CN1126195C - 一种无线电通信设备和天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种可携带无线电通信设备，包括：一个壳体(78)；天线装置，用来发射和接收RF信号；发射和接收电路，布置在壳体内；至少一个导电部分；天线馈电装置；及一个用户接口。天线装置包括一根发射天线(60、61)、和接收天线(60、61、65、78)。发射天线、和接收天线具有彼此相对正交的辐射特性。发射和接收天线可以是电偶极子类型或磁偶极子类型。也公开了一种包括发射和接收天线的天线系统。

Description

一种无线电通信设备和天线系统
本发明涉及一种可携带无线电通信设备，该设备包括：一个壳体；天线装置，用来发射和接收RF信号；发射和接收电路，布置在壳体内；至少一个导电部分；一个电源；及一个用户接口。
另外，本发明涉及一种用来从可携带无线电通信设备发射和从其接收RF信号的天线系统，该系统包括：一根第一天线，是一根发射天线，并且可连接到无线电通信设备的发射电路上；和一根第二天线，是一根可接收天线，并且可连接到无线电通信设备的接收电路上。具体地说，本发明涉及一种用于移动无线电通信设备，例如手提电话，的天线设备。
上述类型的天线系统预先从US-A-5231 407和WO-A1-91/01048得知。在发射机与接收机之间分离的一个优点在于，将降低对双工滤波器的要求。然而，一个问题是在发射与接收天线之间的耦合。为了减小所述耦合，在US-A-5 231 407中使用的天线是可调谐窄带天线，而在WO 91/01048中描述的天线布置在电话的不同端。
初看起来，多于一根天线的使用能看作空间等的浪费，但尽管如此，多个发明者已经指出多个优点。本发明可以说是一种利用两个或多个天线或天线功能的概念对于与单系统发射/接收带有关的操作来节省空间和降低人体组织损伤的新颖和发明性方式。已知的使用多于一根天线的一些另外的例子，用来实现方向性的分集，用来使得用户手的影响最小，及用于卫星电话。
为了实现分集，多于一根接收天线与一根发射天线(通常与接收天线之一相同)一起使用。作为分集式接收使用的结果据说有5-10 dB的衰落减少。EP-B1-0 214 806和EP-A1-0 648 023公开了其两个例子。一个另外的例子表示在WO-A1-95/04386中。分集是在日本PDC系统中的标准，并且一般使用与一个PIFA(平面倒置F天线)结合的一种鞭状天线。
已经提出了方向性，以便改进在基站方向上的天线增益(即以可变方式)和抑制干扰源。EP-A1-0 649 227是一个例子。
EP-A1-0 752 735公开了多天线的使用，以便简单地通过使用没有由手覆盖(如由VSWR检测)的天线元件之一使得用户手的影响最小。
卫星电话一般对天线具有很强的要求，如在发射和接收频率之间的较大差别或对低损失的极端要求(即应该避免滤波器)。WO-A1-97/26713和WO-A1-98/18175是其两个例子，其中使用具有相同圆偏振的分离发射和接收天线。
现代移动电话较小，并因而在天线、电话本体及用户之间的相互作用变得比早先重要。通常也有对两个或多个频带的要求，并且一种最近的趋势是把天线功能集成到电话本体中，使得它从外部看不到，这习惯上称作内装天线。根据本发明，通过使用用来发射和接收的分离天线能得到多个好处，条件是这些天线根据本发明的特定原理实施，这将在下面描述。对于发射和接收天线的要求相差很大，并且随着减小尺寸，分别优化他们的每一个变得越来越重要。众所周知，当使天线变小时，天线性能将下降。
由于当今的移动电话非常小，并且在电话呼叫期间天线的位置靠近用户的头部，所以更要注意当暴露于电场时对人体的影响。特别研究的问题是SAR(单位吸收率)值，该值最好应该较低。在上述文件中，没有表明如何减小SAR值的努力。
SAR(单位吸收率)用来量化与对人体影响有关的电场，并且也适用于近场。把SAR定义为每一定单位人体组织的功率损失，并且例如美国的FCC(联邦通信委员会)要求小于每克1.6mW(毫瓦)。电话系统要求一定的功率级(如对于最高功率级的GSM为2W波峰和0.25W平均值)。然而应该注意，天线附近的场对于不同类型的天线可能是不同的，即使远离天线的场应该是相同的也是如此。在仿造头内测量SAR，或者能计算SAR。由于SAR的功率密度性质，携带与较大结构相同的功率的较小天线结构更可能接近极限值。对于使用小天线的大多数电话情况就是这样。电话的一般发展因而需要SAR优化解决方案。较大的天线结构一般将产生较低的SAR值，但现代电话设计要求不支持增大尺寸。天线效率是另一个重要特性，并且效率和SAR有些相关，因为SAR显然意味着额外损失。当涉及对于现存极限(由FCC、CENELEC等陈述)或对应测量方法的参考时，这里将使用术语SAR，否则将使用更一般的表示“在人体组织中的损失”。
为了定义一些术语，参考表示带有螺旋天线的典型电话的图1a，螺旋天线是当今最普通类型的天线之一。用户1把装有一根天线3的电话本体2保持到耳朵4。辐射功率必须与讨论的电话系统的要求一致。Prad小于由发射机供给的功率Pin，并且在他们之间的商给出效率。在人体组织(头、手等)中损失的一部分引起靠近天线的人体组织的(非常小的)加热5，并且多次较大加热出现在沿电话的位置6。对于以下讨论，应该注意，在图1a中的电话配置能理解为图1b中所示的非常不对称的电偶极子。非对称偶极子仅在其馈电阻抗上不同于图1c中的普通对称偶极子。沿偶极子1b和1c的电流是相同的，这是电流出现和损失最大值在图1a中5处的原因。
对于发射天线，SAR和效率都很重要。对于在人体组织中的损失，能表明辐射相同功率且定位在离耳朵相同距离的各种小天线能给出相差大于100倍的值。如果需要比由典型当今天线达到的那些低得多的SAR值，则必须使用与人体组织中的损失有关的较有效天线原理的一些。自然磁式天线(环路等)与电偶极子类型的天线相比，将在其近场中给出较小SAR。这通过研究辐射相同功率的来自电偶极子和磁偶极子的场能举例说明。当r减小时，电场分别按1/r3和1/r2增大，并因而磁偶极子(1/r2)在非常小的距离处将具有低得多的E场(对应于SAR)，尽管在长距离处场相同。
电偶极子的场完全示意地表明在图2a中，其中一根在总长度上典型为波长一半或更小的简单线性天线10在其对称间隙11上由一根馈电线12馈电。偶极子在想象坐标系中沿z轴取向，其中由以标准球坐标r、θ和表示的如下公式能描述电场13和磁场14： E r = Z 0 Il cos θ 2 π ( 1 r 2 + 1 jkr 3 ) E θ = Z 0 Il sin θ 4 π ( jk r + 1 r 2 + 1 jkr 3 )
其中：K＝波数(＝2π/λ)，
Z0＝377Ω，
I＝电流，
l＝有效长度。
图3a表示由供有来自线17的电流的小环16举例说明的一个磁偶极子周围的对应场。其对应电场18和磁场19类似于电偶极子的那些。借助于适当的比例缩放，如果互换和比例缩放电场E和磁场H，则他们事实上相同。数学表达式是： H r = AI cos θ 2 π ( jk r 2 + 1 r 3 ) H θ = AI sin θ 4 π ( - k 2 r + jk r 2 + 1 r 3 )
Figure C9981143100106
其中另外：A＝环的面积。
这些公式明显的一个重要性质是，在保持辐射功率的同时，对于增大距离r的远场(辐射场)随1/r衰减。靠近偶极子随距离的变化是1/r2或1/r3，并且这由图2b(电偶极子)和3b(磁偶极子)表明。靠近偶极子径向场最强，径向场对于电偶极子是电场，而对于磁偶极子是磁场。径向场远离偶极子消失。在人体组织中的损失取决于人体暴露的电场，并且由于损失非常靠近辐射结构出现，所以电偶极子与磁偶极子相比具有非常不同的SAR性质。
在非常靠近一个偶极子的距离dn(dn＜λ/10)处的场与在远离该偶极子的距离df(df＞λ/2)处的辐射场相差很远。SAR仅取决于近场，而辐射仅取决于远场。感兴趣的事实是，具有相同辐射功率的不同天线可以具有相差很远的近场。减小人体组织中损失的实际有效方式之一因而是选择适当的天线元件，而不是减小远场和近场，这通过在市场上认为“屏蔽”辐射的各种非认可衰减产品实现。大多数现代蜂窝系统试图增大输出功率来保持无线电连接，引起较短的电池寿命和较小的接收敏感性，而一般不是一个相对减小的近场。
也能期望，与电话本体隔离的天线结构(通过距离或对称性)具有较小损失，因为多种电话由于沿电话本体的电流，在沿电话本体的某一地方表现出最大每单位体积的损失。
磁极子结构的一种SAR测量给出在如下文章中：“具有低用户暴露的小型介电装载个人天线(Miniature dielectric loaded personalantenna with low user exposure)”，Leisten等，Electronics letters，1998年8月20日。
众所周知，天线的大小对于其性能是关键的(见Johnsson的天线工程手册，McGrawHill 1993，第6章)，这能表示为相对带宽(Δf/f)与效率(η)的乘积的限制，该乘积总是小于由天线的有效体积(V)乘以一个常数(如以立方波长表示)：
(Δf/f)η＜constant(v/λ3)
已经建议该常数接近13，但在许多情况下，远不能明确地确定“天线的有效体积”，由于它可以包括电话本体外部结构的一部分或相当大的部分(典型的为全部)。因为这个原因，公式一般不能用于精确计算，而是预计近似尺寸。由该公式预计的尺寸适用于在900MHz频带内的天线，与整个电话本体相差不大，并且在该频带中的典型天线的确占去整个电话以支持产生辐射的电流。由于其尺寸，当今用于GSM、AMPS等的典型电话天线因而是一种对于电话本体本身的联接结构，电话本体在900MHz下是λ/2偶极子天线的粗略近似。为了清楚起见，按如下使用词天线，它涉及参与辐射的整个部分。天线元件是经一个馈电部分馈电的那个部分(例如螺旋元件、PIFA等)。当今使用的典型移动电话天线包括由天线元件馈电的电话的导电部分(电路板、屏蔽结构及或许导电的壳体)。当以不同馈电模式馈电时，相同天线元件能包括在多个天线功能中。在电话本体上的电流一般不仅对于辐射而且也对于SAR起显著作用。作为这种体积条件的结果，包括一个小天线元件、与电话本体隔离的天线，与电话本体相比具有较小的体积，并因而按照效率和带宽也可能是相当差的天线，如果它必须覆盖整个GSM频带的话。
关于典型具有一个波长或更小的最大量度的相当小的结构，这里以后使用术语“小支撑结构”，相当小的结构支撑相同或较小尺寸的天线元件。在设计与安装在大结构(塔、车辆等)上的天线相反的移动电话天线时的一个重要性质是：移动电话必须能够通过其本身操作，并且天线图案、天线阻抗及其他特征受结构有限尺寸的严重影响。这对于不同的天线是不同的，但是如果地平面仅有一个或两个波长大，与当把相同天线安装在能理解成几个波长大的“无限地平面”上时的情形相比，则打算安装在地平面上的天线(如单极或在地面上的槽)将具有相差很远的辐射图案。对于在移动电话上的普通螺旋天线(通常为螺旋线)，能证实尽管其在较大地平面上的辐射阻抗可以是2-3欧姆，但当安装在移动电话上时的阻抗一般已经增大到15-20欧姆。这对于天线的功能和设计，例如就带宽而论，将显著改变条件。因为这种急剧不同，大多数情况必须在安装在“大结构”上与安装在“小结构”上的天线的功能之间区分，但是显然这种区分当天线本身是“小结构”时才是必要的。术语“小支撑结构”将用来把这些情形特征化。在以上参考的“天线工程手册”中的第6章(作者Wheeler)，描述了“小天线”，在该意义上他们能包容在一个具有一个波长或更小作为周长的球(“弧度球”)中。在电话上，这一般应用于天线元件本身，但在大多数情况下，不应用于整个电话。Wheeler的术语“小天线”或“弧度球”因而不应该与这里使用的术语“小支撑结构混淆。
对于接收天线，与用户的相互作用不产生任何SAR问题。相反，天线的有效体积由于用户的存在能增大。与用户的相互作用可能因而甚至是有利的。为了敏感性目的，能包括一根第二接收天线以实现分集功能。这能通过添加一根分离天线、或者在某些情况下通过把一根第二接收天线包括在发射天线中。
当电话由用户的手抓住时也有耦合的变化。各个天线元件的不同特定设计能具有相差很远的衰减。应该记得，大多数当前电话天线实际上是对于电话本体的耦合元件，电话本体通过沿其长度携带电流正在辐射。这一般独立于天线的外观或类型。
几乎所有现代移动电话能描述成沿电话取向的电偶极子，为了简单起见下面把电话称作“竖直的”。从以上观察，这意味着较高的SAR和降低的辐射效率。天线这里是天线元件加上电话本体的至少一部分，并且远场辐射功能基本上具有相同的辐射特性，而与天线元件是在电话顶部中的螺旋线、在其后面或侧面的PIFA、在其后面的槽形天线等无关。在该组中也包括短可延伸鞭状天线元件，这些元件使用这里的术语构成一根天线，但能用机械方法改进以提高某些性能。在用于接收模式的图示方式中，电话周围的电场的一部分由天线元件(螺旋线、PIFA等)“吸引”，从而电场的位移电流的一部分进入天线元件。
带有是或能取向成或多或少垂直于头部的外部天线的电话是已知的。图4表示根据EP-A1-0806809带有一根能弯曲的天线52的例子。借助于弯曲和鞭状天线的长度，辐射在相当大程度上与垂直于皮肤的电偶极子有关。可以期望这增加效率。铁氧体磁心形状的磁偶极子已经用在HF到低VHF频率范围的寻呼系统中。他们一般靠近腰部固定或放在口袋中，并因而平行于身体的局部表面。
图5表示这样一个例子，寻呼机53相邻用户的腰部54固定，并且装有一个起磁偶极子作用的铁氧体磁心55。铁氧体至今在用作移动电话频率的频率下一直很差，否则这种方法会改进磁偶极子。其效率通过用户的存在大大地增大。这些天线仅用作接收天线，而不用作发射天线。
依据场和偏振，一些天线具有靠近用户提高的功能，而其他具有降低的性能。最现代的天线属于第二组。上述寻呼机天线和在EP-A1-0806809中公开的天线属于第一组。借助于电话形状象盒的简化假设，把电话天线划分成六种类型(两种偶极子乘三个方位)是有用的，以把其辐射性能、及其与用户的相互作用类型特征化。
对于非常普遍地使用天线组合，如竖直电偶极子发射天线和具有上述某些较不利性能的竖直电偶极子接收天线，的原因可能在于在电话内适用的小空间内得到效率和带宽的困难。在自由空间量度中得到辐射效率和带宽的最容易方式是使用电话的长度(一般在GSM/AMPS下约λ/2)。“消耗”是较高的SAR和当电话从“自由空间”位置到“通话位置”运动时效率的相当减小。对于典型的移动电话，效率在实际使用中与理想情形(在自由空间中λ/2-偶极子)相比是约10％。该数值通过使用给出对用户较小衰减干扰的天线元件能容易地改进。来自这点的一个结论是，电话最好应该对于通话位置而不是对于自由空间优化。本发明的一个重要部分是避免对用户的损伤性干扰。而且，SAR通常靠近由例如美国的FCC允许的上限。应该观察到，这里关于全部电偶极子功能的叙述仅适用于小天线(固定螺旋线或“内装”天线)。例如，基本上半波长的可延伸天线一般在人体组织中具有低损失，并且由于其相对于电话本体的隔离功能具有对应的高效率。用于在较高频率(1700-1900MHz)下操作的常规大小的电话“较大”，如以波长表示的那样，一般改进了尺寸-带宽-效率折衷情形。
本发明的一个目的在于，得到一种带有其中能更好利用适用空间的天线装置的可携带无线电通信设备，使得有可能或者减小天线元件所需的空间或者提高天线性能、或两者都实现。
本发明的一个目的还在于，得到一种带有天线装置、带有一根发射天线和一根接收天线的可携带无线电通信设备，其中使在天线之间的辐射耦合最小。
本发明的另一个目的在于，得到一种带有其中有可能使用给出在人体组织中的较低损失(即把用户暴露于较低近电场)的天线类型、当以常规电话几何形状应用时与足够性能相结合的可携带无线电通信设备。
本发明的又一个目的在于，得到一种带有天线装置的可携带无线电通信设备，其中有可能使用通过一种平衡构造当电话在通话位置时具有与电话本体的较小相互作用并因而对天线效率具有较小不利影响的天线元件。
这些和其他目的由一种可携带无线电通信设备实现，该设备包括：一个壳体；天线装置，用来发射和接收RF信号；发射和接收电路，布置在壳体内；至少一个导电部分；一个电源；一个用户接口；该设备的特征在于：所述天线装置包括一根第一天线，是一根连接到所述发射电路上的发射天线；所述天线装置包括一根第二天线，是一根连接到所述接收电路上的接收天线；所述第一和第二天线具有彼此相对的正交辐射特性。
本发明的一个目的还在于，得到一种其中能更好利用适用空间的天线系统，使得有可能或者减小天线元件所需的空间或者提高天线性能、或两者都实现。
本发明的一个目的还在于，得到一种带有一根发射天线和一根接收天线的天线系统，其中使在天线之间的辐射耦合最小。
本发明的另一个目的在于，得到一种带有其中有可能使用给出在人体组织中的较低损失(即把用户暴露于较低近电场)的天线类型、当以常规电话几何形状应用时与足够性能相结合的天线系统。
本发明的又一个目的在于，得到一种其中有可能使用天线元件、通过一种平衡构造当电话在通话位置时具有与电话本体的较小相互作用并因而对天线效率具有较小不利影响的天线系统。
这些和其他目的由一种天线系统实现，该系统从一个可携带无线电通信设备发射和接收RF信号，包括：一根第一天线，是一根发射天线，并且可连接到可携带无线电通信设备的发射电路上；一根第二天线，是一根接收天线，并且可连接到可携带无线电通信设备的接收电路上；该天线系统的特征在于第一和第二天线具有彼此相对的正交辐射特性。
通过正交发射或接收天线的布置，实现一种在发射与接收天线之间具有最小耦合的天线系统。适于得到正交辐射特性的天线元件常常是对称的。
当今的移动电话相差很远且以不同方式设计，并因而在不同情况下不同解决方案是最佳的。本发明的一个目的在于，通过在可能性中的不同选择使天线适应不同的电话。
为了在可携带(蜂窝)电话上使用与其类型无关的天线，必须使用当定位在(即如上讨论的那样比λ短的)小支撑结构上较小并且具有希望功能的天线。
通过使用一根用于接收且一根用于发射的两根天线，有可能对于其要求独立于每一根优化每根天线，并且将得到相互耦合的减小，减小对双工功能的要求。
通过使用具有正交辐射特性的天线，将进一步减小在发射机与接收机之间的相互耦合，并且在多种情况下消除对双工电路的需要。正交天线将在多种情况下减小对空间的需要，因为两根正交天线可以占据相同的空间而没有干扰。
通过使用磁偶极子类型的天线，得到一种在人体组织内比电偶极子具有显著较低损失的天线。
使其轴线平行于用户皮肤使用的磁偶极子具有与用户的肯定相互作用，这增大其带宽，同时仍具有明显小于对应电偶极子的SAR。
使其轴线垂直于用户皮肤使用的磁偶极子具有非常低的SAR，但在相同条件下具有比使轴线平行于皮肤的小的带宽。
空间高效解决方案的一个结果是，基于本发明的多种解决方案容易隐藏在电话壳体内。天线的隐藏从外部结构方面来说具有较大兴趣。
通过把天线诸部分集成在壳体中，能更好地利用适用空间，进一步增大把良好天线功能与电话壳体的良好外部结构相结合的可能性。
一个电偶极子(类似于在当今典型商业电话上的天线)和一个磁偶极子类型天线的结合与大多数电话的结构相容，并且能够实现人体组织中的低损失和高效的天线。
得到正交辐射性能的简明解决方案是使用能是电场或磁场的两个交叉场。
为了节省空间，一般希望对于两根天线使用相同空间，而为此一种解决方案是使用以两个不同方式馈电以给出正交场的相同天线元件。
本发明的一个目的在于，使与用户的相互作用最小，但尽管如此，便利地是保持天线远离用户手掌，这通过把天线最好定位在电话的上端中实现。
通过使用磁偶极子类型天线，实现一种与用户具有较低相互作用的天线。
电偶极子一般更容易匹配，但对于发射天线通过消除沿电话的电流有可能得到在人体组织中的较低损失。这能通过水平布置的一根电偶极子发射天线的排列实现。
通过使用较复杂的调谐网络和利用在较高频率下的较好辐射特性，有可能把多带服务与磁环天线的原始尺寸相结合。
图1a以简图表示带有螺旋天线、向用户头部保持的电话。
图1b以简图表示非常不对称的电偶极子。
图1c以简图表示一种普通对称的电偶极子。
图2a用图解法表明一个电偶极子的场。
图2b表示诸场如何取决于离开一个电偶极子的距离。
图3a用图解法表明一个磁偶极子的场。
图3b表示诸场如何取决于离开一个磁偶极子的距离。
图4表示带有能弯曲的天线的已知无线电通信设备的一个例子。
图5是相邻用户腰部固定的、装有起磁极子作用作为接收天线的铁氧体磁心的典型寻呼机的简图。
图6是带有根据本发明第一实施例的天线系统的移动无线电通信装置的简图。
图7是与本发明一些实施例连接使用的混合网络的简图。
图8是与本发明一些实施例连接使用的180°混合环的简图。
图9是根据本发明第二实施例的简图。
图10是根据本发明第三实施例的简图。
图11是根据本发明第四实施例的简图。
图12a-b是根据本发明第五实施例的两种变化的简图。
图13a-b是根据本发明用来调谐一个环的布置的两种变化的简图。
图14表示在当今GSM系统中的频分。
图15a-d表示在相对于用户局部皮肤表面的不同位置中的不同偶极子。
表示在图6中的本发明的实施例涉及一种用于移动无线电通信设备的天线系统。根据本发明，发射和接收天线功能被分离，并且分别由一根发射天线和一根接收天线实现。分离使得与当今使用的发射/接收天线相比有可能减小其相应带宽55-60％(对于GSM的数值)。接收天线可以使用与由当今电话普遍使用的相同辐射模式，而发射天线使用也沿电话取向的磁偶极子(环)。在图6中，一个可携带电话本体65在其顶部提供有一个环60-61，最好内装在电话壳体的内部。为了得到平衡馈电，使用一个形状象8字的环。因为普通环(圆的)难以以平衡方式馈电。在原理上它处于当环的周长是一个波长时能实现的谐振中。通过在62处带交叉导体的8字形状，电流在绕环的一个方向上流动，如从外部看到的那样。使其交叉的环的一种实施是把它印在一个两侧电路板或膜上，使8字环的一半在每一侧上。8字环的两半经电路板或膜中的孔56、57连接。显然当在电话中使用时，环的周长不能是一个波长长。然而，通过在交叉62处在电路板或膜的侧面之间引入一个电容，当制得较短以便装配在电话中时能容易地把它调谐到谐振。这能通过在交叉62处在电路板或膜的每一侧上放大导体的一部分实现。8字环由一根平衡线63馈电，平衡线63又从一个标准180°混合网络64或(一个除反对称外具有对称的平衡-不平衡变换器)馈电。混合64是一个其中两个端口连接到线63上的4-端口。在Δ输入上的信号把馈电给发射线63，并因而分别给在点58和59处的8字环60-61。在点58与59之间的电位差引起在8字环中的循环电流。在∑输入上的一个信号在发射线63的两根导线中给出相同的电流(相同数值和相同方向)，并因而在8字环中不给出循环电流。由于在∑输入上的一种连接被连接到电话体或接地环60-61的信号上，并且电话起一个电偶极子的作用。电偶极子的方向由箭头40指示。电话本体的这种馈电以与以上讨论的当今典型电话非常类似的方式进行。在该实施例中，∑连接要连接到电话的接收机电路上。因而描述的电偶极极子起一根接收天线的作用，并且该操作与发射天线操作相反，及整个环形结构将用作非对称电偶极子的一端，而电话本身将用作另一端。
混合网络64能以多种方式形成，但最容易描述成图7中所示的差动变压器。一个变压器66(它在900MHz下是几毫米大)带有一个向线63馈电的发射输入67、和一个连接到变压器的中心和连接到电话底盘69(或信号地)上的接收机输出68。Johnson的天线工程手册(McGraw Hill 1993)给出多个其他解决方案，其中180°混合环(差接变压器)表示在图8中，并且良好地适于印刷。它包括一个具有名义1.5波长的周长的环73，并且带有彼此隔开一个波长的四分之一的4个连接，留下一个波长的3/4没有连接，如在图中指示的那样。该混合环以与图7中所示网络64的相同方式使用。
如图6中所示，磁环60-61基本上布置在大体上垂直于电话本体的中心轴线的平面内。它也这样布置，从而磁环的中心轴线75基本上与电话本体的前后表面平行。通过这样定向，磁环的发射通过用户的存在支持，这将在下面进一步解释。来自用户的与减小要求带宽相结合的这种支持，使得有可能使用一根环形天线，以便在“通话位置”比当今使用的典型天线得到更好的效率。直到现在，环形天线一直被认为具有太窄的带宽不能用在电话系统中。作为磁偶极子使用的逻辑结果，与标准类型小天线相比SAR显著变低。
当环由在可弯曲膜上的图案形成时，便利的是相同的膜支持减小到电话的电子线路的发射线。平衡-不平衡变换器或180°混合也能形成在相同的膜上。
通过在图6实施例中的天线的布置，发射和接收天线具有彼此相关的正交辐射特性。这意味着在天线之间的耦合将非常小(理论上没有)。
参照图6，壳体包括一个用户接口，如一个显示器、诸按钮等等而且电话本体包括一块包含发射和接收电路的印刷电路板。在电话本体或壳体中，包括一个电池以使单元自支撑。0可能包括屏蔽盖的印刷电路板是一个导电部分，该导电部分能是天线的一部分。而且壳体能是导电的，并且起天线一部分的作用。电话本体也能包括一个能形成天线一部分的金属构架或底盘。一个使电话不连接导线可用的电池能布置在壳体78或电话本体65中。
一般就描述的电话而论，天线元件和电话本体都较小，与要安装在地平面上的其他天线相反。这里，小天线元件的意思是，天线元件基本上小于一个波长。电话本体在这种情况下是一种小支撑结构，这意味着其最大尺寸基本上小于一个波长。
一个第二实施例和一种实施本发明的简单方式，就在发射与接收天线之间的耦合而论，表示在图9中。一个对称电偶极子70提供在电话的顶部中，最好在壳体78内。通过以不同模式向偶极子馈电，它将包括在两个分离和正交的天线中。水平电偶极子70耦合到一个如图7中所示是一个标准元件的差动变压器71上。发射天线经Δ输入73和变压器馈电。因而偶极子被对称地馈电，并由此与电话本体隔离，这将减小人体组织的损失。对于变压器71的输出绕组的中心的连接72连接到接收机上，接收机也连接到电话本体上。接收天线因而与以竖直电偶极子模式辐射的现代电话的天线非常相似。这种天线将改进发射机对接收机的绝缘，并且在人体组织中的损失将比其他电偶极子的低。
表示在图10中本发明的第三实施例，将给出在人体组织中的非常低损失，但将具有一个减小的带宽。硬件类似于图6中所示的实施例的，但把8字环旋转90°，从而它将位于竖直平面中，基本上与电话壳体的背面平行。一块可以弯曲的印刷电路板75，装有8字环76和180°混合电路77，并且定位在电话的后侧以增大离用户的距离。该电路板包括在电话的外壳78内。
上述的磁偶极子由8字环实现，但有可能使用另外不同种类的环或线圈，条件是他们以平衡方式馈电并且是空间高效的。以3或4个扇区划分的环(苜蓿叶式天线)被使用，并且这里也可以使用。借助于适当的对称性，也能使用一个单环。环是磁偶极子天线实施的一种，而显然其他类型是可能的。在地平面中的槽形天线是磁偶极子天线的一种普通类型，但应用在电话上时，在一种“大结构”与一种“小支撑结构”之间的较大差别变得明显，因为一根槽形天线既起磁偶极子天线的作用，又起对于由电话本体形成的电偶极子的馈电线的作用，及对于典型的电话尺寸，第二天线将强有力地支配辐射。还有可能使用铁氧体材料以使磁偶极子更有效。
在本发明的第四实施例中，使用两个磁偶极子，如图11中所示。使用两个垂直环，并且通过对称定位，耦合能较小。差动变压器或180°混合是不必要的，因为每个环使其输入/输出分别连接到发射机/接收机上。发射机天线80竖直地定位(以给出水平磁偶极子，给出在人体组织中的最低损失)，而接收天线81使偶极子有竖直方向。他们与电话本体77都没有强的相互作用。
在图12a-12b中所示的本发明的第五实施例中，类似于第四实施例，使用一种铁氧体材料实现两个偶极子。借助于良好的铁氧体材料，这与图11相比能减小体积，但重量增加。相同的铁氧体磁心82用于两个环(绕组)83和84，两个环83和84用来得到两根彼此绝缘的天线。适当的可能是引入稍微非对称性以补偿电话本体的影响，以便保持低耦合。两个绕组如在图12a中那样可以是竖直/水平的，或者如图12b中那样相对于一个水平面为±45°以得到对称性能。
为了简化以上描述，已经假定单频带操作。环形天线的操作决不受此限制，并且图13a-13b给出一个例子。图13a表示改进的8字环，其中通过在交叉处产生电容86(或C1)把电感85(或L1)调谐到较低频率。一个具有在900与1800MHz之间的谐振频率的串联谐振电路87(带有元件L2和C2)，将起一个900MHz周围的电容器的作用和起一个1800MHz周围的电感器的作用。通过元件的适当选择，能实现在900MHz以及1800MHz(或其他频率)下的调谐。88指示馈电线，并且电感85(L1)构成辐射结构，并因而也构成辐射电阻，这对于一个环能按20K4A2计算，其中k是波数(＝2π/λ)，而A是环的面积。该公式表明辐射电阻在1800MHz下比在900MHz下高得多，这对于在1800MHz下保持良好带宽是非常有用的(便利的)，其中稍微复杂的调谐结构要不然应该减小带宽。图13b给出示意图，其中已经添加两个另外的谐振电路89和90，以改进带宽和调节在两个频率下的匹配。如从电路理论得知的那样，能以多种方式得到对两个或多个频率的调谐，但这里希望对于所有频率使用全环(图13a中的85)。
在其中在馈电中采用Δ和∑输入/输出的描述实施例中，能使用分别来自发射机电路和接收机电路的分离馈电线。然而，能使用一根传输线，把无线电通信设备的无线电收发机电路与一个天线共用器、双工器、或其他耦合装置连接，后者又连接到Δ和∑输入/输出上，并且最好与其相联系地布置。
通过分离接收和发射天线，对于GSM系统对于带宽的需要能减小55-60％，如上述的那样。这能直接转换成对应的尺寸减小，能够实现SAR有效天线的使用。
图14表示当今GSM系统中的频分。30指示是7.6％的名义带宽，而发射机带宽31是2.7％。天线和偏振的适当选择能使与用户的相互作用更有利，并且进一步减小对尺寸的需要以得到足够带宽-效率乘积。其他的电话系统(AMPS、UMTS等)可以具有其他频率，在所有情况下将出现具有大于50％的带宽减小要求。
为了得到分离的天线功能而没有进入另一根天线的功率损失，必须使天线显著不同。这种差别能通过不同的对称性能、不同类型的场、不同偏振或不同的频率范围实现。没有至少一种这样的差别，在使他们一起工作而不顾“双天线外观”的天线之间将有泄漏，并且在他们之间将有功率泄漏。这种差别是本发明中的一个基本概念，并且用术语正交来描述在辐射场方面的“显著差别”。除辐射场之外，由于天线元件的正交性，他们的至少一个一般将具有进一步减小耦合的小带宽，条件是由手等引起的不平衡已经把它改变了一点。
是正交的两根天线意味着，在其辐射图案中的场通常没有任何功率辐射，这也意味着在理论意义上在他们之间没有耦合。从一根天线A1辐射的功率在离天线的长距离处(即在远场区域的任何地方)能按|E1|2/Z0在所有角度上的积分来计算。从一根天线A2辐射的功率将以相同方式按|E2|2/Z0的相同积分来计算。说天线是正交的现在意味着|E1E2|/Z0的对应积分远离天线是零。来自占据有限空间的任何天线或辐射结构的辐射在数学意义上完全描述成基本电磁函数或辐射模式的和。能表明，如果整个结构能包容在一个具有C个波长周长的球中，则显著影响远场的辐射模式的数量近似与C3成比例。对于在900MHz下的现代电话，C接近1，并且六个基本模式(简单偶极子)将给出场的近似描述，但在1800MHz频带下，C为2左右，并且场更复杂。如将由熟悉该概念的任何人认识到的那样，由这组辐射模式能产生不同的线性组合。当在这种用途中使用术语“正交天线”时，因而他们的每一个能最好地描述成组合而不是来自基本组的单纯模式，但对于天线的两根，建造成他们相对于其辐射正交。即使“正交”基本上是数学概念，它也能非常好地转换到实际天线。应该注意，“正交”不只是“不同”。例如，两种天线，例如是使用组合的一个螺旋线和一个PIFA，就不是正交的，因为他们的远场实际上相同，即类似于沿电话的电偶极子。一个实际细节是，“正交”是指自由空间条件，并且变化可以通过包括的头部和手出现，导致|E1E2|/Z0的上述积分与|E1|2/Z0和|E2|2/Z0的积分相比较小而不是零，但天线仍认为是正交的。
磁偶极子具有是比电偶极子的SAR低的数值量级的SAR。定向也具有影响，但重要的边界线在电偶极子与磁偶极子之间。
与用户头部的局部表面平行的磁偶极子和与用户头部的局部表面垂直的电偶极子由在头部表面中的反射支持，这意味着他们比在自由空间中更有效地靠近头部。“更有效”在实际实施中可能取决于匹配电路，但借助于在包括的局部表面中的反射，辐射将增大，这基本上简化了匹配和带宽。在其中在局部表面中的反射抵抗天线的那些情况下，将出现一种要匹配的对应降低或增大困难。这对于与用户头部的局部表面平行的磁偶极子和与用户头部的局部表面垂直的电偶极子相反。在后一种情况下，效率变低，而作为对辐射的补量的种类的SAR变高。尽管这样，磁偶极子仍然具有比电偶极子低的SAR。
这能由图15a-d表明，图15a-d给出相对于用户的局部皮肤表面46的不同位置中的不同偶极子，用户的皮肤在这里假定是平表面。图15a是一个与表面46平行的电偶极子47，而图15b是与该表面垂直的相同偶极子。在第一种情况下，偶极子47感应出一个抵抗偶极子47的“图像偶极子”48，而在第二种情况下，“图像偶极子”有助于真实偶极子。在第一种情况下，用户的存在将在辐射电阻和带宽方面降低性能，而在第二种情况下，将提高性能，因为有效天线较大。对应磁性天线表示在图15c和15d中。环形天线49感应一个在情况15c下辐射一个与真实环同相的图像环50，而在图15d的情况下是彼此抵抗的两个环。用户的存在将改进图15c(其中磁偶极子平行于皮肤)中的性能(辐射电阻和带宽)，而性能在其中磁偶极子垂直于皮肤的情况15d下将降低。“性能”在实际实施中可能取决于匹配电路，但对于在包括的局部表面中的反射，辐射将增大，这基本上简化了在该情况下的匹配和带宽。
尽管借助于以上例子描述了本发明，但自然在本发明的范围内多种变更是可能的。

Claims (39)

1.一种可携带无线电通信设备，包括：
一个壳体；
天线装置，用来发射和接收RF信号；
发射和接收电路，布置在壳体内；
至少一个导电部分；
一个电源；
一个用户接口；
该设备的特征在于：
所述天线装置包括一根第一天线，是一根连接到所述发射电路上的发射天线；
所述天线装置包括一根第二天线，是一根连接到所述接收电路上的接收天线；
所述第一和第二天线具有彼此相对的正交辐射特性。
2.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
所述第一和第二天线的至少一根是磁偶极子型的。
3.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
所述第一和第二天线的至少一根是磁偶极子环形天线。
4.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
所述第一和第二天线的至少一根由无线电通信设备的壳体包容。
5.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
所述第一和第二天线布置成由无线电通信设备的一个壳体包容，并且所述第一和第二天线的至少一根包括无线电通信设备的所述导电部分的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
所述第一和第二天线的一根是电偶极子类型的，而所述第一和第二天线的另一根是磁偶极子类型的。
7.根据权利要求2所述的可携带无线电通信设备，其中
当在使用中时，磁偶极子基本上布置成平行于与用户头部接触的无线电通信设备壳体的一个表面定向，从而磁偶极子在所述表面周围的区域处基本上取向成平行于用户的皮肤。
8.根据权利要求2所述的可携带无线电通信设备，其中
当在使用中时，磁偶极子基本上布置成垂直于与用户头部接触的无线电通信设备壳体的一个表面定向，从而磁偶极子在所述表面周围的区域处基本上取向成垂直于用户的皮肤。
9.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一和第二天线具有相同的电/磁类型，但取向成近似相隔90°，导致不同的偏振。
10.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一和第二天线实际包括在相同部分中，但通过不同的馈电给出两种天线功能。
11.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
对于分集式接收包括一个第三天线功能。
12.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一天线具有磁偶极子类型，并且布置成定位在无线电通信设备的一个端部处，最好在顶部处；
第二天线包括一个构成无线电通信设备的一部分的电偶极子；及
第二天线也包括一个起所述电偶极子一部分的作用的第一天线。
13.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一天线是磁偶极子类型的；及
第二天线是磁偶极子类型的。
14.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一天线是电偶极子类型的；及
第二天线是电偶极子类型的。
15.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
磁偶极子类型的天线包括一个在基片上形成象8字的环；
环的一半布置在基片的一侧上，而环的另一半布置在基片的另一侧上；
环的两半经基片中的孔彼此连接；及
环布置成在中央馈电部分处馈电。
16.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
磁偶极子类型的天线包括一个形成在一个铁氧体磁心上的环。
17.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
第一和第二天线的至少一根包括一个小支撑结构。
18.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
壳体是一种小支撑结构。
19.根据权利要求1所述的可携带无线电通信设备，其中
提供用来把第一和第二天线调谐到多频带的装置。
20.一种从一个可携带无线电通信设备发射和接收RF信号的天线系统，包括：
一根第一天线，是一根发射天线，并且可连接到可携带无线电通信设备的发射电路上；
一根第二天线，是一根接收天线，并且可连接到可携带无线电通信设备的接收电路上；
该天线系统的特征在于
第一和第二天线具有彼此相对的正交辐射特性。
21.根据权利要求20所述的天线系统，其中
所述第一和第二天线的至少一根是磁偶极子型的。
22.根据权利要求20所述的天线系统，其中
所述第一和第二天线的至少一根是磁偶极子环形天线。
23.根据权利要求20-22任一项所述的天线系统，其中
所述第一和第二天线的至少一根布置成由无线电通信设备的壳体包容。
24.根据权利要求23所述的天线系统，其中
所述第一和第二天线布置成由无线电通信设备的一个壳体包容，并且所述第一和第二天线的至少一根包括无线电通信设备的导电部分的至少一部分。
25.根据权利要求20所述的天线系统，其中
所述第一和第二天线的一根是电偶极子类型的，而所述第一和第二天线的另一根是磁偶极子类型的。
26.根据权利要求22所述的天线系统，其中
当在使用中时，磁偶极子基本上布置成平行于与用户头部接触的无线电通信设备壳体的一个表面定向，从而磁偶极子在所述表面周围的区域处基本上取向成平行于用户的皮肤。
27.根据权利要求22所述的天线系统，其中
当在使用中时，磁偶极子基本上布置成垂直于与用户头部接触的无线电通信设备壳体的一个表面定向，从而磁偶极子在所述表面周围的区域处基本上取向成垂直于用户的皮肤。
28.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一和第二天线具有相同的电/磁类型，但取向成近似相隔90°，导致不同的偏振。
29.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一和第二天线实际包括在相同部分中，但通过不同的馈电给出两种天线功能。
30.根据权利要求20所述的天线系统，其中
对于分集式接收包括一个第三天线功能。
31.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一天线具有磁偶极子类型，并且布置成定位在无线电通信设备的一个端部处，最好在顶部处；
第二天线包括一个构成无线电通信设备的一部分的电偶极子；及
第二天线也包括一个起所述电偶极子一部分的作用的第一天线。
32.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一天线是磁偶极子类型的；及
第二天线是磁偶极子类型的。
33.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一天线是电偶极子类型的；及
第二天线是电偶极子类型的。
34.根据权利要求20所述的天线系统，其中
磁偶极子类型的天线包括一个在基片上形成象8字的环；
环的一半布置在基片的一侧上，而环的另一半布置在基片的另一侧上；
环的两半经基片中的孔彼此连接；及
环布置成在中央馈电部分处馈电。
35.根据权利要求20所述的天线系统，其中
磁偶极子类型的天线包括一个形成在一个铁氧体磁心上的环。
36.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一和第二天线的至少一根包括一个小支撑结构。
37.根据权利要求20所述的天线系统，其中
第一和第二天线布置成安装到小支撑结构上。
38.根据权利要求20所述的天线系统，其中
天线系统提供用来把第一和第二天线调谐到多频带的装置。
39.一种可携带无线电通信设备，
其特征在于它装有根据权利要求20-38任一项所述的天线系统。
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