DE60028899T2 - Interne Antenne für ein Gerät - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur, die innerhalb eines Funkgerätes zu installieren ist, ads von kleiner Größe ist.
  • In einem transportablen Funkgerät ist es sehr wünschenswert, dass die Antenne innerhalb der Abdeckungen des Gerätes liegt, da eine vorstehende Antenne unpraktisch ist. In modernen Mobilstationen muss die interne Antenne zum Beispiel natürlich von kleiner Größe sein. Dieses Erfordernis wird noch bedeutsamer, da Mobilstationen kleiner und kleiner werden. Ferner sollte in Dualbandantennen wenigstens das obere Betriebsband relativ breit sein, insbesondere, wenn das in Rede stehende Gerät zum Arbeiten in mehr als einem System vorgesehen ist, das das 1,7–2 GHz-Band verwendet.
  • Wenn eine Antenne mit kleiner Größe angestrebt wird, ist die üblichste Lösung, eine PIFA (Planare Invertierte F-Antenne) zu verwenden. Die Leistung, wie Bandbreite und Effizienz, einer solchen Antenne, die in einem gegebenen Frequenzband oder -bändern arbeitet, hängt von ihrer Größe ab: Um so größer die Größe ist, um so besser sind die Charakteristika und umgekehrt. Zum Beispiel verringert ein Verringern der Höhe einer PIFA, d.h. das näher aneinander Bringen der Strahlungsebene und Erdungsebene, die Bandbreite markant. Ähnlich vermindert ein Verkleinern der Antenne in den Richtungen der Breite und Länge, indem die physikalischen Längen der Elemente kleiner gemacht werden als ihre elektrischen Längen, insbesondere die Effizienz.
  • Die 1 zeigt ein Beispiel einer Dualband-PIFA des Standes der Technik. In der Figur ist von dem in Rede stehenden Gerät der Rahmen 110 dargestellt, der horizontal gezeichnet ist und der als die Erdungsebene der Antenne fungiert. Über der Erdungsebene gibt es ein planares Strahlungselement 120, das durch Isolationsstücke, wie 105, abgestützt ist. Zwischen dem Strahlungselement und der Erdungsebene gibt es ein Kurzschlussstück 102. Das Strahlungselement 120 wird an einem Punkt F durch ein Loch 103 in der Erdungsebene versorgt. In dem Strahlungselement gibt es einen Schlitz 125, der am Rand des Elementes beginnt und zur Nähe des Versorgungspunktes F verläuft, nachdem er zwei rechtwinklige Abbiegungen vollführt hat. Der Schlitz teilt das Strahlungselement, vom Versorgungspunkt F aus gesehen, in zwei Zweige A1 und A2, die verschiedene Längen haben. Der längere Zweig A1 enthält bei diesem Beispiel den Hauptteil der Randregionen des Strahlungselementes, und seine Resonanzfrequenz fällt in das niedrigere Betriebsband der Antenne. Der kürzere Zweig A2 enthält den Mittelbereich des Strahlungselementes, und seine Resonanzfrequenz fällt in das obere Betriebsband der Antenne. Der Nachteil solcher Strukturen, wie derjenigen, die in der 1 beschrieben ist, ist, dass die Tendenz zu kleineren Antennen für kompakte Mobilstationen gemäß dem vorstehenden die elektrischen Charakteristika der Antenne zu sehr verschlchtern wird.
  • Von dem Dokument EP 0 279 050 ist eine Antennenstruktur bekannt, die eine Erdungsebene und drei Strahlungsebenen aufeinander hat. Zwischen der Erdungsebene und der ersten Strahlungsebene sowie zwischen den ersten und zweiten Strahlungsebenen gibt es üblicherweise PCB-Material mit einem Dielektrizitätskoeffizienten von ungefähr 3. Zwischen den zweiten und dritten Strahlungsebenen ist ein dielektrischer Schaum oder Luft. Ganz oben, die gesamte dritte Strahlungsebene abdeckend, gibt es eine dielektrische Schicht, um die Antenne vor Wetter und mechanischer Beschädigung zu schützen. Durch die Lösung wird ein relativ breites Betriebsband implementiert.
  • Von dem Dokument US 5 945 950 ist eine Antennenstruktur bekannt, die zwei dielektrische Platten aufeinander enthält. Die oberen Oberflächen dieser Platten sind mit leitendem Material beschichtet, um zwei Strahlungsebenen für die Antenne zu bilden. Zusätzlich ist eine Seitenoberfläche jeder Platte mit einem leitenden Material beschichtet, wobei jene Seitenoberflächen an angrenzenden Seiten der gesamten Antenne sind. Die untere dieser leitenden Seiten verbindet die untere Strahlungsebene mit der Erdung, und die obere der leitenden Seiten verbindet die obere Strahlungsebene mit der unteren Strahlungsebene. Das dielektrische Material ist z.B. Aluminiumoxid. Mittels dieser Lösung werden erwünschte Strahlungscharakteristika, wie zirkulare Polarisierung, implementiert.
  • Von dem Dokument EP 0 777 295 ist eine Antennenstruktur bekannt, die eine Erdungsebene und zwei Strahlungsebenen aufeinander enthält. Zwischen der Erdungsebene und der unteren Strahlungsebene ist Luft und zwischen den unteren und oberen Strahlungsebenen ist eine dielektrische Platte, die einen Dielektrizitätskoeffizienten von 2 bis 4 hat. Beide Strahlungsebenen sind mit der Erdung verbunden, und der Antennenversorgungsleiter ist mit der oberen Strahlungsebene verbunden. Die Strahlungscharakteristika werden durch diskrete Kondensatoren gesteuert, die zwischen den Strahlungsebenen und zwischen einer Strahlungsebene und der Erdungsebene angeschlossen sind. Zwei Resonanzfrequenzen, die relativ nahe beieinander sind, werden mittels der Lösung implementiert.
  • Von dem Dokument JP 6141205 ist eine Antennenstruktur bekannt, die eine Erdungsebene und zwei Strahlungsebenen aufeinander enthält. Der Versorgungsleiter ist mit der unteren Strahlungsebene verbunden, die ferner mit der Erdungsebene verbunden ist. Die obere Strahlungsebene ist mit der unteren Strahlungsebene verbunden. Ein oder zwei Räume zwischen den Ebenen können mit dielektrischem Material gefüllt sein, um die Antenne kleiner zu machen. Eine oder beide Strahlungsebenen können als ein Mäandermuster geformt sein. Die Antenne hat ein Betriebsband.
  • Von dem Artikel Luk, Lee, Tam: "Circular U-slot patch with dielectric superstrate", ELECTRONICS LETTERS, 5. Juni 1997, ist eine Antennenstruktur bekannt, die eine Erdungsebene und eine Strahlungsebene hat, die einen U-förmigen Schlitz hat, um die Antennenbandbreite zu erhöhen. Ganz oben, die gesamte Strahlungsebene abdeckend, gibt es ein Stück einer dielektrischen Schaltungsplatte, um die Antenne zu schützen und die Strukturintegration bei der Produktion zu erleichtern. Zwischen der Strahlungsebene und der Erdung ist typischerweise dielektrischer Schaum.
  • Aus dem Dokument EP 1 083 624 ist eine PIFA-Typ Antenne bekannt, die eine Erdungsebene und eine Strahlungsebene enthält. Eine Schicht aus dielektrischem Material liegt auf der Strahlungsebene. Die Schicht bedeckt die Bereiche, in welchen das elektrische Feld am stärksten ist, wenn die Antenne resoniert. Die Strahlungsebene kann in zwei Zweige geteilt sein, um zwei separate Betriebsbänder zu implementieren. Der Schlitz zwischen den Zweigen ist relativ breit, um die Kopplung zwischen den Zweigen schwach auszuführen. Durch geeignetes Kombinieren des Hinzufügens von dielektrischem Material oben auf der Strahlungsebene und Verbreitern des Schlitzes können die elektrischen Charakteristika der Antenne wesentlich verbessert werden, ohne die Größe der Antenne verglichen mit einer Basis-PIFA zu erhöhen. Alternativ kann die Antenne kleiner gemacht werden, ohne dass die elektrischen Charakteristika verschlechtert werden. Im letzteren Fall ist die Schlitzbreite kleiner als im vorherigen Fall.
  • Von dem Dokument EP 1 079 462 ist eine PIFA-Typ Antenne bekannt, die eine Erdungsebene und eine Strahlungsebene enthält. In der Strahlungsebene gibt es einen Schlitz, der aus zwei Teilen besteht, die verschiedene Breiten haben. Ein Ende des breiteren Teils des Schlitzes ist nahe an dem Versorgungspunkt der Strahlungsebene. Der schmälere Teil des Schlitzes beginnt an einem Punkt in dem breiteren Teil und erstreckt sich zu dem Rand des Strahlungselementes. Das Verhältnis der Breiten der Teile des Schlitzes ist in der Ordnung von drei. Ein relativ breites Betriebsband ist mittels der Lösung implementiert.
  • Das Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu verringern. Die Struktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 ausgedrückt ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen wiedergegeben.
  • Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Eine herkömmliche PIFA-Typ Struktur ist in einer solchen Weise erweitert, dass es an Stelle von einer wenigstens zwei Strahlungsebenen jeweils übereinander über der Erdungsebene gibt. Zwischen ihnen gibt es dielektrisches Material, um die Größe des unteren Strahlers zu verringern und die Bandcharakteristika zu verbessern. Ähnlich gibt es dielektrisches Material auf der Oberseite der obersten Strahlungsebene. Diese Oberseitenschicht wird verwendet, um eine Resonanzfrequenz der Antenne relativ nahe an eine andere Resonanzfrequenz heran zu bringen, um das Band zu verbreitern. Die obere Strahlungsebene ist galvanisch mit der unteren Strahlungsebene verbunden.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass sie eine größere Zunahme bei der Antennenbandbreite erzielt, als was erzielt würde durch Platzieren der einzigen Strahlungsebene in einem Abstand von der Erdungsebene gleich jenem der oberen Strahlungsebene gemäß der Erfindung. Dies liegt an der Verwendung von mehreren Resonanzfrequenzen nahe beieinander. Andere Vorteile der Erfindung enthalten relativ gute Herstellbarkeit und niedrige Herstellungskosten.
  • Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben. Es wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
  • 1 ein Beispiel einer PIFA des Standes der Technik zeigt,
  • 2 ein Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt,
  • 3 ein Beispiel der Charakteristika der Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
  • 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
  • 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, und
  • 7 ein Beispiel einer Mobilstation zeigt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
  • Die 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
  • Die 2 zeigt ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Eine Antenne 200 enthält eine Erdungsebene 210, auf der Oberseite davon ein erstes Strahlungselement 220 und weiter auf der Oberseite davon ein zweites Strahlungselement 230. Die Wörter "auf der Oberseite" und "oberste" beziehen sich in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die relativen Positionen der Komponententeile der Antenne, wenn sie horizontal sind und die Erdungsebene die unterste ist. Zwischen der Erdungsebene und dem ersten Strahlungselement ist hauptsächlich Luft und ein wenig Stützmaterial, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat. Zwischen den ersten und zweiten Strahlungselementen ist eine erste dielektrische Platte 240, die eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante hat. Auf der Oberseite des zweiten Strahlungselementes ist eine zweite dielektrische Platte 250. Der Innenleiter 201 der Antennenversorgungsleitung ist an einem Punkt F mit der ersten Strah lungsebene 220 durch ein Loch 211 in der Erdungsebene verbunden. Gemäß der PIFA-Struktur ist die erste Strahlungsebene mittels eines ersten Kurzschlussleiters 202 mit Erdung verbunden. Ferner sind die ersten und zweiten Strahlungsebenen galvanisch verbunden. Bei dem Beispiel der 2 ist diese Verbindung mittels eines zweiten Kurzschlussleiters 203 in dem Bereich zwischen dem Versorgungspunkt F und dem Kurzschlussleiter 202 realisiert. Die zweite Strahlungsebene 230 wird teilweise galvanisch durch den Kurzschlussleiter 203 und teilweise elektromagnetisch von der ersten Ebene 220 versorgt.
  • Bei der exemplarischen Struktur, die in der 2 dargestellt ist, enthalten die beiden Strahlungsebenen zwei Zweige. Die erste Strahlungsebene 220 hat einen Schlitz 225, der sie in zwei Zweige teilt, die verschiedene Resonanzfrequenzen haben. Es sollen diese Resonanzfrequenzen f1 und f2 sein, wovon f2 höher ist. Die zweite Strahlungsebene 230 hat einen Schlitz 235, der sie in zwei Zweige A3 und A4 teilt, die verschiedene Resonanzfrequenzen haben. Es sollen diese Resonanzfrequenzen der oberen Strahlungsebene f3 und f4 sein, wovon f4 höher ist. Die dielektrische Platte 250 liegt auf der Oberseite des Zweiges A4. Das und die Größe des Zweiges A4 werden verwendet, um die Resonanzfrequenz f4 so nahe an die Resonanzfrequenz f2 zu bringen, dass die Betriebsbänder entsprechend den Frequenzen f2 und f4 ein kontinuierliches breiteres Betriebsband bilden. Außerdem verbessert die dielektrische Platte 250 die Zuverlässigkeit der Oszillation des Zweiges A4.
  • Die 3 zeigt eine Kurve 31, die einen Reflexionskoeffizienten S11 als eine Funktion der Frequenz f für eine Antenne darstellt, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Die exemplarische Antenne ist ausgelegt, um vier Resonanzfrequenzen zu haben, wie oben bei der Struktur von 2. Die erste Resonanz r1 tritt bei f1 = 0,8 GHz auf, die zweite Resonanz r2 bei f2 = 1,66 GHz, die dritte Resonanz r3 bei f3 = 0,94 GHz, und die vierte Resonanz r4 tritt bei f4 = 1,87 GHz auf. Die Reflexionskoeffizientenspitzen sind entsprechend 14 dB, 21 dB, 7½ dB und 12 dB. Die Betriebsfrequenzbänder entsprechend den Resonanzen r1 und r3 sind getrennt. Die Kopplung zwischen Antennenelementen, die den Resonanzen r2 und r4 entspechen, resultiert in einer fünften Resonanz r5, deren Frequenz zwischen f2 und f4 fällt. Zusammen bilden die Frequenzbänder, die den Resonanzen r2, r4 und r5 entsprechen, ein breites Betriebsfrequenzband. Dieses Frequenzband wird ungefähr 1,6 bis 1,9 GHz sein, wenn ein Reflexionskoeffizient von 5 dB als das Bandgrenzenkriterium verwendet wird. Die Bandbreite B ist somit ungefähr 300 MHz, was 17% in Relation zur Mittelfrequenz des Bandes ist. Dies ist deutlich mehr als die Bandbreite, die von einer Antenne derselben Größe des Standes der Technik erzielt wird.
  • Die 4a ist eine Oberseitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung nahezu ähnlich jenem von 2. Es sind ein erstes Strahlungselement 420, ein zweites Strahlungselement 430, eine erste dielektrische Platte 440 und eine zweite dielektrische Platte 450 gezeigt. Ein Schlitz 425 teilt das erste und ein Schlitz 435 das zweite Strahlungselement in zwei Zweige. Das zweite Strahlungselement ist bei diesem Beispiel fast so groß wie das erste. Sie sind am Rand der Struktur durch einen zweiten Kurzschlussleiter 403 verbunden. Die erste dielektrische Platte hat eine Dielektrizitätskonstante ε1 und die zweite dielektrische Platte hat eine Dielektrizitätskonstante ε2. Der Unterschied zu 2 ist, dass die zweite dielektrische Platte nun oben auf dem längeren Zweig A3 des zweiten Strahlungselementes liegt.
  • Die 4b zeigt die Struktur von 4a von ihrer linken Seite her gesehen. Es sind zusätzlich zu den vorerwähnten Teilen eine Erdungsebene 410, ein innerer Leiter 401 der Antennenversorgungsleitung und ein erster Kurzschlussleiter 402 zwischen der Erdungsebene und dem ersten Strahlungselement gezeigt. Ein Kurzschlussleiter 403 zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlungselement beginnt vorteilhafterweise an dem Bereich zwischen dem inneren Leiter 401 und dem ersten Kurzschlussleiter. Zusätzlich zeigt die 4b, dass der Isolator zwischen der Erdungsebene und dem ersten Strahlungselement Luft ist.
  • Die 5a ist eine Oberseitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung mit drei Strahlungselementen jeweils aufeinander. Am Boden ist ein erstes Strahlungselement 520, das zwei Zweige hat. In der Mitte ist ein zweites Strahlungselement 530, das kontinuierlich und kleiner als das erste Strahlungselement ist. An der Oberseite ist ein drittes Strahlungselement 560, das zwei Zweige hat und noch kleiner als das zweite Strahlungselement ist. Zwischen den ersten und zweiten Strahlungselementen ist eine erste dielektrische Platte 540, und zwischen den zweiten und dritten Strahlungselementen ist eine zweite dielektrische Platte 550. Oben auf dem kürzeren Zweig des dritten Strahlungselementes ist eine dritte dielektrische Platte 570. Am Rand der Struktur ist ein zweiter Kurzschlussleiter 503 zwischen den ersten und zweiten Strahlungselementen und ein dritter Kurzschlussleiter 504 zwischen den zweiten und dritten Strahlungselementen.
  • Die 5b zeigt die Struktur von 5a von ihrer linken Seite her gesehen. Es sind zusätzlich zu den vorerwähnten Teilen eine Erdungsebene 510, ein innerer Leiter 501 der Antennenversorgungsleitung und ein erster Kurzschlussleiter 502 zwischen der Erdungsebene und einem ersten Strahlungselement gezeigt. Die Struktur gemäß den 5a, 5b kann verwendet werden, um z.B. eine Drei-Band-Antenne, bei welcher eines der Bänder besonders verbreitert ist, oder eine Dual-Band-Antenne zu realisieren, bei welcher eines oder beide der Bänder besonders verbreitert sind.
  • Die 6a ist eine Oberseitenansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung mit zwei Strahlungselementen jeweils übereinander. Es unterscheidet sich von der Struktur der 4 darin, dass das zweite Strahlungselement 630 kontinuierlich ist und nicht in galvanischem Kontakt mit dem ersten Strahlungselement 620 ist. So ist in diesem Beispiel das zweite Strahlungselement parasitär. Die 6b zeigt die Struktur von 6a von ihrer linken Seite her gesehen. Es sind zusätzlich zu den vorerwähnten Teilen eine Erdungsebene 610, ein innerer Leiter 601 der Antennenversorgungsleitung und ein erster Kurzschlussleiter 602 zwischen der Erdungsebene und dem ersten Strahlungselement gezeigt.
  • Die 7 zeigt eine Mobilstation 700. Sie enthält eine Antenne 200 gemäß der Erfindung, die bei diesem Beispiel vollständig innerhalb der Abdeckungen der Mobilstation liegt.
  • Oben wurden eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung und einige ihrer Variationen beschrieben. Die Erfindung ist auf sie im Hinblick auf die Gestaltung und Anzahl von Strahlungselementen und die Anordnung von dielektrischem Material nicht beschränkt. Außerdem beschränkt die Erfindung weder andere strukturelle Lösungen der Planarantenne noch ihr Herstellungsverfahren. Die erfinderische Idee kann in verschiedenen Weisen innerhalb des Umfangs angewandt werden, der durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.

Claims (6)

  1. Antennenstruktur, die aufeinander eine Erdungsebene und wenigstens ein erstes (220) und zweites (230) planares Strahlungselement enthält, wobei der Raum zwischen dem ersten Strahlungselement und der Erdungsebene Luft enthält und auf der Oberseite des obersten Strahlungselementes eine Schicht (250) aus dielektrischem Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen dem zweiten Strahlungselement und dem ersten Strahlungselement ein Material (240) ist, dessen Dielektrizitätskonstante wenigstens zehn ist, und – die Schicht (250) aus dielektrischem Material auf der Oberseite des obersten Strahlungselementes einen Teil des obersten Strahlungselements bedeckt, um eine Resonanzfrequenz einzustellen und die Oszillationszuverlässigkeit des obersten Strahlungselements zu verbessern.
  2. Struktur nach Anspruch 1, enthaltend einen Versorgungsleiter (201) in galvanischem Kontakt mit dem ersten Strahlungselement und einen ersten Kurzschlussleiter (202) zwischen dem ersten Strahlungselement und der Erdungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen den ersten und zweiten Strahlungselementen ein zweiten Kurzschlussleiter (203) gibt, um eine galvanische Kopplung zu schaffen.
  3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Strahlungselement ein Verbindungspunkt des zweiten Kurzschlussleiters (203) in dem Bereich zwischen einem Verbindungspunkt (F) des Versorgungsleiters und einem Verbindungspunkt des ersten Kurzschlussleiters (202) liegt.
  4. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Strahlungselemente zwei Zweige (A3, A4) enthält, die im Wesentlichen verschiedene Resonanzfrequenzen haben.
  5. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines (630) der Strahlungselemente parasitär ist.
  6. Funkgerät (700), enthaltend eine Antennenstruktur (200) nach Anspruch 1.
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