佩戴式个人通信设备 【技术领域】
本发明涉及一种佩戴式个人通信设备,例如一个腕式无线电话机。背景技术
无线电话机一般具有内置到电话机主体内然后以常规方式手持的麦克风和扬声器,或者具有使用户能够以免提方式操作的头戴式耳机。电子元件小型化的发展已经使佩戴式无线电话机的制造成为可能,佩戴式无线电话机具有比单独的手持式电话机更加便于携带和操作的优点。这种设备最普通的例子是组合式手表和无线电话机,但是无线电话机也可以与其它佩戴式物品组合,例如项饰。
其它类型的佩戴式个人通信设备包括那些提供无线连接性的设备。这种设备的一个例子是根据兰牙规范操作的手表通信器,它的目标是在固定和移动通信环境下短距离数据和话音无线通信。通信在在未经许可的大约2.45GHz的ISM频带中进行。手表通信器例如可以用于与现有移动电话机的一个用户接口,使用兰牙链路在电话机和手表间通信。
腕式通信器设计中的一个具体问题是提供一个高效(使电池寿命最长)、小型化(避免设备体积的增加)和坚固的天线。在这个领域中已经进行了大量的工作。同样的问题在其它地佩戴式个人通信设备中出现。
在腕式通信器中,最普通的设计是将一个磁回路天线安装在手表表带中,尽管这种方法必须克服改变手腕大小和表带和表壳之间以及表带两端之间的连接导致的问题。在US-A-5,450,091中公开了一种表带回路天线和例子,其中当手腕大小不同的用户佩戴手表时改变重叠表带端之间的重叠量,从而补偿了回路大小的变化。这种设计很难在机械上坚固和可靠,尤其在表带被连接到表壳的情况下。而且,这不能用于不具备用于安装天线的带子或同类结构的其它佩戴式收发信机。
为了克服坚固的问题,已经试图将天线安装到表壳中。例如,US-A-5,737,699公开了一种形成在表壳中的磁回路天线。然而,在表壳中容纳表的机械部件和收发信机电路使回路天线的设计和腕式电话机的装配复杂化。
已经推荐了多种用于安装在表壳中的其它天线的设计,但是所有的设计都面临明显的问题。共形偶极阵子可以被小型化,但是因为它们的共形特性,接收因机体的存在被显著地降低的平行于机体的电场分量。具有适合于在表壳中使用的尺寸的贴片天线具有固有的低带宽,例如2.4GHz上的1%和2%的部分带宽之间。这远小于许多应用所需的部分带宽,例如用于兰牙的4%(大约2.45GHz),用于GSM(全球移动通信系统,工作埃880到960MHz)的9%,和用于UMTS(通用移动电信系统,工作在1900到2200MHz上)的15%。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种用于个人通信设备的改进型天线。
根据本发明,提供一种佩戴式个人通信设备,包括一个天线和一个外壳,该外壳具有安装在其中的收发信机电路,其特征在于该天线是一个物理上被缩短的电天线。
附图简要说明
参考附图,现在将通过例子描述本发明的实施例,其中:
图1是个人通信设备的示意方框图;
图2是根据本发明制造的腕式个人通信设备的顶视图;
图3是根据本发明制造的腕式个人通信设备的侧视图;和
图4是包括一个集成麦克风的螺旋天线的图。
在附图中相同的参考号用于表示对应的特征。
执行本发明的模式
一种个人通信设备100的示意方框图在图1中图示。这个具体的例子是基于一个GSM蜂窝电话,但是类似的原理适用于其它的蜂窝电话机标准和其它的个人通信设备,例如双向无线电。
首先考虑对一个话音电话呼叫执行操作的电路的接收部分。天线102从远端基站接收信号。该信号通过双工器滤波器104,其目的是防止强发射信号泄漏到和接收机电路和使其过载。然后该信号进入射频收发信机模块(RF)108,它将射频信号下变频到较低的中频(IF)。
中频信号到达中频模块(IF)110,它将中频信号下变频到基带信号。然后该信号到达基带处理模块(BB)112。这个模块执行各种工作,包括话音解码、信道解码和去交织。所接收的音频信号被转换回模拟信号,用于在扬声器116或其它合适的输出设备上再生。
现在考虑电路的发送侧。话音信号由麦克风114或其它合适的输入设备接收,并发送到基带处理模块112,在此它们被转换成数字形式。然后,基带处理模块112编码话音和执行信道编码和交织以降低接收误比特率。用于发送的结果信号被调制和发送给中频模块110。在此基带信号被上变频到中频。
中频信号被发送到射频收发信机模块108,在此它被混频到射频发射频率并由功率放大器(PA)106放大到所需的功率。然后它通过双工器滤波器104并由天线102发射。
现在将参考分别是腕式个人通信设备100的顶视图和侧视图的图2和图3描述本发明的一种实施例。该设备包括表壳202和表带204。螺线天线102被安装在外壳上,它的轴基本上垂直于通过表壳202的一个平面。个人通信设备的大部分电路被安装在表壳202的内部并连接到天线102。麦克风114和扬声器116被放置在外壳202开孔的后面。而且提供用于控制设备100的显示器206和键盘208。
在人身体附近的电磁波受到人身体的显著影响是公知的。具体地说,垂直于身体的电磁场被降低和平行于身体的电磁场相对于它们的自由空间值被增强6dB(例如参见移动天线系统手册(Mobile Antenna System Handbook),K Fujimoto和JR James,Artech House,1994,178页至181页)。因入射波和反射波之间的干扰导致这种改变。在接触面上的电反射系数是磁反射系数的负数,因此如果一个磁场分量被降低(因为破坏性干扰),相同的电场系数将被增加(因为建设性干扰)。因此,以与磁场相同的变化量,平行于人体的电场被降低和垂直于人体的电场被增强。
在寻呼机中利用了人体对磁场的影响,它一般安装一个在工作时与用户身体垂直的回路天线,从而接收被增强的磁场平行分量。
用于当前和未来无线电通信系统的频率在大约900MHz到2GHz和更高的范围内。在这些频率上,接收电磁波电场分量的天线102一般比磁回路天线有效地多(对于相同的天线大小)。这样的一种天线102是螺旋天线,包括一个或多个以螺旋形缠绕的导体。螺旋形天线具有与偶极天线类似的效果,但是更加小型化。
适用于大约900MHz上的GSM的天线一般具有5毫米的直径和10毫米的高度。因为尺寸与要接收的电磁波波长有关,频率越高则螺旋形天线的的尺寸相应地被减小。因此,可以看出螺旋形天线102的尺寸使它更适合于在900MHz上的GSM手表通信器中使用,并更加适合于在工作在更高频率的设备中使用。
在许多无线电通信系统中的发射具有垂直极化的电场。当一个用户伸出他的手臂查看他的手表通信器时,通信器的表面一般将保持水平。因此天线102将为垂直极化发射的最佳接收被垂直定位。在其它时候用户的手臂一般将偏向它们一侧导致天线102将被水平定位,引起天线102和发射信号之间的明显极化失配。
大多数无线电通信系统工作在具有显著的多径信号电平的环境中。在用于个人通信的无线电波传播和天线(Radiowave Propagation and Antennas forPersonal Communications)中,第二版,K.Siwiak,Artech House,1998,208页至211页,说明这种信号一般生成在低于发射场大约6dB的电平上的一个与发射场相反极化的场。当与因人体的出现导致的电场垂直分量的增强相组合时,结果是当在用户侧上保持通信器时所接收的信号电平类似于当在使用中保持通信器水平时所接收的信号电平。
在不同的方向上一些其它的性能平均可以由导电表壳202提供。因为表壳102与天线102的轴基本上垂直,与螺旋天线102所接收磁场极化相反的磁场极化将在其中感应出电流。通过表壳202和天线102之间连接的合理设计,在表壳中感应出的电流可以被用于提高接收信号强度。
在手表通信器中使用螺旋天线102与使用其它类型的天线相比具有多种优点。天线102在使用中不被表壳202屏蔽,提高了效率,并在比贴片天线和回路天线更宽的带宽上工作。在垂直使用位置上,用户的手臂伸出以便手表基本上水平和天线基本上垂直。在这个位置上,天线的辐射方向图在水平平面上基本上是全方向的,提供最佳的发射和接收特性。
上述结构的一种方便的修改是在天线102上安装麦克风114,如图4所示。螺旋天线102可以由同轴电缆构成,使用一个连接线402将麦克风114连接到电缆内部导线的一端,内部导线的另一端被连接到地。来自麦克风114的第二个连接线404被连接到天线102顶部的电缆。天线102也可以由中空线形成,第一连接线通过它将麦克风连接到地。
在天线102的底部,可以轻易地分离来自麦克风114的音频信号和由天线102接收和发送的射频信号。共享连接406连接到天线下部同轴电缆(或中空天线导线)的外壳上。通过这个连接,来自麦克风的音频信号通过一个低通滤波器(在此图示为单个电感器408)被耦合到音频输出410,而射频信号通过高通滤波器(图示为单个电容412)被耦合到射频输出412。
也可以为这个连接考虑其它的情况。例如,来自麦克风114的两条连接线可以穿过中空天线导线,不再需要滤波器。连接线可以通过螺旋天线102的中心放置,使天线成为一条实心线。
将麦克风114放置在天线102顶部具体的优点是麦克风外壳提供顶部负载(增加辐射阻抗和降低容抗),从而能够使用更短的天线102。在天线102由同轴电缆形成的一种实施例中,如果麦克风114也呈现低射频阻抗,它将在螺旋天线的顶部提供一个短路。螺旋管内的传输线因此是一个短路短线,它提供一个感抗从而降低天线102的容抗并能够使用更短的天线102。
上述本发明的实施例使用一个螺旋天线102。然而,也可以使用其它类型的实际被缩短的电天线。这种天线是物理上比它们的电长度短的和在预定区域内接收电场的单极或类双极天线。这样一种替代天线的例子是曲折线天线。
尽管上述实施例设计手表式电话,本发明同样可以应用于其它的佩戴式通信设备。例子包括项饰和胸饰等,可以在不使用时佩戴和在使用时拿下来。
而且,本发明并不限制于在诸如GSM、DECT(数字增强无线电信)和UMTS等电信系统中使用。也可以在无线局域网络中发现其它的应用,例如由兰牙和HomeRF组织定义的应用,其中手表式通信器可以与诸如合理配置的电视机、计算机和移动电话等其它设备交互。应用还可以包括具有无线连接的耳机或头戴式耳机。
通过阅读本发明,其它的修改对于本领域的普通技术人员将是显然的。这种修改可以涉及在个人通信设备及其组件的设计、制造和使用中已知的和可以被替代使用或者除在此已经描述的特征之外的其它特征。
在本说明书和权利要求书中,一个元件之前的词“一个”并不排除多个这种元件的存在。而且,词“包括”并不排除已经被列出的其它元件或步骤的存在。
实用性
本发明可以被应用于在无线电通信系统中使用的佩戴式设备。