FI114587B

FI114587B - Tasoantennirakenne

Info

Publication number: FI114587B
Application number: FI991929A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Jyrki Mikkola
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2004-11-15
Also published as: EP1083624A2; FI19991929A; US6380905B1; DE60026132T2; EP1083624A3; ATE318453T1; CN1289157A; CN1188929C; EP1083624B1; DE60026132D1

Description

114587

Tasoantennirakenne

Keksintö koskee pienikokoisten radiolaitteiden, kuten matkapuhelimien, sisäistä ta-soantennirakennetta.

5 Kannettavissa radiolaitteissa antennin sijoittuminen laitteen kuorien sisälle on hyvin suotava ominaisuus ulkonevan antennin epäkäytännöllisyyden vuoksi. Esimerkiksi nykyisissä matkaviestimissä sisäisen antennin on luonnollisesti oltava pienikokoinen. Tämä vaatimus korostuu matkaviestinten edelleen pienentyessä. Lisäksi kaksi-kaista-antenneissa ainakin ylemmän toimintakaistan tulisi olla suhteellisen leveä, 10 varsinkin jos kyseisen laitteen on tarkoitus toimia useammassa kuin yhdessä aluetta 1,7-2 GHz käyttävässä järjestelmässä.

Yleisin ratkaisu pyrittäessä pienikokoiseen antenniin on PIFA (planar inverted F-antennaj-tyyppinen rakenne. PIFA:n säteilevä elementti voi muodostaa yhtenäisen tason, jolloin saadaan yhden käyttökelpoisen toimintakaistan antenni. Säteilevässä 15 tasoelementissä voi myös olla rako, joka jakaa sen syöttöpisteestä katsottuna kahteen haaraan, jolloin voidaan saada kahden käyttökelpoisen toimintakaistan antenni. Jälkimmäinen rakenne on kiinnostavampi, koska kahdessa, eri taajuusaluetta käyttävässä järjestelmässä toimivat viestimet ovat tulleet yleisiksi. Kaksikaistainen raken-; ‘ j *: ne sopii myös tarkasteltavaksi kuvattaessa esillä olevaa keksintöä.

' · * * 20 Kuvassa 1 on esimerkki tekniikan tason mukaisesta kaksikaistaisesta PIFAista. Siinä » ( · ’ * * on vaakasuuntaiseksi piirretty ko. laitteen runko 120, joka toimii antennin maataso- ; na. Maatason yläpuolella on eristekappaleilla, kuten 105, tuettu tasomainen säteile- : vä elementti 110. Tämän ja maatason välillä on oikosulkukappale 102. Säteilevä . : *: elementti 110 saa syöttönsä maatasossa olevan reiän 103 kautta erääseen pisteeseen 25 F. Säteilevässä elementissä on sen reunasta alkava ja kahden suorakulmaisen mut-kan jälkeen lähelle syöttöpistettä F ulottuva rako 115. Tämä jakaa säteilevän ele-•: ·. mentin syöttöpisteestä F katsottuna kahteen eri pituiseen haaraan A1 ja A2. Pitempi • haara AI käsittää tässä esimerkissä pääosan säteilevän elementin reuna-alueista, ja sen resonanssitaajuus on antennin alemmalla toimintakaistalla. Lyhyempi haara A2 * · t 30 käsittää säteilevän elementin keskialueen, ja sen resonanssitaajuus on antennin . * · ·. ylemmällä toimintakaistalla.

! * · * ·

Kuvan 1 mukaisessa rakenteessa säteilevän elementin haarojen välinen rako on suhteellisen kapea, jolloin haarojen välillä on merkittävän suuri sähkömagneettinen kytkentä. Tämän seurauksena haarojen sähköinen pituus on mekaanista pituutta suu- 2 1 1 4587 rempi. Tästä puolestaan seuraa se etu, että tietyillä taajuusalueilla toimivasta antennista tulee pienempi verrattuna vastaavaan antenniin ilman mainittua sähkömagneettista kytkentää. Kytkennän haittana kuitenkin on, että antennin sähköiset ominaisuudet huononevat; esimerkiksi kaistanleveys pienenee ja häviöt kasvavat. Kääntäen, 5 jos säteilevän elementin rakoa levennetään, niin antennin sähköiset ominaisuudet paranevat, mutta antenni on valmistettava kooltaan suuremmaksi. Taajuuskaistoja voidaan tunnetusti leventää myös suurentamalla säteilevän elementin ja maatason välimatkaa, mutta tämänkin järjestelyn haittana on antennin koon suureneminen.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja.

10 Keksinnön mukaiselle rakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: PIFA-tyyppisen antennin säteilevän elementin ulkopinnan tasosta ulospäin järjestetään kerros dielektristä materiaalia, jonka di-15 elektrisyyskerroin on suhteellisen suuri. Kerros sijoitetaan kattamaan ainakin alueet, joissa sähkökenttä on voimakkain antennin resonoidessa. Kaksikaista-antennin tapauksessa säteilevän elementin rako tehdään edullisesti niin leveäksi, että elementin haarojen välisen kytkennän vaikutus on vähäinen.

Dielektrisen materiaalin lisäämisellä on se tunnettu vaikutus, että antennin reso- * » · :: : 20 nanssitaajuus, tai -taajuudet siirtyvät alaspäin, jolloin tietyn resonanssitaajuuden pi- :· täminen ennallaan edellyttää resonoivan elementin koon pienentämistä. Toisaalta di- : elektrisen materiaalin edullisiin kohtiin lisäämisellä on se vaikutus, että antennin •: · : impedanssi pysyy laajemmalla taajuusalueella lähellä nimellistä arvoa, mikä merkit- ; ’"; see kaistanleveyden suurentumista. Tämä perustuu säteilevän elementin ja maatason , 25 välisen tilan ulkopuolella kulkevan hajavuon ohjautumiseen laajemmalle reitille.

Säteilevän elementin raon leventämisestä seuraa, kuten edellä on selostettu, antennin ... sähköisten ominaisuuksien paraneminen, mutta toisaalta se, että antenni on valmis- ' tettava kooltaan suuremmaksi haluttaessa resonanssitaajuudet määrättyihin paikkoi- ; : him 30 Yhdistämällä sopivasti dielektrisen materiaalin lisäys säteilevän elementin ’’päälle” ” * ja elementin raon laajennus, antenni voidaan tehdä kooltaan pienemmäksi ja säh- :: köisiltä ominaisuuksiltaan vähintään yhtä hyväksi kuin vastaava tekniikan tason mu- : ‘: kainen antenni. Vaihtoehtoisesti antennin sähköisiä ominaisuuksia voidaan olennai sesti parantaa antennin kokoa suurentamatta. Jälkimmäisessä tapauksessa dielektri-35 sen materiaalin lisäyksen ja säteilevän elementin raon laajennuksen vaikutukset an- 3 114587 termin kokoon ovat vastakkaiset. Luonnollisesti voidaan keksinnön mukaisesti järjestää myös rakenne, joka sijoittuu mainittujen kahden tapauksen välialueelle tai tämän ulkopuolelle. Lisäksi keksinnön etuna on, että sen mukainen rakenne on yksinkertainen ja valmistuskustannuksiltaan suhteellisen pieni.

5 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta PIFA-antennista, kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta PIFA-antennista, kuva 3 esittää kuvan 2 mukaista rakennetta sivulta kuvattuna, 10 kuva 4 esittää keksinnön eräitä suoritusmuotoja, kuva 5 esittää keksinnöllä saavutettavaa etua kuvaajien avulla, ja kuva 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta matkaviestimestä.

Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

• :· 15 Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antennin 200 pe- ! . rusratkaisu on samanlainen kuin kuvassa 1. Siihen kuuluu säteilevä elementti 210, maataso 220 ja näiden välinen oikosulkukappale 202. Antennin syöttöjohdon sisä- • · johdin liittyy maatasossa olevan reiän 203 kautta säteilevään tasoon 210 eräässä * ’ pisteessä F, joka on kuvan esimerkissä lähellä säteilevän elementin etureunaa. Sätei- :: : 20 levässä elementissä 210 on sen kuvassa vasemmasta reunasta alkava ja lähelle syöt- v ·’ töpistettä F ulottuva rako 215. Kuten kuvassa 1, myös kuvassa 2 säteilevän elemen tin rako jakaa sen syöttöpisteestä F katsottuna kahteen haaraan AI ja A2. Haara AI on pitempi kuin haara A2. Erona kuvaan 1 on, että rako 215 on keksinnön mukai-;. sesti huomattavan laaja. Se erottaa haarat AI ja A2 niin kauas toisistaan, että niiden 25 välinen sähkömagneettinen kytkentä on olennaisesti heikompi kuin kuvan 1 raken-' teessä.

.!. Tärkeimmän eron tunnettuihin rakenteisiin muodostaa säteilevän elementin 210 ul- kopinnalla oleva dielektrinen levy 230. Säteilevän elementin ’’ulkopinta” tarkoittaa tässä ja patenttivaatimuksissa vastakkaista pintaa suhteessa säteilevän elementin 30 maatason puoleiseen pintaan. Dielektrinen levy 230 on kuvan 2 esimerkissä yhtenäinen, ja se peittää osan haarojen AI ja A2 syöttöpisteestä F katsottuna etäisimmis- 4 114587 tä päistä. Näillä alueilla dielektrisen materiaalin vaikutus antennin hajavuohon on suurin, koska elementin haaran ollessa resonanssissa sähkökenttä on voimakkain haaran etäpäässä, jolloin myös hajavuo on suurimmillaan siellä. Dielektrinen levy 5 230 peittää kuvan 2 esimerkissä lisäksi suuren osan haarojen AI ja A2 välisestä alu eesta 215.

Nimitetään tässä mainitunlaista dielektristä kerrosta superstraatiksi. ’’Superstraatti” voi olla esimerkiksi keräämiä tai muovia. Sen hajavuota ohjaava vaikutus on sitä suurempi, mitä suurempi on sen permittiivisyys. Suhteellisen permittiivisyyden εΓ 10 on tietenkin oltava suurempi kuin yksi; edullisesti suurempi kuin kymmenen. Kuitenkin kasvatettaessa kertoimen εΓ arvoa, superstraatin aiheuttamat häviöt kasvavat tietyssä vaiheessa haitallisen suuriksi. Optimaalinen kertoimen er arvo on tapauskohtainen; se voi olla esimerkiksi 40-50.

Kuvassa 3 on kuvan 2 mukainen rakenne sivulta, laitteen rungon korkeammasta 15 osasta päin nähtynä. Siinä näkyy maataso 220. Säteilevästä elementistä näkyvät päädyistään haarat AI ja A2, ja tummennettuna näiden välinen tila 215. Säteilevän elementin päällä on superstraatti 230 niin, että se peittää osittain haaroja AI ja A2 ja kokonaan näiden välisen tilan suuosan. Lisäksi kuvassa 3 näkyy säteilevän elementin syöttöjohdin 201, oikosulkukappale 202 sekä yksi tukikappale 206.

20 Kuvassa 4 on muutamia keksinnön suoritusmuotoja. Vasemmalla ylhäällä osakuvassa (a) on kuvan 2 mukainen järjestely maatason puolelta nähtynä. Siinä on sätei-levän elementin 410 ulkopinnalla superstraatti S, kuten kerros 230 kuvissa 2 ja 3.

; , Superstraatilla S on tietty permittiviteetti ε. Osakuvassa (b) on muuten samanlainen ' y järjestely kuin osakuvassa (a), paitsi että superstraatti on nyt kaksiosainen. Säteile- v * 25 vän elementin haaran AI päätä peittää superstraatti SI ja haaran A2 päätä peittää ’ *'· superstraatti S2. Osakuvassa (c) on kaksi superstraattia SI ja S2 kuten osakuvassa ; * '· (b), mutta sillä erolla, että niillä on eri permittiviteetti ε. Edellisellä tämä on ει ja ; jälkimmäisellä ε2. Lisäksi haaraa AI peittää vielä kolmas erillinen superstraatti S3, jolla on tietty permittiviteetti ε2. Osakuvassa (d) on tavanomainen, kapearakoinen 30 säteilevä elementti, ja tämän päällä keksinnön mukaisesti suhteellisen laaja superst-• ·, raatti Sd. Osakuvan (d) mukaisella järjestelyllä päästään erityisen pienikokoisiin an- '! ‘ tenneihin.

114587 5

Kuvassa 5 on antennin (jonkin) kaistanleveyden B periaatteellisia kuvaajia antennin tilavuuden V funktiona. Kuvaaja 51 edustaa tunnettua tekniikkaa ja kuvaaja 52 keksinnön mukaista tekniikkaa. Molemmat kuvaajat ovat nousevia käyriä, mutta keksinnön mukaista tekniikkaa edustava kuvaaja on ylempänä. Kuvaan on merkitty erästä 5 tunnetun tekniikan mukaista antennia vastaava piste P. Sovellettaessa keksintöä tähän antenniin, voidaan pisteestä P siirtyä eri suuntiin. Siirryttäessä pystysuunnassa kuvaajalle 52, saadaan erotuksena kaistanleveyden kasvu ΔΒ. Siirryttäessä vaakasuunnassa kuvaajalle 52, saadaan erotuksena tilavuuden vähennys AV. Kuvassa 5 esitettyjä vastaavat kuvaajat voitaisiin piirtää myös esimerkiksi antennin hyötysuh-10 teelle. Silloinkin keksinnön mukaista antennia edustava kuvaaja olisi ylempänä kuin tunnetun tekniikan mukaista antennia edustava kuvaaja.

Kuvassa 6 on matkaviestin 600. Siinä on keksinnön mukainen antenni 200, joka sijaitsee kuvan esimerkissä kokonaan matkaviestimen kuorien sisäpuolella.

Edellä on kuvattu erästä keksinnön mukaista antennirakennetta ja joitakin sen muun-15 nelmia. Keksintö ei rajoitu säteilevän elementin muotoilun puolesta eikä superstraa-tin sijoittelun puolesta juuri niihin. Keksintö ei myöskään rajoita tasoantennin muita rakenneratkaisuja eikä sen valmistustapaa. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

? I ·

Claims

114587

1. Antennirakenne, joka käsittää maatason ja tasomaisen säteilevän elementin, jossa on sen reunaan ulottuva rako, joka jakaa säteilevän elementin tämän syöttö-pisteestä katsottuna kahteen haaraan kahden erillisen toimintataajuusalueen muo- 5 dostamiseksi, tunnettu siitä, että säteilevän elementin (210) ulkopinnan tasosta ulospäin on mainittujen haarojen (AI, A2) syöttöpisteestä (F) katsottuna sähköisesti etäisimmät alueet ainakin osittain peittävä kerros dielektristä materiaalia (230) an-tennirakenteen impedanssikaistanleveyden suurentamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainitun raon 10 pinta-ala on suurempi kuin kymmenesosa säteilevän elementin pinta-alasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu dielekt-rinen kerros käsittää ainakin kaksi erillistä osaa (SI, S2).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että ainakin kahdella mainittuun dielektriseen kerrokseen kuuluvalla osalla on eri permittiviteetti (εΐ5 ε2).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainitun dielekt- risen materiaalin dielektrisyyskerroin on suurempi kuin kymmenen.

6. Radiolaite (600), joka käsittää antennin (200), johon kuuluu säteilevä taso, *. jossa on sen reunaan ulottuva rako, joka jakaa säteilevän tason tämän syöttöpistees- | tä katsottuna kahteen haaraan kahden erillisen toimintataajuusalueen muodostami- ; 20 seksi, tunnettu siitä, että mainitun säteilevän tason ulkopinnan tasosta ulospäin on ·: · mainittujen haarojen syöttöpisteestä katsottuna sähköisesti etäisimmät alueet aina- :. kin osittain peittävä kerros dielektristä materiaalia antennirakenteen impedanssikais- . * . tanleveyden suurentamiseksi.

25 Patentkrav