SE521833C2 - Antennanordning innefattande en icke-galvaniskt kopplad matningsanordning - Google Patents

Description

20 25 30 35 '40 521 833 2 befinner sig under utveckling. Vidare underlättar den användningen av exter- na antenner.

PROBLEMSTÄLLNING Den föreliggande uppfinningen har till ändamål att så utforma den inled- ningsvis antydda antennanordning att den eliminerar nackdelarna hos tidigare känd teknik. Speciellt avser uppfinningen att så utforma antennanordningen att denna kan arbeta inom ett mycket brett frekvensområde, från ca 1,7 GHz till ca 2,6 GHz och att den därutöver ger möjlighet till drift i GSM- och GPS- ~ banden. Uppfinningen har också till ändamål att åstadkomma en antenn- anordning, som kan tillverkas billigt och rationellt och som ställer mycket små krav på tillgängligt utrymme.

PROBLEMLÖSNING Den till grund för uppfinningen liggande målsättningen uppnås om den inled- ningsvis antydda antennanordningen kännetecknas därav att matningsanord- ningen innefattar dels en första ledare med en första och en andra ände, vilken första ledare a) med sin forsta ände är ansluten till kretsarna i radiokommuni- kationsapparaten, vilken b) sträcker sig utefter/i anslutning till radiatom och vilken c) är icke-galvaniskt kopplad till denna, och dels en andra ledare med en forsta och en andra ände, vilken andra ledare med sin första ände är an- sluten till jord och vilken växelvis befinner sig på olika sidor av den första ledaren eller omsluter denna utefter åtminstone en del av dennas längd- utsträckning.

SAMMANSTÄLLNING ÖVER RITNINGSFIGURER Uppfinningen skall nu beskrivas närmre under hänvisning till bifogade ritningar. På dessa visar: fig l ett i en s k mobiltelefon ingående kretskort, vari är inkorporerat antennanordningen enligt uppfinningen, fi g 2 ett diagram med mätresultaten från uppmätning av en prototyp av uppfinningsföremålet varvid det tydligt framgår ett arbetsområde vid ungefarligen 900 MHz och ett bredbandigt arbetsområdet omkring centrumfrekvensen ca 2,2 GHz, 10 15 20 25 30 '40 521 833 3 fi g 3 en del av ett kretskort med en enligt uppfinningen utformad slot- antenn, fig 4 ett kopplingsalternativ för matningen till slotantennen enligt fig 3, fig 5 ett andra kopplingsalternativ till matningen för slotantennen enligt fig 3, fig 6 en praktisk utforingsfonn av en matningsanordning, vilken också visas i fig 1 och fig 7 en sprängskiss av matningsanordningen enligt fig 6.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM l fig l avser hänvisningsbeteckningen 1 ett kretskort, vilket exempelvis kan vara anordnat i en mobiltelefon. Kretskortet 1 består av minst en bärare 2 av dielektriskt material samt minst en metallbelåggning 3 åtminstone på den övre sidan. Kretskortet kan dock bestå av flera ledande skikt motsvarande metall- beläggningen 3 och ett antal däremellan anordnade skikt, ark eller lager av dielektrikum. På kretskortet 1 är det anordnat en radiator, vilken kan vara av godtycklig typ. I den visade utföringsformen är den i exemplifierande syfte visad som en kvartsvågs slotradiator. Radiatorn eller sloten 4 är åstadkommen genom att metallbeläggningen 3 är avlågsnad på bärarens 2 båda sidor så att sloten blir transparant i strålningshånseende. Det framgår av figuren att sloten 4 har en öppning 5, vilket innebär att den såsom ovan nämnts är avstämd för resonans vid en kvarts våglängd. Radiatom kan också vara en halvvågsradia- tor, vilket i exemplet med en slotradiator innebär att sloten blir längre och kommer att sakna motsvarighet till öppningen 5; sloten blir alltså sluten som halvvågsradiator.

För matningen av radiatorn, i exemplet ovan, kvartsvågssloten 4, används en matningsanordning 6, vilken skall beskrivas närmare nedan. Matningsanord- ningen 6 kan vara en separat enhet, men kan också vara helt eller delvis inte- grerad i kretskortet 1.

Om mer än en radiator behövs år detta enligt uppfinningen möjligt genom att mer än en radiator placeras i samma jordplan, dvs i samma metallbeläggning 3. Även om två slotar, i exemplet med slotradiatorer, placeras fysiskt nära varandra, kommer de inte att påverka varandra i elektriskt hänseende. Genom 10 15 20 25 30 35 40 521 833 4 användningen av mer än en slot är det således enligt uppfinningen möjligt att åstadkomma en flerbandig antenn, där vardera bandet har stor bandbredd.

Genom orientering av slotarna på olika sätt, exempelvis anordna deras längd- riktningar vinkelrätt i förhållande till varandra, kan man också påverka strål- ningsmönstret så att strålningsloberna från de båda radiatorerna skiljer sig åt.

Om exempelvis en slot anordnas med längdriktningen ungefärligen horison- tell kommer dennas strålningslob att vara riktad vertikalt, vilket är en stor för- del i en GPS-apparat. På analogt sätt kommer strålningsloben huvudsakligen att bli horisontell med en slot med vertikal längdriktning.

I fig 3 visas i förenklad, schematiskt form en antennanordning enligt uppfin- ningen. Denna antennanordning är bortsett från orienteringen i funktionellt hänseende helt identisk med den i fig 1 visade.

Således visar fig 3 ett jordplan 3, vilket kan bestå av ett metallskikt, en metall- folie eller liknande på en lämplig bärare av isolerande, omagnetiskt material. I likhet med utföringsfonnen enligt fig 1 är det ijordplanet 3 anordnat en slot 7 med en öppen ände 8. Sloten blir därför avstämd till resonans vid en kvarts våglängd, där slotens längd bestämmer den aktuella våglängden. Även om de fysiska måtten blir större inrymmer uppfinningen även möjlig- heten av en halvvågsresonator, varvid i en sådan utforingsform sloten 7 blir längre och sluten i båda ändar.

Sloten 7 matas i tig 3 med en matningsanordning 6, vilken innefattar en första eller central ledare 9 med en första ände 10 och en andra ände 11. 1 den prak- tiska utföringsforrnen kan den första ledaren 9 bestå av ett parti av mittledaren i en koaxialkabel 12. Vilkens motsatta, i figuren icke visade ände är ansluten till kretsarna, i den mobiltelefon, vari antennanordningen ingår.

Matningsanordningen 6 innefattar vidare en andra ledare 13, vilken har en första ände 14 och en andra ände 15. Den andra ledarens 13 första ände 14 är ansluten till skärmen eller jordledaren 16 i koaxialkabeln 12 medan den andra änden 15 slutar blint. Den andra ledaren 13 kan även vara ansluten till jord- planet 3 och jordad i detta med sin första ände 14.

Den andra ledaren 13 har i den visade utföringsformen den fysiska utforrn- ningen av en helix varför den har partier, som växelvis befinner sig på olika sidor av den första ledaren 9 utefter åtminstone en del av dennas längdut- sträckning. Helixen eller den andra ledaren 13 kommer därför att omge, inne- 10 15 20 25 30 35 40 521 833 5 sluta eller sträcka sig omkring den första ledaren 9. Detta gäller även i de modifierade utföringsforrner som kommer att beskrivas nedan. Helixen kan vara kortare än, lika lång som (fig 3) eller längre än den andra ledaren (fig 4 och 5).

Den första ledaren 9 ligger i längdriktningen för sloten 7 och i eller parallellt med jordplanet 3. Någon galvanisk kontakt finns inte mellan den första och den andra ledaren 9 respektive 13 och icke heller mellan den andra ledaren 13 och metallen i jordplanet 3 bortsett från jordningen av den andra ledarens första ände 14. Avståndet mellan den första ledaren 9 och jordplanet (om den * första ledaren inte ligger i jordplanet) bestämmer kopplingsgraden mellan den första ledaren 9 och sloten 7.

Den andra ledaren 13 bildar en induktans, som är fördelad utefter längdut- sträckningen för den första ledaren 9. Vidare bildar den andra ledaren 13 mellan sig och den första ledaren 9 en kapacitans, som även den är distribue- rad utefter längden av den första ledaren 9. Vidare finns mellan närbelägna varv i den andra ledaren också kapacitanser.

I antennanordningen enligt fig 3 bestämmer längden på sloten 7 mitten i det resonansornråde, som antennanordningen arbetar inom. Längden på den cen- trala eller första ledaren 9 anpassas till slotens längd. Dock är inte längden för den första ledaren 9 speciellt kritisk utan den behöver endast vara så stor att erforderliga varv av den andra ledaren 13 får plats.

Med det utförande, som visas i fig 3 får antennanordningen ett bredbandigt resonansområde, vilket antyds av pilen A i fig 2.

Av fig 3 framgår att de andra ändarna ll och 15 på den första respektive den andra ledaren 9 respektive 13 befinner sig på ungefarligen samma avstånd från koaxialkabeln 12. I detta utförande fås ingen resonanstopp B i fig 2. Om däremot den andra ledaren 13 förlänges så att dess andra ände 15 sträcker sig förbi den första ledarens andra ände 1 1, exempelvis såsom är fallet i fig 4 och 5, bidrar denna "extra längd" hos den andra ledaren 13 med ett andra reso- nansoniråde hos antennanordningen, vilket resonansornråde antyds vid pilen B i fig 2. Med en förlängd andra ledare 13 är det således möjligt att åstad- komma en antennanordning, som dels har ett snävt resonansornråde vid GSM- frekvens och dels ett brett resonansornråde i området 1,7 till 2,6 GHz.

Utan påverkan av bredbandsområdet A (fig 2) är det möjligt att flytta den låg- frekventa resonanstoppen B. Om den andra ledarens 13 fria ände 15 via en 10 20 25 30 40 521 833 6 kapacitans ansluts till jord (fig 4) så innebär detta att resonanstoppen B flyttas mot lägre frekvenser. I fig 4 finns möjlighet att stegvis variera storleken på kapacitansen mellan den andra ledarens 13 andra ände 15 och jord genom att flera kapacitanser 17, 18 kan kopplas in via en switch 19.

I utföringsformen enligt fig 5 är den andra ledarens 13 andra ände 15 ansluten till en kapacitans 32, vilkens motsatta sida dels är ansluten till en varikap-diod 20 och dels till en resistans 21. Den motsatta änden av resistansen är sluten till en styringång 22 men också via en kapacitans 23 till jord. Genom en variering av spänningen mellan jord och styringången 22 är det möjligt att steglöst vari- ' era kapacitansen hos varikap-dioden och dänned också läget för resonans- toppen B i fig 2.

Om matningsanordningen 6 i utförandet enligt fig 4 utformas som en separat enhet är det lämpligt att i denna enhet, även inkludera switchen 19 och de båda (eller eventuellt flera) kapacitanserna 17 och 18. Switchen 19 kan härvid vara en s k MEMS.

Om matningsanordningen 6 enligt fig 5 utformas som en separat enhet är det lämpligt att i denna även inkludera kapacitansen 32, resistansen 21, varikap- dioden 20 och kapacitansen 23.

I fig 6 och 7 visas en matningsanordning av det slag, som används för mat- ning av sloten 4 i fig 1. I denna utforingsforrn är matningsanordningen 6 utförd som en separat enhet men den kan också, såsom antytts ovan, vara helt eller delvis integrerad i kretskortet 1 i fig 1.

Enligt uppfinningen är det också möjligt att till en enhet integrera dels sj älva matningsanordningen och dels själva radiatorn, exempelvis sloten.

Matningsanordningen enligt fig 6 och 7 innefattar ett första 25 och ett andra 24 skivforrnigt stycke av dielektriskt material. På den övre sidan av det andra stycket 24 av dielektriskt material finns ett antal ledaravsnitt 26, vilka är i huvudsak raka, parallella med varandra och anordnade på något inbördes avstånd. Ledaravsnitten 26 skär med en vinkel o. en central, längsgående linje genom matningsanordningen 6. Vid motsatta ändar av dessa ledaravsnitt 26 är det anordnat genomgående öppningar 27, vilkas ändamål närmre skall för- klaras nedan. Vidare finns en anslutning 28 med en genomgående öppning 29, och slutligen har det närmast anslutningen 28 belägna ledaravsnittet 27 en anslutning 40. 10 l5 20 25 30 35 40 521 833 7 På det första stycket 25 av dielektriskt material finns på den sida, som är vänd mot det andra stycket 24 av dielektriskt material en första eller central ledare 30 vilken motsvarar den första ledaren 9 i fig 3 och vilken i sin ena eller första ände 10 har en anslutning 31 motsvarande anslutningen 28 på det andra stycket dielektriskt material samt en genomgående öppning 36. På den mot- satta sidan, i fig 7 den undre sidan, av det första stycket av dielektriskt mate- rial 25 finns ett antal ledaravsnitt 33, vilka i sina motstående ändar har genomgående öppningar 34. Ledaravsnitten 33 bildar en vinkel l80-ot med en central, längsgående linje genom matningsanordningen 6. Härigenom kommer ledaravsnitten 33 att skära eller korsa ledaravsnitten 26. Slutligen har ' det längst bort från anslutningen belägna ledaravsnittet 33 en anslutning 4l.

Vid sammanläggning av de båda styckena 24 och 25 och vid lödning eller genomplettering genom öppningama 27, 34, 29 och 36 fås en matningsanord- ning med en central eller första ledare 30 vilken är omgiven av eller inne- sluten i en "tillplattad helix" bestående av ledaravsnitten 26 och 33 samt genompletteringarna genom de nämnda öppningama. I praktiken bör den första ledaren 30 vara så tätt omgiven eller innesluten i denna "tillplattade helix" som möjligt varför längden för ledaravsnitten 26 och 33 är mindre än vad som visas i figurerna.

I fig 6, som visar den kompletta matningsanordningen 6 har hänvisnings- beteckningama från fig 3 införts varigenom tydligt visas analogin mellan de båda konstruktionema.

I fig 1 finns ett antal anslutningspunkter för anslutning av matningsanord- ningen 6 till kretskortet 1. Speciellt finns en anslutning 37 för anslutning till den första ledarens 9 första ände 10 (i fig 7, 28 och 31), vidare finns en anslutning 38 för anslutning till den andra ledarens l3 första ände 14 (i fig 7, anslutningen 40) och en anslutning 39 för anslutning till den andra ledarens 13 andra ände 15 (i fig 7, anslutningen 41).

I ovan beskrivna utföringsformer har jordplanet 3 och matningsanordningen 6 varit placerade i huvudsak i ett gemensamt plan. Eventuellt kan vissa ledar- avsnitt t ex ledaravsnitten 26, 30 och 33 i fig 7 i matningsanordningen 6 vara anordnade i kretskortet l.

I ovan beskrivna utföringsformer har den första ledaren 9 visats som en rak ledare. Emellertid är denna form inte nödvändig utan den första ledaren kan mycket väl vara en meander, en sicksack-formad ledare, en vågformad ledare eller en ledare med annan förrn så länge den har partier av den andra ledaren, 521 833 8 vilka partier växelvis befinner sig på olika sidor av eller omsluter den första ledaren.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 521 833 9 PATENTKRAV

1. l. Antennanordning med stor bandbredd innefattande en radiator (4, 7) och en matningsanordning (6) ansluten till kretsar i en radiokommunikations- apparat, k ä n n e t e c k n _a d därav, att matningsanordningen (6) innefattar dels en första ledare (9) med en första (10) och en andra (1 1) ände, vilken första ledare (9, 30) a) med sin första ände (10) är ansluten till kretsarna i radiokomrnunikations- apparaten, vilken b) sträcker sig utefter/i anslutning till radiatom (4, 7) och vilken c) är icke-galvaniskt kopplad till denna, och dels en andra ledare (l3; 26, 33) med en första (14) och en andra (15) ände, vilken andra ledare med sin forsta ände (14) är ansluten till jord och vilken växelvis befinner sig på olika sidor av den första ledaren (9) eller omsluter denna utefter åtminstone en del av dennas längdutsträckning.

2. Antennanordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att den andra ledarens (l3; 26, 33) andra ände ( 15) slutar blint.

3. Antennanordning enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att den andra ledarens (13) andra ände (15), via en stegvis eller kontinuerligt variabel kapacitans (17, 18, 20, 32) är ansluten till jord.

4. Antennanordning enligt något av kraven l-3, k ä n n e t e c k n a d därav, att radiatorn (4, 7) är en slot i ett elektriskt ledande, i huvudsak till formen plant jordplan (3), att den första ledaren (9, 30) har ett i huvudsak rakt parti, vilket befinner sig i sloten och vilket är i huvudsak parallellt med eller ligger i jordplanet (3).

5. Antennanordning enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d därav, att radiatorn (4, 7) är en sloti ett elektriskt ledande jordplan (3), varvid sloten har en rnittlinje med en längdriktning, och att den första ledaren (9, 30) är belägen utanför sloten på något avstånd från och i huvudsak parallellt med mittlinj en utefter längdriktningen. 10 15 20 25 30 35 40 521 833 10

6. Antennanordning enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den första ledarens (9, 30) andra ände (1 1) sträcker sig ut förbi den andra ledarens (13) andra ände (15).

7. Antennanordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den första ledarens (9, 30) andra ände (l l) befinner sig i området för den andra ledarens (13) andra ände (15).

8. Antennanordning enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den andra ledarens (1 3; 26, 33) andra ände (15) sträcker sig ut förbi den första ledarens (9) ändra ände (11).

9. Matningsanordning innefattande en bärare av elektriskt isolerande och omagnetiskt material och ett antal ledande skikt, vilken bärare har en längd- riktning, varvid en första sida av bäraren har ett antal första ledaravsnitt (33), som bildar en vinkel 180-(1 med längdriktningen och som skär denna, och att en andra sida på bäraren har ett antal andra ledaravsnitt (26) som bildar en vinkel ot med längdriktningen, varvid motstående ändar på de första ledar- avsnitten (33) befinner sig mitt för motstående ändar på de andra ledaravsnit- ten (26) och varvid mitt för varandra belägna ändar på de första och de andra ledaravsnitten är galvaniskt förbundna med varandra, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett tredje, långsträckt ledaravsnitt (30) sträcker sig utefter längdrikt- ningen, är galvaniskt skilt från de första och andra ledaravsnitten (33 resp 36) samt är beläget mellan dessa.

10. Matningsanordning enligt kravet 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att bäraren innefattar ett första (25) och ett andra (24) stycke av elektriskt iso- lerande och omagnetiskt material, att de första ledaravsnitten (33) är anord- nade på en första sida av det första stycket (25), att det tredje ledaravsnittet (30) är anordnat på en andra, mot det andra stycket (24) vända sidan av det första stycket (25) och att de andra ledaravsnitten (26) är anordnade på en andra, från det första stycket (25) vänd sida av det andra stycket (24).

11. 1 1. Matningsanordning enligt kravet 10, k ä n n e t e c k n a d därav, att den är utformad såsom en enhet, vilken är försedd med anslutningar (28, 31, 40, 41) och utfonnad för ytmontering.

12. Matningsanordning enligt kravet 1 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att enheten även innefattar komponenter (17-23, 32) för ändring av dess fre- kvenskarakteristik. 10 15 521 833 ll

13. Antennanordning till en radiokommunikationsapparat, vilken har ett jordplan (3), k ä n n e t e c k n a d därav, att j ordplanet (3) är anordnat på ett kretskort (1) samt försett med en slot (4, 7) och att en matningsanordning (6) enligt något av kraven 9-12 är anordnad i eller täckande sloten.

14. Antennanordning till en radiokommunikationsapparat, vilken har ett jordplan (3), k ä n n e t e c k n a d därav, att det i jordplanet är anordnat två slotar (4, 7), vilka har längdríktningar, som är i huvudsak vinkelräta mot var- andra och vilka är av olika längd, och att en matningsanordning (6) enligt något av kraven 9-12 är tillordnad vardera sloten samt avstämd till en arbets- frekvens for respektive slot. 15 Antennanordning till en radiokommunikationsapparat, k ä n n e te c k - n a d därav, att en matningsanordning enligt något av kraven 9-12 tillsam- mans med en radiator är anordnad som en separat enhet.