DE10148370A1

DE10148370A1 - Miniaturisierte Richtantenne

Info

Publication number: DE10148370A1
Application number: DE10148370A
Authority: DE
Inventors: Thomas Purr; Rainer Pietig
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-09-29
Filing date: 2001-09-29
Publication date: 2003-04-10
Also published as: TWI223910B; US6759988B2; CN1409438A; US20030063033A1; EP1298760A1; KR20030028402A; JP2003188624A

Abstract

Es wird eine miniaturisierte Richtantenne mit einem keramischen Substrat (2) mit mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur (3, 4, 5), insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich beschrieben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine elektrisch leitende Grundplatte (1, 11) vorgesehen ist, auf der das Substrat angeordnet ist, wobei sich die mindestens eine Leiterbahnstruktur (3, 4, 5) mit einem Ende bis auf die Grundplatte erstreckt. Damit wird eine weitgehend nur in einen Halbraum gerichtete Strahlungscharakteristik erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Richtantenne mit einem keramischen Substrat mit mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich. Die Erfindung betrifft weiterhin eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB - printed circuit board) zur Oberflächenmontage (SMD - surface mounted device) von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen mit einer solchen Antenne.
Die drahtlose Funkvernetzung erfährt in der modernen Telekommunikations- und in zunehmendem Maße auch in der Unterhaltungselektronik eine ständig steigende Bedeutung. Dabei werden elektromagnetische Wellen im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich zur Übertragung von Informationen verwendet. Beispiele hierfür sind die Mobilfunkbänder, die in Europa im Bereich zwischen etwa 880 und 960 MHz (GSM 900) sowie zwischen etwa 1710 und 1880 MHz (DCS1800) und etwa 1850 und 1990 MHz (PCS 1900) liegen, die GPS-Navigationssignale, die in einem Frequenzband bei etwa 1573 MHz ausgesendet werden, sowie das Bluetooth-Band im Frequenzbereich zwischen etwa 2400 MHz und 2500 MHz, das für den Datenaustausch zwischen einzelnen Endgeräten genutzt wird.
An die dafür zum Einsatz kommenden elektronischen Bauelemente werden immer höhere Anforderungen insbesondere bezüglich des Miniaturisierungsgrades, der kostengünstigen Montierbarkeit und der elektrischen Leistungsfähigkeit gestellt. Auf dem Gebiet der Antennen kommen für den Einsatz in zukünftigen Mobiltelefonen als zusätzliche Anforderungen zum Beispiel die interne Plazierbarkeit, die Mehrbandtauglichkeit und eine verminderte Benutzerbestrahlung beziehungsweise verbesserte SAR (specific absorption rate)-Werte hinzu.
Herkömmliche Antennen für den Einsatz in Mobiltelefonen, wie etwa externe Monopol- Antennen oder interne PIFA (planar inverted F-antenna)-Antennen auf dielektrischen Substraten werden obigen Anforderungen nicht oder nur unzureichend gerecht.
Aus der JP-07 240 962 ist zum Beispiel eine Antenne zur Montage auf einer Schaltungsplatine bekannt, die eine Massemetallisierung aufweist und so in einem mobilen Kommunikationsgerät montiert wird, dass die Massemetallisierung zwischen dem Körper eines Benutzers und dem Strahlungsweg der ausgesendeten Wellen liegt, um auf diese Weise eine Abschirmungswirkung zu erzielen. Um allerdings eine ausreichende Empfangsempfindlichkeit zu erzielen, ist hierbei zum Empfangen eine gesonderte Stabantenne erforderlich.

Eine Aufgabe, die die Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb darin, eine Antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad und eine verbesserte Richtcharakteristik in einer Vorzugsrichtung aufweist.

Weiterhin soll eine Antenne der eingangs genannten Art geschaffen werden, bei der in relativ einfacher Weise eine Impedanzanpassung vorgenommen werden kann.

Mit der Erfindung soll auch eine Antenne der eingangs genannten Art geschaffen werden, mit der eine relativ große Bandbreite erzielt werden kann.

Schließlich soll auch eine Antenne der eingangs genannten Art geschaffen werden, die zur Anwendung in mehreren der oben genannten Frequenzbänder geeignet ist (Multiband- Tauglichkeit).

Mit der Erfindung soll schließlich auch eine gedruckte Schaltungsplatine mit einer Antenne der eingangs genannten Art geschaffen werden, mit der die oben genannten Ziele besonders gut erreicht werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß Anspruch 1 mit einer Richtantenne mit einem keramischen Substrat mit mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, die sich dadurch auszeichnet, dass eine elektrisch leitende Grundplatte vorgesehen ist, auf der das Substrat angeordnet ist, wobei sich die mindestens eine Leiterbahnstruktur mit einem Ende bis auf die Grundplatte erstreckt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass mit dieser Antenne eine weitgehend nur in einen Halbraum gerichtete Strahlungscharakteristik erzielt und damit die Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen auf einen Benutzer zum Beispiel eines Mobiltelefons, in das diese Antenne eingebaut ist, wesentlich reduziert werden kann.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Ausführung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass durch geeignete Wahl der Höhe des Substrates eine gewünschte Bandbreite der Antenne erzielt werden kann.

Mit der Ausführung gemäß Anspruch 3 kann ein besonders hoher Miniaturisierungsgrad erreicht werden.

Die Ausführung gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, dass eine Impedanzanpassung in einfacher Weise durch Veränderung der Zuführung und damit der kapazitiven Kopplung vorgenommen werden kann.

Die Ausführung gemäß Anspruch 5 ist insbesondere in einfacher Weise herstellbar, und die erfindungsgemäße Antenne kann als Teil einer gedruckten Schaltungsplatine ausgeführt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Antenne; und
Fig. 2 ein Richtdiagramm des Fernfeldes der in Fig. 1 gezeigten Antenne.
Die erfindungsgemäße Antenne umfasst eine elektrisch leitende Grundplatte, die gemäß Fig. 1 zum Beispiel durch eine übliche Platine 1 (Träger) mit einer Metallisierung 11 gebildet ist, sowie ein darauf befestigtes keramisches Substrat 2 mit mehreren resonanten Leiterbahnstrukturen 3, 4, 5 und einer Zuführung 6. Die Metallisierung 11, die sich auf der in der Darstellung oberen Fläche der Platine 1 befindet, bedeckt diese Fläche vorzugsweise vollständig und ist nur dort ausgespart, wo eine Leiterbahn 12 zur Speisung der Zuführung 6 angeordnet ist. Das Substrat 2 wird zum Beispiel mit Lötpunkten (nicht dargestellt) auf der Platine 1 bzw. der Metallisierung 11 montiert. Es ist zur Verdeutlichung des Verlaufes der Leiterbahnstrukturen durchsichtig dargestellt.
Das keramische Substrat 2 hat im wesentlichen die Form eines aufrecht stehenden Quaders mit einer ersten bis vierten, senkrecht zu der Ebene der Platine 1 verlaufenden Seitenfläche 21, 22, 23, 24, einer Oberseite 25 und einer Unterseite 26. Anstelle dieses quaderförmigen Substrates können jedoch auch andere geometrische Formen wie zum Beispiel rechteckige, runde, dreieckige oder vieleckige Zylinderformen, jeweils mit oder ohne Hohlräume, gewählt werden, auf die resonante Leiterbahnstrukturen mit zum Beispiel spiralförmigem Verlauf aufgebracht sind.
Das Substrat 2 hat eine Dielektrizitätszahl von ε_r > 1 und/oder eine Permeabilitätszahl von µ_r ≥ 1. Typische Materialien sind hochfrequenztaugliche Substrate mit geringen Verlusten und geringer Temperaturabhängigkeit der Hochfrequenzeigenschaften (NP0- oder sogenannte SL-Materialien). Es können auch Substrate verwendet werden, deren Dielektrizitätszahl und/oder Permeabilitätszahl durch Einbetten eines keramischen Pulvers in eine Polymermatrix in gewünschter Weise eingestellt wird.
Die Leiterbahnstrukturen 3 bis 5, die Zuführung 6 sowie die anderen Metallisierungen 11, 12 sind im wesentlichen aus elektrisch hochleitfähigen Materialien wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder einem Supraleiter hergestellt.
Im einzelnen befindet sich auf dem Substrat 2 die erste Leiterbahnstruktur 3, die durch eine erste Leiterbahn 31 auf der Oberseite 25 sowie eine sich daran anschließende, im wesentlichen senkrecht dazu nach unten bis zu der Metallisierung 11 verlaufende zweite Leiterbahn 32 auf der vierten Seitenfläche 24 des Substrates 2 gebildet ist. Die zweite Leiterbahnstruktur 4 umfasst eine erste Leiterbahn 41 auf der Oberseite 25 sowie eine sich daran anschließende, im wesentlichen senkrecht dazu nach unten bis zu der Metallisierung 11 verlaufende zweite Leiterbahn 42 auf der zweiten Seitenfläche 22 des Substrates 2. Die dritte Leiterbahnstruktur 5 ist schließlich wiederum durch eine erste Leiterbahn 51 auf der Oberseite 25 sowie eine sich daran anschließende, im wesentlichen senkrecht dazu nach unten bis zu der Metallisierung 11 verlaufende zweite Leiterbahn 52 auf der zweiten Seitenfläche 22 des Substrates 2 gebildet. Die zweiten Leiterbahnen 32, 42, 52 sind jeweils vorzugsweise durch Verlöten oder auf andere Weise mit der Metallisierung 11 kontaktiert.
Die Leiterbahnstrukturen 3, 4 und 5 werden über eine Zuführung 6 gespeist, die mit einem Metallisierungsplättchen 61 an der unteren Kante der ersten Seitenfläche 21 beginnt, das sich auch ein Stück auf die Unterseite 2 G des Substrates 2 erstreckt und auf die koplanare Leiterbahn 12 auf der Platine 1 aufgelötet ist. Mit dem Metallisierungsplättchen 61 ist eine erste Leiterbahn 62 verbunden, die an der zweiten Seitenfläche 22 im Bereich der Kante zur Unterseite 2G verläuft, bis sich senkrecht dazu eine zweite Leiterbahn 63 anschliesst, die sich auf der zweiten Seitenfläche 22 ein Stück in Richtung auf die Oberseite 25 erstreckt.
Die Speisung der Leiterbahnenstrukturen 3, 4 und 5 erfolgt in kapazitiver Weise über die Zuführung 6, wobei eine Impedanzanpassung über den Abstand dieses Zuführung 6 von den Leiterbahnstrukturen 3, 4 und 5 und somit im wesentlichen über die Länge der ersten und zweiten Leiterbahn 62, 63 erreicht werden kann. Diese Kopplung und damit die Impedanzanpassung kann auch noch in eingebautem Zustand der Antenne vorgenommen werden, indem z. B. mit einem Laserstrahl die Länge der zweiten Leiterbahn 63 gekürzt wird.
Das elektrische Prinzip der Antenne beruht auf der Anregung von Viertelwellenlängen- Resonanzen auf jeder der im wesentlichen L-förmigen Leiterbahnstrukturen 3, 4 und 5, wobei deren jeweilige Länge unter Berücksichtigung der Dielektrizitätszahl bzw. der Permeabilitätszahl des Substratmaterials entsprechend der gewünschten Resonanzfrequenz bemessen wird.
Dabei vermindert sich die senkrecht zu der Metallisierung 11 verlaufende Komponente des elektrischen Feldes entlang jeder der zweiten (vertikalen) Leiterbahnen 32, 42, 52 jeweils von ihrem Maximalwert an der Oberseite 25 bis auf etwa den Wert 0 an der Metallisierung 11.
Die Bandbreite der Antenne läßt sich durch Veränderung der Höhe des Substrates 2 beeinflussen. Hierbei gilt der Zusammenhang, dass die Bandbreite um so größer wird, je größer die Höhe des Substrates ist, das heißt je größer der Abstand der ersten Leiterbahnen 31, 41, 51 von der Metallisierung 11 ist.
Da sich mit jeder der Leiterbahnstrukturen 3, 4, 5 jeweils eine Resonanzfrequenz erzeugen lässt, kann durch Aufbringen einer entsprechenden Anzahl von Leiterbahnstrukturen gemäß obiger Beschreibung eine gewünschte Anzahl von Resonanzfrequenzen und somit eine Multiband-Tauglichkeit der Antenne erzielt werden. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dient zum Beispiel die erste, längere Leiterbahnstruktur 3 zur Anregung einer Resonanz in dem GSM900-Band, während die beiden kürzeren, das heißt die zweite und die dritte Leiterbahnstruktur 4, 5 zur Anregung von Resonanzen in höheren Frequenzbändern wie dem DCS 1800- bzw. dem PCS 1900-Band dienen.
Die gewünschte Richtwirkung der Antenne in einen Halbraum wird durch die Metallisierung 11 auf der Platine 1 bewirkt. Fig. 2 zeigt einen Schnitt (bei φ = 0) durch das Richtdiagramm des Fernfeldes der in Fig. 1 dargestellten Antenne, wobei der Betrag der elektrischen Feldstärke im Fernfeld ein im wesentlichen kugelförmiges Diagramm in dem Halbraum oberhalb der in Fig. 1 gezeigten Metallisierung 11 bildet. Die als Reflektor beziehungsweise Abschirmung dienende Metallisierung 11 befand sich dabei auf einer üblichen gedruckten Schaltungsplatine, wobei die Metallisierung eine Fläche von etwa 90 mal 35 mm&⇒↙⪩⪧∵ einnahm und das Substrat eine Länge von 24 mm, eine Breite von 4 mm und eine Höhe von 10 mm hatte. Die Antenne wurde u. a. im Frequenzbereich bei etwa 900 MHz betrieben.
Die erfindungsgemäße Antenne wird vorzugsweise als Teil bzw. in einem Bereich einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB - printed circuit board) realisiert, die neben der Metallisierung 11 weitere elektrische und/oder elektronische Bauelemente zum Beispiel für ein mobiles Telekommunikationsgerät der eingangs genannten Art trägt.

Claims

1. Miniaturisierte Richtantenne mit einem keramischen Substrat mit mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Grundplatte (1, 11) vorgesehen ist, auf der das Substrat (2) angeordnet ist, wobei sich die mindestens eine Leiterbahnstruktur (3, 4, 5) mit einem Ende bis auf die Grundplatte erstreckt.

2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) im wesentlichen quaderförmig ist und die mindestens eine Leiterbahnstruktur (3, 4, 5) eine auf der Oberseite (25) liegende erste Leiterbahn (31; 41; 51) aufweist, die über eine entlang eine der Seitenflächen (21, 22, 23, 24) des Substrates verlaufende zweite Leiterbahn (32; 42; 52) mit der Grundplatte verbunden ist.

3. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahnstruktur (3, 4, 5) zur Anregung von Viertelwellenlängen-Resonanzen bemessen ist.

4. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) eine Zuführung (6) zur kapazitiven Speisung der mindestens einen Leiterbahnstruktur (3, 4, 5) vorgesehen ist.

5. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte durch eine Platine (1) mit einer auf diese aufgebrachte Metallisierung (11) gebildet ist.

6. Gedruckte Schaltungsplatine, insbesondere für ein mobiles Telekommunikationsgerät für den Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, gekennzeichnet durch eine Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrisch leitende Grundplatte durch einen mit einer Metallisierung (11) beschichteten Bereich der Schaltungsplatine gebildet und das Substrat (2) auf der Metallisierung angeordnet ist.

7. Telekommunikationsgerät für den Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, gekennzeichnet durch eine gedruckte Schaltungsplatine mit einer Richtantenne nach Anspruch 6.