CN1126280C - 带用于备份方式的独立天线的无线电话 - Google Patents

Abstract

用于无线电信中使用的一种无线电话，具有一个发射机/接收机单元(4)、一个控制单元(5)、为在备份方式使用而优化其特性的第一天线(1)、和为在正进行的呼叫中使用而优化其特性的第二天线(2)，所述第二天线与发射机/接收机单元电接合和分离。无线电话还具有天线开关(3)，其被设计成可使发射机/接收机单元(4)与或者第一天线(1)或者第二天线(2)有效连接，所述天线开关向控制单元(5)提供响应至少第二天线的电接合状态的控制信号(7)。只要根据所述控制信号表示第二天线电分离，控制单元防止建立进来的和出去的呼叫。

Description

带用于备份方式的独立天线的无线电话

技术领域

本发明涉及用于无线电信的一种无线电话，包括一个发射机/接收机单元，一个控制单元，为在备份方式使用而优化其特性的第一天线，和为在正进行的呼叫中使用而优化其特性的第二天线，所述第二天线可与发射机/接收机单元电接合和分离。本发明还涉及在这样一个无线电话中控制建立进来的和出去的呼叫的方法。

背景技术

现在，无线电信至少与电信的更常规的有线形式一样普通。在几乎每个国家中，越来越多的人们在日常生活中使用无线的无线电话，尤其是蜂窝式电话。术语“无线电话”包括所有可以用于无线通信的便携设备，即蜂窝式电话，所谓个人通信机或组织器等。对未来的预测还表示这样的电话的使用甚至更频繁，和在不远的将来无线电信系统将变得比有线的系统更普及。

在移动电话系统中，或所谓蜂窝式电话系统中，公共或商业的电话公司提供了大量的地理分布的基站。每个基站被安排得覆盖一个特定地区，所谓网孔，和以此方式选择各个地区以使他们一起尽可能广地覆盖一个连续的地理区域。基站被设计得从和向移动站如出现在该地区中的无线或移动电话转发来话和发话呼叫，和从此每个基站被连接到公共有线通信网络。在现代电信系统中的移动站如GSM(全球移动业务系统)具有两种主要的工作方式，其第一种方式在所讨论的移动站与基站之间以高密度通信进行通话。第二种工作方式是备用方式，即当移动站不提供任何进行的通话时，但是与基站的某种通信仍在正常地进行着。例如，当用户打开他的移动站时，移动站将搜索可用基站和选择具有最高信号强度的一个。然后移动站向所选择的基站报告他的存在。移动站然后从基站正常接收信息，例如频率同步信息。如果信号强度显得低于任何其它可用基站的信号强度，一般会发生切换到后者(所谓切换)。另外，在移动站与基站之间发生双向的所谓握手通信，当来话呼叫将建立时。借助上面所述有可能提供服务，象漫游(在越界时刻系统检测和保持用户记录)、SMS(短消息服务；在电话显示器上显示短文本消息的传输)、和CB(网孔广播；即从公共当局向出现在网孔中的若干移动电话广播消息)。

无线电信的其它种类是公知的，这些种类不连接到公共有线电话网络。一个例子是调度应用，即由出租车行业、警察当局或运输公司使用的非公共无线系统。另一个例子是本地或全球寻呼系统，和还有另一个例子是无绳电话系统如DECT(数字式欧洲无绳电话系统)。

对于上述在通信系统中以无线方式传输语音或数据，需要电-磁能的发射机和接收机。无论在模拟系统或数字系统中，信息在发射机和接收机中是电处理的。发射机和接收机均连接到转换装置上，如天线，用于在电与电-磁能之间的转换。无线信息传输是通过在发射机天线周围产生射频电磁场和从天线向外传播然后以光速到达接收机天线来实现的。

由于天线在进行通话和备份方式期间大量使用，如上所述，在现代移动电话系统中对移动站天线提出各种要求。经济上的要求和有效成本的要求是显而易见的。另一个通用的要求是在电池充电之间的长工作时间，和为满足这种要求移动站必须保留大量的可用电能，由此需要一个高的天线转换效率。通常，天线和信号质量的要求在进行通话期间比在备份方式期间更严格。

另外，移动电话的物理尺寸是非常重要的。今天的用户认为有用的移动电话，需要低重量、紧凑和结实的样式；移动电话最好适合放在夹克衫内兜、手包等中，或有可能用皮带夹子带在腰带上。对紧凑和结实的要求也明显应用在移动电话天线上。

在进行通话期间移动电话一般紧贴用户放置，和，结果用户的手和尤其头将不可避免地影响天线的信号特性。身体与天线近场之间的相互影响通常造成天线特性减弱，主要是由于反射和吸收损耗。特别地，如果天线与身体之间的距离减小，信号减弱将增加，和明显地很难同时取得高天线效率和物理的紧凑和结实。

今天在移动电话上使用了各种天线类型，例如半波长或四分之一波长鞭状天线，对称振子天线，螺旋天线等。当考虑信号特性和天线效率时，不同的天线类型适合于不同的范围。例如，螺旋天线由于它的螺旋形状可以给出紧凑的尺寸和良好的抗损坏性而被经常使用。可是，螺旋天线不能表现出半波天线那样好的天线效率。

由于空间上的考虑移动电话还经常装备可伸展的鞭状天线，为用于备份方式其在有些情况下靠单独的外部天线来补充，因为鞭状天线完全缩回到金属电话外壳中就将其发射信号与周围环境相隔绝。Motorola公司的国际专利公开WO9301659公开了一种无线电话，它的天线可以在收缩和扩展位置之间移动。该电话具有两个工作方式，取决于天线扩展与否。这些工作方式例如可以与显示器发光或不发光、小键盘接合或不接合、或发射效果的不同水平有关。

发明概述

本发明的目的是针对上述要求和问题来优化移动站天线的设计。本发明的目标尤其是提供一种在进行通话期间和在备份方式下具有高性能的天线系统。通过使用两种不同的天线来实现该目的，第一种天线具有小和紧凑的形式可抵抗外部的机械应力和被用于移动站的备份方式，和第二种天线是较长的天线往往只用于进行通话期间和具有如下特性，即产生不明显的信号减弱和高天线效率的物理长度和位置。另外，第二种天线在不进行通话期间的其它情况下最好完全或部分缩入电话外壳或靠在外壳边折叠起来，和根据本发明采取措施以便防止在通话期间使用往往用于备份方式的第一天线。

附图的简要说明

下面将参照附图更详细地描述本发明，其中

图1是无线电话的示意图，其中使用了本发明，

图2是图1中的发射机/接收机单元的方框图，

图3和4是图1中天线的优选实施例的剖面图，

图5是图3和4中零件的等效电路图，

图6a是带前盖或盖子打开的无线电话的正视图，说明根据本发明的改型实施例的天线安排，

图6b表示前盖折叠起来的相同无线电话，

图6c是根据图6a的无线电话的横截面图，

图7a带前盖打开的无线电话的正视图，说明根据本发明的第二个改型实施例的天线安排，

图7b表示前盖折叠起来的相同无线电话，

图7c是根据图7a的无线电话的横截面图，

图8a是前盖打开的无线电话的正视图，说明根据本发明的第二个改型实施例的天线安排，

图8b是根据图8a的无线电话的横截面图。

在图1中表示起移动站作用的无线电话，其中应用根据本发明的天线系统。为举例而非限制的原因所公开的移动电话是现代电话系统中使用的类型，如GSM或NMT。电话包括外壳6，小天线1，大天线2，天线开关3，发射机/接收机单元4，控制单元5，和未显示的各种装置和设备，如小键盘，显示器，电池，耳机，话筒等。

小天线1往往用于移动电话的备份方式，即当不发生用户控制的通信时，和因此小天线1具有适合于该目的的紧凑形式。以下将称为备份天线的天线1最好具有与其电长度相比实际上短的物理长度，它可以有关将电导线缠绕成螺旋型实现。天线1的性能要求不严格于对天线2所提出的要求，由于天线1仅用于备份方式。为最紧凑，天线1最好是四分之一波类型。

大天线2往往用在通话期间，和因此以下称它为通话天线。该天线的特性使得它很适合于它的目的。它具有物理长度和/或位置以至来自用户身体的对信号特性的影响很小或甚至可忽略，由此有助于优化天线效率。通话天线最好是半波天线。

通过如上面所述控制移动站的工作方式，能保证使用最适合各个工作方式(分别为备份方式和通话方式)的天线。

控制单元最好由一个微处理器和相关的软件程序来实现，即使下面描述的功能可以在硬件中以许多不同方法执行，例如通过一个数字交换网，如同由数字交换领域的技术人员容易地实现的那样。为使成本最小，最好使用相同的中央处理单元(CPU)，其控制移动站的主要操作，或在常规移动站中已经使用的任何其它协处理器。

在图2中表示了发射机/接收机单元4的方框图。发射机/接收机单元基本上是常规设计，和因此下面仅大略描述其工作。在发射方式发射信息，即基带信号41(“TX”基带)以数字或模拟形式从控制单元5到达调制器42。在那里基带信号41调制来自发射机本振43的中频信号，随后接收来自时钟电路44的时钟信号。调制后的中频信号然后在混频器46中被合成器46产生的载波混频。所获得的高频信号分别在放大器47和滤波器48中放大和滤波，该信号然后被发送到目前由天线开关3选择的天线。

在接收方式由天线接收的信号被提供给滤波器50和放大器51以进行滤波和放大。在混频器52中高频信号被来自合成器45的信号下变频到中频。然后分别在滤波器53和放大器54中再次进行滤波和放大，然后在解调器55中由来自接收机本振56的中频信号执行解调。然后所获得的基带信号57(“RX”基带)可以用众所周知的方式解码或在未示出的电路中进行信号处理。

图3和4是图1的两个天线的优选实施例的横截面图。图1中的小天线1由往往用于移动站备份方式的螺旋天线11a实现，而图1中的大天线2由半波型的鞭状天线10a实现。两个天线均安装在电话外壳6上。如下所述，天线10a还是可收缩入外壳的。螺旋天线11a由电介质材料11b包裹着，提供了坚固性和对机械应力的防护，这点在备份方式是特别重要的，因为移动站经常被带在口袋、提包或类似物中。鞭状天线10a被安放在电介质材料11b的空腔11d中。在图3中所表示的鞭状天线完全展开和与同轴电缆34通过用金属舌簧32的阻抗匹配网络电连接。同轴电缆34的另一端按照图1和2与发射机/接收机单元4电连接。

包括线圈20、金属管21、电介质体15和两个环状连接器16和22的阻抗匹配网络分别在根据图3的较高接合位置和根据图4的较低接合位置之间是可竖直地置换的。在根据图3的较高接合位上，金属管21与有螺纹的夹具13通过法兰盘24电流接触，所述夹具随后被拧进移动站的外壳6中，这样为金属管21引到接地电位。在根据图3的接合位置上阻抗匹配网络可以认为是所谓π型滤波器用于在鞭状天线10a的输入阻抗58(Z_ANT)与发射机/接收机单元4的输出阻抗59(Z_RX/TX)之间进行阻抗匹配。通常，后者是50Ω，如同同轴电缆的阻抗，而端馈半波型天线的鞭状天线具有理论上无限大的阻抗但实际上具有大约200到250Ω的值。当使用半波天线时在移动站中需要阻抗匹配是众所周知的。过去的已知解决方法包括分开安放滤波器电路，该方法占用空间和增加成本。

在图5中概略地表示了π型滤波器。电感60对应线圈20，和电容61和62对应线圈上的电荷，所述电荷与上述接地金属管21通过电介质材料15隔开。另外，阻抗匹配滤波器的关键功能对于本领域技术人员是公知的和因此不再进一步描述。

在图4中鞭状天线10a表示为全收缩位置。同时阻抗匹配网络在较低位置和与鞭状天线一起电断开。反而螺旋天线11a与发射机/接收机单元4电连接，因此金属簧片32现在与金属管21接触而不与连接器22接触。这样，金属管21不再与夹具13有任何电接触和因此不再接地。在此位置绝缘套管14将金属管21从夹具13分开。反而金属管与环状连接器12电流接触，所述连接器随后与螺旋天线11a电流接触。不同于鞭状天线10a，螺旋天线11a不通过断开的阻抗匹配网络馈电，因为螺旋天线可以容易地设计为任何所希望的输入阻抗(在该例中50Ω)。

为避免在两个天线之间的相互耦合在鞭状天线10a的较高端周围安排了电介质段10c，和在鞭状天线10a的较低端周围安排了另一个电介质段10b。在段10c上安放了天线头10d和该天线头最好作成构成一个整体单元。

阻止装置10e被安放在鞭状天线的较低端与环状连接器22摩擦接合，以便根据上面所述保持天线10a和阻抗匹配网络在它们各自的位置上。另外，采用法兰盘24和天线头10d与夹具13和空腔11c分别接合。

当移动站的用户将鞭状天线10a推入电话外壳6中，段10c的较低部分因此与环状连接器16接触，和阻抗匹配网络因此从其较高位置转移到其较低位置时，执行了从鞭状天线的扩展位置到其收缩位置的实际切换。当用户抓取天线头10d和展开鞭状天线10a，阻止装置10e和电介质段10b因此分别与环状连接器22和16接合时，阻抗匹配网络以相应的方式从其较低位置转移到其较高位置。

通过上述的天线切换设计，天线开关3(在图1中表示和下面更详细地描述其功能)以最小的空间需要和少量元件实现，借助于包括与实际天线系统完全集成的阻抗匹配网络的天线切换设计。

天线开关3适合于确定第二天线2的有效接合状态；10a-e，即天线是否与发射机/接收机单元4电连接或接合。术语“电连接”在此情况下代表任何电流、电容或电感的耦合，或任何它们的组合。这样，根据本发明的优选实施例，天线开关3装备了在图中未显示的用于分别确定第二天线2的收缩和扩展位置的装置；10a-e。所述装置可以从各种机械、电学或光学开关或本领域技术人员公知的传感器中选择，安放所述装置以提供具有响应所检测天线位置的控制信号7的控制单元5。也可能通过检测第一天线的脱离，间接确定第二天线的电接合。

现在将描述根据本发明的移动站或无线电话的操作。开始，假设移动站为备份方式，因此移动站当时不提供任何进行的通话。移动站与所选择的基站之间的常规通信通过备份天线1；11a-d，通话天线2；10a-e同时电断开并完全收缩入电话外壳6。

当基站通知移动站有来话呼叫时，发生下列情况。第一步控制单元5检查用户是否采取任何动作回答该呼叫，例如通过按下小键盘上的适当的键(如“YES”或“OFF-hook”键)。如果确实如此，控制单元确定通话天线是否完全展开或换句话说准备好提供进一步的通话建立。如果确实如此，给用户一个消息以便通知他这些事实。该消息可以是视觉的、声音的或可感觉的形式，或这些形式的任何组合。最好在移动电话的显示器上表示立即“拔出天线”的消息。另一个形式，通过移动电话的扬声器可以发出语音信号，或在电话或其任何部分中产生震动。只要通话天线未完全展开或换句话说未准备好提供通话，控制单元将禁止移动电话建立通话所必须的给定功能。在建立通话之前，这些最好通过防止传输数据序列与基站信息交换所必须的数据序列来完成。这样的预防措施本领域技术人员可以容易地获得，其中使用一个微处理器，因为该动作可以由软件单独执行。更“内行”的解决方法包含简单地断开如话筒或扬声器这样的器件。

只要用户通过展开通话天线解除上述禁止条件，上述禁止通话功能就相应地结束，然后以常规方式建立通话。在天线开关3构成独立单元的情况下，该情况不是上述优选天线系统的情况，控制单元将向天线开关提供一个控制信号，所述天线开关然后执行备份天线1的电断开和同时也执行通话天线2的电连接。

上述动作系列的简单形式如下。一旦基站通知移动站来话呼叫，控制单元5将简单地将用户为回答呼叫所需要的键“YES”或“OFF-hook”脱离。然后如上所述通知用户，不接合“YES”或“OFF-hook”键直到用户遵守请求，用户然后最终能够回答呼叫。

当通话完成时，移动站恢复到备份方式。在备份方式期间通过在当时将天线电接合来执行任何必要的通信。通常，用户在通话完成后将通话天线收缩，由此通话天线被断开和备份天线被连接，但例如由于恶劣的信号环境，用户可以按照自己的愿望保持通话天线为连接或接合状态。

当用户在小键盘上输入电话号码试图建立向外呼叫时，例如按下“YES”键，控制单元将检测和以上面所描述类似的方式通知用户，这样通话天线必须接合。从那时起以上面所描述类似的方式禁止任何给出的建立通话所必须的功能。直到用户确实接合了通话天线才解除禁止，和然后如同平常一样可以建立通话。

上述优选实施例只作为例子。在附加的权利要求所定义的本发明范围内，不同的实施例可以脱离上面的描述。例如，如以前提到的，可以根据不同的硬件和/或软件方案实现控制单元功能，这是本领域技术人员容易实现的。另外，除上面描述的天线类型外其他天线类型可以用做备份天线和通话天线。上面描述的天线是可伸展的，但其也可以是另一个形式的可折叠收放的，例如当电话不提供通话时天线可以靠近移动电话外壳折叠起来。

在图6a-c中表示了根据本发明实施例的另一个形式的天线设计。如平常一样，无线电话包括一个电话机外壳6、一个显示器7，一个小键盘72、一个扬声器73，和一个话筒74，和该无线电话另外包括一个可折叠前盖或盖70，该盖设计的当不提供通话时按照图6b折叠起来，由此翻滚电话的前侧。当回答来话呼叫时，或当开始发出呼叫时，用户按照图6a以常规方式绕旋转轴76将前盖70放开。

如前所述，备份天线1安装在电话外壳6的顶部。最好由端馈半波型旋转天线构成的通话天线2被安放在前盖70内部邻近其一条长边。天线2如同前盖70一样可旋转地安装在相同轴76上，用户使用电话时，随前盖折叠收起和放开相应地跟随。在旋转端天线2通过常规的电装置与发射机/接收机单元4连接，例如同轴电缆。

由上述设计，在进行通话期间天线2将指向下方和远离用户头部在与前盖70平行的方向并基本上垂直向下，由此获得对头部的最大距离。在进行通话期间连同上述措施防止使用备份天线1，根据图6a-c的天线设计进一步减少天线与用户人体之间的相互作用，由此减少了信号衰减，因此改善了天线效率。另外，无线电话功能与前面描述的相同。

在图7a-c中表示另一个天线设计，除了使用更短的天线作为通话天线2以外，对应于图6中表示天线。最好由螺旋天线构成的该天线2被安装在前盖70的底部(如图7所见)和被连接到其它电话元件上，例如通过沿前盖70一条长边安放的同轴电缆75连接到发射机/接收机单元4。

图7a-c中的与图7a-c中相同的参照数字代表同一零件，并不再进行更详细的描述。如同图7b所看出的，当前盖70处于其高位时通话天线2伸展到电话之上，但如同前面一样，在此情况下禁止用户使用通话天线2。

在图8a-b中表示另一个天线设计。该实施例基本上与图6a-c所表示的实施例相同，除了当折叠起来时前盖没有翻滚全部电话。借助于这些特征，用户可见到显示器71，甚至当前盖70被折叠起来时。

对于本领域技术人员来说，可以以各种方式改变图6-8中的实施例是显而易见的。例如，通话天线2可以另一种方式安放在前盖70之外或可以插入前盖70内，和其可以跨过前盖70横向伸展而非沿着一条长边。除了绕轴76旋转安放，前盖70可以沿垂直方向在高位和低位之间转移，在高位前盖覆盖无线电话的主要部分，在低位使用无线电话通话。另外，前盖70安排得可以推一小段和然后绕轴旋转打开。另外，天线2可以由安装在例如前盖内部的所谓贴片天线实现，即最好具有方型的一个金属片。

在本发明范围内也可能保持备份天线持续接合，如果以该方式设计天线系统，这样备份天线与通话天线一起起着接收天线的作用以便在接收方式或所谓下行链路方式获得天线分集增益。

Claims (15)

1.控制在无线电话中建立来话和发话呼叫的一种方法，该无线电话包括用于备份方式的第一天线(1；11a-d)，和在进行通话期间使用的第二天线(2；10a-e)，其特征在于步骤：

a)确定在无线电话中第二天线(2；10a-e)是否与发射机/接收机单元(4)电和/或有效连接和，如果不是这种情况，禁止无线电话建立通话所必须的至少一个功能，

b)按照a)重复该确定，直到满足a)中的条件，和

c)只要a)中的条件已经被满足，就解除根据a)的禁止，此后建立通话。

2.根据权利要求1的一种方法，其特征在于另外的步骤：

a′)当a)中的条件已经被满足时，以可见的、声音的或可感觉的方法，通知无线电话的用户。

3.根据权利要求2的一种方法，其特征在于以无线电话显示器上的文本消息给出根据a′)的通知。

4.根据权利要求2的一种方法，其特征在于以无线电话扬声器上的声音信号给出根据a′)的通知。

5.根据权利要求2的一种方法，其特征在于以无线电话或无线电话的一个零件上的振动给出根据a′)的通知。

6.根据任何前面权利要求的一种方法，其特征在于建立呼叫所必须的功能由数据序列构成，该数据序列从无线电话发出用于与用来进行通话的无线基站信号交换。

7.根据权利要求6的一种方法，其特征在于通过有效断开无线电话键盘上的至少一个键来禁止建立通话所必须的功能。

8.根据权利要求6的一种方法，其特征在于检测第一天线(11；11a-d)电接合状态的步骤和在根据a)的确定步骤中使用该信息。

9.用在无线电信中的一种无线电话，包括一个发射机/接收机单元(4)，一个控制单元(5)，用于备份方式的第一天线(1；11a-d)，和在进行通话期间使用的第二天线(2；10a-e)，所述第二天线与发射机/接收机单元可电接合和脱离，

其特征在于天线开关(3)，该开关安装得将发射机/接收机单元(4)与第一天线(1；11a-d)或第二天线(2；10a-e)有效地电连接，所述天线开关向控制单元(5)提供响应至少第二天线的电接合状态的控制信号(7)，只要第二天线根据所述控制信号表示为电脱离，所述控制单元安装得防止建立来话和发话呼叫。

10.根据权利要求9的一种无线电话，其特征在于第一天线(1；11a-d)是由螺旋天线(11a-d)构成。

11.根据权利要求9或10的一种无线电话，其特征在于第二天线(2；10a-e)安装在无线电话的可旋转和/或可移动的前盖(70)的表面上。

12.根据权利要求11的一种无线电话，其特征在于第二天线(2；10a-e)安装得当前盖(70)在通话期间打开时天线的指向在与前盖基本上相同的平面内离开无线电话。

13.根据权利要求11的一种无线电话，其特征在于第二天线(2；10a-e)由沿其长边安装在前盖(70)内的端馈半波天线构成。

14.根据权利要求9或10的一种无线电话，其特征在于第二天线(2；10a-e)由鞭状天线(10a-e)构成，该天线安装得在通话期间从电话外壳(6)伸展出和当不提供呼叫时收缩入电话外壳(6)或沿其外壳折叠起来。

15.根据权利要求14的一种无线电话，其特征在于还包括一个阻抗匹配网络，其包括一个金属管(21)，安装在金属管中的一个线圈(20)，安装在线圈与金属管之间的电介质材料(15)，和分别连接线圈的第一和第二端的第一和第二环状连接器(16，22)；

螺旋天线(11a-d)，包括一个螺旋型电导体(11a)，围绕该导体的一个基本上圆柱型的电介质体(11b)，和沿其长度伸展安排在该电介质体中心的一个空腔(11c-d)；和

鞭状天线(10a-e)，该天线安装在螺旋天线(11a-d)的空腔中，并能分别从电话外壳(6)展开和收缩在其中，

当该鞭状天线展开时，所说阻抗匹配网络被配置为具有第一位置，所述鞭状天线由此通过第一环状连接器(16)线圈(20)和第二环状连接器(22)与发射机/接收机单元电连接，和具有第二位置，当该鞭状天线收缩时，所述螺旋天线由此通过金属管(21)与发射机/接收机单元电连接。

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