SE523191C2

SE523191C2 - En portabel kommunikationsapparat med en första och en andra antenn varvid den första antennens strålande del är integrerad med en display i en flerskiktsstruktur

Info

Publication number: SE523191C2
Application number: SE0003426A
Authority: SE
Inventors: Zhinong Ying
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2004-03-30
Also published as: SE0003426L; SE0003426D0; US20020036593A1; US6697020B2

Description

ß 20 25 30 523 191 _, __ o2o125E;\PUBL1c\Doc\P\187413454100v., = -. .:I' E c > 0... u-.». a blivit mindre fördelaktiga. Följaktligen är några samtida mobiltelefoner försedda med inbyggda antenner i form av ett tryckt mönster av ledande material. Mikroremsantenner och (PIFA) antenner. De är fördelaktiga jämfört med ovan beskrivna plana inverterade F-antenner är exempel pà sàdana konventionella antenner i termer av liten storlek och låg vikt. Dà mobiltelefoner emellertid blir mindre och mindre blir konventionella mikroremsantenner såväl som konven- tionella PIFA-antenner fortfarande för stora att passa inuti ett miniatyriserat mobiltelefonchassi. Detta förvän- tas bli ett problem speciellt för nya generationer av mobiltelefoner, som kommer att använda multipelantenner för såsom cellulär telekommunikation, (GPS) olika ändamål, till trådlösa LAN, slag. access satellitkommunikation och olika Olika angreppssätt har föreslagits för att reducera storleken hos en inbyggd antenn. I WO 96/27219 föreslås en meanderformad inverterad F-antenn, som medger en reduktion av antennstorleken till omkring 40% av storleken hos en konventionell PIFA-antenn.

WO 00/03453 föreslår en tryckt spiralantenn i minia- tyr anordnad att byggas in i en mobil terminal. Antenn- anpassning àstadkoms genom en anpassningsbrygga anordnad mellan ett matningsben och en jordpinne. Storleken hos denna antenn är 20-30% av storleken hos en konventionell PIFA-antenn.

För att sammanfatta ovanstående är ett problem med moderna mobiltelefoner och liknande portabel kommunika- tionsutrustning att den miniatyriserade apparatstorleken begränsar ytarean tillgänglig för en inbyggd antenn. Pro- blemet är speciellt uttalat för en mobiltelefon med multi- pelantenner. Några framtida mobiltelefoner tros erbjuda (såsom GPS) till traditionell cellulär telekommunikation och möjligtvis satellitnavigationsfunktionalitet som tillägg 10 15 20 25 30 35 5 2 5 191 ;";-'f: o2o12sE;\PUBL1c\Doc\P\1s74134s.d0c v. - = = 3 trådlös access till lokala nätverk (LAN) såväl som funk- tionalitet av olika slag.

Problemet att passa in en inbyggd GPS-antenn i en miniatyriserad mobiltelefon accentueras av det faktum att GPS-antennen behöver någon isolation från den cellulära antennen. Dessutom kräver GPS-funktionaliteten en mer riktad antenn än en normal rundstràlande cellulär antenn.

Eftersom GPS arbetar vid 1,57 GHz är våglängden dessutom omkring 21 cm. Därför blir en GPS-antenn för halvvàgor i det fria omkring 10 cm stor.

Uppfinningen Föreliggande uppfinning eftersträvar att lösa ovan angivna problem framlagda ovan, när en miniatyriserad portabel kommunikationsapparat skall förses med en inbyggd antenn, för vilken det är svårt att finna tillräcklig till- gänglig ytarea i apparaten. Mera speciellt är det ett ända- mål med föreliggande uppfinning att tillåta en miniatyrise- rad mobiltelefon att inkludera en fullt fungerande GPS- antenn, som inte interfererar med den cellulära antennen och inte tar upp någon extern synlig ytarea hos mobiltele- fonen.

Ovan angivna ändamål har åstadkommits genom en inte- grerad display- och antennanordning med en flerskiktsstruk- tur, där displayen (företrädesvis en LCD) är anordnad vid ett övre skikt och ett plant patchantennelement är fäst bakom displayen såsom ett undre skikt. Flerskiktsstrukturen omfattar företrädesvis ett ljusledande skikt anordnat att belysa displayskiktet, såväl som ett dielektriskt antenn- substrat, på vilket patchantennelementet bärs upp. Fler- skiktsstrukturen omfattar företrädesvis också ett antenn- matningsskikt med ett matningsben, kopplat till GPS-radio- kretsar i mobiltelefonen, såväl som en jordanpassnings- pinne. Antennmatningsskiktet kan alternativt innefatta två matningsben, som är anslutna i en effektdelarkonfiguration uno... 10 U 20 25 30 | e ø | .u 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874134s.doc vo H av en-till-tvá-mikroremstyp, sà att de tvà matningsstiften får en fasdifferens om 90°, för att uppnå cirkulär polari- sation.

Det dielektriska substratskiktet kan dessutom inne- fatta en dielektrisk stomme i form av ett gitter, varvid den dielektriska konstanten kan varieras beroende på det valda materialet för den dielektriska stommen såväl som gittertätheten. Detta kommer att medge att resonansfrekven- sen hos patchantennelementet avstäms till den lämpliga fre- kvensen (exempelvis GPS-frekvensen vid 1,57 GHz).

Dessa och andra ändmàl med föreliggande uppfinning blir uppenbara den följande detaljerade beskrivningen av föredragna och alternativa utföringsformer från de bifogade ritningarna sàväl som frän kraven.

Det skall poängteras att när termen "inne- fattar/innefattande" används i denna beskrivning är det för att specificera förekomsten av särdrag, enheter, steg eller komponenter men utesluter inte förekomsten av tillägg av en eller flera andra särdrag, enheter, steg, komponenter eller grupper därav.

Kort beskrivning av ritningarna Föredragna och alternativa utföringsformer av uppfin- ningen blir uppenbara frän den följande detaljerade be- skrivningen, varvid hänvisning görs till de bifogade rit- ningarna, pà vilka Fig l är en schematisk vy framifrån av en portabel kommunikationsapparat enligt den föredragna utförings- formen, såväl som omgivningen, i vilken den är anordnad att fungera, Fig 2 är en schematisk tvärsnittsvy fràn sidan av den portabla kommunikationsapparaten visad i FIG l, Fig 3 är ett schematiskt blockdiagram av den portabla kommunikationsapparaten visad i figurerna 1 och 2, 523 191 10 ß 20 25 30 35 525 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874l34s.doc vo - . o v | u v . u a . 5 Fig 4 är en schematisk sektionsvy i perspektiv av en kombinerad display- och antennanordning i den portabla kommunikationsapparaten enligt figurerna 1-3, Fig 5 illustrerar en detalj av den kombinerade dis- playen och antennen visad i fig 4, Fig 6 visar en annan detalj i fig 4, Fig 7 är en schematisk sektionsvy i perspektiv av en kombinerad display- och antennanordning enligt en alterna- tiv utföringsform, Fig 8 illustrerar en detalj av utföringsformen visad i fig 7 och Fig 9 illustrerar en annan detalj av utföringsformen i fig 7.

Detaljerad beskrivning Figurerna 1 och 2 illustrerar en mobiltelefon 10 sedd framifrån respektive från sidan. Huvudkomponenterna hos mobiltelefonen 10 illustreras ytterligare i ett blockdia- gram i fig 3. Mobiltelefonen 10 har ingen yttre monterad antenn; istället har telefonen en inbyggd cellulär antenn 21, som är monterad pà ett kretskort 20. En cellulär radio- transceiver 22 är också monterad pà kretskortet 20 och är elektriskt kopplad till den cellulära antennen 21 via lämpliga ledningsmönster eller lämplig ledningsdragning på kretskortet 20. På ett sätt, känt, kan mobiltelefonen upprätta en trådlös förbindelse 34 (basstation) 32 i ett mobilt telekommu- såsom GSM, UMTS eller D-AMPS. Detal- jerna hos den cellulära antennen 21 och den cellulära som i och för sig är allmänt med en radiostation nikationsnätverk 30, radiotransceivern 22 är inte väsentliga för uppfinningen; de kan realiseras genom kommersiellt tillgänglig utrustning beroende pà en aktuell tillämpning. Exempelvis kan den cellulära antennen 21 vara en patchantenn av mikroremstyp, etc. Den en PIFA-antenn, en meanderformad mikroremsantenn, cellulära antennen kommer att vara avstämd till det eller 10 U 20 25 30 35 523 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874134s.doc vo . | - - - v ~ » . ..

.- , . I , , « | n n | u.

E varje frekvensband som den är avsedd att arbeta i. Om exem- pelvis mobiltelekommunikationsnätverket 30 är ett GSM-nät- verk kommer den cellulära antennen 21 att vara avstämd för drift i 900 MHz bandet och alternativt 1800 MHz DCS-bandet och/eller 1900 MHz PCS-bandet.

Sà som framgàr av figurerna 1 och 2 innefattar mobil- telefonen 10 ett antal konventionella komponenter, såsom en högtalare 11, en uppsättning markörtangenter 13, en alfa- numerisk knappsats 14 och en mikrofon 15. Dessa komponenter anses inte behöva någon detaljerad beskrivning häri.

En display 12 är anordnad vid frontpartiet hos mobil- telefonen 10 mellan högtalaren 11 och markörtangenterna 13.

För en användare av telefonen framstår displayen 12 som en konventionell display, vilken presenterar grafisk informa- tion för användaren som en del av ett konventionellt använ- dargränssnitt. Enligt vad som framgår av fig 2 är emeller- tid displayen 12 de facto utformad som ett övre skikt i en flerskiktsstruktur 16, en motstáende sida därav jämfört med den cellulära antennen som är monterad pà kretskortet 20 på 21 och den cellulära radiotransceivern 22. Displayskiktet 12 är kopplat via ledningsdragning 17 till en displaydriv- krets 18, vad som mera klart kommer att framgà fràn den följande be- som också är monterad pà kretskortet 20. Enligt skrivningen innefattar flerskiktsstrukturen 16 inte bara displayen 12 utan också en satellitantenn för att upprätta en satellitförbindelse 44 med en GPS-satellit 42.

Satellitantennen innefattar ett patchantennelement, som bildar ett skikt i flerskiktsstrukturen 16. Satellit- antennen är kopplad till en satellitradio 19, som är anord- nad intill flerskiktsstrukturen 16 pà kretskortet 20.

Flerskiktsstrukturen 16 utgör följaktligen en kom- binerad display- och satellitantennanordning för mobiltele- fonen 10. Placeringen av den cellulära antennen 21 på bak- sidan av mobiltelefonen 10 medger att denna antenn fungerar bra, när telefonen hålls av användaren i ett traditionellt 10 U 20 25 30 35 523 191;;§ﬁfïï§@} 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874134s.doc v<> ' ' ' ' " ? talläge. Den integrerade GPS-antennen är anordnad bakom displayen vid fronten av mobiltelefonen 10 och uppvisar följaktligen god prestanda, när mobiltelefonen 10 hålls i ett horisontalläge och displayen 12 vetter uppåt.

En fördel med föreliggande uppfinning är att satellitantennen är osynlig från utsidan tack vare arrange- manget med patchantennelementet bakom displayskiktet i flerskiktsstrukturen 16.

Innan hänvisning görs till de återstående figurerna, som illustrerar den kombinerade display- och satellit- antennanordningen 16 mera i detalj, görs hänvisning till fig 3, vilken illustrerar ovanstående pà en generell nivå.

Enligt fig 3 innefattar mobiltelefonen 10 en huvudstyrenhet 22, styrenheten 22 kan realiseras med en kommersiellt tillgäng- som företrädesvis är anordnad på kretskortet 20. Huvud- lig mikroprocessor eller annan typ av programmerbara logik- kretsar. Huvudstyrenheten 22 är operativt förbunden med satellitradion 19, displaydrivkretsen 18 och den cellulära radion 22. Enligt vad som redan nämnts är satellitradion 19 kopplad till den integrerade display- och satellitantennen 16. Displaydrivkretsen 18 är dessutom även kopplad till den integrerade display- och satellitantennen 16 genom förut nämnda ledningsdragning 17. Den cellulära radion 22 är kopplad till den cellulära antennen 21, enligt vad som redan nämnts ovan.

Den föredragna utföringsformen av den integrerade display- och satellitantennen 16 kommer nu att beskrivas med hänvisning till figurerna 4-6. Enligt vad som visas i fig 4 är den kombinerade display- och satellitantennen utformad som en flerskiktsstruktur 16 med ett flytande kristall- (LCD) skikt 12 vid sin övre nivà. I den före- dragna utföringsformen utgörs sålund displayen av det översta skiktet av flytande kristaller. Ett ljusledande skikt 12a är beläget omedelbart under displayskiktet 12. Ändamålet med det ljusledande skiktet 12a är att ge belys- 10 Ü 20 25 30 35 523 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874l34s.doc vo . . ~ . - u ~ - n - nu B ning ät displayen 12. Ljusledarskiktet l2a är företrädesvis gjort av ett transparent material, såsom plast eller glas.

Ljusledarskiktet l2a är kopplat till en uppsättning lysdio- (LED) bakgrundsbelysning till displayen 12 genom det ljusledande skiktet 12a.

Därefter finns det i ett tredje skikt ett patch- antennelement 50, der eller annan ljuskälla, som är anordnad att ge som är gjort av ett ledande material sàsom koppar, silver eller guld. Patchantennelementet 50 uppbärs av ett dielektriskt substratskikt 52, som följs av ett antennmatningskretsskikt 54.

Storleken hos displayen 12 är företrädesvis lika med eller mindre än patchantennelementet 50. Satellitantenn- elementet 50 har en kvadratisk form i den föredragna ut- föringsformen. Storleken hos formen kan sträcka sig fràn exempelvis 3 cm till 10 cm beroende pà de dielektriska egenskaperna hos det underliggande dielektriska substrat- skiktet 52. I ett fall där det dielektriska substratskiktet 52 har en dielektrisk konstant sr huvudsakligen lika med 1, blir storleken hos patchantennelementet 50 omkring 10 cm för att fungera som en halvvågsantenn för GPS-satellitkom- munikation i 1,57 GHz frekvensbandet.

Det dielektriska substratskiktet 52 illustreras mera i detalj i fig 5. Skiktet 52 innefattar en dielektrisk stomme med formen hos ett gitter eller galler. Gittret 52 innefattar ett flertal dielektriska ribbor 56, som sträcker sig i tvà vinkelräta riktningar parallellt med patch- antennelementet 50. Den dielektriska gitterstommen 52 kan företrädesvis vara gjord av teflon, noryl eller polystyren.

De kubiska volymerna 58 formade mellan ribborna 56 inne- fattar företrädesvis inget annat än luft. Den ekvivalenta dielektriska konstanten sr hos hela det dielektriska sub- stratskiktet 52 kan varieras genom att välja olika di- elektriska material för stommen och även genom att variera gittertätheten, dvs avstànden mellan närliggande ribbor 56. 10 ß 20 25 30 35 523 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874l34s.doc vo u . . - . > n ~ . n o . . n ~ f» 5 Följaktligen är det möjligt att stämma av resonansfrekven- sen hos patchantennelementet för att ske inom det önskade dvs GPS-bandet vid 1,57 GHz. ger en ekvivalent dielektrisk konstant sr > 1 en minskning frekvensbandet, Dessutom med- av patchantennelementet till en storlek mindre än 10 cm, företrädesvis 3-10 cm.

Antennmatningsnätverksskiktet 54 illustreras mera i detalj i fig 6 och innefattar en ett-till-tvà-mikrorems- effektdelare med en första arm 62 och en andra arm 64. De tvà armarna 62 och 64 är gemensamt kopplade till en RF- anslutning 60, som är kopplad till satellitradion 19. Ett första matningsben 66 är kopplat till en ände av den första armen 62 och skjuter ut i en vertikal riktning vinkelrätt mot skiktet 54 och mikroremsarmen 62. Ett andra matningsben 68 är pà motsvarande sätt anordnat vid en ände av den andra mikroremsarmen 64. Matningsbenen 66, det dielektriska substratskiktet 52 (det dielektriska ram- 68 skjuter ut genom verksgittret) och är kopplade till patchantennelementet 50.

De tvä matningsbenen 66, 68 är anordnade att mata respek- tive satellitradiosignaler, som har 90° fasförskjutning, som skapar den cirkulära polarisationen hos satellit- patchantennelementet 50.

Antennmatningsnätverksskiktet 54 är företrädesvis antingen anordnat direkt pà ytan hos kretskortet 20 eller formar skiktet 54 en del av ytan hos kretskortet 20. Mat- ningsbenen 66, 68 kan realiseras såsom metallkänguruben.

En alternativ utföringsform av uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till figurerna 7-9. Enligt vad som visas i fig 7 utgörs den kombinerade display- och satellitantennen av en flerskiktsstruktur 16 med ett flytande kristall- (LCD) skikt 12 vid sin övre nivà, pä ett liknande sätt som ovan nämnda beskrivna föredragna utför- ingsform. Ett ljusledande skikt l2a är anordnat omedelbart under displayskiktet 12. Så som i den föredragna utförings- formen är ändamàlet med det ljusledande skiktet l2a att 10 15 20 25 30 35 523 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874134s.doc vo . . . . . . . __ u. ' . . ~ . u LU förse displayen 12 med ljus. Det ljusledande skiktet l2a är företrädesvis gjort av ett genomskinligt material, såsom plast eller glas. Det ljusledande skiktet 12a är kopplat till en uppsättning lysdioder (LED) eller andra ljuskällor, som är anordnade att förse displayen 12 med bakgrundsljus genom det ljusledande skiktet l2a.

Ett patchantennelement 70, som är gjort av ett ledan- de material såsom koppar, silver eller guld är anordnat under displayen 12 och ljusledaren l2a. Patchantennelemen- tet 70 uppbärs av ett dielektriskt substratskikt 72, som följs av ett antennmatningsskikt 74.

Det dielektriska substratskiktet 72 illustreras mer i detalj i fig 8. Antennmatningsskiktet 74 illustreras mer i detalj i fig 9.

Enligt vad som visas i fig 9 innefattar antennmat- ningsskiktet 74 ett matningsben 84, vars ena ände är kopp- lad till en RF-anslutning 86, satellitradion 19. Antennmatningsskiktet 74 innefattar även som i sin tur är kopplad till en anpassningspinne 82, som är jordad i sin ena ände, så som visas i fig 9. De motstàende ändarna hos matningsbenet 84 och anpassningspinnen 82 (de övre ändarna som visas i fig 9) (så som indikeras med 78 och 76 i fig 8) och är kopplade skjuter fram genom det dielektriska substratet 72 till patchantennelementet 70. Matningsbenet 84, 78 och anpassningspinnen 82, 76 realiseras företrädesvis som genomgående metallhàl. De kan alternativt realiseras som metallkänguruben. Resonansfrekvensen hos patchantennelemen- tet 70 kan stämmas av med avståndet 80 mellan matningsbenen 84, 78 och anpassningspinnen 82, 76, så som indikeras i fig 8. Planet, i vilket matningsbenet och anpassningspinnen är anordnade, skall följa med långsidan av displayen och skall dessutom vara vinkelrät mot displaydrivkretsen 18, för att minimera interferens mellan displaydrivkretsen och patch- antennelementet. Detta är speciellt fördelaktigt i ett fall där displaydrivkretsen 18 inte är anordnad på ett avstånd 10 523 191 020125E:\PUBLIC\DOC\P\1874134s.doc v<> . . - ~ . . nu n ° ' . . - . u ll fràn display/antennstrukturen (sà som i fallet i fig 2) men är istället anordnad i nära anslutning till displayen 12 hos flerskiktsstrukturen 16.

Föreliggande uppfinning har beskrivits ovan med hän- visning till nágra utföringsformer. Andra utföringsformer än de ovan angivna är emellertid lika möjliga inom upp- finningstanken, vilken bäst definieras genom de bifogade oberoende kraven.

Claims

10 15 20 25 30 35 03 1 103\\CURREN'I“\DB\P\1874 Ericsson\P\l34\se\1874l 34_03 1 103_s1utﬁ5rel_ändrade_krav_och_sammandrag.doc vo ll PATENTKRAV (10) med en display 12 och en första antenn med en plan strålande del (50; 70) (21) med ett mobilkommunikationsnätverk (12) hos den första antennen är integrerad i en flerskiktsstruktur (16).

1. En portabel kommunikationsapparat anordnad att kommunicera (30), och den plana strålande delen och en andra antenn kännetecknad av att displayen (50; 70)

2. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 1, varvid den plana strålande delen (50; 70) är ett patch- antennelement.

3. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 2, varvid displayen (12) innefattar ett skikt av flytande kristaller.

4. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 3, som dessutom innefattar en plan ljusledande del 12a anord- (12) (50; nad mellan displayen och den strålande delen 70).

5. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 4, som dessutom innefattar ett dielektriskt substrat (52; 72), vilket bär upp den strålande delen (50; 70).

6. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 5, varvid det dielektriska substratet innefattar en di- elektrisk stomme (52) i form av ett gitter.

7. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 6, som dessutom innefattar: radiokretsar (19, 60) och ett antennmatningsnätverk (54) med första och andra mikroremsarmar (62, 64), som är kopplade vid varsin första 10 15 20 031 103\\CURRENT'\DB\P\1874 Ericsson\P\ 1 34\se\1874l 34_03 1 103_s1utfórel_ändrade_krav_och_sammandrag.doc vo 13 ände till radiokretsen och vid varsin andra ände till var- sitt matningsben (66, 68), varvid matningsbenen skjuter (52) (50). fram genom det dielektriska substratet och är kopplade till patchantennelementet

8. En portabel kommunikationsapparat enligt krav 5, som dessutom innefattar: 86), (84), kopplat till patchantennelementet radiokretsar (19, som vid en första ände är (70) ände är kopplat till radiokretsar och (82) kopplad till patchantennelementet ett matningsben och vid en andra som vid en första ände är (70) en anpassningspinne och är jordad vid en andra ände.

9. En portabel kommunikationsapparat enligt nàgot av föregående krav, varvid den första antennen är anpassad för satellitkommunikation i ett 1,57 GHz frekvensband.

10. En portabel kommunikationsapparat enligt nàgot av föregående krav, varvid apparaten är en mobiltelefon.