DE60218056T2

DE60218056T2 - Drahtloses funkgerät

Info

Publication number: DE60218056T2
Application number: DE60218056T
Authority: DE
Inventors: R. Kevin BOYLE; J. Peter MASSEY
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: KR20040033050A; US6909911B2; US20030050094A1; KR100881762B1; DE60218056D1; CN1554137A; JP2005503705A; ATE353478T1; EP1430565A1; CN1316676C; EP1430565B1; GB0122226D0; WO2003026064A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein drahtloses Endgerät mit spezieller, aber nicht ausschließlicher Anwendung als ein Mobiltelefon oder Fernbedienungsendgerät mit niedriger Leistung. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein drahtloses Endgerät mit einer planaren Antenne.
Hintergrund der Technik
Konventionell werden sogenannte Planar Inverted F-Antennen (PIFA) oder Ähnliches verwendet, um an Hand-Endgeräten wie Mobiltelefonen niedrige SAR-Leistung (SAR = spezifische Absorptionsrate) zu schaffen. PIFAs müssen einen relativ großen Abstand, typisch 8mm, zwischen ihrer oberen Platte und dem stützenden PCB haben, um eine ausreichende Bandbreite für GSM-(900 MHz) und DCS-(1800 MHz) Betrieb zu haben. Dieses limitiert die Dicke des sagen wir Mobiltelefons.
US-A-5.764.190 offenbart eine kompakte Form einer PIFA, um sich für immer kleinere handgehaltene Geräte zu eignen. Um die Größe der PIFA von typisch λ/4 auf λ/8 zu reduzieren, wird die PIFA kapazitiv geladen. Aber kapazitives Laden hat den Nachteil, dass es die Bandbreite der Antenne reduziert, und macht sie schwierig für Signalanpassung. Um zu erlauben, dass die Eingangsimpedanz für leichtere Anpassung eingestellt wird, wird eine kapazitive Zuführung verwendet.
Die internationale Patentanmeldung WO 02/13306 (entspricht der EP Anmeldung 01 954 054.1) offenbart ein Verfahren der Verbreiterung der Bandbreite eines Funkendgerätes, das das Handgerät als einen Strahler verwendet. Spezieller wird anstelle einer Antenne ein physikalisch sehr kleiner Rückkopplungskondensator, der so entworfen ist, dass er eine große Kapazität für maximale Kopplung und minimale Reaktanz hat, verwendet. Die restliche Reaktanz kann mit einer einfachen Anpassungsschaltung abgestellt werden. Mit einer solchen Anordnung kann die Bandbreite größer als mit einer konventionellen Antennen-Handgeräte-Kombination sein, weil das Handgerät als ein Strahler mit niedrigem Q agiert.
Die Bandbreite kann durch Neuentwerfen des Handgerätegehäuses, um dessen Widerstand in dem Reflexionsverlust S₁₁ nach dem Abgleich zu erhöhen, verbessert werden. Dies wurde unter Verwendung des von der Ansoft Corporation verfügbaren „High Frequency Structure Simulator" (HFSS) simuliert. Experimente haben gezeigt, dass die Länge des Handgerätes optimiert werden könnte, um eine große Bandbreite zentriert um eine bestimmte Frequenz zu ergeben. Ein sich in Querrichtung erstreckender Schlitz oder ein sich in Längsrichtung erstreckender Schlitz sind Mittel, bei denen für ein Handgerät fester Länge elektrische Verkürzung oder Verlängerung erzielt werden können. Beispiel von sich in Längsrichtung erstreckender Schlitze sind in 11, 14 und 17 der angeführten Spezifikation illustriert.
Es ist gut bekannt, dass beim Simulieren der Absorption von Strahlung der menschliche Körper einem verlustbehafteten Dielektrikum, das elektrische Strahlung absorbiert, ähnelt. Das lokale Maximum des Körperverlustes wird durch die SAR-Leistung (Spezifische Absorptionsrate) gemessen. Verluste von ausgestrahlter Energie in den Körper repräsentieren ein Vergeuden von Energie, das Batterieleben nutzlos vorzeitig reduziert, ohne die Gesamtleistung des Endgerätes zu verbessern.
EP-A-1 132 998 offenbart ein tragbares Kommunikationsgerät mit einer separaten, oben auf dem Abschirmgehäuse montierten Stabantenne. Außerhalb des Abschirmgehäuses ist eine flache, leitfähige Platte montiert und ist leicht von dem Bereich des Abschirmgehäuses schwebend gegenüber dem eingebauten Lautsprecher positioniert. Der Abstand zwischen der flachen leitfähigen Platte und dem Abschirmgehäuse ist mit einem frequenzzerstreuenden dielektrischen Material ausgefüllt, um die lokale Durchschnitts-SAR in der Nähe des Ohrs des Benutzers zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die SAR eines kapazitiv zurückgekoppelten Handgeräts zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein drahtloses Endgerät mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse montierten Leiterplatte, wobei die Leiterplatte eine Ground Plane [Massefläche] hat, Mitteln zur Montage eines Lautsprechers innerhalb des Gehäuses, an den Ort des Lautsprechers angrenzende Schallaustrittsöffnungen in dem Gehäuse und einer an den Ort der Schallaustrittsöffnungen angrenzende, in dem Gehäuse montierte Strahlung blockierende Abschirmung, wobei die genannte Strahlung blockierende Abschirmung ein im Wesentlichen planares, parallel, aber mit Abstand zu der Leiterplatte angeordnetes Bauteil ist, geschaffen, das gekennzeichnet ist durch einen auf der Leiterplatte montierten Rückkopplungskondensator, wobei der Rückkopplungskondensator einen Paral lelplattenkondensator umfasst, der aus einer ersten, mit Abstand zu der Leiterplatte angeordneten Plattenelektrode und einer zweiten Plattenelektrode, die einen Abschnitt der Ground Plane umfasst, besteht, eine an die erste Plattenelektrode gekoppelte Übertragungsleitungszuführung, an die Übertragsleitungszuführung gekoppelte Anpassungsschaltkreise zum Ausblenden restlicher Reaktanz des Rückkopplungskondensators und dabei Ermöglichen der Ground Plane, elektromagnetische Energie abzustrahlen und/oder zu empfangen und dadurch, dass die Strahlung blockierende Abschirmung mindestes die erste Plattenelektrode des Rückkopplungskondensators abdeckt.
Die Vorteile, eine Abschirmung bereitzustellen, sind, dass die SAR verbessert wird und dass die Abschirmung relativ dicht an der Leiterplatte in dem Handgerät angebracht werden kann, was es ermöglicht, dass das Endgerät, beispielsweise das Handy, dünner und damit für Benutzer attraktiver sein kann.
Ein länglicher Schlitz kann in dem Masseleiter geschaffen werden, was es ermöglicht, dass die Betriebsfrequenzbandbreite des Endgeräts größer gemacht werden kann, ohne das Endgerät dicker gemacht werden muss.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die vorliegende Erfindung wird nun als Beispiel mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht von der Rückseite einer Ausführung eines tragbaren drahtlosen Endgeräts, das gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht ist;
2 eine schematische perspektivische Ansicht von der Vorderseite einer Ausführung eines tragbaren drahtlosen Endgeräts, das gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht ist;
3 eine Grafik des simulierten Reflexionsverlustes S₁₁ in dB gegen die Frequenz f in GHz für das in 1 und 2 gezeigte tragbare drahtlose Endgerät;
4 ein Smith-Diagramm, das die simulierte Impedanz des in 1 und 2 gezeigten tragbaren drahtlosen Endgeräts über den Frequenzbereich von 800,0 MHz bis 3,0 GHz zeigt;
5 und 6 Grafiken der Real- beziehungsweise Imaginär-Anteile der Antennen-Eingangsimpedanz in Ohm gegen die Frequenz f in GHz für das in 1 und 2 gezeigte tragbare drahtlose Endgerät mit der Abschirmung in Position;
7 als Skizze einen Abschnitt der Leiterplatte mit der Platte des Kondensators, die einen Teil des Schlitzes abdeckt;
8 als Skizze einen Abschnitt der Leiterplatte mit dem Kondensator, aber ohne Schlitz;
9 als Skizze einen Abschnitt der Leiterplatte, wo sich der Schlitz quer zu der Leiterplatte erstreckt; und
10 als Skizze den Kondensator, der in dem Raum zwischen der Leiterplatte und der Abschirmung montiert ist.
In der Zeichnung wurden gleiche Referenzzeichen verwendet, um entsprechende Merkmale anzuzeigen.
Arten, die Erfindung auszuführen
Die Ausführungsform des in 1 und 2 gezeigten drahtlosen Endgeräts umfasst ein kapazitiv zurückgekoppeltes Handgerät 10, dass für die Verwendung als ein Mobil- oder schnurloses Telefon geeignet ist. Das Handgerät 10 hat ein externes Kunststoffgehäuse 12, in gestrichelten Linien gezeigt, an dessen Vorderseite eine Öffnung 14 für den Zugang zu einem Mikrofon (nicht gezeigt), Öffnungen 16 für den Zugang zu einem Lautsprecher (nicht gezeigt) ein LCD-Panel 18 und ein Tastenfeld 20 geschaffen sind.
Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine längliche Leiterplatte 22 montiert, die mindestens auf einer Oberfläche Elektronikkomponenten (nicht gezeigt) trägt, die für die Steuerung des Handgeräts 10 und für das zugehörige Verarbeiten von gesendeten und empfangenen Sprach- und Datensignalen erforderlich sind. Mindestens ein Abschnitt der anderen Oberfläche der Leiterplatte 22, die zur Rückseite des Handgeräts ausgerichtet ist, ist metallisiert, um eine Ground Plane [Massefläche] 24 zu schaffen.
Das illustrierte Handgerät hat keine speziell angefertigte, separate Antenne, sondern hat einen physikalisch kleinen Rückkopplungskondensator C, der so entworfen ist, dass er eine große Kapazität für maximale Kopplung und minimale Reaktanz hat. Die restliche Reaktanz des Rückkopplungskondensators kann mit einer einfachen Anpassungsschaltung ausgeschaltet werden, beispielsweise einer Serieninduktivität gefolgt von einer Shunt-Induktivität. Durch korrekten Entwurf des Handgeräts 10 kann die Bandbreite größer als mit einer konventionellen Antennen-Handgeräte-Kombination sein, weil das Handgerät als ein Strahler mit niedrigem Q agiert (Simulationen zeigen, dass ein typisches Q etwa 1 ist), während konventionelle Antennen typischerweise ein Q von etwa 50 haben.
Der Kondensator C umfasst einen Parallelplattenkondensator, der durch eine erste Platte gebildet wird, die aus einer 10 mm × 10 mm Platte 26 besteht, die auf einem isolierten Träger 28 über der Ecke der Ground Plane 24, die eine zweite Platte des Kondensators darstellt, montiert ist. Die erste Platte 26 des Kondensators wird mithilfe einer Übertragungsleitung (nicht gezeigt), die sich durch den Träger 28 erstreckt, gespeist. Die resultierende Kapazität liegt in der Größenordnung von 0,5 pF, was einen Kompromiss zwischen Kapazität (die durch Reduzierung des Abstands zwischen der Platte 26 und der Ground Plane vergrößert würde) und der Kopplungseffektivität (die von dem Abstand der Platte 26 und der Ground Plane abhängt) repräsentiert.
Um die Bandbreite des Handgeräts 10 zu erhöhen, ist in der Leiterplatte 22 ein sich longitudinal erstreckender Schlitz 30 eingebracht. Der Schlitz 30 ist parallel zu der Längs- oder Hauptachse der Leiterplatte. Die Abmessungen des Schlitzes 30 sind mit Rücksicht auf die gewünschte Bandbreite des Handgeräts 10 und für kombinierten GSM und DCS-Betrieb gewählt, die Abmessungen können typisch 3 mm breit und 29,5 mm lang sein, wobei die Leiterplatte typisch 100 mm × 40 mm × 1 mm ist.
Eine elektrisch leitende Abschirmung 32 ist elektrisch verbunden mit und so auf der Leiterplatte 22 montiert, dass sie sich parallel zu, aber im Abstand von dem Abschnitt der Leiterplatte erstreckt, in dem der Schlitz 30 und der Kondensator C geschaffen sind. Der Abstand zwischen der Abschirmung 32 und der Leiterplatte 22 liegt in der Größenordnung von 4 mm. Die Tiefe des Abstands hängt von Faktoren wie Bandbreite ab. Wenn also der Abstand kleiner als 4 mm ist, ist die Bandbreite enger. Als Konsequenz kann ein Telefon zur Verwendung auf einem einzigen Standard im Gegensatz zu zwei oder mehr Standards schlanker sein.
Die Abschirmung 32 muss sich nicht über die gesamte Breite der Leiterplatte 22 erstrecken, aber sie sollte den Kondensator C und den Schlitz 30 abdecken. Die Abschirmung 32 kann auf jegliche günstige Weise wie mit Schrauben und Abstandsstücken oder mit Klebstoffen montiert werden.
Simulationen eines Handgeräts mit einer Abschirmung 32 haben eine signifikante Reduktion in der magnetischen Feldstärke auf der Seite, die die Hörkapsel, d.h. die Öffnungen 16, enthält, gezeigt. Dies wiederum führt zu einem niedrigeren SAR und weniger Leistungsverlust zu dem Benutzer des Handgeräts. Die Gesamtdicke des Handgeräts kann im Vergleich zu einem Handgerät ohne die Abschirmung dünner sein.
3 illustriert unter Verwendung des „High Frequency Structure Simulator" (HFSS) von der Ansoft Corporation den Reflexionsverlust S₁₁ mit den zwischen 0,5 und 3,0 GHz gezeigten Ergebnissen. Das Anpassungsnetzwerk umfasst eine Serieninduktivität von 4 nH gefolgt von einer Shuntinduktivität von 4 nH. Die 6 dB Bandbreite zwischen den Frequenzen m1 und m2, nämlich 1,823 und 2,065 GHz, ist ungefähr 200 MHz und die 3 dB Bandbreite ist signifikant breiter. Auch aufgrund der Form des S₁₁-Verhaltens mit der Frequenz kann die Bandbreite mit einer parallelen LC-abgeglichenen Schaltung (mit einem leicht zu realisierenden kleinen Induktivitätswert) verbreitert werden. Eine solche Schaltung hat auch eine nützliche Filterfunktion.
Die in 4 gezeigte Smith-Kurve bezieht sich auf ein Frequenzband von 800,0 MHz bis 3,00 GHz und die 6 dB-Bandbreite ist zwischen den Frequenzen m1 und m1, nämlich 1,823 und 2,065 GHz gezeigt.
5 und 6 sind Graphen, die die Real- beziehungsweise Imaginär-Anteile der Antennen-Eingangsimpedanz gegen die Frequenz, wenn die Abschirmung vorhanden ist, zeigen. Diese Graphen bestätigen, was in der Smith-Kurve gezeigt ist.
SAR-Simulationen der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Handgerätes wurden bei 1800 MHz mit dem Handgerät in enger Nähe zu einem flachen Phantom, das in derselben Ebene ausgerichtet war wie das PCB 22 (d.h. parallel zu diesem), durchgeführt. Die Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit des Phantoms waren ε_r = 40 beziehungsweise σ = 1,4 S/m. Drei Sätze an Ergebnissen wurden generiert, der erste ohne die Abschirmung 32 und mit der Leiterplatte im Abstand von 5 mm von dem Phantom, der zweite mit vorhandener Abschirmung 32 und das Phantom berührend und der dritte mit vorhandener Abschirmung und im Abstand von dem Phantom von 1 mm. Die folgenden Ergebnisse wurden für SAR in W/kg erhalten:
Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die Abschirmung 32 eine beträchtliche Reduktion in SAR schafft, sie typisch um ungefähr 30 % des Wertes ohne Abschirmung reduziert. Dies bestätigt die Reduktion in SAR, die aus 3 bis 6 erwartet werden würde.
7 ist eine Variante der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform, in der die Platte 26 des Kondensators C den Schlitz 30 überlappt. Auch um der Illustration willen erstreckt sich die Abschirmung, in gestrichelten Linien gezeigt, nicht über die gesamte Breite der Leiterplatte 32. Die Breite der Abschirmung 32 ist unabhängig von der Breite des Schlitzes 30 und/oder der Größe der Platte 26 solange die Platte 26 abgedeckt ist.
Die in 8 gezeigte Ausführungsform hat keinen Schlitz 30. Aber eine Abschirmung 32 ist bereitgestellt und deckt die Platte 26 des Kondensators ab. Eine solche Ausführungsform ist geeignet, den Bandbreitenbetrieb zu verschmälern, beispielsweise in einem Endgerät, das gemäß einem einzigen Standard, wie z.B. GSM oder DCS, arbeitet.
Obwohl in den Ausführungsformen, die mit Bezug auf 1, 2 und 7 der Schlitz 30 in der Ground Plane so gezeigt wurde, dass er sich longitudinal zu der Leiterplatte 22 erstreckt, kann er sich in andere Richtungen erstrecken, wie z.B. transversal zu der länglichen Leiterplatte, vorbehaltlich die Orientierung der Abschirmung 32 wird entsprechend geändert. Dies ist in 9 der zugehörigen Zeichnung illustriert.
Mit Bezug auf 10: diese illustriert, dass der Kondensator C auf der Seite der Leiterplatte 22 angeordnet werden kann, die in Richtung Abschirmung liegt.
In allen Ausführungsformen kann das Dielektrikum des Kondensators C von jeder passenden An sein. Aber es ist notwendig, dass eine der Elektroden eine Platte ist.
In der vorliegenden Spezifikation und Ansprüchen schließt das Wort „ein" oder „eine" vor einem Element das Vorhandensein das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als die aufgelisteten nicht aus.
Vom Lesen der vorliegenden Offenbarung werden Fachleuten andere Modifikationen offensichtlich sein. Solche Modifikationen können andere Merkmale, die schon in Entwurf, Herstellung und Verwendung von kapazitiv rückgekoppelten drahtlosen Endgeräten und Komponententeilen dafür bekannt sind und welche anstatt der oder zusätzlich zu den hierin schon beschriebenen Merkmalen beinhalten.
Text in der Zeichnung:

5: real(Zi) – Realteil(Zi)
6: imag(Zi) – Imaginärteil(Zi)

Claims

Drahtloses Endgerät mit einem Gehäuse (12), einer in dem Gehäuse montierten Leiterplatte (22), wobei die Leiterplatte eine Ground Plane [Massefläche] (24) hat, Mitteln zur Montage eines Lautsprechers innerhalb des Gehäuses, an den Ort des Lautsprechers angrenzende Schallaustrittsöffnungen (16) in dem Gehäuse und einer an den Ort der Schallaustrittsöffnungen angrenzende, in dem Gehäuse montierte Strahlung blockierende Abschirmung (32), wobei die genannte Strahlung blockierende Abschirmung ein im Wesentlichen planares, parallel, aber mit Abstand zu der Leiterplatte angeordnetes Bauteil ist, gekennzeichnet durch einen auf der Leiterplatte montierten Rückkopplungskondensator (C), wobei der Rückkopplungskondensator einen Parallelplattenkondensator umfasst, der aus einer ersten, mit Abstand zu der Leiterplatte angeordneten Plattenelektrode (26) und einer zweiten Plattenelektrode, die einen Abschnitt der Ground Plane (24) umfasst, besteht, eine an die erste Plattenelektrode gekoppelte Übertragungsleitungszuführung, an die Übertragsleitungszuführung gekoppelte Anpassungsschaltkreise zum Ausblenden restlicher Reaktanz des Rückkopplungskondensators und dabei Ermöglichen der Ground Plane, elektromagnetische Energie abzustrahlen und/oder zu empfangen und dadurch, dass die Strahlung blockierende Abschirmung mindestes die erste Plattenelektrode (26) des Rückkopplungskondensators (C) abdeckt.
Endgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ground Plane ein länglicher Schlitz (30) geschaffen ist und dass die Strahlung blockierende Abschirmung mindestens der gesamten Länge des Schlitzes entspricht.
Endgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ground Plane (24) ein länglicher Schlitz (30) geschaffen ist, dass der Rückkopplungskondensator (C) angrenzend an den Schlitz positioniert ist und dass die Strahlung blockierende Abschirmung (32) angrenzend an, aber mit Abstand zu dem Schlitz und dem Rückkopplungskondensator angeordnet montiert ist und den Schlitz bedeckt.
Endgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ground Plane (24) ein länglicher Schlitz (30) geschaffen ist, dass die erste Plattenelektrode (26) des Rückkopplungskondensators (C) so positioniert ist, dass sie mindestens einen Teil des Schlitzes bedeckt und dadurch, dass die Strahlung blockierende Abschirmung (32) angrenzend an, aber mit Abstand zu dem Schlitz und dem Rückkopplungskondensator angeordnet montiert ist und den Schlitz bedeckt.
Endgerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (22) länglich ist und der längliche Schlitz (30) parallel zu der Hauptachse der Leiterplatte ist.
Endgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Lautsprecher und dadurch, dass die Strahlung blockierende Abschirmung hinter den Lautsprecher gestellt ist, um zu verhindern, dass Strahlung sich in Richtung Lautsprecher ausbreitet.