用於通過絕緣體同軸耦合天線和用於放大相鄰絕緣體的信號的系統和方法
2023-04-23 02:23:26 4
專利名稱：用於通過絕緣體同軸耦合天線和用於放大相鄰絕緣體的信號的系統和方法
技術領域：
本發明涉及耦合系統和方法，更具體地涉及用於通過絕緣體耦合天線的系統和方法。例如將天線耦合到無線電話機。
背景技術：
天線耦合系統和方法被廣泛應用於將天線通過絕緣體與接收機耦合。例如，在移動無線電話通信中，無線電話機例如蜂窩無線電話機可以安裝在車輛內部。天線可以安裝在車輛外部。耦合系統和方法被用於經過如車窗這樣的絕緣體將該天線與無線電話機耦合。如在此使用的，術語「無線電話機」包括模擬和數字無線電話機，多模式無線電話機，高功能個人通信系統(PCS)設備，該設備可以包括大顯示器、掃描儀、全尺寸鍵盤等，無線個人數字輔助器(PDA)和其他設備例如裝備了無線數據機和其它無線電電子設備的個人計算機。
本領域技術人員應當理解，儘管本申請描述移動無線電話機與天線通過車窗耦合，本發明可以應用於任何無線電收發信機並且絕緣體不限於車窗。另外，本發明不必用於移動環境，也可以用於將建築物外的天線與建築物內的收發信機通過絕緣體耦合。
利用在窗戶任何一側的電容性平板將高頻信號通過窗戶電容性耦合是公知的。見Harada的美國專利4621243題目為「用於天線的發射信道耦合器」。該專利也描述了利用環路線圈和螺旋諧振器通過窗戶發射高頻信號。
多個平版也用於窗戶的任何一側將通過那裡的信號進行電容性耦合。例如見Rychlik的美國專利2829367題目「電視導入耦合器」和Larsen等人的美國專利4764773題目「移動天線和穿過玻璃的阻抗匹配饋電系統」。
最後，提供安裝在電介質例如車窗表面上的共線輻射器和安置在安裝在電介質相反表面上導電外殼內的可調諧耦合電路是公知的。見Hadzoglou的美國專利4839662題目「蜂窩移動通信天線」。
在提供天線耦合系統和方法時，通常希望將天線通過具有低插入損耗的絕緣體與收發信機耦合。例如，在提供低鏈路餘量的衛星無線電話機中，希望通過絕緣體的插入損耗保持在0.5dB或更小。不幸地是，許多常規耦合系統產生2db或更大的插入損耗。另外，許多高性能天線利用兩個或幾個導體而非單一導體。例如，四線螺旋天線可以利用兩個或更多導體。因此，希望通過同軸電纜將射頻信號從絕緣體內部耦合到絕緣體外部的同軸電纜上。
高效地將天線與無線電話機收發信機耦合更困難。特別是，在許多無線電話機應用中，無線電話機位於封閉環境內，例如車輛或建築物。可是，希望包括封閉環境外的天線以便提供足夠的鏈路餘量。例如，在涉及移動車輛與通信衛星之間無線電鏈路的無線電話通信中，通常希望天線在車輛外。也通常希望使射頻接收機單元接近天線，以便允許改善接收機天線增益與接收機系統溫度的比值。此外，實際上，也希望包括一個接近天線的發射機功率放大器，以克服天線和收發信機之間的發射損耗。
提供鄰近車窗外天線的外部電子線路組件或模塊是公知的，由此改善車輛內無線電話機的性能。不幸地是，外部電子線路組件會受到環境破壞或故意損壞。其它潛在危險包括可以損壞外部電子線路組件的自動汽車清洗機。
另外，很難將車窗外電子線路組件與車輛內無線電話機耦合。在車窗或車體其它部分打孔是不可容許的。穿過門框布置同軸電纜也是不可容許的。因此，組合了天線和電子線路組件的室外天線單元已經用於運輸行業或航海應用(例如INMARSAT-C系統)，但通常不希望用於陸地蜂窩和衛星無線電話通信系統例如銥星、全球星和ACeS系統。
允許無線電話機天線用於封閉環境例如建築物或車輛中是公知的。儘管該方案對於許多蜂窩無線電話通信是可接受的，但不希望用於具有低鏈路餘量幫助最好工作在無線電話機與通信衛星之間直線上的衛星無線電話通信中。
發明內容
本發明可以提供同軸耦合系統和方法，該系統和方法通過包括第一和第二絕緣體表面的絕緣體，將包括第一內部導體和第一屏蔽導體的第一同軸電纜與包括第二內部導體和第二屏蔽導體的第二同軸電纜耦合。第一中心平板和第一環繞平板適合於安裝在第一絕緣體表面上，以便第一環繞平板圍繞第一絕緣體表面上的第一中心平板。第一中心平板電連接到第一內部導體，而第一環繞平板電連接到第一屏蔽導體。第二中心平板和第二環繞平板適合於安裝在第二絕緣體表面上，以便第二環繞平板圍繞第二絕緣體表面上的第二中心平板，第一和第二中心平板相互相鄰，它們之間為絕緣體，而第一和第二環繞平板相互相鄰，它們之間為絕緣體。第二中心平板電連接到第二內部導體和第二環繞平板電連接到第二屏蔽導體。
已經發現按照本發明，上述同軸耦合系統和方法可以允許所需要頻率範圍的通信信號在安裝在窗戶外部的天線與安裝在窗戶內的無線電收發信機之間以低損耗通過，通過窗戶每側上的同軸傳輸線進行發射。另外，通過允許兩個或幾個導體電容性耦合，可以為高性能天線提供「單一埠」或「多埠」。
在優選實施例中，第一和第二中心平板是第一和第二圓盤，而第一和第二環繞平板是第一和第二圓環。更具體地，第一和第二圓環是第一和第二連續環。另外，第一電感器最好電連接在第一中心平板和第一環繞平板之間，而第二電感器最好電連接在第二中心平板和第二環繞平板之間。可以包括一對第一墊片，該對墊片的各個墊片在第一中心平板和第一環繞平板上，以便第一電感器電連接到第一墊片對之間。也可以包括一對第二墊片，該對墊片的各個墊片在第二中心平板上和第二環繞平板上，以便第二電感器電連接到第二墊片對之間。
本發明的優選設計可以在寬頻帶上提供減少的插入損耗，同時減少不需要的雜散耦合。特別是，第一內部導體在那上面的第一位置上電連接到第一中心平板，而第一電感器在遠離第一位置的第二位置上電連接到第一中心平板。第二內部導體優選地在那上面的第一位置上電連接到第二中心平板，並且優選地在遠離第一位置的第二位置上電連接到第二中心平板。
更好地，第一中心平板上的第一位置與第二中心平板上的第二位置相鄰，而第一中心平板上的第二位置與第一中心平板上的第一位置相鄰。更好地，第一屏蔽導體在那上面的第一位置上電連接到第一環繞平板，而第二屏蔽導體在遠離第一環繞平板上第一位置的第二位置上電連接到第二環繞平板。
更好地，第一屏蔽導體也在那上面的第一位置上電連接到第一環繞平板，而第二屏蔽導體在與第一環繞平板上第一位置相對的第二位置上連接到第二環繞平板。因此，第一和第二同軸電纜優選地在相反方向上從耦合系統中露出，以減少不需要的寄生耦合。第一和第二電感器優選地也位於相互相對的位置，以減少互感。
在本發明的另一方面，第一中心平板和第一環繞平板限定了它們之間的第一間隔，而第二中心平板和第二環繞平板限定了它們之間的第二間隔。第一屏蔽導體優選地伸展到第一間隔中，而第二屏蔽導體優選地伸展到第二間隔中。更好地，第一屏蔽導體伸展到第一間隔中間，而第二屏蔽導體優選地伸展到第二間隔中間。
第一中心平板和環繞平板可以包含在第一外殼中。第二中心平板和第二環繞平板可以包含在第二外殼中。在第一和第二外殼至少一個上可以提供一個對準銷，有助於在絕緣體各自第一和第二表面上將第一外殼和第二外殼相互相對對準。
本發明可以用於將天線通過包括外表面和內表面的窗戶與無線電話機耦合。因此，如上所述，第一同軸電纜包括與天線耦合的第一內導體和第一屏蔽導體。第二同軸電纜包括與無線電話機耦合的第二內導體和第二屏蔽導體。可是，如上所述，本發明可以用於其它耦合應用。
按照本發明的方法可以用於將包括第一內導體和第一屏蔽導體的第一同軸電纜通過包括第一和第二絕緣體表面的絕緣體與包括第二內導體和第二屏蔽導體的第二同軸電纜耦合。第一中心平板和第一環繞平板附著在第一絕緣體表面，以便第一環繞平板圍繞第一表面上的第一中心平板。第一中心平板電連接到第一內導體，而第一環繞平板電連接到第一屏蔽導體。第二中心平板和第二環繞平板附著在第二絕緣體表面，以便第二環繞平板圍繞第二表面上的第二中心平板，第一和第二環繞平板相互相鄰，之間是絕緣體。第二中心平板電連接到第二內導體，而第二環繞平板電連接到第二屏蔽導體。第一中心平板也可以電感性耦合到第一環繞平板，而第二中心平板也可以電感性耦合到第二環繞平板。由此同軸耦合系統和方法可以提供所希望頻率範圍上以低損耗通過絕緣體的耦合同軸線。
按照本發明的另一個方面，來自車窗外天線的信號可以通過窗戶同軸耦合，而該信號可以相鄰和在窗戶內放大。放大的信號然後提供給遠離窗戶的無線電話機。通過將來自該天線的信號同軸耦合穿過窗戶，可以提供從窗戶外向窗戶內的高性能耦合。通過相鄰窗戶或在窗戶內放大該信號，在低鏈路餘量條件下可以獲得高性能，而不需要將電子線路組件遭受外部損害。
按照本發明這方面的系統包括一個透過窗戶的同軸耦合器，該耦合器在窗戶內部和外部表面之間同軸耦合射頻(RF)信號。透過窗戶同軸耦合器包括一個安裝在窗戶內部表面上的內部部分，和一個安裝在窗戶外部表面上並且耦合到外部天線的外部部分。優選地，可以使用上述的同軸耦合器。一個內部電子線路組件與透過窗戶同軸耦合器內部部分耦合，並且位於內部部分附近和遠離無線電話機。內部電子線路組件包括一個接收放大器，該放大器放大從外部天線通過透過窗戶同軸耦合器接收的RF信號，並且通過這樣放大的RF信號給無線電話機。
在實施例中，電子線路組件也包括一個發射放大器，該放大器放大從無線電話機接收的第二RF信號並且通過透過窗戶同軸耦合器提供這樣放大的第二RF信號給該天線。接收放大器優選地是一個低噪聲放大器，而發射放大器優選的是一個功率放大器。內部電子線路組件也可以包括一個切換系統，該系統響應無線電話機在接收放大器和發射放大器之間切換，以提供發射和接收操作。內部電子線路組件也可以包括一個控制器，該控制器響應無線電話機控制切換系統。
在另一個實施例中，內部電子線路組件可以包括一個無線電收發信機，該收發信機無線地對無線電話機發射信號和從無線電話機接收信號。因此，只需要對內部電子線路組件提供電源，而信號和/或控制連接可以利用無線電通信提供給無線電話機。可以使用的這樣一種無線電通信協議是著名的「藍牙」協議，該協議規定了能夠將無線電電子設備連接和通過短距離無線地與特別網絡通信的2.4GHz頻帶上的通用無線電接口。在該實施例中，無線電話機的部分或全部元件可以安裝在與耦合器內部部分相鄰的電子線路組件中。信號則被無線地中繼給能夠提供用戶接口的藍牙兼容無線電電子設備。
因此，利用同軸耦合器來去天線的信號可以有效地透過窗戶耦合，該耦合器與相鄰窗戶而遠離無線電話機的內部電子線路組件耦合。該內部電子線路組件可以利用同軸電纜和一個或幾個控制電纜連接到無線電話機，或可以無線地連接到無線電話機。因此，通過將天線透過窗戶與無線電話機耦合併且相鄰和在窗戶內部放大信號可以提供高性能的系統和方法。
圖1表示按照本發明的系統和方法，用於通過放大相鄰和在窗戶內部信號將天線透過窗戶與無線電話機耦合。
圖2是圖1的內部電子線路組件實施例的方框圖。
圖3表示按照本發明的系統和方法，其中封閉環境是建築物。
圖4表示按照本發明的系統和方法的另一個實施例，用於將外部天線透過窗戶與無線電話機同軸耦合。
圖5上按照本發明的無線電內部電子線路組件實施例的方框圖。
圖6A、6B和6C分別是頂視圖、截面圖和底視圖，表示按照本發明將外部同軸電纜透過窗戶與內部同軸電纜耦合的系統和方法。
圖7A-7C表示按照本發明同軸耦合系統和方法的替代設計。
圖8A-8B表示按照本發明的耦合系統和方法的應用，將車輛外部的天線與車輛內部的無線電話機耦合。
圖9圖示說明了按照本發明耦合系統和方法的模擬衰減損耗。
圖10圖示說明了按照本發明耦合系統和方法的模擬反射損耗。
圖11是史密斯圓圖，表示按照本發明的耦合系統和方法的模擬輸入阻抗。
圖12是按照本發明耦合系統和方法的等效電路圖。
圖13圖示說明了按照本發明耦合系統和方法的測量數據。
具體實施例方式
現在將參照附圖更詳細地描述本發明，圖中表示了本發明的優選實施例。可是，可以用許多不同形式實現本發明，在此闡述的實施例不構成對本發明的限制；相反，提供這些實施例以便說明書公開更充分徹底，並且向本領域技術人員更完整地傳達本發明的範圍。在圖中，為清楚而誇大了各層和區域的厚度。相同的參考號碼代表相同的元件。應當理解，當所稱一個元件在另一個元件「上」時，它可以直接在其它元件上或也可以出現插入元件。相反，當一個元件所稱直接在另一個元件上時，沒有出現插入元件。
現在參照圖1，描述按照本發明通過相鄰和在窗戶內放大信號而將天線透過窗戶同軸耦合到無線電話機的系統和方法。如圖1所示，在封閉環境例如車輛100的外部安裝一個外部天線102。可是，將理解，封閉環境也可以是個建築物，如同下面將描述的。也將理解，也可以安裝幾個天線，如同下面將描述的。車輛100外部的外部天線102利用透過窗戶同軸耦合器106和內部電子線路組件110耦合到車輛100內部的無線電話機114。透過窗戶同軸耦合器106將射頻(RF)信號在窗戶104的內部表面104a和外部表面104b之間同軸耦合。透過窗戶同軸耦合器106包括一個安裝在內部表面104a上的內部部分106a，和一個安裝在外部表面104b上的外部部分106b。外部部分106b直接或通過耦合連杆108與外部天線102耦合，該連杆包括外部部分106b和外部天線102之間的同軸電纜。下面將詳細描述同軸耦合器106的優選設計。
仍然繼續參照圖1的說明，內部電子線路組件110將內部部分106a耦合到無線電話機114，該組件位於相鄰內部部分106a而遠離無線電話機114。如同下面詳細描述的，電子線路組件優選地包括一個接收放大器，該放大器放大從外部天線102通過透過窗戶同軸耦合器106接收的RF信號並且提供如此放大的RF信號給無線電話機114。電子線路組件也可以包括一個發射放大器，該放大器放大來自無線電話機114通過同軸耦合器之前的RF信號。發射放大器可以將從外部天線20發射的功率提高到所希望的電平，如同本領域公知的。
在圖1中，第一電纜116用於耦合內部部分106a和內部電子線路組件110，第二電纜112用於耦合電子線路組件110和無線電話機114。第一電纜116優選地包括同軸電纜，而第二電纜112優選地包括同軸電纜。應當理解，第一電纜116可以省略，而內部電子線路組件110可以與內部部分106a形成整體的。替代地，電纜而非同軸電纜可以用於將內部部分106a與電子線路模塊110耦合。另外，第二電纜112也可以包括一個控制電纜，耦合內部電子線路組件110和無線電話機114，和/或包括電源電纜，對內部電子線路組件110提供電源。替代地，控制和/或電源可以通過同軸電纜提供。在另一個替代形式中，下面將詳細描述，在內部電子線路組件110和無線電話機114之間可以提供無線電聯繫。
圖2是按照本發明的內部電子線路組件110實施例的方框圖。如圖2所示，內部電子線路組件110包括一個接收放大器，例如低噪聲放大器(LNA)202，該放大器放大從外部天線102通過透過窗戶同軸耦合器106和第一電纜116接收的RF信號，並且提供這樣放大的RF信號給無線電話機114。可以安裝有關的濾波器204a和204b，如同本領域技術人員所公知的。
內部電子線路組件110也可以包括一個發射放大器例如RF功率放大器212，該放大器放大從無線電話機114接收的RF信號並且通過透過窗戶同軸耦合器106提供這樣放大的RF信號給外部天線102。可以提供有關濾波器214a、214b，如同本領域技術人員所公知的。通過包含發射放大器212，可以獲得對發射功率的精確控制。
也如圖2所示，內部電子線路組件110可以包括一個切換系統，該系統包括兩個開關元件206a、206b在低噪聲放大器202與功率放大器212之間切換，以在響應無線電話機114的控制器208控制下提供半雙工通信。通過包括控制器208，可以獲得發射突發的精確定時。最後，如圖2所示，無線電話機114和內部電子線路組件110之間的第二電纜112可以包括一個攜帶RF信號的同軸電纜112a，或提供電源給內部電子線路組件的耗電元件的一個或幾個電源電纜112b，和可以加到控制器208的一個或幾個控制信號電纜112c。
圖3表示按照本發明的系統和方法，其中封閉環境是一個建築物300。如圖3所示，透過窗戶同軸耦合器106分別在窗戶104的內部表面104a和外部表面104b之間同軸耦合RF信號。透過窗戶同軸耦合器106包括一個安裝在內部表面104a上的內部部分106a，和一個安裝在外部表面104b上的外部部分106b。圖3中，雙工器218被包含在窗戶104外，以便同軸耦合器106可以通過耦合連杆208a、208b分別與幾個天線202a、202b耦合。例如，該天線202a可以是發射天線，而該天線202b可以是接收天線。耦合到多個天線202a、202b的雙工器設計是本領域技術人員公知的，在此不需要進一步描述。同軸耦合器可以提供單一埠連接，該連接可以有助於使用雙工器218對多個天線202a、202b提供多埠連接。
最後，如圖3所示，內部電子線路組件110被耦合到內部部分106a，並且也通過第二電纜112耦合到無線電話機114。內部電子線路組件110的設計可以與圖2的類似，不需要再次描述。
現在參照圖4，說明按照本發明通過窗戶將外部天線與無線電話機同軸耦合的系統和方法的另一個實施例。如圖4所示，內部電子線路組件110｀與無線電話機114｀之間的鏈路是利用內部電子線路組件110｀上的第一天線402和無線電話機114｀上第二天線404的無線電鏈路406。因此，只需要對無線電內部電子線路組件110｀提供電源連接。控制和信號連接可以通過無線電鏈路406提供。
無線電內部電子線路組件110｀可以包含放大器、濾波器、開關和控制電路，與關於圖2所描述的類似。可是，不用第二電纜112，可以使用短距離射頻收發信機。在該實施例中，無線電話機114｀可以是常規蜂窩衛星或其它無線電話機。替代地，無線電話機114｀可以是短距離無線電話機例如無繩無線電話機或工作在藍牙協議下的短距離收發信機，如同下面詳細描述的。
在無線電內部電子線路組件110｀的優選方面，所有移動收發信機RF電路、數位訊號處理電路和控制處理器電路可以包含在無線電內部電子線路組件110｀內。然後，無線電話機114｀可以是任何種類的無線電電子設備，例如便攜計算機或傳真機，以及蜂窩電話機或無繩電話機。無線電話機114｀可以是包括麥克風、揚聲器和/或數據埠的無線電輸入/輸出電子設備。也應當理解，無線電鏈路406可以使用紅外線或其它形式的無線電鏈路。
圖5是無線電內部電子線路組件110｀的一個實施例方框圖，該組件使用無線電技術對無線電話機發射外部無線電話信號和從無線電話機接收無線電話信號。如圖5所示，無線電內部電子線路組件110｀包括一個蜂窩/衛星部分502和一個短距離無線電部分504。
蜂窩/衛星部分502可以包括一個蜂窩/衛星收發信機512、一個數位訊號處理器(DSP)514和一個控制器516，例如微處理器控制器。收發信機通過第一電纜116與同軸耦合器106的內部部分106a耦合。本領域技術人員應當理解，蜂窩/衛星部分502優選地與通過外部天線102接口的蜂窩/衛星系統相兼容。
短距離無線電部分504可以包括一個短距離無線電收發信機522和一個控制器526。短距離無線電收發信機522通過第一天線402和無線電鏈路406向無線電話機114｀發射消息和從無線電話機114｀接收消息。
短距離無線電部分504可以控制蜂窩/衛星部分502。短距離無線電收發信機可以是紅外線收發信機或無繩RF收發信機，例如用於無繩電話機的。在優選實施例中，短距離無線電部分包括一個收發信機。如同本領域技術人員公知的，藍牙技術提供在2.45GHz頻帶上的通用無線電接口，該技術能夠將便攜電子設備通過短距離特別網絡連接和進行無線電通信。藍牙技術在例如Haartsen所著「藍牙——用於特別無線電連接的通用無線電接口」，Ericsson ReviewNo.3，1998，pp.110-117描述，該公開文件在此引用作為參考。這類協議可以用於旅客車輛中的個人，以及計程車服務、高級大轎車服務，和包括公共汽車和其它多單元封閉環境。
現在將描述按照本發明的透過窗戶同軸耦合器106的優選實施例。圖6A、6B和6C分別是系統和方法的頂視圖、截面圖和底視圖，用於將第一同軸電纜通過絕緣體耦合到第二同軸電纜。如圖6A-6C所示，耦合系統和方法106將包括第一內部導體14和第一屏蔽導體16的外部同軸電纜12通過分別包括外部和內部窗戶表面104a和104b的風擋或其它窗戶104耦合到包括第二內部導體24和第二屏蔽導體26的第一同軸電纜116。如同本領域技術人員公知的，每個同軸電纜也可以包括一個內部絕緣體和一個外套。
第一中心平板42和第一環繞平板44適合於利用黏合劑、按扣和/或其它常規附著裝置附著在外部窗戶表面104b上，以便第一環繞平板44在外部表面104b上圍繞第一中心平板42。第一中心平板42利用焊錫34a和/或其它常規電連接裝置電連接到第一內部導體14。第一環繞平板44利用焊錫34b和/或其它常規電連接裝置電連接到第一屏蔽導體16。
第二中心平板52和第二環繞平板54也適合於利用黏合劑、按扣和/或其它常規附著裝置附著在內部窗戶表面104a上，以便第二環繞平板54在內部表面104a上圍繞第二中心平板52。如圖所示，第一和第二中心平板42和52分別中間隔著窗戶104相互相鄰。第一和第二環繞平板44和54也中間隔著窗戶104相互相鄰。第二中心平板52利用焊錫34c和/或其它常規電連接裝置電連接到第二內部導體24。第二環繞平板54利用焊錫34d和/或其它電連接裝置電連接到第二屏蔽導體26。
如圖6A-6C所示，第一和第二中心平板42和52分別優選地是第一和第二圓盤。第一和第二環繞平板44和54分別優選地是第一和第二圓環。也如圖6A-6C所示，第一和第二圓環44和54分別優選地是第一和第二連續圓環。可是，可以使用多邊形中心平板和環繞平板，包括但不限於正方形中心平板和環繞平板，在中心平板和/或環繞平板上可能出現間隔以使它們不連續。
第一電感器46利用焊錫44e、44f和/或其它常規電連接裝置電連接到第一中心平板42和第一環繞平板44之間。第二電感器56利用焊錫54g、54h電連接到第二中心平板52和第二環繞平板54之間。也可以在中心平板和環繞平板之間電連接幾個電感器，如同下面所描述的。
同軸電纜12和116和電感器46和56在那上面的任何任意位置上電連接到中心平板和環繞平板。可是，優選地，它們如圖6A-6C所示連接，以便減少和優選地使不需要的耦合和寄生效應最小。更具體地，第一內部導體14優選地在那上面的第一位置42a電連接到第一中心平板42，第一電感器46優選地在遠離第一位置的第二位置42b上連接到第一中心平板42。第二內部導體24優選地在那上面的第一位置52a電連接到第二中心平板52，第二電感器56優選地在遠離第一位置52a的第二位置52b上連接到第二中心平板52。另外，在第一中心平板42上的第一位置42a優選地相鄰第二中心平板52上的第二位置52b。第一中心平板42上的第二位置42b優選地相鄰第二中心平板52上的第一位置52a。
第一屏蔽導體16優選地在那上面的第一位置44a上電連接到第一環繞平板44。第二屏蔽導體26優選地在遠離第一環繞平板44上第一位置44a並且與優選地與其相對的那上面的第二位置54a電連接到第二環繞平板54。另外，第一電感器46優選地在遠離第一位置44a並且優選地與其相對的第二位置44b上電連接到第一環繞平板44。第二電感器56在遠離第一位置54a並且優選地與其相對的第二位置54b上電連接到第二環繞平板54。因此，如圖所示，第一和第二同軸電纜優選地從相對方向出現並且第一電感器優選地互相遠離地安置。
如圖6A-6C所示，第一中心平板42和第一環繞平板44優選地限定了它們之間的第一間隔48，第二中心平板52和第二環繞平板54優選地限定了它們之間的第二間隔58。第一屏蔽導體16優選地延伸進入第一間隔，而第二屏蔽導體26優選地延伸進入第二間隔58。優選地，如圖所示，第一屏蔽16優選地延伸到第一間隔48中間，而第二屏蔽26優選地延伸到第二間隔58中間。
仍然參照圖6A-6C，第一中心平板42、第一環繞平板44、第二中心平板52和第二環繞平板54每個上的第一和第二位置可以利用翼片例如凸出的翼片限定。該翼片可以有助於在中心平板和環繞平板上適當位置的焊錫連接。該翼片可以提高並且可以具有增強焊接的形狀。可以使用多層翼片。可是，應當理解，中心平板和環繞平板每個上的第一和第二位置不必由具體零件例如翼片所限定。
最後，第一外殼50包含第一中心平板42和第一環繞平板44。第二外殼60包含第二中心平板52和第二環繞平板54。第一外殼50也可以包含外部同軸電纜12和第一同軸電纜接頭18。類似地，第二外殼60也可以包含第一同軸電纜116和第二同軸電纜接頭28。可是應當理解，同軸電纜接頭18和28不必包含在外殼內或相鄰外殼，也可以被完全取消。類似地，同軸電纜12和116自身可以在外殼50和60之外。
為有助於將第一外殼50和第二外殼60在窗戶104相對表面上相互對準，對準銷例如一對凹坑36a、36b可以安裝在各自外殼50和60上。替代地，對準銷36a、36b可以塗或相反刻在外殼50和60上，也可以通過外殼50和60的總形狀提供。另外，對準銷並不需要提供。
中心平板、環繞平板、電感器和外殼的材料和尺寸可以根據特定應用改變。可是，中心平板和環繞平板優選地包括衝壓銅片，而外殼優選地包括塑料。環繞平板可以具有大約45mm的外徑和大約20mm的內徑。中心平板可以具有大約15mm的直徑以便出現大約2.5mm的間隔。該平板厚度可以小於1mm。外殼應當優選地保持上面和下面大約1cm的清楚面積。電感器可以是曲線電感器而非線圈。
應當理解，可以使用幾個電感器將各個中心平板與各自環繞平板耦合。圖7A-7C表示了中心平板、環繞平板和同軸電纜定位和電感器的替代設計。電感可以是分布式的，以減少製造小型電感器值的困難。因此，例如，四個20nH線圈可以用於實現一個5nH線圈。
圖8A-8B表示了按照本發明的耦合系統和方法應用，將車輛外部的天線與車輛內的無線電話機耦合。如圖8A所示，耦合106用於將第一同軸電纜108透過車輛100的後窗104與第二同軸電纜112耦合，該第一同軸電纜連接到一個天線，例如車輛100頂棚上的四線螺旋天線102，而第二同軸電纜自身與車輛100內無線電話機114耦合。圖8B表示了類似圖8A的實施例，除了貼片天線102｀可以用在車輛100頂棚上外。應當理解，其它天線也可以使用，並且使用耦合器、天線和收發信機例如無線電話機的其它安裝位置。也可以使用透過窗戶而非後風擋的耦合。
如上所述，本發明可以用於將兩個或幾個導體透過窗戶同軸耦合。兩個導體電路可以提供信號激勵和信號反射以形成一個電路。這是公知的「單一埠」。可以從單一埠級聯具有輸入埠和輸出埠的元件，稱為「兩埠」或「多埠」的。這種兩埠的例子是傳輸線、雙工器、濾波器，以及正交匹配網絡。按照本發明的低損耗兩導體耦合可以使這些上述元件變成外部網絡的一部分。
現在將提供按照本發明的耦合系統和方法的另外設計思路。如上所述，中心導體電容器平板與環型屏蔽導體電容器平板一起形成在玻璃的每一側。在電容器平板的任何一側，從中心電容器平板到屏蔽電容器平板安置了並聯電感器。因此，形成了高通Pi電路，該電路等效於一短節傳輸線。
在給定頻帶設計中可以考慮幾個因素。例如對於L波段(1500-1700MHz)，電容器平板在所希望的波長上稍微大些，不能嚴格認為是集總元件。即，由於其尺寸該電容器有分布特性。另外，由於同軸電纜是非平衡的，所以希望環繞平板的電容大於中心平板電容。在中心平板和屏蔽平板之間提供額外絕緣空間也是有利的。另外，玻璃每側上的同軸電纜應當相互物理絕緣，以便減少附加的導電模式。電感器的位置也可以選擇，以減少附加導電模式的傳播。在這些定位原則之外，對元件值改變有相對好的容差，因為在耦合器中不需要精細調諧諧振器。
按照本發明的耦合器可以支持圓極化天線的饋電線要求，該天線使用對輻射結構的同軸或至少兩線連接。例如，L波段收發信機工作在1500和1700MHz之間。本發明對該頻率範圍被估計。低於1500MHz，由於高通Pi電路可能逐漸增加傳輸損耗。高於1700MHz可能由於通過該結構傳播的其它微波模式最終增加傳輸損耗。
本發明也可以對更高或更低頻率範圍被估計。更低頻率範圍可以包括蜂窩無線電話頻帶。更高頻率範圍可以包括例如1800和1900MHz附近的PCS範圍。在較低S波段衛星無線電話收發信機也可以使用本發明。
為設計該電路，假設從50歐姆傳輸線提供能量，和向50歐姆傳輸線傳遞能量。汽車風擋在室溫下通常具有7.5的標準介電值。因此，一平方釐米麵積可以具有1.24pF/cm2的電容值.電容值可以被認為是等效集總元件傳輸線的一部分。
在L波段實現按照本發明耦合器的仿真。該仿真根據同軸中心2.1pF的窗戶電容值和15pF的屏蔽窗戶電容值。窗戶每側上跨越中心到屏蔽導體的並聯電感器具有9.8nH值。在所有元件例子中，元件Q值設置在50。該Q值在網絡中起損耗作用。
圖9圖示說明了從1500MHz到1700MHz的仿真衰減損耗。該網絡基本上是具有並聯電感器、串聯電容器和並聯電感器的高通結構。該網絡的截止頻率由串聯電容器值確定。串聯電容器選擇得考慮對可允許的尺寸和考慮圍繞中心電容器的屏蔽電容器。在串聯電容器例子中，安裝了2nH的串聯電感。
圖9表示可以在1500MHz和1700MHz之間獲得大約-0.3dB仿真插入損耗值。圖10圖示說明反射損耗，它表示在所需要的頻率上具有良好的匹配。圖11是史密斯圓圖，表示該網絡以50歐姆端接的輸入阻抗。因此，圖9-11表示在L波段同軸耦合可以實現小於0.5dB的傳輸損耗。
圖12是按照本發明耦合器的等效電路圖。M表示元件之間的互耦合。第一和第二環繞平板44和54為等效電路分別斷成半環。
利用上述參數可以對按照本發明的耦合器進行精確測量。在這些測量中，該校準在整個連接中使用小型接頭。如此，用電纜測量，等效長度的RG-233同軸電纜損耗可以從耦合中扣除。在下列表格中右側欄內的耦合損耗值由這些測量獲得。
表格
從1.0到3.0GHz的數據在圖3中表示。該數據包括類似於上述電纜損耗數據耦合的同軸電纜長度。該數據表示高達大約2GHz的高通濾波器特性。耦合的分布特性往往引起與朝著3GHz曲線有關的低通。因此，獲得具有低插入損耗的寬帶寬。
因此，本發明的耦合系統和方法可以允許通信信號在安裝在窗戶外的一個天線與安裝在窗戶內無線電收發信機之間在所希望的頻率範圍上以低插入損耗傳遞。通過在窗戶每側上的同軸傳輸線進行傳輸。因此，可以進行單一埠和多埠耦合。
也如上所述，電子線路組件優選地包含一個低噪聲放大器202。可以主要由天線增益與接收機系統噪聲溫度的比值確定接收來自地球軌道衛星信號的無線電話機的最優值。接收機系統噪聲溫度是接收機噪聲溫度與該天線噪聲溫度的總和。通常，評價該比值的基準點是接收機系統的輸入端子。當該天線由傳輸線與接收機隔開時，傳輸線損耗通常包含在按照公知公式的天線溫度中，該公式在例如John D.Kraus所著McGraw-Hill出版社1998年，「天線，第二版」第17章第3節中描述。本發明可以用有利於與地球軌道通信衛星進行通信的移動通信收發信機的方式使用這些理論，方便地滿足電纜路由要求同時減少暴露在車輛外的電纜敷設和最好使之最短。
因此，本發明能夠提供從外部天線穿過窗戶到內部無線電話機的有效耦合。此外，本發明能夠提供使過去太不方便而不能使用的產品可以用於車輛和/或建築的開放技術。
在附圖和詳細說明中，已經公開了典型的本發明優選實施例。儘管使用了特定條件，但它們僅僅是在普通和說明性意義上使用，而不是為限制目的，本發明的範圍在下列權利要求書中闡述。
權利要求
1.一種將包括第一內部導體和第一屏蔽導體的第一同軸電纜通過包括第一和第二絕緣體表面的絕緣體與包括第二內部導體和第二屏蔽導體的第二同軸電纜耦合的系統，該系統包括第一中心平板和第一環繞平板，它們適合於附著在第一絕緣體表面上，以使在第一絕緣體表面上第一環繞平板圍繞第一中心平板，該第一中心平板電連接到第一內部導體而第一環繞平板電連接到第一屏蔽導體；和第二中心平板和第二環繞平板，它們適合於附著在第二絕緣體表面上，以便在第二絕緣體表面上第二環繞平板圍繞第二中心平板，該第一和第二中心平板之間間隔絕緣體而相互相鄰，和第一和第二環繞平板之間間隔絕緣體而相互相鄰，該第二中心平板電連接到第二內部導體而第二環繞平板電連接到第二屏蔽導體；
2.按照權利要求1的一種系統，其中第一和第二中心平板是第一和第二圓盤，和其中第一和第二環繞平板是第一和第二圓環。
3.按照權利要求2的一種系統，其中第一和第二圓環是第一和第二連續圓環。
4.按照權利要求1的一種系統，進一步包括電連接到第一中心平板和第一環繞平板之間的第一電感器，和電連接到第二中心平板和第二環繞平板之間的第二電感器。
5.按照權利要求4的一種系統，其中第一內部導體電連接到第一中心平板上的第一位置，和其中第一電感器電連接到第一中心平板上遠離第一位置的第二位置；和其中第二內部導體電連接到第二中心平板上的第一位置，和其中第二電感器電連接到第二中心平板上遠離第一位置的第二位置。
6.按照權利要求5的一種系統，其中第一中心平板上第一位置相鄰第二中心平板上的第二位置，和其中第一中心平板上的第二位置相鄰第二中心平板上的第一位置。
7.按照權利要求6的一種系統，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上遠離第一環繞平板上第一位置的第二位置。
8.按照權利要求7的一種系統，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上與第一環繞平板上第一位置相對的第二位置。
9.按照權利要求1的一種系統，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上不相鄰第一環繞平板上第一位置的第二位置。
10.按照權利要求1的一種系統，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上與第一環繞平板上第一位置相對的第二位置。
11.按照權利要求1的一種系統，其中第一中心平板和第一環繞平板限定它們之間的第一間隔，其中第二中心平板和第二環繞平板限定它們之間的第二間隔，其中第一屏蔽導體延伸到第一間隔中和其中第二屏蔽導體延伸到第二間隔中。
12.按照權利要求11的一種系統，其中第一屏蔽導體延伸到第一間隔中間和其中第二屏蔽導體延伸到第二間隔中間。
13.按照權利要求4的一種系統，進一步包括一對第一墊片，其各自墊片在第一中心平板和第一環繞平板上，第一電感器電連接到該對第一墊片之間；和一對第二墊片，其各自墊片在第二中心平板和第二環繞平板上，第二電感器電連接到該對第二墊片之間。
14.按照權利要求1的一種系統，進一步包括第一外殼，它包含第一中心平板和第一環繞平板；第二外殼，它包含第二中心平板和第二環繞平板；和一個對準銷，在第一和第二外殼至少之一上，該對準銷有助於第一外殼和第二外殼在絕緣體各自第一和第二表面上相互相對對準。
15.按照權利要求1的一種系統，其中絕緣體是窗戶，其中第一絕緣體表面是外部表面和其中第二絕緣體表面是內部表面，該系統進一步包括一個內部電子線路組件，該組件將第二內部導體和第二屏蔽導體與無線電話機耦合，該內部電子線路組件位於相鄰內部表面遠離無線電話機，該內部電子線路組件包括一個接收放大器，該放大器放大從與第一內部導體和第一屏蔽導體耦合的外部天線接收的RF信號，並且該放大器提供如此放大的RF信號給無線電話機。
16.按照權利要求15的一種系統，其中內部電子線路組件進一步包括一個發射放大器，該放大器放大從無線電話機接收的第二RF信號並且提供如此放大的第二RF信號給第二內部導體和第二屏蔽導體。
17.按照權利要求16的一種系統，其中內部電子線路組件進一步一個轉接系統，該轉接系統響應無線電話機在接收放大器和發射放大器之間切換。
18.按照權利要求17的一種系統，其中內部電子線路組件進一步包括一個控制器，該控制器響應無線電話機控制轉接系統。
19.按照權利要求15的一種系統，進一步包括一個雙工器，該雙工器與第一內部導體和第一屏蔽導體耦合併且與外部天線和至少一個第二外部天線耦合。
20.按照權利要求16的一種系統，其中內部電子線路組件包括相互耦合的第一無線收發信機和第二無線收發信機，第一無線收發信機包括發射放大器和接收放大器，第一無線收發信機利用外部天線無線地發射和接收外部無線電話機信號，第二無線收發信機對和從無線電話機無線地發射和接收內部無線電話機信號。
21.按照權利要求16的一種系統，其中內部電子線路組件包括一個包含發射放大器和接收放大器的無線收發信機，該無線收發信機利用外部天線無線電發射和接收外部無線電話機信號，該無線收發信機對和從無線電話機無線地發射和接收內部無線電話機信號。
22.按照權利要求20的一種系統，其中第二無線收發信機包括工作在藍牙協議下的短距離無線收發信機。
23.按照權利要求15的一種系統，進一步包括一個第三同軸電纜，該電纜將內部電子線路組件與無線電話機耦合。
24.按照權利要求15的一種系統，進一步包括一個第三同軸電纜和一個控制電纜，這些電纜將內部電子線路組件與無線電話機耦合。
25.一種將包括第一內部導體和第一屏蔽導體的第一同軸電纜通過包括第一和第二絕緣體表面的絕緣體與包括第二內部導體和第二屏蔽導體的第二同軸電纜耦合的方法，該方法包括步驟將第一中心平板和第一環繞平板附著在第一絕緣體表面上，以便在第一絕緣體表面上第一環繞平板圍繞第一中心平板；將該第一中心平板電連接到第一內部導體而將第一環繞平板電連接到第一屏蔽導體；將第二中心平板和第二環繞平板附著在第二絕緣體表面上，以便在第二絕緣體表面上第二環繞平板圍繞第二中心平板，該第一和第二中心平板之間間隔絕緣體而相互相鄰，和第一和第二環繞平板之間間隔絕緣體而相互相鄰；和將第二中心平板電連接到第二內部導體而將第二環繞平板電連接到第二屏蔽導體。
26.按照權利要求25的一種方法，進一步包括步驟將第一中心平板電感性耦合到第一環繞平板；和將第二中心平板電感性耦合到第二環繞平板。
27.按照權利要求25的一種方法，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上的第二位置，和其中將第二中心平板和第二環繞平板附著在第二絕緣體表面上的步驟包括將第二中心平板和第二環繞平板附著到第二絕緣體表面上以使第二位置不與第一環繞平板上的第一位置相鄰的步驟。
28.按照權利要求25的一種方法，其中第一屏蔽導體電連接到第一環繞平板上的第一位置，和其中第二屏蔽導體電連接到第二環繞平板上的第二位置，和其中將第二中心平板和第二環繞平板附著在第二絕緣體表面上的步驟包括將第二中心平板和第二環繞平板附著到第二絕緣體表面上以使第二位置與第一環繞平板上的第一位置相對的步驟。
29.按照權利要求25的方法其中將第一中心平板和第一環繞平板附著在第一絕緣體表面上的步驟包括將包含第一中心平板和第一環繞平板的第一外殼附著在第一表面上以使第一環繞平板在第一絕緣體表面上圍繞第一中心平板的步驟；其中將第二中心平板和第二環繞平板附著在第二絕緣體表面上的步驟包括將包含第二中心平板和第二環繞平板的第二外殼附著在第二表面上以使第二環繞平板在第二絕緣體表面上圍繞第二中心平板的步驟；和其中至少附著步驟之一之前有將絕緣體各自第一和第二表面上的第一外殼和第二外殼相互相對對準的步驟。
30.按照權利要求25的方法，進一步包括將至少兩個埠與第一和第二同軸電纜至少之一耦合的步驟。
31.按照權利要求25的方法，進一步包括步驟將第二內部導體和第二屏蔽導體連接到相鄰絕緣體的放大器上；和將放大器與遠離絕緣體的無線電話機耦合。
32.按照權利要求31的方法，其中耦合步驟包括將放大器通過第三同軸電纜與遠離絕緣體的無線電話機耦合的步驟。
33.按照權利要求31的方法，其中耦合步驟包括將放大器無線地與遠離絕緣體的無線電話機耦合的步驟。
34.按照權利要求33的方法，其中無線地耦合步驟使用藍牙協議執行。
全文摘要
同軸耦合系統將包括第一內部導體和第一屏蔽導體的第一同軸電纜通過包括第一和第二絕緣體表面的絕緣體與包括第二內部導體和第二屏蔽導體的第二同軸電纜耦合。第一中心平板和第一環繞平板適合於附著在第一絕緣體表面上以便在第一絕緣體表面上第一環繞平板圍繞第一中心平板。第一中心平板電連接到第一內部導體而第一環繞平板電連接到第一屏蔽導體。第二中心平板和第二環繞平板適合於附著在第二絕緣體表面上和用於以相同方式連接第二同軸電纜。
文檔編號H01R13/73GK1340224SQ00803696
公開日2002年3月13日 申請日期2000年1月31日 優先權日1999年2月11日
發明者小G·A·奧內爾 申請人:艾利森公司