FI113812B - Radiolaite ja antennirakenne - Google Patents

Description

1 113812

Radiolaite ja antennirakenne - Radioanordning och antennstruktur

Esillä oleva keksintö liittyy pienikokoisiin antennirakenteisiin. Erityisesti keksintö 5 liittyy matkaviestimissä käytettäviin sisäisiin antenneihin, joita syötetään yhdestä syöttöpisteestä.

Tekniikan tausta 10 Erityisesti matkaviestimien jatkuvasti pienenevä koko muodostaa uusia vaatimuksia laitteissa käytettävien antennirakenteiden pienentämiseksi. Antennin koko on kuitenkin riippuvainen fysiikan laeista, koska antennin resonanssin kaistanleveys määräytyy antennirakenteen Q-arvosta siten, että mitä pienempi Q-arvo antennilla on, sitä suurempi kaistanleveys on käytettävissä. Antennin Q-15 arvoa on helpoin pienentää suurentamalla antennia, mutta jos antennin tarvitsema tila on rajoitettu on Q-arvon pienentäminen erittäin vaikeaa.

Tasomaisten, ns. PIFA-antennien (Planar Inverted F Antenna) etuna on niiden pieni koko, jolloin ne voidaan integroida laitteeseen siten, että ne sijoittuvat .· 20 kokonaan kyseisen laitteen sisäpuolelle. Tekniikan tason mukainen perinteinen PIFA-antenmelementti 100 on esitetty kuviossa 1a, joka antennielementti 100 ; käsittää tasomaisen säteilijän 110, maatason 120, maapisteen 102 sekä / syöttöpisteen 101. Säteilijän 110 reunojen 104 ja 105 pituus on 40.0 mm, ;;; reunojen 107 ja 108 pituus on 25.0 mm, syöttöpiste sijaitsee 2.0 mm:n ’**·’ 25 etäisyydellä sekä reunasta 108, että reunasta 104. Maapisteen 102 ,, , maadoituslinjan leveys on 5.0 mm ja se sijaitsee reunassa 104 siten, että maadoituslinjan reunan 104 suuntainen keskikohta sijaitsee 12.5 mm:n 2 etäisyydellä reunasta 108. Maatason reunojen 121 ja 122 pituus on 100.0 mm, ' · reunojen 123 ja 126 pituus on 40.0 mm ja maatason 120 ja säteilijän 110 välinen 30 etäisyys on 5.0 mm. Maatason 120 ja säteilijän 110 välissä ja päällä on .· eristemateriaalina (viite 129) joko ilmaa tai muuta dieiektristä ainetta. PIFA- antennin säteilijä 110 on kytketty maatasoon 120 maapisteen 102 kautta. Maapiste voi olla muodoltaan pistemäinen tai se voi olla myös kuviossa 1a on esitetyn maadoituslinjan muotoinen. Jatkossa maapisteen ja maadoituslinjan 2 113812 käsittää viite 102. PIFA-antennin resonanssitaajuuteen vaikuttavat säteilijän 110 ja maapisteen 102 fyysiset mitat sekä säteilijälementin etäisyys maatasosta. Säteilijää 110 syötetään joko säteilijän reunasta, tai viemällä syöttölinja maatason ja eristemateriaalin (viite 129) läpi kuten kuviossa 1a on esitetty. Maapisteen 102 5 maadoituslinjan leveyttä muuttamalla saadaan antennin resonanssitaajuutta muutettua Maadoituslinjan leveyttä kaventamalla resonanssitaajuus pienenee, vastaavasti leveämpi maadoituslinja kasvattaa resonanssitaajuutta. Maadoituslinja voi olla joko antenmelementin sivun levyinen tai kapeimmillaan vain johdin.

10 PIFA-antennien suurin ongelma on niiden kapea impedanssikaista, mikä johtuu pääasiassa antennin säteilijän ja maatason välisestä etäisyydestä aallonpituuteen nähden.

15 Kuviossa 1b on havainnollistettuna kuvion 1a mukaisen antennirakenteen taajuuskaista edellä kuvatuilla mitoilla. Kuvaajan x-akselilla on ilmoitettu taajuus GHz:nä ja y-akseiilla on ilmoitettu antennielementm säteilyn hyötysuhde (Radiation Efficiency) [%], antennin hyötysuhde (Antenna Efficiency) [%] seka antennin sovitus (S11) [dB], Kuviosta 1b on todettavissa että kuvion 1a mukaisen * # ' 20 antennirakenteen taajuuskaista, 50%:n antennin hyötysuhteella tarkasteltuna, : ” sijaitsee alueella n. 1400-1700 MHz.

» ·

Antennielementin hyötysuhteella (Radiation Efficiency) tarkoitetaan ;;; antennielementin säteilyn hyötysuhdetta kun antenni on sovitettu. Antennin 25 hyötysuhteella (Antenna Efficiency) tarkoitetaan antennin hyötysuhdetta kun . hyötysuhteessa on mukana antennin sovitus.

j’ PIFA-antennin kaistanleveyttä on pyritty kasvattamaan mm. muodostamalla ·'[ antennirakenteeseen rinnakkaisia resonaattoreita. Kuviossa 2a on esitetty 30 antennirakenne, jossa resonanssit on muodostettu kahdella hieman erimittaisella antennielementiilä 201 ja 202, joista pienempi elementti 202 muodostaa suuremman taajuuden resonanssin ja suurempi elementti 201 pienemmän taajuuden resonanssin.

3 113812

Kuviossa 2b on esitetty antennirakenne, jossa on pääelementti 205 ja parasiittien elementti 206, jotka elementit 205 ja 206 on erotettu toisistaan koko matkalta resonanssien muodostamiseksi. Edellä mainittujen antennien kaistanleveyden kasvu on kuitenkin jäänyt verrattaen pieneksi kuviossa 1a 5 esitetyn antennin muodostamaan kaistanleveyteen verrattuna.

Antennin kaistanleveyttä voidaan kasvattaa myös tekemällä useampia vierekkäisiä resonansseja. Vierekkäiset resonanssit voidaan tehdä sovituksella tai antennielementillä. Sovitus voidaan tehdä esimerkiksi syöttö- ja 10 maadoitusliuskalla, jolloin liuskojen impedanssi voidaan muodostaa halutuksi liuskojen leveyden ja pituuden mitoituksen avulla sekä liuskojen keskinäisten etäisyyksien suhteella. Sovituksella tehdyt resonanssit ovat helposti häviöllisiä, jolloin sovituksesta saatu hyöty voidaan menetettää.

15 Antennielementtiin tehdyssä ratkaisussa resonanssitaajuuksien lukumäärää kasvatetaan lisäämällä antennielementtiin uria. Urat toimivat kuitenkin helposti pienten antennien tapauksessa rakosäteilijöinä, jolloin lähekkäin resonoivat antennielementit kytkeytyvät voimakkaasti toisiinsa ja muodostavat resonaattorin raon ympärille. Tästä seuraa edelleen se, että kyseisellä taajuudella 20 säteilyresistanssi on pieni ja virrantiheydet uran läheisyydessä ovat suuret, jolloin . antennin häviöllisyys lisääntyy.

» · · « « · j ,· Hakijan aikaisemmassa patenttihakemuksessa EP 1020948 on esitetty kaksitaajuusantennirakenne, jossa antennirakenteessa säteilijä käsittää 25 ensimmäisen uran resonanssin muodostamiseksi ylemmälle 1800 MHz:n taajuusalueelle. Säteilijä käsittää lisäksi toisen uran, joka toinen ura haarautuu mainitusta ensimmäisestä urasta. Toisen uran leveyden kasvattaminen pienentää • · '···' kaistanleveyttä GSM 1800 MHz:n taajuusalueella ja pienentää GSM 900 MHz:n < · t ·;·' taajuusalueella resonanssielementin vahvistusta. Toisen uran pituuden 30 kasvattaminen kasvattaa kaistanleveyttä GSM 900 MHz:n taajuusalueella ja pienentää vahvistusta 1800 MHz:n taajuusalueella. Kyseisessä antennirakenteessa mainittu toinen ura saa aikaan kaistanleveyden kasvun » alemmalla taajuusalueella (900 MHz) ja pienenemisen ylemmällä taajuusalueella (1800 MHz). Tämän kaltainen ratkaisu ei siten sovellu hyvin käytettäväksi 4 113812 sellaisissa tapauksissa joissa ylemmän taajuusalueen kaistanleveys halutaan saada mahdollisimman suureksi.

Keksinnön yhteenveto 5

Nyt on keksitty antennirakenne käytettäväksi erityisesti, muttei välttämättä matkaviestinjärjestelmissä, jonka mukaisella toteutuksella kyetään pienentämään antennin Q-arvoa, jolloin sen kaistanleveys kasvaa. Antennirakenteen säteilijässä, joka käsittää tasomaisen sähköä johtavan pinnan, sijaitsevat syöttö-10 ja maapiste on erotettu toisistaan uralla, joka on sijoitettuna tasomaiseen säteilijään siten, että uran leikkaa syöttöpisteen ja maapisteen väliiin muodostettavissa oleva jana. Pienempi osuus urasta muodostuu sille uran leikkaavan janan puolelle jolla sijaitsee uran avoin pää, ja vastaavasti suurempi osuus urasta muodostuu mainitun janan vastakkaiselle puolelle. Edellä mainitun 15 kaltaisen uran lisäys säteilijään saa aikaan sen, että osa säteilijän pinnalle jakautuneiden pintavirtojen reiteistä muuttuu, jolloin antenni muodostaa useita resonansseja ja kaistanleveys kasvaa hyvällä säteilyn hyötysuhteella. Uran oleellinen pituus on suurempi kuin suurimman resonanssitaajuuden aallonpituuden neljäsosa. Pituus määritetään suorimpana mahdollisena reittinä 20 uran sisällä alku- ja päätepisteen välillä. Mainittu reitin alkupiste sijaitsee uran . avoimen pään keskikohdassa. Päätepiste sijaitsee siinä kohdassa säteilijän : reunaa uran sisällä, johon mitattuna uran sisällä kulkevan suorimman » t · j \· mahdollisen reitin pituus alkupisteestä mainittuun päätepisteeseen on pisin !.*·· mahdollinen.

25

Ura muodostaa antennin keskialueelle avoimen tilan, jolloin se myös pienentää antennielementin eri osien kapasitiivista kytkeytymistä. Lisäksi edullisena » » I t · ominaisuutena on se, että antennin käyttämä tila saadaan käytettyä ···’ mahdollisimman tehokkaasti hyödyksi.

C· 30 'Keksinnön erään ensimmäisen aspektin mukaisesti on toteutettu antennirakenne, joka käsittää maatason, säteilijän, joka säteilijä sijaitsee etäisyyden päässä maatasosta, eristekerroksen mainitun maatason ja mainitun säteilijän välissä, • · ainakin yhden syöttöpisteen signaalin syöttämiseksi mainitulle säteilijälle, ainakin 5 113812 yhden maapisteen säteilijän maadoittamiseksi maatasoon, siitä, että säteilijä käsittää ainakin yhden uran, joka ura käsittää avoimen pään ja suljetun pään, ja joka ura sijaitsee ainakin osaksi mainitun ainakin yhden syöttöpisteen ja mainitun ainakin yhden maapisteen välissä siten, että mainitun syöttöpisteen ja mainitun 5 maapisteen väliin muodostettavissa oleva jana leikkaa mainitun uran, jolloin pienempi osuus urasta muodostuu sille uran leikkaavan janan puolelle, jolla uran avoin pää sijaitsee, ja suurempi osuus urasta muodostuu uran leikkaavan janan vastakkaiselle puolelle, jolla sijaitsee uran suljettu pää.

10 Keksinnön erään toisen aspektin mukaisesti on toteutettu radiolaite, käsittäen antennirakenteen radiotaajuisen signaalin välittämiseksi, joka antennirakenne edelleen käsittää maatason, säteilijän, joka säteilijä sijaitsee etäisyyden päässä maatasosta, eristekerroksen mainitun maatason ja mainitun säteilijän välissä, ainakin yhden syöttöpisteen signaalin syöttämiseksi mainitulle säteilijälle, ainakin 15 yhden maapisteen säteilijän maadoittamiseksi maatasoon, tunnettu siitä, että säteilijä käsittää ainakin yhden uran, joka ura käsittää avoimen pään ja suljetun pään, ja joka ura sijaitsee ainakin osaksi mainitun ainakin yhden syöttöpisteen ja mainitun ainakin yhden maapisteen välissä siten, että mainitun syöttöpisteen ja mainitun maapisteen väliin muodostettavissa oleva jana leikkaa mainitun uran, 20 jolloin pienempi osuus urasta muodostuu sille uran leikkaavan janan puolelle, jolla uran avoin pää sijaitsee, ja suurempi osuus urasta muodostuu uran ; ·.. leikkaavan janan vastakkaiselle puolelle, jolla sijaitsee uran suljettu pää.

Tekniikan tasoa selostettiin viittaamalla kuvioihin 1 ja 2. Keksintöä selostetaan 25 seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla kuvioihin 3-5, joissa I · kuviossa 1a on esitetty tekniikan tason mukaisen PIFA-antennielementin *··* rakenne, 30 kuviossa 1b on esitetty kuvion 1a mukaisen PIFA-antennin taajuuskaista, kuviossa 2a ja 2b on esitetty tekniikan tason mukaisia PIFA-antennielementin rakenteita, 6 113812 kuviossa 3a on esitetty eräs keksinnön mukainen antennielementin rakenne, kuviossa 3b on esitetty kuvion 3a mukaisen antennielementin taajuuskaista, 5 kuviossa 4a on esitetty antennielementin rakenne käytettäväksi useammalla kuin yhdellä taajuusalueella, kuviossa 4b on esitetty kuvion 4a mukaisen antennielementin taajuuskaistaa, 10 kuviossa 5a on esitetty eräs keksinnön mukainen antennielementin rakenne käytettäväksi useammalla kuin yhdellä taajuusalueella, kuviossa 5b on esitetty kuvion 5a mukaisen antennielementin taajuuskaistaa.

15

Kuviossa 3a on esitetty eräs keksinnön mukainen antennielementin 200 rakenne, jossa lähtökohtana on tasomainen PIFA-antenni. Antennielementti 200 käsittää maatason 120, tasomaisen säteilijän 110, syöttöpisteen 101, maapisteen maadoituslinjan 102 sekä uran 103. Mainittu ura 103 on osuus, joka ei ole sähköä 20 johtavaa materiaalia. Ura voidaan toteuttaa esimerkiksi poistamalla sähköä f: johtavaa materiaalia säteilijästä 110. Mitoiltaan antennirakenne 200 on vastaava : kuin kuviossa 1a esitetty antennirakenne 100. Uran 103 kapeamman osuuden • V leveys reunassa 104 on 1.0 mm. Ura 103 jakaa reunan 104 kahteen osaan, > · jolloin pitemmän osan pituus on 34.0 mm ja lyhyemmän osan pituus on 5.0 mm. 25 Uran 103 leveämmän osan etäisyys reunoista 104, 105 ja 107 on lyhimmillään 5.0 mm. Uran 103 leveämmän osan etäisyys reunasta 108 on pienimmillään 5.0 mm ja suurimmillaan 14.0 mm. Uran oleellinen pituus (viite 132) mitattuna ···' alkupisteestä 130 päätepisteeseen 131 on 37.6 mm.

«· · 30 Syöttöpiste on toteutettu koaksiaalisyöttönä läpivientinä maatasosta siten, että se sijaitsee oleellisella etäisyydellä säteilijän lähimmistä reunoista. Syöttöpiste voidaan toteuttaa myös säteilijän 110 reunaan vastaavalla tavalla kuten maapisteen maadoituslinja 102. Sijainti riippuu tarkoituksenmukaisesta antennielementin sovituksesta, jota voidaan parhaiten optimoida juuri 7 113812 syöttöpisteen sijainnilla. Maapisteen maadoituslinja 102 sijaitsee oleellisesti säteilijän 110 reunassa 104. Maapiste voi sijaita myös oleellisella etäisyydellä reunasta 104. Maapiste 102 voi olla muodoltaan myös pistemäinen, kuten syöttöpiste 101, ja se voi sijaita syöttöpisteen tavoin oleellisella etäisyydellä 5 säteilijän reunoista.

Ura 103 jakaa reunan 104 kahteen osaan, jolloin reunasta 105 katsottuna ura 103 jakaa säteilijän 110 maapisteen puoleiseksi haaraksi ja syöttöpisteen puoleiseksi haaraksi siten, että reunat 105, 107 ja 108 jäävät yhtenäisiksi. Ura 10 103 sijaitsee keksinnön mukaisessa antennirakenteessa ainakin osaksi syöttöpisteen 101 ja maapisteen 102 välissä siten, että syöttöpisteen 101 ja maapisteen 102 väliin muodostettava jana leikkaa uran 103, jolloin pienempi osuus urasta 103 muodostuu sille uran 103 leikkaavan janan puolelle, jolla säteilijän 110 reuna 104 muodostaa uran 103 avoimen pään. Tarkasteltaessa 15 janan eri puolilla sijaitsevia uran 103 osuuksia reunan 107 suuntaisella akselilla siten, että jana muodostetaan maapisteen maadoituslinjan keskikohtaan reunassa 104, sijaitsee urasta n. 8 % mainitun janan ja reunan 104 välisellä alueella ja vastaavasti n. 92 % janan vastakkaisella puolella. Tarkasteltaessa uran 103 muodostaman pinta-alan jakautumista janan eri puolille, sijaitsee janan 20 ja reunan 104 puoleisella alueella n. 0.5 % ja janan toisella puolella n. 99.5 %. , Edellä mainitut suhdeluvut on mainittu esimerkinomaisina kuvion 3a mukaiseen : rakenteeseen soveltuvina arvoina, suhdeluvut voivat olla myös esitetyistä : poikkeavia. Mainittujen suhteiden muuttaminen joko uran muotoa, kuten pituus tai : / leveys, muuttamalla ja/tai syöttö- tai maapisteen sijaintia muuttamalla vaikutetaan *25 aina myös antennin muodostamaan säteilytehoon ja resonanssitaajuuksiin.

> I « tt*

Kuvion 3a mukaisessa antennirakenteessa uran 103 leveys on reunan 104 t I t * puoleisessa päässä oleellisesti kapeampi kuin muualla, mutta se voi olla myös • · · • · leveämpi. Uran 103 oleellisessa pituussuunnassa uran leveys on suurempi kuin 30 reunan 104 puoleisessa päässä. Uran 103 leveys voi olla myös saman suuruinen uran molemmissa päissä. Uran 103 oleellisesti kapea osuus reunan 104 ·*·.. puoleisessa päässä on sijoitettu kohtisuorasti reunaa 104 vasten, kohtisuoruus ei ole välttämätöntä, vaan ura 103 voi sijaita myös jossakin kulmassa reunan 104 suhteen. Uran 103 oleellisesti leveämpi osuus on toteutettu siten, että ura on 8 113812 sijoitettu leveämmän osuuden osalta reunan 104 suuntaisesti, säteilijän 110 maapisteen 102 puoleiselle alueelle. Uran 103 leveämpi osuus voidaan sijoittaa reunan 104 suhteen myös vinottain.

5 Uran 103 muotoa ei ole rajoitettu kuvion 3a mukaiseksi, vaan sen oleellinen pituuden suhde leveyteen voi olla kuviossa esitettyä suurempi tai pienempi. Syöttöpisteen sijoittelu säteilijän alueelle ei myöskään ole rajoitettu käytettäväksi pelkästään kuvion 3a mukaisessa paikassa säteilijän alueella. Syöttöpiste voi sijaita myös säteilijän reunassa samalla tavalla kuin maapiste 102 sijaitsee. 10 Myöskään maapisteen sijainti ei ole rajoitettu säteilijän reunaan, vaan se voi sijaita, syöttöpisteen tavoin, oleellisella etäisyydellä säteilijän reunoista.

Kuviossa 3b on esitetty kuvion 3a mukaisen antennielementin 200 taajuuskaista. Kuvaajan x-akselilla on ilmoitettu taajuus GHz:nä ja y-akselilla on ilmoitettu 15 antennielementin säteilyn hyötysuhde (Radiation Efficiency) [%], antennin hyötysuhde (Antenna Efficiency) [%] sekä antennin sovitus (S11) [dB]. Verrataessa kuvion 1a mukaisen antennielementin taajuuskaistaa kuviossa 1b esitettyyn on keksinnön mukaisen antennirakenteen taajuuskaistakuviossa 3b nyt myös toinen ylempi taajuuskaista, joka 50%:n antennin hyötysuhteella 20 tarkasteltuna sijaitsee alueella n. 2400-3000 MHz. Lisäksi ensimmäinen taajuuskaista, joka kuvion 1a mukaisella antennirakenteella 50%:n antennin f · * * ·.. hyötysuhteella tarkasteltuna sijaitsi alueella n. 1400-1700 MHz, on nyt vastaavalla hyötysuhteella tarkasteltuna alueella n. 1100-1700 MHz, jossa : \i kaistanleveyden kasvua on n. 300 MHz aikaisempaan verrattuna. Verrattaessa : 25 kuvioiden 1 b ja 3b säteilyn hyötysuhdetta voidaan lisäksi todeta, että muodostettu ura 103 ei ole laskenut säteilytehoa käytettävällä taajuusalueella.

»· *

Kuviossa 4a on esitetty myöhempää vertailua varten kaksitaajuus antennielementin 300 rakenne, jossa lähtökohtana on tunnetun tekniikan 30 mukainen tasomainen kaksitaajuus PIFA-antenni. Antennielementti 300 käsittää :·: maatason 120, tasomaisen säteilijän 110, syöttöpisteen 101, maapisteen :\i# maadoituslinjan 102 sekä uran 106.

9 113812

Maatason 120 reunojen 121 ja 122 pituus on 46.0 mm, ja reunojen 123 ja 124 pituus on 105.0 mm. Maataso sijaitsee 5.0 mm:n etäisyydellä säteilijästä 110. Uran 106 leveus on 1.0 mm ja pituus 42.0 mm ja sen etäisyys reunasta 108 on pienimmillään 6.0 mm ja suurimmillaan reunan 114 pituuden verran, eli 10.0 mm. 5 Reunan 104 pituus on 35.0 mm, reunan 107 pituus 38.0 mm ja reunan 108 pituus on 45.0 mm. Syöttöpiste 101 sijaitsee 2.0 mm:n etäisyydellä reunasta 104 ja 12.0 mm:n etäisyydellä reunasta 108. Maapisteen 102 maadoituslinjan reunan 107 suuntainen pituus on 11.0 mm.

10 Syöttöpiste 101 on toteutettu koaksiaalisyöttönä läpivientinä maatasosta siten, että se sijaitsee oleellisen etäisyyden päässä säteilijän 110 lähimmistä reunoista. Syöttöpiste voidaan toteuttaa myös säteilijän 110 reunaan vastaavalla tavalla kuten maapisteen maadoituslinja 102. Sijainti riippuu tarkoituksenmukaisesta antennielementin sovituksesta, jota voidaan parhaiten optimoida juuri 15 syöttöpisteen sijainnilla. Maapisteen maadoituslinja 102 sijaitsee oleellisesti säteilijän 110 reunassa 107 reunan 104 puoleisessa päässä. Maapiste voi sijaita myös säteilijän 110 reunassa 104 sekä lisäksi maapiste voi olla muodoltaan myös pistemäinen, kuten syöttöpiste 101 ja se voi sijaita syöttöpisteen tavoin oleellisella etäisyydellä säteilijän reunoista. Ura 106 jakaa reunan 104 kahteen 20 osaan siten, että ura sijoittuu syöttöpisteen 101 ja reunan 108 väliselle alueelle säteilijän 110 tasossa. Uran 106 ei tarvitse olla suora, vaan se voi olla kaareva tai ·.. mutkitteleva. Uran 106 tarkoituksena on tuottaa matalampi taajuusalue, ja sillä pidennetään matalemman taajuusalueen elementin sähköistä pituutta suhteessa aallonpituuteen.

25

> M

,/· Kuviosta 4b on esitetty myöhempää vertailua varten kuvion 4a mukaisen antennielementin 300 taajuuskaista. Kuvaajan x-akselilla on ilmoitettu taajuus ja t · · y-akselilla on ilmoitettu antennielementin säteilyn hyötysuhde (Radiation *»·

Efficiency) [%], antennin hyötysuhde (Antenna Efficiency) [%] sekä antennin t 30 sovitus (S11) [dB], Kuviosta 4b on todettavissa, että kuvion 4a mukaisen ·:·*: antennirakenteen alempi taajuuskaista, 50%:n antennin hyötysuhteella ;·. tarkasteltuna, sijaitsee alueella n. 900-1100 MHz. Ylempi taajuuskaista sijaitsee edellä mainitulla hyötysuhteella tarkasteltuna alueella n. 1600-2000 MHz.

113812 10

Kuviossa 5a on esitetty eräs keksinnön mukainen antennielementin 400 rakenne käytettäväksi useammalla kuin yhdellä taajuusalueella, jossa lähtökohtana on tasomainen kuvion 4a mukainen kaksitaajuus PIFA-antenni. Antennielementti 400 käsittää maatason 120, tasomaisen säteilijän 110, syöttöpisteen 101, 5 maapisteen maadoituslinjan 102, ensimmäisen uran 106 sekä toisen uran 103. Mainitut urat 106 ja 103 ovat osuuksia, joissa ei ole sähköä johtavaa materiaalia.

Ulkoisilta mitoiltaan antennirakenne 400 on vastaava kuin kuviossa 4a esitetty antennirakenne 300. Uran 103 kapeamman osan pituus on 10.0 mm, leveys 1.0 10 mm ja se sijaitsee 15.0 mm:n etäisyydellä reunasta 107. Uran 103 leveämmän osuuden leveys ensimmäisestä reunasta (viite 133 - viite 134) toiseen reunaan (viite 135 - viite 136) on 10.0 mm. Uran oleellinen pituus (viite 132) mitattuna alkupisteestä 130 päätepisteeseen 131 on n. 31.0 mm.

15 Syöttöpiste 101 on toteutettu koaksiaalisyöttönä läpivientinä maatasosta siten, että se sijaitsee oleellisen etäisyyden päässä säteilijän lähimmistä reunoista. Sijainti riippuu tarkoituksenmukaisesta antennielementin sovituksesta, jota voidaan parhaiten optimoida juuri syöttöpisteen sijainnilla. Maapisteen maadoituslinja 102 sijaitsee oleellisesti säteilijän 110 reunassa 107 reunan 104 20 puoleisessa päässä. Maapiste voi sijaita myös reunassa 104 sekä lisäksi sijainti /. voi olla oleellisen etäisyyden päässä reunoista 104 ja 107.

I * ♦ f ·

Ura 106 jakaa reunan 104 kahteen osaan siten, että ura sijoittuu syöttöpisteen \: 101 ja reunan 108 väliselle alueelle. Uran 106 tarkoituksena on tuottaa matalampi 25 taajuusalue ylemmän taajuusalueen tai ylempien taajuusalueiden syntyessä syöttöpisteen 101 ja maapisteen 102 sekä uran 103 muodostamina. Ura 103 jakaa reunan 104 syöttö- ja maapisteen (101 ja 102) puoleisen elementin edelleen kahteen osaan, jolloin säteilijä 110 haarautuu nyt maapisteen puoleiseen elementtiin, syöttöpisteen puoleiseen elementtiin sekä lisäksi reunan 30 108 puoleiseen elementtiin. Ura 103 sijaitsee keksinnön mukaisessa *:**: antennirakenteessa ainakin osaksi syöttöpisteen 101 ja maapisteen 102 välissä ··, siten, että syöttöpisteen 101 ja maapisteen 102 väliin muodostettava jana leikkaa .·, : uran 103, jolloin pienempi osuus urasta 103 muodostuu sille uran 103 leikkaavan • · janan puolelle, jolla säteilijän 110 reuna 104 muodostaa uran 103 avoimen pään.

n 113812

Tarkasteltaessa janan eri puolilla sijaitsevia uran 103 osuuksia reunan 107 suuntaisella akselilla siten, että jana muodostetaan maapisteen maadoituslinjan keskikohtaan reunassa 104, sijaitsee urasta n. 8 % mainitun janan ja reunan 104 5 välisellä alueella ja vastaavasti n. 92 % janan toisella puolella. Tarkasteltaessa uran 103 muodostaman pinta-alan jakautumista janan eri puolille, sijaitsee janan ja reunan 104 puoleisella alueella n. 0.5 % ja janan toisella puolella n. 99.5 %. Edellä mainitut suhdeluvut on mainittu esimerkinomaisina kuvion 5a mukaiseen rakenteeseen soveltuvina arvoina, suhdeluvut voivat olla myös esitetyistä 10 poikkeavia. Mainittujen suhteiden muuttaminen joko uran muotoa, kuten pituus tai leveys, muuttamalla ja/tai syöttö- tai maapisteen sijaintia muuttamalla vaikutetaan aina myös antennin muodostamaan säteilytehoon ja resonanssitaajuuksiin.

Uran 103 muotoa ei ole rajoitettu kuvion 5a mukaiseksi, vaan sen oleellinen 15 pituus ja leveys voivat olla kuviossa 5a esitettyä suurempia tai pienempiä. Syöttöpisteen sijoittelu säteilijän alueelle ei myöskään ole rajoitettu käytettäväksi pelkästään kuvion 5a mukaisessa paikassa säteilijän alueella. Syöttöpiste voi sijaita myös säteilijän reunassa samalla tavalla kuin maapiste 102 sijaitsee. Myöskään maapisteen sijainti ei ole rajoitettu säteilijän reunaan, vaan se voi 20 sijaita, syöttöpisteen tavoin, oleellisen etäisyyden päässä säteilijän reunoista.

•

• I

* ·

Kuviossa 5b on esitetty kuvion 5a mukaisen antennielementin taajuuskaista.

I * · ·.·. Kuvaajan x-akselilla on ilmoitettu taajuus GHz:nä ja y-akselilla on ilmoitettu . : antennielementin säteilyn hyötysuhde (Radiation Efficiency) [%], antennin » · 25 hyötysuhde (Antenna Efficiency) [%] sekä antennin sovitus (S11) [dB]. Kuviosta 5b on todettavissa että kuvion 5a mukaisen antennirakenteen alempi 1 k t taajuuskaista, 50%:n antennin hyötysuhteella tarkasteltuna, sijaitsee alueella n. 900-1100 MHz. Ylempi taajuuskaista sijaitsee edellä mainitulla hyötysuhteella tarkasteltuna alueella n. 1700-3500 MHz. Verrattaessa nyt esitettyjä tuloksia ,*··. 30 kuvion 4a mukaisen antennielementin tuloksiin kuviossa 4b, voidaan todeta, että I · I * · ;..j uran 103 aikaansaama kaistanleveyden kasvu kuvion 5a mukaisessa antennirakenteessa on ylätaajuudella merkittävä ilman keksinnön mukaista k * k . toteutusta olevaan antennirakenteeseen verrattuna. Lisäksi edullisena > · » 0 i k * » 12 113812 ominaisuutena on se, että keksinnön mukaisessa toteutuksessa antennin säteilyteho ei muutu epäedullisemmaksi uuden rakenteen myötä.

Kuvion 4a mukaisen antennirakenteen simulointituloksia tarkasteltaessa 5 taajuuskaista alataajuudella sijaitsee, 50%:n hyötysuhteella tarkasteltuna, alueella n. 900 - 1100 MHz ja ylätaajuudella alueella n. 1600 - 2000 MHz, jolloin kaistanleveydeksi alataajuudella saadaan n. 200 MHz ja ylätaajuudella n. 400 MHz. Kuvion 5a keksinnön mukaisen antennirakenteen tulokset ovat alataajuudella samanlaiset, mutta ylätaajuudella on taajuusalue nyt alueella n. 10 1700 - 3500 MHz jolloin kaistanleveydeksi saadaan n. 1800 MHz. Voidaan siis todeta, että keksinnön mukainen ura antennirakenteessa kasvattaa kaistanleveyttä ylätaajuudella lähes viisinkertaiseksi tavanomaiseen antennirakenteeseen verrattuna vaikuttamatta epäedullisesti alemman taajuusalueen kaistanleveyteen tai mainitun taajuusalueen sijaintiin.

15

Keksinnön mukainen antennirakenne soveltuu käytettäväksi kaikissa nykyisissä digitaalisissa matkaviestin- ja solukkoviestinjärjestelmissä. Keksinnön mukaista antennia voidaan käyttää monitaajuusanenniratkaisujen toteuttamiseen kaikissa 20 matkaviestimissä tai pienikokoisissa radiolaitteissa, joissa sisäinen antenni on ,·, edullinen ominaisuus. Erityisesti keksintö soveltuu käytettäväksi sellaisissa

* I

matkaviestimissä, jotka käyttävät kahta tai useampaa erillistä taajuusaluetta tai t · näiden taajuusalueiden yhdistelmiä. Esimerkkinä mainittakoon matkaviestin jossa on EGSM- (880-960 MHz), PCN- (DCS 1800, 1710-1880 MHz) sekä W-CDMA-25 järjestelmä (1920-2170 MHz), jolloin EGSM-järjestelmä toimisi keksinnön ' i t mukaisen antennirakenteen muodostamalla alemmalla taajuusalueella ja PCN- ; « · sekä W-CDMA-järjestelmä antennirakenteen muodostamalla ylemmällä taajuusalueella. Koska keksinnön mukaisessa antenniratkaisussa muodostuu leveä yhtenäinen taajuusalue, ei antenni tällöin ole kriittinen esimerkiksi t 30 ympäristön aiheuttamille taajuuden muutoksille. Lisäksi syntyy kustannussäästöjä * · · valmistuksen ja suunnittelun osalta, koska saman antennirakenteen soveltuessa useille eri taajuusalueille sitä voidaan valmistaa suurempia määriä, jolloin * * · , tuotantokustannukset pienenevät.

i · I

• · 13 113812

Keksinnön mukaisen antennirakenteen uran muotoilulla voidaan vaikuttaa mm.

antennin syötön sovitukseen, taajuuskaistan leveyteen, taajuusalueeseen ja hyötysuhteeseen sekä antennin sähköiseen pituuteen. Keksintö ei kuitenkaan rajoitu esitettyihin uran muotoihin, vaan ura voi olla myös muun muotoinen, 5 pituinen tai levyinen. Mainittu ura on aina sellainen osuus, joka ei ole sähköä johtavaa materiaalia. Ura voidaan toteuttaa esimerkiksi poistamalla säteilijästä uran muotoinen tasomainen säteilijän läpi ulottuva osuus sähköä johtavaa materiaalia. Mikäli säteilijä käsittää sähköä johtavan tasomaisen kerroksen lisäksi tasomaisen kerroksen eristemateriaalia säteilijän ja maatason välissä, voidaan 10 ura toteuttaa joko poistamalla uran muotoinen tasomainen osuus vain sähköä johtavaa materiaalia, tai poistamalla uran muotoinen tasomainen osuus sekä sähköä johtavaa materiaalia, että eristemateriaalia uran muodostavalta alueelta siten, että ura ulottuu mainittujen kummankin kerroksen läpi. Pienempi osuus, alle 50 %, uran oleellisesta pituudesta sekä uran pinta-alasta sijaitsee syöttö- ja 15 maapisteen väliin muodostettavan janan ja uran avoimen pään muodostavan reunan välisellä alueella ja vastaavasti suurempi osuus, yli 50 % uran oleellisesta pituudesta sekä uran pinta-alasta sijaitsee mainitun janan toisella puolella.

Edullisessa tapauksessa suurempi osuus uran oleellisesta pituudesta sekä uran pinta-alasta uran avoimen pään muodostavan reunan välisellä alueella on 20 suuruudeltaan aina moninkertainen uran pienempään osuuteen verrattuna.

,·. Keksinnön mukainen antennirakenne toimii toivotulla tavalla sitä paremmin, mitä • · · suurempi on edellä mainitun uran suuremman osuuden suhde mainittuun uran • · *. ·. pienempään osuuteen.

• · ;***: 25 Maatason koko suhteessa säteilijän kokoon ei ole rajoitettu mihinkään tiettyyn »I ♦ suhteeseen. Maataso voi olla samankokoinen tai suurempi kuin säteilijä, jolloin • * * säteilykuvio tyypillisesti painottuu poispäin maatasosta maatason sille puolelle, jolla säteilijä sijaitsee. Maataso voi olla myös säteilijää pienempi, jolloin antenni ‘ säteilee myös sivulle vapaassa tilassa säteilevän osuuden suuntaan sekä 30 maatason vastakkaiselle puolelle. Säteilijän tai maatason ei tarvitse olla • · · tasomaisia pintoja. Toinen niistä tai kumpikin voivat olla esimerkiksi kaarevia tai kaksoiskaarevia pintoja.

14 113812

Keksintö ei rajoitu myöskään mihinkään tiettyyn antennielementin toteutustapaan tai materiaaliin. Säteilijä ja maataso voidaan edullisesti muodostaa metallilevystä, kuten kuparilevystä tai esimerkiksi johtavalla kerroksella pinnoitetusta eristemateriaalista tai muista antennin rakentamiseen soveltuvista materiaaleista. 5 Säteilijän ja maatason välisenä eristekerroksena voidaan käyttää edullisesti ilmaa, mikäli säteilijä on toteutettu itsekantavana rakenteena. Lisäksi eristemateriaalina voidaan käyttää esimerkiksi piirilevyn runkomateriaalia, keraamista materiaalia tai jotakin muuta dielektristä materiaalia tai niiden yhdistelmää. Myöskään syöttö- ja maapisteen sijoittelua ja lukumäärää ei ole 10 rajoitettu edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan myös niiden lukumäärää ja sijaintia voi vaihdella antennirakenteen käyttötarkoituksen mukaisella tavalla.

Tässä on esitetty keksinnön toteutusta ja suoritusmuotoja esimerkkien avulla. Alan ammattimiehelle on ilmeistä, ettei keksintö rajoitu edellä esitettyjen 15 suoritusmuotojen yksityiskohtiin ja että keksintö voidaan toteuttaa muussakin muodossa poikkeamatta keksinnön tunnusmerkeistä. Esitettyjä suoritusmuotoja tulisi pitää valaisevina, muttei rajoittavina. Siten keksinnön toteutus- ja käyttömahdollisuuksia rajoittavatkin ainoastaan oheistetut patenttivaatimukset. Täten vaatimusten määrittelemät erilaiset keksinnön toteutusvaihtoehdot, myös 20 ekvivalenttiset toteutukset kuuluvat keksinnön piiriin.

* 1 • · ♦ · · ·

Claims (13)

1. Antennirakenne (200), joka käsittää maatason (120), säteilijän (110), joka säteilijä sijaitsee etäisyyden päässä maatasosta, eristekerroksen (129) 5 mainitun maatason ja mainitun säteilijän välissä, ainakin yhden syöttöpisteen (101) signaalin syöttämiseksi mainitulle säteilijälle, ja ainakin yhden maapisteen (102) säteilijän (110) maadoittamiseksi maatasoon (120), tunnettu siitä, että säteilijä (110) käsittää ainakin yhden uran (103), joka ura käsittää avoimen pään ja suljetun pään, ja joka ura (103) sijaitsee ainakin osaksi 10 mainitun ainakin yhden syöttöpisteen (101) ja mainitun ainakin yhden maapisteen (102) välissä siten, että mainitun syöttöpisteen ja mainitun maapisteen väliin muodostettavissa oleva jana leikkaa mainitun uran, jolloin pienempi osuus urasta muodostuu sille uran leikkaavan janan puolelle, jolla uran (103) avoin pää sijaitsee, ja suurempi osuus urasta muodostuu uran 15 leikkaavan janan vastakkaiselle puolelle, jolla sijaitsee uran (103) suljettu pää.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu ura (103) on toteutettu muodostamaan ainakin yhden resonanssitaajuuden ainakin yhden taajuuskaistan muodostamiseksi. 20

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu • · !“ ura jakaa antennirakenteen (200) syöttöpisteen puoleiseen haaraan ja maapisteen puoleiseen haaraan. • · • · ···. 25

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainitun uran (103) avoin pää sijaitsee siinä kohdassa säteilijää (110), jossa mainitun maapisteen puoleinen haara ja mainitun syöttöpisteen puoleinen haara ovat ;'": uran suuruisella etäisyydellä toisistaan. .·’··. 30

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu » uran (103) suljettu pää sijaitsee siinä kohdassa säteilijää (110), jossa mainitun ,.· maapisteen puoleinen haara ja mainitun syöttöpisteen puoleinen haara • · \ . yhdistyvät toisiinsa. 113812

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu säteilijä (110) käsittää tasomaisen pinnan.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu 5 säteilijä (110) käsittää kaarevan pinnan.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu säteilijä (110) käsittää lisäksi toisen uran (106) resonanssitaajuuden muodostamiseksi ainakin yhdelle taajuusalueelle. 10

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu ura (103, 106) on osuus joka ei ole sähköä johtavaa materiaalia.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainittu 15 eristekerros (129) on dielektristä ainetta.

11 .Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennirakenne, tunnettu siitä, että mainitut säteilijä (110) ja maataso (120) käsittää sähköä johtavaa materiaalia olevan kerroksen. 20

12. Radiolaite, käsittäen antennirakenteen (200) radiotaajuisen signaalin • · !** välittämiseksi, joka antennirakenne (200) edelleen käsittää maatason (120), säteilijän (110), joka säteilijä sijaitsee etäisyyden päässä maatasosta, ·/: eristekerroksen (129) mainitun maatason ja mainitun säteilijän välissä, ainakin /··’ 25 yhden syöttöpisteen (101) signaalin syöttämiseksi mainitulle säteilijälle, ainakin ···. yhden maapisteen (102) säteilijän (110) maadoittamiseksi maatasoon (120), tunnettu siitä, että säteilijä (110) käsittää ainakin yhden uran (103), joka ura ·". käsittää avoimen pään ja suljetun pään, ja joka ura (103) sijaitsee ainakin osaksi mainitun ainakin yhden syöttöpisteen (101) ja mainitun ainakin yhden 30 maapisteen (102) välissä siten, että mainitun syöttöpisteen ja mainitun ///,: maapisteen väliin muodostettavissa oleva jana leikkaa mainitun uran, jolloin pienempi osuus urasta muodostuu sille uran leikkaavan janan puolelle, jolla uran (103) avoin pää sijaitsee, ja suurempi osuus urasta muodostuu uran • ’* leikkaavan janan vastakkaiselle puolelle, jolla sijaitsee uran (103) suljettu pää. 17 113812

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen radiolaite, tunnettu siitä että mainittu radiolaite on matkaviestin. * t • t * 'MM > * · 113812