Tulostettava versio

Syyllinen huonoon kenttään olet sinä itse. Tutkija Jari Holopainen tietää kaiken ihmisen ja kännykkäantennin vuorovaikutuksesta.

Jari Holopainen kytkee protoantennillaan varustetun kännykänraadon mittalaitteeseen. Vektoripiirianalysaattorin ruudulle piirtyy käyrä, jonka resonanssi on täsmälleen 900 MHz:n kohdalla, GSM-verkon lähetystaajuudella.

Otan puhelimen kouraani. Käyrän muoto muuttuu. Kun puristan puhelimen yläosaa, paras resonanssitaajuus karkaakin 600 MHz:n kohdalle.

– Nyt se ei vain säteile GSM-taajuudella, Holopainen huomauttaa.

Hän ottaa puhelimesta death gripin, peittää kämmenellään koko piirilevyn yläosaan kytketyn antennisäteilijän.

– Nyt enää 10 prosenttia säteilytehosta tulee läpi, hän osoittaa näyttöä.

Älypuhelinten läpimurron myötä antenneista on tullut kännykän kriittinen komponentti. Uusissa puhelimissa on jopa 10 eri taajuudella toimivaa radiota: neljä GSM-taajuutta, 3G, bluetooth, FM-radio, GPS…

Jokainen niistä tarvitsee oman antenninsa. Älypuhelimilla yleistynyt webbisurffaus on todellinen testi puhelimen radiopiireille.

– Kun siirretään dataa, signaalin laatu on todella kriittinen. Puheen pieni datavirta kyllä menee läpi huonossakin kentässä.

Vuosi sitten Applen uuden iPhone 4:n lanseerauksen yhteydessä syntyi todellinen antennagate. Uutuuspuhelin näytti hienolta, mutta puhelut katkeilivat, jos ei osannut pitää puhelinta kädessä oikein. Applen matkapuhelimista vastaava johtaja sai potkut.

Ilmiö on tuoreelle tekniikan tohtorille tuttu. Aalto-yliopiston älyradioita ja langatonta teknologiaa kehittävä huippuyksikkö SMARADin tutkijat ratkovat langattomien laitteiden suunnitteluongelmia. Ei ole sattumaa, että laboratoriopöydän toiselta puolelta kantautuu vilkas intian­englanniksi käyty keskustelu. Osaava laboratorio houkuttelee tutkijoita ympäri maailmaa.

Antennitutkijoiden läpimurto

Vuonna 2000 ensimmäisen vuoden teekkari Holopainen opiskeli tuolloin vielä perusasioita. Opiskelukaverin kanssa ihmetelty autoradioantennin toimintaperiaate selvisi radiotekniikan ensimmäisellä luennolla. Tekninen ahaa-elämys sinetöi opintosuunnan. Radiotekniikka osoittautui hyväksi valinnaksi.

Alan tutkijat olivat paljon pidemmällä, mutta kännykkäantennien teoriaa ei vielä kovin hyvin tunnettu. Professori Pertti Vainikainen ja silloiset radiotekniikan jatko-opiskelijat havaitsivat ensimmäisinä maailmassa, että kännykän runko on tärkeä osa antennia.

– Tutkijat ihmettelivät, miksi antennit toimivat paremmin kuin niiden numeroiden valossa pitäisi.

Nyt tietoa osataan käyttää hyödyksi suunnittelussa. Runkosäteilyn takia itse antennielementti voidaan tehdä hyvin pieneksi. Takavuosien ulosvedettävät antennit ovat historiaa.

Vuonna 2005 professori Vainikainen pestasi vastavalmistuneen Holopaisen radiotekniikan ryhmään. Tuolloin kohistiin tulossa olevasta digitelevisiosta. Nokia halusi televisiovastaanottimen uutuusmalleihinsa. Nuori tutkija sai tehtäväkseen suunnitella digitelevision vastaanottoon soveltuvan antennin kännykänkuorien sisään. Projekti onnistui, ja Holopainen sai valmiiksi ensimmäisen pitkän tieteellisen artikkelinsa.

Kännykkätelevisiosta ei tullut hittituotetta, mutta laboratorion asema alan edelläkävijänä vahvistui entisestään.

Vielä ylpeämpi hän on toisesta väitöskirjansa artikkelista, jossa selitetään miten käyttäjä vaikuttaa kännykän antennin toimintaan.

– Olen lueskellut sitä jälkeenpäin ja hämmästellyt miten paljon sain aiheesta irti, Holopainen kertoo.

iPhonen suunnitteluvirhe

Tutkimusartikkelissaan aiheeseen perehtynyt Holopainen tuntee Apple-tapauksen hyvin. Hän kertoo, että Applen insinöörit ovat hyödyntäneet älykkäästi puhelimen metallista runkoa.

– Se toimi itsessään antennisäteilijänä. Erillistä antennikomponenttia ei tarvita.

Apple-kollegoiden suoritus on hatunnoston arvoinen, sillä valmistustekniikassa yksinkertaisuus on valttia. Mutta tällä kertaa pioneerin osa oli ankara. Jos iPhonea pitää kädessä niin, että puhelimen vasemmassa alakulmassa oleva musta raita peittyy ja antennin kaksi osaa saavat kosketuksen, heikkenee signaali huomattavasti.

– Sormi aiheuttaa oikosulun, se yhdistää antennielementin maadoitettuun osaan. Elementille tuleva virta pujahtaa maahan, eikä lähdekään radioaaltona taivaalle, Holopainen selvittää.

Kilpailijoiden puhelimet on paketoitu muovikuoriin, joten niissä ongelmaa ei esiinny. Holopainen muistuttaa, että käsi vaikuttaa antennin toimintaan, vaikka sähköistä kontaktia ei olisikaan.

– Ilmiötä ei voi kokonaan poistaa, mutta helpottaa kyllä, huolellisella suunnittelulla.

Tutkija kaivaa pöytälaatikosta suunnittelemaansa digitelevisioantennin, joka on sullottu kännykän kuoriin.

– Tämä on hyvä design, se kestää käden läheisyyttä, Holopainen kehuu.

Hän on pyrkinyt kääntämään käyttäjän käsien vaikutuksen voitoksi. Tyypillisessä televisionkatseluasennossa, puhelin poikittain molemmissa käsissä, kädet toimivat antennivahvistimena.

– Saman voit havaita kesämökin rätisevässä radiossa. Kun ottaa antennista kiinni, rätinä monesti häviää, Holopainen kertoo.

Tulevaisuudessa yksi antenni

Miten tutkijat pystyvät parantamaan nykyisiä matkapuhelinantenneja?

– Trendi on, että puhelimessa on paljon eri radiojärjestelmiä. Olisi edullista, jos jokaiselle niistä ei tarvittaisi omaa antennia, vaan antennin viritystaajuutta mukautetaan käytössä olevan radiotaajuuden mukaan.

Uusimmissa puhelimissa on jo piirejä, joilla resonanssitaajuutta muokataan. Holopaisen laatikosta löytyy myös sellaisen prototyyppi, luonnollisesti itse suunniteltu. Holopaisella on takataskussa myös yksi kikka, jolla hän voitti kolme vuotta sitten tutkijoiden antennisuunnittelukilpailun. ­Uusi oivallus oli, että antennisignaali syötetään suoraan puhelimen piirilevylle, joka toimii säteilijänä.

– Kytkentä on paljon tehokkaampi kuin erillisen antennielementin ja sen synnyttämän sähkökentän avulla.

Kännykkävalmistajat eivät ole innostuneet suorakytkennästä, sillä se on vaikeampi valmistaa. Sellaista on matkapuhelimen suunnittelu, loputtomien kompromissien suo.

– Suorituskykyä joudutaan uhraamaan, kun nykyaikaisen kännykän kymmenen radiota pitää ahtaa yhä pienempään tilaan.

Langattoman tekniikan kansankynttilä

Pahamaineiset kenttäteorian kurssit karkottavat keskiverto-opiskelijan radiotekniikan parista. Jari Holopaiselle kävi toisin.

– Kiinnostuin siellä radioaalloista. Oli selvä peli, että opiskelen radiotekniikkaa.

Juuri väitellyt Holopainen haaveilee antennitekniikan tieteellisten läpimurtojen sijasta opetushommista.

– Aion keskittyä opetukseen. Haluan innostaa opiskelijoita radiotekniikkaan. Maailmasta tulee koko ajan langattomampi.

Tämä on onnenpotku tuleville opiskelijapolville. Lahjoja on. Se käy selväksi, kun Holopainen selvittää toimittajalle, miten matkapuhelimen antenni toimii. Ensin käydään läpi teoriapuoli, sitten demonstroidaan asia mittalaitteilla. Holopainen arvelee houkutelleensa jo muutaman lukiolaisen tekniikan opintoihin.

– Kaveri opettaa lukion matematiikkaa, häntä olen joskus tuurannut.

Tutkimustulosten kaupallistaminen kuulemma kiinnostaa, mutta mieluiten yliopiston palkkalistoilla.

– Kun keksimme jotain kaupallisesti merkittävää, se tuo meille uusia projekteja ja opiskelijoita.

Entä jos Nokialta tulisi työtarjous, josta ei voi kieltäytyä?

– Olen aina halunnut olla opettaja. Saisi olla aika hyvä tarjous.