專利名稱：減少通信手持裝置中照射吸收率的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種天線，尤其涉及當用戶正在操作一個采用天線來發(fā)射射頻能量的手持通訊裝置時用于減少該用戶所受到的照射SAR(吸收率)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常天線性能取決于組成天線的單元的尺寸、形狀和材料成分，以及某些天線物理參數(shù)(例如，直線式天線的長度以及環(huán)形天線的直徑)與該天線接收或者發(fā)送的信號波長之間的關(guān)系。這些關(guān)系確定幾個天線工作參數(shù)，包括輸入阻抗、增益、方向系數(shù)、信號偏振、工作頻率、帶寬以及輻射圖形。通常對于可操作天線來說，最小的物理天線尺寸(或者最小電學有效尺寸)肯定是工作頻率的大約四分之一波長(或者其倍數(shù))，這樣會有利于限制電阻損耗所消耗的能量損耗并使傳輸?shù)哪芰孔畲?。接地面上最常使用的是半波長天線和四分之一波長天線。
無線通信裝置和系統(tǒng)的急速發(fā)展已經(jīng)引起對物理尺寸更小、伸出較少以及更有效的天線的大量需求，這種天線能夠在寬帶或者多頻帶上工作，并且/或者能以多種模式(即可選擇的輻射圖形或者可選擇的信號偏振)工作。這些代表技術(shù)發(fā)展水平的通訊裝置(比如蜂窩電話、手持機及其它便攜裝置)所具有的較小的組件或者外殼包裝并不具備足夠的空間來設置常規(guī)四分之一波長和半波長天線單元。因此尤其要尋求那些在所關(guān)心的頻帶范圍內(nèi)工作并可提供其它需求的天線工作性能(輸入阻抗、輻射圖形、信號偏振等等)的物理尺寸較小的天線。
半波長和四分之一波長偶極天線通常是外置的手持機天線。兩種天線都呈現(xiàn)全向輻射圖形(即，常見的全向環(huán)形)，這種輻射圖形使大部分能量均勻地輻射在各個方位角方向而只有很少的能量輻射在仰角方向。某些通訊裝置所關(guān)心的頻帶范圍是1710到1990兆赫以及2110到2200兆赫。在1900兆赫上半波長偶極天線大約有3.11英寸長，在1710兆赫上該天線大約有3.45英寸長，而在2200兆赫上該天線大約有2.68英寸長。典型的天線增益大約為2.15dBi。該長度的天線可能不適用于大部分手持機應用。
設置在一個接地面上的四分之一波長單極天線是由半波長偶極天線衍生出來的。該物理天線長度為四分之一波長，但是當該天線被設置在一個接地面上時，該天線工作相當于半波長偶極。因此，一個接地面上的單極天線的輻射圖形類似于半波長偶極天線的輻射圖形，具有大約2dBi的典型增益。
本領域已知的幾種不同天線類型可以嵌入在通信手持機裝置內(nèi)部。通常，人們希望這些天線呈現(xiàn)薄側(cè)面(low profile)以便適于安裝在手持機組件的可用空間外殼之內(nèi)。由于天線從手持機外殼伸出，因此很容易被折斷或者彎曲從而導致?lián)p壞。
環(huán)形天線是一種可以被嵌入手持機內(nèi)的天線范例。普通的自由空間(即，不超出接地面)環(huán)形天線(直徑大約為三分之一信號波長)沿著徑向軸呈現(xiàn)常規(guī)環(huán)形輻射圖形，并且其增益大約為3.1dBi。在1900兆赫，該天線具有一個大約2英寸的直徑。典型的環(huán)形天線輸入阻抗為50歐姆，從而提供了良好的匹配特性。
包括平面輻射的天線結(jié)構(gòu)和/或饋送單元也可被用作嵌入天線。這種天線可以是呼啦圈天線，又名傳輸線天線(即，在接地面上包括一個導電單元)。該環(huán)路實質(zhì)上是電感性的，因此該天線包括一個連接在接地面與呼啦圈導體一端之間的電容器以便產(chǎn)生共振結(jié)構(gòu)。呼啦圈導體的另一端用作接收或者傳輸信號的饋送點。
使用在印刷電路板的制造中所采用的模型和蝕刻技術(shù)來構(gòu)造印刷或者微帶天線。因為具有薄側(cè)面，比較容易制造并且造價相對低廉，因此這種天線非常普及。典型地，在一個絕緣襯底上的模壓金屬鍍層可以作為輻射單元。作為印刷天線的一個例子，一個貼片天線包括一個覆蓋在接地面上的絕緣襯底，以及覆蓋在襯底上表面的輻射單元。該襯片天線具有定向半球形的涂層，其增益大約為3dBi。
另一種印刷或者微帶天線包括螺旋形或者彎曲的天線，這種天線具有一個在絕緣襯底的一面上所形成的需求形狀的導體元件，并且該襯底的相對面上設置一個接地面。
適合于嵌入手持機裝置的天線的另一范例是雙環(huán)或者雙螺旋的螺旋天線，這種天線在2002年10月31日提交的申請?zhí)枮?0/285,291、名稱為雙頻帶螺旋形天線的共同擁有的申請中已經(jīng)被描述并要求保護。該天線提供多頻帶以及寬頻帶操作，并且表現(xiàn)出比較高的輻射效率和增益，以及薄側(cè)面和低廉的造價。
如圖1中所示，螺旋天線8包括一個位于接地面12上的輻射器10。接地面12包括被一個絕緣襯底分開的上和下導電材料表面，或者在另一實施例中包括一個位于絕緣襯底上的單獨的導電材料片層。輻射器10大體平行于接地面12并且與該接地面12間隔開，它們之間具有絕緣溝槽13(包括，例如，空氣或者其它已知的絕緣材料)。在一個實施例中，接地面12和輻射器10之間的距離大約為5毫米。根據(jù)圖1構(gòu)造的天線具有適于插入標準手持機通訊裝置的尺寸。
圖1中還表示了一個饋電插針14和一個接地插針15。饋電插針14的一端電連接到輻射器10，而相對端電連接到一個延伸到接地面12邊緣20的饋電線路(feed trace)18。連接器(圖1中未示出)被連接到饋電線路18，用于在發(fā)射模式下向天線8提供信號并且在接收方式下響應來自天線8的信號。如我們所已知，饋電線路18與接地面12的導電表面絕緣。該饋電線路18是由接地面12的導電材料通過除去在該饋電線路18周圍的導電材料區(qū)域來形成的，從而使饋電線路18與底面12絕緣。
如圖2的詳細視圖所示，輻射器10包括置于絕緣襯底28上的兩個耦合并且連續(xù)的環(huán)路導體(也被稱為螺旋體或者螺旋部件)24和26。外環(huán)路24是主要的輻射區(qū)域并且對天線諧振頻率產(chǎn)生主要的影響。內(nèi)環(huán)路26主要影響天線增益和工作帶寬。然而，眾所周知外環(huán)路24和內(nèi)環(huán)路26之間存在較大的電子交感。由于它們關(guān)系可能復雜，指出一個或者另一個是主要負責確定天線參數(shù)可能在技術(shù)上過分簡化。并且，輻射器10被描述為包括外環(huán)路24和內(nèi)環(huán)路26，但是這兩個單元之間也沒有一個絕對的分界線。
圖3中所示的另一螺旋形天線40分別工作在蜂窩和個人通信服務(PCS)頻帶824-894兆赫和1850-1990兆赫，并且還適合于用作嵌入手持機通信裝置的天線。天線40是由一片比較薄的導電材料(例如銅)片所構(gòu)成并且包括一個通常為螺旋形的輻射器42。螺旋形可能被認為是包括一個內(nèi)部螺旋部件(或者環(huán))44和一個外部螺旋部件(或者環(huán))46，但是眾所周知該內(nèi)部和外部螺旋形部分44和46之間并沒有物理界線，而這些參考標記通常與輻射器42大致區(qū)域有關(guān)。饋電插針50和一個接地或者短路插針52從輻射器42的一面向下伸展。
當天線被安裝在通信裝置中時，天線40典型地被安裝在印刷電路板上。信號從印刷電路板上的饋電線路饋送到或者從饋電插針50接收。短路插針52連接到印刷電路板的接地面。電器部件還可以被安裝在印刷電路板上與天線40一起運作從而執(zhí)行該通信裝置的接收和發(fā)射功能。天線40包括一個緊湊的螺旋形輻射器，該輻射器具有需求的工作特性并且具有合適的體積，該體積可使天線適于安裝在手持機及其它空間很重要的應用中。
手持機用戶和手持機制造商中比較關(guān)心當使用手持機時(例如進行電話交談時)所持的手持機靠近用戶耳朵時，該蜂窩電話所發(fā)出的射頻能量的影響。尤其是，該射頻能量可能導致腦細胞發(fā)熱、并且長時間、頻繁地使用手持機可能引起不利的健康影響。吸收率(SAR)為當手持機裝置進行發(fā)射時被用戶身體所吸收的輻射量的度量。蜂窩電話的最大SAR電平必須小于1.6瓦/千克。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種用于靠近用戶工作以傳輸和接收射頻信號的通信裝置。該裝置包括射頻信號輻射單元和與輻射單元相分離而與輻射單元關(guān)聯(lián)操作的接地面。設置成靠近輻射單元的導電單元可以減少在用戶方向上放射的能量。


通過結(jié)合附圖對本發(fā)明進行更具體地說明，本發(fā)明的上述及其它特點將顯得更加明顯，其中在不同的附圖中，相同的附圖標號表示同樣的部件。附圖沒有必要按照實際的尺寸，其重點在于對本發(fā)明的原理進行描述說明。
圖1-3是多種具有較薄結(jié)構(gòu)的天線的透視圖；圖4表示一個在靠近用戶頭部位置的現(xiàn)有技術(shù)手持機裝置；圖5表示一個如圖4的手持機裝置的示例性手持機裝置的內(nèi)部視圖；圖6和7表示圖4手持機裝置的典型的輻射圖形；圖8表示本發(fā)明的SAR降低裝置的剖視圖形；圖9表示使用圖8的SAR降低裝置的手持機裝置的輻射圖形；以及圖10-12表示根據(jù)本發(fā)明的其它實施例。
具體實施例方式
在詳細描述本發(fā)明具體的天線裝置之前，應該觀察到本發(fā)明主要在于說明一種新穎和非顯而易見的單元組合體。因此，本發(fā)明的單元已經(jīng)由附圖中的常規(guī)單元表示，在此僅僅示出與本發(fā)明有關(guān)的那些細節(jié)，以免對本領域普通技術(shù)人員來說顯而易見地可以獲得的結(jié)構(gòu)細節(jié)使本發(fā)明的公開不夠清楚和明顯。
圖4表示一個用于接收和/或發(fā)射射頻能量的常規(guī)手持機80，例如蜂窩電話，其處于緊挨著用戶84的耳朵82的操作位置。在圖5中進一步示出，該手持機80包括一個封裝嵌入天線88的手持機外殼86，該天線物理地并電連接到一個帶有接地面91的印刷電路板90。通常，接地面91包括置于印刷電路板90一部分上的一個導電區(qū)域，其中多個電子器件和相連接的導電線路(圖5中未示出)占據(jù)印刷電路板90其余部分。接地面91與天線88相互作用以產(chǎn)生需求的天線88的傳輸和接收性能。
盡管天線88表示為包括一個比較平面的結(jié)構(gòu)，如圖1和2中的天線10或圖3的天線40，本發(fā)明的教導不僅限于此并且如下面進一步所描述的，仍然可以被用于各種天線類型以便限制用戶的照射SAR。
如圖5中所示的天線88包括輻射單元94和物理以及電連接單元96，該連接單元96將輻射單元94連接到印刷電路板90，具體為連接到安裝在印刷電路板上的電器部件和導電線路以及在其中形成的接地面91。如上面所述的示例性天線那樣，輻射單元94與底面91一起工作，這樣當手持機80工作在發(fā)送模式時會發(fā)射射頻能量，而當手持機80工作在接收模式時接收射頻能量。此處所示的天線88可以包括任一種嵌入手持機80的天線設計方案，包括那些如上所述及本領域其它已知的技術(shù)。
以微瓦/克為單位的吸收率(SAR)是在給定時間上身體組織的單位質(zhì)量所吸收的射頻功率數(shù)值的數(shù)量度量。為了保護公眾和用戶安全，聯(lián)邦電訊委員會及其它管理機構(gòu)已經(jīng)給出了蜂窩電話的SAR限度。人們相信在SAR限度內(nèi)使用手持機不會對用戶的腦組織生產(chǎn)有害的熱效應。1996年8月1號之后制造的所有蜂窩手持機必須通過測試以符合FCC所規(guī)定的限度。舉例來說，在澳大利亞、美國和加拿大SAR限度是1.6毫瓦每克。
圖6概要地示出了設計工作在PCS(個人通信系統(tǒng))頻帶1850到1990兆赫下的嵌入天線88與印刷電路板90上的接地面91一起形成的近場輻射圖形100。根據(jù)標準的手持機尺寸，印刷電路板90大約為2英寸寬，因此位于該印刷電路板上的接地面91大約也是2英寸寬。對于PCS頻帶中的頻率而言，2英寸表示大約半個波長。由于半波長結(jié)構(gòu)作為反射單元可以反射射頻波，因此大部分從天線88直接指向用戶84的能量通過印刷電路板90所帶的接地面91被反射遠離用戶。因此輻射圖形100形狀通常如所示的一樣。
AMPS和CDMA蜂窩電話系統(tǒng)工作在824到894兆赫的頻率范圍，相應的波長大約在14.2英寸和13.0英寸之間。對于該信號波長，印刷電路板90上的接地面91(大約2英寸寬)未提供如PCS頻帶中那樣有利的反射特性。圖7表示所得到的近場輻射圖形102，基本上顯示為全向輻射，該全向輻射可以引起使SAR超出用戶84的組織中的SAR限制。按照GSM標準在880到960兆赫頻帶工作的具有嵌入天線的便攜式電話或者其它的手持機裝置也可形成類似于圖102的輻射圖形。
根據(jù)本發(fā)明的教導，導電單元108(參見圖8)被設置在靠近輻射單元94的位置。在一個實施例中，導電單元108包括一個附著到所示手持機外殼86的外表面110上的導電帶或者導電板(在一個實施例中包括銅帶或者銅板)。在另一個實施例中，導電單元108進一步包括一個便于附著到手持機外殼86表面的粘合表面。因此該實施例可以適于手持機80的所有者將其附著到手持機外殼86上。在一個實施例中，輻射單元94和導電單元108之間的間隔大約為0.1到0.2英寸的距離。根據(jù)輻射單元94和導電單元108的電氣和機械性能，其它的間距也會生產(chǎn)需求的效果。該間距也受手持機外殼86的尺寸的影響。在另一個實施例中小于大約0.125的距離更好。
天線88的輻射單元94所發(fā)出的射頻能量在導電單元108中感應出電流，從而導致在遠離用戶84的方向上有較大的電流分布，這樣就在相同方向，即，遠離用戶84的方向，產(chǎn)生更大的近場能量。由于天線88僅僅能產(chǎn)生有限的能量，在遠離用戶84的方向上增加能量會減少朝用戶84方向上的發(fā)射能量。導電單元108的使用已經(jīng)表明其能夠增加遠離84方向上的能量大約0.25到0.50dB并且將朝用戶84方向的能量降低同樣的數(shù)量。因此導電單元108相應減少用戶84受到照射的SAR值。圖9表示一個由于使用導電單元108而得到的典型近場輻射圖形120。
通常，導電單元108的長度小于輻射單元94的有效電氣長度以便使能量遠離用戶方向。在一個實施例中，輻射單元94工作為半波長天線，在工作頻率(或工作頻帶)上，導電單元108的長度可以小于約半波長。在一個實施例中，導電單元長度大約為0.1到0.125。相對于輻射單元94所發(fā)出的能量來說，該導電單元108可以被認為是能量導向器。
盡管已經(jīng)結(jié)合輻射單元94與接地面91對使用進行了說明，但是該導電單元108并不局限于那些與接地面一起工作的輻射單元。因此可以從本發(fā)明的教導中得知各種天線配置。
圖10所示的在另一實施例中，導電單元108設置在手持機外殼86的內(nèi)表面122上。例如，在手持機88的制造過程中，導電單元108可以被貼在外殼的內(nèi)表面上?？梢圆捎谜澈蟿?包括貼到單元108的粘合襯底材料)將導電單元108貼到外殼86上。還可以采用其它已知的附著方法，包括采用一個合適的粘合劑進行粘接。
在另一實施例中，可以在手持機外殼86上(在外殼86的內(nèi)部或者外表面)印刷一個導電油墨區(qū)域以便實現(xiàn)本發(fā)明所教導的優(yōu)點。
為了使本發(fā)明教導所實現(xiàn)的結(jié)果最佳化，該導電單元108應該根據(jù)嵌入天線88的物理和工作特性來調(diào)整大小和位置，因為否則可能會導致性能參數(shù)的降低。通常，可以通過改變該導電單元108的尺寸和位置經(jīng)驗驗證地確定能夠最大限度減少SAR的導電單元108的尺寸和位置，從而對特定手持機80達到最大限度的SAR減少。
在其它實施例中，導電單元108可以相對于輻射單元94的位置進行定位，從而在一個不同于遠離用戶84方向的另一方向上增加輻射能。圖11示出了導電單元130，該導電單元130設置在外殼86的外表面110上用于增加箭頭132所示的大體方向上的輻射能量。在另一實施例中，導電單元130可以被設置外殼86的內(nèi)表面。在又一實施例中，導電單元130以及合適的支撐結(jié)構(gòu)被設置在外殼86的內(nèi)部區(qū)域，其中用合適設置的適當支撐結(jié)構(gòu)以相對于輻射單元94來準確安放導電單元108。
在另一個實施例中，如圖12所示，相對于輻射單元94可以設置多個導電單元108和108A以便如需求的那樣聚焦或者引導近場能量。
已經(jīng)描述了用于減少用戶的照射SAR的天線結(jié)構(gòu)。雖然在此本發(fā)明的具體應用和實例進行了討論和描述，在此所公開的主要內(nèi)容提供了以多種方法和多種天線配置來實施本發(fā)明的基礎。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可能有多種變化。本發(fā)明僅由下述權(quán)利要求進行限定。
權(quán)利要求
1.一種靠近用戶工作進行發(fā)射/接收射頻信號的通信裝置，該通信裝置包括射頻信號輻射單元；與輻射單元間隔開并且與該輻射單元協(xié)同工作的接地面；設置在輻射單元附近的導電單元，用于減少在用戶方向上所發(fā)射的能量。
2.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于該導電單元減少用戶所受照射的吸收率。
3.如權(quán)利要求1的通信裝置，其進一步包括帶有至少一部分接地面的印刷電路板。
4.如權(quán)利要求1的通信裝置，其進一步包括封裝輻射單元和接地面的外殼，其中導電單元設置在該外殼的內(nèi)表面和外表面中的一個上。
5.如權(quán)利要求4的通信裝置，其特征在于導電單元包括導電材料和置于其上的粘合材料，并且其中導電單元通過將粘合材料粘合到其上以被固定地附著于內(nèi)表面和外表面中的一個上。
6.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于導電單元的材料是從導電油墨和導電金屬中所選擇的。
7.如權(quán)利要求6的通信裝置，其進一步包括用于封裝輻射單元和接地面的外殼，其中導電油墨被施加到外殼的內(nèi)表面上。
8.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于導電單元設置在遠離接地面的方向上。
9.如權(quán)利要求1通信裝置，其特征在于導電單元作為射頻信號的導向器。
10.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于輻射單元和導電單元之間的距離大約為0.2英寸。
11.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于導電單元的長度大約在0.1到0.125之間，其中 是射頻信號的波長。
12.如權(quán)利要求1的通信裝置，其特征在于相對于用戶，導電單元設置在遠離輻射單元的方向上。
13.一種靠近用戶工作進行發(fā)射射頻信號的通信裝置，該通信裝置包括射頻信號輻射單元；靠近輻射單元設置的導電單元，該導電單元可以用于把射頻信號的一部分引導到在遠離用戶的方向上。
14.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于輻射單元設置在用戶和導電單元之間。
15.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于響應于被引導遠離用戶方向的射頻能量部分，用戶受到照射的吸收率減小。
16.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于響應于射頻信號的頻率來確定導電單元的尺寸和位置中的至少一個數(shù)值。
17.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于響應于輻射單元的幾何形狀確定導電單元的位置。
18.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于響應于用戶和該通信裝置之間的接近關(guān)系確定導電單元的位置。
19.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于當使用期間通信裝置被握住靠近用戶的耳朵，并且其中與沒有導電單元時身體組織所吸收的射頻能量相比較，該導電單元可以減少靠近耳朵的身體組織所吸收的射頻能量。
20.如權(quán)利要求13的通信裝置，其特征在于該射頻能量在導電單元中感應電流，從而在遠離用戶方向上產(chǎn)生增強的電流分布。
21.如權(quán)利要求20的通信裝置，其特征在于增強的電流分布增加在遠離用戶的方向上的近場能量并且減少用戶方向上的近場能量。
全文摘要
一種通信裝置中所使用的用于減少用戶照射SAR的天線結(jié)構(gòu)。除了如輻射單元和接地面這樣的常規(guī)天線單元之外，本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)包括一個用于把輻射單元發(fā)出的射頻能量導向遠離用戶的導電單元，從而減少用戶的照射SAR。該導電單元可以置于包圍通信裝置的外殼的內(nèi)部或外部表面。
文檔編號H01Q19/22GK1577958SQ200310124958
公開日2005年2月9日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者曹永敏, 吳世鉉, 李朱文, 尹真熙, 崔相玉, 沈基學, 韓銀石 申請人:Sk電信有限公社, 斯凱克羅斯有限公司