SE541070C2 - Bredbandig antenn - Google Patents

Abstract

En bredbandig antenn är beskriven, omfattande ett dielektriskt substrat med en första ytan med en antennmatning med två ledare, omfattande en första matningsanslutning och en andra matningsanslutning, varvid den andra matningsanslutningen är eller fungerar som jord. Ett första ledande skikt utsträcker sig från antennmatningen i en första riktning och är elektriskt ansluten till den första matningsanslutningen, varvid det första ledande skiktet utsträcker sig i en riktning bort från antennmatningen och till en första ändkant. Ett andra ledande skikt utsträcker sig i en andra riktning, bort från nämnda första ledande skikt, och är elektriskt anslutet till nämnda andra anslutning. En icke-ledande zon som separerar de först och andra ledande skikten. På en andra yta av substratet finns ett tredje ledande skikt som utsträcker sig från en andra ändkant i riktning mot antennmatningen, vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med den hos det första ledande skiktet på den första ytan. Den första ändkanten hos det första ledande skiktet och den andra ändkanten hos det tredje ledande skiktet sammanfaller väsentligen och det första och tredje elektriska skiktet är elektriskt sammankopplade med varandra vid eller i närheten av nämnda ändkanter. Utöver nämnda elektriska sammankoppling vid ändkanterna, är skikten elektriskt separerade från varandra.

Description

BREDBANDIG ANTENN Teknikområde Föreliggande uppfinning avser en bredbanding, rundstrålande antenn.

Bakgrund Det finns ett stort och ökande behov av rundstrålande, bredbandiga antenner. Allt fler apparater och enheter är numera uppkopplade till trådlösa nätverk, och i och med trenden mot sakernas internet (”Internet of Things”) är numera i en ökande omfattning även vardagsföremål såsom hushållsapparater, kläder, accessoarer, maskiner, fordon och byggnader försedda med trådlösa uppkopplingar. Härigenom kan enheterna ta emot kommandon från användare och andra enheter, för att därmed kunna fjärrstyras, kan skicka vidare information från sensorer och liknande, mm. Att tillhandahålla bra antenner för denna typ av användning är dock fortfarande ett stort problem. Vid applicering på enheter, såsom hushållsapparater, hamnar antennerna ofta i dåliga lägen, sett ur strålnings- och kommunikationssynpunkt. Var de antenner som enheten ska kommunicera med befinner sig kan oftast inte förutses av tillverkaren. Vidare finns det ett behov av att använda samma eller likartade produkter på många olika marknader, vilket ställer till problem vid kommunikationen eftersom olika frekvensband används i olika delar av världen osv.

Det finns därför ett behov av en robust och effektiv antenn som är rundstrålande och bredbandig, och som därmed kan användas i många olika miljöer och situationer, och inom ett flertal olika frekvensband.

Egenskaper som allmänt kan sägas karaktärisera en välfungerande rundstrålande antenn är: • Låga förluster: Den EM effekt som matas till/från antennen ska avges/mottas utan större förluster. Förluster är främst impedansmässig missanpassning och resistiva förluster. Fysiskt tillräckligt stort utrymme är villkor för låga förluster för en given våglängd för resonanta antenner. Minsta längd för resonans är en halv våglängd. Förluster anges oftast som procent effektivitet där 100% effektivitet är en hypotetiskt ideal antenn utan material-förluster.

• Fysiskt liten storlek: Detta ligger ofta högt på önskelistan i dagens kompakta trådlösa elektronik. Tyvärr blir det dock ett motsatt villkor mot villkoret för resonans, som kräver en viss minsta fysisk storlek. • Bandbredd: Beroende på vad antennen ska användas till varierar behovet av vilka frekvenser som antennen ska vara designad för.

Vissa radio-tillämpningar klarar sig med mycket smala frekvensband, såsom GPS. Bredbandiga antenner ska dock klara ett brett sammanhängande frekvensområde. Bredbandiga antenner ska därför klara att vara resonanta för flera frekvensband. Detta är svårt att åstadkomma designmässigt utan att det kostar försämrad effektivitet. Synnerligen svårt har det blivit då mobil telefoni och data täcker många och breda frekvensområden, områden som dessutom varier mellan olika världsdelar så totala behovet av täckning blir mycket stort. LTE (4G) förekommer allmänt på frekvensområdena 700-1000, 1600-2400, 2500-2700 MHz. Inom dessa band ryms även 2G och 3G.

Val av typ av antenn är beroende på vilka egenskaper som prioriteras. I en mobiltelefon prioriteras liten storlek före andra egenskaper. Man kan acceptera antennförluster på 70-80% om det medger små dimensioner.

Eftersom antennen är inbyggd, och därmed kort höjd över jordplanet, kräver det ofta en antenntyp som kan fungera, om inte bra, så åtminstone halvbra med avseende på den låga höjden. För val av antenn vid hus och bilmonterat fungerar ofta antenner av typen monopol-antenner bra. Det är spröt vars längd endast behöver vara en kvarts våglängd långa, då en andra kvarts våglängd finns som en spegling i det ideala jordplan som antennen står på.

Ofta, såsom vid uppkoppling i sakernas internet, finns dock ett behov av antenner som är mindre än en bilantenn, och som kan fungera fungera även utan idealt jordplan. Helst med bandbredd så att den täcker frekvenser för all trådlös telefoni och data, oavsett världsdel. Att ha en antenn som täcker alla förekommande marknader är viktigt. Det gör logistiken enkel för de som tillverkar sådan utrustning, eftersom man bara behöver ha en antenn-typ, oavsett säljmarknad.

Det i sammanhanget numera extrema bandbreddsbehovet allt eftersom telefonin utvecklas gör att man inte kan åstadkomma en antenn som är optimal på en enskild frekvens utan man får pruta på effektiviteten i utbyte mot lite större bandbredd som i detta fall värderas högre. Det är också ofta ett krav att antennen ska fungera väl utan tillgång till ett externt jordplan.

Antenner som tagits fram för detta syfte är därmed kompromisslösningar som dimensionerats och komponerats av olika dellösningar som ger antennen dess totala egenskaper. Om antennen ska prestera väl, oavsett yttre jordplan, så blir man dock bunden av fysiska lagar hur bra antenn det går göra för en minsta fysiska utsträckning. Antenntyper som är vanliga för denna tillämpning är dipol-antenner, som har två lika armar där armlängden motsvara en halv våglängd, loop-antenner där omkretsen motsvara en våglängd, och monopol-antenner med internt jordplan. För monopol-antenner är t ex ett sätt att öka det användbara frekvensomfånget på antennen att ha flera delarmar med olika längd. Det är också känt att skapa en sammanhängande yta som medger flera olika längdutsträckningar i det ledande skiktet, för att medge resonans-längd för flera frekvenser.

Sådana antenner omfattar ofta ett ledande antennskikt tryckt på ett kretskort (PCB), och med ett andra skikt som utgör jordplanet. Grundregeln för dessa antenner är att jordplanet måste ha samma fysiska utsträckning som antennelementet. I annat fall skulle inte spegelbilden få plats. Jordplanet kan ha en horisontell utsträckning, men kan också ha en vertikal utsträckning.

Jordplanet och antenn som tillverkas på PCB kan vara anordnade på samma sida om substratet, men kan alternativt vara anordnade på skilda sidor.

Dessa kända rundstrålande, bredbandiga antenner har dock fortfarande många problem, såsom bristande prestanda inom vissa frekvensområden, för låg bredbandighet, för stora dimensioner, etc.

Det finns därför ett behov av en ny rundstrålande, bredbandig antenn som uppfyller åtminstone något, och helst alla, av följande önskemål: bra prestanda och effektivitet inom alla relevanta frekvensområden, relativt kompakt, med små dimensioner, kostnadseffektiv att tillverka, och välfungerande oberoende av miljö och omgivning.

Sammanfattning av uppfinningen Det är därmed ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en bredbandig antenn som åtminstone delvis undanröjer de ovan diskuterade problemen hos den kända tekniken. Detta syfte uppnås med en antenn i enlighet med de bifogade patentkraven.

I enlighet med en första aspekt av uppfinningen tillhandahålls en bredbandig antenn omfattande: ett dielektriskt substrat med en första och andra yta, varvid den första ytan omfattar: en antennmatning med två ledare, omfattande en första matningsanslutning och en andra matningsanslutning, varvid den andra matningsanslutningen är eller fungerar som jord; ett första ledande skikt som utsträcker sig från antennmatningen i en första riktning och som är elektriskt ansluten till den första matningsanslutningen, varvid det första ledande skiktet utsträcker sig i en riktning bort från antennmatningen och till en första ändkant; och ett andra ledande skikt som huvudsakligen utsträcker sig i en andra riktning, bort från nämnda första ledande skikt, och som är elektriskt anslutet till nämnda andra anslutning; en icke-ledande zon som separerar nämnda först och andra ledande skikt; och varvid den andra ytan omfattar: ett tredje ledande skikt som utsträcker sig från en andra ändkant i riktning mot antennmatningen, vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med den hos det första ledande skiktet på den första ytan, varvid den första ändkanten hos det första ledande skiktet och den andra ändkanten hos det tredje ledande skiktet väsentligen sammanfaller och varvid det första och tredje elektriska skiktet är elektriskt sammankopplade med varandra vid eller i närheten av nämnda ändkanter, och varvid det första och tredje skiktet, utöver nämnda elektriska sammankoppling vid ändkanterna, är elektriskt separerade från varandra.

Med antennmatning och första och andra matningsanslutningar ska förstås elektriska ledningar och anslutningspunkter till sådana ledningar.

Ledningarna kan utgöras av ledningarna i en kabel, såsom en koaxialkabel, och anslutningarna kan vara direkt kopplade till dessa ledningar. Ledningarna kan dock även utgöras av ledningsmönster på det dielektriska substratet, eller av en kombination av kablar och ledningsmönster.

Att det första och tredje elektriska skikten är elektriskt sammankopplade med varandra vid eller i närheten av ändkanterna ska i detta sammanhang förstås som att den elektriska sammankopplingen befinner sig på ändkanterna, eller inom ett visst avstånd därifrån, vilket avstånd dock är betydligt mycket mindre än avståndet till matningsanslutningen. Sammankopplingen kan exempelvis befinna sig något eller många ställen längs ändkanterna, och/eller längs skiktens långsidor, i närheten av ändkanterna. Sammankopplingen kan också befinna sig på ett eller flera ställen inne på skiktytorna, på ett visst avstånd från ändkanterna.

Den nya antennen har överraskande visat sig ha utmärkta antennegenskaper över ett mycket brett frekvensområde, och med utmärkta rundstrålningsegenskaper. Vidare möjliggör sammankopplingen av det första och tredje ledande skiktet att antennen kan göras mycket kompaktare än tidigare kända antenner, och ökar antennens bandbredd. Antennen är vidare oberoende av ett externt jordplan, vilket gör den mycket lämpad för krävande tillämpningar, såsom för uppkoppling av apparater och enheter för sakernas internet. Tack vare bredbandigheten är antennen vidare mycket universellt användbar, och kan användas i de flesta tillämpningar och för de flesta länder utan några specifika anpassningar.

Det andra ledande skiktet, och det eventuella fjärde ledande skiktet som är elektriskt sammankopplat med det andra ledande skiktet, fungerar som ett jordplan för antennen. Därmed fungerar antennen utan att behöva något externt jordplan. Vidare innebär det att antennen fungerar som en blandning mellan en dipol- och monopolantenn.

Med den nya antennen erhålls en överraskande bra blandning av överlappande och icke-överlappande ledande ytor. Det har överraskande visat sig vara möjligt att använda delvis inte överlappande ytor, för att därigenom erhålla en kraftigt förbättrad bandbredd, och trots detta ändå erhålla en mycket hög effektivitet. Om två antenn-ytor på motsatta sidor ligger nära varandra blir det stark koppling mellan ytorna genom det dielektriska substratet. Det har tidigare ansetts att det är meningslöst att göra skilda ytutformningar hos dessa överlappande skikt eftersom de ändå kopplar till varandra så att de tillsammans bildar ett enda mönster ur RF-synpunkt.

Kopplingen är inte total, men är så stor att man inte kunnat dra någon särskild nytta av att använda bägge sidor av kretskortet. Med den nya lösningen fortsätter dock antennmönstret, det första ledande skiktet, ned på undersidan av substratet, till det tredje ledande skiktet, tack vare den elektriska sammankopplingen av skiktens ändkanter. Det första ledande skiktet fortsätter därmed under substratet, fast i motsatt riktning. Även här sker det fortfarande en induktiv och kapacitiv koppling mellan de bägge sidorna av substratet genom det dielektriska substratet, men skillnaden som finns är fullt möjlig att utnyttja för att utöka antennens prestanda, inte bara för hög effektivitet över ett mycket stort frekvensområde utan dessutom med välkontrollerat lågt VSWR och med förbättrat impedansstabila egenskaper inom bandbredden. Detta har även bekräftats experimentellt genom mätningar. Vidare kan antennen trots detta göras liten och kompakt, eftersom den utnyttjar det befintliga antennutrymmet effektivare. Speciellt är den induktiva och kapacitiva kopplingen mellan det första och tredje skikten mindre vid lägre frekvenser, som därmed får en större effektiv antennlängd tack vare den elektriska sammankopplingen, medan kopplingen blir större vid högre frekvenser, varvid en kortare effektiv antennlängd erhålls.

Det första ledande skiktet har enligt ett utförande en kontinuerligt eller stegvis ökande bredd i riktning bort från antennmatningen och till den första ändkanten. Specifikt kan det första ledande skiktet ha en kontinuerligt ökande bredd i riktning bort från antennmatningen, och företrädesvis en väsentligen triangulär form.

Det andra ledande skiktet har enligt ett utförande en gaffelformad utformning, med två gaffelarmar som utsträcker sig längs med sidorna hos det första ledande skiktet, förbi nämnda antennmatning och i riktning mot nämnda ändkant. Detta bidrar till en bandbreddsökande kapacitans och induktans hos antennen, och bidrar också till ett bättre utnyttjande av den tillgängliga ytan och ett större jordplan. Speciellt kan de båda gaffelarmarna enligt ett utförande ha olika bredd och area. Åtminstone en, och företrädesvis båda gaffelarmarna är vidare med fördel kilformade, och har en minskande bredd i riktning mot ändkanten hos det första ledande skiktet över åtminstone en del av deras utsträckning. Osymmetrin hos de båda gaffelarmarna leder till en minskad induktiv koppling dem emellan.

Det andra ledande skiktet omfattar enligt ett utförande en yta med väsentligen konstant bredd, som sträcker sig från antennmatningen och bort från det första ledande skiktet. Denna väsentligen rektangulära yta kan sedan vara kompletterad med ytterligare ytområden, såsom de tidigare diskuterade gaffelarmarna.

Antennmatningen är företrädesvis anordnad relativt centralt på den första ytan. Alternativt är det dock också möjligt att placera antennmatningen på andra ställen, såsom förskjuten mot en av långsidorna hos substratet. I ett utförande är antennmatningen placerad på eller i närheten av en av långsidorna.

Det tredje ledande skiktet har företrädesvis en annan utformning än det första ledande skiktet, varvid det tredje ledande skiktet endast delvis överlappar det första ledande skiktet. Detta bidrar till bandbreddsökande kapacitans och induktans hos antennen och minskar kopplingen mellan skikten. Det tredje ledande skiktet har enligt ett utförande en gaffelform, med armar som utsträcker sig vid sidorna i en riktning bort från nämnda ändkant.

Antenn kan vidare omfatta ett fjärde ledande skikt på den andra ytan, vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med det andra ledande skiktet hos den första ytan. Detta gör att ett tydligt jordplan formas även på den andra sidan av substratet. Sådana dubbla jordplan ger en ökad stabilitet och bättre egenskaper vid högre frekvenser. Det är dock också möjligt att enbart ha ett jordplan på en av substratets sidor. Det andra och fjärde ledande skikten är företrädesvis elektriskt sammankopplade via ett flertal sammankopplingspunkter, och företrädesvis sammankopplingspunkter som är distribuerade över nämnda andra och fjärde ledande skikt. Alternativt kan dock det andra och fjärde ledande skikten vara sammankopplade endast vid delar av eller hela sidorna, t ex med en kontinuerlig sammankoppling.

Det tredje och fjärde ledande skiktet är enligt ett utförande separerade ifrån varandra via en icke-ledande zon. I fallet med gaffelformade armar hos både det tredje och fjärde ledande skiktet så är gaffeländarna de delar som är närmast varandra hos respektive skikt. Gafflarna som pekar mot varandra ger en kontrollerad kapacitiv koppling mellan skikten, och kan styras genom att reglera avståndet. Vill man ha mer kapacitans kan avståndet göras mindre mellan gafflarna. Även bredden på gafflarna påverkar denna koppling, och kan dimensioneras utifrån förutsättningarna. På detta sätt kan man åstadkomma en kortslutning mellan skikten vid höga frekvenser och ingen koppling vid låga frekvenser.

Det fjärde ledande skiktet har företrädesvis en större area än det tredje ledande skiktet.

Det fjärde ledande skiktet har enligt ett utförande en area och geometri som till största delen sammanfaller med de hos det andra ledande skiktet.

Den elektriska sammankopplingen mellan det första och tredje skiktet är företrädesvis distribuerad över ändkanternas längd. Detta kan åstadkommas medelst ett flertal distribuerade anslutningar, såsom genomföringsanslutningar, s k viahål, anordnade genom substratet. Det kan dock också åstadkommas med en eller flera kontinuerliga, längdusträckningar, såsom medelst ett ledande skikt som sträcker sig längs substratets kant mellan skiktens båda ändkanter. I detta fall kan det första och tredje ledande skiktet även vara anordnade som en kontinuerlig yta, som är övervikt över substratkanten.

Substratet kan vara dimensionerat så att dess utsträckning väsentligen sammanfaller med antennens utsträckning. Detta är en fördel om antennen ska tillverkas som en fristående enhet. Det är dock även möjligt att anordna antennen som en del på ett större substrat. Ett sådant större substrat kan då även innehålla ytterligare ledningsstruktur och/eller komponenter, såsom t ex sändare/mottagare för antennen, batteri, display, signalbearbetningskretsar, processor, etc.

Ytterligare specifika särdrag, fördelar och liknande hos den nya antennen framgår av den detaljerade beskrivningen nedan.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen ska nu beskrivas mer ingående med hjälp av utförandeexempel, och med hänvisning till de bifogade ritningarna. På dessa visar: Fig. 1a och 1b ett kretskort med en antenn i enlighet med ett utförande av uppfinningen, där Fig. 1a visar ovansidan av kretskortet och Fig. 1b visar undersidan på kretskortet; Fig. 2a-d är diagram som visar olika antennparametrar uppmätta på antennen utförd i enlighet med Fig. 1; och Fig. 3a-h är strålningsdiagram vid olika frekvenser uppmätta på antennen utförd i enlighet med Fig. 1 Detaljerad beskrivning I Fig. 1 visas ett dielektriskt substrat 1, såsom ett kretskort (”Printed Circuit Board”, PCB), på vilket ledande skikt anordnats för formande av en rundstrålande, bredbandig antenn enligt ett utförande av föreliggande uppfinning. Substratet är företrädesvis platt och plant, och med en tjocklek på t ex några tiondels millimeter. Substratet kan med fördel vara rektangulärt, såsom visas i det illustrerade utförandet. Dock kan kretskortet också anta andra former.

Kretskortet omfattar en första och andra yta, vilka också kan benämnas som ovansida och undersida. Det inses dock att ovansida och undersida inte nödvändigtvis avser sidornas fysiska belägenhet, utan beroende på installation och tillämpning kan ovansidan mycket väl befinna sig under undersidan. Den första sidan, ovansidan, visas i Fig. 1a, medan den andra sidan, undersidan, visas i Fig. 1b.

Den första sidan är kopplad till en antennmatning med två ledare, ansluten till en extern mottagare/sändare via t ex en koaxial kabel eller en annan kabel med två ledare. Antennmatningen omfattar en första matningsanslutning 2a och en andra matningsanslutning 2b. Den andra matningsanslutningen är eller fungerar som jord.

Antennmatningen är företrädesvis anordnad relativt centralt på substratets ovansida, på avstånd, och helst på ungefär samma avstånd, från de båda långsidorna respektive de båda kortsidorna. Det är dock också möjligt att anordna antennmatningen på ett icke centraliserat sätt. Exempelvis kan antennmatningen anordnas förskjuten mot en av långsidorna, eller till och med vid en av långsidorna.

Vidare omfattar den första sidan ett första ledande skikt 3 som utsträcker sig från antennmatningen i en första riktning och som är elektriskt ansluten till den första matningsanslutningen 2a. Det första ledande skiktet har en ökande bredd i en riktning bort från antennmatningen 2a och till en första ändkant 31. 1 det illustrerade utförandet har det första ledande skiktet en kontinuerligt ökande bredd, och har en triangulär form, med en av spetsarna ansluten till antennmatningen 2a, och varvid den motstående triangelsidan utgör ändkanten 31. Det första ledande skiktet kan dock även utformas på andra sätt. Exempelvis kan bredden istället öka stegvis, och med områden med konstant bredd däremellan. Ökningen av bredden kan också vara icke-linjär, så att området istället t ex har formen av en tratt eller ett horn.

Den första sidan omfattar vidare ett andra ledande skikt 4, som huvudsakligen utsträcker sig i en andra riktning, bort från det första ledande skiktet 3. Det andra ledande skiktet 4 är elektriskt anslutet till den andra mataranslutningen 2b, och utgör därmed antennens jord.

En icke-ledande zon 5 är anordnad mellan det första ledande skiktet 3 och det andra ledande skiktet 4, och utgör därmed en elektrisk separation mellan skikten.

Det andra ledande skiktet 4 har enligt ett utförande en yta med väsentligen konstant bredd, som sträcker sig från antennmatningen och bort från det första ledande skiktet. Detta område kan vara väsentligen rektangulärt. Bredden på detta område kan med fördel vara väsentligen samma bredd som hos den bredaste delen av det första ledande skiktet, dvs i fallet med det nu visade utförandet bredden vid ändkanten 31.

Det andra ledande skiktet kan vidare ha en gaffelformad utformning, med två gaffelarmar 41 och 42 som utsträcker sig längs med sidorna hos det första ledande skiktet 3, förbi antennmatningen 2a, 2b och i riktning mot ändkanten 31. De båda gaffelarmarna kan ha olika bredd och area. I det illustrerade exemplet har gaffelarmen 41 en bredare bas och större area än gaffelarmen 42. Åtminstone en, och företrädesvis båda gaffelarmarna är vidare med fördel kilformade, och har en minskande bredd i riktning mot ändkanten hos det första ledande skiktet över åtminstone en del av deras utsträckning. Speciellt kan kilformen vara i form av en stympad kil, med en trubbig ände vettande mot ändkanten 31 hos det första ledande skiktet 3. Annorlunda utryckt så omfattar det andra ledande skiktet en icke-ledande inbuktning 43, in i vilken det första ledande skiktet sträcker sig, och i vars botten antennmatningarna 2a och 2b befinner sig.

Den andra ytan, undersidan, omfattar ett tredje ledande skikt 6 som utsträcker sig från en andra ändkant 61 i riktning mot antennmatningen 2a, 2b, vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med den hos det första ledande skiktet 3 på den första ytan.

Den första ändkanten 31 hos det första ledande skiktet 3 och den andra ändkanten 61 hos det tredje ledande skiktet 6 sammanfaller väsentligen med varandra, dvs ligger över andra, men på var sin sida om substratet. Vidare är det första och tredje elektriska skiktet elektriskt sammankopplade med varandra vid eller i närheten av nämnda ändkanter 31, 61. Denna elektriska sammankoppling kan åstadkommas medelst elektriska genomföringar , s k viahål, på eller i närheten av ändkanterna, såsom är visat medelst prickar i Fig. 1a och 1b. Företrädesvis är ett flertal sådana elektriska genomföringar tillhandahållna, och distribuerat längs ändkanterna. Den elektriska sammankopplingen kan dock även ske på andra sätt, såsom medelst en kontinuerlig anslutning som sträcker sig längs kortsidan på substratet, medelst ett flertal ledningar som sträcker sig längs kortsidan på substratet, eller liknande. Utöver denna elektriska vid ändkanterna, är det första och tredje skiktet elektriskt separerade från varandra, dvs det finns ingen ytterligare elektrisk sammankoppling mellan dessa skikt.

Genom denna elektriska sammankoppling vid ändkanterna bildar det tredje ledande skiktet en övervikt förlängning av det första ledande skiktet.

Det tredje ledande skiktet har företrädesvis en annan utformning än det första ledande skiktet, varvid det tredje ledande skiktet endast delvis överlappar det första ledande skiktet. Härvid har det första och tredje ledande skiktet både ytor som sammanfaller, dvs ligger över varandra, och ytor som inte sammanfaller. Företrädesvis har såväl det första ledande skiktet som det tredje ledande skiktet ytor som inte sammanfaller med motsvarande skikt på den andra ytan.

I det illustrerade utförandet har det tredje ledande skiktet en gaffelform, med gaffelarmar 62, 63 som utsträcker sig vid sidorna i en riktning bort från ändkanten 61. Dessa gaffelarmar utsträcker sig företrädesvis längs långsidorna hos substratet, och utanför spetsen på det triangelformade första ledande skiktet, i riktning mot antennmatningen 2a, 2b.

I det illustrerade utförandet har det tredje ledande skiktet inledningsvis, sett från ändkanten 61, en rektangulär utformning, och därefter följer gaffelarmarna. Gaffelarmarna är företrädesvis utformade med ett första parti, sett från det rektangulära området, med en gradvis minskande bredd, och därefter ett avslutande parti med väsentligen likformig bredd. Annorlunda utryckt så omfattar det tredje ledande skiktet en icke-ledande inbuktning 64, vilken inbuktning är relativt centralt anordnad, och som vetter mot antennmatningen 2a, 2b.

Längden hos det tredje ledande skiktet är företrädesvis kortare än längden hos det första ledande skiktet.

Den andra ytan kan även omfatta ett fjärde ledande skikt 7. Detta skikt är företrädesvis elektriskt sammankopplat med det andra ledande skiktet 4 hos den första ytan. Företrädesvis är det fjärde ledande skiktet 7 och det andra ledande skiktet 4 sammankopplade medelst ett flertal elektriska genomföringar/viahål, såsom illustreras medelst prickar i figurerna, och som är distribuerade över hela ytorna hos det andra och fjärde ledande skiktet.

Det fjärde ledande skiktet har företrädesvis en utsträckning som åtminstone till en del sammanfaller med det andra ledande skiktet hos den första ytan. I det illustrerade utförandet har det fjärde ledande skiktet en area och geometri som till största delen sammanfaller med de hos det andra ledande skiktet. Liksom det andra ledande skiktet kan det fjärde ledande skiktet 7 med fördel omfatta en större, rektangulär del, samt gaffelarmar 71, 72 som utsträcker sig mot det tredje ledande skiktet. Därmed bildar även det fjärde ledande skiktet företrädesvis en icke-ledande inbuktning som vetter mot det tredje ledande skiktet. Till skillnad från det andra ledande skiktet 4, som har en kilformad inbuktning i det illustrerade utförandet, har det fjärde ledande skiktet 7 företrädesvis en väsentligen rektangulär inbuktning, dvs med gaffelarmar som har samma eller väsentligen samma bredd över hela deras utsträckning.

Det tredje skiktet 6 och det fjärde ledande skiktet 7 är företrädesvis separerade ifrån varandra via en icke-ledande zon 8.

Det fjärde ledande skiktet 7 har företrädesvis en större area än det tredje ledande skiktet 6.

Antennen kan skalas med avseende på vilka frekvensområden man vill optimera. Med en skalfaktor X, som t.ex. kan vara 1, kan antennen med fördel ha följande dimensioner: - Den totala längden kan vara i intervallet 10X-20X cm, och företrädesvis 12X-18X cm, och mest föredraget 13X-17X cm, såsom 15X cm.

- Den totala bredden kan vara i intervallet 2X-7X cm, och företrädesvis 3X-6X cm, och mest föredraget 3X-5X cm, såsom 3,8X cm.

- Längden på det första ledande skiktet kan vara i intervallet 5X-10X cm, och företrädesvis 6X-9X cm, och mest föredraget 7X-8X cm, såsom 7,8X cm.

- Längden på det andra ledande skiktet kan vara i intervallet 7X-15X cm, och företrädesvis 8X-12X cm, och mest föredraget 9X-11X cm, såsom 10X cm. 2 - Längden på det tredje ledande skiktet kan vara i intervallet 2X-6X cm, och företrädesvis 3X-5X cm, och mest föredraget 4X-5X cm, såsom 4,3X cm.

Längden på det fjärde ledande skiktet kan vara i intervallet 7X-15X cm, och företrädesvis 8X-12X cm, och mest föredraget 9X-11X cm, såsom 9 ,7X cm.

Antennen i enlighet med det ovan diskuterade utförandet har testas experimentellt. Vid dessa mätningar har det visats att antennen har mycket bra prestanda över ett mycket brett frekvensområde.

I Fig. 2a visas uppmät effektivitet (%) för olika frekvenser. Allmänt sett kan en effektivitet över 30% betraktas som bra, och över 70-80% som extremt bra. Det kan konstateras att den nya antennen har extremt hög effektivitet över ett mycket brett frekvensområde, och speciellt för de frekvenser som används för GSM, CDMA, LTE, ISM, GPS, UMTS, HSPA, WiFi, Bluetooth, etc, och som gråmarkerats i diagrammet.

Fig. 2b visar uppmätt förlust (”return loss”) i dB för olika frekvenser. Även här visar det sig att den uppmätta antennen har mycket tillfredställande prestanda över hela det uppmätta frekvensområdet.

Fig. 2c visar uppmätt VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) över olika frekvenser. Allmänt sett är VSWR-värden på 1-3 helt acceptabla, och det framkommer att den uppmätta antennen har tillräckligt låga VSWR-värden över hela det uppmätta frekvensområdet.

Fig. 2d visar uppmätt Peak Gain (dB) över olika frekvenser. Peak Gain är ett mått på direktiviteten hos antennen, och för en rundstrålande antenn är det allmänt sett föredraget att ha relativt låga värden på Peak Gain. Det framkommer att den uppmätta antennen har relativt låga värden för Peak Gain vid alla frekvenser, och framförallt vid alla frekvensområden som är av intresse med avseende på tillgängliga telekomstandarder.

Fig. 3a-h visar strålningsdiagram för olika frekvenser i dBi, och i X (”landscape”), Y (”portrait”) och Z (”page position”). Mer specifikt visar: Fig. 3a strålningsdiagrammet för 800 MHz, Fig. 3b strålningsdiagrammet för 1200 MHz, Fig. 3c strålningsdiagrammet för 1500 MHz, Fig. 3d strålningsdiagrammet för 1900 MHz, Fig. 3e strålningsdiagrammet för 2100 MHz, Fig. 3f strålningsdiagrammet för 2400 MHz, Fig. 3g strålningsdiagrammet för 2600 MHz, och Fig. 3h strålningsdiagrammet för 3000 MHz.

Alla strålningsdiagrammen visar tydligt att tillfredställande rundstrålning uppnås vid alla de uppmätta frekvenserna.

Uppfinningen har nu beskrivits med hjälp av utföringsexempel. Det inses dock av fackmannen att många varianter och modifieringar av detta utförande är möjliga. Exempelvis kan geometrierna hos de olika ledande skikten varieras på olika sätt, såsom också diskuterats ovan. Vidare kan det för många tillämpningar räcka med ett jordplan, anordnat på endast en av sidorna, istället för att använda dubbla jordplan som i det ovan diskuterade utförandet. I flerskiktade substrat kan även mer än två jordplan användas. I det ovan diskuterade utförandet har substratet vidare dimensionerats så att dess utsträckning väsentligen sammanfaller med antennens utsträckning. Detta är en fördel om antennen ska tillverkas som en fristående enhet. Det är dock även möjligt att anordna antennen som en del på ett större substrat. Ett sådant större substrat kan då även innehålla ytterligare ledningsstruktur och/eller komponenter, såsom t ex sändare/mottagare för antennen, batteri, display, signalbearbetningskretsar, processor, etc. Dessa och andra närliggande varianter av uppfinningen ska anses omfattas av skyddsomfånget för de bifogade patentkraven.

Claims (16)

PATENTKRAV

1. Bredbandig antenn omfattande: ett dielektriskt substrat (1) med en första och andra yta, varvid den första ytan omfattar: en antennmatning med två ledare, omfattande en första matningsanslutning (2a) och en andra matningsanslutning (2b), varvid den andra matningsanslutningen är eller fungerar som jord; ett första ledande skikt (3) som utsträcker sig från antennmatningen i en första riktning och som är elektriskt ansluten till den första matningsanslutningen (2a), varvid det första ledande skiktet (3) utsträcker sig i en riktning bort från antennmatningen (2a) och till en första ändkant (31); och ett andra ledande skikt (4) som huvudsakligen utsträcker sig i en andra riktning, bort från nämnda första ledande skikt (3), och som är elektriskt anslutet till nämnda andra anslutning (2b); en icke-ledande zon (5) som separerar nämnda först och andra ledande skikt; och varvid den andra ytan omfattar: ett tredje ledande skikt (6) som utsträcker sig från en andra ändkant (61) i riktning mot antennmatningen (2a, 2b), vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med den hos det första ledande skiktet (3) på den första ytan, varvid den första ändkanten (31) hos det första ledande skiktet (3) och den andra ändkanten (61) hos det tredje ledande skiktet (6) väsentligen sammanfaller och varvid det första och tredje elektriska skiktet är elektriskt sammankopplade med varandra vid eller i närheten av nämnda ändkanter, och varvid det första och tredje skiktet, utöver nämnda elektriska sammankoppling vid ändkanterna, är elektriskt separerade från varandra.

2. Antenn i enlighet med patentkrav 1, varvid det första ledande skiktet (3) har en kontinuerligt eller stegvis ökande bredd i en riktning bort från antennmatningen (2a) och till den första ändkanten (31).

3. Antenn i enlighet med patentkrav 2, varvid det första ledande skiktet (3) har en kontinuerligt ökande bredd i riktning bort från antennmatningen (2a), och företrädesvis har en väsentligen triangulär form.

4. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid det andra ledande skiktet (4) har en gaffelformad utformning, med två gaffelarmar (41, 42) som utsträcker sig längs med sidorna hos det första ledande skiktet (3), förbi nämnda antennmatning (2a, 2b) och i riktning mot nämnda ändkant.

5. Antenn i enlighet med patentkrav 4, varvid de båda gaffelarmarna (41, 42) har olika bredd och area.

6. Antenn i enlighet med patentkrav 4 eller 5, varvid åtminstone en, och företrädesvis båda gaffelarmarna (41, 42) är kilformade, och har en minskande bredd i riktning mot ändkanten (31) hos det första ledande skiktet (3) över åtminstone en del av deras utsträckning.

7. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid det andra ledande skiktet (4) omfattar en yta med väsentligen konstant bredd, som sträcker sig från antennmatningen (2b) och bort från det första ledande skiktet (3).

8. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid antennmatningen (2a, 2b) är anordnad relativt centralt på den första ytan.

9. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid det tredje ledande skiktet (6) har en annan utformning än det första ledande skiktet (3), varvid det tredje ledande skiktet (6) endast delvis överlappar det första ledande skiktet (3).

10. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid det tredje ledande skiktet (6) har en gaffelform, med armar (62, 63) som utsträcker sig vid sidorna i en riktning bort från nämnda ändkant (61).

11. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, vidare omfattande ett fjärde ledande skikt (7) på den andra ytan, vars utsträckning åtminstone till en del sammanfaller med det andra ledande skiktet (4) hos den första ytan.

12. Antenn i enlighet med patentkrav 11, varvid det andra och fjärde ledande skikten är elektriskt sammankopplade via ett flertal sammankopplingspunkter, och företrädesvis sammankopplingspunkter som är distribuerade över nämnda andra och fjärde ledande skikt.

13. Antenn i enlighet med patentkrav 11 eller 12, varvid det tredje och fjärde ledande skiktet är separerade ifrån varandra via en icke-ledande zon.

14. Antenn i enlighet med något av patentkraven 11-13, varvid det fjärde ledande skiktet (7) har en större area än det tredje ledande skiktet (4).

15. Antenn i enlighet med något av patentkraven 11-14, varvid det fjärde ledande skiktet (7) har en area och geometri som till största delen sammanfaller med de hos det andra ledande skiktet (4).

16. Antenn i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid den elektriska sammankopplingen mellan det första och tredje skiktet är distribuerad över ändkanternas (31, 61) längd.