DK168346B1 - Antennekonstruktion med udtrækkeligt antenneelement - Google Patents

Description

i DK 168346 B1

Opfindelsen angår en antennekonstruktion, fortrinsvis til anvendelse i en mobiltelefon. Antennekonstruktionen er af den art, der omfatter et stavformet antenneelement, der kan forskydes mellem to stillinger.

5

Idet udviklingen inden for mobiltelefoner medfører, at modellerne bliver mere håndterlige og samtidig gøres mindre, stiller forbrugerne efterhånden krav om, at en mobiltelefons antenne ikke må bidrage væsentligt til te-10 lefonens samlede størrelse. Dette er især tilfældet, når telefonen ikke anvendes til opkald. Samtidig skal det imidlertid fortsat være muligt, at modtage opkald udefra, selv om mobiltelefonen er i passiv tilstand.

15 Det amerikanske patentskrift nr. 4 890 114 søger netop at overvinde disse problemer, ved at angive en antennekonstruktion med et udtrækkeligt antenneelement. Dette antenneelement kan forskydes mellem to yderstillinger, hvor det i en første og for telefonen aktiv stilling befinder 20 sig i hovedsagen uden for mobiltelefonens hus. I en anden og for mobiltelefonen passiv stilling, befinder en væsentlig del af antenneelementet sig inden for mobiltelefonens hus, hvorved kun den yderste, ledende spids rager uden for mobiltelefonens hus. I dette patent angives, at 25 dette er tilstrækkeligt for at opnå en forudbestemt modtagef ølsomhed. Det med antennens korte del modtagne signal vil imidlertid blive forstyrret af refleksioner fra den lange, indtrukne del af antennen. Dette reducerer således antennens modtagefølsomhed i mobiltelefonens pas-30 sive tilstand, hvorved modtageforholdene forringes.

Andre har forsøgt at kompensere for denne uheldige kobling mellem den del af antenneelementet, der er ført ind i mobiltelefonens hus og den del, der rager uden for hu-35 set for at opfange eventuelle opkald. Dette er gjort ved, at antennen er opdelt i to separate antenneelementer, der er anbragt i forlængelse af hinanden og er indbyrdes iso- DK 168346 B1 2 lerede. Et relativt kort antenneelement i antennens yderste ende bibringer så overvågningsfunktionen i mobiltelefonens passive tilstand, mens et længere antenneelement bibringer antennefunktionen ved mobiltelefonens aktive 5 tilstand. Dette har den ulempe, at selve antennen rager længere ud fra mobiltelefonens hus, når mobiltelefonen er i aktiv tilstand, da den yderste del af antennen ikke bidrager til udstrålingen, men er isoleret fra den aktive del af antennen, og således blot kan betragtes som væ-10 rende "dummy" i denne tilstand.

Opfindelsen har til formål at angive en antennekonstruktion af den i indledningen angivne art, hvor et antenneelement kan forskydes mellem to yderstillinger, hvilken 15 antennekonstruktion skal være indrettet til at kunne modtage opkald i begge disse stillinger, uden at den i sen-de/modtageenheden indførte antennedel forstyrrer den aktive del af antennen.

20 Dette formål opnås med den i krav l's kendetegnende del angivne antennekonstruktion. Antenneelementets længde afstemmes, så den del, der føres ind i sende/modtageenhe-dens hus fungerer som en koaksial transmissionslinie med en høj impedans set fra fødepunktet for den korte, aktive 25 del af antenneelementet.

Som angivet i krav 2, kan den elektriske længde af antenneelementet afstemmes, så den lange, indførte del af antenneelementet svarer til en åben halvbølgetransmis-30 sionslinie. Krav 3 angiver en alternativ udførelsesform, hvor den indførte del er udformet som en kvartbølgetrans-missionslinie, der er kortsluttet. Dette kan eksempelvis realiseres ved, at der i en afstand fra antennens fødepunkt svarende til en kvart bølgelængde monteres en gli-35 demuffe, der kan etablere en elektrisk kortslutning mellem antenneelementet og det koaksialt anbragte ledende rør. Herved vil impedansen af den del af antenneelemen- DK 168346 B1 3 tet, der er optaget i sende/modtageenhedens hus have en høj impedans set fra antennens fødepunkt. I indskubbet stilling, vil den i huset optagne del således ikke påvirke den relativt korte del, der rager uden for huset.

5

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med foretrukne udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor: 10 fig. 1 viser princippet for en foretrukken udførelsesform for en antennekonstruktion ifølge opfindelsen, hvor antennen befinder sig i udtrukket stilling, fig. 2 viser den i fig. 1 viste antennekonstruktion, med 15 antenneelementet i indført stilling, fig. 3 viser et ækvivalentdiagram for den i fig. 1 viste antennekonstruktion, samt tilpasningen af denne, 20 fig· 4 viser en alternativ udførelsesform for en antennekonstruktion ifølge opfindelsen, fig. 5 viser, hvorledes den i fig. 1 viste antennekonstruktion kan realiseres i praksis, og 25 fig. 6 viser skematisk hvorledes en alternativ udførelsesform med et forkortet antenneelement kan realiseres.

Principperne ved en foretrukken udførelsesform for opfin-30 delsen er vist i fig. 1 og 2, hvor antennekonstruktionen omfatter et antenneelement 1, der kan forskydes mellem to yderstillinger. Den ene er vist i fig. 1 og antenneelementet 1 er her trukket ud af mobiltelefonens hus, hvorved mobiltelefonen kan sende med maximal effekt og modta-35 ge med maximal følsomhed, hvorved mobiltelefonen er i stand til at opfylde de af myndighederne for godkendelse til NMT-systemet stillede krav. På fig. 2, ses hvorledes DK 168346 B1 4 antenneelementet: 1 er ført ind i mobiltelefonens hus (der ikke er vist på figurerne) og optaget i et elektrisk ledende rør 2, hvorved dette rør 2 danner en koaksial transmissionslinie sammen med antenneelementet 1. Anten-5 neelementet 1 er i sit fødepunkt elektrisk koblet til mobiltelefonens ikke-viste sende/modtagedele gennem et koaksial kabel 4, hvis centerleder er forbundet til et koaksialt med antenneelementet 1 anbragt rørstykke 3, der kobler til antenneelementet 1 gennem en kapacitiv kob-10 ling. Rørstykket 3 er elektrisk isoleret fra røret 2, der er forbundet med jord, hvilket ved den foretrukne udførelsesform sker gennem koaksialkablet 41 s skærm eller yderleder. Herved kan højfrekvenssignalet tilkobles antenneelementet 1 uden anvendelse af fysiske kontaktarran-15 gementer.

Som det ses af fig. 1 og 2, er antenneelementet 1 afsluttet med en spole 5. Ved den foretrukne udførelsesform er den fra røret 2 udragende del af antenneelementet 1 i 20 mobiltelefonens passive tilstand kortere end en kvart bølgelængde. En sådan antenne er kapacitiv, og kan f.eks. afstemmes ved hjælp af en forlængerspole anbragt i midten eller i toppen af antenne. Anvendelse af en topspole er mest praktisk, da den kan skjules og beskyttes i en an-25 tenneknop, som det vil blive forklaret i forbindelse med fig. 5.

Når antennen er fuldt udtrukket, vil den have en længde + I^, der eksempelvis kan være 5/8 bølgelængde eller 30 3/4 bølgelængde. Ved en samlet antennelængde på 5/8 bøl gelængde, vil antennen have en kapacitiv impedans og kan derfor afstemmes med en seriespole. Ved den foretrukne udførelsesform foretrækkes et antenneelement med en samlet længde på 3/4 bølgelængde, hvorved antenneimpedansen 35 i hovedsagen vil være reel, hvorfor der ikke er behov for et afstemningsled i antennekonstruktionen. Denne antenne vil i udtrukket stilling have strømmaximum ved fødepunk- DK 168346 B1 5 tet.

Anvendelse af udtrykket kort og lang antenne vil i det efterfølgende referere til den aktive del af antennen, 5 når mobiltelefonen henholdsvis er i passiv og aktiv tilstand .

Det vil, som det vil fremgå af det følgende, være ønskeligt, at den korte antennedels fødeimpedans er lav, og 10 det vil foretrækkes, at afstemningen udføres med topspolen som tidligere nævnt. Den lange antenne er ved den foretrukne udførelsesform valgt præcis 1/2 bølgelængde længere end den korte antenne og afstemmes med samme topspole. Der er således ikke behov for et afstemningsled i fø-15 depunktet. Den lange antenne vil uden brug af isolering have en elektrisk længde, der svarer til den fysiske længde. Et elektrisk ækvivalentdiagram for antennekonstruktionen ifølge den foretrukne udførelsesform, når antenneelementet 1 er ført ind i røret 2, så kun spidsen 20 rager ud, er vist i fig. 3. Den korte antenne afstemmes som tidligere nævnt med en topspole 5, hvis fysiske ud-forming er vigtig, da spolen ikke fungerer som et simpelt impedans-transformationsled, men som en del af antenne-stråleren, der, som følge af spiraliseringen, har en læn-25 gere elektrisk end fysisk længde. Set fra antennens fodpunkt A, vil antennen have en lav impedans, mens impedansen af den i røret optagne antennedel med en længde svarende til 1/2 bølgelængde, vil være høj. Som det ses, er der ikke andre tilpasningsled til stede i antennekon-30 struktionen.

Når antenneelementet er skubbet ind i apparatet, vil en del med længden være optaget i et tyndt og fortrinsvis cylindrisk metalrør, for derved at optage så lidt plads i 35 apparatet som muligt. Antenneelementet kan vælges efter de krav, der stilles til dets funktion og vil fortrinsvis være en ubrudt metaltråd med en vis fleksibilitet. Idet DK 168346 B1 6 den indskubbede del af metaltråden er udformet med en elektrisk længde på 1/2 bølgelængde og sammen med røret 2 danner en åben koaksial halvbølgetransmissionslinie, vil impedansen set fra fodpunktet være høj, hvorfor den korte 5 antennedel med lav impedans ikke påvirkes. For at udnytte dette princip maximalt fødes den korte antenne i et strømmaximum.

Et alternativ til den ovenfor nævnte åbne halvbølgetrans-10 missionslinie er at udforme den koaksiale transmissionslinie som en kortsluttet kvartbølgetransmissionslinie. Dette realiseres ved, at der i en afstand fra fødepunktet svarende til en kvart bølgelængde anbringes en slæbekontakt 6 i røret 2, hvilket er vist på fig. 4. Den i røret 15 2 indførte del vil, set fra fødepunktet have en høj impe dans og dermed ikke påvirke den korte antennes funktion. Denne høje impedans vil være uafhængig af den del af antenneelementet, der befinder sig nedenfor slæbekontakten 6, hvorfor man frit kan vælge den fysiske længde af den 20 indskubbede del. Antenneelementet kan f.eks. være udformet som et elastisk element, hvis ende· er forbundet til f.eks. en motor, så antenneelementet automatisk kan føres ind og ud af mobiltelefonens hus under styring af brugeren.

25

Den del af antenneelementet, der befinder sig i røret 2, vil have samme elektriske og fysiske længde, når antenneelementet ikke er omgivet af et dielektrisk materiale.

Hvis antenneelementet omgives af dielektrikum, vil den 30 fysiske længde være lig med den elektrisk længde multipliceret med kvadratroden af den effektive dielektricitetskonstant. Dette er givet ved følgende udtryk: l2 = O'/ZH'eff)172 35 hvor eef£ findes fra udtrykket: DK 168346 B1 7 eeff = ln(r2/r^er^^ln^rl/r^ + erln(r2/r)^ 2' hvor r2 er radius af røret 2, 5 r er radius af antenneelementet 1, r1 er radius af det dielektrikum, der omgiver antenneelementet 1, og 10 e er den relative dielektricitetskonstant for dielektri-r kumet.

Fig. 5 viser en mulig opbygning af en antennekonstruktion ifølge opfindelsen, hvor antennekonstruktionen her omfat-15 ter et antenneelement 1, der omfatter en stav 28 af ledende materiale, der er beklædt med et isoleringslag 29, der f.eks. kan være plast. I toppen af antenneelementet, er der tilvejebragt en knop 30, der indeholder den tidligere omtalte forlængerspole 31. Antenneelementet 1 er 20 næsten trukket helt ud af mobiltelefonens hus, idet antenneelementet 1 kan forskydes igennem en åbning i en væg 10 i nævnte hus. Antennekonstruktionen er forbundet til sende/modtageenheden i mobiltelefonen gennem et koaksial-kabel 20, hvis yderleder 21 er fastgjort til en ring 25, 25 der gennem en forbindelsesdel 26 forbinder yderlederen 21 til et rør 27, der er indrettet til at optage antenneelementet 1, når det føres ind i mobiltelefonens hus. Koak-sialkablet 20's inder leder 23, der er isoleret fra yderlederen 21 gennem isolationen 22, er gennem en anden for-30 bindelsesdel 24 forbundet til det i fig. 1 viste kapaci-tive koblingsrør, der f.eks. kan have form som det tilsvarende i fig. 5 viste koblingsrør 17. Koblingsrøret 17 tjener som tidligere beskrevet til at overføre elektromagnetisk energi til antenneelementet 1, men er her også 35 udformet, så det har til funktion at styre antenneelementet l's bevægelser i forhold til røret 27. Derfor er koblingsrøret 17 udformet med skuldre, der gennem en isole- DK 168346 B1 8 ringsring 14 ligger an mod den indvendige side af husvæggen 10. Den udfra huset ragende del af koblingsrøret 17 tjener som fastgørelsesdel og er derfor forsynet med et udvendigt gevind, ved hjælp af hvilket koblingsrøret 17 5 fikseres i forhold til huset ved tilspænding med en møtrik 15. Antenneelementet 1 er således indrettet til forskydeligt at kunne optages i koblingsrøret 17, hvor en tætningsring 16 sikrer, at der ved forskydning af antenneelementet 1 ikke føres vand ind i røret 27. Den indven-10 dige del af fastgørelsesdelen på koblingsrøret 17 er udformet, så antenneelementet 1 tillades en vis tværgående bevægelse. Antenneelementet 1 er i bunden forsynet med et modhold 19, der, når antenneelementet trækkes ud i udtrukket stilling, bringes til at ligge an mod koblings-15 røret 17's ende. Herved forhindres, at antenneelementet 1 føres helt ud af mobiltelefonens hus.

Den i fig. 5 illustrerede antennekonstruktion har en total længde på 3/4 bølgelængde, hvilket ved anvendelse i 20 forbindelse med et NMT-system, medfører en total længde på ca. 20 cm. Den lange antenne (når mobiltelefonen er i aktiv tilstand) vil således være 3/4 bølgelængde lang (incl. topspole). Den korte antenne (når mobiltelefonen er i passiv tilstand) vil være en kvartbølgeantenne med 25 topspole, mens den indførte del af antenneelementet vil fungere som en halvbølgeresonator i røret 27. Der kræves intet afstemningsled til denne antennekonstruktion. Længden af rørdelen 17 vil typisk være i størrelsesordenen 25-50 mm.

30

Som omtalt i forbindelse med fig. 4, kan den i fig. 5 viste antennekonstruktion modificeres ved, at der indvendig i røret 27 anbringes en glidekontakt, der så anbringes i en afstand svarende til 1/4 bølgelængde fra anten-35 nens fødepunkt. Den lange antenne vil også her være udformet med en længde på 3/4 bølgelængde (incl. topspole), hvilket svarer til ca. 20 cm. Den korte antenne vil være DK 168346 B1 9 en kvartbølgeantenne med topspole, hvor den i røret 27 optagne del af antenneelementet vil fungere som en kvart-bølgeresonator. For at opnå elektrisk kontakt mellem gli-dekontakten 6 (fig. 4) og den ledende del af antenneele-5 mentet 1, må antenneelementet imidlertid blotlægges for isolation, i det mindste i en del af sin længderetning.

Ved den første af de to ovenstående udførelsesformer, blev det forudsat, at tykkelsen af isolationsmaterialela-10 get 29 var lille i forhold til radius af røret 27. Ved at øge tykkelsen af isolationsmaterialelaget for den i fig.

5 viste antennekonstruktion, kan man opnå, at antenneelementets fysiske længde kan reduceres, samtidig med at dets elektriske længde opretholdes. Man kan således af-15 passe de forskellige radier i forhold til den effektive dielektricitetskonstant ifølge udtryk 2, og opnå, at man kan anvende et antenneelement 1 med en fysisk længde på f.eks. 16 cm. Den lange antenne vil således være 5/8 bølgelængder lang, mens den korte antenne fortsat vil være 20 en kvartbølgeantenne med topspole, hvor den i røret 27 optagne del af antenneelementet vil udgøre en forkortet halvbølgeresonater. Nu vil der imidlertid være behov for et afstemningsled mellem koaksialkablet 20's centerleder 23 og forbindelsesdelen 24. Dette led skal kunne skiftes 25 ind og ud af vejen for højfrekvenssignalerne i afhængighed af mobiltelefonens tilstand.

Fig. 6 viser hvorledes en sådan antennekonstruktion kan realiseres. På fig. 6 er kun medtaget de allermest nød-30 vendige dele for at illustrere princippet. Mobiltelefonens hus har en væg 110 med en åbning, hvori et koblingsrør 117 er anbragt. I koblingsrøret 117, kan antenneelementet 1, der består af en ledende del 128 med omgivende isoleringsmateriale 129, forskydes mellem to yderstil-35 linger. I forlængelse af antenneelementets ledende del 128, er der anbragt en permanent magnet 140. Denne magnet 140 bidrager ikke til antennens udstrålingsfunktion, og DK 168346 B1 10 er således isoleret fra det ledende antenneelement 128. Magneten 140 bidrager, som det vil blive forklaret senere, til ind- og udkobling af et antenneafstemningsled. Antenneelementet er indrettet til at kunne optages i et 5 elektrisk ledende rør 127, der er forbundet til jord via et koaksialkabel 120's yderleder 122. Koaksialkablet 120 tilkobler højfrekvenssignalet til antenneelementet 1 gennem koblingsrøret 117, som gennem afstemningsledet er forbundet til koaksialkablet 120's centerleder 123. Mel-10 lem koaksialkablet 120 og koblingsrøret 117, er der tilvejebragt et antenneafstemningsled, der omfatter en til koaksialkablet 120's centerleder 123 forbunden induktans Lgl, der igen er forbundet til henholdsvis jord gennem en anden induktans og til koblingsrøret 117 gennem en 15 tredie induktans L^. Parallelt over den første induktans Lg^, er der anbragt en Reedkontakt bestående af en kontaktdel 142 og en permanent magnet 141. Som det ses, har de to magneter 140 og 141 modsat polaritet. Herved sikres det, at kontakten 142 sluttes, når antennen føres ind i 20 mobiltelefonens hus, idet magneten 140 føres væk fra kontakten. Dermed vil magneten 141 dominere Reedkontakten og sikre, at den er sluttet. Når antennen atter trækkes ud, bringes magneten 140 tæt på magneten 141, hvorved magnetfeltet, der påvirker kontaktelement 142, reduceres, som 25 følge af de to magneter 140 og 141's modsatte polaritet. Herved afbrydes kontakten 142. Serieinduktansen di mensioneres, så antenneelementet, der er 5/8 bølgelængder langt, afstemmes i udtrukken stilling. De øvrige afstemningsinduktanser Lg2 og Lg2 afstemmer henholdsvis uund-30 gåelige parallelkapaciteter og seriekapaciteten i koblingsrøret. Disse induktanser dimensioneres i overensstemmelse hermed.

35

Claims (4)

1. Antennekonstruktion med et stavformet antenneelement 5 (1) og fortrinsvis til anvendelse i mobiltelefoner, hvor det stavformede antenneelement (1) er indrettet til at kunne optages og forskydes i et rør (2) mellem en første stilling, hvor i hovedsagen hele det stavformede antenneelement (1) rager ud fra røret (2) og bidrager til ud-10 strålingen, og en anden stilling, hvor kun en del (L^) af det stavformede antenneelement (1) rager ud fra røret (2) og bidrager til udstrålingen, kendetegnet ved, at det stavformede antenneelement (1) er indrettet til at kunne optages i røret (2) til dannelse af en koaksial 15 transmissionslinie, og at denne koaksiale transmissionslinie i den anden stilling har en længde (1*2) og afsluttes på en sådan måde, at transmissionsliniens impedans er høj set fra den udragende del () af antenneelementet (1) og således ikke påvirker denne. 20

2. Antennekonstruktion ifølge krav 1, kendetegnet ved, at transmissionslinien er en åben halvbølge-transmissionslinie (fig. 2).

3. Antennekonstruktion ifølge krav 1, kendeteg net ved, at transmissionslinien er en kortsluttet kvartbølgetransmissionslinie (fig. 4).

4. Antennekonstruktion ifølge krav 1 eller 2, kende-30 tegnet ved, at transmissionslinien er en åben, forkortet halvbølgetransmissionslinie. 1 Antennekonstruktion ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at antenneelementet fødes gennem en kapaci- 35 tiv, resonant kobling (3; 17; 117).