FI118748B - Pala-antenni - Google Patents

Description

118748

Pala-antenni

Keksintö koskee antennia, jonka säteilijät ovat dielektrisen palan johdepinnoitteita. Pala on tarkoitettu asennettavaksi radiolaitteen piirilevylle, joka on osa koko an-tennirakennetta.

5 Pienikokoisissa radiolaitteissa, kuten matkapuhelimissa, antenni tai antennit sijoitetaan mieluiten laitteen kuoren sisälle, ja ne pyritään luonnollisesti tekemään mahdollisimman pieniksi. Sisäinen antenni on tavallisesti tasorakenteinen siten, että siihen kuuluu säteilevä taso ja tämän alapuolinen maataso. Myös esiintyy mo-nopoliantennin muunnosta, jossa maataso ei ole säteilevän tason alla vaan kau-10 empana sivulla. Molemmissa tapauksissa antennin kokoa voidaan pienentää valmistamalla säteilevä taso dielektrisen kappaleen pinnalle sen sijaan, että se olisi ilmaeristetty. Mitä suurempi on materiaalin dielektrisyys, sitä pienempi fyysisesti on tietyn sähköisen koon omaava antennielementti. Antennikomponentista tulee piirilevylle asennettava pala (chip). Haittana tällaisesta antennin koon pienentämi-15 sestä on kuitenkin häviöiden kasvu ja siten hyötysuhteen huonontuminen.

Kuvassa 1 on julkaisuista EP 1 162 688 ja US 6 323 811 tunnettu pala-antenni, jossa dielektrisen substraatin 110 yläpinnalla on rinnakkain kaksi säteilevää elementtiä. Ensimmäinen elementti 120 on kytketty syöttöjohtimella 141 syöttävään .... lähteeseen ja toinen elementti 130, joka on parasiittinen elementti, maajohtimella !..* 20 143 maahan. Elementtien resonanssitaajuudet voidaan järjestää hiukan eri suurik- • · · si kaistan leventämiseksi. Syöttöjohdin ja maajohdin ovat dielektrisen substraatin • · · eräällä sivupinnalla. Samalla sivupinnalla on syöttöjohtimesta 141 haarautuva so-vitusjohdin 142, joka on toisesta päästään kytketty maahan. Sovltusjohdin ulottuu φ niin lähelle parasiittielementin maajohdinta 143, että niiden välillä on merkittävä 25 kytkentä. Tämän kytkennän kautta syötetään parasiittielementtiä 130 sähkömag-neettisesti. Syöttöjohdin, sovitusjohdin ja parasiittielementin maajohdin muodosta-··· vat yhdessä syöttöpiirin, jonka liuskajohtimia muotoilemalla voidaan hakea optimia • ·φ· .···. antennin sovitukselle sekä vahvistukselle. Säteilevien elementtien välissä on viis- φ φ *·] tosti substraatin yläpinnan poikki kulkeva rako 150, ja elementtien avoimissa päis- *·:·: 30 sä, ts. syöttöpuolelta katsottuna vastakkaisissa päissä, on substraatin sivupinnalle φ φ φ ulottuvat laajennukset. Tällaisella muotoilulla syöttöpiirin rakenteen ohella pyritään φ :***; järjestämään elementtien virrat ortogonaalisiksi, jotta elementtien resonanssit eivät φ φ t heikentäisi toisiaan.

φ φ φ φ

Edellä kuvatun antennirakenteen haittana on, että syöttöpiirin optimoinnista huoli-35 matta dielektriseen substraattiin syntyy häviöitä lisääviä, säteilyn kannalta hyödyt- 2 118748 tömiä aaltomuotoja. Antennin hyötysuhde on siksi epätyydyttävä. Lisäksi antenni jättää toivomisen varaa, jos vaaditaan suhteellisen tasaista säteilykuviota eli ym-pärisäteilevyyttä.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja.

5 Keksinnön mukaiselle pala-antennille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Antenniin kuuluu kaksi säteilevää elementtiä dielektrisen substraattipalan pinnalla. Ne ovat samankokoisia ja ovat symmetrisiä 10 siten, että kumpikin peittää suorakulmaisen palan vastakkaisista päädyistä toisen ja osan yläpintaa. Yläpinnan keskelle elementtien väliin jää poikittainen rako, jonka yli elementeillä on sähkömagneettinen kytkentä keskenään. Piirilevyllä, jolle pala-komponentti asennetaan, ei ole maatasoa palan alla eikä sivuilla määrätylle etäisyydelle saakka. Toisen säteilevän elementin alareuna kytkeytyy galvaanisesti pii-15 rilevyllä olevaan antennin syöttöjohtimeen ja toisesta kohdasta maatasoon. Vastakkaisen säteilevän elementin eli parasiittielementin alareuna taas kytkeytyy galvaanisesti vain maatasoon. Parasiittielementti saa syöttönsä mainitun sähkömagneettisen kytkennän kautta, ja molemmat elementit resonoivat käyttötaajuudella yhtä voimakkaasti.

• t 20 Keksinnön etuna on, että sen mukaisen antennin hyötysuhde on hyvä huolimatta v ·* dielektrisestä substraatista. Tämä johtuu antennin yksinkertaisesta rakenteesta, :Y: joka tuottaa selkeän virtajakauman säteilevissä elementissä ja vastaavasti yksin- :***: kertaisen kenttäkuvan substraatissa ilman "ylimääräisiä" aaltomuotoja. Lisäksi keksinnön etuna on, että sen mukaisen antennin ympärisäteilevyys on erinomai-

Mf * ;**\ 25 nen, mikä johtuu symmetrisestä rakenteesta, maatason muotoilusta ja elementtien välisen kytkennän luonteesta. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukaisen antennin sekä viritys että sovitus onnistuvat ilman erilliskomponentteja muuttamal-la säteilevien elementtien välisen raon leveyttä sekä muotoilemalla yksinkertaisesti · '·”* piirilevyn johdekuviota palakomponentin lähellä. Edelleen keksinnön etuna on, että : 30 sen mukainen antenni on hyvin pienikokoinen, yksinkertainen ja suhteellisen suu- ria kentänvoimakkuuksia kestävä.

·«« • · · • * *;*;* Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan • · · : ·* oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta pala-antennista, 3 118748 kuva 2 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta pala-antennista, kuva 3 esittää kuvan 2 antennirakenteeseen kuuluvaa piirilevyn osaa kääntöpuolelta, kuvat 4a,besittävät toista esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin palakom-5 ponentista, kuva 5 esittää kokonaista antennia, jossa on kuvan 4a mukainen palakomponentti, kuva 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen, matkapuhelimeen sijoitetun antennin suuntaominaisuuksista, 10 kuva 7 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksista ja kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen antennin hyötysuhteesta.

Kuva 1 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvassa 2 on esimerkki keksinnön mukaisesta pala-antennista. Antenniin 200 15 kuuluu dielektrinen substraattipala ja tämän pinnalla kaksi säteilevää elementtiä, joista toinen on kytketty antennin syöttöjohtimeen ja toinen on sähkömagneettises- ti syötetty parasiittielementti, kuten kuvan 1 tunnetussa antennissakin. Kyseisillä antenneilla on kuitenkin useita rakenteellisia ja toiminnallisia eroja. Keksinnön mu- .·:·! kaisessa antennissa mm. säteileviä elementtejä erottava rako on elementtien • · · 20 avoimien päiden välillä eikä sivureunojen välillä, ja parasiittielementti saa syöttön- • · sä raon yli vallitsevan kytkennän kautta eikä syöttö- ja parasiittielementin maajoh- *·*;' timen välisen kytkennän kautta. Antennin 200 ensimmäinen säteilevä elementti • · · *;;; 220 käsittää pitkulaisen suorakulmaisen substraatin 210 yläpintaa osaksi peittävän *···: osan 221 ja substraatin toisen päädyn peittävän päätyosan 222. Toinen säteilevä 25 elementti käsittää symmetrisesti substraatin yläpintaa osaksi peittävän osan 231 ja vastakkaisen päädyn peittävän päätyosan 232. Kumpikin päätyosa 222 ja 232 jat- kuu hieman substraatin alapinnan puolelle muodostaen näin elementin kontakti- . X pinnan sen kytkentää varten. Yläpinnan keskelle elementtien väliin jää rako 260, • · · jonka yli elementeillä on sähkömagneettinen kytkentä keskenään. Rako 260 ulot-**;** 30 tuu substraatin poikittaissuunnassa kohtisuorasi! substraatin toisesta sivupinnasta ϊ...: toiseen.

M · • · · •

Palakomponentti 201 eli substraatti säteilijöineen on kuvassa 2 piirilevyllä PCB tämän reunassa ja alapinta piirilevyä vasten. Antennin syöttöjohdin 240 on liuska- 4 118748 johdin piirilevyn yläpinnalla, ja se muodostaa yhdessä maatason eli signaalimaan GND ja piirilevymateriaalin kanssa määrätyn impedanssin omaavan syöttöjohdon. Syöttöjohdin 240 liittyy galvaanisesti ensimmäiseen säteilevään elementtiin 220 tämän kontaktipinnan tietyssä kohdassa. Toisessa kohtaa kyseistä kontaktipintaa 5 ensimmäinen säteilevä elementti liittyy galvaanisesti maatasoon GNO. Substraatin vastakkaisessa päässä toinen säteilevä elementti 230 liittyy kontaktipinnastaan galvaanisesti maajohtimeen 250, joka on laajemman maatason GND uloke. Maa-johtimen 250 leveys ja pituus vaikuttavat välittömästi toisen elementin sähköiseen pituuteen ja sitä kautta koko antennin ominaistaajuuteen. Tästä syystä maajohdin-10 ta voidaan käyttää antennin virityselimenä.

Antennin viritykseen vaikuttaa maatason muotoilu muiltakin osiltaan sekä säteilevien elementtien välisen raon 260 leveys d. Palakomponentin 201 alla ei ole maa-tasoa, ja palakomponentin sivulla maataso on siitä tietyllä etäisyydellä s. Mitä suurempi etäisyys, sitä pienempi ominaistaajuus. Raon leveyden d suurentaminen 15 taas suurentaa antennin ominaistaajuutta. Etäisyys s vaikuttaa lisäksi myös sen impedanssiin. Tästä syystä antenni voidaan sovittaa hakemalla optimaalinen maatason etäisyys palakomponentin pitkästä sivusta. Lisäksi maatason poistaminen palakomponentin sivulta parantaa antennin säteilyominaisuuksia, kuten ympä-risäteilevyyttä.

. 20 Molemmat säteilevät elementit muodostavat käyttötaajuudella substraatin, toisten- sa ja maatason kanssa neljännesaaltoresonaattorin. Edellä kuvatusta rakenteesta • ti ;’/ johtuen resonaattorien avoimet päät ovat vastakkain raon 260 erottamina, ja mai- :.v nittu sähkömagneettinen kytkentä on selvästi kapasitiivinen. Raon leveys d mitoi- tetaan niin, että molempien säteilijöiden resonanssit ovat voimakkaita ja että sub-„;·* 25 straatin dielektriset häviöt minimoituvat. Optimileveys on esimerkiksi 1,2 mm ja sopiva vaihtelualue esimerkiksi 0,8-2,0 mm. Rakenteella päästään keraamisubst-raattia käytettäessä hyvin pieneen kokoon. Taajuusalueella 2,4 GHz toimivan Bluetooth-antennin palakomponentti on mitoiltaan esimerkiksi 2x2x7 mm3 ja taa-.···. juudella 1575 MHz toimivan GPS-antennin (Global Positioning System) palakom- *" 30 ponentti esimerkiksi 2x3x10 mm3.

φ · · • · * ···

Kuvassa 3 on kuvan 2 antennirakenteeseen kuuluvan piirilevyn osa alapuolelta *·· nähtynä. Kuvaan on merkitty katkoviivoilla piirilevyn PCB toisella puolella oleva pa- • · lakomponentti 201. Samoin katkoviivoilla on merkitty syöttöjohdin 240, maajohdin • ·* 250 ja syöttöjohtimen puoleisessa päädyssä palakomponentin alle tämän kontak- 35 tipintaan ulottuva maaliuska 251. Piirilevyn alapinta on suurelta osin maatasoa GND. Maataso puuttuu levyn kulmauksesta alueelta A, joka kattaa palakomponen- 5 118748 tin Kohdan ja palakomponentista sen pituuden levyisenä tietylle etäisyydelle s ulottuvan alueen.

Kuvassa 4a on toinen esimerkki keksinnön mukaisen antennin palakomponentista. Komponentti 401 on pääosin samanlainen kuin kuvassa 2 esitetty komponentti 5 201. Erona on, että säteilevät elementit ulottuvat nyt komponentin päissä sub straatin 410 sivupinnoille, ja substraatin päädyt ovat suurimmalta osalta paljaana. Niinpä ensimmäinen säteilevä elementti 420 käsittää substraatin yläpintaa osaksi peittävän osan 421, substraatin eräässä kulmauksessa olevan osan 422 ja saman päädyn toisessa kulmauksessa olevan osan 423. Kulmauksissa olevat osat 422 ja 10 423 ovat osaksi substraatin sivupinnan puolella ja osaksi päätypinnan puolella. Ne jatkuvat hieman substraatin alapinnan puolelle muodostaen näin elementin kontaktipinnan sen kytkentää varten. Toinen säteilevä elementti 430 on samanlainen kuin ensimmäinen, sijaiten tähän nähden symmetrisesti. Kulmauksissa olevat säteilevien elementtien osat voivat luonnollisesti myös rajoittua vain substraatin sivu-15 pinnoille tai vain toiselle sivupinnalle. Jälkimmäisessä tapauksessa sivupintaa kulkeva johdepäällyste jatkuu komponentin kummassakin päässä sen alla koko päädyn matkan.

Kuvassa 4b on kuvan 4a palakomponentti 401 alhaalta päin. Siinä näkyy substraatin 410 alapinta ja tämän nurkissa mainittuina kontaktipintoina toimivat johde-. 20 täplät. Substraatin ensimmäisessä päässä olevista johdetäplistä toinen on tarkoi- *;./ tettu kytkettäväksi antennin syöttöjohtimeen ja toinen maatasoon GND. Substraa- • ♦ · tin toisessa päässä olevista johdetäplistä molemmat on tarkoitettu kytkettäväksi :.v maatasoon.

··· • · • · *··

Kuvassa 5 on kuvien 4a ja 4b mukainen palakomponentti piirilevylle asennettuna !···, 25 niin, että muodostuu kokonainen antenni 400. Piirilevystä näkyy vain pieni osa.

Palakomponentti 401 ei sijaitse nyt piirilevyn reunassa, minkä vuoksi sen molem-. millä sivuilla on maaton alue tietylle etäisyydelle s saakka. Antennin syöttöjohdin **;! 440 kytkeytyy palakomponenttlin tämän alapinnan yhdessä nurkassa, ja maataso *···* ulottuu muihin nurkkiin kuvaa 4b vastaavasti.

« · · • · · il! 30 Kuvassa 6 on esimerkki keksinnön mukaisen, matkapuhelimeen sijoitetun anten-*·"’ nin suuntaominaisuuksista. Antenni on mitoitettu biuetooth-järjestelmää varten.

Kuvassa on kolme suuntakuviota. Suuntakuvio 61 esittää antennivahvlstusta XZ-:*·]: tasossa, suuntakuvio 62 YZ-tasossa ja suuntakuvio 63 XY-tasossa, kun X-akseli on palakomponentin pituussuunta, Y-akseli on palakomponentin korkeussuunta ja 35 Z-akseli on palakomponentin poikittaissuunta. Kuvioista nähdään, että antenni lä- 6 118748 hettää ja vastaanottaa kaikissa tasoissa ja kaikissa suunnissa hyvin. Varsinkin XY-tasossa kuvio on tasainen. Kahdessa muussakin on vain noin 10 dB:n kuoppa noin 45 asteen levyisessä sektorissa. Suuntakuvioille tyypillisiä täysin "pimeitä" sektoreita ei ole lainkaan.

5 Kuvassa 7 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin kaistaominaisuuksista. Siinä on heijastuskertoimen S11 kuvaaja taajuuden funktiona. Kuvaaja on mitattu samasta Bluetooth-antennista kuin kuvan 6 kuviot. Jos rajataajuuden kriteerinä käytetään heijastuskertoimen arvoa -6 dB, kaistanleveydeksi tulee noin 50 MHz, mikä suhteellisena arvona on noin 2%. Toiminta kaista n keskellä, taajuudella 2440 10 MHz, heijastuskerroin on hyvää sovitusta osoittava -17 dB. Smithin diagrammi osoittaa antennin impedanssin olevan kaistan keskellä puhtaasti resistiivinen, kes-kitaajuuden alapuolella jonkin verran induktiivinen ja keskitaajuuden yläpuolella vastaavasti jonkin verran kapasitiivinen.

Kuvassa 8 on esimerkki keksinnön mukaisen antennin hyötysuhteesta. Hyötysuh-15 de on mitattu samasta Bluetooth-antennista kuin kuvien 6 ja 7 kuviot. Antennin toimintakaistan keskellä hyötysuhde on noin 0,44 ja pienenee siitä noin arvoon 0,3 mentäessä 25 MHz sivuun kaistan keskeltä. Hyötysuhde on huomattavan korkea ottaen huomioon, että kyseessä on dielektristä substraattia käyttävä antenni.

Tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa "pala-antenni" tarkoittaa 20 antennirakennetta, johon kuuluu itse palakomponentin lisäksi tätä ympäröivä • · · *·*/ maajärjestely ja antennin syöttöjärjestely. Määreet "ala-" ja "ylä-" viittaavat tässä :.v selostuksessa ja patenttivaatimuksissa antennin kuvissa 2 ja 4a esitettyyn ··· asentoon, eikä niillä ole tekemistä laitteiden käyttöasennon kanssa.

aaa "··. Edellä on kuvattu keksinnön mukaista pala-antennia. Sen rakenneosien muodot • a 25 voivat yksityiskohdissaan luonnollisesti poiketa esitetyistä. Keksinnöllistä ajatusta . voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

··· aaa • · • aaa * • · · • · a ·*· ··· • · • a aaa • ·· • a • a aaa aa a a a a a a a a

Claims (9)

1. 7 118748
2. 1. Radiolaitteen pala-antenni, jossa on dielektrinen substraatti (210; 410), jolla on ylä- ja alapinta, ensimmäinen ja toinen pääty sekä ensimmäinen ja toinen sivu, ja substraatin pinnalla ensimmäinen ja toinen säteilevä elementti, joiden välissä on 5 määrälevyinen rako (260), joka ensimmäinen säteilevä elementti (220; 440) on kytketty antennin syöttöjohtimeen (240; 440) ensimmäisessä kohdassa ja radiolaitteen maatasoon .(GND) toisessa kohdassa, ja toinen säteilevä elementti (230; 430) on kytketty kolmannessa kohdassa maajohtimeen (250) ja sitä kautta galvaanises-ti maatasoon, tunnettu siitä, että antennin häviöiden vähentämiseksi ja ympä-10 risäteilevyyden parantamiseksi ensimmäinen säteilevä elementti käsittää ensimmäistä päätyä peittävän osan (222) ja yläpintaa peittävän osan (221), ja toinen säteilevä elementti käsittää toista päätyä peittävän osan (232) ja yläpintaa peittävän osan (231) niin, että mainittu rako (260) on yläpinnan keskellä kohtisuorasti ensimmäisestä sivusta toiseen sivuun, jonka raon yli toinen säteilevä elementti on 15 järjestetty saamaan syöttönsä sähkömagneettisesti, ja mainitut ensimmäinen ja toinen kohta ovat substraatin alapinnalla sen ensimmäisen päädyn puoleisessa päässä ja mainittu kolmas kohta on substraatin alapinnalla sen toisen päädyn puoleisessa päässä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, jonka substraatin ja ensim- : 20 mäisen ja toisen säteilevän elementin muodostama palakomponentti (201) on piiri- .··*! levyllä (PCB) alapinta piirilevyä vasten, jolla piirilevyllä on radiolaitteen maatasoa · * (GND), tunnettu siitä, että syöttöjohdin (240) ja maajohdin (250) ovat liuskajohti-mia piirilevyn pinnalla ja maajohdin on samalla antennin virityselin. « · ···
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, jonka substraatin ja ensim-25 mäisen ja toisen säteilevän elementin muodostama palakomponentti (201) on piirilevyllä (PCB) tämän reunassa alapinta piirilevyä vasten, jolla piirilevyllä on radio-laitteen maatasoa (GND), tunnettu siitä, että maatason reuna on määrätyllä etäi- "··. syydellä (s) palakomponentista tämän sivun normaalin suunnassa antennin sovi- • · *" tuksen ja ympärisäteilevyyden parantamiseksi. • · • · · ··· .**·. 30 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, jonka substraatin ja ensim- .·] mäisen ja toisen säteilevän elementin muodostama palakomponentti (401) on piiri- • · [···* levyllä alapinta piirilevyä vasten, jolla piirilevyllä on radiolaitteen maatasoa (GND), : V tunnettu siitä, että maatason reuna on määrätyllä etäisyydellä (s) palakomponentista tämän molemmilla sivuilla näiden normaalin suunnassa 35 antennin sovituksen sovituksen ja ympärisäteilevyyden parantamiseksi. 8 118748
5. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, tunnettu siitä, että sekä ensimmäinen että toinen säteilevä elementti muodostaa käyttötaajuudella substraatin, vastakkaisen säteilevän elementin ja maatason kanssa neljännesaaltoreso-naattorin, joilla resonaattoreilla on sama ominaistaajuus.
6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, tunnettu siitä, että rako (260) on järjestetty leveydeltään (d) antennin dielektrisiä häviöitä minimoivaksi.
7. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen pala-antenni, tunnettu siitä, että raon leveys on välillä 0,8 mm-2,0 mm.
8. 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, tunnettu siitä, että ensimmäi-10 nen säteilevä elementti (421) käsittää lisäksi substraatin (410) ensimmäisen päädyn puoleisissa kulmauksissa mainittuja sivuja peittävät osat, ja toinen säteilevä elementti (430) käsittää lisäksi substraatin toisen päädyn puoleisissa kulmauksissa mainittuja sivuja peittävät osat.
9. 9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pala-antenni, tunnettu siitä, että dielektri-15 nen substraatti on keräämiä.