FI112984B

FI112984B - Laitteen sisäinen antenni

Info

Publication number: FI112984B
Application number: FI992268A
Authority: FI
Inventors: Petteri Annamaa; Jyrki Mikkola
Original assignee: Filtronic Lk Oy
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2004-02-13
Also published as: CN1199316C; FI19992268A; EP1094545B1; CN1302093A; EP1094545A3; US6348892B1; DE60028899D1; EP1094545A2; DE60028899T2

Description

112984

Laitteen sisäinen antenni

Keksintö koskee pienikokoisten radiolaitteiden sisään sijoitettavaa antennirakennet-ta.

Kannettavissa radiolaitteissa antennin sijoittuminen laitteen kuorien sisälle on hyvin 5 suotava ominaisuus ulkonevan antennin epäkäytännöllisyyden vuoksi. Sisäisen antennin on esimerkiksi nykyisissä matkaviestimissä luonnollisesti oltava pienikokoinen. Tämä vaatimus korostuu matkaviestinten edelleen pienentyessä. Lisäksi kaksikaista-antenneissa ainakin ylemmän toimintakaistan tulisi olla suhteellisen leveä, varsinkin jos kyseisen laitteen on tarkoitus toimia useammassa kuin yhdessä 10 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, kuten kaistanleveys ja hyötysuhde, riippuu antennin koosta: Mitä suurempi koko, sitä paremmat ominaisuudet, ja kääntäen. Esimerkiksi PIFAn korkeuden pienentä-15 minen, ts. säteilevän tason ja maatason lähentäminen toisiinsa pienentää selvästi kaistanleveyttä. Antennin pienentäminen leveys- ja pituussuunnissa jäljestämällä elementtien fyysinen pituus sähköistä pituutta pienemmäksi taas huonontaa erityisesti hyötysuhdetta.

v,: Kuvassa 1 on esimerkki tekniikan tason mukaisesta kaksikaistaisesta PIFAsta. Siinä : , · 20 on vaakasuuntaiseksi piirretty ko. laitteen runko 110, joka toimii antennin maataso- .i na. Maatason yläpuolella on eristekappaleilla, kuten 105, tuettu tasomainen säteile- '1vä elementti 120. Tämän ja maatason välillä on oikosulkukappale 102. Säteilevä elementti 120 saa syöttönsä maatasossa olevan reiän 111 kautta erääseen pisteeseen F.

. ‘: ·. Säteilevässä elementissä on sen reunasta alkava ja kahden suorakulmaisen mutkan 25 jälkeen lähelle syöttöpistettä F ulottuva rako 125. Tämä jakaa säteilevän elementin · syöttöpisteestä F katsottuna kahteen eri pituiseen haaraan AI ja A2. Pitempi haara : AI käsittää tässä esimerkissä pääosan säteilevän elementin reuna-alueista, ja sen : ‘ ‘ resonanssitaajuus on antennin alemmalla toimintakaistalla. Lyhyempi haara A2 kä- ,: sittää säteilevän elementin keskialueen, ja sen resonanssitaajuus on antennin ylem- ‘: 30 mällä toimintakaistalla. Kuvassa 1 esitetyn kaltaisten rakenteiden haittana on, että ‘ . pyrittäessä pienissä matkaviestimissä toivottuun kokoon antennin sähköiset ominai- ; suudet huononevat liikaa edellä esitetyn mukaisesti.

< »

V I

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja.

112984 2

Keksinnön mukaiselle rakenteelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Tavallista PIFA-tyyppistä rakennetta laajenne-5 taan siten, että maatason yläpuolelle tulee yhden sijasta päällekkäin ainakin kaksi säteilevää tasoa. Näiden välissä on dielektristä materiaalia alemman säteilijän koon pienentämiseksi ja kaistaominaisuuksien parantamiseksi. Ylemmän/ylimmän säteilevän tason päällä on niinikään dielektristä materiaalia. Tällä päällimmäisellä kerroksella järjestetään antennin yksi resonanssitaajuus suhteellisen lähelle jotain toista 10 resonanssitaajuutta kaistan leventämiseksi. Ylempi säteilevä taso on kytketään gal-vaanisesti alempaan säteilevään tasoon.

Keksinnön etuna on, että sillä saavutetaan suurempi antennin kaistanleveyden lisäys verrattuna siihen, että järjestettäisiin ainoa säteilevä taso samalle etäisyydelle maa-tasosta kuin keksinnön mukainen ylempi säteilevä taso. Tämä johtuu yhtä useam-15 man lähekkäisen resonanssitaajuuden käytöstä. Lisäksi keksinnön etuna on suhteellisen hyvä valmistettavuus ja pienet valmistuskustannukset.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa ': kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta PIFAsta, 20 kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta antennirakenteesta, ,: kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin ominaisuuksista, kuva 4 esittää keksinnön erästä toista suoritusmuotoa, kuva 5 esittää keksinnön erästä kolmatta suoritusmuotoa, : kuva 6 esittää keksinnön erästä neljättä suoritusmuotoa ja 25 kuva 7 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisella antennilla varustetusta matka viestimestä.

t

r I

. : Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta antennirakenteesta. Antenniin 200 112984 3 kuuluu maataso 210, tämän päällä ensimmäinen säteilevä elementti 220 ja edelleen tämän päällä toinen säteilevä elementti 230. Sanat “päällä44 ja “ylin44 viittaavat tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa antennin rakenneosien keskinäiseen sijaintiin silloin, kun ne ovat vaakasuuntaisia ja maataso on alinna. Maatason ja ensimmäisen 5 säteilevän elementin väli on pääasiassa ilmaa, ja vähäiseltä osin pienen dielekt-risyyskertoimen omaavaa tukimateriaalia. Ensimmäisen ja toisen säteilevän elementin välissä on suhteellisen suuren dielektrisyyskertoimen omaava ensimmäinen di-elektrinen levy 240. Toisen säteilevän elementin päällä on toinen dielektrinen levy 250. Antennin syöttöjohdon sisäjohdin 201 liittyy maatasossa olevan reiän 211 10 kautta ensimmäiseen säteilevään tasoon 220 eräässä pisteessä F. Ensimmäinen säteilevä taso on PIFA-rakenteen mukaisesti kytketty maahan ensimmäisellä oikosul-kujoh-timella 202. Myös ensimmäinen ja toinen säteilevä taso on kytketty galvaani-sesti toisiinsa. Tämä kytkentä on kuvan 2 esimerkissä tehty syöttöpisteen F ja oi-kosulkujohtimen 202 välisellä alueella olevalla toisella oikosulkujohtimella 203. 15 Toinen säteilevä taso 230 saa syöttönsä osaksi galvaanisesti oikosulkujohtimen 203 kautta ja osaksi sähkömagneettisesti ensimmäisestä tasosta 220.

Kuvan 2 esimerkkirakenteessa molemmat säteilevät tasot ovat kaksihaaraisia: Ensimmäisessä säteilevässä tasossa 220 on rako 225, joka jakaa sen kahteen haaraan, joilla on eri resonanssitaajuus. Merkitään näitä resonanssitaajuuksia fj ja f2, joista f2 20 on suurempi. Toisessa säteilevässä tasossa 230 on rako 235, joka jakaa sen kahteen haaraan A3 ja A4, joilla on eri resonanssitaajuus. Merkitään näitä ylemmän säteile-: vän tason resonanssitaajuuksia f3 ja f4, joista f4 on suurempi. Dielektrinen levy 250 ; : on haaran A4 päällä. Sillä, ja haaran A4 koolla järjestetään resonanssitaajuus f4 niin . · lähelle resonanssitaajuutta f2, että taajuuksia f2 ja f4 vastaavat toimintakaistat muo- , ] 25 dostavat yhtenäisen, leveämmän toimintakaistan. Lisäksi dielektrinen levy 250 pa-

» I

rantaa haaran A4 värähtelyn luotettavuutta.

» * *

Kuvassa 3 on kuvaaja 31, joka esittää erään keksinnön mukaisesti rakennetun an-: ’: tennin heijastusvaimennusta SI 1 taajuuden f funktiona. Esimerkkiantennille on jär- jestetty neljä resonanssitaajuutta kuten edellä kuvan 2 rakenteessa. Ensimmäinen 30 resonanssi ri esiintyy taajuudella fi= 0,8 GHz, toinen resonanssi r2 taajuudella f2= > 1 » ; ; ’ 1,66 GHz, kolmas resonanssi r3 taajuudella f3= 0,94 GHz ja neljäs resonanssi r4 taa- ‘ juudella f4= 1,87 GHz. Heijastusvaimennuksen huiput ovat samassa järjestyksessä , i 14 dB, 21 dB, 7½ dB ja 12 dB. Resonansseja η ja r3 vastaavat toimintataajuusalueet ' , I ovat erillisiä. Resonansseja r2 ja r4 vastaavien antennielementtien välinen kytkentä 35 aiheuttaa rakenteelle viidennen resonanssin r5, jonka taajuus on järjestetty taajuuk- 112984 4 sien f2 ja f4 väliin. Resonansseja r2, r4 ja r5 vastaavat taajuusalueet yhdessä muodostavat laajan toimintataajuusalueen. Pidettäessä kaistan rajan kriteerinä heijastus-vaimennuksen arvoa 5dB, kyseiseksi taajuusalueeksi tulee noin 1,6 - 1,9 GHz. Kais-tanlevys B on siis noin 300 MHz, joka suhteessa kaistan keskitaajuuteen on 17%.

5 Tämä ylittää selvästi samankokoisella, tekniikan tason mukaisella antennilla saavutettavan kaistanleveyden.

Kuvassa 4a on päältä nähtynä lähes samanlainen keksinnön suoritusmuoto kuin kuvassa 2. Siinä on näkyvissä ensimmäinen säteilevä elementti 420, toinen säteilevä elementti 430, ensimmäinen dielektrinen levy 440 ja toinen dielektrinen levy 450. 10 Rako 425 jakaa ensimmäisen, ja rako 435 toisen säteilevän elementin kahteen haaraan. Toinen säteilevä elementti on tässä esimerkissä lähes yhtä suuri kuin ensimmäinenkin. Ne on yhdistetty rakenteen reunassa toisella oikosulkujohtimella 403. Ensimmäisellä dielektrisellä levyllä on eräs dielektrisyyskerroin el5 ja toisella di-elektrisellä levyllä on dielektrisyyskerroin e2. Erona kuvaan 2 on, että toinen di-15 elektrinen levy on nyt toisen säteilevän elementin pitemmän haaran A3 päällä.

Kuvassa 4b on kuvan 4a rakenne tämän vasemmalta sivulta nähtynä. Siinä näkyy edellä mainittujen osien lisäksi maataso 410, antennin syöttöjohdon keskijohdin 401 ja maatason ja ensimmäisen säteilevän elementin välinen ensimmäinen oikosulku-johdin 402. Ensimmäisen ja toisen säteilevän elementin välinen oikosulkujohdin 20 403 lähtee edullisesti keskijohtimen 401 ja ensimmäisen oikosulkujohtimen välisel- tä alueelta. Lisäksi kuvasta 4b ilmenee, että maatason ja ensimmäisen säteilevän elementin välisenä eristeenä on ilmaa.

• . : Kuvassa 5a on päältä nähtynä keksinnön suoritusmuoto, jossa on kolme päällekkäis- ' :': tä säteilevää elementtiä. Alinna on ensimmäinen säteilevä elementti 520, joka on 25 kaksihaarainen. Keskellä on toinen säteilevä elementti 530, joka on yhtenäinen ja kooltaan pienempi kuin ensimmäinen säteilevä elementti. Ylinnä on kolmas säteilevä elementti 560, joka on kaksihaarainen ja kooltaan vielä pienempi kuin toinen säteilevä elementti. Ensimmäisen ja toisen säteilevän elementin välissä on ensimmäinen dielektrinen levy 540, ja toisen ja kolmannen säteilevän elementin välissä 30 on toinen dielektrinen levy 550. Kolmannen säteilevän elementin lyhyemmän haa-ran päällä on kolmas dielektrinen levy 570. Rakenteen reunassa on toinen oikosul- : kujohdin 503 ensimmäisen ja toisen säteilevän elementin välillä, ja kolmas oikosul- - » ] kujohdin 504 toisen ja kolmannen säteilevän elementin välillä.

Kuvassa 5b on kuvan 5a rakenne tämän vasemmalta sivulta nähtynä. Siinä näkyy 5 112984 edellä mainittujen osien lisäksi maataso 510, antennin syöttöjohdon keskijohdin 501 ja maatason ja ensimmäisen säteilevän elementin välinen oikosulkujohdin 502. Kuvien 5a, 5b rakenteella voidaan toteuttaa esimerkiksi kolmikaistainen antenni, joista kaistoista yksi on erityisesti levennetty, tai kaksikaistainen antenni, jossa toinen tai 5 molemmat kaistat ovat erityisesti levennettyjä.

Kuvassa 6a on päältä nähtynä keksinnön suoritusmuoto, jossa on kaksi päällekkäistä ! säteilevää elementtiä. Se eroaa kuvan 4 rakenteesta siten, että toinen säteilevä ele mentti 630 on yhtenäinen ja että sillä ei ole galvaanista kytkentää ensimmäiseen säteilevään elementtiin 620. Toinen säteilevä elementti on siis tässä esimerkissä 10 parasiittinen. Kuvassa 6b on kuvan 6a rakenne tämän vasemmalta sivulta nähtynä. Siinä näkyy edellä mainittujen osien lisäksi maataso 610, antennin syöttöjohdon keskijohdin 601 ja maatason ja ensimmäisen säteilevän elementin välinen oikosulkujohdin 602.

Kuvassa 7 on matkaviestin 700. Siinä on keksinnön mukainen antenni 200, joka 15 sijaitsee kuvan esimerkissä kokonaan matkaviestimen kuorien sisäpuolella.

Edellä on kuvattu erästä keksinnön mukaista antennirakennetta ja joitain sen muunnelmia. Keksintö ei rajoitu säteilevien elementtien muotoilun ja lukumäärän puolesta, eikä dielektrisen materiaalin sijoittelun puolesta juuri niihin. Keksintö ei myös- • ‘ 20 kään rajoita tasoantennin muita rakenneratkaisuja eikä sen valmistustapaa. Keksin- .: nöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asetta- ,’· missä rajoissa.

• I I | * t a a • ‘ ‘ * > > * * * >

’ I

Claims

6 112984

1. Antennirakenne, joka käsittää ensimmäisen tasomaisen säteilevän elementin ja maatason, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi ensimmäisen säteilevän elementin (220) päällä ainakin toisen säteilevän elementin (230), jolloin 5 - ensimmäisen säteilevän elementin ja mainitun maatason (210) väli on olennaisesti ilmaa, - toisen säteilevän elementin ja ensimmäisen säteilevän elementin välissä on materiaalia (240), jonka dielektrisyyskerroin on suurempi kuin seitsemän, ja - ylimmän säteilevän elementin päällä on antennirakenteeseen kuuluvaksi suunnitel-10 tu kerros dielektristä materiaalia (250) antennirakenteen taajuusominaisuuksien muuttamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että mainittujen en simmäisen ja toisen säteilevän elementin välillä on toinen oikosulkujohdin (203) galvaanisen kytkennän muodostamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen rakenne, jossa mainitun antennirakenteen syöttöjohdin (201) liittyy galvaanisesti ensimmäiseen säteilevään elementtiin, ja tämän ja mainitun maatason välillä on ensimmäinen oikosulkujohdin (202), tunnettu siitä, että ensimmäisessä säteilevässä elementissä mainitun toisen oikosulkujoh-, , timen (203) liitäntäpiste sijaitsee mainitun syöttöjohtimen liitäntäpisteen (F) ja mai- ’ ‘ ' 20 nitun ensimmäisen oikosulkujohtimen (202) liitäntäpisteen välisellä alueella.

- » » ; ,· 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että ainakin yksi » ; : mainituista säteilevistä elementeistä käsittää kaksi haaraa (A3, A4), joilla on olen naisesti eri suuri resonanssitaajuus.

: 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne, tunnettu siitä, että ainakin yksi 25 (630) mainituista säteilevistä elementeistä on parasiittinen.

, 6. Radiolaite (700), joka käsittää antennin (200), johon kuuluu ensimmäinen sä teilevä elementti ja maataso, tunnettu siitä, että ensimmäisen säteilevän elementin .: päällä on ainakin toinen säteilevän elementti, jolloin ensimmäisen säteilevän ele- : mentin ja mainitun maatason väli on olennaisesti ilmaa, toisen säteilevän elementin ; 30 ja ensimmäisen säteilevän elementin välissä on materiaalia, jonka dielektrisyysker- • roin on suurempi kuin seitsemän, ja ylimmän säteilevän elementin päällä on anten nirakenteeseen kuuluvaksi suunniteltu kerros dielektristä materiaalia antenniraken- 7 112984 teen taajuusominaisuuksien muuttamiseksi.