SE516535C2 - Antennanordning omkopplingsbar mellan ett flertal konfigurationslägen anpassade för användning i olika operationsmiljöer samt därtill hörande förfarande - Google Patents

Description

is1s sas ??¥uï}ifï“ W 2 Strålningsegenskaperna hos en antenn för en handburen telefon beror i hög grad på basstrukturens form och storlek, såsom te- lefonens tryckta kretskort (PCB) och telefonhöljet. Alla strålningsegenskaper, såsom resonansfrekvensen, strålningsmönstret, polariseringen, impedansen och bandbredden är en produkt av själva antennanordningen och dess interaktion med PCB och telefonhöljet. Samtliga referenser till strålningsegenskaper som ges nedan är alltså avsedda att gälla för hela den anordning vari antennen ingår.

Vad som har angivits ovan gäller även med avseende på andra radiokommunikationsanordningar, såsom sladdlösa telefoner, te- lemetrisystem, trådlösa dataterminaler osv. Antennanordningen enligt uppfinningen är alltså applicerbar i bred skala i olika kommunikationsanordningar.

Redogörelse för uppfinningen I denna beskrivning skall det förstås att antennsystemet en- ligt uppfinningen kan drivas för sändning eller mottagning av RF-signaler. Även om en term användes, vilken innebär en spe- cifik signalriktning, så skall det förstås att en sådan situa- tion kan täcka denna signalriktning och/eller den motsatta.

Ett huvudändamàl med den föreliggande uppfinningen är att åstadkomma en mångsidig antennanordning för en radiokommunika- tionsanordning, vilken antennanordning är anpassbar till olika förhållanden.

I detta avseende är ett särskilt ändamål med uppfinningen att åstadkomma en sådan mångsidig antennanordning som är anpassbar till dess närliggande omgivning. rara: ::a.; 'n.: .; ¿ 516 535 š"š*-.-*ï..f s Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en antennanordning, som i visst avseende uppvisar förbättrad funktion i jämförelse med kända antennanordningar. Ännu ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkom- ma en antennanordning där vissa av dess karakteristika är lätt styrbara, såsom resonansfrekvens, bandbredd hos inimpedansen, strålningsmönster, förstärkning, polarisering samt närfältsmönster. Åter ett ändamål är att åstadkomma en antennanordning som är enkel, har liten vikt, är lätt att tillverka och har låg kost- nad. Ännu ett annat ändamål är att åstadkomma en antennanordning som är effektiv, lätt att installera och är tillförlitlig, i synnerhet mekaniskt hållbar, även efter lång användning.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en antennanordning som lämpar sig för att användas som en inte- grerad del av en radiokommunikationsanordning.

Dessa ändamål bland andra uppnås i enlighet med uppfinningen medelst en antennanordning, medelst en radiokommunikations- anordning samt medelst ett förfarande såsom anges i de efter- följande patentkraven.

I patentkraven är uttrycket "antennstruktur" avsett att inne- fatta aktiva element kopplade till sändnings- (matnings-) lin- jen/linjerna för radiokommunikationsanordningskretsen liksom element som kan jordas eller lämnas oanslutna och följaktligen arbeta som till exempel riktningsgivare, reflektorer, impe- dansmatchningselement och liknande. sks1e sas šfiäfi 4 Kort redogörelse för ritningarna Den föreliggande uppfinningen kommer att förstås bättre av den detaljerade beskrivningen av utföringsformerna av den förelig- gande uppfinningen som ges nedan i samband med bifogade fig. l - 9, som återges enbart i illustrativt syfte och således inte är begränsande för uppfinningen, varvid fig. 1 visar en perspektivvy av två delar till ett hölje för en portabel telefon innefattande en utföringsform av en antennanordning enligt den föreliggande uppfinningen, fig. 2 - 8 visar schematiskt ytterligare utföringsformer av en antennanordning enligt uppfinningen och fig. 9 visar ett flödesschema för ett exempel på en s.k. ”switch-and-stay”-algoritm för styrning av en omkopplaranordning hos en antennanordning enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer I den följande beskrivningen har i förklarande, men inte be- gränsande syfte specifika detaljer angivits för att ge en fullständig förståelse av den föreliggande uppfinningen. Det kommer emellertid att stå klart för fackmannen på området att den föreliggande uppfinningen kan praktiseras med andra utfö- ringsformer som skiljer sig från dessa specifika detaljer. I andra fall har detaljerade beskrivningar av välkända anord- ningar och förfaranden uteslutits för att inte med onödiga de- taljer skymma beskrivningen av den föreliggande uppfinningen.

Enligt den föreliggande uppfinningen föreligger en antenn- anordning för sändning och/eller mottagning av RF-strålning, 516 sa s šïï' šflli 1.- 5 vilken anordning är installerbar i och kopplingsbar till en radiokommunikationsanordning. Antennanordningen innefattar en antennstruktur som är omkopplingsbar mellan ett flertal an- tennkonfigurationslägen, där vart och ett utmärker sig av en grupp strålningsparametrar, såsom resonansfrekvensen, ingångs- impedansen, bandbredden, strålningsmönstret, förstärkningen, polariseringen och närfältsmönstret. Vidare innefattar den en omkopplingsanordning för selektiv omkoppling av antennstruktu- ren mellan nämnda flertal antennkonfigurationslägen.

I antennanordningen är vart och ett av antennkonfigurations- lägena anpassat för användning av antennanordningen i radio- kommunikationsanordningen i en respektive förutbestämd fysisk operationsmiljö (TP, FS, WP, PP).

Med förutbestämd fysisk operationsmiljö avses här företrä- desvis en närliggande omgivning, som innefattar föremål som påverkar antennstrukturens ovan nämnda parametrar, i synnerhet när den är installerad i en radiokommunikationsanordning av liten storlek.

Med närliggande operationsomgivning avses företrädesvis varje föremål på ett avstånd från radiokommunikationsanordningen in- om vilket effekten av antennparametrarna är noterbar. Detta avstånd kan sträcka sig tio våglängder från anordningen, men kan godtyckligt sträcka sig fem våglängder, ett par våglängder eller grovt sett endast ungefär en våglängd från anordningen.

Omgivningen innefattar givetvis användaren av kommunikations- anordningen.

Vidare innefattar den föreliggande uppfinningen olika tillvägagångssätt för att avkänna den fysiska operationsmiljön samt olika procedurer för att styra omkopplingen av antenn- anordningen. 516 555 Éïzåïïíš-.Åïffli 6 Beskrivningen har nedan uppdelats i fem huvudavsnitt som täck- er olika aspekter på den föreliggande uppfinningen. Det första avsnittet ger en översikt av ett flertal olika antennstruktu- rer och omkopplingsanordningar som kan utnyttjas vid den före- liggande uppfinningen. Därefter ges en beskrivning av olika fysiska operationsmiljöer. En diskussion om strålningsrela- terade parametrar som kan påverkas av de olika operations- miljöerna följer därpå och vilken parameterändring som kan kompenseras genom omkoppling till ett annat antennkonfigura- tionsläge. Diskussionen fokuserar primärt på parametrarnas re- sonansfrekvens, impedans- och stràlningsmönster samt två spe- cifika exempel betraktas i korthet. Därefter avbildas några tillvägagångssätt för att avkänna den fysiska operationsmiljön och slutligen skissas några procedurer för att styra omkopplingen av antennanordningen.

Antennstrukturer och omkopplaranordningar I fig. l avser hänvisningsbeteckningarna 20, 21 frontdelen re- spektive bakdelen av ett hölje till en portabel telefon. Det tryckta huvudkretskortet, PCB, i telefonen är avsett att mon- teras i utrymmet 1 i höljets frontdel. En antennanordning 2 enligt den föreliggande uppfinningen är vid denna utföringsform pàtryckt en separat basanordning 22. Basen kan vara ett flexibelt substrat, en MID (Molded Interconnection Device) eller ett PCB. Antennen skulle emellertid lika gärna kunna ha påtryckts huvud-PCB:et, som kan sträcka sig utmed bottenhöljets längd. Mellan telefonkretsen på PCB och antennanordningen föreligger RF matarlinjer och styrlinjer för omkopplaranordningen.

Antennanordningen 2 innefattar en omkopplaranordning 4.

Enheten 4 innefattar en matris av elektriskt styrbara :S16 sas "H" 7 omkopplarelement. Omkopplarelementen kan innefatta mikroelektromekaniska systemomkopplare (MEMS), PIN- diodomkopplare eller GaAs fälteffekttransistorer, FET.

Omkopplaranordningen 4 omges av en antennstruktur som innefattar ett mönster av antennelement. Varje antennelement år kopplat till en respektive omkopplare i omkopplaranordningen som arrangerats för inkoppling och bortkoppling av antennelementet. I denna utföringsform innefattar strålarstrukturen fyra slingformade antennelement 5. Inom var och en av slingorna 5 är ett slingformat strålningsmatat element 6 utformat. Mellan varje par slingformade element 5, 6 är ett meanderformat antennelement 7 anordnat. Antennelementen bildar ett symmetriskt mönster runt omkopplaranordningen 4. I vissa applikationer kan an- tennelementen emellertid bilda ett osymmetriskt mönster. Vida- re kan strålarstrukturen innefatta ytterligare antennelement som inte är kopplade till omkopplaranordningen.

Medelst omkopplaranordningen 4 är antennstrukturen selektivt omkopplingsbar mellan ett antal antennkonfigurationslägen, vart och ett av dessa utmärker sig av en uppsättning strål- ningsparametrar, såsom resonansfrekvensen, ingångsimpedansen, bandbredden, strålningsmönstret, förstärkningen, polarisering- en och närfältsmönstret.

De olika antennkonfigurationslägena kan erhållas genom att pa- rallell- eller seriekoppla slingformade antennelement med var- andra, eller sà kan vissa element vara seriekopplade och vissa parallellkopplade. Vidare kan ett eller flera element vara fullständigt bort- eller inkopplat/de till ett RF jordplans- organ. Ett eller flera av de meanderformade antennelementen 7 kan användas separat eller i någon kombination med sling- antennelementen. Meanderelementen kan även vara segmenterade, stas sas så att enbart en eller flera valda delar därav kan vara in- kopplade om sà önskas. Även om det inte visas i fig. l kan även andra typer av an- tennelement användas, såsom kopplingsantenner, slitsantenner, flexibla antenner, spiralantenner, sicksackantenner samt frak- talantenner. I samtliga fall kan, men behöver inte omkopp- laranordningen omges av antennelementen och dessa kan även va- ra förlagda på omkopplaranordningens ena sida.

All omkoppling av antennelementen är centraliserad till om- kopplaranordningen 4, som kan vara mycket liten med en styrbar samverkan med antennfunktionen. Eftersom all omkoppling är centraliserad till enheten 4 behöver vidare omkopplarstyrsig- nalerna bara matas till denna enhet, vilket förenklar bland annat den totala antennstrukturen.

Medelst omkopplaranordningen 4 är in/bortkopplingen av antenn- elementen lätt styrbar. Genom lämpligt val av kombinationen av antennelement som är kopplade till RF-matningsorganet, dvs an- tennkonfigurationsläget, kan antennanordningens impedans och/ eller resonansfrekvens regleras utan behov av separat inkopp- ling eller bortkoppling av enskilda komponenter. Samma effekt kan uppnås genom användning av strålningsmatade element, som inte är kopplade till RF-mätningen utan är kopplade till RF- jord eller är oanslutna. De strålningsmatade elementen kan även vara kopplade till omkopplaranordningen. I det fall det skulle vara önskvärt att även använda enskilda komponenter i någon applikation, så kan dessa lätt inkopplas eller bortkopp- las medelst samma omkopplaranordning som de övriga antennele- menten.

Antennens strålningsmönster kan vidare utformas allt efter be- hov genom lämpligt val av antennelement. På så sätt kan influ- ...- -.u .een - u Q . 516 S35 9 ensen på grund av bland annat föremål i antennanordningens närliggande omgivning, såsom användaren av en portabel tele- fon, minimeras. Det blir även möjligt att styra antennanord- ningens avstämning, polarisering, bandbredd, resonansfrekvens, förstärkning och ingångsimpedans. Dessa ovan angivna strål- ningsrelaterade parametrar kommer att diskuteras mer i detalj nedan.

Härefter kommer några ytterligare antennkonfigurationer att diskuteras i korthet under hänvisning till fig. 2 - 6.

Fig. 2 visar ett exempel på en antennanordning som innefattar ett flertal slingantennelement 5, 6 liksom i fig. 1. Sling- antennelementen är arrangerade så, att de startar och slutar vid omkopplaranordningen 4. Medelst omkopplaranordningen kan slingelementen kopplas till en RF-matarlinje, kortslutas, se- riekopplas eller parallellkopplas med varandra. Varje element kan därför betraktas som en del av en total antennstruktur, från och med nu benämnd "den totala antennen", vars egenskaper bestämmes av omkopplaranordningens 4 läge. Det vill säga, om- kopplaranordningen beslutar hur slingelementdelarna är koppla- de och elektriskt arrangerade. Åtminstone vissa av elementen 5 kan fungera som ett aktivt strålarelement, där exciteringen uppnås genom direkt koppling till en RF-matare, företrädesvis via ett vågledarorgan. Eventuellt kan vissa av elementen 6 fungera som strålningsmatade element, där exciteringen av ele- menten uppnås genom strålningskoppling till andra antennele- ment.

Slingantennelementen kan vara formade som tredimensionella strukturer. Delar av eller hela strukturen kan vara förlagd ovanför PCB. Mönstret kan omge eller gå genom PCB, så att de- lar av mönstret ligger på ena sidan av PCB. Vissa eller alla delar av mönstret kan sträcka sig vinkelrätt mot PCB. sas 10 Det kan föreligga permanenta kortslutningsstift och/eller kom- ponenter anbringade på antennelementen utanför omkopplaranord- ningen. Mätningen av antennelementen kan även ske från omkopp- laranordningens utsida. Ändamålet med att ändra antennkonfigurationsläget kan vara att matcha antennen mot en önskad impedans. Detta kan ske genom in/bortkoppling av strålningsmatade element. Den inbördes kopplingen mellan elementen bidrager till det aktiva elemen- tets ingångsimpedans, för ändring av den resulterande ingångs- impedansen på ett önskat sätt.

Ett annat ändamål kan vara att ändra den totala antennens strålningsmönster. Detta kan ske genom ändring av antenndelar- nas koppling, så att strålningsströmmarna ändras. Detta kan även ske genom in/bortkoppling av strålningsmatade element, varigenom strålningen riktas eller avböjes mot en önskad rikt- ning.

Fig. 3 visar ett exempel av antennanordningen där två meander- gàende antennelement 7 är kopplade till den centrala omkopp- laranordningen 4. Uttrycket "meandergående" element är även avsett att täcka in andra element med likartad form och funk- tion, såsom sicksackform, ormform, fraktalform osv. Vad som ovan angivits ovan i samband med slingantennelement i fig. 2 är även applicerbart med avseende på de meanderformade elemen- ten enligt fig. 3, såsom inses av en fackman på området. Den enda skillnaden ligger i den inneboende skillnaden i strål- ningskarakteristika mellan dessa båda typer av antennelement som är välkända inom tekniken.

I fig. 3 indikerar hänvisningsbeteckningen 8 kopplingslinjer varmed RF-mätningen och/eller RF-jordpunkter hos meanderele- vunna :'oc|øv prima _9355 a' 11 mentet kan omkopplas mellan olika lägen utmed elementet. Ända- målet med detta kan vara att ändra ingångsimpedansen för matchningsändamàl eller att ändra strömflödet för strålnings- mönsterstyrning.

Fig. 4 visar ett exempel på en antennanordning där slitsan- tennelement 9 är kopplade till den centrala omkopplaranord- ningen 4. Slitsantennelementen är kopplade till omkopplar- anordningen via kopplingslinjer 10. Linjerna 10 kan vara di- rekt kopplade till en RF-mataranordning, kortslutna, serie- eller parallellkopplade med linjer till andra antennelement.

Varje kopplingslinje kan fungera som en aktiv matningslinje och vara direkt kopplade till en RF-mataranordning. Man kan även använda en strålningsmatningskoppling, där det inte före- ligger någon anslutning till någon RF-mätare.

Minst ett av antennanordningens slitselement 9 matas av minst en kopplingslinje 10 och avstämmes på olika sätt av andra lin- jer. Exempelvis kan de andra linjerna vara kortslutna eller lämnade brutna, så att slitsantennelementet, och i själva ver- ket hela antennanordningen, är avstämd på ett önskat frekvens- band. Samma teknik kan användas för att ändra strålningsmönst- ret hos den trådlösa terminalen, till vilken antennanordningen är kopplad, för mönsterformning. Dessutom kan inkoppling, bortkoppling eller avstämning av andra slitselement åstadkomma avstämning eller mönsterformning.

Fig. 5 visar ett exempel på en antennanordning liknande den enligt fig. 4, men där två patch-antennelement ll är kopplade till den centrala omkopplaranordningen 4 via kopplingslinjer 12. Patch-antennelementen är placerade i omedelbar närhet av eller i samband med den centrala omkopplaranordningen. Vad som angivits ovan i samband med fig. 4 är även relevant för utfö- ringsformen enligt fig. 5. 5, 555 ' 12 Fig. 6 visar ett exempel på en antennanordning där ett mean- derelement 7 är kopplat till den centrala omkopplaranordningen 4 tillsammans med ett sprötantennelement 13.

Spröt- och meanderelementen kan vara direkt kopplade till en RF-mataranordning, kortslutna eller parallell/seriekopplade.

Varje element kan fungera som ett aktivt stràlningselement, dvs vara direkt kopplat till en RF-mataranordning, eller som ett strålningsmatat element, där det inte föreligger någon galvanisk koppling till en RF-mataranordning.

Exempelvis kan sprötets 13 och/eller meanderns 7 elektriska längd ändras för avstämning av resonansfrekvensen. Det kan fö- religga andra strålningsmatade element, inte visade, i omedel- bar närhet av sprötet och/eller meandern för avstämning och/ eller ändring av strålningsmönstret. På detta sätt kan strål- ningsmönstret i huvudsak vara riktat i en önskad riktning.

Sprötelementet kan vara ersatt av ett spiralantennelement el- ler kombinerat med ett sådant.

Givetvis kan antennanordningen innefatta en omkopplaranordning och varje kombination av de ovan beskrivna antennelementen som bildar ett symmetriskt eller ett osymmetriskt mönster av strålningselement.

Antennanordningen kan vara anpassad för drift i flera fre- kvensband och för att mottaga och sända strålning med olika polarisering. Dessutom kan omkopplaranordningen 4 användas för att inkoppla eller bortkoppla enskilda matchningskomponenter.

Uppfinningen är inte begränsad till någon speciell form på de enskilda antennelementen eftersom formerna kan väljas i över- ensstämmelse med den önskade funktionen. 51 6 sas 13 Närbelägna operationsmiljöer Härefter skall olika fysiska operationsmiljöer beskrivas, vilka kan påverka antennanordningens funktion i enlighet med uppfinningen.

Antennparametrarna, såsom resonansfrekvensen, ingångsimpedan- sen, bandbredden, strålningsmönstret, förstärkningen, polari- seringen och närfältsmönstret, hos en liten trådlös kommunika- tionsanordning påverkas av föremål i anordningens närbelägna miljö.

En liten trådlös kommunikationsanordning, såsom en mobiltele- fon, kan användas i många olika närbelägna miljöer. Den kan hållas mot örat som en telefon, den kan stoppas i en ficka (med fronten vänd mot användaren eller bakdelen vänd mot an- vändaren), den kan anbringas på ett bälte vid midjan eller så kan den hållas i handen eller placeras på en elektriskt ledan- de yta. Många fler operationsmiljöer kan räknas upp. Gemensamt för alla miljöer är att det kan föreligga föremål i anordning- ens närbelägna miljö, som därmed påverkar anordningens antenn- parametrar. Miljöer med olika föremål i den omedelbara närhe- ten av anordningen har olika inverkan på antennparametrarna.

Två specifika operationsmiljöer kommer att speciellt diskute- ras i det följande.

Den fria rymdens (FS) operationsmiljö erhålles genom att pla- cera radiokommunikationsanordningen i ett tomt utrymme, dvs utan några föremål inom anordningens närbelägna miljö. Luften som omger anordningen anses här vara den fria rymden. Många operationsmiljöer kan approximeras till att utgöra den fria rymdens miljö. Om miljön har liten påverkan på antennparamet- rarna kan den generellt sägas vara den fria rymden. 6 51.5 ~' M Samtalslägets (TP) operationsmiljö definieras som det läge där radiokommunikationsanordningen hàlles mot användarens öra. På- verkan på äntennparametrarna varierar beroende av hur personen håller anordningen samt av hur anordningen är förlagd. Här an- ses TP-miljön som ett generellt fall, dvs den täcker alla in- dividuella variationer som nämnts ovan.

Strålningsrelaterade parametrar Olika Strålningsrelaterade parametrar som kan påverkas av den fysiska operationsmiljön och styras medelst en antennanordning i enlighet med uppfinningen, kommer nu att beskrivas mer i detalj.

Antenner för trådlösa radiokommunikationsanordningar undergår snedavstämning på grund av närvaron av användaren. För många antenntyper faller resonansfrekvensen avsevärt när användaren är närvarande jämfört med när anordningen är förlagd i fria rymden. En adaptiv avstämning mellan fria rymdläget och sam- talsläget kan till stor del reducera detta problem.

Ett direkt sätt att avstämma en antenn är att ändra dess elek- triska längd och därmed ändra resonansfrekvensen. Ju längre den elektriska längden är, ju lägre är resonansfrekvensen.

Detta är även det mest direkta sättet att åstadkomma bandom- koppling, om ändringen i elektrisk längd är tillräckligt stor.

I fig. 7 visas en meanderlik antennstruktur 35 anordnad till- sammans med en central omkopplaranordning 36, som innefattar ett flertal omkopplare 37 - 49. Antennstrukturen 35 kan anses utgöra ett flertal i linje liggande och individuellt inkopp- lingsbara antennelement 50 - 54, som är anslutbara till en matningspunkt 55 genom omkopplaranordningen 36 och en matar- linje 56. Matningspunkten 55 är vidare kopplad till en låg- g anno ovant 1616 sas 15 brusförstärkare i en mottagarkrets (inte visad) i en radiokom- munikationsanordning och följaktligen fungerar antennstruktu- ren 35 som en mottagningsantenn. Alternativt är matningspunk- ten 55 kopplad till en effektförstärkare i en radiokommunika- tionssändare för mottagning av en RF-effektsignal och följ- aktligen fungerar antennstrukturen 35 som en sändarantenn.

Operativt är antennstrukturen anordnad både för sändning och mottagning.

Ett typiskt exempel på driften är följande. Antag att omkopp- larna 37 och 46 - 49 är slutna och de återstående omkopplarna är brutna samt att ett dylikt antennkonfigurationsläge är an- passat för optimal funktion när antennanordningen är arrange- rad i en handportabel telefon placerad i fria rymden. När te- lefonen förflyttas till samtalsläget kommer resonansfrekvensen att sänkas på grund av användaren och för att sålunda kompen- sera för användarens närvaro bryts omkopplaren 49, varvid den elektriska längden av den inkopplade antennstrukturen reduce- ras och följaktligen höjes resonansfrekvensen. Denna höjning skall med en lämplig utformning av antennstrukturen 35 och om- kopplarorganet 36 kompensera den reducering som infördes när telefonen förflyttades från den fria rymden till samtalsläget.

Enligt uppfinningen är all omkoppling av elementen 50 - 54 som krävs för olika ändamål, centraliserad till omkopplaranord- ningen 36, som är försedd med en enda matningslinje.

I stället för att avstämma en snedavstämd antenn kan man åstadkomma adaptiv impedansmatchning, som inbegriper att reso- nansfrekvensen tillåts bli något skiftad och att denna sned- avstämning kompenseras medelst matchning.

En antennstruktur kan matas vid olika lägen. Varje läge upp- visar ett särskilt förhållande mellan E- och H-fälten, vilket ; a515.535 ïíïvïï 16 resulterar i olika ingångsimpedanser. Detta fenomen kan ut- nyttjas genom omkoppling av matningspunkten, förutsatt att matningspunktomkopplingen har liten påverkan på antennens re- sonansfrekvens. När antennen undergår snedavstämning på grund av användarens (eller annat föremåls) närvaro kan antennen matchas mot matningslinjens impedans genom ändring av exempel- vis antennstrukturens matningspunkt. På ett liknande sätt kan RF-jordpunkterna ändras.

I fig. 8 visas schematiskt ett exempel på ett sådant förverk- ligande av en antennstruktur 61 som selektivt kan RF-jordas vid ett antal olika punkter pà avstånd från varandra. Antenn- strukturen 61 är i det illustrerade fallet en plan inverterad F-antenn (PIFA) monterad på ett tryckt kretskort 62 för en ra- diokommunikationsanordning. Antennen 61 har en matningslinje 63 och N olika fördelade RF-jordanslutningar 64. Genom omkopp- ling från en RF-jordanslutning till en annan ändras impedansen något.

Liksom tidigare är samtliga omkopplingsfunktioner centralise- rade till en central omkopplaranordning 60.

Dessutom kan in/bortkoppling av strålningsmatade antennelement åstadkomma impedansmatchning, eftersom den inbördes kopplingen från det strålningsmatade antennelementet till det aktiva an- tennelementet ger en inbördes impedans, som bidrager till det aktiva antennelementets ingångsimpedans.

Om yttre gränser för snedavstämningen av antennelementen kan påträffas, kan uppskattning ske av området för adaptiv avstäm- ning/matchning som behöver täckas av antennanordningen.

Strålningsmönstret för en trådlös terminal påverkas av närva- ron av en användare eller annat föremål i dess närfältsområde. '5516 535 17 Förlustinförande material kommer inte bara att ändra strål- ningsmönstret utan även införa förlust i stràlningseffekten pà grund av absorption.

Detta problem kan reduceras om terminalens stràlningsmönster är adaptivt styrt. Strålningsmönstret (närfältets) kan vara i huvudsak riktat bort från det förlustgivande föremålet, vilket kommer att reducera de totala förlusterna.

En ändring av strålningsmönstret fordrar ändring av de ström- mar som alstrar den elektromagnetiska strålningen. För en li- ten anordning (exempelvis en handportabel telefon) behöver det, generellt sett, ske ganska stora ändringar i antennstruk- turen för att alstra ändrade strömmar, speciellt för de lägre frekvensbanden. Detta kan emellertid ske genom omkoppling till en annan antenntyp som alstrar ett annat strålningsmönster, eller till en annan antennstruktur vid ett annat läge/en annan sida av radiokommunikationsanordningens PCB.

Ett annat sätt är att koppla om från en antennstruktur som kraftigt interagerar med radiokommunikationsanordningens PCB (exempelvis spröt- eller patch-antennen) till en annan antenn som inte gör så (exempelvis en slingantenn). Detta kommer att ändra stràlningsströmmarna dramatiskt eftersom interaktionen med PCB inför stora strömmar på PCB:et (PCB:et användes som huvudstrålningsstruktur).

Avkänning av den fysiska operationsmiljön Enligt den föreliggande uppfinningen kan en sensor anordnas för att avkänna en fysisk egenskap hos en vald närbelägen miljö och en styranordning kan anordnas för styrning av om- kopplaranordningen och alltså den selektiva omkopplingen av antennstrukturen mellan de olika antennkonfigurationslägena i s sas N beroende av den avkända fysiska egenskapen. Sensorn skall i det allmänna fallet inte vara en del av antennanordningen utan vara placerad på ytan av höljet till den trådlösa terminalen.

I ett sådant exempel mottages sensorns svar på antennmodulens styranordning.

Avkänningen av den närbelägna miljön kan genomföras på flera sätt. Ett sätt kan vara att använda sensorer i olika lägen på anordningen. På så sätt kan föremål på olika sidor om anord- ningen avkännas. Sensorerna kan vara av olika slag, exempelvis resistiva, kapacitiva eller induktiva sensorer.

Kapacitiva (negativ reaktans) eller induktiva (positiv reak- tans) sensorer ändrar sin reaktans när föremål med elektriska egenskaper som skiljer sig från dem som gäller den fria rymden ligger nära desamma. Följaktligen kan dessa urskilja föremål som inte har stor effekt på antennens elektriska funktion, ex- empelvis tyg.

Kapacitiva sensorer är i allmänhet mer känsliga för dielekt- riska material. Dessa typer av sensorer kan exempelvis åter- finnas i hissknappar.

Induktiva sensorer är å andra sidan i allmänhet mer känsliga för ledande material. Induktiva sensorer användes ofta inom automationsindustrin för att avkänna ändpunkter på metallgods.

En annan sensortyp kan vara en värmedetektor för att avkänna kroppsvärmen. Optiska sensorer, exempelvis fotodetektorer, kan även användas för att avkänna föremål i den närbelägna miljön. Åter andra sensorer som kan utnyttjas innefattar tryck-, lut- nings-, orienterings- eller rörelsesensorer, som kan avkänna rörliga mönster och ur dem härleda olika användningsscenarier. 1.516 sas šïï* '* ' 19 Trycksensorer kan avkänna om den trådlösa radiokommunikations- anordningen hanteras av en person och på vilket sätt den hål- les.

Ett mått på reflexionskoefficienten, mätt efter sändarens ef- fektförstärkare, kan användas för att "avkänna" föremålen som snedavstämmer antennen. Detta är möjligt eftersom föremål med elektriska egenskaper som i antennens närbelägna området, dvs den närbelägna miljön, skiljer sig från den fria rymden, kom- mer att påverka antennens ingångsimpedans. Ännu ett annat sätt på vilket den miljö i vilken anordningen befinner sig, kan bestämmas är användningen av läget i sig, dvs om anordningen användes för samtal och inte någon fri- handsenhet användes, där antennen är optimerad för samtalslä- get.

Procedurer för att styra omkopplingen Uppfinningen kommer att exemplifieras nedan medelst en algo- ritm, som använder en lämpligt avkänd parameter, såsom re- flexionskoefficienten som en optimeringsparameter. I det föl- jande exemplet användes den stående spänningsvågen VSWR.

En enkel och lätt implementerad algoritm är sannolikt den s.k. ”switch-and-stay”-algoritmen som visas i flödesschemat enligt fig. 9. Här utförs omkopplingen mellan förutbestämda lägen i = l, .. _., N (exempelvis N = 2, ett läge optimerat för FS och det andra läget optimerat för TP). Först har ett läge i = 1 valts, varefter VSWR mäts i ett steg 65. Uppmätt VSWR jämförs sedan i steg 66 med en förutbestämd gräns (tröskelvärdet). Om denna tröskel inte överstigits återgår algoritmen till steg 65 och om den har överstigits utförs en omkoppling till ett nytt sas 20 läge i = i + 1. Om i + l överstiger N sker omkoppling till lä- ge l. Efter detta steg återgår algoritmen till steg 65.

Med användning av en dylik algoritm användes varje läge 1, ., N tills den avkända VSWR överstiger den förutbestämda gränsen. När detta sker stegar algoritmen genom de förutbe- stämda lägena tills ett läge har nåtts, vilket har en VSWR un- der tröskeln. Såväl sändar- som mottagarantennstrukturer kan omkopplas samtidigt.

Härefter kommer uppfinningen att exemplifieras medelst en pro- cedur som utnyttjar en referenstabell för bestämning av till vilket antennkonfigurationsläge som omkoppling skall ske.

Sensorn avkänner radiokommunikationsanordningens närbelägna miljö. Olika typer av sensorer kommer att ge olika bilder av den närbelägna miljön. Om exempelvis kapacitiva eller indukti- va sensorer användes, vid olika lägen i anordningen, är det möjligt att ange mot vilken riktning (sett från anordningen) som det förekommer minst påverkan från det närbelägna föremå- let. Antennkonfigurationsläget väljes sedan för inriktning av huvudstrålningen i denna riktning.

Till varje uppsättning svar från sensorn/sensorerna hör ett antennkonfigurationsläge, som företrädesvis minimerar påverkan från föremålen, minimerar förlusten och maximerar utstrålad effekt. Detta kan förverkligas i form av en referenstabell.

En erfarenhetsalgoritm fungerar bara om en antennrelaterad pa- rameter är uppmätt, exempelvis reflexionskoefficienten.

Alla sensorer som inte avkänner specifika antennparametrar kan använda exempelvis en referenstabelltyp av den ovan beskrivna proceduren. Ett exempel på detta är att icke antennrelaterade .u nu mms sas 21 parametersensorer användes för att finna det antennkonfigura- tionsläge som fungerar på bästa möjliga sätt. En erfarenhets- algoritm kan efteråt valfritt finavstämma antennkonfigura- tionsläget.

Den ovan beskrivna antennanordningen är en del av ett antenn- koncept, som är ytterligare uppbyggt och utförligt beskrivet i våra samtidiga svenska patentansökningar med titlarna "Antenn- anordning för sändning och/eller mottagning av RF-vågor", "An- tennanordning och förfarande för sändning och mottagning av radiovågor" samt "Antennanordning för sändning och/eller mot- tagning av radiofrekventa vågor samt förfarande härför", vilka samtliga inlämnades samma dag som den föreliggande ansökan och vilka ansökningar härigenom införlivas häri genom denna hän- visning.

Det är uppenbart att uppfinningen kan varieras på ett flertal sätt. Dylika variationer får inte anses som att idén med den föreliggande uppfinningen frångås. Alla sådana modifikationer som skulle vara uppenbara för fackmannen på omrâdet är avsedda att ligga inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (34)

535 ~~ 22 Patentkrav

1. Antennanordning för sändning och/eller mottagning av RF- strålning, installerbar i och anslutningsbar till en radiokom- munikationsanordning och innefattande: - en antennstruktur (5 - 9, 11, 13, 35, 61) som är omkopp- lingsbar mellan ett flertal antennkonfigurationslägen, som vart och ett utmärker sig av en uppsättning strålningsparamet- rar, såsom resonansfrekvens, ingångsimpedans, bandbredd, strålningsmönster, förstärkning, polarisering och närfälts- mönstret, samt - en omkopplaranordning (4, 36, 60) för selektiv omkoppling av antennstrukturen (5 - 9, 11, 13, 35, 61) mellan nämnda flertal antennkonfigurationslägen, kännetecknad av att - vart och ett av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är anpassat för användning av antennanordningen i radiokommunika- tionsanordningen i en respektive förutbestämd fysisk opera- tionsmiljö (TP, FS, WP, PP).

2. Antennanordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att var och en av de förutbestämda fysiska operationsmiljöerna (TP, FS, WP, PP) definieras av föremål som påverkar RF-strål- ningen och som är belägna inom ett avstånd från radiokommunikationsanordningen av mindre än tio våglängder för RF-strålningen.

3. Antennanordning enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att radiokommunikationsanordningen är en trådlös handporta- bel radiokommunikationsanordning_

4. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 3, känne- tecknad av att ett av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är anpassat för användning av antennanordningen i radiokommu- nikationsanordningen i ett samtalsläge (TP). - anno n 'ï516 S35 23

5. Antennanordning enligt något av patentkraven l - 4, känne- tecknad av att ett av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är anpassat för användning av antennanordningen i radiokommu- nikationsanordningen i en fri rymd (FS).

6. Antennanordning enligt något av patentkraven l - 5, känne- tecknad av att ett av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är anpassat för användning av antennanordningen i radiokommu- nikationsanordningen i ett midjeläge (WP).

7. Antennanordning enligt något av patentkraven l - 6, känne- tecknad av att ett av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är anpassat för användning av antennanordningen i radiokommu- nikationsanordningen i ett fickläge (PP).

8. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 7, känne- tecknad av en styranordning som är anordnad för mottagning av ett mått som indikerar en ändring från en första till en andra av de nämnda förutbestämda fysiska operationsmiljöerna samt för styrning av omkopplaranordningen till att koppla om an- tennstrukturen (5 - 9, ll, 13, 35, 61) från ett första till ett andra av nämnda flertal antennkonfigurationslägen i bero- ende av det mottagna måttet.

9. Antennanordning enligt patentkrav 8, kännetecknad av att måttet representerar en reflexionskoefficient för radiokommu- nikationsanordningen.

10. Antennanordning enligt patentkrav 8, kännetecknad av att måttet representerar en reflexionskoefficient för radiokommu- nikationsanordningen, i synnerhet ett mått som indikerar om radiokommunikationsanordningens hörtelefon och talmikrofon är inkopplade eller ej. :S16 555 24

11. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 8, känne- tecknad av att styranordningen är arrangerad för mottagning av ett mått på en avkänd fysisk egenskap för en operationsmiljö, vilken miljö ligger utanför antennanordningen och radio- kommunikationsanordningen med den däri installerade antenn- anordningen, samt för styrning av omkopplaranordningen och följaktligen av den selektiva omkopplingen av antennstrukturen (5 - 9, ll, 13, 35, 61) mellan nämnda flertal antennkonfigura- tionslägen i beroende av det mottagna måttet.

12. Antennanordning enligt patentkrav 11, kännetecknad av att måttet på den avkända fysiska egenskapen hos operationsmiljön mottages från en sensor.

13. Antennanordning enligt patentkrav 12, kännetecknad av att måttet på den avkända fysiska egenskapen hos operationsmiljön mottages från en resistiv, kapacitiv, induktiv, optisk, temperaturindikerande, tryckindikerande, lutningsindikerande, orienteringsindikerande eller rörelseindikerande sensor.

14. Antennanordning enligt något av patentkraven 11 - 13, kän- netecknad av att styranordningen är anordnad för mottagning av ett mått på en andra avkänd fysisk egenskap hos operations- miljön samt för styrning av omkopplaranordningen och följ- aktligen av den selektiva omkopplingen av antennstrukturen (5 - 9, 11, 13, 35, 61) mellan nämnda flertal antennkonfigura- tionslägen i beroende av det mottagna andra måttet.

15. Antennanordning enligt patentkrav 14, kännetecknad av att de avkända fysiska egenskaperna erhålles från olika spatiala lägen i operationsmiljön. "51 6 5 3 5 25

16. Antennanordning enligt patentkrav 15, kännetecknad av att de avkända fysiska egenskaperna är av olika natur.

17. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 16, kän- netecknad av att nämnda flertal antennkonfigurationslägen innefattar olika antal kopplade antennelement (5 - 9, 11, 13, 50 - 54).

18. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 17, kän- netecknad av att nämnda flertal antennkonfigurationslägen innefattar olika arrangerade RF-matningsanslutningar.

19. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 18, kän- netecknad av att nämnda flertal antennkonfigurationslägen innefattar olika arrangerade RF-jordanslutningar (64).

20. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 19, kän- netecknad av att omkopplaranordningen innefattar ett mikroelektromekaniskt system (MEMS).

21. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 20, kän- netecknad av att antennstrukturen (5 - 9, 11, 13, 35, 61) innefattar ett omkopplingsbart antennelement med någon av meander- (7), sling- (6), slits- (9), patch- (11), spröt- (13), skruv-, spiral- och fraktalkonfiguration.

22. Antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 21, kän- netecknad av att antennstrukturen (5 - 9, ll, 13, 35, 61) innefattar en sändarantennstruktur (5 - 9, 11, 13, 35, 61) och en mottagarantennstruktur, och nämnda flertal antennkonfigura- tionslägen innefattar ett flertal antennkonfigurationslägen för sändningsantennstrukturen (5 - 9, 11, 13, 35, 61) och ett flertal antennkonfigurationslägen för mottagningsantennstruk- turen, varvid antennstrukturerna (5 - 9, 11, 13, 35, 61) är , .anv ;515 535 26 omkopplingsbara oberoende av varandra mellan dess respektive flertal antennkonfigurationslägen.

23. Radioanordning innefattande en antennanordning enligt något av patentkraven 1 - 22.

24. Förfarande för sändning och/eller mottagning av RF-strål- ning i en antennanordning, som är installerbar i och anslutbar till en radiokommunikationsanordning och innefattar: - en antennstruktur (5 - 9, ll, 13, 35, 61) som är omkopp- lingsbar mellan ett flertal antennkonfigurationslägen, som vart och ett utmärker sig av en uppsättning stràlningsparamet- rar, såsom resonansfrekvens, ingångsimpedans, bandbredd, strålningsmönster, förstärkning, polarisering och närfälts- mönster, samt - en omkopplaranordning (4, 36, 60) för selektiv omkoppling av antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfigurations- lägen, kännetecknat av att - omkopplingen sker mellan nämnda flertal antennkonfigura- tionslägen, där vart och ett av nämnda antennkonfigurations- lägen är anpassat för användning av antennanordningen i ra- diokommunikationsanordningen i en respektive förutbestämd fysisk operationsmiljö (TP, FS, WP, PP).

25. Förfarande enligt patentkrav 24, kännetecknat av att var och en av de förutbestämda fysiska operationsmiljöerna (TP, FS, WP, PP) definieras av föremål som påverkar RF-strålningen och som är belägna inom ett avstånd från radiokommunikations- anordningen av mindre än tio våglängder för RF-strålningen.

26. Förfarande enligt patentkrav 24 eller 25, kännetecknat av att omkopplingen utförs från ett första till ett annat av nämnda flertal antennkonfigurationslägen, varvid det första och det andra av nämnda flertal antennkonfigurationslägen är 27 anpassade för användning av antennanordningen i radiokommuni- kationsanordningen i någon av två av de följande nämnda förutbestämda operationsmiljöer: ett samtalsläge (TP), en fri rymd (FS), ett midjeläge (WP) och ett fickläge (PP).

27. Förfarande enligt något av patentkraven 24 - 26, känne- tecknat av att ett mått som indikerar en ändring från en för- sta till en andra av de nämnda förutbestämda fysiska opera- tionsmiljöerna mottages samt att omkopplaranordningen (4, 36, 60) styrs för att koppla om antennstrukturen från ett första till ett andra av nämnda flertal antennkonfigurationslägen i beroende av det mottagna måttet.

28. Förfarande enligt något av patentkraven 24 - 26, känne- tecknat av att ett mått på en avkänd fysisk egenskap för en operationsmiljö mottages, vilken miljö ligger utanför an- tennanordningen och radiokommunikationsanordningen med den däri installerade antennanordningen, samt att omkopplaranord- ningen (4, 36, 60) styrs för att koppla om antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfigurationslägen i beroende av det mottagna måttet.

29. Antennanordning för sändning och mottagning av radiofre- kventa vågor, installerbar i en radiokommunikationsanordning och innefattande: - en antennstruktur som är omkopplingsbar mellan ett flertal antennkonfigurationslägen, som vart och ett utmärker sig av en uppsättning strålningsparametrar, såsom resonansfrekvens, im- pedans, strålningsmönster, polarisering och bandbredd samt - en omkopplaranordning (4, 36, 60) för selektiv omkoppling av antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfigurations- lägen, kännetecknad av - en styranordning (22) för mottagning av en avkänd fysisk egenskap hos en operationsmiljö, vilken miljö ligger utanför u unna 6 5 3 5 28 radioantennanordningen och radiokommunikationsanordningen med den däri installerade antennanordningen samt för styrning av omkopplaranordningen (4, 36, 60) och av den selektiva omkopp- lingen av antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfi- gurationslägen i beroende av den avkända fysiska egenskapen.

30. Antennanordning enligt patentkrav 29, kännetecknad av att måttet på den avkända fysiska egenskapen hos operationsmiljön mottages från en sensor, i synnerhet en resistiv, kapacitiv, induktiv, optisk, temperaturindikerande, tryckindikerande, lutningsindikerande, orienterande eller rörelseindikerande SGIISOI' .

31. Antennanordning enligt patentkrav 29 eller 30, känneteck- nad av att styranordningen är anordnad för mottagning av ett mått på en andra avkänd fysisk egenskap hos operationsmiljön samt för styrning av omkopplaranordningen (4, 36, 60) och följaktligen av den selektiva omkopplingen av antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfigurationslägen i beroende av det mottagna andra måttet.

32. Antennanordning enligt patentkrav 31, kännetecknad av att de avkända fysiska egenskaperna erhålles från olika spatiala lägen i operationsmiljön.

33. Förfarande för sändning och mottagning av radiofrekventa vågor vid en antennanordning som är installerbar i en radio- kommunikationsanordning och innefattar: - en antennstruktur som är omkopplingsbar mellan ett flertal antennkonfigurationslägen, som vart och ett utmärker sig av en uppsättning stràlningsparametrar, såsom resonansfrekvens, in- gàngsimpedans, bandbredd, stràlningsmönster, förstärkning, polarisering och närfältsmönster samt 16 6 S 3 5 29 - en omkopplaranordning (4, 36, 60) för selektiv omkoppling av antennstrukturen mellan nämnda flertal antennkonfigurations- lägen, kännetecknat av att - mottagning sker av en avkänd fysisk egenskap hos en opera- tionsmiljö, vilken miljö ligger utanför radioantennanordningen och radiokommunikationsanordningen med den däri installerade antennanordningen samt av att - styrning sker av omkopplaranordningen (4, 36, 60) och av den selektiva omkopplingen av antennstrukturen mellan nämnda fler- tal antennkonfigurationslägen i beroende av den avkända fysiska egenskapen.

34. Förfarande enligt patentkrav 33, kännetecknat av att måt- tet på den avkända fysiska egenskapen hos operationsmiljön mottages från en sensor, i synnerhet en resistiv, kapacitiv, induktiv, optisk, temperaturindikerande, tryckindikerande, lutningsindikerande, orienterande eller rörelseindikerande SGHSOI' .