SE529011C2 - Antennanordning, portabel radiokommunikationsanordning innefattande en sådan antennanordning och en batterienhet för en portabel radiokommunikationsanordning - Google Patents

Description

20 25 30 35 529 011 ningen, och därför har man kompromissat mellan antenn- utrymmet och batteriutrymmet.å Flertalet batterier har ett metallhölje, som kan leda strömmar. Höljet är typiskt en rektangulär box och kan således ha en form som motsvarar en patchantenn och kan således användas som en patchantenn i många olika patch- utformningar. “ Uppfinningen i sammandrag Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en antennanordning för portabla kommunikationsanordningar, såsom mobiltelefoner, där antennanordningen kan åstad- kommas utan att ta för mycket utrymme frånfbefintligaå komponenter. V W Ett annat syfte är att åstadkoma en antennanordning som möjliggör användning av större batterienheter.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstad- koma en kombination av antenn och batterianordning, som' är billigare än kända anordningar.

Uppfinningen är baserad på insikten-att många komponenter enligt känd teknik i en portabel radiokommunikations- anordning, såsom batterier, bildskärmar och kåpor, har en form som är lämpad att använda som en del av ett internt antennelement i en portabel kommunikationsanordning.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommas en antenn- anordning enligt patentkravet 1.

'Likaledes åstadkommas en portabel radiokommunikations- anordning enligt patentkravet 12. Ãvenledes åstadkommas en batterienhet för en portabel radiokommunikationsanordning innefattande en antenn- anordning enligt patentkravet 13. 10 15 20 25 30 35 529 011 Med antennanordningen enligt uppfinningen elimineras eller åtminstone reduceras nackdelarna hos känd teknik; Antenn- anordningen som definieras i patentkraven har större ut- strålande yta jämfört med kända antenner och ger således bättre prestanda hos anordningen. Vidare kan en redan be- fintlig del i radiokommunikationsanordningen, t.ex. en batterienhet, användas som utstrålande element, vilket är utrymmes- och kostnadsbesparande.

I en föredragen utföringsform är en elektriskt ledande, slitsförsedd patch anordnad mellan jordplanet och enheten.

Denna medger enkel avstämning och ökad bandbredd.

Ytterligare föredragna utföringsformer anges i under- kraven.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen beskrivs nedan i form av exempel med hänvis- ningar till ritningarna, i vilka: Fig l är en översiktsvy av en mobiltelefon, som är för- sedd med en antennanordning enligt en första ut- föringsform av uppfinningen; Fig 2 är en översiktsvy av en mobiltelefon, som är för- sedd med en antennanordning enligt en andra ut- föringsform av uppfinningen; Fig 3 är en detaljvy av antennanordningen i fig 2; Fig 4 är en vy av en slitsförsedd patch, som finns i antennanordningen i fig 2; Fig 4a är en vy som visar sambandet mellan slitsen i den slitsförsedda patchen och en mikrostripledning; Fig 5 och 6 är diagram som visar den totala verknings- graden respektive strålningsverkningsgraden hos antennanordningen enligt uppfinningen; Fig 7 är ett diagram som visar returförlusten hos en antennanordning enligt uppfinningen; 10 15 20 25 30 35 529 011 Fig 8 och 9 är diagram som visar effekten av avstämning med genom justering av slitsens längd respektive av relativ permittivitet; och ll är diagram som visar effekten av avstämning genom justering av längd respektive bredd hos en Fig 10 batterienhet, som ingår i antennanordningen enligt uppfinningen; Fig 12 och 13 visar alternativa utformningar av den slits- försedda patchen, som finns i antennanordningen enligt uppfinningen; och Fig 14 visar en alternativ utföringsform där en bildskärm används som en del av antennen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Nedan följer en detaljerad beskrivning av olika utförings- former av en antennanordning enligt uppfinningen. I för- klarande och ej i begränsande syften anges specifika detaljer, såsom speciell hårdvara, tillämpningar, tekniker etc för att ge en grundlig förståelse för föreliggande uppfinning. För en fackman är det emellertid uppenbart, att föreliggande uppfinning kan utnyttjas i andra ut- föringsformer som avviker från dessa speciella detaljer. I andra fall har detaljerade beskrivningar av kända metoder och apparater utelämnats för att inte tynga beskrivningen av föreliggande uppfinning med onödiga detaljer.

Vidare hänvisas till olika riktningar, såsom "övre" och "nedre". Sådana hänvisningar avser vad som visas i respek- tive fi urer. 9 En första utföringsform av en antennanordning enligt upp- finningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till fig 1. En portabel radiokommunikationsanordning, tex en cellu- lär telefon, som allmänt betecknas 2 innefattar en kommu- nikationsanordningskåpa 4, som har de särdrag som normalt finns i en sådan anordning, tex en bildskärm och en knapp- sats (visas ej). 10 15 20 25 30 35 529 011 Kåpan 4 innesluter ett väsentligen plant kretskort eller PCB 10, på vilket elektronikkretsar är monterade för radiokommunikationsanordningens funktion. Dessa elektro- nikkretsar innefattar även RF-elektronik för matning av ett antennstrålningselement, som fungerar för sändning och mottagning av elektromagnetiska RF-vågor. Vidare fungerar kretskortet som ett jordplan för radiokommunikationsanord- ningens antennanordning.

En batterienhet, som allmänt betecknas 20, finns ovanpå kretskortet 10. Batterienheten innefattar en batterikåpa 22 av metall eller annat elektriskt ledande material.

Ett distansorgan 12 med höjden h är anordnat mellan batterikåpan och kretskortet. Detta distansorgan är av dielektriskt material tex plast eller luft. Den elektriskt ledande batterikåpan ligger således på avståndet h från kretskortet.

En mikrostripledning 14 gjord av ett elektriskt ledande material är anordnad på kretskortet 10 och ansluten till en matningspunkt 16 för inmatning och mottagning av RF- signaler. Denna matningspunkt är ansluten till den ovan- nämnda RF-elektroniken, som finns i radiokomunikations- anordningen. Mikrostripledningen 14 är anordnad under batterikåpan 22 för att åstadkomma en kapacitiv koppling däremellan.

Det dielektriska distansorganet 12 förhindrar varje gal- vanisk kontakt mellan kretskortet och/eller mikrostrip- ledningen och batterikåpan. Genom att arrangera mikro- stripledningen 14 i kapacitiv koppling med den elektriskt' ledande batterikåpan 22, induceras strömmar i batterikâpan när mikrostripledningen matas och vice versa. Sålunda innefattas batterikåpan i antennanordningen, som även innefattar mikrostripledningen. 10 15 20 25 30 35 529 011 I användningsmod, när användaren placerar radiokommunika- tionsanordningen intill huvudet, är batterienheten vänd bort från användaren, vilket ur strålningssynpunkt är att föredra.

Många konventionella kända batterienheter har sådan längd och bredd att batterikåpan har en resonansfrekvens som är lämpad för användning i vanligen utnyttjade frekvensband, såsom Bluetooth (2400-2484) MHz, WLAN (2400-2480 MHz) och GPS (1575 MHz).

Avstämning av antennanordningen i fig 1 kan utföras tex genom ändring av mikrostripledningens 14 läge, genom justering av det dielektriska distansorganets 12 permitti- vitet eller genom justering av avståndet h mellan mikro- stripledningen och batterikåpan.

En andra utföringsform av en antennanordning enligt upp- finningen beskrivs nedan med hänvisning till fig 2-11.

Denna utföringsform är till sin allmänna konfiguration likartad med utföringsformen i fig 1. En mobiltelefon, som allmänt betecknas 102, innefattar således en kåpa 104, som har de särdrag som vanligen finns i en mobiltelefon, såsom en bildskärm och en knappsats (visas ej).

Kåpan 104 innesluter ett väsentligen plant kretskort eller PCB 110, på vilket elektroniska kretsar är monterade för anordningens funktion. Dessa elektroniska kretsar inne- fattar även RF-elektronik för matning av ett antennstrål- ningselement, som fungerar för att sända och ta emot elektromagnetiska RF-vågor.

En mikrostripledning 114 av elektriskt ledande material är anordnad på kretskortet 110 och är ansluten till en mat- ningspunkt för matning och mottagning av RF-signaler.

En batterienhet, som allmänt betecknas 120, finns ovanför kretskortet 110. Batterienheten innefattar en batterikåpa 10 15 20 25 30 35 122 av metall, såsom aluminium eller annat elektriskt ledande material.

Distansorganet i den första utföringsformen har i denna andra utföringsform ersatts av tre skikt, se fig 3. Liksom i den första utföringsformen är ett första dielektriskt skikt 112 anordnat på kretskortet för att man skall und- vika all galvanisk koppling mellan kretskortet och bat- terikåpan. Ovanpå det första dielektriska skiktet 112 finns en slitsförsedd patch 113 av något lämpligt, elekt- riskt ledande material, tex koppar. En öppning i form av en slits ll3a finns i patchen 113, se fig 4. Denna slits är långsträckt och har ett förhållande längd/bredd om åtminstone 3:1, företrädesvis åtminstone 5:1, ännu hellre åtminstone l0:1 och allra helst åtminstone 20:1.

Mellan den slitsförsedda patchen 113 och batterikåpan 122 finns ett andra dielektriskt skikt 115, som säkerställer att det inte finns någon galvanisk kontakt mellan den slitsförsedda patchen 113 och batterikåpan 122.

Slitsens ll3a och mikrostripledningens 133 inbördes läge visas i fig 4a. Mikrostripledningen löper väsentligen vinkelrät mot slitsens ll3a utsträckning och slutar i en punkt under slitsen. Detta innebär, att slitsen exciteras vid mikrostripledningens öppna ände, som slutar precis nedanför slitsen under det första dielektriska skiktet 112. Slitsen ll3a exciterar i sin tur den elektriskt ledande batterikåpan 122, vilken i sin tur fungerar som ett strålningselement hos antennanordningen. Den slits- försedda patchen och den elektriskt ledande batterikåpan bildar på detta sätt tillsammans en staplad patchkonfi- guration. ' Exempel på total verkningsgrad och strålningsverkningsgrad i Bluetooth-frekvansbandet visas i fig 5 respektive 6. Det är uppenbart från dessa diagram att antennanordningens verkningsgrad är mer än tillfredsställande. Även retur- 10 15 20 25 30 35 529 011 förlusten i detta frekvensband är tillfredsställande, vilket framgår av fig 7.

En fördel med antennanordningen enligt uppfinningen är att redan befintliga delar i radiokommunikationsanordningen, dvs batterienheten, kan användas även som utstrålande element, vilket sparar utrymme och kostnader. Likaså är antennanordningen i fig 2-4 lätt att avstämma, vilket kommer att beskrivas nedan med hänvisning till fig 8-ll.

Ett sätt att avstämma antennanordningen är att justera slitsens 113a längd. I det i fig 8 visade diagrammet ges antennanordningens resonansfrekvens för slitslängder mellan 19 och 25 mm, varvid slitsens bredd är 2 mm.

Ett annat sätt att avstämma antennanordningen är att justera de första och andra dielektriska skiktens 112, 115 relativa permittivitet. I diagrammet i fig 9 ges antenn- anordningens resonansfrekvens för en relativ permittivitet hos det dielektriska materialet om mellan 2,8 och 4,0, varvid vardera av de dielektriska skikten hör tjockleken 1 mm. Ännu ett sätt att avstäma antennanordningen är att juste- ra de dielektriska skiktens 112 och 115 tjocklek. I fig 10 visas antennanordningens resonansfrekvens som funktion av det första dielektriska skiktets 112 tjocklek, medan i fig 11 visas antennanordningens resonansfrekvens som funktion av det andra dielektriska skiktets 115 tjocklek.

I fig 8-ll har visats avstämningen i Bluetooth-frekvens- bandet. I denna utföringsform är det även möjligt att åstadkomma en antennanordning som arbetar i andra frekvensband än Bluetooth-frekvensbandet, tex GPS eller GSM 1800 banden. Den staplade patchantennkonfigurationen enligt den andra utföringsformen ger allmänt större band- bredd än konventionella patchantenner. 10 15 20 25 30 35 529 011 De ovan beskrivna utföringsformerna är avpassade för att arbeta med linjärt polariserade radiovågor. Med användning av konceptet enligt uppfinningen skulle det även vara möjligt att åstadkoma en antennanordning, som arbetar med cirkulärt polariserade radiovågor. En tredje utföringsform av en antennanordning enligt uppfinningen som arbetar med cirkulärt polariserade radiovågor visas i fig 12, där det endast visas mikrostripledningar och slitsförsedda patchar. Det antas här att det även finns kretskort, ett eller flera dielektriska skikt etc.

I denna tredje utföringsform finns det två mikrostripled- ningar 114, 114' på kretskortet. Dessa två mikrostripled- ningar sträcker sig i riktningar som inbördes är väsent- ligen vinkelräta och är anslutna till en första och en andra matningspunkt 116 resp l16'. Dessa två matnings- punkter matas med identiska men 90 grader inbördes fas- förskjutna signaler.

Den enda slitsen hos de första och andra utföringsformerna har ersatts med en dubbel slits, som väsentligen består av två slitsar l13a, 113a', vilka sträcker sig i inbördes vinkelräta riktningar. Såsom framgår av fig 12 bildar de två slitsarna tillsammans en korsformad öppning.

Liksom i de första och andra utföringsformerna gäller, att den första mikrostripledningen 114, som matar den första slitsen 1l3a, sträcker sig väsentligen vinkelrät mot denna första slits riktning, medan den andra mikrostripledningen ll4', som matar den andra slitsen 113a', sträcker sig väsentligen vinkelrät mot denna andra slits riktning.

Avstämning av denna tredje utföringsform utförs på ett sätt som motsvarar sättet att avstämma den andra ut- föringsformen.

Slitsarna i de ovan beskrivna utföringsformerna har alla varit raka. I en fjärde utföringsform som visas i fig 13 10 15 20 25 30 35 529 011 _10.. är den slitsförsedda patchen 113" försedd med en krökt slits ll3a", som exciteras av en mikrostripledning 114”.

Denna utföringsform är i alla övriga aspekter likartad med de ovan beskrivna utföringsformerna.

De ovan beskrivna utföringsformerna uppvisar alla ett batterielement som del av en antenn. I en alternativ ut- föringsform som visas i fig 14 är batteriet ersatt med ett bildskärmselement 220. Detta bildskärmselement arbetar i allt väsentligt som del av en antennanordning i likhet med de ovan beskrivna batterielementen.

Föredragna utföringsformer av en antennanordning enligt uppfinningen har beskrivits. En fackman inser att dessa kan varieras inom ramen för patentkraven. Även om en allmänt plan batterienhet har visats, kan den även ha andra former. En möjlig form är således ett något krökt eller böjd batterielement.

Den elektriskt ledande batterikåpan har beskrivits så att den sträcker sig på alla sidor om batterielementet. Det skall påpekas att det elektriskt ledande materialet i batterikåpan kan vara begränsat till endast en del av sidorna på batterienheten.

Den slitsförsedda patchen har beskrivits som en separat del. Alternativt kan den vara integrerad med en etikett, som finns på batterienheten 120. Det är även tänkbart att den slitsförsedda patchen är integrerad i batterihållaren.

Mikrovågsledningarna har beskrivits såsom slutande direkt under slitsen. Det skall påpekas att det exakta läget för mikrostripledningens ändpunkt kan variera, men den måste vara i omedelbar närhet av slitsen.

En borttagbar batterienhet har beskrivits ovan. Emellertid är det i framtiden tänkbart att batteriet har en livslängd 70 15 20 25 30 35 529 011 V-ll- som är jämförbar med livslängden hos resten av den portab- la radiokommunikationsanordningen, i vilken den finns.

Detta eliminerar behovet av en separat batterienhet. I stället kan batteriet vara integrerat i själva radiokommu- nikationsanordningens kåpa. Detta ger en ännu billigare anordning.

I de beskrivna utföringsformerna har batteriet visats såsom varande ganska tunt, vilket i flertalet fall är att föredra när det används i en portabel radiokomunikations- anordning. Emellertid inser man att även en antennanord- ning med ett relativt tjockt batteri ligger inom patent- kravens skyddsomfång.

Endast antennanordningen enligt uppfinningen har beskri- vits. Det skall påpekas att denna antennanordning kan an- vändas som en kompletterande antennanordning, och att det kan finnas andra antennanordningar i den portabla radio- kommunikationsanordningen.

Cirkulär polarisation har beskrivits. Det skall påpekas att iden enligt uppfinningen är applicerbar även på elliptisk polarisation, dvs där fasförskjutningen är skild från noll grader eller multiplar av 90 grader.

Batterier utan anslutning till jord har beskrivits. Det skall påpekas att även antennanordningar som innefattar ett jordat batteri är avsedda att ligga inom ramen för patentkraven. Resonansfrekvensen blir något lägre för det fall batteriet är jordat, men den allmänna funktionen finns kvar.

För det fall batteriet utgör ett problem med RF-effekt som matas in i resten av kommunikationsanordningen, kan ett lâgpassfilter anordnas i anslutningen till batteriet.

Singelbandsantenner har beskrivits. Även multibands- antenner kan åstadkommas med konceptet enligt uppfin- 10 529 011 _12_ ningen, om det finns fler än en matande mikrostripledning och batteriet är konfigurerat på motsvarande sätt, dvs med en slits för varje mikrostripledning. Dessa slitsar skall vara icke överlappande och är företrädesvis anordnade in- bördes vinkelräta. I detta fall ger batteriets bredd en första resonansfrekvens, och batteriets längd en andra resonansfrekvens.

Batteri- och bildskärmsenheten har nämnts som möjliga delar i en antennanordning enligt uppfinningen. Det skall påpekas att även andra delar hos en portabel radiokommu- nikationsanordning, tex lock, kan användas på likartat sätt.

Claims (14)

70 15 20 25 30 35 529 011 _13_ Patentkrav

1. Antennanordning för användning i en portabel radio- kommunikationsanordning innefattande: - ett jordplan (10; 110); - en mikrostripledning (14; 114; 114'; l14") som är an- sluten till en matningspunkt (16; 116; 1l6'; 1l6") för matning och/eller mottagning av radiofrekvenssignaler; kännetecknad av en enhet (20; 120; 220) som har en elektriskt ledande kåpa (22; 122), varvid kåpan är anord- nad ovanför jordplanet och mikrostripledningen, varvid kåpan är galvaniskt isolerad från mikrostripledningen, och varvid kåpan är kapacitivt kopplad till mikrostripled- ningen.

2. Antennanordning enligt kravet 1, innefattande ett distansorgan (12; 112; 113; 115) vilket är anordnat mellan mikrostripledningen (14; 114; 114', l14") och kåpan (22; 122).

3. Antennanordning enligt kravet 1 eller 2 innefattande: - en slitsförsedd patch (113; 113', l13") som är anordnad mellan mikrostripledningen (114; 114' 114") och kåpan (122), varvid den slitsförsedda patchen är försedd med en slits (113a; 1l3a'; 113a"); - ett första dielektriskt skikt (112) som är anordnat mellan mikrostripledningen och den slitsförsedda patchen; och - ett andra dielektriskt skikt (115) som är anordnat mellan den slitsförsedda patchen och kåpan.

4. Antennanordning enligt kravet 3, vid vilken slitsen är långsträckt och har ett längd/breddförhållande om åtmin- stone 3:1, företrädesvis åtminstone 5:1, ännu hellre åtminstone 10:1 och allra helst åtminstone 20:l.

5. Antennanordning enligt kravet 3 eller 4, vid vilken mikrostripledningen (l4; 114; 114'; 114") löper väsent- 10 15 20 25 30 35 529 011 _14_ ligen vinkelrät mot slitsens (113a; 113a'; l13a") ut- sträckning.

6. Antennanordning enligt något av kraven 3-5, vid vilken mikrostripledningens (l4; 114; 1l4'; 114") ände är anord- nad i närheten av slitsen (113a; 113a'; 113a") och före- trädesvis direkt under slitsen.

7. Antennanordning enligt något av kraven 1-6, vid vilken enheten är integrerad i radiokommunikationsanordningens kåpa.

8. Antennanordning enligt något av kraven 1-7, varvid den slitsförsedda patchen (113) är försedd med en ytterligare slits (1l3a') och innefatta en ytterligare mikrostrip- ledning (114'), som är ansluten till en matningspunkt (114') och löper väsentligen vinkelrät mot den ytterligare slitsens utsträckning.

9. Antennanordning enligt något av kraven 1-8, vid vilken antennanordningen är inrättad att arbeta i något av föl- jande frekvensband: Bluetooth-bandet, WLAN-bandet och GPS- bandet.

10. Antennanordning enligt något av kraven l-9, vid vilken enheten är en batterienhet.

11. Antennanordning enligt något av kraven 1-9, vid vilken enheten är en bildskärmsenhet.

12. Portabel radiokommunikationsanordning innefattande en antennanordning enligt något av kraven 1-11.

13. Batterienhet (20; 120) för en portabel radiokommu- nikationsanordning, varvid batterienheten innefattar en elektriskt ledande kåpa (22; 122), kännetecknad av en slitsförsedd patch (13; 113; 1l3'; ll3“) som är gjord av ett elektriskt ledande material och har en slits (l3a; “i 529 011 _15_ 1l3a; l13a'; 113a"), varvid slitsen överlappar den elektriskt ledande batterikåpan.

14. Batterienhet enligt kravet 13, vid vilken den slits- försedda patchen är integrerad med ett etikettomslag, som är anordnat på batterienheten (120).