FI121520B - Sisäinen monopoliantenni - Google Patents

Description

Sisäinen monopoliantenni

Keksintö koskee radiolaitteen sisäistä monopoliantennia, jossa on järjestely sen ominaisuuksien parantamiseksi. Antenni on tarkoitettu erityisesti pieniin ja litteisiin radiolaitteisiin, joilla on useampi toimintakaista.

5 Pienikokoisten kannettavien radiolaitteiden, kuten matkapuhelimien sisäinen antenni on yleisimmin tasorakenteinen siten, että siihen kuuluu säteilevä taso ja maataso. Kelvollisten sähköisten ominaisuuksien saavuttamiseksi näiden tasojen etäisyyden toisistaan on oltava ainakin lähes senttimetri. Tämä johtaa vaikeuksiin antennin suunnittelussa laitteen ollessa suhteellisen litteä, kuten ovat sellaisen 10 kaksiosaisen viestimen osat, jotka ovat käyttötilanteesta riippuen joko päällekkäin tai peräkkäin toistensa jatkona. Niinpä tällaisissa viestimissä käytetäänkin yleisesti monopoli-tyyppistä antennia, joka ei vaadi sellaista tilaa kuin edellä mainittu taso-antenni.

Kuvassa 1 on hakemusjulkaisusta Fl 20022295 tunnettu laitteen sisäinen mono-15 poliantenni. Kuvassa näkyy radiolaitteen piirilevy PCB, jonka yläpinta on suureksi osaksi johtavaa maatasoa GND. Piirilevyn toisessa päässä on pieni, pitkulaisen suorakulmion muotoinen antennipiirilevy 101, joka on tuettu piirilevyyn PCB toinen pitkä sivu tätä vasten niin, että mainitut piirilevyt ovat suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Antennin säteilevä elementti eli säteilijä on antennipiirilevyllä oleva johde-20 liuska 110, jonka syöttöpiste FP on antennipiirilevyn 101 alakulmassa. Siitä johde-liuska 110 etenee antennipiirilevyn alareunassa sen toiseen päähän, sitten keskellä antennipiirilevyä takaisin syöttöpisteen puoleiseen päähän ja edelleen antenni-piirilevyn yläreunassa jälleen sen toiseen päähän. Näin säteilevä elementti muodostaa meander-kuvion, joka muistuttaa hyvin leveää ja matalaa S-kirjainta. Maa-25 tason GND reuna on antennin sovituksen kannalta sopivalla etäisyydellä säteilijästä 110. Diskreettejä virityskomponentteja käyttämällä voidaan antennin perusreso-nanssitaajuuden harmoninen järjestää niin, että antennille saadaan kaksi käyttökelpoista toimintakaistaa. Ylempää toimintakaistaa on lisäksi mahdollista leventää mitoittamalla johdeliuskan 110 osuuksien välinen rako niin, että siinä herää väräh-30 tely, jonka taajuus poikkeaa jonkin verran edellä mainitusta harmonisesta reso-nanssitaajuudesta. Rakenne on tilaa säästävä, ja sen antennivahvistus on suurempi kuin esimerkiksi samankorkuisen PIFAn (Planar Inverted F-Antenna). Antennipiirilevyn korkeus on kuitenkin haittana hyvin litteiden radiolaitteiden tapauksessa. Lisäksi antennin suuntakuvion tasaisuudessa on toivomisen varaa.

2

Kuvassa 2 on toinen esimerkki tunnetusta laitteen sisäisestä monopoliantennista. Antennin 200 säteilijä 210 on tässä tapauksessa johdelevy. Säteilijä on kiinnitetty radiolaitteen piirilevyn PCB päähän niin, että sen tasopinta on osaksi piirilevyn yläpintaa vasten. Yhtenäistä signaalimaata GND on piirilevyllä tietyllä etäisyydellä 5 säteilijästä 210. Antennin syöttöjohdin 205 kytkee säteilijän syöttöpisteestä FP piirilevyn PCB alapinnalla olevaan antenniporttiin. Säteilijässä on sen eräästä reunasta alkava rako 215, joka jakaa säteilijän syöttöpisteestä FP katsottuna kahteen eripituiseen haaraan. Antenni 200 on tämän vuoksi kaksikaistainen. Säteilijän pitempi haara 211 mitoitetaan niin, että se säteilee antennin alemmalla toimintakais-10 talla, ja lyhyempi haara 212 mitoitetaan niin, että se säteilee antennin ylemmällä toimintakaistalla. Näin saadaan litteään radiolaitteeseen mahtuva antenni, joka toimii esimerkiksi GSM900-järjestelmän (Global System for Mobile telecommunications) ja GSM1800- tai GSM1900-järjestelmän käyttämillä taajuusalueilla. Kuitenkin kaistanleveydet ovat suhteellisen vaatimattomat, esimerkiksi ylempää 15 kaistaa ei saada kattamaan sekä GSM1800- että GSM1900-järjestelmän käyttämiä taajuusalueita. Lisäksi on vaikeaa saada antennivahvistus tyydyttäväksi koko toimintataajuusalueella.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. Keksinnön mukaiselle antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä 20 patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Radiolaitteen sisäiseen antenniin kuuluu tasomainen monopolisäteilijä eli tasoelementti sekä apuelementti, joka sijaitsee ta-soelementin kohdalla tämän normaalin suunnassa katsottuna. Apuelementti voi ol-25 la pelkkä johdeliuska tai johteella osittain pinnoitettu keraamilevy. Apuelementin johde on kytketty maahan pisteessä, joka on suhteellisen lähellä tasoelementin syöttöpistettä. Tasoelementti voidaan muotoilla kahden toimintakaistan muodostamiseksi antennille.

Keksinnön etuna on, että sen mukaisella apuelementillä voidaan suurentaa sisäi-30 sen monopoliantennin kaistanleveyttä. Tämä johtuu siitä, että apuelementti voidaan mitoittaa toimimaan apusäteilijänä taajuudella, joka on lähellä esimerkiksi pääsäteilijänä toimivan tasoelementin ylempää resonanssitaajuutta. Lisäksi keksinnön etuna on, että sen mukaisella apuelementillä voidaan parantaa antennin ympärisäteilevyyttä horisontaalitasossa antennin tasoelementin ollessa pystysuun-35 täinen siten, että radiolaitteen maataso jää sen alapuolelle. Edelleen keksinnön etuna on, että sisäisen monopoliantennin hyötysuhdetta ja siten antennivahvistus- 3 ta voidaan parantaa ainakin osassa toimintataajuusaluetta. Tämä johtuu siitä, että apuelementti muodostaa suojaa pääsäteilijän ja radiolaitteen muiden johtavien osien välille.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan 5 oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista, kuva 2 esittää toista esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista, 10 kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista, kuvat 4a,b esittävät kuvan 3 antennin tasoelementtiä ja apuelementtiä, kuvat 5a-c esittävät toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista, 15 kuva 6 esittää muunnosta kuvan 3 mukaisesta antennista, kuva 7 esittää muunnosta kuvien 5 a-c mukaisesta antennista, kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön vaikutuksesta antennin suuntaominai-suuksiinja kuva 9 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksis- 20 ta.

Kuvat 1 ja 2 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista. Antennin 300 pääsäteilijä 310 on samanlainen tasoelementti radiolaitteen piirilevyn PCB päässä kuin kuvan 2 säteilijä 210. Esimerkissä tasoelementti 25 menee pitkältä sivultaan hiukan piirilevyn päälle. Se voi olla myös päältä katsottuna piirilevyn ulkopuolella. Tasoelementissä 310 on sen syöttöpisteestä FP katsottuna kaksi eripituista haaraa kahden erillisen toimintakaistan muodostamiseksi. Pitempi haara 311 kiertää pitkin tasoelementin reunoja lyhyemmän haaran 312 pään ympäri. Piirilevyllä PCB on signaalimaana GND eli lyhyemmin maana toimivaa 30 johdepäällystettä 330 tietyllä etäisyydellä säteilijästä 310. Antenniin 300 kuuluu lisäksi apuelementti 320, joka tässä esimerkissä on tasoelementin 310 alla sijaitseva metalliliuska. Apuelementti on parasiittinen siten, että sillä on vain sähkömag- 4 neettinen kytkentä pääsäteilijään. Apuelementti on kytketty maahan oikosulkupis-teessä SP, joka on lähellä tasoelementin ja koko antennin syöttöpistettä FP piirilevyllä PCB. Oikosulkupiste SP liittyy laajempaan signaalimaahan 330 tämän lius-kamaisen ulokkeen 331 kautta.

5 Kuvissa 4 a, b on esitetty kuvan 3 tasoelementti 310 ja apuelementti 320. Kuvassa 4a ne näkyvät päältäpäin ja kuvassa 4b sivultapäin, kun radiolaitteen piirilevyn ja antennin tasoelementin oletetaan olevan vaakasuuntaisia. Apuelementti on tässä suorakulmion muotoisen tasoelementin pitemmän sivun suuntainen, kutakuinkin tasoelementin pituinen ja sijaitsee sen lyhyemmän haaran 312 kohdalla 10 päältäpäin eli tason normaalin suunnassa katsottuna. Kuvasta 4b näkyy, että apu-elementin 320 oikosulkupisteen SP puoleisessa päässä sen etäisyys tasoelemen-tistä 310 on pienempi kuin apuelementin vastakkaisessa päässä. Edellinen etäisyys hi on esimerkiksi 0,5 mm ja jälkimmäinen etäisyys 1¾ esimerkiksi 2 mm. Antennin kokonaiskorkeus jää tällöin alle 3 mm:n, mikä merkitsee, että antenni mah-15 tuu erittäin litteänkin radiolaitteen sisään. Tätä tarkoitusta varten antenni kannattaa tietenkin sijoittaa olennaisesti samaan geometriseen tasoon kuin radiolaitteen piirilevy PCB. Apuelementti on kiinnitetty tasoelementtiin dielektrisillä tukikappaleilla, kuten tukikappale 351.

Apuelementillä 320 on tässä esimerkissä tarkoitus parantaa antennin toimintaa 20 ensisijaisesti sen ylemmällä toimintakaistalla. Apuelementin vaikutuksesta antennin ympärisäteilevyys paranee eli sen suuntakuvio tasoittuu. Tästä on esimerkki kuvassa 8. Lisäksi, jos apuelementin sähköinen pituus on järjestetty sopivasti, se toimii merkittävänä apusäteilijänä. Sähköinen pituus on edullista järjestää niin, että apuelementin resonanssitaajuus poikkeaa jonkin verran tasoelementin ylemmästä 25 resonanssitaajuudesta, jolloin antennin ylemmästä toimintakaistasta saadaan leveämpi. Suuntakuvion kannalta apuelementti kannattaa tehdä fyysiseltä pituudeltaan mahdollisimman suureksi. Jos sen pituus tällöin on kaistaominaisuuksien kannalta liian suuri, niin sähköistä pituutta voidaan pienentää järjestämällä kapasitanssia apuelementin ja sen oikosulkupisteen SP väliin esimerkiksi diskreetillä 30 kondensaattorilla. Tämä korvaisi kuvassa 4a näkyvän oikosulkujohtimen 332.

Se edellä mainittu seikka, että etäisyys hi on pienempi kuin etäisyys h2, parantaa antennin sovitusta ylemmällä toimintakaistalla voimistamalla apuelementin resonanssia. Samasta syystä johdeliuskat, joilla syöttöpiste FP ja oikosulkupiste SP sijaitsevat, ovat lähietäisyydellä toisistaan. Kyseinen välimatka piirilevyllä PCB on 35 esimerkiksi alle yhden millimetrin. Määre "lähietäisyys" tarkoittaa tässä selostuk- 5 sessa ja patenttivaatimuksissa välimatkaa, jonka suuruusluokka on enintään toimintataajuutta vastaavan aallonpituuden sadasosa.

Kuvissa 5 a, b ja c on esitetty toinen esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteen sisäisestä monopoliantennista. Kuvassa 5a rakenne näkyy päältäpäin, ku-5 vassa 5b sivultapäin ja kuvassa 5c altapäin, kun radiolaitteen piirilevyn ja antennin tasoelementin oletetaan olevan vaakasuuntaisia. Antennin 500 pääsäteilijä 510 on samanlainen tasoelementti kuin kuvissa 2 ja 4a esitetyt säteilijät, säteilevät haarat vain on muotoiltu hiukan toisin ja syöttö- ja oikosulkupisteiden paikat on vastaavasti valittu toisin. Antenniin 500 kuuluva apuelementti 520 sijaitsee tässäkin esi-10 merkissä tasoelementin 510 alla. Apuelementti käsittää keraamilevyn 521 ja tämän alapinnan johdepäällysteen 522. Johdepäällyste on pääsäteilijän parasiittinen elementti, ja se on kytketty oikosulkujohtimella 532 maahan oikosulkupisteessä SP, joka on lähellä tasoelementin ja koko antennin syöttöpistettä FP radiolaitteen piirilevyllä. Apuelementti 520 sijaitsee tasoelementin lyhyemmän haaran 512 koh-15 dalia päältäpäin eli tason normaalin suunnassa katsottuna. Kuvasta 5b näkyy, että apuelementti on kiinnitetty tasoelementtin ja samalla erotettu tästä tukikappaleilla, kuten tukikappale 551. Tukikappaleet ovat dielektristä materiaalia, jonka permittii-visyys on pienempi kuin keraamin 521. Apuelementin ja tasoelementin välimatka on esimerkiksi 1 mm, ja itse apuelementin paksuus esimerkiksi 2 mm. Antennin 20 kokonaiskorkeus on tällöin noin 3 mm, mikä merkitsee, että antenni mahtuu tässäkin tapauksessa litteänkin radiolaitteen sisään. Tätä tarkoitusta varten tämänkin esimerkin antenni kannattaa sijoittaa olennaisesti samaan geometriseen tasoon kuin radiolaitteen piirilevy.

Apuelementillä 520 on tässäkin esimerkissä tarkoitus parantaa antennin toimintaa 25 ensisijaisesti sen ylemmällä toimintakaistalla. Apuelementti mitoitetaan niin, että keraamilevyssä herää värähtely ja se toimii apusäteilijänä taajuudella, joka poikkeaa jonkin verran tasoelementin ylemmästä resonanssitaajuudesta. Antennin ylemmästä toimintakaistasta saadaan tällöin leveämpi. Keraamiresonaattoria voidaan virittää muotoilemalla sen johdepäällystettä 522. Kuvassa 4c näkyy sitä var-30 ten johdepäällysteessä tämän reunasta alkava rako. Lisäksi apuelementti parantaa antennivahvistusta ylemmällä toimintakaistalla siitä huolimatta, että keraami itsessään aiheuttaa hiukan häviöitä. Apuelementti nimittäin vähentää pääsäteilijän ja radiolaitteen muiden johtavien osien välistä kytkentää ja tätä kautta häviöitä radiolaitteen antenniin kuulumattomissa osissa.

35 Kuvassa 6 on muunnos kuvan 3 mukaisesta antennista. Kuvassa 6 antenni näkyy sivultapäin samasta suunnasta kuin kuvassa 4b, ts. radiolaitteen piirilevyn vastak- 6 kaisesta päästä katsottuna. Apuelementti 620 on nyt tasoelementin 610 yläpuolella eikä alapuolella, kuten kuvassa 4b.

Kuvassa 7 on muunnos kuvien 5 a, b, c mukaisesta antennista. Kuvassa 7 antenni näkyy sivultapäin samasta suunnasta kuin kuvassa 5b, ts. radiolaitteen piirilevyn 5 vastakkaisesta päästä katsottuna. Apuelementti 720 on nyt tasoelementin 710 yläpuolella eikä alapuolella, kuten kuvassa 5b. Lisäksi apuelementtiin kuuluva ke-raamilevyn 721 johdepäällyste 722 ulottuu tässä esimerkissä myös keraamilevyn sivupinnalle.

Kuvassa 8 on esimerkki keksinnön vaikutuksesta antennin suuntaominaisuuksiin. 10 Kuvaajat 81 ja 82 esittävät antennin horisontaalisen suuntakuvion, ts. antennivah-vistuksen suuntakulman funktiona, piirilevyn PCB ollessa pystyasennossa. Kuvaaja 81 koskee kuvan 2 mukaista tunnettua antennia ja kuvaaja 82 kuvan 3 mukaista antennia, jossa on kuvaan 2 verrattuna lisänä keksinnön mukainen apuelementti. Kyseiset antennit on suunniteltu mm. 1,8 GHz:n alueelle, ja mittaustaajuus on 15 1805 MHz. Nähdään, että tunnetun antennin vahvistus on epäedullisimmassa suunnassa noin -14 dB. Vastaavan keksinnön mukaisen antennin vahvistus epäedullisimmassa suunnassa on taas noin -9 dB, siis 5 dB suurempi. Lisäksi saavutetaan 1-2 dB suurempi vahvistus noin 180 asteen suuruisella alueella.

Kuvassa 9 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksista. An-20 tenni on kuvien 5 a, b, c mukainen, jossa apuelementti sisältää johteen lisäksi keraamilevyn. Kuvassa on paluuvaimennuksen RL kuvaaja taajuuden funktiona. Siitä näkyy, että antennilla on kolme merkittävää resonanssia. Ensimmäinen resonanssi r1 perustuu antennin tasoelementin pitempään haaraan, ja sen taajuus on noin 920 MHz. Ensimmäisellä resonanssilla muodostetaan antennin alempi toiminta-25 kaista. Toinen resonanssi r2 perustuu antennin tasoelementin lyhyempään haaraan, ja sen taajuus on noin 1,90 GHz. Kolmas resonanssi r3 perustuu antennin apuelementtiin, ja sen taajuus on noin 1,79 GHz. Toisella ja kolmannella resonanssilla muodostetaan antennin ylempi toimintakaista. Kuvaajasta nähdään, että apuelementin vaikutuksesta ylempi toimintakaista levenee noin 50 MHz.

30 Määreet "ala-" ja "ylä-" viittaavat patenttivaatimuksissa radiolaitteen asentoon, jossa radiolaitteen piirilevy ja antennin tasoelementti ovat vaakasuuntaisia siten, että antenniin liittyvät syöttö- ja oikosulkupiste ovat piirilevyn yläpinnalla. Määreillä ei ole tekemistä laitteiden käyttöasennon kanssa.

Edellä on kuvattu keksinnön mukaista monopoliantennia. Sen toteutus voi yksi- 7 tyiskohdissaan poiketa esitetyistä. Esimerkiksi kaksikaistaisen antennin tasoele-mentin rako voidaan muotoilla niin, että se toimii merkittävänä säteilijänä ylemmällä toimintakaistalla. Jos rako tällöin ei muodosta selvää johdehaaraa tasoelemen-tin keskialueelle, niin keksinnön mukainen apuelementti on olennaisesti raon koh-5 dalla. Kuvien 4b ja 5b selostuksessa on mainittu antennin mahtuvan hyvin litteän-kin radiolaitteen sisään, kun se sijoitetaan laitteen piirilevyn tasalle. Tämä ei estä sijoittamasta antennia vaikka niin, että sen taso on kohtisuorassa laitteen piirilevyn tasoon nähden, jos tällainen kokoonpano on joissakin radiolaitteissa tarkoituksenmukainen. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patentti-10 vaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

Claims (11)

1. Radiolaitteen sisäinen monopoliantenni, jonka pääsäteilijä on tasoelementti (310; 510; 610; 710) ja on kytketty radiolaitteen piirilevyllä (PCB) olevaan antennin syöttöpisteeseen (FP) ja jossa antennissa on lisäksi parasiittinen apuelementti 5 (320; 520; 620; 720), joka on kytketty piirilevyllä olevaan, signaalimaahan kuulu vaan oikosulkupisteeseen (SP), tunnettu siitä, että mainittu apuelementti sijaitsee tasoelementin kohdalla tämän normaalin suunnassa katsottuna ja käsittää johteen (320; 522; 620), jonka etäisyys tasoelementistä on apuelementin oikosulkupisteen (SP) puoleisessa päässä olennaisesti pienempi kuin apuelementin vastakkaisessa 10 päässä antennin sovituksen parantamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementin mainittu johde on metalliliuska (320).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementti (520) käsittää lisäksi keraamilevyn (521) ja apuelementin mainittu johde on ke- 15 raamipalan johdepinnoitetta (522).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainittu tasoelementti sijaitsee olennaisesti samassa geometrisessa tasossa kuin radiolaitteen piirilevy (PCB).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että mainitun piiri-20 levyn (PCB) johdeliuskat, joilla syöttöpiste (FP) ja oikosulkupiste (SP) sijaitsevat, ovat lähietäisyydellä toisistaan.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementti on kytketty oikosulkupisteeseen kapasitiivisesti apuelementin sähköisen pituuden pienentämiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, jonka tasoelementissä on ensim mäinen haara (311; 511) alemman toimintakaistan muodostamiseksi antennille ja toinen haara (312; 512) ylemmän toimintakaistan muodostamiseksi antennille, tunnettu siitä, että apuelementti (320; 520; 620; 720) sijaitsee toisen haaran kohdalla tasoelementin normaalin suunnassa katsottuna.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementti (320; 520) sijaitsee tasoelementin yläpuolella.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementti (620; 720) sijaitsee tasoeiementin alapuolella.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementti on tuettu tasoelementtiin dielektrisillä tukikappaleilla (351; 551).

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että sen kokonais- korkeus on alle 4 mm.