SE517073C2 - Antennanordning för en trådlös kommunikationsenhet - Google Patents

Description

u nano u '517 073 2 hos antennanordningen i enlighet med känd teknik. Fig 1 åskådliggör den första antennanordningen 102 för en tråd- lös kommunikationsenhet 100 i enlighet med känd teknik.

En detaljerad beskrivning av antennanordningen 102 i fig 1 ges i det amerikanska patentet 4 121 218. Antennan- ordningen 102 i fig 1 innefattar vanligtvis en spiralan- tenn 104 och en utdragbar halvvågsantenn 106. Spiralan- tennen är ansluten till ett kretsarrangemang 108 i den trådlösa kommunikationsenheten 100. Den utdragbara halv- vágsantennen 106 är anordnad att vara kapacitivt kopplad till spiralantennen 104 när den är i det utdragna läget och att vara väsentligen frånkopplad när den är i det in- skjutna läget (visas med streckade linjer). Fördelar hos denna antennanordning 102 är en kontaktlös koppling mel- lan spiralantennen 104 och den utdragbara halvvågsanten- nen 106 och prestandan hos denna antennanordning, som indikeras av höjden 112, där strömmaximum för den utdrag- bara halvvågsantennen 106 uppträder när den utdragbara halvvågsantennen 106 är utdragen. En nackdel hos denna antennanordning 102 är emellertid att dess totala fysiska längd 110 är alltför stor för att möta dagens behov av miniatyriserade trådlösa kommunikationsenheter.

Fig 2 åskådliggör en andra antennanordning 202 för en kommunikationsenhet 200 i enlighet med känd teknik. En detaljerad beskrivning av denna antennanordning 202 i fig 2 ges i det amerikanska patentet 4 868 576. Antennan- ordningen 202 innefattar en spiralantenn 204, som är an- sluten till ett kretsarrangemang 208, och en utdragbar halvvågsspiralantenn 206. En fördel hos denna antennan- ordning 202 i jämförelse med antennanordningen 102 i fig 1 är att höjden 210 är mindre än antennanordningens 102 höjd 110. Nackdelen med denna antennanordning 202 är emellertid att höjden 212 där strömmaximum hos den ut- dragbara halvvågsantennen 206 uppträder när den utdrag- bara halvvågsantennen 206 är utdragen, är lägre än höjden 112 där strömmaximum uppträder i fig 1. Därför offrades ~ 'vu- .- n 517 075 3 prestanda hos denna antennanordning 202 i utbyte mot en kortare antenn.

Fig 3 åskådliggör den tredje antennanordningen 302 för en trådlös kommunikationsenhet 300 i enlighet med känd teknik. Antennanordningen 302 innefattar allmänt ett första rakt parti 304 och ett andra spiralformigt parti 306, som är elektriskt isolerat från det första raka par- tiet 304. Det raka partiet och det spiralformiga partiet 306 har vart och ett en elektrisk våglängd om 1/4 våg- längd. Det raka partiet 304 innefattar ett uttag 310 för anslutning till en kontakt 312 när antennanordningen är utdragen. Likaledes innefattar det spiralformiga partiet 306 ett uttag 314 för anslutning till kontakten 312 när antennanordningen är inskjuten. Kretsarrangemanget 308 är anslutet till antennanordningen 302 via en kontakt 312.

En fördel med denna antennanordning 302 är att dess höjd 316 är ytterligare reducerad jämfört med vad som åskåd- liggjordes i Fig 1 eller 2. En nackdel med denna antenn- anordning 302 är emellertid att höjden där strömmaximum uppträder när antennanordningen 302 är utdragen är mycket mindre (visas nedanför enhetens hölje) än höjden för strömmaximum såsom visas i fig 1 eller 2. En ytterligare nackdel är att kontaktens metallanslutningar alstrar elektriskt brus som reducerar tillförlitligheten.

Därför finns det ett behov av en antennanordning för en trådlös kommunikationsenhet som har ytterligare redu- cerade dimensioner medan den uppnår önskvärda prestanda liksom bibehåller acceptabel tillförlitlighet och produ- cerbarhet.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 visar en första antennanordning för en trådlös kommunikationsenhet i enlighet med känd teknik; fig 2 visar en andra antennanordning för en trådlös kommunikationsenhet i enlighet med känd teknik; fig 3 visar en tredje antennanordning för en trådlös kommunikationsenhet i enlighet med känd teknik; 517 073 11 fig 4 visar en antennanordning för en trådlös kommu- nikationsenhet, varvid ett parti av antennanordningen är utdraget bortom den trådlösa kommunikationsenheten, i enlighet med föreliggande uppfinning; fig 5 visar en antennanordning för en trådlös kommu- nikationsenhet, varvid ett parti av antennanordningen är packat i kommunikationsenheten, i enlighet med förelig- gande uppfinning; och fig 6 visar ett kretsschema för antennanordningen i fig 5 i enlighet med föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsform Fig 4 visar en antennanordning 402 för en trådlös kommunikationsenhet 400, varvid ett rörligt element 406 av antennanordningen 402 är utdraget bortom den trådlösa kommunikationsenheten 400, i enlighet med föreliggande uppfinning. Den trådlösa kommunikationsenheten 400 inne- fattar allmänt antennanordningen 402 och ett kretsar- rangemang 408, som är anslutet till antennanordningen 402. Antennanordningen 402 innefattar allmänt ett första element 404 och ett andra element 406.

Det första elementet 404 är anslutet till kretsar- rangemanget 408 i den trådlösa kommunikationsenheten. Det andra elementet 406 är rörligt mellan ett första läge (visas i fig 4) och ett andra läge (visas i fig 5) rela- tivt det första elementet 404. Prestanda hos antennanord- ningen 402 är väsentligen mindre önskvärda när det andra elementet 406 befinner sig mellan det första och det andra läget än prestanda hos antennanordningen 402 när det andra elementet 406 befinner sig antingen i det första eller i det andra läget. Det andra elementet 406 är mekaniskt àtskiljt från och väsentligen elektriskt kopplat till det första elementet 404 i både det första läget och det andra läget.

Eftersom det andra elementet är mekaniskt åskiljt från och väsentligen elektriskt kopplat till det första elementet i både det första och det andra läget optimerar antennanordningen enligt föreliggande uppfinning såväl 517 073 010010 U O OUUI storlek som prestanda på ett sätt som inte uppnåddes i den kända tekniken som visas i fig 1-3. En detaljerad be- skrivning av en sådan optimering ges nedan.

I enlighet med en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning är det andra elementet 406 rörligt utmed en längsgående axel 410 hos det andra elementet 406. Axiell förflyttning av det andra elementet 406 är fördelaktig för enkel packning av det andra elementet 406 i kommunikationsenheten 400. Andra antennanordningar kan emellertid implementeras för rörelse längs andra axlar, såsom en rotationsaxel eller en lateral axel, med uppnå- ende av samma fördelar hos föreliggande uppfinning.

I den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinningen är det andra elementet 406 väsentligen ut- draget bortom den trådlösa kommunikationsenheten 400 i det första läget (se fig 4) och väsentligen packat i den trådlösa kommunikationsenheten 400 i det andra läget (se fig 5). Alternativt kan det andra elementet 406 packas utanför den trådlösa kommunikationsenheten 400. Vidare kan själva det andra elementet 406 vara ett teleskope- rande element och ändå kvarstå inom ramen för förelig- gande uppfinning.

I den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning innefattar det andra elementet 406 ett första parti 412, som har rak form och ett parti 414 som har spiralform, varvid det första partiet 412 är elektriskt anslutet till det andra partiet 414. I den föredragna ut- föringsformen är kopplingen mellan det första partiet 412 och det andra partiet 414 en direktanslutning, som är gjord genom formning av det första partiet och det andra partiet 414 av en enda tråddel. Det första partiet 412 och det andra partiet 414 kan emellertid, såsom ett al- ternativ, tillverkas av två separata trådar och därefter anslutas elektriskt och mekaniskt, såsom genom lödning eller med en svetsförbindning.

Antennanordningen 402 enligt föreliggande uppfin- ning, som visas i fig 4, är likadan som antennanordningen 0000! 517 073 ' 6 302 enligt känd teknik, som visas i fig 3, så till vida att det rörliga partiet av antennanordningen 402 enligt föreliggande uppfinning innefattar både en rak form och en spiralform. Skillnaden mellan föreliggande uppfinning och den kända tekniken är att i föreliggande uppfinning är det första partiet, som har rak form 412, elektriskt kopplat till det andra partiet 414, som har spiralform; medan i den kända tekniken partiet 304, som har rak form, är elektriskt isolerat från det andra partiet 306, som har spiralform. Fördelarna med den elektriska kopplingen av det första partiet 406, som har rak form, till det andra partiet 414, som har spiralform, enligt förelig- gande uppfinning, kommer att beskrivas ytterligare nedan.

Alternativt kan det första partiet 412, som har rak form, av det andra elementet 406 istället ha spiralform med en spiraldiameter som är mindre än spiraldiametern hos det andra partiet 414 med spiralform. Ett första parti 412, som har spiralform, har fördelen av att ytter- ligare reducera det andra elementets 406 höjd. Den meka- niska tillförlitligheten hos det andra elementet 406 off- ras emellertid, eftersom en spiralspole har mindre minne mot permanent mekanisk deformation än en rak form.

I den föredragna utföringsformen enligt föreliggande uppfinning kopplas det första partiet 412, som har rak form, till det första elementet 404 när det andra elemen- tet 406 förflyttas till det första läget (se fig 4) och det andra partiet 414, som har spiralform, kopplas till det första elementet 404 när det andra elementet 406 för- flyttas till det andra läget (se fig 5).

I den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning arbetar antennanordningen 402 över ett frek- vensband. Det första partiet 412 och det andra partiet 414 bildar tillsammans en effektiv elektrisk längd som definieras av en heltalsmultipel av en halv våglängd vid åtminstone en frekvens i frekvensbandet. Såsom visas i fig 4 har det andra elementet 406 en elektrisk längd som är en halv våglängd, varvid det första partiet 412, som 00 in!! CO 000! Inn! 517 073 ' 7 utv har rak form, har en elektrisk längd om en kvarts våg- längd, och den effektiva elektriska längden hos det andra partiet 414, som har spiralform, är också en kvarts våg- längd.

I den föredragna utföringsformen är höjden 417 där den maximala strömmen uppträder bindningspunkten mellan det första partiet 412 och det andra partiet 414. Att bilda det andra elementet 406 på detta sätt ger en redu- cerad antennhöjd 416 medan det ger en höjd 417 där ström- men är maximal nära toppen av det andra elementet 406.

Föreliggande uppfinning åstadkommer fördelaktigt höjden 417 där den maximala strömmen uppträder i föreliggande uppfinning vid samma höjd 112 som visas i fig 1 enligt den kända tekniken, under det att den väsentligt reduce- rar höjden 416 av det utdragbara elementet 406 i förelig- gande uppfinning i jämförelse med höjden 110 hos det ut- dragbara elementet 106 i den kända tekniken. När man jäm- för föreliggande uppfinning, såsom den visas i fig 4, med den kända tekniken i fig 2 och 3 ger strukturen hos det andra elementet 406 enligt föreliggande uppfinning samma eller mindre höjd 416 medan det åstadkommer en större höjd 417 i den punkt där den maximala strömmen uppträder.

I den föredragna utföringsformen enligt föreliggande uppfinning har det första elementet 404 ett spiralformigt element. Det första elementet 404 representerar allmänt en impedanstransformator för transformering av impedansen hos kretsarrangemanget 408 till drivpunktsimpedansen för det andra elementet 406 för att åstadkomma en impedansan- passning. Det första elementet 404 ger en anslutningsfri sammankoppling på samma sätt som den i fig 1 och 2, enligt känd teknik, visade men skiljer sig från kontakt- arrangemanget som visas i fig 3. Ett kontaktlöst, anslut- ningsfritt arrangemang enligt föreliggande uppfinning är en förbättring i förhållande till det anslutningssystem enligt känd teknik som visas i fig 3 så till vida att problemen med nedsmutsade och användbara kontakter elimi- Deras .

OIUOIO 0 OUIOIO 517 073 æ z 2 s I den föredragna utföringsformen enligt föreliggande uppfinning omfattar det första elementet 404 en elektrisk längd som definieras av en udda heltalsmultipel av en kvarts våglängd vid åtminstone en frekvens, väsentligt nära frekvensbandet. Närmare bestämt är den elektriska längden en kvarts våglängd.

Fig 5 visar en antennanordning 402 för en trådlös kommunikationsanordning 400, varvid ett parti 406 av an- tennanordningen 402 är packat i den trådlösa kommunika- tionsenheten 400, i enlighet med föreliggande uppfinning.

I den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning är det första elementet 404 lindat i en första riktning (såsom anges av pilar 405 på spiralen) i förhål- lande till en formningsriktning 501 och spiralformen hos det andra partiet 414 hos det andra elementet 406 är lin- dad i en andra riktning (såsom anges av pilar 415 på spiralen), motsatt den första riktningen, i förhållande till formningsriktningen 501. Spiralformerna är lindade i motsatta riktningar i avsikt att reducera kopplingen mellan det första elementet 404 och det andra partiet 414 av det andra elementet 406. Reducerad koppling är nödvän- dig för att uppnå en önskvärd impedansanpassning, som ges av de fysiska dimensionerna hos antennanordningen 402 enligt föreliggande uppfinning. Andra antennanordningar kan emellertid utnyttja spiralformer som är lindade i samma riktning, givet andra dimensionella krav, och falla inom ramen för föreliggande uppfinning.

Kopplingsenergi mellan det första elementet 404 och det första 412 eller andra 414 partiet av det andra par- tiet 406 på detta sätt är känd som ömsesidig koppling. Ömsesidig kapacitiv koppling beskrivs i detalj i det ame- rikanska patentet nr 4 121 218, som häri införlivas genom hänvisning. Ömsesidig koppling innefattar både kapacitiv koppling och induktiv koppling. När spiralformerna lindas i samma riktning adderas den kapacitiva kopplingen till den induktiva kopplingen och alstrar en total ömsesidig koppling som är större än endera den kapacitiva kopp- OO :att 517 073 '.. 9 IOII till QIO i 0000!! lingen eller den induktiva kopplingen. När spiralformerna lindas i motsatta riktningar subtraheras den induktiva kopplingen från den kapacitiva kopplingen och alstrar en total ömsesidig koppling som är mindre än den kapacitiva kopplingen och därför är mindre än den totala ömsesidiga kopplingen när spiralformerna lindas i samma riktning.

Eftersom det andra partiet 414 av det andra elemen- tet 406 är väsentligen elektriskt kopplat till det första elementet 404 i det andra läget bildar det andra partiet 414 och det första elementet 404 tillsammans den strå- lande delen av antennanordningen 402 när det andra ele- mentet 406 befinner sig i det andra läget. En fördel med en sådan struktur är att det första elementets 404 höjd 503 är reducerad i förhållande till den kända teknik som visas i fig 1 och 2 utan att man offrar prestanda hos antennanordningen 402 när det andra elementet 406 befin- ner sig i det andra läget. Reducerad höjd 503 hos det första elementet 404 är viktig för det estetiska in- trycket av små trådlösa kommunikationsenheter.

För att åstadkomma goda prestanda ger antennen en ingångsimpedans som är samma i både det första läget och det andra läget. Detta uppnås genom ett lämpligt val av dimensioner hos det raka partiet 412 och det spiralfor- miga partiet 414.

I enlighet med den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning bildar det första partiet 412 en första komponent av en transmissionsledning 505 och det andra partiet 404 bildar ett strålande element av antenn- anordningen 402 när det andra elementet befinner sig i det andra läget. En andra komponent av transmissionsled- ningen 505 innefattar ett ledande parti 507 och ett di- elektriskt parti 509. Det dielektriska partiet 509 är placerat mellan den första komponenten 412 av transmis- sionsledningen 505 och det ledande partiet 507. I den föredragna utföringsformen är transmissionsledningen 505 formad som en koaxiell transmissionsledning; andra trans- missionsledningsstrukturer, såsom strukturer av typen 900009 - ~ man. n ~ uov »-.- .

II .DII I I I n OI O 'IDO 1000 0517 073 /O bandledning, mikrobandledning och balanserad transmis- sionsledning kan också implementeras i enlighet med före- liggande uppfinning. I den föredragna utföringsformen är det ledande partiet 507 ett metallrör; det ledande par- tiet 507 kan emellertid också omfatta en ledande yta inuti den trådlösa kommunikationsenhetens 400 hölje.

Transmissionsledningen 505 har en elektrisk längd som åtminstone partiellt är relaterad till en elektrisk egenskap, exempelvis permitivitet, hos det dielektriska partiet 509 liksom den elektriska längden hos det ledande partiet 507. Dessa karakteristiker kan ställas in för att uppnå en önskvärd impedansanpassning för antennanord- ningen 402 enligt dimensionskraven.

I enlighet med den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning omfattar transmissionsledningen 505 en reaktiv avslutning. I den föredragna utföringsfor- men är den reaktiva avslutningen en öppen krets, emeller- tid kan även en kortslutning eller ett klumpelement också implementeras i enlighet med föreliggande uppfinning. Im- pedansen i förbindningspunkten mellan det raka partiet 412 och det spiralformiga partiet 414 är i förhållande till det ledande röret 507 gjord så låg att ett ström- maximum uppträder. Flera utformningar av reaktiva avslut- ningar och längder på den raka sektionen 412 och röret 507 kommer att åstadkomma detta förhållande. De slutliga utformningarna av 412, 507 och 509 väljs bland de tillåt- na parametrarna i báde det första och det andra läget.

Fig 6 visar ett kretsschema för antennanordningen 402 i fig 4 och 5 i enlighet med föreliggande uppfinning.

Den schematiska representationen av det första elementet 404 och den schematiska representationen av det andra elementet 406 innehåller var och en representation av induktans, kapacitans och resitans i dessa element, såsom är välkänt inom teknikområdet. En kondensator 601 repre- senterar det kapacitiva kopplingsbidraget till den totala ömsesidiga kopplingen. Den dubbelriktade pilen, som rep- resenteras med hänvisningsbeteckning 603 mellan ele- IIOIII Innan 517 073 H 000 menten, representerar det induktiva kopplingsbidraget till antennanordningens totala ömsesidiga koppling.

Punkter 605 och 607 representerar tillsammans fasen för den magnetiska kopplingen mellan det första elementet 404 och det andra elementet 406. Kapacitiv koppling uppträder mellan de två oanslutna ändarna av spiralerna 404 och 414 i det första läget och mellan spiralens 404 öppna ände och det raka partiets 412 öppna ände i det andra läget.

Denna maximeras av de höga spänningar som existerar på dessa platser under drift. Induktiv koppling uppträder mellan de anslutna ändarna av spiralerna 404 och 414 i det andra läget. Den induktiva kopplingen maximeras av den höga ström som existerar på dessa platser under drift.

Föreliggande uppfinning är primärt avsedd att använ- das för antennanordningar som arbetar i området 150- -900 MHz, och i den föredragna utföringsformen 900 MHz.

Den följande beskrivningen ger en detaljerad beskrivning, genom exempel, av antennanordningen 402 i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Den föredragna utförings- formen har en spiral 404 med diametern 7,0 mm och längden 9,0 mm med 4 varv. Spiralen 414 har längden 33,3 mm och diametern 4,6 mm med 10,75 varv. Det raka partiet har längden 64 mm. Dielektrikat i röret är teflon med di- elektricitetskonstanten 2,1.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 517 073 IZ. PATENTKRAV

1. l. Antennanordning som är inrättad att användas med en trådlös kommunikationsenhet, k ä n n e t e c k n a d a v: ett första element som har spiralform och som är kopplat till ett kretsarrangemang i den trådlösa kommunikationsenheten; ett andra element innefattande ett första parti som har rak form, varvid det andra elementet är rörligt mellan ett första läge och ett andra läge utmed en längsgående axel hos det andra elementet och relativt det första elementet, varvid det första partiet, som har rak form, är kapacitivt kopplat till det första elementet när det andra elementet är förflyttat till det första läget och varvid det andra partiet, som har spiralform, är induktivt kopplat till det första elementet när det andra elementet är förflyttat till det andra läget; en utgångsimpedansanpassningsenhet för åstadkommande av en första utgångsimpedans för det andra elementet när det andra elementet är förflyttat till det första läget och för stadkommande av en andra utgångsimpedans för det andra elementet när det andra elementet är förflyttat till det andra läget, så att en ingångsimpedans för antennanordningen är väsentligen densamma när det andra elementet är förflyttat till det första läget respektive till det andra läget.

2. Antennanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n a d a v att det första elementet omfattar en elektrisk längd som definieras av en udda heltalsmultipel av en kvarts våglängd vid åtminstone en frekvens väsentligt nära frekvensbandet.

3. Antennanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n a d a v att det andra elementet omfattar en elektrisk längd som definieras av en heltalsmultipel av en halv våglängd vid åtminstone en frekvens i frekvensbandet. 10 15 20 25 30 35 517 073 lå

4. Antennanordning enligt patentkrav l, k ä n n e- L e c k n a d a v att det andra elementet är väsentligen utdraget bortom den trådlösa kommunikationsenheten i det första läget och är väsentligen packat i den trådlösa kommunikatikonsenheten i det andra läget.

5. Antennanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n a d är lindad i en första riktning i förhållande till en a v att det första elementets spiralform formningsriktning och att spiralformen hos det andra partiet av det andra elementet är lindad i en andra riktning, motsatt den första riktningen, i förhållande till formningsriktningen.

6. Antennanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- att utgångsimpedansanpassningsenheten vidare innefattar: t e c k n a d a v en utgångsimpedansanpassningskrets, som är ansluten till det första elementet, för åstadkommande av en tredje utgångsimpedans för det andra elementet när det andra elementet är förflyttat till det första läget och det andra läget; en utgångsimpedansanpassningsstruktur, som är operativt kopplad till det andra elementet, för åstadkommande av en fjärde utgångsimpedans för det andra elementet när det andra elementet är förflyttat till det första läget och för åstadkommande av en femte utgångsimpedans, som skiljer sig från den fjärde utgångsimpedansen, för det andra elementet när det andra elementet är förflyttat till det andra läget, varvid den tredje utgångsimpedansen i kombination med den fjärde utgångsimpedansen ger den första utgångsimpedansen och varvid den tredje utgångsimpedansen i kombination med den femte utgångsimpedansen ger den andra utgångsimpedansen.

7. Antennanordning enligt patentkrav 6, k ä n n e- t e c k n a d a v att impedansanpassningsstrukturen vidare innefattar en transmissionsledningsstruktur.

8. Antennanordning enligt patentkrav 7, k ä n n e- 10 517 073 W t e c k n a d a V att transmissionsledningsstrukturen vidare innefattar: en första ledare, som är formad av det första partiet av det andra elementet; en andra ledare; och ett dielektriskt parti, som är placerat mellan den första ledaren och den andra ledaren.

9. Antennanordning enligt patentkrav 7, k ä n n e- t e c k n a d a v att transmissionsledningsstrukturen innefattar en reaktiv avslutning.