ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО РАДИОСВЯЗИ Российский патент 2000 года по МПК H01Q1/24 H04B1/38 

Область техники
Настоящее изобретение относится к портативному устройству радиосвязи, имеющему антенны с круговой поляризацией, обеспечивающие возможность спутниковой связи.

Предшествующий уровень техники
В мобильных системах связи с использованием портативных устройств радиосвязи (портативных телефонов) и т.п. в настоящее время используются линейно поляризованные колебания, относящиеся к частотным диапазонам 800 МГц, 1,5 ГГц, 1,9 ГГц. В последние годы компаниями, производящими системы связи, предложены портативные телефоны, использующие для осуществления связи средневысотные околоземные орбиты и маловысотные околоземные орбиты, причем для осуществления связи с использованием таких спутников предложены соответствующие схемы распределения диапазонов частот. В одной из таких систем диапазон на частоте 1,6 ГГц выделен для восходящей линии связи от портативных телефонов на земле к спутникам и диапазон на частоте 2,4 ГГц - для нисходящей линии связи от спутников к портативным телефонам на земле. В другой системе диапазон на частоте 1,6 ГГц выделен как для восходящей, так и для нисходящей линий связи. Для осуществления связи в подобных системах обычно используется круговая поляризация, обеспечивающая требуемое качество линий радиосвязи.

Была предложена конструкция антенной системы, показанная на фиг. 7, представляющая собой откидную антенную решетку 25 (см. "Nongeostationary Satellite Communication Systems of the World", ITU Research, N 261/262, New Japan ITU Society, August 1993, р.36). Откидная антенная решетка 25 использует плоскую микрополосковую передающую антенну (далее определяется как "плоская передающая антенна") 22 и плоскую микрополосковую приемную антенну (далее определяется как "плоская приемная антенна") 23 для спутниковой связи.

Ниже будет описана откидная антенная решетка 25. Для объяснения в качестве примера будет принята конструкция, предложенная в системе ODYSSEY (TRW Corp., США), которая описана в упомянутом источнике "ITU Research". Портативный телефон 92, показанный на фиг. 7, имеет откидную антенную решетку 25, которая содержит плоскую передающую антенну 22 и плоскую приемную антенну 23, выполненные на диэлектрике. Откидная антенная решетка 25 может откидываться произвольным образом относительно портативного телефона 92 на угол α, находящийся в пределах от 0 до 180^o, с помощью шарниров 85.

В данном случае плоская передающая антенна 22 и плоская приемная антенна 23 осуществляют связь со спутником с использованием частот f1, f2 соответственно. В случае если спутниковая система связи использует одну и ту же частоту f1 как на передачу, так и на прием, то только плоская передающая антенна 22 может быть использована для передачи и для приема. В общем случае частота f1 соответствует диапазону на частоте 1,6 ГГц, а частота f2 - диапазону на частоте 2,4 ГГц.

Однако малогабаритная плоская антенна, использующая диэлектрическую подложку, имеет узкую полосу частот, а резонансная частота плоской антенны изменяется вследствие интерференции между собственно антенной и окружающими объектами из диэлектрика, например, корпусом портативного телефона, телом пользователя и т.п. В результате эффективность передачи и чувствительность приема антенны ухудшаются. Особенно в случае связи со спутником на низкой околоземной орбите потери в усилении антенны, обусловленные головой пользователя, вызывают существенные проблемы.

Кроме того, чувствительность связи при малых углах места снижается в плоской антенне, когда главный луч диаграммы направленности антенны направлен к зениту (т.е. находится под углом места 90^o). Хотя предлагалось использовать плоскую антенну или спиральную антенну в системах мобильной связи через спутники связи, удовлетворительная чувствительность связи может быть достигнута, когда спутник находится под малым углом обслуживания или когда спутник находится под большим углом места ввиду ограничений по направленности, специфической для каждого типа антенны.

Настоящее изобретение было создано в целях преодоления вышеупомянутых проблем, что обеспечивается предотвращением размещения антенного элемента в непосредственной близости от тела пользователя (в частности, от его головы) при применении пользователем портативного устройства радиосвязи. Т.е. в антенну с круговой поляризацией, которая смонтирована на портативном устройстве радиосвязи, введена связная секция, размещенная между портативным устройством радиосвязи и антенным элементом.

Кроме того, настоящее изобретение отличается тем, что в портативном устройстве радиосвязи предусмотрены две антенны с круговой поляризацией, и направление излучения главного луча одной из этих антенн отличается от направления излучения главного луча другой антенны.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное представление портативного устройства радиосвязи, выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

Фиг. 2 - схематичное представление, иллюстрирующее условие, при котором излучение от антенны не экранируется телом пользователя при использовании портативного телефона, выполненного в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3A - схематичное представление антенны, имеющей связную секцию, при использовании четырехзаходной спиральной антенны.

Фиг. 3B - схематичное представление антенны, имеющей связную секцию, при использовании однозаходной спиральной антенны.

Фиг. 4 - схематичное представление, иллюстрирующее другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором портативное устройство радиосвязи имеет плоский антенный элемент и спиральный антенный элемент, смонтированные на нем.

Фиг. 5 - блок-схема, иллюстрирующая антенную цепь для спирального антенного элемента и для плоского антенного элемента.

Фиг. 6A - диаграмма относительной мощности в главных лучах излучения с круговой поляризацией плоской антенны.

Фиг. 6B - диаграмма относительной мощности в главных лучах излучения с круговой поляризацией спиральной антенны.

Фиг. 6C - диаграмма относительной мощности в синтезированных главных лучах, показанных на фиг. 6A и 6B.

Фиг. 7 - диаграмма, иллюстрирующая известное портативное устройство радиосвязи.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показан вариант осуществления настоящего изобретения. Ссылочная позиция 5 обозначает связную секцию, выполненную в виде коаксиальной линии или микрополосковой линии. Спиральная антенна 14 с круговой поляризацией, выполненная на коаксиальной линии 9 и т.п., отделена от портативного телефона 92 связной секцией 5. Кроме того, ссылочная позиция 81 обозначает дисплейную секцию, ссылочная позиция 82 - приемник, 83 - операционную секцию и 84 - передатчик.

Ниже будут описаны работа и характеристики спиральной антенны 14, которая генерирует волны с круговой поляризацией для спутниковой связи. Что касается спиральной антенны 14, например двухзаходной спиральной антенны (как, например, в публикации заявки на патент Японии 3-274904) и т.п., то подобные антенны известны. Такая двухзаходная спиральная антенна используется в рассматриваемом варианте осуществления. Спиральная антенна 14 содержит коаксиальную линию 9, служащую в качестве излучающего элемента, и проводник 8 и электрически связывает центральный проводник коаксиальной линии 9, служащей в качестве излучающего элемента, и проводник 8 в точке ввода питания 7, а также электрически связывает внешний проводник коаксиальной линии 9, служащей в качестве излучающего элемента, и проводник 8 на конце 6 спирали. Ссылочная позиция 11 обозначает диэлектрический цилиндр, вокруг которого спирально намотаны коаксиальная линия 9 и проводник 8.

Работа устройства будет описана на основе рассмотрения высокочастотного тока, протекающего по спиральной антенне 14. Точка 7 подачи питания в спиральную антенну 14 размещена на верху антенны. Никакой элемент, служащий в качестве антенного элемента, не соединен с внешним проводником коаксиальной линии 9, служащей в качестве излучающего элемента. Когда высокочастотный ток, вытекающий из центрального проводника коаксиальной линии 9 в точке 7 подачи питания, протекает вверх от конца 6 спирали по стороне внешней стенки внешнего проводника коаксиальной линии 9, ток протекает в противоположном направлении по стороне внутренней стенки внешнего проводника коаксиальной линии 9. Поэтому, номинально, никакой высокочастотный ток не протекает по внешнему проводнику коаксиальной линии 9. В результате высокочастотный ток становится контурным током. Поскольку проводник 8 и коаксиальная линия 9 намотаны вокруг диэлектрического цилиндра 11 по спирали, то высокочастотный ток формирует электрическое поле вдоль спиралей и обеспечивает излучение с круговой поляризацией.

Затем, при соединении спиральной антенны 14 с портативным телефоном 92, когда излучающий элемент приближается к корпусу телефона, диаграмма излучения искажается. В результате этого характеристики антенны как независимого элемента ухудшаются, что, в свою очередь, требует выполнения операции согласования электромагнитных характеристик корпуса и антенны. Эта операция снижает производительность производства. Кроме того, излучающий элемент антенны вблизи корпуса телефона оказывается также расположенным в непосредственной близости от головы пользователя, в результате чего становится затруднительно получить ожидаемые характеристики антенны. Для преодоления этой проблемы в антенном держателе 10 размещена связная секция 5, обеспечивающая получение ожидаемых характеристик антенны за счет снижения интерференции между спиральной антенной 14 и корпусом телефона. Соединитель 13 со скользящим контактом размещен на верхней поверхности правой стороны портативного телефона 92, а соединитель 12 со скользящим контактом размещен на боковой поверхности связной секции 5, что позволяет выполнить антенный держатель 10 разъемным. Длина связной секции 5 составляет от 20 до 100% физической длины излучающего элемента антенны с круговой поляризацией или от 0,1 до 0,5λ (длины волны) рабочей длины волны излучающего элемента антенны с круговой поляризацией.

Поскольку связная секция 5 размещена в антенном держателе 10, расстояние между корпусом телефона и спиральной антенной 14 и расстояние между головой пользователя и спиральной антенной 14 может быть увеличено, что, в свою очередь, обеспечивает поддержание соответствующих характеристик антенны. На фиг. 2 иллюстрируется условие, при котором излучение от антенны не экранируется головой пользователя при использовании портативного телефона, выполненного в соответствии с изобретением. Из этого чертежа следует, что усиление антенны при малых углах места, необходимых для осуществления связи со спутниками на низких околоземных орбитах, не испытывает потерь.

В то время как в вышеописанном варианте осуществления изобретения использована двухзаходная спиральная антенна, другие типы спиральных антенн также могут быть использованы. Например, четырехзаходная спиральная антенна 15, содержащая четыре проводника в качестве излучающего элемента, как показано на фиг. 3А, однозаходная спиральная антенна, имеющая заземляющий экран 17 и проводник 16, как показано на фиг. 3B, и иные подобные конструкции могут обеспечить получение аналогичных преимуществ при использовании связной секции 5, размещенной в антенном держателе 10.

Следует отметить, что оптимальный тип спиральной антенны может быть выбран в соответствии с системой, в которой используется портативное устройство радиосвязи. Спиральная антенна может быть поворотного типа или выполняться в виде вытаскиваемой из корпуса конструкции, размещаемой в исходном положении в корпусе устройства радиосвязи.

Кроме того, хотя, как описано выше, коаксиальная линия или микрополосковая линия используются в связной секции 5, размещенной в антенном держателе 10, однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером, но может применяться в случаях, когда связная секция 5 выполнена на коаксиальной линии, микрополосковой линии и т.п. Кроме того, хотя описанная антенна выполнена разъемной за счет использования соединения 13 и соединения 12 со скользящими контактами, однако изобретение не ограничивается этим вариантом конструкции, но может быть применено и в конструкции фиксированной антенны, если необходимо использовать связную секцию 5.

На фиг. 4 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Элементы, соответствующие элементам, показанным на фиг. 1-3, обозначены теми же ссылочными позициями, и их детальное описание опущено. На фиг. 4 ссылочная позиция 40 обозначает плоский антенный элемент, ссылочная позиция 14 - спиральный антенный элемент и 92 - портативное устройство радиосвязи (портативный телефон). Плоский антенный элемент 40 выполнен на части верхней поверхности корпуса портативного устройства радиосвязи 92, а спиральный антенный элемент 14 размещен на части поверхности верхней стороны корпуса и выступает вверх. На фиг. 5 показана блок-схема электрической цепи антенных элементов. Синтезатор сигналов 32 соединен со связной секцией 31. Вместо синтезатора сигналов 32 может быть использован селектор сигналов. Оба антенных элемента имеют различные направления излучения главного луча, но одну и ту же полосу рабочих частот и одно и то же направление вращения круговой поляризации.

Плоский антенный элемент 40 выполнен так, что проводник 2 типа микрополоскового излучателя нанесен на верхнюю поверхность диэлектрической подложки 3, а заземляющий экран (не показан) нанесен на нижнюю поверхность диэлектрической подложки 3. Сквозное отверстие (не показано) выполнено в диэлектрической подложке 3. Штырь питания 1 введен в сквозное отверстие для обеспечения электрической связи между штырем питания 1 и проводником 2 микрополоскового излучателя. При этом часть проводника вокруг сквозного отверстия удалена, чтобы предотвратить контакт штыря питания с заземляющим экраном. Аналогично, сквозное отверстие выполнено в проводящей плате 50 таким образом, чтобы проводящая плата 50 не имела электрического контакта со штырем питания 1. Проводящая плата 50 несколько превышает по размерам плоский антенный элемент 40. Обычной формой проводника 2 типа микрополоскового излучателя является по существу прямоугольная форма. Проводник 2 типа микрополоскового излучателя резонирует на нижних частотах в направлении длинной стороны и на верхних частотах в направлении короткой стороны. Таким образом, проводник 2 типа микрополоскового излучателя резонирует на двух частотах и работает как антенна круговой поляризации для двух различных частот. Согласование импедансов обеспечивается настройкой положения штыря питания 1.

Основной луч плоского антенного элемента 40 в принципе направлен к зениту (фиг. 6A) и поэтому степень свободы при проектировании ограничена (имеется некоторая степень свободы при проектировании, зависящая от размера проводящей платы 50). С другой стороны, большая степень свободы при проектировании обеспечивается для спирального антенного элемента 14. Можно выбирать характеристики намотки так, чтобы главный луч антенного элемента был направлен под малыми углами места (фиг. 6B). За счет комбинирования этих двух типов направленных антенн и размещения их в портативном устройстве радиосвязи так, как показано на фиг. 4, можно обеспечить устойчивую чувствительность при радиосвязи в диапазоне от больших значений углов места (в направлении к зениту) до малых углов места (фиг. 6C).

Кроме того, спиральный антенный элемент 14, показанный на фиг. 1, может быть размещен в трубке 10 антенного держателя и закреплен в нем. Спиральный антенный элемент 14 удерживается в положении, удаленном от верхней части портативного устройства радиосвязи 92, при введении канала передачи сигнала (коаксиальной линии 4 или микрополосковой линии) между портативным устройством радиосвязи 92 и спиральным антенным элементом 14, причем канал передачи сигнала ведет от связной секции 31. Поскольку главный луч спирального антенного элемента (двухзаходной спиральной антенны) 14 направлен под малым углом места, потерь в усилении антенны, обусловленных влиянием головы пользователя, можно избежать, если удерживать спиральный антенный элемент 14 над портативным устройством радиосвязи 92 так, чтобы указанный элемент был удален относительно портативного устройства радиосвязи 92.

В то время как прямоугольная микрополосковая плоская антенна выбрана в качестве варианта выполнения плоской антенны в вышеуказанном варианте осуществления изобретения, очевидно, что могут быть использованы микрополосковые антенны треугольной, пятиугольной или круговой формы. Кроме того, хотя в качестве системы питания было рассмотрено одноточечное возбуждение в обратном направлении, также могут использоваться любые из таких схем питания как двухточечное возбуждение в обратном направлении, одноточечное или двухточечное возбуждение на периферии микрополоскового излучателя. Кроме того, может использоваться спиральная антенна.

Хотя в качестве примера спиральной антенны была рассмотрена двухзаходная спиральная антенна, однако могут использоваться четырехзаходная спиральная антенна по фиг. 3A, однозаходная спиральная антенна по фиг. 3B, трехзаходная спиральная антенна и т.п. в соответствии с конкретной спутниковой системой связи.

Кроме того, потерь в усилении антенны, обусловленных влиянием головы пользователя, можно избежать за счет размещения плоского антенного элемента на верхнем конце спиральной антенны, закрепленном на трубке антенного держателя. В этом случае обеспечивается канал передачи сигнала в трубке антенного держателя для подачи сигнала в плоский антенный элемент.

Как описано выше, настоящее изобретение характеризуется тем, что предусматривает введение связной секции, которая обеспечивает передачу сигнала между портативным устройством радиосвязи и антенной круговой поляризации, которая размещена над портативным устройством радиосвязи. В результате такого выполнения не только обеспечивается удовлетворительная спутниковая связь, но и улучшение производительности.

Кроме того, в системе спутниковой связи, которая требует переключения связи между спутниками (переключение с одного спутника на другой), может быть повышена надежность связи при малых углах места.

Может быть без труда обеспечена независимость углов места для спутников связи, наблюдаемых с земли, а также улучшена чувствительность связи. Кроме того, можно обеспечить плавность переключения связи с одного спутника под большим углом места на другой спутник под малым углом места (и наоборот).

Изобретение относится к портативному устройству радиосвязи, имеющему антенны с круговой поляризацией, обеспечивающие возможность спутниковой связи. Техническим результатом является улучшение чувствительности связи, повышение надежности связи при малых углах места. В соответствии с изобретением в портативное устройство радиосвязи, содержащее антенну круговой поляризации, обеспечивающую спутниковую связь, введена связная секция (выполненная на коаксиальной линии или на микрополосковой линии), так что необходимое расстояние обеспечивается не только между корпусом портативного устройства радиосвязи и антенной, но и между телом пользователя и антенной. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Портативное устройство радиосвязи, содержащее связную секцию для передачи сигнала, размещенную в верхней части корпуса устройства радиосвязи, корпус, обеспечивающий размещение в нем связной секции, и излучающий элемент антенны круговой поляризации, закрепленный на связной секции. 2. Портативное устройство радиосвязи по п.1, отличающееся тем, что излучающий элемент антенны круговой поляризации имеет усиление на малых углах места для осуществления связи со спутниками на низкой околоземной орбите. 3. Портативное устройство радиосвязи по п.2, отличающееся тем, что дополнительно содержит антенну круговой поляризации, излучающий элемент которой имеет усиление при больших углах места. 4. Портативное устройство радиосвязи по п.3, отличающееся тем, что антенны круговой поляризации таковы, что одна из антенн представляет собой плоскую антенну, а другая представляет собой спиральную антенну, проводящая поверхность микрополоскового излучателя плоской антенны и верхний конец спиральной антенны направлены вверх по отношению к корпусу устройства радиосвязи соответственно, при этом главный луч плоской антенны направлен под большим углом места, а главный луч спиральной антенны направлен под малым углом места при закреплении в корпусе. 5. Портативное устройство радиосвязи по п. 4, отличающееся тем, что плоская антенна закреплена на верхнем конце спиральной антенны.