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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Antennen-Anordnung
und insbesondere eine Konstruktion für eine Antennen-Anordnung für ein zellulares
Telefon, die für
den Benutzer sicher ist.
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Jüngste Zeitungs-,
Funk- und Fernseh-Berichte publizieren die Möglichkeit von Gefahren von
den gegenwärtigen
Zellulartelefon-Antennenkonstruktionen. Die gegenwärtigen Antennenkonstruktionen
sind Veränderungen
eines Halbwellenlängen-Dipols
oder eines Viertelwellenlängen-Monopols
auf einer Masseebene mit der Verwendung von induktiven Spulen und/oder
einer kapazitiven oberen Belastung, um die Länge der Antenne zu verringern
und eine zufriedenstellende Impedanzanpassung zu erzielen. Diese
Konstruktionen führen alle
eine Rundabstrahlung in der Azimutebene durch, was bedeutet, dass
der Kopf des Benutzers und somit das Gehirn, mit einer Menge einer
elektromagnetischen (EM) Strahlung bestrahlt wird, die gleich zu
derjenigen in jeder anderen Richtung im Azimut ist, was unsicher
sein kann, insbesondere bei einer wiederholten Aussetzung.
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Veröffentlichte
Studien haben gezeigt, dass die Krümmung von Schädelknochen
und Gehirnmasse sich zu einem gewissen Teil auf eine einfallende
EM Strahlung fokussiert, was „heiße Punkte" („hot spots") innerhalb des Gehirns
erzeugt. Seit kurzem haben sich die Medien auf das mögliche erhöhte Risiko
für einen Benutzer
hinsichtlich einer Entwicklung eines Gehirntumors konzentriert.
Jedoch sind auch andere medizinische Probleme möglich, einschließlich eines
erhöhten
Risikos eines Herzschlags, der Parkinson Krankheit und des Alzheimer
Syndroms.
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Somit
besteht eine Notwendigkeit für
eine Zellulartelefon-Antennenkonstruktion, die die Strahlung in der
Nähe eines
Kopfs des Benutzers verkleinert und deshalb für den Benutzer sicherer ist.
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Die
US-A-5539419, die WO 99/56342A und die WO 94/14208 offenbaren Antennenordnungen,
wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, um eine Strahlung
zu dem Benutzer zu verringern.
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In Übereinstimmung
mit Aspekten der Erfindung wird eine Antennen-Anordnung, die für einen
Benutzer einer elektronischen Kommunikationseinrichtung, beispielsweise
eines Zellulartelefons, noch sicherer ist, offenbart und wird im
Anspruch 1 beansprucht.
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In
bevorzugten Ausbildungen der Erfindung ist der Feldumleiter aus
einem zweiten aktiven Element, welches dem ersten aktiven Element
gegenüberliegt
(z. B. im Wesentlichen parallel dazu ist), gebildet. Vorzugsweise
sind das Paar von aktiven Elementen (d. h. das erste aktive Element
und das zweite aktive Element) im Wesentlichen identisch zueinander,
zum Beispiel sind beide Monopol-Antennen oder beide sind Dipol-Antennen.
In verschiedenen Ausführungsformen
ist das Paar von aktiven Elementen ausziehbar. In anderen Ausführungsformen
wird das Paar von aktiven Elementen aus dem Gehäuse extrahiert. Es gibt eine
90-Grad Phasendifferenz zwischen den zwei aktiven Elementen.
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In
zweckdienlicher Weise werden das Paar von aktiven Elementen von
einem aktiven Verbindungselement (z. B. einem Arm) verbunden. Vorzugsweise
ist das aktive Verbindungselement drehbar, so dass das zweite aktive
Element sich um das erste aktive Element dreht. In verschiedenen
Ausführungsformen
ist das aktive Verbindungselement ausfahrbar. Das aktive Verbindungselement
umfasst einen Leistungsteiler, der Leistung von dem Kommunikationsanschluss
im Wesentlichen gleich zwischen dem Paar von aktiven Elementen aufsplittet,
sodass das Paar von aktiven Elementen Eingangsspannungen aufweisen,
die in der Amplitude gleich sind.
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Es
kann auch ein inaktives Verbindungselement vorhanden sein, welches
dem aktiven Verbindungselement gegenüberliegt (z. B. im Wesentlichen
parallel dazu ist). Vorzugsweise ist das nicht aktive Verbindungselement
aus nicht-metallischen und/oder dielektrischen Materialien gebildet.
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Es
kann auch ein Sende-Freischaltschalter vorhanden sein, der nur betätigt werden
kann, wenn das zweite aktive Element in einer Sende-Arretierungsposition
ist. Es kann auch ein Sende-Abschaltschalter vorhanden sein, der Übertragungen
von der elektronischen Kommunikationseinrichtung abschaltet, wenn
das Paar von aktiven Elementen nicht richtig voneinander beabstandet
sind. Die Funktionalität
des Sende-Freischaltschalters
und des Sende-Abschaltschalters kann in einen einzelnen Schalter
kombiniert werden. Vorzugsweise ist die elektronische Kommunikationseinrichtung
immer in der Lage ein eintreffendes Signal (z. B. einen eintreffenden
Anruf) zu empfangen.
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Die
bevorzugte Antenne-Anordnung sendet in einem Azimutmuster, welches
eine Kerbe in der Nähe des
Gebiets einschließt,
wo der Kopf des Benutzers angeordnet ist, wobei dies die Feldisolationszone
definiert. Die Kerbe bildet einen Sektor von ungefähr 55 Grad,
in dem die Strahlung verringert ist (z. B. die Strahlung in dem
Sektor ist um wenigsten 20 dB verringert). Die Strahlung wird in
einem Gebiet weg von dem Kopf des Benutzers (um ungefähr 3 dB)
erhöht.
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Diese,
sowie andere Merkmale der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, ergeben sich näher
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein
herkömmliches
Zellulartelefon;
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2 eine Vorderansicht des
Zellulartelefons der 1;
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3 eine Draufsicht auf ein
Zellulartelefon mit einer Antenne, die in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform
gebildet ist;
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4 eine Vorderansicht des
Zellulartelefons der 3;
und
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5 eine Darstellung, die
die Azimutmuster für
einen einzelnen Dipol und für
das Antennensystem der vorliegenden Erfindung mit einer piktogrammartigen
Darstellung der Kopf- und
Telefonpositionen zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Antennensystem (z. B. für ein Zellulartelefon)
gerichtet, das eine EM Strahlung in Richtung auf den Kopf und das
Gehirn eines Benutzers um 20 dB oder mehr verringert. In beispielhaften
Ausführungsformen
ist die Antenne der vorliegenden Erfindung mit gegenwärtig konstruierten Telefonen
von jedem Zellulartelefon-Hersteller kompatibel, zum Beispiel einem
Zellulartelefon mit einer Dipolantenne.
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Die 1 und 2 zeigen beispielhafte Vorder- bzw. Seitenansichten
eines typischen (herkömmlichen) Zellulartelefons 10.
Das Telefon 10 umfasst eine Schaltungsanordnung (nicht
gezeigt), die in einem Gehäuse 12 enthalten
ist. Das beispielhafte (herkömmliche)
Telefon 10 umfasst ein stationäres aktives Element (z. B. eine
Antenne) 14, die nahe zu dem Gehäuse 12 ist, zum Beispiel
nahe zu der Oberseite des Gehäuses
in dem dargestellten Beispiel. Es wird darauf hingewiesen, dass
in verschiedenen Ausführungsformen
das stationäre aktive
Element 14 eine teleskopische Struktur sein kann, bei der
die Antenne innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet
sein kann, wenn der Benutzer nicht sendet, aber in die ausgefahrene
Position gebracht werden kann, wenn der Benutzer wünscht eine
Aussendung vorzunehmen.
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In
dem in 2 gezeigten Beispiel
umfasst das stationäre
aktive Element 14 einen festen Abschnitt 16 und
einen ausfahrbaren Abschnitt 18.
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Das
stationäre
aktive Element 14 ist stationär (nicht notwendigerweise statisch)
dahingehend, dass seine Position relativ zu dem Telefon 10 (z.
B. das mit einem Kommunikationsanschluss 20 verbunden ist)
konstant ist, obwohl das stationäre
aktive Element selbst nicht statisch sein muss (z. B. teleskopisch
sein kann oder sich verschwenken kann). Zum Beispiel ist die stationäre Antenne 14 in 1 auf der rechten Seite
der Oberseite des Telefons 10 angeordnet und mit dem Kommunikationsanschluss 20 verbunden.
Der Kommunikationsanschluss 20 leitet Eingangssignale,
die von dem stationären
aktiven Element 14 empfangen werden, an die Schaltungsanordnung.
In ähnlicher
Weise werden Ausgangs- (oder Sende-) Signale von der Schaltungsanordnung
an das stationäre
aktive Element 14 über
den Kommunikationsanschluss 20 gesendet. Die beispielhafte
Ausführungsform,
die hier dargestellt und beschrieben wird, wird in Bezug auf die
Einzelheiten und Dimensionen für
ein Telefon mit einer Halbwellenlängen-Dipolantenne 14 beschrieben.
Wie voranstehend diskutiert sei darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen
für im
Grunde genommen jedes Zellulartelefonmodell existieren, dass von
irgendeinem Hersteller hergestellt wird. Zum Beispiel könnte die
Antenne eine Viertelwellenlängen-Monopolantenne
mit einer Masseebene innerhalb eines Gehäuses, ein Viertelwellenlängen-Monopol
mit einer Masseebene innerhalb des Gehäuses und der Länge des
Monopols durch Verwenden einer induktiven Spule an dem Speisepunkt
an der Basis des Monopols und/oder einer einfangenden Last an der
Spitze des Monopols sein.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein sichereres Zellulartelefon 30 (das
in den 3 und 4 gezeigt ist) einen Feldumleiter 34 zusätzlich zu
den Elementen des Telefons 10 des Standes der Technik.
Der Feldumleiter 34 leitet eine Strahlung weg von dem Kopf
des Benutzers, wie in 5 gezeigt und
später
beschrieben. Der Feldumleiter 34 umfasst ein nicht-stationäres aktives
Element 36, welches vorzugsweise identisch zu dem stationären aktiven
Element 14 ist. Zum Beispiel ist das nicht-stationäre aktive Element 36,
wie das stationäre
aktive Element 14, eine teleskopische Antenne, die ein
festes Element 38 und ein ausziehbares Element 40 einschließt. Das
nicht-stationäre
aktive Element 36 ist mit dem stationären aktiven Element 14 über einen
Verbindungsarm 42 verbunden, der in der Lage ist sich um
z. B. 90 Grad an eine Arretierungsposition, wie in 3 gezeigt, zu drehen. Zusätzlich wird
ein 90-Grad Leistungsteiler
verwendet, um die ankommende Leistung von der Senderschaltungsanordnung
des Telefons im Wesentlichen gleichmäßig (von 1:1 zu 0,95:1,05)
zwischen den zwei aktiven Elemente 14 und 36 aufzusplitten,
aber mit einer 90-Grad Phasendifferenz (+/– 10 Grad) zwischen dem Signal,
das zwischen den zwei aktiven Elementen kommuniziert wird. Um eine
richtige Antennenaufstellung sicherzustellen, bevor die Senderleistung
an die aktiven Elemente 14 und 36 geführt wird,
aktiviert der Verbindungsarm 42 einen Sende-Freischaltschalter
(nicht gezeigt), der die Sende-Schaltungsanordnung nur dann frei
schaltet, wenn das nicht-stationäre
aktive Element 36 in der Sende-Arretierungsposition ist.
Die Empfänger-Schaltungsanordnung
ist immer im Betrieb, um das „Klingeln" (den Ruf) eines
eintreffenden Anrufs zu empfangen.
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Vorzugsweise
sind die Eingangsspannungen der aktiven Elemente 14 und 36 in
der Amplitude gleich und in der Phase um 90 Grad verschoben. Wie
voranstehend beschrieben teilt ein Leistungsteiler die Spannung
gleichmäßig zwischen
den Antennen 14 und 36. Die Sendeleistung tritt
in den Eingangsanschluss des Leistungsteilers ein und wird gleichmäßig innerhalb
der Einrichtung derart aufgesplittet, dass die eine Hälfte der
Leistung in die Einrichtung über
jeden der zwei Austrittsanschlüsse
austritt. Verschiedene Implementierungen können verwendet werden, um die
Leistung zu teilen, zum Beispiel kann ein diskretes 90 Grad Hybridelement
(zum Beispiel das Model 4356A Quadrature Hybrid oder Broadband 90° Hybrid,
beide hergestellt von Narda, einer Unterfirma von Loral) verwendet
werden, ein als Mikrostreifen geätzter
Leistungsteiler mit einer zusätzlichen
Viertelwellenlänge
bei der Sendefrequenz, z. B. 90 Grad, in der Leitungslänge, die
zu der arretierten Antenne führt
(zum Beispiel ein Multi-Oktave Type SMA 2-Way Power Divider, hergestellt
von Narda, einer Unterfirma von Loral) kann verwendet werden, oder
eine andere Variation kann verwendet werden. In einigen Fällen kann
es nützlich
sein Elemente (z. B. die Induktionsspule an der Basis) des gegenwärtig verwendeten
Impedanzanpassungsnetzes auch zu modifizieren, um die Eingangsimpedanz
des Antennenpaars an das Speisenetz anzupassen.
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Idealerweise
sind das Paar von aktiven Elementen 14 und 36 eine
Viertelwellenlänge
bei der Sendefrequenz auf eine Toleranz +/– 5% (d. h. 20–30% der
Sendefrequenzwellenlänge)
auseinander. Für
einige Zellulartelefon-Konstruktionen kann diese Phasendifferenz
mehr als die Breite des Telefonkörpers
sein, wobei in diesem Fall der verbindende „Arm" 42 teleskopisch sein kann,
wie der Verbindungsarm, der in 4 gezeigt ist
und ein festes Element 44 und ein ausdehnbares Element 46 einschließt.
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Verschiedene
Ausführungsformen
umfassen auch eine nicht aktive Struktur 48 (die vorzugsweise
aus nicht-metallischen und/oder dielektrischen Materialien gebildet
ist), die den zwei aktiven Elementen 14 und 36 erlaubt
Seite-an-Seite gedrückt
zu werden, wenn sie in der gespeicherten Position sind, und die
auf den geeigneten Abstand herausgezogen werden, wenn sie für eine Verwendung
vorbereitet werden. Wie mit dem Verbindungsarm 42 kann
die nicht aktive Struktur teleskopisch sein und ein festes Element 50 und
ein ausdehnbares bzw. ausziehbares Element 52 umfassen.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
können
auch einen Sende-Abschaltschalter (nicht gezeigt) einschließen, um
die Senderfunktion zu schalten, wenn die aktiven Elemente 14 und 36 nicht
auf dem geeigneten Abstand sind. Vorzugsweise wird dieser Schalter
mit dem Sende-Freischaltschalter kombiniert, um die Senderfunktion
abzuschalten, wenn das nicht-stationäre aktive Element 36 nicht
in seiner Arretierungsposition ist. Wenn die Schalter kombiniert
werden aktiviert ein einzelner Schalter die Senderfunktion nur dann,
wenn die zwei Antennen in ihren richtigen Positionen und in ihrem
richtigen Abstand sind. In diesem Fall werden zwei Bewegungen (die
irgendeiner Reihenfolge ausgeführt
werden) von dem Benutzer benötigt:
(1) Die Antennen werden auf den geeigneten Abstand auseinander gezogen;
und (2) die Schwenkantenne wird an die Arretierungsposition gedreht.
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5 zeigt die Azimutmuster
für einen
einzelnen Dipol 60 und für das Antennensystem der vorliegenden
Erfindung mit einer piktogrammartigen Darstellung des Kopfes 62 des
Benutzers und den Positionen des Telefons 30. Jeder der
Ringe 64 stellt 10 dB dar. Während die folgenden Vergleiche
auf einen Dipol gerichtet sind, sei darauf hingewiesen, dass sie
auch für
irgendeine Abänderung
des Dipols oder eines Monopols zutreffen, die in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebildet sind. Die Erfindung weist
ungefähr
3 dB mehr Gewinn 66 in der Richtung weg von dem Kopf auf
bis der einzelne Dipol 60 aufweist, wie in 5 gezeigt. Wie gezeigt weist die vorliegende
Erfindung für
die 180 Grad, beginnend von einer Ausrichtung nach vorne durch die
Seite direkt weg von dem Kopf und direkt dahinter endend, einen
Gewinn (eine Verstärkung) gleich
oder größer als
ein einzelner Dipol auf. Der zusätzliche
Gewinn über
diesen Bereich ist die Folge der „Kerbe" in dem Muster 68 in dem Gebiet,
wo der Kopf 40 (und deshalb das Gehirn) angeordnet ist.
Dies ist ein ungefähr
55 Grad Sektor 70, der durch die Kerbe 68 erzeugt
wird, wo die Strahlung 20 dB oder mehr unterhalb von derjenigen
des einzelnen Dipols ist, in dem der Kopf 62 und das Gehirn
angeordnet sind.
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In
dem Elevationsplan der 5 (der
null Grad ist), weist die vorliegende Erfindung das gleiche Muster 66 wie
der einzelne Dipol 60 auf. In jedem Fall gibt es eine Null
in dem Muster, wo der Kopf 62 angeordnet ist. Somit erzeugt
die Elevationsmuster-Strahlung nicht eine Gefahr für den Kopf 62 und
das Gehirn, sondern anstelle davon erzeugt das Azimutmuster die
Gefahr.
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Der
Azimut gegenüber
dem relativen Gewinn für
eine beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung (wie in 5 gezeigt),
ist in Tabelle 1 gezeigt. Die Konfiguration, die für das Beispiel
verwendet wird, das in der Tabelle I gezeigt ist, ist wie folgt:
Die Frequenz ist 9 GHz; der Antennenabstand beträgt 8,328 cm; die Amplitudenverteilung
ist gleichförmig;
die Phasenverschiebung beträgt
90 Grad, die Antenne ist eine Dipolantenne mit einer Länge von
16,655 cm; es gibt keine Masseebene; die Polarisation ist im Wesentlichen
parallel zu der Länge
der Antenne; die absolute maximale Verstärkung ist 5,16 dBi; und die
absolute maximale Verstärkung
(der Gewinn) wiederholt für
eine Antenne ist 2,15 dBi; somit eine 3 dB Differenz. Der relative
Gewinn subtrahiert die 5,16 dBi von sämtlichen Werten, wodurch der
Spitzengewinn auf 0 dB normalisiert ist.
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Zusätzliche
Modifikationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung können Durchschnittsfachleuten
in dem technischen Gebiet auch nahe liegen. Somit sind die bestimmten
Teile, die hier beschrieben und dargestellt sind, dafür vorgesehen,
um nur eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darzustellen, und es ist nicht beabsichtigt,
dass sie als Beschränkungen
von alternativen Einrichtungen innerhalb des Grundgedankens und
des Umfangs der Erfindung dienen.