FI89754C - Antenn - Google Patents

Description

Antenni - Antenn o c 7 r

Keksintö kohdistuu: antenniin, erityisesti ajoneuvon ikkunaan asennettavaan matkapuhelinantenniin. Antenni käsittää maatason ja olennaisesti kohtisuoraan sitä vastaan asennetun, välimatkan päässä siitä olevan vertikaalisäteilijän.

Ajoneuvon ikkunaan - useimmiten tuulilasiin - asennettavat AM- ja FM-taajuusalueella toimivat radiovastaanottoa varten tarkoitetut antennit ovat sinänsä hyvin tunnettuja. Eräänä esimerkkinä voidaan mainita FI-patentissa 58996 esitetty ratkaisu, jossa on esitetty ajoneuvon ikkunan pintaan tai sen sisään sovitettu antenni radiovastaanottoa varten AM-ja FM-alueella.

Ajoneuvon ikkunan lämmityselementin käyttö antennina radio-vastaanotossa on myös tunnettua ja tästä on esitetty useita eri ratkaisuja.

Nämä radiovastaanottoon tarkoitetut antennit eivät luonnollisestikaan sovi matkapuhelinantenneiksi. Matkapuhelin-antennin tulee sekä pystyä lähettämään signaalia että vastaanottamaan signaalia. Lisäksi on huomattava, että auto-• ' radioiden impedanssit ovat useimmiten 150 ohmia kun taas matkapuhelimissa yleisin impedanssi on 50 ohmia.

Yleisimmät käytössä olevat radiovastaanottoon tarkoitetut antennit lienevät kuitenkin edelleen auton koriin kiinnitettävät erilaiset ja eripituiset pystyantennit.

.···. Ajoneuvojen matkapuhelinantennina yleisin lienee keskelle ! ajoneuvon kattoa asennettava vertikaalisäteilijä. Tällai- . nen tunnettu antenni kiinnitetään ajoneuvon kattoon porat- : . tuun reikään siten, että antennin matkapuhelimeen yhdis- : tävä koaksiaalikaapelin keskijohdin yhdistetään sätelijään - ja vaippa auton kattoon, joka siten muodostaa antennin maatason.

2 ί \ Γ·. τ~* Γ- ' Η Ί ! t α J s / w

Eräs tärkeä parametri ajoneuvoon tarkoitetussa matkapuhe-linantennissa on sen säteilykuvio. Säteilyn tulisi mahdollisimman paljon keskittyä horisontaalisuuntaan, koska tukiasema sijaitsee kulkuneuvoon nähden yleensä aina horisontissa. Vaakatason säteilykuvion tulee lisäksi olla leveä ja symmetrinen vertikaalitasoon nähden, jotta antenni toimisi hyvin auton kulkusuuntavektorin ja auton sekä tukiaseman välisen suuntavektorin välisestä kulmasta riippumatta .

Em. tunnetuilla keskelle ajoneuvon kattoa asennetuilla vertikaalisäteilijöillä saavutetaan hyvä säteilyn suunta-kuvio horisontaalitasoon, tosin maksimisäteily suuntautuu noin 45° kulmaan ylöspäin horisontaalitasosta.

Esillä olevan keksinnön taustana ei sinänsä ole saavuttaa parempaa säteilykuviota kuin kyseisillä tunnetuilla keskelle ajoneuvon kattoa asennettavilla säteilijöillä. Keksinnön mukaisen ajoneuvon ikkunaan asennettavan antennin säteilyominaisuudet tosin vastaavat vähintäänkin em. tunnettujen säteilijöiden säteilyominaisuuksia. Tämän ovat myös keksinnön mukaisella antennilla suoritetut käytännön kokeet osoittaneet. Suurin etu keksinnön mukaisessa antennissa on kuitenkin se, että sen kiinnittäminen autoon ei vaadi reikien poraamista auton ulkopuolisiin koriosiin. Keksinnön mukainen antenni kiinnitetään liiman avulla esim. auton sivuikkunaan, jolloin antennijohto kulkee avattavan ikkunan ollessa kyseessä oven sisällä ja sieltä edelleen matkapuhelimeen ja kiinteän ikkunan ollessa kyseessä auton verhouksessa. Paras sijoitus antennille olisi luonnollisesti ajoneuvon tuulilasin tai takaikkunan keskikohta, mutta mm. näkyvyyshaitan takia tämä ei ole mahdollista.

Eräs suuri ongelma tunnetuissa ajoneuvon ulkokuoreen kiinnitettävissä matkapuhelinantenneissa on ajoneuvon myynti- 3 r· :- 7 r .* .· / «»· arvoa alentavat reijät. Tähän ongelmaan on esitetty ratkaisuja muun muuassa siten, että antenni kiinnitetään ajoneuvon ulkokuoreen imukupin, magneetin tms. välityksellä. Tämä on kuitenkin varsin kömpelö ratkaisu ja antennijohto kulkee tällöin ensin ajoneuvon katolla ja siitä oven tiivisteen kautta ajoneuvon sisätiloihin ja edelleen matkapuhelimeen .

Eräs toinen tunnettu ratkaisu on kiinnittää antenni ajoneuvon ikkunalasin ulkopintaan ja vastakappale lasin sisäpintaan, jolloin signaali siirtyy ikkunalasin läpi. Tämä ratkaisu aiheuttaa kuitenkin varsin suuret häviöt signaalin siirrossa lasin läpi.

US-patentissa 4 746 925 on lisäksi esitetty ajoneuvon ikkunaan asennettava matkapuhelinantenni, joka muodostuu kahdesta dipoliantennielementistä. Jomman kumman dipoli-antennielementin pää on yhdistetty antennikaapelin keski-johtimeen keskeisellä sähköjohteella ja toisen dipolian-tennielementin pää on yhdistetty ensimmäisellä keskeisen sähköisen johteen viereen asennetulla sähköisenä suojana toimivalla sänköjohteella antennikaapelin vaippaan. Keskeisen sähköjohteen toisella puolella on lisäksi toinen sähköisenä suojana toimiva antennijohdon vaippaan kytketty sähköjohde. Ensimmäisestä ja toisesta sähköisestä suojasta ulkonee lisäksi muuntajaelementit. Tällaisella antennilla on tyypillinen dipolin suuntakuvio eli pallo, jolloin energiaa suuntautuu vaakatason lisäksi myös huomattavissa määrin alas ja ylös. Tällaisen antennin tehollinen sätei-lypinta-ala jää myös suhteellisen pieneksi sen tarvitsemaan kokonaistilaan nähden. Dipolielementit muodostavat säteilytilan ja antennin muu osuus on tässä suhteessa turhaa tilaa. Dipolielementtien ja antennijohdon väliin jäävä antennin osa muodostaa ns. baluumin, jolla antenni on vi-.··. ritetty yhdelle taajuudelle. Kyseessä on lisäksi suhteel lisen monimutkainen rakenne.

r, 1-- r 4 /:. ‘

Keksinnön mukaisella ratkaisulla em. tekniikan tasoon liittyvät ongelmat voitetaan. Keksinnön mukainen antenni käsittää edullisesti sähköä hyvin johtavasta materiaalista, esim. kupariteipistä muodostetun maatason ja olennaisesti kohtisuoraan sitä vastaan asennetun vertikaalisätei-lijän, jonka kummallekin puolella, välimatkan päässä siitä on myös edullisesti ainakin yksi sähköä hyvin johtavasta materiaalista esim. kupariteipistä muodostettu vertikaali-säteilijän suuntainen apuelementti. Näiden apuelementtien avulla antennin impedanssi voidaan sovittaa tarkasti halutuksi. Lisäksi keksinnön mukaista antennia voidaan valmistaa vain yhtä mallia, josta käyttäjä saa merkittyjä viivoja pitkin leikkaamalla antennin halutulle taajuudelle. Antennin valmistus vaatii siten vain yhden työkalun ja yhden tuotantolinjan. Tällainen antenni voidaan virittää taajuusalueelle noin 300 MHz - 3 GHz.

Jotta antenni olisi sovitettu antennijohtoon tulee antennin impedanssin ja antennijohdon aaltoimpedanssin olla yhtä suuret antennin resonanssitaajuudella, jossa antennin impedanssin reaktiivinen osa on olennaisesti nolla. Yleisin matkapuhelimen antennijohdon aaltoimpedanssi on 50 ohmia. Jos antennin ja antennijohdon impedanssi eivät ole yhtä suuret muodostuu niiden välille epäjatkuvuuskohta, josta aalto heijastuu huonontaen ratkaisevasti yhteyttä.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin erään edullisen oheisessa piirustuksessa esitetyn ei rajoittavan suoritusmuodon perusteella, jossa kuv l on esitetty keksinnön mukainen antenni, kuv 2 on esitetty keksinnön mukaisen antennin vaakatason suuntadiagrammi, kuv 3 on esitetty vastaava pystytason suuntadiagrammi ja η '-χ n z /’ 5 kuv 4 on esitetty antennin impedanssi apuelementtien lukumäärän funktiona.

Kuviossa 1 esitetty keksinnön mukainen ajoneuvon ikkunaan asennettava antenni muodostuu olennaisesti vaakatasoon käännetystä H-muotoisesta maatasosta 1 sekä olennaisesti kohtisuoraan sitä vastaan asennetusta vertikaalisäteili-jästä 2. Vertikaalisäteilijän 2 molemmille puolille, välimatkan päähän siitä on asennettu vertikaalisäteilijän suuntaiset apuelementit 3, kaksi säteilijän kummallekin puolelle. Näillä apuelementeillä 3 antennin impedanssi voidaan sovittaa antennijohdon impedanssiin ja ne eivät juurikaan vaikuta antennin säteilykuvioon. Koaksiaalisen antennijohdon keskijohdin kytketään säteilijän 2 alapäähän ja sen vaippa maatason 1 keskelle. Säteilijä 2 on asennettu maatason vaakasuunnan 1 puolivälin kohdalle.

Seuraavassa esitetään esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen, mittauksissa edulliseksi todetun, ajoneuvon ikkunaan asennettavan antennin osien mitoitus NMT-450 matkapuhelimelle.

Keksinnön mukainen antenni on toteutettu siten, että säteilijä 2 ja apuelementit 3 muodostuvat noin 4 mm levyisestä kupariteipistä ja maataso 1 noin 5 mm levyisestä • olennaisesti vaakatasoon käännetyn H-kuvion muodostavasta kupariteipistä. Vaakatasoon käännetyn H:n yhdensuuntaiset sakarat 4, 5 ovat myös noin 5 mm etäisyydellä toisistaan. Apuelementit 3 ovat noin 2 mm etäisyydellä säteilijästä 2 ja niiden keskinäinen etäisyys on myös noin 2 mm. Apuele-• . mentit 3 eivät ole sähköä johtavassa yhteydessä keskenään eivätkä ne myöskään ole sähköä johtavassa yhteydessä säteilijään 2. Maatason 1 lähinnä säteilijän 2 alapäätä olevan sakaran 4 etäisyys säteilijän 2 alapäästä on noin 10 mm. Etäisyyksillä tarkoitetaan tässä elementtien toisiaan vastakkain olevien reunojen etäisyyttä toisistaan eli nii- Ο Ί ry Γ ,· 6 · · * s* den väliin jäävää vapaata tilaa. Antennielementtien leveys sekä niiden etäisyys toisistaan eivät muodosta kovin kriittisiä parametrejä, mutta seuraavassa esitettävät mittausten perusteella laaditut laskelmat perustuvat näille mitoille. Kupariteipin paksuus ei myöskään ole kovin kriittinen tekijä. Jonkinlaisena suuruusluokka-arvona voidaan pitää sitä, että teipin leveyden ja paksuuden suhde on noin 40.

NMT-450 matkapuhelinverkon taajuudella 455,5 MHz saadaan aallonpituudeksi ilmassa noin 300/455,5 = 0,659 m. Kun otetaan huomioon ajoneuvon ikkunalasin nopeuskerroin, joka riippuu lasista, ollen auton ikkunalasissa noin 0,717 saadaan nopeuskertoimen johdosta lyhentyneeksi säteilijän 2 sähköiseksi pituudeksi 659 x 0,717 = 472 mm. Koska 3/4 aallonpituuden säteilijä on mittauksissa todettu edulliseksi ja se myös pituutensa puolesta sopii asennettavaksi auton ikkunaan saadaan säteilijän 2 pituudeksi 3/4 x 472 350 mm. Apuelementtien 3 sopiva pituus on 255 mm eli hieman yli 1/2 aallonpituutta (kerroin 1/1,86). Koska apuele-mentit 3 eivät ole johtavassa yhteydessä antennin muihin osiin niiden kapasitiivinen kytkentä on pienempi ja aallonpituus niissä siten suurempi kuin vastaavalla tavalla lasketun säteilijän 2 pituus. Apuelementit 3 asennetaan alapäästään samalle korkeudelle siten, että säteilijän 2 maatason 1 puoleisesta päästä vapaaksi jäävä osa on noin 40 mm. Tämä säteilijän vapaaksi jäävä osuus ei ole myöskään kovin kriittinen, mutta apuelemettien 3 tulee kuitenkin ulottua säteilijän 2 ensimmäisen tehomaksimin alapuolelle. Vaakatasoon käännetyn H-muotoisen maatason 1 lähimmäksi säteilijää 2 tulevan sakaran 4 pituus on edullisesti noin 180 mm ja pidemmän sakaran 5 pituus on noin 260 mm.

Maataso 1 toimii tässä koaksiaalikaapelin kanssa lähinnä maadoituskapasitanssina ja lasin nopeuskerroin ei vaikuta kovinkaan voimakkaasti maadoituselementtiin. Maatason 1 7 ft Q 7 c ί: vaakatasoon käännetyllä H-rakenteella ja em. mitoituksella eliminoidaan tehokkaasti antennikaapelin pituusvaihteluista aiheutuvat häiriöt.

Tällä järjestelyllä saadaan antennin impedanssiksi 50 ohmia resonanssitaajuudella 455,5 MHz, eli antenni on sovitettu yleisimmin käytettyyn antennijohtoon, jonka aaltoim-pedanssi on 50 ohmia.

Keksinnön mukainen antenni voidaan em. periaatetta soveltaen mitoittaa myös NMT-900 matkapuhelimelle tai mille tahansa taajuudelle alueella noin 300 MHz - 3 GHz.

Apuelementtien 3 kytkentä säteilijään 2 on tällaisessa ratkaisussa induktiivinen ja kapasitiivinen. Nämä apuele-mentit 3 eivät vaikuta säteilijän 2 sähköiseen pituuteen.

Keksinnön mukaisessa antennissa säteilijä 2 ja apuelemen-tit 3 ovat sijoitetut asemointikalvon ja suojapaperin väliin, jolloin suojapaperi repäistään pois ja säteilijä 2 sekä apuelementit 3 painetaan asemointikalvon avulla haluttuun paikkaan lasiin, jolloin niissä oleva liima kiinnittää ne lasiin. Tämän jälkeen asemointikalvo voidaan poistaa. Antennin valmistus on siten varsin yksinkertaista ja valmistus voidaan helposti automatisoida. Antennia voidaan sarjatuotantona valmistaa pelkästään yhtä kokoa, jolloin suojapaperiin on merkitty leikkauskohdat, joita myöten leikkaamalla käyttäjä saa esim. NMT-450 antennista NMT-900 antennin.

Keksinnön mukainen antenni on myös valmistustekniikan kannalta otollinen koska sen toistuvuus on tuotannossa hyvä eli jokaisesta valmistetusta antennista tulee ominaisuuk-silt aan riittävän samanlaisia. Tämä johtuu antennin rakenteesta, kaikki siinä olevat elementit ovat hyvinkin tarkasti määriteltävissä ja helposti toteutettavissa.

8 y ί \φ

Koska auton metalliosat vaikuttavat jonkin verran häiritsevästi NMT-450 matkapuhelimen taajuudella voidaan antenneja asentaa kaksi, yksi kumpaankin ajoneuvon sivuikkunaan, jolloin säteilykuvio ja kuuluvuus paranee. Tällä ratkaisulla saavutetaan vähintään yhtä hyvä kuuluvuus kuin parhalla tunnetulla keskelle auton kattoa asennetulla säteilijällä. NMT-900 matkapuhelimen taajuudella tähän ei ole tarvetta, koska siinä käytetyllä suuremmalla taajuudella auton kori ei enää vaikuta samalla tavalla häiritsevästi antenniin, joten yksi jompaan kumpaan sivuikkunaan asennettu antenni riittää.

Tällaisen antennin seisovan aallon suhde on 1:1, joka merkitsee sitä, että esim. antennikaapelin tarkalla pituudella ei ole merkitystä. Antenneja on siten helppo tarvittaessa asentaa useita rinnan.

Sateliittikäyttöä varten antenneja voi olla kaksi siten, että yksi on asennettu ajoneuvon sivuikkunaan ja toinen on asennettu ajoneuvon etu- tai takaikkunaan. Tällä järjestelyllä saadaan aikaan vaakapolarisoitu kiertopolari-saatio.

Antenni voi myös olla etsattu, laminoitu tai muulla vastaavalla tavalla upotettu ajoneuvon ikkunaan.

Antenni voidaan myös teipin sijaan valmistaa ohuesta lasin pintaan asennettavasta tai lasiin upotettavasta langasta. Tällöin antenni on kuitenkin varsinkin pinta-asennuksessa huomattavasti vaikeammin hallittavissa. Pyöreä johde lasin pinnalla aiheuttaa erialaisia epämääräisyyksiä, jolloin mm. antennin tuotannollinen toistettavuus kärsii.

Kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 antennin vaakatason suun-tadiagrammi. Antenni on mittauksessa sijoitettu auton oikeaan takasivuikkunaan.

9 ,- r*-· r . ·· / * r

i VW

Kuviossa 3 on esitetty vastaava vertikaalitason suuntadia-grammi.

Kuten kuvioista 2 ja 3 nähdään keksinnön mukaisen antennin säteilykuviot ovat varsin edullisia ja ne täyttävät hyvin matkapuhelinantennille selostuksen alkuosassa määritellyt vaatimukset.

Kuviosta 4 nähdään apuelementtien 3 vaikutus antennin impedanssiin. Ilman apuelementtejä 3 antennin impedanssi Z on noin 75 ohmia. Kuvion 1 mukaisen antennin, jossa on neljä apuelementtiä 3, kaksi säteilijän 2 kummallakin puolella, impedanssi on resonanssitaajuudella tasan 50 ohmia. Tällöin antennin impedanssin reaktiivinen osa on myös nolla.

Claims (8)

1. Antenni, erityisesti ajoneuvon ikkunaan asennettava matkapuhelinantenni, joka käsittää maatason (1) ja olennaisesti kohtisuoraan sitä vastaan asennetun, välimatkan päässä siitä olevan vertikaalisäteilijän (2), tunnettu siitä, että vertikaalisäteilijän (2) kummallakin puolella, välimatkan päässä siitä on ainakin yksi vertikaalisäteilijän (2) suuntainen apuelementti (3).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että maataso (1) muodostuu vaakatasoon käännetystä olennaisesti H-kuviosta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementit (3) ovat lyhyemmät kuin säteilijä (2).

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen antenni, tunnettu siitä, että apuelementtejä (3) on edullisesti kaksi säteilijän (2) kummallakin puolella.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen antenni, tunnettu siitä, että vertikaalisäteilijä (2) on 3/4 aallonpituussäteilijä.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen antenni, tunnettu siitä, että maataso (1), säteilijä (2) ja apu-elementit (3) muodostuvat edullisesti sähköä hyvin johtavasta materiaalista esim. kupariteipistä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen antenni, tunnettu siitä, että maataso (1), säteilijä (2) ja apuelementit (3) on sijoitettu asemointikalvon ja suojapaperin väliin.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antenni, tunnettu siitä, että maatason (1), säteilijän (2) ja apuelement- i 11 ί: Ί 7 f j > y ν. tien (3) suojapaperin puoleisessa pinnassa on liima, jolla antenni kiinnitetään ikkunaan.