SE516482C2 - Patchantenn och en kommunikationsutrustning inkluderande en sådan antenn - Google Patents

Description

25 30 516 482 basplatta) och en mindre yta hos den ledande basplattan kommer att försämra det ytterligare.

Typiskt för GPS-system, såväl som för vilket annat satellit- kommunikation/mottagningssystem, är effektmarginalen endast ett par dB så att mer än en mycket liten begränsad förlust kommer att vara förödande för funktionen. Såsom en anmärkning behöver en annan typ av GPS-antenn, den kvadrifilära helixen, inte en ledande basplatta men har en mindre användbar geometri för att bibehålla sin funktion.

Bandbredden för en sådan patch är vanligtvis mindre, men i US 5,861,848, av Iwasaki, beskrivs en förbättrad patchantenn vilken kan avstämmas för två frekvenser för satellit- kommunikation. En ringformig patchantenn är ett av elementen och som känd teknik citeras en ringformig patchantenn, jordad med en cirkulär galler av trådar. Användningen som citeras är endast som ett antennelement ensamt och i en array-antenn.

Inga övervägande av installation på en väldigt liten enhet, såsom en mobiltelefon, diskuteras.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla en patchantenn, vilken har en utformning som kommer att förenkla integration med en kommunikationsutrustning, t.ex. i en mobiltelefon, där nämnda patchantenn år försedd med ett hål, där en anordning, såsom en högtalare, en mikrofon eller en GPS-förstärkare, kan placeras.

I enlighet med uppfinningen uppfylls detta syfte med särdragen i den kännetecknande delen av patentkrav l.

En fördel med föreliggande uppfinning år att en patchantenn kan kombineras med en anordning för att inkorporera en funktion som skiljer sig från antennen. I en liten enhet såsom 23628sea.doc; 00-09-25 10 15 20 25 516 482 en mobiltelefon finns det fà möjligheter att kombinera åtminstone en liten ledande basplatta för patchen med en formmässigt acceptabel integration med anordningar som behövs för telefonens basfunktioner.

I följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare i detalj genom exempel med hänvisning till de bifogade ritningarna.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. la visar en perspektivvy av en patchantenn enligt uppfinningen.

Fig. lb visar ett diagonalt tvärsnitt utefter linje A-A i Fig. la.

Fig. 2 är ett tvärsnitt av en alternativ utföringsform av en patchantenn Fig. 3a och 3b visar en mobiltelefon med en patchantenn enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar en takmonterad antenn för mobiltelefoner innefattande en GPS-antenn enligt uppfinningen.

Fig. 5 visar ett diagram för en keramiskt fylld patchantenn med patchstorlek som funktion av hàldiameter för en specifik frekvens.

Fig. 6 visar en mobiltelefon med en integrerad GPS-antenn enligt uppfinningen.

Fig. 7a och 7b visar en GPS-antenn enligt uppfinningen vilken har en làgbrusförstärkare placerad i hålet.

Fig. 8 visar en alternativ utföringsform enligt uppfinningen av utföringsformen beskriven i samband med Fig. 2. 23628sea.d0C; 00-09-25 10 15 20 25 30 516 482 DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Fig. la visar en perspektivvy av en typisk patchantenn 10 enligt föreliggande uppfinning, vilken har ett patch-element ll med en approximativt fyrkantig yta, där sidan är Ä/2. Detta ger en fyrkantig yta på 95x95 mm vid l575,42 MHz (GPS-frekvens endast för C/A-kod). En ledande basplatta 12, som fungerar som jordplan, tillhandahålls väsentligen parallell med nämnda patch-element, vilket är nödvändigt för funktionen. Tryckta kretskort, avskärmande höljen, biltak, etc. kan användas såsom ledande basplattor när de fungerar som jordplan i samband med patchantennen.

En ledande basplatta kommer att försämra antennförstärkningen, vilket är en normal kompromiss på denna typ av antenner pà smà utrustningar. Utrymmet 13 mellan patch-elementet ll och den ledande basplattan 12 kan vara fylld med en keram (t.ex. s=1O eller s=36) eller plastisk fyllning, vilket i fallet med en keram kommer att krympa storleken till 25x25 mm respektive 19x19 mm med en tjocklek av ett par mm. Den krympta fysiska storleken av patchen på grund av den keramiska fyllningen kommer att kraftigt försämra bandbredden, men bandbredden kan reduceras till 2 MHz (plus hänsyn till frekvensstabilitet pga. av temperaturer etc.) för att bibehålla funktionen hos den enklaste GPS (genom att använda endast C/A-kod).

Patch-elementet ll har en matning 16, där antennen tillverkas med plattan 12 som jord. Normalt är en koaxialkabel ansluten med centrum av matningen 16 och den yttre ledaren till planet 12. Tjockleken på matningstràden kan vara olika jämfört med den centrala ledaren hos koaxialkabeln, eller kan ha en modifierad utformning för att förbättra matchningen. Matningen placeras väldigt nära diagonalen hos den nära fyrkantiga patchen ll på ett avstånd från centrumhàlet 14 vilket kommer 23628sea.doc; 00-09-25 10 l5 20 25 30 q ø v - nu 516 482 att ge en lämplig matchning (50 ohm etc.). Den nära fyrkantiga patchen kan begreppsmässigt förstås som tvâ linjärpolariserade patchar avstämda för nàgot olika frekvenser bestämda av varje sidas längd. Storleksordningen pà skillnaden i sidlängd mellan varje sida är en procent eller annorlunda uttryckt en impedansbandbredd av patchen. Genom denna skillnad har strömmen i varje begreppsmässig patch ungefär en fas pà i45°vilket skapar en cirkulärpolariserad strålning. Detta är en vanlig lösning för cirkulärpolarisering vilken kan kallas ”självpolariserande" men vilken är användbar endast för väldigt smala bandbredder. Impedansbandbredden kan vara större men polarisationsbandvidden är mindre. Den normala keramiska patchantennen tillverkas av metalliserad keram, där patchen är nàgot mindre än keramen. I det fallet är metallagret naturligtvis mycket tunt jämfört med de visade patcharna i figurerna.

Hålet och den ledande tuben inverkar inte på halvvägs- funktionen, sä länge som hàlet bibehålls under approximativt 1/3 av storleken på patchen. För att illustrera detta har storleken på patchen som funktion av hàldiametern beräknats i fallet med A130; som ett dielektrikum.

Patchantennen 10 enligt uppfinningen har ett häl 14 i mitten på antennen, inom vilket häl 14 en ledande tub 15 är anordnad för att kortsluta patch-elementet 11 till den ledande basplattan 12, dvs. nämnda ledande tub är i elektrisk kontakt med patch-elementet och den ledande basplattan. Den ledande tuben 15 kan skapas genom metallisering av hålet 14 om antennen är tillverkas med fast material som fyllning. Den ledande tuben 15 kan också vara tillverkad av en metalltub vilken förs in i nämnda häl och ansluten till nämnda patch- element ll och nämnda ledande basplatta 12. I det senare fallet finns ingen behov av ett fast material som fyllning, sä 23628sea.doc; 00-09-25 10 15 20 25 30 516 482 utrymmet 13 kan vara utan fyllning dvs. luft mellan patch- elementet ll och den ledande basplattan 12, visat i figur 5, för en specifik frekvens. Såsom kan ses har ett litet hål inverkan på resonansfrekvensen vilket kan kompenseras genom att öka sidlängden något.

Självklart kan ett stort omfång av hål användas med bibehållen övergripande storlek genom att justera patchens sidlängd, men om en 20% ökning är tänkt som en praktisk övre gräns då skall hàlet hållas under 10-ll mm för en 25x25 mm patch.

Centrumhàlet kan således uppta ett stort omfång av diametrar till exempel O-40 % av den nära fyrkantiga patchens sida. I det begränsade fallet kan endast en träd passera genom ett litet hål, men den självklara fördelen av uppfinningen är att det är möjligt att använda ett rätt så stort hål för att installera en anordning, såsom en högtalare eller mikrofon eller använda hålet som en akustisk kanal. På grund av metallisering av hålet är påverkan mellan anordningen och antennen liten.

Ett annat viktigt särdrag hos föreliggande uppfinning är att matningen 16 är anordnad för cirkulärpolarisation, vilket kan behövas vid kommunikation med satelliter i omloppsbana i GPS- systemet. Detta àstadkoms genom att anordna patch-elementet ll, den ledande tuben 15 eller matningen 16 att vara något asymmetrisk för att skapa en cirkulärpolarisation med endast en matningspunkt. Antennen enligt uppfinningen kommer att fungera med linjär polarisering också, men det är av mindre praktisk nytta.

Funktionen av patchantennen enligt uppfinningen kommer att vara liknande jämfört med en normal patchantenn för cirkulärpolarisation men har fördelar med geometrin i det att hàlet kan användas för syften som beskrivs nedan. 23628sea.doc; 00-09-25 lO 15 20 25 30 n | o o oo 516 432 Fig. lb visar ett diagonalt tvärsnitt utefter linje A-A i Fig. la.

Den keramiska fyllningen är en föredragen utföringsform men i andra utföringsformer kan ett material med làgt 8 användas och fortfarande bibehålla den nödvändiga storleken för installationen i en kommunikationsutrustning såsom en modern cellulär telefon. De extra kapacitanserna som skapas av det höga s kan ersättas av olika typer av punktformigt fördelade kapacitanser, nära kanten av patchen, av vilka en möjlighet visas i figur 2 som beskrivs nedan.

En alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning visas i Fig. 2, där patchantennen 20 innefattar ett patch-element 21, vilken har nedvikta kanter 21' runt periferin, och en ledande basplatta 22, vilken har àsar 22' för att kapacitivt belasta nämnda nedvikta kanter 21' till nämnda ledande basplatta i en region 27. Antennen 20 innefattar ytterligare en ihålig metalltub 25 som kortsluter nämnda patch-element 21 till nämnda ledande basplatta 22 väsentligen i centrum av nämnda patch-element 21, sålunda skapandes ett häl 24 genom nämnda patchantenn 20. Ett matningsmedel 26, isolerat från nämnda ledande basplatta 22, är tillhandahàllen till nämnda patch- element 21 genom nämnda ledande basplatta 22. Matningen är normalt i formen av en koaxialkabel, där den yttre ledaren av koaxen är ansluten till den ledande basplattan 12.

I denna utföringsform finns det inget behov av att introducera ett material med högt s i utrymmet 23 mellan nämnda patch- element 21 och den ledande basplattan 22, eftersom den kapacitiva kopplingen i regionen 27 reducerar den erforderliga storleken pà patch-elementet 21. En uppenbar fördel är att en avsevärd vikt v keramiskt material kan undvikas. Denna punktformigt fördelade kapacitans, nära omkretsen, kan 23628sea.doc; 00-09-25 lO 15 20 25 30 516 482 åstadkommas på många olika sätt. Isolationsmaterialet kan vara luft eller ett material med lågt s, (t.ex. plast) som bär upp motsvarande metallbeläggning. Ännu en ytterligare utföringsform av en patch-antenn 80, vilken är utvecklad från utföringsformen i figur 2, visas i figur 8. En plastkropp 81 används för att bära upp ledande ytor 82, 83, 87 vilka är skapade genom metallisering.

Plastkroppen 81 har ett hål 84 och en ledande tub 85 väsentligen i centrum av kroppen 81 och är försedd med ett spår 86 nära kanten och spåret har också en intern metallisering. den yttre kanten 88 av spåret 86 är inte täckt med metall, därigenom separeras den ledande basplattan 82 från patch-elementet 83. Ett ledande mönster 87 gör det möjligt att ansluta en förstärkare till en matningspunkt 89, såsom beskrivs i anslutning till figur 7. Den motsvarande formen som i figur 2 skapas med undantaget att spåret kommer, på grund av strömmar parallellt med tuben, att skapa en extra längd som gör den mindre patchen lättare att ställa in trots dess mindre storlek.

Antennen 80 är företrädesvis fäst till en större ledande yta 90, genom t.ex. ett klister, för att förbättra jordplanet hos antennen. Denna patchantenn kommer att kunna ha samma storlek som en keramisk patchantenn och ha en god mekanisk stabilitet. naturligtvis kan den kombineras med montering inuti en telefon, såsom visa i Fig. 6, så väl som med en integrerad förstärkare, såsom visas i Fig. 7.

Fig. 3a och 3b visar en kommunikationsutrustning 30, såsom en mobil cellulär telefon, vilken har en första antenn för GPS enligt föreliggande uppfinning och en andra konventionell antenn för att ta emot och skicka ut signaler i ett frekvensband som skiljer sig från GPS-frekvensen. 23628sea.doc; 00-09-25 10 15 20 25 30 516 4 8 2 - . j,-ff;;, Fig. 3a visar den mobila telefonen 30 i en första position för att ta emot och skicka ut radiosignaler i ett cellulärt telefonsystem, t.ex. GSM, AMPS, PCS, etc. Radiosignalerna tas emot/skickas ut vi en andra antenn 31 (t.ex. en patchantenn för GSM frekvenser, en monopolantenn, en helixantenn, etc.).

Mobiltelefonen 30 innefattar ett hölje 32, en mikrofon 33, en högtalare 34 och en patchantenn 35 för GPS-frekvenser.

Högtalaren är placerad i patchantennens 35 häl 36, sålunda görs den integrerade GPS/GSM kommunikationsutrustningen kompakt men bibehåller ett användbart jordplan runt GPS- patchen. En display 37 tillhandahålls också för att presentera information under telefonfunktion.

Fig. 3b visar kommunikationsutrustningen i en andra position för att ta emot GPS-signaler genom patchantennen för GPS 35.

Kommunikationsutrustningen har också en display 37 för att presentera information (kartor etc.) i denna andra position.

Sàsom sagts ovan kan hålet 36 i patchantennen 35 användas för att placera högtalaren 34 eller en akustisk kanal som transporterar ljudet fràn en högtalare, eftersom de flesta telefoner har en plan, eller något böjd, yta där för att akustiskt ansluta till örat. Högtalaren 34 är företrädesvis matad från baksidan och behöver inte nödvändigtvis vara integrerad med patchantennen 35. Istället för att placera högtalaren i hålet kan en mikrofon eller en akustisk kanal som transporterar ljudet till en mikrofon vara placerad där, där mikrofonen företrädesvis är matad fràn baksidan och inte nödvändigtvis behöver vara integrerad med patchantennen.

Närvaron av ett ganska stort hål kan användas för diverse applikationer för att förenkla integrering av olika delar. En av dessa är att erhålla en takantenn för bilar i nätt storlek 23628sea.doc; 00-09-25 10 l5 20 25 30 516 482 lO där både storlek och symmetri används för att åstadkomma en praktisk lösning.

Fig. 4 visar en bilantennapplikation 40 vilken har en första antenn 41 för GPS-kommunikation och en andra antenn 42 som fungerar i ett frekvensband för mobil cellulär kommunikation (t.ex. GSM, PCS, etc.). Hålet 43 kan användas för att mata en telefonantenn (vippa, subbe, helix, etc.) för nämnda cellulära telefonsystem, genom vilken symmetri inte kommer att störa GPS-funktionen. Å andra sidan kommer patchantennen 41 inte att störa telefonantennen 42 på grund av mycket olika arbetsfrekvenser och på grund av den olika typen av symmetri.

Geometrin hos denna antenn, vilken inkluderar en GPS-antenn, kommer att vara mycket lik en konventionell antenn utan GPS- antenn. Den ledande basen 44 hos antennen 41 är normalt inte i direkt kontakt med en jordad del 45 av bilen, såsom taket.

Magnetisk koppling av antennen 41 till taket är vanligt använd för att fästa antennen till ett fordon.

En lågbrusförstärkare kommer i många fall att installeras nära GPS-antennen. Ännu ett användningsområde för hålet är att placera den lågbrusiga förstärkaren 71, med dess tillhörande kretsar, i hålet 72 hos patchantennen 70, såsom visas i figur 7a och 7b. Patch-elementet 73 har i detta exempel en mindre yta än den keramiska fyllning 74, vilket är vanligt när man anordnar patch-elementet 73 på en keramisk fyllning. Den ledande basplatta 75 kan vara valfri lämplig storlek.

Làgbrusförstärkaren 71, vilken företrädesvis har ett hölje av metall, är företrädesvis pressad in i det metalliserade hålet 72 för jordning, och har kablar 76, för matning av nämnda förstärkare, anordnade genom hålet 72. En koaxialkabel kan användas istället för de illustrerade kablarna 76.

Förstärkaren har även en kontakt, isolerad från höljet, vilken 23628sea.doc; 00-09-25 a a ø ~ ø ø .n lO 15 20 25 30 516 482 ll är ansluten till matningspunkten 77, via ett ledande mönster 78 på ovansidan av patch-elementet 73. det ledande mönstret 78 är isolerat från patch-elementet 73. Matningspunkten 77 är också ansluten till den ledande basplattan via en jordningstråd 79. Det är av ingen betydelse om matningen är ansluten från toppen 77 eller från botten 75, men i detta fall föredras toppmatning.

I samtliga exempel har en plan väsentligen fyrkantig patch diskuterats. Såsom alla fackmän inom området förstår kan mindre modifieringar avseende storleken tillhandahållas genom lämpliga ändringar i storlek och tjocklek. Många patchantenner har bucklor eller korta spår på sidorna eller har ett eller flera avklippta hörn. För antennfunktionen att skapa cirkulärpolarisation etc. är det viktigaste att två linjära och ortogonala resonansfrekvenser kan hittas med lämpligt åtskilda frekvenser för att skapa en fasförskjutning på i45°hos strömmarna i ortogonala riktningar. De flesta former mellan något rektangulära och elliptiska former, super- elliptiska former, kan användas för att passa den yttre utformningen.

För integrering i en mobiltelefon kan ytan till exempel vara något böjd för att passa utformningen av telefonen och hörn kan skäras av inom ganska stora gränser förutsatt att andra mått ändras för att bibehålla resonansfrekvenser. Detta är exemplifierat i figur 6, där en böjd patchantenn 61 är monterad i en telefon 62. En högtalare 63 är placerad i ett hål i centrum av patchantennen 61. Naturligtvis kan det keramiska materialet tillverkas i praktiskt taget vilken form som helst genom konventionell formning eller genom att använda en blandning av keram/plast för att strängspruta det. 2362Bsea.doc; 00-09-25 516 4 8 2 šïï* - =§§â - 23* ä" 12 Termen kommunikationsutrustning som används i texten och kraven skall underförstàs betyda vilken utrustning som helst som kan ta emot och/eller sända ut radiosignaler, såsom en GPS-mottagare, en mobiltelefon, en sökare. 23628sea.doc; 00-09-25

Claims (12)

10 15 20 25 516 482 šïï I,¶:i::= 13 PATENTKRAV

1. En antenn innefattande: - ett patch-element (2l; 83), - en ledande basplatta (22; 82) väsentligen parallell med nämnda patch-element, - nämnda patch-element är försedd med åtminstone ett matningsmedel (26; 89) för att tillhandahålla cirkulärpolarisation, - nämnda patch-element (2l; 83) har en första öppning anordnad väsentligen i centrum av nämnda patch-element, - nämnda ledande basplatta (22; 82) har en motsvarande andra öppning motstàende anordnad till nämnda första öppning, och - nämnda antenn ytterligare innefattande en ledande förbindelse (25; 85) mellan nämnda första och andra öppning, sålunda skapandes ett hål (24; 84) genom nämnda antenn, kännetecknat av att nämnda hål är anpassat till att användas för åtminstone ett ändamål som inte är antenn relaterat.

2. Antennen enligt krav 1, varvid nämnda åtminstone ett ändamål är relaterat till - att placera en högtalare (34; 63) eller en mikrofon (33) inom nämnda hål, eller - att använda hålet som en akustisk kanal som transporterar ljud till en mikrofon (33) eller från en högtalare (34), eller - att placera en förstärkare eller annan elektroniska kretsar.

3. Antennen enligt krav 1 or 2, varvid en kapacitiv last tillhandahålls mellan kanten (2l') av nämnda patch-element (2l; 83) och nämnda ledande basplatta (22', 22; 82). 23628seb nya krav.doc; 00-09-25 10 15 20 25 516 482 l4

4. Antennen enligt krav 3, varvid nämnda patch-element (83) är anordnad på en bärare (81) vilken har ett spår (86), vilket spår (86) är metalliserat för att skapa nämnda kapacitiva last.

5. Antennen enligt krav 4, varvid nämnda bärare (81) är tillverkad av plastmaterial.

6. Antennen enligt något av kraven 1-5, varvid nämnda ledande förbindelse är en ledande tub (25; 85).

7. Antennen enligt något av föregående krav, varvid nämnda 0 hål (24; 84)) har en diameter som är åtminstone 10 s av patch- elementets (2l; 83) diameter.

8. Antennen enligt något av föregående krav, varvid nämnda antenn används för att ta emot GPS-signaler.

9. En kommunikationsutrustning (30; 62) kännetecknat av att nämnda utrustning (30; 62) innefattar en första antenn (35; 61) enligt något av kraven 1-8.

10. Kommunikationsutrustning enligt krav 9, varvid - en högtalare (34; 63) eller en mikrofon (33) är placerad inom nämnda hål, eller - hålet används som en akustisk kanal som transporterar ljud till en mikrofon (33) eller från en högtalare (34), eller - en förstärkare eller andra elektroniska kretsar är placerade inom nämnda hål.

11. ll. Kommunikationsutrustning enligt något av kraven 9-10, varvid nämnda kommunikationsutrustning är en mobiltelefon (30; 62). 23628seb nya kramdoc; 00-09-25 s 1 e 482 15

12. Kommunikationsutrustning enligt något av kreven 9-ll, varvid nämnda första antenn (61) är svagt böjd för att passa utformningen av nämnda kommunikationsutrustning (62). 23628seb nya kramdoc; 00-09-25