CN1849755A - 具有内部天线系统的通信装置 - Google Patents
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Abstract
通信装置(100，500，800)包括外壳(115)和天线系统。外壳(115)包括至少一个金属部分(110)和至少一个非金属部分(105)。天线系统用于调谐通信装置(100，500，800)以在一个或多个频率上辐射。该天线系统位于外壳(115)的非金属部分(105)内。
Description
发明领域
本发明涉及通信装置，更具体地涉及具有内部天线系统的通信装置。
背景技术
诸如无线电话这样的通信装置受市场的驱使正朝着越来越小的方向发展。消费者和用户的需求继续推动这种通信装置尺寸急剧减小。此外消费者对具有隐藏(内部)天线的较小电话非常有兴趣，这种天线不容易由于贴附于衣服或者其他物体上而受到损坏。为了获得足够的天线电特性，尺寸的减小和内部天线的客观需要向装置设计者提出了额外挑战。
随着无线通信装置越来越多的使用，携带通信信号的可用频谱变得越来越有限。在许多情况下，网络运营商在多个频带上提供业务以满足它的消费者。例如，在使用850MHz(百万赫兹)或者900MHz频带的全球移动通信系统(GSM)上提供业务的网络运营商也可以在使用1800MHz频带的数字通信系统或者使用1900MHz频带的个人通信系统(PCS)上提供业务。网络运营商还提供其他业务，例如接入以1.575GHz工作的全球定位系统(GPS)、在2.4GHz的蓝牙操作以及通用移动电信业务(UMTS)，其中UMTS使用从1.92GHz到1.98GHz的频谱进行发射并使用从2.11GHz到2.17GHz的频谱进行接收。进一步，为了满足对各种业务的需求，装置制造商正设计用于多个频带和通信协议的类似通信装置。因此，希望诸如蜂窝无线电话这样的通信装置能够在紧凑尺寸内使用多个通信协议在多个频率上通信。
附图说明
在附图中所有各个视图中相同的参考标记指相同或功能类似的元件，附图和下面的详细说明都包含在说明中并且组成说明书的一部分，用于进一步说明所有根据本发明的各种实施例并且解释其各种原理和优点。
图1是通信装置的一个实施例的透视图。
图2是图1的通信装置的横截面图。
图3说明在通信装置中使用的电子系统。
图4说明具有内部天线系统的通信装置的局部视图。
图5是通信装置的第二实施例的透视图，其可移动外壳处于打开位置。
图6是图5的通信装置可移动外壳处于闭合位置的透视图。
图7是图6的通信装置的横截面图。
图8是通信装置的第三实施例的透视图，其可移动外壳处于打开位置。
图9是图8的通信装置可移动外壳处于闭合位置的的透视图。
图10是图9的通信装置的横截面视图。
具体实施方式
根据需要，在此公开了本发明的详细实施例；但是，应该理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以用各种形式实现。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应解释为限制，而仅仅解释为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员以实际的任何合适的详细结构不同地采用本发明的典型基础。另外，在此使用的术语和措辞不意味着限制，而是为了提供本发明的可理解描述。
在此使用的术语一个被定义为一个或多于一个。在此使用的术语多个定义为两个或多于两个。在此使用的术语另一个定义为至少一个第二个或更多。在此使用的术语包括和/或具有被定义为包含(即，开放性语言)。在此使用的术语耦合定义为连接，但是未必是直接地也不必是机械地连接。在此使用的术语程序、软件应用等等被定义为用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序或软件应用可以包括子程序、功能、过程、对象方法、对象实现、可执行应用、java小程序(applet)、小服务程序、源代码、目标代码、共享库/动态加载库和/或被设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。
本发明的原理可以在需要收发RF信号的任何电子产品上使用。无线电话部分可以根据模拟通信标准或数字通信标准进行构造。无线电话部分通常包括射频(RF)发射机、RF接收机、控制器、天线、电池、双工滤波器、频率合成器，信号处理器以及用户接口，用户接口包括键盘、显示器、控制开关和麦克风中的至少之一。无线电话部分还可以包括消息接收机。包含在蜂窝电话、双向无线或选择性无线收发信机等等中的电子器件在本领域中都是公知的，并且可以包含在本发明的通信装置中。
仅仅作为例子，通信装置100用具有常规蜂窝无线电收发信机电路的蜂窝无线电话来实现，常规无线收发信机电路在本领域中是公知的，为了简明在此不再给出。尽管在此参照蜂窝无线电话来说明本发明，但是本发明也可以应用于其他通信装置，例如消息装置、具有通信能力的个人数字助理和个人计算机、移动无线手机、无绳无线电话等等。
蜂窝电话包括常规蜂窝电话硬件(为了简明，也没有示出来)，硬件例如是集成在小型外壳中的用户接口，并且进一步包括根据本发明的天线系统。每个特殊无线装置都可以提供用于实现该原理的机会以及为每个应用选择的手段。
如所说明的，通信装置100包括用于覆盖、保护和支持装在其中的内部部件。作为例子，所描述的本发明优选实施例以涉及诸如图1的外壳115这样的固定外壳进行描述；但是，本领域普通技术人员应该认识到，本发明可以简单地应用于可拆卸外壳配件，例如在美国专利5,884,772中所描述的可拆卸屏面，该专利在1999年3月23日授予Floyd等人、题目为“Electronic Device Having Multiple User InterfaceConfigurations”并且转让给本发明的受让人，通过引用其包含于此。类似地，本发明同样可以应用于如在美国专利5,745,566中所描述的可换机壳，该专利在1998年4月28日授予Petrella等人、题目为“PortableCommunication Device Having Removable Escutcheon Elements”，其转让给本发明的受让人，并且通过引用其包含在此。
根据本发明，外壳115包括至少一个非金属部分105以及至少一个金属部分110。该至少一个非金属部分105例如可通过塑料注入成型技术制造，这在本领域中是公知的。该至少一个金属部分110以比全部由非金属材料组成的外壳更小的尺寸中为装置用户提供吸引人的外观。至少一个金属部分110(例如)可以使用任何金属材料制造，这些材料从电气观点来看是表现出非常高电导率的任何物理元素。这种材料包括金、银、铜和铁到镁合金，并且可以包括对在所关心的频率上的电流具有非常低阻抗的质地(fabric)。该至少一个金属部分110提供优于诸如塑料和其他非金属材料这样的其他较轻和较细薄的材料的强度、刚性和耐久性。
图2是图1的通信装置的横截面图。如所述，通信装置100包括外壳115和多个内部部件。外壳115包住多个内部部件，提供覆盖、保护和结构支撑。多个内部部件例如可以包括射频(RF)收发信机210(或者作为替换，是单独的RF发射机和RF接收机(未示出))、射频(RF)测试端口213、电池215、SIM(用户识别模块)卡220、音频插孔225、扬声器240、显示器230等。根据本发明，多个内部部件最好进一步包括谐振器200、天线轴205、天线叉245。如在前面所述，多个内部部件进一步包括各种部件，这些部件提供控制器、一个或多个滤波器、频率合成器、信号处理器等的功能。印刷电路板235提供所述通信装置100内的多个内部部件之间的电连接和机械结构。
根据本发明，用于通信装置100的天线系统包括谐振器200、天线轴205和天线叉245。谐振器200可以以不同方式并且使用不同技术构造，这在本领域中是公知的。例如，谐振器200可以是螺旋振动簧片(helix-whip)、曲折封装软线(meandered encapsulated flex)、曲折非封装柔性电路(meandered none encapsulated flexible circuit)、一个或多个曲折导线、有源和寄生辐射器的任何组合等。天线系统通过使用构成该天线系统的所有机械部分组合以及携带来去印刷电路板(PCB)235的RF(射频)信号所需要的机械接触来起作用，PCB包括谐振器200、耦合在谐振器200和天线叉245之间的天线轴205，耦合在天线轴205和印刷电路板235之间的天线叉245。如上所述，天线轴245与印刷电路板235接触。本领于普通技术人员应该认识到，根据本发明，接触印刷电路板的机制作为替换可以是弹簧、夹子或者任何其他导电结构。天线系统调谐该结构以在合适频率上辐射。天线系统与诸如RF收发信机210这样的多个内部部件进行耦合和匹配，这在本领域中是公知的。
如上所述，根据本发明，用于通信的天线系统的天线元件位于外壳115的非金属部分105内。把谐振器200、天线轴205、天线叉245定位在非金属部分105降低了天线系统失谐于所感兴趣的频率或者被屏蔽的可能性，从而提供始终如一的整体辐射效率。
在本发明的一个实施例中，通信装置100的天线系统进一步电磁耦合到外壳115的金属部分110。把金属部分110耦合到内部天线200和天线叉205提供并增加了有效天线表面区域，从而增强了整个天线系统的接收和发射性能。以这种方式，金属部分110充当天线系统的第二谐振器。
图3说明了根据本发明在通信装置内使用的电子系统300的一个实施例。图3进一步说明电子系统300的各部分和外壳115的各部分的关系。如所述，根据本发明的优选实施例，电子系统300包括类似于在此之前所述的印刷电路板235的一个印刷电路板305。如在此之前所述，印刷电路板235及其中连接的相关内部部件最好容纳在外壳115的金属部分内。电子系统300进一步最好包括包含在外壳115的非金属部分105内的多个天线310。多个天线300(例如)可以包括被调谐用来在800和/或1800MHz频带上操作的第一天线315、被调谐用来在GPS和/或蓝牙频带上操作的第二天线、被调谐用来在UMTS频带上操作的第三天线325和/或被调谐用来在900和/或1900MHz频带上操作的第四天线330。本领域普通技术人员应该认识到，根据本发明，多个天线310可以根据需要包括被调谐到任何频带组合上的任何天线系统组合。多频带(例如)可以包括在800MHz、900MHz、1575MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2400MHz等上的操作。本领域普通技术人员应该进一步认识到，多个天线310可以用于所有通信协议，这些协议例如是WLAN(无线局域网)、AMPS(高级移动电话业务)、DAMPS(数字高级移动电话业务)、TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)、GSM(全球移动通信系统)、蓝牙(电子装置在短距离内连接到彼此的技术)、GPS(全球定位系统)、UMTS(通用移动电信系统)等等。应该认识到，多个天线310可以用于用GPRS(通用分组无线业务)、EDGE(EDGE装置是可以在诸如以太网这样的传统类型网络和使用数据链路层和网络层信息的ATM网络之间传送分组的物理装置)、便于使用无线数字相机、互联网接入等的3G(第三代无线)。
多个天线310的每一个最好具有连接到PCB 305的多个输出，并且通过使用如图3中所述的多端口天线开关345这样的一个或多个多端口天线开关把它们的信号分发给合适的电路。耦合在多个天线310的每一个和多端口天线开关345之间的是一个或多个匹配电路/RF端口，例如是如图3所示的第一匹配电路和RF端口335和第二匹配电路和RF端口340。
在此所说明和描述的电子系统300在确保导电性能满足消费者期望的同时，对具有多频带和操作协议能力的通信装置提供了有效、紧凑的空间利用。
图4说明根据本发明具有内部天线系统的通信装置的部分视图。如所说明的，诸如在此之前针对图3说明和描述的多个天线310的内部天线(谐振器)束(cluster)可以使用柔性封装封装在一起，从而形成天线束405。例如，第一天线315、第二天线320、第三天线325和第四天线330可以一起封装在天线束405中。天线束405耦合到此前对图3所描述的PC板305。如此前对图3所说明的，PC板305包含在通信装置的金属部分110。
天线束405特征在于，其元件(即：多个天线310)嵌入在同一绝缘包胶膜(dielectric over-mold)中。优选地，在天线束内的多个天线的每一个具有独立的频率输出以用于改进的RF滤波。该束的各个天线可以以2K种不同组合来组织，这里K是组成天线束405的元件数量。可以组织天线束405，以便其元件在一个或几个平面中，即一个元件在其它元件旁边或者一个元件在其他元件之上。天线束405的元件之间的距离控制元件的总体积，即各个元件邻近减小了每个元件的各自尺寸。天线束405的元件之间的位置和距离控制频率响应和天线尺寸。本领域普通技术人员应该认识到，天线束405的各个天线可以通过使用一种或多种已知技术来构造，这些技术包括振动簧片、柔性印刷、曲折线和/或曲折导线。通过把这些技术混合，还可以使频率响应最佳。
天线束的每个天线可以具有单个或多个谐振重叠或者没有其他元件的频率以便产生宽带响应。天线束具有与元件一样多的输出或者人工增加的输出，以便只选择所关心的频率并且帮助信号滤波和提纯处理，该信号将需要由装置电路进行后处理。天线束使得该通信装置能够使用几个频率操作，即八、十或更多频率，这取决于天线束405的元件数量。
图5到7说明通信装置的第二实施例。具体来说，图5到7说明了翻盖式通信装置500。如所说明的，翻盖式通信装置500包括基本外壳525和翻转外壳530。翻转外壳530最好是铰接盖，其闭合以使得翻盖式装置500更紧凑并且保护位于基本外壳525上的键盘或其他用户接口(未示出)免于无意的输入。翻转外壳530在垂直于基本外壳525的平面内相对于基本外壳525旋转。作为例子，诸如无线电话这样的通信装置可以包括用铰链耦合的两个平面元件。当无线电话没有使用时，两个平面元件闭合并且平行放置(见图6)。当无线电话正在使用中时，这两个平面元件相对彼此打开，露出诸如触控板、视屏、麦克风和/或扬声器(见图5)这样的元件。
本领域普通技术人员应该认识到，基本外壳525和翻转外壳530每个都可以具有和/或包含具有电子部件以及用来把电子部件连接在一起以形成电路的配线的印刷电路板(PCB)，这些部件是音频装置、摄像头、可视显示器、金属屏蔽、和金属机身等等。例如，根据本发明，基本外壳525和/或翻转外壳530可以至少包含如此前所述并且在图3中所示的电子系统300的一部分。
参照图5和6，根据本发明，翻盖式通信装置500的基本外壳包括至少一个基本金属部分510和至少一个基本非金属部分505。基本金属部分510和基本非金属部分505的制造类似于在此前对图1所述的金属部分110和非金属部分105。
类似地，根据本发明，翻盖式通信装置500的翻转外壳530包括至少一个翻转金属部分520和至少一个翻转非金属部分515。翻转金属部分520和翻转非金属部分515制造类似于在此前对图1所述的金属部分110和非金属部分105。
如图6所示，当翻转组件处于闭合位置时，基本金属部分510和翻转金属部分520最好大体重合。类似地，当翻转组件处于闭合位置时，基本非金属部分505和翻转非金属部分515最好大体重合。
图7说明了图5和6的翻盖式通信装置的横截面视图。具体来说，图7说明了如此前在图6中所述处于闭合位置的翻盖式通信装置500的横截面视图。如所述，翻盖式通信装置500包括基本外壳525、翻转外壳530和多个内部部件。多个内部部件最好包括如在此之前所述的电子系统300。本领域普通技术人员应该认识到，多个内部部件可以包含在基本外壳525内、翻转外壳530内或者它们的组合之内。多个内部部件(例如)可以包括射频(RF)收发信机720、(或者作为替换是单独的RF发射机和RF接收机(未示出))、射频(RF)测试端口723、电池725、电池充电器插孔和配件接口735、扬声器750、显示器745、振动器740等等。根据本发明，多个内部部件最好进一步包括如在此之前所述的谐振器200、天线轴205、天线叉245。如在前面所述，多个内部部件进一步包括各种部件，这些部件提供控制器、一个或多个滤波器、频率合成器、信号处理器等的功能。如所述，一个或多个印刷电路板730提供翻盖式通信装置500内的多个内部部件之间的电连接和机械结构。
图8到10说明了通信装置的第三实施例。具体来说，图8到10说明了叶片式(blade-type)通信装置800。如所示，叶片式通信装置800包括基本外壳825和旋转叶片外壳830。旋转叶片外壳830最好机械耦合到基本外壳825上，以便旋转叶片外壳830在平行于基本外壳825的平面中旋转以打开和闭合叶片式通信装置800。当无线电话处于使用中时，这两个平面元件相对彼此打开，露出诸如键盘、麦克风和/或扬声器这样的元件(见图8)，当无线电话未使用时，这两个平面元件闭合并且平行放置(见图9)。
本领域普通技术人员应该认识到，基本外壳825和叶片外壳830每个都可以具有和/或包含具有电子部件以及用来把电子部件连接在一起以形成电路的配线的印刷电路板(PCB)，这些部件是音频装置、摄像头、可视显示器、金属屏蔽、和金属机身等等。例如，根据本发明，基本外壳825和/或叶片外壳830可以至少包含如此前所述并且在图3中所示的电子系统300的一部分。
参照图8和9，根据本发明，叶片式通信装置800的基本外壳包括至少一个基本金属部分810和至少一个基本非金属部分805。基本金属部分810和基本非金属部分805制造类似于在此前对图1所述的金属部分110和非金属部分105。
类似地，根据本发明，叶片式通信装置800的叶片外壳830包括至少一个叶片金属部分820和至少一个叶片非金属部分815。叶片金属部分820和叶片非金属部分815制造类似于在此前对图1所述的金属部分110和非金属部分105。
如图9所示，当叶片组件处于闭合位置时，基本金属部分810和叶片金属部分820最好大体重合。类似地，当翻转组件处于闭合位置时，基本非金属部分805和叶片非金属部分815最好大体重合。
图10说明了图8和9的叶片式通信装置的横截面视图。具体来说，图10说明了如此前在图9中所述处于闭合位置的叶片式通信装置800的横截面视图。如所示，叶片式通信装置800包括基本外壳825、翻转外壳830和多个内部部件。多个内部部件最好包括如在此之前所述的电子系统300。本领域普通技术人员应该认识到，多个内部部件可以包含在基本外壳825内、叶片外壳830内或者它们的组合之内。多个内部部件例如可以包括射频(RF)收发信机1020、(或者作为替换是单独的RF发射机和RF接收机(未示出))、、电池1025、SIM(用户识别模块)卡1033、扬声器1050、显示器1045、振动器1040、和电池充电器插孔和配件接口1035等等。根据本发明，如在此之前所述，多个内部部件最好进一步包括谐振器200、天线轴205、天线叉215。如在前面所述，多个内部部件进一步包括各种部件，这些部件提供控制器、一个或多个滤波器、频率合成器、信号处理器等的功能。如所述，一个或多个印刷电路板1030提供叶片式通信装置800内的多个内部部件之间的电连接和机械结构。
本发明提供了在用于各种通信装置的金属外壳的不同实施例中内部天线束的布置。如所述，内部天线束可以位于不同类型通信装置实施例的底端。这些实施例最好金属表壳，该技术表壳覆盖了通信装置中除了放置天线束的体积之外的电子器件。对于包含了例如翻盖、叶片或U型移动部分这样的可移动外壳的那些实施例，其中金属表壳覆盖了键盘。位于天线束的体积没有金属。优选地，根据需要天线束朝键盘倾斜，以降低由于用户手或当通信装置平放在平面上时而产生的天线失谐。该实施例和倾斜的天线束在装置的麦克风周围产生声腔，这有助于在噪声环境中使用时语音的接收、音量和隔离。
在此所说明和描述的本发明提供了一种具有内部天线的有效电磁装置。该天线束使得该完整实施例发射和接收电磁信号(如果有的话，包括翻盖、叶片和U型翻盖)。整个天线由主谐振器(天线)和充当谐振器(频率选择器)的天线束来产生。天线有效辐射区域与其物理尺寸成正比。因此，通过使用该实施例区域中的百分之百(100％)，该系统效率变得很高。
如所述，本发明，包括利用具有一个或多个天线谐振器的天线系统和位于通信装置外壳的非金属部分以及通信装置外壳的金属部分内的附随元件，提供了一种具有多频带响应的低吸收率(SAR)和高效天线系统，这种系统非常适于服务诸如GPRS系统这样的通信系统。它进一步提供了一种天线系统，其可以使用相同或类似形状因子模糊用于WLAN、GSM、TDMA、AMPS和3G系统。如在此所述，本发明能够使内部天线适合金属外壳，从而为不同形状因子提供了低体积解决方案。由于其对配件和零件的不太敏感，本发明进一步非常适于把摄像机和其他配件实现在无线通信装置中，同时保持可接受的射频性能。通过提供内部天线部件，本发明降低了用户接触天线的可能性，使得通信装置不易由于射频性能的改变而断开连接。
本公开是用来解释如何构成和使用根据本发明的各种实施例，而不是用来限制其真正的、预定的合理范围。前面的说明不是穷举的或把本发明限制到所公开的确切形式。根据上面的教导可能有多种修改和变形。选择并描述这些实施例是为了提供本发明的原理和其实际应用的最佳说明，并且使本领域普通技术人员以各种实施例和适于所设想的特定使用的各种修改来利用本发明。当根据权利要求被合理、合法并公正地授权的范围解释时，所有这些修改和变形都在附随的权利要求以及其所有等效方式所确定的本发明的范围内，这些附随的权利要求可以在本申请获得专利权的待决期间修改。
Claims (10)
1.一种通信装置，包括：
外壳，其包括：
至少一个金属部分，和
至少一个非金属部分；以及
天线系统，用于调谐该通信装置以在一个或多个频率上辐射，其中该天线系统位于该外壳的非金属部分内。
2.如权利要求1所述的通信装置，其中该天线系统包括：
第一谐振器，和
一个或多个天线元件；
其中该天线系统电磁耦合到该至少一个金属部分，并且进一步其中该至少一个金属部分是用于该天线系统的第二谐振器。
3.如权利要求2所述的通信装置，其中该天线系统包括多个天线，其中该多个天线的每一个提供在至少一个频带上的操作。
4.如权利要求2所述的通信装置，其中该天线系统包括多个天线，其中该多个天线的每一个使用至少一个通信协议来提供操作。
5.如权利要求2所述的通信装置，其中该天线系统包括多个天线，并且进一步其中该多个天线包含在一个绝缘包胶膜内。
6.如权利要求2所述的通信装置，其中该多个天线的每一个具有独立的频率输出。
7.一种通信装置，包括：
外壳，包括：
第一外壳部分，包括：
至少一个第一外壳金属部分，和
至少一个第一外壳非金属部分；
可旋转地耦合到该第一外壳的第二外壳部分，该第二外壳包括：
至少一个第二外壳金属部分，和
至少一个第二外壳非金属部分；以及
天线系统，用于调谐该通信系统以在一个或多个频率上辐射，其中该天线系统位于该外壳的至少一个第一外壳非金属部分内。
8.如权利要求7所述的通信装置，其中该天线系统进一步位于至少一个第二外壳非金属部分内。
9.如权利要求7所述的通信装置，其中该天线系统包括多个天线，其中该多个天线的每一个提供在至少一个频带上的操作。
10.如权利要求7所述的天线装置，其中该天线系统包括多个天线，并且进一步其中使用从以下组成的属性组中所选择的一个或多个属性来控制该天线的性能：天线系统中所使用元件的距离、布置、技术和数量。
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