FI118403B

FI118403B - Dielektrinen antenni

Info

Publication number: FI118403B
Application number: FI20011148A
Authority: FI
Inventors: Outi Kivekaes; Jani Ollikainen; Jaakko Juntunen; Pertti Vainikainen
Original assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2007-10-31
Also published as: DE60211069D1; DE60211069T2; US6903692B2; CN1270407C; FI20011148A0; CN1389954A; US20020180646A1; ATE325439T1; FI20011148A; EP1271691A3; EP1271691B1; EP1271691A2

Description

118403

Dielektrinen antenni

Keksintö koskee erityisesti kannettaviin radiolaitteisiin sopivaa dielektristä anten-nirakennetta.

Dielektrisellä antennilla tarkoitetaan resonaattoria, johon keskeisesti kuuluva di-5 elektrinen kappale on usealta sivultaan avoin siten, että sähkömagneettinen energia pääsee säteilemään ympäristöön rakenteen resonoidessa. Dielektriset antennit ovat edullisia hyvin suurilla taajuuksilla, koska johdehäviöt ovat niissä pieniä. Lisäksi ne ovat pienikokoisia verrattuna muihin rakenteisiin, joilla on samanlaiset sähköiset ominaisuudet.

10 Sähkömagneettisen energian syöttö dielektriseen antenniin voidaan järjestää usealla tavalla. Lyhyen koaksiaalisen syöttöjohdon sisäjohdin voidaan ulottaa dielektrisen kappaleen sisälle. Haittana on tällöin, että pienetkin syöttöjohtimen ja dielektrisen massan väliin jäävät ilmaraot voivat muuttaa merkittävästi antennin resonanssitaa-juutta ja kaistanleveyttä. Syöttöön voidaan käyttää aaltoputken avointa päätä tai 15 muuta aukkosäteilijää. Näiden haittana on rakenteen suhteellinen mutkikkuus ja tästä johtuvat tuotantokustannukset. Syöttöjohtona voidaan käyttää myös siirtolin-jaa, joka muodostuu piirilevyllä olevasta mikroliuskasta ja piirilevyn vastakkaisella puolella olevasta maatasosta siten, että mikroliuska ulottuu piirilevyllä olevan dielektrisen kappaleen alle. Tässäkin ovat haittana mikroliuskan ja dielektrisen kap-. . 20 paleen väliin helposti jäävät pienet ilmaraot.

t · i » · • · ··· Muun muassa artikkelista "Use of parasitic strip to produce circular polarisation and

·:··: increas-ed bandwidth for cylindrical dielectric resonator antenna" (ELECTRONICS

LETTERS 29th March 2001, Vol.37, No.7) tunnetaan dielektrisen antennin syöttöjärjes- tely, jossa syöttöön käytettävä mikroliuska on suoraan dielektrisen kappaleen pin- ... 25 nalla. Kuva 1 esittää tätä ratkaisua. Siinä on piirilevy 110, jonka yläpinnalla on joh- *** tava maataso GND. Piirilevyn päällä on lieriömäinen dielektrinen kappale 120 toinen pohja maatasoa vasten. Dielektrisen materiaalin dielektrisyysvakio on esi- ** * merkiksi 13. Syöttöliuska 131 on lieriön akselin suuntaisena tiiviisti dielektrisen #« *...: kappaleen sivupinnalla. Osat on mitoitettu niin, että kun syöttöliuska kytketään . .*. 30 määrätyn taajuiseen lähteeseen, dielektrisessä kappaleessa syntyy resonanssi, ja ra- #· ,···. kenne toimii säteilijänä. Dielektrisen kappaleen sivupinnalla on lisäksi parasiittinen *" toinen mikroliuska 132, joka on kuvassa alapäästään kytketty maatasoon. Toisen ...i mikroliuskan vaikutuksesta rakenteelle saadaan toinen resonanssitaajuus, joka voi- • mm daan järjestää suhteellisen lähelle edellä mainitun resonanssin taajuutta tai kauem- 1 mas tästä niin, että vastaavat kaistat ovat erillisiä.

118403 2

Yhteisenä haittana tunnetuilla dielektrisillä antenneilla on suhteellisen pieni kaistanleveys. Kuvan 1 mukaisessa rakenteessa kaistanleveyttä voidaan suurentaa toisen mikroliuskan avulla, mutta käytännössä suhteellinen kaistanleveys ei nouse paljoa yli kymmenen prosentin.

5 Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. Keksinnön mukaiselle dielektriselle antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Dielektrisen antennin syöttöjohdin muotoillaan 10 siten, että se samalla itsessään toimii säteilijänä samalla taajuusalueella kuin di-elektrinen resonaattori. Syöttöjohtimen ja dielektrisen kappaleen resonanssitaa-juudet jäljestetään edullisesti niin lähelle toisiaan, että muodostuu yhtenäinen toi-mintakaista. Syöttöjohdin sijoitetaan edullisesti dielektrisen kappaleen pinnalle. Rakenteeseen voi lisäksi kuulua parasiittisia johteita.

15 Keksinnön etuna on, että sen mukaiselle antennille saadaan suurempi kaistanleveys verrattuna vastaaviin tekniikan tason mukaisiin antenneihin. Lisäksi keksinnön mukaisen rakenteen etuna on, että siinä vältetään syöttöjohtimen ja dielektrisen kappaleen väliset ilmaraot ja tästä seuraavat sähköisten ominaisuuksien muuttuminen. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen rakenne on yksinkertainen ja tuo-. , 20 tantokustannukset ovat suhteellisen pienet.

i · » • ♦ t<*l· Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan ohei- *:*·; siin piirustuksiin, j oissa f kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta dielektrisestä antennista, • · :***: kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta dielektrisestä antennista,

«M

, 25 kuva 3 esittää esimerkkiä kuvan 2 mukaisen antennin kaistaominaisuudesta, m * ” ’: kuva 4 esittää esimerkkiä kuvan 2 mukaisen antennin heijastuskertoimesta, « kuva 5a esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta dielektrisestä antennista, «n • · kuva 5b esittää kuvan 5a antennia piirilevystä irrotettuna, ·»· ♦ ··* ·**’: kuva 6 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennista, ··# 1 kuva 7 esittää neljättä esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennista, 3 118403 kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta laitteesta.

Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antenniraken-teeseen 200 kuuluu piirilevyn 210 yläpinnalla oleva maataso GND ja piirilevyn 5 päällä, sen kulmauksessa oleva suorakulmaisen särmiön muotoinen dielektrinen kappale 220. Dielektrinen kappale yhdessä maatason kanssa muodostaa dielektrisen resonaattorin. Dielektrisen kappaleen ensimmäinen sivupinta 221, joka on piirilevyn 210 mainitun kulmauksen muodostavista reunoista ensimmäisen reunan El suuntainen, mutta vastakkainen reunaan El rajoittuvalle ja maatasoon GND nähden koh-10 tisuoralle sivupinnalle, on tässä esimerkissä päällystetty maatasoon yhdistetyllä joh-dekerroksella. Samoin dielektrisen kappaleen toinen sivupinta 222, joka on piirilevyn 210 mainitun kulmauksen muodostavista reunoista toisen reunan E2 suuntainen, mutta vastakkainen reunaan E2 rajoittuvalle ja maatasoon GND nähden kohtisuoralle sivupinnalle, on päällystetty maatasoon yhdistetyllä johdekerroksella. 15 Dielektriseen kappaleeseen värähtelytilassa muodostuva sähkökentän muoto on tällöin samantapainen kuin olisi kappaleella, joka on mainitusta kulmauksesta johtavien sivupintojen suuntaan katsottuna laajempi ja jolla ei ole johtavia sivupintoja. Tämä merkitsee, että johtavien sivupintojen avulla tietyllä taajuudella värähtelevän resonaattorin kokoa saadaan pienennetyksi.

. . 20 Antennin syöttöjohdin 231 on kuvan 2 esimerkissä liuskamainen johdin dielektrisen * kappaleen 220 yläpinnalla 223. Syöttöjohtimen alkupää, joka on yläpinnan toisen * · * “·* sivupinnan 222 puoleisessa päädyssä, on kytketty antenniporttiin (joka ei näy ku- * * vassa) välijohtimella 235. Syöttöjohtimessa on tässä esimerkissä neljä suorakul- maista mutkaa siten, että syntyy yhdeltä kulmalta avointa kehää muistuttava kuvio. 25 Olennaista on syöttöjohtimen sähköinen pituus. Keksinnön mukaisesti tämä on järjestetty sellaiseksi, että syöttöjohtimen resonanssitaajuus sijaintiympäristössään on suhteellisen lähellä dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuutta siten, että näitä kahta resonanssitaajuutta vastaavat taajuuskaistat muodostavat yhtenäisen toiminta-.···. kaistan. Kaksoisresonanssilla muodostetun kaistan leveys on tietenkin suurempi “·’ 30 kuin pelkän dielektrisen resonaattorin kaistanleveys yksinään.

• · · • * *

• M

;**·. Kappaleen "alapinta" tarkoittaa tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa kappa- • * · ·. leen sitä pintaa, joka on piirilevyä vasten. Vastaavasti kappaleen "yläpinta" tarkoit- • « » •••j taa kappaleen alapintaan nähden vastakkaista pintaa. Edelleen kappaleen "sivupin- ta" tarkoittaa alapinnan ja yläpinnan välistä pintaa. Termeillä "ala-", "ylä-" ja 35 "sivupinta" ei siis ole tekemistä laitteen käyttöasennon kanssa.

4 118403

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin taajuusominaisuuksista. Tulos pätee kuvassa 2 esitetylle rakenteelle, kun maataso GND ei ulotu dielektrisen kappaleen 220 alle. Kuvassa on taajuuden funktiona heijastuskertoimen Sll kuvaaja 31. Taajuuksien 2,2 GHz ja 2,3 GHz välillä on resonanssihuippu, jonka ai-5 heuttaa dielektrinen resonaattori. Taajuuden 2,5 GHz paikkeilla on toinen resonanssihuippu, jonka aiheuttaa syöttöjohdin. Kuvaajasta nähdään, että käytettäessä kaistan rajan kriteerinä heijastuskertoimen arvoa -6 dB antennin toimintakaista on noin 2,00 GHz - 2,66 GHz. Kaistanleveys B on siis absoluuttisena 660 MHz ja suhteellisena 28 %. Tämä on pyöreästi kaksinkertainen verrattuna siihen, mihin 10 päästään vastaavilla tunnetuilla antenneilla.

Kuvassa 4 on esitetty saman antennin, jota kuva 3 koski, sovituksen hyvyyttä Smithin diagrammilla. Kuvaaja 41 näyttää kompleksisen heijastuskertoimen muuttumisen taajuuden funktiona. Katkoviivalla piirretty ympyrä 42 näyttää rajan, jonka sisäpuolella heijastuskertoimen itseisarvo on pienempi kuin 0,5 eli -6 dB. Kuvaa-15 jasta 41 nähdään, että kyseinen antennirakenne on vielä parannettavissa. Optimaalinen tilanne kaistanleveyden kannalta on, että heijastuskertoimen kuvaajassa oleva silmukka on kokonaan ympyrän 42 sisällä.

Kuvat 3 ja 4 esittävät mittaustuloksia. Simuloimalla saadut säteilykuviot osoittavat kyseisen esimerkkirakenteen sopivan suuntaominaisuuksien puolesta hyvin radio-20 laitteisiin, joiden asento vaihtelee sattumanvaraisesti.

• · • · • · · * I Kuvissa 5 a ja b on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Ku- • · · •••\ vassa 5a on perspektiiviesitys antennista. Antennirakenteeseen 500 kuuluu nytkin ] piirilevyn 510 yläpinnalla oleva maataso GND ja piirilevyn päällä, sen kulmauk- sessa oleva suorakulmaisen särmiön muotoinen dielektrinen kappale 520. Dielek-25 toisessa kappaleessa on päällystetty maahan yhdistetyllä johdemateriaalilla samat kaksi sivupintaa kuin kuvan 2 rakenteessa. Erona kuvaan 2 on, että dielektrisen kappaleen yläpinnalla 523 ei ole dielektrisen resonaattorin syöttöjohdinta. Syöttöjohdin 531 on sen sijaan tässä esimerkissä dielektrisen kappaleen alapinnalla. Tämä ilme-.···. nee kuvasta 5b, jossa dielektrinen kappale 520 on irrotettu piirilevystä 510 ja ’·* 30 käännetty ympäri niin, että alapinta on näkyvissä. Syöttöjohdin, joka siis keksinnön mukaisesti toimii myös säteilevänä resonaattorina, muodostaa nyt dielektrisen kap- ·«· paleen pituussuuntaisen meander-kuvion. Meander-kuvion toisessa päässä on syöt- töä varten kosketuspinta F2. Tämä sattuu dielektrisen kappaleen paikallaan ollessa /·, piirilevyn läpi ulottuvaan syöttönastaan Fl. (Tässä selostuksessa puhutaan lyhyyden • · 35 vuoksi vain antennin syötöstä. Antenni on luonnollisesti kaksisuuntainen, jolloin syöttönasta on myös vastaanottonasta.) 5 118403

Dielektrisen kappaleen 520 alapinnalla on tässä esimerkissä lisäksi parasiittinen johde 532. Tämän toinen pää sattuu dielektrisen kappaleen paikallaan ollessa piirilevyn maatasossa olevaan ulokkeeseen siten, että kyseinen parasiittielementin toinen pää kytkeytyy maahan.

5 Kuvassa 6 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antenni-rakenteeseen 600 kuuluu maataso GND ja dielektrinen kappale 620. Dielektrisessä kappaleessa on päällystetty maahan yhdistetyllä johdemateriaalilla vastaavat kaksi sivupintaa 621 ja 622 kuin kuvan 2 rakenteessa. Erona kuvien 2 ja 5a,b rakenteisiin on, että antennin syöttöjohdin 631 on nyt dielektrisen kappaleen päällystämättömillä 10 sivupinnoilla. Syöttöjohtimen, joka keksinnön mukaisesti on samalla säteilevä johdin, alkuosa on tässä esimerkissä toisen sivupinnan 622 vastakkaisella pinnalla ja loppuosa ensimmäisen sivupinnan 621 vastakkaisella pinnalla.

Kuvassa 7 on neljäs esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antennira-kenteeseen 700 kuuluu maataso GND ja dielektrinen kappale 720. Dielektrisessä 15 kappaleessa on päällystetty maahan yhdistetyllä johdemateriaalilla vastaavat kaksi sivupintaa 721 ja 722 kuin kuvan 2 rakenteessa sillä erolla, että ensimmäinen sivupinta 721 on päällystetty vain osittain. Syöttöjohdin 731, joka keksinnön mukaisesti on samalla säteilevä johdin, sijaitsee tässä esimerkissä ensimmäisen sivupinnan 721 päällystämättömällä osalla.

. . 20 Kuvassa 8 on radiolaite MS, esimerkiksi matkapuhelin. Radiolaitteen sisällä on pii- Λ · *·1·’ rilevy 810, jonka yläpinta on ainakin suureksi osaksi maatasoa. Piirilevyn nurkassa • · » ····1 on keksinnön mukainen dielektrinen antenni 800.

· · 9 « • ·

Edellä on kuvattu keksinnön mukaisia antennirakenteita. Antennirakenne voi poi- ketä kuvatuista. Dielektrisen kappaleen muoto samoin kuin syöttöjohtimen muoto ..... 25 voivat vaihdella suuresti. Syöttöjohtimen kiinnitys dielektrisen kappaleen pinnalle • · “1 voidaan tehdä eri tavoin, johdin voi olla esimerkiksi liimautuvaa ja johtavaa muo via. Syöttöjohdin voidaan muodostaa myös dielektrisen kappaleen sisälle tämän val-| 1 mistusvaiheessa. Keksintö ei rajoita muutenkaan antennin valmistustapaa. Keksin- nollista ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 aset- ; ;·. 30 tamissa rajoissa.

* · » • · · * · * · • · 1 * « · « * · 1 « · · • 1 • · • · ·

Claims

118403

1. Dielektrinen antenni, joka käsittää avoimen dielektrisen resonaattorin, jossa on dielektrinen kappale ja maataso, sekä syöttöjohtimen sähkömagneettisen kentän johtamiseksi dielektriseen resonaattoriin, tunnettu siitä, että mainittu syöttöjohdin 5 (231, 531, 631, 731) on lisäksi järjestetty resonoimaan mainitun antennin käyt- tökaistalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainitun dielektrisen kappaleen sivupinnat on osaksi päällystetty maatasoon galvaanisesti yhdistetyllä johdekerroksella.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohtimen resonanssitaajuutta ja dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuutta vastaavat taajuuskaistat muodostavat antennille yhtenäisen toimintakaistan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohtimen resonanssitaajuutta ja dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuutta vastaavat taa- 15 juuskaistat muodostavat antennille kaksi erillistä toimintakaistaa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohdin (231) on mainitun dielektrisen kappaleen (220) yläpinnalla. .v.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohdin • · « ^ (531) on mainitun dielektrisen kappaleen (520) alapinnalla. * • « · · *:·*: 20

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohdin *: * ·: (631) on mainitun dielektrisen kappaleen (620) ainakin yhdellä sivupinnalla.

..." 8. . Patenttivaatimuksen 7 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu ainakin • · *···* yksi sivupinta (721) on osittain päällystetty maatasoon galvaanisesti yhdistetyllä johdekerroksella. • · · • · · • · · · .***. 25

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohdin on ·, mainitun dielektrisen kappaleen sisällä.

• · · • · · * *"*: 10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöjohdin on • · » \# liuskajohdin.

• · · · "**: 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu lius- 30 kajohdin on meander-elementti (531, 731). , 118403

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi ainakin yhden parasiittisen johde-elementin (532).

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu lius-kajohdin on johtavaa muovia.

14. Radiolaite (MS), johon kuuluu dielektrinen antenni (800), joka käsittää avoi men dielektrisen resonaattorin ja syöttöjohtimen sähkömagneettisen kentän johtamiseksi dielektriseen resonaattoriin, tunnettu siitä, että mainittu syöttöjohdin on lisäksi järjestetty resonoimaan mainitun antennin käyttökaistalla.