ES2288778T3

ES2288778T3 - Antena de sustrato que incorpora un elemento que previene el acoplamiento de energia entre la antena y los conductores.

Info

Publication number: ES2288778T3
Application number: ES99934370T
Authority: ES
Inventors: Puay Hoe See
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: AU759369B2; MY126441A; IL137883A0; EP1093675B1; NO20004152L; WO1999043041A1; NO323300B1; KR20010041059A; CN1129976C; AU3299999A; DE69936648T2; EP1093675A1; JP2002504768A; KR100649791B1; CA2319553A1; BR9908053A; NO20004152D0; DE69936648D1; HK1036157A1; JP4435978B2

Abstract

Un dispositivo de comunicaciones sin hilos que comprende un elemento parásito (800, 900) y una antena de sustrato interna (300), teniendo el dispositivo de comunicaciones sin hilos uno o más conductores de transferencia de señal o de alimentación o alimentadores de la señal (712) localizados adyacentes a la mencionada antena, en el que la mencionada antena de sustrato comprende: una o más pistas conductoras (302) soportadas sobre un sustrato dieléctrico (304) que tiene un grosor predeterminado; y el mencionado sustrato de soporte (304) está montado desplazado desde y generalmente perpendicular a un plano de tierra asociado con el dispositivo sin hilos (100, 700), y dicho elemento parásito comprende: al menos una capa de material conductor dispuesta de manera adyacente a uno o más de los mencionados conductores (712) en una región adyacente a la mencionada antena (300) teniendo una anchura preseleccionada con relación a los mencionados conductores, y una longitud preseleccionada a lo largo de los mencionados conductores suficiente para evitar el acoplamiento de energía entre la mencionada antena y los conductores en la región de la mencionada capa.

Description

Antena de sustrato que incorpora un elemento que previene el acoplamiento de energía entre la antena y los conductores.

I. Campo de la invención

La presente invención se refiere por lo general a antenas para dispositivos sin hilos, y de manera más específica, a antenas montadas internamente. La invención se refiere además a antenas de sustrato internas para dispositivos sin hilos, con elementos parásitos que tienen características mejoradas de acoplamiento de energía, y una ganancia y un ancho de banda para los dispositivos sin hilos.

II. Descripción de la técnica relacionada

Las antenas son un componente importante de los dispositivos y de los sistemas de comunicación sin hilos. Aunque las antenas se encuentran disponibles en numerosas y diferentes formas y tamaños, cada una de ellas funciona de acuerdo con los mismos principios electromagnéticos básicos. Una antena es una estructura asociada con una región de transición entre una guía de ondas y una onda en el espacio libre, o viceversa. Como un principio general, una onda guiada que viaja a lo largo de una línea de transmisión que se ensancha, radiará como una onda en el espacio libre, también conocida como una onda electromagnética.

En los recientes años, con un aumento en el uso de dispositivos de comunicación sin hilos personales, tales como teléfonos portátiles y teléfonos de los servicios de comunicaciones móviles celulares y servicios de comunicaciones personales (PCS), ha aumentado la necesidad de antenas pequeñas adecuadas para dichos dispositivos de comunicación. Los recientes desarrollos en circuitos integrados y en tecnología de las baterías han hecho posible el que el tamaño y el peso de dichos dispositivos de comunicación se reduzca de manera drástica en los últimos años. Un área en la que aún se desea una reducción en el tamaño son las antenas del dispositivo de comunicación. Esto es debido al hecho de que el tamaño de la antena puede jugar un papel importante en la disminución del tamaño del dispositivo. Además, el tamaño de la antena y la forma de la misma tienen impacto en los costes de la estética y de la fabricación del dispositivo.

Un factor importante a considerar en el diseño de antenas para dispositivos de comunicaciones sin hilos es el diagrama de radiación de la antena. En una aplicación típica, el dispositivo de comunicaciones debe ser capaz de comunicar con otro de dichos dispositivos o con una estación base, un repartidor o satélite que puedan estar situados en varias direcciones alejadas del dispositivo. Por consiguiente, es esencial que las antenas para dichos dispositivos de comunicaciones sin hilos tengan un diagrama de radiación que sea aproximadamente omnidireccional, o un diagrama de radiación que se extienda hacia arriba desde un horizonte local.

Otro factor importante a considerar en el diseño de antenas para dispositivos de comunicaciones sin hilos es el ancho de banda de la antena. Por ejemplo, los dispositivos sin hilos tales como los teléfonos usados con los sistemas de comunicaciones PCS funcionan sobre una banda de frecuencia de 1,85 a 1,99 GHz, requiriendo de esta manera un porcentaje útil de ancho de banda del 7,29 por ciento. Un teléfono para su uso con un sistema de comunicaciones celular típico funciona sobre una banda de frecuencia de 824 a 894 MHz, lo que requiere un porcentaje de ancho de banda del 8,14 por ciento. De acuerdo con esto, las antenas para su uso en estos tipos de dispositivos de comunicaciones sin hilos deben ser diseñados para cumplir con los requisitos de ancho de banda apropiados, o las señales de comunicación se verán seriamente atenuadas.

Un tipo de antena comúnmente usada en dispositivos de comunicaciones sin hilos es la antena de látigo, que se retrae fácilmente dentro del dispositivo cuando no se está usando. Sin embargo, había varias desventajas asociadas con la antena de látigo. A menudo, la antena de látigo está sometida a daños cuando se engancha a objetos, personas o superficies cuando se extiende para su uso, o incluso cuando se recoge. Incluso cuando se diseña la antena de látigo para que sea retráctil con el fin de minimizar dichos daños, puede requerir aún una dimensión mínima de carcasa del dispositivo cuando se recoge que sea mayor que la deseada.

Las antenas de látigo se usan a menudo junto con antenas helicoidales cortas que se activan cuando se recoge el látigo dentro del teléfono. La antena helicoidal proporciona la misma longitud de radiador en un espacio más compacto para mantener las características de acoplamiento de radiación apropiadas. Mientras que la antena helicoidal es mucho más corta, aún sobresale una distancia sustancial desde la superficie del dispositivo sin hilos, teniendo impacto en la estética y enganchándose a otros objetos. Para posicionar dicha antena interna al dispositivo sin hilos, se necesitaría un volumen sustancial, lo que no es deseable. Además, dichas antenas helicoidales parecen ser muy sensibles a la carga de la mano por parte de los usuarios del dispositivo sin hilos.

Otro tipo de antena que podría parecer adecuada para su uso en dispositivos de comunicaciones sin hilos es una antena microtira o antena de línea de tira. Sin embargo, dichas antenas sufren de varias desventajas. Tienden a ser mucho mayores que lo que se desea, sufren de un ancho de banda más bajo y carecen de diagramas de radiación omnidireccionales deseables.

Como sugiere el término, una antena microtira incluye un elemento de parche o un elemento microtira, al que también se hace referencia de manera común como un parche radiador. La longitud del elemento microtira se fija con relación a la longitud de onda \lambda_{0} asociada con una frecuencia resonante f_{0}, que se selecciona para que se acople a la frecuencia de interés, tales como 800 MHz o 1900 MHz. Longitudes comúnmente usadas de elementos microtira son la media longitud de onda (\lambda_{0}/2) y un cuarto de la longitud de onda (\lambda_{0/}4). Aunque, se han usado recientemente unos pocos tipos de antenas microtira en dispositivos de comunicaciones sin hilos, se desea una mejora adicional en varias áreas. Una de dichas áreas en las que se desea una mejora adicional es una reducción en el tamaño global. Otra área en la que se requiere una mejora significativa es en el ancho de banda. Los diseños actuales de antena de parche o de antena microtira no parece que obtengan el porcentaje deseado del 7,29 al 8,14 por ciento o más características de ancho de banda deseadas para su uso en la mayoría de los sistemas de comunicación, en un tamaño que sea práctico.

Las antenas convencionales de parche y antenas microtira tienen problemas adicionales cuando se colocan cerca de planos de tierra amplios que se encuentran dentro de la mayoría de los dispositivos sin hilos. Los planos de tierra pueden alterar la frecuencia resonante, creando un diseño fabricado no repetible. La mínima área de superficie también evita el montaje de una manera que optimice los diagramas de radiación. Además, "la carga de la mano", esto es, la colocación de una mano del usuario cerca de la antena desplaza de manera drástica la frecuencia de resonancia y el funcionamiento de la antena.

Los diagramas de radiación son extremadamente importantes no solamente para el establecimiento de un enlace de comunicaciones como se ha tratado con anterioridad, sino también en relación al gobierno de los estándares de radiación para los usuarios del dispositivo sin hilos. Los diagramas de radiación deben ser controlados o se deben ajustar de manera que los usuarios del dispositivo absorban una cantidad mínima de radiación. Existen estándares de gobierno establecidos para la cantidad de radiación que se permite cerca del usuario del dispositivo sin hilos. Un impacto de estas reglamentaciones es que las antenas internas no pueden ser colocadas en muchas localizaciones dentro de un dispositivo sin hilos, debido a la exposición a la radiación para el usuario. Sin embargo, como se ha declarado con anterioridad, cuando se usan antenas actuales en otras localizaciones, los planos de tierra y otras estructuras a menudo interfieren con su uso efectivo.

Con los anteriores problemas en mente, se ha de-
sarrollado un nuevo tipo de antenas al que se hará referencia como una antena de sustrato para proporcionar una antena interna para los dispositivos sin hilos que tiene unas características apropiadas de ancho de banda junto con un tamaño reducido, una ganancia adecuada y una respuesta reducida o impacto reducido de la carga de las manos, o problemas similares que se encuentran dentro de la técnica. Este tipo de antena se describe en la Solicitud de Patente en trámite junto con la presente de los Estados Unidos con número de serie 09/028.510 (Expediente del agente número QCPA518) titulada "Antena de sustrato" de fecha 23 de febrero de 1998, que se incorpora a este documento por referencia.

Aunque la antena de sustrato promueve la técnica de antenas internas y resuelve varios problemas de la técnica, existen algunas situaciones en las que la antena no consigue las condiciones de ganancia deseadas o las condiciones de distribución de energía deseadas. Esto es, la antena dirige o acopla la radiación dentro de modos o direcciones no deseados, reduciendo la ganancia de la antena. Además, las antenas de sustrato y otros tipos de antenas internas pequeñas también se ven afectadas de manera negativa por su posicionamiento adyacente a varias fuentes de ruido dentro del dispositivo sin hilos. Cuando se coloca dentro de un dispositivo sin hilos, la antena se puede colocar relativamente cercana a conductores usados para transferir señales o potencia. La ganancia de la antena y la sensibilidad del dispositivo sin hilos pueden disminuir debido a señales o a ruido en la señal que se esté acoplando dentro de la antena proveniente de estos conductores o de varias fuentes dentro del dispositivo sin hilos.

Por lo tanto, se necesita una nueva estructura de antena y una técnica para la fabricación y para el montaje de antenas dentro de dispositivos sin hilos para conseguir antenas internas que tengan la ganancia y la sensibilidad deseadas o para conseguir características de ruido reducidas.

Se dirige una atención adicional al documento de los Estados Unidos US-A-5.678.216, que describe un buscador por radio para la recepción de una señal de radiobúsqueda con una antena microtira de tamaño mitad. Un par de elementos conductores eléctricos emparedan una placa de circuito impreso, sobre la cual están montados los elementos que constituyen la circuitería del buscador por radio. Los elementos conductores y los terminales de conexión conductores que los amarran constituyen un caso de la carcasa electromagnética para los elementos de la circuitería, reduciendo la radiación y las ondas electromagnéticas innecesarias hacia el exterior de la circuitería montada sobre la placa de circuito impreso, en particular un circuito de un oscilador local. Como la antena tiene una placa de tierra de la misma conectada a una de las placas conductoras con respecto a la alta frecuencia, las placas conductoras juegan el papel de una placa de tierra al mismo tiempo. Como resultado, se miniaturiza una placa base microtira mientras que se aumenta el espacio disponible para las piezas. Una parte conductora de tierra rodea el elemento de antena y oculta los tornillos y otras piezas estructurales conductoras, por lo que el diagrama de directividad de la antena no es susceptible de cambios en la dimensión y en la posición de las piezas estructurales conductoras.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un dispositivo de comunicaciones sin hilos como el que se declara en la reivindicación 1. Las realizaciones de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

Sumario

En vista de los anteriores problemas y de otros problemas encontrados en la técnica con relación a la fabricación de antenas internas para dispositivos sin hilos, un propósito de la presente invención es disminuir la interacción de una antena interna con otros elementos o conductores en un dispositivo sin hilos, que en cualquier otro caso degradaría el funcionamiento.

Un segundo propósito de la invención es aumentar o mantener un nivel deseable de ganancia para una antena interna en un dispositivo sin hilos.

Un tercer propósito de la invención es aumentar el ancho de banda para una antena interna en un dispositivo sin hilos.

Una ventaja de la invención es que proporciona una antena interna físicamente pequeña mientras que a la vez mantiene las características operativas deseadas.

Estos y otros propósitos, objetos y ventajas son realizados en un elemento parásito para su uso con una antena interna en un dispositivo de comunicaciones sin hilos que tenga uno o más conductores o alimentaciones para las señales o para la transferencia de potencia situados adyacentes a la antena. El elemento parásito está por lo general formado por medio de la deposición de al menos una capa de material conductor adyacente a, sobre o bajo uno o más de los conductores en una región adyacente a la antena. El elemento parásito tiene una anchura preseleccionada con relación a los conductores, y una longitud preseleccionada a lo largo de los conductores que sea suficiente para evitar que una cantidad sustancial de energía se acople entre la antena y los conductores.

Una antena interna preferible es una antena de sustrato que incluye una o más pistas de radiadores soportadas sobre un sustrato dieléctrico de un grosor predeterminado. Las dimensiones apropiadas se seleccionan para la longitud y para la anchura de la pista, en base a las longitudes de onda de interés para el dispositivo sin hilos, y asignados en el espacio. En las realizaciones preferidas, el material conductor de apantallamiento se dispone de manera adyacente y rodeando a una parte predeterminada de la pista para proporcionar un nivel de corriente cero para el diagrama de radiación en campo cercano. El sustrato de soporte se monta desplazado de y generalmente perpendicular a un plano de tierra asociado con circuitos y con componentes dentro del dispositivo, con los que la antena se está usando. La antena de sustrato emplea una estructura compacta y muy delgada que proporciona un ancho de banda apropiado. La compactación de la antena y una variedad mayor de formas útiles permiten que la antena de sustrato se pueda usar de manera muy eficiente como una antena interna para los dispositivos sin hilos.

Sin embargo, el dispositivo sin hilos de manera típica usa varios conductores de señal o de transferencia de potencia que se extienden entre los elementos de procesado de la señal preseleccionados y las fuentes de potencia y tienen una parte localizada inmediatamente adyacente a la antena, que está posicionada sobre o a continuación de los conductores. En realizaciones preferidas, el posicionamiento de los elementos parásitos adyacentes a, sobre o bajo uno o más de los conductores en una región localizada adyacente a la antena actúa para evitar que una cierta cantidad de ruido se acople desde los conductores dentro de la antena. El elemento parásito o el parche se forma adyacente a la antena para crear una separación de carga a través de la ranura o de la separación entre la antena y el plano de tierra del dispositivo sin hilos. El elemento parásito aumenta la efectividad o el área virtual de la antena, aumentando por lo tanto la ganancia y el ancho de banda del dispositivo sin hilos, en 0,8 a 1,5 dB. La sensibilidad del dispositivo de comunicaciones sin hilos se ve aumentada por medio de la reducción del ruido en la antena.

El acoplamiento de manera parásita del elemento parásito al plano de tierra a través de los conductores, aumenta de manera adicional la ganancia y el nacho de banda del dispositivo sin hilos. En esta realización, la ganancia aumenta en 0,8 a 1,5 dB. El elemento parásito y el acoplamiento parásito aumenta el ancho de banda de los dispositivos sin hilos por un factor de al menos 1,5.

En realizaciones preferidas, el elemento parásito está formado por una o más capas de material conductor tal como cobre, latón, aluminio o plata. El material eléctricamente conductor se puede colocar sobre conductores situados adyacentes a la antena, y está acoplado a un potencial de tierra para el dispositivo sin hilos. El elemento parásito cubre de manera preferible conductores de manera tan completa como sea práctico dependiendo de la cantidad de energía o de la radiación que se vaya a inhibir. El tamaño o el área del material conductor usado para formar el elemento parásito también se puede configurar o se puede ajustar para aumentar el área efectiva y el correspondiente ancho de banda de la antena en una cantidad preseleccionada.

En realizaciones preferidas, el material conductor está fabricado como un parche de material eléctricamente conductor delgado que se puede colocar sobre conductores localizados adyacentes a la antena. Este parche se puede formar con una forma sustancialmente rectangular, una forma sustancialmente circular, una forma sustancialmente triangular o una forma geométrica compleja, y está preferiblemente formado o fabricado para que sea al menos dos veces tan ancho como los conductores.

En realizaciones adicionales de la invención, se pueden usar múltiples capas de material conductor o directamente unas sobre otras, o intercaladas con otras capas de material o de los conductores. Además, se pueden usar múltiples parches para cubrir una región deseada.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describe con referencia a los dibujos que la acompañan, en los que similares números de referencia indican una funcionalidad idéntica similar, y/o elementos estructuralmente similares, el dibujo en el que aparece primero un elemento, está indicado por los dígitos de más a la izquierda en el número de referencia, y en los que:

Las figuras 1a y 1b ilustran vistas en perspectiva y vistas laterales de un teléfono sin hilos que tiene una antena de látigo y una antena helicoidal externa;

Las figuras 2a y 2b ilustran vistas laterales y en sección transversal trasera del teléfono de la figura 1b con una circuitería interna de ejemplo;

Las figuras 3a a 3c ilustran una antena de sustrato que se encuentra que es de utilidad en el teléfono de la figura 1;

Las figuras 4a a 4e ilustran varias realizaciones de antena de sustrato alternativas;

Las figuras 5a y 5b ilustran vistas en sección transversal lateral y vistas traseras del teléfono de la figura 1b que usa una antena de sustrato;

La figura 6 ilustra una vista en sección transversal lateral del teléfono de la figura 1b que usa una realización alternativa de una antena de sustrato;

La figura 7 ilustra el teléfono de las figuras 5a y 5b con una serie de conductores que se extienden desde una parte a otra a través de una unión giratoria;

La figura 8a ilustra una vista en planta superior de un elemento de parche parásito construido de acuerdo con los principios de la presente invención;

La figura 8b ilustra una vista en sección transversal lateral del parche parásito de la figura Fig. 8a; y

Las figuras 9a a 9d ilustran vistas en planta de realizaciones alternativas para el parche parásito de las figuras 8a y 8b.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Mientras que una antena microtira convencional tal como la antena en "F" invertida posee algunas características que la hacen potencialmente utilizable en dispositivos de comunicación personales, aún se necesita una mejora adicional en otras áreas con el fin de hacer que esté tipo de antena sea útil en los dispositivos de comunicaciones sin hilos, tales como teléfonos celulares y teléfonos PCS. Un área tal en la que se desean mejoras adicionales es en el ancho de banda. Generalmente, los teléfonos PCS y los teléfonos celulares requieren un ancho de banda mayor que el actualmente disponible con las antenas microtira, o un tamaño práctico, con el fin de funcionar de manera satisfactoria.

Otra área en la que se desea una mejora adicional es el tamaño de una antena microtira. Por ejemplo, una reducción en el tamaño de una antena microtira haría un dispositivo de comunicaciones sin hilos en el que se use más compacto y estético. De hecho, esto podría determinar incluso si dicha antena se puede usar o no en un dispositivo de comunicaciones sin hilos. Una reducción en el tamaño de una antena microtira convencional se hace posible por medio de la reducción del grosor de cualquier sustrato dieléctrico empleado, o aumentando el valor de la constante dieléctrica, acortando por lo tanto la longitud necesaria. Esto, sin embargo, tiene el efecto indeseado de reducir el ancho de banda de la antena, haciéndolo por lo tanto menos adecuado para los dispositivos de comunicaciones sin hilos.

Además, el diagrama de campo de las antenas microtira convencionales, tales como los radiadores de parche, es de manera típica direccional. La mayoría de los radiadores de parche radian solamente en un hemisferio superior con relación a un horizonte local para la antena. Este diagrama se desplaza o gira con el movimiento del dispositivo y puede crear nulos no deseados en la cobertura. Por lo tanto, las antenas microtira no han sido muy deseables para su uso en muchos dispositivos de comunicaciones sin hilos.

Una antena de sustrato proporciona una solución para los problemas anteriormente mencionados y para otros problemas. La antena de sustrato proporciona un ancho de banda apropiado y una reducción en el tamaño sobre otros diseños de antena a la vez que retiene otras características que son deseables para su uso en los dispositivos de comunicaciones sin hilos. La antena de sustrato se puede construir cerca de la superficie superior para un dispositivo de comunicaciones sin hilos o un dispositivo de comunicaciones personal tal como un teléfono portátil o se puede montar adyacente o detrás de otros elementos tales como postes de soporte, circuitos de entrada / salida, teclados numéricos, etc. en el dispositivo sin hilos. La antena de sustrato también se puede construir directamente dentro, tal como siendo incorporado dentro del plástico que forma una carcasa, o sobre una superficie del dispositivo sin hilos.

A diferencia de una antena de látigo o una antena helicoidal externa, una antena de sustrato, como otras antenas internas, no es susceptible de daños por engancharse a objetos o superficies. Este tipo de antena tampoco consume espacio interior necesario para las características y circuitos avanzados, no requiere grandes dimensiones de la carcasa para acomodarse cuando se recoge. Además, la antena de sustrato radia un diagrama casi omnidireccional, que la hace adecuada en muchos dispositivos de comunicaciones sin hilos.

En un sentido amplio, la invención se puede implementar en cualquier dispositivo sin hilos, tal como un dispositivo de comunicaciones personal, teléfonos sin hilos, módems sin hilos, dispositivos de fax, ordenadores portátiles, buscadores por radio, receptores de radiodifusión de mensajes, etc. Un entorno tal como estos es un teléfono portátil o un microteléfono sin hilos, tal como los que se usan en servicios de comunicaciones celulares, servicios de comunicaciones PCS u otros servicios de comunicaciones comerciales. En la técnica se conoce una variedad de diferentes de los mencionados teléfonos sin hilos, con las correspondientes formas y estilos de la carcasa.

La figura 1 ilustra un teléfono sin hilos típico usado en sistemas de comunicaciones sin hilos, tal como los sistemas celulares y los sistemas PCS tratados anteriormente. El teléfono ilustrado en la figura 1 (1a y 1b) es un teléfono del tipo con cuerpo "concha de almeja" o plegable. Este teléfono es típico de los teléfonos sin hilos ergonómicamente diseñados avanzados que se usan en sistemas de comunicaciones sin hilos, tales como los sistemas celulares y los sistemas PCS tratados con anterioridad. Estos teléfonos se usan con propósitos ilustrativos solamente ya que existe una variedad de dispositivos y teléfonos sin hilos, y las configuraciones físicas asociadas, incluyendo éste y otros tipos o estilos, en los que se puede emplear la presente invención, como será claro a partir de la siguiente discusión.

En las figuras 1a y 1b, se muestra un teléfono 100 que tiene una carcasa o un cuerpo principal 102 que soporta una antena de látigo 104 y una antena helicoidal 106. La antena 104 está generalmente montada para compartir un eje central común con la antena 106, de forma que se extiende o sobresale a través del centro de la antena helicoidal 106 cuando se extiende, aunque esto no se necesita para el funcionamiento apropiado. Estas antenas se fabrican con longitudes apropiadas para la frecuencia de interés o de uso para el dispositivo sin hilos particular sobre el que se usen. Su diseño específico es bien conocido y comprendido en la técnica pertinente.

La parte delantera de la carcasa 102 también se muestra soportando un altavoz 110, un panel de visualización o una pantalla 112, un teclado 114, y un micrófono o una abertura de micrófono 116, y un conector 118. En la figura 1b, la antena 104 está en una posición extendida que típicamente se encuentra durante el uso del dispositivo sin hilos, mientras que en la figura 1a, la antena 104 se muestra recogida dentro de la carcasa 102 (no se ve debido al ángulo de visión). También es visible en esta vista una batería o un transformador 120 instalado en una parte superior del teléfono sin hilos.

Como se ha tratado con anterioridad, la antena de látigo 104 tiene varias desventajas. Una, es que está sometida a daños al engancharse sobre otros elementos o superficies cuando se extienda durante su uso. La antena 104 también consume de manera indeseable espacio interior de una manera tal que interfiere con la colocación de los componentes para las características avanzadas. Además, la antena 104 puede necesitar unas dimensiones de la carcasa mínimas cuando se recoge que son inaceptablemente grandes. La antena 106 sufre también de enganches sobre otros elementos o superficies, y no se puede recoger dentro de la carcasa del teléfono 102. Además, la antena 106 es altamente susceptible a la carga o al desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido al contacto con la mano del usuario del dispositivo.

El uso de la presente invención se describe en términos de este teléfono sin hilos de ejemplo, para propósitos de claridad y de conveniencia solamente. No se desea que la invención esté limitada a la aplicación en este entorno de ejemplo. Después de la lectura de la siguiente descripción, será aparente para una persona que sea experta en la técnica pertinente cómo implementar la invención en entornos alternativos. De hecho, quedará claro que la presente invención se puede utilizar en otros dispositivos de comunicaciones sin hilos, tales como, pero no limitado a, máquinas portátiles de fax y ordenadores con capacidades de comunicaciones sin hilos, etc., y con algunas antenas que no sea de sustrato.

Un teléfono sin hilos típico tiene varios componentes internos generalmente soportados sobre una o más placas de circuito para realizar las varias funciones necesarias o deseadas. Las figuras 2a y 2b se usan para ilustrar la construcción interna general de un teléfono sin hilos típico. La figura 2a ilustra una sección transversal del teléfono mostrado en la figura 1b cuando se ve desde un lateral, para ver cómo se soportan la circuitería o los componentes dentro de la carcasa 102. La figura 2b ilustra una sección del mismo teléfono visto desde la parte trasera, el lado opuesto al teclado, para ver la relación de la circuitería o de los componentes que típicamente se encuentran dentro de la carcasa 102.

En las figuras 2a y 2b, se muestra una placa de circuito 202 dentro de la carcasa 102 que soporta varios componentes tales como circuitos integrados o chips 204, componentes discretos 206, tales como resistencias y condensadores, y varios conectores 208. La pantalla de panel y el teclado están típicamente montados sobre el lado inverso de la placa 202, con hilos y conectores (que no se muestran) haciendo de interfaz con el altavoz, el micrófono u otros elementos similares a la circuitería sobre la placa 202. Las antenas 104 y 106 están colocadas en un lado y están conectadas a la placa del circuito 202 usando conectores especiales de hilos, pinzas o abrazaderas 214 y conductores o hilos 216 destinados para este propósito.

En un teléfono típico, se usa una abrazadera metálica 214 sobre la parte inferior de la antena helicoidal 106 para montar esa antena en su lugar sobre la carcasa 102. La antena de látigo está montada para deslizarse dentro de la antena helicoidal, usando una punta más ancha sobre la parte superior y una parte expandida 218 sobre la parte inferior para restringir su movimiento dentro de la antena helicoidal 106. La parte 218 de la antena 104 es también conductora y cuando se eleva la antena, generalmente hace un contacto eléctrico con la abrazadera 214. Las señales son transferidas a través del hilo 216 a la abrazadera 214 y parte 218 a la antena 106.

De manera típica, un número predeterminado de postes de soporte o pies 210 se usan en la carcasa 102 para montar placas de circuito u otros componentes dentro de la carcasa. También se pueden usar uno o más caballetes o salientes de soporte 211 para soportar las placas de circuito. Estos postes pueden ser formados como una parte de la carcasa, tal como cuando se forman por medio del moldeado por inyección de plástico, o en cualquier otro caso asegurados en su lugar, tal como por medio del uso de adhesivos u otros mecanismos bien conocidos. Además, típicamente hay uno o más postes de amarre adicionales 212 que se usan para recibir los tornillos, pernos o elementos de amarre similares 213 para asegurar las partes de la carcasa 102 una con la otra. Esto es, la carcasa 102 está fabricada usando múltiples partes o una parte de cuerpo principal y una cubierta sobre la electrónica. Los postes de amarre 212 se usan entonces para recibir a los elementos 213 usados para asegurar las partes de la carcasa juntas. La presente invención acomoda de una manera fácil o da cuenta de una variedad de postes 210 ó 212, a la vez que proporciona un diseño de antena interna muy eficiente.

Como se ha visto en la vista aumentada de la figura 2b, la placa de circuito 202 generalmente está fabricada como una placa de circuito multicapa que tiene varias capas alternadas de conductores y de sustrato dieléctrico unidas juntas para formar una estructura de interconexión de circuito limpia y compleja. Dichas placas son bien conocidas y comprendidas en la técnica. Como parte de la estructura global, la placa 202 tiene al menos uno, y a veces más, capas de tierra o planos de tierra, o sobre la parte más inferior de la superficie o incorporadas dentro de la placa en una posición intermedia.

Se ha reconocido que debido a la manera en la que las antenas de un dispositivo sin hilos excita corrientes en el plano de tierra, las antenas útiles menos grandes se pueden sustituir por un elemento de antena más pequeño y más compacto con tal de que sea colocado de manera apropiada con respecto al plano de tierra del dispositivo sin hilos. Esto condujo a la creación y al desarrollo de una antena de sustrato como se describe en la solicitud en trámite junto con la presente tratada con anterioridad.

En la figura 300 se muestra una antena de sustrato de ejemplo en las vistas superior y lateral de las figuras 3a a 3c. En las figuras 3a y 3b, la antena de sustrato 300 incluye una pista conductora 302, a la que se hace referencia también como una tira o un conductor alargado, un sustrato de soporte dieléctrico 304 y una región de alimentación de la señal 306. La pista conductora 302 se puede fabricar como más de una pista conectada eléctricamente junta en serie para formar la estructura de radiador de antena deseada. La pista 302 está conectada eléctricamente a una almohadilla conductora 308 en la región de alimentación de la señal 306 en o adyacente a un extremo del sustrato 304.

El sustrato 304 está fabricado a partir de un material dieléctrico o un sustrato, tal como una placa de circuito o un material flexible conocido para dichos usos. Por ejemplo, se podría usar una pequeña placa de circuito impreso (PCB) basada en fibra de vidrio. Los que sean expertos en la técnica de la electrónica y en el diseño de antenas están muy familiarizados con los distintos productos disponibles a partir de los cuales fabricar un sustrato de antena apropiado, en base a las propiedades deseadas del dieléctrico o en las características de ancho de banda de la antena.

La pista se fabrica a partir de un material conductor tal como, por ejemplo, cobre, latón, aluminio, plata u oro, u otros materiales o compuestos conductores conocidos para ser útiles en la fabricación de elementos de antena. Esto podría incluir materiales conductores incorporados dentro de plásticos o epoxis conductoras, que también pueden actuar como el sustrato. El material de la pista se puede depositar usando técnicas conocidas tales como, pero no limitándose a, fotograbado estándar de un material conductor sobre un sustrato dieléctrico; el plateado o en cualquier otro caso el depositar un material conductor sobre un sustrato; o la colocación de una placa delgada de material conductor sobre un sustrato de soporte usando adhesivos o similares. Además, se pueden usar técnicas conocidas de recubrimiento o de deposición para depositar material metálico o conductor sobre un sustrato de soporte plástico, al que puede dársele la forma que según se desee.

La longitud de la pista 302 principalmente determina la frecuencia resonante de la antena de sustrato 300, y se le da un tamaño aproximadamente para una frecuencia operativa particular. Se usa por lo general un elemento conductor, una pista o pistas, que sea aproximadamente de un cuarto de la longitud de onda efectiva (\lambda) para la frecuencia de interés. Los que sean expertos en la técnica reconocerán fácilmente los beneficios de hacer la longitud ligeramente mayor o ligeramente menor a \lambda/4, para propósitos de adaptación de la impedancia a la circuitería correspondiente de transmisión o de recepción. Además, los elementos de conexión tales como cables expuestos, hilos o pinzas contribuyen a la longitud global de la antena, y son tenidas en cuenta cuando se eligen las dimensiones de las pistas, como sería conocido.

Cuando un dispositivo sin hilos sea capaz de comunicar a más de una frecuencia, la longitud de la pista 302 se basa en la relación de esas frecuencias. Esto es, se pueden acomodar múltiples frecuencias con tal de que estén relacionadas por fracciones de una longitud de onda. Por ejemplo, la longitud \lambda/4 para una frecuencia corresponde a 3\lambda/4 ó \lambda/2 para la segunda frecuencia. Dichas relaciones para usar radiadores únicos para múltiples frecuencias son bien conocidos en la técnica.

El grosor de la pista, o de las pistas, 302 está generalmente en el orden de una pequeña fracción de la longitud de onda, con el fin de minimizar o de evitar corrientes o modos transversales, y para mantener un tamaño de antena mínimo (grosor). El valor seleccionado se basa en el ancho de banda sobre el que debe funcionar la antena, como se conoce en la técnica del diseño de antenas. La anchura de la pista 302 también es menor que una longitud de onda en el material de sustrato dieléctrico, de forma que no se excitarán modos de orden superior.

La longitud total de la pista 302 es de aproximadamente \lambda/4, pero se debería notar que la pista puede ser plegada, doblada en cualquier otro caso redirigida, para extenderse hacia atrás a lo largo de sí misma de forma que la estructura global de la antena sea mucho menor de \lambda/4 de longitud. El conductor, el sustrato de soporte y las dimensiones de la longitud total se combinan para proporcionar una reducción significativa en el tamaño global de la antena en comparación con las antenas convencionales de tira o de parche, haciéndola por tanto más deseable para su uso en dispositivos de comunicaciones personales. Por ejemplo, compárese esto con un plano de tierra de antena convencional de microtira que sea al menos \lambda/4 de dimensiones, con el fin de trabajar de manera apropiada.

Como se muestra en las figuras 3a y 3c, se coloca una almohadilla conductora 308 en la región de alimentación de la señal 306 y acoplada o conectada eléctricamente a la pista 302. Generalmente, la almohadilla 308 y la pista 302 están formadas del mismo material, posiblemente como una única estructura, usando la misma técnica de fabricación, aunque esto no se necesita. La almohadilla 308 simplemente necesita hacer un buen contacto eléctrico con la pista 302 para propósitos de transferencia de la señal sin impactar de manera adversa a la impedancia o al funcionamiento de la antena.

En algunas configuraciones, la pista mira desde una placa de circuito o fuentes o receptores de la señal, y el sustrato está colocado entre la pista y la placa. Aquí, la almohadilla conductora 308 se coloca de manera no apropiada para un fácil acceso directamente desde la placa del circuito, sin requerir un cable u otro conductor que se extienda alrededor del sustrato. Esto es más complejo que lo que se desea. Por lo tanto, como se muestra en la figura 3c, se puede usar una segunda almohadilla de contacto 310 sobre la cara opuesta del sustrato y vías conductoras usadas para la transferencia de señales a través del sustrato.

Se acopla una alimentación de transferencia de la señal a la antena de sustrato 300 usando la almohadilla 308 (y 310) lo que permite la conveniente conexión eléctrica y la conveniente transferencia de la señal a través de contactos o pinzas de tipo "muelle", o de resorte de muelle, cuya estructura es conocida en la técnica. Esto simplifica la construcción y la fabricación del dispositivo sin hilos mediante la eliminación de la instalación manual de conectores especializados o estructuras de contacto especializadas. Esto significa también que la antena es de manera conveniente sustituible cuando sea necesario o cuando se desee, tal como para su reparación, mejora o alteración. Como se ha tratado con anterioridad, la estructura de contacto contribuye a la longitud global del radiador de la antena, lo que se tiene en cuenta para elegir las dimensiones de la pista.

La alimentación de la señal acopla una señal proveniente una unidad o una circuitería de procesado de la señal (que no se muestra de manera específica) sobre una placa de circuito 202 a la antena de sustrato 300. nótese que la "circuitería" o la unidad de señal se usan para hacer referencia generalmente a las funciones proporcionadas por circuitos de procesado de la señal incluyendo receptores, transmisores, amplificadores, filtros, transceptores, etc.

Las figuras 4a a 4e ilustran varias realizaciones alternativas para las pistas usadas en la formación de una antena 300 de acuerdo con la presente invención. En la figura 4a, se muestra una pista 302' como una única tira conductora delgada que se extiende a lo largo de la longitud del sustrato 304 (mostrado en el contorno), y está conectada o formada con una almohadilla de contacto redondeada 308 sobre un extremo, y que tiene una parte agrandada o redondeada 402 formada sobre el extremo de no contacto. Esta pista tiene la apariencia de un "hueso de perro".

En la figura 4b, se forma una pista 302'' como una tira conductora delgada más larga conectada o formada con una almohadilla de contacto más cuadrada 308. Aquí, la tira se extiende a lo largo de la longitud del sustrato 304. En la figura 4c, se forma una pista 302''' que también se extiende a lo largo de la longitud del sustrato 304 y después se pliega o se dobla cerca de un extremo lejano de no contacto 404, de forma que se redirige hacia atrás hacia la almohadilla de contacto. Esto permite que la antena tenga una longitud global más corta que aquélla de la pista usada para formar un elemento de longitud \lambda/4. Como se ha declarado anteriormente, se debería comprender que se pueden usar una variedad de patrones o formas en el redireccionamiento o en el plegado de la pista a lo largo de diferentes direcciones. Por ejemplo, se pueden usar para esta función esquinas cuadradas, bandas circulares u otras formas, sin variación de las enseñanzas de la invención. La pista también es más ancha en la parte plegada hacia atrás que en la otra parte. La anchura aumentada, como en las figuras 4b y 4c, proporciona una "carga superior" o un ancho de banda mejorado para la antena, lo que será útil para algunas aplicaciones. Sin embargo, la invención no requiere esta anchura extra.

En la figura 4d, una pista 302'''' supone una forma más compleja que sigue el borde del sustrato que se ha fabricado con una lengüeta o saliente a lo largo de un borde y un recuadro o depresión correspondiente sobre el borde opuesto. Dichas lengüetas y otros ángulos y depresiones a lo largo de la longitud del sustrato sirven para hacer de interfaz con los laterales o características de la carcasa del dispositivo sin hilos y varios elementos de soporte. Esto es, los bordes del sustrato 304 pueden formarse o tomar una variedad de formas para acoplarse dentro de una carcasa. Se puede dar una forma a los bordes para que se acoplen o se posicionen alrededor de las correspondientes variaciones en las paredes de la carcasa y para burlar varias abolladuras, extrusiones, irregularidades o salientes conocidos de las superficies de las paredes de la carcasa, o para incluso dejar huecos para hilos, conductores y cables que se necesiten colocar en el dispositivo sin hilos. Los laterales o los bordes del sustrato pueden usar una variedad de formas cuadradas, redondeadas u otras formas para este propósito. Nótese un espacio 406 entre el extremo de la pista en el que ésta se pliega hacia atrás y el borde del sustrato que sirve para fijar la pista hacia atrás desde el borde de la antena.

Además, la forma de la pista 302 (302', 302'', 302''', 302'''') o la antena de sustrato 300 pueden variar también en un sentido tridimensional. Esto es, mientras que las pistas se forman como superficies generalmente planas, la superficie del sustrato o de los sustratos puede ser curvada o doblada para acomodarse a varias configuraciones de montaje. Esto es, el sustrato se puede fabricar como una estructura curvada o doblada, una superficie variable o simplemente por medio de su deformación durante la instalación debido a su naturaleza generalmente delgada pero fuerte. Será claro para los que sean expertos en la técnica que se pueden usar varias curvas o dobleces en esta dimensión. Por ejemplo, la superficie del sustrato podría formar también un patrón "serpenteado" de alguna clase.

Una realización preferida para la antena de sustrato cuando se use en el teléfono de la figura 1, que se construyó y se probó, se muestra en la vista en planta frontal de la figura 4e. Aquí, el sustrato 304 se hizo aproximadamente de 52 mm de longitud total con una anchura de pista de 1 mm. En esta configuración, no se deseó plegar hacia atrás una parte y la anchura era sustancialmente uniforme sin ensanchamiento. Las almohadillas de contacto 308 y 310 (sobre la superficie opuesta) se hicieron ambas de 4,5 x 6 mm cuadrados con una serie de vías conductoras apropiadas que se extienden a través del sustrato para conectar las dos. Se usó un sustrato de fibra de vidrio que era de un grosor de 1 mm, y las pistas y las almohadillas eran de 0,01 mm de grosor.

En las figuras 5a y 5b, las antenas 104 y 106 se han sustituido por la antena de sustrato 300. La placa de circuito 202 se muestra en la figura 5a como comprendiendo múltiples capas de materiales conductores y dieléctricos, tales como cobre y fibra de vidrio, formando lo que se hace referencia en la técnica como una placa multicapa o una placa de circuito impreso (PCB). Esto está ilustrado como una capa de material dieléctrico 502 al lado de una capa conductora metálica 504 al lado de una capa de material dieléctrico 506 al lado de o soportando una capa metálica conductora 508. Las vías conductoras (que no se muestran) se usan para interconectar varios conductores sobre diferentes capas o niveles con componentes sobre las superficies exteriores. Los patrones grabados sobre cualquier capa determinan los patrones de interconexión para esa capa. En esta configuración, cada capa 504 ó 508 podría formar una capa o plano de tierra, a la que se hace referencia de manera común para la placa 202, como se conoce en la técnica.

La antena 300 se monta adyacente a la placa de circuito 202, pero está desplazada del plano de tierra y colocada con el sustrato 304 sustancialmente perpendicular al plano de tierra. Esta disposición proporciona un perfil muy delgado para la antena 300, permitiendo que sea colocada en espacios muy confinados y cerca de la superficie de la carcasa 102. Por ejemplo, la antena 300 se puede colocar entre postes de amarre o postes de montaje y el lateral (parte superior) de la carcasa 102, algo que no se puede conseguir usando diseños de antena microtira convencionales.

Como una opción, dichos postes se pueden usar ahora para posicionar de manera automática y para soportar la antena 300 sin requerir mecanismos adicionales de soporte o uniones. Esto proporciona un mecanismo muy simple de montaje o un medio para asegurar el sustrato en su lugar, reduciendo los costes de trabajo para la instalación de la antena y permitiendo de manera potencial el montaje automatizado. En la alternativa, el sustrato 304 se puede asegurar en su lugar usando pequeñas escuadras, o usando postes, depresiones, caballetes, ranuras, canales o similares formados en el material usado para fabricar las paredes de la carcasa 102. Esto es, dichos soportes son moldeados, o en cualquier otro caso están formados, en la pared de la carcasa del dispositivo cuando se fabrica, tal como por medio de moldeado por inyección. Estos elementos de soporte pueden sujetar entonces el sustrato 304 en su posición cuando se inserta contra, entre, o dentro de ellos, o usando amarres unidos a los mismos durante el montaje del teléfono. Otro medio para el montaje es el uso de adhesivos o de cintas para sujetar el sustrato contra una pared lateral o alguna otra parte o elemento del dispositivo sin hilos.

Como se ve en la figura 5b, el sustrato 304 puede estar curvado o en cualquier otro caso doblado para adaptarse casi a la forma de la carcasa o para acomodarse a otros elementos, características o componentes dentro del dispositivo sin hilos. El sustrato se puede fabricar en esta forma o se puede deformar durante la instalación. El uso de un sustrato delgado permite que el sustrato sea flexionado o doblado cuando se instala, proporcionando tensión o presión por medio del sustrato contra las superficies adyacentes. Esta presión actúa para asegurar generalmente el sustrato en su lugar sin la necesidad de amarres. Alguna forma de captura se lleva a cabo entonces simplemente mediante la instalación de la placa de circuito adyacente y cubiertas o partes de la carcasa que se amarran en su lugar. Sin embargo, no existe un requisito para deformar o para curvar el sustrato o durante la fabricación o la instalación con el fin de que la presente invención funcione de manera apropiada.

La almohadilla conductora 308 está situada adyacente y eléctricamente acoplada o conectada a la placa 202 usando un contacto o pinza de muelle 516. El contacto o la pinza de muelle 516 se montan en la placa de circuito 202 usando técnicas bien conocidas tales como la soldadura o adhesivos conductores. La pinza 516 está eléctricamente conectada sobre un extremo a los conductores apropiados o vías conductoras para transferir señales a y desde uno o más circuitos de transmisión y de recepción deseados usados dentro del dispositivo sin hilos, que se han de acoplar a la antena 300. El otro extremo de la pinza 516 está generalmente libre flotando y se extiende desde la placa de circuito 202 hacia donde se va a colocar la antena 300. De manera más específica, la pinza 516 se posiciona adyacente al extremo de la pista 302 donde está situada la almohadilla de contacto 308, ó 310. Como se muestra en las figuras, la pinza 516 está doblada de una manera circular o en forma de arco lo que proporciona una manera más flexible y más sencilla de trabajar con la estructura. Sin embargo, también se conocen otros tipos de pinza que son de utilidad. El contacto o pinza de muelle 516 se fabrica de manera típica a partir de un material metálico tal como el cobre o el latón, pero se puede usar cualquier material conductor deformable conocido para este tipo de aplicación sometido a la atenuación de la señal u otras características de contacto deseadas, como se conocería en la técnica.

Como la antena 300 no está posicionada sobre o paralela con e inmediatamente adyacente a un plano de tierra, tal como una capa 504, la antena tiene o mantiene una resistencia de radiación relativamente grande. Esto significa que es posible proporcionar una adaptación apropiada para la antena 300 sin incurrir en pérdidas significativas, esto es, la antena tiene una buena impedancia de acoplamiento. Esta eficiencia se mantiene incluso si la antena 300 se mueve un desplazamiento de varias posiciones respecto de un lateral de la placa de circuito 202, esto es, se mueve de manera lateral pero no cercana a la placa 202.

Mediante la localización de la antena adyacente y por encima o más allá del borde del plano de tierra con relación a la carcasa, la antena proporciona un diagrama de radiación muy omnidireccional, más que una antena de látigo convencional. Este posicionamiento de la antena también significa que el diagrama de radiación resultante está sustancialmente polarizado en vertical como se desea para la mayoría de los dispositivos de comunicaciones sin hilos.

Una ventaja de la antena de sustrato es que no requiere la retirada de parte del plano de tierra o de la placa de circuito, ya sea para ser montada o para ser posicionada en su lugar. Las grandes antenas de parche o elementos de parche requieren un espacio o área mucho más real ya que necesitan retirar parte de la placa de circuito o mover los circuitos para tener un lugar para el montaje. Sin embargo, se contempla que las enseñanzas de la presente invención también pueden proporcionar mejora para el funcionamiento de estos otros tipos de antenas internas propuestas, mediante la reducción de la captación de ruido y el aumento del ancho de banda relativo creciente.

Existen tres pérdidas de energía principales que tienen impacto sobre el funcionamiento de la antena 300 en un dispositivo sin hilos. Éstas son la pérdida por desadaptación de impedancias provocada por la carga dieléctrica de una mano del usuario, la absorción de la cabeza del usuario y la absorción de la mano del usuario. Dicha absorción de energía o pérdida por desadaptación puede degradar el funcionamiento. Por ejemplo, la absorción de la cabeza o de la mano puede atenuar de manera significativa las señales que el dispositivo sin hilos esté usando, degradando de esta forma el funcionamiento.

Una parte de la antena 300 considerada la más sensible a estos efectos es el extremo abierto no alimentado, y las secciones dobladas adyacentes de la pista 302. Esta parte de la antena puede estar situada o posicionada dentro de la carcasa del teléfono de forma que la mano de un usuario hará el menor contacto o mantendrá un espacio significativo con la mano. Este diseño de la antena permite la flexibilidad en su colocación dentro del dispositivo sin hilos para minimizar la absorción de la mano, y de manera más importante para disminuir la pérdida de desadaptación que se puede crear por la presencia de una mano o de otros elementos adyacentes a una antena (excepto cuando se desee dicho desplazamiento).

Con el fin de reducir los efectos de la carga de la mano, mejorar la distribución de energía y proporcionar otras ventajas, la antena puede tener apantallamiento conductor posicionado a continuación de las pistas de la antena. Para algunas aplicaciones es deseable disponer de un material de apantallamiento eléctricamente conductor adyacente o alrededor de una parte de la antena de sustrato. Esto crea una antena de sustrato "apantallada" que puede tener características mejoradas de radiación mediante la estabilización de una disposición de campo cercano de corriente cero con la energía siendo dirigida dentro del diagrama de radiación de campo lejano de la antena. El apantallamiento típicamente se forma como capas de material conductor que se depositan en planos paralelos a y por encima o por debajo de las pistas de la antena. Esto se lleva a cabo por lo general mediante el uso de sustratos dieléctricos adicionales o de material depositado sobre las pistas y después depositando o cubriendo el material conductor sobre éste. Las respectivas capas de apantallamiento se pueden conectar también unas con otras para aumentar de manera adicional el apantallamiento a lo largo de los laterales de la antena, usando vías conductoras, cinta, etc. Se pueden usar una variedad de materiales conductores, formas, estilos y tamaños para formar las capas o las estructuras de apantallamiento para la antena. Dicha antena se describe en la solicitud de Patente de los Estados Unidos con número de serie 09/059.605 titulada "Antena de sustrato apantallada", que se incorpora a este documento por referencia.

Para ayudar de manera adicional a reducir el tamaño de la antena o para permitir una colocación flexible dentro de la carcasa 102, la antena también se puede formar por medio del posicionamiento o la deposición de material conductor sobre la carcasa o una superficie dentro del dispositivo sin hilos. Esto es, donde exista un camino relativamente despejado o sin obstrucciones a lo largo de una pared lateral de la carcasa, se puede depositar la pista o se puede formar ésta justo sobre la pared. Esto se muestra en la vista lateral en sección transversal de la figura 6 en la que la pista 302 se deposita directamente sobre la carcasa que actúa como un sustrato de soporte.

Donde la parte de la pared de la carcasa que se vaya a usar sea de metal recubierto o esté fabricada a partir de un material metálico u otro material eléctricamente conductor, se puede usar una capa intermedia de material aislante entre la carcasa y las pistas 302. En esta configuración se podría formar una capa metálica que tenga la configuración de la pista deseada o una capa delgada de material que tenga una parte trasera adhesiva que permita la fácil colocación en el dispositivo sin hilos por medio de simple presión contra el lateral de la carcasa. Este paso podría incluso ser automatizado usando maquinaría de "coger y colocar" conocida en la técnica.

Sin embargo, será evidente para los que sea expertos en la técnica, que el posicionamiento relativo de la antena o del material conductor con relación al plano de tierra debería ser el mismo como se ha tratado con anterioridad.

Desafortunadamente, cuando se use en algunos dispositivos sin hilos, tales como el teléfono de las figuras 1a a 1b, existen situaciones en las que la antena de sustrato tiende a tener una ganancia más baja que la que se desea, lo que hace ser al dispositivo lo que se hace referencia como "desensibilizado" por el ruido, y muestra un diagrama de distribución de energía no deseable.

El sustrato y otras antenas internas por naturaleza son posicionadas adyacentes a una variedad de fuentes de señal y conductores que pueden inducir ruido o la captación de señal por la antena. Esto requiere que el dispositivo sin hilos esté hecho para que sea menos sensible para eliminar la captación de ruido interno (ganancia reducida) dando como resultado una sensibilidad más baja para las señales de comunicación deseadas. Una antena interna permite también que la energía o la radiación sea dirigida o acoplada dentro de modos o direcciones no deseados dentro del dispositivo o de la circuitería, reduciendo también la ganancia que se puede conseguir de la antena. Al mismo tiempo, el acoplamiento de energía puede causar alguna energía que sea radiada de manera no deseada desde elementos distintos a la antena, a lo largo de una dirección hacia un dispositivo de usuario.

Además, mientras que un sustrato de antena muestra un ancho de banda mejorado, existe un interés continuado en diseños de dispositivos sin hilos que tengan un ancho de banda aumentado. Esto es especialmente útil para los dispositivos usados en o a través de sistemas de comunicaciones múltiples, en muchos países o en diferentes "modos" operativos donde se usen múltiples frecuencias.

El resultado es que aunque la antena de sustrato es una antena idéntica que se puede posicionar para minimizar el impacto de la carga de la mano, y es menos sensible que las antenas anteriores, se desea un trabajo adicional para reducir las pérdidas de desadaptación y el ruido, mientras que a la vez se mejora el ancho de banda global y la ganancia. Con el fin de resolver estos y otros problemas en ciertas configuraciones de dispositivos sin hilos, se ha creado un nuevo elemento parásito o parche que funciona en combinación con la antena de sustrato. A continuación se ilustra la construcción y el funcionamiento de este elemento.

Como se muestra en la figura 7, un dispositivo sin hilos o un teléfono de estilo concha de almeja o plegable 700 tal como el que se ve en las figuras 1a y 1b, tiene una sección o parte de carcasa superior 702 y una sección o parte inferior 704 que están aseguradas juntas en una unión giratoria 706. En esta disposición, la parte superior 702 se usa por lo general para soportar o para albergar el altavoz del teléfono 110, posiblemente una pantalla 112, una batería o un transformador 120, y posiblemente un dispositivo de alerta (que no se muestra), tal como un vibrador o un módulo especial buscapersonas, todos ellos bien conocidos en la técnica.

Se usa un cable flexible, una línea flexible o conductores planos muy finos o conductores o cables pequeños, flexibles para transferir energía o señales entre un conjunto de contactos de batería 710, el altavoz 110, o elementos de alerta montados en una posición superior 702 y la placa del circuito 202 en una parte de carcasa inferior 704. Sin embargo, se puede usar una variedad de cables o de hilos conocidos dentro del dispositivo sin hilos para transferir dichas señales, a y desde una variedad de elementos conocidos, sin salirse de las enseñanzas de la invención. Las señales implicadas en estos tipos de transferencias son de muy baja potencia y frecuencia, y por lo general no presentan problemas en el funcionamiento del teléfono o para un usuario de un dispositivo sin hilos. Estas señales pueden estar en formato analógico o digital dependiendo de la aplicación y de la señal específica.

En la figura 7 se muestra un conjunto de dichos conductores en forma de un cable plano multiconductor 712 yendo desde posiciones justo por debajo de la placa 202 a través de la unión y hacia arriba a los contactos de las baterías 710 y a un conjunto de contactos de altavoz 714. Desafortunadamente, estos conductores van muy cerca de al menos un extremo de pista 302 a la antena 300. En la realización ilustrada en la figura 7, los conductores están dispuestos adyacentes a la parte de alimentación de la antena 300 y cerca de la pinza 516, que actúa de manera efectiva como una parte de la antena 300, a diferencia de los conectores o de los contactos para la antena de látigo que se muestra en la figura 2, que están apantallados y más alejados de dichos conductores. Esto da como resultado varios problemas para el dispositivo sin hilos.

Este posicionamiento de los conductores permite que los campos electromagnéticos producidos por los mismos interactúen con la antena que adquiere o "capta" alguna de la energía proveniente de los campos alrededor o que emana de los conductores. Además, las señales provenientes de otras fuentes se puede imponer o se puede captar por medio de los conductores no apantallados y ser transferidas a una región cercana a la antena. El resultado es que al menos una parte de las señales que están viajando o que son captadas por los conductores se transfiere dentro de la antena. Las señales acopladas desde dichos conductores dentro de la antena pueden ser transferidas dentro de la circuitería de recepción para el dispositivo sin hilos, donde son amplificadas. Esto no es deseable ya que dichas señales no son señales de comunicación útiles sino que representan ruido. Esto es, las señales de audio de salida destinadas a un altavoz (110), órdenes o señales usadas para disparar un dispositivo de alerta, o incluso las señales provenientes de los terminales de la batería se pueden imponer en la antena (300). Además, algunas otras señales podrían ser interceptadas por estos conductores, que no están apantallados, incluyendo la salida de la antena o de la circuitería de transmisión.

En cualquier caso, este ruido se debe ignorar o se debe suprimir en el dispositivo sin hilos. Esto requiere o da como resultado una reducción de la sensibilidad de los circuitos de recepción del dispositivo con el fin de tener en cuanta al ruido. Esto es, dichos circuitos deben ser menos sensibles a las señales de bajo nivel (ruido) con el fin de no amplificar o realimentar dicho ruido dentro del resto de los circuitos de procesado. Desafortunadamente, eso resulta también en una disminución o una degradación de la capacidad de detectar o usar señales de comunicación deseadas "reales" de baja potencia. Otro efecto lateral más distante es que se puede requerir al sistema de comunicación que use más potencia promedio para llegar a algunos dispositivos sin hilos, lo que crea una interferencia mayor para otros usuarios del sistema y disminuye la capacidad global del sistema.

Al mismo tiempo, los conductores pueden ser capaces de resonar hasta alguna extensión o hasta cierto grado con los campos producidos por la antena, y un pequeño porcentaje de la radiación de la antena, o de la energía, se redirige dentro de los conductores. Mientras que este efecto puede ser muy pequeño en comparación con la energía o con la potencia que se está transfiriendo a través del contacto de la pinza de muelle 516, aún puede representar una pérdida significativa y tener impacto sobre el funcionamiento del teléfono sin hilos de varias maneras. En primer lugar, la energía redirigida desde la antena dentro de alguna otra parte del teléfono representa una pérdida de potencia para la comunicación. Esto se traduce en el consumo de más potencia de fuentes limitadas tales como las baterías, con el fin de mantener un nivel o un presupuesto de potencia de salida particular, como se hace referencia en la técnica. Esto tiene un impacto potencial tanto sobre la calidad de la comunicación como sobre el tiempo en funcionamiento o el tiempo en espera disponible para el teléfono.

Por lo tanto, la presente invención altera la manera en la que están configurados los conductores en regiones circundantes o adyacentes a la antena, con el fin de reducir la energía que se está radiando desde la antena o se está transfiriendo a la antena por medio de dichos conductores. Trabajando en concierto con una antena de sustrato, esta técnica aumenta la ganancia de la antena, la sensibilidad de recepción del dispositivo sin hilos, y el ancho de banda de la antena, mejora la adaptación de impedancia y disminuye la radiación no deseada.

En la figura 8a se muestra una vista en planta superior de una primera realización de la invención, y en la figura 8b se muestra una vista en sección transversal lateral. En las figuras 8a y 8b, y en las figuras que siguen, solamente se muestra un contorno de la placa de circuito 202 para propósitos de claridad de la ilustración. Un arnés de hilo casi plano delgado o de cable flexible 712 que consiste en una serie de conductores, se extiende desde uno o más conectores sobre la parte inferior de la placa de circuito 202, o desde una superficie superior de la placa, dependiendo del diseño específico. Los que sean expertos en la técnica estarán muy familiarizados con este tipo de montaje de conductores y los conectores con los que hace de interfaz.

El arnés 712 pasa cerca del extremo de la antena 300 y a lo largo de una superficie exterior de la parte superior 702. Cerca del extremo superior del arnés 712, diferentes conductores se extienden en diferentes direcciones o a lo largo de diferentes caminos para conectar cada uno o más contactos de batería 710, contactos de altavoz 714, o contactos varios usados para transferir otros tipos de señales o tensiones bien conocidas. En esta configuración, con el arnés o el cable 712 pasando inmediatamente adyacente a la antena 300, se encuentra o se acopla el ruido espurio dentro de la antena. Esto significa que la sensibilidad de los circuitos de recepción o de los elementos de procesado conectados a la antena se debe disminuir para reducir el impacto del ruido. Esto da como resultado una correspondiente disminución o caída en la sensibilidad global del dispositivo sin hilos para las señales de comunicación. La magnitud de esta disminución se ha determinado para que esté en el intervalo de 3 a 4 dB, lo que es completamente significativo.

Con el fin de minimizar o de evitar el acoplamiento de energía entre el cable 712 y la antena 300, o dentro del espacio adyacente alrededor del teléfono, se usa un elemento parásito o un parche 800 para que actúe como un elemento de apantallamiento o para que altere las características de resonancia o las características de acoplamiento de la energía del cable o de los conductores. Al mismo tiempo, el elemento parásito 800 actúa para separar la carga a través de la separación, el hueco o la ranura entre la antena 300 y el plano de tierra de la placa de circuito 202, esto aumenta el área virtual o el área efectiva de la antena a la frecuencia de interés. Esto aumenta la ganancia y el ancho de banda de la antena 300 de acuerdo con esto. La ganancia del dispositivo sin hilos aumenta en el intervalo de 0,8 a 1,5 dB.

Por medio del acoplamiento parásito del elemento parásito al plano de tierra de la placa de circuito 202 usando el cable 712, se puede obtener de manera adicional un aumento en la ganancia y en el ancho de banda del dispositivo sin hilos. Esto puede provocar que la ganancia aumente en un factor de 0,8 a 1,5 dB. El elemento parásito y el acoplamiento parásito aumenta el ancho de banda de los dispositivos sin hilos en un factor de al menos 1,5. De manera alternativa, el elemento parásito se puede acoplar al plano de tierra usando un conductor tal como un hilo 908, que se trata de manera adicional a continuación, según se desea.

El elemento parásito o el parche 800 está fabricado de un material conductor tal como, por ejemplo, cobre, latón, aluminio, plata, oro u otros materiales conductores o compuestos conductores que se sabe que son útiles en la fabricación de elementos de antena. Éstos podrían incluir materiales conductores incluidos dentro de plásticos, resinas o epoxis conductoras.

El material para crear el elemento parásito se puede aplicar usando una o varias técnicas conocidas, tales como, pero no limitándose a, la deposición de material metálico o conductor sobre un elemento o sobre un sustrato de soporte de plástico que después se monta en su sitio. En la alternativa, se puede usar una placa delgada o papel de material conductor o metal, que está asegurado en su lugar por medio de un golpe o usando compuestos adhesivos. El material de por sí puede estar formado como una cinta o "pegatina" metálica delgada como material que es dimensionado de manera apropiada y después es presionado en su lugar sobre el arnés 712. Esto es, se sostienen en su lugar elementos más delgados y más flexibles usando una variedad de medios conocidos, tales como compuestos o cintas adhesivos. El material más grueso o los elementos de parche son generalmente sostenidos en su lugar usando pinzas, tornillos o golpe seco, especialmente si el parche está montado también sobre un sustrato para su fácil transporte y retirada para dar servicio al arnés 712. También es posible usar un plateado estándar u otras técnicas de deposición para cubrir una capa de material conductor sobre el cable y la superficie de la carcasa del dispositivo sin hilos. Esto incluye el uso de material conductor en forma líquida, similar a lo que se trata para la fabricación de la antena de sustrato.

Además, mientras que el elemento de parche se ilustra como una única capa de material conductor, la presente invención no está limitada a esta configuración. Por ejemplo, se pueden usar múltiples capas de material para cubrir áreas específicas o para conseguir un grosor global deseado para el elemento parásito en base a la frecuencia o a la magnitud de la energía que se haya de bloquear. Se pueden usar múltiples capas para conseguir una forma compleja particular o para simplificar la fabricación. También se pueden depositar múltiples capas de material sobre o se pueden intercalar con otros materiales, tal como un sustrato de soporte. De manera alternativa, se pueden usar múltiples capas donde se vaya a posicionar un parche o una capa conductora sobre los lados opuestos de, o intercalado con, conductores, en contraposición a estar posicionados sobre un único lado.

El elemento parásito está montado para cubrir al menos una parte significativa del cable o del arnés. Allí tiende a ser un porcentaje no exacto del cable que se debe cubrir, sino que en lugar de esto, se basa en la cantidad de acoplamiento de energía o rerradiación que se debe prevenir o minimizar en una aplicación dada. Se prefiere que la longitud entera del cable esté cubierta, especialmente en la región por debajo o adyacente a la antena interna. La anchura del elemento parásito es al menos dos veces la del cable o la del conductor que se está cubriendo, con el fin de inhibir el acoplamiento de campo con la antena.

Los que sean expertos en la técnica estarán al tanto de que la cantidad de ruido que desean suprimir para un diseño de dispositivo sin hilos dado, o la cantidad de ruido que está presente y que se debería contrarrestar con el fin de conseguir un valor de sensibilidad objetivo preseleccionado para el dispositivo. También deberían estar al tanto del factor por el que es deseable aumentar el área efectiva de la antena y la ganancia y el ancho de banda correspondientes, para aplicaciones particulares de dispositivo. Estos factores se usan para seleccionar las dimensiones particulares para los elementos del parche.

En las figuras 8a y 8b, se muestra el parche parásito 800 cubriendo toda la región entre la unión 706 y los contactos de baterías 710. Mientras que está disposición se prefiere como una que sea más probable de funcionar o de tener el efecto deseado, el parche no necesita siempre ser grande para funcionar de manera apropiada, o para mejorar el funcionamiento del dispositivo sin hilos.

El elemento parásito mostrado en las figuras 8a y 8b emplea una forma rectangular o cuadrada o un contorno global. Sin embargo, mientras se cubra una cantidad apropiada del cable, el elemento de parche 800 puede asumir una variedad de otras formas o configuraciones. Realizaciones o configuraciones alternativas para el elemento de parche parásito de las figuras 8a y 8b se muestran en las vistas en planta de las figuras 9a a 9d. En la figura 9a, se muestra un elemento parásito 900 que usa una forma circular o elíptica; en la figura 9b, un elemento parásito 902 que usa una forma triangular; en la figura 9c, un elemento parásito 904 que usa una forma más alargada con bordes circulares; y en la figura 9d, un elemento parásito 906 que tiene una serie más compleja de bordes o lados rectilíneos y en ángulo.

En cada una de las figuras, el elemento parásito (800, 900, 902, 904 y 906) se muestra como estando conectado o acoplado a tierra para el dispositivo sin hilos. Aquí, esa tierra está localizada por encima y es el plano de tierra de la placa de circuito 202, pero ése no necesita ser el único caso. En la figura 9a se muestra este acoplamiento como parásito, con las señales siendo acopladas a la tierra a través de uno de los cables que va con el arnés 712 o que forma parte del mismo. En las figuras 9b, 9c y 9d se muestra este acoplamiento usando un hilo, un cable o un conductor similar 908. En la figura 9b un conductor 908 se conecta al plano de tierra en la placa de circuito 202 a través de un conector 910. En la figura 9c un conductor 908 se conecta a un terminal de tierra para los terminales de la batería 710 y en la figura 9d un conductor 908 se conecta al plano de tierra en la placa de circuito 202 a través de uno de los conductores del arnés 712. La conexión del elemento parásito al conductor de tierra 908, o al arnés 712 o a la placa 202, se puede llevar a cabo usando una variedad de técnicas de conexión bien conocidas o de dispositivos tales como, pero ni limitándose a, soldadura, adhesivos conductores o compuestos de impregnación, pinzas de cable, lengüetas, material engastado, o conectores eléctricos conocidos. En algunas aplicaciones, el conductor puede tener una superficie de contacto sobre un extremo que simplemente se presiona contra el elemento parásito usando otros amarres, postes o similares dentro del dispositivo sin hilos. El área o las dimensiones del elemento parásito 800 se pueden ajustar también en vista de las frecuencias de las señales anticipadas o esperadas que el elemento parásito ha de reducir o eliminar.

En las figuras 8a, 8b y 9a a 9d, el elemento parásito 800 se muestra estando posicionado sobre el arnés o el cable con relación a la cara delantera y a la parte trasera del teléfono. Esto es, el cableado o el arnés es montado en su lugar primero durante el montaje del teléfono, y el elemento de parche se coloca sobre el arnés con posterioridad. Sin embargo, se podría instalar el parche primero y el arnés en segundo lugar. Esto tiene la ventaja de tener el arnés en una posición más de servicio sin necesitar la retirada del parche. Esto proporciona también una colocación o una deposición potencialmente más fácilmente automatizada del material de parche durante la fabricación del teléfono.

Además, mientras que solamente un elemento de parche se ilustra en las figuras 8a, 8b y 9a a 9d, la presente invención no está limitada a esta configuración. Por ejemplo, se pueden usar múltiples parches para cubrir áreas específicas cuando el acoplamiento de la radiación sea el más severo, o más fácil de controlar. Se pueden usar múltiples parches para conseguir una forma compleja particular o para simplificar la instalación. De manera alternativa, se podrían usar múltiples parches también donde se vaya a posicionar un parche o una capa conductora sobre lados opuestos de conductores, en oposición a un solo lado.

Una realización para el elemento de parche parásito descrito anteriormente se fabricó en forma de una "pegatina" delgada metálica que medía aproximadamente 51 mm por 41 mm de tamaño, y que se colocó sobre una estructura de cable flexible en un teléfono sin hilos. Se empleó una antena interna en forma de una antena de sustrato apantallado que tenía las dimensiones tratadas con anterioridad en relación a la figura 4d dentro del teléfono. El resultado de usar el elemento parásito inventivo fue un aumento aproximado de la ganancia para el teléfono sin hilos de 2 a 3 dB, y un aumento en el ancho de banda de la antena por un factor de 1,8, o un aumento de un 80 por ciento. Además, se mejoró la adaptación de impedancia con otros elementos estando conectados a la antena, lo que redujo las pérdidas de desadaptación. Estos resultados indican claramente que el nuevo elemento de parche parásito disminuye el impacto del ruido, aumenta el ancho de banda y proporciona otras características y efectos que lo hacen muy útil para su aplicación en dispositivos de comunicaciones sin hilos.

Los beneficios físicos y los resultados de usar una antena interna de acuerdo con una de las realizaciones de la invención, y la retirada tanto de la antena de látigo 104 como de la antena helicoidal 106 es rápidamente obvia en la vista en planta lateral de la figura 5c. En la figura 5c, se muestra un teléfono 100' que es el mismo que el teléfono de la figura 1b pero usando la presente invención en lugar de las antenas 104 y 106. En esta configuración, se ha fabricado una carcasa 102' sin las aberturas normalmente asociadas con antenas externas, proporcionando una apariencia más estética.

La anterior descripción de las realizaciones preferidas se proporciona para hacer posible a cualquier persona que sea experta en la técnica hacer o usar la presente invención. Las distintas modificaciones a estas realizaciones serán rápidamente aparentes para los que sean expertos en la técnica, tales como el tipo de dispositivo sin hilos en el que se vayan a usar, y los principios genéricos definidos en este documento se pueden aplicar a otras realizaciones sin el uso de la facultad inventiva.

Claims

1. Un dispositivo de comunicaciones sin hilos que comprende un elemento parásito (800, 900) y una antena de sustrato interna (300), teniendo el dispositivo de comunicaciones sin hilos uno o más conductores de transferencia de señal o de alimentación o alimentadores de la señal (712) localizados adyacentes a la mencionada antena, en el que la mencionada antena de sustrato comprende:

una o más pistas conductoras (302) soportadas sobre un sustrato dieléctrico (304) que tiene un grosor predeterminado; y

el mencionado sustrato de soporte (304) está montado desplazado desde y generalmente perpendicular a un plano de tierra asociado con el dispositivo sin hilos (100, 700), y dicho elemento parásito comprende:

al menos una capa de material conductor dispuesta de manera adyacente a uno o más de los mencionados conductores (712) en una región adyacente a la mencionada antena (300) teniendo una anchura preseleccionada con relación a los mencionados conductores, y una longitud preseleccionada a lo largo de los mencionados conductores suficiente para evitar el acoplamiento de energía entre la mencionada antena y los conductores en la región de la mencionada
capa.

2. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la mencionada capa de material conductor está colocada o por encima o por debajo de uno o más de los mencionados conductores (712).

3. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el mencionado conductor o los mencionados conductores se extienden entre los elementos de procesado de la señal preseleccionados del dispositivo sin hilos y las fuentes de alimentación y tienen una parte situada inmediatamente adyacente a la mencionada antena (300).

4. El dispositivo de la reivindicación 1 que comprende al menos dos capas de material conductor.

5. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la mencionada anchura preseleccionada es al menos dos veces la anchura de los mencionados conductores.

6. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la mencionada al menos una capa de material conductor comprende un parche delgado de material eléctricamente conductor colocado sobre los conductores adyacentes a la antena (300).

7. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que el mencionado parche está acoplado de manera parásita al plano de tierra del mencionado dispositivo sin hilos (100, 700).

8. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que el mencionado parche tiene una forma sustancialmente rectangular.

9. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que el mencionado parche (900) tiene una forma sustancialmente circular.

10. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que el mencionado parche (902) tiene una forma sustancialmente triangular.

11. El dispositivo de la reivindicación 6 en el que el mencionado parche (906) tiene una forma geométrica compleja.

12. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el mencionado material conductor está configurado en tamaño para reducir el acoplo de una parte sustancial de la energía entre los mencionados conductores y la antena (300) por medio de la alteración de las características resonantes o las características de acoplamiento de la energía de los conductores.

13. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el mencionado material conductor está configurado en tamaño para aumentar el área efectiva y la correspondiente ganancia y el ancho de banda de la mencionada antena (300) en cantidades preseleccionadas.