CN1867201A - 包括卫星定位系统天线及其导电导向元件的移动无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

一种移动无线通信设备可以包括：便携式壳体、由便携式壳体承载的至少一个无线收发机、以及由便携式壳体承载的卫星定位信号接收机。天线也可以由便携式壳体承载并与卫星定位信号接收机相连。另外，至少一个导电导向元件可以与天线以空间分离的关系来由便携式壳体承载，并与所述天线感应地耦合，以便对其波束图案进行导向。

Description

包括卫星定位系统天线及其导电导向元件的移动无线通信设备
技术领域
本发明涉及通信设备领域，更具体地，涉及移动无线通信设备及其相关方法。
背景技术
蜂窝通信系统继续得到普及，并且已经变为了个人和商务通信的整个部分。蜂窝电话允许用户在其行进到的任何地方最佳地进行和接收语音呼叫。而且，随着蜂窝电话技术已经得到增长，蜂窝设备的功能也已经得到发展。例如，许多蜂窝设备现在包括个人数字助理(PDA)特征，例如日历、地址簿、任务列表等。而且，这样的多功能设备还可以允许用户诸如经由蜂窝网络和/或无线局域网(WLAN)无线地发送和接收电子邮件(email)消息、以及访问因特网。
与蜂窝通信能力相匹配的另一特征是卫星定位。也就是，特定设备现在包括蜂窝和卫星定位设备，例如全球定位系统(GPS)设备。一个这样设备在授予Motoyama等人的美国专利No.6,857,016中得到了描述，该专利涉及计算机远程位置报告设备，该设备包括全球定位系统(GPS)接收机、监控软件和因特网访问模块，用于跟踪和映射移动对象的位置。在一个实施例中，对所获得的位置进行收集、日志管理并经由无线蜂窝收发机通过存储和转发协议(例如因特网电子邮件)或直接通信协议(例如，文件传输协议(FTP)通信到所需位置。
随着蜂窝通信设备的功能继续增加，对更易于和更便于用户携带的更小型设备的需求也已经增加。这样，由于空间限制导致了对更小型的GPS天线设计的需要，而在非常小的蜂窝电话中包括GPS能力变得日益困难。因此，对设计者的一个挑战在于：以相对较小的尺寸提供具有适当信号接收特性的GPS天线。
已经进行了各种尝试来改进移动设备卫星定位天线。在授予Hayward等人的美国专利No.6,720,923中公开了针对GPS信号定位设备的天线布置，其中将天线构件安装在电路板上。该天线构件包括第一、第二和第三表面。该第三表面连接第一和第二表面。该第一、第二和第三表面限定了其内定位了介电材料的空腔。至少一个导电连接器包括与天线构建第一表面通信的第一和第二端、以及与每一个导电连接器第二端通信的放大器。
在PCT公布No.WO 02/29988A1中提出了另一示例，其中公开了折叠倒F天线(FIFA)，包括L形状的接收元件，具有沿着折叠边缘连接的第一平面部分和第二平面部分。与形成PCB接地表面的第二平面部分垂直地设置印刷电路板(PCB)。该FIFA包括设置在第二平面部分的下方和与第二平面部分平行的第二接地平面。短路导体将接收元件与PCB和第二接地平面相连，并且接收导体将接收机电路与接收元件相连。该FIFA用于诸如蜂窝电话等无线通信设备，用于从GPS卫星接收位置信号。
尽管有这样的GPS天线配置的可用性，其他GPS天线配置可以是所期望的，其相对紧凑却还提供所需的波束定向或成形，用于诸如使GPS卫星信号接收最优。
发明内容
考虑到前面的背景技术，因此本发明的目的是向包括卫星定位能力的移动无线通信设备提供增强卫星信号接收特性和相关方法。
根据本发明的这个和其他目的、特征和优点由可以包括天线和针对天线的至少一个导电导向器的移动无线通信设备提供。更具体地，该移动无线通信可以包括：便携式壳体、由便携式壳体承载的至少一个无线收发机、以及由便携式壳体承载的卫星定位信号接收机。该天线还可以由便携式壳体承载，并连接到卫星定位信号接收机。此外，至少一个导电导向元件可以与天线以空间分离的关系由便携式壳体承载，并且与天线感应地耦合，用于对其波束图案进行导向。也就是，有利地，该导向元件对天线的波束图案进行导向或成形，以提供所需的卫星信号接收，并且还可以提供提高的天线效率。
该移动无线通信设备还可以包括由便携式壳体承载的印刷电路板(PCB)，并且可以对天线和PCB进行相对定位，从而使PCB进一步对天线的波束图案进行导向。例如，该天线可以包括PCB上的一个或多个导线轨迹(trace)，并且该PCB可以被定位以提供反射器来向空中对天线波束图案进行导向，用于提高卫星定位信号接收性能。在一个实施例中，可以将介电延伸部分从PCB向外延伸，并且该天线可以由介电延伸部分来承载。该导电导向元件也可以该节点延伸部分来承载。
该便携式壳体可以具有上部和下部，并且可以与便携式壳体的上部相邻地定位该天线。而且，所述至少一个无线收发机可以是蜂窝收发机，并且该设备还可以包括：由便携式壳体承载并与蜂窝收发机相连的蜂窝天线。作为示例，可以与便携式壳体的底部相邻地承载该蜂窝天线。
所述至少一个导电导向元件可以包括诸如一对并行、空间分离的导电导向元件。该设备还可以包括由便携式壳体承载并与卫星定位信号接收机相连的控制器、以及由便携式壳体承载并与控制器协作来显示卫星定位信息的显示器。作为示例，该天线可以是倒F天线或单极天线。
本发明的方法方案是形成诸如以上所简要描述的移动无线通信设备。该方法可以包括：将卫星定位信号接收机和至少一个无线收发机定位在便携式壳体中，并且将由便携式壳体承载的天线与卫星定位信号接收机相连。另外，至少一个导电导向元件可以与天线以空间分离的关系来定位，以感应地与其耦合来对其波束图案进行导向。
附图说明
图1是根据本发明的移动无线通信设备的示意方框图；
图2是图1的移动无线通信设备的可选实施例的示意方框图；
图3是图1的无线通信设备的PCB和天线布置的示意透视图；
图4是示出了卫星定位信息显示特征的图1的无线通信设备的示意方框图；
图5是图1的无线通信设备的PCB和天线布置的可选实施例的示意透视图；
图6是用于本发明的示例移动无线通信设备布置的示意方框图；
图7是现有技术单极天线的示意图；
图8是根据本发明的单极天线和相关导电导向元件的示意图，用于相对于图7的现有技术天线的性能测试比较。
具体实施方式
下面将参考附图来更完整地描述本发明，在附图中，示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以由许多不同的形式来实现，并且应该理解为不局限于这里所提出的实施例。提供了这些实施例是为了使其公开完整和彻底，并且将完整地向本领域的技术人员传达本发明的范围。在整个附图中，相同的数字表示相同的组件，并且主要标记用来表示可选实施例中的相似元件。
最初参考图1和2，根据本发明的移动无线通信设备20说明性地包括：便携式壳体21和由该便携式壳体承载的一个或多个无线收发机22。在图2所示的示例中，蜂窝收发机22’与蜂窝天线23’协作以经由基站25’在蜂窝网络上进行通信，该基站25’出于说明的简化而示作蜂窝塔。在其他实施例中，无线收发机22可以是经由诸如无线LAN/PAN进行通信的无线局域或个域网(LAN/PAN)收发机。例如，在另外的实施例中，如本领域的技术人员所意识到的，可以同时包括蜂窝和无线LAN/PAN收发机。
该设备20还说明性地包括由便携式壳体所承载的卫星定位信号接收机26。作为示例，该卫星定位信号接收机26可以是GPS接收机，尽管也可以使用诸如Galileo等与其他卫星定位系统兼容的接收机。天线27也由便携式壳体21承载并与卫星定位信号接收机26相连，用于从GPS卫星28中接收定位信号，如本领域的技术人员将会意识到的。应该注意，在一些实施例中，该天线27还可以与无线收发机22相连，用于通过无线网络进行通信，如本领域的技术人员将会意识到的。
另外，该设备20还说明性地包括由便携式壳体2 1承载的与卫星定位系统天线27处于空间分离关系、且感应地与其耦合的一个或多个导电导向元件29，用于对其波束图案(beam pattern)进行导向。也就是，有利地，该导向元件29在移动无线通信设备20保持在操作位置时，向空中对着GPS天线28对天线27的波束图案进行导向或成形，如以下将进一步讨论的。
现在另外转到图3和图4，该移动无线通信设备20还可以包括由便携式壳体21承载的印刷电路板(PCB)30。在一个说明性实施例中，为了说明的简明，将卫星定位信号接收机26说明性地示作信号源。对天线23和PCB 30相对定位，从而使PCB进一步对天线的波束图案进行导向。更具体地，在说明性示例中，该天线23是在PCB 30的上表面上包括印刷电路元件的单极天线。另外，一对导电平行的空间分离轨迹提供了针对天线23的导向器29a、29b。
该设备20还说明性地包括由便携式壳体21承载并与卫星定位信号接收机26相连的控制器31、以及由便携式壳体承载并与控制器协作来显示卫星定位信息的显示器32。作为示例，该控制器31可以包括微处理器和相关电路/存储器，并且该显示器32可以是液晶显示器(LCD)，尽管也可以使用其他适当的组件或显示器。尽管图4中并未示出，但是该控制器31可以由PCB 30承载，如本领域的技术人员将会意识到的。应该注意，在图4中，为了清楚地示出，位于便携式壳体内而从外部不可见的那些组件以虚线示出。
当使用设备20的GPS功能时，用户可以将设备保持在操作位置，在该位置，显示器32对用户而言是可见的。在示例实施例中，该控制器31执行映射(mapping)程序来将从卫星定位信号接收机26接收到的定位数据转换为在地图上的相应位置处显示的位置坐标，如本领域的技术人员将会意识到的。因此，当用户手持设备20从而使显示器32在操作位置处面向其时，该PCB 30充当反射器，用于向空中对天线波束图案进行导向，以提高卫星定位信号接收性能。该导向元件29a、29b不仅有助于在所需方向上对波束图案进行导向/成形，其还可以提供提高的天线效率。
作为示例，将没有导向元件的第一单极天线70(图7)的性能与具有与其耦合的导电导向元件81(如图8所示)的第二单极天线80的性能进行比较。将第一和第二天线70、80均安装在与用于测试的移动电话电路板的顶端相邻的位置处，类似于图5所示的配置。该第一天线70设计来在所关心的频率上提供峰值增益。然而，如本领域的技术人员将会意识到的，将导向元件81与第一天线70感应地耦合将改变天线的特性，从而使其不再在相同的频率上提供峰值增益。因此，为了提供有意义的比较，设计第二天线80，从而当导向元件81与其耦合时，其峰值增益也将在与没有导向元件的第一元件70相同的频率上出现。由于导向元件81感应地与第二天线80耦合，在三个不同测试频率处，第二天线提供的平均增益的提高比第一天线70好1dB，如表1所总结的，具体如下。
1565.42MHZ 1575.42MHZ 1585.42MHZ
没有导向元件的第一天线70的增益 -4.06188dB -4.20504dB -4.51069dB
具有导向元件81的第二天线80的增益 -2.96706dB -2.94389dB -3.13042dB
                         表1
根据现在参考图5描述的可选实施例，介电延伸部分33’说明性地从PCB 30’向外延伸，并且该天线23’和导电导向元件29’承载在该介电延伸部分的上表面上。在典型实施例中，天线23’是印刷倒F天线，尽管也可以使用除了这里所示之外的其他天线配置。该导向元件29’还可以是介电延伸部分33’上的印刷导电轨迹。
有利地，利用该配置，可以将介电延伸部分33’和天线23’定位在便携式壳体21’的上部或顶部的相邻处。有利地，该配置还在用户持有设备20时向空中对波束图案进行导向或成形，从而使其自身能够看到该显示器32，如本领域的技术人员将会意识到的。而且，这允许蜂窝(或其他无线)天线23被承载在便携式壳体21的底部的相邻处，如图2示意地示出的。这不仅减小了两个天线之间的干扰，而且还通过当用户将设备20的输入音频换能器(未示出)放置在其耳朵的相邻处时将蜂窝天线23进一步移动到离用户较远处，有助于符合特定的吸收率(SAR)，如本领域的技术人员将会意识到的。
本发明的方法方案是形成移动无线通信设备20，并且可以包括：将卫星定位信号接收机26和至少一个无线收发机22定位在便携式壳体21中，并且将由便携式壳体承载的天线27与卫星定位信号接收机相连。另外，与天线27以空间分离的关系来定位至少一个导电导向元件29，并且与其感应地耦合，以便对其波束图案进行导向，如以上所讨论的。
参考图6，根据本发明的移动无线通信设备的附加特征和组件将得到进一步地理解。该设备1000包括壳体1200、键盘1400和输出设备1600。所示输出设备是显示器1600，优选地为全图形LCD。可选地，可以采用其他类型的输出设备。处理设备1800包含在壳体1200内并连接在键盘1400和显示器1600之间。该处理设备1800响应由用户激活键盘1400上的按键，控制显示器1600的操作、以及移动设备1000的整个操作。
壳体1200可垂直伸长，或者可以采用其他尺寸和形状(包括蛤壳式壳体结构)。该键盘可以包括模式选择键或其他硬件或软件，用于在文本输入和电话输入进行切换。
除了处理设备1800之外，图6中示意地示出了移动设备1000的其他部分。这些部分包括通信子系统1001、短距离通信子系统1020、键盘1400和显示器1600、以及其他输入/输出设备1060、1080、1100和1120、以及存储设备1160、1180和各种其他设备子系统1201。优选地，该移动设备1000是双向RF通信设备，具有语音和数据通信能力。此外，优选地，移动设备1000具有经由因特网与其他计算机协同通信的能力。
优选地，将由处理设备1800执行的操作系统软件存储在永久存储器中，例如闪速存储器1160，但是可以存储在其他类型的存储设备中，例如只读存储器(ROM)和类似存储单元中。另外，可以将系统软件、特定设备应用程序或其部分临时加载到易失性存储器中，例如随机存取存储器(RAM)1180。可以将移动设备接收到的通信信号存储在RAM1180中。
除了操作系统功能之外，该处理设备1800能够在设备1000上执行软件应用程序1300A-1300N。可以将用于控制基本设备操作的预定应用程序集(例如数据和语音通信1300A和1300B)在制造期间安装在设备1000上。此外，可以在制造期间安装个人信息管理器(PIM)应用程序。优选地，该PIM能够组织和管理数据项，诸如电子邮件、日历事件、语音邮件、约会和任务项。另外，优选地，该PIM应用程序能够经由无线网络1401来发送和接收数据项。优选地，经由无线网络1401，将该PIM数据项与所存储的或与主计算机系统相关的设备用户的相应数据项无缝地集成、合成和更新。
通过通信子系统1001且可能地通过短距离通信子系统来执行包括数据和语音通信的通信功能。该通信子系统1001包括接收器1500、发射器1520和一个和多个天线1540和1560。此外，该通信子系统1001还包括处理模块，诸如数字信号处理器(DSP)1580和本地振荡器(LO)1601。通信子系统1001的特定设计和实现取决于移动设备1000想要在其中操作的通信网络。例如，移动设备1000可以包括设计来以MobitexTM、Data TACTM或通用分组无线服务(GPRS)移动数据通信网络来操作的通信子系统1001，并且还设计来以诸如AMPS、TDMA、CDMA、PCS、GSM等各种语音通信网络的任一个来操作的通信子系统1001。还可以对移动设备1000使用其他类型的数据和语音网络(分离的和集成的)。
网络访问需求根据通信系统的类型而改变。例如，在Mobitex和DataTAC网络中，利用与每一个设备相关的唯一个人标识号或PIN来将移动设备登记在网络上。然而，在GPRS网络中，网络访问与设备的订户或用户相关联。因此，GPRS设备需要通常被称为SIM卡的订户身份模块，以便在GPRS网络上操作。
当已经完成所需的网络登记或激活过程时，该移动设备1000可以通过通信网络1401来发送和接收通信信号。将由天线1540从通信网络1401接收到的信号路由到接收器1500，该接收器1500提供信号放大、下变频转换、滤波、信道选择等，并且还可以提供模拟到数字转换。对接收信号的模拟数字转换允许DSP 1580执行更为复杂的通信功能，例如解调和解码。按照类似的方式，由DSP 1580处理(例如调制和编码)要传送到网络1401的信号，然后提供给发射器1520，用于数字模拟转换、上变频转换、滤波、放大和经由天线1560发射到通信网络1401。
除了处理通信信号之外，该DSP 1580提供了对接收器1500和发射器1520的控制。例如，可以通过在DSP 1580中所实现的自动增益控制算法来自适应地控制接收器1500和发射器1520中的通信信号上所施加的增益。
在数据通信模式下，诸如文本消息或网页下载等接收信号由通信子系统1001处理并输入到处理设备1800。该接收信号然后由处理设备1800进一步处理，以便输出到显示器1600或可选地连接到一些其他辅助I/0设备1060。设备用户还可以利用键盘1400和/或一些其他辅助I/O设备1060(例如触摸板、摇杆开关、拇指轮、或一些其他类型的输入设备)来构造数据项，例如电子邮件消息。然后，可以经由通信子系统1001通过通信网络1401来传送所构造的数据项。
在语音通信模式下，设备的整个操作实质上类似于数据通信模式，除了将接收到的信号输出到扬声器1100、和用于传输的信号由麦克风1120产生之外。还可以在设备1000上实现诸如语音消息记录子系统等可选语音或音频I/O子系统。此外，也可以在语音通信模式下利用显示器1600，例如显示呼叫方的身份、语音呼叫的持续时间或其他语音呼叫相关信息。
短距离通信子系统实现移动设备1000和其他相近系统或设备(不一定必须是类似设备)之间的通信。例如，该短距离通信子系统可以包括红外设备和相关电路和组件、或蓝牙通信模块，以提供与类似功能系统和设备的通信。
本发明的许多修改和其他实施例对于了解了前面描述和相关附图中所展示的教导的优点的本领域技术人员而言显而易见。因此，应该理解，本发明并不局限于这里所公开的特定实施例，并且这些修改和实施例应该包括在所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1、一种移动无线通信设备，包括：
便携式壳体；
由所述便携式壳体承载的至少一个无线收发机；
由所述便携式壳体承载的卫星定位信号接收机；
由所述便携式壳体承载并与所述卫星定位信号接收机相连的天线；以及
由所述便携式壳体承载的至少一个导电导向元件，与所述天线存在空间分离的关系且与所述天线感应地耦合，以便对其波束图案进行导向。
2、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于还包括：由所述便携式壳体承载的印刷电路板(PCB)，并且对所述天线和所述PCB进行相对定位，从而使所述PCB进一步对所述天线的波束图案进行导向。
3、根据权利要求2所述的移动无线通信设备，其特征在于所述天线包括在所述PCB上的至少一个导电轨迹。
4、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于还包括：由所述便携式壳体承载的印刷电路板(PCB)和从所述PCB向外延伸的介电延伸部分，并且所述天线由所述介电延伸部分来承载。
5、根据权利要求4所述的移动无线通信设备，其特征在于所述至少一个导电导向元件也由所述介电延伸部分承载。
6、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于所述便携式壳体具有上部和下部，并且与所述便携式壳体的上部相邻地设置所述天线。
7、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于所述至少一个无线收发机包括蜂窝收发机，并且还包括由所述便携式壳体承载且与所述蜂窝收发机相连的蜂窝天线。
8、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于所述至少一个导电导向元件包括一对平行的、空间分离的导电导向元件。
9、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于还包括：由所述便携式壳体承载并与所述卫星定位信号接收机相连的控制器、以及由所述便携式壳体承载并与所述控制器协作来显示卫星定位信息的显示器。
10、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于所述天线包括倒F天线。
11、根据权利要求1所述的移动无线通信设备，其特征在于所述天线包括单极天线。
12、一种形成移动无线通信设备的方法，包括；
将卫星定位信号接收机和至少一个无线收发机定位在便携式壳体中；
将由所述便携式壳体承载的天线与所述卫星定位信号接收机相连；以及
与所述天线按照空间分离的关系来定位至少一个导电导向元件，以使其与所述天线感应地耦合，以便对其波束图案进行导向。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：将印刷电路板(PCB)定位在便携式壳体中，并且相对于PCB来定位所述天线，从而使所述PCB进一步对天线的波束图案进行导向。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于定位所述天线包括：在PCB上形成至少一个导电轨迹。
15、根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：将具有从其向外延伸的介电延伸部分的印刷电路板(PCB)定位在壳体中，并且还包括：将天线定位在介电延伸部分上。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于定位至少一个导电导向元件包括：将至少一个导电导向元件定位在介电延伸部分上。
17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述便携式壳体具有上部和下部，并且还包括将天线定位在便携式壳体的相邻位置处。
18、根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述至少一个无线收发机包括蜂窝收发机，并且还包括：将蜂窝天线定位在便携式壳体中并将所述蜂窝天线与蜂窝收发机相连。
19、根据权利要求12所述的方法，其特征在于还包括：将控制器定位在便携式壳体中并将控制器与所述卫星定位信号接收机相连，并且将显示器定位在便携式壳体中，以便与所述控制器协作来显示卫星定位信息。
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