FI114260B - Radiolaitteen modulaarinen kytkentärakenne ja kannettava radiolaite - Google Patents

Description

114260

RADIOLAITTEEN MODULAARINEN KYTKENTÄRAKENNE JA KANNETTAVA RADIOLAITE

Esillä oleva keksintö liittyy radiolaitteen modulaariseen kytkentärakenteeseen, 5 jota käytetään RF-signaalien lähetyksessä ja/tai vastaanottossa. Keksintö liittyy myös kannettavaan radiolaitteeseen kuten matkapuhelimeen, joka sisältää RF-signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon käytettävän modulaarisen kytkentärakenteen.

10 Tyypillisen matkapuhelimen pienen antennielementin kaistanleveys esimerkiksi 900 MHz:n taajuusalueella on noin 10 %. Tällainen antennielementti säteilee vain vähäisen osan kokonaissäteilytehosta. Pääosan säteilystä aiheuttavat antennin matkapuhelimen runkoon tai piirilevyyn indusoimat virrat. Näin ollen antennielementtiä ei välttämättä tarvitse suunnitella säteileväksi. Tämä antaa 15 uusia mahdollisuuksia toteuttaa antenneja tai tarkemmin säteilijöitä erityisesti matkapuhelimiin ja muihin aallonpituuteen verrattuna pieniin radiolaitteisiin. Esillä oleva keksintö on modulaarista kytkentärakennetta hyödyntävä toteutusjärjestely.

20 Matkapuhelimen säteilymekanismien teoriaa kuvataan julkaisussa: P. Vainikainen, J. Ollikainen, O. Kivekäs, and I. Kelander, Effect of phone ; chassis on handset antenna performance, Helsinki University of Technology, \ : Radio Laboratory, Report S 240, (ISBN 951-22-4928-6), Espoo, Finland, March •·\ 2000, 13 p. Julkaisussa osoitetaan, että vaadittavan kaistanleveyden • 25 saavuttamisen kannalta tärkeintä on saada aikaan riittävän voimakas kytkentä matkapuhelinantennin ja matkapuhelimen rungon resonoivien aaltomuotojen . . välille. Tämä voidaan toteuttaa kytkeytymällä joko rungon aaltomuodon ; ” sähkökenttään, magneettikenttään tai molempiin. Koska kytkentä on tyypillisesti heikko ja kytkentärakenteen reaktiivisten ja resistiivisten elementtien määräämä 30 efektiivinen hyvyysluku tyypillisesti yli 20, kytkentärakenteen impedanssin ··. reaktiivinen osa on merkittävä ja täytyy eliminoida, jotta saavutetaan kunnollinen impedanssisovitus kytkentärakenteen ja radiolaitteen piiristön välille. Toinen ongelma on impedanssitaso, joka on joko hyvin korkea (kapasitiivinen kytkentä) tai matala (induktiivinen kytkentä) ja näin ollen vaatii 35 impedanssimuunnoksen. Perinteisesti nämä on saatu aikaan, ainakin osin tahattomasti, käyttämällä resonanssityyppisiä (self-resonant) antenneiksi suunniteltuja elementtejä.

2 114260

Matkapuhelimen sisään rakennettu ns. sisäinen antenni on esitetty esimerkiksi julkaisussa EP-A1-0 892 459. Kyseisessä julkaisussa EP-A1-0 892 459 esitetty rakenne on usealla taajuuskaistalla toimiva mikroliuska-antenni, joka koostuu maatasoon oikosuljetusta tasomaisesta antennielementistä. Tämäntyyppinen 5 järjestely ei ole optimaalinen, koska rakenteella ei pyritä kytkennän maksimointiin. Lisäksi reaktanssin eliminointi ja impedanssimuunnos suoritetaan kuten resonanssityyppisissä antenneissa, mikä johtaa suureen tilantarpeeseen pyrittäessä säteilyhyvyysluvun minimointiin. Tästä johtuen tunnettujen antennirakenteiden merkittävimmät heikkoudet ovat suuri koko ja 10 monimutkainen rakenne.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuottaa optimaalinen ratkaisu tietyn kaistanleveyden saavuttamiseksi rungon tai vastaavan maatason säteilyä hyödyntäen. Keksintö perustuu siihen, että kytkentä ja sovituspiiristö mitoitetaan 15 erikseen sekä sähköisesti (resistanssi ja reaktanssi) että mekaanisesti (koko, muoto ja paikka). Tämä voidaan toteuttaa erottamalla oleellisesti resonoimaton sähkömagneettinen kytkentärakenne, joka on oleellisesti joko sähköistä tai magneettista tyyppiä, ja resonanssityyppinen sovituspiiri, joka on toteutettu joko jakautuneella tai keskitetyllä suurtaajuuspiiriteknologialla ja jolla ei periaatteessa : 20 ole merkittävää kytkentää maatason tai rungon virtojen kanssa. Näin ollen esillä olevan keksinnön mukaiset rakenteet ovat tunnettuja siitä, että ne sisältävät , vähintään yhden oleellisesti resonoimattoman sähkömagneettisen kytkentäelimen, jolla signaalit kytketään radiolaitteen rungon (tai vastaavan maatason) aaltomuotoihin, ja vähintään yhden sovituselimen impedanssien ···. 25 sovittamiseksi siten, että rakenteiden kytkentä-ja sovitusominaisuudet voidaan mitoittaa erikseen.

• · • " Eräs esillä olevan keksinnön edullinen suoritusmuoto on tunnettu siitä, että • sovituselin muodostaa oleellisesti yksiulotteisen (1D) siirtojohtorakenteen tai : 30 keskitetyistä elementeistä koostuvan piirirakenteen ja kytkentäelin yhdessä rungon (tai vastaavan maatason) kanssa kolmiulotteisen (3D) • a a sähkömagneettisen rakenteen, jossa etenee yksi dominoiva ja useita muita aaltomuotoja.

35 Toinen esillä olevan keksinnön edullinen suoritusmuoto on tunnettu siitä, että kytkentäelin koostuu vähintään yhdestä kapasitiivisesta tai induktiivisesta elementistä, jonka sähkö- ja/tai magneettikentän suunta on yhtenevä vähintään 3 114260 yhden säteilevän maatason aaltomuodon sähkö- ja/tai magneettikentän suunnan kanssa.

Kolmas esillä olevan keksinnön edullinen suoritusmuoto on tunnettu siitä, että 5 maatason pinnalla tai pinnan lähellä oleva kytkentäelin on muodoltaan pinnan mukainen ja levymäinen, piikki tai usean rinnakkaisen piikin muodostama ryhmä, lenkki tai usean sarjaankytketyn lenkin muodostama kokonaisuus, tai aukko tai usean aukon muodostama ryhmä, tai vaihtoehtoisesti kytkentäelementti on toteutettu suoralla galvaanisella kytkennällä rungon 10 sähköisesti toisistaan erotettuihin osiin.

Neljäs esillä olevan keksinnön edullinen suoritusmuoto on tunnettu siitä, että sovituselin koostuu vähintään yhdestä suurtaajuuspiiristä, joka tuottaa vähähäviöisiä induktiivisia tai kapasitiivisia reaktansseja siten, että saavutetaan 15 haluttu impedanssisovitus radiolaitteen muun RF-piiristön kanssa.

Muita esillä olevan keksinnön edullisia suoritusmuotoja esitetään patenttivaatimuksissa.

20 Pienen kokonsa ansiosta sovituselin voidaan sijoittaa joustavasti joko radiolaitteen rungon sisään, esimerkiksi sen pääpiirilevylle. Se voidaan myös • · ; sijoittaa rungon päälle kytkentäelimen läheisyyteen tai tilanteesta riippuen osin ·. : tai kokonaan kytkentärakenteen sisään.

25 Esillä olevan keksinnön mukaisten rakenteiden kytkentä- ja sovitusominaisuudet voidaan optimoida erikseen ja siten minimoida rakenteiden koko, mikä on hyvin tärkeää erityisesti pienissä radiolaitteissa kuten ; matkapuhelimissa.

: 30 Esillä olevaa keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisesti esimerkkien avulla viitaten seuraaviin piirustuksiin:

Kuvat 1a, 1b ja 1c esittävät lohkokaavioita esillä olevan keksinnön mukaisten :: rakenteiden mahdollisista topologioista, 35

Kuva 2 esittää kapasitiivisen kytkentärakenteen sovitusjärjestelyn,

4 11426C

Kuva 3 esittää kuvan 2 mukaisen kompaktin kytkentäelinrakenteen prototyypin heijastuskertoimen taajuusvasteen,

Kuva 4 esittää toisen esimerkin 900 MHz:n taajuusalueelle tarkoitetusta 5 modulaarisesta kytkentärakenteesta matkapuhelimessa,

Kuva 5 esittää kuvan 4 mukaisen rakenteen heijastuskertoimen taajuusvasteen,

Kuva 6 esittää kuvan 4 mukaisen rakenteen säteilyhyötysuhteen 10 taajuusvasteen.

Modulaarisen kytkentärakenteen topologia esitetään kuvan 1 lohkokaaviossa.

Se koostuu ensi sijassa kolmesta lohkosta siten, että sovituspiiristö 1 edustaa yksiulotteista (1D) piiriteknologiaa ja kytkentäelementti 2 sekä rungon (tai 15 piirilevyn) aaltomuodot 3 yhdessä edustavat kolmiulotteista (3D) sähkömagneettista teknologiaa.

Kytkentäelementit voivat olla joko kapasitiivisia (levy, piikki, kapasitiivinen aukko), induktiivisia (silmukka, induktiivinen aukko) tai niiden yhdistelmiä siten, ]:*: 20 että niiden sähkö- ja/tai magneettikenttien suunnat ovat yhteneviä rungon aaltomuodon sähkö- ja/tai magneettikentän suunnan kanssa. Kytkentä ja kaistanleveys voidaan maksimoida sijoittamalla elementti asianmukaisesti ·. : aaltomuodon kentän maksimiin ja lisäämällä elementin (sähköistä) tilavuutta kasvattamalla kapasitiivisen levyn kokoa ja/tai etäisyyttä runkoon tai vastaavasti ··. 25 kasvattamalla silmukka- tai aukkoelementtien pinta-alaa tai lukumäärää.

Yleisellä tasolla kytkentärakenteiden suunnittelua on selostettu sähkömagneettisten aaltojohtojen kytkentätekniikoita käsittelevässä ” kirjallisuudessa. Näistä esimerkkinä voidaan mainita: R. E. Collin, Foundations • ·: for Microwave Engineering, McGraw-Hill Kogakusha, Tosho Printing Co., : 30 Tokyo, Japan, 1966, pp. 183-197.

• » *

Sovituspiiri voidaan toteuttaa millä tahansa tunnetulla ‘ suurtaajuuspiiriteknologialla kuten keskitetyillä elementeillä, mikroliuska- tai koaksiaalijohdoilla, joilla voidaan toteuttaa vähähäviöisiä induktiivisia tai 35 kapasitiivisia reaktansseja. Kuva 2 esittää kapasitiivisen levyelementin 5 sovituksen toteutuksen oikosuljetulla mikroliuskajohdolla 4. Sovitusrakenne voi koostua myös useammasta asteesta. Tällöin tunnettuja laajakaistasovituspiirien 5 114260 suunnitteluperiaatteita noudattaen voidaan saavuttaa suurempia kaistanleveyksiä. Sovitusrakenne voidaan sijoittaa esimerkiksi kytkentäelementin ja radiolaitteen rungon väliin koko rakenteen koon minimoimiseksi.

5

Kuvassa 2 Gr,Ch on pääasiassa laitteen runkovirtojen aiheuttama säteilykonduktanssi, Cc on kytkentäelementin 5 kapasitanssi, Zc, sreff ja tanö ovat sovituspiirissä käytettävän mikroliuskajohdon 4 parametreja. Mikroliuskajohdon kokonaispituus on d, ja nd määrää johdon syöttöpisteen 10 paikan ja siten myös sisäänmenoadmittanssin Yjn,m admittanssitason.

Kuvan 1 mukaisesti esillä olevan keksinnön mukainen modulaarinen järjestely mahdollistaa useiden pienten kytkentäelinten ja sovituspiirien käytön, jolloin saadaan aikaan useita erillisiä taajuuskaistoja kuten 15 taajuusdupleksijärjestelmissä käytetyt lähetys- ja vastaanottokaistat tai jopa useita osakaistoja eri taajuuskanaville. Tarvittaessa on myös mahdollista toteuttaa kytkentärakenteita kaksi- ja monitaajuusjärjestelmiin kuten GSM900/GSM1800, joissa käytetyt taajuuskaistat ovat tyypillisesti kauempana toisistaan kuin yllämainitut yksittäisen radiojärjestelmän lähetys- ja T: 20 vastaanottokaistat.

• t • · .·. Esillä olevan keksinnön mukaisesti kytkentäelementeissä voidaan käyttää ·.’ - viritettäviä (esim. sähköisesti viritettäviä) sovituspiirejä. Kuten kuvassa 1b • · esitetään, voidaan yhteen kytkentäelementtiyksikköön kytkeä useampia 25 sovituspiiriyksikköjä. Kuten kuvassa 1c esitetään, esillä olevan keksinnön ··’ mukaisesti voidaan yksi kytkentäelementti jakaa useaksi pienemmäksi elementiksi. Tällöin ne voidaan esimerkiksi sovittaa paremmin radiolaitteen : geometriaan. Tällainen joukko kytkentäelimiä on kytketty vähintään yhteen sovituspiiriyksikköön. Mikä tahansa kuvien 1b ja 1c mukaisten topologioiden : 30 yhdistelmä on myös mahdollinen.

< » ·

Modulaarisella kytkentäelementtijärjestelyllä voidaan toteuttaa merkittävästi :.v pienempiä rakenteita kuin esimerkiksi perinteiset sisäiset mikroliuskatyyppiset antennit tai PIFA:t (Planar Inverted F-Antenna). Tämä helpottaa esimerkiksi 35 tyypillisten moniantennijärjestelmien, kuten diversiteettijärjestelmien, toteutusta tilarajoitteisissa ympäristöissä kuten matkapuhelimissa.

6

11426C

Perinteiset sisäiset matkapuhelinantennit, kuten PIFA:t, vaativat tyypillisesti vähintään kaksi kontaktia laitteen piirilevyyn (syöttöpiikki ja oikosulku). Kun antenni korvataan kapasitiivisella modulaarisella kytkentärakenteella, kontaktien määrä voidaan vähentää yhteen, mikä tekee rakenteesta mekaanisesti 5 luotettavamman ja saattaa pienentää tuotantokustannuksia.

Esillä olevan keksinnön mukaisia rakenteita voidaan käyttää minimoimaan paikallisia SAR-arvoja (Specific Absorption Rate). Tämä johtuu siitä, että esim. kapasitiivisen kytkentäelementin impedanssi on korkea ja näin ollen virrat 10 rakenteessa pieniä. SAR voidaan minimoida myös suunnittelemalla suurella teholla syötettyjen kytkentäelementtien rakenne ja paikka sopivasti. Vastaavasti pienempitehoisten kytkentäelinten rakenne ja sijoittelu voidaan suunnitella vapaammin muiden näkökohtien pohjalta. Elementtien paikka ja tyyppi voidaan myös valita siten, että käyttäjän kehon vaikutus elementtien sovitukseen ja 15 hyötysuhteeseen minimoituu. On esimerkiksi hyvin tunnettua, että dielektrisen kuormituksen vaikutus on suurempi kapasitiivisiin elementteihin kuin induktiivisiin.

Esimerkki 1 *« « . ·' ·· 20 j\j Käytännön esimerkkinä kuvassa 3 esitetään kuvan 2 kaltaisen rakenteen mitattu heijastuskerroin (pin,m kuvassa 2, S11 kuvassa 3) taajuuden funktiona. Runkolevyn koko on 100 mm x 40 mm (pituus x leveys). Kytkentäelementin , ··. koko on 20 mm x 20 mm x 4 mm (pituus x leveys x korkeus). Mitattu , ··. 25 impedanssikaistanleveys (Lretn ^ 6 dB) on Br = 7.6 % (86 MHz) keskitaajuudella fc= 1.13 GHz.

* * · , / Esimerkki 2 : 30 Kuva 4 esittää toisen esimerkin hyvin kompaktista (tilavuus 1.6 cm3) * * · : modulaarisesta kytkentärakenteesta 900 MHz:n GSM matkapuhelimen 6 (katkoviivat) sisällä. Elementin 9 koko on 20 mm x 10 mm x 8 mm (pituus x leveys x korkeus) ja matkapuhelimen rungon 7 koko on 110 mm x 40 mm ’*··* (pituus x leveys). Sovituspiiri 8 on sijoitettu rungon 7 ja kapasitiivisen levyn 9 35 väliin käytetyn tilan minimoimiseksi. Simuloitu heijastuskerroin (Su) ja säteilyhyötysuhde esitetään kuvissa 5 ja 6, vastaavasti. Tulosten mukaan rakenne soveltuu matkapuhelinkäyttöön. Impedanssikaistanleveys (Lretn ^ 6 dB)

7 11426C

on Br = 9.4 % (88 MHz) keskitaajuudella fc = 933 MHz. Rakenteella on vapaassa tilassa korkea säteilyhyötysuhde (>90%) GSM900-järjestelmän taajuusalueella. Sen säteilykuvio on dipolin säteilykuvion kaltainen ja sopiva matkapuhelinkäyttöön.

5

Maataso voi sisältää esimerkiksi matkapuhelimen rungon, piirilevyn tai muita mahdollisia metallirakenteita.

Alan ammattilaiselle on selvää, että keksinnön erilaiset toteutusmuodot eivät 10 rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan niitä voidaan muunnella monin eri tavoin oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen mukaisesti.

• 1 · 1 » i » · ' » · • · *

Claims (13)

1. Radiolaitteen (6) modulaarinen kytkentärakenne RF-signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon, tunnettu siitä, että se koostuu vähintään yhdestä 5 olennaisesti resonoimattomasta sähkömagneettisesta kytkentäelimestä (2,5,9), jolla kytketään signaaleita laitteen maatason (7) aaltomuotoihin, ja vähintään yhdestä impedanssisovitukseen käytetystä sovituselimestä (1,4,8) siten, että rakenteen kytkentä- ja sovitusominaisuudet voidaan mitoittaa erikseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituselin (8) muodostaa oleellisesti yksiulotteisen (1D) siirtojohto- tai keskitetyistä elementeistä koostuvan piirirakenteen, ja kytkentäelin (9) yhdessä maatason kanssa kolmiulotteisen (3D) sähkömagneettisen rakenteen, jossa etenee yksi dominoiva ja useita muita aaltomuotoja. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että kytkentäelin (5,9) koostuu vähintään yhdestä kapasitiivisesta tai induktiivisesta elementistä, jonka sähkö- tai magneettikentän suunta on yhtenevä vähintään yhden säteilevän maatason aaltomuodon sähkö- tai 20 magneettikentän suunnan kanssa.

: ; 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu : ‘ ; siitä, että maatason pinnalla tai pinnan lähellä oleva kytkentäelin on muodoltaan » « : pinnan mukainen ja levymäinen (5,9), piikki tai usean rinnakkaisen piikin .·, · 25 muodostama ryhmä, lenkki tai usean sarjaankytketyn lenkin muodostama • I kokonaisuus, aukko tai usean aukon muodostama ryhmä, tai vaihtoehtoisesti ;; kytkentäelementti on toteutettu suoralla galvaanisella kytkennällä rungon ‘ sähköisesti toisistaan erotettuihin osiin. • : 30

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituselin koostuu (4,8) vähintään yhdestä suurtaajuuspiiristä, joka j tuottaa vähähäviöisiä induktiivisia tai kapasitiivisia reaktansseja siten, että !··.’ saavutetaan haluttu impedanssisovitus radiolaitteen (6) muun RF-piiristön kanssa. * ·»* • » 9 11426C

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituselin on osittain tai kokonaan radiolaitteen rungon sisällä, esimerkiksi pääpiirilevyllä. 5

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituselin on osittain tai kokonaan radiolaitteen rungon päällä lähellä kytkentäelintä.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituselin on osittain tai kokonaan kytkentäelimen sisällä.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen modulaarinen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että sovituspiiristö on viritettävä, esimerkiksi sähköisesti viritettävä. 15

10. Radiolaite (6), kuten matkapuhelin, joka sisältää modulaarisen kytkentära-kenteen RF-signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon, tunnettu siitä, että se koostuu vähintään yhdestä olennaisesti resonoimattomasta sähkömagneettisesta kytkentäelimestä (2,5,9), jolla kytketään signaaleita laitteen maatason (7) 20 aaltomuotoihin, ja vähintään yhdestä impedanssisovitukseen käytetystä sovi-tuselimestä (1,4,8) siten, että rakenteen kytkentä-ja sovitusominaisuudet voi-daan mitoittaa erikseen.

• | : . , 11. Radiolaite (6), kuten matkapuhelin, joka sisältää yhden tai useamman an- 2. tennirakenteen, joita käytetään diversiteettilähetykseen ja/tai vastaanottoon tai • I t adaptiivisina antennirakenteina, ja joista vähintään yksi on toteutettu RF-;:; ’ signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon käytettynä modulaarisena kytkentä- *·· rakenteena, tunnettu siitä, että se koostuu vähintään yhdestä olennaisesti re sonoimattomasta sähkömagneettisesta kytkentäelimestä (2,5,9), jolla kytketään ! ’ : 30 signaaleita laitteen maatason (7) aaltomuotoihin, ja vähintään yhdestä impe- danssisovitukseen käytetystä sovituselimestä (1,4,8) siten, että rakenteen kyt-: . ·. kentä- ja sovitusominaisuudet voidaan mitoittaa erikseen.

* · ’·’ 12. Radiolaite (6), kuten matkapuhelin, jolla on tietyt SAR-arvot (Specific ..!: ’ 35 Absorption Rate) ja joka sisältää modulaarisen kytkentärakenteen RF- signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon, tunnettu siitä, että se koostuu vähintään yhdestä olennaisesti resonoimattomasta sähkömagneettisesta kytken- 11426C täelimestä (2,5,9), jolla kytketään signaaleita laitteen maatason (7) aaltomuotoihin, ja vähintään yhdestä impedanssisovitukseen käytetystä sovituselimestä (1,4,8) siten, että rakenteen kytkentä- ja sovitusominaisuudet voidaan mitoittaa erikseen ja että suurella teholla syötettyjen kytkentärakenteiden paikka ja/tai 5 rakenne voidaan suunnitella siten, että SAR-arvot minimoituvat.

13. Radiolaite (6), kuten matkapuhelin, jota pidetään käyttäjän kehon lähellä ainakin osan toiminta-ajasta ja joka sisältää modulaarisen kytkentärakenteen RF-signaalien lähetykseen ja/tai vastaanottoon, tunnettu siitä, että se koostuu 10 vähintään yhdestä olennaisesti resonoimattomasta sähkömagneettisesta kyt-kentäelimestä (2,5,9), jolla kytketään signaaleita laitteen maatason (7) aaltomuotoihin, ja vähintään yhdestä impedanssisovitukseen käytetystä sovituseli-mestä (1,4,8) siten, että rakenteen kytkentä- ja sovitusominaisuudet voidaan mitoittaa erikseen ja että käyttäjän kehon vaikutus kytkentärakenteen sovituk-15 seen ja laitteen hyötysuhteeseen voidaan minimoida. t > 1 t 11 11426C