FI113220B

FI113220B - Monikaista-antenni

Info

Publication number: FI113220B
Application number: FI20001387A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2004-03-15
Also published as: FI20001387A0; US20010050656A1; CN1213511C; EP1164657A1; CN1336700A; FI20001387A; US6473056B2

Description

113220

Monikaista-antenni

Keksintö koskee erityisesti matkaviestimiin sopivaa monikaistaista antenniraken-netta.

Kehitys matkaviestimissä on johtamassa usealla taajuusalueella toimiviin laitteisiin. 5 Aluksi matkapuhelimet toimivat kukin vain yhdellä taajuusalueella. Sitten tuli markkinoille kahdella taajuusalueella, kuten GSM900- ja GSM1800-järjestelmissä toimivia malleja. WCDMA (wideband code division multiple access)-tekniikan käyttöönotto ja GSM (global system for mobile communications)-tekniikan ulottaminen aiemmin NMT450-järjestelmän käyttämälle taajuusalueelle aiheuttavat 10 vielä useammalla kaistalla toimivien mallien valmistamista. Tämä merkitsee vastaavia lisävaatimuksia myös kyseisten viestimien antenneille.

Ennestään tunnetaan lukuisia ainakin kahdella taajuuskaistalla toimivia antenni-rakenteita. Rakenteessa on tavallisesti kaksi osaa, jotka on järjestetty resonoimaan eri taajuusalueilla. Osat voivat olla esimerkiksi erillisiä heliksielementtejä, heliksi ja 15 piiska, PIFA (planar inverted F-antenna)-tyyppisen antennin säteilevän tason haaroja tai meander- ja tasoelementtejä piirilevyn pinnalla. Tunnettua on myös järjestää yksittäisen antennielementin perustaajuus yhden radiojärjestelmän käyttämälle kaistalle ja perustaajuuden jokin harmoninen toisen radiojärjestelmän käyttämälle kaistalle. Esimerkki tällaisesta on kuvassa 1. Siinä on heliksityyppinen 20 antennielementti 110, liitoskappale 120 ja antennin syöttöjohdin 130. Elementti 110 on alapäästään kiinnitetty liitoskappaleeseen 120, joka taas voidaan kiertää kiinni ' ·.. laitteen runko- tai kuorirakenteeseen. Elementissä 110 nousu eli kahden peräkkäisen V; kierroksen välimatka elementin akselin suunnassa mitattuna pienenee elementin ,yläpäähän mentäessä. Esimerkiksi eräs nousu pl on pienempi kuin elementin erään 25 alemman kohdan nousu p2. Syöttöjohdin 130 on kytketty galvaanisesti heliksi- ... _ elementin 110 alapäähän ja jatkuu alaspäin liitoskappaleessa 120 olevan aksiaalisen !;; reiän kautta. Liitoskappale voi olla johtava, kuitenkin heliksistä eristettynä, jolloin t se toimii myös suojavaippana syöttöjohtimen loppuosalle. Kuvaan 1 on piirretty katkoviivalla myös antennin suojahupun ääriviiva.

; 30 Kaikki antennielementit resonoivat tietyllä perustaajuudella ja lisäksi tämän harmo- 1, nisillä taajuuksilla. Perustaajuudella tarkoitetaan tässä taajuutta, jolla antenniele- mentti on sähköisesti neljännesaallon pituinen. Jos heliksiantennissa nousut ovat ‘ yhtä suuria, sen harmoniset taajuudet ovat perustaajuuden monikertoja. Jos nousut tehdään eri suuriksi, harmonisten taajuuksien suhde muuttuu. Valitsemalla mm. 35 kierrosten määrä ja nousut sopivasti, resonanssitaajuuksille saadaan sellaiset arvot, 113220 2 että rakennetta voidaan käyttää ainakin kahden radiojärjestelmän taajuusalueella. Tavallisesti järjestetään perustaajuus ja tämän kolmas harmoninen haluttuihin kohtiin taajuusakselilla. Kolmas harmoninen tarkoittaa järjestyksessä kolmatta reso-nanssitaajuutta, kun itse perustaajuus lasketaan ’’ensimmäiseksi harmoniseksi”.

5 Yhteisenä haittana kuvan 1 mukaisessa ja vastaavissa järjestelyissä on monitaa-juuskäyttöä ajatellen, että käyttökelpoisia taajuuskaistoja on vain kaksi tai enintään kolme. Elementtejä lisäämällä saadaan tosin kaistoja haluttu määrä, mutta tällöin rakenteesta sovituksineen tulee tilaa vievä ja mutkikas.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. 10 Keksinnön mukaiselle rakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksissa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antennirakenteen säteilevinä elementteinä on paitsi heliksi, myös liitoskappale, joka kiinnittää heliksin laitteeseen. Heliksi muo-15 töillään niin, että sen johdinkierrosten välimatka vaihtelee. Liitoskappaleen sähköistä pituutta suurennetaan esimerkiksi laitteen kuorien sisään jäävän johdeulokkeen avulla. Osien mitoituksella järjestetään resonansseista, joita heliksillä ja liitoskappa-leella on yhdessä ja erikseen, ainakin viisi käyttökelpoisiin kohtiin taajuusasteikolla.

Keksinnön etuna on, että sen avulla saadaan useampikaistainen matkaviestimiin 20 sopiva antenni verrattuna tekniikan tason mukaisiin antenneihin. Lisäksi keksinnön ·, etuna on, että sen mukaisen rakenteen tuotantokustannukset ovat suhteellisen pienet.

.v Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin. Selostuksessa viitataan : oheisiin piirustuksiin, joissa . · ? kuva 1 esittää tekniikan tason mukaista antennirakennetta, ;;; 25 kuvat 2a,b esittävät esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, * · * * kuva 3 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, kuva 4 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, ,..: kuva 5 esittää esimerkkejä keksinnön mukaisen antennin taajuus- ,,.: ominaisuuksista j a ,·. 30 kuva6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta matka- " , viestimestä.

» » I t 113220 3

Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 2a on sivulta päin nähtynä esimerkki keksinnön mukaisesta antenni-rakenteesta. Siinä on heliksityyppinen antennielementti 210, liitoskappale 220 ja antennin syöttöjohdin 230. Kuten kuvan 1 rakenteessa, nytkin heliksielementin 5 nousu pienenee elementin alapäästä yläpäähän mentäessä. Etuliitteet "ala", "ylä", "vaaka" ja "pysty" viittaavat tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa antenni-rakenteen kuvan 2 mukaiseen asentoon, eikä niillä ole tekemistä antennin käyttö-asennon kanssa. Liitoskappaleeseen 220 kuuluu yläosa 221, kierreosa 222, alaosa 223, kytkentäosa 224, vastaosa 225 ja ulokeosa 226. Kaikki nämä osat ovat johtavia 10 ja galvaanisessa yhteydessä toisiinsa. Vaakasuora ulokeosa 226 on toisesta päädystään kiinni vastaosassa 225. Se voi olla esimerkiksi erillinen litteä levy tai pelkkä metallointi kuoren sisäpinnassa. Vastaosassa on sisäkierteet. Se on kuvan 2 esimerkissä mutterimainen osa, joka kiinnitetään laitteen dielektriseen kuoreen 240. Yläosa 221, kierreosa 222, alaosa 223 ja kytkentäosa 224 muodostavat yhtenäisen kap-15 paleen, joka on kierretty kiinni vastaosaan 225. Heliksielementti 210 taas on ala-päästään kiinnitetty liitoskappaleen 220 yläosaan. Liitoskappaleen kytkentäosa 224 on sen alin osa. Syöttöjohtimessa 230 on taivutettu osa, joka painaa jousivoimalla kytkentäosaa 224 vasten, kun antenni on asennettu paikalleen laitteessa.

Kuvassa 2b on kuvan 2a antennirakenne päältä päin nähtynä. Siitä ilmenee uloke-20 osan 226 leveys, heliksin ja liitoskappaleen yläosan 221 poikkileikkausten pyöreä muoto sekä liitoskappaleen vastaosan 225 poikkileikkauksen kulmikas muoto.

Olennainen ero kuvien 2 ja 1 rakenteilla on, että kuvassa 2 myös heliksin liitos-kappale voi toimia säteilijänä. Sehän on antennin syöttöjohdon keskijohtimeen 230 .! ! liittyvä johdekappale eikä sillä ole johtavaa suojavaippaa ympärillään. Liitoskappa- ‘ *. 25 letta saadaan pystysuunnassa lyhennetyksi sen ulokkeen 226 avulla. Liuskamaisen * ' ulokkeen tilantarve laitteen kuoren yläosassa on merkityksetön. Liitoskappaleen ja '···’ heliksin rajapinnassa on sähköinen epäjatkuvuuskohta. Tämän vuoksi heliksi reso- ...· noi yksin tietyillä taajuuksilla ja liitoskappale niinikään yksin tietyillä toisilla taajuuksilla. Lisäksi löytyy taajuus, jolla heliksi ja liitoskappale resonoivat yhdessä. 30 Tämä yhteisresonanssitaajuus on rakenteen kaikista resonanssitaajuuksista pienin. Käytännössä voidaan hyödyntää esimerkiksi sitä sekä liitoskappaleen perusreso-’ . nanssitaajuutta ja yhtä tai useampaa heliksin harmonisista taajuuksista. Viimeksi ’ mainittujen osalta keksinnön mukaisessa rakenteessa on menty pitemmälle kuin tunnetuissa rakenteissa: heliksin nousujen vaihtelu voidaan järjestää niin, että kol-35 mannen, viidennen ja tarvittaessa vielä seitsemännen harmonisen taajuuden suhteet . ·. | perustaajuuteen ovat halutun suuruiset.

113220 4

Kuvassa 3 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta rakenteesta. Erona kuvan 2 rakenteeseen on, että liitoskappale 320 on nyt vaakasuuntainen, jolloin heliksi-elementti 310 liittyy sen päähän sivusta päin. Lisäksi liitoskappaleella ei ole kuvan 2 ulokeosan 226 kaltaista uloketta. Tämä merkitsee, että liitoskappale on tehtävä 5 pitemmäksi, jos antennin halutaan toimivan samoilla taajuuksilla kuin kuvan 2 rakenteen.

Kuvassa 4 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisesta rakenteesta. Siinä heliksi-elementillä 410 ja liitoskappaleella 420 on sama akseli, kuten kuvassa 2. Liitos-kappaleen vastaosalla 425 ei tässäkään tapauksessa ole uloketta. Sen sijaan itse 10 vastaosa on kuvan 2 rakenteeseen verrattuna laajempi. Laajuuden tarkoitus on sama kuin ulokkeen: liitoskappaleelle saadaan tietty sähköinen pituus pienemmällä pystysuuntaisella fyysisellä pituudella.

Kuvassa 5 on esimerkkejä keksinnön mukaisen antennin taajuusominaisuuksista. Siinä on kahden antennin, jotka molemmat ovat rakenteeltaan kuvan 2 mukaisia, 15 heijastuskerroin Sll taajuuden funktiona. Ensimmäisessä kuvaajassa 51 havaitaan kuusi resonanssikohtaa. Pidettäessä käyttökelpoisen taajuuskaistan kriteerinä sitä, että heijastuskerroin on alle esimerkiksi -5 dB, kuvaajan 51 edustama rakenne toimii antennina neljällä taajuusalueella: 430-480 MHz, 860-950 MHz, 1240-1280 MHz ja 1550-2230 MHz. Näistä ensimmäiselle sattuvat tulevan GSM450-20 järjestelmän käyttämät taajuudet. Toiselle taas sattuvat GSM900-järjestelmän käyttämät taajuudet. Kolmas kaista voidaan hyödyntää pienellä virityksellä taajuutta 1227,6 MHz käyttävässä GPS (global positioning systemj-järjestelmässä. Neljän-L . nelle kaistalle, joka on hyvin leveä, sattuvat järjestelmien GSM1800, PCS1900 ja *;‘ WCDMA käyttämät taajuudet. Lisäksi sille sattuu GPS-taajuus 1575,42 MHz.

25 Ensimmäinen kaista 430-480 MHz perustuu antennin heliksielementin ja liitos-kappaleen yhteisresonanssiin. Toinen kaista 860-950 MHz perustuu heliksi-.·*·. elementin perusresonanssitaajuuden kolmanteen harmoniseen. Tämä on järjestetty vähän taajuuden 900 MHz yläpuolelle pienentämällä heliksin nousua sopivasti ... heliksin yläpäätä kohti mentäessä. Neljäs kaista 1550-2230 MHz on saatu aikaan 30 järjestämällä sopiviin kohtiin kolme resonanssitaajuutta: heliksin viides harmo- > · ·;·* ninen, liitoskappaleen perustaajuus ja heliksin seitsemäs harmoninen. Heliksin : viidettä ja seitsemättä harmonista taajuutta samoin kuin edellä mainittua kolmatta : ‘": on vedetty alaspäin tihentämällä sopivasti kierrettä ylöspäin mentäessä.

* I · · ( » » 113220 5

Toinen kuvaaja 52 on samankaltainen kuin kuvaaja 51. Pienillä mitoitusmuutoksilla on esimerkiksi antennin toinen kaista järjestetty paremmin GSM900-järjestelmän käyttämälle alueelle.

Kuvassa 6 on matkaviestin MS. Siinä on keksinnön mukainen antenni 600, jonka 5 heliksielementti 610 sijaitsee matkaviestimen kuorien ulkopuolella ja liitoskappale 620 kuorien sisäpuolella.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia ratkaisuja. Keksintö ei rajoitu juuri niihin. Esimerkiksi liitoskappaletta voidaan muotoilla monella tavalla. Keksintö ei myöskään rajoita antennin osien valmistustapaa. Keksinnöllistä ajatusta voidaan 10 soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen asettamissa rajoissa.

• · 4 · » » · » t · « 4 » * » * * »

Claims

113220

1. Antennirakenne, joka käsittää heliksielementin, jossa johdinkierrosten välimatka on muuttuva, sekä liitoskappaleen, johon heliksielementti on kiinnitetty toisesta päästään, tunnettu siitä, että mainittu heliksielementin kiinnitys on galvaa- 5 ninen, mainittu liitoskappale (220; 320; 420) on sähköä johtava ja sähköisesti suojaamaton ja sen perusresonanssitaajuus on pienempi kuin mainitun heliksielementin (210; 310; 410) seitsemäs harmoninen resonanssitaajuus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että - mainitun heliksielementin ja mainitun liitoskappaleen yhteinen perustaajuus 10 on järjestetty erään ensimmäisen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle, - mainitun heliksielementin kolmas harmoninen taajuus on heliksin nousun vaihtelun avulla järjestetty erään toisen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle, - mainitun heliksielementin viides harmoninen taajuus on heliksin nousun 15 vaihtelun avulla järjestetty erään kolmannen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle ja - mainitun liitoskappaleen perustaajuus on järjestetty erään neljännen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle, - mainitun heliksielementin seitsemäs harmoninen taajuus on heliksin nousun 20 vaihtelun avulla järjestetty erään viidennen radiojärjestelmän käyttämälle taajuusalueelle. : 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että ' Λ: - mainittu ensimmäinen radiojärjestelmä on GSM450, ; *,: - mainittu toinen radiojärjestelmä on GSM900, : · *; 25 - mainittu kolmas radiojärjestelmä on GSM 1800, ! * ’ ’: - mainittu neljäs radiojärjestelmä on PCS 1900 ja . * * ·. - mainittu viides radiojärjestelmä on WCDMA.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu liitos-kappale (220) käsittää johdeulokkeen (226) liitoskappaleen fyysisen pituuden 30 pienentämiseksi resonanssissa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, jonka liitoskappale käsittää dielek-triseen tukimateriaaliin kiinnitettävän vastaosan (225; 425), tunnettu siitä, että ;·.· mainittu vastaosa (425) on olennaisesti liitoskappaleen muuta osaa leveämpi liitos- ....: kappaleen fyysisen pituuden pienentämiseksi resonanssissa. 11322C

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, jossa heliksielementin akselin suunta on pystysuora, tunnettu siitä, että mainitun liitoskappaleen (320) akselin suunta on olennaisesti vaakasuora.

7. Radiolaite (MS), joka käsittää antennin (600), johon kuuluu heliksielementti 5 (610), jossa johdinkierrosten välimatka on muuttuva, sekä liitoskappale (620), johon heliksielementti on kiinnitetty toisesta päästään, tunnettu siitä, että mainittu heliksielementin kiinnitys on galvaaninen, mainittu liitoskappale on sähköä johtava ja sähköisesti suojaamaton ja sen perusresonanssitaajuus on pienempi kuin mainitun heliksielementin seitsemäs harmoninen resonanssitaajuus.

10 Patentkrav