FI115343B - Sisäinen monikaista-antenni - Google Patents

Description

115343

Sisäinen monikaista-antenni

Keksintö koskee monikaista-antennia, joka soveltuu erityisesti pienikokoisten matkaviestimien sisäiseksi antenniksi.

Matkaviestimissä ovat yleistyneet mallit, jotka toimivat kahdessa tai useammassa 5 järjestelmässä, joilla kullakin on oma taajuuskaistansa. Viestimen toimimisen perusehto on, että sen antennin säteily- ja vastaanotto-ominaisuudet ovat tyydyttävät kaikilla kulloinkin kyseessä olevien järjestelmien kaistoilla. Ilman kokorajoitusta hyvälaatuinen monikaistainen antennirakenne on suhteellisen helppo tehdä. Kuitenkin matkaviestimissä antennin on ymmärrettävästi oltava pienikokoinen. Lisäksi 10 nykysuuntauksen mukaisesti antenni sijoitetaan käyttömukavuuden vuoksi mieluiten laitteen kuorien sisälle. Tämä lisää edelleen antennin suunnittelun vaativuutta.

Pienikokoisen laitteen sisälle menevä, riittävän hyvä antenni saadaan käytännössä helpoimmin tasorakenteena: Antenniin kuuluu säteilevä taso ja tämän kanssa samansuuntainen maataso. Sovituksen helpottamiseksi säteilevä tasoja maataso taval-15 lisesti yhdistetään sopivasta kohtaa toisiinsa oikosulkujohtimella, jolloin syntyy PI-FA-tyyppinen (planar inverted F-antenna) rakenne. Toimintakaistojen määrä saadaan lisätyksi kahteen jakamalla säteilevä taso johtamattoman raon avulla syöttöpis-teestä katsottuna kahteen eri pituiseen haaraan siten, että haaroja vastaavien antennin osien resonanssitaajuudet sattuvat haluttuihin kohtiin taajuusasteikolla.

20 Eräs toinen tapa toisen toimintakaistan muodostamiseksi tasoantennille on käyttää rakosäteilijää. Tällaista tunnettua antennia edustaa hakemusjulkaisussa FI990006 • · · · esitetty, kuvan 1 mukainen PIFA-rakenne. Siihen kuuluu maataso GND ja säteilevä *···. tasoelementti 120. Säteilevään tasoon liittyy antennin syöttöjohdin eräässä pisteessä F ja oikosulkujohdin eräässä lähellä syöttöpistettä olevassa pisteessä S. Säteilevässä * j 25 tasoelementissä 120 on tämän reunasta keskialueelle ulottuva rako 130. Varsinkin antennin syöttöpiste F on suhteellisen lähellä raon 130 tason reunaan avautuvaa päätä. Varsinainen tasoelementti resonoi tarkoitetuista toimintakaistoista alemmalla toimintakaistalla. Rako on mitoitettu siten, että se resonoi toisella, ylemmällä kais-'.*·*: talla. Kuvassa 1 näkyy myös säteilevän tason tukirakenne 105, joka on dielektrisestä 30 materiaalista tehty, seinämiltään suhteellisen ohut kehys.

Edellä kuvatuissa kaksikaistarakenteissa varsinkin ylempi toimintakaista voi olla ongelmallinen kapeutensa vuoksi; se saattaa kattaa huonosti yksittäisellekin järjes-:·]·, telmälle varatun kaistan. Ongelma korostuu, jos tavoitteena on kattaa ainakin kah- ψ \\ den, esimerkiksi taajuusalueella 1,7-2,0 GHz toimivan järjestelmän kaistat. Eräs • · • · 2 115343 ratkaisu on lisätä antennielementtien määrää. Esimerkiksi säteilevän tason päällä voi olla toinen säteilevä taso, jota syötetään galvaanisesti tai sähkömagneettisesti. Toisen säteilevän tason resonanssitaajuus järjestetään lähelle alemman tason ylempää resonanssitaajuutta siten, että muodostuu yhtenäinen, suhteellisen leveä toimin-5 takaista. Sähkömagneettisesti kytkettyjä, eli parasiittisia elementtejä voidaan sijoittaa myös samaan tasoon säteilevän päätason kanssa. Haittana parasiittisten elementtien käytössä on, että se lisää antennin tuotantokustannuksia ja huonontaa toistettavuutta tuotannossa. Radiolaitteen piirilevysuunnittelussa voi haittatekijänä olla pelkkä parasiittielementin oikosulkujohtimen vaatima kytkentätäplä alla olevalla 10 piirilevyllä.

Keksinnön tarkoituksena on toteuttaa uudella, edullisemmalla tavalla matkaviestimen sisäinen antenni, jolla on ainakin kaksi suhteellisen leveää toimintakaistaa. Keksinnön mukaiselle antennirakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on 15 esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antenni on PIFA-tyyppinen, matkaviestimen kuorien sisälle sijoittuva antenni, jolla on ainakin kaksi toimintakaistaa. Ensimmäiselle toimintakaistalle sattuva ensimmäinen resonanssi muodostetaan tasoelementin jonkin säteilevän johdekuvion avulla. Toiselle toimintakaistalle sattuva toinen reso-20 nanssi muodostetaan tasoelementin jonkin toisen säteilevän johdekuvion tai säteilevän raon avulla. Toisen toimintakaistan muodostusta varten tasoelementissä on li-, säksi keksinnön mukainen, antennin syöttö- ja oikosulkupisteiden välistä kulkeva * ··· · säteilijänä toimiva rako. Tämän rakosäteilijän resonanssitaajuus järjestetään niin • * · .* lähelle toisen resonanssin taajuutta, että muodostuu yhtenäinen toinen toimintakais- M< 25 ta. Rakenteeseen voidaan liittää ulosvedettävä piiskaelementti.

• · * · · • i ·

Keksinnön etuna on, että sen mukaisella rakosäteilijällä voidaan antennin toista • · toimintakaistaa leventää niin, että tämä vaivatta peittää kahdenkin matkaviestinjär- * ) *·· jestelmän käyttämät kaistat. Lisäksi keksinnön etuna on, että sen mukainen ra- kosäteilijä voidaan toteuttaa sovituksen antennin ensimmäisellä toimintakaistalla ‘ : 30 olennaisesti kärsimättä. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen rakenne on • · · \· yksinkertainen ja edullinen valmistaa.

* · · * · * »

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan ohei- • t . siin piirustuksiin, joissa > · · 1 · * · : kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta antennirakenteesta, 1 * * • · 3 115343 kuva 2a esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, kuva 2b esittää kuvan 2 rakennetta sivultapäin, kuva 3 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, kuva 4 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, 5 kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksista, kuva 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin heijastuskertoimesta ja kuva 7 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta matkaviestimestä.

Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

10 Kuvissa 2a ja 2b on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Rakenteeseen 200 kuuluu maataso GND, suorakulmainen säteilevä tasoelementti 220, tämän syöttöpiste F ja oikosulkupiste S, ensimmäinen rako 231 ja tukikehys 205 samalla tavalla kuin kuvan 1 rakenteessa. Syöttöpiste ja oikosulkupiste sijaitsevat tässä esimerkissä säteilevän tason toisen pitemmän reunan tuntumassa, lähellä tason erästä 15 nurkkaa. Ensimmäinen rako 231 alkaa samasta reunasta, oikosulkupisteestä katsottuna syöttöpisteen toiselta puolelta. Olennaisena erona kuvaan 1 on, että säteilevässä tasossa nyt lisäksi keksinnön mukainen toinen rako 232. Tämä alkaa säteilevän tason reunasta syöttö-ja oikosulkupisteiden välistä ja päättyy tason sisäalueelle.

Antennirakenteella 200 on kaksi toimintakaistaa ja kolme käytön kannalta merkittä-:20 vää resonanssia. Säteilevässä tasossa 220 on oikosulkupisteestä S lähtien ensimmäi-..!·' sen raon pään ympäri kiertävä johdehaara B21, joka yhdessä maatason kanssa muo-

(M

• i(<: dostaa neljännesaaltoresonaattorin ja toimii säteilijänä antennin ensimmäisellä toi- mintakaistalla, joka tässä esimerkissä on alempi toimintakaista. Ensimmäinen rako •:: 231 on sijoitettu ja mitoitettu siten, että se yhdessä ympäröivän johdetason ja maata- ,'••,25 son kanssa muodostaa neljännesaaltoresonaattorin ja toimii säteilijänä antennin toisella, ylemmällä toimintakaistalla. Myös toinen rako 232 on mitoitettu siten, että se , vhdessä ympäröivän johdetason ja maatason kanssa muodostaa neljännesaaltoreso-

XIII

naattorin ja toimii säteilijänä antennin toisella toimintakaistalla. Kahden rakosäteili- • · '··' jän resonanssitaajuudet järjestetään siis suhteellisen lähelle toisiaan, mutta kuitenkin 30 eri suuriksi siten, että toisesta toimintakaistasta tulee suhteellisen leveä. Toisen ra-·:··; kosäteilijän resonanssitaajuutta on tässä esimerkissä järjestetty sopivaan kohtaan, paitsi itse raon mitoituksella, myös johdelevyllä 225, joka suuntautuu tasoelementin ·' 220 oikosulkupistettä S lähinnä olevalta lyhyemmältä sivulta maatasoa kohti.

* · ' i » 4 115343

Toinen rako 232 vaikuttaa luonnollisesti antennin sovitukseen ensimmäisellä toi-mintakaistalla. Tätä voidaan käyttää myös hyväksi optimoimalla mainittua sovitusta muotoilemalla toista rakoa sopivasti.

Kuvassa 2b on kuvan 2a antennirakenne johdelevyn 225 puoleiselta sivulta nähtynä.

5 Johdelevy 225 on tässä esimerkissä pituudeltaan noin puolet tasoelementin sivusta ja ulottuu tasoelementin 220 normaalin suunnassa vähän yli tasoelementin ja maatason puolivälin. Samankaltaiset säteilevän tason laajennukset ovat yleisiä tasoanten-neissa. Tavallisesti laajennus on säteilevän haaran avoimessa päässä lisäten kapasitanssia siellä ja suurentaen haaran sähköistä pituutta. Tässä tapauksessa tason 10 laajennus on lähellä oikosulkupistettä, ja sillä suurennetaan toisen säteilevän raon sähköistä pituutta. Samalla laajennus, eli johdelevy 225 voimistaa toisen raon resonanssia. Kuvassa 2b näkyy myös oikosulkupisteen S maatasoon GND yhdistävä johdin 202. Oikosulkujohtimen takana näkyy antennin syöttöjohdin 203.

Kuvassa 3 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Siinä ta-15 soelementissä 320 on ensimmäinen rako 331 ja toinen rako 332. Lähinnä ensimmäinen rako on muotoiltu niin, että tasoelementissä on kaksi säteilevää haaraa. Näistä ensimmäinen haara B31 on pitempi ja se resonoi antennin ensimmäisellä, alimmalla toimintakaistalla. Toista haaraa B32 vastaava resonanssitaajuus on järjestetty antennin toiselle, ylemmälle toimintakaistalle samoin kuin keksinnön mukaista 20 toista rakoa 332 vastaava resonanssitaajuus. Kaksi jälkimmäistä resonanssitaajuutta on tässäkin tapauksessa sopivan lähellä toisiaan niin, että toisesta toimintakaistasta : · ·' ·’ tulee suhteellisen leveä.

• * * •«· · ···. Kuvan 3 antennirakenteeseen on myös lisätty akselinsa suunnassa liikuteltava piis-• · « : kaelementti 340. Kuvassa piiskaelementti on esitetty ulosvedettynä, jolloin se kyt- • * · keytyy galvaanisesti säteilevään tasoelementtiin 320 syöttöpisteen F lähellä ja pa- ... rantaa antennin toimintaa esimerkiksi alimmalla käyttökaistalla. Sisääntyönnetyllä • · '··’ piiskalla ei ole merkittävää kytkentää muuhun antennirakenteeseen. Vaihtoehtoisesti piiskaelementille voidaan järjestää erillinen syöttö, jolloin sillä ulosvedettynäkään ei tietenkään ole galvaanista kytkentää tasoelementtiin.

• · ; 30 Kuvassa 4 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Siinäkin '···’ on ensimmäinen rako 431, joka jakaa tasoelementin 420 kahteen, eri toimintakais-’·**· töillä resonoivaan haaraan B41 ja B42. Samoin rakenteessa on syöttö-ja oikosulku-pisteiden välistä kulkeva toinen rako 432, joka resonoi samalla toimintakaistalla .\ ; kuin toinen haara B42. Erona kuvan 3 rakenteeseen on, että ensimmäinen rako 431 * * 35 on tässä esimerkissä kaksiosainen siten, että siinä on tason 420 reunasta lähtevä suh- 5 115343 teellisen kapea osa, joka päättyy toisen, suhteellisen leveän osan pituussuuntaiselle sivulle. Tällaisella, sinänsä tunnetulla muodolla saadaan kaistanleveyttä vielä lisää. Säteilevä taso 420 on kuvan 4 esimerkissä jäykän johdelevyn sijasta johdekerros piirilevyn 410 yläpinnalla. Virityselimenä on säteilevän tason laajennuslevy 425, 5 joka nyt on säteilevän tason pitkällä sivulla syöttöpisteen F ja ensimmäisen raon 431 alkupään välissä.

Tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa puhutaan lyhyyden vuoksi resonoivista johdehaaroista ja raoista. Tällöin kuitenkin tarkoitetaan koko resonoivaa rakennetta, johon kuuluu kyseisen haaran tai raon lisäksi mm. maatasoja maatason ja säteilevän 10 tason välinen tila.

Kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin taajuusominaisuuksista. Kuvassa on heijastuskertoimen SI 1 kuvaajia taajuuden funktiona. Kuvaaja 51 näyttää kuvan 1 mukaisen, tekniikan tasoa edustavan antennin heijastuskertoimen muuttumisen, ja kuvaaja 52 vastaavan rakenteen, jossa on tehty keksinnön mukainen jär-15 jestely, heijastuskertoimen muuttumisen. Kuvaajista nähdään, että keksinnön mukaisella antennilla ylemmän toimintakaistan leveys B on noin 440 MHz, kun se vertailukohtana olevalla antennilla on vain noin 140 MHz. Kaistan rajataajuuden kriteerinä on tässä käytetty heijastusvaimennuksen arvoa 6 dB. Ylemmän toimintakaistan leveneminen on siis hyvin suuri. Tämä perustuu toisen säteilevän raon resonans-20 siin r3, jonka taajuus on järjestetty sopivalle etäisyydelle ensimmäisen säteilevän raon resonanssin r2 taajuuden yläpuolelle. Antennin alemmalla toimintakaistalla :.: : keksinnön mukainen muutos aiheuttaa kyseisessä esimerkkitapauksessa vaimennus- huipun alenemista ja pientä kaistan kaventumista. Kuitenkin alempi toimintakaista saadaan hyvin kattamaan esimerkiksi GSM (Global System for Mobile telecom-25 munications) 900-järjestelmän vaatiman kaistan.

Kuvassa 6 on esitetty saman antennin, jota heijastuskertoimen kuvaaja 52 koski, ’···* sovituksen hyvyyttä Smithin diagrammilla. Kuvaaja 62 näyttää kompleksisen heijastuskertoimen muuttumisen taajuuden funktiona. Katkoviivalla piirretty ympyrä 60 näyttää rajan, jonka sisäpuolella heijastuskertoimen itseisarvo on pienempi kuin * ’ : 30 0,5 eli -6 dB. Kuvaajasta 62 nähdään mm., että ylemmän toimintakaistan aluetta vastaava silmukka on kokonaan ympyrän 60 sisällä, mihin sovituksella on pyrittykin.

Kuvassa 7 on matkaviestin MS, jossa on keksinnön mukainen antennirakenne. Ra-kenteeseen kuuluva säteilevä tasoelementti 720 sijaitsee kokonaan matkaviestimen 35 kuorien sisäpuolella.

6 115343

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia antennirakenteita. Keksintö ei rajoita antennielementtien muotoja juuri kuvattuihin. Keksintö ei myöskään rajoita antennin valmistustapaa eikä siinä käytettyjä materiaaleja. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

5

Claims (8)

115343

1. Radiolaitteen sisäinen antenni, jolla on ainakin ensimmäinen ja toinen toimin-takaista, ja joka käsittää maatason ja säteilevän tasoelementin, jossa on antennin syöttöpiste, oikosulkupiste ja tasoelementin reunasta alkava ensimmäinen rako, jon-5 ka tasoelementin johdetaso on järjestetty resonoimaan ensimmäisellä toimintakais-talla, tunnettu siitä, että mainitussa tasoelementissä (220; 320; 420) on lisäksi tämän reunasta alkava toinen rako (232; 332; 432), joka kulkee syöttöpisteen F ja oi-kosulkupisteen S välistä ja on järjestetty resonoimaan antennin toisella toimintakais-talla tämän leventämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu ensim mäinen rako (231) on järjestetty resonoimaan antennin toisella toimintakaistalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen rako (331; 431) jakaa mainitun tasoelementin kahteen haaraan, joista toinen haara (B32; B42) on järjestetty resonoimaan antennin toisella toimintakaistalla.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu toinen rako on resonoidessaan sähköiseltä pituudeltaan neljännesaallon mittainen.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu toinen rako on muodoltaan järjestetty parantamaan antennin sovitusta mainitulla ensimmäisellä toimintakaistalla. • ••20 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainitussa ta- •\ soelementissä on maatasoa kohti suuntautuva laajennus (225) toisen raon puoleisel-la sivulla toisen raon resonanssitaajuuden virittämiseksi. • ·

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi liikuteltavan piiskaelementin (340), joka ulosvedettynä kytkeytyy galvaanisesti 25 mainittuun tasoelementtiin.

8. Matkaviestin (MS), jossa on sisäinen antenni, jolla on ainakin ensimmäinen ja ···* toinen toimintakaista ja joka antenni käsittää maatason ja säteilevän tasoelementin, :’**: jossa on antennin syöttöpiste, oikosulkupiste ja tasoelementin reunasta alkava en- ·:··· simmäinen rako, jonka tasoelementin johdetaso on järjestetty resonoimaan ensim- 30 mäisellä toimintakaistalla, tunnettu siitä, että mainitussa tasoelementissä (720) on \ ·* lisäksi tämän reunasta alkava toinen rako, joka kulkee syöttöpisteen ja oikosulkupis-♦ * ♦ 115343 teen välistä ja on järjestetty resonoimaan antennin toisella toimintakaistalla tämän leventämiseksi.