專利名稱：具有分流組件的移動無線通信設備及相關方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明總體上涉及無線通信系統(tǒng)的領域，且更具體地，涉及移動無線通信設備及相關方法。
背景技術(shù)：
移動無線通信系統(tǒng)在日益流行，且變?yōu)閭€人和商務通信中不可或缺的一部分。例如，蜂窩電話允許用戶在他們旅行到的任何地方撥打并接收語音呼叫。此外，隨著蜂窩電話技術(shù)的增長，也增加了可用于用戶的蜂窩設備的功能以及不同類型的設備。例如，很多蜂窩設備現(xiàn)在并入了個人數(shù)字助理(PDA)特征，比如日歷、地址簿、任務列表等等。此外，這種多功能設備還可以例如允許用戶無線地發(fā)送和接收電子郵件(email)消息，并經(jīng)由蜂窩網(wǎng)絡和/或無線局域網(wǎng)(WLAN)訪問互聯(lián)網(wǎng)。即便如此，隨著蜂窩通信設備的功能持續(xù)增加，對于用戶更容易且更方便承載的較小的設備的需要也日益增加。對蜂窩設備制造商的一個挑戰(zhàn)是設計與天線協(xié)作的外殼， 以在相對有限的可用空間量中提供所需的操作特性。

發(fā)明內(nèi)容


圖1是根據(jù)一個示例性方面的包括分流導體在內(nèi)的移動無線通信設備的前視圖。圖2是圖1的設備的印刷電路板(PCB)和外殼的示意圖。圖3a_3d是根據(jù)示例性實施例的電路元件和分流導體的示意圖。圖4是根據(jù)示例性實施例的通帶和阻帶單元的布置的示意圖。圖5是根據(jù)示例性實施例的多層PCB的橫截面圖。圖6是根據(jù)示例性實施例的移動無線通信設備的天線的已測量的輻射7是根據(jù)示例性實施例的移動無線通信設備的PCT和外殼的一部分的示意圖。圖8是圖7的PCB和外殼的一部分的放大視圖。圖9是示意了可以被包括在圖1的移動無線通信設備中的附加組件的示意框圖。
具體實施例方式參照示出了各種實施例的附圖來做出本描述。然而，可以使用很多不同的實施例， 并從而不應將該描述理解為受限于本文闡述的實施例。而是，提供這些實施例，使得本公開將徹底以及完整。在全文中相似的標號指代相似的單元，且點撇符號用于指示備選實施例中的相似單元。依照一個示例性方面，移動無線通信設備可以包括便攜式外殼，便攜式外殼包括被配置為起到天線的一部分或者全部功能的至少一個導電外殼部分。移動無線通信設備還可以包括由便攜式外殼承載的印刷電路板(PCB)以及包括由PCB承載的至少一個電路元件的無線收發(fā)信機電路。移動無線通信設備還可以包括耦合在至少一個導電外殼部分和至少一個電路元件之間的至少一個分流組件。相應地，由該便攜式外殼，移動無線通信設備可以提供提高的方向性輻射模式和降低了損耗。例如，可以安置PCB和該至少一個導電部分，以對其間的空氣間隙進行限定。移動無線通信設備還包括在PCB和至少一個導電外殼部分之間安置的介質(zhì)材料體。例如，該至少一個導電外殼部分可以包括沿著便攜式外殼的周界的導電環(huán)。該至少一個分流組件可以包括多個分流組件。該至少一個電路元件可以包括至少一個導線。例如，該至少一個導電部分可以包括至少一個金屬材料外殼部分。該至少一個電路元件可以包括至少一個可編程電路元件。該至少一個電路元件可以包括在公共節(jié)點處耦合在一起的多個阻抗元件。例如，可以將該至少一個分流組件耦合到該公共節(jié)點。例如，該至少一個電路元件還可以包括至少一個電感器。該至少一個電路元件還可以包括至少一個電容器。該至少一個分流組件還可以包括至少一個電感器。例如，該至少一個分流組件還可以包括至少一個電容器。方法方面可以關注制造移動以下無線通信設備的方法該無線通信設備可以包括便攜式外殼，便攜式外殼包括至少一個被配置為起到天線功能的導電外殼部分、便攜式外殼所承載的印制電路板(PCB)以及PCB所承載的無線收發(fā)信機電路33，該無線收發(fā)信機電路33包括由PCB承載的至少一個電路單元。例如，該方法可以包括將至少一個分流組件耦合在該至少一個導電部分和該至少一個電路單元之間。首先參照圖1-3，移動無線通信設備30示意性地包括便攜式外殼31、由便攜式外殼承載的印刷電路板(PCB) 32、以及由便攜式外殼承載的無線收發(fā)信機電路33。在其他實施例中，可以將PCB 32與金屬底盤或其他基底結(jié)合使用。PCB 32還可以包括限定了地平面 (未示出)的導電層。還由便攜式外殼31承載衛(wèi)星定位信號接收機。衛(wèi)星定位信號接收機34可以是例如全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星接收機。示例性設備30還示意性地包括顯示器60和多個控制按鍵，這些控制按鍵包括“摘機”(即，發(fā)起電話呼叫)按鍵61、“掛機”(即，停止電話呼叫)按鍵62、菜單按鍵63、以及返回或逃生按鍵64。后面將參照圖9來進一步描述各種設備組件和輸入按鍵等等的操作。PCB 32還可以承載控制器66或處理器?？刂破?6可以與其他組件協(xié)作，例如天線35、衛(wèi)星定位信號接收機34、以及無線收發(fā)信機電路33，以協(xié)調(diào)并控制移動無線通信設備30的操作。操作可以包括移動語音和數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)操作包括電子郵件和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。便攜式外殼31包括導電部分。例如，便攜式外殼31可以是金屬的，或包括金屬部分。如本領域技術(shù)人員將要意識到的，當便攜式外殼31包括導電部分，則該導電部分起到天線的功能，并且控制流經(jīng)天線的電流方向變得更加困難。包括被配置為作為天線操作的導電部分在內(nèi)的便攜式導電外殼31可以在不同的操作頻率上發(fā)送或接收，例如蜂窩電話、衛(wèi)星或其他無線通信頻率。移動無線通信設備30 可以包括耦合到無線收發(fā)信機電路33的附加或第二天線35。第二天線35還可以被配置為在不同的操作頻率上發(fā)送或接收，例如蜂窩電話、衛(wèi)星或其他無線通信頻率，且第二天線35 可以獨立于被配置為天線的便攜式導電外殼31的導電部分進行操作，或與之結(jié)合來操作。一個控制電流的特別有利的方案包括使用便攜式外殼31 (被配置為天線) 和以陣列方式配置的電路元件36，形成非承載電流部分。電路元件36可以包括正交 (orthogonal)電路組件，例如電容器和電感器中的一個或多個。電路元件36還可以包括例如在PCB 32上的導線。如本領域技術(shù)人員將意識到的，電路元件36可以是其他組件或元件。在每一個公共節(jié)點或電路元件36的交叉點37處，將分流組件38耦合到便攜式外殼31。四個電路元件36的交叉點和從交叉點37延伸的分流組件38形成了單位單元40。 如本領域技術(shù)人員將意識到的，通過電路元件36的陣列和分流組件38的協(xié)作，形成了非承載電流部分。換言之，單位單元40可以用于限定電流的電流路徑。例如，如圖3a所示，被配置為通帶單位單元的單位單元40示意性地包括作為電路元件36的四個電感器以及作為分流組件38的電容器。備選地，如圖北所示，被配置為阻帶單位單元的單位單元40’包括作為電路元件36’的四個電容器以及作為分流組件38’的電容器。當然，可以使用其他類型的電路元件36和分流導體38，例如如圖3c和3d所示，且分流導體可以包括多于一個分流導體。此外，當相鄰電路元件36之間的間隔相對地遠小于所需操作波長時，單位單元40 可以展示被調(diào)整為所需規(guī)范的電磁特性。相應地，可以通過宏觀量來描述包括電路元件36 和分流導體38在內(nèi)的單位單元40的特性，例如，電容率或磁導率。在單位單元40中使用準橫向電磁模式(準 TEM)近似，如 J. K. H. Wong, K. G. Balmain,以及 G. V. Eleftheriades, "Fields in planar anisotropic transmission-line metamaterials, "vol. 54, no.10, pp. 2742-2749，Oct. 2006中所公開的，非零場分量是-dEz/dy =]ωμχχΗχ (la)dEz/dx =]'ωμγγΗ(\^
一dHx/dy + dHy/dx =jw€zzEz (Ic)該配置允許波的傳播，其中，在單位單元40和便攜式外殼31之間對電場進行垂直極化。如果讓單位單元40和便攜式外殼31之間的間隔充分小，在由單位單元和便攜式外殼為界所限定的體積中的場在ζ方向上近似均勻。換言之，= 0且方程(Ia-Ic)成立。 考慮到H模式場，將方程(Ia)和(Ib)合并，以獲得dV/dy = -]ωμχχΗχΑζ (2a)dVzZdx =jcoMyyHy/iz (2b)接下來，在χ和y方向上并入方程(2)，以獲得QVJdyAx = -]'ωμχχΙ/Ιζ (3a)dVzZdx Ay = jcogyyl/lz (3b)通過在單位單元40上的壓差來確定流經(jīng)電路元件36 (即電容器和電感器)的電流，且可以將其表達為Ix = (l/jXJfdV/dJfAx) (4a)
Iy —— (l/jXy)(dVz/dy)(Ay) (4b)在方程Ga-4b)中，Xx和Xy分別是在波頻率的χ和y方向上的電抗。將方程(4) 代入方程(3)并假定d = Δχ = Ay = Δζ
y XX = Xy/ ω d (5a)
Uyy = Xx/ω d (5b)對于圖3a所示的單位單元40，χ和y方向上的電抗相等，且可以表達為Xx = Xy = ω L0d+ ω L (6)其中，L是串聯(lián)加載的電感，且Ltl是互聯(lián)傳輸線路的每單位長度的電感。因此，可以將方程(6)代入方程( ，以得到與磁導率和集中的分量值相關的表達式μχχ = μ = L0+L/d(7)對安培定律應用相同步驟(Ic)，將得到將分流組件38值與電容率相關的表達式
€zz = Co + Cshun/D (8)其中，Cshunt是分流電容，且Ctl是互聯(lián)傳輸線路的每單位長度的電容。已計算了有效的電容率和磁導率，可以如下導出便攜式外殼31和電路組件36的陣列中的傳播常數(shù)
k = ω^(μ€) =+ L/d)(C0 + C/d) (9)假定操作頻率相對地就在電路組件36(即電感器和電容器)的自諧振頻率之下， 則方程(9) 一直為真。換言之，針對從零到電路組件36的自諧振頻率之間的所有頻率，允許傳播。因此，便攜式外殼31、電路組件36 (即串聯(lián)電感器)，以及分流組件38進行協(xié)作， 以形成通帶條件(圖3a)。
為了創(chuàng)建阻帶條件，必須讓k是虛數(shù)。相應地，如果電路組件36’是圖北所示的我們得到
X=X = ω L0d-1/ω C (10)
電容器。將方程(10)代入方程(5)
μχχ = μ = L0-I/ω 2Cd (Ii)
因此，由以下方程給出在這種結(jié)構(gòu)中的傳播
k = ω^(μ€) = ω ^(L0 IZw2Cd) (C0 + C/d)) (12)根據(jù)(12)，可以觀察到，當滿足以下條件時，波矢量變?yōu)樘摂?shù)C < 1/ω 2LtlCl (13)換言之，可以通過改變C，在所需頻率范圍中實現(xiàn)阻帶條件。如本領域技術(shù)人員將意識到的，為了創(chuàng)建阻帶，只要k是虛數(shù)，則可以使用任何數(shù)目的電路組件或電路組件的組合。附加地，通帶單元40和阻帶單元40’的組合可以被配置對來自天線35的電流進行導向?，F(xiàn)在參照圖4，通帶和阻帶單位單元40、40’、40”、40”，的組合可以被配置為將電流導向通過便攜式外殼31。當用來自天線35的電流激勵便攜式外殼31時，電流將遠離激勵點，但是可以由阻帶單位單元40’對電流加以限制，并使其在通帶單元40的區(qū)域中流動。 因此，如本領域技術(shù)人員將意識到的，在具有全金屬便攜式外殼的設備中的天線設計可以專注于將通帶單位單元40布置為具有產(chǎn)生所需輻射模式的形狀和大小。然而，給定移動無線通信設備30的相對小的大小，可能需要進一步減少用于對電流導向或創(chuàng)建非承載電流部分的離散物理組件的數(shù)量。換言之，由于附加組件可能增加移動無線通信設備的重量，包括電路元件36的陣列或?qū)釉趦?nèi)的移動無線通信設備30可能是不想要的。在這種情況下，電路元件36可以是在PCB 32上承載的電路組件，例如，無線收發(fā)信機電路33。如本領域技術(shù)人員將意識到的，間隔開的電路組件36和分流組件38的陣列有利地進行協(xié)作以使得用具有導電外殼的移動無線通信設備進行輻射成為可能。實際上，日益增長的工業(yè)設計趨勢包括金屬材料，以例如傳遞增加質(zhì)量的感覺。相應地，很多移動無線通信設備包括相對增加的金屬材料量。這些移動無線通信設備中的一些設備還包括被集成到包括金屬材料在內(nèi)的結(jié)構(gòu)(例如，金屬環(huán))中的輻射元件或天線。換言之，便攜式外殼的金屬環(huán)或?qū)щ娊饘俨糠诌€作為天線。備選地，在一些移動無線通信設備中，輻射元件可以被定位在遠離金屬材料(例如，金屬外殼)處。電路組件36和分流組件38經(jīng)由內(nèi)置天線有利地使得無線通信成為可能，該內(nèi)置天線可以由例如金屬材料完全覆蓋。實際上，如本領域技術(shù)人員將意識到的，金屬材料可以包括在射頻(RF)頻帶中表現(xiàn)得像導體一樣的材料。例如，金屬材料可以包括液晶顯示器 (LCD)，因為將微電線嵌入玻璃中，對于電磁波來說將表現(xiàn)得像導電板一樣。現(xiàn)在參照圖5，在另一示例性實施例中，移動無線通信設備30””包括多層PCB 32””，多層PCB 32””包括第一導電層51””(即，地平面)、介質(zhì)層M””以及通過第二介質(zhì)層 53””與第一導電層分離的第二導電層52””。第二介質(zhì)層53””可以是空氣層，或可以是另一種介質(zhì)材料，如本領域技術(shù)人員將意識到的。分流導體38””稱合第一和第二導電層51”” 和52””。第二導電層51””可以包括在PCB 32””上的電路元件36””或?qū)Ь€(未示出)。此外，在一些示例性實施例中，可以由柔性基底(未示出)來承載一個或多個電路元件36。附加于PCB 32的或與PCB分離的柔性電路基底可以承載電路元件36，或包括作為電路元件的金屬化層。柔性電路基底可以是例如Kapton 。制造與如上所述移動無線通信設備30類似的原型移動無線通信設備，并用銅覆蓋它以模擬完全金屬的便攜式外殼。天線被配置為用于在1. 575GHz的GPS頻率上操作。PCB具有以半環(huán)形配置來配置的多個分流組件，并將金屬便攜式外殼耦合到PCB的地平面上。附加地參照圖6中的圖71，示意了該原型的原型GPS天線的已測量的輻射模式。 已測量的增益是大約-7. 5dBi，其與其他GPS天線的天線增益是相對可比較的?，F(xiàn)在參照圖7-8，描述了根據(jù)示例性方面的移動無線通信設備130的另一個實施例。示意性地，便攜式外殼131包括被定位在便攜式外殼的周界上的金屬環(huán)145，且金屬環(huán) 145被配置為作為天線的一部分。如果本領域技術(shù)人員將意識到的，在假手(hand phantom) 條件下，金屬環(huán)145引起增加了輻射性能的惡化。在用戶的手將要接觸金屬環(huán)145的地方， 發(fā)現(xiàn)在金屬環(huán)145中有相對大量的電流在流動。因此，將大部分電流或輻射導向用戶的手。為了減少在金屬環(huán)145上流動的電流，同時保持天線輻射性能的相對小(如果有) 的下降，將非承載電流部分與移動無線通信設備130的側(cè)面相鄰。通過在金屬環(huán)145、PCB 132和天線饋電位置之間的協(xié)作，來創(chuàng)建非承載電流部分。金屬環(huán)145經(jīng)由在金屬環(huán)周圍的螺絲底座146與PCB 132接觸。通過將天線饋電
8點附近的螺絲底座146絕緣，來實現(xiàn)非承載電流部分。由接地點(即未耦合到分流組件138 的另外三個螺絲底座)以及加載元件(或分流組件)之間的在非承載電流部分上的距離來限定非承載電流部分的長度。為了創(chuàng)建非承載電流部分，對將金屬環(huán)145耦合到PCB 132 的分流組件138進行調(diào)整，使得金屬環(huán)上的傳播常數(shù)變?yōu)樘摂?shù)。附加地，空空氣間隙149在 PCB 132和金屬環(huán)145之間的非承載電流部分上。 現(xiàn)在參照表1和2，示出了已執(zhí)行的兩個測量的結(jié)果，一個是具有根據(jù)本實施例的非承載電流部分(表1)，以及另一個是不具有非電流承載部分(表幻。事實上，本領域技術(shù)人員將意識到的，該測量示出了未承載電流部分實現(xiàn)的假手性能在頻段上提高了差不多 5dB。
權(quán)利要求
1.一種移動無線通信設備，包括便攜式外殼，包括至少一個導電外殼部分，所述至少一個導電外殼部分被配置為起到天線的功能；印刷電路板PCB，由所述便攜式外殼承載；無線收發(fā)信機電路，包括由所述PCB承載的至少一個電路元件；以及至少一個分流組件，耦合在所述至少一個導電外殼部分和所述至少一個電路元件之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，安置所述PCB和所述至少一個導電外殼部分，以限定二者之間的空氣間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，還包括位于所述PCB和所述至少一個導電外殼部分之間的介質(zhì)材料體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個導電外殼部分包括沿著所述便攜式外殼的周界的導電環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個分流組件包括多個分流組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括至少一根導線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個導電外殼部分包括至少一個金屬材料部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括至少一個可編程電路元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括在公共節(jié)點處耦合在一起的多個阻抗元件；以及，所述至少一個分流組件被耦合到所述公共節(jié)點ο
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括至少一個電感器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括至少一個電容器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個分流組件包括至少一個電感器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個分流組件包括至少一個電容器。
14.一種移動無線通信設備，包括便攜式外殼，包括至少一個導電環(huán)，所述至少一個導電環(huán)被配置為起到天線的功能； 印刷電路板(PCB)，相對于所述導電環(huán)安置，以限定所述印刷電路板和所述導電環(huán)之間的空氣間隙；無線收發(fā)信機電路，包括由所述PCB承載的至少一個電路元件；以及至少一個分流組件，耦合在所述至少一個導電環(huán)和所述至少一個電路元件之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動無線通信設備，還包括在所述PCB和所述至少一個導電環(huán)之間的介質(zhì)材料體。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個分流組件包括多個分流組件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括至少一根導線。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個電路元件包括可編程電路元件、電感器和電容器中的至少一個。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的移動無線通信設備，其中，所述至少一個分流組件包括電感器和電容器中的至少一個。
20.一種制造移動無線通信設備的方法，所述移動無線通信設備包括便攜式外殼，所述便攜式外殼包括被配置為起到天線的功能的至少一個導電外殼部分；由所述便攜式外殼承載的印刷電路板(PCB)；以及包括由所述印刷電路板(PCB)承載的至少一個電路元件在內(nèi)的無線收發(fā)信機電路，所述方法包括將至少一個分流組件耦合在所述至少一個導電外殼部分和所述至少一個電路元件之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，安置所述PCB，以限定其與所述至少一個導電外殼部分之間的空氣間隙。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括將介質(zhì)材料體安置在所述PCB和所述至少一個導電外殼部分之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述至少一個電路元件包括在公共節(jié)點處耦合在一起的多個阻抗元件；以及，耦合所述至少一個分流組件包括將所述至少一個分流組件耦合到所述公共節(jié)點。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，耦合所述至少一個分流組件包括耦合電感器和電容器中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有分流組件的移動無線通信設備及相關方法。移動無線通信設備可以包括便攜式外殼，該便攜式外殼包括被配置為起到天線功能的至少一個導電外殼部分。移動無線通信設備還可以包括由便攜式外殼承載的印刷電路板(PCB)以及由PCB承載的無線收發(fā)信機電路，并且無線收發(fā)信機電路包括由PCB承載的至少一個電路元件。移動無線通信設備還可以包括耦合在至少一個導電外殼部分和至少一個電路元件之間的至少一個分流組件。
文檔編號H04M1/02GK102404427SQ20111020962
公開日2012年4月4日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者史蒂文·尤金·唐斯, 扎里·克里斯蒂安·馮·旺特蓋姆, 約書亞·關·昊·黃, 約翰·阿爾弗雷德·惠特莫爾, 阿德里安·馬修·庫克 申請人:捷訊研究有限公司