FI97499C - Kaksitoiminen antenni - Google Patents

Description

97499

Kaksitoiminen antenni - Dubbelverkande antenn

Keksintö koskee ympärisäteilevää antennirakennetta, joka on tarkoitettu tietoliiken-5 teen välittämiseen radiotaajuuksilla ja joka on työnnettävissä osittain radiolaitteen kotelon sisään tilan säästämiseksi ja joka toimii antennina sekä sisääntyönnettynä että ulosvedettynä.

Kannettavien tiedonsiirtolaitteiden kehitys on johtanut siihen, että radiotaajuuksilla 10 toimivat lähetin/vastaanotinlaitteet, kuten matkapuhelimet, pyritään tekemään yhä pienemmiksi ja kevyemmiksi. Tämä asettaa suuria vaatimuksia antennirakenteille, koska käyttäjä edellyttää, ettei antenni lisää merkittävästi muuten pienikokoisen radiolaitteen ulkomittoja etenkään silloin, kun laite ei ole käytössä vaan sitä kuljetetaan esimerkiksi taskussa tai salkussa. Toisaalta tietoliikenneyhteyden sujuvuus ja 15 luotettavuus edellyttää antennilta hyviä sähköisiä ominaisuuksia, ja myös kuljetusa-sennossa olevan matkaviestimen tulee pystyä vastaanottamaan tukiaseman lähettämiä kutsuviestejä. Tarkemmat tiedot viesteistä ja tehotasoista, joita antennin tulee lähettää ja vastaanottaa, sisältyvät kunkin tiedonsiirtojäijestelmän spesifikaatioihin, joista esimerkkinä mainitaan GSM-järjestelmän määrittely julkaisussa "M.R.L.

20 Hodges, The GSM radio interface, British Telecom Technological Journal", Voi. 8, No 1, 1990, s. 31-43.

Seuraavassa tarkastellaan radiolaitteena esimerkinomaisesti matkapuhelinta, mutta tarkastelu pätee yleisemminkin lähetin/vastaanotinlaitteisiin, joille esitetään sekä 2.5 koko- että toiminnallisuusvaatimuksia. Yleinen ratkaisu on tehdä matkapuhelimeen kaksitoiminen antenni, joka on kuljetus-ja säilytysasennossaan työnnettynä suurimmaksi osaksi puhelimen kotelon sisään ja jonka käyttäjä voi vetää tarvittaessa ulos. Näistä kahdesta asennosta käytetään nimityksiä passiivinen asentoja aktiivinen asento. Antenni on rakennettu siten, että myös passiivisessa asennossa puhelimen 30 kotelon ulkopuolelle jää toiminnallinen antenniosa, jonka välityksellä puhelin kyke-·. nee vastaanottamaan kutsuviestejä. Antennin sähköinen suorituskyky on kuitenkin aktiivisessa asennossa huomattavasti parempi, joten onnistunutta puhelinyhteyttä varten käyttäjän on tarkoitus vetää antenni aktiiviseen asentoon aloittaessaan puhelun.

Kaksitoimisen antennin suunnittelussa tulee eteen ongelma, miten antenni saadaan toimimaan optimaalisella tavalla sekä aktiivisessa että passiivisessa asennossa ja silti viemään mahdollisimman vähän tilaa. Eräs kaksitoiminen antenniratkaisu on esitetty 35 97499 2 patentissa US-5 204 687. Siinä kaksitoiminen antenni muodostuu kuvien la ja Ib mukaisesti kahdesta johtavasta antennielementistä, jotka ovat pitkänomaisessa an-tennirakenteessa peräkkäin ilman keskinäistä sähköä johtavaa yhteyttä. Antennin huipussa on lieriökelaksi kierretty johdin eli ns. heliksielementti 1, joka on antennin 5 pituussuunnassa oleellisesti lyhyempi kuin antennin vartena toimiva suora johdin, ns. piiskaelementti 2. Antennin ollessa aktiivisessa asennossa (kuva la) puhelimen lähetin/vastaanotinyksikkö kytkeytyy liukukytkennän 3 välityksellä sen alapäähän ja käyttää antennina yksinomaan piiskaelementtiä. Passiivisessa asennossa (kuva Ib) piiskaelementti 2 on kokonaan työntyneenä puhelimen kotelon 4 sisään ja lähetin/-10 vastaanotinyksikkö kytkeytyy antennin "kaulan" kautta heliksielementtiin 1. Sovi-tuspiiri 9 sovittaa kulloisenkin antennin impedanssin vastaamaan radiolaitteen an-tenniportin 11 impedanssia. Jäijestelyn haittapuolena on se, että koska piiska- ja heliksielementti eivät ole sähköisessä yhteydessä keskenään, toisen ollessa käytössä toinen on tavallaan turha. Tällaisella järjestelyllä ei päästä kovin suureen tilansääs-15 töön.

Eräs jo pitkään matkaradioissa käytetty antenniratkaisu on teleskooppiantenni, joka koostuu sisäkkäisistä lieriömäisistä elementeistä, jotka liukuvat toistensa suhteen. Teleskooppirakenne on kallis ja suhteellisen vaikea valmistaa ja se kestää huonosti •20 mekaanisia rasituksia, joten se ei ole saavuttanut laajaa suosiota matkapuhelimissa.

Patenttijulkaisussa WO-92/16980 on esitetty kuvien 2a, 2b ja 2c mukainen kaksitoiminen antenniratkaisu, joka koostuu julkaisussa US-5 204 687 esitetyn antennin tavoin peräkkäisistä heliksi- 1 ja piiskaosista 2, jotka on tässä tapauksessa liitetty 25 sähköä johtavalla liitoksella toisiinsa. Keksinnön ajatus on mitoittaa piiskaosuus 2 ja sen sisääntyöntökotelo 5 siten, että passiivisessa asennossa (kuvat 2b ja 2c) piiska-osuus näkyy heliksiosuuteen päin hyvin suurena impedanssina eikä vaikuta heliksi-osuuden toimintaan antennina. Väärin mitoitettu piiskaosuus aiheuttaisi sisääntyön-nettynä signaaliin ei-toivottuja heijastuksia tai turhaa vaimennusta. Julkaisun WO-30 92/16980 rakenteessa piiskaosuus 2 mitoitetaan edullisesti aallonpituuden puolik- kaan pituiseksi. Heliksin mitoitus ei ole julkaisun WO-92/16980 esittämän keksinnön kannalta oleellinen, mutta sen sähköinen pituus voi olla esimerkiksi aallonpituuden neljännes tai puolikas. Sovituspiiri 9 sovittaa antenni-impedanssin radiolaitteen antenniportin 11 impedanssiin. Julkaisussa esitetään myös vaihtoehtoinen 35 suoritusmuoto, jossa sisääntyöntökotelon 5 keskivaiheille on järjestetty liukukon-takti 6, joka passiivisessa asennossa maadoittaa piiskaosuuden siten, että etäisyys antennin syöttöpisteestä 3 maadoituskohtaan 6 on aallonpituuden neljännes.

3 97499

Kuvassa 2d havainnollistetaan kytkentäkaavion muodossa julkaisun WO-92/16980 keksinnöllistä ajatusta. Kuvan kytkentäkaavio esittää antennina toimivaa heliksi-osuutta 1 ja sovituspiirin 9 erästä esimerkinomaista suoritusmuotoa antennin ollessa passiivisessa asennossa (vrt. kuvat 2b ja 2c). Koska tunnetusti sekä aallonpituuden 5 puolikkaan pituinen ja toisesta päästä avoin siirtojohto että aallonpituuden neljänneksen pituinen ja toisesta päästä oikosuljettu siirtojohto näkyvät radiotaajuudella äärettömän suurena impedanssina, antennin piiskaosuus 2 ei signaalin kannalta näy syöttöpisteestä 3 lähtevänä haarana eikä näin ollen aiheuta signaaliin haitallisia heijastuksia eikä vaimennusta. Piiskaosuutta 2 ei kuitenkaan voi tehdä lyhyemmäksi 10 kuin aallonpituuden neljännes, koska lyhyempää siirtojohtoa ei voi samalla tavalla "häivyttää" signaalin näkyvistä. Julkaisussa WO-92/16980 ei esitetä edes aallonpituuden neljänneksen pituista piiskaosaa, vaan ainoastaan puolen aallonpituuden pituisen piiskaosan maadoittaminen puolivälistä liukukontaktin 6 avulla.

15 Puolet aallonpituudesta on 450 MHz:n taajuudella noin 30 cm ja 900 MHz:n taajuudella noin 15 cm, joten julkaisun WO-92/16980 mukainen puolen aallonpituuden mittainen piiskaelementti on vielä varsin pitkä nykyaikaisia matkapuhelimia ajatellen. On selvää, että antennirakenteissa tulee pyrkiä vielä lyhyempiin ratkaisuihin.

*20 Tämän keksinnön tavoitteena on esittää antennirakenne, joka toimii sekä sisääntyön-nettynä että ulosvedettynä tiedonsiirtojärjestelmän, edullisesti matkapuhelinjärjestelmän, edellyttämällä tavalla ja joka on hyvin pienikokoinen. Rakenteen tulee olla yksinkertainen valmistaa ja sen tulee soveltua valmistuskustannuksiensa puolesta matkaviestimien sarjatuotantoon.

25

Tavoite saavutetaan kaksitoimisella antennirakenteella, joka käsittää ensimmäisen osuuden ja toisen osuuden. Antennin ollessa ulosvedetyssä asennossa ensimmäinen ja toinen osuus toimivat yhdistettynä ympärisäteilevänä antennina ja antennin ollessa sisääntyönnetyssä asennossa toinen osuus toimii osana ensimmäisen osuuden im-30 pedanssisovitusta. Antennirakenne käsittää lisäksi sovitinosan, joka käsittää välineet . antenniin kytkeytymiseksi ja sen impedanssin oikeaksi sovittamiseksi sekä ulosvedetyssä että sisääntyönnetyssä asennossa.

Keksinnön mukaiselle antennirakenteelle on tunnusomaista, että antennin toisen 35 osuuden sähköinen pituus on oleellisesti pienempi kuin sen aallonpituuden neljännes, jolla antenni on tarkoitettu käytettäväksi, ja toisessa ääriasennossa antennin toinen osuus muodostaa yhdessä sovitinosan kanssa kytkennän antennin ensimmäisen osuuden impedanssin sovittamiseksi vastaamaan antenniportin impedanssia.

4 97499

Keksintö perustuu oivallukseen, jonka mukaan sisääntyönnetyssä eli passiivisessa asennossa antennin toista osuutta ei yritetä tehdä signaalin kannalta näkymättömäksi julkaisun WO-92/16980 esittämällä tavalla, vaan sen sähköisiä ominaisuuksia käyte-5 tään hyväksi kytkemällä se induktanssiksi antennin syöttöpisteen ja maapotentiaalin välille. Tällöin toisen osuuden sähköinen pituus voi olla huomattavasti alle aallonpituuden neljänneksen. Ulosvedetyssä eli aktiivisessa asennossa ensimmäinen ja toinen osuus muodostavat yhdistetyn antennirakenteen, jonka sähköinen pituus on riittävä tehokkaan antennitoiminnan saavuttamiseksi. Antennirakenteeseen kuuluva 10 sovitinosa suunnitellaan jäljempänä esitetyllä tavalla siten, että se sovittaa antennin molemmissa toiminta-asennoissa optimaalisella tavalla radiolaitteen lähetin/vastaan-otinosaan.

Keksintöä kuvataan nyt tarkemmin viittaamalla oheisiin kuviin, joissa 15 kuva la esittää patentista US-5 204 687 tunnettua kaksitoimista antennirakennetta antenni ulosvedettynä, kuva Ib esittää patentista US-5 204 687 tunnettua kaksitoimista antennirakennetta antenni sisääntyönnettynä, •20 kuva 2a esittää patenttijulkaisusta WO-92/16980 tunnettua kaksitoimista antenni-rakennetta antenni ulosvedettynä, kuva 2b esittää patenttijulkaisusta WO-92/16980 tunnettua kaksitoimista antenni-rakennetta antenni sisääntyönnettynä, kuva 2c esittää muunnelmaa kuvan 2b rakenteesta, 25 kuva 2d esittää kytkentäkaaviona kuvien 2b ja 2c tilannetta, kuva 3a esittää keksinnön mukaista kaksitoimista antennirakennetta antenni ulosvedettynä, kuva 3b esittää keksinnön mukaista kaksitoimista antennirakennetta antenni sisääntyönnettynä, ja 30 kuva 3c esittää kytkentäkaaviona kuvan 3b tilannetta.

Edellä tekniikan tasoa on selostettu viittaamalla kuviin la - 2d, joten seuraavassa selostetaan keksintöä viittaamalla lähinnä kuviin 3a, 3b ja 3c. Kaikissa kuvissa on merkitty vastaavia osia samoilla viitenumeroilla. Keksinnön selostuksessa käytetään 35 radiolaitteena esimerkinomaisesti matkapuhelinta.

Keksinnön mukainen antennirakenne on esitetty kuvassa 3a antenni ulosvedettynä ja se käsittää ensimmäisen osuuden, edullisesti heliksin 1, ja toisen osuuden, edullises-

II

5 97499 ti piiskan 2. Seuraavassa käsitellään esimerkinomaisesti ensimmäisenä osana helik-siä ja toisena osana piiskaa. Molemmat on valmistettu johtavasta materiaalista, edullisesti metallilangasta tai -nauhasta. Ne voidaan valmistaa samasta kappaleesta tai eri kappaleista, jolloin ne yhdistetään sähköä johtavalla liitoksella. Ensimmäisen 5 osan sähköinen pituus on edullisesti neljännes aallonpituudesta, jolle antenni on tarkoitettu. Toisen osan sähköinen pituus on huomattavasti lyhyempi kuin aallonpituuden neljännes, edullisesti noin aallonpituuden kahdeksasosa. Matkapuhelimen kotelon 4 sisällä on ohjainputki 5, johon piiskaosa 2 työntyy, kun antenni painetaan sisään. Ohjainputki voi olla valmistettu muovista tai metallista. Jos se on valmistettu 10 metallista, se täytyy eristää antennista. Jos antennin oikea liike uiko- ja sisäasennon eli aktiivisen ja passiivisen asennon välillä voidaan luotettavasti varmistaa muilla keinoin, ohjainputkea ei tarvita.

Antennirakenteen sovitinosa 7 käsittää kytkeytymisvälineet 8 antenniin kytkeytymi-15 seksi, impedanssisovituspiirin 9, jolla antennijärjestelyn impedanssi sovitetaan vastaamaan matkapuhelimen lähetin/vastaanotinosan antenniportin 11 impedanssia, ja maadoituskontaktin 10, joka maadoittaa piiskaosan alapään, kun antenni on työnnetty sisäasentoon, jotta piiskaosa toimisi keksinnöllisen ajatuksen mukaisesti induktanssina. Kuvassa 3 on esitetty maadoituskytkennälle 10 kaksi vaihtoehtoista •20 suoritusmuotoa 10a ja 10b, joita selostetaan jäljempänä.

Antennin RF-syöttöpiste on sekä aktiivisessa että passiivisessa asennossa kytkey-tymisvälineiden 8 kohdalla. Aktiivisessa asennossa säteilevä antennielementti muodostuu piiska-ja heliksiosan sarjakytkennästä, jonka sähköinen pituus on heliksi-ja 25 piiskaosan sähköisten pituuksien summa, edullisesti noin 3λ/8. Passiivisessa asen- * nossa säteilevä antennielementti muodostuu heliksiosasta, jonka sähköinen pituus on noin λ/4. Koska säteilevän antennielementin sähköinen pituus muuttuu aktiivisen ja passiivisen asennon välillä, myös antennin syöttöimpedanssi saa eri arvon, mistä johtuen sama impedanssisovituspiiri 9 ei toimi optimaalisesti molemmissa tapauk-30 sissa. Esillä olevan keksinnön mukaisesti piiskaosa 2 ja maadoituskontakti 10 muodostavat passiivisessa asennossa induktanssikytkennän antennin syöttöpisteestä maapotentiaaliin, mitä havainnollistaa kuva 3c. Tämä induktanssikytkentä on antennin passiivisessa asennossa toiminnallisesti osa heliksiosan 1 impedanssisovitusta.

35 Impedanssisovituspiiri 9 on tyypillisesti induktiivisella elementillä LI ja kapasitiivi-sella elementillä C1 toteutettu alipäästörakenne. Myös ylipäästörakenne, liuskaele-menttirakenne tai muu alan ammattimiehen tuntema antennisovituskytkentä voi tulla kyseeseen. Piiri on mitoitettu aktiivisen asennon mukaan eli se sovittaa piiskaosan 2 6 97499 ja heliksiosan 1 saijakytkennän impedanssin 50 ohmiksi. Passiivisessa asennossa piiskaosa kytkeytyy maadoituksen 10 ansiosta syöttöpisteen 8 ja maapotentiaalin välille eli kuvassa kapasitiivisen elementin Cl rinnalle rinnakkaisinduktanssiksi, jolloin piiskaosan ja sovitinpiirin 9 muodostaman yhteiskytkennän tulisi sovittaa 5 heliksiosan impedanssi 50 ohmiksi. Jos piiskaosan muodostama rinnakkaisinduk-tanssi ei ole täsmälleen oikea, maadoituskontaktiin 10 voidaan lisätä saijakapasi-tanssi C2 vaihtoehdon 10a mukaisesti, sarjainduktanssi L2 vaihtoehdon 10b mukaisesti tai muu alan ammattimiehelle sinänsä ilmeinen sovituselin.

10 Keksinnön mukainen antennirakenne on huomattavan pienikokoinen, koska piiska-elementti on edullisesti vain aallonpituuden kahdeksasosan pituinen. Antennin suorituskyky on kuitenkin hyvä, koska aktiivisessa asennossa sen sähköinen pituus on suurempi kuin kummankaan osan sähköinen pituus yksinään ja impedanssisovitus on optimaalinen sekä aktiivisessa että passiivisessa asennossa. Rakenne on yksinker- 15 täinen ja mekaanisesti luja ja sen valmistuskustannukset ovat alhaiset.

Vaikka edellä on selostettu esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen antennin käyttöä matkapuhelimessa, sen sovellusmahdollisuudet eivät rajoitu esitettyihin suoritusmuotoihin. Keksinnön mukaista antennirakennetta voidaan käyttää kaikissa radio-• *2C lähetin/vastaanotinlaitteissa, joissa antennin on edullista olla pienikokoinen ja si-sääntyönnettävä.

«

Claims (10)

97499

1. Antennijäijestely radioviestinlaitteella tapahtuvaa viestintää varten, joka ra-dioviestinlaite käsittää antenniportin (11) antennisignaalin välittämistä varten ja ulkokuoren (4) ja joka antennijäijestely käsittää 5. antennin, joka käsittää ensimmäisen osuuden (1) ja toisen osuuden (2), joka an tenni on liikutettavissa mainitun radioviestinlaitteen ulkokuoren suhteen ensimmäisen ääriasennon ja toisen ääriasennon välillä, joista ensimmäisessä ääriasennossa mainitut ensimmäinen osuus ja toinen osuus ovat oleellisesti mainitun ulkokuoren ulkopuolella ja toisessa ääriasennossa mainittu toinen osuus on oleellisesti mainitun 10 ulkokuoren sisäpuolella, ja - sovitinosan (7) antennin impedanssin sovittamiseksi vastaamaan mainitun antenni-portin (11) impedanssia, joka sovitinosa käsittää impedanssisovituspiirin (9) mainitun antennin ja mainitun antenniportin välissä, tunnettu siitä, että 15 mainitun antennin toisen osuuden (2) sähköinen pituus on oleellisesti pienempi kuin sen aallonpituuden neljännes, jolla antenni on tarkoitettu käytettäväksi, ja mainitussa toisessa ääriasennossa antennin toinen osuus muodostaa yhdessä sovitinosan (7) kanssa kytkennän antennin ensimmäisen osuuden (1) impedanssin sovittamiseksi vastaamaan mainitun antenniportin (11) impedanssia. •?0

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennijäijestely, tunnettu siitä, että mainitun antennin toisen osuuden (2) sähköinen pituus on oleellisesti sen aallonpituuden kahdeksasosa, jolla antenni on tarkoitettu käytettäväksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen antennijäijestely, tunnettu siitä, että 9 mainittu antennin toinen osuus (2) käsittää ensimmäisen pään ja toisen pään, joista ensimmäinen pää liittyy mainittuun antennin ensimmäiseen osuuteen (1), ja mainittu sovitinosa (7) käsittää välineet kytkennän (10) järjestämiseksi mainitun toisen pään ja maapotentiaalin välille, kun antenni on mainitussa toisessa ääriasennossa. 30

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennijärjestely, tunnettu siitä, että mainittu antennin toinen osuus (2) ja mainittu kytkentä (10) muodostavat oleellisesti induk-tanssikytkennän mainitun antennin ensimmäisen osuuden (1) ja maapotentiaalin välille. 35

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen antennijäijestely, tunnettu siitä, että mainittu kytkentä antennin toisen osuuden toisen pään ja maapotentiaalin välillä käsittää sarjainduktanssin (L2). 97499

6. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 5 mukainen antennijäqestely, tunnettu siitä, että mainittu kytkentä antennin toisen osuuden toisen pään ja maapotentiaalin välillä käsittää sarjakapasitanssin (C2). 5

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen antennijärjestely, tunnettu siitä, että mainittu antennin ensimmäinen osuus (1) on lieriökelaksi kierretty johdin.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen antennijärjestely, tunnettu 10 siitä, että mainittu antennin toinen osuus (2) on suora johdin.

9. Matkapuhelin matkaviestinverkossa tapahtuvaa viestintää varten, joka matkapuhelin käsittää ulkokuoren, lähetin/vastaanotinosan antenniportin ja antennijärjes-telyn, joka antennijärjestely käsittää 15. antennin, joka käsittää ensimmäisen osuuden (1) ja toisen osuuden (2), joka anten ni on liikutettavissa mainitun matkapuhelimen ulkokuoren suhteen ensimmäisen ääriasennon ja toisen ääriasennon välillä, joista ensimmäisessä ääriasennossa mainitut ensimmäinen osuus ja toinen osuus ovat oleellisesti mainitun ulkokuoren ulkopuolella ja toisessa ääriasennossa mainittu toinen osuus on oleellisesti mainitun ul-•*20 kokuoren sisäpuolella, ja - sovitinosan (7) antennin impedanssin sovittamiseksi vastaamaan mainitun antenni-portin impedanssia, joka sovitinosa käsittää impedanssi so vituspiirin (9) mainitun antennin ja mainitun antenniportin välissä, tunnettu siitä, että 2. mainitun antennin toisen osuuden (2) sähköinen pituus on oleellisesti pienempi kuin sen aallonpituuden neljännes, jolla antenni on tarkoitettu käytettäväksi, ja mainitussa toisessa ääriasennossa antennin toinen osuus muodostaa yhdessä sovitinosan (7) kanssa kytkennän antennin ensimmäisen osuuden (1) impedanssin sovittamiseksi vastaamaan mainitun antenniportin (11) impedanssia. 30

10. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen antennijärjestelyn käyttö matkapuhelimessa. » 97499