DE69936648T2

DE69936648T2 - Substratantenne mit einem element zur verhinderung von energiekopplung zwischen antenne und leitern

Info

Publication number: DE69936648T2
Application number: DE69936648T
Authority: DE
Inventors: Puay Hoe San Diego SEE
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP4435978B2; KR20010041059A; HK1036157A1; CN1129976C; AU3299999A; WO1999043041A1; EP1093675A1; AU759369B2; NO20004152L; ES2288778T3; CN1291360A; BR9908053A; CA2319553A1; IL137883A0; EP1093675B1; NO20004152D0; NO323300B1; MY126441A; JP2002504768A; AR016178A1

Description

I. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Antennen für Drahtlosvorrichtungen bzw. -geräte, und insbesondere auf intern bzw. innen angebrachte Antennen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf interne Substratantennen für Drahtlosvorrichtungen mit parasitären Elementen, die verbesserte Energiekopplungscharakteristika, Verstärkung und Bandbreite für die Drahtlosvorrichtungen aufweisen.
II. Beschreibung der verwandten Technik
Antennen sind wichtige Komponenten von Drahtloskommunikationsvorrichtungen und -systemen. Obwohl Antennen in zahlreichen unterschiedlichen Formen und Größen verfügbar sind, arbeiten sie jeweils gemäß denselben grundlegenden elektromagnetischen Prinzipien. Eine Antenne ist eine Struktur, die mit einem Bereich des Übergangs zwischen einer leitungsgebundenen Welle und einer Welle im freien Raum assoziiert ist, oder umgekehrt. Als allgemeines Prinzip wird eine leitungsgebundene Welle, die sich entlang einer Übertragungsleitung bewegt, die sich nach außen öffnet, als eine Welle im freien Raum, auch bekannt als eine elektromagnetische Welle, abgestrahlt werden.
In den letzten Jahren ist, mit einer Zunahme der Verwendung persönlicher drahtloser Kommunikationsvorrichtungen, wie in der Hand gehaltenen und mobilen zellularen und persönlichen Kommunikationsdiensttelefonen bzw. PCS-Telefonen (PCS = personal communication services) der Bedarf an geeigneten kleinen Antennen für die Kommunikationsvorrichtungen gestiegen. Neuere Entwicklungen bei integrierten Schaltungen und in der Batterietechnologie haben es ermöglicht, die Größe und das Gewicht solcher Kommunikationsvorrichtungen über die letzten Jahre drastisch zu reduzieren. Ein Gebiet, auf dem eine Reduktion der Größe immer noch erwünscht ist, sind Kommunikationsvorrichtungsantennen. Dies liegt daran, dass die Größe der Antenne eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Größe der Vorrichtung spielen kann. Außerdem beeinflussen die Antennengröße und -form die Ästhetik der Vorrichtung und die Herstellungskosten.
Ein wichtiger Faktor, der bei der Konstruktion von Antennen für Drahtloskommunikationsvorrichtungen zu bedenken ist, ist das Antennenstrahlungsmuster. In einer typischen Anwendung muss die Kommunikationsvorrichtung in der Lage sein, mit einer anderen derartigen Vorrichtung oder einer Basisstation, einem Hub oder Satelliten, die bzw. der jeder in einer Anzahl von Richtungen von der Vorrichtung angeordnet sein kann, zu kommunizieren. Folglich ist es notwendig, dass die Antennen für derartige Drahtloskommunikationsvorrichtungen ein annähernd omnidirektionales Strahlungsmuster aufweisen, oder ein Muster, dass sich von einem lokalen Horizont nach oben erstreckt.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der bei der Konstruktion von Antennen für Drahtloskommunikationsvorrichtungen bedacht werden sollte, ist die Bandbreite der Antenne. Beispielsweise arbeiten bzw. operieren Drahtlosvorrichtungen, wie beispielsweise Telefone, die mit PCS-Kommunikationssystemen verwendet werden, über ein Frequenzband von 1,85-1,99 GHz, und benötigen somit eine nutzbare Bandbreite von 7,29 Prozent. Ein Telefon für die Verwendung mit typischen zellularen Kommunikationssystemen arbeitet bzw. operiert über ein Frequenzband von 824-894 MHz, was eine Bandbreite von 8,14 Prozent benötigt. Dementsprechend müssen Antennen für die Verwendung bei diesen Arten von Drahtloskommunikationsvorrichtungen konstruiert sein, die entsprechenden Anforderungen an die Bandbreite zu erfüllen, ansonsten werden Kommunikationssignale stark abgeschwächt.
Eine Art von Antenne, die im Allgemeinen in Drahtloskommunikationsvorrichtungen verwendet wird, ist die Peitschenantenne, die leicht in die Vorrichtung zurückgezogen werden kann, wenn sie nicht verwendet wird. Es gibt jedoch mehrere Nachteile, die mit der Peitschenantenne verbunden sind. Oft wird die Peitschenantenne beschädigt, wenn sie sich an Gegenständen, Menschen oder Oberflächen verfängt, während sie für die Verwendung ausgezogen ist, oder sogar dann, wenn sie eingezogen ist. Sogar dann, wenn die Peitschenantenne so konstruiert ist, dass sie einziehbar ist, um eine solche Beschädigung zu minimieren, kann sie immer noch eine minimale Vorrichtungsgehäuseabmessung benötigen wenn sie eingezogen ist, die größer ist als erwünscht.
Peitschenantennen werden oft in Verbindung mit kurzen schraubenförmigen Antennen bzw. Wendelantennen verwendet, die aktiviert werden, wenn die Peitschenantenne in das Telefon eingezogen ist. Die schraubenförmige bzw. HelixAntenne sieht die gleiche Strahlerlänge in einem kompakteren Raum vor, um geeignete Strahlungskopplungscharakteristika aufrechtzuerhalten. Während die schraubenförmige Antenne wesentlich kürzer ist, überragt sie dennoch die Oberfläche um eine nennenswerte Distanz, was die Ästhetik beeinflusst und wodurch sie sich an anderen Objekten verfängt. Eine solche Antenne innerhalb einer Drahtlosvorrichtung anzuordnen würde ein nennenswertes Volumen benötigen, was nicht erwünscht ist. Zusätzlich scheinen derartige schraubenförmigen Antennen gegenüber Last durch eine Hand durch einen Nutzer der Drahtlosvorrichtung sehr empfindlich zu sein.
Eine weitere Art von Antenne, die für die Verwendung in Drahtloskommunikationsvorrichtungen geeignet scheinen könnte, ist eine Streifenleitungsantenne bzw. Mikrostrip- oder Stripline-Antenne. Solche Antennen leiden jedoch an mehreren Nachteilen. Sie neigen dazu, größer als erwünscht zu sein, leiden an geringer Bandbreite, und ihnen fehlen erwünschte omnidirektionale Strahlungsmuster.
Wie es der Ausdruck nahelegt, weist eine Mikrostrip-Antenne ein Patch oder ein Mikrostrip-Element auf, das im Allgemeinen auch als Radiator- bzw. Strahler-Patch bezeichnet wird. Die Länge des Mikrostrip-Elements wird im Verhältnis zur Wellenlänge λ₀ festgelegt, die mit einer Resonanzfrequenz f₀ assoziiert ist, welche so ausgewählt ist, dass sie zur fraglichen bzw. interessierenden Frequenz passt, wie beispielsweise 800 MHz oder 1900 MHz. Üblicherweise verwendete Längen von Mikrostrip-Elementen sind die halbe Wellenlänge (λ₀/2) und die Viertelwellenlänge (λ₀/4). Obwohl in letzter Zeit einige Arten von Mikrostrip-Antennen in Drahtloskommunikationsvorrichtungen verwendet wurden, wird in einigen Bereichen eine weitere Verbesserung gewünscht. Ein solcher Bereich, in dem eine weitere Verbesserung erwünscht ist, ist die Reduktion der Gesamtgröße. Ein weiterer Bereich, in dem eine signifikante Verbesserung benötigt wird, ist die Bandbreite. Aktuelle Patch- oder Mikrostrip-Antennenkonstruktionen scheinen nicht die für die Verwendung in den meisten Kommunikationssystemen erwünschten Bandbreiten charakteristika von 7,29 bis 8,14 Prozent oder mehr in einer praktikablen Größe zu erreichen.
Herkömmliche Patch- oder Strip-Antennen weisen weiter Probleme auf, wenn sie in der Nähe von den umfangreichen Grundebenen bzw. Masseebenen angeordnet werden, die in den meisten Drahtlosvorrichtungen vorliegen. Die Masseebenen können die Resonanzfrequenz ändern, was dazu führt, dass es eine nicht wiederholbare, von der Herstellung abhängige Konstruktion ist. Der minimale Oberflächenbereich verhindert auch das Anbringen auf eine Weise, die die Strahlungsmuster optimiert. Zusätzlich verschiebt das "Hand-Loading" bzw. die "Last durch die Hand", d.h. das Platzieren der Hand eines Benutzers in der Nähe der Antenne, dramatisch die Resonanzfrequenz und die Performance der Antenne.
Strahlungsmuster sind nicht nur für den Aufbau einer Kommunikationsverbindung wie oben beschrieben ausgesprochen wichtig, sondern auch in Bezug auf Strahlungsstandards der Regierung für Drahtlosvorrichtungsnutzer. Die Strahlungsmuster müssen gesteuert oder so eingestellt werden, dass ein minimaler Betrag an Strahlung von Vorrichtungsnutzern absorbiert werden kann. Es gibt Standards der Regierung, die eingerichtet wurden für den Betrag der Strahlung, der in der Nähe des Drahtlosvorrichtungsnutzers gestattet werden kann. Eine Auswirkung dieser Regulierungen ist, dass die interne Antenne an vielen Steilen in einer Drahtlosvorrichtung nicht angeordnet werden kann, aufgrund der theoretischen Strahlungseinwirkung auf den Nutzer. Wie oben erwähnt, treten jedoch bei Verwendung aktueller Antennen an anderen Stellen, Masseflächen bzw. -ebenen/groundplanes) und andere Strukturen oft mit ihrer effektiven Verwendung in Gegenwirkung.
Mit den oben genannten Problemen im Hinterkopf ist eine neue Art von Antenne entwickelt worden, die als Substratantenne bezeichnet wird, um eine interne Antenne für Drahtlosvorrichtungen vorzusehen, die geeignete Bandbreitencharakteristika aufweist zusammen mit einer reduzierten Größe, adäquater Verstärkung und einem reduzierten Ansprechen auf oder einer reduzierten Auswirkung von Last durch die Hand oder ähnlichen Problemen, die in der Technik auftreten. Diese Art von Antenne wird offenbart im ebenfalls anhängigen US-Patent Anmeldeseriennr. 09/028,510 (Zeichen des Anwalts: QCPA518), betitelt "Substrate Antenna", das am 23. Februar 1998 eingereicht wurde, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Obwohl die Substratantenne die Technik interner Antennen voranbringt und mehrere Probleme der Technik löst, gibt es einige Situationen, in denen die Antennen nicht die erwünschte Verstärkung oder die erwünschten Energieverteilungsbedingungen erreichen. D.h., dass die Antenne Strahlung in unterwünschte Modi oder Richtungen lenkt oder koppelt, was die Antennenverstärkung reduziert. Zusätzlich werden Substratantennen oder andere Arten von kleinen internen Antennen auch negativ dadurch beeinflusst, dass sie benachbart zu verschiedenen Rauschquellen innerhalb der Drahtlosvorrichtung angeordnet werden. Wenn sie in einer Drahtlosvorrichtung angeordnet wird, kann die Antenne relativ nahe an Leitern angeordnet sein, die verwendet werden um Signale oder Leistung zu übertragen. Antennenverstärkung und die Empfindlichkeit von Drahtlosvorrichtungen kann aufgrund von Signalen oder Signalrauschen abnehmen, die in die Antenne von diesen Leitern oder zahlreichen Quellen innerhalb der Drahtlosvorrichtung gekoppelt bzw. eingekoppelt werden.
Daher wird eine neue Antennenstruktur und Technik der Herstellung und Anbringung von Antennen in Drahtlosvorrichtungen benötigt, um interne Antennen zu erreichen, die die erwünschte Verstärkung und Empfindlichkeit aufweisen, oder reduzierte Rauschcharakteristika.
Weiter wird hingewiesen auf die Schrift US-A-5,678,216 , das einen Funk-Pager offenbart für den Empfang eines Paging-Signals mit einer Mikrostrip-Antenne von halber Größe. Ein Paar von elektrisch leitenden Elementen umgibt eine gedruckte Leiterplatte, auf der Elemente angebracht sind, die einen Pager-Schaltkreis bilden. Die leitenden Elemente und leitenden Verbindungsstifte, die sie befestigen, bilden ein elektromagnetisches Abschirmgehäuse für die Schaltkreiselemente, was die Strahlung und unnötige elektromagnetische Wellen nach außen vom Schaltkreis, der auf der gedruckten Leiterplatte angebracht ist, reduziert, insbesondere bei einer lokalen Oszillationsschaltung. Da eine Erdungsplatte der Antenne mit einer der leitenden Platten bezüglich einer hohen Frequenz verbunden ist, spielt die leitende Platte gleichzeitig die Rolle einer Erdungsplatte. Als Ergebnis wird eine Mikrostrip- Basisplatte miniaturisiert, während der Raum, der für Teile verfügbar ist, vergrößert wird. Ein Erdleitungsteil umgibt das Antennenelement und verbirgt Schrauben und andere leitende Strukturteile, wodurch das Antennenausrichtungsmuster nicht anfällig ist gegenüber Veränderungen der Dimension und Position der leitenden Strukturteile.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Drahtloskommunikationsvorrichtung, wie in Anspruch 1 dargestellt, vorgesehen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
In Anbetracht der obigen und anderer Probleme der Technik in Bezug auf die Herstellung interner Antennen für Drahtlosvorrichtungen, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Interaktion einer internen Antenne mit anderen Elementen oder Leitern in einer Drahtlosvorrichtung zu verringern, die ansonsten die Performance verschlechtert.
Eine zweite Absicht der Erfindung ist es, den erwünschten Pegel der Verstärkung für eine interne Antenne in einer Drahtlosvorrichtung zu erhöhen oder beizubehalten.
Eine dritte Absicht der Erfindung ist es, die Bandbreite für eine interne Antenne in einer Drahtlosvorrichtung zu erhöhen.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass sie eine physisch kleine interne Antenne vorsieht, während die gewünschten Betriebscharakteristika beibehalten werden.
Diese und andere Absichten, Ziele und Vorteile werden in einem parasitären Element für die Verwendung mit einer internen Antenne in einem Drahtloskommunikationsgerät realisiert, das einen oder mehrere Leiter oder Feeds für Signale oder Leistungsübertragung aufweist, die benachbart zur Antenne angeordnet sind. Das parasitäre Element wird im Allgemeinen gebildet durch Anordnen mindestens einer Schicht von leitendem Material benachbart zu, über oder unter, einem oder mehreren Leitern in einem Bereich benachbart zur Antenne. Das parasitäre Element weist eine vorausgewählte Breite relativ zu den Leitern auf, und eine vorausgewählte Länge entlang der Leiter, die ausreicht, um zu verhindern, dass ein wesentlicher Betrag an Energie zwischen der Antenne und den Leitern gekoppelt wird.
Eine bevorzugte interne Antenne ist eine Substratantenne, die eine oder mehrere Strahlerspuren bzw. -bahnen aufweist, die auf einem dielektrischen Substrat von vorbestimmter Stärke bzw. Dicke getragen werden. Geeignete Dimensionen werden für die Bahnlänge und -breite ausgewählt, basierend auf den Wellenlängen, die für die Drahtlosvorrichtung von Interesse sind, und auf dem zugewiesenen Raum. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird leitendes Abschirmmaterial benachbart zu einem vorbestimmten Teil der Bahn und diese umgebend angeordnet, um einen Null-Strom-Pegel für das Nahfeldstrahlungsmuster vorzusehen. Das tragende Substrate ist versetzt und im Allgemeinen senkrecht zur Masseebene angeordnet, die mit Schaltungen und Komponenten innerhalb der Vorrichtung assoziiert ist, mit der die Antenne verwendet wird. Die Substratantenne verwendet eine sehr dünne und kompakte Struktur, die eine geeignete Bandbreite vorsieht. Die Kompaktheit der Antenne und eine größere Vielzahl von nützlichen Formen gestatten, dass die Substratantenne sehr effektiv als eine interne Antenne für Drahtlosvorrichtungen verwendet wird.
Die Drahtlosvorrichtung verwendet typischerweise jedoch verschiedene Signal- oder Leistungsübertragungsleiter, die sich zwischen vorausgewählten Signalverarbeitungselementen und Leistungsquellen erstrecken und die einen Teil aufweisen, der direkt benachbart zur Antenne angeordnet ist, welche über oder neben den Leitern angeordnet bzw. positioniert ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen dient das Positionieren des parasitären Elements benachbart zu, über oder unter einem oder mehreren der Leiter in einem Bereich, der benachbart zur Antenne liegt, dazu, zu verhindern, dass ein bestimmter Betrag an Rauschen von den Leitern in die Antenne gekoppelt wird. Das parasitäre Element oder Patch wird benachbart zur Antenne gebildet, um eine Ladungstrennung über den Schlitz oder eine Trennung zwischen der Antenne und der Masseebene der Drahtlosvorrichtung vorzusehen. Das parasitäre Element erhöht die effektive oder virtuelle Fläche der Antenne, wodurch die Verstärkung und Bandbreite der Drahtlosvorrichtung um ca. 0,8 bis 1,5 dB erhöht wird. Die Empfindlichkeit der Drahtloskommunikationsvorrichtung wird durch Reduzieren des Rauschens auf der Antenne erhöht.
Das parasitäre Koppeln des parasitären Elements an die Masseebene durch die Leiter erhöht weiter die Verstärkung und die Bandbreite der Drahtlosvorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel steigt die Verstärkung um ca. 0,8 bis 1,5 dB. Das parasitäre Element und das parasitäre Koppeln erhöhen die Bandbreite der Drahtlosvorrichtung um einen Faktor von mindestens 1,5.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das parasitäre Element durch eine oder mehrere Schichten von leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, Messing, Aluminium oder Silber gebildet. Das elektrisch leitende Material kann über den Leitern, die sich benachbart zur Antenne befinden, angeordnet werden, und wird an ein Massepotenzial für die Drahtlosvorrichtung gekoppelt. Das parasitäre Element deckt vorzugsweise Leiter so vollständig ab wie es praktikabel ist, abhängig vom Betrag der Energie oder Strahlung, die verhindert werden soll. Die Größe oder die Fläche des leitenden Materials, das verwendet wird um das parasitäre Element zu bilden, kann auch konfiguriert oder angepasst werden, um die effektive Fläche und die entsprechende Bandbreite der Antenne um einen vorbestimmten Betrag zu erhöhen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das leitende Material als ein Patch von dünnem elektrisch leitendem Material hergestellt, der über den Leitern, die sich benachbart zur Antenne befinden, angeordnet werden kann. Dieses Patch kann mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form, einer im Wesentlichen runden Form, einer im Wesentlichen dreieckigen Form oder einer komplexen geometrischen Form gebildet werden, und wird bevorzugter Weise so gebildet oder hergestellt, dass es mindestens zweimal so breit ist wie die Leiter.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können mehrere Schichten von leitendem Material entweder direkt aufeinander verwendet werden, oder verschachtelt mit anderen Schichten von Material oder den Leitern angeordnet wer den. Zusätzlich können mehrere Patches verwendet werden, um einen bestimmten Bereich abzudecken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen identische, funktional ähnliche und/oder strukturell gleiche Elemente anzeigen, wobei die Zeichnung, in der ein Element zum ersten Mal auftritt durch die am weitesten links befindliche(n) Ziffer(n) des Bezugszeichens angezeigt wird, und wobei die Figuren Folgendes darstellen:
1a und 1b stellen perspektivische Ansichten und Seitenansichten eines Drahtlostelefons dar, das eine Peitschenantenne und eine externe schraubenförmige Antenne aufweist;
2a und 2b stellen seitliche und hintere Querschnittsansichten des Telefons der 1b mit einem beispielhaften internen Schaltkreis dar;
3a–3c stellen eine Substratantenne dar, die im Telefon der 1 nützlich sein kann;
4a–4e stellen mehrere alternative Ausführungsbeispiele von Substratantennen dar;
5a und 5b stellen seitliche Querschnittsansichten und Rückansichten des Telefons der 1b dar, das eine Substratantenne verwendet;
6 stellt eine seitliche Querschnittsansicht des Telefons der 1b dar, das ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Substratantenne verwendet;
7 stellt das Telefon der 5a und 5b mit einer Serie von Leitern dar, die sich von einem Teil zu einem anderen über eine drehbare Verbindung erstrecken;
8a stellt eine Draufsicht eines parasitären Patch-Elements dar, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde;
8b stellt eine seitliche Querschnittsansicht des parasitären Elements der 8a dar; und
9a–9d stellen Draufsichten auf alternative Ausführungsbeispiele für das parasitäre Patch der 8a und 8b dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Während eine herkömmliche Mikrostrip-Antenne, wie beispielsweise die invertierte "F"-Antenne, einige Charakteristika besitzt, die es potenziell ermöglichen, dass sie in persönlichen Kommunikationsvorrichtungen verwendet wird, wird eine weitere Verbesserung in anderen Bereichen immer noch benötigt, um diese Art von Antenne in Drahtloskommunikationsvorrichtungen nützlich zu machen, wie beispielsweise zellularen oder PCS-Telefonen. Ein solcher Bereich, in dem eine weitere Verbesserung erwünscht ist, ist die Bandbreite. Im Allgemeinen benötigen PCS- und Zellulartelefone eine Bandbreite, die größer ist als die aktuell verfügbare mit Mikrostrip-Antennen, oder eine praktisch machbare Größe, um auf befriedigende Weise zu funktionieren.
Ein weiterer Bereich, in dem weitere Verbesserung erwünscht ist, ist die Größe einer Mikrostrip-Antenne. Beispielsweise würde eine Reduktion der Größe einer Mikrostrip-Antenne eine Drahtloskommunikationsvorrichtung, in der sie verwendet wird, kompakter und ästhetischer machen. Tatsächlich könnte dies sogar bestimmen, ob eine derartige Antenne überhaupt in einer Drahtloskommunikationsvorrichtung verwendet werden kann. Eine Reduktion der Größe einer herkömmlichen Mikrostrip-Antenne wird möglich gemacht durch Reduzieren der Dicke jedes dielektrischen Substrats, das verwendet wird, oder durch Steigern des Wertes der dielektrischen Konstante, wodurch die notwendige Länge verkürzt wird. Dies hat jedoch den unerwünschten Effekt, die Antennenbandbreite zu reduzieren, wodurch sie für Drahtloskommunikationsvorrichtungen weniger geeignet gemacht wird.
Zudem ist das Feldmuster von herkömmlichen Mikrostrip-Antennen, wie beispielsweise Patch-Strahlern, typischerweise direktional. Die meisten Patch-Strahler strahlen nur in die obere Hemisphäre relativ zu einem lokalen Horizont für die Antenne ab. Dieses Muster bewegt sich und rotiert mit der Bewegung der Vor richtung und kann unerwünschte Nullen in der Abdeckung erzeugen. Daher waren Mikrostrip-Antennen nicht sehr erwünscht für die Verwendung in vielen Drahtloskommunikationsvorrichtungen.
Eine Substratantenne liefert eine Lösung für die obigen und andere Probleme. Die Substratantenne sieht eine geeignete Bandbreite und eine Reduktion der Größe über andere Antennenkonstruktionen vor, während sie andere Charakteristika beibehält, die für die Verwendung in Drahtloskommunikationsvorrichtungen erwünscht sind.
Die Substratantenne kann in der Nähe der Oberseite einer drahtlosen oder persönlichen Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise eines tragbaren Telefons eingebaut sein, oder kann benachbart zu oder hinter anderen Elementen, wie beispielsweise Trägerzapfen, I/O-Schaltungen, Tastaturfeldern und so weiter in der Drahtlosvorrichtung angebracht sein. Die Substratantenne kann auch direkt in eine Oberfläche eingebaut sein, wie z.B. durch Einbetten während der Plastikformung eines Gehäuses, oder aber auch auf eine Oberfläche der Drahtlosvorrichtung.
Anders als eine Peitschenantenne oder eine externe schraubenförmige Antenne, ist eine Substratantenne, wie andere interne Antennen, gegenüber Schaden durch Verfangen an Objekten oder Oberfläche nicht empfindlich. Diese Art der Antenne verbraucht auch weder inneren Raum, der für komplexere Merkmale und Schaltungen benötigt wird, noch benötigt sie große Gehäuseabmessungen, um sie aufzunehmen, wenn sie eingezogen ist. Weiter strahlt die Substratantenne in einem nahezu omnidirektionalen Muster ab, was sie für viele Drahtloskommunikationsvorrichtungen geeignet macht.
Im weiten Sinn kann die Erfindung in jeder Drahtlosvorrichtung implementiert werden, wie beispielsweise in einer persönlichen Kommunikationsvorrichtung, Drahtlostelefonen, Drahtlosmodems, Faxgeräten, tragbaren Computern, Pagern, Nachrichtenübertragungsempfängern, und so weiter. Eine solche Umgebung ist ein tragbares oder handgehaltenes Drahtlostelefon, wie das, das für zellulare Dienste, PCS-Dienste oder andere kommerzielle Kommunikationsdienste verwendet wird.
Eine Vielzahl solcher Drahtlostelefone mit entsprechenden unterschiedlichen Gehäuseformen und Bauweisen, ist in der Technik bekannt.
1 stellt ein typisches Drahtlostelefon dar, das in Drahtloskommunikationssystemen, wie beispielsweise den zellularen und PCS-Systemen, die oben diskutiert werden, verwendet wird. Das in 1 (1a und 1b) dargestellte Telefon ist ein "Clam-Shell"-Telefon oder ein Klapptelefon bzw. ein Telefon mit Klappkörper. Dieses Telefon ist typisch für fortgeschrittene ergonomisch konstruierte Drahtlostelefone, die in Drahtloskommunikationssystemen verwendet werden, wie beispielsweise den oben diskutierten zellularen Systemen und PCS-Systemen. Diese Telefone werden nur für Darstellungszwecke verwendet, da es eine Vielzahl von Drahtlosvorrichtungen und Telefonen und assoziierten physischen Konfigurationen gibt, einschließlich dieser Art und anderen Arten und Bauweisen, in denen die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, wie aus der Erklärung unten klar wird.
In 1a und 1b wird ein Telefon 100 gezeigt, das ein Hauptgehäuse oder -körper 102 aufweist, das eine Peitschenantenne 104 und eine schraubenförmige Antenne 106 trägt. Die Antenne 104 ist im Allgemeinen so angebracht, dass sie eine gemeinsame zentrale Achse mit Antenne 106 teilt, so dass sie sich durch das Zentrum der schraubenförmigen Antenne 106 erstreckt oder hindurch ragt, wenn sie ausgefahren ist, obwohl dies für den sachgemäßen Betrieb nicht erforderlich ist. Diese Antennen werden mit Längen hergestellt, die für die interessierende oder nutzbare Frequenz geeignet sind für die bestimmte Drahtlosvorrichtung, auf der sie verwendet werden. Ihre spezifische Konstruktion ist in der Technik wohl bekannt und verstanden.
Die Stirnseite des Gehäuses 102 wird auch gezeigt, wie sie einen Lautsprecher 110, ein Anzeigefeld oder -bildschirm 112, ein Tastenfeld 114, ein Mikrofon oder eine Mikrofonöffnung 116, und ein Verbindungselement 118 trägt. In 1b ist die Antenne 104 in einer ausgefahrenen Position, die typischerweise während der Verwendung einer Drahtlosvorrichtung auftritt, während in 1a die Antenne 104 zurückgezogen in das Gehäuse 102 (nicht zu sehen aufgrund des Blickwinkels) gezeigt ist. In dieser Ansicht ist eine Batterie oder Energieversorgung 120 sichtbar, das in einen oberen Teil des Drahtlostelefons eingebaut ist.
Wie oben besprochen, hat die Peitschenantenne 104 mehrere Nachteile. Einer ist, dass sie Beschädigung erfährt durch Verfangen an anderen Gegenständen oder Oberflächen, wenn sie während der Verwendung ausgefahren ist. Die Antenne 104 verbraucht auch auf unerwünschte Weise inneren Raum, und zwar in einer Art, die der Anbringung von Komponenten für komplexere Merkmale entgegensteht. Zusätzlich kann die Antenne 104, wenn sie eingezogen ist, minimale Gehäuseabmessungen benötigen, die unannehmbar groß sind. Die Antenne 106 leidet auch am Verfangen an anderen Gegenständen oder Oberflächen, und kann nicht in das Telefongehäuse 102 eingezogen werden. Zusätzlich ist die Antenne 106 in hohem Maß anfällig für Last oder Resonanzfrequenzverschiebung aufgrund von Kontakt mit der Hand eines Nutzers der Vorrichtung.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung wird nur aus Gründen der Klarheit und Einfachheit bezüglich dieses beispielhaften Drahtlostelefons beschrieben. Es wird nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die Anwendung in dieser beispielhaften Umgebung eingeschränkt wird. Nach dem Lesen der folgenden Beschreibung wird es dem Fachmann klar sein, wie die Erfindung in alternativen Umgebungen implementiert werden kann. Tatsächlich wird offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in anderen Drahtloskommunikationsvorrichtungen verwendet werden kann, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, auf tragbare Faxgeräte und Computer mit Fähigkeiten zur Drahtloskommunikation, und so weiter, und dass sie mit einigen Antennen, die nicht Substratantennen sind, verwendet werden kann.
Ein typisches Drahtlostelefon hat verschiedene interne Komponenten, die im Allgemeinen auf einer oder mehreren Leiterplatten getragen werden, um die verschiedenen Funktionen auszuführen, die benötigt oder erwünscht sind. 2a und 2b werden verwendet, um die allgemeine interne Konstruktion eines typischen Drahtlostelefons darzustellen. 2a stellt einen Querschnitt des in 1b gezeigten Telefons dar, wenn es von einer Seite betrachtet wird, um zu sehen, wie die Schaltkreise oder Komponenten innerhalb des Gehäuses 102 getragen werden. 2b stellt eine Aufrissansicht des gleichen Telefons dar, wenn es von hinten, auf der gegenüberliegenden Seite des Tastenfelds, betrachtet wird, um die Verbindung der Schaltkreise oder Komponenten zu sehen, die typischerweise in dem Gehäuse 102 vorgefunden werden.
In 2a und 2b ist eine Leiterplatte 202 in einem Gehäuse 102 gezeigt, die verschiedene Komponenten trägt, wie beispielsweise integrierte Schaltungen oder Chips 204, diskrete Komponenten 206, wie beispielsweise Widerstände oder Kondensatoren, und verschiedene Verbindungselemente 208. Das Anzeigefeld und die Tastatur sind typischerweise auf der Rückseite des Board 202 angebracht, wobei Drähte und Verbindungselemente (nicht gezeigt) den Lautsprecher, das Mikrofon, oder andere ähnliche Elemente mit dem Schaltkreis auf dem Board 202 verbinden bzw. koppeln. Die Antennen 104 und 106 werden auf einer Seite angeordnet und werden mit der Leiterplatte 202 verbunden unter Verwendung von speziellen Drahtverbindungselementen, Clips, oder Anschlusshülse bzw. Ferrules 214, und Leitern oder Drähten 216, die für diesen Zweck gedacht sind.
In einem typischen Telefon wird eine Metallanschlusshülse 214 am unteren Ende der schraubenförmigen Antenne 106 verwendet, um diese Antenne an dieser Stelle am Gehäuse 102 zu befestigen. Die Peitschenantenne wird so angebracht, dass sie in die schraubenförmige Antenne gleitet, wobei eine breiteres Endteil am oberen Ende und ein verbreiterter Teil 218 am unteren Ende verwendet wird, um sie daran zu hindern, sich innerhalb der schraubenförmigen Antenne 106 zu bewegen. Der Teil 218 der Antenne 104 ist auch leitend, und wenn die Antenne aufgezogen wird, stellt sie im Allgemeinen elektrischen Kontakt mit der Anschlusshülse 214 her. Signale werden durch den Draht 216 zur Anschlusshülse 214 und den Teil 218 zu Antenne 106 geleitet.
Typischerweise wird eine vorbestimmte Anzahl von Tragzapfen oder -füßen 210 in dem Gehäuse 102 verwendet, um Leiterplatten oder andere Komponenten innerhalb des Gehäuses zu befestigen. Ein oder mehrere Tragkanten oder -leisten 211 können auch verwendet werden, um die Leiterplatten zu tragen. Diese Zapfen können als ein Teil des Gehäuses ausgebildet werden, wie beispielsweise wenn es durch Spritzgießen von Plastik ausgebildet wird, oder können auf andere Weise an der Stelle befestigt bzw. fixiert werden, wie beispielsweise durch die Verwendung von Klebemitteln oder von anderen bekannten Mechanismen. Zusätzlich gibt es typischerweise einen oder mehrere zusätzliche Befestigungszapfen 212, die verwendet werden, um Schrauben, Bolzen oder andere Befestigungsmittel 213 aufzunehmen, um Teile des Gehäuses 102 aneinander zu befestigen. D.h., dass das Gehäuse 102 hergestellt wird unter Verwendung mehrerer Teile oder eines Hauptkörperteils und einer Abdeckung über der Elektronik. Befestigungszapfen 212 werden dann verwendet, um Elemente 213 aufzunehmen, die verwendet werden, um die Gehäuseteile aneinander zu befestigen. Die vorliegende Erfindung nimmt in einfacher Weise eine Vielzahl von Zapfen 210 oder 212 auf und berücksichtigt diese, wobei immer noch eine sehr effiziente Konstruktion für eine interne Antenne vorgesehen wird.
Wie in der vergrößerten Ansicht der 2b zu sehen, wird die Leiterplatte bzw. Circuit Board 202 im Allgemeinen als eine Mehrschichtleiterplatte hergestellt, die mehrere sich abwechselnde Schichten von Leitern und dielektrischem Substrat aufweist, die miteinander verbunden sind, um eine relativ komplexe Schaltungsverbindungsstruktur zu bilden. Solche Platten sind in der Technik wohl bekannt und verständlich. Als Teil der Gesamtstruktur hat das Board 202 mindestens eine, und manchmal mehrere, Grundschichten bzw. Masseschichten oder Grundebenen bzw. Masseebenen, entweder auf einer am weitesten unten liegenden Oberfläche oder eingebettet innerhalb des Boards an einer Zwischenposition.
Es ist erkannt worden, dass aufgrund der Art und Weise, wie die Antennen in einer Drahtlosvorrichtung Ströme in der Masseebene anregen, die größeren weniger nützlichen Antennen durch ein kleineres kompaktes Antennenelement ersetzt werden können, wenn dieses auf geeignete Weise bezüglich der Masseebene der Drahtlosvorrichtung angeordnet wird. Dies führte zur Gestaltung und Entwicklung einer Substratantenne, wie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung, die oben beschrieben wurde, offenbart ist.
Eine beispielhafte Substratantenne 300 ist in den Drauf- und Seitenansichten der 3a–3c gezeigt. In 3a und 3b weist die Substratantenne 300 eine leitende Bahn 302, die auch als ein Strip-Leiter oder verlängerter Leiter bezeichnet wird, ein dielektrisches Trägersubstrat 304 und eine Signaleinspeisungsregion 306 auf. Die leitende Bahn 302 kann so hergestellt werden, dass sie mehr als eine Bahn ist, die elektrisch miteinander in Serie verbunden sind, um so die erwünschte Antennenabstrahlkörperstruktur zu bilden. Die Bahn bzw. Spur 302 ist elektrisch mit dem leitenden Pad bzw. Flächenelement 308 in der Signaleinspeisungsregion 306 bei oder benachbart zu einem Ende des Substrats 304 verbunden.
Das Substrat 304 ist aus einem dielektrischen Material oder Substrat hergestellt, wie beispielsweise einer Leiterplatte oder einem flexiblen Material, das für solche Zwecke bekannt ist. Beispielsweise könnte eine kleine auf Fiberglas basierende gedruckte Leiterplatte (PCB = printed circuit board) verwendet werden. Der Fachmann auf dem Gebiet der Elektronik und der Antennenkonstruktion wird die verschiedenen zur Verfügung stehenden Produkte gut kennen, aus denen ein geeignetes Antennensubstrat, basierend auf den gewünschten dielektrischen Eigenschaften oder Antennenbandbreitencharakteristika, hergestellt werden kann.
Die Bahn wird aus einem leitenden Material wie beispielsweise aus Kupfer, Messing, Aluminium, Silber oder Gold, oder anderen leitenden Materialien oder Verbundstoffen, von denen bekannt ist, dass sie für die Herstellung von Antennenelementen nützlich sind, hergestellt. Dies könnte leitende Materialien beinhalten, die in Plastik oder leitende Epoxide eingebettet sind, was auch als ein Substrat wirken kann. Bahnmaterial kann abgelagert werden unter Verwendung bekannter Techniken wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, standardmäßiges Photo-Ätzen eines leitenden Materials auf einem dielektrischen Substrat; Plattieren oder andersartiges Ablagern eines leitenden Materials auf einem Substrat; oder durch Anordnen einer dünnen Platte von leitendem Material auf einem Trägersubstrat unter Verwendung von Klebemitteln oder Ähnlichem. Zusätzlich können bekannte Beschichtungs- und Ablagerungstechniken verwendet werden, um metallisches oder leitendes Material auf einem Plastikträgersubstrat abzulagern, welches eine gewünschte Form besitzen kann.
Die Länge der Bahn 302 bestimmt in erster Linie die Resonanzfrequenz der Substratantenne 300, und besitzt eine geeignete Größe für eine bestimmte Betriebsfrequenz. Ein leitendes Element, Bahn bzw. Spur oder Bahnen, das näherungsweise ein Viertel einer effektiven Wellenlänge (λ) für die Frequenz, die von Interesse ist, hat, wird im Allgemeinen verwendet. Der Fachmann wird leicht die Vor teile erkennen, die Länge geringfügig größer oder geringer als λ/4 zu machen, und zwar zum Zwecke der Anpassung der Impedanz an entsprechende Sende- und Empfangsschaltkreise. Zusätzlich tragen verbindende Elemente wie freiliegende Kabel, Drähte oder Clips zur Gesamtlänge der Antenne bei, und werden berücksichtigt, wenn die Abmessungen der Bahnen ausgewählt werden, wie bekannt sein sollte.
Wenn eine Drahtlosvorrichtung in der Lage ist, auf mehr als einer Frequenz zu kommunizieren, basiert die Länge der Bahn 302 auf der Beziehung zwischen diesen Frequenzen. D.h., mehrere Frequenzen können aufgenommen werden, vorausgesetzt, dass sie durch Bruchteile von Wellenlängen in Beziehung stehen. Beispielsweise entspricht die λ/4 Länge für eine Frequenz 3λ/4 oder λ/2 für die zweite Frequenz. Solche Beziehungen für die Verwendung von einzelnen Strahlern für mehrere Frequenzen sind in der Technik wohlbekannt.
Die Dicke der Bahn oder Bahnen 302 ist üblicherweise in einer Größenordnung eines kleinen Bruchteils der Wellenlänge, um transversale Ströme oder Modi zu minimieren oder zu verhindern, und um eine minimale Antennengröße (Dicke) beizubehalten. Der ausgewählte Wert basiert auf der Bandbreite, über die die Antenne arbeiten muss, wie im Stand der Technik der Antennenkonstruktion bekannt ist. Die Breite der Bahn 302 ist als weniger als eine Wellenlänge im dielektrischen Substratmaterial, so dass Modi höherer Ordnung nicht angeregt werden.
Die Gesamtlänge der Bahn 302 ist näherungsweise λ/4, aber es sollte bekannt sein, dass die Bahn gefaltet, abgewinkelt bzw. gebogen oder auf andere Weise umgelenkt werden kann, um sich entlang sich selbst zurück zu erstrecken, so dass die Gesamtantennenstruktur von der Länge her wesentlich weniger als λ/4 beträgt. Der Leiter, das Trägersubstrat und die Gesamtlängenabmessung wirken zusammen, um eine signifikante Reduktion der Gesamtantennengröße zu bewirken gegenüber herkömmlichen Strip- oder Patch-Antennen, wodurch sie für die Verwendung in persönlichen Kommunikationsvorrichtungen attraktiver gemacht werden. Beispielsweise sei dies mit einer Masseebene bzw. Masseplatte einer herkömmlichen Mikrostrip-Antenne verglichen, deren Abmessung mindestens λ/4 ist, um richtig zu funktionieren.
Wie in 3a und 3c gezeigt, wird ein leitendes Flächenelement 308 in einer Signaleinspeisungsregion 306 angeordnet und elektrisch gekoppelt oder verbunden mit der Bahn 302. Im Allgemeinen werden das Flächenelement 308 und die Bahn 302 aus dem gleichen Material gebildet, möglicherweise als eine einzige Struktur, unter Verwendung der gleichen Herstellungstechnik, obwohl dies nicht notwendig ist. Das Flächenelement 308 muss einfach guten elektrischen Kontakt mit der Bahn 302 herstellen für Signaltransfer ohne negative Auswirkung auf Antennenimpedanz oder -performance.
In einigen Konfigurationen, zeigt die Bahn weg von einer Leiterplatte oder Signalquelle oder Empfängern, und das Substrat ist zwischen der Bahn und der Platte angeordnet. Hier ist das leitende Flächenelement 308 auf ungeeignete Weise für einfachen Zugriff direkt von der Leiterplatte angeordnet, ohne zu benötigen, dass sich eine Draht oder anderer Leiter um das Substrat herum erstreckt. Dies ist komplexer als erwünscht. Daher kann, wie in 3c gezeigt ist, ein zweites Kontaktflächenelement 310 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats verwendet werden und Leitungsvias bzw. -durchgänge können verwendet werden, um Signale durch das Substrat zu übertragen.
Eine Signaltransfereinspeisung wird an die Substratantenne 300 gekoppelt unter Verwendung des Flächenelements 308 (und 310), was eine herkömmliche elektrische Verbindung und einen Signaltransfer durch "federartige", oder federmäßig vorgespannte, Kontakte oder Clips, deren Struktur in der Technik bekannt ist, gestattet. Dies vereinfacht die Konstruktion und Herstellung der Drahtlosvorrichtung durch Eliminieren von manueller Anbringung spezialisierter Verbindungselemente oder Kontaktstrukturen. Dies bedeutet auch, dass die Antenne auf herkömmliche Weise ersetzbar ist, wenn dies benötigt oder erwünscht ist, wie beispielsweise zur Reparatur, Aufrüstung oder Änderung. Wie oben erläutert, trägt die Kontaktstruktur zur Gesamtlänge des Antennenabstrahlkörpers bei, was berücksichtigt wird, wenn die Abmessung der Bahn gewählt wird.
Die Signaleinspeisung koppelt ein Signal von einer Signalverarbeitungseinheit oder -schaltung (nicht speziell gezeigt) auf der Leiterplatte 202 an die Substratan tenne 300. Es sei bemerkt, dass die Ausdrücke "Schaltkreis" bzw. "Schaltung" oder Signaleinheit verwendet werden, um allgemein die Funktionen zu bezeichnen, die von bekannten Signalverarbeitungsschaltungen einschließlich Empfängern, Sendern, Verstärkern, Filtern, Transceivern und so weiter vorgesehen werden.
4a–4e stellen mehrere alternative Ausführungsbeispiele für Bahnen dar, die für das Ausbilden einer Antenne 300 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In 4a ist eine Bahn 302' als ein einzelner dünner leitender Strip gezeigt, der sich entlang der Länge des Substrats 304 erstreckt (im Umriss gezeigt), und ist verbunden mit oder gebildet mit einem abgerundeten Kontaktflächenelement 308 an einem Ende, und Weist einen vergrößerten oder abgerundeten Teil 402, der am Nicht-Kontakt-Ende ausgebildet ist, auf. Diese Bahn hat das Erscheinungsbild eines "Hundknochens".
In 4b ist eine Bahn 302'' als ein langer dünner leitender Strip ausgebildet, der verbunden oder ausgebildet ist mit einem mehr rechteckigen Flächenelement 308. Hier erstreckt sich der Strip entlang der Länge des Substrats 304. In 4c wird eine Bahn 302''' so gebildet, dass sie sich auch entlang der Länge des Substrats 304 erstreckt, und wird dann zurück geknickt oder gebogen in der Nähe eines entfernten Nicht-Kontakt-Endes 404, so dass es zurück umgelenkt wird in Richtung des Kontaktflächenelements. Dies gestattet der Antenne, eine kürzere Gesamtlänge zu besitzen als die Bahn, die verwendet wird um ein λ/4-Längen-Element zu bilden. Wie unten angegeben, sollte klar sein, dass eine Vielzahl von Mustern oder Formen bei der Umlenkung oder Faltung der Bahn entlang unterschiedlicher Richtungen verwendet werden kann. Beispielsweise können quadratische Ecken, kreisförmige Biegungen oder andere Formen für diese Funktion verwendet werden, ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen. Die Bahn ist im gefalteten bzw. geknickten Bereich auch breiter als in dem anderen Teil. Die vergrößerte Breite, wie in den 4b und 4c, sieht "Top-Loading" oder eine verbesserte Bandbreite für die Antenne vor, was für einige Anwendungen nützlich wird. Diese zusätzliche Breite wird von der Erfindung jedoch nicht benötigt.
In 4d nimmt eine Bahn 302''' eine komplexere Form an, wobei sie der Kante des Substrats folgt, welches hergestellt wurde mit einem Ansatz bzw. Tab oder Vorsprung entlang einer Kante und einer entsprechenden Vertiefung oder Einsenkung auf der gegenüberliegenden Kante. Solche Tabs oder andere Winkel und Einsenkungen entlang der Länge des Substrats dienen dazu, um mit den Seiten oder Merkmalen des Drahtlosvorrichtungsgehäuses und verschiedenen Trägerelementen eine Verbindung herzustellen. Das heißt, dass die Kanten des Substrats 304 in einer Vielzahl von Formen geformt werden können oder diese annehmen können, um in ein Gehäuse zu passen. Die Kanten können geformt werden, um mit korrespondierenden Variationen in den Wänden des Gehäuses zusammenzupassen oder dort herum angeordnet zu werden, und um verschiedene Erhebungen, Ausstülpungen bzw. Auspressungen und Unregelmäßigkeiten oder bekannte Vorsprünge von Oberflächen der Gehäusewände zu umlaufen, oder auch um Freiräume für Drähte, Leiter und Kabel freizulassen, die in der Drahtlosvorrichtung angeordnet werden müssen. Die Seiten oder Kanten des Substrats können eine Vielzahl von abgerundeten, eckigen oder anderen Formen für diesen Zweck verwenden. Es sei ein Raum 406 zwischen dem Ende der Bahn bemerkt, wo sie zurück geknickt ist, und dem Ende des Substrats, der dazu dient, die Bahn von der Kante der Antenne zurück zu setzen.
Weiter kann die Form der Bahn 302 (302', 302'', 302''', 302'''') oder der Substratantenne 300 auch in einem dreidimensionalen Sinn variieren. Das heißt, während Bahnen allgemein als planare bzw. ebene Oberflächen ausgebildet werden, kann das Substrat, oder die Substratoberfläche, gekrümmt oder gebogen sein, um verschiedene Anbringungskonfigurationen aufzunehmen. Das heißt, das Substrat kann hergestellt werden als eine gekrümmte oder gebogene Struktur, als eine variable Oberfläche, oder einfach durch das Deformieren während des Einbaus aufgrund seiner im Allgemeinen dünnen aber starken Beschaffenheit. Es wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Krümmungen oder Kurven in dieser Dimension verwendet werden können. Beispielsweise könnte die Substratoberfläche auch ein "meanderndes" Muster irgendeiner Art bilden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Substratantenne, wenn diese im Telefon der 1 verwendet wird, das konstruiert und getestet wurde, ist in der Vorderansicht der 4e gezeigt. Hier wurde das Substrat 304 mit ungefähr 52 Millimeter Gesamtlänge mit einer Bahnbreite von ungefähr 1 mm hergestellt. In dieser Konfi guration war es nicht erwünscht, einen Teil zurück zu falten, und die Breite war im Wesentlichen einheitlich ohne Verbreiterung. Die Kontaktflächenelemente 308 und 310 (auf den gegenüberliegenden Oberflächen) wurden beide rechteckig mit ca. 4,5 × 6 mm hergestellt mit einer Serie von geeigneten Leiterdurchlässen, die sich durch das Substrat erstrecken, um die beiden zu verbinden. Ein Fiberglassubstrat wurde verwendet, das ungefähr 1 mm dick war, und die Bahnen und Flächenelemente waren ungefähr 0,1 mm dick.
In den 5a und 5b sind die Antennen 104 und 106 durch eine Substratantenne 300 ersetzt worden. Die Leiterplatte 202 ist in 5a so gezeigt, dass sie mehrere Schichten von leitenden und dielektrischen Materialien aufweist, wie beispielsweise Kupfer und Fiberglas, wodurch etwas gebildet wird, das in der Technik als eine Mehrschichtplatte oder gedruckte Leiterplatte (PCB = printed circuit board) bezeichnet wird. Dies ist dargestellt als eine dielektrische Materialschicht 502 neben einer metallischen Leiterschicht 504, neben einer dielektrischen Materialschicht 506, neben oder getragen von einer metallischen Leiterschicht 508. Leiterdurchlässe (nicht gezeigt) werden verwendet, um verschiedene Leiter auf verschiedenen Schichten oder Ebenen (Levels) mit Komponenten auf den äußeren Oberflächen zu verbinden. Geätzte Muster auf einer jeden gegebenen Schicht bestimmen die Verbindungsmuster für diese Schicht. In dieser Konfiguration könnte jede Schicht 504 oder 508 eine Masseschicht oder -ebene, wie sie üblicherweise bezeichnet wird, für Board 202 bilden, wie in der Technik bekannt ist.
Die Antenne 300 ist benachbart zu einer Leiterplatte 202 angebracht, aber ist von der Grundebene bzw. Masseebene versetzt und so angeordnet, dass das Substrat 304 im Wesentlichen senkrecht zur Masseebene ist. Diese Anordnung sieht ein sehr dünnes Profil für die Antenne 300 vor, was es ihr ermöglicht, in sehr beschränkten Räumen und nahe der Oberfläche des Gehäuses 102 angeordnet zu werden. Beispielsweise kann Antenne 300 zwischen Halterungs- und Befestigungszapfen und der Seite (Oberseite) des Gehäuses 102 angebracht werden, was bei Verwendung einer herkömmlichen Mikrostrip-Antennenkonstruktion nicht zu erreichen ist.
Als eine Möglichkeit können solche Zapfen nun verwendet werden, um automatisch die Antenne 300 anzuordnen und zu tragen, ohne dass zusätzliche Tragmechanismen oder Befestigungen benötigt werden. Dies sieht einen sehr einfachen Befestigungsmechanismus vor oder Mittel der Fixierung des Substrats an der Stelle, was die Arbeitskosten für die Installation der Antenne reduziert und potentiell eine automatisierte Montage gestattet. Alternativ kann das Substrat 304 vor Ort fixiert werden durch kleine Klammern, oder durch Zapfen, Erhebungen, Kanten, Schlitze, Kanäle oder Ähnliches, die in dem Material ausgebildet sind, das verwendet wird, um die Wände des Gehäuses 102 herzustellen. D.h., dass solche Träger in die Wand des Vorrichtungsgehäuses gegossen oder auf andere Weise ausgebildet werden, wie beispielsweise durch Spritzgießen. Diese Trägerelemente können dann das Substrat 304 an der Stelle halten, wenn es gegen, zwischen oder in diese eingeführt wird, oder es können Befestigungen, die daran angebracht sind, verwendet werden, während der Montage des Telefons. Andere Mittel für die Befestigung sind die Verwendung von Klebemitteln oder von Klebestreifen, um das Substrat gegen eine Seitenwand oder einen anderen Teil oder ein anderes Element der Drahtlosvorrichtung zu halten.
Wie in 5b zu sehen, kann das Substrat 304 gekrümmt oder in anderer Weise gebogen sein, um sich eng an die Form des Gehäuses anzupassen oder um andere Elemente, Merkmale oder Komponenten in der Drahtlosvorrichtung aufzunehmen. Das Substrat kann in dieser Form hergestellt werden oder während des Einbaus verformt werden. Die Verwendung eines dünnen Substrates gestattet, dass das Substrat verformt oder gebogen wird, wenn es eingebaut wird, was eine Spannung oder einen Druck durch das Substrat gegen benachbarte Oberflächen vorsieht. Dieser Druck wirkt dahingehend, dass er im Allgemeinen das Substrat am Platz sichert, und zwar ohne die Notwendigkeit von Befestigungsmitteln. Eine gewisse Form des Festhaltens wird dann einfach durch Einbau der benachbarten Leiterplatte und der Abdeckungen oder Teile es Gehäuses erreicht, die am Platz befestigt sind. Jedoch gibt es kein Erfordernis, das Substrat während entweder der Herstellung oder des Einbaus zu verformen oder zu krümmen, damit die vorliegende Erfindung ordnungsgemäß arbeitet.
Das leitende Flächenelement 308 ist benachbart zu Board 202 positioniert und elektrisch mit ihr unter Verwendung eines Federkontakts oder Clips 516 gekoppelt oder verbunden. Der Federkontakt oder der Clip 516 ist an der Leiterplatte 202 unter Verwendung von wohl bekannten Techniken befestigt, wie beispielsweise Löten oder leitende Klebemittel. Der Clip 516 ist elektrisch an einem Ende mit geeigneten Leitern oder Leitungsdurchlässen verbunden, um Signale zu einer oder mehreren erwünschten Sende- und Empfangsschaltungen und von diesen weg zu übertragen, die in der Drahtlosvorrichtung verwendet werden, die mit der Antenne 300 zu koppeln sind. Das andere Ende des Clips 516 ist im Allgemeinen freihängend und erstreckt sich von der Leiterplatte 202 dorthin wo die Antenne 300 anzuordnen ist. Insbesondere ist der Clip 516 benachbart zum Ende der Bahn 302 positioniert, wo das Kontaktflächenelement 308 oder 310 gelegen ist. Wie in den Figuren gezeigt, ist der Clip 516 in kreisförmiger oder bogenartiger Weise gebogen, was eine Struktur vorsieht, die flexibler und einfacher zu bearbeiten ist. Jedoch ist auch bekannt, dass andere Arten von Clips nützlich sind. Der Federkontakt oder Clip 516 wird typischerweise aus einem Metallmaterial hergestellt, wie beispielsweise aus Kupfer oder Messing, jedoch kann irgendein verformbares leitendes Material, welches für diese Art von Anwendung bekannt ist, verwendet werden abhängig von der Signaldämpfung oder anderen erwünschten Kontaktcharakteristika, wie in der Technik bekannt ist.
Weil die Antenne 300 nicht über einer Masseebene, wie beispielsweise der Schicht 504, oder parallel dazu und direkt benachbart positioniert ist, hat die Antenne einen ausreichend großen Abstrahlungswiderstand oder behält diesen bei. Dies bedeutet, dass es möglich ist, eine geeignete Abstimmung für die Antenne 300 vorzusehen, ohne beträchtliche Verluste zu verursachen, d.h. die Antenne hat eine gut passende Impedanz. Diese Effizienz wird beibehalten, auch wenn die Antenne 300 zu verschiedenen Positionen bewegt wird, die zu einer Seite der Leiterplatte 202 versetzt sind, d.h. wenn sie seitlich bewegt wird, jedoch nicht näher an das Board 202 heran.
Durch Anordnen der Antenne benachbart zur Masseebene und darüber, über eine Kante davon hinaus, relativ zum Gehäuse, sieht die Antenne ein sehr omnidirektionales Muster vor, und zwar mehr als eine herkömmliche Peitschenantenne. Die se Positionierung der Antenne bedeutet auch, dass das daraus resultierende Strahlungsmuster im Wesentlichen vertikal polarisiert ist, wie für die meisten Drahtloskommunikationsvorrichtungen erwünscht.
Ein Vorteil der Substratantenne ist, dass sie nicht das Entfernen eines Teils der Masseebene oder der Leiterplatte erfordert, um entweder montiert oder am Platz positioniert zu werden. Große Patch-Antennen oder Elemente erfordern so viel Grundfläche oder Fläche, dass es nötig ist, dass ein Teil der Leiterplatte entfernt wird oder Schaltungen bewegt werden, um einen Platz zur Montage zu haben. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung auch eine Verbesserung für den Betrieb dieser anderen Arten von vorgeschlagenen inneren Antennen vorsehen, und zwar durch Verringerung der Rauschaufnahme und durch Steigerung der relativen Bandbreite.
Es gibt drei Hauptenergieverluste, welche den Betrieb der Antenne 300 in einer Drahtlosvorrichtung beeinflussen. Diese sind ein Verlust mangels Impedanzabgleich, der durch eine dielektrische Last einer Hand eines Benutzers verursacht wird, die Absorption durch den Kopf des Benutzers, und die Absorption durch die Hand des Benutzers. Ein solcher Verlust durch Energieabsorption oder fehlenden Abgleich kann die Performance verschlechtern. Beispielsweise kann Absorption durch die Hand oder den Kopf beträchtlich Signale dämpfen, die von der Drahtlosvorrichtung verwendet werden, was somit die Performance verschlechtert.
Ein Teil der Antenne 300, der als am empfindlichsten für diese Effekte angesehen wird, ist das offene, nicht einspeisende Ende und benachbarte und gebogene Abschnitte der Bahn 302. Dieser Teil der Antenne kann innerhalb des Telefongehäuses gelegen oder positioniert sein, so dass eine Hand des Benutzers den wenigstens Kontakt herstellen wird oder eine beträchtliche Beabstandung mit der Hand beibehalten wird. Diese Antennenkonstruktion gestattet eine Flexibilität bei der Anordnung innerhalb der Drahtlosvorrichtung, um die Absorption durch die Hand zu minimieren, und um viel wichtiger den Verlust durch Fehlablgeich zu verringern, der durch die Anwesenheit einer Hand oder anderer Teile benachbart zu einer Antenne erzeugt werden kann (außer wenn eine solche Verschiebung erwünscht ist).
Um die Effekte der Last durch die Hand zu verringern, um die Energieverteilung zu verbessern und um andere Vorteile vorzusehen, kann die Antenne eine leitende Abschirmung haben, die neben den Antennenbahnen positioniert ist. Für manche Anwendungen ist es wünschenswert ein elektrisch leitendes Abschirmungsmaterial benachbart zur Substratantenne oder um einen Teil davon herum anzuordnen. Dies erzeugt eine "abgeschirmte" Substratantenne, die verbesserte Strahlungscharakteristika haben kann, und zwar durch Einrichten einer Nullstrom-Nahfeldanordnung, wobei Energie direkt in das Fernfeldmuster der Antenne geleitet wird. Die Abschirmung wird typischerweise als Schichten von leitendem Material gebildet, die in Ebenen parallel zu den Antennenbahnen und darüber oder darunter abgelagert sind. Dies wird im Allgemeinen unter Verwendung von zusätzlichen dielektrischen Substraten oder Materialien erreicht, die über den Bahnen abgelagert sind, und dann durch Ablagerung oder Beschichtung eines leitenden Materials darüber Jeweilige Abschirmungsschichten können auch elektrisch miteinander verbunden sein, um weiter die Abschirmung entlang den Seiten der Antenne unter Verwendung von Leitungsdurchlässen, Bändern und so weiter zu vergrößern. Eine Vielzahl von leitenden Materialien, Formen, Bauarten und Größen kann verwendet werden, um Abschirmungsschichten oder -strukturen für die Antenne zu formen. Eine solche Antenne wird in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/059,605 offenbart, die den Titel "Shielded Substrate Antenna" trägt, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Um weiter dabei zu helfen, die Antennengröße zu verringern, oder eine flexible Anordnung im Gehäuse 102 zu gestatten, kann die Antenne auch durch Positionierung oder Ablagerung eines leitenden Materials auf dem Gehäuse oder auf einer Oberfläche in der Drahtlosvorrichtung gebildet werden. D.h., wo es einen relativ klaren und uneingeschränkten Pfad entlang einer Gehäuseseitenwand gibt, kann die Bahn direkt an der Wand abgelagert oder ausgebildet werden. Dies ist in der quergeschnittenen Seitenansicht der 6 gezeigt, wo die Bahn 302 direkt am Gehäuse angeordnet ist, welches als ein Tragsubstrat wirkt.
Wo der Teil der zu verwendenden Gehäusewand metallbeschichtet ist oder aus einem Metallmaterial oder einem anderen elektrisch leitenden Material hergestellt ist, kann eine Zwischenschicht aus Isoliermaterial zwischen dem Gehäuse und den Bahnen 302 verwendet werden. In dieser Konfiguration könnte eine Metallschicht mit einer erwünschten Bahnkonfiguration auf einer dünnen Materialschicht mit einer Klebebeschichtung geformt werden, was das einfache Anordnen in der Drahtlosvorrichtung einfach durch einen Druck gegen die Seite des Gehäuses gestattet. Dieser Schritt könnte sogar unter Verwendung von in der Technik bekannten "Pick-And-Place"- bzw. "Aufnehmen-und-Platzieren"-Maschinen automatisiert werden.
Jedoch wird es dem Fachmann klar sein, dass die relative Positionierung der Antenne oder des leitenden Materials relativ zur Masseebene die gleiche sein sollte wie oben besprochen.
Unglücklicherweise gibt es, wenn sie in einigen Drahtlosvorrichtungen verwendet wird, wie beispielsweise im Telefon der 1a–1b, Situationen, in denen die Substratantenne dazu tendiert, eine geringere Verstärkung zu haben als erwünscht, was es der Drahtlosvorrichtung gestattet, "unempfindlich gestaltet zu werden" gegenüber bzw. durch Rauschen, und ein unerwünschtes Energieverteilungsmuster zu zeigen.
Substratantennen und andere interne Antennen sind von Natur aus benachbart zu einer Vielzahl von Signalquellen und Leitern positioniert, die ein Rauschen oder eine Signalaufnahme durch die Antenne induzieren können. Dies erfordert, dass die Drahtlosvorrichtung weniger empfindlich gestaltet wird, um die interne Rauschaufnahme zu eliminieren (reduzierte Verstärkung), was eine geringere Empfindlichkeit auf erwünschte Kommunikationssignale zur Folge hat. Eine interne Antenne gestattet auch, dass Energie oder Strahlung in unterwünschte Modi oder Richtungen in der Vorrichtung oder Schaltung geleitet oder gekoppelt wird, was auch die erreichbare Antennenverstärkung verringert. Zur gleichen Zeit kann eine Energiekoppelung bewirken, dass ein Teil der Energie in unerwünschter Weise von anderen Elementen als der Antenne entlang einer Richtung zu einem Benutzer der Vorrichtung hin abgestrahlt wird.
Während eine Substratantenne eine verbesserte Bandbreite zeigt, gibt es zusätzlich ein fortgesetztes Interesse an Drahtlosvorrichtungskonstruktionen mit gesteigerter Bandbreite. Dies ist insbesondere nützlich für Vorrichtungen, die in, oder über, mehrere Kommunikationssystemen hinweg, in mehreren Ländern, oder in unterschiedlichen "Betriebsmodi" verwendet werden, wo mehrere Frequenzen verwendet werden.
Das Ergebnis ist, dass obwohl die Substratantenne eine interne Antenne ist, diese positioniert werden kann, um den Einfluss einer Last durch die Hand zu minimieren, und obwohl sie weniger empfindlich als frühere Antennen ist, zusätzliche Anstrengung erwünscht ist, um Verluste durch Fehlabgleich und Rauschen zu verringern, während die Gesamtbandbreite und Verstärkung verbessert werden. Um diese und andere Probleme in gewissen Drahtlosvorrichtungskonfigurationen zu lösen, ist ein neues parasitäres Element oder ein Patch erzeugt worden, welches in Kombination mit der Substratantenne arbeitet. Der Aufbau und Betrieb dieses Elementes ist unten veranschaulicht.
Wie in 7 gezeigt, hat eine Clam-Shell-Drahtloskommunikationsvorrichtung oder eine Klappdrahtloskommunikationsvorrichtung oder ein derartiges Telefon 700, wie in den 1a und 1b zu sehen, einen oberen Gehäuseabschnitt oder -teil 702 und einen unteren Abschnitt oder Teil 704, die aneinander an einem Drehgelenk 706 befestigt sind. Bei dieser Anordnung wird der obere Teil 702 im Allgemeinen verwendet, um den Telefonhörer 110 zu tragen oder aufzunehmen, möglicherweise eine Anzeige 112, eine Batterie oder eine Energieversorgung 120, und möglicherweise eine (nicht gezeigte) Alarmvorrichtung, wie beispielsweise eine Vibrationsvorrichtung oder ein spezielles Beepermodul, die alle in der Technik wohl bekannt sind.
Ein flexibles Kabel, eine flexible Leitung oder sehr feine, flache oder kleine flexible Leiter oder Kabel werden verwendet, um Leistung oder Signale zwischen einem Satz von Batteriekontakten 710, dem Lautsprecher 110 oder Alarmelementen, die in dem oberen Teil 702 montiert sind, und der Leiterplatte 202 im unteren Gehäuseteil 704 zu übertragen. Jedoch kann eine Vielzahl von bekannten Kabeln oder Drähten in der Drahtlosvorrichtung verwendet werden, um solche Signale zu und von einer Vielzahl von bekannten Elementen zu übertragen, ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen. Die Signale, die bei dieser Art von Übertragungen involviert sind, haben sehr geringe Leistung und Frequenz und stellen im Allgemeinen kein Problem für den Telefonbetrieb oder für einen Benutzer der Drahtlosvorrichtung dar. Diese Signale können entweder in analoger oder digitaler Form sein, und zwar abhängig von der Anwendung und dem speziellen Signal.
Ein Satz von solchen Leitern in Form eines flachen, flexiblen Kabels 712 mit mehreren Leitern ist in 7 gezeigt, wobei dies von Positionen gerade unter dem Board 202 über die Verbindung und nach oben zu den Batteriekontakten 710 und einem Satz von Lautsprecherkontakten 714 läuft. Unglücklicherweise laufen diese Leiter sehr nahe an mindestens einem Ende der Bahn 302 der Antenne 300. In dem in 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Leiter benachbart zum Einspeisungsteil der Antenne 300 und nahe dem Clip 516 angeordnet, der effektiv als ein Teil der Antenne 300 wirkt, anders als die Verbindungselemente oder Kontakte für die in 2 gezeigte Peitschenantenne, die abgeschirmt sind und weiter entfernt von solchen Leitern sind. Dies hat verschiedene Probleme für die Drahtlosvorrichtung zur Folge.
Diese Positionierung der Leiter gestattet, dass durch sie erzeugte elektromagnetische Felder mit der Antenne zusammenwirken, die einen Teil der Energie von Feldern um die Leiter herum annimmt oder "aufnimmt", oder die aus den Leitern austritt. Zusätzlich können Signale von anderen Quellen den nicht abgeschirmten Leitern auferlegt werden oder von diesen aufgenommen werden, und zu einer Region nahe der Antenne übertragen werden. Das Ergebnis ist, dass zumindest ein gewisser Teil der Signale, die in den Leitern laufen oder von diesen aufgenommen werden, in die Antenne übertragen wird. Signale, die von solchen Leitern in die Antenne eingekoppelt werden, können in die Empfangsschaltung für die Drahtlosvorrichtung übertragen werden, wo sie verstärkt werden. Dies ist nicht wünschenswert, da solche Signale keine nützlichen Kommunikationssignale sind sondern Rauschen darstellen. D.h., ausgegebene Audiosignale, die für einen Lautsprecher (110) vorgesehen sind, Befehle oder Signale, die verwendet werden, um eine Alarmvorrichtung auszulösen, oder auch Signale von Batterieleitungen, können der Antenne (300) auferlegt werden. Zusätzlich könnten einige andere Signale von diesen Leitern abgefangen werden, die nicht abgeschirmt sind, was eine Ausgabe aus der Antenne oder der Sendeschaltung mit einschließt.
Auf jeden Fall muss dieses Rauschen ignoriert oder in der Drahtlosvorrichtung unterdrückt werden. Dies verlangt eine Verringerung der Empfindlichkeit der Vorrichtungsempfangsschaltungen, um Rauschen zu berücksichtigen. D.h., solche Schaltungen müssen weniger empfindlich auf Signale mit niedrigem Pegel (Rauschen) sein, um solches Rauschen nicht zu verstärken und in den Rest der Verarbeitungsschaltungen rückzukoppeln. Unglücklicherweise hat dies auch eine Verringerung oder Verschlechterung der Fähigkeit zur Detektion oder Anwendung von "echten" erwünschten Kommunikationssignalen mit niedriger Leistung zur Folge. Ein weiterer entfernter liegender Nebeneffekt ist, dass das Kommunikationssystem mehr Leistung im Durchschnitt verwenden muss, um gewisse Drahtlosvorrichtungen zu erreichen, was eine stärkere Interferenz für andere Systembenutzer erzeugt und die Gesamtsystemkapazität verringert.
Zur gleichen Zeit können die Leiter eine Resonanz in einem gewissen Ausmaß oder Grad mit den Feldern zeigen, die durch die Antenne erzeugt werden, und ein kleiner Prozentsatz der Antennenabstrahlung oder Energie wird in die Leiter zurückgeleitet. Während dieser Effekt im Vergleich zu der Energie oder Leistung sehr klein ist, die durch den Federclipkontakt 516 übertragen wird, kann er immer noch einen beträchtlichen Verlust darstellen, und den Betrieb des Drahtlostelefons auf verschiedene Arten beeinflussen. Erstens stellt Energie, die von der Antenne in einen gewissen anderen Teil des Telefons zurückgeleitet wird, einen Leistungsverlust für die Kommunikation dar. Dies führt dazu, dass mehr Leistung von begrenzten Ressourcen verbraucht wird, wie beispielsweise von den Batterien, um ein spezielles Ausgangsleistungsniveau oder -budget aufrecht zu erhalten, wie dies in der Technik bezeichnet wird. Dies hat einen möglichen Einfluss sowohl auf die Kommunikationsqualität als auch auf die Betriebs- oder Standby-Zeit, die für das Telefon verfügbar ist.
Daher verändert die vorliegende Erfindung die Art und Weise, in der die Leiter in Regionen um die Antenne herum oder benachbart dazu konfiguriert sind, um die Energie zu verringern, die zur Antenne durch solche Leiter abgestrahlt oder über tragen wird. In Zusammenarbeit mit einer Substratantenne steigert diese Technik die Antennenverstärkung, die Empfangsempfindlichkeit der Drahtlosvorrichtung und die Antennenbandbreite, verbessert die Impedanzanpassung und verringert eine unerwünschte Strahlung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Draufsicht der 8 und in der seitlichen Querschnittsansicht der 8b gezeigt. In den 8a und 8b und den folgenden Figuren ist nur ein Umriss der Leiterplatte 202 zum Zwecke der Verdeutlichung der Darstellung gezeigt. Eine dünne fast flache Verkabelung oder ein flexibles Kabel 712 bestehend aus einer Reihe von Leitern erstreckt sich von einem oder mehreren Verbindungselementen an der Unterseite der Leiterplatte 202 oder von einer Oberseite des Boards abhängig von der speziellen Konstruktion. Dem Fachmann ist diese Art der Leitermontage und diese Art von Verbindungselementen, mit denen sie eine Verbindung herstellt, sehr vertraut.
Die Verkabelung 712 läuft nahe dem Ende der Antenne 300 und entlang einer Außenfläche des Oberteils 702 vorbei. Nahe dem oberen Ende der Verkabelung 712 erstrecken sich andere der Leiter in unterschiedlichen Richtungen oder entlang anderen Pfaden, um eine Verbindung zu einem oder mehreren Batteriekontakten 710, Lautsprecherkontakten 714 oder gemischten Kontakten herzustellen, die für die Übertragung von anderen Arten von wohl bekannten Signalen oder Spannungen verwendet werden. In dieser Konfiguration, wobei die Verkabelung oder das Kabel 712 direkt benachbart zur Antenne 300 verläuft, wird ein flüchtiges Rauschen angetroffen oder in die Antenne eingekoppelt. Dies bedeutet, dass die Empfindlichkeit der Aufnahmeschaltungen oder der Verarbeitungselemente, die mit der Antenne verbunden sind, verringert werden muss, um den Einfluss des Rauschens zu verringern. Dies hat eine entsprechende Verringerung oder einen Abfall der Gesamtempfindlichkeit für die Drahtlosvorrichtung für Kommunikationssignale zur Folge. Es wurde bestimmt, dass die Größe dieser Verringerung im Bereich von 3-4 dB ist, was ziemlich signifikant ist.
Um eine Energieeinkoppelung zwischen dem Kabel 712 und der Antenne 300, oder in die benachbarte Luft um das Telefon, zu minimieren oder zu verhindern, wird ein parasitäres Element oder Patch 800 verwendet, um als ein Abschir mungselement zu wirken oder die Resonanz- oder Energiekoppelungscharakteristika des Kabels oder der Leiter zu verändern. Gleichzeitig wirkt das parasitäre Element 800 dahingehend, dass es eine Ladung über die Trennung, den Spalt oder Schlitz zwischen der Antenne 300 und der Masseebene der Leiterplatte 202 trennt, wobei dies die effektive oder virtuelle Fläche der Antenne bei der interessierenden Frequenz steigert. Dies steigert die Verstärkung und die Bandbreite der Antenne 300 entsprechend. Die Verstärkung der Drahtlosvorrichtung nimmt im Bereich von ungefähr 0,8 bis 1,5 dB zu.
Durch parasitäres Koppeln des parasitären Elementes mit der Masseebene der Leiterplatte 202 unter Verwendung des Kabels 712 kann ein weiterer Anstieg in der Verstärkung und Bandbreite der Drahtlosvorrichtung, erhalten werden. Dies kann bewirken, dass die Verstärkung um einen Faktor von ungefähr 0,8 bis 1,5 dB zunimmt. Das parasitäre Element und die parasitäre Koppelung steigert die Bandbreite der Drahtlosvorrichtungen um einen Faktor von mindestens ungefähr 1,5. Alternativ kann das parasitäre Element mit der Masseebene unter Verwendung eines Leiters gekoppelt werden, wie beispielsweise eines Drahtes 908, wie weiter unten besprochen wird, falls erwünscht.
Das parasitäre Element oder Patch 800 ist aus einem leitenden Material hergestellt, wie beispielweise aus Kupfer, Messing, Aluminium, Silber, Gold oder aus anderen leitenden Materialien oder Verbundstoffen, von denen bekannt ist, dass sie bei der Herstellung von Antennenelementen nützlich sind. Dies könnte leitende Materialien aufweisen, die in Plastik, Harz oder leitenden Epoxidharzen eingebettet sind.
Das Material zur Herstellung des parasitären Elementes kann unter Verwendung von einer von mehreren bekannten Techniken aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Ablagerung von Metall oder von leitendem Material auf einem Plastiktragelement oder einem Substrat, welches dann am Platz montiert wird, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Als eine Alternative kann eine dünne Platte oder Folie des leitenden Materials oder Metalls verwendet werden, die am Platz beispielsweise durch Klebestreifen oder unter Verwendung von Klebeverbundstoffen gesichert wird. Das Material selbst kann als ein dünnes Metallband oder ein "aufkle berähnliches Material" geformt sein, welches geeignet bemessen ist und dann über die Verkabelung 712 am Platz angedrückt wird. Das heißt, dünnere und flexiblere Elemente werden unter Verwendung einer Vielzahl von bekannten Mitteln am Platz gehalten, wie beispielsweise durch Klebeverbundstoffe oder Bänder. Dickeres Material oder Patch-Elemente werden im Allgemeinen unter Verwendung von Clips, Schrauben oder Schnappverbindungen am Platz gehalten, insbesondere wenn das Patch auch auf einem Substrat montiert ist, und zwar zum einfachen Transport und zur Entfernung zur Instandhaltung der Verkabelung 712. Es ist auch möglich, eine Standardplattierung oder eine andere Ablagerungstechnik zu verwenden, um eine Schicht des leitenden Materials über dem Kabel und der Oberfläche des Drahtlosvorrichtungsgehäuses aufzubringen. Dies weist auf, leitendes Material in flüssiger Form zu verwenden, ähnlich wie dies zur Herstellung der Substratantenne besprochen wurde.
Zusätzlich ist, während das Patch-Element als eine einzige Schicht des leitenden Materials dargestellt ist, die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise können mehrere Schichten von Material verwendet werden, um bestimmte Bereiche abzudecken oder um eine gewünschte Gesamtdicke für das parasitäre Element zu erreichen, basierend auf der Frequenz oder der Größe der Energie, die abgeblockt werden soll. Mehrere Schichten können verwendet werden, um eine bestimmte komplexe Form zu erreichen oder die Herstellung zu vereinfachen. Mehrere Schichten von Material können auch auf anderen Materialien abgelagert werden oder mit diesen verschachtelt werden, wie beispielsweise ein tragendes Substrat. Alternativ werden dort mehrere Schichten verwendet, wo ein Patch oder eine leitende Schicht positioniert werden soll, und zwar auf den gegenüberliegenden Seiten von, oder verschachtelt mit, Leitern, im Gegensatz dazu, auf einer einzigen Seite positioniert zu werden.
Das parasitäre Element ist so befestigt, dass es mindestens einen signifikanten Teil des Kabels oder der Verkabelung abdeckt. Es scheint keinen genauen Prozentsatz des Kabels zu geben, der abgedeckt werden muss, sondern vielmehr basiert dieser auf dem Betrag der Energiekopplung oder Rückstrahlung, der in einer gegebenen Anwendung verhindert oder minimiert werden soll. Es wird bevorzugt, dass die gesamte Länge des Kabels abgedeckt wird, insbesondere in dem Bereich unter oder benachbart zur internen Antenne. Die Breite des parsitären Elements ist mindestens zweimal die Breite des Kabels oder Leitersatzes, das abgedeckt wird, um Feldkopplung mit der Antenne zu verhindern.
Der Fachmann wird den Betrag des Rauschens kennen, den er für eine gegebene Konstruktion einer Drahtlosvorrichtung zu unterdrücken wünscht, oder den Betrag des Rauschens der vorliegt und dem entgegengewirkt werden soll, um einen vorbestimmten Zielempfindlichkeitswert für die Vorrichtung zu erreichen. Er wird auch den Faktor kennen, um den die effektive Antennenfläche und die entsprechende Verstärkung und Bandbreite für bestimmte Vorrichtungsanwendungen erhöht werden soll. Diese Faktoren werden verwendet, um bestimmte Abmessungen für die Patch-Elemente auszuwählen.
In den 8a und 8b ist ein parasitäres Patch 800 so gezeigt, dass es den gesamten Bereich zwischen dem Gelenk 706 und den Batteriekontakten 710 abdeckt. Während diese Anordnung als eine Anordnung bevorzugt wird, für die es wahrscheinlicher ist, dass sie funktioniert oder den gewünschten Effekt hat, muss das Patch nicht immer so groß sein, um richtig zu funktionieren, oder den Betrieb der Drahtlosvorrichtung zu verbessern.
Das in 8a und 8b gezeigte parasitäre Element verwendet eine rechteckige oder quadratische Form oder einen solchen Gesamtumriss. So lange jedoch ein geeigneter Anteil des Kabels abgedeckt ist, kann das Patch-Element 800 eine Vielzahl von anderen Formen oder Konfigurationen annehmen. Alternative Ausführungsbeispiele oder Konfigurationen für das parasitäre Patchelement der 8a und 8b sind in den Ansichten der 9a–9d gezeigt. In 9a ist ein parasitäres Element 900 gezeigt, das von der Form eine Kreisform oder Ellipse verwendet; in 9b verwendet das parasitäre Element 902 eine dreieckige Form; in 9c verwendet das parasitäre Element 904 eine eher langgestreckte Form mit runden Kanten; und in 9d hat das parasitäre Element 906 eine komplexere Serie von geradlinigen und abgewinkelten Kanten oder Seiten.
In jeder der Figuren wird das parasitäre Element (800, 900, 902, 904 und 906) so gezeigt, dass es mit der Masse für die Drahtlosvorrichtung verbunden oder daran gekoppelt ist. Hier ist diese Masse auf der Leiterplatte 202 gelegen und ist die Masseebene dieser Leiterplatte 202, aber dies muss nicht der einzige Fall sein. In 9a wird diese Kopplung so gezeigt, dass sie parasitär ist, wobei Signale an die Masse gekoppelt werden durch eines der Kabel, das mit der Verkabelung 712 verläuft oder einen Teil davon bildet. In den 9b, 9c und 9d wird diese Kopplung so gezeigt, dass sie Draht, Kabel oder einen ähnlichen Leiter 908 verwendet. In 9b verbindet ein Leiter 908 die Masseebene in der Leiterplatte 202 durch ein Verbindungselement 910. In 9c verbindet das Verbindungselement 908 eine Masseleitung für die Batterieterminals bzw. -anschlüsse 710 und in 9d verbindet das Verbindungselement 908 die Masseebene in der Leiterplatte 202 durch einen der Leiter in der Verkabelung 712. Die Verbindung des parasitären Elements zum Erdungs- bzw. Masseleiter 908, oder der Verkabelung 712 oder dem Board 202 kann erreicht werden durch Verwendung einer Vielzahl von wohl bekannten Verbindungstechniken oder Vorrichtungen, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, Löten, leitende Klebemittel oder aushärtende Verbundstoffe, Drahtclips, Tabs, gecrimptes Material oder andere elektrische Verbindungselemente. In einigen Anwendungen kann der Leiter eine Kontaktoberfläche an einem Ende aufweisen, die einfach gegen das parasitäre Element gedrückt wird unter Verwendung anderer Befestigungselemente, Zapfen oder Ähnlichem innerhalb der Drahtlosvorrichtung. Die Fläche oder die Abmessung des parasitären Elements 800 kann auch angepasst werden bezüglich der Frequenzen der antizipierten oder erwarteten Signale, die durch das parasitäre Element reduziert oder eliminiert werden sollen.
In den 8a, 8b und 9a–9d ist ein parasitäres Element 800 gezeigt, das über der Verkabelung oder dem Kabel relativ zur Vorderseite und Rückseite des Telefons positioniert ist. D.h., die Kabelanordnung oder Verkabelung wird vor Ort befestigt zunächst während der Montage des Telefons, und das Patch-Element wird später über der Verkabelung positioniert. Jedoch könnte das Patch zuerst installiert werden und die Verkabelung als zweites. Dies hat den Vorteil, dass man die Verkabelung in einer besser bedienbaren Position hat, ohne eine Entfernung des Patches nötig zu machen. Dies sieht auch eine potentiell einfacher automatisierte Platzierung bzw. Anordnung oder Ablagerung des Patch-Materials während der Telefonherstellung vor.
Zusätzlich ist, während nur ein Patch-Element in den 8a, 8b, und 9a–9d dargestellt ist, die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise können mehrere Patches verwendet werden, um bestimmte Bereiche abzudecken, wo die Strahlungskopplung am stärksten ist, oder einfacher zu steuern. Mehrere Patches können verwendet werden, um eine bestimmte komplexe Form zu erreichen, oder die Installation zu vereinfachen. Alternativ können auch mehrere Patches verwendet werden, wo ein Patch oder eine leitende Schicht auf sich gegenüberliegenden Seiten von Leitern positioniert werden soll, im Gegensatz zu einer einzelnen Seite.
Ein Ausführungsbeispiel des parasitären Patch-Elements, das oben beschrieben wird, wurde in Form eines dünnen metallischen "Aufklebers" bzw. "Stickers" hergestellt, der an Größe ungefähr 51 mm mal 41 mm hatte, und wurde über eine Struktur eines flexiblen Kabels in einem Drahtlostelefon angeordnet. Eine interne Antenne in Form einer abgeschirmten Substratantenne, die die Abmessungen bzw. Dimensionen aufweist, die oben mit Bezug auf 4d beschrieben wurden, wurde in dem Telefon eingesetzt. Das Ergebnis der Verwendung des erfinderischen parasitären Elements war eine ungefähre Erhöhung der Verstärkung für das Drahtlostelefon von ungefähr 2-3 dB, und eine Erhöhung der Antennenbandbreite um einen Faktor von ungefähr 1,8, oder eine Erhöhung von ca. 80 Prozent. Zusätzlich wurde der Impedanzabgleich mit anderen Elementen, die mit der Antenne verbunden waren, verbessert, was Verluste durch Fehlabgleich reduzierte. Diese Ergebnisse zeigen klar, dass das neue parasitäre Patch-Element den Einfluss des Rauschens verringert, die Bandbreite erhöht und andere Eigenschaften und Effekte vorsieht, die es für Anwendungen in Drahtloskommunikationsvorrichtungen sehr nützlich machen.
Die physischen Vorteile und Ergebnisse der Verwendung einer internen Antenne gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung, und die Entfernung sowohl der Peitschenantenne 104 als auch der schraubenförmigen Antenne 106 werden leicht ersichtlich in der Seitenansicht der 5c. In 5c ist ein Telefon 100' gezeigt, das das gleiche Telefon der 1b ist, aber das die vorliegende Erfindung verwendet anstatt der Antennen 104 und 106. In dieser Konfiguration ist ein Ge häuse 102' hergestellt worden ohne die Öffnungen, die normalerweise mit externen Antennen verbunden sind, was eine ästhetischere Erscheinung vorsieht.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird vorgesehen, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die vorliegende Erfindung herzustellen oder zu verwenden. Die verschiedenen Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann ersichtlich sein, wie beispielsweise die Art der Drahtlosvorrichtung, in der sie verwendet wird, und die generischen Prinzipien, die hierin definiert sind, können auf andere Ausführungsbeispiele ohne die Anwendung erfinderischer Tätigkeit angewandt werden.

Claims

Ein Drahtloskommunikationsgerät bzw. -vorrichtung, das ein parasitäres Element (800, 900) und eine interne Substratantenne (300) aufweist, wobei das Drahtloskommunikationsgerät ein oder mehrere Signal- oder Leistungstransferleiter oder Signaleinspeisungen (712) besitzt, die benachbart zu der Antenne angeordnet sind, wobei die Substratantenne Folgendes aufweist: eine oder mehrere leitende Spuren bzw. Bahnen (302), getragen auf einem dielektrischen Substrat (304) mit einer vorbestimmten Dicke; und das tragende Substrat (304) ist befestigt versetzt von und im Allgemeinen senkrecht zu einer Grund- bzw. Masseebene, die der Drahtlosvorrichtung (100, 700) zugeordnet ist, montiert ist, und das parasitäre Element weist Folgendes auf: mindestens eine Schicht aus leitendem Material angeordnet benachbart zu einem oder mehreren der Leiter (712) in einem Bereich benachbart zu der Antenne (300) mit einer vorausgewählte Breite relativ zu den Leitern und einer vorausgewählten Länge entlang der Leiter, die ausreicht, um zu verhindern, dass Energie zwischen der Antenne und Leitern in der Region der Schicht gekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus leitendem Material entweder über oder unter einem oder mehreren der Leiter (712) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Leiter sich zwischen vorausgewählten Signalverarbeitungselementen der Drahtlosvorrichtung und Leistungsquellen erstrecken und einen Teil besitzen, der unmittelbar benachbart zu der Antenne (300) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mindestens zwei Schichten von leitendem Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorausgewählte Breite mindestens doppelt so breit ist wie die Leiter.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Schicht des leitenden Materials ein Patch aufweist aus dünnem elektrisch leitendem Material platziert über den Leitern benachbart zu der Antenne (300).
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Patch parasitär an die Grundebene bzw. Masseebene der Drahtlosvorrichtung (100, 700) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Patch eine im Wesentlichen rechteckige Form besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Patch (900) eine im Wesentlichen kreisförmige Form besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Patch (902) eine im Wesentliche dreieckige Form besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Patch (906) eine komplexe geometrische Form besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das leitende Material von der Größe her so konfiguriert ist, dass ein wesentlicher Teil der Energie aus der Kopplung zwischen den Leitern und Antenne (300) reduziert wird, und zwar durch Ändern der Resonanz oder Energiekopplungscharakteristiken der Leiter.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das leitende Material von der Größe her so konfiguriert ist, dass es die effektive Fläche und den entsprechenden Gewinn bzw. Verstärkung und Bandbreite der Antenne (300) um vorausgewählte Beträge erhöht.