SE507746C2 - Antennanordning för en mobiltelefon - Google Patents

Description

507 746 2 antenn skulle vara, till exempel, höjd ~ 40 mm och diameter = 12 mm eller mindre. Mobiltelefonen måste vara klar att användas utan att någon extra åtgärd måste vidtagas.

Hur kan vi beskriva det elektromagnetiska fältet som växelverkar med operatören? Avståndet mellan mobiltelefonen, inkluderande antennen, och användarens huvud är ofta mindre än en våglängd.

Detta betyder att operatören befinner sig i det reaktiva fält- området eller i det strålande närfältsområdet för mobiltelefonen och dess antenn. Denna växelverkan mellan användaren och när- fältsområdet kommer i allmänhet att orsaka försämrade antennegen- skaper, vilka huvudsakligen beror av absorption och reflexions- förluster. Förlusterna kommer att öka när avståndet mellan användaren och antennen minskar.

I det reaktiva närfältsområdet är de elektromagnetiska fältens reaktiva komponenter mycket stora i förhållande till de strålande fälten. De reaktiva fälten strålar inte, men är en väsentlig del av strålningsmekanismen. De reaktiva fältkomponenterna avtar i en riktning från källan med avståndets kvadrat eller kub och är allmänt försumbara i förhållande till de strålande fälten vid ett avstånd större än en våglängd från källan.

De reaktiva fälten i närheten av en antenn kan jämföras med det reaktiva fältet i en transformator och beskrivs av Maxwell's andra ekvation: ÖB VXE--E En transformator' utan. yttre belastning och 'utan några inre förluster kommer endast ha ett reaktivt fält, men om en resistiv last påförs sekundärsidan, kommer en aktiv effekt att överföras till lasten, vilket betyder att ett aktivt fält parallellt med det reaktiva fältet kommer att introduceras. En analog situation erhålls när en operatör lägger sitt huvud tätt mot en mobiltele- fon, som är omgiven av' reaktiva närfält. Detta. betyder att huvudet kommer att verka som en last till vilken aktiv effekt kommer att överföras och där de reaktiva närfälten. är en väsentlig del av strålningsmekanismen. 507 746 3 Hur skulle illumineringen av operatören minskas. Åtminstone så mycket att ett kardioidformat diagram som resulterar i några dB antennförstärkning i.riktningen utåt från operatörens huvud kunde erhållas.

Detta beror av två villkor: a) Mobiltelefonens konstruktion och storlek. b) Storleken och typen av antenn föreslagen.

Om någon del av mobiltelefonen, chassit, plasthöljet om metalli- serat, något av de tryckta kretskorten eller någonting annat i anordningen har en resonans innanför frekvensbandet i vilket mobiltelefonen antas arbeta, komer detta att orsaka problem att de fälten. matematiska uttrycket för det strålande närfältet eller fjärrfäl- kontrollera reaktiva Då kommer det teoretiska tet av bli mycket komplicerad att lösa, speciellt när det kombi- till exempel en miniatyriserad monopolantenn nära telefonens tryckta neras med förslaget att använda en miniatyriserad antenn, kretskort eller chassi utan något isolerande jordplan mellan.

Detta resulterar i inducerade strömmar, för det första i de telefonens resonanta delar, liksom skapandet av en extra växelverkan med användaren och minskad antennverkningsgrad och därmed även en extra effektförlust.

Den enklaste lösningen på problemet kan användas omtnobiltelefon- strukturen inte har några resonanser i något av frekvensbanden i vilka anordningen skall användas, och en ändmatad halvvågsan- tenn med full längd föreslås. Vad som inte kan erhållas i detta fall utan att göra antennkonstruktionen ännu mer skrymmande, är direktivitet och förstärkning i. zonen. utåt från operatörens huvud.

Denna typ av problem med sina olika grundvillkor kan inte lösas med en enda ide eller en enda princip, utan med hjälp av en grupp idéer och principer, där ibland en hel grupp av idéer måste kombineras och ibland kan endast en enda princip användas. 507 746 4 Den mest allmänna lösningen är att tillämpa en passiv reflektor bakonxantennsträlaren. En sådan konstruktion, till exempel, visas i US-A-5 335 336, "Radiation shielding apparatus for a radio transmitting device", av J. Daniels, 1994. Dessutom finns det ätskilliga olika tillvägagångssätt vid detta problem; till exempel Us-A-s 338 896 och Us-A-s 367 309, båda från 1994. Ännu en annan lösning presenteras i det internationella offentlig- görandet WO 95/31048, för att endast nämna ett fåtal.

Reflektorn mäste ha en korrekt längd och en avständsstorlek mellan strälaren och reflektorn av lämpligen 0,1 till 0,15 x A.

Som strálare kommer att behövas en monopol eller något slags jordplan samt en motvikt. Om den önskade stràlaren är en minia- tyriserad ändmatad halvvàgsantenn, vilket till exempel betyder en helixformad strálare med en total längd något kortare än en kvarts våglängd, kommer detta att medföra att det också är nöd- vändigt att minska reflektorns längd för att hälla antennsyste- mets totala längd inom rimliga mätt, t.ex., 0,2 x Å. Det är även önskvärt att jordplanet, eller del av detta, är integrerat i antennenheten. Denna integration kan realiseras genom att koppla en liten konisk spole till skärmen på den koaxiella antennkontak- ten sonxdemonstreras till exempel i den svenska patentansökningen 93 02420-6 .

Sammanfattningsvis är det uppenbart att det finns ett ökande be- hov av ytterligare utveckling i området för ökning av antennverk- ningsgrad för en.handhållen1nobiltelefon, speciellt för konstruk- tioner som använder miniatyriserade antenner, för att minimera växelverkan med användaren och samtidigt presentera en anordning som också alltid. är färdig för användning utan. någon. extra manipulation för att erhälla den nödvändiga antennfunktionen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN I enlighet med.den föreliggande uppfinningen visas en antennenhet son1utgör enxniniatyriserad.monopol eller dipolantenn innefattan- de enwnotsvarande reflektoranordning för att.minimera växelverkan 507 746 5 med en användare som håller mobiltelefonen mot sitt öra. Det reaktiva närfältet för en antennenhet i enlighet med den före- liggande uppfinningen är störst i riktningen utåt från.mobiltele- fonens användare och följaktligen är antennen en riktantenn.

Därför visar den föreliggande uppfinningen en antennanordning för en mobiltelefon i vilken ett avstånd mellan en miniatyriserad reflektor och en miniatyriserad reflektor förkortas med hjälp av ett introducerat dielektriskt material som optimerar det elekt- riska avståndet mellan strálaren och reflektorn, vilket skapar en kompakt antennenhet souxhar ett önskvärt kardioidformat strál- ningsdiagram. En sådan antenn är permanent i sin funktion utan några ytterligare hanteringsåtgärder som måste vidtas av användaren.

Vidare visar dessutom den föreliggande uppfinningen ett ytterli- gare fältreducerande organ i form. av rnetalliska remsor med användning av ett ytterligare dielektriskt skikt och åtminstone två tunna isolerade metalliska remsor som löper parallellt med reflektorremsans strömkanter och därmed utformande drosslar, vid en baksida av reflektorn som är riktad mot användaren, för att ytterligare koncentrera närfältet till området mellan sådana kantdubbelledare.

Antennenheten för en1nobiltelefon i enlighet med den föreliggande uppfinningen. har' hög 'verkningsgrad. och följaktligen. kommer mobiltelefonens signaleringsegenskaper att vara goda. Detta kan även leda till en lägre batteriförbrukning liksom ett högre signal-till-brusförhállande (S/N-förhållande) vid den cellulära basstationen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsamans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom att hänvisa till följande beskriv- ning läst tillsammans med de medföljande ritningarna i vilka lika hänvisningsbeteckningar hänvisar till motsvarande element och i Vilka: 507 746 6 Fig. 1 demonstrerar, i en vertikal genomskärning, en utför- ingsform av en miniatyriserad antennenhet i enlighet med den föreliggande uppfinningen, Fig. 2 demonstrerar en horisontell genomskärning längs ett snitt I-I i antennenheten enligt Fig. 1, Fig. 3 demonstrerar strömfördelning nællan en nmnopolantenn och en metallisk reflektorremsa, Fig. 4 demonstrerar strömmar i fallet med antennen enligt Fig. 3 med ett ytterligare tryckt kretskort som uppvisar änddrosslar vid baksidan av reflektorn, samt Fig. 5 demonstrerar en strömfördelning för ett fall i enlighet med Fig. 4 med användning av flera sådana drosslar pà baksidan av reflektorelementet, för jämförelse med strömfördelningen enligt Fig. 3.

DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Figur 1 demonstrerar med en enkel ritning en föredragen utför- ingsform av en miniatyriserad antennenhet 1 för en mobiltelefon i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Antennenheten 1, till exempel för en arbetsfrekvens omkring 900 MHz, innehåller ett stràlningselement 10 bestående av en första spiralformig spole och ett reflektorelement 12 bestående av en andra spiral- formad spole som kommer att vara något större i total längd för att verka som reflektorelement. För att bibehålla en liten höjd för hela antennenheten 1 är toppdelen 12a pà reflektorelementet 12 böjt mot toppen av stràlningselementet så att de tvâ elementen 10, 12 bildar en uppochnedvänd U-form. Detta hjälper till att hälla den mekaniska höjdens mätt litet utan att förkorta den elektriska längden, men det binder också laddningarna vid toppen av strálaren till laddningarna vid toppen av reflektorn. Den totala höjden av detta inverterat U-formade arrangemang, för en arbetsfrekvens omkring 900 MHz, kommer då att vara av storleks- ordningen 35 mm. Mellan de tvà elementen 10, 12 är placerat ett 5137 746 7 material, till exempel plast som innehåller keramiskt pulver.

Separationen mellan strålaren och reflektorn mäste kortas ned genom införandet av ett dielektriskt material för att erhålla en elektrisk separation av storleksordningen 0,1Å till 0,15% mellan de två elementen vid arbetsfrekvensområdet. Det är önskvärt att detta material insatt mellan de två elementen 10, 12 uppvisar en effektiv'dielektricitetskonstant.av storleksordningen 20 till 90, för att i praktiken vara i stånd att på något sätt matcha antenn- storleken för större skillnader i använd våglängd.

Den första spiralformade spolen år anpassad att uppvisa till exempel en 1/4% eller 1/2% vid arbetsfrekvensbandet och kan i en speciell utföringsform uppvisa en toppbelastning 11 med en något större diameter i spiralen. Den första spolen som utgör strål- ningselementet 10 är elektriskt ansluten till mittanslutningen 17 i miniatyrhankoxialkontakten 15, som kommer att insättas i en motsvarande honkoaxaialkontakt, normalt på ovansidan av mobilte- lefonen. Det skall emellertid noteras att termen "elektriskt ansluten" eller bara "anslutenfl i denna.beskrivning hänvisar till vilken som helst galvanisk, kapacitiv eller induktiv koppling eller vilken som helst kombination av dessa.

Den andra spiralformade spolen som utgör reflektorarrangemanget är elektriskt ansluten till omkretsen av miniatyrhankoaxialkon- takten 15 via en metallremsa 20. En första ände av metallremsan 20 är böjd uppåt vid läget för reflektorelementet för att ansluta till reflektorelementets 12 spiralformade spole. Följaktligen ansluts reflektorelementet därmed till jord, En ytterligare metallremsa 21 under remsan 20 är också ansluten på samma sätt till omkretsen av hankoaxialkontakten 15 och kommer att verka som en extra skärm eftersom denna remsa inte är elektriskt ansluten till någonting annat utom koaxialkontaktens 15 jorddel. I en speciell utföringsform är en andra änddel 22 vid motsatta sidan av remsan 20 också böjd uppåt längs en liten del av strålnings- elementet 10 för att lägga till en extra kapacitans liksom en skärmning mot underdelen av den spiralformade spolen som utgör strålningselementet. Ieu1ytterligare utföringsfor¶1behöver denna 507 746 8 del 22 inte vara remsan 20 själv utan bara en bit elektriskt ledande träd ansluten till remsan 20. Den ytterligare metall- remsan 21 under remsan 20 elektriskt ansluten på samma sätt till omkretsen av hankoaxialkontakten.15 kommer att verka som en extra skänn eftersom denna remsa inte är elektriskt ansluten till någonting annat utom jord given av miniatyrkoaxialkontakten 15.

Alltså reducerar den andra L-böjda eller U-böjda konstruktion (Se även figur 1) ytterligare kopplingen mellan antennstràlaren och mobiltelefonen.

Hela arrangemanget är inbakat till en enhet med användning av icke ledande material, t.ex. gummi eller liknande. Den lilla antennenheten kommer att ha en cirkulär eller halvcirkulär form som demonstreras i Fig. 2. En föredragen utföringsform av antennenheten, till exempel för en frekvens i 900 MHz-området, kommer att ha en höjd av ungefär 35 m och en maximal bredd ungefär 15 mm och en minimibredd ungefär 10 mm för en halv- cirkulär form.

Det finns också en annan utföringsform tillgänglig om en mycket kort antenn är önskvärd (längd ~ 0,1Å - 0,2Å). Denna utförings- form inbegriper en topplastad monopol eller en topp- och botten- lastad dipol med en reflektor, miniatyriserad genom användning av en tunn spiralformad stràlare och en eller tvâ likaledes spiralformade reflektorer pà ett liknande sätt som demonstrerats i Fig. 1. Nerkortningen av avståndet mellan strálningselementet, eller elementen, och reflektorn görs på samma sätt som tidigare beskrivet med hjälp av ett motsvarande dielektriskt material i enlighet med den redan beskriva utföringsformen tillsammans med Fig. 1 i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

I en ytterligare utföringsform av strâlningselementet finns en spiralformad spole motsvarande elementet 10 i den föredragna utföringsformen enligt Fig. 1, men reflektorelementet är till- verkat av en metallremsa som lämpligen är skuren till ett meanderliknade mönster för att få korrekt elektrisk längd inom den mekaniskt önskvärda storleken. En bättre lösning är emeller- 507 746 9 tid att làta den undre delen av remsan i stället göra en 90 graders böj in under antennstràlaren för en ändmatad dipol till dess transformator och för en halvvågsdipol och dess transfor- mator, varvid reflektorns böjning är elektriskt ansluten till skärmen för antennkoaxialkontakten motsvarande vad som diskute- rats avseende elementen 20 och 21 i Fig. 1. Den L-böjda konstruk- tion av reflektorn minskar kopplingen mellan antennstràlaren och mobiltelefonen som bär antennen.

Fig. 3 visar schematiskt en monopolantenn 10 framför en metallisk reflektorremsa 28. Det mesta av närfältet relaterat till huvud- sidan av antennstràlaren är nu instängt i utrymmet mellan strå- laren och reflektorn, men strömmen inducerad i reflektorremsan kommer att vara koncentrerad till dess parallella strömkanter och sett frán huvudsidan av antennenheten är strömmarna beroende av detta och resultatet är ett nytt närfält. Detta fält kan emel- lertid elimineras genom dubbelledarprincipen.

Detta uppnås om, i enlighet med Fig. 4, ett tunt tryckt lednings- kort 30 innefattande åtminstone tvá tunna isolerade metalliska remsor 32, som löper parallellt med reflektorremsans 28 strömkan- ter och är givna sama längd som den vertikala delen av den metalliska reflektorremsan, appliceras pà huvudsidan av reflek- torremsan. Närfälten är nu koncentrerade till omrâdet mellan kantdubbelledarna. Fig. 5 demonstrerar ett resultat med an- vändning av flertalet sådan metalliska remsor på det tryckta ledningskortet sun bär den nætalliska remsan 28. Den tunna metalliska remsan 32 pà kortet är elektriskt anslutna till den övre kanten av reflektorremsan, bildande drosslar pà baksidan av reflektorn. Något måste ytterligare göras àt koncentrationen av laddningar vid överänden av uwnopolen och vid överänden och underänden av halvvágsdipolen. Vid överänden rekommenderas det att tillämpa någon sorts topplast, och samma typ av last kan tillämpas vid underdelen av en åndmatad dipol.

Detta är tillämpbart pà Fig. l där en sádan spole ll kommer att insamla ändflödet fràn den under delen av strálaren och under 5D? 746 10 denna spole kopplas de två parallella U-formade dielektriskt lastade metalliska remsorna, vilka bildar ett miniatyriserat in~ tegrerat jordplan, till exempel, innefattande tvá drosslar.

Följaktligen kommer i lösningen i enlighet med principen för den föreliggande uppfinningen det mesta av närfálten i en riktning mot en användare att koncentreras i det dielektriska området mellan reflektorn och strálaren genom den ytterligare verkan av drosslarna som därmed ytterligare förbättrar antennens verk- ningsgrad i en önskad riktning mot en cellulär bas. Samtidigt erhålls en antennenhet, som är permanent funktionabel utan några ytterligare hanteringsàtgärder av en användare.

Claims (11)

507 746 ll PATENTKRAV

1. Antennanordning för en mobiltelefon som använder ett miniatyriserat strålningselement och ett miniatyriserat reflek- torelement för att rikta det utstràlade elektromagnetiska fältet bort från en användare, k ä n n e t e c k n a d av att ett avstånd mellan det miniatyriserade strålningselementet och det miniatyriserade reflektorelementet förkortas med hjälp av ett introducerat dielektriskt material (14) som optimerar det elektriska avståndet mellan de miniatyriserade strålnings- och reflektorelementen för att därmed skapa en kompakt antennenhet som har ett kardiodformat diagram, samt att antennanordningen vidare innefattar åtminstone ett ytterligare fältreducerande organ, exempelvis i form av ett integrerat jordplan och/eller integrerade drosslar, för att reducera närfältet.

2. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det dielektriska materialet (14) är ett material som uppvisar en effektiv dielektricitetskonstant i området 20 till 90 för att inom en antennenhet av liten storlek erhålla ett elektriskt avstånd av storleksordningen 0,1Å till 0,15% mellan det miniatyriserade strålningselementet och det miniatyriserade reflektorelementet.

3. Antennanordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d av att det dielektriska materialet innefattar plast- material innehållande keramiskt pulver.

4. Antennanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det miniatyriserade strålningselementet och det miniatyriserade reflektorelementet förkortas genom användning av spiralformade spolar (10, 12) som strålnings- och reflektore- lement.

5. Antennanordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av' att en överdel av det miniatyriserade reflektorelementet (12) är böjt över en överdel av' det miniatyriserade strålnings- elementet (10) därmed uppvisade en inverterad U-fonn för att 507 746 12 ytterligare förkorta den kompakta antennens höjd.

6. Antennanordning enligt något av kraven 1 till 3, k ä n - n e t e c k n a d av att det ndniatyriserade strålnings- elementet (10) är en spiralformad spole och det miniatyriserade reflektorelementet är tillverkat av en metallisk remsa skuren i ett meanderliknande mönster för att erhålla korrekt elektrisk längd inom en önskad mekanisk antennenhetsstorlek.

7. Antennanordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone två tunna isolerade metalliska remsor löper parallellt med strömkanter på den metalliska remsfn som bildar reflektorelementet, varvid de metalliska remsorna påförs en isolerad. baksida av reflektorelementet. normalt vänt mot an- vändaren och dessa metalliska remsor är vid en ände elektriskt anslutna till reflektorelementet, därmed bildande drosslar pà baksidan av reflektorelementet som har det meanderliknande mönstret.

8. Antennanordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att drosslarna är utformade på baksidan av ett tryckt ledningskort, vilket på sin motsatta sida bär det metalliska remsorna skurna till det meanderliknande mönstret.

9. Antennanordning enligt krav 7 eller 8, k ä n n e t e c k - n a d av att drosslarna är elektriskt anslutna till den övre delen av den metalliska remsan som bildar reflektorelementet.

10. Antennanordning enligt något av föregående krav, k à n - n e t e c k n a d. av' att den kompakta antennenheten är inbakad i en cirkulär eller halvcirkulär antennanordning med användning av ett icke ledande material.

ll. Antennanordning enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av att den kompakta antennenheten alltid är funktionell utan några ytterligare hanteringsåtgärder av en användare.