專利名稱：用于增加來自用戶裝置的有效輻射功率的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用戶裝置，更具體地涉及具有改善的有效輻射功率的用戶裝置。
背景技術：
常規的用戶裝置根據預定的人體因數以及根據管理機構的要求進行設計。例如，一種方法是用戶裝置制造商固定地設置各種無線電頻率參數，如來自功率放大器的輸出功率和天線匹配網絡阻抗等，以及由此根據人體的平均電磁性質在期望的發射和接收頻率上的估計功率電平。另一種方法是用戶裝置制造商包括一個用于確定用戶裝置在人體上還是離開人體的傳感器以及一個用于基于這種確定來調整天線的控制器。
這兩種方法沒有適當考慮物體或身體組成的實際電磁性質的差異。在未來的通信技術中系統操作頻率升高并且波長因而降低時，這將變得更為重要。另外，這些方法沒有適當考慮人體不同部分中的差異以及這些差異對用戶裝置的輻射圖案的影響。


在附圖中，相同的參考數字指的是相同或功能類似的元件，附圖和下面的詳細描述一起包含在說明書中并且構成說明書的一部分，用來進一步說明各種實施例并且用來解釋所有根據本發明的各種原理和優點。
圖1以簡化和代表的形式描述可以實施本發明的示范性環境。
圖2以簡化和代表的形式描述可以實施本發明的另一個示范性環境。
圖3說明了與本發明最相關的用戶裝置的部件的框圖。
圖4說明了用戶裝置所執行的性能增強處理的流程圖。
圖5和7是天線遇到人的肌肉而產生的輻射功率圖案的說明。
圖6和8是天線遇到人的脂肪而產生的輻射功率圖案的說明。
具體實施例方式
總體來說，本公開涉及用于方便無線通信的用戶裝置或無線通信單元。本公開還涉及用于增強用戶裝置有效輻射功率的方法。注意，用戶裝置或單元在此可以與無線裝置或單元互換，并且這些術語的每一個表示通常與用戶相關的裝置并且典型地表示可以根據服務協議與公共網絡一起或在專用網內使用的無線裝置，或者可以在身體區域網(局部區域是一個人的身體或臨近區域的局域網)內使用的無線裝置。
提供目前的公開是為了以能動方式進一步解釋執行本發明的一個或多個實施例的最佳方式。提供本公開是為了增強對本發明原理及其優點的理解和認識，而不是以任何方式限制本發明。本發明僅受附隨的權利要求的限制，包括在本申請的待決期間所作的任何修改以及所提的那些權利要求的所有等效方式。應該進一步理解，使用諸如第一和第二等這樣的相關術語，如果有的話，僅僅用來區分各個實體、項目或動作而不必要求或隱含這些實體、項目或動作之間任何實際的這種關系或順序。
在實現時，許多發明功能以及許多發明原理最好用或以集成電路(IC)來支持，集成電路例如是數字信號處理器或專用IC。可以預料到，普通技術人員盡管可能受到例如可用時間、當前技術和經濟考慮的促動，通過大量的努力和許多設計選擇也可以實現，但是當受到在此公開的概念和原理的教導時，將很容易通過最少的實驗就能夠產生并編程這樣的IC。因此考慮到簡短以及最小化造成根據本發明的原理和概念不清楚的任何冒險，這種IC和程序(如果有的話)的進一步討論將限于關于優選實施例所使用的原理和概念的要點。
如下面所討論的，有利地采用各種發明原理及其組合來增強用戶裝置的有效輻射功率。現在參照圖1，本發明的方法和設備可以在個人身體區域網(personal area body network)內實現，例如在這種網絡中，用戶裝置10監視人2的心率和/或其它有關醫學的參數。用戶裝置10與遠程終端或服務器4具有無線連接，以便在那里可以監視心率。參照圖2，本發明還可以在用戶裝置10中實現，該用戶裝置10為用戶2提供到基站6的無線接入，從而為用戶提供到諸如PSTN(未示出)這樣的電話接入網的接入。這兩種環境的用戶裝置10例如可以是Schaumbrug，Illinois的摩托羅拉公司制造的I95CL。
本領域技術人員應該意識到，各種電磁特性，例如物體的電導率、相對介電常數εr，或導磁率，例如人的身體(人體)2的這些性質，可能影響用戶裝置10的有效輻射功率。這是因為，當電介質材料靠近未屏蔽的射頻(RF)裝置，例如用戶裝置天線110(在圖3中示出)時，它將與該天線的正常自由空間輻射圖案相互作用，從而產生復合的天線輻射圖案，該圖案是RF裝置和人體輻射能量的組合。這種復合天線圖案現在呈現輻射圖案。
這種新的輻射圖案，即復合圖案，是天線上的初始電流分布和物體或人體上感應的(通過初始天線電流)電流分布共同的結果。兩種電流分布，尤其是物體上的初始和感應電流，現在產生了一個新的合成輻射圖案。在根據與用戶裝置耦合或耦合到用戶裝置上的材料的導磁率而吸收和反射一些輻射功率中，這種失真的輻射圖案或失真天線輻射功率圖案取決于諸如人體這樣的物體的影響。另外，由于人體2有它自己的阻抗或有效阻抗，人體2將增大這種輻射電阻并且通過改變天線的阻抗而最終改變天線的效率。但是，物體或人體的不同部分根據它們的電磁性質或特性而不同地起反應，并且從而對輻射功率圖案有不同的影響。例如，肌肉具有51.6的相對介電常數以及1.56的電導率，而脂肪具有5.6的相對介電常數以及0.095的電導率。這些討論的其余部分大部分針對人體特性及其影響，但是應該理解，其它物體可能具有類似的特性等等。
在本領域中已知，在xyz軸的交叉點放置以及沿z軸放置的天線的自由空間輻射圖案是全向的、類似或具有環形，其中環形或圖案的中心在xyz軸的交叉點并且該環形體與xy平面交叉并與其共面。對于與xy平面共面的任何平面，在所有角度從z軸起的相等半徑上，自由空間輻射圖案具有相等的功率密度。比較起來，參照圖5的信號圖案，當從用戶裝置天線以5GHz的頻率發射信號并且該天線靠近人體肌肉時，幾乎所有來自用戶裝置天線的信號的輻射能量都遠離肌肉被反射，通常沿著正y軸。軸的交叉點定義了人體的開始。比較起來，如圖6所示，當從用戶裝置天線以相同頻率發射信號時，當天線在人體附近時，輻射能量的一部分穿透脂肪并且沿著正y軸的波束更寬，并且沿著正y軸或在正y軸附近的有效輻射功率比圖5的圖案的相同點要低。
此外，天線或輻射天線的阻抗或有效阻抗還受到附近其它材料的影響，例如尤其是人體的影響。用戶裝置典型地具有阻抗匹配網絡(116)，這些網絡被調諧或調整以匹配發射機的輸出阻抗或把發射機的輸出阻抗轉換到天線的期望阻抗上。但是，當天線在人體附近時，天線和人體阻抗的組合可能產生或導致新的并且不能預知的、真正不可預知的阻抗，其中人體不同于匹配電路的額定設計所使用的普通人體或額定人體特性。為了維持輻射能量的功效，射頻電路，例如功率放大器和接收機前端放大器，必須是與不能預知的天線阻抗相匹配的阻抗，以避免由于阻抗失配而導致輻射能量中的不必要損失。
傳輸頻率也將影響復合輻射圖案并且因而影響人體與天線的輻射效率。例如，參照圖7的信號圖案，當從用戶裝置天線以1.9GHz的頻率發射信號并且天線在人體上的肌肉附近時，一小部分輻射能量就穿透肌肉。比較起來，如圖5中所示，當以5GHz發射信號時，幾乎所有的輻射能量都遠離人體(肌肉)被反射。參照圖8的信號圖案，當以1.9GHz發射信號并且天線在人體脂肪附近時，穿透脂肪的輻射能量部分要比如圖6所示當以更高頻率發射信號時的更小。因此，可以改變或提高傳輸頻率，以便增加來自復合天線的輻射能量或有效輻射功率的總量，復合天線包括用戶裝置天線以及人體或者人體的特殊部分。另外，可以增加或降低信號功率，以便根據人體脂肪或肌肉含量考慮復合天線的輻射圖案以及由此的有效輻射能量。用戶裝置10還可能被移動到人體2的不同部分，例如具有更多肌肉含量的部分，以便可以以期望的圖案發送信號，或者如上所述可以以較低頻率發射信號。
現在將參照圖3的框圖討論和描述用戶裝置10。用戶裝置10包括或者作為替換可以在一個輸入上耦合到一個或更多傳感器102，這些傳感器用于測量電磁特性并且用于產生電磁參數，電磁特性例如是物體或操作員或用戶(其最好是人2)的相對介電常數、電導率或者導磁率，電磁參數例如是物體電導率、介電常數或導磁率參數，身體電導率、介電常數或者導磁率參數，或者綜合身體導電率、介電常數或者導磁率參數。傳感器102可以是常規的電磁性質傳感器或者生物傳感器，例如或是類似于可以從Bodystat有限公司買到的Bodystat1500，其可以通過測量相對介電常數確定身體脂肪百分比或者通過執行生物電阻抗分析法、近紅外作用法或者全身電導法來確定身體電導率。另外，如果用戶裝置10用于個人身體局域網，傳感器102還可以用于測量血壓和/或心率以及其它已知的有關醫學參數。
用戶裝置10還包括一個控制器104，其最好是通用處理器，例如可以從摩托羅拉公司買到的HC11系列的微處理器。控制器104操作以便對傳感器102測量信息編碼、解碼、存儲或檢索，以及根據存儲在存儲源106中的軟件例程或程序控制收發信機10、天線110和匹配電路116，存儲源106可以是已知的RAM、ROM、EEPROM或者磁存儲器的組合。
存儲源106在各種其它項目或者程序等等之外用來存儲用于得到和存儲電磁參數的數據收集例程以及用于根據這些參數增強收發信機108和天線110的性能的性能增強例程，其中電磁參數例如是物體導電率、介電常數或者導磁率參數或者身體電導率參數。本公開的許多其余部分將使用身體電導率參數或值等等，但是應該理解，這種使用通常應用于電磁特性、參數或性質，例如包括諸如人體或其它材料這樣的物體的導電率、介電常數或者導磁率參數。存儲源106將包括優選的信號功率、頻率和阻抗與身體電導率值對照的一個或多個數據庫。該一個或多個數據庫將提供用于性能增強例程的查找表。另外，如果用戶裝置10用于個人身體區域網，那么存儲源106還可以包括用于處理和顯示所測量的有關醫學參數，例如血壓、心率等。數據收集例程、性能增強例程或其它例程以及數據庫都是機器可讀代碼或軟件指令，當與此包含的控制器104執行或利用它們時將導致控制器104執行用戶裝置10的必要功能，例如與收發信機108和天線110接口以及用于影響用戶接口的其它可能部件，用戶接口例如是118概括表示的揚聲器或顯示器。讀者將認識到，該列表僅僅只是對增強用戶裝置10的有效輻射功率來說需要或有利的示范性例程的一個簡要列表，并且沒有提到的其它例程或可選應用程序可以存儲在存儲源106中。
用戶裝置10還包括一個收發信機108，用于發送和接收去往和來自例如遠程終端4或遠程基站6的信息。收發信機108例如可以是來自Broadcom公司的BDM2033KFB，并且包括分別用于放大接收或發射的信號的一個放大器和一個功率放大器112，以及用于控制發射和接收頻率的一個合成器114，這是已知的。收發信機108與控制器104一起操作并受控制器104控制，用來向天線110提供或者經天線110接受或接收語音業務或者數據消息或者與其相應的信號，并且用來調整功率放大器112的功率電平或者調整合成器114的頻率。
用戶裝10包括天線110，其操作以便接收并輻射從或通過用戶裝置10的收發信機108接收或發射或發送的射頻信號，這是已知的。天線110包括具有一個控制輸入的匹配電路116，用來調諧天線110以便提供收發信機108和天線110之間的阻抗匹配。該匹配電路116，尤其是控制輸入，最好直接耦合到控制器104上，以便控制器104可以進一步根據本地電導率參數調整天線110的阻抗。如之前所提到的，人體2可以改變天線110的阻抗。
參照圖4，現在基于電導率參數，考慮圖1-3中所述的元件來討論用于增強用戶裝置的有效輻射功率的示范性方法或處理400。在402，默認身體電導率值(或者預定值)存儲在存儲源106中。默認身體電導率值例如可以是在制造該用戶裝置10時存儲在存儲源106中的普通人的相對介電常數或電導率。在404，傳感器102測量人2的身體電導率并且產生身體電導率參數。傳感器102例如通過執行生物電阻抗分析法、近紅外作用法或者全身電導法來測量身體電導率。優選地，使用生物電阻抗分析法或近紅外作用法。在406，控制器104根據數據收集例程把身體電導率參數存儲在存儲源106中。
在408，根據性能增強例程操作的控制器104比較身體電導率參數和默認的身體電導率值(或預定值)并且產生綜合比較參數。更具體地，控制器104確定身體電導率參數是否大于或小于默認身體電導率值預定的百分比(或者預定量)。例如，如果默認身體電導率值是1，身體電導率參數是1.46，并且預定百分比是10，控制器104將產生一個包括布爾值True(真)的綜合比較參數。綜合比較參數還可以包括身體電導率參數和默認身體電導率值之間的差值。
如果在408，控制器104確定身體電導率參數大于或小于默認身體電導率值預定的百分比，(綜合比較參數包括布爾值True)，那么在410，控制器104將基于綜合比較結果參數確定用于增強收發信機108性能的優選設置。更具體地，控制器104將基于綜合比較參數確定要使用的最佳信號功率或者確定用于天線110的最佳阻抗，以便天線的阻抗與收發信機108的阻抗相匹配。這可以通過利用存儲在存儲源106中的數據庫提供的查找表之一來完成，以便基于綜合比較結果來確定調整量。作為替換，可以用實驗方法開發一種用來確定該調整量的算法。控制器104隨后根據確定的最佳信號功率和阻抗來調整功率放大器112和天線110。
在411，控制器104確定身體電導率參數是否與默認身體電導率值相差大于第二預定百分比(另一個預定量)并且產生另一個綜合比較參數。第二預定百分比高于408的比較中利用的預定百分比。如果在411，控制器104確定身體電導率參數大于或小于默認身體電導率值第二預定百分比，則在412，控制器104將確定用于調整合成器114的替換發射或接收頻率，從而調整收發信機108的發射頻率。這還是可以通過利用查找表來完成。作為選擇，控制器104可以確定人體2上的一個替換位置將提供更有效的輻射功率。
如果在412這樣確定，在414，控制器404將把合成器114調諧到在410和在412確定的設置上(如果身體電導率參數與默認身體電導率值相差大于一個第二預定百分比)或者產生一個信號，該信號表示調整用戶裝置10的位置的命令。如果在408，控制器104確定身體電導率參數沒有比默認身體電導率值大或小第二預定百分比，那么處理400直接進行到414并且將根據默認身體電導率值調整合成器114或功率放大器112。此外，如果在411，控制器104確定身體電導率參數沒有比默認身體電導率值大或小第二預定百分比，那么處理還直接進行到414并且根據該默認電導率值調整合成器114和功率放大器112。
在416，控制器104將監視信號頻率并且利用傳統的自動增益控制和自動頻率控制來維護信道，這是已知的。在418，控制器104命令收發信機108開始發送和接收。為了能量節約的目的，通過一個內部時鐘來維持一個定時器。每次開始呼叫或傳輸，定時器都將復位。如在420所示，當定時器期滿時，處理400返回404。在收發信機108完成發送和接收信息之后，處理400也返回404。當然，如果收發信機108仍然在發送和接收，那么處理400就不返回404，而不管定時器狀態如何。盡管這個例子是基于身體電導率，但是可以以類似方式結合或獨立于電導率使用其它的電磁性質，例如介電常數和導磁率，來從頭到尾進行圖4所述的方法或處理。
因此，本發明提供了一種具有改善的有效輻射功率的用戶裝置10。用戶裝置10包括一個或多個用于測量物體電磁特性的傳感器，電磁特性例如是人體的身體電導率參數。用戶裝置10包括控制器104，其通過根據電磁性質或參數調整天線110的阻抗、放大器112的功率或合成器114的頻率來增強用戶裝置10的操作。控制器104最終大大限制來自用戶裝置10的射頻信號。
本公開意在解釋如何構成和使用根據本發明的各種實施例，而不是用來限制其真正的、預定的合理范圍。前面的說明不是窮舉性的或把本發明限制到所公開的確切形式。根據上面的教導可能有修改和變形。選擇并描述這些實施例是為了提供本發明的原理及其實際應用的最佳說明，并且能使本領域普通技術人員以各種實施例和適于所設想的特定使用的各種修改來利用本發明。當根據權利要求被合理、合法并公正地授權的范圍進行解釋時，所有這些修改和變形都在附隨的權利要求及其所有等效方式所確定的本發明的范圍內，這些附隨的權利要求可以在本申請獲得專利權的待決期間修改。
權利要求
1.一種具有改善的有效輻射功率的用戶裝置，該用戶裝置包括傳感器，用于測量物體的電磁特性并且產生物體電磁參數；耦合到天線的收發信機，用于發送和接收信息；以及耦合到該傳感器和該收發信機的控制器，用于根據該物體電磁參數增強該收發信機的性能。
2.如權利要求的用戶裝置，其中該收發信機進一步包括功率放大器和合成器；以及該控制器進一步用于根據該物體電磁參數調整該合成器，從而調整傳輸頻率。
3.如權利要求2的用戶裝置，其中，該控制器進一步用于根據該物體電磁參數調整該功率放大器，從而調整功率電平。
4.如權利要求1的用戶裝置，其中該物體是人體；該傳感器用于測量人的身體電磁特性并且產生身體電磁參數；以及該控制器根據該身體電磁參數增強該收發信機的性能。
5.如權利要求4的用戶裝置，其中該傳感器通過執行生物電阻抗分析、近紅外作用法和全身電導法之一來測量該身體電磁特性，其中該身體電磁特性是身體電導率、身體介電常數以及身體導磁率之一。
6.一種用于為用戶裝置提供改善的有效輻射功率的方法，該方法包括測量物體的電磁特性并且產生物體電磁參數；以及根據該物體電磁參數增強該用戶裝置中的收發信機的性能。
7.如權利要求6的方法，進一步包括比較該物體電磁參數和存儲在存儲器中的預定值并且產生綜合比較參數。
8.如權利要求7的方法，其中，性能增強進一步包括當該物體電磁參數與該預定值相差大于預定量時調整該收發信機的電平。
9.如權利要求7的方法，其中，性能增強進一步包括當該物體電磁參數與該預定值相差大于另一預定量時調整該收發信機的發射頻率。
10.如權利要求6的方法，其中，測量物體電磁特性進一步包括測量該用戶的操作員的身體電磁特性并且產生身體電磁參數；以及該增強包括根據該身體電磁參數增強該收發信機的性能。
全文摘要
用戶裝置(10)包括一個或多個傳感器(102)，用于測量物體電磁特性，例如電導率、介電常數或導磁率。控制器(104)把該物體電磁參數存儲在存儲器(106)中并且根據存儲在存儲器(106)中的一個性能增強例程操作，根據該電磁參數增強該用戶裝置(10)的操作。該控制器(104)可以通過調整放大器(112)的功率、合成器(114)的頻率或天線(110)的阻抗來完成它。描述了控制該用戶裝置的軟件程序和相應方法。
文檔編號H04B1/04GK1781213SQ200480011122
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月20日 優先權日2003年4月25日
發明者埃里克·T·伊頓, 薩爾瓦多·西貝卡斯, 格拉夫科斯·斯特拉蒂斯 申請人:摩托羅拉公司