FI115173B

FI115173B - Taitettavan radiolaitteen antenni

Info

Publication number: FI115173B
Application number: FI20022295A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Jyrki Mikkola; Petra Ollitervo
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2005-03-15
Also published as: FI20022295A0; US20040125042A1; FI20022295A; EP1437793A1; CN1514511A; US6952187B2

Description

115173

Taitettavan radiolaitteen antenni

Keksintö koskee pienikokoiseen ja taitettavaan radiolaitteeseen tarkoitettua antennia. Keksintö koskee myös radiolaitetta, jossa on sen mukainen antenni.

Kaupallisissa kannettavissa radiolaitteissa, kuten matkapuhelimissa, on jonkin ver-5 ran taitettavia malleja. Nämä ovat kaksiosaisia siten, että osat voidaan kääntää saranan varassa päällekkäin tai toistensa jatkoksi lähes samassa tasossa. Edellisessä, suljetussa asennossa laite menee erityisen pieneen tilaan ja jälkimmäisessä, avoimessa asennossa laite on yhteydenpidon aikana.

Taitettavien matkapuhelimien antennit ovat käytännössä monopoli-tyyppisiä ulkoi-10 siä antenneja. Haittana niissä on ulkonevaan rakenneosaan yleisesti liittyvä epäkäy-tännöllisyys. Sisäisiä PIFA-tyyppisiä tasoantenneja olisi luonnollisesti mahdollista käyttää, mutta matkapuhelimen taitto-osien litteyden vuoksi säteilevän tason ja maatason väli jäisi niin pieneksi, että antennivahvistus olisi epätyydyttävän pieni. Myös voitaisiin järjestää sisäinen monopoli-tyyppinen tasoantenni siten, että sätei-15 levällä tasolla ei ole samalla kohtaa olevaa maatasoa. Tällöin laitteen litteydestä ei sinänsä ole haittaa, mutta antennin sähköiset ominaisuudet, kuten sovitus ja antennivahvistus, ovat tässäkin tapauksessa epätyydyttävät. Sovitusta voitaisiin parantaa lisäpiirin avulla, mutta tämä taas vaatisi useita diskreettikomponentteja.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja.

I . 20 Keksinnön mukaiselle antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä pa- *; ; tenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle radiolaitteelle on tunnusomaista, mitä ’· : on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 10. Keksinnön eräitä edullisia suori- \ ' i tusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antennin säteilevä elementti on ääriviivaltaan : . 25 olennaisesti suorakulmion muotoinen johde, jonka määrittämä taso on kohtisuorassa ‘ ! radiolaitteen piirilevyllä olevaan maatasoon nähden. Säteilevä elementti on niin ka pea, että se mahtuu tyypillisen taitettavan laitteen jomman kumman taitto-osan si-' ": sään mainitussa kohtisuorassa asennossaan. Elementti kytketään radiolaitteeseen :, _: vain syöttöpisteestään. Elementin resonanssitaajuuksia voidaan järjestää haluttuihin . · ‘ : 30 kohtiin, paitsi sitä muotoilemalla, myös diskreettien komponenttien avulla.

’...· Keksinnön etuna on, että sähköisiltä ominaisuuksiltaan tyydyttävä antenni saadaan mahtumaan taitettavan radiolaitteen sisään. Käyttötilanteessa saavutetaan merkittävästi suurempi antennivahvistus verrattuna esimerkiksi saman korkuiseen PIFAan. Lisäksi keksinnön etuna on, että antennin sovitusta on helppo järjestää muodosta- 2

11S17Z

maila sopiva etäisyys säteilevän elementin ja maatason välille. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen antenni on erittäin tilaa säästävä. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen antenni aiheuttaa pienemmän SAR-arvon (specific absorption rate) käyttäjän päässä kuin tekniikan tason mukaiset antennit.

5 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää ensimmäistä esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennista, kuva 2 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennista, kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta radio- 10 laitteesta, kuva 4 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin taajuusominaisuuksista, kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin sovituksesta ja kuva 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin antennivahvistuksesta.

Kuvassa 1 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennista. Kuvassa näkyy erään tai- 15 tettavan radiolaitteen piirilevy 111, jonka yläpinta on suurimmaksi osaksi johtavaa maatasoa GND. Piirilevy sisältyy taitettavan radiolaitteen ensimmäiseen osaan. Ku- vaan on myös merkitty katkoviivalla kyseisen taitettavan radiolaitteen toinen osa 102 auki käännetyssä asennossa. Radiolaitteen piirilevyn toisessa päässä on pitku- : lainen antennipiirilevy 112. Antennipiirilevy on tuettu radiolaitteen piirilevyyn toi- t', 20 nen pitkä sivu tätä vasten niin, että mainitut piirilevyt ovat suorassa kulmassa toi- ; ; siinsa nähden. Antennin säteilevä elementti on antennipiirilevyllä oleva johdeliuska / 120. Näin ollen säteilevän elementin taso on kohtisuorassa maatasoa vastaan, mikä • « ’·>·’ on olennaista keksinnössä. Johdeliuska 120 on antennipiirilevyn ulommalla, radio laitteen piirilevyn 111 päädyn puoleisella pinnalla. Säteilevän elementin syöttöpiste • 25 F on antennipiirilevyn 112 alakulmassa. Siitä johdeliuska 120 etenee antennipiirile- : vyn alareunassa sen toiseen päähän, sitten keskellä antennipiirilevyä takaisin syöt- töpisteen F puoleiseen päähän ja edelleen antennipiirilevyn yläreunassa jälleen sen toiseen päähän. Näin säteilevä elementti muodostaa meander-kuvion, joka tässä ta-';' pauksessa muistuttaa hyvin leveää ja matalaa S-kirjainta. Mataluus seuraa siitä, että :: 30 antennipiirilevyn leveys eli antennin korkeus h on suhteellisen pieni.

Kuvan 1 esimerkissä johdeliuskan 120 keskimmäisessä osuudessa on katkos BR, joten johdeliuska on itse asiassa kaksiosainen. Toiminnallisesti liuska on kuitenkin yhtenäinen, koska katkoskohdan yli on kytketty diskreetti kela L, jonka resistanssi 11517? 3 on hyvin pieni. Lisäksi esimerkkirakenteessa on toinenkin diskreettikomponentti, kondensaattori C, joka on kytketty johdeliuskan 120 alimman ja keskimmäisen osuuden välisen raon 125 yli kauempana syöttöpisteen F puoleisesta päästä kuin vastakkaisesta päästä. Valitsemalla kelan L induktanssi ja kondensaattorin C ka-5 pasitanssi sekä näiden komponenttien paikat sopivasti, ja tietenkin mitoittamalla itse johdeliuska sopivasti, saadaan johdeliuskan perusresonanssitaajuus ja tämän lähin harmoninen taajuus viritetyksi haluttuihin kohtiin. Kuvassa 1 esiintyvät diskreetti-komponenttien sijoituskohdat ovat edullisia. Hyvään tulokseen voidaan päästä myös katkaisemalla johdeliuska keskimmäisen ja ylimmän osuuden välistä ja sijoittamalla 10 kela sinne. Antennille saadaan kaksi toimintakaistaa niin, että perusresonanssitaajuus sattuu jonkin radiojärjestelmän taajuusalueelle ja perusresonanssitaajuuden lähin harmoninen taajuus jonkin toisen radiojärjestelmän taajuusalueelle. Ylempää toimintakaistaa voidaan tarvittaessa leventää mitoittamalla johdeliuskan osuuksien välinen rako 125 niin, että siinä herää värähtely, jonka taajuus poikkeaa jonkin ver-15 ran edellä mainitusta harmonisesta resonanssitaajuudesta.

Antennin sähköisiin ominaisuuksiin kaikissa monopolityyppisissä rakenteissa, jollainen kuvan 1 rakennekin on, vaikuttaa voimakkaasti maatason sijainti, muoto ja koko. Edellä on jo käynyt ilmi, että keksinnön mukaisessa antennissa säteilevä elementti ja maataso ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Lisäksi antennin sovitusta . . 20 voidaan järjestää säteilevän elementin ja maatason etäisyyden avulla. Kuvassa 1 *; johdeliuskan 120 alin osuus on lähinnä maatasoa. Edullinen etäisyys on muodostet- » · ’ ·' | tu antennipiirilevyn alareunassa olevan johtamattoman kaistaleen avulla sekä rajoit- *· *: tantalla maataso tietyn matkan päähän antennipiirilevystä. IFA-rakenteissa (inverted F-antenna) esiintyvästä oikosulkujohtimesta ei tämän keksinnön mukaisissa anten- • · :· 25 neissa ole hyötyä.

Etuliitteet "ylä" ja "ala" samoinkuin "pysty" ja "vaaka" viittaavat tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa laitteen kuvissa 1 ja 2 esitettyyn asentoon, eikä niillä ole :* tekemistä laitteen käyttöasennon kanssa.

,, * Kuvassa 2 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta antennista. Kuvassa näkyy ra- * · 30 diolaitteen vaakasuuntainen piirilevy 211, jonka yläpinta on suurimmaksi osaksi ;·* johtavaa maatasoa GND. Kuten kuvassa 1, radiolaitteen piirilevyn toisessa päässä » · , | on antennin säteilevä elementti 220, jonka määrittämä taso on kohtisuorassa maata- ’soa vastaan. Säteilevä elementti on nyt jäykkä johdelanka, joka ei tarvitse antenni-piirilevyä tuekseen. Johdelanka 220 muodostaa meander-kuvion tässä tapauksessa 35 siten, että sen pystysuuntaiset osuudet ovat koko elementin korkuisia ja vaakasuuntaiset osuudet suhteellisen lyhyitä elementin koko pituuteen verrattuna. Säteilevän 4 115173 elementin syöttöpiste F on sen toisessa päässä, eikä elementillä ole oikosulkupistet-tä. Säteilevän elementin eli johdelangan 220 joka toinen vaakasuuntainen osuus lepää piirilevyä 211 vasten antennin sovituksen kannalta sopivalla etäisyydellä maa-tasosta GND. Säteilevää elementtiä voidaan virittää diskreeteillä komponenteilla 5 samaan tapaan kuin kuvassa 1.

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteesta. Radiolaite 300 on taitettava matkapuhelin, jossa on saranan varassa olevat ensimmäinen osa 301 ja toinen osa 302. Nämä ovat huomattavasti litteämpiä kuin tavallinen, yhtenäisen kuoren omaava matkapuhelin. Kuvassa 3 puhelin on avoimessa asennossa eli sen ensim-10 mäinen ja toinen osa on käännetty lähes oikokulmaan toisiinsa nähden. Edellä selostetun kaltainen antennin säteilevä elementti 320 on ensimmäisen osan 301 sisällä lähellä laitteen saranaa. Tässä esimerkissä ensimmäinen osa 301 käsittää mm. näppäimistön ja toinen osa 302 mm. näytön. Ensimmäisen osa sisältää edullisesti myös laitteen radiotaajuiset osat, jolloin taitoskohdan ylittävää välikaapelia ei tarvita. 15 Luonnollisesti antenni voidaan sijoittaa myös siihen osaan, jossa on näyttö.

Kuvassa 4 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin taajuusominaisuuksista. Esimerkki koskee kuvan 1 esittämää antennia auki taitetussa, matkapuhelinta vastaavassa testirakenteessa. Antennin korkeus h on 6,4 mm ja pituus 39 mm. Kuvaaja 41 näyttää antennin paluuvaimennuksen muuttumisen taajuuden funktiona. Siitä · 20 nähdään, että antennin kahdesta toimintakaistasta alempi kattaa reilusti GSM900- järjestelmän (global system of mobile communications) taajuusalueen 890-960 : : MHz. Toimintakaistan siirtymiselle alaspäin, jota puhelimen taitto-osien kääntämi- * · nen päällekkäin aiheuttaa, on runsaasti varaa. Ylempi toimintakaista on mm. ra-. \ : kosäteilijän hyödyntämisen vuoksi hyvin leveä. Pidettäessä toimintakaistan rajataa- ,·[ 25 juuden kriteerinä paluuvaimennuksen arvoa 5 dB, ylempi toimintakaista kattaa rei lusti sekä GSM1800-järjestelmän taajuusalueen 1710-1880 MHz että GSM 1900-„ , järjestelmän taajuusalueen 1850-1990 MHz.

Kuvassa 5 on esitetty saman antennin, jota paluuvaimennuskuvaaja 41 koski, sovi- ,3.: tuksen hyvyyttä Smithin diagrammilla. Kuvaaja 51 näyttää kompleksisen heijastus- * · 30 kertoimen muuttumisen taajuuden funktiona. Mitä lähempänä ulkoympyrän keski-pistettä kuvaajan piste on, sitä parempi on sovitus kyseisellä taajuudella. Katkovii-'*! valla piirretty ympyrä 50 näyttää rajan, jonka sisäpuolella heijastuskertoimen it- seisarvo on pienempi kuin 0,56 eli alle -5 dB. Kuvaajan nähdään pysyvän tämän ympyrän sisäpuolella taajuuden vaihdellessa edellä mainituilla alueilla.

11517? 5

Kuvassa 6 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin antennivahvistuksesta. Kuvaaja 61 näyttää antennin edullisimmassa suunnassa mitatun antennivahvistuksen Gmax muuttumisen alemmalla ja ylemmällä toimintakaistalla. Mittaus koskee käyttötilannetta radiolaitteen ollessa käyttäjän korvalla. Alemmalla kaistalla vahvistus 5 on -1 dB:n paikkeilla ja vaihtelee ylemmällä kaistalla välillä -3··· +0,5 dB. Vertailun vuoksi kuvassa 6 on vastaavat kuvaajat 62 tekniikan tason mukaiselle kaksikaistaiselle PIFAlle (planar IFA), jonka korkeus on sama kuin keksinnön mukaisen antennin. Alemmalla kaistalla PIFAn vahvistus on lähes 6 dB pienempi ja ylemmällä kaistalla keskimäärin noin 2 dB pienempi kuin keksinnön mukaisella antennilla. 10 Vapaassa tilassa mitattuna antennivahvistusten ero pienenee, ylemmällä kaistalla PIFA on jopa parempi.

SAR-arvojen mittaukset testirakenteilla osoittavat, että alemmalla toimintakaistalla keksinnön mukaisella antennilla päästään esimerkiksi noin 20% pienempiin arvoihin PIFAan verrattuna. Myös ylemmällä toimintakaistalla päästään pienempiin ar-15 voihin pienellä lisäjärjestelyllä.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia antennirakenteita. Keksintö ei rajoita antennielementtien muotoja ja toteutustapaa juuri kuvattuihin. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

20 • » ♦ · • - » • ♦ 1 • » · >

Claims

1. Taitettavan radiolaitteen antenni, jossa radiolaitteessa on maatason (GND) sisältävä piirilevy (111; 211), ja jonka antennin säteilevän elementin (120; 220) ääriviiva muodostaa tasokuvion, jolla on tietty leveys ja pituus, tunnettu siitä, että 5 mainitun ääriviivan määrittämä taso on olennaisen kohtisuorassa radiolaitteen maa-tasoon nähden, mainittu leveys (h) on pienempi kuin radiolaitteen sisäkorkeus, maa-taso on antennin sovituksen parantamiseksi säteilevästä elementistä määrätyllä etäisyydellä, siitä galvaanisesti erotettuna, ja säteilevä elementti on kytketty radiolaitteeseen vain syöttöpisteestään (F).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että toimintakaistojen muodostamiseksi sen perusresonanssitaajuus on järjestetty erään ensimmäisen radiojärjestelmän taajuusalueelle ja perusresonanssitaajuuden lähin harmoninen taajuus on järjestetty erään toisen radiojärjestelmän taajuusalueelle.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että säteilevä ele- 15 mentti käsittää ainakin yhden johdeliuskan (120) piirilevyn (112) pinnalla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu johde-liuska (120) muodostaa meander-kuvion siten, että sen vaakasuuntaiset osuudet ovat olennaisesti koko säteilevän elementin pituisia.

· 5. Patenttivaatimuksien 2 ja 4 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittuja : : : 20 johdeliuskoja on kaksi ja ne on kytketty sarjaan induktiivisen komponentin (L) : ’ ·.! kautta antennin resonanssitaajuuksien virittämiseksi.

; ; 6. Patenttivaatimuksien 2 ja 4 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittujen / vaakasuuntaisten osuuksien välille on kytketty kapasitiivinen komponentti (C) an- ' · · · ‘ tennin resonanssitaajuuksien virittämiseksi.

7. Patenttivaatimuksien 2 ja 4 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittujen » I « t .·*·. vaakasuuntaisten osuuksien välinen ainakin yksi rako (125) on järjestetty säteile- ’ · ’ mään antennin jollain toimintakaistalla. > * ·

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että säteilevä ele- . * . mentti on jäykkä johdelanka (220). > * >

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu johde- lanka (220) muodostaa meander-kuvion siten, että sen pystysuuntaiset osuudet ovat olennaisesti koko säteilevän elementin leveyden suuruisia. 11517?

10. Taitettava radiolaite (300), jossa on ensimmäinen (301) ja toinen (302) taitto-osa, antenni ja maatason sisältävä piirilevy, jonka antennin säteilevän elementin ääriviiva muodostaa tasokuvion, jolla on tietty leveys ja pituus, tunnettu siitä, että antenni on radiolaitteen ensimmäisen taitto-osan sisällä, mainitun ääriviivan määrit- 5 tämä taso on olennaisen kohtisuorassa radiolaitteen maatasoon nähden, maataso on antennin sovituksen parantamiseksi säteilevästä elementistä määrätyllä etäisyydellä, siitä galvaanisesti erotettuna, ja säteilevä elementti (320) on kytketty radiolaitteeseen vain syöttöpisteestään.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen radiolaite, tunnettu siitä, että mainittu en-10 simmäinen taitto-osa käsittää radiolaitteen radiotaajuiset osat.