CN1149709C - 使用极化分集的个人通信设备 - Google Patents

Abstract

一种个人通信设备(例如，蜂窝电话手持机)，有一个天线分集装置，该天线分集装置包含极化轴被安排成向该手持机机身(218)的正中平面相对地倾斜的第一和第二天线(102A、102B)。不管是右手用户还是左手用户，通过选择适当的倾斜角度，可以使得该天线之一在使用时基本上将被安置成垂直的，因此提高了从垂直极化的基站接收到的信号强度。该设备也增强了分集操作，因为通过天线的相关方向可以减小由它们接收到的场强之间的相关性。当该设备被使用于采用码分多址(CDMA)技术的系统中时，该设备最好是包括一个2D Rake接收机，以便缓解多径衰落和干扰的影响。

Description

使用极化分集的个人通信设备

技术领域

本发明涉及具有天线分集装置的个人通信设备，例如蜂窝电话手持机。

背景技术

在蜂窝通信系统中，无线信号从基站被传送到移动台，反之亦然。从蜂窝基站发送的无线信号通常是垂直极化的。蜂窝手持机一般有一个天线，如普通模式的螺旋状天线、或可拉伸的单极天线，它们安装在手持机的顶部，且大约和手持机的最长轴(正中平面)线一致。因此这种天线沿该轴进行极化，以便当竖直持有该手持机时，其天线是垂直极化的。

然而，一般蜂窝手持机的持有方向与垂直方向保持有一45°和75°之间的夹角，其均值大约为60°，以便使话筒靠近用户的嘴巴而扬声器靠近用户的耳朵(移动天线系统手册，K Fujimoto和J RJames，Artech出版社，1994，第227页)。当手持机保持在这个角度时，在手持机和基站之间信号的传送中就引入了极化损耗。

人们已经认识到这个问题，例如，在EP-A-0 652 646中公开了一种带有支轴的天线杆的蜂窝手持机，该天线杆被加重使得其相对手持机的方向在较大范围内保持基本上垂直。然而，这种设备在手持机内需要较大空间，且容易引起干扰。

使用蜂窝手持机的另一个问题是由从基站到移动台经过不同长度的路径传输的信号引起的多径衰落，以及各种其它类型的干扰。这类问题可以通过使用天线分集或其它的空间处理技术得到解决。

发明的公开内容

本发明的一个目的是提供一种具有提高的无线接收性能的个人通信设备。

根据本发明，提供了一种个人通信设备，它包含一个包括收发信机电路和天线分集装置的机身，该天线分集装置包含其各自的极化轴被安排成相对地向该机身的正中平面倾斜的第一和第二天线。

尽管天线的倾斜一般是关于正中平面对称的，但这并不总是最佳方向。例如，如果通过手持机的话筒和扬声器位置的平面与正中平面不平行，则天线可能改而关于该平面对称地倾斜(因为是话筒和扬声器的位置决定了正常使用中手持机的方向)。因此，在本发明的说明书和权利要求书中，术语“正中平面”应理解为包括通过话筒和扬声器的平面，特别是当它们并未被安置在机身的对称平面上时。

按照本发明，提供了一种个人通信设备，它包含一个包括收发信机和天线分集装置的机身，该天线分集装置仅包含第一天线和第二天线，其中该第一天线的第一极化轴和该第二天线的第二极化轴对于该机身相关的一正中平面相对地倾斜。该第一极化轴和第二极化轴以45°和75°之间的夹角向该正中平面倾斜。该收发信机电路包含一个用于处理由该第一天线和第二天线接收到的信号的2D Rake接收机。位于该机身中的话筒和位于该机身中的扬声器，以及该话筒和该扬声器的对准定义了与该机身相关的正中平面。该第一天线和第二天线相互朝向地倾斜。该第一天线和第二天线相互离开地倾斜。所述机身的对称平面定义与所述机身相关的正中平面。

附图简述

现在结合附图，通过举例来描述本发明的实施方案，其中：

图1是个人通信设备的示意方框图；以及

图2是按照本发明制造的个人通信设备的视图。

在图中，相同的参考数字用来表示相对应的特征。

用于实现本发明的模式

具有天线分集装置的个人通信设备100的示意方框图示于图1中。这个具体例子是基于GSM(全球移动通信系统)蜂窝电话的，但是类似的原理可应用于其它的蜂窝电话标准，以及其它的个人通信设备，例如双向无线设备。

首先考虑工作在语音电话呼叫过程中的电路的接收部分。两个空间分离的天线102A、102B接收来自远程基站的信号，该信号由分集单元104处理以便产生一单一射频(RF)信号。一种最简单的形式是：单元104从两个信号中选择较强的一个，但是其它的众所周知的组合方法可用来代替这种方法，例如基带上的最大比率合并。接下来RF信号被送进RF收发信机功能块108，它将RF信号下变换到较低的中频(IF)。

传递该IF信号给中频功能块(IF)110，后者将IF信号下变换为基带信号。接下来传递该基带信号给基带处理功能块(BB)112。该功能块执行各种任务，包括语音译码、信道译码以及解交织。接收到的音频信号被转换回模拟信号以便在扬声器116或其它合适的输出设备上再生。

现在考虑电路的发送侧。语音信号由话筒114或其它合适的输入设备接收，并被传递给基带处理功能块112，在那里它们被转换成数字形式。接下来基带处理功能块112对语音进行编码，并进行信道编码和交织，以便降低接收到的比特差错率。该用于传输的合成信号经调制后被传递给IF功能块110。在这里基带信号被向上转换到IF频率。

该IF信号被传递给RF无线收发信机功能块108，在那里它被混频成RF传输频率，并由功率放大器(PA)106放大到要求的功率。接下来它被传递给分集单元104以便通过天线102中的一个或两个来发送。选择发送信号的相位使邻近损耗最小化。

在采用码分多址(CDMA)技术的个人通信设备(例如，按照新兴的通用移动通信标准(UMTS)工作的设备)中分集单元104最好是包括一个2D的Rake接收机。这种接收机在例如1998年10月的IEEE军事通信会议论文集的182-186页的文章(Proceedings of IEEEMilitary Communications Conference，October 1998，Pages 182-186)“Performance Analysis of a Compact Array Receiver for CDMACellular Communications(用于CDMA蜂窝通信的紧密阵列接收机的性能分析)”中进行了描述。它们通过使用接收到的信号的时间(时延扩散)和空间(波束成形、分集)特征，能够降低通常在移动通信环境中发现的多径衰落和干扰的影响。

个人通信设备的一种通用形式是蜂窝电话手持机。图2是按照本发明制造的这种手持机的实施方案的视图。手持机包括在其上安置了第一和第二天线102A、102B的机身218。该设备的电路主要部分布置在机身218内，包括分集单元104，该分集单元又包括一个以传统方式设计的2D Rake接收机。话筒114和扬声器116位于机身218的孔道之后。机身218也具备显示部件220，以及用于控制该设备的多个键222。

在图2所示的实施方案中，天线102A、102B是螺旋状的天线，它们每个的极化轴向机身218的正中平面倾斜，且与那个平面的夹角为45°到75°之间，例如为60°。除了它们的方向外，天线102A、102B是传统的螺旋状天线。机身218可能包括一个塑料天线罩，以便不露出天线。当手持机正在使用并被持在用户的左手时，第一天线102A将基本上保持垂直方向，而当手持机被持在用户的右手时，第二天线102B将基本上保持垂直方向。

因此，无论手持机是被持在用户的左手或右手，天线102A和102B之一将基本上垂直极化，同时另一个天线将基本平行极化。所以，与水平极化的天线相比，垂直极化的天线将增强增益。

当存在大的时延扩散时，2D Rake接收机对处理接受信号的时变性是最有效的并且主要使用了来自垂直极化天线的信号。例如，一个带宽4MHz的UMTS信号，对应有250ns的时间分辨率。在典型时延扩散为2us的室外环境下，这允许使用多达8个分支的Rake接收机，并提供较好的多径效应解决方案。

当存在小的时延扩散时，Rake接收机的空间维数起决定作用。例如，在典型时延扩散小于100ns的室内环境下，对于带宽为4MHz的信号，Rake接收机不能解决多径效应。分集措施可能通过多径交叉极化效应来实现(也因为由于两个天线之间的夹角大约为120°，所以“水平极化”天线并非真正水平的缘故)。对于有效的分集操作，每个天线102A、102B接收到的场强应该是不相关的。在本发明的该实施方案中，天线之间的夹角大大降低了每个天线接收到的信号之间的相关性，因此提高了分集性能。

当存在小的时延扩散时，Rake接收机的空间维数起决定作用。例如，在典型时延扩散小于100ns的室内环境下，对于带宽为4MHz的信号，Rake接收机不能解决多径效应。分集措施可能通过多径交叉极化效应来实现(也因为由于两个天线之间的夹角大约为120°，所以“水平极化”天线并非真正水平的缘故)。对于有效的分集操作，每个天线102A、102B接收到的场强应该是不相关的。在本发明的该实施方案中，天线之间的夹角大大降低了每个天线接收到的信号之间的相关性，因此提高了分集性能。

上面描述的本发明的实施方案使用了螺旋状天线。然而，也可改用其它类型的天线，例如，为了易于制造而印刷在机身218内包括的印刷电路板衬底上的迂回线状天线。为了得到最佳性能，天线102A、102B最好是线性极化的。

为了说明按照本发明的天线装置的有效性，可确定一些样本天线装置的平均有效增益(MEG)。MEG等效于多径环境下自由空间天线增益，参见移动天线系统手册，K Fujimoto和J R James，Artech出版社，1994，86-114页的例子。它可表示为：

$\mathrm{MEG}=\frac{1}{1+X}{\∫}_{\mathrm{\Ω}}(G_{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)p_{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)+{\mathrm{XG}}_{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)p_{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\Ω}\right))\mathrm{d\Ω}$

其中G_θ和G_φ分别是以角度θ和φ极化时的天线功率增益(其中θ和φ在它们在球面座标中有正常均值)；

X是交叉极化比率P_φ/P_θ，其中P_θ和P_φ是在多径环境下，分别由以各向同性角度θ和φ极化的天线接收到的功率；

p_θ和p_φ分别是以角度θ和φ进入的极化平面波形的角密度函数(到达角度的概率分布)；以及Ω是立体角。

采用两种多径环境模型，城区宏小区和城区微小区。在宏小区中，假设交叉极化比率是-6dB，到达信号与基站和手持机连线之间的角度均值大约为30°。在微小区中，假设交叉极化比率是-9dB，到达的角度均值接近于基站和手持机间的连线。

采用两种天线装置模型，两者都是在尺寸为10×4×1厘米的金属手持机上，且在2GHz频率上。在第一装置中，使用的是安置在手持机上的20毫米的单极天线。在第二装置中，使用的是安置在手持机上的25毫米的偶极天线(模拟半波螺旋状天线的效果，该物理长度是一典型值，并几乎不需要手持机接地平面的电流)。

得到的结果是：

环境	MEG变化(dB)
			单极	偶极
	城区宏小区	+0.3			+1.5
城区微小区			+0.4	+2.3

单极的结果表明，在这种情况下只有微小的MEG提高，因为射线主要来自于手持机而不是天线。偶极的结果是在实际中使用螺旋状天线可得到的典型值，且表明其有大的提高。

尽管在本发明的上面描述的实施方案中，第一和第二天线102A、102B各自都以大约60°的角度向手持机机身的正中平面倾斜，但这个角度并非在所有情况下都是最佳的。最佳角度是在两个主要因素之间的折中，首先对准天线102A、102B之一的极化方向尽可能地靠近发射机的极化方向，其次使天线接收到的场强之间的相关最小化。次要因素包括：进入波形的到达角度的概率分布的考虑；在使用手持机的环境中的通常的交叉极化比率；以及随着手持机天线倾斜度的增加，手持机机身感应的电流增加，因而降低了天线的有效性的因素。

在没有图示说明的本发明的实施方案中，可安置第一和第二天线102A、102B以使它们的极化轴相互倾斜远离。具有这种安排，则当电话机持在用户的右手中时，天线102A将基本上在垂直方向，而当电话机持在用户的左手中时，天线102B将基本上在垂直方向。

应该记住在本发明的说明书和权利要求书中，正中平面的定义包括通过话筒114和扬声器116的平面，特别是当它们不能被安置在机身218的对称平面上时。在这种情况下，左手和右手使用时，所持电话机的角度可能不同，且天线可能关于通过话筒114和扬声器116的平面对称地倾斜放置。

尽管本发明上面的描述是关于包含在蜂窝电话手持机中的实施方案的，但它也可应用于其它形式的个人通信设备中。例如，该设备可能是包含无线通信功能的个人数字助理(PDA)。正常使用中的这种设备，其宽度可能要比厚度大。因此，天线102A、102B可能从设备前面向后面倾斜，或反之亦然。

在阅读了本公开内容后，本发明的其它改进对本领域的技术人员将显而易见。这类改进可能包含在设计、制造和使用个人通信设备以及它们的组成部分中大家已经知道的其它特征、以及所述特征可用来替代在这里已经描述的或附属特征。尽管在本申请中，权利要求被阐述为具体特征的组合，但应该理解，本申请的公开的范围也包括任何此处明确或隐含公开的新颖特征、或任何新颖的特征组合或对其的推广，不管它是否涉及与权利要求书中当前要求的一样的发明，和是否缓解与本发明缓解的技术问题相同的任何和所有问题。本申请人特此说明，在本申请或在任何其它由此导出的进一步申请的进行期间，新的权利要求可以被阐明为这类特征和/或特征的组合。

在本发明的说明书和权利要求书中，置于单元之前的词“一个”，并不排除多个同类单元的出现。此外，词“包含”并不排除在所列举的单元或步骤之外的其它单元或步骤的出现。

工业实用性

本发明可应用于很大范围内的个人通信设备，例如，蜂窝电话手持机和PDA。

Claims (7)

1.一种个人通信设备，它包含一个包括收发信机和天线分集装置的机身，该天线分集装置仅包含第一天线和第二天线，其中该第一天线的第一极化轴和该第二天线的第二极化轴对于与该机身相关的一正中平面相对地倾斜。

2.权利要求1中的设备，其特征在于，该第一极化轴和第二极化轴以45°和75°之间的夹角向该正中平面倾斜。

3.权利要求1或2中的设备，其特征在于，该收发信机包含一个用于处理由该第一天线和第二天线接收到的信号的2D Rake接收机。

4.权利要求1或2中的设备，其特征在于，位于该机身中的话筒和位于该机身中的扬声器，以及该话筒和该扬声器的对准定义了与该机身相关的正中平面。

5.权利要求1中的设备，其特征在于，该第一天线和第二天线相向地倾斜。

6.权利要求1中的设备，其特征在于，该第一天线和第二天线相互离开地倾斜。

7.权利要求1中的设备，其特征在于，所述机身的对称平面定义与所述机身相关的正中平面。

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