CN1468468A - 用于gps应用的反向折叠f天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种折叠反向F天线(FIFA)(20)，其包括：L型接收元件(30)，具有沿折叠边沿(38)连接在一起的第一平面部分(34)和第二平面部分(36)。被放置垂直于形成PCB接地面的第二平面部分(36)的印制电路板(PCB)(40)。FIFA包括置于下面并且放置在大约平行于第二平面部分(36)的第二接地面(42)。至少一个短导体(54)，其将所述接收元件(30)连接到所述PCB和第二接地面(40，42)中至少之一。至少一个接收导体(58)，其将所述接收元件连接到接收电路(50)。FIFA适合用于诸如蜂窝电话的无线通信设备中，以接收来自全球定位系统(GPS)卫星的位置信号。FIFA提供了沿天顶方向对电磁场的增强的灵敏度场，并且提供了比常规平面反向F天线(PIFA)更大的天向增益。

Description

用于GPS应用的反向折叠F天线
技术领域
本发明涉及用于便携式、无线通信设备中的天线，具体地说涉及用于接收全球定位系统(GPS)信号的天线。
背景技术
平面反向F天线(PIFA)被广泛地使用在蜂窝电话手持设备中，以向和从基站发射和接收射频(RF)信号。图1中示出了现有技术的PIFA。通常，常规的PIFA包括大约平行放置的阳极导体和接地导体。通常，由一根短条(未示出)连接阳极导体和接地导体，而通常采用同轴线作为反馈脚(未示出)。
由于PIFA是平面天线，通常将它平行地安装到印制电路板(PCB)12接地面。由于蜂窝电话手持设备的尺寸小，通常，仅仅将PIFA的谐振模式用于天线辐射。如图所示，用于第一谐振模式的最大辐射的方向14垂直于天线的平面。
此外，PIFA已经被用在独立的全球定位系统(GPS)中。在GPS应用中，通常将PIFA安装在汽车或者独立盒子的顶部，因此它通常平行于地平面。在这个朝向上，最大的发射/接收方向垂直于地平面，也就是指向天空，GPS信号从这里被发射出去。
随着管理来自蜂窝电话的紧急(E911)电话呼叫的建立的FCC规则的制定，现在要求蜂窝电话具有GPS芯片或者地理位置接收机，并且能够接收GPS卫星发射的GPS位置数据。蜂窝电话或者其它便携式无线通信设备中具有GPS芯片允许如果用户处于危险或者需要医疗关注时，用户可以按下911或者应急按钮。然后，便携式无线设备将处理来自多个GPS卫星的定位信号。然后，位置信号被从无线设备发射到警察、火灾或医疗经济部门，使得可以容易地确定用户位置。
如果使用PIFA来接收GPS信号，象在其它蜂窝应用中一样，通常平行于PCB接地面安装它。然而，使用蜂窝电话时，通常将它保持在垂直位置。在这个位置，PIFA的最大的辐射/接收直接朝向水平方向，并且它的最小的辐射/接收朝向天空。通常，PIFA的天线增益在最小的辐射/接收方向上要比在最大的辐射/接收方向上低10dB。因此，利用PIFA来接收GPS信号导致差的通信链路或者掉线呼叫。对这种问题的一种潜在方案是将整个PIFA安装在蜂窝电话外壳的顶部，使得它的最大辐射/接收点朝向天空。然而，现在使用的较小的蜂窝电话外壳没有足够的空间来支持这样安装PIFA。因此，存在一种对反向F天线的需要，其能够有效地从GPS卫星接收定位信号。
本发明旨在提供一种新的和改进的反向F天线，用于接收GPS信号，其克服了上面提到的和其它问题。
附图说明
本发明可以采用各种器件和器件配置形式，并且可以采用各种步骤以及配置步骤。附图仅仅是用于说明优选实施例的目的，而不是构成对本发明的限制。
图1是安装在蜂窝电话的印制电路板(PCB)上的常规PIFA的透视图；
图2是根据本发明的优选实施例的折叠反向F天线(FIFA)的透视图；
图3A，3B，和3C是根据本发明另一个实施例的透视图；
图4为根据本发明的能够发射/接收圆极化信号的FIFA的另一个
实施例的透视图。
具体实施方式
参见图2，本发明的折叠反向F天线包括L型或者折叠导电板，其形成用于天线的接收元件30。优选地，接收元件30安装在电介质衬底32上。由于天线是可倒立的设备，应当理解，导电板30可以用作辐射元件，用于发射射频(RF)信号的辐射元件和/或用于检测RF信号的接收元件。接收元件30由共享一个折叠边缘38的平行面34和垂直面36组成。优选地，平行面和垂直面之间的折叠角度大约为90度。然而，应当理解，接收元件的折叠角度可以具有小于或大于90度的其它值。如图2所示，折叠的辐射/接收元件30被安装在印制电路板(PCB)平面40的顶部，使得平行面34平行于PCB，并且垂直面36垂直于PCB。在蜂窝电话和其它无线通信设备中，这样的PCB是标准的。将根据蜂窝电话来讨论本发明的实现。然而，应当理解，FIFA可以采用其它的无线通信设备诸如个人数字助理(PDA)和单独的GPS站。
分离的天线接地平面42被放置在接收元件30的垂直面36之下，并且基本上平行于垂直面36。在一个实施例中，PCB40用作平行面34的接地面。在另一个实施例中，除了PCB之外，单独的接地面(未示出)被安装基本上平行于平行面32。应当理解，在PCB用作用于平行面的接地面的实施例中，FIFA呈现出较好的带宽。
在图2的实施例中，PCB用作用于平行面的接地面，接收电路50被放置在平行面34和PCB接地面40之间。利用平行面和PCB接地面之间的空间来安装天线电路或者器件有助于提高整个系统效率，其便于将本发明用在较小的电话外壳中。
FIFA包括至少一个短引脚或者导体54，其将L型接收元件30连接到第一接地平面42和/或PCB接地平面40。此外，接收导体或接收线58将天线的接收器电路连接到接收元件30。优选地，包含内部导线和外部接地屏蔽的同轴电缆被用作接收导体。应当理解，短的导体和接收导体的位置影响天线的性能。图3A，3B和3C说明具有用于FIFA的短的和接收导体位置的另一个实施例。图3A说明具有短导体和接收导体54和58的实施例，它们分别连接到接收元件30的平行面34。图3B说明另一个实施例，其中，接收导体58连接到接收元件30的垂直面36，并且短导体56连接到接收元件30的平行面34。图3C说明另一个实施例，其中，短导体和接收导体54和58都被连接到接收元件30的垂直面。应当理解，通过改变在接收元件的平行和/或垂直面上的接收和/或短导体的位置，可以改变用于上面所述的每一个实施例的天线性能。
再看图2，正如下面要更加详述的一样，分别调整短导体和接收导体54和58，以获得对全球定位系统(GPS)卫星发射的电磁场的最大灵敏度。由于GPS卫星的位置在地球表面上，发射的GPS信号沿天顶方向，也就是天空传送。
具体地说，地理位置接收器50和相关的FIFA天线20给无线设备提供了嵌入的GPS能力。GPS能力指的是通过利用GPS卫星星群来自己确定位置的能力。可以利用全球定位系统(GPS)来从自卫星星群接收到的信号中确定在地球表面上或附近的GPS接收器的位置。为了可以在地球上的任何位置都可接收到至少4颗卫星的信号，将GPS卫星的轨道安置在多个面上。更加具体地，在地球表面上的大多数地方，接收来自6或8颗卫星信号。固定地面站精确地确定GPS卫星的轨道，并且将轨道转发给飞行器。通过来自4或更多颗卫星的电磁信号的传播时间，可以计算靠近地球表面的任意点的经度、纬度和角度。
根据这些传播时间，在GPS接收器和卫星之间确定称为“伪距”的测量范围。将测量范围称为伪距是因为在卫星上的定时时钟和GPS接收器之间有时间偏移。为了确定三维位置，需要至少4颗卫星信号来解决由时间偏移和三维位置解出四个未知数。从GPS卫星发射出的信号特征在文献里是公知的。
每一颗GPS卫星发射两个扩频、L波段载波信号，称为L1和L2信号。如果想要消除由于由大气引起的对发射信号的折射而产生的任何误差，需要两个信号。正如本领域普通技术人员所公知的一样，来自每一个颗GPS卫星的L1信号是被两个相位正交的伪距码调制的二进制相移键控(BPSK)。
利用二进制伪随机码来调制载波信号的相位产生了抑制载波扩频信号。来自每一个颗卫星的L2信号是仅被一个伪随机码调制的BPSK。伪随机码的使用允许使用多个GPS卫星信号来确定接收器位置，并且提供导航信息。通过为特定卫星产生、匹配或者相关伪随机码，选择由特定GPS卫星发射的信号。一些伪随机码是公知的，并且被产生或存储在GPS接收器中。其它的伪随机码不是公知的。
再次参见图2，接收元件30的平行面34和垂直面36在垂直于平行面和垂直面的方向上都具有最大的辐射灵明度60，62。换言之，由于蜂窝电话通常是垂直安放的，接收元件30的平行面34在水平方向上具有最大的辐射灵敏度60，并且接收元件30的垂直面36在天顶方上具有最大的辐射灵敏度62。这两个最大的辐射灵明度60，62形成了连续的辐射灵敏度场64。优选地，当蜂窝电话在偏离垂直方向的大约30度到大约垂直方向的用户位置中时，FIFA的辐射灵敏度场被调谐来接收GPS位置信号。
根据无线设备外壳的物理几何形状，可以改变接收导体58和短导体54的位置。例如，用于具有相对电话本体开口并且靠近的移动部分的蜂窝类型电话中的FIFA将具有不同的接收导体和短导体的位置，接收导体和短导体用于常规的“candy bar”型蜂窝电话。换言之，改变接收元件的平行面34和垂直面36的接收导体58和短导体54的接触位置以调整全部的最大辐射灵明度，使得不论蜂窝电话的朝向如何，它都指向天空或者天顶方向。优选地，辐射灵敏度场是可调谐的，使得GPS信号将位于用于从垂直方向到偏离垂直方向大约30度的蜂窝电话朝向的最大辐射灵明度之内。在天顶方向上，FIFA20比常规的平面反向F天线具有大约大6dB的天线增益。
继续参见图3A-3C，具有接收引脚58和短引脚54的FIFA结构(图3A-3C)提供了一天线，其能够接收线性极化(LP)信号。GPS卫星发射圆极化(CP)信号。然而，任何由GPS卫星发射的CP场可以被分解成两个具有90度相位差的正交LP场，两个LP场中的一个匹配FIFA天线的极化。
参见图4，并且继续参见图3A-3C，在另一个实施例中，通过在接收/辐射元件30上采用两个短导体541，542以及一个接收导体58来配置FIFA以发射/接收CP信号。在一个实施例中接收导体58在折叠边沿58上与接收元件30接触。如图4所示，一个短导体541连接到平行面34，而另一个短导体542连接导垂直面36。通过调整短导体的相对位置，调谐FIFA以改变它的灵敏度/辐射场的强度和相位，从而可以在所希望的方向上接收/发射CP场。应当理解，通过连接两个接收导体，可以检测/发射CP场，其中一个接收导体在平行和垂直面中的每一个上，且单独的短导体接收/辐射元件。

Claims (25)

1.一种用于便携式无线设备的天线设备，该天线设备包括：
第一接地面；
基本上与第一接地面平行的第一导体面；
基本上垂直于第一接地面和第一导体面的第二接地面；
基本上平行于第二接地面的第二导体面；
在i)第一接地面和第一导体面，和ii)第二接地面和第二导体面中的至少一个之间延伸的短导体；和
至少一个接收导体，在接收电路和i)第一导体面和ii)第二导体面中的至少一个之间延伸。
2.如权利要求1所述的设备，其中，第一接地面限定了所述无线设备的印制电路板(PCB)。
3.如权利要求2所述的设备，其中，第一导体面和第一接地面分离开以限定用于放置无线设备电路的印制电路板的区域。
4.如权利要求1所述的设备，其中，第一导体面和第二导体面在它们的共有的边沿处结合起来以限定折叠边沿。
5.如权利要求4所述的天线设备，其中：
所述接收导体将所述接收电路连接到第一和第二导体面的折叠边沿；
第一短导体将第一导体面连接到第一接地面；和
第二短导体将第二导体面连接到第二接地面。
6.如权利要求5所述的天线设备，其中，第一和第二导体面接收由全球定位系统(GPS)卫星发射的圆极化电磁辐射场。
7.如权利要求1所述的天线设备，其中：
第一导体面在水平方向上对电磁辐射场最敏感；和
第二导体面在天顶方向对电磁辐射场最敏感。
8.如权利要求7所述的天线设备，其中，所述接收导体和短导体被放置在第一和第二导体面上，以接收来自全球定位系统(GPS)卫星的射频信号。
9.如权利要求1所述的天线设备，其中，所述接收导体是具有内部导线和外部导体的同轴线，其中所述内部导体将第一和第二导体面中的至少一个连接到所述接收电路。
10.在无线通信系统，一种利用便携式无线设备接收来自全球定位系统(GPS)的信号的方法，该方法包括：
将L型接收元件放置在所述便携式无线设备中，使得所述接收元件的垂直面朝向天顶方向，且所述接收元件的平行面朝向水平方向；
利用短导体将所述接收元件连接到第一接地面和第二接地面中的至少一个；
利用接收导体将所述接收元件连接到接收电路；和
使对沿所述天顶方向传送的GPS信号的灵敏度最大。
11.根据权利要求10的方法，其中所述最大化步骤包括：
根据所述便携式无线设备的几何结构来调整所述短导体和接收导体的位置。
12.根据权利要求11的方法，其中所述短导体和接收导体被放置以使在从平行所述天顶方向到偏离所述天顶方向30度范围内的方向上传送的电磁场的辐射灵敏度最大。
13.一种用在便携式无线通信设备的反向F天线，能够接收来自全球定位系统(GPS)的信号，该天线包括：
印制电路板(PCB)接地面，其具有第一平面和顶部边沿；
L型接收元件，其具有平行于所述PCB平面表面的第一平面部分和垂直于所述PCB平面表面的第二平面部分，第一和第二平面部分沿折叠边沿连接在一起；
置于下面并且放置在大约平行于第二平面部分的第二接地面；
至少一个短导体，其将所述L型接收元件连接到所述PCB和第二接地面中至少之一；和
至少一个接收导体，其将所述L型接收元件连接到接收电路。
14.根据权利要求13的反向F天线，其中第一平面部分大约平行于所述PCB接地面并且与所述PCB接地面分离。
15.根据权利要求14的反向F天线，其中所述接收电路被放置在所述分离开的PCB接地面和第一平面部分之间。
16.根据权利要求15的反向F天线，其中：
所述接收导体将所述接收电路连接到所述接收元件的折叠边沿；
第一短导体将第一平面部分连接到所述PCB接地面；和
第二短导体将第二平面部分连接到第二接地平面。
17.根据权利要求15的反向F天线，其中所述短导体和接收导体被放置在所述接收元件上，以使沿天顶方向对电磁场的辐射灵敏度最大。
18.一种用于便携式器件的天线，其包括：
具有PCB平面表面和顶部边沿的印制电路板(PCB)；和
辐射元件，其包括：
与所述PCB平面表面平行的第一平面部分，和
垂直于所述PCB平面表面的第二平面部分，第一和第二平面部分沿折叠边沿连接在一起。
19.根据权利要求18的天线，其中所述PCB的至少一部分包括接地面。
20.根据权利要求18的天线，进一步包括与第一平面部分和第二平面部分中任意之一平行的接地面。
21.根据权利要求20的天线，其中所述接地面电连接到所述第一平面部分和第二平面部分中任意之一。
22.一种蜂窝电话，包括：
具有PCB平面表面和顶部边沿的印制电路板(PCB)；和
辐射元件，其包括：
与所述PCB平面表面平行的第一导电平面部分，和
垂直于所述PCB平面表面的第二导电平面部分，第一和第二导电平面部分沿折叠边沿连接在一起。
23.根据权利要求22的蜂窝电话，其中所述辐射元件放置于靠近所述顶部边沿。
24.根据权利要求22的蜂窝电话，进一步包括与第一导电平面部分和第二导电平面部分中任意之一平行的接地面。
25.根据权利要求22的蜂窝电话，进一步包括电连接到所述辐射元件的全球定位系统(GPS)接收器。
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