FI104662B - Antennijärjestely pienikokoisiin radioviestintä-laitteisiin - Google Patents

Description

104662

Antennijärjestely pienikokoisiin radioviestintä-laitteisiin

Esillä oleva keksintö kohdistuu kaksisuuntaisen yhteyden muodostamiseen 5 tarkoitetun radioviestintälaitteen, kuten radiopuhelimen, antennijärjestelyyn. s Antennijärjestelyllä pyritään vähentämään antennin säteilyä kehon suuntaan ja toisaalta vähentämään kehon vaikutusta antennin ominaisuuksiin.

Henkilökohtaisiin radioviestintälaitteisiin tarkoitetuissa tunnetuissa ίο antennirakenteissa on pyritty mahdollisimman symmetriseen säteilykuvioon, jotta viestintälaitteen asento ei vaikuttaisi radioyhteyden laatuun. Säteilykuvion symmetrisyys toteutuu kuitenkin vain vapaassa tilassa. Erilaiset esteet radioviestintä-laitteen läheisyydessä vaikuttavat antennin suuntakuvioon. Henkilökohtaiset radioviestintälaitteet ovat nykyisin niin pienikokoisia, että 15 esimerkiksi radiopuhelimissa joissa kuuloke on kiinteästi puhelimen yhteydessä, antenni tulee puhelimen käyttöasennossa niin lähelle kehoa, että keho vaikuttaa antennin suunta-kuvioon. Suuntakuvion symmetrisyys ei toteudu radiopuhelimen tyypillisissä käyttöasennoissa jos radiopuhelin on pienikokoinen ja antenni tulee hyvin lähelle viestintälaitteen käyttäjän päätä ja kättä.

20

Kehon vaikutusta antennin suuntakuvioon ja toisaalta säteilyä kehoa kohti on pyritty vähentämään ratkaisuilla, joissa erilaisilla antennin ja kehon väliin asetettavilla suojilla vaimennetaan säteilyä tai muutetaan säteilykuvion muotoa. Erilaisia! ratkaisuja antennin säteilykuvion suuntaamiseksi poispäin käyttäjän 25 päästä tunnettan esim. julkaisuista EP 588 365, EP 588 271 ja US 5 451 965.

Näiden haittana on että osassa käyttäjän käsi pääsee edellen häiritsemään antennisignaalia. Tunnettuja ovat myös ratkaisut, joissa säteilevä antennielementti pyritään siirtämään mahdollisimman kauas puhelimen käyttäjästä. Tästä on esitetty esimerkki julkaisussa US 5 513 383. Nämä ratkaisut ovat kuitenkin melko 30 hankalia toteuttaa jos radiopuhelin on erittäin pienikokoinen.

On huomattavaa, että kansainväliset standardointi-järjestöt ovat määrittelemässä mittausmenetelmiä ja raja-arvoja matkapuhelinten lähettimien kehoon . kohdistamalle säteilylle, joten se on tulevaisuudessa otettava huomioon 35 antennisuunnittelussa. Säteily mitataan puhelimelle tyypillisissä käyttöasennoissa ns. SAR-mittauksin. (Specific Absorbtion Rate). Asia on otettava huomioon erityisesti solukkoverkon käsipuhelimissa, jotka toimivat puhelimen kokoon nähden melko suurella lähetysteholla kuten AMPS, GSM, DCS ja tulevaisuudessa 2 104662 UMTS. Solun säde, eli puhelimen maksimietäisyys lähimpään tukiasemaan on näissä järjestelmissä yleensä useita kilometrejä, jopa kymmeniä kilometrejä, ja käsipuhelimen lähettimen teho jopa 2W.

5 Henkilökohtaisten matkaviestimien koko pienenee jatkuvasti, jolloin tunnetun tekniikan mukaisten antenniratkaisujen käyttö vaikeutuu. Erityisen korostetusti tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen ongelmat tulevat esille, mikäli radiopuhelin kiinnitetään kiinteästi kehoon, esimerkiksi rannekkeella käyttäjän ranteeseen. Tällöin pitäisi pystyä minimoimaan sekä käden vaikutus antenniin, ίο että käyttöasennossa pään vaikutus antenniin.

Tunnetussa tekniikassa on esitetty antenniratkaisuja ranteeseen kiinnitettäväksi tarkoitettuihin hakulaitteisiin (pager). Hakulaite ei kuitenkaan sisällä lähetintä, vaan ainoastaan vastaanottimen, joten hakulaitteiden kohdalla ei muodostu ongelmaksi 15 antennin säteily kehoon päin. Lisäksi hakulaitteen käyttöasento on erilainen. Hakulaitetta ei tuoda käyttöasennossa pään lähelle kuten rannekepuhelin.

Joissakin rannekkeeseen kiinnitettävissä hakulaitteiden antenneissa on pyritty kyllä vähentämään käden vaikutusta antenniin, mutta ei pään. Lisäksi hakulaitteissa on pyritty antennin suuntakuvioon, joka olisi mahdollisimman 20 kattava joka suuntaan.

Julkaisu US 5 564 082 esittää ranteeseen kiinnitettävän radiopuhelimen, jossa yksi antenni on järjestetty rannekkeeseen ja toinen antenni rannekkeesta erkanevaan kaiutinpidikkeeseen. Molemmat antennit jäävät puhelimen käyttöasennossa, 25 kun kaiutin on korvalla, käden ja pään väliseen katveeseen.

On huomattava myöskin matkapuhelinverkon asettamat vaatimukset puhelimessa käytettävälle antennille. Matkapuhelimen ja tukiaseman välinen yhteys on kaksisuuntainen, jolloin matkapuhelinverkon tukiaseman pitää pystyä 30 vastaanottamaan matkapuhelimen lähettämää signaalia. Kun matkapuhelin sijoitetaan rannekkeeseen, tai muuten halutaan tehdä puhelimesta mahdollisimman pienikokoinen, lähetintä ei voida ylimitoittaa, yhteyden varmistamiseksi. Suurempitehoisen lähettimen käyttö johtaisi suuremman teholähteen (akun) tarpeeseen, jolloin puhelimesta tulisi suuri ja painava ja sen 35 sijoittaminen ranteeseen tulisi erittäin hankalaksi. Vaatimukset radiopuhelimen antennille ovat tästä syystä huomattavasti kovemmat kuin niiden laitteiden antenneille, joissa on vain vastaanotin. Yleisradiovastaanotin- ja 3 104662 hakulaitejärjestelmissä lähettimet ovat kiinteitä, jolloin ne voivat olla suurikokoisia, lisäksi teholähteet on kytketty kiinteään sähköverkkoon, jolloin lähettimet voidaan ylimitoittaa ja vastaavasti tinkiä vastaanottimien antennien laadusta.

5 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on välttää tunnetun tekniikan haitat ja toteuttaa kaksisuuntaisten radioviestintälaitteiden antennijärjestely, joka on sovelias käytettäväksi henkilökohtaisissa matkaviestimissä. Antennin suuntakuvio on järjestetty sellaiseksi, että kehon vaikutus suuntakuvioon ja toisaalta antennin kehoon kohdistama säteily ovat mahdollisimman pieniä. Antennin suuntakuvio on ίο suunnattu vastakkaiseen suuntaan kaiuttimen säteilysuuntaan nähden ja antenni on tai on järjestettävissä sellaiseen asentoon, jossa se on oleellisesti laitteen rungossa kaiuttimen ulkopuolella. Antennin epäsymmetrinen säteilykuvio on monissa sovellutuksissa haitta, mutta tässä keksinnössä käytetään sitä ominaisuutta hyväksi.

15

Keksinnön mukaiset radioviestintälaitteet ja niiden tunnusmerkit selviävät oheisista itsenäisistä patenttivaatimuksesta 1 ja 8 ja edulliset suoritusmuodot epäitsenäisistä patenttivaatimuksista.

20 Keksinnön ansiosta keho ei vaikuta oleellisesti antennin säteilykuvioon, eikä antennin säteily kohdistu kehoon matkaviestimen tyypillisissä käyttöasennoissa. Keksinnön mukainen antennielementti voidaan toteuttaa ohuena tasomaisena rakenteena, jolloin se soveltuu hyvin erittäin pienikokoisiin henkilökohtaisiin matkaviestimiin. Erityisen hyvin se soveltuu esimerkiksi ranteeseen kiinnitettävään 25 matkapuhelimeen, joka on tarkoitettu käytettäväksi niin, ettei puhelinta irroteta - ranteesta puhelun ajaksi. Maatasolla, joka on osa antennirakennetta saadaan vaimennettua säteilyn kohdistumista käteen ja toisaalta käden vaikutus antennin säteilykuvion muotoon pienenee. Keksinnön mukaisilla antennijärjestelyillä taas ratkaistaan se, että antennin säteilykuvio suuntautuu poispäin käyttäjän päästä 30 asennossa, jossa puhelinta käytetään puhelun aikana.

* Keksinnön eräissä suoritusmuodoissa esitetään antenniratkaisuja, joissa voidaan hyödyntää keksintöä tavanomaisten käsipuhelimien yhteydessä.

35 Keksinnön eräässä suoritusmuodossa esitetään lisäksi antenniratkaisu matkaviestimeen joka voidaan laskostaa pienempään tilaan.

104662

Keksintöä ja sen muita piirteitä ja etuja selostetaan seuraavassa lähemmin esimerkkien muodossa ja viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista käsipuhelinta sen tyypillisessä 5 käyttöasennossa, kuvio 2 esittää ranteeseen kiinnitettäväksi tarkoitetun matkapuhelimen käyttöasentoa puhelun aikana, kuviot 3a, 3b ja 3c esittävät tunnetun tekniikan mukaista mikroliuska-antennia eri to suunnista katsottuna kuviot 4a, 4b ja 4c esittävät tunnetun tekniikan mukaista PIFA-antennia eri suunnista katsottuna kuvio 5 esittää erästä keksinnön mukaista symmetristä tasoantenni- 15 rakennetta, jossa on kaksi säteilijää, kuvio 6 esittää tasoantennin säteilykuviota, kun käytetään laajaa maatasoa, kuvio 7 esittää tasoantennin säteilykuviota, kun käytetään maatasoa, jonka koko on lähellä säteilijän kokoa, kuviot 8a ja 8b 20 esittävät erästä keksinnön mukaista antennielementin sijoittelua, kuvio 9 esittää erästä keksinnön mukaista antennielementin sijoittelua, kuvio 10 esittää erästä keksinnön mukaista antennielementin sijoittelua, kuvio 11 esittää kädessä pidettävää radioviestintälaitetta ja siihen sovellettuna erästä keksinnön mukaista antennielementin sijoittelua, kun 25 radioviestin on valmiustilassa, kuvio 12 esittää kuvion 11 mukaista radioviestintä, kun radioviestin on puhelutilassa, kuvio 13 esittää erästä keksinnön mukaista antennielementin sijoittelua, kuvio 14 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista säteilijänvalintapiiriä, kun 30 antennielementti käsittää kaksi säteilijää.

Seuraavassa selityksessä tarkoitetaan puhelujalla tilannetta, jossa puhelu, eli kaksisuuntainen radioyhteys on muodostettu puhelimen ja tukiaseman välille.

Tällöin puhelimessa ovat sekä lähetin, että vastaanotin käytössä. Selityksessä 35 tarkoitetaan valmiustilalla puhelimen toimintatilaa, jossa se on valmis vastaanottamaan puhelun, tällöin vastaanotin on toiminnassa, lähetin ei ole toiminnassa.

5 104662

Selityksessä tarkoitetaan rannekepuhelimella kaksisuuntaisen radioyhteyden muodostamiseen tarkoitettua radioviestintä, joka on tarkoitettu kiinnittäväksi käyttäjän ranteeseen ja tarkoitettu käytettäväksi ranteeseen kiinnitettynä sekä valmiustilassa, että puhelujassa. Käsipuhelimella tarkoitetaan selityksessä 5 kaksisuuntaisen yhteyden muodostamiseen tarkoitettua radioviestintä joka on kooltaan ja muodoltaan sopiva kädessä pidettäväksi.

Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista käsipuhelinta 10 tyypillisessä käyttöasennossa. Tällaisissa riittävän suurikokoisissa käsipuhelimissa antenni 11 ίο voidaan sijoittaa puhelimen yläosaan niin, että antenni saadaan vapaaseen tilaan, josta on antennin toiminnan kannalta riittävä etäisyys sekä käyttäjän käteen että käyttäjän päähän. Tämän tyyppisissä puhelimissa on yleensä lisäksi mahdollista toteuttaa antennirakenne, jossa antenni voidaan työntää puhelimen sisään. Tämä suojaa antennia rikkoutumiselta, kun puhelin on valmiustilassa ja sitä pidetään 15 esimerkiksi taskussa tai vyöllä.

Kuvio 2 esittää ranteeseen kiinnitettäväksi tarkoitetun radiopuhelimen 20 tyypillistä käyttöasentoa. Tällaiseen puhelimeen eivät sovellu tunnetun tekniikan mukaiset käsipuhelimien antenniratkaisut. Kuvion 1 mukaisen sauva-antennin pituuden on 20 oltava tietyssä suhteessa puhelimen käyttämän vastaanotto- ja lähetystaajuuden aallonpituuteen. Tämä johtaa siihen, että hyvin toimiva sauva-antenni on niin pitkä, että sen käyttö rannekepuhelimessa on erittäin hankalaa. Sauva-antennin pituus 900 MHz:n taajuusalueella toimivassa käsipuhelimessa on tyypillisesti noin 10 cm. Rannekkeessa käytettävä puhelin on niin pieni, ettei sauva-antennia voida 25 työntää puhelimen rungon sisään valmiustilassa. Toinen käsipuhelimissa yleisesti käytetty antenni on sylinterinmuotoinen heliksi-antenni, joka on lyhyempi, mutta jonka halkaisija on melko suuri ja siten sen sijoittaminen pienikokoiseen puhelimeen on myöskin hankalaa.

30 Käsipuhelimissa käytetyt sauva-antennit ja heliksi-antennit ovat ympärisäteileviä ja niissä on pyritty symmetriseen säteilykuvioon, joten käytettäessä tällaisia antenneja rannekepuhelimessa pitäisi antennille järjestää riittävä etäisyys sekä käyttäjän päähän, että käteen, ainakin puhelutilanteessa.

35 Ranteeseen kiinnitettävään laitteeseen tarkoitettuja antenneja on käytössä esimerkiksi hakulaitteissa (pager). Hakulaitteissa on vain vastaanotin, ei lähetintä. Rannekepuhelimissa on myöskin lähetin ja puhelimia koskevat standardit, joilla rajoitetaan lähetystilanteessa antennin muodostaman sähkömagneettisen kentän 104662 vaikutus käyttäjän kehoon (SAR). Sähkömagneettisen kentän vaikutus mitataan puhelimelle tyypillisissä käyttöasennoissa. Ranteeseen kiinnitettävissä hakulaitteissa on pyritty antennirakenteisiin, joissa antenni vastaanottaisi signaalia mahdollisimman hyvin kaikista suunnista. Lisäksi hakulaitteen käyttöasento on 5 erilainen kuin rannekepuhelimen, joten hakulaitteiden antennit eivät sovellu käytettäväksi rannekepuhelimissa.

Kuvioissa 3a, 3b ja 3c on mikroliuska patch-antenni 30. Se koostuu johtavasta kalvosta 31 (patch), joka on muodostettu tietyt sähköiset ominaisuudet to (permittiivisyys) omaavalle levymäiselle pohjamateriaalille (substraatille)32. Johtava kalvo 31 toimii antennirakenteen säteilijäosana ja levyn vastakkaisella puolella on yhtenäinen maataso 33 (muodostettu esim. johtavasta kalvosta). Säteilijän syöttö 34 tapahtuu esimerkiksi koaksiaalisesti maatason läpi tai siirtolinjalla 35 levyn reunasta.

15

Neliömäinen säteilijä on resonanssissa, kun sen sivun pituus vastaa likimain puolta aallonpituutta käytetyllä pohjamateriaalilla. Käyttämällä suuren permittiivisyyden omaavaa pohjamateriaalia, voidaan säteilijän ja siten myös koko antennin kokoa pienentää. Tämä kuitenkin johtaa antennin hyötysuhteen 20 huononemiseen, joten kovin pieniksi antennin mittoja ei voida tehdä. Antennin säteilykuvioon ja kaistaleveyteen vaikuttaa voimakkaasti säteilijän muoto. Mikroliuska patch antennin mitoitusta on selvitetty tarkemmin mm. Julkaisussa: "Microstrip antennas", I.J Bahl and P.Bhartia published in 1980 by Artech House Inc. of Delman, MD, USA. Käytettäessä mikroliuska-antennia tässä keksinnössä, 25 mikroliuska-antennilla muodostetaan säteilykuvio, joka on säteilijään 31,62,72 nähden epäsymmetrinen niin, että suuntakuvion 61,71 vahvistusmaksimi 74 suuntautuu antennielementissä säteilijän puolelle ja säteily maatason 33,63,73 puolelle on vähäistä. Säteilykuvion muoto on esitetty karkeasti kuvioissa 6 ja 7.

30 Kuviossa 4 on esitetty toinen tasomainen antenniratkaisu 40 PIFA (Planar Inverted F-Antenna). Siinä säteilijänä toimii metallilevy 41, joka on kiinnitetty toisesta päästään maatasoon 42. Syöttö voidaan tehdä esimerkiksi koaksiaalisesti 43 säteilijään. Kyseisen antennirakenteen sähköisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. säteilijän muodolla, syöttöpisteen paikalla säteilijässä ja säteilijän 35 etäisyydellä maatasosta. PIFA-antennien mitoitusta on selvitetty tarkemmin mm. julkaisusssa: "Analysis of a Probe-Fed Short Circuited Micro Strip Antenna", IEEE Transactions on vehicular technology, Vol 45 No.3, August 1996. PIFA-antennia käytetään tässä keksinnössä myöskin siten, että sen muodostama 104662 säteilykuvio on epäsymmetrinen, niin, että vahvistusmaksimi suuntautuu antennissa säteilijän 41 puolelle ja säteily maatason 42 puolelle on vähäistä. Kuvioissa 6 ja 7 esitetyt säteilykuvioiden muodot pätevät siis myös PIFA-tyyppiselle antennille.

5

Edellä mainituista antennirakenteista voidaan tehdä monia muunnoksia, joilla pyritään tekemään antennista sovelias massatuotantoon ja mekaanisesti tukeva. Esimerkiksi PIFA-tyyppisessä antennissa säteilijän ja maatason välisessä tilassa voidaan käyttää kiinteää ainetta, jonka permittiivisyys vastaa likimain ilman ίο permittiivisyyttä, tällöin antennirakenteesta saadaan tukevampi. Samoin syöttö säteilijälle voidaan järjestää monin eri tavoin, esimerkiksi niin, että antennista tehdään pintaliitettävä komponentti (SMD, Surface Mounted Device), jossa antennin syöttöpiste on kytketty säteilijästä maatason reunassa olevaan juotosnastaan. Antennielementti voi käsittää myöskin useita maatason samalla 15 puolella olevia maatason suuntaisia säteilijöitä. Säteilijän muoto ei myöskään ole rajoitettu tasomaiseen rakenteeseen, vaan säteilijä voi olla esimerkiksi maatason suuntaiseksi taivutettu lanka, kuten on IFA (Inverted F-Antenna) tyyppisessä antennissa.

20 Yhteistä kaikille näille antennirakenteille, joita voidaan hyödyntää keksinnössä, on suuri maataso ja oleellisesti maatason suuntainen säteilijä tai säteilijät, tai, että tasomainen antenni on tarkoitettu kiinnitettäväksi laajaan maatasoon, jolloin muodostuu vastaava rakenne, jolle ominaista on epäsymmetrinen säteilykuvio, jonka maksimi suuntautuu oleellisesti maatasosta poispäin.

25 : Antennien vaatiman pinta-alan suuruusluokasta voidaan mainita, että nykyisiin solukkoverkon radiopuhelin-järjestelmiin soveltuvat nykyisellä tekniikalla toteutetut tasoantennit vaativat minimissäänkin useiden neliösenttimetrien pinta-alan.

30

Kuviossa 6 on esitetty karkeasti antennin suuntakuvio 61 kun käytetään säteilijän 62 kokoon nähden erittäin suurta maatasoa 63. Pienikokoisissa puhelimissa maatason 63,73 koko joudutaan kuitenkin rajoittamaan niin, että sen koko on lähellä säteilijän 62,72 kokoa, tällöin antenni alkaa säteillä jonkin verran myös 35 maatason puolelle. Kuvio 7 esittää karkeasti säteilykuvion 71 muotoa, kun käytetään pienempää maatasoa 73. Ympyrän kehän etäisyys 74 säteilijästä kuvaa antennin muodostamaa sähkömagneettisen kentän suhteellista voimakkuutta kyseisessä suunnassa, kun antenni on kytketty lähettimeen.

104662

Sijoittamalla tällainen tasomainen antenni rannekkeeseen tai rannekkeeseen kiinnitettyyn puhelimeen niin päin, että maataso on ranteen ja säteilijän välillä, saadaan antennin säteilykuvion maksimi suuntautumaan poispäin ranteesta.

5 Antennin säteilyn minimi kohdistuu käteen päin ja toisaalta käden vaikutus antennin suuntakuvioon pienenee.

Rannekepuhelimessa ainakin osa puhelimesta, kuten mikrofoni 84 ja kuuloke 85 (kuvio 8b), sijoitetaan käden kämmenpuolelle, jotta puhelimen käyttö, irrottamatta io sitä ranteesta, on mahdollista. Joissakin ratkaisuissa voidaan puhelimen kaikki toiminnot sijoittaa rannekkeen kämmenen puoleiseen osaan. Joskus voi taas olla perusteltua sijoittaa kaikki puhelimen toiminnot käden selkäpuolelle.

Mikäli puhelin kokonaisuudessaan sijoitetaan käden kämmenpuolelle, ei antennia 15 kuitenkaan voida sijoittaa samalle puolelle, sillä kuvan 2 mukaisessa rannekepuhelimen käyttöasennossa, kun antennin maataso on kohti rannetta, säteilykuvion maksimi suuntautuisi suoraan kohti käyttäjän päätä. Lisäksi antenni tulisi käden ja pään väliseen tilaan täysin katveeseen.

20 Kuviot 8a ja 8b esittävät antennin sijoittelua, jolla pystytään välttämään tämäntyyppisen puhelimen antenniongelma. Tasomainen antennielementti 81 on sijoitettu käden selkäpuolelle niin, että antennin maataso tulee kättä kohti ja maataso jää säteilijän 86 ja ranteen väliin. Antennin syöttö radio-osasta 87 antennille voidaan järjestää rannekkeen 82 sisälle esimerkiksi taipuisalla 25 koaksiaalikaapelilla 83. Etuna on, että antennille saadaan näin varsin suuri pinta-. ala ja siten hyvä hyötysuhde. Antennin säteilijä saadaan suureksi, jolloin antennin hyötysuhde on hyvä ja maataso suureksi verrattuna säteilijään, jolloin säteily käden suuntaan on pientä. Lisäksi antennin suuntakuvio pysyy samanlaisena ja samansuuntaisena riippumatta rannekkeen halkaisijasta, joka voi vaihdella varsin 30 paljon käyttäjän mukaan.

Mikäli puhelin lähes kokonaisuudessaan sijoitetaan käden selkäpuolelle, tulee ongelmaksi puhelimen käyttäjäliittymän (mm. näppäimistö ja näyttö) ja antennin yhdessä vaatima varsin suuri pinta-ala. Nykyisissä digitaalisissa matkapuhelimissa 35 on esimerkiksi lyhytsanomapalveluja (SMS), joissa lähetetään tekstiviestejä. Jotta tekstiviestien kirjoittaminen ja lukeminen olisi mahdollisimman helppoa, pitäisi näytön 91 (ks. kuvio 9) olla mahdollisimman suuri ja myöskin näppäinten 92 pitäisi olla mahdollisimman suurikokoisia. Kuten aiemmin mainittiin pitäisi 104662 9 antennielementin 93 pinta-alan olla mahdollisimman suuri oikean suuntakuvion ja hyvän hyötysuhteen saavuttamiseksi. Antenni pitäisi sijoittaa niin, että säteilijän puolta 94 antennista ei peitetä komponenteilla tai materiaalilla joka vaimentaa antennin lähettämää tai vastaanottamaa signaalia tai muuttaa oleellisesti antennin 5 suuntakuviota. Säteilijäelementti voidaan päällystää sopivalla suojaavalla materiaalilla, esimerkiksi pienihäviöisellä ohuella muovilla, mutta näytön tai näppäimistön sijoittaminen antennin päälle tuottaisi monenlaisia ongelmia.

Antennia ei voida myöskään sijoittaa käden kämmenpuolelle, jossa nyt olisi tilaa, ίο koska puhelimen osat mikrofonia ja kuuloketta lukuunottamatta ovat käden selkäpuolella. Käden kämmenpuolella oleva antenni olisi käden ja pään välisessä katveessa ja suuntakuvion maksimi suuntautuisi kohti päätä puhelimen käyttöasennossa.

15 Pinta-alaltaan riittävän suuren antennin sijoittaminen rannekeosan sivulle tuottaisi ongelmia, sillä antenni el saisi olla oleellisesti ranneketta leveämpi ja antennin pitäisi mukautua eri kokoisiin ranteisiin, jotta se olisi käyttäjälle miellyttävä. Lisäksi on otettava huomioon vaatimus säteilykuvion muodosta. Säteilykuvio ei saisi suuntautua tyypillisissä käyttöasennoissa kohti käyttäjän päätä. Mikäli antenni 20 sijoitettaisiin esimerkiksi rannekkeeseen peukalon puoleiselle sivulle, olisi varsin helppoa vahingossa käyttää hetkellisesti puhelinta esimerkiksi niin, että antennin säteily suuntautuisi suoraan kohti käyttäjän silmää, vieläpä niin, että antenni olisi välittömässä kosketuksessa silmään.

25 Kuviossa 9 on esitetty ratkaisu, joka mahdollistaa pinta-alaltaan riittävän suuren tasoantennin käytön rannekepuhelimessa. Siinä antennin maataso 95 on kohti käyttäjän kättä, jolloin säteilijän 94 suuntakuvio kohdistuu kädestä poispäin.

Antenni on sijoitettu käden selkäpuolelle niin, että sen suuntakuvio suuntautuu käden selkäpuolen ja pikkusormen puoleisen sivun väliseen sektoriin. Tällöin 30 puhelinta on erittäin hankala käyttää vahingossa niin, että suuntakuvion maksimi suuntautuisi kohti käyttäjän päätä. Antenni voi olla nivelöity 98 sekä puhelimen runkoon 96, että rannekkeeseen 97, jolloin se mukautuu eri kokoisiin ranteisiin. Antenni ja antennin liitäntä puhelimeen voidaan tehdä symmetriseksi niin, että antenni voidaan liittää puhelimeen joko oikea- tai vasenkätistä puhelimen 35 käyttäjää varten. Antennin maataso ja puhelimen maadoitus voidaan yhdistää toisiinsa nivelen välityksessä. Antennin syöttö voidaan tehdä esimerkiksi erillisellä joustavalla koaksiaalisella liitoksella tai nivelen kautta (ei esitetty). Mikäli :·. puhelimen runko 96 voidaan tehdä riittävän pieneksi antennielementti voidaan 104662 10 myös jakaa useampaan osaan tai muotoilla niin, että se ympäröi näppäimistöä 92 ja näyttöä 91.

Koska pinta-alaltaan suuren puhelimen käyttö rannekkeessa on hankalaa, on eräs 5 ratkaisu tehdä puhelimesta useampiosainen niin, että osat on laskostettu päällekkäin kun puhelin on valmiustilassa. Puhelin avataan vain puhelutilanteessa niin, että kaikki käyttäjäliittymän osat ovat näkyvissä ja käytettävissä.

Kuviossa 10 on esitetty ratkaisu, jossa antenni 100 on sijoitettu suojakanteen 101, ίο joka voidaan valmiustilassa kääntää näppäimistön ja/tai näytön suojaksi. Tällä ratkaisulla voidaan toteuttaa pinta-alaltaan varsin suuri, ja siten myös hyötysuhteeltaan hyvä antenni. Koska suojakansi kääntyy avattaessa noin 150-180 astetta, kääntyy myös antennin suuntakuvio vastaavasti kohti puhelimen käyttäjän rannetta. Tämä ongelma voidaan ratkaista tekemällä suojakanteen 15 kuvion 5 mukainen symmetrinen antennirakenne, jossa on maataso 51 keskellä suojakantta ja säteilijät 52,53 molemmin puolin suojakantta. Suojakannen sarana 54 voidaan varustaa kytkimellä tai sarana voi ohjata kytkintä joka tunnistaa suojakannen asennon. Säteilijäksi valitaan suojakannen asennosta riippuen se, jonka säteilykuvio suuntautuu kyseisessä asennossa oleellisesti kädestä poispäin. 20 Säteilijöiden vaihto voi tapahtua esimerkiksi asennossa, jossa suojakansi on noin 90 asteen kulmassa puhelimeen nähden.

Rannekepuhelimessa on lisäksi on mahdollista käyttää antennia niin, että molempia säteilijöitä käytetään hyväksi kun suojakansi on avattu noin 90 asteen 25 kulmaan. Antennia voidaan käyttää joko niin, että molemmat säteilijät kytkeytyvät . rinnakkain kun suojakansi avataan tai vastaanotin voi esimerkiksi tietyin väliajoin kytkeä vuorotellen kummatkin säteilijät käyttöön ja verrata kumpi antaa laadultaan tai voimakkuudeltaan paremman signaalin. Radiopuhelimissa on mittauspiirit, joilla tarkkaillaan vastaanotetun signaalin voimakkuutta ja laatua. Säteilijän valinta 30 suoritetaan näiden mittaustulosten perusteella. Säteilijän valintapiiriä kuvaa kuvio 14 ja vastaava selitys. Tässäkin suojakannen asennossa antennin suuntakuvion maksimi suuntautuu päästä poispäin. Antennin etäisyys käteen kasvaa, eikä suuntakuvion maksimi suuntaudu suoraan kättä kohti.

35 Mikäli valmiustilassa käytetään yhtä säteilijää ja puhelutilassa kahta säteilijää rinnakkain, on otettava huomioon, että antennin impedanssi on erilainen valmiustilassa ja puhelutilassa. Tällöin puhelin on varustettava kahdella erillisellä antennin syöttöpiirillä tai antennin syöttöpiirin impedanssi tehdään säädettäväksi

II

104662 niin, että syöttöpiirin impedanssi on aina oleellisesti sama kuin käytössä olevan antennin impedanssi. Antennien impedanssit voidaan mitoittaa käyttäen hyväksi aiemmin mainittuja tasomaisia antennirakenteita koskevia julkaisuja ja niissä mainittuja julkaisuja. Sovituspiirien mitoitus on alan ammattilaisille tunnettua, asiaa 5 käsittelee mm. julkaisu: "Antenna Impedance Matching", Wilfred N. Caron published in 1989 by American Radio Relay League, Newington, USA.

Rannekepuhelimessa suojakansi voidaan tehdä myös liukuvaksi ja varustaa tasomaisella antennilla, jolloin ei tarvita kahta säteilijää. Suojakansi työnnetään ίο puhelimen valmiustilassa näppäimistön ja/tai näytön päälle ja puhelun ajaksi se avataan. Maataso tulee suojakannen alapinnalle ja säteilijä yläpinnalle. Antennin maadoituksen ja säteilijän kytkeminen antenniin tapahtuu esimerkiksi liukukontaktein tai joustavilla kaapeleilla.

15 Keksintöä voidaan soveltaa myös käsipuhelimiin, joita ei ole tarkoitettu kiinnitettäväksi käyttäjän ranteeseen. Puhelutilassa käsipuhelin viedään käyttäjän pään lähelle sellaiseen asentoon, että puhelimen kuuloke 116 tulee lähelle käyttäjän korvaa ja kuulokkeen tuottama ääni 114 suuntautuu kohti korvaa.

Vastaavasti käyttöasennossa mikrofoni 117 pyritään saamaan mahdollisimman 20 lähelle käyttäjän suuta, jotta puhe 115 suuntautuisi mahdollisimman hyvin mikrofoniin 117. Käsipuhelin viedään tällaiseen käyttöasentoon tarttumalla kädellä puhelimen runkoon, tyypillisesti kuulokkeen 116 alapuoliseen osaan 118,138.

Äänen suuntaamiseen ja taajuusvasteen muokkaamiseen käytetään kuuloketta ja mikrofonia peittäviä suojia 113,119,134,136, jotka on varustettu sopivan 25 kokoisilla ja muotoisilla aukoilla.

Käyttäjän käsi varjostaa antennia mikäli tasomainen antenni sijoitetaan käsipuhelimen runkoon niin, että se on kuulokkeen 116 ja mikrofonin 117 välisessä rungon osassa 118 tai ainakin oleellisilta osiltaan mainitulla alueella tai antenni on näppäimistön suojakannessa 110, joka avataan puhelutilassa alaspäin 30 käyttäjän suun eteen. Vastaavasti kuviossa 13 antennin sijoittaminen oleellisilta osiltaan rungon sille alueelle 138, johon puhelimen käyttäjä tarttuu kädellään aiheuttaisi varjostusongelman. Kaikissa edellä mainituissa antennijärjestelyissä on se haitta, että tyypillisessä käyttöasennossa antenni jää käyttäjän käden ja pään väliseen tilaan. Näissä tapauksissa antennin ominaisuudet voivat muuttua 35 huomattavasti käden ja pään vaikutuksesta. Keksinnön mukaisella antennielementin sijoittelulla on tavoitteena välttää edellä mainitut haitat sijoittamalla antenni oleellisilta osiltaan sen alueen ulkopuolelle, johon käyttäjä ·*: tyypillisesti tarttuu kädellään.

104662 12

Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa myös tavanomaiseen käsipuhelimeen kuvioiden 11 ja 12 esittämällä tavalla. Suojakanteen 111 sijoitettu antenni käännetään puheluasennossa ylöspäin pois käden ja pään välisestä katveesta, 5 jolloin käden ja pään vaikutus antenniin minimoituvat ja lisäksi antennin suuntakuvio 112 suuntautuu poispäin 120 päästä. Mikäli suojakansi on kuvion 11 mukaisesti samalla puolella kuin puhelimen kuuloke ei kuvion 5 mukaista kahden säteilijän rakennetta tarvita, sillä valmiusasennossa suuntakuvio suuntautuu puhelimesta poispäin ja puheluasennossa poispäin päästä.

10

Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa myös käyttämällä esimerkiksi kuvion 13 mukaista kahden säteilijän 131,132 symmetristä kiinteää antennirakennetta 130. Säteilijöiden välissä on maataso 133. Säteilijän valinta voidaan suorittaa esimerkiksi seuraavasti. Puhelutilanteessa valitaan käyttöön se säteilijä (132), 15 joka on vastakkaisella puolella kuin kuuloke 134, jolloin säteilykuvio suuntautuu aina puhelutilanteessa poispäin päästä. Puhelimen kontrolleriosalla 148 on aina tiedossa milloin tulevaan puheluun on vastattu tai lähtevä puhelu käynnistetään eli milloin lähetin on päällä. Tätä samaa tietoa voidaan käyttää antennin säteilijän valintaan puhelutilassa.

20 Säteilijä 131 voidaan kytkeä käyttöön valmiustilassa. Jos puhelin asetetaan esimerkiksi sähköä johtavalle pinnalle niin päin, että säteilijä 132 jää antennin maatason ja sähköä johtavan pinnan väliin, saattaa antennin toiminta häiriintyä. Valmiustilassa lähetin ei ole päällä, joten kehoon kohdistuvaa säteilyä ei esiinny ja 25 antennisäteilijän valinta voidaan suorittaa pelkästään sillä perusteella, kumpi säteilijä toimii paremmin.

Kuvio 14 esittää lohkokaaviona säteilijänvalintapiiriä 140, kun antennielementissä on kaksi säteilijää 141, 142 ja säteilijän valinta suoritetaan vastaanotetun signaalin 30 voimakkuuden tai laadun perusteella. Vastaanotettu suurtaajuinen signaali vahvistetaan vahvistimessa 144 ja sekoitetaan sekoittimessa 145 välitaajuiseksi tai kantataajuiseksi signaaliksi ja vahvistetaan edelleen vahvistimessa 146. Matkapuhelimissa on mittauspiiri, joka tarkkailee vastaanotetun signaalin voimakkuutta ns. RSSI-piiri (Received Signal Strength Indicator ja signaalin laatua 35 (BER.Bit Error Rate). Signaali johdetaan edelleen piiriin 147, jossa suoritetaan kyseiset signaalin voimakkuus- ja laatumittaukset. Mittaustulokset johdetaan kontrolleriosalle 148, joka tulkitsee mittaustulokset ja signaalin voimakkuuden ja/tai laadun huonontuessa ohjaa antenninvalintakytkimen 143 toiseen asentoon.

104662

Signaalin mittaus suoritetaan uudelleen kytkimen tässä asennossa. Mittausten jälkeen antenninvalintakytkin jätetään asentoon, joka tuottaa paremman signaalin.

Mittaus voidaan toistaa tietyin väliajoin niin, että puhelin suorittaa vertailun samalla 5 kun se suorittaa RSSI-mittauksia esimerkiksi puhelinverkon antamien määräysten perusteella.

Vertailu voidaan suorittaa myös vain tarvittaessa, eli siinä vaiheessa kun huomataan, että vastaanotetun signaalin voimakkuus on laskenut vaihdetaan säteilijää ja kokeillaan, tuottaako toinen säteilijä voimakkaamman signaalin, jos se 10 tuottaa, niin kytketään se antenniksi.

Keksinnön ensisijaisiksi sovelluskohteiksi on ajateltu pienikokoisia solukkoverkon radiopuhelimia, keksinnön soveltamismahdollisuudet eivät luonnollisestikaan rajoitu vain näihin ensisijaisiin sovelluskohteisiin, vaan keksintöä voidaan käyttää 15 myös muissa rakenteeltaan erilaisissa radioviestimissä, joissa ympärisäteilevän antennin käyttö aiheuttaa ongelmia, halutaan saada aikaan määrätty antennin suuntakuvio tai halutaan minimoida käyttäjän kehon vaikutus antennin ominaisuuksiin. Esimerkkeinä voidaan mainita pienempitehoiset langattomat (cordless) puhelimet ja useampaan osaan jaetut henkilökohtaiset 20 radioviestintälaitteet. Useampaan osaan jaetulla radioviestintälaitteella tarkoitetaan esimerkiksi rakennetta, jossa viestintälaitteen käyttäjäliittymä on erillinen yksikkö, joka liikennöi viestintälaitteen radio-osan kanssa käyttäen pienitehoista radiolinkkiä.

» · *

Claims (10)

104662

1. Kaksisuuntaisen yhteyden muodostamiseen tarkoitettu radioviestintälaite(10, 20), joka käsittää 5 rannekkeen (82) radioviestintälaitteen kiinnittämiseksi käyttäjän ranteeseen, kaiuttimen (85) ensimmäisen akustisen signaalin (114) toistamiseksi käyttäjälle, mikrofonin (84) toisen akustisen signaalin (115) vastaanottamiseksi ίο käyttäjältä, antennielementin (81,93,100) radiosignaalien vastaanottoa ja lähetystä varten, ja kaiutin (85) ja mikrofoni (84) on kiinnitetty radioviestintälaitteeseen määrättyyn ensimmäiseen paikkaan, ja ranneke (82) on sovitettu kiinnitettäväksi käyttäjän 15 ranteeseen käyttöasentoon, jossa kaiutin (85) ja mikrofoni (84) sijoittuvat käden kämmenpuolelle, tunnettu siitä, että mainittu antennielementti (81,93,100) on kiinnitetty radioviestintälaitteeseen määrättyyn toiseen paikkaan, ja mainitussa käyttöasennossa antennielementti (81,93,100) sijoittuu käden selkäpuolelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radioviestintälaite, tunnettu siitä, että mainittu antennielementti (81,93,100) on tasomainen antennielementti määrätyn säteilykuvion muodostamiseksi ja mainitun säteilykuvion vahvistusmaksimin suuntaamiseksi määrättyyn suuntaan (74).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radioviestintälaite . tunnettu siitä, että mainittu antennielementti käsittää maatason (63,73) ja ainakin yhden sen kanssa oleellisesti samansuuntaisen säteilijän (62,72).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radioviestintälaite 30 tunnettu siitä, että se käsittää välineet mainitun antennielementin (81) järjestämiseksi kiinteästi asentoon, jossa mainitun antennielementin säteilykuvion vahvistusmaksimi suuntautuu oleellisesti vastakkaiseen suuntaan mainitun ensimmäisen akustisen signaalin toistosuuntaan (114) nähden.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radioviestintälaite tunnettu siitä, että se käsittää välineet (98,102,121) mainitun antennielementin (100) kääntämiseksi asentoon, jossa mainitun antennielementin säteilykuvion - · • # 104662 vahvistusmaksimi suuntautuu oleellisesti vastakkaiseen suuntaan mainitun ensimmäisen akustisen signaalin (114) toistosuuntaan nähden.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radioviestintälaite 5 tunnettu siitä, että mainittu antennielementti käsittää tasomaisen maatason (51) ja sen molemmin puolin oleellisesti sen kanssa samansuuntaiset ainakin ensimmäisen (52) ja toisen (53) säteilijän.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen radioviestintälaite ίο tunnettu siitä, että se käsittää välineet (140) valinnan suorittamiseksi mainitun ensimmäisen (51) ja toisen (52) säteilijän välillä mainituista säteilijöistä kulloinkin toisen käyttämiseksi antennielementin säteilijänä.

8. Kaksisuuntaisen yhteyden muodostamiseen tarkoitettu 15 radioviestintälaite(10, 20), joka käsittää ensimmäiset muunnosvälineet (116) vastaanotetun sähköisen signaalin muuntamiseksi ensimmäiseksi akustiseksi signaaliksi (114), välineet (85,113,134) ensimmäisen akustisen signaalin (114) lähettämiseksi määrättyyn suuntaan, 20 välineet (84,119,136) toisen akustisen signaalin (115) vastaanottamiseksi määrätystä suunnasta, toiset muunnosvälineet (117) toisen akustisen signaalin muuntamiseksi sähköiseksi signaaliksi, rungon, joka käsittää alueen (87,118,138), jossa on mainitut 25 muunnosvälineet etäisyydellä toisistaan, ja . ainakin yhden tasomaisen antennielementin (30,40,81,93,100,110,130) määrätyn säteilykuvion muodostamiseksi ja mainitun säteilykuvion vahvistusmaksimin suuntaamiseksi määrättyyn suuntaan (74,120), joka antennielementti on oleellisesti mainitun rungon alueen (87,118,138) ulkopuolella, 30 tunnettu siitä, että mainittu antennielementti (30,40,81,93,100,110,130) käsittää tasomaisen maatason (51, 133) ja sen molemmin puolin oleellisesti sen kanssa samansuuntaiset ainakin ensimmäisen (52,131) ja toisen (53,132) säteilijän, ja että radioviestintälaite käsittää valintavälineet (135,140) valinnan 35 suorittamiseksi mainitun ensimmäisen (51,131) ja toisen (52,132) säteilijän välillä mainituista säteilijöistä kulloinkin toisen käyttämiseksi antennielementin säteilijänä, ja että ensimmäisen säteilijän (51,131) vahvistusmaksimin suunta on ” järjestetty oleellisesti samansuuntaiseksi mainitun ensimmäisen akustisen 104662 signaalin (114) suunnan kanssa ja toisen säteilijän (52, 132) vahvistusmaksimin suunta on järjestetty oleellisesti vastakkaiseksi mainitun ensimmäisen akustisen signaalin (114) suuntaan nähden.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen radioviestintälaite, tunnettu siitä, että se on tarkoitettu pidettäväksi kädessä.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen radioviestintälaite, tunnettu siitä, että radioviestintälaite käsittää io vastaanottovälineet (144 - 146) antennielementillä vastaanotetun signaalin vastaanottamiseksi ja käsittelemiseksi, mittausvälineet (147) vastaanotetun signaalin voimakkuuden mittaamiseksi ja/tai signaalin laadun mittaamiseksi ja mittaustuloksen antamiseksi, ja välineet (148) vaiintavälineiden (143) ohjaamiseksi valitsemaan 15 ensimmäisen ja toisen säteilijän välillä mainitun mittaustuloksen perusteella. . · 17 104662 r