FI112983B - Antenni - Google Patents

Description

112983 5

Antenni

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty, erityisesti kahdella taajuusalueella toimiviin matkaviestimiin soveltuva antennirakenne.

Matkaviestintekniikan kehittyminen on tuonut ja tuo markkinoille uusia, monipuolisia malleja, joissa käytettäville antenneille asetetaan uusia vaatimuksia: Antennin on esimerkiksi toimittava kahdella taajuusalueella, kuten 900 MHz:n ja 1,8 GHz:n alueilla, kaistanleveyksien on oltava suhteellisen suuret, säteily- ja vastaanotto-omi-10 naisuuksien on oltava kohtalaisen hyvät laitteen ja antennin eri asennoissa ja eri sijainneissa ulkoisiin kappaleisiin nähden, ja antennin on silti oltava suhteellisen pieni ja kompakti.

Kuvassa 1 on esitetty ennestään tunnettuja kahdella taajuusalueella toimivia anten-15 nirakenteita.

1) Heliksiin perustuvat rakenteet - Kaksoisheliksi: Kaksi eri taajuuksilla resonanssissa olevaa kierre-elementtiä 101 ja 102 sijoitetaan sisäkkäin, lomittain tai päällekkäin. Elementtejä syötetään yhdessä tai erikseen.

'20 - Heliksi ja monopoli: Kierre-elementin 103 sisälle sijoitetaan eri taajuudella reso- : V: nanssissa oleva sauvaelementti 104. Elementtejä syötetään yhdessä tai erikseen.

·:· Heliksiin perustuvien rakenteiden haittoina ovat suhteellisen suuret valmistuskus- .:. tannukset ja ominaisuuksien selvä huononeminen sijoitettaessa tai käännettäessä : ·. antenni laitteen rungon viereen.

’ · 25 2) Mikroliuskarakenteet - Kaksoisliuska: Eristelevyn 108 pinnalla on säteilevä liuska 105, ja sisällä eri taajuudella resonanssissa oleva toinen liuska 106. Syöttö tapahtuu esimerkiksi liuskaan 105, ja liuska 106 on parasiittinen. Levyn 108 toisella pinnalla on maataso 107.

- Liuska ja siirtojohto: Eristelevyn 111 pinnalla on liuska 109 ja oikosuljetun siirto- : ’·· 30 johdon osana toimiva liuska 110. Siirtojohto on mitoitettu niin, että se säteilee toi sella halutuista taajuuksista.

. ·. : Edellä esitettyjen, ja muiden vastaavien mikroliuskarakenteiden haittana on suhteel- . ’,. ’ lisen pienet kaistanleveydet. Asiaa voidaan auttaa lisäämällä rakenteeseen parasiit- . . tisia elementtejä, mutta tällöin haitaksi tulee rakenteen suhteellisen suuri koko.

35 3) Pala-(chip-)rakenteet: Monoliittisen dielektrisen kappaleen 114 sisällä on kaksi ‘: esimerkiksi meander-kuvioista johdinta 112 ja 113, jotka säteilevät eri taajuuksilla.

Rakenteiden haittana on suhteellisen pienet kaistanleveydet.

112983 2

Edellä esitettyjen rakenteiden lisäksi on puoliaaltodipoliin perustuvia kaksikaista-antenneja. Niiden haittana on suhteellisen suuri koko.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. 5 Keksinnön mukaiselle antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Pienen eristelevyn, kuten piirilevyn toisella 10 puolella on säännöllisesti tai lähes säännöllisesti toistuva johdinkuvio, jonka toiseen päähän liittyy johto vastaanottoa ja antennin syöttöä varten. Levyn vastakkaisella puolella, tai sisällä on siten muotoiltu parasiittinen johdealue, että rakenteella on kaksi suhteellisen kaukana toisistaan olevaa resonanssitaajuutta.

15 Keksinnön etuna on, että kaistanleveydet kummallakin toiminta-alueella saadaan suuremmiksi kuin ennestään tunnetuissa rakenteissa. Tällä on merkitystä erityisesti silloin kun laitetta käytetään eri asennoissa, ja päästökaistat mm. tämän vuoksi jonkin verran siirtyvät. Lisäksi keksinnön etuna on, että antennin ollessa lyhyt ja litteä, se toisaalta voidaan kääntää suojattuun asentoon lähelle laitteen runkoa, ja sen säh- ..... 20 köiset ominaisuudet toisaalta säilyvät tällöin välttävinä, koska etäisyys laitteen run- ! : :'. gosta pysyy suhteellisen suurena. Edelleen keksinnön etuna on, että antennin litteän • * * muodon takia se voidaan matkapuhelimissa kiinnittää laitteen takaseinämään, jolloin .:. puhelimesta käyttäjän päähän absorboituva teho (SAR) jää mahdollisimman pie- :·. neksi. Edelleen keksinnön etuna on, että antennin kustannukset ovat suhteellisen ’ , · 25 pienet yksinkertaisen rakenteen vuoksi.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa : · 30 kuva 1 esittää tekniikan tason mukaisia kaksikaista-antenneja, : kuva 2 esittää tyypillistä keksinnön mukaista antennia, . ·, · kuva 3 esittää keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksia, ‘ kuva 4 esittää antennia matkaviestimeen asennettuna eri tilanteissa ja kuva 5 esittää eräitä variaatioita keksinnön mukaisesta antennista.

’·!."· 35 ·"· Kuvan 1 rakenteita selostettiin jo edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä. Ku vassa 2 on keksinnön mukainen rakenne, johon kuuluu dielektrinen levy 21, säteilevä elementti 22, joka on kiinnitetty antennin syöttöjohtoon 25, sekä säteilevä pa- 112983 3 rasiittielementti 23. Dielektrinen levy on tässä esimerkissä piirilevyn eristekerros. Elementti 22 on levyn 21 toiselle pinnalle esimerkiksi syövyttämällä muodostettu suorakulmainen meander-tyyppinen johdinkuvio. Meander tarkoittaa tässä yhtenäistä viivaa ilman haarautumiskohtia, jossa toistuu peräkkäin samassa suunnassa 5 tietty perusmuoto tai tämän muunnelma, tai erilaisia perusmuotoja. Esimerkkejä meander-kuvioista on kuvassa 5. Elementtiä 22 sanotaan jatkossa meanderelemen-tiksi. Parasiittielementti tarkoittaa johdetta, joka on galvaanisesti erotettu jäijestel-män muista johteista, mutta jolla on sähkömagneettinen kytkentä niihin. Tässä esimerkissä parasiittielementti 23 on levyn 21 meanderelementtiin verrattuna vastak-10 kaiselle pinnalle syövyttämällä muodostettu johdealue, joka kytkeytyy meanderelementtiin sähkömagneettisesti. Kuvaan 2 on myös merkitty antennin ominaisuuksiin vaikuttavien mittojen symbolit: piirilevyn eristekerroksen paksuus d, meanderele-mentin 22 korkeus h, meanderelementin leveys w, meanderelementissä toistuvan kuvion korkeus s, meanderelementin johtimen leveys wj, parasiittielementin 23 kor-15 keus hp, parasiittielementin leveys Wp, meander- ja parasiittielementin korkeusero ei+e2, josta ej on rakenteen yläpäässä ja e2 alapäässä. Korkeussuunnalla tässä ja erityisesti patenttivaatimuksissa tarkoitetaan meanderelementin suuremman ulottuvuuden h suuntaa.

20 Kuvan 2 rakenteella on kaksi resonanssitaajuutta, joista alempi määräytyy pääasi-:,:. assa meanderelementistä 22, ja ylempi pääasiassa parasiittielementistä 23. Elementit :* luonnollisesti vaikuttavat toisiinsa ja siten molempiin resonanssitaajuuksiin. Raken- ·:· teelle on ominaista, että resonanssitaajuudet ovat suhteellisen kaukana toisistaan; • *., toinen voidaan järjestää esimerkiksi GSM-verkon käyttämälle taajuusalueelle ja toi- . ·. ·. 25 nen PCN-verkon tai satelliittipuhelimien käyttämälle alueelle. Erityisesti rakenteelle on ominaista, että kaistanleveys sekä alemmalla että ylemmällä toiminta-alueella on suhteellisen suuri. Tasomainen parasiittielementti nimittäin aiheuttaa leveän ylemmän kaistan ja myös vaikuttaa alempaa kaistaa leventävästi. Kaistanleveyksiä voidaan mitoituksella virittää. Haluttaessa esimerkiksi ylemmän kaistan leveys mah- • ' 30 dollisimman suureksi, parasiittielementti tulee mitoittaa leveäksi ja se tulee sijoittaa :.: alas niin että mitta ei on suhteellisen suuri. Kaistanleveydet saadaan resonanssitaa- juuksien muuttumatta suuremmiksi myös harventamalla meander-kuviota eli suuren-.... · tamalla mittaa s, ja suurentamalla samalla säteilevien elementtien korkeuksia h ja • · hp. Kaistanleveyksien ja antennin koon välillä joudutaan siten tekemään kompro- ’ .. 35 missi. Antennin mittojen lisäksi sen ominaisuuksiin vaikuttaa myös meander- ja pa- ‘' · rasiittielementtien välinen aine: Eristelevyn dielektrisyyskertoimen kasvaessa ylempi resonanssitaajuus pienenee.

112983 4 I Antennin kaistaominaisuuksia tutkitaan usein mittaamalla sen paluuvaimennus Ar taajuuden funktiona. Paluuvaimennus tarkoittaa antenniin syötetyn ja sieltä palaavan energian suhdetta. Se on heijastuskertoimen eli parametrin su itseisarvon neliön käänteisarvo. Mitä suurempi paluuvaimennus on, sitä suurempi osa antenniin syöte-5 tystä energiasta säteilee ympäristöön eli sitä paremmin antenni toimii. Ideaalitapauksessa paluuvaimennus on siis ääretön. Kun paluuvaimennus on yksi eli 0 dB, antenni ei säteile lainkaan; kaikki siihen syötetty energia palaa takaisin syöttävään lähteeseen. Antennin vastaanotto-ominaisuudet seuraavat lähetysominaisuuksia: Mitä tehokkaammin antenni lähettää tietyllä taajuudella ja tiettyyn suuntaan, sitä telo hokkaammin se myös vastaanottaa ko. taajuudella ko. suunnasta. Antennin kaistanleveys voidaan määritellä eri tavoin: Se voi tarkoittaa niiden taajuuksien erotusta, joilla paluuvaimennus on pienentynyt 3 dB parhaasta- eli maksimiarvostaan. Usein kaistanleveytenä pidetään niiden taajuuksien erotusta, joilla paluuvaimennuksen arvo on 10 dB eli 10. Tämä vastaa seisovan aallon suhteen SWR arvoa 2.

15

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin paluuvaimennuksen Ar vaihtelusta taajuuden funktiona eri käyttötilanteissa. Mittaustulos on saatu seuraavilla antennin mitoilla: h=29,3mm, w=5,4mm, hp=24,4mm, Wp=5,4mm, e]=4,2mm, e2=0mm, s=l,6mm, wi=0,5mm ja d=0,76mm. Piirilevyn dielektrisyyskerroin ε 20 r=2,5. Mittausalue kuvassa 3 on 800 MHz - 2,2 GHz. Ohut ehjä kuvaaja 31 vastaa ; :'. kuvan 4a tilannetta: Antenni on ylhäällä ja ylöspäin eikä viestimen lähellä ole muita esineitä. Paksu ehjä kuvaaja 32 vastaa kuvan 4b tilannetta: Viestimen vierellä on nyt ,: ihmispää. Pisteviivalla piirretty kuvaaja 33 vastaa kuvan 4c tilannetta: Antenni on · ’ ‘ ylhäällä, mutta vinossa asennossa kuten monitoimisessa matkaviestimessä normaali- \ . 25 käytön aikana. Pistekatkoviivalla piirretty kuvaaja 34 vastaa kuvan 4d tilannetta:

Antenni on käännetty suoja-asentoon viestimen kuoren viereen. Seuraavassa kaistan rajoina pidetään taajuuksia, joilla paluuvaimennus on 8 dB = 6,3 (SWR~2,3), paitsi käännetyn antennin tapauksessa 34, jossa kaistanleveys määritetään -3 dB:n pisteiden perusteella. Kuvaajasta 31 ilmenee, että viestimen ollessa vapaassa tilassa : '·· 30 alempi kaista on noin 900 - 975 MHz ja ylempi kaista on noin 1670 - 1940 MHz.

: ί' Kuvaajasta 32 ilmenee, että normaalissa puhelutilanteessa alempi kaista on noin 880 - 975 MHz ja ylempi kaista noin 1630 - 1920 MHz. Kuvaajasta 33 ilmenee, että * « monitoimisen matkaviestimen käyttöasennossa alempi kaista on noin 885 - 975 . ! MHz ja ylempi kaista noin 1690 - 2100 MHz. Kuvaajasta 34 ilmenee, että antennin 35 ollessa käännettynä alempi kaista on noin 845 - 955 MHz ja ylempi kaista noin 1625 - 1890 MHz. Havaitaan, että kaistojen sijainti ja leveys riippuu antennin asennosta ja ympäristöstä, mutta kaikissa tapauksissa kaistat peittävät GSM- ja PCN-verkkojen käyttämät alueet. Antennin ollessa käännetyssä asennossa keskimääräinen 112983 5 paluuvaimennus päästökaistoilla on luokkaa 10 dB pienempi kuin normaalissa asennossa. Lähetysteho on tällöin tietenkin pienempi, mutta kuitenkin vielä useimmissa tapauksissa riittävä.

5 Edellä on selostettu erästä keksinnön mukaista antennirakennetta ja sen ominaisuuksia. Keksintö ei rajoitu juuri kuvattuihin ratkaisuihin. Esimerkiksi säteilevien elementtien muodot ja lukumäärä voivat vaihdella. Kuvassa 5 on esimerkkejä mahdollisista muunnelmista. Kuvassa 5a meanderelementti koostuu suorista osuuksista kuten kuvassa 2, mutta johdinosuuksien väliset kulmat poikkeavat suorasta kulmas-10 ta. Lisäksi kuvion leveys kasvaa alaspäin mentäessä. Kuvassa 5b meanderelementti koostuu suorista osuuksista, mutta nämä muodostavat kolmioaaltokuvion. Parasiit-tielementti on tässä esimerkissä suorakulmion sijasta ellipsin muotoinen. Kuvassa 5c meanderelementti koostuu ympyränkaarista ja janoista. Parasiittielementtiin on muodostettu rako 51, joka säteilee tietyllä kolmannella taajuusalueella. Tällainen 15 antenni voidaan siten mitoittaa toimimaan kolmen jägestelmän käyttämillä taajuusalueilla. Samaa tarkoitusta varten on kuvassa 5d toinen parasiittinen elementti 52 samalla puolella piirilevyä kuin syötettävä johdin eli meanderelementti. Myös die-lektrisen levyn materiaali voi vaihdella: Se voi olla piirilevyissä käytettyjen lisäksi esimerkiksi teflon tai jokin muovi. Säteilevät elementit voidaan muodostaa dielektri-i : ‘ 20 sen levyn pintaan muutenkin kuin syövyttämällä tai työstämällä piirilevyn johdepin- j v, toja: Johtavaa materiaalia voidaan esimerkiksi höyrystämällä tai silkkipainomene- ;;· telmällä kerryttää dielektrisen levyn pinnalle. Keksinnöllistä ajatusta voidaan sovel- * 1 taa lukuisilla, patenttivaatimusten rajaamilla tavoilla.

» 1 1 · t · * I · • · • t * » 1 * · · ·

Claims (9)

112983

1. Antenni, jolla on ensimmäinen toimintataajuuskaista ja toinen toimintataa-juuskaista, ja joka antenni käsittää sen syöttöjohtoon liitettävän ensimmäisen elementin (22) ja ainakin yhden parasiittielementin (23), jolloin toisen toiminta-5 taajuuskaistan taajuus on korkeampi kuin ensimmäisen, mainittu ensimmäinen elementti (22) on meanderelementti, meander- ja parasiittielementtien (22, 23) tukirakenteena on dielektrinen levy (21), on tunnettu siitä, että - mainittu parasiittielementti (23) on tasomainen johdealue ja mainittu parasiitti-elementti on sovitettu leventämään ainakin mainittua toista toimintataajuuskaistaa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainitun mean- derelementin johdinkuvion leveys (w) on eräässä ensimmäisessä korkeussuunnan kohdassa eri suuri kuin eräässä toisessa korkeussuunnan kohdassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että parasiittielementin (23) korkeus (hp) on pienempi kuin meanderelementin (22) korkeus (h).

4. Patenttivaatimusten 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että parasiittielemen tin (23) leveys (wp) on eräässä ensimmäisessä korkeussuunnan kohdassa eri suuri kuin eräässä toisessa korkeussuunnan kohdassa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että dielektrinen levy (21) on piirilevyn eristeosa. » ·

6. Patenttivaatimusten 1 ja 5 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että meanderele- : · mentti (22) on johdealue mainitun piirilevyn ensimmäisellä pinnalla ja parasiittiele- ,, mentti (23) on johdealue mainitun piirilevyn toisella, vastakkaisella pinnalla.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että parasiittielemen-tissä (23) on säteilevä rako (51). : ': 25 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, johon kuuluu ensimmäinen parasiit- . , tielementti ja toinen parasiittielementti (52), tunnettu siitä, että mainittu toinen pa- ‘; ': rasiittielementti (52) on johdealue samalla puolella dielektristä levyä kuin meander- ' elementti.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu para- ' » 30 siittinen elementti on lähempänä meanderelementin syöttöpäätä kuin meanderelementin toista päätä toisen toimintataajuuskaistan leventämiseksi. 7 11/983