CN1577958A - 减少通信手持装置中照射吸收率的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种通信装置中所使用的用于减少用户照射SAR的天线结构。除了如辐射单元和接地面这样的常规天线单元之外，本发明的天线结构包括一个用于把辐射单元发出的射频能量导向远离用户的导电单元，从而减少用户的照射SAR。该导电单元可以置于包围通信装置的外壳的内部或外部表面。

Description

减少通信手持装置中照射吸收率的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及当用户正在操作一个采用天线来发射射频能量的手持通讯装置时用于减少该用户所受到的照射SAR(吸收率)的技术。
背景技术
通常天线性能取决于组成天线的单元的尺寸、形状和材料成分，以及某些天线物理参数(例如，直线式天线的长度以及环形天线的直径)与该天线接收或者发送的信号波长之间的关系。这些关系确定几个天线工作参数，包括：输入阻抗、增益、方向系数、信号偏振、工作频率、带宽以及辐射图形。通常对于可操作天线来说，最小的物理天线尺寸(或者最小电学有效尺寸)肯定是工作频率的大约四分之一波长(或者其倍数)，这样会有利于限制电阻损耗所消耗的能量损耗并使传输的能量最大。接地面上最常使用的是半波长天线和四分之一波长天线。
无线通信装置和***的急速发展已经引起对物理尺寸更小、伸出较少以及更有效的天线的大量需求，这种天线能够在宽带或者多频带上工作，并且/或者能以多种模式(即可选择的辐射图形或者可选择的信号偏振)工作。这些代表技术发展水平的通讯装置(比如蜂窝电话、手持机及其它便携装置)所具有的较小的组件或者外壳包装并不具备足够的空间来设置常规四分之一波长和半波长天线单元。因此尤其要寻求那些在所关心的频带范围内工作并可提供其它需求的天线工作性能(输入阻抗、辐射图形、信号偏振等等)的物理尺寸较小的天线。
半波长和四分之一波长偶极天线通常是外置的手持机天线。两种天线都呈现全向辐射图形(即，常见的全向环形)，这种辐射图形使大部分能量均匀地辐射在各个方位角方向而只有很少的能量辐射在仰角方向。某些通讯装置所关心的频带范围是1710到1990兆赫以及2110到2200兆赫。在1900兆赫上半波长偶极天线大约有3.11英寸长，在1710兆赫上该天线大约有3.45英寸长，而在2200兆赫上该天线大约有2.68英寸长。典型的天线增益大约为2.15dBi。该长度的天线可能不适用于大部分手持机应用。
设置在一个接地面上的四分之一波长单极天线是由半波长偶极天线衍生出来的。该物理天线长度为四分之一波长，但是当该天线被设置在一个接地面上时，该天线工作相当于半波长偶极。因此，一个接地面上的单极天线的辐射图形类似于半波长偶极天线的辐射图形，具有大约2dBi的典型增益。
本领域已知的几种不同天线类型可以嵌入在通信手持机装置内部。通常，人们希望这些天线呈现薄侧面(low profile)以便适于安装在手持机组件的可用空间外壳之内。由于天线从手持机外壳伸出，因此很容易被折断或者弯曲从而导致损坏。
环形天线是一种可以被嵌入手持机内的天线范例。普通的自由空间(即，不超出接地面)环形天线(直径大约为三分之一信号波长)沿着径向轴呈现常规环形辐射图形，并且其增益大约为3.1dBi。在1900兆赫，该天线具有一个大约2英寸的直径。典型的环形天线输入阻抗为50欧姆，从而提供了良好的匹配特性。
包括平面辐射的天线结构和/或馈送单元也可被用作嵌入天线。这种天线可以是呼啦圈天线，又名传输线天线(即，在接地面上包括一个导电单元)。该环路实质上是电感性的，因此该天线包括一个连接在接地面与呼啦圈导体一端之间的电容器以便产生共振结构。呼啦圈导体的另一端用作接收或者传输信号的馈送点。
使用在印刷电路板的制造中所采用的模型和蚀刻技术来构造印刷或者微带天线。因为具有薄侧面，比较容易制造并且造价相对低廉，因此这种天线非常普及。典型地，在一个绝缘衬底上的模压金属镀层可以作为辐射单元。作为印刷天线的一个例子，一个贴片天线包括一个覆盖在接地面上的绝缘衬底，以及覆盖在衬底上表面的辐射单元。该衬片天线具有定向半球形的涂层，其增益大约为3dBi。
另一种印刷或者微带天线包括螺旋形或者弯曲的天线，这种天线具有一个在绝缘衬底的一面上所形成的需求形状的导体元件，并且该衬底的相对面上设置一个接地面。
适合于嵌入手持机装置的天线的另一范例是双环或者双螺旋的螺旋天线，这种天线在2002年10月31日提交的申请号为10/285,291、名称为双频带螺旋形天线的共同拥有的申请中已经被描述并要求保护。该天线提供多频带以及宽频带操作，并且表现出比较高的辐射效率和增益，以及薄侧面和低廉的造价。
如图1中所示，螺旋天线8包括一个位于接地面12上的辐射器10。接地面12包括被一个绝缘衬底分开的上和下导电材料表面，或者在另一实施例中包括一个位于绝缘衬底上的单独的导电材料片层。辐射器10大体平行于接地面12并且与该接地面12间隔开，它们之间具有绝缘沟槽13(包括，例如，空气或者其它已知的绝缘材料)。在一个实施例中，接地面12和辐射器10之间的距离大约为5毫米。根据图1构造的天线具有适于***标准手持机通讯装置的尺寸。
图1中还表示了一个馈电插针14和一个接地插针15。馈电插针14的一端电连接到辐射器10，而相对端电连接到一个延伸到接地面12边缘20的馈电线路(feed trace)18。连接器(图1中未示出)被连接到馈电线路18，用于在发射模式下向天线8提供信号并且在接收方式下响应来自天线8的信号。如我们所已知，馈电线路18与接地面12的导电表面绝缘。该馈电线路18是由接地面12的导电材料通过除去在该馈电线路18周围的导电材料区域来形成的，从而使馈电线路18与底面12绝缘。
如图2的详细视图所示，辐射器10包括置于绝缘衬底28上的两个耦合并且连续的环路导体(也被称为螺旋体或者螺旋部件)24和26。外环路24是主要的辐射区域并且对天线谐振频率产生主要的影响。内环路26主要影响天线增益和工作带宽。然而，众所周知外环路24和内环路26之间存在较大的电子交感。由于它们关系可能复杂，指出一个或者另一个是主要负责确定天线参数可能在技术上过分简化。并且，辐射器10被描述为包括外环路24和内环路26，但是这两个单元之间也没有一个绝对的分界线。
图3中所示的另一螺旋形天线40分别工作在蜂窝和个人通信服务(PCS)频带824-894兆赫和1850-1990兆赫，并且还适合于用作嵌入手持机通信装置的天线。天线40是由一片比较薄的导电材料(例如铜)片所构成并且包括一个通常为螺旋形的辐射器42。螺旋形可能被认为是包括一个内部螺旋部件(或者环)44和一个外部螺旋部件(或者环)46，但是众所周知该内部和外部螺旋形部分44和46之间并没有物理界线，而这些参考标记通常与辐射器42大致区域有关。馈电插针50和一个接地或者短路插针52从辐射器42的一面向下伸展。
当天线被安装在通信装置中时，天线40典型地被安装在印刷电路板上。信号从印刷电路板上的馈电线路馈送到或者从馈电插针50接收。短路插针52连接到印刷电路板的接地面。电器部件还可以被安装在印刷电路板上与天线40一起运作从而执行该通信装置的接收和发射功能。天线40包括一个紧凑的螺旋形辐射器，该辐射器具有需求的工作特性并且具有合适的体积，该体积可使天线适于安装在手持机及其它空间很重要的应用中。
手持机用户和手持机制造商中比较关心当使用手持机时(例如进行电话交谈时)所持的手持机靠近用户耳朵时，该蜂窝电话所发出的射频能量的影响。尤其是，该射频能量可能导致脑细胞发热、并且长时间、频繁地使用手持机可能引起不利的健康影响。吸收率(SAR)为当手持机装置进行发射时被用户身体所吸收的辐射量的度量。蜂窝电话的最大SAR电平必须小于1.6瓦/千克。
发明内容
本发明包括一种用于靠近用户工作以传输和接收射频信号的通信装置。该装置包括射频信号辐射单元和与辐射单元相分离而与辐射单元关联操作的接地面。设置成靠近辐射单元的导电单元可以减少在用户方向上放射的能量。
附图说明
通过结合附图对本发明进行更具体地说明，本发明的上述及其它特点将显得更加明显，其中在不同的附图中，相同的附图标号表示同样的部件。附图没有必要按照实际的尺寸，其重点在于对本发明的原理进行描述说明。
图1-3是多种具有较薄结构的天线的透视图；
图4表示一个在靠近用户头部位置的现有技术手持机装置；
图5表示一个如图4的手持机装置的示例性手持机装置的内部视图；
图6和7表示图4手持机装置的典型的辐射图形；
图8表示本发明的SAR降低装置的剖视图形；
图9表示使用图8的SAR降低装置的手持机装置的辐射图形；以及
图10-12表示根据本发明的其它实施例。
具体实施方式
在详细描述本发明具体的天线装置之前，应该观察到本发明主要在于说明一种新颖和非显而易见的单元组合体。因此，本发明的单元已经由附图中的常规单元表示，在此仅仅示出与本发明有关的那些细节，以免对本领域普通技术人员来说显而易见地可以获得的结构细节使本发明的公开不够清楚和明显。
图4表示一个用于接收和/或发射射频能量的常规手持机80，例如蜂窝电话，其处于紧挨着用户84的耳朵82的操作位置。在图5中进一步示出，该手持机80包括一个封装嵌入天线88的手持机外壳86，该天线物理地并电连接到一个带有接地面91的印刷电路板90。通常，接地面91包括置于印刷电路板90一部分上的一个导电区域，其中多个电子器件和相连接的导电线路(图5中未示出)占据印刷电路板90其余部分。接地面91与天线88相互作用以产生需求的天线88的传输和接收性能。
尽管天线88表示为包括一个比较平面的结构，如图1和2中的天线10或图3的天线40，本发明的教导不仅限于此并且如下面进一步所描述的，仍然可以被用于各种天线类型以便限制用户的照射SAR。
如图5中所示的天线88包括辐射单元94和物理以及电连接单元96，该连接单元96将辐射单元94连接到印刷电路板90，具体为连接到安装在印刷电路板上的电器部件和导电线路以及在其中形成的接地面91。如上面所述的示例性天线那样，辐射单元94与底面91一起工作，这样当手持机80工作在发送模式时会发射射频能量，而当手持机80工作在接收模式时接收射频能量。此处所示的天线88可以包括任一种嵌入手持机80的天线设计方案，包括那些如上所述及本领域其它已知的技术。
以微瓦/克为单位的吸收率(SAR)是在给定时间上身体组织的单位质量所吸收的射频功率数值的数量度量。为了保护公众和用户安全，联邦电讯委员会及其它管理机构已经给出了蜂窝电话的SAR限度。人们相信在SAR限度内使用手持机不会对用户的脑组织生产有害的热效应。1996年8月1号之后制造的所有蜂窝手持机必须通过测试以符合FCC所规定的限度。举例来说，在澳大利亚、美国和加拿大SAR限度是1.6毫瓦每克。
图6概要地示出了设计工作在PCS(个人通信***)频带1850到1990兆赫下的嵌入天线88与印刷电路板90上的接地面91一起形成的近场辐射图形100。根据标准的手持机尺寸，印刷电路板90大约为2英寸宽，因此位于该印刷电路板上的接地面91大约也是2英寸宽。对于PCS频带中的频率而言，2英寸表示大约半个波长。由于半波长结构作为反射单元可以反射射频波，因此大部分从天线88直接指向用户84的能量通过印刷电路板90所带的接地面91被反射远离用户。因此辐射图形100形状通常如所示的一样。
AMPS和CDMA蜂窝电话***工作在824到894兆赫的频率范围，相应的波长大约在14.2英寸和13.0英寸之间。对于该信号波长，印刷电路板90上的接地面91(大约2英寸宽)未提供如PCS频带中那样有利的反射特性。图7表示所得到的近场辐射图形102，基本上显示为全向辐射，该全向辐射可以引起使SAR超出用户84的组织中的SAR限制。按照GSM标准在880到960兆赫频带工作的具有嵌入天线的便携式电话或者其它的手持机装置也可形成类似于图102的辐射图形。
根据本发明的教导，导电单元108(参见图8)被设置在靠近辐射单元94的位置。在一个实施例中，导电单元108包括一个附着到所示手持机外壳86的外表面110上的导电带或者导电板(在一个实施例中包括铜带或者铜板)。在另一个实施例中，导电单元108进一步包括一个便于附着到手持机外壳86表面的粘合表面。因此该实施例可以适于手持机80的所有者将其附着到手持机外壳86上。在一个实施例中，辐射单元94和导电单元108之间的间隔大约为0.1到0.2英寸的距离。根据辐射单元94和导电单元108的电气和机械性能，其它的间距也会生产需求的效果。该间距也受手持机外壳86的尺寸的影响。在另一个实施例中小于大约0.125的距离更好。
天线88的辐射单元94所发出的射频能量在导电单元108中感应出电流，从而导致在远离用户84的方向上有较大的电流分布，这样就在相同方向，即，远离用户84的方向，产生更大的近场能量。由于天线88仅仅能产生有限的能量，在远离用户84的方向上增加能量会减少朝用户84方向上的发射能量。导电单元108的使用已经表明其能够增加远离84方向上的能量大约0.25到0.50dB并且将朝用户84方向的能量降低同样的数量。因此导电单元108相应减少用户84受到照射的SAR值。图9表示一个由于使用导电单元108而得到的典型近场辐射图形120。
通常，导电单元108的长度小于辐射单元94的有效电气长度以便使能量远离用户方向。在一个实施例中，辐射单元94工作为半波长天线，在工作频率(或工作频带)上，导电单元108的长度可以小于约半波长。在一个实施例中，导电单元长度大约为0.1到0.125。相对于辐射单元94所发出的能量来说，该导电单元108可以被认为是能量导向器。
尽管已经结合辐射单元94与接地面91对使用进行了说明，但是该导电单元108并不局限于那些与接地面一起工作的辐射单元。因此可以从本发明的教导中得知各种天线配置。
图10所示的在另一实施例中，导电单元108设置在手持机外壳86的内表面122上。例如，在手持机88的制造过程中，导电单元108可以被贴在外壳的内表面上。可以采用粘合剂(包括贴到单元108的粘合衬底材料)将导电单元108贴到外壳86上。还可以采用其它已知的附着方法，包括采用一个合适的粘合剂进行粘接。
在另一实施例中，可以在手持机外壳86上(在外壳86的内部或者外表面)印刷一个导电油墨区域以便实现本发明所教导的优点。
为了使本发明教导所实现的结果最佳化，该导电单元108应该根据嵌入天线88的物理和工作特性来调整大小和位置，因为否则可能会导致性能参数的降低。通常，可以通过改变该导电单元108的尺寸和位置经验验证地确定能够最大限度减少SAR的导电单元108的尺寸和位置，从而对特定手持机80达到最大限度的SAR减少。
在其它实施例中，导电单元108可以相对于辐射单元94的位置进行定位，从而在一个不同于远离用户84方向的另一方向上增加辐射能。图11示出了导电单元130，该导电单元130设置在外壳86的外表面110上用于增加箭头132所示的大体方向上的辐射能量。在另一实施例中，导电单元130可以被设置外壳86的内表面。在又一实施例中，导电单元130以及合适的支撑结构被设置在外壳86的内部区域，其中用合适设置的适当支撑结构以相对于辐射单元94来准确安放导电单元108。
在另一个实施例中，如图12所示，相对于辐射单元94可以设置多个导电单元108和108A以便如需求的那样聚焦或者引导近场能量。
已经描述了用于减少用户的照射SAR的天线结构。虽然在此本发明的具体应用和实例进行了讨论和描述，在此所公开的主要内容提供了以多种方法和多种天线配置来实施本发明的基础。在本发明的范围内可能有多种变化。本发明仅由下述权利要求进行限定。

Claims (21)

1.一种靠近用户工作进行发射/接收射频信号的通信装置，该通信装置包括：
射频信号辐射单元；
与辐射单元间隔开并且与该辐射单元协同工作的接地面；
设置在辐射单元附近的导电单元，用于减少在用户方向上所发射的能量。
2.如权利要求1的通信装置，其特征在于该导电单元减少用户所受照射的吸收率。
3.如权利要求1的通信装置，其进一步包括带有至少一部分接地面的印刷电路板。
4.如权利要求1的通信装置，其进一步包括封装辐射单元和接地面的外壳，其中导电单元设置在该外壳的内表面和外表面中的一个上。
5.如权利要求4的通信装置，其特征在于导电单元包括导电材料和置于其上的粘合材料，并且其中导电单元通过将粘合材料粘合到其上以被固定地附着于内表面和外表面中的一个上。
6.如权利要求1的通信装置，其特征在于导电单元的材料是从导电油墨和导电金属中所选择的。
7.如权利要求6的通信装置，其进一步包括用于封装辐射单元和接地面的外壳，其中导电油墨被施加到外壳的内表面上。
8.如权利要求1的通信装置，其特征在于导电单元设置在远离接地面的方向上。
9.如权利要求1通信装置，其特征在于导电单元作为射频信号的导向器。
10.如权利要求1的通信装置，其特征在于辐射单元和导电单元之间的距离大约为0.2英寸。
11.如权利要求1的通信装置，其特征在于导电单元的长度大约在0.1到0.125之间，其中  是射频信号的波长。
12.如权利要求1的通信装置，其特征在于相对于用户，导电单元设置在远离辐射单元的方向上。
13.一种靠近用户工作进行发射射频信号的通信装置，该通信装置包括：
射频信号辐射单元；
靠近辐射单元设置的导电单元，该导电单元可以用于把射频信号的一部分引导到在远离用户的方向上。
14.如权利要求13的通信装置，其特征在于辐射单元设置在用户和导电单元之间。
15.如权利要求13的通信装置，其特征在于响应于被引导远离用户方向的射频能量部分，用户受到照射的吸收率减小。
16.如权利要求13的通信装置，其特征在于响应于射频信号的频率来确定导电单元的尺寸和位置中的至少一个数值。
17.如权利要求13的通信装置，其特征在于响应于辐射单元的几何形状确定导电单元的位置。
18.如权利要求13的通信装置，其特征在于响应于用户和该通信装置之间的接近关系确定导电单元的位置。
19.如权利要求13的通信装置，其特征在于当使用期间通信装置被握住靠近用户的耳朵，并且其中与没有导电单元时身体组织所吸收的射频能量相比较，该导电单元可以减少靠近耳朵的身体组织所吸收的射频能量。
20.如权利要求13的通信装置，其特征在于该射频能量在导电单元中感应电流，从而在远离用户方向上产生增强的电流分布。
21.如权利要求20的通信装置，其特征在于增强的电流分布增加在远离用户的方向上的近场能量并且减少用户方向上的近场能量。
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