DE69830096T2

DE69830096T2 - Antennenanordnung für kleines Funkkommunikationsgerät

Info

Publication number: DE69830096T2
Application number: DE69830096T
Authority: DE
Inventors: Seppo Kivelä
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: EP0871236A3; FI971522A; FI104662B; US6005525A; EP0871236A2; FI971522A0; DE69830096D1; EP0871236B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funkkommunikationsgerät, das zum Herstellen einer Zweiwegverbindung ausgelegt ist, wie ein Funktelefon. Mit dem Funkkommunikationsgerät wird angestrebt, die Strahlung der Antenne zum Körper eines Benutzers hin zu reduzieren und andererseits die Auswirkungen eines Körpers auf die Eigenschaften der Antenne zu reduzieren.
Bei bisher bekannten Antennenbauweisen, die für persönliche Funkkommunikationsgeräte ausgelegt sind, wurde ein möglichst symmetrisches Strahlungsmuster angestrebt, um zu vermeiden, dass die Position des Funkkommunikationsgeräts eine Auswirkung auf die Qualität einer Funkverbindung aufweist. Die Symmetrie des Strahlungsmusters ist jedoch nur in einem freien Raum verwirklicht. Verschiedene Hindernisse in der Nachbarschaft eines Funkkommunikationsgeräts weisen eine Auswirkung auf das Strahlungsmuster einer Antenne auf.
Persönliche Funkkommunikationsgeräte sind derzeit so klein, dass sich beispielsweise bei Funktelefonen, bei denen das Mikrofon im Funktelefon eingegliedert ist, die Antenne in der Betriebsposition des Telefons so nahe am Körper befindet, dass der Körper eine Auswirkung auf das Strahlungsmuster der Antennen aufweist. Das Strahlungsmuster ist in den typischen Betriebspositionen eines Funktelefons nicht symmetrisch, wenn das Funktelefon eine geringe Größe aufweist und die Antenne dem Kopf und der Hand des Benutzers des Telekommunikationsgeräts sehr nahe kommt.
Es wurde angestrebt, die Auswirkung des Körpers auf das Strahlungsmuster zu reduzieren und andererseits die Strahlung zum Körper hin zu reduzieren, und zwar unter Nutzung von Lösungen, bei denen unter Verwendung verschiedener Abschirmungen, die zwischen der Antenne und dem Körper angeordnet sind, die Strahlung gedämpft oder die Form des Strahlungsmusters geändert ist. Es sind bisher auch solche Lösungen bekannt, mit denen angestrebt wurde, das abstrahlende Antennenelement so weit wie möglich vom Benutzer des Telefons weg zu bewegen. Es ist jedoch ziemlich schwierig, diese Lösungen zu verwirklichen, wenn ein Funktelefon eine sehr geringe Größe aufweist.
Es ist zu beachten, dass internationale normenschaffende Organisationen Meßverfahren und Grenzen für die Strahlung von Mobiltelefonsendern definieren, die zum Körper der Mobiltelefonbenutzer hin gerichtet ist, und dies muss bei der Antennengestaltung entsprechend berücksichtigt werden. Die Strahlung wird in typischen Telefonbetriebspositionen unter Nutzung der sogenannten SAR-Messung (Specific Absorption Rate) gemessen. Dieses Thema muss besonders bei den Handtelefonen eines zellularen Funknetzes beachtet werden, die mit einer im Vergleich zur Größe des Telefons ziemlich hohen Sendeausgangsleistung arbeiten, wie AMPS, GSM, DCS und künftig UMTS. Der Radius einer Zelle, d.h. die maximale Entfernung vom Telefon zur nächsten Basisstation, beträgt bei diesen Systemen normalerweise mehrere Kilometer, sogar bis zu mehrere zehn Kilometer, und die Senderausgangsleistung des Handtelefons beträgt bis zu 2 W.
Die Größe von persönlichen Mobilstationen wird fortlaufend reduziert, weswegen die Nutzung bisher bekannter Antennenlösungen schwieriger wird. Die Probleme bisher bekannter Lösungen werden besonders nachdrücklich offensichtlich, wenn ein Funktelefon fest am Körper befestigt ist, z.B. mit einem Band an einem Handgelenk eines Benutzers. In einem solchen Fall sollte sowohl die Auswirkung der Hand auf die Antenne und in der Betriebsposition die Auswirkung des Kopfes auf die Antenne minimiert sein. Ein Armbandtelefon ist in US 5,239,521 dargestellt, wobei im Gebrauch der Lautsprecher und das Mikrofon auf der Unterseite der Hand des Benutzers angeordnet ist und das Telefongehäuse auf der Rückenseite der Hand des Benutzers angeordnet ist. Dieses Dokument gibt an, dass die Antenne im Band oder im Gehäuse des Geräts angeordnet sein kann, bietet jedoch keine Lösungen bezüglich der Antenne. Im Dokument „Directional Antenna for Portable Phones", Nogrehi et al., 6.11.1995, IEEE, ISBN 0 7803-2955-4, ist in 1(b) ein flaches Antennenelement und Mittel zum Richten des Verstärkungsmaximums des Strahlungsmusters von Körperteilen weg offenbart.
In der bisher bekannten Technik wurden Antennenlösungen für Pager vorgelegt, die zum Befestigen an der Hand ausgelegt sin. Ein Pager umfasst jedoch keinen Sender, sondern nur einen Empfänger, und dementsprechend verursacht die Strahlung der Antenne zum Körper hin kein Problem bei Pagern. Zudem ist die Betriebsposition eines Pagers anders. In der Betriebsposition wird ein Pager nicht in die Nähe des Kopfes gebracht, wie es bei einem Armbandtelefon der Fall ist. Bei einigen Antennen von Armband-Pagern wurde daher angestrebt, die Auswirkung der Hand auf die Antenne zu reduzieren, jedoch nicht die des Kopfes. Zusätzlich zu Obenstehendem wurde bei Pagern ein Antennenrichtmuster mit einem bestmöglichen Sendebereich in jede Richtung angestrebt.
Außerdem wurden die Anforderungen eines Mobiltelefonnetzes an eine in einem Telefon genutzte Antenne nicht berücksichtigt. Eine Verbindung zwischen einem Mobiltelefon und einer Basisstation ist eine Zweiwegverbindung, und somit muss die Basisstation des Mobiltelefonnetzes imstande sein, das vom Mobiltelefon gesendete Signal zu empfangen. Wenn ein Mobiltelefon in einem Armband angeordnet ist, oder es aus irgendeinem Grund erwünscht ist, ein Mobiltelefon so klein wie möglich herzustellen, kann ein Sender nicht sehr leistungsstark ausgelegt sein, um eine Verbindung zu gewährleisten. Die Nutzung eines Senders mit einer höheren Ausgangsleistung hätte das Erfordernis einer größeren Stromversorgung (Batterie) zur Folge, in welchem Falle ein Telefon groß und schwer und schwierig am Handgelenk anzuordnen wäre. Daher sind die Anforderungen an eine Antenne eines Funktelefons strenger als an Antennen solcher Geräte, die nur einen Empfänger umfassen. In Rundfunkempfänger und -pagersystemen sind die Sender starr, und dementsprechend können sie groß sein, und zusätzlich dazu sind die Stromversorgungen an die Netzspannung angeschlossen, und somit können die Sender überdimensioniert sein, und entsprechend können Kompromisse zur Qualität der Empfangsantennen eingegangen werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bisher bekannten Technik zu vermeiden und eine Antennenanordnung für am Handgelenk getragene Zweiwegfunkkommunikationsgeräte zu verwirklichen, wobei die Anordnung zum Gebrauch in persönlichen Mobilstationen geeignet ist. Das Richtmuster der Antenne wurde so eingerichtet, daß die Auswirkung des Körpers auf das Richtmuster und andererseits die Strahlung, die von der Antenne auf den Körper gerichtet ist, so gering wie möglich ist. Das Richtmuster der Antenne wurde in die engegengesetzte Richtung zur Strahlungsrichtung des Lautsprechers gerichtet, und die Antenne befindet sich in einer solchen Position, oder kann dazu eingerichtet werden, in welcher sie sich im wesentlichen im Körper des Geräts außerhalb des Lautsprechers befindet. Das asymmetrische Richtmuster der Antenne ist bei vielen Anwendungen ein Nachteil, aber in dieser Erfindung wird dieses Merkmal genutzt.
Die Erfindung ist im beiliegenden, unabhängigen Anspruch 1 gekennzeichnet.
Aufgrund der Erfindung weist der Körper keine wesentliche Auswirkung auf das Strahlungsmuster der Antenne auf, und die Strahlung der Antenne ist in den typischen Betriebspositionen der Mobilstation nicht auf den Körper gerichtet. Es ist möglich, ein Antennenelement gemäß der Erfindung als dünnen, flachen Bau zu verwirklichen, der es für persönliche Mobilstationen mit sehr geringer Größe gut geeignet macht. Es ist für eine Mobilstation besonders gut geeignet, die zum Anbringen am Handgelenk ausgelegt ist und zum Gebrauch auf eine Weise ausgelegt ist, daß das Telefon für einen Anruf nicht vom Handgelenk abgenommen wird. Mit der Masseplatte, die ein Teil des Antennenbaus ist, kann die Strahlung, die auf die Hand gerichtet ist, gedämpft sein, und andererseits ist die Auswirkung der Hand auf die Form des Strahlungsmusters reduziert. Das Funkkommunikationsgerät gemäß der Erfindung stellt wiederum eine Lösung zum Richten des Strahlungsmusters weg vom Kopf des Benutzers in der Position bereit, in der ein Telefon während eines Anrufs verwendet ist.
Die Erfindung und ihre anderen Merkmale und Vorteile wird detaillierter in Form von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Handtelefon gemäß der bisher bekannten Technik in seiner typischen Betriebsposition,
2 die Betriebsposition während eines Anrufs einer Mobilstation, die zum Anschnallen am Handgelenk ausgelegt ist,
3a, 3b und 3c eine Mikrostripantenne gemäß der bisher bekannten Technik aus verschiedenen Blickrichtungen,
4a, 4b und 4c eine PIFA-Antenne gemäß der bisher bekannten Technik aus verschiedenen Blickrichtungen,
5 eine symmetrische, flache Antenne gemäß der Erfindung mit zwei Strahlern,
6 das Strahlungsmuster einer flachen Antenne, wenn eine große Masseplatte genutzt ist,
7 das Strahlungsmuster einer flachen Antenne, wenn eine Masseplatte genutzt ist, deren Größe der eines Strahlers nahe kommt,
8a und 8b einen der Lageorte eines Antennenelements gemäß der Erfindung,
9 einen der Lageorte eines Antennenelements gemäß der Erfindung,
10 einen der Lageorte eines Antennenelements gemäß der Erfindung,
11 ein Handfunkkommunikationsgerät,
12 das Funkkommunikationsgerät nach 11, wenn sich das Funkkommunikationsgerät im Anrufmodus befindet,
13 ein anderes Funkkommunikationsgerät,
14 in Form eines Blockdiagramms einen Strahlerauswahlkreis gemäß der Erfindung, wenn ein Antennenelement zwei Strahler umfaßt.
In der folgenden Erläuterung bezeichnet Anrufmodus eine Situation, in der ein Anruf, d.h. eine Zweiwegfunkverbindung, zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation hergestellt ist. In diesem Fall sind im Telefon sowohl der Sender als auch der Empfänger in Betrieb. In der Erläuterung bezeichnet Standby-Modus einen solchen Betriebszustand des Telefons, in dem es zum Empfangen eines Anrufs bereit ist, in welchem Fall der Empfänger in Betrieb ist und der Sender nicht in Betrieb ist.
In der folgenden Erläuterung bezeichnet Armbandtelefon ein Funkkommunikationsgerät, das zum Herstellen einer Zweiwegfunkverbindung ausgelegt ist, wobei das Gerät zum Befestigen am Handgelenk eines Benutzers ausgelegt ist und zum Gebrauch sowohl im Standby-Modus als auch im Anrufmodus ausgelegt ist, während es am Handgelenk befestigt ist. Ein Handtelefon bezeichnet in der Erläuterung ein Funkkommunikationsgerät, das zum Herstellen einer Zweiwegfunkverbindung ausgelegt ist, wobei das Gerät hinsichtlich seiner Größe und Form zum Halten in der Hand geeignet ist.
1 zeigt ein Handtelefon 10 gemäß der bisher bekannten Technik in einer typischen Betriebsposition.
Bei dieser Art von Handtelefonen mit ausreichender Größe ist es möglich, die Antenne 11 so in den oberen Abschnitt des Telefons anzuordnen, daß die Antenne in den freien Raum gebracht sein kann, mit ausreichendem Abstand sowohl zur Hand als auch zum Kopf des Benutzers hinsichtlich der Funktion der Antenne. Bei dieser Art von Handtelefonen ist es normalerweise möglich, außerdem einen solchen Antennenbau zu verwirklichen, bei dem die Antenne in das Telefon geschoben sein kann. Dies schützt die Antenne vor Beschädigung, wenn sich das Telefon im Standby-Modus befindet und beispielsweise in einer Tasche oder an einem Gürtel aufbewahrt ist.
2 zeigt die typische Betriebsposition von Funktelefon 20, das zum Befestigen am Handgelenk ausgelegt ist. Die Antennenlösungen für Handtelefone gemäß der bisher bekannten Technik sind für diese Art von Telefon nicht geeignet. Die Länge der Stabantenne gemäß 1 muß ein bestimmtes Verhältnis zur Wellenlänge der Empfangs- und Sendefrequenzen aufweisen, die bei diesem Telefon genutzt sind. Dies führt dazu, daß eine gut funktionierende Stabantenne eine solche Länge aufweist, daß ihr Gebrauch mit einem Handtelefon lästig ist. Die Länge einer Stabantenne bei einem Handtelefon, das in einem 900-MHz-Frequenzbereich arbeitet, beträgt typischerweise ungefähr 10 cm. Ein an einem Armband benutztes Telefon ist so klein, daß eine Stabantenne nicht in den Körper des Telefons im Standby-Modus geschoben sein kann. Eine andere Antenne, die weitgehend bei Handtelefonen genutzt ist, ist eine zylindrische Helixantenne, die kürzer ist, deren Durchmesser jedoch ziemlich groß ist, weshalb es auch schwierig ist, sie in einem Telefon mit geringer Größe anzuordnen.
Stabantennen und Helixantennen, die bei Handtelefonen genutzt sind, sind ungerichtet, und es wurde bei ihnen ein symmetrisches Strahlungsmuster angestrebt, und dementsprechend sollte, wenn solche Antennen in einem Armbandtelefon genutzt sind, ein ausreichender Abstand von der Antenne zu sowohl der Hand als auch zum Kopf des Benutzers eingerichtet sein, zumindest in einer Anrufsituation.
Antennen, die für Armbandgeräte ausgelegt sind, sind z.B. in Pagern genutzt. Pager weisen nur einen Empfänger und keinen Sender auf. Armbandtelefone weisen außerdem einen Sender auf, und die Telefone sind Standards zum Begrenzen der Auswirkung des Magnetfelds auf einen Körper eines Benutzers (SAR) unterworfen, das durch die Antenne im Sendemodus ausgesendet wird. Die Auswirkungen der elektromagnetischen Felder werden in für das Telefon typischen Betriebspositionen gemessen. Bei Armband-Pagern wurden solche Antennenbauweisen angestrebt, bei denen die Antenne ein Signal bestmöglich aus allen Richtungen empfängt. Ferner unterscheidet sich die Betriebsposition eines Pagers von der eines Armbandtelefons, und daher sind Pager-Antennen zum Gebrauch in Armbandtelefonen nicht geeignet.
3a, 3b und 3c zeigen eine Mikrostrip-Patch-Antenne 30. Sie ist aus einem leitfähigen Patch 31 gebildet, der auf einem blechartigen Substrat 32 mit bestimmten elektrischen Eigenschaften (Permittivität) ausgebildet ist. Die leitfähige Folie 31 dient als das Strahlerteil der Antenne, und auf der entgegengesetzten Seite des Blechs befindet sich die ungebrochene Masseplatte 33 (die z.B. unter Verwendung einer leitfähigen Folie ausgebildet ist). Die Strahlerzuführung 34 findet z.B. koaxial durch die Masseplatte oder unter Verwendung von Transferlinie 35 von der Kante des Blechs statt.
Ein viereckiger Strahler befindet sich in Resonanz, wenn die Länge seiner Kante ungefähr einer halben Wellenlänge auf dem verwendeten Substratmaterial entspricht. Durch Verwenden eines Substratmaterials mit hoher Permittivität, kann die Größe des Strahlers und somit außerdem die Größe der gesamten Antenne reduziert sein.
Dies führt jedoch zu einer Verminderung der Leistung der Antenne, und dementsprechend können die Antennenabmessungen nicht sehr klein hergestellt sein.
Das Strahlungsmuster und die Bandbreite einer Antenne sind durch die Form des Strahlers stark beeinflußt. Die Bemessung einer Mikrostrip-Patch-Antenne wurde neben anderem detailliert in der Veröffentlichung „Mikrostrip Antennas", I. J. Bahl und P. Bhartia, 1980 herausgegeben von Artech House Inc., Delman, Maryland, USA, erläutert.
Wenn die Mikrostrip-Antenne in dieser Erfindung genutzt ist, ist ein Strahlungsmuster ausgebildet, das auf eine Weise bezüglich Strahler 31, 62, 72 asymmetrisch ist, daß das Verstärkungsmaximum 74 des Strahlungsmusters 61, 71 in dem Antennenelement zur Strahlerseite gerichtet ist und die Strahlung zur Seite der Masseplatte 33, 63, 73 gering ist. Die Form des Strahlungsmusters ist grob in 6 und 7 dargestellt.
4 stellt eine andere flache Antennenlösung 40, PIFA (Planar Inverted F-Antenna), dar. Darin fungiert das Metallblech 41 als Strahler, wobei das Blech an einem Ende an der Masseplatte 42 befestigt ist. Die Zuführung kann z.B. koaxial 43 zum Strahler hergestellt sein. Es ist möglich, die elektrischen Eigenschaften des betreffenden Antennenbaus beispielsweise mit der Ausbildung des Strahlers, des Orts des Zuführungspunkts in den Strahler und dem Abstand des Strahlers von der Masseplatte zu beeinflussen. Die Bemessung einer PIFA-Antenne wurde neben anderem detaillierter in der Veröffentlichung „Analysis of a Probe-Fed Short Circuited Micro Strip Antenna", IEEE Transaktionen zur Fahrzeugtechnologie, Ausgabe 45 Nr. 3, August 1996 erläutert. Die PIFA-Antenne ist in dieser Erfindung außerdem so genutzt, daß das Strahlungsmuster, das dadurch ausgebildet ist, so asymmetrisch ist, daß das Verstärkungsmaximum in der Antenne zur Seite des Strahlers 41 gerichtet ist und die Strahlung zur Seite der Masseplatte 42 gering ist. Die Strahlungsmusterausbildungen, die in 6 und 7 dargestellt sind, sind somit auch für eine PIFA-Antenne gültig.
Es ist möglich, verschiedene Modifikationen der oben genannten Antennenbauweisen auszuführen, womit angestrebt wird, die Antenne zur Massenherstellung geeignet und mechanisch fest herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, bei einer PIFA-Antenne festes Material in dem Raum zwischen dem Strahler und der Masseplatte zu verwenden, wobei die Permittivität dieses Materials ungefähr der Permittivität von Luft entspricht, in welchem Falle eine festere Antennenbauweise erzielt ist.
Die Zuführung zum Strahler kann gleichfalls auf mehrere Arten und Weisen angeordnet sein, z.B. so, daß die Antenne als SMD-Komponente (Surface Mounted Device) hergestellt ist, bei der der Antennenzuführungspunkt vom Strahler mit einem Lötpunkt an der Kante der Masseplatte verbunden ist. Ein Antennenelement kann außerdem mehrere Strahler auf derselben Seite der Masseplatte umfassen, wobei die Strahler parallel zur Masseplatte sind. Die Ausbildung des Strahlers ist nicht auf eine flache Bauweise beschränkt, sondern der Strahler kann beispielsweise ein Draht sein, der parallel zur Masseplatte gebogen ist, wie bei einer IFA-Antenne (Inverted F-Antenna).
All diesen Antennenbauweisen gemeinsame Merkmale, die bei der Erfindung genutzt sein können, sind eine große Masseplatte und ein Strahler oder mehrere Strahler, die im wesentlichen parallel zur Masseplatte sind, oder daß eine flache Antenne an einer großen Masseplatte befestigt sein soll, in welchem Falle ein entsprechender Bau ausgebildet ist, der durch ein asymmetrisches Strahlungsmuster gekennzeichnet ist, dessen Maximum im wesentlichen von der Masseplatte weg gerichtet ist.
Man kann über den Bereich, der für Antennen erforderlich ist, sagen, daß solche flachen Antennen, die unter Nutzung der gegenwärtigen Technik hergestellt sind und für die gegenwärtigen Funktelefonsysteme eines zellularen Netzes geeignet sind, selbst im Minimalfall einen Bereich von mehreren cm² erfordern.
6 stellt grob das Richtmuster 61 einer Antenne dar, wenn sie mit einer Masseplatte 63 verwendet ist, die im Vergleich mit der Größe des Strahlers 62 sehr groß ist.
Bei kleinen Telefonen muß die Größe der Masseplatte 63, 73 so begrenzt sein, daß ihre Größe der Größe des Strahlers 62, 72 nahekommt, in welchem Fall die Antenne etwas zur Seite der Masseplatte strahlt. 7 stellt grob die Ausbildung des Strahlungsmusters 71 dar, wenn eine kleinere Masseplatte 73 genutzt ist. Der Abstand 74 des Kreisumfangs vom Strahler beschreibt die relative Stärke des elektromagnetischen Felds in der betreffenden Richtung, wenn die Antenne an einen Sender angeschlossen ist. Wenn eine solche flache Antenne in einem Armband oder in einem Telefon, das an einem Armband befestigt ist, in einer solchen Position angeordnet ist, daß sich die Masseplatte zwischen dem Handgelenk und dem Strahler befindet, kann das Maximum des Strahlungsmusters der Antenne vom Handgelenk weggerichtet sein. Das Minimum der Antennenstrahlung ist zum Handgelenk hin gerichtet, und andererseits ist die Auswirkung des Handgelenks auf das Strahlungsmuster der Antenne reduziert.
Bei einem Handgelenktelefon ist zumindest ein Teil des Telefons, wie das Mikrofon 84 und der Lautsprecher 85 (8b), auf der Unterseite der Hand angeordnet, um es zu ermöglichen, das Telefon zu nutzen, ohne es vom Handgelenk abzunehmen. Bei einigen Lösungen können alle Funktionen eines Telefons im Unterseitenteil eines Armbands angeordnet sein. Mitunter kann es guten Grund geben, alle Funktionen des Telefons auf der Rückenseite der Hand anzuordnen.
Wenn ein Telefon insgesamt auf der Unterseite der Hand angeordnet ist, kann die Antenne jedoch nicht auf derselben Seite angeordnet sein, weil in der Betriebsposition eines Armbandtelefons nach 2, wenn die Masseplatte der Antenne zum Handgelenk hin liegt, das Maximum des Strahlungsmusters direkt zum Kopf des Benutzers hin gerichtet wäre. Zudem läge die Antenne in dem Raum zwischen der Hand und dem Kopf völlig in einem toten Punkt.
8a und 8b zeigen eine Antennenlage, durch deren Nutzung es möglich ist, das Antennenproblem dieser Telefonart zu vermeiden. Das flache Antennenelement 81 ist so auf der Handrückenseite angeordnet, daß die Masseplatte der Antenne zur Hand hin liegt und die Masseplatte zwischen dem Strahler 86 und dem Handgelenk angeordnet ist. Die Antennenzuführung vom Funkabschnitt zur Antenne kann innerhalb des Armbands hergestellt sein, z.B. unter Verwendung des flexiblen Koaxialkabels 83. Der Vorteil ist, daß auf diese Weise ein ziemlich großer Bereich für die Antenne und dementsprechend eine gute Leistung erzielt ist. Ein großer Antennenstrahler ist erzielt, und somit ist die Leistung der Antenne gut, und eine im Vergleich zum Strahler große Masseplatte ist erzielt, in welchem Fall die Strahlung zur Hand gering ist. Zudem bleibt das Richtmuster der Antenne unverändert und die Richtung ist unabhängig vom Durchmesser des Armbands nicht geändert, wobei der Durchmesser abhängig vom Benutzer ziemlich stark variieren kann.
Wenn das Telefon nahezu insgesamt auf der Handrückenseite angeordnet ist, wird der ziemlich große Bereich, der von der Benutzeroberfläche (unter anderem Tastatur und Display) des Telefons zusammen mit einer Antenne beansprucht ist, ein Problem. Die derzeitigen digitalen Mobilstationen weisen z.B. Kurznachrichtendienste (SMS) auf, bei denen Textnachrichten gesendet werden. Damit das Schreiben und Lesen von Textnachrichten möglichst leicht ist, sollte das Display 91 (siehe 9) so groß wie möglich sein, und auch die Tasten 92 sollten so groß wie möglich sein. Wie oben angegeben sollte der Oberflächenbereich des Antennenelements 93 so groß wie möglich sein, um ein sachgemäßes Richtmuster und eine gute Leistung zu erzielen. Die Antenne sollte so angeordnet sein, daß die Strahlerseite 94 der Antenne nicht mit Komponenten oder einem Material abgedeckt ist, das ein von der Antenne gesendetes oder empfangenes Signal dämpft oder das das Richtmuster der Antenne wesentlich verändert. Ein Strahlerelement kann mit einem geeigneten Schutzmaterial, z.B. mit dünnem, verlustarmen Kunststoff, beschichtet sein, aber das Anordnen eines Displays oder einer Tastatur auf der Antenne würde vielerlei Probleme verursachen.
Eine Antenne kann auch nicht auf der Unterseite der Hand angeordnet sein, wo nun Platz wäre, weil sich die Komponenten des Telefons unter Ausnahme des Mikrofons und des Hörers auf der Handrückenseite befinden. Eine Antenne auf der Handrückenseite befände sich in einem toten Punkt zwischen der Hand und dem Kopf, und das Maximum des Richtmusters in der Betriebsposition des Telefons wäre zum Kopf hin gerichtet.
Das Anordnen einer Antenne mit ausreichendem Oberflächenbereich auf der Seite eines Armbandabschnitts würde Probleme verursachen, weil die Antenne nicht wesentlich breiter als das Armband sein sollte und die Antenne aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit auf Handgelenke verschiedener Größen anpassbar sein sollte.
Ferner muß die Anforderung an das Strahlungsmuster berücksichtigt werden. Das Strahlungsmuster sollte in den typischen Betriebspositionen nicht zum Kopf des Benutzers hin gerichtet sein. Wenn die Antenne beispielsweise auf der Daumenseite des Armbands angeordnet sein sollte, wäre es sehr leicht, das Telefon versehentlich vorübergehend so zu benutzen, daß die Antennenstrahlung direkt auf das Auge des Benutzers hin gerichtet wäre, und sogar so, daß die Antenne direkten Kontakt mit dem Auge hätte.
9 stellt eine Lösung dar, die es ermöglicht, eine Antenne mit ausreichendem Oberflächenbereich in einem Armbandtelefon zu benutzen. Dabei liegt die Antennenmasseplatte 95 zur Hand des Benutzers hin, und somit ist das Richtmuster des Strahlers 94 von der Hand weg gerichtet. Die Antenne ist so auf der Handrückenseite angeordnet, daß ihr Richtmuster auf den Abschnitt zwischen der Rückenseite und der Seite des kleinen Fingers der Hand gerichtet ist. Auf diese Weise ist es sehr schwierig, das Telefon irrtümlich so zu benutzen, daß das Strahlungsmustermaximum zum Kopf des Benutzers hin gerichtet ist. Die Antenne 98 kann sowohl an das Antennengehäuse 96 als auch an das Armband 97 angelenkt sein, wodurch es sich selbst an Handgelenke verschiedener Größen anpaßt. Die Antenne und der Anschluß der Antenne an das Telefon kann so symmetrisch hergestellt sein, daß die Antenne sowohl für einen linkshändigen als auch für einen rechtshändigen Telefonbenutzer an das Telefon angeschlossen sein kann. Die Masseplatte der Antenne und die Erdung des Telefons können über eine Verbindungsstelle miteinander verbunden sein. Die Zuführung zur Antenne kann beispielsweise unter Nutzung einer separaten, flexiblen Koaxialverbindung oder über eine angelenkte Verbindungsstelle hergestellt sein (in der Figur nicht gezeigt). Wenn das Telefongehäuse 96 ausreichend klein hergestellt sein kann, kann das Antennenelement außerdem in mehrere Teile aufgeteilt sein oder so ausgelegt sein, daß das Tastaturfeld 92 und das Display 91 davon umgeben sind.
Da es unbequem ist, ein Telefon mit einem großen Bereich an einem Armband zu benutzen, gibt es eine Lösung, das Telefon in mehreren Teilen so herzustellen, daß die Teile aufeinander gefaltet sind, wenn sich das Telefon im Standby-Modus befindet. Das Telefon wird nur in einer Anrufsituation so geöffnet, daß alle Teile der Benutzeroberfläche sichtbar und zugänglich sind.
10 stellt eine Lösung dar, bei der die Antenne 100 auf der Schutzhülle 101 angeordnet ist, die im Standby-Modus gefaltet sein kann, um das Tastaturfeld und/oder das Display zu schützen. Unter Verwendung dieser Lösung ist es möglich, eine Antenne mit einem ziemlich großen Bereich und somit außerdem einer hohen Leistung zu verwirklichen. Weil die Schutzhülle ungefähr 150 bis 180 Grad umschwingt, wenn sie geöffnet wird, wird auch das Richtmuster der Antenne jeweils zum Telefonbenutzer gedreht. Dieses Problem kann durch Herstellen einer asymmetrischen Antennenbauweise nach 5 in der Schutzhülle gelöst sein, wobei die Bauweise die Masseplatte 51 in der Mitte der Schutzhülle und den Strahlern 52, 53 auf beiden Seiten der Schutzhülle aufweist. Das Gelenk 54 der Schutzhülle kann mit einem Schalter ausgerüstet sein, oder das Gelenk kann einen Schalter steuern, der die Position der Schutzhülle erkennt. Da der Strahler aufgrund der Position der Schutzhülle ausgewählt ist, ist dessen Strahlungsmuster in der betreffenden Position im wesentlichen von der Hand weg gerichtet. Ein Umschalten der Strahler kann beispielsweise in der Position stattfinden, in der sich die Schutzhülle in einem Winkel von ungefähr 90° zum Telefon befindet.
Es ist außerdem möglich, eine Antenne in einem Armband so zu nutzen, daß beide Strahler genutzt sind, wenn die Schutzhülle in einem Winkel von ungefähr 90° geöffnet wurde. Die Antenne kann entweder so genutzt sein, daß beide Strahler parallel angeschlossen sind, wenn die Schutzhülle geöffnet wird, oder der Empfänger kann beispielsweise in bestimmten Zwischenräumen abwechselnd beide benutzte Strahler schalten und vergleichen, welcher davon eine bessere Signalqualität oder Signalstärke vorsieht. Funktelefone weisen Meßstromkreise auf, mit denen die Stärke und Qualität eines Signals überwacht ist. Das Auswählen der Strahler erfolgt auf Grundlage dieser Meßergebnisse. Ein Strahlerauswahlkreis ist in 14 und der entsprechenden Erläuterung beschrieben.
Auch in dieser Position der Schutzhülle ist das Maximum des Richtmusters der Antenne vom Kopf weg gerichtet. Der Abstand der Antenne zur Hand ist erhöht, und das Maximum des Richtmusters der Antenne ist nicht zur Hand hin gerichtet.
Wenn ein Strahler im Standby-Modus und zwei Strahler im Anrufmodus benutzt sind, muß berücksichtigt werden, daß die Impedanz im Standby-Modus und im Anrufmodus unterschiedlich ist. In einem solchen Fall muß ein Telefon mit zwei Antennenzuführungskreisen ausgerüstet sein, oder die Impedanz des Antennenzuführungskreises muß so variabel hergestellt sein, daß die Impedanz des Antennenzuführkreises stets im wesentlichen dieselbe wie die Impedanz der benutzten Antenne ist. Die Impedanzen der Antennen können unter Nutzung der oben genannten Veröffentlichungen bezüglich flacher Antennenbauweisen und der darin genannten Veröffentlichungen bemessen sein.
Die Bemessung von Adapterkreisen ist dem Fachmann bisher bekannt, wobei das Thema neben anderen in der Veröffentlichung „Antenna Impedance Matching", Wilfred N. Caron, 1989 herausgegeben von American Radio League, Newington, USA, behandelt ist.
Es ist außerdem möglich, die Schutzhülle in einem Armbandtelefon verschiebbar herzustellen und sie mit einer flachen Antenne auszurüsten, in welchem Falle kein Bedarf an zwei Strahlern besteht. Im Standby-Modus des Telefons wird die Schutzhülle zum Abdecken des Tastaturfelds und/oder des Displays verschoben, und für einen Anruf wird sie geöffnet. Die Masseplatte ist auf der unteren Fläche und ein Strahler auf der oberen Fläche der Schutzhülle angeordnet. Die Erdung der Antenne und der Anschluß des Strahlers an die Antenne erfolgt beispielsweise unter Verwendung von Gleitkontakten oder flexibler Kabel.
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Handtelefons beschrieben, die nicht erfindungsgemäß ist. Im Anrufmodus wird das Telefon nahe an den Kopf in eine solche Position geführt, daß der Lautsprecher 116 des Telefons dem Ohr des Benutzers nahe kommt und durch den Lautsprecher wiedergegebene Sprache 114 zum Ohr gerichtet ist.
Entsprechend wird in der Betriebsposition angestrebt, das Mikrofon 117 so nahe wie möglich an den Mund des Benutzers zu bringen, um Sprache 115 so gut wie möglich an das Mikrofon 117 zu richten. Ein Handtelefon wird durch Greifen des Telefonkörpers, typischerweise an Teil 118, 138 unter dem Lautsprecher 116, in eine solche Betriebsposition gebracht. Zum Richten der Sprache und Umwandlung des Frequenzgangs sind Abdeckungen 113, 119, 134, 136 genutzt, die den Lautsprecher und das Mikrofon abdecken, wobei die Abdeckungen mit Öffnungen von geeigneter Größe und Form versehen sind.
Die Hand des Benutzers deckt die Antenne ab, wenn eine flache Antenne so im Körper eines Handtelefons angeordnet ist, daß sie sich im Abschnitt 118 des Körpers zwischen dem Lautsprecher 116 und dem Mikrofon 117 oder zumindest zu einem wesentlichen Teil in dem Bereich befindet, oder die Antenne befindet sich in der Schutzhülle 110 des Tastaturfelds, wobei die Schutzhülle in einer Anrufsituation vor dem Mund des Benutzers nach unten geöffnet wird. Entsprechend würde in 13 das Anordnen der Antenne zu wesentlichen Teilen im Bereich 138 des Körpers, den der Benutzer mit seiner Hand ergreift, ein Abdeckungsproblem verursachen. Alle obigen Antennenanordnungen weisen den Nachteil auf, daß in einer typischen Betriebsposition die Antenne in dem Raum zwischen Kopf und Hand des Benutzers verbleibt. In solchen Fällen können sich die Eigenschaften der Antenne wegen der Auswirkung des Kopfs und der Hand erheblich ändern. Die Aufgabe des Anordnens eines Antennenelements gemäß der Erfindung ist, die obigen Nachteile durch Anordnen der Antenne zu wesentlichen Teilen außerhalb des Bereichs, den der Benutzer typischerweise mit seiner Hand ergreift, zu vermeiden.
In 11 und 12 ist ein Handtelefon dargestellt. Die Antenne, die in der Schutzhülle 111 angeordnet ist, ist in der Anrufposition nach oben, weg von der Abdeckung zwischen der Hand und dem Kopf gedreht, und deshalb sind die Auswirkungen der Hand und des Kopfes auf die Antenne minimiert und zudem das Richtmuster 112 der Antenne vom Kopf weg 120 gerichtet. Wenn sich die Schutzhülle wie in 11 auf derselben Seite wie der Lautsprecher des Telefons befindet, ist eine Bauweise mit zwei Strahlern, wie in 5 dargestellt, nicht erforderlich, da das Richtmuster im Standby-Modus vom Telefon weg und in der Anrufposition vom Kopf weg gerichtet ist.
13 stellt eine symmetrische, starre Antennenbauweise 130 mit zwei Strahlern 131, 132 dar.
Zwischen den Strahlern befindet sich die Masseplatte 133.
Die Auswahl eines Strahlers kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen. In einer Anrufsituation ist zum Gebrauch der Strahler (132) ausgewählt, der sich auf der dem Lautsprecher 134 entgegengesetzten Seite befindet, in welchem Falle das Strahlungsmuster in einer Anrufsituation stets vom Kopf weg gerichtet ist. Der Steuerungsabschnitt 148 des Telefons weiß stets, wenn ein ankommender Anruf beantwortet wird oder ein gehender Anruf eingeleitet wird, d.h. wenn der Empfänger angeschaltet ist. Dieselbe Information kann zum Auswählen einer Antenne im Anrufmodus genutzt sein.
Der Strahler 131 kann zum Betrieb im Standby-Modus angeschlossen sein. Wenn ein Telefon z.B. auf einer leitfähigen Fläche in einer Position eingerichtet ist, in der der Strahler 132 schließlich zwischen der Masseplatte der Antenne und der leitfähigen Fläche angeordnet ist, kann die Funktion der Antenne gestört sein. Im Standby-Modus ist der Sender nicht in Betrieb, und somit ist keine Strahlung zum Körper hin gerichtet, und die Auswahl des Antennenstrahlers kann lediglich auf der Grundlage, welcher Strahler besser arbeitet, erfolgen.
14 stellt in Form eines Blockdiagramms einen Strahlerauswahlkreis 140 dar, wenn sich zwei Strahler 141, 142 in dem Antennenelement befinden und die Auswahl der Antenne auf Grundlage der Stärke und Qualität eines empfangenen Signals erfolgt. Das empfangene Hochfrequenzsignal wird im Verstärker 144 verstärkt und in der Mischstufe 145 zu einem Zwischenfrequenz- oder Basisbandsignal gemischt und ferner im Verstärker 146 verstärkt. Funktelefone weisen einen Meßstromkreis auf, der die Stärke eines empfangenen Signals, ein sogenannter RSSI-Kreis (Received Signal Strength Indicator), und die Qualität des Signals (BER, Bit Error Rate) überwacht. Das Signal wird zum Kreis 147 weitergeleitet, in dem die Messung von Signalstärke und -qualität erfolgen. Die Meßergebnisse werden zum Steuerungsabschnitt 148 geleitet, der die Meßergebnisse auswertet und, wenn die Stärke und/oder Qualität des Signals schwach wird, den Antennenauswahlschalter 143 in die andere Position richtet. Die Signalmessung wird in dieser Position des Schalters erneut durchgeführt. Nach der Messung bleibt der Antennenauswahlschalter in der Position, die das bessere Signal ergibt.
Die Messung kann in bestimmten Zeiträumen so wiederholt werden, daß das Telefon zum selben Zeitpunkt einen Vergleich ausführt, wenn es eine RSSI-Messung z.B. auf Grundlage von Befehlen ausführt, die vom Telefonnetz gegeben sind. Das Vergleichen kann auch nur bei Bedarf erfolgen, d.h. daß auf der Stufe, wenn bemerkt wird, daß die Stärke des empfangenen Signals abgenommen hat, der Strahler getauscht und getestet wird, ob der andere Strahler ein stärkeres Signal erbringt, in welchem Fall er als Antenne angeschlossen wird.
Als hauptsächliche Anwendungsaufgaben der Erfindung sind kleine Funktelefone eines zellularen Netzes gedacht, jedoch sind die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung nicht nur auf diese hauptsächlichen Anwendungsaufgaben beschränkt, sondern die Erfindung kann in anderen Funkkommunikationsgeräten mit einem anderen Bau genutzt sein, in denen der Gebrauch einer omnidirektionalen Antenne Probleme verursacht, es erwünscht ist, ein bestimmtes Antennenrichtmuster zu erzielen oder es erwünscht ist, die Auswirkung des Körpers des Benutzers auf die Eigenschaften der Antenne zu minimieren. Als Beispiele können leistungsschwache, drahtlose Telefone und persönliche, in mehrere Teile aufgeteilte Funkkommunikationsgeräte aufgeführt werden. Mit einem in mehrere Teile aufgeteilten Funkkommunikationsgerät ist beispielsweise eine Bauweise gemeint, bei der die Benutzeroberfläche des Telekommunikationsgeräts eine separate Einheit ist, die mit dem Funkabschnitt des Telekommunikationsgeräts unter Nutzung einer leistungsschwachen Funkverbindung kommuniziert.

Claims

Funkkommunikationsgerät zum Herstellen einer Zweiwegverbindung, umfassend einen Empfänger und Sender, ein Armband (82) zum Befestigen des Funkkommunikationsgeräts am Handgelenk eines Benutzers, wobei das Handgelenk eine Unterseite entsprechend einer Handflächenseite der Hand und eine Rückenseite entsprechend einer Handrückenseite der Hand aufweist, einen Lautsprecher (85) zum Wiedergeben eines ersten akustischen Signals an den Benutzer, ein Mikrophon (84) zum Empfangen eines zweiten akustischen Signals vom Benutzer, ein Antennenelement (30, 40) zur Übertragung und zum Empfang von Funksignalen, wobei das Armband (82), der Lautsprecher (85), das Mikrophon (84) und das Antennenelement (30, 40) so um das Kommunikationsgerät angeordnet sind, dass, wenn das Kommunikationsgerät am Handgelenk des Benutzer befestigt ist und das Kommunikationsgerät in Betrieb ist, der Lautsprecher (85) und das Mikrophon (84) in einem Abstand voneinander auf der Unterseite des Handgelenks oder der Hand des Benutzers angeordnet sind und das Antennenelement (30, 40) auf der Rückenseite des Handgelenks oder der Hand des Benutzers angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine faltbare Schutzhülle (101), die das Antennenelement umfaßt; wobei das Antennenelement eine flache Masseplatte (51) und einen ersten Strahler (52) und einen zweiten Strahler (53) umfaßt, die auf gegenüberliegenden Seiten der Masseplatte (51) und im Wesentlichen parallel zu der Masseplatte vorgesehen sind; Mittel (140) zum Durchführen einer Auswahl zwischen dem ersten (51) und zweiten (52) Strahler, um den Strahler (51, 52) auszuwählen, der das Verstärkungsmaximum des Strahlungsmusters (61, 71) von der Hand oder dem Handgelenk weg richtet.