FI113218B - Säädettävä antenni - Google Patents

Description

113218 Säädettävä antenni

Keksintö koskee erityisesti matkaviestimiin sopivaa antennirakennetta, jonka sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa sähköisesti.

Antennirakenteen muunneltavuus on suotava ominaisuus viestimissä, joiden on tar-5 koitus toimia useammassa kuin yhdessä radiojärjestelmässä. Tällaisia järjestelmiä ovat mm. AMPS (Advanced Mobile Phone System), GSM900 (Global System for Mobile telecommunications), DCS (Digital Cellular System), GSM 1800, GSM1900, WCDMA (wideband code division multiple access) ja UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Antenni voidaan konstruoida siten, että 10 sillä on kaksi erillistä toimintakaistaa, jotka peittävät eri järjestelmien käyttämät taajuusalueet, tai siten, että sillä on suhteellisen leveä yhtenäinen toimintakaista, joka peittää ainakin kahden järjestelmän käyttämät taajuusalueet. Tällöin on kuitenkin vaarana, että antennin ominaisuudet esimerkiksi leveän toimintakaistan jossain osassa ovat epätyydyttävät. Haitalta vältytään, jos antennin resonanssitaajuutta voi-15 daan siirtää sähköisesti siten, että toimintakaista asettuu sen järjestelmän käyttämälle taajuusalueelle, jonka mukaisesti kulloinkin toimitaan.

Ennestään tunnetaan antennin sähköinen säätötapa, jossa elektronisten kytkimien avulla voidaan muuttaa esimerkiksi monopoliantenniin liitettyjen kondensaattorien tai kelojen muodostamaa reaktanssia. Reaktanssin muuttuessa muuttuu myös anten- 20 nin sähköinen pituus ja resonanssitaajuus. Haittana tässä on, että järjestely vaatii li- ' säkomponentteja.

• * ·'. Julkaisusta JP 8242118 tunnetaan kuvan 1 mukainen ratkaisu. Siinä on tasomainen * · · * » * * '··. säteilevä elementti 110, jonka kullakin sivulla on kaksi elementin reunasta sen kes- kialueelle suuntautuvaa halkioita, kuten halkiot lilja 112. Kuhunkin halkioon liit-..._ 25 tyy elektroninen kytkin, joka johtavana ollessaan oikosulkee kyseisen halkion tie tystä kohtaa. Esimerkiksi kytkimellä SW1 voidaan oikosulkea halkio 111 suhteellisen läheltä tämän suuta ja kytkimellä SW2 voidaan oikosulkea halkio 112 suunnil- ’ ' leen tämän keskeltä. Jonkin kytkimen tilan vaihtaminen muuttaa säteilevän elemen- • · » tin sähköisiä mittoja ja siten sen resonanssitaajuutta. Kullakin kytkimellä on erilli- :v. 30 nen ohjaus, kuten kytkimen SW1 ohjaus Cl, joten antennia voidaan säätää suhteel- ,···. lisen pienin portain. Ratkaisun haittana on kytkinkomponenttien määrästä ja asen- * · ’ i * nuksesta aiheutuva kustannuslisä.

* * * * t · » : Keksinnön tarkoituksena on toteuttaa antennin sähköinen säätö uudella, mainittuja

* I

tekniikan tasoon liittyviä haittoja vähentävällä tavalla.

2 113218

Keksinnön mukaiselle antennirakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antennin säteilevä elementti tai osa siitä val-5 mistetaan voimakkaasti magnetostriktiivisestä materiaalista. Antenni varustetaan ainakin yhdellä sähkömagneetilla, jonka avulla magnetostriktiiviseen materiaaliin voidaan kohdistaa magneettikenttä. Kun näin tehdään, säteilevä elementti kasvaa tietyssä suunnassa, jolloin antennin resonanssitaajuus pienenee. Resonanssitaajuu-den säätö voidaan toteuttaa kaksiasentoisena tai jatkuvana.

10 Keksinnön etuna on, että sen mukaista antennia voidaan säätää sähköisesti tarvitsematta lisätä itse antenniin yhtään komponenttia. Tästä seuraa se lisäetu, että säätö on luotettava, koska komponentti- ja kytkentävikoja ei voi esiintyä laitetta käytettäessä. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukaisen antennin tuotantokustannukset ovat pienemmät verrattuna tekniikan tason mukaisiin säädettäviin 15 antenneihin.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta säädettävästä antennira-kenteesta, * · * i i

• * I

20 kuvat 2a,b esittävät esimerkkiä keksinnön mukaisesta säädettävästä antenniraken- , , teestä, * « · ,·’·,* kuva 3 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta säädettävästä antenni- • · rakenteesta, » * * * * .···, kuva 4 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta säädettävästä antenni- t»» 25 rakenteesta, •: · · · kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta laitteesta.

} Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

» · · k k » » ;'": Kuvissa 2 a ja b keksintöä on sovellettu monopoliantenniin. Antennirakenteeseen .;. 200, joka on esitetty halkileikkauksena, kuuluu toimintataajuudella neljännesaallon ;·\ 30 pituinen säteilevä monopolielementti 210 ja sähkömagneetin muodostava käämi • "· 220. Toiminnallisesti antennirakenteeseen kuuluu maatasona toimiva kyseisen radiolaitteen runko GND, johon säteilevä elementti 210 on kiinnitetty eriste- 3 113218 kappaleella 240. Säteilevä elementti kytkeytyy alapäästään radiolaitteen antenni-porttiin syöttöjohtimen 230 kautta. Rakenteen suojana on kuvassa katkoviivalla piirretty vaippa 250.

Lieriömäinen käämi 220 on kuvien 2a,b esimerkissä monopolielementin 210 ala-5 osan ympärillä. Kuvassa 2a käämin 220 virta I on nolla, jolloin käämi ei tietenkään aiheuta magneettikenttää. Monopolielementillä on tietty sähköinen pituus 1. Kuvassa 2b käämiin 220 on kytketty määrätyn suuruinen tasavirta 1|. Tasavirta aiheuttaa käämissä 220 magneettivuon ψ, jonka suurin osa kulkee monopolielementin kautta tämän pituussuunnassa ja kiertää sitten käämin ulkokautta muodostaen suljetun tien.

10 Monopolielementti 210 on edullisesti MSM (magnetically controlled shape mem-ory)-materiaalia. Se jakautuu elementin pituussuunnassa alkeiskerroksiin, joissa joka toisessa materiaalin sisäiset magneettimomentit ovat järjestyneet olennaisesti elementin pituussuuntaan eli elementin akselin suuntaan. Joka toisessa alkeiskerrok-sessa taas magneettimomentit ovat niinikään järjestyneet yhdensuuntaisesti, mutta 15 ne muodostavat merkittävän kulman elementin pituussuunnan suhteen. Jos ulkoista magneettivuota ψ vastaava magneettikentän voimakkuus on riittävän suuri, se kääntää jälkimmäisten alkeiskerrosten kiderakenteet niin, että magneettimomentit kautta koko elementin tulevat elementin akselin suuntaisiksi. Tämä merkitsee elementin pituuden kasvua, koska materiaalin sisäinen sik-sak-rakenne "oikenee" suoraksi. 20 Muutos voidaan järjestää myös vähittäiseksi lisäämällä ulkoisen magneettikentän ·;’ voimakkuutta vähitellen. Kun ulkoinen magneettikenttä poistetaan, materiaali palaa alkutilaansa, jolloin monopolielementti saa alkuperäisen pituutensa.

. Kuvassa 2b käämin 220 magneettikenttä on aiheuttanut monopolielementin säh köiseen pituuteen 1 lisäyksen ΔΙ. Suhteellinen lisäys Δ1/1 voi olla esimerkiksi 5 %.

:"; 25 Jos antenni on mitoitettu lepotilassa toimimaan esimerkiksi WCDMA-järjestel- mässä, niin runsaan viiden prosentin säätöalue riittää toimintakaistan siirtämiseksi GSM1900- tai GSM1800-järjestelmän alueelle. Vastaavasti voidaan siirtyä GSM900-järjestelmän alueelta AMPS-järjestelmän alueelle.

» t *

Kuvassa 3 keksintöä on sovellettu tasoantenniin. Antennirakenteeseen 300 kuuluu t 30 tasomainen säteilevä elementti 310 ja tämän suuntainen maataso GND. Antennin • ’·, syöttöjohdin 301 on kytketty säteilevän elementin erääseen pisteeseen F. Säteilevä ·’ elementti on myös kytketty eräästä pisteestään S maatasoon oikosulku) ohtimel la « 302, joten antenni on PIFA (planar inverted F-antenna)-tyyppinen. Säteilevä ele-

* I

. i mentti on tuettu maatasoon eristekappaleilla, kuten kappale 305. Tässä esimerkissä 35 rakenteeseen kuuluu lisäksi kaksi lieriökäämien muodostamaa sähkömagneettia 321 4 113218 ja 322. Nämä sijaitsevat lähietäisyydellä säteilevästä tasosta, tämän alapuolella ja vastakkaisilla reunoilla. "Lähietäisyys" tarkoittaa tässä ja patenttivaatimuksissa välimatkaa, joka on pienempi kuin säteilevän tason ja maatason välimatka. Kun mainittuihin käämeihin kytketään tasavirta, osa kummankin käämin magneettivuosta ψ 5 kulkee säteilevän tason 310 kautta olennaisesti samansuuntaisesti. Säteilevä taso on tässäkin tapauksessa valmistettu MSM-materiaalista, ja siten, että magneettikentän aiheuttama muodonmuutos pääsee tapahtumaan sähkömagneettien 321 ja 322 pituussuunnassa. Tällöin sähkömagneettien ohjausvirralla voidaan muuttaa säteilevän tasoelementin dimensiota yhdessä suunnassa ja siten elementin resonanssitaajuutta. 10 Sähkömagneettien lukumäärä voi luonnollisesti vaihdella; niitä voi olla useampiakin kuin kaksi.

Kuvassa 4 keksintöä on sovellettu kaksikaistaiseen tasoantenniin. Varsinainen an-tennirakenne 400 on samanlainen kuin kuvan 3 rakenne sillä erolla, että nyt säteilevässä tasoelementissä 410 on reunasta alkava suorakulmaisen J:n muotoinen rako 15 415 siten, että taso jakautuu antennin syöttöpisteestä F katsottuna kahteen haaraan.

Näistä ensimmäinen haara B1 kiertää tasoelementin reunoja pitkin ja on selvästi pitempi kuin tasoelementin keskialueella oleva toinen haara B2. Antenni on siten kaksikaistainen. Sähkömagneetti 420 on tässä esimerkissä litteä käämi, joka on sijoitettu toisen haaran B2 päälle. Käämitys on tehty niin päin, että sen virran ai-20 heuttama magneettivuo ψ kulkee käämin sisällä sekä tasoelementissä 410 poi-kittaissuunnassa toisen haaran pituusakseliin nähden. MSM-materiaalista valmis-. : : tetun tasoelementin pituuden muutoksen suunta on edellä mainittu poikittaissuunta; *;··· se poikkeaa siis 90 astetta kuvan 3 vastaavan elementin pituuden muutoksen f : ‘; suunnasta. Kun toinen haara B2 kasvaa poikittaissuunnassaan, sen molemmilla si- 25 vuilla olevat raon 415 osat kapenevat. Tällöin ensimmäisen ja toisen haaran välinen sähkömagneettinen kytkentä voimistuu. Tästä taas seuraa haarojen sähköisten pi-... tuuksien kasvuja resonanssitaajuuksien pieneneminen.

Sähkömagneetti 420 voitaisiin sijoittaa myös raon 415 päälle. Sähkömagneetteja •: · ·: voisi tässäkin tapauksessa olla useampia. Edelleen ne voisivat sijaita tasoelementin •' ‘: 30 ja maatason välisessä tilassa.

j *.: Kuvassa 5 on matkaviestin MS, jossa on keksinnön mukainen säädettävä antenni- : ” rakenne 500.

Edellä on kuvattu keksinnön mukaisia antennirakenteita. Antennirakenne voi luon- » * » • nollisesti poiketa suurestikin esitetyistä. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri 35 tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

Claims (8)

113218

1. Antennirakenne (200; 300; 400), joka käsittää ainakin yhden säteilevän elementin ja välineet antennirakenteen sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi sähköisesti, tunnettu siitä, että 5. säteilevä elementti (210; 310; 410) on ainakin osaksi magnetostriktiivistä materiaalia ja - mainitut välineet antennirakenteen sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi käsittävät ainakin yhden sähkömagneetin (220; 321, 322; 420), joka on jäljestetty kohdistamaan magneettikenttä (ψ) säteilevän elementin magnetostriktiiviseen materiaaliin sä-10 teilevän elementin j onkin dimension suurentamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että sen muutettava sähköinen ominaisuus on resonanssitaajuus.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu magnetostriktiivinen materiaali on MSM-materiaalia.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu sä teilevä elementti on monopolielementti (210) ja mainittu sähkömagneetti on mo-nopolielementin ympärillä oleva käämi (220).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu sä- ·' * teilevä elementti on tasoelementti (310; 410) ja mainittu sähkömagneetti on lähietäi- ’ * · 20 syydellä tasoelementistä oleva käämi (322; 420).

• » . * · -. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainitussa • * , ’ ’ ’; tasoelementissä (410) on ainakin kaksi haaraa ja mainittu sähkömagneetti (420) on jär jestetty muuttamaan mainittujen haarojen välistä sähkömagneettista kytkentää.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittuja ; ’ ·.! 25 sähkömagneetteja on ainakin kaksi.

'; ’ 8. Radiolaite (MS), joka käsittää antennin, johon kuuluu ainakin yksi säteilevä ele- i ' · mentti ja välineet antennin sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi sähköisesti, tun- : ’ : nettu siitä, että säteilevä elementti on ainakin osaksi magnetostriktiivistä materiaalia ja mainitut välineet antennin (500) sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi käsittävät 30 ainakin yhden sähkömagneetin, joka on järjestetty kohdistamaan magneettikenttä säteilevän elementin magnetostriktiiviseen materiaaliin säteilevän elementin jonkin dimension suurentamiseksi. 113218