FI112981B

FI112981B - Monitaajuusantenni

Info

Publication number: FI112981B
Application number: FI991569A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Jyrki Mikkola
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2004-02-13
Also published as: US6518925B1; EP1067628B1; FI991569A; ATE297600T1; DE60020643D1; EP1067628A3; EP1067628A2; DE60020643T2

Description

)

S

ί f \ i f 112981

Monitaa j uusantenni

Keksintö koskee piiska-antennirakennetta, jolla on ainakin kaksi toimintataajuus-aluetta.

5 Maailmassa on käytössä useita eri solukkoviestinjärjestelmiä, joiden toimintataa-juusalueet poikkeavat merkittävästi toisistaan. Digitaalisista solukkoviestinjärjestel-mistä esimerkiksi GSM (Global System for Mobile telecommunications) käyttää taajuuksia 890-960 Mhz ja DCS (Digital Cellular System)-1800 taas toimii 1800 MHz:n alueella. Japanissa käytössä oleva JDC:n (Japanise Digital Cellular) toimii 10 800 ja 1500 MHz:n alueella. PCN (Personal Communication Network) toimii taa juusalueella 1710-1880 MHz ja PCS (Personal Communication System) taajuusalueella 1850-1990 MHz. Eurooppalaisen DECT-puhelinjäijestelmän (Digital European Cordless Telephone) toimintataajuudet ovat 1880-1900 MHz. Uusien kolmannen sukupolven solukkojärjestelmien, kuten UMTS (Universal Mobile Communication ί 15 System), aikana valjastetaan käyttöön uusia yli 2000 MHz:n taajuuksia. Käyttäjän kannalta olisi toivottavaa, että hän pystyisi käyttämään näissä verkoissa niin halutessaan samaa ’’peruspuhelinta”. Ensimmäinen ehto tälle on, että viestimen antenni toimii suhteellisen tehokkaasti useamman kuin yhden verkon taajuusalueella.

Matkaviestimissä käytetään useanlaisia antennirakenteita, kuten esimerkiksi piiska-20 antenneja, lieriökela- eli heliksiantenneja, PIFA-antenneja (Planar Inverted F-Antenna). Antennien kulloinenkin resonanssitaajuus määräytyy sen sähköisen pituuden perusteella, joka edullisesti on esimerkiksi λ/2, 3λ/8, 5λ/8 tai λ/4, missä λ on ·;·, kulloinkin käytössä oleva aallonpituus. Siten samallakin perusantennilla on periaat- ' . teessä useita käyttökelpoisia taajuusalueita. Haittana kuitenkin on, että nämä taa- 25 juusalueet harvoin sattuvat kahden halutun verkon käyttämille alueille. Tunnetaan • · * *··*· ; myös erilaisia yhdistettyjä antenneja, jotka kykenevät toimimaan kahdella taajuus-

Hill • ’ alueella, kuten esimerkiksi heliksi- ja piiska-antennin yhdistelmä sekä PIFA- ja piis- v · ka-antennin yhdistelmä. Näissä ratkaisuissa piiska-antenni toimii ulosvedettynä (: : alemmalla toimintataajuudella ja antennirakenteen toinen osa ylemmällä toiminta- 30 taajuudella. Heliksi-piiska-yhdistelmän haittana on heliksi-osan aiheuttama epäkäy- tännöllinen uloke viestimen ollessa esimerkiksi taskussa. PIFA-piiska-yhdistelmän haittana on, että käyttäjä voi omalla kädellään peittää lähes kokonaan matkapuhelimen kuoren sisällä olevan PIFA-antennin, jonka toiminta heikkenee tällöin huomat-'· " tavasti.

• · * • 44 112981 2 Tämän keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tason mukaisia kaksitaajuusantennien haittoja.

Keksinnön mukaiselle antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa 5 patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Piiska-antennin kohtaan, jossa esiintyy jännite-maksimi antennin perusresonanssitaajuuden jollain harmonisella taajuudella, lisätään dielektrinen kappale, jonka permittiivisyys on suhteellisen suuri. Dielektrinen väliaine aiheuttaa kyseisen harmonisen taajuuden siirtymisen alaspäin. Järjestely 10 tehdään niin, että piiska-antennin perusresonanssitaajuus sattuu yhden verkon toi-mintataajuusalueelle ja kyseinen harmoninen taajuus halutun toisen verkon toiminta-taajuusalueelle. Rakenne voi lisäksi käsittää PIFA-antennin, joka toimii vastaavilla järjestelmien mukaisilla toimintataajuusalueilla.

Keksinnön etuna on, että yksittäistä piiska-antennia voidaan käyttää kahdella halu-! 15 tulla toimintataajuudella antennin ollessa ulosvedettynä. Lisäksi keksinnön etuna on, että käytettäessä sen mukaista piiska-antennia yhdessä PIFA-antennin kanssa, käyttäjän käden mahdollisesti aiheuttama PIFA:n toiminnan heikentyminen ei olennaisesti heikennä yhteyttä, koska myös piiska toimii PIFArn toimintataajuusalueella. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukaisen rakenteen valmistuskustannukset 20 ovat suhteellisen pienet.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa v * kuva 1 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta järjestelystä, johon kuuluu yksi '·,·.· dielektrinen osa piiska-antennissa, ’ " I 25 kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta järjestelystä, johon kuuluu kaksi dielektristä osaa piiska-antennissa, : : : kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta piiska-antennin ja PIFA-anten nin yhdistelmästä, kuva 4 esittää esimerkkiä tavallisen piiska-antennin heijastusvaimennuksesta ' * 30 taajuuden funktiona ja ‘. kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen piiska-antennin heijastusvai-men- nuksesta taajuuden funktiona.

• · · ♦ 112981 3

Kuvassa 1 on esimerkki keksinnön mukaisesta piiska-antennijärjestelystä. Siinä on matkaviestin 11 ja tämän ulosvedetty piiska-antenni 12, joka on neljännesaaltoan-tenni. Piiska-antennin ympärille kohtaan, jossa sijaitsee alkuperäisen mitoituksen mukaan ensimmäisen harmonisen taajuuden jännitemaksimi, on asennettu lieriören-5 kaan muotoinen dielektrinen kappale 13. Tällöin antennin sähköinen pituus kasvaa kyseisellä harmonisella taajuudella, minkä seurauksena harmoninen resonanssitaa-juus pienenee siitä, mitä se olisi ilman dielektristä kappaletta. Valitsemalla dielektri-sen kappaleen permittiviisyys ja mitat, voidaan antennin harmonista resonanssitaa-juutta vastaava toiminta-alue sijoittaa haluttuun kohtaan taajuusasteikolla.

10 Se, kuinka paljon jonkin harmonisen taajuus muuttuu, on suoraan verrannollinen käytetyn dielektrisen kappaleen 13 permittiivisyyteen. Mitä suurempi on sen die-lektrisyyskerroin εΓ, sitä suurempi on harmonisen taajuuden muutos. Jos kuvassa 1 kappaleen 13 antennin akselin suuntainen pituus on esimerkiksi 10 mm ja seinämän paksuus esimerkiksi 1 mm, saatetaan käytännössä tarvita materiaali, jonka dielektri-15 syyskerroin εΓ on useita kymmeniä. Sellaisia kertoimen εΓ arvoja on mahdollista saavuttaa erilaisilla keraamisilla materiaaleilla. Niiden haittana on kuitenkin, että ne ovat verraten jäykkiä ja hauraita. Kaupallisilla muovimateriaaleilla, jotka joustavuutensa puolesta olisivat sopivia piiska-antennin ympärille, kerroin εΓ on luokkaa 10. Tämä arvo ei käytännössä ole riittävä, jos dielektrisiä kappaleita on kuvan 1 mukai-20 sesti yksi.

Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta piiska-antennijärjestelystä, jossa die-lektrisenä materiaalina voidaan käyttää muovia, vaikka harmonisen taajuuden siirto-tarve olisi suhteellisen suurikin. Kuvassa 2 on matkaviestin 21 ja tämän ulosvedetty piiska-antenni 22, joka nytkin on neljännesaaltoantenni. Piiska-antennin ympärille v : 25 kohtaan, jossa sijaitsee alkuperäisen mitoituksen mukaan ensimmäisen harmonisen : ; _: taajuuden jännitemaksimi, on asennettu lieriörenkaan muotoinen dielektrinen kappa- * , ’: le 23. Piiska-antennin ulompaan päähän on asennettu toinen dielektrinen kappale 24.

; : Ensimmäinen dielektrinen kappale 23 on mitoitettu niin, että jännitemaksimi sen ai- •. heuttamalla kertaalleen muuttuneella harmonisella taajuudella sattuu piiska-antennin 30 kärkeen. Sijoittamalla tähän kärkipisteeseen toinen dielektrinen kappale 24, saadaan kyseistä harmonista taajuutta edelleen pienennetyksi. Kuvan 2 mukaisella rakenteella dielektriseltä kappaleilta 23, 24 vaadittava εΓ ei ole niin suuri kuin kuvan 1 mukaisella rakenteella. Tässä edullisessa suoritusmuodossa voidaan käyttää nykyään ’ ’ saatavilla olevia kaupallisia muovilaatuja.

35 Edellä kuvattua menettelyä voidaan myös jatkaa keksinnön mukaisesti siten, että ·;· kahden dielektrisen kappaleen sijoituksen jälkeen haetaan vielä uusi jännitemaksi- , · * 112981 4 min kohta, johon sijoitetaan kolmas dielektrinen kappale. Näin voidaan periaatteessa edelleen jatkaa, kunnes halutut toimintataajuudet on saavutettu.

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta piiska- ja PIFA-antennin yhdistämisestä. Järjestelyyn kuuluu yhdellä tai useammalla taajuudella toimiva PIFA-antenni 5 34, piiska-antenni 32 sekä tämän ympärillä dielektrinen kappale 33. Kappale 33 on kiinteästi asennettu. Piiska-antenni voi olla kiinteästi paikoilleen asennettu tai se voi olla kyseisen viestimen sisään työnnettävä, jolloin piiska-antennilla on ensimmäinen ja toinen ääriasento. Jos liikuteltava piiska on sisääntyönnettynä, viestimen antennina toimii pelkästään PIFA-antenni 34. Kun piiska-antenni on ulosvedettynä, dielekt-10 rinen kappale 33 on sellaisessa kohtaa piiska-antennia, että tämän harmoninen reso-nanssitaajuus saa halutun arvon kuvan 1 selostuksen mukaisesti. Piiska-antenni toimii tällöin kahdella halutulla taajuusalueella, jotka ovat edullisesti samat kuin PIFA-antennin toimintataajuusalueet. Tällä tavoin voidaan keksinnön mukaisella piiska-antennilla parantaa matkapuhelimen antennin toimintaa varsinkin heikoissa ja häiri-15 öllisissä olosuhteissa, joissa varsinaisen PIFA-antennin suorituskyky ei enää ole riittävä. Myös käyttäjän käden heikentävä vaikutus antennin toimintaan vähenee.

Dielektrinen kappale 34 on voidaan sijoittaa joko PIFA-antennin säteilevän elementin alle, kuten kuvassa 3, tai sen välittömään läheisyyteen. Koska kappale 34 on silloin matkaviestimen kuorien sisäpuolella, voidaan sen materiaalina käyttää jotain 20 keraamista ainetta, jonka kerroin εΓ on kyseiseen sovellukseen riittävän suuri. Kuvassa 3 näkyvä dielektrinen kappale 33, samoin kuin kuvien 1 ja 2 kappaleet 13, 23 ja 24 on esitetty selvyyden vuoksi paksumpina kuin piiska. Käytännössä ne kuitenkin toteutetaan siten, että niiden paksuus vastaa piiska-osan paksuutta.

. : . Kuvassa 4 on esimerkki tavallisen λ/4-pituisen piiska-antennin heijastusvaimennuk- , . 25 sesta taajuuden funktiona. Heijastusvaimennus Sll on pystyakselilla desibeleinä; , t sen muuttumisen osoittaa kuvaaja 41. Vaaka-akselin taajuusasteikko kattaa alueen ' 400-2900 MHz. Kuvassa esitetyissä mittapisteissä f] ja 1^ , jotka sijaitsevat analogi sen AMPS (advanced mobile phone service) -järjestelmän käyttämällä alueella 824-894 MHz, heijastusvaimennus saa arvot -8,4 dB ja -7,4 dB. Ne mahdollistavat an-, : 30 tennin käytön kyseisessä järjestelmässä. Toinen käyttökelpoinen taajuusalue anten nilla olisi kolminkertaisen perusresonanssitaajuuden ympäristössä taajuuden 2,7 . : *. GHz paikkeilla. Siitä ei kuitenkaan ole hyötyä. Esimerkiksi PCS-solukkoverkossa, Γ: jonka toimintataajuusalue on 1850-1990 MHz, että antenni olisi epäsovituksen vuoksi käyttökelvoton.

t * · * I · > * *

t « I

I I · 112981 5

Kuvassa 5 on erään kuvan 1 mukaisen λ/4-pituisen piiska-antennin heijastusvaimen-nus taajuuden funktiona kuvaajan 51 osoittamana. Myös kuvan 5 esimerkin piiska-antenni on mitoitettu alunperin toimimaan AMPS-solukkoverkossa. Antenniin on nyt lisätty keksinnön mukainen dielektrinen kappale siten, että antennin perustaa-5 juuden kolminkertaista taajuutta vastaava harmoninen on pienentynyt taajuuden 2 GHz paikkeille. Mittapisteissä 0 ja f4, jotka ovat PCS-verkon käyttämällä alueella, heijastusvaimennus saa arvot -3,6 dB ja -11,1 dB. Tämä merkitsee, että antenni toimii kelvollisesti melkein koko PCS-alueella. AMPS-verkon alueella toiminta on vähintään yhtä hyvä kuin kuvaa 4 vastaavalla antennilla; mittapisteissä fj ja f2 hei-10 j astusvaimennuksen arvoiksi on saatu -11,0 dB ja -7,6 dB.

Kuvien 4 ja 5 esittämien esimerkkien mukaisesti on toteutettavissa keksinnöllisen ajatuksen pohjalta piiska-antennirakenteita, joita voidaan käyttää muillakin kuin näissä kuvissa esitetyllä kahdella taajuusalueella.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei 15 rajoitu juuri kuvattuihin rekenteisiin. Esimerkiksi piiska-antennin kanssa voidaan käyttää myös muita antenniratkaisuja kuin yleisesti matkapuhelimissa käytettäviä PIFA-antenneja. Lisäksi keksinnön mukaisesti voidaan toteuttaa piiska-antenneja, jotka toimivat myös useammalla kuin kahdella toimintataajuusalueella. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla patenttivaatimusten asettamissa ra-20 joissa.

» 1 » · > 1 i I » t · · 1 , · • · ·

Claims

112981

1. Radiolaitteen antennirakenne radiosäteilyn lähettämiseksi ja vastaanottamiseksi ainakin kahdella taajuusalueella, joka antennirakenne käsittää piiska-antennin, tunnettu siitä, että mainitun piiska-antennin (12, 22, 32) yhteydessä on ainakin yksi 5 dielektrinen osa (13, 23, 24, 33) piiska-antennin sähköisen pituuden muuttamiseksi jollain sen perusresonanssitaajuuden harmonisella taajuudella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen piiska-antenni, tunnettu siitä, että sillä on kaksi toiminnallista ääriasentoa, joista ensimmäisessä se on olennaisen kokonaan ulosvedettynä ja toisessa ääriasennossa olennaisen kokonaan mainitun radiolaitteen 10 kuorien sisään työnnettynä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, jossa mainittuja dielektrisiä osia on yksi, tunnettu siitä, että kyseinen dielektrinen osa (13, 23, 33) on piiska-antennin ympärillä kohdassa, jossa on jännitemaksimi piiska-antennin perustoiminta-taajuuden ensimmäisellä harmonisella taajuudella.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, jossa mainittuja dielektrisiä osia on kaksi, tunnettu siitä, että ensimmäinen dielektrinen osa (23) on piiska-antennin (22) ympärillä radiolaitteen runkoon nähden kiinteästi asennettuna ja toinen dielektrinen osa (24) on asennettu piiska-antennin ulompaan päähän.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, 20 että mainitut dielektriset osat ovat materiaaliltaan muovia.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, , , että mainitut dielektriset osat ovat materiaaliltaan keräämiä. '· 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että se käsit- tää lisäksi PIFA-antennin. * • *

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu dielektrinen osa (33) on ainakin osaksi mainitun PIFA -antennin (34) säteilevän tason ja maatason välissä.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu dielekt-·.·; rinen osa sijaitsee PIFA -antennin ulkopuolella. I » * » * < · » » t · t t · 112981