FI114586B

FI114586B - Tasoantenni

Info

Publication number: FI114586B
Application number: FI992356A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Anne Isohaetaelae; Suvi Tarvas
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2004-11-15
Also published as: ES2201943T1; US6538604B1; ATE289118T1; CN1201432C; FI19992356A; DE00660187T1; EP1096602B1; EP1096602A1; DE60018011T2; DE60018011D1; CN1303141A

Description

114586

Tasoantenni

Keksintö koskee erityisesti pienikokoisten radiolaitteiden sisään sijoitettavaa tasoan-tennirakennetta.

5 Kannettavissa radiolaitteissa antennin sijoittuminen laitteen kuorien sisälle on hyvin suotava ominaisuus ulkonevan antennin epäkäytännöllisyyden vuoksi. Sisäisen antennin on esimerkiksi nykyisissä matkaviestimissä luonnollisesti oltava pienikokoinen. Tämä vaatimus korostuu matkaviestinten edelleen pienentyessä. Lisäksi kaksi-kaista-antenneissa ainakin ylemmän toimintakaistan tulisi olla suhteellisen leveä, 10 varsinkin jos kyseisen laitteen on tarkoitus toimia useammassa kuin yhdessä aluetta 1,7-2 GHz käyttävässä järjestelmässä.

Yleisin ratkaisu pyrittäessä pienikokoiseen antenniin on PIFA (planar inverted F-antenna). Siinä tietyllä taajuusalueella tai -alueilla toimivan antennin suorituskyky riippuu antennin koosta: Mitä suurempi koko, sitä paremmat ominaisuudet, ja kään-15 täen. Esimerkiksi PIFAn korkeuden pienentäminen, ts. säteilevän tason ja maatason lähentäminen toisiinsa pienentää selvästi kaistanleveyttä ja huonontaa hyötysuhdetta. Samoin antennin pienentäminen leveys-ja pituussuunnissa järjestämällä elementtien fyysinen pituus sähköistä pituutta pienemmäksi pienentää kaistanleveyttä ja •: ’ erityisesti huonontaa hyötysuhdetta.

* t · * · »* · · *' · ’; 20 Kuvassa 1 on esimerkki tekniikan tason mukaisesta kaksikaistaisesta PIFAsta. Siinä

* I

·. : on vaakasuuntaiseksi piirretty ko. laitteen runko 110, joka toimii antennin maata- sona. Maatason yläpuolella on eristekappaleilla, kuten 105, tuettu tasomainen sätei- levä elementti 120. Tämän ja maatason välillä on oikosulkukappale 102. Säteilevä ‘ taso 120 saa syöttönsä maatasossa olevan reiän kautta johtimella 103 erääseen pis- 25 teeseen F. Säteilevässä tasossa on sen reunasta alkava ja kahden suorakulmaisen I I · '·* ' mutkan jälkeen lähelle syöttöpistettä F ulottuva rako 125. Tämä jakaa säteilevän v : tason syöttöpisteestä F katsottuna kahteen eri pituiseen haaraan AI ja A2. Pitempi • haara AI käsittää tässä esimerkissä pääosan säteilevän tason reuna-alueista, ja sen ....: resonanssitaajuus on antennin alemmalla toimintakaistalla. Lyhyempi haara A2 30 käsittää säteilevän tason keskialueen, ja sen resonanssitaajuus on antennin ylem-’ ‘ mällä toimintakaistalla. Kuvassa 1 esitetyn kaltaisten rakenteiden haittana on, että ·...·* pyrittäessä pienissä matkaviestimissä toivottuun kokoon, niin edellä esitetyn mu kaisesti antennin sähköiset ominaisuudet saattavat huonontua liikaa, esimerkiksi ylemmän kaistan leveys voi olla riittämätön.

2 114586

Ennestään ei tunneta ratkaisuja, joilla PIFAn kaistanleveyttä suurennettaisiin merkittävästi antennin kokoa suurentamatta. Hakijalla on aiemmista hakemuksistaan tiedossa rakenne, jossa kaistanleveyttä suurennetaan muodostamalla säteilevän elementin rako kaksiosaiseksi siten, että näiden leveyksien suhde on tietyn suuruinen 5 (FI 991807), sekä rakenne, jossa kaistanleveyttä suurennetaan lisäämällä säteilevän tason yläpuolelle toinen säteilevä taso, ja sijoittamalla näiden tasojen väliin ja ylimmän tason päälle dielektristä materiaalia (FI 992268).

Nyt esitettävässä ratkaisussa PIFAn kaistanleveyttä suurennetaan lisäämällä määrätyllä alueella maatason ja säteilevän tason välistä kapasitanssia johteiden avulla.

10 Tällainen kapasitanssin lisääminen on sinänsä ennestään tunnettua. Kuvassa 2 on pelkistetty esimerkki, jossa säteilevää tasoa 220 on taivutettu reunastaan maatasoa 210 kohti. Taipeen 215 ja maatason välillä on tällöin tietty lisäkapasitanssi C. Kuvassa 3 on julkaisusta US 5 764 190 tunnettu rakenne, jossa säteilevän tason 320 ja maatason 310 välissä on edelliseen galvaanisesti liittyvä, suhteellisen pieni saman-15 suuntainen taso 315 kapasitanssin lisäämiseksi. Näissä tapauksissa kapasitanssia lisäävä rakenneosa on antennin vastakkaisessa päädyssä syöttöjohtimen 203 (303) ja oikosulkujohtimen 202 (302) määräämään syöttökohtaan nähden, ja rakenneosan tarkoituksena on pääasiassa antennin fyysisen koon pienentäminen.

Keksinnön tarkoituksena on suurentaa uudella tavalla pienikokoisen PIFAn kaistan-. .·. 20 leveyttä. Keksinnön mukaiselle rakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itse-: näisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esi- ‘[. * tetty muissa patenttivaatimuksissa.

V·: Keksinnön perusajatus on seuraava: Tavallista PIFA-tyyppistä rakennetta laajenne- taan järjestämällä säteilevän tason ja maatason välistä kapasitanssia lisäävä rakenne-25 osa suhteellisen lähelle antennin syöttökohtaa. Rakenneosa voi olla säteilevästä tasosta maatasoa kohti suuntautuva uloke tai päinvastoin.

·* ' Keksinnön etuna on, että sillä saavutetaan merkittävä antennin kaistanleveyden lisäys tarvitsematta suurentaa antennin kokoa. Lisäksi keksinnön etuna on sen mu-·;··;* kaisen rakenteen yksinkertaisuus ja suhteellisen pienet lisäykset valmistuskustan- 30 nuksiin.

·'.·*: Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan ohei- : ‘ ’ *: siin piirustuksiin, joissa 3 114586 kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta PIFAsta, kuva 2 esittää esimerkkiä tunnetusta kapasitanssia lisäävästä rakenteesta, kuva 3 esittää toista esimerkkiä tunnetusta kapasitanssia lisäävästä rakenteesta, kuva 4 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, 5 kuva 5 esittää keksinnön erästä toista suoritusmuotoa, kuva 6 esittää keksinnön erästä kolmatta suoritusmuotoa, kuva 7 esittää keksinnön erästä neljättä suoritusmuotoa, kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin ominaisuuksista, ja kuva 9 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta matka-10 viestimestä.

Kuvat 1, 2 ja 3 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 4 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antenniin 400 kuuluu maataso 410 ja säteilevä taso 420. Näiden välinen oikosulkujohdin 402 ja antennin syöttöjohdin 403 liittyvät tässä esimerkissä säteilevään tasoon lähellä 15 tämän erästä kulmaa. Säteilevässä tasossa on rako 425, joka jakaa sen syöttöpis-··" : teestä F katsottuna kahteen haaraan AI ja A2, joilla on selvästi eri suuruiset reso- : V nanssitaajuudet. Esimerkin rakenne on siis kaksikaistainen. Säteilevään tasoon liit- ;/1j tyy keksinnön mukaisesti johtava uloke 415 maatasoa kohti suhteellisen lähellä ' syöttöpistettä F. Uloke 415 on muodostettu esimerkiksi taivuttamalla tasoon 420 : 20 syöttöpisteen puoleiselle sivulle alkujaan muodostettu uloke suoraan kulmaan.

Ulokkeen 415 ja maatason 410 välillä on tietty kapasitanssi C. Tämä kompensoi . :·. tehokkaasti antennin syöttöimpedanssin induktiivista osaa, jolloin tuloksena on kel- vollinen sovitus merkittävästi laajemmalla taajuuskaistalla kuin ilman mainittua < I · uloketta. Kuvan 4 tapaisella järjestelyllä voidaan leventää erityisesti ylempää taa-‘ : 25 juuskaistaa, mihin käytännössä usein onkin tarvetta.

, Kuvassa 5 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelystä. Siinä on antenni 500, johon kuuluu maataso 510, säteilevä taso 520 ja näiden välinen oikosulkujoh-‘: din 502. Säteilevään tasoon liittyy keksinnön mukaisesti johtava uloke 515 maatasoa kohti. Uloke liittyy tässä esimerkissä galvaanisesti oikosulkujohtimeen 502 siten, 30 että oikosulkujohdin ikäänkuin on säteilevästä tasosta lähdettäessä hyvin leveä, ja 4 114586 alapäästään, maatasoon liittyvältä osaltaan suhteellisen kapea. Uloke 515 ja oikosul-kujohdin 502 on muodostettu esimerkiksi taivuttamalla tasoon 520 alkujaan muodostettu uloke suoraan kulmaan. Kuvan 5 mukainen järjestely on edullinen varsinkin kun säteilijälle käytettävissä oleva pinta-ala on suhteellisen suuri. Oikosulkujohtimen 5 laajennus vaikuttaa resonanssitaajuuksia pienentävästi, ja tämä on kompensoitava tekemällä säteilijät pidemmiksi jolloin ne kapenevat. Tämä pienentää rakenteen etua pienillä antennipinta-aloilla.

Kuvassa 6 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelystä. Siinä on antenni 600, johon kuuluu maataso 610, säteilevä taso 620 ja näiden välinen oikosulkujohdin 10 602. Tasojen välistä kapasitanssia lisääviä johdekappaleita on tässä esimerkissä kak si, ja ne ovat maatason puolella: Ensimmäinen johdekappale 615 ulottuu maatasosta säteilevää tasoa kohti tämän reunan alapuolella, suhteellisen lähellä syöttöjohdinta 603. Vastaavasti toinen johdekappale 616 ulottuu maatasosta säteilevää tasoa kohti tämän alla, vielä lähempänä syöttöjohdinta 603 kuin ensimmäinen johdekappale.

15 Kuvassa 7 on neljäs esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelystä. Siinä on antenni 700, johon kuuluu maataso 710, säteilevä taso 720 ja näiden välinen oikosulkujohdin 702. Antenni on tässä esimerkissä yksikaistainen. Tasojen välistä kapasitanssia lisäävä johdekappale 715 on nyt maatasoon galvaanisesti liittyvä ontto lieriö maatason ja säteilevän tason välissä olevan syöttöjohdon 703 osuuden ympärillä. Tällöin mainittu 20 johdekappale, paitsi lisää tasojen välistä kapasitanssia syöttöpisteen läheisyydessä, myös vähentää syötön induktiivisuutta, koska sillä on jakautunutta kapasitanssia syöttöjohtimen suhteen. Lieriötä 715 vastaava kappale voisi yhtä hyvin liittyä sätei-. : : levään tasoon, ja ulottua tietylle etäisyydelle maatasosta.

‘ Kuvassa 8 on taajuuden funktiona heijastuskertoimen Sll kuvaajia, jotka esittävät : t 25 keksinnön vaikutusta kaksikaista-antennin kaistanleveyksiin. Tulos pätee esimerkki-*· : rakenteelle, joka on kuvassa 4 esitetyn kaltainen. Kuvaaja 81 näyttää tekniikan tason :. · mukaisen antennin heijastuskertoimen muuttumisen, ja kuvaaja 82 vastaavan keksin- v ·* nön mukaisen antennin, jossa on kuvan 4 ulokkeen 415 kaltainen lisäys, heijastusker toimen muuttumisen. Kuvaajia verrattaessa havaitaan, että varsinkin ylempi, 1,8 :·· 30 GHz:n alueelle sijoittuva toimintakaista levenee keksinnön mukaisella järjestelyllä.

. * * *. Käytettäessä kaistan rajan kriteerinä heijastuskertoimen arvoa -6 dB, kaistanleveys B

, , kasvaa yli puolitoistakertaiseksi: Sen suhteellinen arvo kasvaa vajaasta kuudesta pro- ’· sentistä runsaaseen yhdeksään prosenttiin. Myös 900 MHz:n alueelle sijoittuva :· alempi toimintakaista levenee jonkin verran.

• · 5 114586

Kuvassa 9 on matkaviestin MS. Siinä on keksinnön mukainen antenni 900, joka sijaitsee kuvan esimerkissä kokonaan matkaviestimen kuorien sisäpuolella.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia antennirakenteita. Keksintö ei rajoita 5 säteilevän elementin muotoilua eikä niiden lukumäärää; keksinnön mukaisen elementin päällä voi esimerkiksi olla toinen säteilevä elementti. Keksintö ei myöskään rajoita mitenkään antennin valmistustapaa. Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

* » · • · • · • · I » • ·

Claims

114586

1. Antennirakenne (400; 500; 600; 700), joka käsittää tasomaisen säteilevän elementin (420; 520; 620; 720), maatason (410; 510; 610; 710), näiden välisen oikosul-kujohtimen (402; 502; 602; 702) ja säteilevän elementin syöttöjohtimen (403; 503; 5 603; 703), tunnettu siitä, että antennirakenteen kaistanleveyden suurentamiseksi se käsittää lisäksi säteilevän elementin ja maatason välistä kapasitanssia lisäävää joh-demateriaalia (415; 515; 615, 616; 715) säteilevän elementin normaalin suunnasta katsottuna rakenteen sillä puolella, jossa mainitut oikosulkujohdin ja syöttöjohdin ovat.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde- materiaali muodostaa säteilevän elementin (420), suhteellisen lähellä tämän syöttö-pistettä F sijaitsevan, maatasoa (410) kohti suuntautuvan osan (415).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde-materiaali (515) liittyy galvaanisesti mainittuun oikosulkujohtimeen (502).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde- materiaali muodostaa ainakin yhden suhteellisen lähellä säteilevän elementin (620) syöttöjohdinta (603) sijaitsevan, maatasosta (610) säteilevää elementtiä kohti suuntautuvan ulokkeen (615,616). » * » · i I

* ”, 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu johde- . I'. * 20 materiaali muodostaa säteilevän elementin (720) syöttöjohtimen (703) ympärillä ole- ’, ’ * van kappaleen (715). » * · « I * * I

; ’ 6. Radiolaite (MS), joka käsittää antennin (900), johon kuuluu tasomainen säteile- vä elementti ja maataso, näiden välinen oikosulkujohdin ja säteilevän elementin syöttöjohdin, tunnettu siitä, että mainittu antenni käsittää lisäksi säteilevän elementin ja ;. 25 maatason välistä kapasitanssia lisäävää johdemateriaalia säteilevän elementin nor- · , maalin suunnasta katsottuna rakenteen sillä puolella, jossa mainitut oikosulkujohdin I' ja syöttöjohdin ovat. 114586