FI122484B - Miniatyyriantenni - Google Patents

Description

Miniatyyriantenni

Keksintö koskee hyvin pienikokoista antennikomponenttia erityisesti pienten radiolaitteiden vastaanottoantennin toteuttamiseksi.

Kannettavissa radiolaitteissa on jatkuvana pyrkimyksenä ollut antennin koon pie-5 nentäminen. Tässä tarkoituksessa on vanhastaan esimerkiksi laitettu monopolian-tennien piiskan tyveen sen fyysistä pituutta vähentävä kela, tai korvattu koko piiska kelamaisella heliksi-johtimella. Toinen tapa pienentää monopolielementin suoraan päästä päähän mitattua pituutta on järjestää se mutkille ns. meander-kuvioksi. Tällainen antennielementti on geometrisella tasolla oleva johdin, tavallisesti liuskajoh-10 din dielektrisen tukikerroksen pinnalla. Pienikokoisissa laitteissa, kuten matkapuhelimissa, antenni sijoitetaan käyttömukavuuden vuoksi mieluiten laitteen kuorien sisälle. Sisäiset antennit ovat tavallisesti tasorakenteisia, jolloin niihin kuuluu säteilevä taso ja tästä tietyllä etäisyydellä oleva samansuuntainen maataso. Tasoantennin kokoa voidaan pienentää käyttämällä säteilevän tason ja maatason välissä suhteelli-15 sen suuren dielektrisyyden omaavaa materiaalia ilman sijasta. Tällöin haittana on antennin häviöiden kasvu ja siten hyötysuhteen huonontuminen, eikä suuriin pie-nennyssuhteisiin ole mahdollista päästä. Tasoantennia voidaan pienentää myös lähentämällä kyseisiä tasoja toisiinsa, mutta haitallisena seurauksena on silloin antennin lähes kaikkien sähköisten ominaisuuksien huonontuminen. Tämä johtuu suurek-20 si osaksi siitä, että johtavasta maatasosta heijastuvan aallon vaihe siirtyy 180 astetta tulevan aallon vaiheeseen nähden, jolloin heijastuva aalto heikentää säteilevästä tasosta ulospäin lähtevää aaltoa.

Antenneissa voidaan soveltaa lyhennenimellä EBG (Electromagnetic Band Gap) mainittua tekniikkaa. Tämän eräässä toteutuksessa on ohuen dielektrisen substraatin ^ 25 pinnalla säännöllisessä muodostelmassa aallonpituuteen nähden pieniä johdealueita, ^ joista kukin on kytketty substraatin läpi tämän alapinnalla olevaan johdetasoon. Ra- V kenne voidaan mitoittaa niin, että tietyllä taajuudella siihen kohdistuvan kentän vai- cv he ei juuri muutu heijastuksessa, jolloin kyseessä on ns. AMC-pinta (Artifical Mag- | netic Conductor). Käytettäessä kuvatunlaista AMC-levyä antennin maatasona, sätei- 30 lijä voidaan sijoittaa lähes siihen kiinni antennin ominaisuuksien huonontumatta, o Rakenteen haittana on suhteellisen korkeat valmistuskustannukset.

sj- o ^ Edellä mainittu meander-antennielementti voidaan periaatteessa tehdä sähköisen pi tuuden muuttumatta hyvinkin pieneksi tihentämällä vain meander-kuviota. Käytännössä painopiiritekniikassa sallittu minimiviivanleveys asettaa rajan meander-35 kuvion pienentämiselle. Lisäksi elementin rakenteen toistettavuus tuotannossa heik- 2 kenee viivanleveyttä pienennettäessä. Vastaavat rajoitukset pätevät myös käytettäessä dielektrisen pinnan metalloinnissa antennienkin valmistuksesta tunnettua IMD-tekniikkaa (In Mould Decoration).

Kuvassa 1 on esimerkki tunnetusta antennilevystä päältäpäin nähtynä. "Antennile-5 vy" tarkoittaa tässä selostuksessa johtavan antennielementin ja tämän substraatin yhdessä muodostamaa kappaletta. Antennilevyyn 100 kuuluu substraatti 120 ja an-tennielementti 110. Antennielementti on muodostettu kasvattamalla substraatin pinnalle metallikerros ja poistamalla siitä suurin osa niin, että jäljelle jää kapea metalli-johdin. Tällainen poikkipinnaltaan pieni johdin voidaan muodostaa myös kasvatta-10 maila metallikerrosta sputterointitekniikalla. Antennielementin päässä kyseinen metallointi muodostaa laajennuksen 131 antennielementin kytkentäjohtimen 101 liittämiseksi elementtiin. Samanlainen laajennus voi olla sovitusjohtimen 102 liittämiseksi elementtiin.

Kuvassa 2 on esimerkki kuvan 1 mukaisen antennilevyn käsittävästä antennikom-15 ponentista halkileikkauksena. Antennikomponenttiin kuuluu antennilevyn 100 lisäksi muovinen suojaosa 240, jonka massan sisällä antennilevy on kokonaan. Suo-jaosa samalla tukee antennilevyä. Komponentin reunoilla on tarvittava määrä kos-kettimia, kuten kosketin 242, johon antennielementin kytkentäjohdin 101 on liitetty komponentin sisällä.

20 Kuvassa 3 on toinen esimerkki tunnetusta antennilevystä päältäpäin nähtynä. Antennilevyn 300 substraatilla 320 on samanlainen antennielementti 310 kuin kuvassa 1. Lisäksi samalla substraatilla on nyt antennisuodatin 360 ja radiovastaanottimen pienikohinainen esivahvistin 370 (LNA, Low Noise Amplifier). Suodatin 360 on esimerkiksi FBAR-tyyppiä (Film Bulk Acoustic Resonator). Suodatin ja vahvistin o 25 370, samoinkuin vahvistimen sovituksen vaatimat induktiiviset ja kapasitiiviset osat c3 on tehty substraatin pinnalle samassa prosessissa kuin antennielementtikin. Kuvan 3 £! esimerkissä antennielementti, suodatin ja vahvistin on prosessoitu ensin erillisiksi ja o yhdistetty sitten toisiinsa langoituksella. Yhdistävä langoitus voitaisiin myös korva- x ta substraatin pinnalle prosessoiduilla johtimilla.

CL

oo 30 Keksinnön tarkoituksena on viedä antennielementin pienentäminen tunnettuja rat- ° kaisuja pitemmälle ja toteuttaa näin hyvin pienikokoinen antenni uudella tavalla, g Keksinnön mukaiselle antennikomponentille on tunnusomaista, mitä on esitetty it- 0X1 senäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

3

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antennikomponentin keskeinen osa on antenni-levy, joka muodostuu johtavasta antennielementistä ja tämän substraatista. Anten-nielementti on meander-kuvioinen, erittäin ohut johdin. Johtavuuden varmistamiseksi johtimena käytetään kultalankaa tai substraatille kasvatettua metalliliuskaa. 5 Lanka kiinnitetään mutkakohdistaan substraatilla oleviin johdetäpliin ns. bondaus-liitoksilla. Substraatilla voi olla antennielementin lisäksi myös muita rakenneosia. Antennilevy tuetaan dielektrisellä materiaalilla.

Keksinnön etuna on, että antennielementin johdinkuvio voidaan tehdä hyvin tiheäk-si ja siten koko antenni hyvin pieneen tilaan. Tämä johtuu siitä, että elementin muo-10 dostavan johtimen poikkipinta-ala pysyy paremmin vakiona kuin vastaavissa tunnetuissa antenneissa. Lisäksi keksinnön etuna on, että sen mukaisten antennien valmistus onnistuu olemassaolevilla, alkujaan muihin tarkoituksiin rakennetuilla tuotantoprosesseilla. Edelleen keksinnön etuna on, että antennielementtien toistettavuus on hyvä tuotantoprosessin luonteen vuoksi. Edelleen keksinnön etuna on, että käy-15 tettäessä sen mukaista antennia erillisenä vastaanottoantennina kaksisuuntaisessa radiolaitteessa, lähetyksen ja vastaanoton erottamisessa toisistaan ei tarvita duplek-sisuodatinta tai antennikytkintä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa 20 kuva 1 esittää esimerkkiä tunnetusta antennilevystä päältäpäin nähtynä, kuva 2 esittää esimerkkiä kuvan 1 mukaisen antennilevyn sisältävästä antenni-komponentista, g kuva 3 esittää toista esimerkkiä tunnetusta antennilevystä päältäpäin nähtynä,

(M

i ^ kuva 4 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennilevystä päältäpäin näh- o 25 tynä, | kuva 5 esittää esimerkkiä kuvan 4 mukaisen antennilevyn sisältävästä antenni- qq komponentista, 00 o ^ kuva 6 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennilevystä päältäpäin

O

^ nähtynä, 30 kuva 7 esittää esimerkkiä keksinnön mukaista elementtiä käyttävien antennien kaistaominaisuuksista ja 4 kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaista elementtiä käyttävien antennien hyötysuhteesta.

Kuvassa 4 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennielementistä substraatteineen. Antennilevy 400 näkyy kuvassa noin 50-kertaisena suurennoksena päältäpäin eli an-5 tennielementin 410 puoleiselta sivulta. Antennielementti koostuu sarjaan kytketyistä kultalankaosuuksista. Sarjakytkentää varten substraatin 420 suorakulmion muotoisen yläpinnan kummallakin pitkällä sivulla on rivi johdetäpliä, kuten ensimmäinen täplä 431 substraatin ensimmäisessä päädyssä ensimmäisellä sivulla, toinen täplä 432 substraatin vastakkaisella sivulla samassa päädyssä ja kolmas täplä 433 ensim-10 mäisen täplän vieressä. Kultalangan ensimmäinen osuus 411 on kytketty kahdella bondausliitoksella ensimmäisen ja toisen täplän väliin, langan toinen osuus 412 kahdella bondausliitoksella toisen ja kolmannen täplän väliin, langan kolmas osuus 413 kahdella bondausliitoksella kolmannen ja neljännen täplän väliin jne. Langan viimeinen osuus 4In on substraatin vastakkaisessa päädyssä. Tällä tavalla anten-15 nielementti 410 muodostaa päältä katsottuna siksak-muotoisen meander-kuvion. Elementti kytketään radiolaitteeseen ensimmäisestä täplästä 431 kytkentälangalla 401, joka myös on käytännössä kultalanka. Toiminnallisesti kytkentälanka on osa antennielementtiä. Antennin sovitusta varten elementti voidaan kytkeä signaalimaa-han jostain muusta täplästä. Kuvassa 4 toisesta täplästä 432 lähtevä katkoviiva 402 20 tarkoittaa tällaista mahdollista sovituslankaa.

Bondausliitos toteutetaan esimerkiksi hitsaamalla. Substraatti 420 on esimerkiksi alumiinioksidia tai jotain keräämiä, kuten LTCC:tä (Low Temperature Co-fired Ceramic). Mainitut johdetäplät on muodostettu substraatin valmistuksen yhteydessä painamalla metallipastaa substraatin pintaan kyseisille pienille alueille ja sintraa-0 25 maila sitten pastat kiinni. Vaihtoehtoisesti johdetäplät voidaan muodostaa etsaamal- o la substraatin metalloidusta pinnasta metalli muulta alueelta pois.

dj V Vierekkäisten täplien väli substraatilla on esimerkiksi 100 pm. Tällöin 900 MHz:n O 2 cv taajuusalueella toimiva antennielementti saadaan mahtumaan noin 3x1,5 mm :n ko- | koiselle alueelle ja ylemmillä kaistoilla toimivat antennielementit vastaavasti vielä 30 pienemmille alueille. Langan paksuus antennielementissä on esimerkiksi 17 pm.

o Tätä luokkaa olevat johdin vahvuudet merkitsevät sitä, että antenni soveltuu vain o hyvin pienitehoisen lähettimen antenniksi. Vastaanottoantenniksi kyseinen rakenne o ^ sen sijaan soveltuu hyvin esimerkiksi matkaviestimiin.

Kuvassa 5 on kuvan 4 mukaisen antennilevyn käsittävä antennikomponentti sivul-35 tapäin noin 25-kertaisena suurennoksena. Antennielementin viistot lankaosuudet 5 näkyvät pieninä kaarina substraatin yläpuolella. Jotta rakenteesta tulisi riittävän vankka, antennilevy 400 on kiinnitetty pienen, esimerkiksi piirilevymateriaalia olevan tukilevyn 540 päälle. Kiinnitys tapahtuu esimerkiksi liimaamalla. Tukilevyssä on läpivienti 541, jonka yläpintaan antennielementin syöttölanka 401 on bondattu.

5 Läpiviennin alapäässä on kosketin 542, jonka kautta antennilevyn ja tukilevyn muodostama antennikomponentti kytketään vastaanottimen muihin osiin. Antenni-komponentti on kokonaiskorkeudeltaan esimerkiksi 1,1 mm. Se asennetaan laitteen piirilevylle, jossa muut radiotaajuiset osat ovat.

Kuvassa 6 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta antennilevystä päältäpäin 10 nähtynä. Antennilevyssä 600 on dielektrinen substraatti 620 ja tämän yläpinnalla oleviin johdetäpliin bondausliitoksilla kiinnitetty antennielementti 610, kuten kuvan 4 esittämässä levyssä. Erona kuvaan 1 on, että antennielementin muodostava kultalanka on nyt alun pitäenkin yhtenäinen ja on kiinnitetty mutkapaikoistaan yhdellä bondauksella. Lisäksi langan mutkapaikkojen väliset osuudet kulkevat nyt suora-15 kulmion muotoisen substraatin pitkän sivun suuntaisesti, ja vastaavasti johdetäplät sijaitsevat substraatin yläpinnan kummassakin päädyssä. Antennielementin kytken-tälanka 601 on liitetty lähellä substraatin erästä nurkkaa olevaan ensimmäiseen täplään 631. Mahdollinen sovituslanka 602 liitetään tässä esimerkissä ensimmäisestä täplästä elementtilankaa seuraten neljänteen täplään 634.

20 Kuvassa 7 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksista. Siinä on heijastuskertoimen SI 1 kuvaaja taajuuden funktiona. Kuvaaja on mitattu kuvassa 4 esitetyn kaltaista elementtiä käyttävästä antennista, joka on viritetty taajuudelle 2,3 GHz. Jos rajataajuuden kriteerinä käytetään heijastuskertoimen arvoa -6 dB, kaistanleveydeksi tulee noin 120 MHz, mikä suhteellisena arvona on runsaat 5%. 25 Kaistan keskellä heijastuskerroin on hyvää sovitusta osoittava -25 dB. Kuvassa 1 ^ esitetyn kaltaista elementtiä käytettäessä päästään yhtä suureen suhteelliseen kais- ^ tanleveyteen, mutta sovitus on jonkin verran huonompi.

i cg Kuvassa 8 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin hyötysuhteesta. Tämäkin | esimerkki koskee kuvassa 4 esitetyn kaltaista elementtiä käyttävää antennia. Anten- 30 nin toimintakaistan keskellä hyötysuhde on vähän yli 0,2 ja pienenee siitä noin ar- o voon 0,1 mentäessä 100 MHz sivuun kaistan keskeltä. Hyötysuhde on ymmärrettä- o västi huonompi kuin ilmaeristeisillä isommilla antenneilla, mutta kuitenkin vielä o ^ käyttökelpoinen.

6

Edellä on kuvattu keksinnön mukaisia antennielementtejä ja -komponentteja. An-tennielementin muoto ja toteutustapa voi yksityiskohdissaan luonnollisesti poiketa esitetyistä. Niinpä termi "meander" tarkoittaa selostuksessa ja vaatimuksissa yleisesti viivan muotoa, joka sisältää suhteellisen tiheässä olevia mutkia. Mutkat voivat 5 olla kaarevia tai kulmikkaita, ja mutkakuviossa voi olla epäsäännöllisyyksiä. An-tennielementin vastakkaiset päät voivat olla kytkettynä vastaanottimelle, jolloin kyseessä on silmukka-antenni. Silmukka on nyt vain ääriviivaltaan ympyrän tai suorakulmion muotoinen. Ääriviivan rajaamalla alueella on tiheä johdinkuvio. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asetta-10 missä rajoissa.

o δ cv cv o cv

X

cc

CL

00 00 o o o cv

Claims (5)

1. Antennikomponentti, jossa on meander-kuvioinen johdin antennielementtinä ja tämän dielektrinen substraatti, tunnettu siitä, että johtimen poikkipinta-alan pysyttämiseksi vakiona ja tätä kautta meander-kuvion koon pienentämiseksi mainittu 5 johdin (410; 610) on kultalanka, joka on meander-kuvion mutkakohdista kiinnitetty substraatilla (420; 620) oleviin johdetäpliin bondausliitoksilla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikomponentti, tunnettu siitä, että kussakin mainituista mutkakohdista on kultalangan kahden erillisen osuuden (412, 413) päät johdetäplään (433) bondattuina, jolloin antennielementti (410) koostuu erillisis- 10 tä sarjaan kytketyistä kultalangan osuuksista.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikomponentti, tunnettu siitä, että kussakin mainituista mutkakohdista on yhtenäisenä jatkuva kultalanka (610) johdetäplään (632; 634) bondattuna.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikomponentti, tunnettu siitä, että mai-15 nittu substraatti (420; 620) on alumiinioksidia tai keräämiä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikomponentti, tunnettu siitä, että siinä on lisäksi dielektrinen tukilevy (540), jonka päälle antennielementin ja substraatin muodostama antennilevy (400) on kiinnitetty ja jossa tukilevyssä olevaan kosketti-meen (542) antennielementin kytkentäjohdin (401) on yhdistetty. 20 o δ CM CM o C\l X cc CL 00 00 o o o CM