SE514530C2 - Antennanordning omfattande kapacitivt kopplade radiotorelement och en handburen radiokommunikationsanordning för en sådan antennanordning - Google Patents

Description

20 25 30 514 550 2 I US-5,191,352 visas en kvadrifilär radiofrekvensantenn anordnad att ta emot signaler från satelliter som kretsar runt jorden.

Antennen har fyra helixformade metalltrådar formade och anord- nade att bilda en cylindrisk omslutning. Elementen sträcker sig gemensamt i den axiella riktningen för omslutningen.

WO 96/06468 visar en antennanordning med en keramisk kärna med en relativ dielektrisk konstant på minst 5 där vartannat helix- format element är längre, så att en självfasad antenn erhålls.

Vartannat element görs längre med hjälp en slingrande form.

I tidskriften Microwave Engineering Europe June/July 1995 visas en antenn för personliga handburna terminaler. Antennen är av kvadrifilär helixformad typ.

BESLÄKTADE PATENTANSÖKNINGAR Följande patentansökningar hänför sig till samma tekniska område som uppfinningen i föreliggande ansökan och infogas härmed häri genom referens: Den svenska patentansökan som har titeln "An antenna system and a radio communication device including an antenna system", inlämnad i Sverige samma dag som föreliggande 18 maj 1998, patentansökan som har titeln "Antenna device comprisingfeeding ansökan, sökande Allgon AB, den svenska means and a hand held radio communication device for such antenna device", inlämnad i Sverige samma dag som föreliggande ansökan, 18 maj 1998, sökande Allgon AB, och den svenska patentansökan SE 9704938~l, inlämnad 30 December 1997, sökande Allgon AB, som har titel "Antenna system for circularly polarized radio waves including antenna means and interface network".

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är följakt- ligen att åstadkomma en antenn anordnad att både ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler vilken är mindre och lättare än tidigare kända antenner. 23269b 1999-09-17 16:08 10 15 20 25 30 514 530 3 Ett annat syfte med föreliggande uppfinningen är att åstadkomma en antenn anordnad att både ta emot och sända cirkulärpolari- serade RF signaler vilken har bättre egenskaper för en given fysisk längd än tidigare kända antenner.

Ett annat syfte, enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, är att åstadkomma en antenn vilken kan ta emot och sända RF signaler i tvâ olika frekvensband.

Ett annat syfte, enligt en utföringsform av uppfinningen, är att åstadkomma en antenn för att både ta emot och sända cirkulär- polariserade RF signaler i ett kommunikationssystem där RF bandet för att ta emot signaler och RF bandet för att sända signaler är åtskilda.

Problemen som beskrivits ovan, hur en mindre och mer effektiv antenn för att ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler kan erhållas, löses genom att tillhandahålla en N-tråds helixformad antenn, med N radiatorelement, koaxialt anordnade, och vilka definierar en cylindrisk inneslutning, där varje individuellt radiatorelement är kapacitivt kopplad till ett annat radiatorelement.

Problemen som beskrivits ovan, hur en mindre och mer effektiv antenn för att ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler kan erhållas, enligt en utföringsform av uppfinningen, löses genom att tillhandahålla en N-tråds helixformad antenn med N radiatorelement koaxialt anordnade och som definierar en cylindrisk inneslutning där varje radiatorelement har en slingrande form överlagrad på den i huvudsak helixformade formen.

I mer detalj uppnås syftena med föreliggande uppfinning, hur en mindre och mer effektiv antenn för att ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler kan erhållas, enligt en utföringsform av uppfinningen, genom att tillhandahålla en N- tràds helixformad antenn med N radiatorelement koaxialt anordnade och som definierar en cylindrisk inneslutning, där varje individuellt radiatorelement har en slingrande form lagd 2326933 1999-09-17 16: 08 10 15 20 25 514 530 4 ovanpå den i huvudsak helixformade formen, och där varje individuellt radiatorelement är kapacitivt kopplad till sin granne i minst en ände motstående till matningspunkten.

En fördel med föreliggande uppfinning är att en mindre antenn kan erhållas för att ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler.

En annan fördel med föreliggande uppfinning är att en antenn kan användas för att ta emot och sända cirkulärpolariserade RF signaler i mer än ett band.

En annan fördel med föreliggande uppfinning är att endast en antenn behövs för att både ta emot och sända cirkulärpolari- serade RF signaler även när bandet för att ta emot RF signaler är vida skilt från bandet för att sända RF signaler.

Vidare omfattning av tillämpningar av föreliggande uppfinning kommer att vara uppenbara från den detaljerade beskrivningen som ges här nedan. Emellertid, skall det förstås att den detaljerade beskrivningen och de specifika exemplen, vilka indikerar föredragna utföringsformer av uppfinningen, endast ges som illustration, eftersom olika förändringar och modifieringar inom omfattningen för uppfinningen kommer att vara uppenbara för fackmannen från denna detaljerade beskrivning.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer att mer komplett förstås från den detaljerade beskrivningen här nedan och de bifogade ritningarna vilka endast ges som illustration, och följaktligen inte är begränsande för föreliggande uppfinning och där: figur 1 visar en tidigare känd antenn, figur 2 visar en antenn med ett slingrande radiatormönster enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen, 23269b 1999-09-17 16:08 10 15 20 25 30 514 530 5 figur 3 visar en antenn med ett slingrande radiatormönster med toppkapacitans enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, figur 4 visar en antenn med ett slingrande radiatormönster med toppkapacitans och en andra linje med kapacitans enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, figur 5 visar en helixformad antenn med ett slingrande radiatormönster enligt en fjärde utföringsform av uppfinningen, figur 6 visar en helixformad antenn med ett slingrande radiatormönster med en skiva enligt en femte utföringsform av uppfinningen, figur 7a, 7b och 7c visare en stöd/kapacitansskiva visad i figur 5 och figur 6, figur 8 visar en antenn med ett slingrande radiatormönster enligt en sjätte föredragen utföringsform av uppfinningen, figur 9 visar en handburen kommunikationsanordning med en antenn enligt uppfinningen, figur lOa och lOb visar olika slingrande mönster.

DETALJERAD BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMRNA Figur 1 visar en tidigare känd antenn. Med 101 är ett stöd betecknat och med 102 är ett matningsmedel betecknat. Matnings- medlet 102 omfattar en första, andra, tredje och fjärde matningspunkt 102a, 102b, l02c, 102d. Nämnda matningspunkter är kopplade till första, andra, tredje och fjärde radiatorelement betecknade 103a, 103b, 103c, 103d, gemensamt betecknat 103.

Radiatorelementen är koaxialt lindade kring en gemensam axel definierande en helixformad struktur. RF signaler matas till radiatorelementen 103 från kretsar 104 genom ett fasningsnätverk 105. Fasningsnätverket 105 omvandlar RF signalen till fyra signaler, vilka var och en matas till respektive matningspunkt, med en fasskillnad på 360°/4 = 90°, vilket därmed möjliggör för 23269b 1999-09-17 16: 08 10 15 20 25 30 35 514 550 6 antennen att producera cirkulärpolariserade RF signaler.

Signalerna kan vara höger- eller vänsterpolariserade. De olika polarisationerna åstadkommes genom att linda de radiator- elementen i höger- eller i vänsterriktning och genom att mata RF signalerna på motsvarande sätt.

Trots att, i denna beskrivning för det mesta sändning av RF signaler beskrivs, kan antennen naturligtvis också ta emot signaler.

Figur 2 visar en antenn enligt en första föredragen utförings- form av uppfinningen. Med 201 betecknas ett stöd och en första, andra och tredje matningspunkt betecknas 202a, 202b respektive 202c. Nämnda matningspunkter är kopplade till första, andra och tredje radiatorelement 203a, 203b respektive 203c gemensamt betecknade 203. utföringsform formade direkt på nämnda stöd med användning av Nämnda radiatorelement 203 är i denna föredragna MID teknologi. Nämnda radiatorelement 203 är anordnade att bilda en cylindrisk inneslutning på nämnda (Molded Intrusion Design) stöd. Det vill säga, varje radiatorelement är lindat runt en gemensam axel, definierad av nämnda stöd, gemensamt utsträck- andes på ett cylindriskt sätt så att en helixformad form med en gemensam radie och stigning definieras. Ett slingrande mönster överlagras på nämnda helixform därmed bildande en gemensam helixformad form med ett slingrande mönster. Med andra ord 203b, 203c ett utan hela vridningar, bildar var och en av de radiatorelementen 203a, antal små krökar eller vridningar, så att ett trappliknande mönster på nämnda stöd definieras. Det sling- rande mönstret ökar den elektriska längden för det radiator- elementet för en given fysiska längd och kopplar kapacitivt varje radiatorelement till dess grannar, vilket därigenom möjliggör konstruktion av en kortare antenn med en given elektrisk längd för en specifik tillämpning, som till exempel Iridium, Globalstar etc. En krets 204 matar RF signaler till nämnda matningspunkter 202 genom ett matningsnätverk 205. Nämnda matningsnätverk 205 omvandlar RF signalen till tre olika signaler med en fasskillnad på 360°/3 = l20° och matar nämnda signaler till respektive matningspunkter 202, vilket därigenom 23269b 1999-09-17 16:08 10 15 20 25 30 35 514 530 7 möjliggör produktion av cirkulärpolariserade RF signaler.

Signalerna kan vara höger- eller vänsterpolariserade. De olika polarisationerna åstadkommes genom att linda de radiator- elementen i höger- eller i vänsterriktning och genom att mata RF signalerna på motsvarande sätt. Den slingrande formen för radiatorelementen kan anordnas så att kapacitiv koppling sker mellan de olika radiatorelementen.

Figur 3 visar en andra föredragen utföringsform enligt uppfinningen. Ett stöd betecknas 301 och första och andra matningspunkter, i en första ända av nämnda stöd 301, betecknas 302a respektive 302b. Ett första och andra radiatorelement betecknas 303a respektive 303b och betecknas gemensamt 303.

Nämnda radiatormönster 303 är anordnad att bilda en helixformad cylindrisk inneslutning på nämnda stöd, med en pålagd slingrande form. Det vill säga varje radiatorelement är lindat kring en gemensam axel, definierad av nämnda stöd, på ett cylindriskt sätt så att ett helixformat mönster bildas. Med andra ord omfattar varje radiatorelement 303 ett antal små krökar eller vridningar fram och tillbaka utan kompletta vridningar så att ett trappliknande mönster bildas på nämnda stöd. Radiator- mönstren trycks eller etsas, eller liknade, på en tunn dielektrisk bärare. Nämnda bärare är fast monterad på nämnda stöd, till exempel med ett lim. Varje radiatorelement 303 omfattar vidare en kopplingsdel 304, anordnad att kapacitivt koppla nämnda första radiatorelement 303a, till nämnda andra radiatorelement 303b, i en andra ände 306 motstående till nämnda första ände 305. Nämnda kopplingsdel 304 omfattar en mottagande ände 307 och en utsträckande ände 308 där nämnda utsträckande ände 308 passar i nämnda mottagande ände 307 så att en kapacitans bildas. Toppkapacitansen möjliggör konstruktion av ännu kortare antenner för en given elektrisk längd, den förbättrar även den allmänna effektiviteten av antennen.

Figur 4 visar en tredje föredragen utföringsform enligt uppfinningen. Med 401 betecknas ett stöd. Första, andra, tredje och fjärde matningspunkter betecknas 402a, 402b, 402c respektive 402d och första, andra, tredje och fjärde radiatorelement 2326913 1999-09-17 16: 08 10 15 20 25 30 35 514 530 8 betecknas 403a, 403b, omfattande matningspunkterna 402 betecknas 404 och en andra ände 403c respektive 403d. En första ände motstående till nämnda första ände betecknas 405. En första kopplande del betecknas 406 och en andra kopplande del betecknas 407. Nämnda kopplande delar 406 och 407 omfattar mottagande medlemmar och utsträckande medlemmar, liknande de mottagande och utsträckande medlemmarna beskrivna i samband med den andra föredragna utföringsformen och figur 3. Antennen i figur 4 är anordnad att ta emot och/eller sända RF signaler i två olika separerade band. Den första kopplingsdelen 406, vilken bildar en kapacitiv koppling mellan ett första radiatorelement 403a och dess grannar, det vill säga det första radiatorelementets grannar är det andra och det fjärde radiatorelementet 403b och 403d, förlänger den elektriska längden för nämnda antenn, anpassat till ett första band för att ta emot och/eller sända RF signaler, jämfört med den fysiska längden. Den andra kopplingsdelen 407 är anordnad på avstånd från nämnda första eller andra ände 404 eller 405 för att anpassa nämnda antenn för att ta emot och/eller sända signaler i ett andra band med ökad effektivitet. ta emot RF signaler och det andra att sända RF signaler eller så För nämnda två band kan det ena vara anordnat att kan båda vara anordnade att både ta emot och sända signaler.

Uppfinningen möjliggör alltså att konstruera en antenn med en ensam antenn för att ta emot och/eller sända RF signaler i två separata band.

I figur 5 beskrivs en fjärde föredragen utföringsform enligt den visade uppfinningen. Med 501 betecknas ett stöd och med 502a och 502b betecknas ett första och andra matningsmedel. Med 503a betecknas ett första radiatorelement och med 503b betecknas ett andra radiatorelement. Nämnda första och andra radiatorelement är koaxialt anordnade och formade så att de bildar en cylindrisk helixformad inneslutning, vidare omfattar varje radiatorelement små krökar eller vridningar, fram och tillbaka, utan några kompletta vridningar, så att ett slingrande mönster bildas och överlagras på den helixformade strukturen. En första skiva är anordnad i en första ände och fast monterad på nämnda stöd 501, 23269b 1999-09-17 16: 08 10 15 20 25 30 35 514 550 9 nämnda matningsmedel 502 och nämnda radiatorelement 503 möjlig- gör koppling mellan matningsmedlen 502 och radiatorelementen 503. En andra skiva 505 är anordnad på en andra ände motstående till nämnda första ände och fast monterad till nämnda stöd 501 och till nämnda första och andra radiatorelement 503a och 503b.

Nämnda andra skiva 505 kan, men behöver inte, omfatta en kapacitiv koppling mellan nämnda radiatorelement 503a och 503b.

I figur 6 visas en femte föredragen utföringsform enligt uppfinningen. Denna utföringsform liknar den precis beskrivna utföringsformen med skillnaden att en tredje skiva 601, vilken möjliggör kapacitiv koppling mellan ett första och en andra radiatorelement 602a och 602b, på ett avstånd L från en första ände 604. Avståndet L väljs för att förbättra egenskaperna för antennen i ett andra band anordnat att ta emot och sända RF signaler, då den totala längden för antennen är vald för att optimera prestanda för att ta emot och sända RF signaler i ett första band. Naturligtvis kan det vara fördelaktigt att byta ut en del prestanda i det första bandet för att öka prestanda i det andra bandet.

I figur 7a och 7b är skivor 701 visade med kapacitiv koppling 702 mellan radiatorelementen 703. Figur 7b visar också en skiva för en antenn med fyra metalltrådar. Figur 7c visar en skiva där kapacitanserna är kopplade till en gemensam kopplingspunkt 704 och också där antennelementen inte är symmetriskt anordnade, utan med 90° fasskillnad mellan en första radiator 703 och en andra och tredje radiator 705 och 706, den andra radiatorn 705 har 90° fasskillnad till den första radiatorn 703 och l80° till den tredje radiatorn 706 och den tredje radiatorn 706 har 90° fasskillnad till den första radiatorn 703 och l80° till den andra radiatorn 705.

Figur 8 visar en sjätte föredragen utföringsform enligt uppfin- ningen. Fem radiatorelement 801 är anordnade i en helixformad form bildande en cylindrisk inneslutning på ett stöd 802. I denna utföringsform används ett annat radiatormönster med slingrande kanter. Mönstret omfattar alternerande bredare och 23269b 1999-09-17 16:08 10 15 20 514 550 10 smalare passager så att kanterna på mönstret bildar en sling- rande form. Denna typ av mönster innefattas alltså också i termen slingrande mönster eller slingrande radiatorelement.

Kopplingsdelar 803 vid en första ande kopplar kapacitivt varje radiatorelement till dess granne, det vill säga det första elementet är kapacitivt kopplat till det andra och femte elementet, det andra elementet är kapacitivt kopplat till det tredje och det första elementet och så vidare till det femte elementet vilket är kapacitivt kopplat till det fjärde och det första elementet.

Figur 9 visar en handburen radiokommunikationsanordning enligt uppfinningen.

Figur lOa och l0b visar olika radiatormönster som skall anbringas på en tunn flexibel bärare och fästas på ett stöd med användning av till exempel ett lim.

Uppfinningen sålunda beskriven, är uppenbart varierbar på många sätt. Till exempel är det uppenbart att radiatorelementen kan lindas antingen medsols eller motsols trots att endast en rikting visas i de bifogade ritningarna. Sådana variationer skall inte anses vara avsteg från andan och omfattningen av uppfinningen, och alla sådana modifikationer som är uppenbara för fackmannen är avsedda att vara inkluderade i omfattningen för de följande kraven. 232691) 1999-09-17 16: 08

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 514 530 11 PATENTKRAV

1. Antennanordning för att ta emot och sända RF signaler omfattande ett stöd (20l; 301 401; 501; 802), N radiator- element (203; 303; 403; 503; 602; 801) där N är ett heltal större än ett, N matningspunkter (202; 302; 402; 502) anordnade att mata RF signaler till nämnda N radiatorelement (203; 303; 403; 503; 602; 402; 502) är anordnade att vara kopplingsbara till sändnings- (203; 303; 403; 503; 602; 801) är anordnade att sända RF signaler i åtminstone 801), där nämnda N matningspunkter (202; 302; /mottagningskretsar, nämnda N radiatorelement ett första frekvensband, nämnda kretsar är anordnade att mata RF signaler till vardera matningspunkt (202; 302; 402; 502) så att en cirkulärpolariserad RF signal sänds, vardera av nämnda N radiatorelement (203; 303; 403; 503; 602; 801) anordnade på nämnda stöd (20l; 301 401; 501; 802) ligen helixformad form så att en cylindrisk omslutning bildas, är koaxialt i en väsent- kånnetecknad av att åtminstone ett kopplingsmedel (203a-2030; 307, 308; 406, 407; 601; 702; 803) koppla ett första av nämnda N radiatorelement (203; 303; 403; anordnat att kapacitivt 503; 602; 801) till åtminstone ett andra av nämnda radiatorelement (203; 303; 403; 503; 602; 801).

2. Antennanordning enligt krav 1, varvid nämnda kretsar är anordnade att mata RF signaler till vardera matningspunkt (202; 302; 402; 502) med en fasskillnad på väsentligen 360°/N så att en cirkulärpolariserad RF signal sänds.

3. Antennanordning enligt krav 1 eller 2, varvid vardera radiatorelement av nämnda N radiatorelement (203; 303; 403; 503; 602) varje böj i nämnda slingrande mönster bildar en kapacitiv har ett överlagrat slingrande mönster anordnat sä att koppling till en granne till nämnda radiatorelement.

4. Antennanordning enligt något av kraven 1-3, varvid nämnda (202; 302; 402; 502) är anordnade i en första ände på nämnda stöd på ett symmetriskt cirkulärt sätt så att N matningspunkter vardera matningspunkt befinner sig på ett vinkelavstånd om 23269d.d0C 2000-11-26 10 :41 l0 l5 20 25 30 514 530 12 väsentligen 360°/N från dess granne, och att nämnda N radiator- element (203; 303; 403; 503; 602; 801) har gemensam utsträck- ning med samma radie och lutning.

5. Antennanordning enligt något av kraven 1-4, varvid vardera radiatorelement är kapacitivt kopplad till båda dess närmaste grannar genom åtminstone en kopplingsdel (307, 308; 406, 407; 505; 601, 604; 803).

6. Antennanordning enligt krav 5, varvid nämnda radiator- element (403; 602) omfattar en första kopplingsdel (406; 604) belägen vid nämnda andra ände och en andra kopplingsdel (407; 601) belägen på ett avstånd L från nämnda andra ände.

7. Antennanordning enligt något av kraven 5-6, varvid - åtminstone en av nämnda kopplingsdelar är konduktivt kopplad till nämnda radiatorelement, - nämnda åtminstone en av nämnda kopplingsdelar omfattar (307), - nämnda åtminstone en av nämnda kopplingsdelar omfattar (308), åtminstone en mottagande enhet åtminstone en utsträckande enhet - nämnda ätminstone en utsträckande enhet till ett första radiatorelement hos nämnda N radiatorelement är anordnad att passa i nämnda åtminstone en mottagande enhet till ett andra radiatorelement hos nämnda N radiatorelement så att en kapacitiv koppling erhålls.

8. Antennanordning enligt något av kraven 5-7, varvid nämnda kopplingsdel är belägen i en andra ände (304) distal från nämnda första ände.

9. Antennanordning enligt något av kraven 5-7, varvid nämnda kopplingsdel är belägen på ett avstånd L från en andra ände motstående till nämnda första ände.

10. Antennanordning enligt något av kraven 6-9, varvid nämnda antennanordning är anordnad att ta emot och sända RF signaler i ett andra frekvensband och att avståndet L är valt för att öka 23269d. dOC 2000-11-26 10 :41 10 15 20 514 530 13 effektiviteten pä nämnda antennanordning i nämnda andra frekvensband.

11. Antennanordning enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda kopplingsmedel är en kopplingsskiva (505; 601, 604) anordnad att bära àtminstone en kapacitans (702), nämnda skiva är fäst (501) àtminstone en kapacitans till àtminstone två av nämnda N radiatorelement (503; 602) så att en kapacitiv koppling bildas till nämnda stöd och anordnad att koppla nämnda mellan nämnda àtminstone två radiatorelement.

12. Antennanordning enligt något av kraven 1-4, varvid àtmin- stone tvà kapacitanser (702) är anordnade sä att vardera kapacitans i en första ände är kopplad till en gemensam (704) åtminstone ett radiatorelement (703, och i en andra ände är kopplad till 705, 706). kopplingspunkt

13. Handburen mobil kommunikationsanordning innefattande en antenn enligt något av ovanstående krav.

14. Mobil kommunikationsanordning enligt krav 13, varvid nämnda handburna anordning är anordnad att ta emot och/eller sända RF signaler till och från en kretsande satellit.

15. Mobil kommunikationsanordning enligt krav 13 eller 14, varvid nämnda anordning är anordnad att ta emot och/eller sända RF signaler i åtminstone två olika separata band där vardera band används för att ta emot och/eller sända RF signaler. 23269d.dOC 2000-11-26 10 :41