DE10049843A1 - Fleckenmusterantenne für den Mikrowellenbereich - Google Patents
Fleckenmusterantenne für den MikrowellenbereichInfo
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Abstract
Es wird eine Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator (10, 20) für den Mikrowellenbereich beschrieben, die insbesondere zur Ausführung als Vielschicht-Antenne mit Kurzschlussleiter (14, 24) sowie zur SMD-Montage auf einer Schaltungsplatine geeignet ist. Die Antenne hat weiterhin auch bei Verwendung von Substraten (11, 21) mit gleicher Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätszahl eine zur Anwendung in der mobilen Telekommunikation ausreichende Bandbreite. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Zuführung mindestens ein erstes Metallisierungsstück (17) umfasst, das sich an einer ersten Seitenfläche (112) des Resonators zwischen der Masse-Metallisierung (12) und dem metallischen Fleckenmuster (13) erstrekt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne durch Veränderung der Abmessungen dieses Metallisierungsstücks einstellbar ist. Eine besondere Ausführung der Antenne weist eine resonante Einkopplung mittels eines Leitungsresonators in Form eines Mikrostreifenleitungs-Resonators (10') oder eines Printed Wire Resonators (19, 29) auf, wodurch u. a. die Bandbreite der Antenne weiter erhöht werden kann und die auch zur Ausstattung mit einem Kurzschlussleiter sowie zur SMD-Montage geeignet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fleckenmusterantenne (Patchantenne), insbesondere für den
Mikrowellenbereich, mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator mit einem metal
lischen Fleckenmuster und einer Masse-Metallisierung sowie einer Zuführung zur Ein
speisung elektromagnetischer Energie.
In der mobilen Telekommunikation werden elektromagnetische Wellen im Mikrowellen
bereich zur Übertragung von Informationen verwendet. Beispiele hierfür sind der GSM-
Mobiltelefonstandard im Frequenzbereich von 890 bis 960 MHz (GSM900) sowie von
1710 bis 1880 MHz (GSM1800 oder DCS), weiterhin das UMTS-Band (1970 bis 2170
MHz), der DECT-Standard für Schnurlostelefone im Frequenzbereich von 1880 bis 1900
MHz, sowie der neue Bluetooth-Standard im Frequenzbereich von 2400 bis 2480 MHz,
der dazu dient, Daten zwischen zum Beispiel Mobiltelefonen und anderen elektronischen
Geräten wie zum Beispiel Computern, anderen Mobiltelefonen, usw. auszutauschen.
Auf dem Markt ist ein starker Trend zur Miniaturisierung dieser Geräte zu erkennen.
Daraus resultiert der Wunsch, die Komponenten für die mobile Kommunikation ebenfalls
zu verkleinern. Die bei Mobiltelefonen zur Zeit verwendeten Antennentypen, bei denen es
sich meistens um Drahtantennen handelt, haben diesbezüglich jedoch wesentliche Nach
teile, da sie relativ groß sind. Sie ragen aus den Mobiltelefonen heraus, können leicht
abbrechen, können in unerwünschten Augenkontakt mit dem Benutzer geraten und stehen
auch einem ästhetischen Design im Wege. Zunehmend wird in der Öffentlichkeit auch
eine unerwünschte Mikrowellenbestrahlung des Benutzers von Mobiltelefonen diskutiert.
Bei Drahtantennen, die aus dem Mobiltelefon herausragen, kann ein Großteil der
ausgesendeten Strahlungsleistung im Kopf des Benutzers absorbiert werden.
Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass sich bei der technischen Realisierung
moderner digitalelektronischer Geräte die Oberflächenmontage (SMD - surface mounted
device), das heißt das flache Auflöten elektronischer Bauelemente auf eine Platine (PCB -
printed circuit board) mittels eines Wellenlötbades oder eines Reflowprozesses weitgehend
durchgesetzt hat. Die bislang verwendeten Antennen entziehen sich jedoch dieser
Montagetechnik, da sie häufig nur mittels spezieller Halterungen auf der Platine des
Mobiltelefons angebracht werden können und auch die Zufuhr elektromagnetischer
Leistung nur über spezielle Zuführungshalterungen wie Stifte oder ähnliches möglich ist.
Dies verursacht in der Produktion unerwünschte Montageschritte, Qualitätsprobleme und
Mehrkosten.
Die heute in Mobiltelefonen verwendeten Antennen strahlen elektromagnetische Energie
bei der Ausbildung einer elektromagnetischen Resonanz ab. Dies erfordert, dass die Länge
der Antenne mindestens gleich einem Viertel der Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung
ist. Mit Luft als Dielektrikum (εr = 1) ergibt sich für eine Frequenz von 1 GHz demnach
eine notwendige Antennenlänge von 75 mm.
Um die Größe der Antenne bei gegebener Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung zu
minimieren, kann man als Grundbaustein der Antenne ein Dielektrikum mit einer
Dielektrizitätskonstanten εr < 1 verwenden. Dies führt zu einer Verkleinerung der
Wellenlänge der Strahlung im Dielektrikum um einen Faktor 1/⊆εr. Eine auf der
Grundlage eines solchen Dielektrikums konzipierte Antenne wird daher in ihrer Größe
ebenfalls um diesen Faktor kleiner werden.
Die sogenannte Fleckenmuster- oder Patchantenne, wie sie zum Beispiel in der
WO 98/13177 beschrieben ist, ist ein Antennentyp, bei dem sich die Miniaturisierung
mittels der Dielektrizitätskonstanten εr nutzen lässt. Sie besteht aus einem massiven Block
dielektrischen Materials mit εr < 1. Die Höhe des Blocks ist dabei typischerweise um einen
Faktor 3-10 kleiner als dessen Länge und Breite. Der Block ist auf einer Oberfläche ganz
oder teilweise mit einem metallischen Fleckenmuster, auf der anderen Oberfläche mit einer
Masse-Metallisierung versehen. Zwischen diesen Elektroden bilden sich elektromagnetische
Resonanzen aus, deren Frequenzen von den Dimensionen der Elektroden und dem Wert
der Dielektrizitätskonstanten εr des Blocks abhängen. Dabei sinken die Werte der ein
zelnen Resonanzfrequenzen mit zunehmenden lateralen Dimensionen der Antenne und -
wie oben beschrieben - mit zunehmenden Werten der Dielektrizitätskonstanten εr. Um
einen hohen Miniaturisierungsgrad der Antenne zu erreichen, wird man daher εr groß
auslegen und aus dem Resonanzspektrum die Mode mit der niedrigsten Frequenz
auswählen. Diese Mode wird als Grundmode bezeichnet.
Ein weitergehender Miniaturisierungsschritt besteht im zusätzlichen Einfügen einer leiten
den Verbindung (Kurzschlussleiter) in das Dielektrikum zwischen den beiden Elektroden.
Bei gleicher Resonanzfrequenz kann die Größe der Antenne dadurch üblicherweise um
einen Faktor 4 verkleinert werden.
Ein Problem bei diesen Fleckenmusterantennen (mit oder ohne Kurzschlussleiter) besteht
jedoch darin, dass die Bandbreiten bei im Frequenzbereich des GSM-Standards liegenden
Resonanzfrequenzen nur wenige MHz betragen. Außerdem sinkt die Bandbreite mit
wachsender Dielektrizitätskonstante εr des dielektrischen Materials. Die für die GSM-
Standards benötigte Bandbreite beträgt demgegenüber jedoch etwa 70 MHz. Her
kömmliche Fleckenmusterantennen eignen sich daher nicht für solche breitbandigen
Anwendungen.
Um auch mit Fleckenmusterantennen höhere Bandbreiten zu realisieren, können mehrere
Fleckenmuster-Resonatoren mit oder ohne Kurzschlussleiter vertikal gestapelt werden.
Diese Konfiguration wird als Vielschicht-Fleckenmusterantenne bezeichnet. Die Anzahl
der Grundmoden der Vielschicht-Fleckenmusterantenne ist dabei gleich der Anzahl der
konstituierenden Fleckenmuster-Resonatoren. Ist der Frequenzabstand zwischen den
Grundmoden kleiner als deren Bandbreite, so kann dadurch die Gesamtbandbreite der
Antenne erhöht werden.
Allerdings hat auch dieser Antennentyp zwei wesentliche Nachteile. Einerseits müssen
Substratmaterialien mit leicht unterschiedlichen Werten der Dielektrizitätskonstanten
(zum Beispiel εr1 = 2,2 und εr2 = 1,07) für die einzelnen Fleckenmuster-Resonatoren
verwendet werden, um einen geeigneten Frequenzabstand der Resonanzen zu erreichen.
Dies erhöht den Fertigungsaufwand.
Andererseits gelang es bei Vielschicht-Fleckenmusterantennen mit Kurzschlussleiter bisher
nur über eine Koaxialleitung, die Antenne mit elektromagnetischer Leistung zu speisen
und die Eingangsimpedanz der Antenne in begrenztem Maße so einzustellen, dass nur
geringe Reflexionen an der Zuführungsstruktur auftreten. Diese Art der Zuführung steht
jedoch einer SMD-Integration auf einer Schaltungsplatine (PCB) eines Mobiltelefons im
Wege, da zur Zuführung der elektromagnetischen Leistung auf die Schaltungsplatine
geeignete Stifte aufgebracht werden müssen, die von unten durch die Metallisierung zu
führen sind, so dass die Antenne nicht zusammen mit den anderen Bauteilen durch Ober
flächenmontage (SMD-Technik) auf die Platine gelötet werden kann.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Fleckenmuster
antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch mit Kurzschlussleiter zur Ober
flächenmontage (SMD) auf einer Schaltungsplatine geeignet ist.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Fleckenmusterantenne zu schaffen,
die bei geringen Abmessungen eine für die genannten Anwendungen ausreichende Band
breite auch ohne den Einsatz von Dielektrika mit unterschiedlichen Dielektrizitätskon
stanten aufweist.
Weiterhin soll mit der Erfindung eine Fleckenmusterantenne geschaffen werden, bei der
die Eingangsimpedanz so eingestellt werden kann, dass die der Antenne zugeführte
Leistung nicht an der Antenne reflektiert, sondern im wesentlichen vollständig abgestrahlt
wird, ohne dass die Antenne eine koaxiale Zuführung aufweisen muss.
Schließlich soll auch eine Fleckenmusterantenne geschaffen werden, die sich durch eine
besonders große Bandbreite auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird gemäß Anspruch 1 eine Fleckenmusterantenne der
eingangs genannten Art geschaffen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zuführung
mindestens ein erstes Metallisierungsstück umfasst, das sich an einer ersten Seitenfläche des
Resonators zwischen der Masse-Metallisierung und dem metallischen Fleckenmuster
erstreckt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne durch Veränderung der Abmessungen
dieses Metallisierungsstücks einstellbar ist.
Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass in einfacher Weise (zum Beispiel
durch Lasertrimmung) eine optimale Abstimmung der Eingangsimpedanz an eine konkrete
Einbausituation möglich ist, so dass keine Reflexionen an der Antenne auftreten und die
zugeführte elektromagnetische Leistung im wesentlichen vollständig abgestrahlt wird. Zur
Verkleinerung ihrer Abmessungen kann diese Antenne auch mit einem Kurzschlussleiter
ausgestattet werden.
Eine weitere Lösung der genannten Aufgaben wird gemäß Anspruch 4 mit einer Flecken
musterantenne der eingangs genannten Art erzielt, die sich durch einen Leitungsresonator
auszeichnet, der durch eine auf mindestens ein Substrat aufgebrachte Leitung gebildet ist,
und der zur resonanten Einkopplung der der Zuführung zugeführten elektromagnetischen
Energie in den mindestens einen Fleckenmuster-Resonator dient.
Besondere Vorteile dieser Lösung besteht darin, dass durch diesen resonanten Einkopp
lungsmechanismus das Ausbilden der Fleckenmusterresonanzen nicht beeinträchtigt wird
und die Bandbreite der Antenne durch Hinzufügen einer weiteren Resonanz in wesent
lichem Maße weiter erhöht werden kann. Außerdem ist auch diese Antenne zur SMD-
Montage und zur Ausstattung mit einem Kurzschlussleiter geeignet.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Mit der Ausführung gemäß Anspruch 2 ist eine besonders einfache Oberflächenmontage
der Antenne in SMD-Technik möglich, da das zweite Metallisierungsstück zusammen mit
der Masse-Metallisierung direkt auf eine Schaltungsplatine aufgelötet werden kann.
Die Ausführung gemäß Anspruch 3 hat insbesondere den Vorteil, dass durch die zwei
Resonatoren die Bandbreite weiter erhöht wird, auch wenn Substrate mit gleicher
Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätszahl verwendet werden, und dass sie auch zur Aus
stattung mit einem Kurzschlussleiter geeignet ist.
Die Ausführung gemäß Anspruch 5 hat insbesondere den Vorteil, dass die Kopplungs
stärke zwischen dem Leitungsresonator und dem Fleckenmuster-Resonator über eine
Bemessung des Endabschnitts eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Aus
führung, ebenso wie derjenigen gemäß Anspruch 7, besteht darin, dass die Frequenz der
resonanten Einkopplung durch entsprechende Bemessung der Länge der genannten
Leitungen eingestellt werden kann.
Die Ausführung gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine Anpassung der Kopplungsstärke
zwischen der Zuführung und dem Leitungsresonator.
Mit der Ausführung gemäß Anspruch 8 kann die Bandbreite der Antenne weiter erhöht
werden, während sich mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 im
wesentlichen der Miniaturisierungsgrad der Antenne weiter gesteigert werden kann.
Die erfindungsgemäße Antenne ist schließlich besonders vorteilhaft auf einer gedruckten
Schaltungsplatine gemäß Anspruch 11 bzw. in einem mobilen Telekommunikationsgerät
gemäß Anspruch 12 einsetzbar.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgen
den Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Antenne;
Fig. 2 ein Reflexionsdiagramm für diese Antenne;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Antenne;
Fig. 4 ein Reflexionsdiagramm für diese Antenne, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Antenne.
Die in den Fig. 1, 3 und 5 gezeigten Fleckenmusterantennen setzen sich aus mehreren
Schichten zusammen, die jeweils in senkrechter Richtung auseinandergezogen dargestellt
sind und in zusammengefügtem Zustand eine Fleckenmusterantenne mit zwei einzelnen
Fleckenmuster-Resonatoren bilden. Jede Schicht ist dabei jeweils durch ein keramisches
Substrat in Form eines im wesentlichen quaderförmigen Blocks gebildet, dessen Höhe im
allgemeinen um einen Faktor 3 bis 10 kleiner ist, als dessen Länge oder Breite. Davon
ausgehend sollen in der folgenden Beschreibung die in den Darstellungen der Figuren
oberen und unteren Flächen der Substrate als obere bzw. untere Stirnfläche und die
demgegenüber kleineren vertikalen Flächen als Seitenflächen bezeichnet werden.
Alternativ dazu ist es allerdings auch möglich, anstelle eines quaderförmigen Substrates
andere geometrische Formen wie zum Beispiel eine Zylinderform zu wählen, auf die eine
entsprechende resonante Leiterbahnstruktur mit zum Beispiel spiralförmigem Verlauf
aufgebracht ist.
Die Substrate können zum Beispiel durch Einbetten eines keramischen Pulvers in eine
Polymermatrix hergestellt werden und haben eine Dielektrizitätszahl von εr < 1 und/oder
eine Permeabilitätszahl von µr < 1.
Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform der Antenne umfasst zwei Schichten, die in
zusammengefügtem Zustand jeweils einen unteren ersten und einen oberen zweiten
Fleckenmuster-Resonator 10 bzw. 20 bilden. Der erste Resonator 10 umfasst ein erstes
Substrat 11, auf dessen untere Stirnfläche eine Masse-Metallisierung 12 aufgebracht ist.
Die obere Stirnfläche des ersten Substrates 11 trägt ein erstes metallisches Fleckenmuster
13, das sich über den größten Teil der obere Stirnfläche erstreckt, wobei nur Randbereiche
111 dieser obere Stirnfläche frei bleiben. Zwischen der Masse-Metallisierung 12 und dem
ersten Fleckenmuster 13 erstreckt sich ein erster Abschnitt 14 eines Kurzschlussleiters.
Auf etwa halber Länge einer ersten Seitenfläche 112 des ersten Substrates 11 befindet sich
eine Zuführung 15, 17, die durch ein erstes Metallisierungsstück an dieser Seitenfläche in
Form eines sich in Richtung auf die obere Stirnfläche des Substrates erstreckenden
Streifenleiters 17 sowie ein zweites Metallisierungsstück 15 gebildet ist, das an der unteren
Stirnfläche in einem Bereich 16 liegt, in dem die Masse-Metallisierung 12 ausgespart ist.
Die Zuführung ist dadurch gegenüber der Masse-Metallisierung 12 isoliert.
Der zweite Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, auf
dessen obere Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 23 aufgebracht ist, das sich
über die gesamte obere Stirnfläche erstreckt. Weiterhin befindet sich in dem zweiten
Substrat 21 ein zweiter Abschnitt 24 des Kurzschlussleiters. Wenn die Antenne durch
Zusammenfügen der beiden Resonatoren in Richtung des Pfeils A zusammengebaut ist,
setzt der zweite Abschnitt 24 den ersten Abschnitt 14 fort, so dass der Kurzschlussleiter
entsteht.
Ein wesentlicher Kern dieser ersten Ausführungsform der Antenne beruht auf der über
raschenden Erkenntnis, dass entgegen der bisher vorherrschenden Ansicht auch mit einer
nicht-koaxialen Zuführung 15, 17 der beschriebenen Art eine Einkopplung elektro
magnetischer Energie in eine Fleckenmusterantenne möglich ist, und zwar auch dann,
wenn diese mit einem Kurzschlussleiter versehen ist, mit dem die Abmessungen der
Antenne weiter verkleinert werden können.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich die Eingangsimpedanz der Antenne durch geeignete
Wahl der Höhe und Breite des Streifenleiters 1.7 einstellen lässt, so dass eine Optimierung
im Hinblick auf geringe Reflexionen an der Antenne vorgenommen werden kann und
dadurch der weitaus überwiegende Anteil der der Antenne zugeführten elektromagne
tischen Leistung abgestrahlt wird.
Die Zuführung bzw. der Streifenleiter 17 können jeweils auch aus mehreren metallischen
Stücken mit variabler Breite bestehen.
Da sich das zweite Metallisierungsstück 15 der Zuführung an der unteren Stirnfläche des
ersten Substrates 11 befindet, und keine Stifte oder ähnliches wie bei einer durch einen
Koaxialleiter gebildeten Zuführung erforderlich sind, kann die Antenne zusammen mit
anderen Bauelementen in üblicher Weise durch Oberflächenmontage (SMD) auf einer
Schaltungsplatine montiert werden. Weiterhin kann auf diese Weise auch die Masse-
Metallisierung 12 mit einem entsprechenden Masseanschluss auf der Platine verlötet
werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass für das erste und zweite
Substrat 11, 21 das gleiche Material verwendet werden kann, das nicht, wie bei bisherigen
Fleckenmusterantennen mit Kurzschlussleiter, unterschiedliche Dielektrizitätszahlen
aufweisen muss, um eine ausreichende Bandbreite der Antenne zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird die für die oben genannten Anwendungen erforderliche Frequenz-
Bandbreite unter anderem dadurch erzielt, dass die Antenne aus (mindestens) zwei
Schichten, d. h. zwei Fleckenmuster-Resonatoren 10, 20 zusammengesetzt wird, deren
Einzelresonanzen in einer Betriebsmode sich durch die unterschiedliche Größe des ersten
und zweiten Fleckenmusters 13, 23 etwas voneinander unterscheiden.
Alternativ dazu können die Fleckenmuster auch identisch sein. In diesem Fall wird durch
die Kopplung der beiden Resonatoren eine Aufspaltung der nominell identischen Reso
nanzfrequenzen und damit eine Erhöhung der Frequenz-Bandbreite erzielt.
Bei einer bevorzugten Realisierung dieser Antenne betragen die Abmessungen der Substrate
11, 21 jeweils etwa 19,4 × 10,9 × 2,0 mm3. Die dielektrischen Eigenschaften des für die
Substrate verwendeten Materials sind etwa wie folgt: εr = 18.55, tanδ = 1,17 × 10-4. Dies
entspricht den Hochfrequenzeigenschaften einer kommerziellen NP0-K17-Keramik
(Ca0,05Mg0,95TiO3-Keramik). Die Leitfähigkeit der Metallisierungen (Silberpaste) beträgt
etwa σ = 3,0 × 107 S/m. Das untere erste Fleckenmuster 13 hat Abmessungen von etwa
17,0 × 8.5 mm, während das obere zweite Fleckenmuster 23 die Oberfläche des zweiten
Substrats 21 im wesentlichen vollständig abdeckt. Die Masse-Metallisierung 12 deckt
abgesehen von der Aussparung 16 für das zweite Metallisierungsstück 15 die untere
Stirnfläche des ersten Substrats 11 im wesentlichen vollständig ab. Der seitliche Streifen
leiter 17 ist etwa 1.8 mm breit und etwa 2.0 mm hoch. Er setzt sich auf der unteren
Stirnfläche des ersten Substrates 11 in Form des zweiten Metallisierungsstücks 15 mit einer
Länge von etwa 0,5 mm fort. Der Kurzschlussleiter 14, 24 hat einen Durchmesser von
etwa 0,5 mm, einen Abstand in beiden lateralen Richtungen von beiden Ecken der Sub
strate 11, 21 von jeweils etwa 3,5 mm und verläuft in den beiden Substraten zwischen den
Metallisierungen.
Fig. 2 zeigt für diese Antenne ein Reflexionsdiagramm, d. h. das Verhältnis R [dB]
zwischen der an der Antenne reflektierten Leistung zu der der Antenne zugeführten
Leistung über der Frequenz F [GHz]. Es sind deutlich die Einzelresonanzen der beiden
Schichten (Fleckenmuster-Resonatoren) zu erkennen, die zu einer Verbreiterung der
Gesamt-Bandbreite der Fleckenmusterantenne beitragen.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, die sich aus
einem Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' sowie darüber jeweils einem ersten bzw.
zweiten Fleckenmuster-Resonator 20 bzw. 30 zusammensetzt.
Der Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' umfasst ein erstes Substrat 11', das an seiner in
der Darstellung oberen Stirnfläche mit einer Masse-Metallisierung 12' beschichtet ist. Auf
die untere Stirnfläche dieser ersten Schicht ist eine mäanderförmig verlaufende Mikro
streifenleitung 18' aufgebracht, die an einer Zuführung 15' beginnt und an einer Seiten
fläche des Substrates 11' nach oben geführt wird. Ein Kurzschluss zwischen der Masse-
Metallisierung 12' und dem Mikrostreifenleiter 18' beim Hochführen muss dabei ver
hindert werden. Dies kann zum Beispiel durch entsprechendes Verkürzen der Masse-
Metallisierung 12' an der betreffenden Seitenfläche des ersten Substrates 11' erreicht
werden.
Die Zuführung 15' greift U-förmig um den Anfang der Mikrostreifenleitung 18', wobei
sich zwischen beiden ein Spalt bzw. eine Lücke befindet, mit deren Größe die Kopplungs
stärke zwischen beiden eingestellt wird. Die Resonanzfrequenz dieses Mikrostreifen
leitungsresonators 10' wird wie üblich im wesentlichen durch die Länge der Mikrostreifen
leitung 18' bestimmt. In der ersten Schicht kann sich auch ein erster Abschnitt 14' eines
Kurzschlussleiters befinden.
Der erste Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, das an
seiner obere Stirnfläche ein erstes metallisches Fleckenmuster 23 trägt, wobei ein um
laufender Randbereich 211 der oberen Stirnfläche frei bleibt. An einer Seitenfläche 213 des
Substrates 21 befindet sich ein Endabschnitt 28, der in zusammengefügtem Zustand der
Antenne die Mikrostreifenleitung 18' fortsetzt und abschließt. Über die Abmessungen
dieses Endabschnitts kann die Stärke der Ankopplung an den ersten Fleckenmuster-
Resonator 20 bestimmt werden. In dem ersten Fleckenmuster-Resonator 20 befindet sich
weiterhin ein zweiter Abschnitt 24 des Kurzschlussleiters.
Der zweite Fleckenmuster-Resonator 30 ist durch ein drittes Substrat 31 gebildet, das an
seiner oberen Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 33 trägt, wobei wiederum
ein umlaufender Randbereich 311 der oberen Stirnfläche frei bleibt. Durch den zweiten
Fleckenmuster-Resonator 20 verläuft schließlich ein dritter Abschnitt 34 des Kurzschluss
leiters. Das erste und zweite metallische Fleckenmuster 23, 33 können ebenso wie bei der
ersten Ausführungsform auch unterschiedliche Ausdehnungen auf den Substraten 21 bzw.
31 aufweisen.
Fügt man diese drei Schichten gemäß den Pfeilen A zusammen, so ergibt sich eine Mehr
schicht-Fleckenmusterantenne mit resonanter Einkopplung der elektromagnetischen
Energie, die im Vergleich zu einer Mehrschicht-Fleckenmusterantenne ohne resonante
Einkopplung zu einer weitergehenden Vergrößerung der Bandbreite führt.
Dieser Konfiguration liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Resonanz
frequenzen der Grundmoden der einzelnen Fleckenmuster-Resonatoren durch eine
resonante Einkopplung mit einem Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' der beschriebenen
Art nur unwesentlich gestört werden. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn ein Kurz
schlussleiter 14', 24, 34 eingesetzt wird. Die Masse-Metallisierung 12' stellt gleichzeitig die
Masse des ersten Fleckenmuster-Resonators 20 und des Mikrostreifenleitungs-Resonators
10' dar. Durch die Erzeugung der einzelnen Fleckenmusterresonanzen erhöht sich außer
dem die Bandbreite einer entsprechenden Vielschicht-Fleckenmusterantenne.
Die elektromagnetische Ankopplung der Fleckenmuster-Resonatoren 10, 20 an den
Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' erfolgt über die an einer Seitenfläche 213 des zweiten
Substrates 21 hochgeführte Mikrostreifenleitung 18', 28, wobei die Stärke der Ankopplung
und die Bandbreite der Antenne über die Höhe und Breite insbesondere des Endabschnitts
28 an dem ersten Fleckenmuster-Resonator 20 bestimmt bzw. verändert werden kann.
Die Resonanzfrequenz des Mikrostreifenleitungs-Resonators 10' kann in bekannter Weise
über die Länge der Mikrostreifenleitung 18', 28 eingestellt werden.
Schließlich kann auch die Kopplung zwischen der Zuführung 15' und der Mikrostreifen
leitung 18', 28 durch entsprechende Wahl der Spaltbreite zwischen beiden eingestellt
werden.
Auch diese zweite Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie zusammen mit anderen Bau
elementen durch Oberflächenmontage (SMD-Technik) auf eine Schaltungsplatine (PCB)
aufgebracht werden kann. Die Zuführung 15' wird dabei auf einen entsprechenden
Streifenleiter der Platine gelötet, über den die abzustrahlende elektromagnetische Energie
zugeführt wird. Die Masse-Metallisierung 12' kann über eine Metallisierungszuführung
(nicht dargestellt) an dem ersten Substrat 11' mit einem Masseanschluss der Platine verlötet
werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass im Gegensatz zu reso
nanten Einkopplungen mit bekannten Schlitzresonatoren die Geometrien der Masse-
Metallisierungen 23, 33 der Fleckenmuster-Resonatoren 20, 30 im wesentlichen unver
ändert bleiben können. Dies bedeutet eine wesentliche Erleichterung beim Entwurf von
Vielschicht-Fleckenmusterantennen und insbesondere solchen mit Kurzschlussleiter.
Bei einer Realisierung dieser Antenne wurden bevorzugt folgende Werte gewählt:
Die Abmessungen des zweiten und dritten Substrates 21, 31 betragen jeweils etwa 19,0 ×
10,5 × 2,0 mm3. Die Abmessungen des ersten Substrates 11 betragen etwa 19,0 × 10,5 ×
1,0 mm3. Die dielektrischen Eigenschaften sind etwa wie folgt gewählt: εr = 18.55, tanδ =
1,17 × 10-4. Dies entspricht den Hochfrequenzeigenschaften einer kommerziellen NP0-
K17-Keramik (Ca0,05Mg0,95TiO3-Keramik). Die Leitfähigkeit der Metallisierungen wurde
zu etwa s = 3,0 × 107 S/m (Silberpaste) bestimmt. Die beiden Fleckenmuster 13, 23 haben
Abmessungen von etwa 17,0 × 8,5 mm2. Der Kurzschlussleiter hat einen Durchmesser von
etwa 0,5 mm und einen Abstand von jeweils etwa 2,4 mm in beiden lateralen Richtungen
von jeweils einer Ecke der Fleckenmuster und verläuft durch die drei Schichten 10, 20, 30.
Die Masse-Metallisierung 12 hat eine Länge von etwa 18,5 mm und eine Breite von etwa
10,5 mm. Der Mikrostreifenleitungs-Resonator (Streifenleiterbreite etwa 0,36 mm) ver
läuft unter der Masse-Metallisierung 12' mäanderförmig auf einem NPO-K17-Substrat mit
einer Höhe von etwa 1,0 mm. Das vertikale Ende dieses Resonators hat zunächst auf einer
Länge von etwa 1,0 mm eine Breite von etwa 0,36 mm und dann auf einer Länge von etwa
1,8 mm eine Breite von etwa 1,4 mm. Die Gesamtlänge der Mikrostreifenleitung beträgt
somit etwa 42,93 mm.
Der Abstand zwischen dem Anfang der Mikrostreifenleitung 18' und der Zuführung 15',
die sich U-förmig um diesen legt, beträgt auf allen Seiten etwa 0,18 mm.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Verlaufes der Reflexionseigenschaften, das heißt des
Verhältnisses R [dB] zwischen der an der Antennenstruktur reflektierten Leistung zu der
der Antenne zugeführten Leistung, über der Frequenz F [GHz]. Es sind deutlich drei
Resonanzen zu erkennen, die zur Verbreiterung der Gesamt-Bandbreite der Antenne
beitragen. Die mittlere Resonanz wird dabei von dem Mikrostreifenleitungs-Resonator, die
beiden anderen Resonanzen von den Fleckenmuster-Resonatoren verursacht.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, die sich von
der zweiten Ausführungsform im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die resonante
Einkopplung der elektromagnetischen Energie nicht durch einen Mikrostreifenleitungs-
Resonator 10', sondern mit einem durch eine sogenannte Printed Wire-Antenne gebildeten
Leitungsresonator ("Printed Wire-Resonator") 19, 29 vorgenommen wird, bei dem es sich
vom Typ her um eine Drahtantennen-Resonator handelt, der durch ein Substrat der
eingangs genannten Art mit einer aufgedruckten Leiterbahn 192, 292 gebildet ist.
Die Leiterbahn 192, 292 wird elektrisch mit dem Signalleiter einer Zuführung 15 ver
bunden und kann bei Erreichen einer elektromagnetischen Resonanz Energie in Form von
Wellen abstrahlen. Die Werte der Resonanzfrequenzen sind in bekannter Weise von den
Dimensionen der aufgedruckten Leiterbahn und der Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitäts
zahl des Substrates abhängig.
Ein erster Fleckenmuster-Resonator 10 ist durch ein erstes Substrat 11 gebildet, auf dessen
unterer Stirnfläche eine Masse-Metallisierung 12 aufgebracht ist. Auf einem Teil der
oberer Stirnfläche des ersten Substrates 11 befindet sich ein in Längsrichtung des Sub
strates 11 erstreckendes erstes metallisches Fleckenmuster 13. Parallel dazu ist entlang einer
Seitenfläche des ersten Substrates 11 ein erster Teil 19 des Resonators angeordnet, der
durch einen ersten Randbereich 191 des ersten Substrates 11 mit einem darauf aufge
druckten ersten Leiterbahnabschnitt 192 gebildet ist. Der Leiterbahnabschnitt ist mit einer
Zuführung 15 an der unteren Stirnfläche des Substrates 11 verbunden, die bei der Ober
flächenmontage der Antenne mit einer entsprechenden Zuführungsleitung für elektro
magnetische Energie verlötet wird. Darüber hinaus ist entlang einer anderen Seitenfläche
des Substrates 11 ein erster Abschnitt 14 eines planaren Kurzschlussleiters angeordnet.
Ein zweiter Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, auf
dessen oberer Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 23 aufgebracht ist. Ent
lang einer Seitenfläche des zweiten Substrates 21 ist korrespondierend mit dem ersten Teil
19 des Resonators ein zweiter Resonatorteil 29 angeordnet, der durch einen zweiten Rand
bereich 291 des zweiten Substrates 21 mit einem darauf aufgedruckten zweiten Leiterbahn
abschnitt 292 gebildet ist. Schließlich ist entlang einer anderen Seitenfläche des zweiten
Substrates 21 ein zweiter Abschnitt 24 des planaren Kurzschlussleiters angeordnet, der den
ersten Abschnitt 14 in zusammengebautem Zustand der Antenne fortsetzt und damit den
Kurzschlussleiter bildet.
Wenn die beiden Schichten gemäß Pfeil A zusammengesetzt werden, ergänzen sich weiter
hin die beiden Leiterbahnabschnitte 192, 292 zu einer gemeinsamen Leiterbahn, die im
wesentlichen mäanderförmig entlang der Seiten- und eines Teils der Stirnfläche der
Substrate verläuft und bei Einspeisung elektromagnetische Energie zu einer Resonanz
angeregt wird. Zusammen mit den dadurch angeregten Resonanzen der Fleckenmuster-
Resonatoren 10, 20, die sich auch auf Grund der unterschiedlichen Flächen der metal
lischen Fleckenmuster 13, 23 etwas voneinander unterscheiden, wird eine relativ große
Bandbreite der Fleckenmusterantenne ähnlich der Darstellung in Fig. 4 erzielt. Die
elektromagnetische Ankopplung an die Fleckenmuster-Resonatoren 20, 30 erfolgt
wiederum über die Streufelder des Printed Wire-Resonators 19, 29.
Diese dritte Ausführungsform weist darüber hinaus im wesentlichen die gleichen Vorteile
auf, wie sie im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform beschrieben wurden.
Die Anpassung der beschriebenen Fleckenmusterantennen an eine konkrete Einbau
situation im Hinblick auf ihre Resonanzfrequenzen sowie ihre Eingangsimpedanz kann
durch Veränderung der metallischen Fleckenmuster, der zur Einkopplung dienenden
metallischen Strukturen bzw. des Spaltes zwischen der Zuführung und der Mikrostreifen
leitung mit Hilfe eines Laserstrahls (Lasertrimmung) vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäßen Fleckenmusterantennen sind (neben dem DECT- und Bluetooth-
Band) insbesondere zur Anwendung in Mobiltelefonen geeignet, da sie geringe Abmes
sungen mit einer für die GSM- und UMTS-Bänder ausreichenden Bandbreite verbinden
und gleichzeitig mit den anderen elektronischen Bauelementen durch Oberflächenmontage
(SMD-Technik) auf eine gedruckte Schaltungsplatine aufgebracht werden können.
Claims (12)
1. Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator mit einem
metallischen Fleckenmuster und einer Masse-Metallisierung sowie einer Zuführung zur
Einspeisung elektromagnetischer Energie,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuführung mindestens ein erstes Metallisierungsstück (17) umfasst, das sich an
einer ersten Seitenfläche (112) des Resonators zwischen der Masse-Metallisierung (12) und
dem metallischen Fleckenmuster (13) erstreckt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne
durch Veränderung der Abmessungen dieses Metallisierungsstücks einstellbar ist.
2. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuführung ein zweites Metallisierungsstück (15) aufweist, das isoliert in die
Masse-Metallisierung (12) eingelassen ist und sich mit dem ersten Metallisierungsstück in
Form eines Streifenleiters (17) fortsetzt.
3. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Fleckenmuster-Resonator (10) ein erstes Substrat (11) mit der Masse-
Metallisierung (12) an einer ersten Stirnfläche und mit dem ersten metallischen
Fleckenmuster (13) an einer gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche umfasst, wobei ein
zweiter Fleckenmuster-Resonator (20) mit einem zweiten Substrat (21) vorgesehen ist, das
an einer ersten Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster (23) trägt und das mit
seiner gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche an dem ersten metallischen Fleckenmuster
(13) angeordnet ist.
4. Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator sowie einer
Zuführung zur Einspeisung elektromagnetischer Energie,
gekennzeichnet durch einen Leitungsresonator (10'; 19, 29), der durch eine auf
mindestens ein Substrat (11'; 11, 21) aufgebrachte Leitung (18'; 192, 292) gebildet ist, zur
resonanten Einkopplung der der Zuführung (15) zugeführten elektromagnetischen Energie
in den mindestens einen Fleckenmuster-Resonator (10, 20).
5. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitungsresonator ein Mikrostreifenleitungs-Resonator (10') ist, der durch ein
erstes Substrat (11') mit einer Mikrostreifenleitung (18') an einer Stirnfläche und einer
Masse-Metallisierung (12') an einer gegenüberliegenden Stirnfläche gebildet ist, wobei an
der Masse-Metallisierung (12') mindestens ein erster Fleckenmuster-Resonator (20)
angeordnet ist und ein Endabschnitt (28) der Mikrostreifenleitung zur Einkopplung der
elektromagnetischen Energie an einer Seitenfläche (213) des ersten Fleckenmuster-
Resonators (20) liegt.
6. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich zwischen der Zuführung (15') und dem Anfang der Mikrostreifenleitung (18')
ein Spalt bzw. eine Lücke befindet, mit deren Größe die Kopplungsstärke zwischen beiden
einstellbar ist.
7. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitungsresonator ein Printed Wire-Resonator (19, 29) ist, der durch eine
mäanderförmig entlang eines Randbereiches (191, 291) des mindestens einen Substrates
(11, 21) verlaufende Leiterbahn (192, 292) gebildet ist.
8. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die metallischen Fleckenmuster (13) mehrerer Fleckenmuster-Resonatoren (10, 20,
30) zur Erzeugung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen unterschiedliche Ausdehnungen
aufweisen.
9. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1 oder 4,
gekennzeichnet durch einen Kurzschlussleiter (14'; 14, 24, 34), der sich durch die
Fleckenmusterantenne erstreckt.
10. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kurzschlussleiter (14, 24) durch einen Streifenleiter an einer Seitenfläche der
Fleckenmusterantenne gebildet ist.
11. Gedruckte Schaltungsplatine, insbesondere zur Oberflächenmontage von
elektronischen Bauelementen,
gekennzeichnet durch eine Fleckenmusterantenne nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
12. Mobiles Telekommunikationsgerät, insbesondere für Dual- oder Multibandbetrieb,
gekennzeichnet durch eine Fleckenmusterantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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