SE525659C2 - Antenna device and portable radio communication device comprising such antenna device - Google Patents

Description

525 659 2 kommunikationsanordning resulterar i otillfredsställande drift i det att antennen antingen har alltför dålig prestanda över ett tillräckligt brett frekvensband eller tillräcklig prestanda över ett alltför smalt frekvensband.

I stället är en konventionell FM-antenn för bärbara radiokommu- nikationsanordningar anordnad i den hörlursledning som är ansluten till kommunikationsanordningen. Denna utformning med en relativt lång ledning möjliggör en antennlängd som är till- räcklig även för lågfrekvenstillämpningar. Om ingen extern antenn tillåts är dock denna lösning uppenbarligen ej möjlig. nf n' finni Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en intern antennanordning för användning i en bärbar radiokommuni- kationsanordning som arbetar med tillräcklig prestanda över ett frekvensband som har en relativt låg frekvens, såsom FM-radio- bandet.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en sådan antennanordning som involverar få komponenter.

Uppfinningen baseras på insikten att en antenn kan anordnas i höljet för en bärbar radiokommunikationsanordning, vilken har bra prestanda över ett smalt delband av ett frekvensband som har en relativt låg frekvens, och att det smala delbandet kan justeras i frekvens för att täcka hela frekvensbandet.

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

Genom att anordna en styrbar elektrisk impedans i det strålande elementet kan området för ett relativt smalt resonansfrekvens- band justeras, varigenom man tillhandahåller en liten antenn- anordning som arbetar i ett relativt lågt frekvensband. 525 659 3 Det àstadkommes även en radiokommunikationsanordning inne- fattande en sådan antennanordning.

Vid en föredragen utföringsform innefattar antennanordningen en mottagarkrets, varvid åtminstone en matningsdel av det strålan- de elementet är ansluten till en matningsingång på mottagar- kretsen och varvid styringången på den styrbara elektriska impedansen är ansluten till en utgång på mottagarkretsen avsedd för reglering av mottagarkretsens VCO-resonansfrekvens. Detta ger en lösning som involverar mycket få komponenter eftersom samma signal som redan används för reglering av mottagarkret- sens resonansfrekvens också används för reglering av antenn- anordningens driftfrekvensband.

Ytterligare utföringsformer definieras i bifogade patentkrav.

K E ! 1 1 1 . . V r. .

Uppfinningen kommer nu att beskrivas, såsom exempel, under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 är ett översiktsschema som visar en antennanordning enligt uppfinningen som har en varierbar impedans; Fig. 2 är ett schema liknande det i fig. 1 men som visar en varierbar kapacitans; Fig. 3 är ett schema som mer i detalj visar en antennanordning enligt uppfinningen ansluten till en FM-mottagarkrets; Fig. 4 är ett schema liknande det i fig. 3 men med en alterna- tiv utföringsform av antennanordningen enligt uppfinningen; Fig. 5 är en perspektivvy tagen delvis som ett snitt av en antennanordning enligt uppfinningen monterad i en bärbar radio- kommunikationsanordning; Fig. 6 är en perspektivvy som visar en alternativ antennutform- ning i en bärbar radiokommunikationsanordning; Fig. 7 är en planvy som visar positioneringen av ytterligare en alternativ utföringsform av antennanordningen enligt uppfin- ningen i en bärbar radiokommunikationsanordning.

D 1' ' 'n v i 'n n I det följande kommer en detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av en antennanordning och en bärbar radiokommu- nikationsanordning enligt uppfinningen att ges. I det flertalet utföringsformer som beskrives häri ges samma hänvisningssiffror till identiska delar av de olika utföringsformerna.

I den följande beskrivningen och patentkraven används termen strålande element. Det skall förstås att denna term avses täcka elektriskt ledande element anordnade för mottagning och/eller sändning av radiosignaler. Vidare skall med termen matnings- anordning förstås varje anordning som kan motta och/eller sända signaler från/till ett strålande element.

Först med hänvisning till fig. 1 visas den allmänna utform- ningen av en antennanordning enligt uppfinningen, i detta fall en loopantenn. Antennen, allmänt betecknad 1, innefattar en slinga av tunn elektriskt ledande ledning. Första och andra matningsdelar 21 och 22 är anslutna till slingan och anpassade för anslutning till en matningsanordning. Matningen kan vara antingen balanserad eller obalanserad. I fallet av obalanserad matning är den andra matningsdelen 22 ansluten till ett jord- plan, såsom en ledande area på ett tryckt kretskort som har effektenen av en stub match. Detta matningsarrangemang ger ett T-matchnät som ökar stràlningsresistansen. Vidare är en loop- antenn relativt stabil och snedstäms inte sä enkelt, vilket är en fördel i en bärbar radiokommunikationsanordning som arbetar pà olika platser och i olika orienteringar etc. 01 BJ LH C\ 59 5 Antennvolymen i en bärbar radiokommunikationsanordning är liten, vilket resulterar i en fysiskt liten antenn jämfört med våglängden. Detta leder till en icke-resonant loopantenn och en elektrisk impedans 30 är anordnad någonstans i det strålande elementet för att tillhandahålla en resonant antenn i det önskade frekvensområdet. Med en fast impedans kommer dock antennen att arbeta med en relativt liten bandbredd, såsom cirka 1 MHz. För att kunna täcka hela den önskade bandbredden, i fallet av FM-bandet cirka 20 MHz, är impedansen 30 anordnad som en varierbar impedans, såsom indikeras av pilen i fig. 1.

Den varierbara impedansen fungerar som en avstämningskrets med vilken antennanordningens 1 resonanta frekvensband kan juste- ras.

I en föredragen utföringsform visad i fig. 2 är den elektriska impedansen 30 en varaktordiod som fungerar som en varierbar kapacitans.

En implementering av den allmänna idén som uttrycks i fig. 1 och 2 kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 3. Den allmänna utformningen av antennanordningen 1 bibehàlles. Sá- lunda innefattar den en slinga 10 av elektriskt ledande led- ning. Matningsdelarna 21 och 22 är anslutna till en FM- mottagarkrets 40 via ett matchningsnât 50 såsom år konventio- nellt. Den varierbara kapacitansen 30, vilken anges med streckade linjer i fig. 3, innefattar en första kapacitans 30a, en diod 30c och en andra kapacitans 30b, samtliga seriekopplade i slingan 10. En första impedans 30d är ansluten mellan den första kapacitansen 30a och dioden 30c. En andra induktans 30e är ansluten mellan jord och förbindningspunkten mellan den andra kapacitansen 30b och dioden 30c. En styrledning 32 är ansluten till den första induktansen 30d såsom kommer att beskrivas mer i detalj nedan under det att den andra induktan- sen 30e är ansluten till jord. 525 659 6 FM-mottagarkretsen 40, vilken skulle kunna vara en konventio- nell krets tillverkad av Philips Semiconductors och vilken säljs under namnet HVQFN40, innefattar tvà matningsingàngar 40a, 40b vilka är anslutna till antennslingan 10, såsom har förklarats ovan. FM-mottagarkretsen 40 innefattar också en VCO- styrutgàng 40c som vanligtvis används för att styra resonans- frekvensen hos en extern avstämningskrets 42 som används för att erhålla korrekt resonansfrekvens för mottagaren 40. I den föredragna utföringsformen innefattar avstämningskretsen en spänningsstyrd oscillator (VCO), vars frekvens styrs medelst en spänning som pàförs nämnda VCO. En VCO-styrutgàng 40c som på- träffas pà FM-mottagarkretsen 40 är ansluten till nämnda VCO och en spänning utmatas fràn utgången 40c för att generera korrekt VCO-frekvens för den önskade arbetsfrekvensen för FM- mottagarkretsen. Nämnda VCO är i sin tur ansluten till ingångar 40d, 40e pà FM-mottagarkretsen inrättad att motta korrekt resonansfrekvens för att demodulera den mottagna radiosignalen till basbandfrekvens.

Förutom att vara ansluten till nämnda VCO 42 är VCO-styr- utgången 40c även ansluten till varaktorn 30 via en reglerkrets 60 inrättad att förstärka eller pà annat sätt anpassa VCO-styr- signalen för varaktorns 30 drift. Mer specifikt tillförs den behandlade VCO-styrsignalen varaktorns första induktans 30d via styrledningen 32. Med korrekt anpassning av VCO-styrsignalen kommer antennanordningen l att uppvisa ett arbetsfrekvensomráde som motsvarar FM-mottagarkretsens 40 aktuella driftfrekvens- område, dvs det frekvensomràde som bestämts av den aktuella VCO-resonansfrekvensen. Anpassningen av VCO-styrsignalen och valet av värden för komponenterna 30a-e ligger inom kompetensen för fackmannen inom teknikområdet.

Denna utföringsform utnyttjar den allmänna idén att ha en relativt smalbandig antennanordning med ett arbetsband som kan justeras medelst en justerbar impedans i antennen, i detta fall en justerbar kapacitans. Det arrangemang som visas i fig. 3 525 659 7 innefattar mycket fä komponenter eftersom samma signal, VCO- styrsignalen, som redan används för reglering av resonans- frekvensen för nämnda VCO 42 även används för att styra antenn- anordningens 1 arbetsfrekvensband sä att det följer FM- mottagarkretsens 40 arbetsfrekvensband.

Fig. 4 visar ett antennanordningsarrangemang liknande det som visas i fig. 3 men med en annan varierbar impedans betecknad 30' och vilken visas inom streckade linjer. Mellan matnings- delarnas 21, 22 anslutningspunkter i slingan finns sålunda en kapacitans 30f. Mellan den första matningsdelen 21 och regler- kretsen 60 finns en första induktans 30g under det att en andra induktans 30h är anordnad mellan den andra matningsdelen 22 och jord. Detta ger en styrbar impedans i loopantennen.

Man föredrar ofta att montera komponenter pá ett PCB. I exemp- let i fig. 4 skulle sålunda samtliga komponenter 30f-h kunna monteras pà ett PCB under det att endast dioden 30c är monterad i det strålande elementet 10.

En föredragen placering av antennanordningen enligt uppfin- ningen kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 5, där de allmänna konturerna av höljet hos en bärbar radiokommu- nikationsanordning 200, såsom en mobiltelefon, visas. Höljet visas delvis bortskuret för att ej dölja läget för antennanord- ningen, vilken skulle kunna vara den anordning som visas i fig. 3.

Ett tryckt kretskort (PCB) 210 är anordnat i höljet och upp- visar de kretsar (ej visade) som vanligtvis påträffas i en mobiltelefon. Pä PCB:t finns även monterad FM-mottagarkretsen 40. I den övre delen av höljet finns ett antennelement 220 för mottagning och sändning av RF-signaler för ett mobiltelefon- system, såsom ett GSM-system. ~3 51.5 659 8 Ett batteripaket 230 är också anordnat mot höljets 200 baksida.

Detta batteripaket är anslutet till nämnda PCB medelst kontakt- don (ej visade). Pà batteripaketets baksida finns antennanord- ningen 1, företrädesvis anordnad som en ledande flexibel film fäst till paketet. Antennanordningens matningsdelar är anslutna till nämnda PCB på samma sätt som batteriet, dvs genom kontakt- don anordnade på batteripaketet och vilka samverkar med mot- svarande kontaktdon på nämnda PCB.

Genom att anordna FM-antennen 1 på batteripaketet uppnås till- räckligt avstånd mellan FM-antennen och mobiltelefonantennen 220 för att undvika interferens mellan dessa.

En alternativ antennutformning visas i fig. 6. Det strålande elementet 10' av en monopol- eller loopantenn är anordnat i flera varv utanför kanten av PCB:t 210 för att uppta så liten area som möjligt. Det är sålunda anordnat längs höljets 200 in- sida. En styrbar elektrisk impedans 30 är anordnad någonstans i monopolantennen för att göra arbetsfrekvensområdet justerbart.

Antennen är ansluten till FM-mottagarkretsen 40 på något lämp- ligt sätt. Genom att anordna en antenn i flera varv kan en mycket lång fysisk längd uppnås på en liten area.

I ännu en alternativ utföringsform som visas i fig. 7 är antennanordningen försedd med ett strålande element i form av en spiralantenn 10". Detta antennmönster är anordnat på bak- sidan av batteripaketet 230 monterat i den bärbara radiokommu- nikationsanordningens hölje 200. Ett spiralantennmönster ger ett relativt brett frekvensband och har även en impedans som är lämpad för mottagaren, cirka 200 ohm. Med en spiralantenn skulle det i fig. 3 och 4 visade matchningsnätet 50 kunna ute- lämnas.

Det finns också många alternativa sätt att mata en spiral- antenn. Den skulle sålunda matas som en monopol- eller en 525 659 9 dipolantenn. Den skulle kunna matas vid den inre änden, dvs änden i mitten av anordningen, eller vid den yttre änden.

Ett sätt att korta den fysiska antennlängden är att anordna något av de ovan beskrivna antennmönstren över ett dielektriskt material. Detta skulle kunna vara av stor betydelse särskilt i små radiokommunikationsanordningar.

Föredragna utföringsformer av en antennanordning enligt upp- finningen har beskrivits. Fackmannen inom teknikområdet inser dock att dessa kan varieras inom ramen för bifogade patentkrav utan att man avviker från uppfinningsidën. Även om en regler- krets 60 har visats i utföringsformen i fig. 3 inses sålunda, att denna reglerkrets i vissa fall kan utelämnas.

Det inses att formen och storleken på antennanordningen enligt uppfinningen kan varieras inom ramen som definieras av bifogade patentkrav. Sålunda kan de exakta antennkonfigurationerna varieras för att motsvara formen på radiokommunikationsanord- ningen, önskad prestanda etc.

I de beskrivna utföringsformerna har antennanordningen anord- nats som en flexibel film. Andra tillverkningsprocesser och -material kan naturligtvis användas för antennanordningen.

Antennanordningen enligt uppfinningen har visats anordnad på baksidan av ett batteripaket eller runt nämnda PCB. Det inses att det finns alternativa sätt att placera antennanordningen enligt uppfinningen. Den skulle sålunda kunna anordnas på in- sidan av D-höljet, på eller under PCB:t eller mellan PCB:r etc.

Den styrbara elektriska impedansen har beskrivits som att den finns någonstans i själva det strålande elementet. Det inses att varje organ som fungerar som en styrbar elektrisk impedans för det strålande elementet skulle kunna användas, även organ som ej är anordnade i själva det strålande elementet. 525 659 10 Även om en antennanordning för en bärbar radiokommunikations~ anordning har beskrivits under dess användning i en mobiltele- fon inses att uppfinningsidên också är tillämpbar pà andra bär- bara radiokommunikationsanordningar, alltså anordningar som är bärbara men huvudsakligen är avsedda för stationär användning.

Exempel pà dessa skulle kunna vara små klockor, såsom rese- väckarur, eller spelkonsoler.

Claims (13)

CH RJ LW C\ (f. <9 ll Patentkrav

1. Antennanordning för en bärbar radiokommunikationsanord- ning inrättad för mottagning av radiosignaler, vilken antenn- anordning innefattar: - ett internt strålande element (10) innefattande åtminstone en matningsdel (21, 22) ansluten till en mottagarkrets (40), k å n n e t e c k n a d a v a t t - det strålande elementet (10) innefattar en elektrisk impedans (30; 30'; 30") som är styrbar i beroende av det önskade frekvensområdet för de mottagna signalerna, varvid nämnda åtminstone en matningsdel (21, 22) âr ansluten till en matningsingång (40a, 40b) på mottagarkretsen och varvid den styrbara elektriska impedansens (30) styr- ingång är ansluten till en utgång (40c) på mottagarkretsen (40) och avsedd för reglering av mottagarkretsens VCO-resonans- frekvens.

2. Antennanordning enligt patentkravet 1, vid vilken impedansen (30; 30'; 30") är en kapacitiv impedans.

3. Antennanordning enligt patentkravet 2, vid vilken den elektriska impedansen är en varaktordiod (30).

4. Antennanordning enligt patentkravet 1, vid vilken impedansen (30) är en induktiv impedans.

5. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-4, vid vilken de radiosignaler för vilka antennanordningen är anpassad har en frekvens under 110 MHz, företrädesvis mellan 76 och 110 Mz och ännu hellre mellan 88 och 108 MHz. 525 1šf-9 12

6. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-5, vid vilken det strålande elementet är en slinga (10).

7. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-6, vid vilken det strålande elementet (l0') är anordnat i flera varv.

8. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-7, vid vilken det strålande elementet (10) är anordnat på ett batteri- paket (230).

9. Antennanordning enligt patentkravet 8, vid vilken det strålande elementet (10) är anslutet till mottagarkretsen (40) medelst kontaktdon anordnade på batteripaketet (230).

10. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-9, vid vilken det strålande elementet (10") är anordnat som en spiral.

11. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-9, vid vilken det strålande elementet (l0') av antennanordningen är anordnat utanför kanten av ett tryckt kretskort (210) anordnat i radiokommunikationsanordningen.

12. Antennanordning enligt något av patentkraven 1-11, vid vilken det strålande elementet (10) är anordnat över ett dielektriskt material.

13. Bärbar radiokommunikationsanordning innefattande en antennanordning enligt något av föregående patentkrav.