接至GPS模块175。在一个典型的实施例中，开关模块170连接至阻抗匹配模块180，而阻抗匹配模块180则连接至GPS LNA 190。
尽管没有示出，本发明也考虑到了可包括在无线通信装置100中的附加部件。例如，GPS信号处理器可被连接至GPS LNA 190。在另一个实施例中，发射器和/或接收器可被连接至双工器150，160。这样的附加部件对本领域普通技术人员来说是公知的，因此在这里不再详述。
天线分离滤波器通常用来引导响应于所使用的具体通信波段的通信信号。例如，天线分离滤波器140将天线110接收的信号分离进PCS路径或蜂窝路径。图3A示出了天线分离滤波器140的混合频率响应200的一个例子。频率响应200包括天线分离滤波器140的低通滤波器的低通滤波器特性曲线210和高通滤波器的高通滤波器特性曲线220。图示的低通滤波器特性曲线210具有约1000MHz的截止频率，其被设计用于通过蜂窝波段。图示的高通滤波器特性曲线220具有约1600MHz的截止频率，其被设计用于通过PCS波段。可以理解，可以调整截止频率以适应具体的应用，并且也可为其它通信波段选择其它的截止频率。高通滤波器特性曲线220设计成能够以某种可接受的衰减水平使GPS波段信号通过。
在操作中，天线110接收来自于至少一个无线通信波段的无线通信信号。天线分离滤波器140将所述无线通信信号分离为至少第一信号和第二信号。第一信号由天线分离滤波器140的低通滤波器滤波后被耦合至第一波段双工器150。第二信号由天线分离滤波器140的高通滤波器滤波后被耦合至开关模块170。
在一个典型的实施例中，如果无线通信信号包括，例如，蜂窝波段通信信号，则所述低通滤波器使蜂窝波段通信信号通过至第一波段双工器150。然后第一波段双工器150可将输入的蜂窝波段通信信号耦合至，例如，蜂窝接收器(未示出)。另外，低通滤波器阻断较高频率波段以使其不能到达第一波段双工器150。
如果无线通信信号包括，例如，PCS波段通信信号，那么所述天线分离滤波器140的高通滤波器使PCS波段通信信号通过并经由开关模块170到达第二波段双工器160。如果无线通信信号包括，例如，GPS波段信号，那么所述高通滤波器以某种小量的衰减使GPS波段信号通过并经由开关模块170到达GPS模块175。在一个典型的实施例中，造成衰减的部分原因在于，天线110是现存的双波段天线，其最初并非是为GPS波段优化设计的。
在GPS模块175中，阻抗匹配模块180提供为GPS波段调谐的阻抗匹配。然后，在受到传统GPS电路(未示出)处理之前，GPS信号在GPSLNA 190中被放大。高通滤波器也阻断了较低频率的波段。
无线通信装置一般在开关模块170将天线分离滤波器140连接至双工器160的情况下工作。但是，在选定的时期和间隔上可能需要获得定位信息。例如，当用户拨打紧急号码时位置信息可能是有用的。无线装置也可工作于诸如其中周期性地需要定位的地图绘制应用的应用当中。在另一个例子中，用户可指示无线装置获得定位信息。可以理解，对于无线通信装置来说存在许多应用，在这些应用中定位信息是有用的。
当需要定位时，开关模块170通过控制电路(未示出)被切换，以将天线110连接至GPS模块175。当以这种方式配置时，大约1575MHz的GPS波段信号将被所述天线接收并被传送至GPS模块175。由于天线110是，例如，一种被调谐为在大约800MHz和大约1900MHz处进行接收的双波段天线，所以大约1575MHz的GPS信号是不匹配的。由此，匹配模块180包括匹配电路以更接近地匹配GPS模块175与天线110之间的阻抗。按照这种方式，GPS LNA 190就可稳健接收高质量的GPS信号。
在另一个典型的实施例中，出现在天线分离滤波器140中的混合频率响应200适用于以较小的衰减使GPS波段通过。因此，可通过将截止频率从例如约1600MHz移动至例如约1400MHz而对高通滤波器特性曲线220进行修改，如图3A中经修正的特性曲线230所示。经修改的特性曲线230也可有其它不同的参数，例如，不同的衰减斜率235。结果，GPS波段由经修改的高通滤波器特性曲线230衰减的程度比由高通滤波器特性曲线220衰减的程度还小。例如，作为将截止频由大约1600MHz(如在普通蜂窝/PCS天线分离滤波器中的那样)降低至大约1400MHz的结果，大约1575MHz的GPS波段更小地被天线分离滤波器140衰减，从大约-1.3dB至大约-0.3dB。
图2B说明了利用传统通信天线110稳健接收GPS信号的电路的另一个例子。除了天线分离滤波器140将天线110接收到的信号分离进PCS路径或蜂窝/GPS路径之外，该电路类似于图2A中的电路。因此，开关模块170位于蜂窝/GPS路径。天线分离滤波器140的频率响应220的另一个例子如图3B所示。在这个例子中，天线分离滤波器140的低通滤波器的低通滤波器特性曲线210扩展为更高的频率，以包含入约1575MHz的GPS波段。由此，天线分离滤波器140的低通滤波器将GPS波段信号或者具有少量衰减的GPS信号传送至蜂窝/GPS路径。
图4示出了本发明所述的无线通信装置100的另一个典型实施例的各选定组成部分。无线通信装置100可包括例如，天线110、第一波段双工器150、第二波段双工器160、GPS模块175以及互扰消除装置240。互扰消除装置240将天线110连接至第一波段双工器150、第二波段双工器160以及GPS模块175。
互扰消除装置240的频率响应200的一个例子如图5所示，其包括低通滤波器的低通滤波器特性曲线210、高通滤波器的高通滤波器特性曲线220以及互扰消除装置240的带通滤波器的带通滤波器特性曲线250。图示的低通滤波器特性曲线210具有例如约1000MHz的截止频率，其被设计成通过例如蜂窝波段。图示的高通滤波器特性曲线220具有例如约1600MHz的截止频率来，其被设计为通过例如PCS波段。带通滤波器特性曲线250以例如约1575MHz为中心，其被设计为通过例如GPS波段。特性曲线210，220，250可以交叠或不交叠。本发明也考虑到使用为这些和其它无线通信波段设计的其它滤波器特性曲线。
在操作中，天线110接收来自至少一个无线通信波段的无线通信信号。互扰消除装置240将无线通信信号分离为至少第一信号、第二信号和第三信号。第一信号由互扰消除装置240的低通滤波器滤波，然后被耦合至第一波段双工器150。第二信号由互扰消除装置240的高通滤波器滤波，然后被耦合至第二波段双工器160。第三信号由互扰消除装置240的带通滤波器滤波，然后被耦合至GPS模块175。这种耦合机制也可以包括用于优化性能的阻抗转换。
在一个典型的实施例中，如果无线通信信号包括例如蜂窝波段通信信号，则互扰消除装置240的低通滤波器使蜂窝状波段通信信号通过至第一波段双工器150。另外，低通滤波器阻断较高的波段，使其不能通过至第一波段双工器150。
如果无线通信信号包括例如PCS波段通信信号，则高通滤波器使PCS波段通信信号通过至第二波段双工器160。另外，高通滤波器阻断较低的波段，使其不能通过至第二波段双工器160。
如果无线通信信号包括例如GPS波段信号，则带通滤波器使GPS波段信号通过至GPS模块175。在一个典型的实施例中，在GPS模块175中，阻抗匹配模块180提供为GPS波段调谐的阻抗匹配。然后，在受到传统GPS电路处理之前，GPS信号在GPS LNA 190中被放大。另外，带通滤波器阻断了较高和较低的波段以使它们不能通过至GPS模块175。
图8示出了根据本发明所述的利用开关模块260代替互扰消除装置240的另一个典型实施例。天线110经过开关模块260连接至第一波段双工器150、第二波段双工器160以及GPS模块175。开关模块260可以包括例如三路开关270。开关模块260可以通过无线通信装置100的主控制器(未示出)得到控制，例如，主控制器可以是处理器(如移动台调制解调器(MSM))。开关模块260切换经天线110接收到的信号。因此，例如，蜂窝波段信号可以被切换至第一波段双工器150；PCS波段信号可以被切换至第二波段双工器160；或者GPS信号可以被切换至GPS模块175。蜂窝通信电路和PCS通信电路可以包括，例如，与各个波段对应使用的优化波段信号匹配电路。
图9示出了根据本发明所述的无线通信装置100的再一个典型实施例。在这个典型的实施例中，无线通信装置100被配置为接收GPS信号或通信波段信号(例如，蜂窝波段信号或PCS波段信号)。天线110经过开关模块260连接至GPS模块175和通信波段双工器290。开关模块260可以包括例如双路开关280。开关模块260可以通过无线通信装置100的主控制器(未示出)得到控制，例如，主控制器可以是处理器(如移动台调制解调器(MSM))。开关模块260切换经过天线110接收的信号。因此，如果无线通信装置100是例如蜂窝电话，则蜂窝波段信号可以被切换至通信波段双工器290；或者GPS信号可以被切换至GPS模块175。通信波段电路可以包括，例如，与通信波段对应使用的优化波段信号匹配电路。
应该理解，匹配模块180或其它匹配电路可以使用多种电路来实现。图6示出了实现匹配电路的这样一种电路。在图6中，匹配模块180的输入被连接至第一电感器L1。第一电感器L1通过第二电感器L2连接至匹配模块180的输出。第一电感器L1还经过电容器C1连接至电位V1(例如，电气接地或机壳接地)。这样的匹配电路在本技术领域是公知的。匹配模块180可以包括其它种类的匹配电路和它们的双重等效电路。这样的匹配电路也可以包括，例如，本领域的普通技术人员所公知的无源元件和/或有源元件。
还应理解，开关模块170可以用多种电路结构来实现。图7示出了根据本发明所述的开关模块170的这样一种结构。开关模块170的输入连接至第一电容器C2。第一电容器C2通过第一电感器L3连接至电位V2(例如，电池供给的电压)。第一电容器C2还连接至两个输出分支。在该电路的第一个分支中，第一电容器C2连接至第一二极管D1。第一二极管D1经第二电容器C3连接至第一输出。第一二极管D1还通过第二电感器L4连接至第一控制信号。在该电路的第二个支中，第一电容器C2连接至第二二极管D2。第二二极管D2经第三电容器C4连接至第二输出。第二二极管D2还通过第三电感器L5连接至第二控制信号。简而言之，第一控制信号和第二控制信号提供了使二极管D1，D2导通或截止(即大致短路或开路的情形)的二极管D1，D2上的电势差。开关模块170可由本领域内普通技术人员所公知的开关电路的其它变化和例子来实现。
因此，可以看到本发明提供了用来提供具有GPS能力的天线的系统和方法。本领域的技术人员会认识到此说明书中的优选实施例是用于说明而非限制本发明，本发明也可以其他方式实现，本发明仅受所附权利要求限制。需要指出的是，此说明书中所述的具体实施例的等效物也可实现本发明。

Claims (14)

1.一种用于提供具有全球定位系统(GPS)能力的无线通信装置的系统，包括：
天线(110)；
天线分离滤波器(140)，其与所述天线连接，用于将多个第一波段信号分离到第一端口以及将多个第二波段信号分离到第二端口；
第一通信波段双工器(150)，其与所述天线分离滤波器(140)的所述第一端口连接；
开关模块(170)，其与所述天线分离滤波器(140)的所述第二端口连接，其中所述开关模块适于选择性地将所述多个第二波段信号耦合至第一开关输出和第二开关端口；
第二通信波段双工器(160)，其与所述开关模块(170)的所述第二开关端口连接；
GPS模块(175)，其与所述开关模块(170)的所述第一开关输出连接，所述GPS模块(175)包括阻抗匹配电路(180)，所述阻抗匹配电路(180)被配置成在大约GPS信号频率处匹配阻抗。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个第一波段信号是频率低于所述多个第二波段信号的低波段信号，所述多个第二波段信号是包括GPS波段和至少一个其他无线通信波段的高波段信号。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个第一波段信号是频率高于所述多个第二波段信号的低波段信号，所述多个第二波段信号是包括GPS波段和至少一个其他无线通信波段的低波段信号。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述多个第一波段信号包括中心频率大约在800MHz的蜂窝波段，所述多个第二波段信号包括中心频率大约在1900MHz的PCS波段和大约在1575MHz的GPS信号频率。
5.如权利要求3所述的系统，其中，所述多个第二波段信号包括具有大约800MHz的中心频率和大约1575MHz的GPS信号频率的蜂窝波段，所述多个第一波段信号包括中心频率大约在1900MHz的PCS波段。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述GPS模块(175)包括与所述第一开关输出连接的阻抗匹配电路(180)，所述阻抗匹配电路(180)用于在大约GPS信号频率处匹配阻抗。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述GPS模块(175)还包括GPS低噪声放大器(190)。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述阻抗匹配电路(180)为所述GPS波段提供调谐。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述GPS模块(175)包括阻抗匹配电路(180)和GPS低噪声放大器(190)，所述阻抗匹配电路(180)连接至所述开关模块(170)，所述GPS低噪声放大器(190)连接至所述阻抗匹配电路(180)。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述开关模块(170)包括双路开关。
11.如权利要求2所述的系统，其中，所述天线分离滤波器(140)包括具有约1000MHz的截止频率的低通滤波器特性曲线(210)，用于使所述多个第一波段信号通过，所述多个第一波段信号包括第一无线通信波段。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述天线分离滤波器(140)包括具有约1600MHz的截止频率的高通滤波器特性曲线(220)，用于使所述至少一个其他无线通信波段和GPS信号频率通过。
13.如权利要求3所述的系统，其中，所述天线分离滤波器(140)包括具有约1600MHz的截止频率的低通滤波器特性曲线(210)，用于使所述多个第二波段信号通过，所述多个第二波段信号包括第二无线通信波段和所述GPS波段。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述天线分离滤波器(140)包括高通滤波器特性曲线(220)，所述高通滤波器特性曲线(220)具有配置用来使所述至少一个其他无线通信波段通过的截止频率。
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