FI111884B

FI111884B - Kahden taajuuden heliksiantenni

Info

Publication number: FI111884B
Application number: FI974527A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Pertti Puurunen; Tero Kuittinen; Mika Bordi
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2003-09-30
Also published as: FI974527A; EP0960449A1; FI974527A0; DE69829362T2; US6340954B1; DE69829362D1; WO1999031756B1; AU1673299A; WO1999031756A1; EP0960449B1

Description

111884

Kahden taajuuden heliksiantenni - Helixantenn for dubbelfrekvensoperation

Keksintö koskee yleisesti radiolaitteiden antennirakenteita. Erityisesti keksintö kos-5 kee antennirakennetta, jolla on kaksi toisistaan eroavaa resonanssitaajuutta. Tässä patenttihakemuksessa käsitellään esimerkinomaisena radiolaitteena matkapuhelinta.

Eri puolilla maailmaa on käytössä solukkoradiojärjestelmiä, joiden toimintataajuus-alueet poikkeavat merkittävästi toisistaan. Digitaalisista solukkoradiojärjestelmistä 10 GSM-järjestelmän (Global System for Mobile telecommunications) toimintataajuudet ovat 890-960 MHz, JDC:n (Japanese Digital Cellular) 800 ja 1500 MHz:n alueilla, PCN:n (Personal Communication Network) 1710-1880 MHz ja PCS.n (Personal Communication System) 1850-1990 MHz. Amerikkalaisen AMPS-matka-puhelinjärjestelmän toimintataajuudet ovat 824-894 MHz ja eurooppalaisen johdot-15 toman DECT-puhelinjärjestelmän (Digital European Cordless Telephone) toimintataajuudet ovat 1880-1900 MHz.

Koska tekniikan tason mukaisen radiotaajuusantennin resonanssitaajuus on tunnetulla tavalla sidoksissa aallonpituuden kautta antennin pituuteen, yhtä antennia ei 20 voi käyttää kuin yhden taajuusalueen solukkoradiojärjestelmään tarkoitetussa mat-: “ kapuhelimessa. Eräissä tapauksissa on kuitenkin suotavaa, että samaa puhelinta voitaisiin käyttää myös jollakin toisella taajuusalueella. Tällöin tarvitaan muiden :‘ sopivien RF-osien lisäksi jokin toimiva antenniratkaisu.

25 US-patentissa 4 442 438 on esitetty kahdella taajuudella resonoiva antennirakenne, joka koostuu kuvan 1 mukaisesti kahdesta heliksistä 101, 102 ja yhdestä piiskaele-mentistä 103. Heliksit 101 ja 102 on asennettu peräkkäin ja niiden vierekkäiset päät 104 ja 105 muodostavat yhdistetyn rakenteen syöttöpisteen. Piiskaelementti 103 on osittain ylemmän heliksin 101 sisällä ja sen syöttöpiste 106 on sen alapäässä. RF-30 signaali tuodaan kyseiseen syöttöpisteeseen 106 rakennelman symmetria-akseliin yhtyvän koaksiaalijohtimen 107 välityksellä, joka kulkee alemman heliksin 102 läpi. Piiskaelementin syöttöpiste 106 on yhdistetty ylemmän heliksin alapäähän 104 ja : alempi heliksi on yhdistetty yläpäästään 105 koaksiaalijohtimen 107 johtavaan ja ·;··; maadoitettuun vaippaan. Rakenteen ensimmäinen resonanssitaajuus on heliksien 35 101 ja 102 muodostaman yhdistetyn rakenteen resonanssitaajuus, esimerkinomaises- ’···’ sa suoritusmuodossa 827 MHz. Rakenteen toinen resonanssitaajuus on ylemmän heliksin 101 ja piiskaelementin 103 yhteinen resonanssitaajuus, esimerkinomaisessa 2 111884 suoritusmuodossa 850 MHz. Heliksi 101 ja piiskaelementti 103 on siis mitoitettu niin, että niillä on oleellisesti sama resonanssitaajuus.

US-patentin esittämä rakenne on suhteellisen monimutkainen. Rakenteen hankalin 5 kohta valmistustekniikkaa ajatellen on syöttöpistejärjestely antennin keskikohdalla, jossa piiskaelementin alapään 106 ja ylemmän heliksin alapään 104 on oltava galvaanisessa yhteydessä ja alempi heliksi on yhdistettävä yläpäästään 105 piiskaele-menttiä syöttävän koaksiaalijohtimen vaippaan. Rakenteella saavutettavien kahden resonanssitaajuuden ero on patentissa esitetyn materiaalin mukaan pieni, koska 10 ylempi heliksi 101 ja piiskaelementti 103 on mitoitettava niin, että niillä on oleellisesti sama yhteinen resonanssitaajuus, joten sitä ei voida soveltaa esimerkiksi GSM-ja PCN-taajuuksilla toimivaan puhelimeen. Patentin selitysosassa esitetäänkin keksinnön tavoitteeksi matkapuhelinantennin resonanssitaajuusalueen leventäminen niin, että se paremmin kattaisi koko taajuuskaistan yhdessä solukkoradiojärjestel-15 mässä.

FI-patenttihakemuksessa 963275 (LK-Products) on esitetty kuvan 2 mukainen kahden taajuuden antennirakenne, jossa lieriökelajohtimeksi kierretyn heliksiantennin 201 päiden välillä on tietyssä kohdassa liittymäosa 202 toiseen antennielementtiin .. 20 203 liittymistä varten. Antennin ensimmäisenä antennielementtinä oleva lieriökela- ”t johdin 201 käsittää pituusakselinsa suunnassa alaosan 204 ja yläosan 205 ja toinen ‘ · ' · antenniosa 203 liittyy lieriökelajohtimeen kiinteällä liitoksella ala- ja yläosan välillä · olevassa liitoskohdassa 202. Rakenteen kahdella säteilevällä antennielementillä on yhteinen alaosa liittymäosan muodostamaan haarautumispisteeseen saakka, josta | ‘ · 25 ylöspäin antennielementtien sähköiset pituudet ovat erilaiset. Yhdistetyn antennira- : Y kenteen ensimmäinen resonanssitaajuus määräytyy antennielementtien yhteisen ala osan ja ensimmäisen antennielementin yläosan yhteenlasketusta sähköisestä pituudesta. Toinen resonanssitaajuus määräytyy vastaavasti yhteisen alaosan ja toisen antennielementin yläosan yhteenlasketusta sähköisestä pituudesta. Resonanssitaa-.. 30 juuksiin vaikuttaa lisäksi antennielementtien välinen keskinäiskytkentä sekä se, että *... antennielementit ovat toistensa lähikentässä olevia sähköä johtavia kappaleita, joten . ne kuormittavat toisiaan. Kuvan 2 mukainen antennirakenne on suhteellisen vaikea : ·. mitoittaa tarkasti halutuille taajuuksille, koska antennielementtien välinen liitoskoh- ·;··.' ta edellyttää varsin tarkkaa asemointia. Lisäksi sähköisestä kytkennästä liitoskoh- 35 dassa tulee helposti epäluotettava.

FI-patenttihakemuksessa 970297 (LK-Products) on esitetty kuvan 3 periaatteen mukainen antenni, jossa antennielementillä 301 on ensimmäinen pää ja toinen pää sekä 3 111884 tapituskohta (engl. tapping point) 302, joka sijaitsee tietyssä kohdassa antenniele-mentin päiden välillä. Tapituskohta jakaa antennielementin epäsymmetrisesti siten, että sähköinen pituus tapituskohdasta yläpäähän on huomattavasti suurempi kuin sähköinen pituus tapituskohdasta alapäähän. Antennin syöttöjohdin 303, joka yh-5 distää antennielementin sähköisesti radiolaitteeseen, liittyy antenni elementtiin tapi-tuskohdassa. Oleellinen osuus syöttöjohtimesta toimii myös säteilevänä osana, koska syöttöjohdin on sähköisesti suojaamaton eli sen ympärillä ei ole johtavasta materiaalista valmistettua vaippaa. Antennirakenteen sähköinen kokonaispituus ensimmäisellä toimintataajuudella on syöttöjohtimen 303 ja tapituskohdasta 302 anten-10 nielementin 301 ensimmäiseen päähän ulottuvan osuuden sähköisten pituuksien summa. Vastaavasti antennirakenteen sähköinen kokonaispituus toisella toimintataajuudella on syöttöjohtimen 303 ja tapituskohdasta 302 antennielementin 301 toiseen päähän ulottuvan osuuden sähköisten pituuksien summa. Antennielementti 301 voi olla heliksi, suora johdin tai jokin näiden yhdistelmä. Tämän antennirakenteen hait-15 tapuolena on sen valmistuksen vaikeus siten, että tapituskohdasta 302 tulee tukeva.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on esittää kahdelle toimintataajuusalueelle soveltuva antennirakenne, joka on yksinkertainen valmistaa ja joka toimii luotettavasti. Keksinnön tavoitteena on myös esittää antennirakenne, joka on helppo mitoittaa .. 20 kahdelle eri toimintataajuudelle. Keksinnön tavoitteena on lisäksi, että sen mukainen • · : ’ antennirakenne soveltuu laajamittaiseen sarjatuotantoon.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan käyttämällä antennielementtinä heliksiä, jonka ..! ' nousu tihenee syöttöpisteestä poispäin.

25 : V Keksinnön mukainen antenni käsittää lieriökelajohtimen, jossa on tietty kierros A ja tietty kierros B ja niiden välillä muita kierroksia. Antennille on tunnusomaista, että kierroksen A nousu on erisuuri kuin kierroksen B nousuja kierrosten A ja B välisten muiden kierrosten nousut asettuvat suuruusjärjestyksessä kierroksen A nousun ja ·, 30 kierroksen B nousun välille.

On sinänsä tunnettua, että johtavalla kappaleella voi olla useita resonanssitaajuuk-:/· siä, joista alin on ns. perustaajuus ja muut ovat harmonisia taajuuksia. Keksintö pe- •: · · rustuu havaintoon, jonka mukaan lieriökelajohtimen eli heliksin resonanssitaajuuk- 35 sien arvoon vaikuttaa heliksin mitoitusparametrien muuttaminen rakenteen eri kohdissa. Perustaajuuden määrää heliksilangan sähköinen pituus. Heliksin yhteydessä nimitetään yleisesti nousuksi etäisyyttä, jolla tietyn kierroksen päät ovat toisistaan heliksin pituusakselin suunnassa. Kun syöttöpiste on heliksin ensimmäisessä päässä 4 111884 ja heliksin nousua tihennetään tai harvennetaan kohti sen toista päätä, kierrosten keskinäinen vuorovaikutus muuttaa resonanssitaajuuksien arvoa. Kun kierrosten määrä, nousu heliksin eri kohdissa ja muut mitoitusparametrit valitaan sopivasti, re-sonanssitaajuudet saadaan asettumaan sellaisiin taajuusakselin kohtiin, että raken-5 netta voidaan käyttää kahdella solukkoradiojärjestelmän taajuusalueella.

Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa 10 kuva 1 esittää erästä tunnettua antennirakennetta, kuva 2 esittää erästä toista tunnettua antennirakennetta, kuva 3 esittää erästä kolmatta tunnettua antennirakennetta, kuva 4 esittää keksinnön periaatetta, kuva 5 esittää kuvan 4 mukaisen rakenteen mitattuja ominaisuuksia ja 15 kuva 6 esittää keksinnön mukaista antennia, jossa on suojakuori.

Edellä tekniikan tason selostuksen yhteydessä on viitattu kuviin 1-3, joten seuraavassa keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen selostuksessa viitataan lähinnä kuviin 4-6.

20 • · : ' Kuvassa 4 on esitetty halkileikkauksena heliksiantenni 400, jossa on seitsemän kier- rosta. Syöttöpisteestä 401 katsoen ensimmäisen kierroksen nousu xl on suurempi kuin viimeisen kierroksen nousu x2. Muiden kierrosten nousu pienenee tasaisesti ensimmäisestä kierroksesta kohti viimeistä kierrosta. Heliksiantenni on kuvassa esi-: . 25 tetty pystyasennossa, mutta keksintö ei luonnollisestikaan rajoita sen mukaisen he- : Y liksiantennin käyttöä tai valmistusta missään tietyssä asennossa. Syöttöpiste 401 ja heliksin jalka 402 voidaan toteuttaa siten, että heliksilanka taivutetaan kuvassa esitetyn mustan viivan muotoiseksi. Vaihtoehtoisessa toteutuksessa heliksi liitetään kuvassa esitettyyn asentoon nähden alapäästään liitinosaan, jossa on lieriömäinen sy-30 vennys, johon heliksin alimmat kierrokset työnnetään. Tätä varten heliksin alapäässä | voi olla muuta heliksiä tiheämmin kierretty tukikierre (ei esitetty kuvassa), joka liiti- ' · ’ nosaan liitettynä ei toimi säteilevänä osana, koska sähköä johtava liitinosa oikosul- :' ·. kee tukikierteen kierrokset. Myös muita sinänsä tunnettuja menetelmiä syöttöpisteen •: · 401 muodostamiseksi ja heliksiantennin liittämiseksi radiolaitteeseen voidaan käyt- 35 tää.

Kuva 5 esittää ns. sll-kertoimen eli heijastuskertoimen mittausta, jossa vaaka-akselilla on taajuus 700 MHz:sta 2100 MHz:iin ja pystyakselilla on heijastuskertoi- 5 111884 men arvo desibeliyksiköissä. Mittaus koskee erästä kuvan 4 mukaista antennia. Kolmiomerkki pystyakselilla osoittaa 0 dB:iä, yksi jakoväli pystyakselilla on 5 dB ja yksi jakoväli vaaka-akselilla on 140 MHz. Heijastuskerroin kuvaa sitä, kuinka suuri osa antenniin syöttöpisteen kautta syötetystä radiotaajuisesta tehosta heijastuu ta-5 kaisin. Alhainen heijastuskertoimen arvo tietyllä taajuudella tarkoittaa, että antenni soveltuu hyvin käytettäväksi kyseisellä taajuudella. Kuvasta 5 nähdään, että antennilla on kaksi resonanssitaajuuskaistaa, joilla heijastukertoimen arvo on selvästi pienempi kuin -10 dB. Ensimmäinen resonanssitaajuuskaista (s 11 <-10dB) on noin 880 MHz:stä 960 MHz:iin ja toinen resonanssitaajuuskaista (sll < -lOdB) on noin 10 1730 MHz.stä 1800 MHz:iin.

Tihenemisen asemesta heliksin kierrokset voivat myös harveta eli nousu voi lisääntyä syöttöpisteestä poispäin. Keksinnön mukaisen antennin resonanssitaajuuskaisto-jen sijainti taajuusakselilla riippuu mm. heliksilangan paksuudesta, eri kierrosten 15 noususta ja heliksin halkaisijasta. Seuraava taulukko esittää eräitä mittaustuloksia koskien eräitä heliksejä Hl, H2, H3, H5, H6, H7, H8, H9 ja HIO, joissa heliksin korkeus ensimmäisen kierroksen alusta viimeisen kierroksen loppuun on 22 mm, heliksin jalan (402 kuvassa 4) pituus on 10 mm ja heliksilangan paksuus on 0,9 mm, sekä erästä heliksiä Hl 1, jossa heliksin korkeus on 16 mm, heliksilangan paksuus on 20 0,9 mm, jalan korkeus on 6 mm ja jalan halkaisija on 3 mm, ja erästä heliksiä H12, • ' jossa heliksin korkeus on 16 mm, heliksilangan paksuus on 0,8 mm, jalan korkeus ‘ on 6 mm ja jalan halkaisija 3 mm. Taulukossa esitetyt ala- ja ylähalkaisijan arvot •, · ovat sisähalkaisijoita ja taajuudet fl ja f3 ovat resonanssitaajuuksia, joiden ympäril- : le sijoittuvalla taajuuskaistalla heliksi soveltuu hyvin käytettäväksi.

25 6 111884 __Hl__H2__H3__H5 (tihenevä)

Alahalkaisija / mm__7.1x7,1__2x2___3x3__77_

Ylähalkaisija / mm__7.1x7.1__8,2x82__14x14__7J_

Nousu /mm 4 2.5 5 5+4 5+4+3.5 ______+2,3+2_

Ulkotilavuus / mm3__1110__620 __1530__1110 _

Taajuus / Imp, reaaliosa f/MHz Re/n f/MHz Re/n f/MHz Re/n f/MHz Re/n

Resonanssi f 1__935,1 43 902.9 54 893,9 56 898,5 55

Resonanssi f3__2213 12 2011 21 2046 19 1812 23_

Suhde f3/fl 2.37 0.28 2.23 0.39 2.29 0.34 2.02 0.42 H6 (tihenevä) I H7 (harveneva) | H8 (harveneva) 1 H9_

Alahalkaisija / mm__71__7,1__71__7,1x7,1_

Ylähalkaisija / mm__71__71___71__2x2_

Nousu/mm 6.5+5+3.5 3+3.5+4 2+3+4+5 2.3 __+2.7+2+1.8 +4.4+4.6__+6+7__

Ulkotilavuus / mm3__1110____1110__IHO__510 _

Taajuus / Imp, reaaliosa f/MHz Re/n f/MHz Re/n f/MHz Re/Π f/MHz Re/Ω

Resonanssi fl__906,0 55 905.9 47 8896 48 911 4 43_

Resonanssi O__1771 28 2255 12 2379 10 2371 10_ i '* Suhdefl/fl_ 1.95 0.51 2.49 0.26 2.67 0,21 2,60 0.23 0·__HIO__Hll* H12**__

Alahalkaisija / mm__7,1x7.1__5.1x5.1__6,2x6,2__

Ylähalkaisija / mm__5x5__5.1x5.1__5,4x5.4__ • '· Nousu/mm 3.1 1.7 3.5+3.0+2.4+2+ : _______1.5+1.2+1,l+l__

Ulkotilavuus / mm3_ 830 450 __550 _

Taajuus / Imp, reaaliosa f/MHz Re/n f/MH- Re/n f/MHz Re/n___

Resonanssi fl__902.9 48 91U 20 901 21___

Resonanssi f3__2203 10 2081 12 1801 11___

Suhde O/fl_ 2.43 0.21 2.28 0.6 2.0 0.52 * ja **: mitoitus eroaa muista helikseistä, ks. edellä.

Taulukossa heliksien Hl, H2, H3, H9, HIO ja Hll nousu on kaikilla kierroksilla . sama eli ne eivät ole keksinnön mukaisia. Helikseissä H2, H3, H9, HIOja H12 kier- 5 rosten halkaisija muuttuu syöttöpisteen ja heliksin toisen pään välillä: alahalkaisija tarkoittaa halkaisijaa lähinnä syöttöpistettä. Lihavoiduilla taajuuksien f3/fl suhteen 7 111884 arvoilla on korostettu heliksejä H5, H6 ja H12, jotka resonanssitaajuuksien puolesta soveltuvat erityisesti GSM/PCN-kaksimoodipuhelimen antenneiksi.

Kuva 6 esittää halkileikkauksena erästä keksinnön mukaista antennia 600, jossa on 5 heliksilanka 601, metallista tai muusta hyvin sähköä johtavasta aineesta valmistettu liitososa 602 sekä suojakuori 603. Liitososan 602 alemman osan ulkopinnalla on kierteet 604, joilla antenni 600 voidaan kiinnittää mekaanisesti ja sähköisesti radiolaitteeseen (ei esitetty kuvassa). Heliksilangan alaosassa on tiheä tukikierre 605, jonka avulla heliksilanka 601 kiinnittyy liitososassa 602 olevaan lieriömäiseen sy-10 vennykseen. Tukikierre ei kuulu antennin säteilevään osuuteen. Suojakuori 603 on jotain dielektristä ainetta, edullisimmin ruiskupuristettua muovia, ja se voidaan kiinnittää liitososaan liimaamalla tai sulatusliitoksella. Suojakuoreen 603 voidaan muodostaa heliksilankaa 601 tukevia osia (ei esitetty kuvassa), kuten heliksin sisään sen yläpäästä työntyvä lieriömäinen tappi.

15

Esillä oleva keksintö ei rajoitu esitettyihin esimerkinomaisiin suoritusmuotoihin eikä mihinkään tiettyyn sovellukseen vaan sitä voidaan käyttää antenneissa erilaisissa sovelluksissa ja eri taajuuksilla, edullisesti radiotaajuuksilla, kuten UHF ja VHF. Rakenne on edullisesti käytettävissä matkapuhelinanteimeihin. Rakennetta voidaan 20 muunnella poikkeamatta jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten määrittämästä i 1 suojapiiristä. Heliksin ensimmäisen ja viimeisen kierroksen nousu voi olla jopa lä- :. ‘ · hes sama, jos niiden välillä on tietty toinen kierros, jonka nousu on erisuuri kuin : : ensimmäisen kierroksen nousu, jos tällöin ensimmäisen ja mainitun toisen kierrok- ; i sen väliin jää muita kierroksia, joissa nousu muuttuu tasaisesti.

• # « • ·

Claims

111884

1. Antenni (400; 600) radiotaajuisten signaalien lähettämistä ja vastaanottoa varten, joka antenni käsittää lieriökelajohtimen (601), jossa on tietty kierros A ja tietty 5 kierros B ja niiden välillä muita kierroksia, tunnettu siitä, että mainitun kierroksen A nousu (xl) on eri suuri kuin mainitun kierroksen B nousu (x2), kunkin kierrosten A ja B välillä olevan kierroksen nousu on eri suuri kuin muiden kierrosten A ja B välillä olevien kierrosten nousut, kierrosten A ja B välisten muiden kierrosten nousut asettuvat suuruusjärjestyksessä kierroksen A nousun ja kierroksen B nousun vä-10 lille ja antennilla on kaksi resonanssitaajuuskaistaa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että kierros A on lieriökelajohtimen ensimmäinen antennin säteilevään osuuteen kuuluva kierros sen ensimmäisessä päässä ja kierros B on lieriökelajohtimen viimeinen kierros sen toi- 15 sessa päässä, jolloin ensimmäinen kierros käsittää antennin syöttöpisteen (401).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen antenni, tunnettu siitä, että kierroksen B nousu (x2) on pienempi kuin kierroksen A nousu (xl), jolloin lieriökelajohtimen kierrosten nousu pienenee syöttöpisteestä (401) poispäin. 20

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että sen ensimmäinen resonanssitaajuuskaista on oleellisesti sama kuin tietty ensimmäinen solukkoradio- • '·· järjestelmän toimintataajuuskaista ja toinen resonanssitaajuuskaista on oleellisesti ’ · .: sama kuin tietty toinen solukkoradiojärjestelmän toimintataajuuskaista. 25 • j. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että se käsittää liitos- • * t · :·. osan (602) ja siinä lieriömäisen syvennyksen, johon lieriökelajohtimen (601) en- , ·: ·, simmäinen pää on sovitettu. • I ·

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen antenni, tunnettu siitä, että lieriökelajohti- > · · men (601) ensimmäinen pää käsittää tukikierteen (605) lieriömäiseen liitososan sy- · ' * vennykseen sovittamista varten. * · * ·» * M i · » * » > I t 9 111884