SE519560C2 - Antennanordning och sätt att justera nämnda antennanordning - Google Patents

Description

519 560 2 Den europeiska patentpublikationen EP 1 003 240 A2 beskriver en ytmonterad antenn innefattande första och andra strålnings- elektroder separerade av ett mellanrum. Varje elektrod är ansluten till en jordad anslutningselektrod som ger en dubbel- resonans med två passband. De två passbanden överlappar varandra något, vilket i praktiken skapar en singelbandantenn med ett brett passband i stället för en dubbelbandantenn.

Ingen ledning ges hur man erhåller önskad antennkaraktäristik.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en antennanordning för en bärbar radiokommunikationsanordning som undanröjer ovannämnda problem och vid vilken önskade arbets- frekvensband kan erhållas på ett väldefinierat sätt.

Ett annat ändamål är att åstadkomma en bärbar radiokommunika- tionsanordning innefattande en sådan antennanordning.

Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma ett sätt att justera karaktäristiken hos en antennanordning på ett kontrollerat sätt.

Uppfinningen baseras på insikten att en antennkonfiguration med två elementdelar inbördes åtskilda av ett mellanrum kan åstadkommas, varvid mellanrummets längd och bredd bestämmer antennens karaktäristik på ett kontrollerat sätt.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes en antennanordning, såsom definierad i bifogade patentkrav 1.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes även en bärbar radiokommunikationsanordning, såsom definierad i bifogade patentkrav 14.

Vidare åstadkommas ett sätt att avstämma en antenn, såsom definierad i bifogade patentkrav 15. 5,19 560 3 Med den uppfinningsenliga antennanordningen undanröjes eller åtminstone lindras ovannämnda nackdelar med känd teknik.

Antennanordningen lenligt föreliggande uppfinning, såsom definierad av bifogade patentkrav, har en konfiguration vid vilken mellanrummet som separerar de två strålande element- delarna kan justeras på ett kontrollerat sätt för att erhålla önskad karaktäristik.

De underordnade patentkraven definierar ytterligare föredragna utföringsformer av den uppfinningsenliga antennanordningen.

Kortfattad beskrivning av ritninqarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas, såsom exempel, under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: fig. l är en översiktsvy över en mobiltelefon, delvis i genom- skärning, som visar placeringen av ett tryckt kretskort och ett grundläggande antennmönster enligt uppfinningen; fig. 2a-Sa visar det grundläggande antennmönstret med olika parametrar markerade; fig. 2b-5b visar olika antennmönster som härletts från det grundläggande antennmönstret som visats i respektive fig. 2a- 5a; fig. 2c-5c visar frekvensdiagram associerade med respektive antennmönster visade i fig. 2a,b-5a,b; fig. 6 visar ett alternativt grundläggande antennmönster; fig. 7 visar ett antennmönster inrättat för användning med ett externt kontaktdon; fig. 8 visar en antennanordning med en ytterligare alternativ form; och fig. 9 och 10 visar frekvensdiagram för en antennanordning inrättad för operation i önskade frekvensband.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen I det följande kommer en detaljerad beskrivning av utförings- former av en antennanordning enigt uppfinningen att ges. I beskrivningen, i förklarande och ej begränsande syfte, kommer specifika detaljer att visas, såsom specifik hårdvara, appli- kationer, tekniker etc. för att ge en grundläggande förståelse av föreliggande uppfinning. Fackmannen inom teknikområdet inser dock att föreliggande uppfinning kan användas i andra utföringsformer som avviker från dessa specifika detaljer. I andra fall har detaljerade beskrivningar av välkända metoder, apparater och kretsar utelämnats för att ej störa beskriv- ningen av föreliggande uppfinning med onödiga detaljer.

Vidare, då referenser görs nedan till riktningar, såsom ”vän- ster” eller ”höger” skall dessas referenser beaktas i samband med vad som visas i figurerna som exempel givna utförings- former och skall ej anses begränsande vad gäller skyddsom- fånget.

I fig. 1 visas en planvy, delvis i tvärsnitt, av en mobiltele- fon, allmänt betecknad 2. Mobiltelefonen innefattar en knapp- sats 4 etc., såsom är konventionellt. I telefonen 2 finns ett tryckt kretskort (PCB) 6 med en utsträckning som väsentligen motsvarar telefonens storlek. På nämnda PCB 6 finns monterade elektroniska kretsar etc. (ej visade) för telefonens funktion.

Dessa kretsar kommer ej att behandlas ytterligare förutom in- formationen att de innefattar RF-kretsarrangemang för en an- tenns funktion, d.v.s. för sändning och mottagning av radio- frekvenssignaler.

Nämnda PCB 6 fungerar också som jordplan för en intern antenn- anordning, i den beskrivna utföringsformen en modifierad PIFA (PIFA - Plan Inverterad F-antenn), vilken allmänt betecknas 8 5019 560 5 och är placerad i den övre delen av mobiltelefonen 2. Antenn- anordningen innefattar ett strålande element uppdelat i två allmänt plana delar, ett första inre element 10 och ett andra yttre element 20. De strålande elementen 10, 20 är tillverkade av något lämpligt elektriskt ledande material, såsom metall- plåt, stålplåt eller liknande, eller som en ledande flexfilm.

Elementen 10, 20 uppstöds av en stomme som är tillverkad av ett icke-ledande material, såsom plast (ej visad). Med stommen positioneras de strålande elementen väsentligen parallellt med nämnda PCB 6 och på ett i förväg bestämt avstånd från detta, vilket föredras med denna typ av antenner.

Det inre strålande elementet 10 är anslutet till en kontakt- pinne 12 med en utsträckning väsentligen vinkelrät mot det inre elementets 10 plan och elektriskt anslutet till det underliggande tryckta kretskortets 6 RF-kretsarrangemang.

Pinnen 12, som exempelvis är av den typ som försäljs under varumärket PoGo, fungerar som antennens matningsdel. Kontakt- pinnen 12 är placerad på kanten av en öppning 14 vid den centrala delen av den strålande elementdelen 10, och öpp- ningens funktion kommer att beskrivas nedan.

Det andra yttre strålande elementet 20 är anslutet till en jordningsdel 22 som sträcker sig väsentligen vinkelrätt däremot och vilken är ansluten till en jordanordning hos det underliggande tryckta kretskortet 6. Det yttre elementet 20 har en allmän form som liknar ett ”C” vridet 90 grader moturs, såsom visas i figurerna, varigenom det väsentligen omger det inre elementet 10.

De inre och yttre elementen 10 respektive 20 ligger väsent- ligen i samma plan och separeras av ett icke-ledande mellanrum 30. Såsom framgår av figuren, omger mellanrummet 30 det inre elementet 10 på tre sidor av detta och ger en kontrollerad kapacitiv koppling mellan de inre och yttre elementen 10, 20.

Till följd av mellanrummet mellan de inre och yttre elementen 5,19 sso 6 10, 20 finns två distinkta resonansfrekvenser. Med detta arrangemang åstadkommes en tvåbandig antenn och den kapacitiva kopplingen mellan de strålande elementen används för bestäm- ning av antennens 8 karaktäristik, såsom kommer att beskrivas i det följande och under hänvisning till fig. 2a-c - 5a-c.

I fig. 2a, 2b och 2c visas hur det övre bandets resonansfre- kvens hos en tvåbandig antenn kan justeras på ett kontrollerat sätt. I sin grundläggande form, visad i fig. 2a, har antennen 8 en nedre resonansfrekvens på ca 900 MHz och en övre reso- nansfrekvens på ca 1900 MHz, varigenom den är lämplig för användning i en tvåbandig mobiltelefon anpassad för GSM 900 och PCS-banden.

För att finavstämma det övre bandet justeras dock formen på det inre strålande elementet 10 på ett kontrollerat sätt. I sin grundläggande form är det inre strålande elementet 10 väsentligen rektangulärt med en höjd hl och bredd wl, se fig. 2a. Det omges på tre sidor av mellanrummet 30. I fig. 2a har mellanrummet uppdelats i tre delar, nämligen 30a till vänster om elementdelen 10, 30b över elementdelen 10 och 30c till höger om elementdelen 10. De tre mellanrumsdelarna 30a-c har väsentligen samma bredd. Det inre elementet 10 visas med en första änddel lOa riktad mot mellanrumsdelen 30a, en andra änddel l0c riktad mot mellanrumsdelen 30c och en del lOb riktad mot mellanrumsdelen 30b, se fig. 1.

Antennkaraktäristiken ändras genom att man minskar bredden wl genom att öka den högra mellanrumsdelens 30c bredd dl. Mer specifikt sänks det övre bandets resonansfrekvens genom att man ökar avståndet dl. I fig. 2c visas en uppsättning kurvor som representerar spänningens stående vågkvot (Voltage Stand- ing Wave Ratio - VSWR) som funktion av frekvens. Kurvorna representerar de olika karaktäristikerna då det inre element- ets 10 bredd wl justeras från sitt ursprungliga värde, fig. 2a, till ungefär hälften av sitt ursprungliga värde, såsom visas i fig. 2b.

Refererande till fig. 2c, visas till vänster i diagrammet en uppsättning med nästan identiska kurvor, som representerar det nedre frekvensbandet. Man kan sålunda se, att avståndet dl har nästan ingen påverkan på detta band. Detta är viktigt i det att det möjliggör selektiv justering av det övre frekvensbandet.

I motsats till det nedre frekvensbandet finns ett uttalat sam- band mellan avståndet dl och det övre bandets resonansfre- kvens. I diagrammet visas en uppsättning om nio olika kurvor, av vilka den till höger representerar VSWR för startantennen, d.v.s. med ett litet avstånd dl (den ursprungliga antennen som visas i fig. l) och av vilka den till vänster representerar VSWR med ett stort avstånd dl, såsom visas i fig. 2b. De mellanliggande kurvorna representerar jämnt fördelade avstånd dl mellan de små och stora avstånden, av vilka en del mot- svarar en storlek för det inre elementet 10 som visas med streckade linjer i fig. 2a.

Det är slående hur det övre bandets resonansfrekvens korre- lerar med värdet på dl. VSWR för resonansfrekvensen blir dock väsentligen oförändrad. Man kan sålunda se, att en justering av avståndet dl utgör ett enkelt och väldefinierat sätt att justera karaktäristiken för en tvåbandig antenn anpassad för användning med exempelvis en mobiltelefon.

En annan fördel med en justering som endast avser storleken på det inre elementet 10 är att positionerna för matnings- och jordningsdelarna 12, 22 förblir oförändrade. Med hänsyn till konstruktion och tillverkning ger detta en lösning där kontaktpunkterna på det underliggande tryckta kretskortet 6 förblir oförändrade, d.v.s. samma typ av PCB kan användas för 519 560 8 olika telefonmodeller, exempelvis tvåbandiga telefoner för GSM/DCS Och GSM/PCS.

Ett sätt att ändra resonansfrekvensen hos antennanordningens nedre band kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 3a-c. Proceduren liknar den avseende det övre frekvensbandet, d.v.s. storleken på det inre elementet 10 justeras. I stället för att avlägsna en del av den högra delen av det inre elemen- tet, d.v.s. den närmare jordningsdelen 22, avlägsnas dock en del av den vänstra delen av det inre elementet 10. Med andra ord ändras bredden på vänster mellanrumsdel 30a, vilket avstånd betecknas med d2 i figurerna 3a och 3b.

I fig. 3c visas två uppsättningar kurvor för olika värden på d2, varvid en uppsättning avser det lägre bandet och den andra uppsättningen avser det övre bandet. Vänster kurva bland kur- vorna för det nedre bandet associeras med det grundläggande antennmönstret som visas i fig. 3a, d.v.s. den lilla ursprung- liga bredden d2. De andra kurvorna för det lägre bandet asso- cieras med successivt högre värden på d2, d.v.s. det finns en direkt korrelation mellan värdet på d2 och den lägre resonans- frekvensen. Höger kurva av kurvorna för det lägre bandet asso- cieras med det antennmönster som visas i fig. 3b, där en stor del av det inre strålandet elementet 10 har avlägsnats jämfört med det grundläggande mönstret.

Av fig. 3c ser man också att den övre resonansfrekvensen för- blir väsentligen oförändrad. Detta innebär att genom att ändra värdet på d2 kan det lägre frekvensbandet justeras utan att man påverkar det övre frekvensbandet.

Ytterligare ett sätt att modifiera karaktäristiken för en an- tennanordning på ett kontrollerat sätt kommer nu att förklaras under hänvisning till fig. 4a-c. I fig. 4 visas det grundläg- gande antennmönstret med den effektiva bredden för den övre mellanrumsdelen 30b betecknad d3. I fig. 4b visas ett modifie- _ 519 560 9 rat antennmönster, vid vilket en del av det inre elementet 10 har avlägsnats jämfört med det grundläggande mönstret. Mängden material av det inre elementet som avlägsnats motsvarar ökningen i det verkliga avståndet d3 jämfört med fig. 4a.

Här ser man att genom att ändra avståndet d3 påverkas båda re- sonanserna och därför skapas en ytterligare parameter att an- vända för att matcha antennen på ett kontrollerat sätt.

Det har ovan beskrivits hur den allmänna formen hos de inre och yttre strålande elementen 10, 20 kan justeras för att erhålla önskad antennkaraktäristik på ett kontrollerat sätt.

Ett annat sätt att ändra karaktäristiken är att ändra stor- leken på öppningen 14, såsom kommer att förklaras i det följande och under hänvisning till fig. 5a-c.

Ett antal VSWR-kurvor för det övre frekvensbandet visas i fig. 5c, av vilka kurvor den högra associeras med det grundläggande antennmönstret, såsom visas i fig. 5a. Vänster kurva av de övre kurvorna associeras med antennmönstret som visas i fig.

Sb, vid vilket öppningen 14 har förstorats jämfört med den hos det grundläggande mönstret. De mellanliggande kurvorna som hamnar mellan dessas två extremfall representerar VSWR för öppningar 14 som har en storlek mellan de som visas i fig. 5a och 5b. Genom att ändra storleken på öppningen 14 kan sålunda den övre resonansfrekvensen ändras på ett kontrollerat sätt.

Såsom vid den utföringsform som beskrivits med hänvisning till fig. 2a-c förblir den lägre resonansfrekvensen som bestämmer det lägre frekvensbandet väsentligen oförändrad, varigenom en selektiv justering av det övre frekvensbandet möjliggörs.

Förutom att ge en justering av det övre frekvensbandet kan denna storleksändring för öppningen 14 användas för impedans- matchning av antennanordningen eller för att möjliggöra användningen i detta område av ett externt kontaktdon eller annat element, såsom en plastdel som sträcker sig från höljet _s19_sßo 10 hos den anordning vid vilken antennen är placerad. I fig. 6 visas en planvy över ett alternativt antennmönster vid vilket öppningen i det mindre elementet 10 har utelämnats. Sålunda är kontaktpinnen 12, visad med streck i figuren, fäst till undersidan av elementet 10 medelst nitning eller liknande.

I fig. 7 visas ett antennmönster liknande det som visas i fig. 5b. Förutom antennelementen 10, 20 visas ett koaxialkontakt- don, allmänt betecknat 40, anslutet till det underliggande tryckta kretskortet 6. Kontaktdonet 40 är anordnat för an- slutning av en extern antennanordning, såsom en antenn anord- nad på utsidan av en bil i vilken en mobiltelefon används med användande av s.k. hands-free-utrustning. Sålunda ger öpp- ningen 14 en kompakt lösning för positionering av ett externt kontaktdon, för vilket en typisk storlek är en diameter av sex millimeter.

I de utföringsformer som beskrivits under hänvisning till fig. 1-7 har det inre elementet 10 visats med rektangulär form.

Många andra former är dock möjliga, såsom den som används vid antennanordningen 8' visad i fig. 8, där det inre, rektangu- lära elementet 10 hos de tidigare utföringsformerna har ersatts av ett inre element lO' med en nedre rak kant och en övre krökt kant. Ett väsentligen jämnt mellanrum 30' separerar det inre elementet 10' från ett yttre element, betecknat 20', som har en ytterform anpassad till en mobiltelefon, i vilken det är monterat. Konturen för mobiltelefonens 2' övre del visas med en streckad linje i fig. 8. Såsom vid de föregående utföringsformerna innefattar det inre elementet 10' en matningsdel 12' och det yttre elementet 20' innefattar en jordningsdel 22'.

Slutligen visas i fig. 9 och lO kurvdiagram som visar karaktä- ristiken för antennanordningen enligt uppfinningen anpassad för tvåbandig drift i 900/1800 MHz-banden respektive 900/1900 519 560 ll MHz-banden. Man ser här att önskad karaktäristik kan uppnås på ett kontrollerat sätt med den uppfinningsenliga anordningen.

Föredragna utföringsformer av en antennanordning enligt uppfinningen har beskrivits. Fackmannen inom teknikområdet inser att dessa skulle kunna varieras inom ramen för bifogade patentkrav. Sålunda kan formerna hos de olika delarna som visas i figurerna naturligtvis anpassas till olika behov.

Liknande former och dimensioner för det grundläggande antenn- elementet har visats i figurerna. Man inser att dessa kan varieras så länge som den allmänna formen med ett inre strå- lande element med en matningsdel är omgiven av ett yttre strå- lande element med en jordningsdel. Sålunda kan den effektiva längden och bredden hos de vänstra och högra mellanrumsdelarna 30a, 30c justeras genom att man avlägsnar en del av det yttre elementet som är vänt mot den aktuella mellanrumsdelen, varigenom man justerar anordningens resonansfrekvenser.

Jordningsdelen 22 har visats med konstant storlek i samtliga figurer. Storleken på jordningsdelen kan dock användas som en parameter då man justerar antennanordningens karaktäristik.

Vidare är positioneringen av matnings- och jordningsdelarna 12, 22 samma i samtliga figurer. Dock kan avståndet mellan matnings- och jordningsdelarna användas som ett medel för att justera antennanordningens resonansfrekvenser. Vidare kan an- ordnandet av jordningsdelen 22 till höger om den inre delen 10 naturligtvis ersättas genom att den placeras till vänster om den inre delen 10. I detta fall skall referensen i denna be- skrivning till "vänster" och "höger" bytas mot varandra.

Olika sätt att justera de övre och nedre frekvensbanden hos en tvåbandig antenn har beskrivits. Även om de olika sätten har beskrivits separat inses att fler än ett kan tillämpas samti- digt. Även om de inre och yttre elementen 10, 20 har beskrivits och visats som väsentligen plana inses, att de kan 519 560 12 avvika från plan form för att anpassas till ytterformen av exempelvis den mobiltelefon i vilken de är anordnade.

I hela denna beskrivning har termen strålande element använts.

Man skall inse att denna term täcker varje antennelement som inrättat att motta eller sända elektromagnetiska vågor.

När i denna beskrivning hänvisning görs till mellanrummets 30 bredd avser detta avståndet mellan de inre och yttre elementen 10 och 20 vid den aktuella mellanrumsdelen. Även då längden på en mellanrumsdel behandlas görs hänvisning till den effektiva längden på kantdelen av det inre elementet lO som är riktad mot den aktuella mellanrumsdelen.

Claims (20)

1. 51_9 560 13 PATENTKRAV l. Antennanordning för en bärbar radiokommunikationsanord- ning (2) inrättad att användas i åtminstone ett övre och ett nedre frekvensband, vilken antennanordning innefattar: - en första väsentligen plan strålande elementdel (lO; lO') med en matningsdel (l2; l2') anslutbar till en matnings- anordning hos nämnda radiokommunikationsanordning (2; 2'); - en andra väsentligen plant strålande elementdel (20; 20') med en jordningsdel (22; 22') anslutbar till en jord- anordning (6) hos nämnda radiokommunikationsanordning, varvid nämnda första och andra antennelementdelar ligger i väsentligen samma plan och är separerade med ett mellanrum (30: 30'); lcä nzze teac klia d a v - att nämnda andra strålande elementdel (20; 20') omger nämnda första strålande elementdel (lO; lO') och - att nämnda första strålande elementdel (20;20') är galvaniskt ojordad.

2. Antennanordning enligt patentkrav 1, vid vilken nämnda andra strålande elementdel (20; 20') är väsentligen C-formad.

3. Antennanordning enligt patentkraven 1 eller 2, vid vilken nämnda jordningsdel (22; 22') är placerad på en ytterkant av nämnda andra strålande elementdel (20; 20').

4. Antennanordning enligt något patentkraven 1-3, vid vilken nämnda jordningsdel (22) är placerad på en änddel av nämnda andra strålande elementdel (20). 519 560 14

5. Antennanordning enligt något av patentkraven l-4, vid vilken nämnda första strålande elementdel (10) är väsentligen rektangulär.

6. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-5, vid vilken - nämnda första strålande elementdel (10) har en första (lOa), en andra (lOb) och en tredje (lOc) kantdel, - nämnda tredje kantdel (l0c) är placerad närmare nämnda jord- ningsdel (22) än nämnda första kantdel (lOa) och nämnda andra kantdel (lOb) är placerad mellan nämnda första och andra kantdelar (lOa, lOc), och - nämnda första kantdel (lOa) är riktad mot en första mellan- rumsdel (30a), nämnda andra kantdel (lOb) är riktad mot en andra mellanrumsdel (30b) och nämnda tredje kantdel (10c) är riktad mot en tredje mellanrumsdel (30c) av nämnda mellanrum (so).

7. Antennanordning enligt patentkrav 6, vid vilken nämnda mellanrumsdelar (30a, 30b, 30c) har väsentligen samma bredd.

8. Antennanordning enligt patentkrav 6, vid vilken nämnda första mellanrumsdel (30a) har en bredd (d2) som överskrider bredden för nämnda andra (30b) och tredje (30c) mellanrumsde- lar.

9. Antennanordning enligt patentkrav 6, vid vilken nämnda tredje mellanrumsdel (30c) har en bredd (dl) som överskrider bredden för nämnda första (30a) och andra (30b) mellanrumsde- lar.

10. lO. Antennanordning enligt patentkrav 6, vid vilken nämnda andra mellanrumsdel (30b) har en bredd (d3) som överskrider bredden för nämnda första (30a) och tredje (30c) mellanrums- delar. 51,9 560 15

11. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-10, vid vilken nämnda första strålande elementdel (10) innefattar en öppning (14).

12. Antennanordning enligt patentkrav ll, vid vilken nämnda matningsdel (12) är placerad på en kant av nämnda öppning (14).

13. Antennanordning enligt patentkrav ll eller 12, vid vilken nämnda öppning är inrättad att motta ett externt kontaktdon (40).

14. Antennanordning enligt patentkrav l, 2 eller 3, vid vilken nämnda första strålande elementdel (10') har en första, väsentligen rak sida och en andra krökt sida riktad mot nämnda mellanrum (30').

15. Bärbar radiokommunikationsanordning (2) med en knapp- sats (4) och ett tryckt kretskort (6) med RF-kretsarrangemang, k ärxn eize clarxa d a v en antennanordning enligt något av patentkraven 1-14.

16. Sätt att justera en resonansfrekvens hos en antenn- anordning enligt något av patentkraven 1-14, innefattande steget att man justerar något av längden och bredden för nämnda mellanrum (30).

17. Sätt enligt patentkrav 16 för justering av en resonans- frekvens hos en antennanordning enligt patentkrav 6, innefat- tande steget att man justerar nämnda första mellanrumsdels (30a) bredd för att justera nämnda nedre frekvensband.

18. Sätt enligt patentkrav 16 för justering av en resonans- frekvens hos en antennanordning enligt patentkrav 6, innefat- tande steget att man justerar nämnda tredje mellanrumdels (30c) bredd för att justera nämnda övre frekvensband. 51,9 560 16

19. Sätt enligt patentkrav 16 för justering av en resonans- frekvens hos en antennanordning enligt patentkrav 6, innefat- tande steget att man justerar bredden hos nämnda andra mellan- rumsdel (30b) för att justera både nämnda övre och nedre fre- kvensband.

20. Sätt enligt patentkrav 16 för justering av en resonans- frekvens hos en antennanordning enligt något av patentkraven ll-13, innefattande steget att man justerar storleken hos nämnda öppning (14) för att justera det nedre frekvensbandet och/eller att matcha nämnda antennanordning.