DE68922221T2

DE68922221T2 - Rahmenantenne mit pufferreaktanz.

Info

Publication number: DE68922221T2
Application number: DE68922221T
Authority: DE
Inventors: Robert Kurcbart; William Tan
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1989-01-23
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: ES2070311T3; WO1990008404A1; DK136291A; DK136291D0; EP0454694B1; KR930008833B1; FI913520A0; KR910700550A; EP0454694A4; DE68922221D1; CA2004365C; MY104488A; JPH04504491A; ATE121225T1; CA2004365A1; JP2588063B2; EP0454694A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Rahmenantennen und insbesondere eine reaktanzgepufferte Rahmenantenne, die zur Verwendung als Armbandantenne für ein am Handgelenk zu tragendes elektronisches Gerät geeignet ist.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Da elektronische Schaltungen und insbesondere Empfänger miniaturisiert worden sind, wurde es möglich, die Elektronik in Gehäusen, die geeignet sind, um bequem am Handgelenk getragen zu werden, unterzubringen. Antennen, die mit diesen am Handgelenk zu tragenden Empfängern verwendet werden, haben oft eine einfache Rahmenantenne mit einer einzigen Windung, die in das Armband des Geräts integriert worden ist, verwendet. Eine derartige, im US-Patent 4 713 808 beschriebene Antenne, die im allgemeinen ein nicht dehnbares, zweiteiliges Armband verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt. Nieten oder ähnliche Befestigungseinrichtungen wurden verwendet, um eine Reihe von Löchern mit regelmäßigen Abständen in einem der Armbandabschnitte, der zur Anpassung an die unterschiedlichen Größen des menschlichen Handgelenks erforderlich ist, zu schaffen, wobei sie oftmals die elektrische Verbindung zum Schließen des Rahmens herstellten, wenn das Armband an dem Handgelenk befestigt wurde. Da die Induktivität einer derartigen Rahmenantenne von der physikalischen Geometrie der Rahmenantenne, wie dem Rahmendurchmesser oder der Länge abhängig ist, verändert sich der Abgleich einer derartigen Rahmenantenne mit der Größe des Handgelenks. Wenn die Rahmenantenne für eine bestimmte Handgelenkgröße abgestimmt wurde, resultiert eine Erhöhung oder Erniedrigung des Rahmendurchmessers durch Erhöhung oder Erniedrigung der Rahmenlänge, wie sie auftreten würde, wenn beim Befestigen des Geräts am Handgelenk ein benachbarter Kontaktpunkt ausgewählt wurde, folglich in einer wesentlichen Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne und dementsprechend in einer wesentlichen Änderung der Sensitivität des Empfängers. Als Konsequenz war ein fabrikmäßiger Vorabgleich einer derartigen Rahmenantenne nicht möglich. Eine Kommerzialisierung derartiger, am Handgelenk zu tragender Empf änger wurde folglich auf Kleinhändler beschränkt, die erfahrene Techniker, welche beim Verkauf der Geräte die Antenne derselben abgleichen können, angestellt hatten. Wie sich herausstellte, garantierte nicht mal dies die Antennenleistung, wenn der Träger beim Befestigen des Geräts am Handgelenk inkonsequent war.
Ein bekanntes Verfahren, die Impedanzvariation einer Rahmenantenne, wie sie in US-A-4 518 965 beschrieben ist, zu überwinden, ist es eine Rahmenantenne so zu konstruieren, daß sie eine maximale Länge von einem Zehntel der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz besitzt. Die derart konstruierte Rahmenantenne umfaßt einen Rahmenleiter und einen variablen Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, um die Antenne in Resonanz zu bringen. Die Rahmenfläche des Leiters, die Umfangslänge und der Äquivalenzradius werden so eingestellt, daß das Verhältnis der Resonanzfrequenz f&sub0; der Antenne und der Resonanzfrequenz fm, bei der der Eingangsleitwert minimal ist, in dem Bereich 0,5-f&sub0;/fm-3,0 gehalten wird.
Andere Antennenstrukturen zur Verwendung in am Handgelenk zu tragenden Empfängern sind ebenfalls vorgeschlagen worden. Eine derartige Armbandantenne umfaßt eine Anzahl von Ferritantennenbindegliedern, die auf einem steifen Armband angeordnet sind. Eine andere Armbandantenne besteht aus Leitern, die in einem Armband integriert sind, um so ein dehnbares Armband zu ermöglichen. Beide Antennentypen zeigen dieselben Abgleichprobleme wie die nicht dehnbare Armbandantenne. Bei Änderung der Geometrie des Rahmens und abhängig von der Stellung des Handgelenks würden Verstimmung und verringerte Empfängersensitivität auftreten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird geschaffen eine Armband-Rahmenantenne für ein am Handgelenk zu tragendes elektronisches Gerät, wobei das Gerät einen Empfänger umfaßt, der Signal- und Erdungseingang aufweist, die an eine Antennen- Abstimmkapazität zum Abstimmen der Armband-Rahmenantenne auf eine vorbestimmte Frequenz gekoppelt sind, wobei die Armband- Rahmenantenne aufweist: einen ersten Armbandabschnitt mit: einem ersten Leiter, der ein erstes Ende zum Koppeln an den Empfängersignal-Eingang und ein zweites Ende aufweist, wobei der erste Leiter einen ersten Abschnitt der Armband-Rahmenantenne in dem ersten Armbandabschnitt bildet, und einer Vielzahl von Abgriffen, die linear entlang einer Längsachse des ersten Armbandabschnitts angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den äußersten der Vielzahl der Abgriffe eine vorbestimmte, der Rahmenantennen-Durchmesser-Einstellung entsprechende Länge schafft, und einen zweiten Armbandabschnitt mit einem zweiten Leiter, der ein erstes, an die Emfängererdung gekoppeltes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei der zweite Leiter einen zweiten Abschnitt der Armband- Rahmenantenne in dem zweiten Armbandabschnitt bildet, und einer an das zweite Ende des zweiten Leiters gekoppelten Kopplungseinrichtung zur Kopplung des zweiten Leiters an einen aus der Vielzahl der Abgriffe, in welcher die Armband- Rahmenantenne gekennzeichnet ist durch eine Reaktanzpuffereinrichtung mit einem Reaktanzpuffereingang, der an das zweite Ende des ersten Leiters gekoppelt ist, und einer Vielzahl von Reaktanz-Elementen, die nicht seriell zwischen dem Reaktanzpuffereingang und jedem der Vielzahl der Abgriffe angeordnet sind, worin eines oder mehrere der Reaktanzelemente zwischen dem Eingang und einem entsprechenden der Abgriffe gekoppelt sind, so daß eine im wesentlichen konstante Reaktanz geliefert wird, wenn sie zwischen Reaktanzpuffereingang und jedem der Vielzahl der Abgriffe gemessen wird, wodurch die Resonanzfrequenz der Armband-Rahmenantenne im wesentlichen unverändert bleibt, wenn die Armbandlänge durch Wahl irgendeines der Vielzahl der Abgriffe eingestellt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafterweise eine Rahmenantenne mit einstellbarer Größe, die keine Abstimmung erfordert, wenn die Größe geändert wird und die zur Verwendung mit einem am Handgelenk zu tragenden Gerät angepaßt werden kann. Außerdem erlaubt die Erfindung vorteilhafterweise eine Armbandantenne, die vorab abgeglichen werden kann und die, wenn sie abgeglichen ist, unempfindlich gegenüber Änderungen in der Armbandlänge ist.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale der Erfindung, die als neu angesehen werden, sind in ihren Einzelheiten in den beigefügten Ansprüchen bekanntgemacht. Die Erfindung selbst, zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen, kann am besten verstanden werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, in denen in verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen identische Elemente kennzeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm eines am Handgelenk zu tragenden Geräts gemäß dem Stand der Technik, das eine Armband- Rahmenantenne verwendet.
Fig. 2A eine Explosionszeichnung der einen Hälfte des verstellbaren Riemenabschnitts von Fig. 1.
Fig. 2B ein schematisches elektrisches Diagramm von Fig. 2A.
Fig. 3A ein Diagramm einer Armband-Rahmenantenne für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3B ein Diagramm des Aufbaus eines induktiven Reaktanzpuffers für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ein Diagramm einer typischen Arinband-Rahmenantenne und ein schematisches elektrisches Äquivalenzdiagramm.
Fig. 5A ein Diagramm des induktiven Reaktanzpuffers für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5B ein schematisches elektrisches Diagramm des induktiven Reaktanzpuffers von Fig. 5A.
Fig. 6A ein Diagramm eines kapazitiven Reaktanzpuffers für eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6B ein schematisches elektrisches Diagramm des kapazitiven Reaktanzpuffers von Fig. 6A.
Fig. 7A ein Diagramm des Aufbaus des kapazitiven Reaktanzpuffers der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7B ein Diagramm einer alternativ aufgebauten Ausführungsform des kapazitiven Reaktanzpuffers.
Tabelle I vergleicht die Leistung einer Rahmenantenne, die einen induktiven Reaktanzpuffer benützt, mit der Leisung einer Rahmenantenne gemäß dem Stand der Technik.
Tabelle II stellt die Leistung einer Rahmenantenne, die einen kapazitiven Reaktanzpuffer verwendet, dar.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulichen die Figuren 3 bis 6 die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine gepufferte Rahmenantenne, die zur Verwendung in einem am Handgelenk zu tragenden elektronischen Gerät geeignet ist. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu würdigen, ist es am besten, den Betrieb wenigstens einer Armband-Rahmenantenne gemäß dem Stand der Technik im Detail zu beschreiben, um ein Verständnis für einige der Probleme zu schaffen, auf die man früher gestoßen ist. Der Aufbau 10 einer typischen Armband-Rahmenantenne gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 gezeigt. Der Empfänger ist in einem Gehäuse 12 untergebracht, an das zwei nicht dehnbare Riemen 14 und 16 befestigt sind. In jedem Riemen 14 und 16 befindet sich ein Leiter 18 bzw. 20. Dieser Leiter kann entweder ein runder oder ein flacher leitender Draht sein. An einem der Armbandriemen 16 ist eine herkömmliche Schnalle 22, die mit einem Ende des Leiters 20 verbunden ist, befestigt vorgesehen. In dem anderen Armbandriemen 18 sind eine Reihe Löcher 24 mit gleichem Abstand voneinander vorgesehen, um ein Einstellen der Armbandlänge zu erlauben. Oftmals ist ein Anschlußauge in jedes Loch eingesetzt, um eine elektrische Verbindung mit dem Leiter 20 in dem Riemen 16 zu schaffen. Dies ist detaillierter in Fig. 2A gezeigt.
Wie in Fig. 2A gezeigt, befindet sich ein breiter, flacher Metallblechleiter 100 in dem Riemen 102. Anschlußaugen 104 schaffen einen Kontakt zu dem Leiter 100. Die Löcher, die zur Einstellung des Armbands verwendet werden, sind mit T1 bis T7 gekennzeichnet und sind über eine als ΔL bezeichnete Länge des Armbands mit gleichem Abstand angeordnet. Für ein typisches Armband ist ΔL in der Länge ungefähr 44 mm für typische Variationen in der Handgelenkgröße von Erwachsenen. Eine gemäß Fig. 1 und 2A konstruierte Rahmenantenne ist eine kleine elektrische Rahmenantenne, ungefähr von der Größe einer Viertelwellenlänge bei VHF-Frequenzen. Eine derartige Rahmenantenne ist bei den meisten relevanten Frequenzen induktiv und wird kapazitiv abgestimmt. Folglich kann der einstellbare Abschnitt des Armbands als eine Reihe von induktiven Elementen, wie in Fig. 28 gezeigt, dargestellt werden. Die bestimmte Größe der Induktivität eines jeden Elements ist eine Funktion der Geometrie oder der Größe des Leiters, in diesem Fall der Leitergeometrie zwischen jeder Öse T1 bis T7. Es soll angenommen werden, daß die Armbandgröße, die auch die relative Rahmenantennegröße oder der Durchmesser ist, ein Minimum ist, wenn die Schnalle mit der Öse T1 verbunden ist. Wenn die Schnalle mit der Öse T7 verbunden wird, ist die Armbandgröße oder die relative Rahmenantennengröße oder der Durchmesser ein Maximum. Somit soll angenommen werden, daß, wenn die Rahmenantenne für die Länge T1 eingestellt und abgestimmt ist, die Abstimmung im wesentlichen bei der Länge T7 sowie bei Zwischenlängen geändert wird, woraus eine verringerte Empfängersensitivität bei anderen als den ursprünglich abgestimmten Längen resultiert.
Die Figuren 3A und 3B zeigen den allgemeinen Aufbau einer Armbandrahmenantenne für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 3A gezeigt, umfaßt die Armband-Rahmenantenne 200 zwei nicht dehnbare, aber flexible Riemen oder Armbandabschnitte 202 und 204. Der erste Armbandabschnitt 202 umfaßt einen ersten Leiter 206, der einen ersten Abschnitt der Rahmenantenne bildet, wohingegen der zweite Armbandabschnitt 204 einen zweiten Leiter 208 umfaßt und den zweiten Abschnitt der Rahmenantenne bildet. Der erste Armbandabschnitt 202 umfaßt weiter eine Reihe von mit gleichmäßigem Abstand angeordneten Öffnungen 210, wie Löchern oder Schlitzen, die linear entlang des Armbands angeordnet sind, um eine Einstellbarkeit zu schaffen.
Eine normale zweiteilige Schnalle, die in der Uhrenindustrie weit verbreitet ist, wird in dem Aufbau der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Schnalle wird geeigneterweise modifiziert, beispielsweise mit einer Plattierung, um die Korrosionprobleme zu minimieren und um einen niedrigen ohm'schen elektrischen Kontakt beizubehalten, wenn die Schnalle gesichert ist. Plattierungen, wie selektive Goldplattierungen der Kontaktflächen, wird bevorzugt, obwohl andere Plattierungstechniken genausogut angewendet werden können. Eine einstellbare Schnalle 212 ist entlang des Armbandabschnitts 202 verschiebbar angeordnet und schafft den elektrischen Kontakt mit dem ersten Leiter 206. An dem Ende des zweiten Armbandabschnitts 204 ist eine befestigte Schnalle 214 angebracht, die eine Verbindung zu einem Ende des zweiten Leiters 208 herstellt und zusammen mit der einstellbaren Schnalle 212 die Einrichtung schafft, um sowohl die Rahmenantenne elektrisch zu vervollständigen als auch das Armband 200 an dem Handgelenk mechanisch zu sichern. Der erste Armbandabschnitt 202 und der zweite Armbandabschnitt 204 sind an dem am Handgelenk zu tragenden Gerät durch eine Befestigungseinrichtung, wie steifen Montagehalter 216, die an dem Gerätegehäuse durch Befestigungselemente beispielsweise Schrauben (nicht gezeigt) gesichert sind, befestigt. Die Montagehalter 216 können aus Metallblech, wie rostfreiem Stahl oder anderen geeigneten Materialien, die im allgemeinen durch Hautkontakt nicht beeinflußt werden, gebildet werden. Rostfreier Stahl ist vorteilhaft, da er keine Plattierung zur Schaffung einer Korrosionswiderstandsfähigkeit erfordert. Es soll angenommen werden, daß die steife Montage der Armbandabschnitte exemplarisch ist und daß andere Befestigungseinrichtungen, wie die Verwendung von federgespannten Stiften von dem für Uhren bekannten Typ ebenso verwendet werden können.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Leiter 208 ein flacher Metallblechleiter, der aus halbhartem Beryllium-Kupfer-Material, das 3-4 mm dick ist, gebildet ist. Andere Materialien, wie Kupfer, Nickelsilber und andere leitende Materialien, können ebenso verwendet werden. Der Leiter 208 ist im allgemeinen zusammenhängend über die Länge des Armbandabschnitts 204, wobei er an einem Ende an der befestigten Schnalle 214 und an dem Gerätegehäuse an einen Empfängereingang, wie dem Empfängererdungseingang, gekoppelt ist. Der Leiter 208 kann auf dieselbe Weise, wie in Fig. 38 gezeigt, gebildet werden, um eine positive Zurückhaltung des Leiters in dem Körper des Armbandabschnitts 204 zu schaffen.
Fig. 3b zeigt die Konstruktionsdetails für den ersten Armbandabschnitt 202. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Armbandabschnitt 202 durch Schichten eines Leiters 206 und eines Reaktanzpuffers 218, die in Kürze im Detail beschrieben werden, zwischen ein oberes 220 und ein unters 222 Element, die nicht dehnbare, flexible Materialien sind, die durch eine Anzahl geeignet Verfahren, wie Spritzgießen oder Stanzen, gebildet werden, aufgebaut. Eine Anzahl von Materialien, wie Polyurethankautschuk, Leder und dergleichen können für das obere 220 und das untere 222 Element verwendet werden. Das untere Element 222 oder das obere Element 220 kann einen vertieften Bereich, beispielsweise eine Vertiefung 224, in der der Leiter 206 der Reaktanzpuffer 218 und die Montagehalter 216 positioniert sind, umfassen. Ein derartiger vertiefter Bereich kann in dem Material gebildet werden, wenn der Riemen geformt wird. Wie in Fig. 3B gezeigt, hat der Leiter 206 einen gebogenen Leiterabschnitt 236, der verwendet wird, um den Leiter in der Vertiefung zurückzuhalten und zu verhindern, daß der Leiter aus dem fertiggestellten Armbandabschnitt gezogen oder in dem fertiggestellten Armbandabschnitt bewegt wird. Wenn es unpraktisch ist, eine Vertiefung zu schaffen, können Adhäsiva benützt werden, um ein Zurückhalten des Leiters vorzusehen. Abhängig von dem Material der zwei Elemente können die zwei Elemente verbunden werden durch Prozesse wie chemisches Verbinden, einschließlich Lösungsmitteln und Adhäsiva, mechanisches Verbinden, einschließlich thermisches und Ultraschallverbinden und Nähen oder adhäsives Verbinden wie im Fall eines Lederarmbands. Einsetzgießen der kompletten Armbandabschnitte kann auch verwendet werden, wodurch viele der beschriebenen sekundären Schnitte zum Zusammenbau des Armbands entfallen. Die Leiter 206 und 208 werden aus flachem Metallblech unter Verwendung von Methoden wie Stanzen, chemischem Ätzen oder anderen geeigneten Prozessen gebildet.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm einer Armbandantenne und ein schematisches elektrisches Äquivalenzdiagramm, das zur Beschreibung des Betriebs sowohl der Armband-Rahmenantenne gemäß dem Stand der Technik als auch der gepufferten Rahmenantenne der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Wie vorher beschrieben, sind die durch die Bänder A und B gebildeten Armband-Rahmenantennen induktiv bei der Betriebsfrequenz, was schematisch als L(b-x) angedeutet ist, wobei der Index die Vielzahl der Induktivitäten, wenn die Länge des Rahmens eingestellt wird, bezeichnet (x bezeichnet die Positionen T&sub1; bis T&sub7; und b bezeichnet das Referenzende des zweiten Bands, wie in Fig. 4 gezeigt). Der mit den Leitern assoziierte Widerstand ist schematisch als Rs gezeigt. Die Armband-Rahmenantenne koppelt, wie gezeigt, an einen Empfängereingang und an Erde, und wird kapazitiv abgestimmt, wobei die Kapazität schematisch als C&sub0; gezeigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung koppelt die Kapazität C&sub0; zwischen dem Empfängereingang und der Erde. Die Spannung, die von der Rahmenantenne bei Betrieb in einem elektromagnetischen Feld geliefert wird, ist schematisch als Spannungsquelle mit der Bezeichnung E gezeigt.
Die Betriebsfrequenz der Antenne kann nach der folgenden, wohlbekannten Gleichung bestimmt werden.
Fant = 1 / 2 π L(b-x) C&sub0;
Bei der vorherigen Beschreibung der Figuren 2A und 2B wurde festgestellt, daß die Induktivität an der Öse T1 nicht der Induktivität an den anderen Ösen gleich ist. Somit ist
L(b-1 ≠ L(b-2) ≠ . . . ≠ L(b-7),
wobei L(b-1) usw. die Größe der Gesamtinduktivität, die bei jeder Ösenposition gemessen wird, darstellt. Die Gesamtinduktivität der Rahmenantenne ist die Summe der Induktivitäten des Bandes A und des Bandes B, die bezüglich der differentieilen mit der Variation der Länge des Rahmens in der einstellbaren Zone assoziierten Induktivität korrigiert ist.
Es folgt dann, wenn C&sub0; konstant gehalten wird, beispielsweise wenn die Kapazität bei einer der Armbandlängen vorabgestimmt wird,
Fant(b-1) ≠ Fant(b-2) ≠ . . . ≠ Fant(b-7),
was, wie früher behauptet, zeigt, daß die Armband-Rahmenantenne gemäß dem Stand der Technik eine wiederholte Abstimmung erfordert, um die Variationen beim Einstellen des Armbands auf verschiedene Armgelenkgrößen zu eliminieren. Dieses Problem wird im wesentlichen mit dem in Fig. 3B beschriebenen Reaktanzpuffer, dessen Betrieb im Detail mit den Figuren 5A und 5B beschrieben wird, minimiert. In der Praxis liefert der Reaktanzpuffer der vorliegenden Erfindung im wesentlichen eine konstante Reaktanz für jede Ösenposition entlang des Armbands, so daß
Lb-1) = L(b-2) = . . . = L(b-7),
woraus resultiert
Fant(b-1) = Fant(b-2) = . . . = Fant(b-7).
Durch Schaffen einer im wesentlichen konstanten Reaktanz bei jeder Ösenposition erlaubt der Reaktanzpuffer für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, daß die Armband-Rahmenantenne nur einmal für jede der auswählbaren Armbandlängen abgestimmt wird und danach die Armband- Rahmenantenne abgestimmt bleibt, sogar wenn der Durchmesser des Antennenrahmens verändert wird.
Fig. 5A zeigt ein Diagramm des physikalischen Aufbaus des Reaktanzpuffers 218 für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein ungefähres schematisches Diagramm des Reaktanzpuffers 218 ist in Fig. 5B gezeigt. Es soll angenommen werden, daß das schematische Diagramm von Fig. 5B nur eine Approximation erster Ordnung für den Reaktanzpuffer ist, dahingehend, daß jeder Leiter in der Schaltung einen assoziierten Induktivitätswert hat. Das schematische Diagramm von Fig. 5B stellt die mit den horizontalen Leitern assoziierten Induktivitätswerte dar. Während die vertikalen Leiter auch Induktivitätswerte, die mit denselben assoziiert sind, haben, sind sie schematisch als Leiter oder leitende Elemente gezeigt. Es soll angenommen werden, daß diese Approximation erster Ordnung hinreichend für den Durchschnittsfachmann ist, um den Betrieb des Reaktanzpuffers 218, der beschrieben werden soll, zu verstehen.
Wie in Fig. 5A gezeigt, ist der Reaktanzpuffer 218 eine integrierte Struktur dahingehend, daß der Puffereingang, die Ösen und die Reaktanzelemente aus einem flachen Metallblechstreifen gebildet sind. Die Ösen sind linear entlang der integrierten Struktur angeordnet, wobei sie den Pufferausgang zur Wahl der Armbandgröße schaffen. Die äußersten Ösen T1 und T7 sind in einem Abstand einer vorbestimmten Länge angeordnet, entsprechend dem zum Einstellen der Armbandgröße erforderlichen Wert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5B ist der erste Leiter 206 schematisch als Induktor L1 gezeigt. Der Reaktanzpuffer-Eingang 218 ist allgemein als Leiter 300 gezeigt. Der Reaktanzpuffer 218 umfaßt eine Vielzahl von Ösen T1 bis T7, die verwendet werden, um die Länge des Armbands oder umgekehrt den Durchmesser der Armband-Rahmenantenne einzustellen. Es soll angenommen werden, daß die Anzahl der Ösen, die in dem Einstellbereich vorgesehen sind, nur beispielhaft ist und eine andere Anzahl, falls nötig, verwendet werden kann. Der Reaktanzpuffer 218 umfaßt eine Vielzahl von Reaktanzelementen, die schematisch als induktive Elemente oder Induktoren L2 bis L10 gezeigt sind. Die Anordnung, d.h. serielle/parallele Kombinationen dieser Reaktanzelemente, führen zu im wesentlichen konstanten Reaktanzen, wenn sie zwischen dem Puffereingang 300 und jeder der Ösen T1 bis T7 gemessen werden. Wie gezeigt, ist jedes induktive Element in Wirklichkeit ein Leiter, wobei die Werte der Induktivität eine Funktion der Geometrie des Leiters sind. Somit hat L2, der dem Leiter 304 entspricht, im wesentlichen einen zu L3, der dem Leiter 306 entspricht, aquivalenten Induktivitätswert. Die Induktivitätswerte an den anderen Ösen sind Kombinationen von Induktivitäten, die einer Anzahl seriellen und parallelen Leitern, wie gezeigt, entsprechen.
Die Tabelle I zeigt die relative Leistung des induktiven Reaktanzpuffers im Vergleich mit dem Rahmenantennendesign gemäß dem Stand der Technik. Alle Messungen sind auf die Öse T1 bezogen und umfassen eine Leiterlänge, die äquivalent zu der in dem ersten Antennenabschnitt gefundenen ist. Die relative Länge ist die zusätzliche Länge des Armbands, wenn das Armband von T1 bis T7 eingestellt wird. Die Induktivitätsänderung ist die Änderung in dem Induktivitätswert, der mit jeder Öse in bezug auf das Induktivitätsreferenzmaß bei T1 assoziiert ist. Die Gesamtinduktivität und die Änderung in der Induktivität für die Antenne gemäß dem Stand der Technik sind in den letzten beiden Spalten von Tabelle I tabellisiert. Wie Tabelle I zeigt, wurde die Änderung in der Induktivität für die Antenne gemäß dem Stand der Technik mit 59,1 Nanohenry im Vergleich zu einer maximalen Änderung von 4,3 Nanohenry gemessen. Es soll angemerkt werden, daß eine weitere Optimierung der Leitergeometrie in dem Reaktanzpuffer gemacht werden kann, um diese Differenz zu verringern.
Wie in den Figuren 3B und 5A gezeigt, kann der Reaktanzpuffer 218 vorteilhafterweise und ökonomischerweise aus einem einzelnen flachen Metallblechleiter, der beispielsweise durch Stanzen oder chemisches Ätzen gebildet worden ist, gebildet werden. Es soll angemerkt werden, daß das gezeigte Leitermuster nur beispielhaft ist, und eine Anzahl von Leitermustern erzeugt werden kann, die dasselbe Ergebnis, eine im wesentlichen konstante, zwischen dem Puffereingang und jeder Ausgangsöse gemessene Reaktanz, erzielen. Das Leitermuster kann aus Metallblech, beispielsweise Kupfer, Berylliumkupfer und Nickelsilber gebildet werden. Das Material wird ausgewählt, um die erforderliche Flexibilität zu schaffen und um die wiederholte Verbiegung auszuhalten, die mit dem Tragen des Armbands und dem wiederholten An- und Ablegen des Armbands an das Handgelenk assoziiert ist. Der Leiter kann mit einer Plattierung, beispielsweise einer Kupfer-, Nickel-, Zinnplattierung plattiert werden, um die Lötbarkeit und die Haltbarkeit des Leiters zu erhöhen.
Es können auch andere als die oben beschriebenen Materialien zur Bildung des Reaktanzpuffers verwendet werden. Ein derartiges Material kann ein mit Kupferfolien laminiertes Kapton - Material sein, worin das Reaktanzpuffermuster unter Verwendung von herkömmlichen Leiterplattenätztechniken gebildet wird. Die Kopplung des Musters an die Ösengebiete wäre dieselbe oder eine ähnliche wie zu dem gestanzten Metallreaktanzpuffer, beispielsweise mit Nieten.
Alternative Konstruktionsverfahren für den Reaktanzpuffer sind in den Figuren 6A/6B und 7A/7B gezeigt. Die Reaktanzpuffer der Figuren 6A/6B und 7A/7B verwenden eine Vielzahl von Kondensatoren mit festem Wert, um eine im wesentlichen konstante Reaktanz zu erzielen, wenn die Länge des Armbands eingestellt wird. Wie in Fig. 6A gezeigt, wird ein Abschnitt des Leiters 206 unter Verwendung von Leitern 400-412 abgegriffen, ein bißchen wie im Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Jedoch im Gegensatz dazu ist der Leiter 206 zu jeder Ausgangsöse T1-T7 durch einen fest eingestellten Kondensator C1-C7 gekoppelt. Fig. 6B zeigt ein approximatives schematisches Diagramm von Fig. 6A. In dem Fall, in dem sowohl induktive als auch kapazitive Elemente in dem Reaktanzpuffer verwendet werden, können die Reaktanzelemente dahingehend angesehen werden, daß sie eine Vielzahl von paarweise induktiven und kapazitiven Elementen, beispielsweise L11 und C1, umfassen. Jedes induktive und kapazitive Element hat einen Eingang und einen Ausgang, wobei der Eingang des kapazitiven Elements an den Ausgang des induktiven Elements gekoppelt ist und der Ausgang des kapazitiven Elements an eine Öse gekoppelt ist. Die induktiven Elemente sind dann in Reihe geschaltet, wobei die in Fig. 6B gezeigten Struktur resultiert. Die Werte für C1-C7 werden so gewählt, daß im wesentlichen eine konstante Reaktanz zwischen dem Eingang und jeder Ausgangsöse geschaffen wird, wobei die Größe dieser Kapazitanz wie folgt berechnet wird:
2πfLcum + 1/2πfCtap = konstant,
worin f die Betriebsfrequenz, Lcum die kumulative, mit jeder Öse assoziierte Induktanz und Ctap die speziellen Ösenkapazität ist. Somit wäre Lcum gleich L11 + L12, und Ctap gleich c2 für die Öse T2. Somit würde C1, wenn verwendet, den kleinsten Kapazitätswert für eine Resonanz mit dem Induktor L11 haben, wohingegen C7 den größten Kapazitätswert für eine Resonanz mit der Reihenschaltung von L11-L17 haben würde. Während der Kondensator C1 gezeigt ist, soll angemerkt werden, daß von C1 abgesehen werden kann, wobei der Puffer dieselben vorher beschriebenen elektrischen Charakteristika behalten würde, in diesem Falle hätte C2 den kleinsten Induktivitätswert zur Resonanz mit L11 und L12.
Ein Konstruktionsverfahren für einen Reaktanzpuffer, der kapazitive und induktive Elemente verwendet, ist in Fig. 7A gezeigt. Eine flexible Schaltung 508, beispielsweise ein Kaptonth -Film mit laminierter Kupferfolie, wird zuerst geätzt, um ein Muster ähnlich dem in Fig. 6A gezeigten zu schaffen. Kondensatoren C4-C7, beispielsweise oberflächenmontierbare Chip- Kondensatoren ohne Anschlußstifte, mit geeigneten Werten werden dann gelötet, beispielsweise unter Verwendung von Aufschmelzlöten, um die Kondenstoren an den Leitern zu befestigen. Ein geformtes oder gestanztes Elastomer- oder Lederband wird dann zusammengefügt, wobei die flexible Schaltung unter Verwendung einer oder mehrerer der vorher für den induktiven Reaktanzpuffer von Fig. 3A und 3B beschriebenen Verfahren umfaßt wird.
Tabelle II stellt die relative Leistung des kapazitiven/induktiven Reaktanzpuffers dar. Alle Messungen beziehen sich auf die Öse T1 und umfassen eine Leiterlänge, die äquivalent zu der im ersten Antennenabschnitt gefundenen ist. Die relative Länge ist die zusätzliche Länge des Armbands, wenn das Armband von T1-T7 eingestellt wird. Die Gesamtinduktivität ist für drei Ösenpositionen aufgelistet. Cadded ist die berechnete Kapazität, die erforderlich ist, um die gesamte Induktivität bei jeder Ösenposition mit einer vorbestimmten Betriebsfrequenz, die im Fall dieses Beispiels 157,7 Mhz ist, in Resonanz zu versetzen. Wie Tabelle II zeigt, kann eine geeignete Wahl der fest eingestellten Werte der Kondensatoren bei jeder Öse im wesentliche jede Änderung in der Antennenabstimmung eliminieren, wenn die Länge des Armbands geändert wird.
Ein alternativer Aufbau des kapazitiven Reaktanzpuffers ist in Fig. 7B gezeigt. In diesem Fall werden die Kondensatoren während des Aufbaus des Armbandabschnitts 202 gebildet. Wie in Fig. 7B gezeigt, ist eine Platte der Kondensatoren C1-C7 mit einem Kontakt 500 gekoppelt. Die Größe der Platte 500 ist eine Funktion der an jeder Öse erforderlichen Kapazität, der Dicke einer dielektrischen Schicht 502 und der dielektrischen Konstante der dielektrischen Schicht 502. Die Berechnung der Größe der Kondensatorplatte ist dem Fachmann wohl bekannt.
Die zweite Platte eines jeden Kondensators C1-C7 wird durch den Leiter 206 geschaffen. In der Praxis werden die Kondensatorplatte/Kontakte 500 in einer geformten Armbandhälfte 504 plaziert. Jede Kondensatorplatte/Kontakt hat eine verschiedene, der erforderlichen Kapazität bei jeder Öse entsprechende Geometrie. Die dielektrische Schicht 502 wird, gefolgt von der Positionierung des Leiters 206, über den Kontakten positioniert. Die dielektrische Schicht 502 kann aus einem geeigneten Dielektrikum mit einer Vertiefung, in welcher der Leiter 206 zu positionieren ist, geformt werden. Schließlich wird die obere Armbandhälfte 510 auf dem Stapel positioniert und die Kombination durch eine oder mehrere geeignete, vorher für den induktiven Reaktanzpufferaufbau beschriebene Techniken laminiert.
Wie in Fig. 7B gezeigt, kann der Armbandabschnitt 204 so aufgebaut werden, daß eine Verbindung zum Kondensator/Induktorpuffer hergestellt wird. In diesem Fall kann der Leiter 208 beispielsweise durch Stanz- oder Prägetechniken gebildet werden, so daß Kontakte 506 gebildet werden, um sie in die Kondensatorplatte/Kontakte 500 zu stecken. Zwei Kontakte sind in dieser alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die zwei Kontaktanordnungen schaffen eine zusätzliche Widerstandsfähigkeit für die Schnalle, wenn die Schnalle gesichert wird, sowie einen zuverlässigeren elektrischen Kontakt. Andere Verfahren zur Bildung der Kontakte auf dem Leiter 502 können auch verwendet werden, beispielsweise durch Anbringen separater fester Kontakte.
Wie im Fall des induktiven Puffers von Fig. 5A kann der kapazitive Puffer von Fig 7A und 7B als eine flache integrierte Struktur, die den Puffereingang, die Ösen und die Reaktanzelemente umfaßt, beschrieben werden.
Während die Beschreibung der gepufferten Rahmenantenne hauptsächlich auf eine Verwendung in einem Armband gerichtet worden ist, soll angemerkt werden, daß der Reaktanzpuffer der vorliegenden Erfindung in anderen Rahmenantennenanwendungen ebenso verwendet werden kann. Beispiele derartiger Anwendungen umfassen irgendwelche Rahmenantennen mit variabler Größe, entweder elektrisch klein oder elektrisch groß und mit irgendeiner Querschnittskonfiguration, beispielsweise einer zirkularen, quadratischen, rechteckigen oder anderen Konf iguration. Andere Anwendungen umfassen solche Rahmenantennen mit variabler Größe für spezielle Zwecke, wie sie in Gürteln, steifen Armbändern, Knöchelriemen und dergleichen angeordnet werden können. Tabelle I gepufferte Bandantenne Bandantenne Bandposition B(x) relative Länge ΔI=B(x)-B(1) Induktivität L(nH) relative Induktivität ΔL=L(B-1)-L(B-x) nH = Nanohenry Tabelle II Band-Position relative Länge ΔL=B(x)-B(1) Induktivität L(B-x) Cadded nH = Nanohenry

Claims

1. Eine Armband-Rahmenantenne (200) für ein am Handgelenk zu tragendes elektronisches Gerät, wobei das Gerät einen Empfänger umfaßt, der Signal- und Erdungseingang aufweist, die an eine Antennen-Abstimmkapazität (C&sub0;) zum Abstimmen der Armband-Rahmenantenne (200) auf eine vorbestimmte Frequenz gekoppelt sind, wobei die Armband-Rahmenantenne aufweist:

einen ersten Armbandabschnitt (202) mit:

einem ersten Leiter (206), der ein erstes Ende zum Koppeln an den Empfängersignal-Eingang und ein zweites Ende aufweist, wobei der erste Leiter (206) einen ersten Abschnitt der Armband-Rahmenantenne (200) in dem ersten Armbandabschnitt (202) bildete und

einer Vielzahl von Abgriffen (210), die linear entlang einer Längsachse des ersten Armbandabschnitts (202) angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den äußersten der Vielzahl der Abgriffe (210) eine vorbestimmte, der Rahmenantennen-Durchmesser-Einstellung entsprechende Länge schafft, und

einen zweiten Armbandabschnitt (204) mit

einem zweiten Leiter (208), der ein erstes, an die Emfängererdung gekoppeltes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei der zweite Leiter (208) einen zweiten Abschnitt der Armband-Rahmenantenne in dem zweiten Armbandabschnitt (204) bildet, und

einer an das zweite Ende des zweiten Leiters (208) gekoppelten Kopplungseinrichtung (214) zur Kopplung des zweiten Leiters (208) an einen aus der Vielzahl der Abgriffe

in welcher die Armband-Rahmenantenne (200)

gekennzeichnet ist durch

eine Reaktanzpuffereinrichtung (218) mit

einem Reaktanzpuffereingang, der an das zweite Ende des ersten Leiters (206) gekoppelt ist, und

einer Vielzahl von Reaktanz-Elementen (L1-L10), die nicht seriell zwischen dem Reaktanzpuffereingang und jedem der Vielzahl der Abgriffe (210) angeordnet sind, worin eines oder mehrere der Reaktanzelemente (L1-L10) zwischen dem Eingang und einem entsprechenden der Abgriffe (210) gekoppelt sind, so daß eine im wesentlichen konstante Reaktanz geliefert wird, wenn sie zwischen Reaktanzpuffereingang und jedem der Vielzahl der Abgriffe (210) gemessen wird, wodurch die Resonanzfrequenz der Armband- Rahmenantenne (200) im wesentlichen unverändert bleibt, wenn die Armbandlänge durch Wahl irgendeines der Vielzahl der Abgriffe (210) eingestellt wird.

2. Die Armband-Rahmenantenne (200) nach Anspruch 1, in welcher der erste Armbandabschnitt weiter ein nachgiebiges oberes und unteres Element zum Einschließen des ersten Leiters und der Reaktanzpuffereinrichtung umfaßt und der zweite Abschnitt weiter ein nachgiebiges oberes und unteres Element zum Einschließen des zweiten Leiters umfaßt.

3. Die Armband-Rahmenantenne (200) nach Anspruch 2, in welcher die oberen und unteren Elemente aus Polyurethankautschuk geformt sind.

4. Die Armband-Rahmenantenne (200) nach Anspruch 2, in welcher die oberen und unteren Elemente aus Leder gestanzt sind.

5. Die Armband-Rahmenantenne nach Anspruch 2, 3 oder 4, in welcher der erste (202) und zweite (204) Armbandabschnitt weiter Befestigungseinrichtungen aufweist, die zur Befestigung der Armbandabschnitte an dem elektronischen Gerät mit dem oberen und dem unteren Element an dem ersten Ende verbunden ist.

6. Die Armband-Rahmenantenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welcher der erste (206) und zweite (208) Leiter aus Metallblech bestehen.

7. Die Armband-Rahmenantenne nach Anspruch 6, in welcher das Metallblech aus einer Gruppe, bestehend aus Kupfer, Berylliumkupfer und Nickelsilber, ausgewählt ist.