DE10055123C2 - Inverted-F-Antenne - Google Patents
Inverted-F-AntenneInfo
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- H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
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Description
Die Erfindung betrifft eine Inverted-F-Antenne.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels
weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe
von elektromagnetischen Wellen übertragen. Das Abstrahlen
bzw. der Empfang der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch
Antennen, wobei die Trägerfrequenzen in dem für das jeweili
ge System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Bei Funk-Kommunikationssystemen, die gemäß dem DECT-Standard
funktionieren, werden für die zugehörigen Funksende-
/Funkempfangsgeräte häufig steckbare Drahtantennen verwendet,
die während der Endmontage, also nach dem Prüfen, eingesetzt
werden.
Nachteilig bei ansteckbaren Drahtantennen ist, dass sie im Be
reich der Steckverbindung einen relativ großen Volumenbedarf
haben. Dieses Volumen steht jedoch beispielsweise bei Kurz
strecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräten, die gemäß dem Blue
tooth-Standard funktionieren, nicht zur Verfügung, da diese
Kurzstrecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräte im Allgemeinen
als Module für die Integration in bereits bekannte Endgeräte
der Daten- bzw. Telekommunikation gedacht sind, und diese In
tegration - insbesondere aus Designgründen - ohne merkliche
Volumenänderung der Endgeräte vonstatten gehen soll.
Wegen ihres - im Vergleich zu Drahtantennen - geringen Volu
menbedarfs wird daher auch auf Inverted-F-Antennen für den
Einsatz in Kurzstrecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräten gemäß
Bluetooth, aber auch für Funksende-/Funkempfangsgeräte gemäß
GSM- oder DECT-Standard, zurückgegriffen.
In der Regel werden diese Inverted-F-Antennen als Stanzbiege
teile aus einem Blech geformt und beispielsweise druckkontak
tiert auf einer Leiterplatine fixiert oder als planare, aus
metallischen Streifenleitern gestaltete Struktur auf der Lei
terplatine (eine sogenannte "PIFA" = Planar Inverted-F-
Antenna) aufgetragen.
Insbesondere beim Anbringen der Antenne durch Druckkontaktie
rung besteht aber dennoch ein erhöhter Volumenbedarf, der
sich neben dem großen Volumen der Blechantenne auch durch die
für das Fixieren der Blechantenne erforderlichen Fangrippen
ergibt.
Zudem unterliegen die Kontaktflächen einer Korrosion, der le
diglich durch ein kostenintensives Vergolden der Kontakte be
gegnet werden kann.
Aus RUOSS, H.-O. et al.: "Slot antenna for hand held mobile te
lephones showing significantly reduced interaction wirh human
body", Electronic Letters, 14th March 1996, Vol. 32, No. 6,
Seite 513-514, ist eine "Double T-Slot Antenne (DTSA)" be
kannt, welche eine als Antenne wirksame Schlitzstruktur der
art aufweist, dass zwei T-förmige Schlitzstrukturen ver
schmelzen.
Aus HIROSE, K. et al.: "Dual-Loop Slot Antenna with Simple
Feed", Electronic Letters, 31st August 1989, Vol. 25, No. 18,
Seite 1218-1219, ist eine "Dual-Loop Slot-Antenne (DLSA)" be
kannt, welche eine als Antenne wirksame Schlitzstruktur der
art aufweist, dass zwei schleifenförmige Schlitzstrukturen
durch einen Steg verbunden sind.
Aus ZHU, L. et al.: "Complete Circuit Model of Microstrip-Fed
Slot Radiator. Theorie and Experiments", IEEE Microwave and
Guided Wave Letters, Vol. 9, No. 8, August 1999, Seite 305-307,
ist eine als Streifen ausgestaltete, als Antenne wirksame
Schlitzstruktur bekannt.
SOLIMA, E. A. et al.: "Bow-tie slot antenna fed by CPW", E
lectronics Letters, 1st April 1999, Vol. 35, No 7, S. 514-
515, zeigt eine "Bow-Tie Slot-Antenne", bei der zwei drei
ecksförmige Schlitzstrukturen derart symmetrisch angeordnet
sind, dass eine Fliegenform entsteht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine gegen
über dem Stand der Technik verbesserte Antenne anzugeben.
Diese Aufgabe wird, ausgehend vom Oberbegriff, durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne weist eine Metall
schicht auf, die derart partiell auf einer Trägerschicht aufgetra
gen ist, dass zumindest ein Antennenarm, ein äußerer Querbal
ken sowie ein innerer Querbalken der Inverted-F-Antenne durch
einen metallfreien Teil der Trägerschicht gebildet wird, der
die Metallschicht in eine Massefläche und eine Anschlussflä
che trennt.
Durch die erfindungsgemäße Antenne wird ein geringerer Volu
menbedarf erzielt, da die relative Dielektrizität εr einer
nicht metallischen Schicht, insbesondere die relative Die
lektrizität der für Flachbaugruppen Verwendung findenden Trä
gersubstrate im Vergleich zu Metall einen größeren
µr)0.5 ist, bewirken, da ihre relative Permeabilität µr nahe
zu den Wert 1 aufweist, so dass elektrische Feldlinien
fast vollständig im Trägersubstrat verlaufen. Zudem lässt
sich mit der Antenne eine sehr große Bandbreite der nutzbaren
Frequenzen erzielen. Eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber
sich im Nahfeld der Antenne befindender Metallteile wird e
benso gewährleistet.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren
dargestellt. Davon zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße, ausgestaltete Inverted-
F-Antenne,
Fig. 2 gemessener Verlauf des Eingangsreflexionsfak
tors bei Einsatz der erfindungsgemäßen Antenne
im Bluetooth-Frequenzband (2400-2480 MHz).
In Fig. 1 ist eine zur planaren, aus metallischen Streifen
leitern gestalteten Inverted-F-Antenne erfindungsgemäß als
zur Inverted-F-Antenne duale bzw. komplementäre Antenne A
dargestellt.
Dual bedeutet hierbei, dass die für die Inverted-F-Antenne
charakteristische F-Form nicht durch metallische Streifenlei
ter realisiert ist, sondern durch ein für Flachbaugruppen
verwendetes Trägersubstrat (z. B. FR4) bzw. Dielektrikum, wo
bei sich die Konturen der F-Form durch eine das Trägersub
strat begrenzende Metallschicht MASSE ergeben.
Handelt es sich bei dem verwendeten Trägersubstrat um Ferrit,
kann eine von der Antenne A benötigte Fläche, d. h. die Fläche
der Metallisierung MASSE; MS, bzw. die Antennen(arm)länge,
nochmals reduziert werden, da Ferrit eine relative Permeabilität
µr größer als 1 aufweist und somit den Verkürzungs
faktor abermals verbessert.
Im Gegensatz zur üblichen Inverted-F-Antenne sind bei der du
alen Antenne A die Rollen von Metallschicht und Substrat
(Dielektrikum) vertauscht. Die erfindungsgemäße Antenne A er
scheint daher komplementär zur üblichen Inverted-F-Antenne,
da keine metallischen Streifenleiter die F-Form bilden, son
dern Schlitze AA, AS und SS, die zwischen einer Metall
schicht MASSE und einem metallischen Abschnitt MS verlaufen
bzw. durch diese begrenzt sind.
Ein erster in Fig. 1 dargestellter, als Schlitz realisierter
Querbalken (Speiseschlitz) SS der F-Form wird zur Speisung
der Antenne A verwendet, d. h. hierüber laufen die zu senden
den bzw. die empfangenen Hochfrequenzsignale.
Zur Speisung ist an den Speiseschlitz SS beispielsweise eine
Koplanarleitung KL angeschlossen, die beispielsweise über ei
ne 50-Ω-Leitung mit einem Sende-/Empfangsteil (Transceiver)
verbunden ist.
Der Anschluss erfolgt, indem ein Innenleiter (Leiterbahn)
der Koplanarleitung KL mit dem Abschnitt MS verbunden wird,
während ein Außenleiter (Leiterbahn) der Koplanarleitung KL
mit der Massemetallisierung MASSE verbunden wird.
Alternativ kann für den Anschluss auch eine gemäß "Triplate"-
Technologie oder "Micro Strip" ausgestaltete Leitung Verwen
dung finden.
Ein zweiter dargestellter, als Schlitz realisierter Querbalken
(Anpassungsschlitz) AS der F-Form kann auf vorteilhafte Weise
zu einer evtl. notwendigen Anpassung, beispielsweise an die
50-Ω-Leitung, verwendet werden, wobei dazu lediglich die
Breite des (Anpassungs-)Schlitzes AS variiert werden muss.
Die Resonanzfrequenz der Antenne A wird in erster Linie durch
die Länge des in der Figur dargestellten Antennenarms AA be
stimmt, wobei der Antennenarm AA bei der gezeigten Inverted-
F-Antenne A dem Längsbalken der F-Form entspricht und eben
falls als Schlitz ausgestaltet ist.
Die äußeren Maße der erfindungsgemäß ausgestalteten Antenne A
können im Vergleich zu einer planaren, metallischen Inverted-
F-Antenne deutlich kleiner gewählt werden.
Zum Einen ist das durch eine bessere Ausnutzung des Verkür
zungsfaktors des Trägersubstrats bei der Antenne A begründet,
die sich dadurch bemerkbar macht, dass die elektrischen Feld
linien bei der erfindungsgemäßen Antenne A im Vergleich zu
Metall nahezu vollständig im Dielektrikum (Trägersubstrat)
verlaufen.
Zum Anderen ist dies auch dadurch begründet, dass die F-Form
platzsparend innerhalb einer ohnehin für die Massemetallisie
rung MASSE notwendigen Fläche untergebracht ist. Die für eine
planare, metallische Inverted-F-Antenne notwendige Fläche wird
daher eingespart.
Die erfindungsgemäße Antenne A ist nicht beschränkt auf In
verted-F-Antennen, da sich die Vertauschung der Rolle von Me
tall- und Trägerschicht auch auf andere zur Realisierung ei
ner Antennenfunktion bekannte, metallische Strukturen anwen
den lässt, wobei die Realisierung der Anpassung bzw. Speisung
analog zur Struktur zu der in Fig. 1 dargestellten unter
scheiden kann und durch Messung und Simulation ermittelt bzw.
optimiert werden kann.
In Fig. 2 ist als Messergebnis ein Eingangsreflexionsfaktor
S11 einer nach Fig. 1 ausgestalteten Antenne A mit folgender
Dimensionierung:
l | 16 mm |
h | 6 mm |
d | 1 mm |
L | 50 mm |
H | 17 mm |
dargestellt, wobei:
l: Länge des Antennenarms AA
h: Länge Anpassschlitz AS und Speiseschlitzlänge SP
d: Breite Antennenarm AA und Speiseschlitz SS
L: Gesamtlänge der benötigten (Layout-)Fläche
H: Gesamthöhe der benötigten (Layout-)Fläche
definiert sind.
l: Länge des Antennenarms AA
h: Länge Anpassschlitz AS und Speiseschlitzlänge SP
d: Breite Antennenarm AA und Speiseschlitz SS
L: Gesamtlänge der benötigten (Layout-)Fläche
H: Gesamthöhe der benötigten (Layout-)Fläche
definiert sind.
Für die Durchführung der Messung ist die Antenne A am Speise
schlitz SS mit einem "Semi-Rigid"-Koaxialkabel verknüpft und
an einen Netzwerkanalysator angeschlossen.
Die Verknüpfung des Koaxialkabels mit der erfindungsgemäßen
Antenne A wird derart realisiert, dass der Innenleiter des
Koaxialkabels mit dem Abschnitt MS, der zwischen dem Speise
schlitz SS und dem Anpassschlitz AS verläuft, und der äußere
Kabelmantel mit der Massemetallisierung MASSE durch Löten
verbunden sind.
Die Messung des Eingangsreflexionsfaktors S11 erfolgt bei
Frequenzen in einem Bereich zwischen 2400-2480 MHz. Dieser
Frequenzbereich entspricht dem Bluetooth-Frequenzband, für das
die Messung optimiert wurde.
Anhand der Werte des Eingangsreflexionsfaktors S11 bei den
dargestellten Markern 1, 2 und 3 lässt sich entnehmen, dass
für das gewählte Frequenzband eine sehr gute Anpassung er
zielt wird.
An dem in der Fig. 2 dargestellten Verlauf des Eingangsre
flexionsfaktors S11 lässt sich auch erkennen, dass die Antenne
A für eine extrem hohe Bandbreite geeignet ist, da bei
spielsweise die "-10-dB-Bandbreite", die in der Fachwelt als
Richtwert angesetzt wird, bei knapp 700 MHz liegt.
Bei herkömmlichen, metallischen Inverted-F-Antennen liegen die
erzielbaren Bandbreiten dagegen bei wenigen 100 MHz.
Daher ist die erfindungsgemäße Antenne A auch für Telekommu
nikationsgeräte geeignet, die in einem Telekommunikationssys
tem mit hoher Bandbreite bzw. in unterschiedlichen Frequenz
bändern verschiedener Telekommunikationssysteme eingesetzt
werden, beispielsweise Multi-Band-Geräten, die sowohl nach
dem UMTS-Standard in einem Frequenzband um 2 GHz als auch nach
dem Bluetooth-Standard in einem Band um 2,4 GHz funktionieren,
so dass die Antenne eine Frequenzbandbreite von mindestens
400 MHz abdecken muss.
Neben der hohen Bandbreite bestätigt sich der Vorteil des ge
ringen Volumenbedarfs, da für die Messung eine erfindungsge
mäße Anntenne A mit einer Länge von nur 16 mm verwendet wurde,
wobei ein FR4-Trägersubstrat Verwendung fand.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne A ist eine
höhere Unempfindlichkeit gegenüber sich in der Nähe der An
tenne befindender Metallteile, wie beispielsweise Schirmtöpfe
oder dergleichen.
Claims (11)
1. Inverted-F-Antenne (A), dadurch gekennzeichnet, dass auf
einer Trägerschicht (FR4) eine Metallschicht (MASSE, MS)
derart partiell aufgetragen ist, dass zumindest ein
Antennenarm (AA), ein äußerer Querbalken (AS) sowie ein
innerer Querbalken (SS) der Inverted-F-Antenne (A) durch
einen metallfreien Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht
(FR4) gebildet wird, der die Metallschicht (MASSE, MS) in
eine Massefläche (MASSE) und eine Anschlussfläche (MS)
trennt, wobei die Massefläche (MASSE) und die
Anschlussfläche (MS) derart aufgetragen sind, dass sie
die Konturen des metallfreien Teils (AA, AS, SS) der
Inverted-F-Antenne bilden.
2. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anschlussfläche (MS) zwischen dem inneren Querbalken (SS)
und äußeren Querbalken (AS) zu liegen kommt.
3. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der metallfreie
Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) als
Dielektrikum ausgestaltet ist.
4. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Dielektrikum als Ferrit
ausgestaltet ist.
5. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der metallfreie
Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) eine relative
Permeabilität größer eins aufweist.
6. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverted-F-
Antenne (A) plan ausgestaltet ist.
7. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines
äußeren Querbalkens (AS) der Inverted-F-Antenne (A)
derart ausgestaltet ist, dass eine Impedanzanpassung der
Inverted-F-Antenne (A) an eine an der Inverted-F-Antenne
(A) angeschlossene Leitung realisiert ist.
8. Inverted-F-Antenne (A) nach einem vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden-/Empfangen von
Hochfrequenzsignalen eine Leitung (KL) derart an die
Inverted-F-Antenne angeschlossen wird, dass
- a) ein signalführender Anschluss der Leitung (KL) mit einem metallischen Abschnitt (MS) der Metallschicht (MASSE, ML) elektrisch leitend verbunden ist,
- b) ein Masseanschluss der Leitung (KL) mit einer Massemetallisierung (MASSE) der Metallschicht (MASSE, MS) elektrisch leitend verbunden ist.
9. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leitung (KL) als Triplate-
Leitung (KL) ausgestaltet ist.
10. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leitung (KL) als "Micro-Strip"-
Leitung (KL) ausgestaltet ist.
11. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leitung (KL) als Koplanarleitung
(KL) ausgestaltet ist.
Priority Applications (2)
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DE2000155123 DE10055123C2 (de) | 2000-11-07 | 2000-11-07 | Inverted-F-Antenne |
PCT/DE2001/004052 WO2002039547A1 (de) | 2000-11-07 | 2001-10-24 | Inverted-f-antenne |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000155123 DE10055123C2 (de) | 2000-11-07 | 2000-11-07 | Inverted-F-Antenne |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10055123A1 DE10055123A1 (de) | 2002-05-29 |
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Family Applications (1)
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DE (1) | DE10055123C2 (de) |
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Cited By (3)
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DE202009016038U1 (de) | 2009-11-24 | 2010-02-18 | Engelmann Sensor Gmbh | SMT-bestückbares Antennenelement |
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- 2000-11-07 DE DE2000155123 patent/DE10055123C2/de not_active Expired - Fee Related
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2001
- 2001-10-24 WO PCT/DE2001/004052 patent/WO2002039547A1/de active Application Filing
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DE202009016038U1 (de) | 2009-11-24 | 2010-02-18 | Engelmann Sensor Gmbh | SMT-bestückbares Antennenelement |
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Publication number | Publication date |
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