FI119268B - Moniresonanssiantenni - Google Patents

Description

119268

Moniresonanssiantenni

Keksintö koskee erityisesti pieniin radiolaitteisiin tarkoitettua sisäistä antennia, jolla on useita resonansseja ja ainakin kaksi toimintakaistaa.

Matkaviestimissä ovat yleistyneet mallit, jotka toimivat kahdessa tai useammassa 5 eri taajuusaluetta käyttävässä järjestelmässä, kuten eri GSM-järjestelmissä (Global System for Mobile telecommunications). Viestimen toimimisen perusehto on, että sen antennin säteily- ja vastaanotto-ominaisuudet ovat tyydyttävät kaikkien käytössä olevien järjestelmien kaistoilla. Ilman kokorajoitusta hyvälaatuinen moni-kaista-antenni on suhteellisen helppo tehdä. Kuitenkin matkaviestimissä, varsinkin 10 matkapuhelimissa antenni sijoitetaan käyttömukavuuden vuoksi laitteen kuorien sisälle. Tämä vaikeuttaa antennin suunnittelua.

Eräs toinen kehityspiirre matkaviestimissä on ollut niiden koon pieneneminen. Tällöin sisäiselle antennille liikenevä tila on käynyt aina pienemmäksi, mikä lisää edelleen suunnittelun vaativuutta. Käytettävissä oleva tila erityisesti korkeussuunnassa 15 on luonnollisesti sitä pienempi, mitä litteämpi laite on. Tavallista litteämpiä rakenneosia ovat esimerkiksi sellaisen kaksiosaisen radiolaitteen osat, jotka ovat käyttötilanteesta riippuen joko päällekkäin tai peräkkäin toistensa jatkona. Tällaisissa tapauksissa käytetäänkin yleisesti monopolityyppistä antennia, joka ei vaadi korkeussuunnassa sellaista tilaa kuin esimerkiksi muutoin yleisesti käytetty PIFA- *'. v 20 tyyppinen (Planar Inverted F-Antenna) tasoantenni.

• · • · · • »i • * j .·. Parasiittielementin/-elementtien käyttö on eräs tunnettu keino toivottujen ominai- "V suuksien saamiseksi antennille. Parasiittielementti tarkoittaa rakenneosaa, jolla on • · » "V vain sähkömagneettinen kytkentä välittömästi syötettyyn antennielementtiin eli pe- ruselementtiin. Parasiittielementti voidaan järjestää niin, että sitä vastaava reso- t · 25 nanssitaajuus on sama tai lähes sama kuin jokin peruselementtiä vastaava reso-nanssitaajuus, tai se on suhteellisen kaukana peruselementtiä vastaavista reso- * · \v nanssitaajuuksista. Edellisessä tapauksessa parasiittielementillä parannetaan an- tennin ominaisuuksia jo olemassa olevalla toimintakaistalla, ja jälkimmäisessä täit. pauksessa parasiittielementillä muodostetaan antennille yksi toimintakaista lisää.

• ••S * · · 30 Kuvassa 1 on julkaisusta EP 1432072 tunnettu kaksikaista-antenni, jossa on ·*·*: myös parasiittielementti. Kuvassa näkyy radiolaitteen piirilevy PCB, jonka toisessa · päässä antenni on. Antennin pääosat ovat sen säteilijät: peruselementti 110 ja parasiittielementti 120. Peruselementti on tässä jäykkä, avointa suorakulmaista kehää muistuttava johdelanka, joka sijaitsee hiukan piirilevyn yläpinnan yläpuolella.

2 119268

Peruselementin eräässä kulmassa on sen syöttöpiste FP, joka on kytketty radiolaitteen antenniporttiin. Piirilevyn yläpinta on suureksi osaksi johtavaa signaalimaa-ta GND. Tämä ei kuitenkaan ulotu säteilijöiden kohdalle, joten peruselementti 110 muodostaa monopolityyppisen säteilijän. Tässä esimerkissä tämä monopolisäteili-5 jä on kaksikaistainen. Sen perusresonanssitaajuus on järjestetty erään ensimmäisen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle ja perusresonanssitaajuuden lähin harmoninen taajuus erään toisen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle. Harmonisen taajuuden ja perusresonanssitaajuuden suhteen asettamiseksi oikeaksi peruselementti on kaksihaarainen: Se jakautuu syöttöpisteestä FP katsot-10 tuna ensimmäiseen haaraan 111 ja toiseen, lyhyempään haaraan 112. Näiden ulompien päiden välillä on sähkömagneettinen kytkentä, mikä pienentää mainittua harmonisen taajuuden ja perusresonanssitaajuuden suhdetta.

Parasiittielementti 120 on johdeliuska piirilevyn PCB pinnalla. Parasiittielementti on kytketty eräästä pisteestään GP signaalimaahan GND induktiivisen elementin 125 15 kautta, joka on esimerkiksi spiraalimainen johdeliuska piirilevyn alapinnalla. Induktiivisella elementillä parannetaan koko antennin sovitusta. Piste GP jakaa parasiit-tielementin kahteen osaan 121, 122. Ensimmäinen osa 121 yhdessä induktiivisen elementin kanssa resonoi antennin alemmalla toimintakaistalla, ja toinen osa 122 yhdessä induktiivisen elementin kanssa resonoi antennin ylemmällä toimintakais-20 talla. Parasiittielementti siis toimii tässä apusäteilijänä ja parantaa antennivahvis- . . tusta antennin molemmilla toimintakaistoilla.

* · · • · » • » • · V·: Kuvan 1 mukaisella rakenteella päästään litteäänkin radiolaitteeseen mahtuvaan kaksikaistaiseen antenniin. Haittana kuitenkin on, että varsinkin alempaa toiminta-: kaistaa vastaavat resonanssit häiritsevät toisiaan niin, että taajuusalue, jolla sovi-

*·· I

• ·*· 25 tus on kelvollinen, jää kapeaksi. Lisäksi toimintakaistojen määrä rajoittuu kahteen.

··· ··* • · * *···* Kuvassa 2 on toinen esimerkki hakijan tiedossa olevasta kaksikaista-antennista, jossa on myös parasiittielementti. Kuvassa näkyy osa radiolaitteen piirilevystä * · \v PCB. Antennin peruselementti 210 ja parasiittielementti 220 ovat johdealueita pie- *..*! nen antennipiirilevyn 201 pinnalla, joka levy on kiinnitetty piirilevyyn PCB tietylle 30 etäisyydelle tästä. Piirilevyn PCB yläpinta on suureksi osaksi, myös antennipiirile- vyn alla, johtavaa signaalimaata GND. Peruselementti on kytketty radiolaitteen an- τ’ tenniporttiin syöttöpisteestä FP ja maahan ensimmäisestä oikosuikupisteestä S1.

·♦ · i \: Peruselementissä on sen reunasta alkava johtamaton rako niin, että se jakautuu ensimmäisestä oikosuikupisteestä katsottuna kahteen eripituiseen haaraan. Toi-35 nen, lyhyempi haara 212 on suora ja se on piirilevyn PCB erään sivun suuntainen. Ensimmäinen, pitempi haara 211 muistuttaa suorakulmaista U-kirjainta kiertäen 119268 3 suurelta osin toisen haaran 212. Parasiittielementti 220 on kytketty maahan toisesta oikosulkupisteestä S2. Myös parasiittielementissä on sen reunasta alkava johtamaton rako niin, että se jakautuu toisesta oikosulkupisteestä katsottuna kahteen eripituiseen, kolmanteen ja neljänteen haaraan. Neljäs, lyhyempi haara 222 on 5 suora ja sen suunta on kohtisuorassa toisen haaran 212 suuntaan nähden. Kolmas, pitempi haara 221 muistuttaa suorakulmaista U-kirjainta kiertäen suurelta osin neljännen haaran 222. Sekä perus- että parasiittielementin ääriviiva muodostaa pitkulaisen kuvion säteilevien haarojen pääsuunnan mukaan, ja elementtien pi-tuusuunnat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan.

10 Syöttöpiste FR on ensimmäisen S1 ja toisen S2 oikosulkupisteen välissä suhteellisen lähellä kumpaakin. Syöttöpisteestä katsottuna peruselementin 210 alkuosuus ja toisesta oikosulkupisteestä S2 katsottuna parasiittielementin alkuosuus ovat suhteellisen lähekkäin. Näiden alkuosuuksien välissä on rako 205, joka on siis hyvin kapea, esimerkiksi 0,2 mm. Kapean raon avulla elementtien välille saadaan riittävän 15 voimakas kytkentä huolimatta niiden kohtisuorasta asennosta toisiinsa nähden.

Sekä ensimmäinen 211 että kolmas 221 säteilevä haara yhdessä ympäröivien antennin osien kanssa muodostavat resonaattorin, jonka ominaistaajuus on antennin alemmalla toimintakaistalla. Vastaavasti sekä toinen 212 että neljäs 222 säteilevä haara yhdessä ympäröivien antennin osien kanssa muodostaa resonaattorin, jon- .. 20 ka ominaistaajuus on antennin ylemmällä toimintakaistalla. Kuvan 2 mukaisessa • · · rakenteessa myös alemmalle toimintakaistalle sattuvat resonanssit saadaan melko · riippumattomiksi toisistaan, jolloin on mahdollista toteuttaa suhteellisen leveä yh- • · · tenäinen alempi toimintakaista leveän ylemmän toimintakaistan lisäksi. Tämän rat- kaisun haittana on, että kelvollinen toiminta vaatii maatason säteilijöiden alle, mis- : 25 tä seuraa merkittävä tilantarve antennille. Lisäksi tässäkin toimintakaistojen määrä ;***; rajoittuu kahteen.

• · ·

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tason mukaisille anten- i " neille ominaisia haittoja. Keksinnön mukaiselle antennille on tunnusomaista, mitä • * · on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle radiolait-30 teelle on tunnusomaista, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 13. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

*:**: Keksinnön perusajatus on seuraava: Radiolaitteen sisäinen antenni käsittää kaksi :*·,· säteilijää: välittömästi syötetyn monopolityyppisen peruselementin ja oikosuljetun • · parasiittielementin. Elementit ovat johdekuvioita vähähäviöisen ja ohuen substraa- 1 tin pinnalla. Niiden välillä on useassa eri kohdassa merkittävä sähkömagneettinen 4 119268 kytkentä. Lisäksi kummassakin elementissä erikseen on lähekkäisiä osuuksia, joiden välillä on merkittävä sähkömagneettinen kytkentä. Ainakin toinen elementti voi olla haaroittuva, jolloin mainitut osuudet voivat sijoittua eri haaroihin. Kytkennät toteutetaan niin, että kummallakin elementillä yhdessä toisen elementin kanssa on 5 ainakin kaksi käyttökelpoista resonanssia.

Keksinnön etuna on, että sisäisen monikaista-antennin resonanssit ovat melko riippumattomia toisistaan myös 1 GHz:n alapuolisilla taajuuksilla. Tämä mahdollistaa leveän, useamman järjestelmän käyttämän taajuusalueen kattavan toiminta-kaistan muodostamisen kyseiselle alueelle. Lisäksi keksinnön etuna on, että an-10 tennistä voidaan tehdä hyvin pienikokoinen. Tämä johtuu toisaalta edellä mainituista, elementtien välisistä ja sisäisistä sähkömagneettisista kytkennöistä, jotka suurentavat elementtien sähköistä kokoa, ja toisaalta maatason puuttumisesta elementtien alta, mikä merkitsee litteää rakennetta. Edelleen keksinnön etuna on, että antennin syöttökohta ja oikosulkukohta voidaan järjestää rakenteen keskialu-15 eelle, jolloin sen ympärisäteilevyys on hyvä. Edelleen keksinnön etuna on, että antennin hyötysuhde on sen kokoon nähden hyvä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta radiolaitteen sisäisestä 20 kaksikaista-antennista, kuva 2 esittää toista esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta radiolaitteen si- , , säisestä kaksikaista-antennista, · · • · kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä moni- • ·♦ .1 .1 resonanssiantennista, • · · • · · • · · · : .·. 25 kuva 4 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä • · · "X moni resonanssiantennista, • · · ··· kuva 5 esittää kahta esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominai- ··♦ suuksista, :kuva 6 esittää erästä muutosta kuvan 3 mukaiseen antenniin, ··· • · · 30 kuva 7 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaomi- * naisuuksista, • · 1 • · kuva 8 esittää kuvaan 7 liittyvää muutosta kuvan 3 mukaiseen antenniin, kuva 9 esittää neljättä esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominai-··· · • · • · * ·· • 1 119268 5 suuksista, kuva 10 esittää kuvaan 9 liittyvää muutosta kuvan 3 mukaiseen antenniin, kuva 11 esittää antennin kolmanteen toimintakaistaan liittyvää muutosta kuvan 3 mukaiseen antenniin, 5 kuva 12 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin hyötysuhteesta, ja kuvat 13a,b esittävät esimerkkejä keksinnön mukaisen antennin sijainnista radiolaitteessa.

Kuvat 1 ja 2 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä antennista, 10 jolla on useita resonansseja ja ainakin kaksi toimintakaistaa. Antennin säteilijöitä ovat peruselementti 310 ja parasiittielementti 320, jotka ovat johdekuvioita substraatin 301 pinnalla. Peruselementissä on antennin syöttökohta FP, ja parasiit-tielementissä on tämän oikosulkukohta SP. Substraatti, peruselementti syöt-tökohtineen ja parasiittielementti oikosulkukohtineen muodostavat pienen anten-15 nipiirilevyn 300, joka kiinnitetään radiolaitteeseen niin, että sen kohdalla ei ole maatasoa. Säteilevät elementit ovat siten monopolityyppisiä. Antennipiirilevyssä on suhteellisen pitkä ja kapea osa ja tämän keskipaikkeilta lähtevä poikittainen osa niin, että levy muistuttaa leveää T-kirjainta. Yläosa on pituudeltaan esimerkiksi 45 • v. mm ja poikittainen keskiosa on pituudeltaan esimerkiksi 8 mm. Syöttökohta FP ja ♦ · .·. j 20 oikosulkukohta SP ovat kosketintäpliä, joissa on vahvennettu johdepäällyste, ja ne : V! sijaitsevat vierekkäin poikittaisen keskiosan ulommassa päässä. Tällaisesta sijain- • · ♦ TV nista pituussuunnassa katsottuna keskellä seuraa, että antennin ympärisäteilevyys "V on suhteellisen hyvä. Antennipiirilevyn muoto johtuu osittain siitä, että samaan ra- *♦"* kennemoduuliin on suunniteltu sijoitettavaksi radiolaitteen kaiutin ja mahdollisesti *···: 25 vibraattori.

Peruselementti 310 ja parasiittielementti 320 ovat muodoltaan taiteltuja niin, että .···. kummassakin erikseen on suhteellisen pitkiä rinnakkain ja lähekkäin kulkevia V osuuksia. Kahden tällaisen saman elementin lähekkäisen osuuden välillä on mer- ··*:* kittävä sähkömagneettinen kytkentä. Lisäksi kummassakin elementissä on osuuk- • » * 30 siä, jotka ovat niin lähellä toisen elementin jotain osuutta, että kahden tällaisen eri elementteihin kuuluvan lähekkäisen osuuden välillä on merkittävä sähkömagneet- .···. tinen kytkentä. Koko säteilevä rakenne on elementtien mainitun taittelun vuoksi • · niin pienellä alueella, että sähkömagneettista kytkentää esiintyy hyvin monien osuuksien välillä. Kuitenkin termi "kytkentäalue" tarkoittaa tässä selostuksessa ja 6 119268 patenttivaatimuksissa vain kahta osuutta ja niiden välistä rakoa, jonka raon yli on selvästi merkittävämpi sähkömagneettinen kytkentä kuin kahden satunnaisesti valitun osuuden välillä keskimäärin.

Säteilevät elementit ovat tässä esimerkissä haaroittuvia. Peruselementissä on 5 syöttökohdasta FP lähdettäessä ensin sen alkuosuus 31 H, joka jakautuu ensimmäiseen ja toiseen haaraan. Ensimmäisen haaran B31 vapaa pää on fyysisesti suhteellisen lähellä syöttökohtaa mutta galvaanisesti kauimpana siitä. Toinen haara B32 suuntautuu poispäin alkuosuudesta 31H ja ensimmäisestä haarasta B31. Parasiittielementissä on oikosulkukohdasta SP lähdettäessä ensin alkuosuus 32H, 10 joka jakautuu sitten kolmanteen B33 ja neljänteen B34 haaraan, neljäs haara jakautuu viidenteen B35 ja kuudenteen B36 haaraan, ja kuudes haara jakautuu seitsemänteen B37 ja kahdeksanteen B38 haaraan. Kahdeksannen haaran vapaa pää on sähköisesti kauimpana oikosulkukohdasta.

Kuvan 3 esimerkissä peruselementin ja parasiittielementin välisiä kytkentäalueita 15 on kolme. Ensimmäinen välinen kytkentäalue 31 on heti syöttökohdan ja oikosul-kukohdan vieressä. Se käsittää yhteensä viisi lomittain menevää peruselementin alkuosuuden 31H ja parasiittielementin alkuosuuden 32H liuskaa siten, että elementtien välinen rako muodostaa kytkentäalueella meander-kuvion. Toinen välinen kytkentäalue 32 on jonkin verran kauempana syöttö- ja oikosulkukohdasta, 20 kuitenkin perus- ja parasiittielementin alkuosuuksien välillä. Siinä peruselementissä 310 on ulkonema, joka ulottuu tietyllä matkalla hyvin lähelle parasiittielementtiä 320. Kolmas välinen kytkentäalue 33 muodostuu mainitun toisen haaran B32 ja kahdeksannen haaran B38 vapaista päistä, jotka ovat vastakkain hyvin lähellä toi- v.: siaan.

• · • · · * ·· : .·! 25 Peruselementillä 310 on yksi sisäinen kytkentäalue 311. Tämä muodostuu siten, :*X että peruselementin alkuosuus 31H ja ensimmäinen haara B31 ovat koko matkal- • · · “V taan rinnakkaisia. Niiden välisessä raossa on kytkennän voimistamiseksi mean- ‘l\\ der-muotoinen osuus, joka muodostuu yhteensä kahdeksan lomittaisen johdelius- φ · '···* kan välisestä alueesta. Parasiittielementillä 320 on neljä sisäistä kytkentäalueita.

30 Sen ensimmäinen sisäinen kytkentäalue 321 muodostuu siten, että parasiittiele- φ mentin alkuosuuden 32H jälkipuoli kulkee ensin viidennen haaran B35 rinnalla ja sitten neljännen haaran B34 rinnalla. Parasiittielementin toinen sisäinen kytkentä- .v. alue 322 käsittää kolmannen B33 ja seitsemännen B37 haaran. Näillä on yhteensä » · · λ*. neljätoista lomittain menevää liuskaa siten, että haarojen välinen rako muodostaa 35 meander-kuvion. Parasiittielementin kolmas sisäinen kytkentäalue 323 muodostuu !.:**: siten, että neljäs haara B34 ja kuudes haara B36 kulkevat rinnakkain. Neljäs sisäi- • · • * t • · * • · 119268 7 nen kytkentäalue 324 muodostuu rinnakkain kulkevista kuudennen haaran loppu-osuudesta ja kahdeksannen haaran B38 alkuosuudesta.

Kytkentäalueet voidaan kuvan 3 esimerkissä järjestää niin, että antennilla on 4-7 merkittävää resonanssia kahdella toimintakaistalla. Näistä resonansseista ainakin 5 kaksi on alemmalla toimintakaistalla ja loput ylemmällä toimintakaistalla. Myös alemman toimintakaistan resonanssit saadaan melko riippumattomiksi toisistaan, minkä vuoksi alempi toimintakaista on muokattavissa suhteellisen leveäksi.

Kuvassa 4 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä antennista, jolla on useita resonansseja ja ainakin kaksi toimintakaistaa. Antennin sä-10 teilijöitä ovat peruselementti 410 ja parasiittielementti 420, jotka ovat tässäkin esimerkissä johdekuvioita pitkulaisen substraatin 401 pinnalla. Peruselementissä on antennin syöttökohta FP, ja parasiittielementissä on tämän oikosulkukohta SP. Syöttökohta ja oikosulkukohta ovat kosketintäpliä, joissa on vahvennettu johde-päällyste, ja ne sijaitsevat suhteellisen lähekkäin substraatin ensimmäisessä 15 päässä ensimmäisen pitkän sivun puolella. Substraatti, peruselementti syöttökoh-tineen ja parasiittielementti oikosulkukohtineen muodostavat pienen antennipiirile-vyn 400, joka kiinnitetään radiolaitteeseen niin, että sen kohdalla ei ole maatasoa. Säteilevät elementit ovat siten monopolityyppisiä. Antennipiirilevyn koko on esimerkiksi 6 mm x 40 mm ja maatason reunan etäisyys siitä esimerkiksi 7 mm.

20 Peruselementti ja parasiittielementti on muotoiltu niin, että antennissa on niiden ϊ välisiä ja sisäisiä kytkentäalueita periaatteessa kuten kuvan 3 esittämässä raken- ι\·[ teessä. Peruselementissä 410 on syöttökohdasta FP lähdettäessä alkupuoli 41 H, • · · j*V joka etenee mutkitellen substraatin toista päätyä kohti ja sitten loppupuoli 41T, jo- "V ka etenee alkupuolta mukaillen vastakkaiseen suuntaan päätyen syöttökohdan • · · *·"' 25 viereen. Parasiittielementissä 420 on oikosulkukohdasta SP lähdettäessä ensin M· *···: toista päätyä kohti suuntautuva alkuosuus 42H, joka jakautuu sitten ensimmäiseen ja toiseen haaraan. Ensimmäinen haara B41 jatkuu toista päätyä kohti. Toisessa :.v haarassa B42 on ensimmäiseen päätyyn ulottuva ensimmäinen osuus, toista pää- tyä kohti suuntautuva ja ensimmäisen haaran pään taakse kiertävä toinen osuus, 30 toiseen päätyyn ulottuva kolmas osuus, toisen päädyn suuntainen neljäs osuus ja "Ιϊ# ensimmäiseen päätyyn substraatin toisen pitkän sivun puolella ulottuva viides *V* osuus.

»t · • · · • · !·*·, Sekä peruselementissä että parasiittielementissä on lisäksi muutama johdeliuska f i syöttö- ja oikosulkukohdan välisellä pienellä alueella. Nämä liuskat ovat lomittain 35 niin, että elementtien välinen rako muodostaa meander-kuvion. Kyseinen syöttö- ja 119268 8 oikosulkukohdan välinen alue on ensimmäinen peruselementin ja parasiittielemen-tin välinen kytkentäalue 41. Muita välisiä kytkentäalueita voidaan katsoa olevan kolme. Toinen välinen kytkentäalue 42 muodostuu parasiittielementin alkuosuu-desta 42H ja peruselementin alkupuolen 41H alkuosuudesta. Kolmas välinen kyt-5 kentäalue 43 muodostuu parasiittielementin ensimmäisestä haarasta B41 ja peruselementin alkupuolen 41H väliosuudesta. Neljäs välinen kytkentäalue 44 muodostuu parasiittielementin toisen haaran B42 kolmannesta osuudesta ja peruselementin alkupuolen 41H loppuosuudesta.

Peruselementin 410 alku- ja loppupuolen välissä on koko matkalla vain kapea ra-10 ko, joten oikeastaan koko elementti lukuunottamatta syöttö- ja oikosulkukohdan välisellä alueella olevia johdeliuskoja muodostaa sisäisen kytkentäalueen. Kuitenkin elementin syöttökohdan puoleisessa päässä on muusta osasta erottuva ensimmäinen sisäinen kytkentäalue 411, jossa on tiheässä yhteensä kymmenen lomittain menevää liuskaa siten, että alkupuolen 41H ja loppupuolen 41T välinen ra-15 ko muodostaa tällä kytkentäalueella meander-kuvion. Substraatin toisessa päädyssä olevasta alku- ja loppupuolen liittymäkohdasta syöttökohtaa FP kohti on peruselementin toinen sisäinen kytkentäalue 412, jolla alku- ja loppupuoli tekevät vuoron perään mutkia toisiaan kohti. Tässäkin tapauksessa kytkennän osapuolien välinen rako kytkentäalueella on meander-muotoinen. Parasiittielementillä 420 on 20 kolme sisäistä kytkentäaluetta. Sen ensimmäinen sisäinen kytkentäalue 421 käsit- . , tää rinnakkaiset parasiittielementin alkuosuuden 42H ja toisen haaran B42 en- • · · *;*·[ simmäisen osuuden. Parasiittielementin toinen sisäinen kytkentäalue 422 käsittää [· " parasiittielementin ensimmäisen haaran B41 ja toisen haaran B42 ensimmäisen ja : toisen osuuden. Parasiittielementin kolmas sisäinen kytkentäalue 423 käsittää toi- • · ;,· j 25 sen haaran toisen osuuden ja viidennen osuuden loppuosan, joka kulkee toisen : osuuden rinnalla.

··« * · • ·

Kuvassa 5 on kaksi esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuk-sista. Kuvaaja 51 näyttää heijastuskertoimen S11 muuttumisen taajuuden funktio- * · · na antennin ollessa kuvan 3 mukainen. Mitä pienempi heijastuskerroin, sitä pa-*·..* 30 remmin antenni on sovitettu ja sitä paremmin se toimii säteilijänä ja säteilyn vas- ··· taanottajana. Antennilla nähdään olevan kaksi toimintakaistaa. Kun rajataajuuden • t·· kriteerinä käytetään heijastusvaimennuksen arvoa -6 dB, alempi toimintakaista on „·. noin 0,8-1,0 GHz. Se kattaa reilusti sekä amerikkalaisen GSM-järjestelmän käyt- * * « ;* tämän taajuusalueen 824-894 MHz että eurooppalaisen EGSM-järjestelmän (Ex- 35 tended GSM) käyttämän taajuusalueen 880-960 MHz. Kaistanleveys on runsaat 200 MHz, mikä on huomattavan suuri arvo. Tähän on päästy sillä, että kyseiselle 119268 9 taajuusalueelle on järjestetty kaksi resonanssia siten, että ne eivät pahasti häiritse toisiaan. Alin eli ensimmäinen resonanssi r1 on parasiittielementin 320 perusreso-nanssi johtuen siis koko parasiittielementin sähköisestä pituudesta. Toinen resonanssi r2 on peruselementin 310 perusresonanssi johtuen siis koko peruselemen-5 tin sähköisestä pituudesta. Kuvaajaa 51 vastaava ylempi toimintakaista on noin 1,45-2,05 GHz kaistanleveyden ollessa peräti noin 600 MHz (34%). Ylemmän toimintakaistan alueella ovat mm. GSM1800-järjestelmän käyttämä taajuusalue 1710-1880 MHz, GSM1900-järjestelmän käyttämä taajuusalue 1850-1990 MHz sekä GPS-järjestelmän (Global Positioning System) käyttämä taajuus 1575 MHz. 10 Ylempi toimintakaista perustuu ainakin kolmeen merkittävään resonanssiin. Kolmas resonanssi r3 perustuu rakoon, joka on parasiittielementtiin kuuluvien kolmannen B33 ja seitsemännen B37 haaran välissä jatkuen neljännen B34 ja kuudennen B36 haaran väliin. Sen taajuus on noin 1,5 GHz. Neljäs resonanssi r4 on ensimmäisen resonanssin r1 harmoninen, ja sen taajuus on noin 1,6 GHz. Viides 15 resonanssi r5 on toisen resonanssin r2 harmoninen, ja sen taajuus on noin 1,87 GHz. Viides resonanssi on erityisen voimakas.

Kuvaaja 52 näyttää heijastuskertoimen S11 muuttumisen taajuuden funktiona, kun kuvan 3 mukaiseen antenniin on tehty kuvan 6 esittämä muutos. Siinä peruselementtiin 310 kuuluvaa toista haaraa B32 on lyhennetty poistamalla tästä kahdek-20 sannen haaran B38 pään lähelle ulottuva osuus RM1. Tällöin heikkenee toisen . . haaran ja kahdeksannen haaran B38 välinen kytkentä, ja tämän seurauksena · *;*·’ harmonisia resonansseja r4 ja r5 vastaavat sähköiset pituudet pienenevät ja taa- [· " juudet vastaavasti kasvavat. Neljännen resonanssin r4 taajuus eli neljäs reso- : nanssitaajuus nousee noin 1,8 GHz:iin ja viides resonanssitaajuus noin 2,02 • · · 25 GHziiin. Jälkimmäinen seikka merkitsee antennin ylemmän toimintakaistan levey- den kasvua entisestään ylärajan siirtyessä lähelle taajuutta 2,2 GHz. Tällöin ylem-pi toimintakaista kattaa myös VVCDMA-järjestelmän (Wideband Code Multiple Ac- ·«· cess) käyttämän taajuusalueen, jonka ylempi osa on 2110-2170 MHz. Neljäs re- :·. sonanssi on selvästi voimakkaampi kuin kuvaajan 51 edustamalla antennilla, mut- .*···. 30 ta tämän edun vastapainoksi sovitus huononee jonkin verran GPS-taajuudella • · T 1575 MHz. Antennin alemmalla toimintakaistalla muutokset ovat pieniä; toinen re- ··· sonanssitaajuus vain vähän kasvaa leventäen hiukan alempaa toimintakaistaa.

• · •# Kuvassa 7 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuk- '·«* sista. Kuvassa on vertailun vuoksi sama, kuvan 6 antennia vastaava heijastusker- 35 toimen kuvaaja 52 kuin kuvassa 5. Kuvaaja 71 näyttää heijastuskertoimen muuttumisen taajuuden funktiona, kun kuvan 6 mukaiseen antenniin on tehty kuvan 8 10 esittämä muutos. Tässä peruselementtiä 310 on lyhennetty oikosulkemalla sen ai-kuosuuden 31H ja ensimmäisen haaran B31 välinen rako suhteellisen lähellä tämän suljettua päätä johteella SHT. Tämän seurauksena varsinkin toista resonanssia r2 vastaava sähköinen pituus pienenee ja toisen resonanssin taajuus vastaa-5 vasti kasvaa. Tästä edelleen seuraa, että antennin alempi toimintakaista levenee peräti noin 300MHz:iin. Myös harmonisen viidennen resonanssin taajuus kasvaa, jolloin neljäs ja viides resonanssitaajuus etääntyvät toisistaan niin, että sovitus GSM1900-järjestelmän kaistalle sattuvalla osalla ylempää toimintakaistaa huononee.

10 Kuvan 8 esittämä muutos merkitsee lisäksi mainittujen resonanssien voimistumista lukuunottamatta parasiittielementtiin kuuluvien kolmannen B33 ja seitsemännen B37 sekä neljännen B34 ja kuudennen B36 haaran väliseen rakoon perustuvaa kolmatta resonanssia r3, joka päinvastoin heikkenee jonkin verran. Tämän seurauksena antennin sovitus huononee pari desibeliä GPS-taajuudella 1575 MHz.

15 Kuvassa 9 on neljäs esimerkki keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuk-sista. Kuvassa on vertailun vuoksi sama, kuvan 6 antennia vastaava heijastusker-toimen kuvaaja 52 kuin kuvassa 5. Kuvaaja 91 näyttää heijastuskertoimen muuttumisen taajuuden funktiona, kun kuvan 6 mukaiseen antenniin on tehty kuvan 10 esittämä muutos. Tässä parasiittielementtiä 320 on jatkettu siihen kuuluvan seit- 20 semännen haaran B37 vapaasta päästä johtavalla jatkeella LNG. Tämän seurauk- « · \v sena ensimmäistä resonanssia r1 ja varsinkin sen harmonista neljättä resonanssia r4 vastaavat sähköiset pituudet kasvavat ja näiden resonanssien taajuudet vas-jt:*: taavasti pienenevät. Tästä edelleen seuraa, että antennin sovitus alemman toimin- : takaistan alapäässä paranee, ja tämä kaista myös levenee jonkin verran. Neljän- » · t · : 25 nen resonanssitaajuuden pienenemisen seurauksena neljäs ja viides resonanssi- .···. taajuus etääntyvät toisistaan niin, että antennin sovitus varsinkin GSM1800- järjestelmän kaistalle sattuvalla osalla ylempää toimintakaistaa huononee. Toisaai- >Vt ta sekä neljäs että kolmas resonanssi voimistuu niin, että sovitus taajuusalueella *;!*/ 1,5-1,6 GHz paranee selvästi.

• * • · ··· 30 Kuvan 3 mukaisella antennilla on heikko resonanssi myös mm. 2,7 GHz:n alueella.

]···, Jos tätä aluetta halutaan hyödyntää, kyseistä resonanssia voidaan voimistaa ly- • · hentämällä parasiittielementtiin 320 kuuluvan viidettä haaraa B35 kuvan 11 esit- • · · : V tämällä tavalla. Tässä viidennen haaran vapaasta päästä on poistettu osuus RM2, ί,.,ϊ joka on lähes puolet koko haarasta. Haaran lyhentäminen heikentää viidennen 35 haaran B35 ja parasiittielementin alkuosuuden 32H välistä kytkentää ja myös viidennen ja kahdeksannen haaran B38 välistä kytkentää.

119268 11

Kuvan 4 esittämällä antennipiirilevyllä voidaan toteuttaa antenni, jonka taajuuden 1 GHz alapuolelle sijoittuvan alemman toimintakaistan leveys on esimerkiksi 250 MHz. Sovitus tosin on vain välttävä heijastuskertoimen ollessa koko alemman toimintakaistan alueella -5 -7 dB. Ylemmällä toimintakaistalla sen sijaan saadaan 5 hyvä sovitus esimerkiksi GSM1800-järjestelmän käyttämällä taajuusalueella 171 ΟΙ 880 MHz. Jokin antennin resonansseista on myös järjestettävissä GPS-taajuudelle 1575 MHz.

Kuvassa 12 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin hyötysuhteesta. Hyö-tysuhdekuvaajat 01 ja 02 on mitattu kuvan 3 mukaisesta antennista. Nähdään, että 10 alemmalla toimintakaistalla hyötysuhde on keskimäärin noin 0,42 ja ylemmällä toimintakaistalla keskimäärin noin 0,65. Hyötysuhdearvot ovat huomattavan korkeita.

Kuvissa 13a ja 13b on esimerkkejä keksinnön mukaisen antennin sijainnista radiolaitteessa. Kuvassa 13a radiolaite RD1 on kapulamallinen matkaviestin, ja se on esitetty pelkistettynä pituussuuntaisena poikkileikkauksena. Antenni 500 sijait-15 see radiolaitteen piirilevyn PCB toisessa päässä, sen ulommalla puolella laitteen näytön ja näppäimistön puolelta katsottuna. Antennipiirilevy on tuettu piirilevyyn PCB esimerkiksi 5 mm:n etäisyydelle siitä. Syöttö- ja oikosulkukohta on kytketty piirilevylle jonkin tyyppisillä jousikoskettimilla. Maatason GND reuna piirilevyllä on tietyllä etäisyydellä antennipiirilevyn kohdasta.

20 Kuvassa 13b radiolaite RD2 on taitettava matkaviestin, jolloin siinä on saranaan • · · HG liittyvät ensimmäinen kääntöosa TP1 ja toinen kääntöosa TP2. Radiolaite on

• M

esitetty pelkistettynä pituussuuntaisena poikkileikkauksena. Ensimmäisessä kään- i*V toosassa TP1 on mm. laitteen näppäimistö ja mikrofoni, ja toisessa kääntöosassa • * · :·γ TP2 on mm. laitteen näyttö ja kaiutin. Toinen kääntöosa on siis laitteen käyttäjän *···* 25 korvalla pidettävä osa. Antenni 700 sijaitsee saranasta HG katsottuna ensimmäi- !...: sen kääntöosan TP1 vastakkaisessa päässä. Sen järjestely on muutoin samanlai nen kuin kuvassa 13a. Antennipiirilevystä ja sen tukirakenteesta muodostuvan :Vi komponentin mitat ovat vain muutama millimetri sekä piirilevyn PCB pituussuunnat nassa että piirilevyn normaalin suunnassa. Antenni mahtuu siksi hyvin pienen ja *. 30 litteän kääntöosan sisään.

··· « * · · · • · ’·;·* Toimiva antenni syntyy, kun esimerkiksi kuvan 3 tai 4 mukainen antennipiirilevy lii- \*'J tetään radiolaitteeseen edellä kerrotulla tavalla niin, että oikosulkukohta on kytket- ty maatasoon, joka on loitolla säteilijöistä. Kuitenkin tässä selostuksessa "antenni" tarkoittaa yksinkertaisuuden vuoksi myös pelkkää antennipiirilevyä säteilijöineen.

119268 12

Edellä on kuvattu keksinnön mukaista sisäistä moniresonanssiantennia. Sen toteutus voi yksityiskohdissaan poiketa esitetyistä. Antennielementtejä voidaan luonnollisesti muotoilla hyvin monella tavalla itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

* · • 1 « • I « • · • · • · t • I · * · • · • · · ♦ · ♦ ··· t · • · · * · · • M · • · · • » t ··· • · • · • · • · ·

• 1 I

• · · • · ·»« • · • · • · · • · • · · • · · • · • · · « · « · • · « • · • 1 · * · ♦ • ·· · · • · · • · · « a

Claims (13)

13 119268

1. Radiolaitteen sisäinen antenni, jolla on ainakin alempi ja ylempi toimintakais-ta ja joka käsittää säteilijöinä monopolityyppisen peruselementin (310; 410) ja mo-nopolityyppisen parasiittielementin (320; 420), jotka ovat johdekuvioita substraatin 5 (301; 401) pinnalla, jossa peruselementissä on antennin syöttökohta (FP) ja jossa parasiittielementissä on tämän oikosulkukohta (SP), tunnettu siitä, että siinä on ainakin kaksi erillistä peruselementin (310; 410) ja parasiittielementin (320; 420) välistä sähkömagneettista kytkentäaluetta (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44) siten, että kukin välinen kytkentäalue muodostuu peruselementin jostain osuudesta ja para-10 siittielementin jostain osuudesta, sekä ainakin yksi peruselementin kahdesta eri osuudesta muodostuva sen sisäinen sähkömagneettinen kytkentäalue (311) ja ai-nakin yksi parasiittielementin kahdesta eri osuudesta muodostuva sen sisäinen sähkömagneettinen kytkentäalue (321, 322, 323), joista kytkentäalueista ensimmäinen välinen kytkentäalue (31; 41) sijaitsee heti syöttökohdan (FP) ja oikosulku-15 kohdan (SP) vieressä käsittäen ainakin yhden parasiittielementtiä kohti suuntautuvan peruselementin johdeliuskan ja ainakin yhden peruselementtiä kohti suuntautuvan parasiittielementin johdeliuskan, jotka kytkentäalueet on järjestetty niin, että antennilla on ainakin kaksi resonanssia (r1, r2) mainitulla alemmalla toimintakais-talla ja ainakin kaksi resonanssia (r3, r4, r5) mainitulla ylemmällä toimintakaistalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että peruselemen- .***, tissä (310) on syöttökohdasta (FP) lähdettäessä ensin sen alkuosuus (31 H), joka • · # .· *: jakautuu ensimmäiseen ja toiseen haaraan, jonka ensimmäisen haaran (B31) va- • · · : paa pää on fyysisesti suhteellisen lähellä syöttökohtaa mutta galvaanisesti kauim- : pana siitä ja joka toinen haara (B32) suuntautuu poispäin mainitusta alkuosuudes- \:V 25 ta (31 H) ja ensimmäisestä haarasta (B31). ··· « · • ·

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen antenni, tunnettu siitä, että peruselementin alkuosuus (31 H) ja ensimmäinen haara (B31) kulkevat olennaisesti koko matkal-taan rinnakkain, jolloin ne muodostavat peruselementin sisäisen kytkentäalueen (311). ··· • · • ·

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antenni, tunnettu siitä, että peruselementin . ’ alkuosuudessa (31 H) ja ensimmäisessä haarassa (B31) on lomittain sijoittuvia johdeliuskoja siten, että alkuosuuden ja ensimmäisen haaran välisessä raossa on ·:·*; meander-muotoinen osuus kytkennän voimistamiseksi mainitulla sisäisellä kytken- täalueella (311). 119268 14

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että parasiittiele-mentissä (320) on oikosulkukohdasta (SP) lähdettäessä ensin sen alkuosuus (32H), joka jakautuu kolmanteen (B33) ja neljänteen (B34) haaraan, neljäs haara jakautuu viidenteen (B35) ja kuudenteen (B36) haaraan, ja kuudes haara jakautuu 5 seitsemänteen (B37) ja kahdeksanteen (B38) haaraan, kahdeksannen haaran vapaan pään ollessa sähköisesti kauimpana oikosulkukohdasta.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen antenni, tunnettu siitä, että parasiittiele-mentin alkuosuuden (32H) jälkipuoli kulkee ensin viidennen haaran (B35) rinnalla ja sitten neljännen haaran (B34) rinnalla, jolloin mainittu jälkipuoli, viides haara ja 10 neljäs haara, muodostavat parasiittielementin ensimmäisen sisäisen kytkentäalu-een (321), parasiittielementin kolmas (B33) ja seitsemäs (B37) haara kulkevat olennaisesti koko matkaltaan rinnakkain, jolloin ne muodostavat parasiittielementin toisen sisäisen kytkentäalueen (322), parasiittielementin neljäs (B34) ja kuudes (B36) haara kulkevat olennaisesti koko matkaltaan rinnakkain, jolloin ne muodos-15 tavat parasiittielementin kolmannen sisäisen kytkentäalueen (323), ja parasiittielementin kuudennen haaran (B36) loppuosuus ja kahdeksannen haaran (B38) alkuosuus kulkevat rinnakkain, jolloin ne muodostavat parasiittielementin neljännen sisäisen kytkentäalueen (324).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen antenni, tunnettu siitä, että parasiittiele-20 menttiin kuuluvissa kolmannessa haarassa (B33) ja seitsemännessä haarassa • · \v (B37) on lomittain sijoittuvia johdeliuskoja niin, että näiden haarojen välinen rako • » *.*·· on olennaiselta osaltaan meander-muotoinen kytkennän voimistamiseksi mainitul- la parasiittielementin toisella sisäisellä kytkentäalueella (322). • · • · · • ♦ f *Y

8. Patenttivaatimusten 2 ja 5 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu ai- • · · # 25 nakin yksi peruselementin (310) johdeliuska ensimmäisellä välisellä kytkentäalu- • · ***** eella (31) kuuluu peruselementin alkuosuuteen (31 H) ja mainittu ainakin yksi para siittielementin (320) johdeliuska ensimmäisellä välisellä kytkentäalueella kuuluu : '** parasiittielementin alkuosuuteen (32H), ja mainitut johdeliuskat sijaitsevat lomittain :...· niin, että elementtien välinen rako ensimmäisellä välisellä kytkentäalueella on .···. 30 meander-muotoinen, ja peruselementin alkuosuudessa (31 H) on lisäksi ulkonema, • · ."[· joka ulottuu niin lähelle parasiittielementin alkuosuutta (32H), että ulkonema ja tä- . män kohdalla oleva parasiittielementin alkuosuuden osa muodostavat toisen pe- ruselementin ja parasiittielementin välisen kytkentäalueen (32).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen antenni, tunnettu siitä, että peruselement-35 tiin kuuluvan toisen haaran (B32) ja parasiittielementtiin kuuluvan kahdeksannen 119268 15 haaran (B38) vapaat päät ovat lähekkäin niin, että ne muodostavat kolmannen peruselementin ja parasiittielementin välisen kytkentäalueen (33).

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen välinen kytkentäalue (41) sijaitsee syöttökohdan (FP) ja oikosulkukoh- 5 dan (SP) välissä, jolloin mainittu ainakin yksi peruselementin (410) johdeliuska ensimmäisellä välisellä kytkentäalueella suuntautuu oikosulkukohtaa kohti ja mainittu ainakin yksi parasiittielementin (420) johdeliuska ensimmäisellä välisellä kytkentäalueella suuntautuu syöttökohtaa kohti, ja mainitut johdeliuskat sijaitsevat lomittain niin, että elementtien välinen rako ensimmäisellä välisellä kytkentäalueel-10 la on meander-muotoinen.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainituista alemman toimintakaistan resonansseista toinen (r1) on parasiittielementin perus-resonanssi ja toinen (r2) on peruselementin perusresonanssi, ja mainituista ylemmän toimintakaistan resonansseista yksi (r4) on parasiittielementin perusreso- 15 nanssin harmoninen ja eräs toinen (r5) on peruselementin perusresonanssin harmoninen.

12. Patenttivaatimuksen 6 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainituista ylemmän toimintakaistan resonansseista yksi (r3) perustuu rakoon, joka on para-siittielementtiin kuuluvien kolmannen (B33) ja seitsemännen (B37) haaran välissä 20 jatkuen neljännen (B34) ja kuudennen (B36) haaran väliin. • 1

• · • · · / " 13. Radiolaite (RD1; RD2), tunnettu siitä, että siinä on vaatimuksen 1 mukainen ··· i antenni (500; 700). • · • ♦ · ♦ · · ··· » • · · • · · ··· ··· • · • 1 «· • · • ♦♦ ··· • · ♦ · ··· ··· • · ··♦ • · • · 1 • · · ··· · 119268 16 Patenlkrav