DE60126280T2

DE60126280T2 - Zweiband-patchantenne

Info

Publication number: DE60126280T2
Application number: DE60126280T
Authority: DE
Inventors: R. Kevin BOYLE
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: CN1381079A; EP1293012B1; US6624786B2; EP1293012A1; JP4237487B2; GB0013156D0; KR100803496B1; KR20020013977A; JP2003535542A; CN1227776C; DE60126280D1; ATE352885T1; WO2001093373A1; US20010035843A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Patchantenne für ein Funkkommunikationsgerät, die für einen Dualbandbetrieb geeignet ist. In der vorliegenden Patentbeschreibung bezieht sich der Begriff "Dualbandantenne" auf eine Antenne, welche in zwei (oder mehr) getrennten Frequenzbändern zufrieden stellend funktioniert, jedoch nicht in dem ungenutzten Spektrum zwischen den Bändern.
Stand der Technik
Eine Patchantenne umfasst einen im Wesentlichen ebenen Leiter, der oft eine rechteckige oder kreisförmige Gestalt hat. Eine solche Antenne wird gespeist, indem eine Spannungsdifferenz zwischen einem Punkt auf der Antenne und einem Punkt auf einem Erdleiter angelegt wird. Der Erdleiter ist oft eben und im Wesentlichen parallel zu der Antenne, wobei eine solche Kombination oft eine planare invertierte F-Antenne (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) genannt wird. Bei Verwendung in einem schnurlosen Mobilteil eines Telefons oder in einem Handy wird der Erdleiter im Allgemeinen durch das Gehäuse des Mobilteils bzw. Handys zur Verfügung gestellt. Die Resonanzfrequenz einer Patchantenne kann durch Variieren der Position der Einspeisungspunkte und durch die Hinzufügung von speziellen Kurzschlüssen zwischen den Leitern modifiziert werden.
Die Verwendung von Patchantennen in schnurlosen Mobilteilen von Telefonen oder in Handys bietet verschiedene Vorteile, insbesondere eine kompakte Form und gute Strahlungscharakteristiken. Die Bandbreite einer Patchantenne ist jedoch begrenzt, und es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Bandbreite der Antenne und dem Volumen, welches sie einnimmt.
Zellularfunk-Kommunikationssysteme weisen normalerweise eine normierte Bandbreite von 10 % auf, was ein relativ großes Antennenvolumen erfordert. Viele solche Systeme sind Frequenzduplex-Systeme, in welchen zwei getrennte Abschnitte des Gesamt spektrums verwendet werden, einer für das Senden und der andere für den Empfang. In manchen Fällen ist ein bedeutender nicht genutzter Abschnitt des Spektrums zwischen dem Sende- und dem Empfangsband vorhanden. Zum Beispiel sind für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) die Frequenzen der Aufwärtsstrecke und der Abwärtstrecke 1900-2025 MHz bzw. 2110-2170 MHz (wenn man die Satellitenkomponente nicht berücksichtigt). Dies stellt eine Gesamtgröße der normierten Bandbreite von 13,3 % dar, zentriert um 2035 MHz, wovon die normierte Bandbreite der Aufwärtsstrecke 6,4 % beträgt, zentriert um 1962,5 MHz, und die normierte Bandbreite der Abwärtsstrecke 2,8 % beträgt, zentriert um 2140 MHz. Somit werden ungefähr 30 % der Gesamtbandbreite nicht genutzt. Wenn eine Antenne mit einer doppelten (dualen) Resonanz konstruiert werden könnte, könnte die Anforderung an die Gesamtbandbreite daher verringert und eine kleinere Antenne verwendet werden.
Eine bekannte Lösung, die in US-A-4 367 474 und US-A-4 777 490 offenbart wird, ist das Vorsehen eines Kurzschlusses zwischen den Leitern, dessen Position durch Umschalten unter Verwendung von Dioden geändert wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Betriebsfrequenz der Antenne umgeschaltet wird. Dioden sind jedoch nichtlineare Bauelemente und können daher Intermodulationsprodukte erzeugen. Ferner ist es bei Systemen wie etwa UMTS erforderlich, gleichzeitig über Senden und Empfang zu verfügen, so dass ein solches Umschalten nicht akzeptabel ist.
Andere Lösungen zur Bereitstellung von Dualbandantennen werden in "Dual-Frequency Patch Antennas", Maci et al, XP0007275870; DE 198 22 371 ; JP 11251825 ; JP 2000068737 ; JP 10028013 ; JP 10224142 und US 4,386,357 bereitgestellt.
"Dual-Frequency Patch Antennas", Maci et al, XP0007275870, ist eine Übersichtsartikel, in welchem drei Typen von Zweifrequenz-Antennen aufgeführt werden, nämlich Zweifrequenz-Patchantennen mit orthogonalem Betrieb, welche zwei Resonanzen mit orthogonalen Polarisationen aufweisen, Zweifrequenz-Multi-Patchantennen mit mehreren Strahlungselementen, bei welchen ein Zweifrequenz-Verhalten durch mehrere Strahlungselemente erzielt wird, und induktiv belastete Patchantennen, bei welchen ein Stub (Stichleitung) mit einer strahlenden Kante auf eine solche Weise verbunden ist, dass eine weitere Resonanzlänge erzeugt wird, welche für eine zweite Betriebsfrequenz verantwortlich ist.
DE 198 22 371 offenbart eine Dualbandantenne, bei der es sich um eine invertierte F-Antenne (Inverted F Antenna, IFA) handelt und die ein lang gestrecktes Strahlungselement umfasst, das einen Einspeisungspunkt an einer Zwischenposition seiner Länge und ein Referenzelement an einem Ende aufweist. Mit dem einen Ende ist ein Mittel zur Erzeugung einer hohen Impedanz in einem Frequenzband und einer niedrigen Impedanz in einem zweiten Frequenzband verbunden. Bei einer Ausführungsform umfasst das Mittel einen LC-Parallelresonanzkreis.
JP 11251825 offenbart eine Dualbandantenne vom Typ einer invertierten F-Antenne, die einen strahlenden Leiter umfasst, der ein erstes Ende aufweist, das durch einen Kurzschlussbolzen mit einer Masseebene und einem anderen Ende verbunden ist. Eine parallele LC-Schaltung ist in dem strahlendem Leiter in einem Abstand von dessen anderem Ende angeordnet. Die parallele LC-Schaltung weist eine niedrige Impedanz bei der niedrigeren der zwei Bandfrequenzen auf. Eine Einspeisung ist mit dem strahlendem Leiter an einem Punkt zwischen dem Kurzschlussbolzen und der parallelen LC-Schaltung verbunden. Eine LC-Reihenschaltung, welche eine niedrige Impedanz bei der höheren der zwei Bandfrequenzen aufweist, ist zwischen einem anderen Punkt, der sich zwischen dem Kurzschlussbolzen und dem Einspeisungspunkt befindet, und der Masseebene geschaltet. Wenn die parallele LC-Schaltung eine niedrige Impedanz hat, stellt der gesamte Abstand zwischen dem ersten und dem anderen Ende den strahlenden Leiter dar. Bei der höheren der zwei Bandfrequenzen wird die wirksame Länge des strahlenden Leiters durch die hohe Impedanz der parallelen LC-Schaltung verkürzt, und die Impedanz der LC-Reihenschaltung wird niedrig, um die Fehlanpassung, welche auftritt, zu kompensieren.
JP 2000068737 offenbart eine Dualbandantenne, die ein Patch umfasst, welches mittels einer ersten vertikalen Platte mit Erde verbunden ist. Ein zweite, kleinere vertikale Platte ist zwischen dem Patch und der Masseebene angeschlossen und liefert einen zweiten Masseschluss. Ein zylindrisches Rohr ist an der Unterseite des Patches befestigt. Ein freies Ende eines Speiseleiters wird in dem Rohr aufgenommen und bildet eine LC-Schaltung. Beim Betrieb in einem Frequenzband von den zwei Bändern weist die LC-Schaltung eine hohe Impedanz auf, und die Resonanzfrequenz wird durch den ebenen Leiter bestimmt, und beim Betrieb in einem zweiten Frequenzband von den zwei Bändern ist die LC-Schaltung resonant.
JP 10028013 offenbart eine planare Antenne, welche funktioniert, ohne dass sich ihr Gewinn innerhalb des interessierenden Frequenzbandes oder der Frequenzbänder verringert. Die Antenne umfasst ein quadratisches Patch, das parallel zu einer Masseebene und koextensiv mit dieser montiert ist. Eine Ecke des Patches ist mit der Masseebene verbunden, und ein Speisestecker ist in einem Punkt an einer Kante an das Patch angeschlossen. Eine umschaltbare Ladeschaltung ist zwischen einem Punkt an einer zweiten Kante, die sich von der einen Ecke aus erstreckt, und der Masseebene zwischengeschaltet. Die Ladeschaltung umfasst einen Kondensator, der zwischen einem Pol eines Wechselschalters und der Masseebene zwischengeschaltet ist, und einen Induktor, der zwischen einem zweiten Pol des Wechselschalters und der Masseebene zwischengeschaltet ist. Wenn keine der Komponenten gewählt ist, hat die Antenne eine vorgegebene Bandbreite. Durch Wahl des Kondensators wird die vorgegebene Bandbreite erweitert, indem das untere Frequenzende des Bandes nach unten verschoben wird, und durch Wahl des Induktors wird die vorgegebene Bandbreite verringert, indem das untere Frequenzende des Bandes nach oben verschoben wird.
JP 10224142 offenbart eine Antenne vom Typ einer invertierten F-Antenne, die mehrere umschaltbare Anpassungsschaltungen aufweist, die zwischen einem planaren Patch-Leiter und einer Masseebene an Punkten, die in einem Abstand von der Antenneneinspeisung angeordnet sind, angeschlossen sind. Die Resonanzfrequenz der Antenne wird durch Wahl einer der Anpassungsschaltungen variiert.
Schließlich offenbart die US-Patentschrift 4,386,357 eine Patchentenne, die ein quadratisches Patch umfasst, das von einer Masseebene durch eine relativ dicke, massive dielektrische Schicht getrennt ist. Der Mittelpunkt des Patches ist mit der Masseebene verbunden. Eine halbstarre Koaxial-Speiseleitung, die sich durch die Dicke der dielektrischen Schicht hindurch erstreckt, weist einen freiliegenden Mittelleiter auf, der in einem bezüglich des Mittelpunktes versetzten Punkt an das Patch angeschlossen ist. Eine Stichleitung zum Tuning ist an der Masseebene in einer dem Einspeisungspunkt diametral gegenüberliegenden Position angebracht und erstreckt sich teilweise in die Dicke der dielektrischen Schicht hinein. Die Fehlanpassung zwischen der Koaxial-Speiseleitung und dem Patch wird durch das Verfahren des Abschlusses der Koaxial-Speiseleitung und das Vorsehen der Stichleitung verringert.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Patchantenne zu schaffen, die einen Dualbandbetrieb ohne Umschalten aufweist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dualbandantenne für ein Funkkommunikationsgerät bereitgestellt, die eine planare invertierte F-Antenne (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) umfasst, welche aus einem im Wesentlichen symmetrischen planaren Masseleiter, einem im Wesentlichen symmetrischen planaren Patch-Leiter, der im Wesentlichen parallel zu dem Masseleiter und koextensiv mit diesem angeordnet ist, einem elektrisch leitenden Distanzmittel, das zwischen übereinander liegenden Kantenabschnitten des Masseleiters und des Patch-Leiters angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden ist, einem Speiseleiter, der in einem einen Abstand von den Distanzmitteln aufweisenden Punkt elektrisch leitend mit dem planaren Patch-Leiter verbunden ist, und einem LC-Reihenresonanzkreis-Mittel, das zwischen einem Punkt auf dem Masseleiter und einem Punkt auf dem planaren Patch-Leiter zwischen dem Anschlusspunkt des Speiseleiters und dem Distanzmittel zwischengeschaltet ist, besteht, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das LC-Reihenresonanzkreis-Mittel einen Dorn umfasst, von dem ein Ende in dem planaren Patch-Leiter angebracht ist und ein zweites Ende in einem Loch in dem Masseleiter angeordnet ist, wobei ein Abschnitt des Dorns, der sich in einem Zwischenraum zwischen dem planaren Patch-Leiter und dem Masseleiter befindet, eine Induktivität darstellt und ein Abschnitt des Dorns, der sich in dem Loch befindet, eine Kapazität darstellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkkommunikationsgerät bereitgestellt, das ein Gehäuse, HF-Komponenten und eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Dualbandantenne umfasst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der nach dem Stand der Technik noch nicht vorliegenden Erkenntnis, das durch Zwischenschalten eines Resonanzkreises zwischen einem Punkt auf dem Patch-Leiter und einem Punkt auf dem Masseleiter das Verhalten der Patchantenne so modifiziert wird, dass sie Dualbandbetrieb ermöglicht, ohne dass ein Umschalten erforderlich ist. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass sie passiv sein kann, und sie ermöglicht ein gleichzeitiges Senden und/oder Empfangen in beiden Frequenzbändern. Eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Patchantenne ist für ein breites Spektrum von Anwendungen geeignet, insbesondere dort, wo gleichzeitiger Dualbandbetrieb erforderlich ist. Zu den Beispielen solcher Anwendungen gehören UMTS- und GSM-(Global System for Mobile communications)Handys, sowie Einrichtungen zur Verwendung in einem HIPERLAN/2 (HIgh PErformance Radio Local Area Network Typ 2) drahtlosen lokalen Netzwerk.
Ein unerwarteter Vorteil einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Patchantenne ist, dass die kombinierte Bandbreite der zwei (oder mehr) Resonanzen wesentlich größer ist als die Bandbreite einer nicht modifizierten Patchantenne ohne einen Resonanzkreis. Dieser Vorteil verbessert ihre Eignung für die Verwendung bei typischen drahtlosen Anwendungen erheblich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Schnittdarstellung (Teil A) und eine Draufsicht (Teil B) einer Patchantenne zeigt;
2 eine äquivalente Schaltung zur Modellierung der Patchantenne von 1 ist;
3 eine graphische Darstellung der Reflexionsdämpfung S₁₁ in dB in Abhängigkeit von der Frequenz f in MHz für die Patchantenne von 1 ist, wobei die Messergebnisse mit einer durchgehenden Linie und die simulierten Ergebnisse mit einer gestrichelten Linie dargestellt sind;
4 eine modifizierte äquivalente Schaltung ist, die eine duale resonante Patchantenne darstellt;
5 eine graphische Darstellung der simulierten Reflexionsdämpfung S₁₁ in dB in Abhängigkeit von der Frequenz f in MHz für die modifizierte äquivalente Schaltung von 4 ist;
6 ein Smith-Diagramm ist, welches die simulierte Impedanz der modifizierten äquivalenten Schaltung von 4 über den Frequenzbereich von 1500 bis 2000 MHz zeigt;
7 eine Schnittdarstellung einer modifizierten Patchantenne für den Dualbandbetrieb ist;
8 eine graphische Darstellung der gemessenen Reflexionsdämpfung S₁₁ in dB in Abhängigkeit von der Frequenz f in MHz für die Patchantenne von 7 ist;
9 ein Smith-Diagramm ist, welches die gemessene Impedanz der modifizierten Patchantenne von 7 über den Frequenzbereich von 1700 bis 2500 MHz zeigt; und
10 eine Rückansicht eines Handys ist, in das die Patchantenne von 7 integriert ist.
In den Zeichnungen wurden dieselben Bezugszeichen verwendet, um einander entsprechende Merkmale zu bezeichnen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Ausführungsform einer Viertelwellen-Patchantenne 100, wobei Teil A eine Schnittdarstellung und Teil B eine Draufsicht zeigt. Die Antenne umfasst einen planaren, rechteckigen Masseleiter 102, ein leitendes Distanzstück 104 und einen planaren, rechteckigen Patch-Leiter 106, der so abgestützt ist, dass er im Wesentlichen parallel zum Masseleiter 102 ist. Die Antenne wird über ein Koaxialkabel gespeist, dessen äußerer Leiter 108 mit dem Masseleiter 102 verbunden ist und dessen innerer Leiter 110 mit dem Patch-Leiter 106 verbunden ist.
Der Masseleiter 102 hat eine Breite von 40 mm, eine Länge von 47 mm und eine Dicke von 5 mm. Der Patch-Leiter hat eine Breite von 30 mm, eine Länge von 41,6 mm und eine Dicke von 1 mm. Das Distanzstück 104 hat eine Länge von 5 mm und eine Dicke von 4 mm, wodurch es einen Abstand von 4 mm zwischen den Leitern 102, 106 sicherstellt. Das Kabel 110 ist an den Patch-Leiter 106 in einem Punkt auf dessen Längssymmetrieachse angeschlossen, der 10,8 mm von dem am Distanzstück 104 befestigten Rand des Leiters 106 entfernt ist.
Ein Modell einer Übertragungsleitungs-Schaltung, das in 2 dargestellt ist, wurde verwendet, um das Verhalten der Antenne 100 zu modellieren. Ein erster Übertragungsleitungsabschnitt TL₁ mit einer Länge von 30,8 mm und einer Breite von 30 mm modelliert den Abschnitt der Leiter 102, 106 zwischen dem offenen Ende (auf der rechten Seite der Teile A und B von 1) und dem Anschluss des inneren Leiters 110 des Koaxialkabels. Ein zweiter Übertragungsleitungsabschnitt TL₂ mit einer Länge von 5,8 mm und einer Breite von 30 mm modelliert den Abschnitt der Leiter 102, 106 zwischen dem Anschluss des inneren Leiters 110 und dem Rand des Distanzstückes 104 (welches als ein Kurzschluss zwischen den Leitern 102, 106 wirkt).
Die Kapazität C₁ repräsentiert die Randkapazität der Übertragungsleitung mit offenem Ende und hat einen Wert von 0,495 pF, während der Widerstand R₁ den Strahlungswiderstand des Randes repräsentiert und einen Wert von 1000 Ω hat, wobei beide Werte empirisch bestimmt wurden. Ein Anschluss P repräsentiert den Punkt, an welchem das Koaxialkabel 108, 110 an die Antenne angeschlossen ist, und eine Last von 50 Ω, die gleich der Impedanz des Kabels 108, 110 ist, wurde verwendet, um den Anschluss P bei Simulationen abzuschließen.
3 zeigt einen Vergleich gemessener und simulierter Ergebnisse für die Reflexionsdämpfung S₁₁ der Antenne 100 für Frequenzen f zwischen 1500 und 2000 MHz. Gemessene Ergebnisse sind mittels der durchgehenden Linie angegeben, während simulierte Ergebnisse (unter Verwendung der in 2 dargestellten Schaltung) mittels der gestrichelten Linie angegeben sind. Man sieht, dass eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation vorhanden ist, besonders wenn man die einfache Natur des Schaltungsmodells berücksichtigt. Die normierte Bandbreite bei einer Reflexionsdämpfung von 7 dB (was ungefähr 90 % der abgestrahlten Eingangsleistung entspricht) beträgt 4,3 %.
Eine Modifikation der Schaltung von 2 ist in 4 dargestellt, in welcher der zweite Übertragungsleitungsabschnitt TL₂ in zwei Abschnitte TL_2a und TL_2b aufgeteilt ist und ein Resonanzkreis zwischen der Verzweigung diese zwei Schaltungen und Masse geschaltet ist. Der Resonanzkreis umfasst eine Induktivität L₂ und eine Kapazität C₂, welche eine Impedanz null bei seiner Resonanzfrequenz
hat. In der Umgebung dieser Resonanzfrequenz ist das Verhalten des Patches verändert, während bei anderen Frequenzen sein Verhalten im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Es wurden Simulationen durchgeführt, wobei die Werte der Komponenten des Resonanzkreises und seine Position variiert wurden, bis eine Doppelresonanz bei einem normierten Frequenzabstand von 8,7 % erreicht wurde, was der normierten (fraktionalen) Trennung zwischen dem UMTS Sendeband und Empfangsband entspricht. Die resultierenden Werte der Komponenten sind, dass L₂ einen Wert von 1,95 nH und C₂ einen Wert von 3,7 pF hat, während die Übertragungsleitungsabschnitte TL_2a und TL_2b Längen von 4,1 mm bzw. 1,7 mm haben.
5 zeigt die Ergebnisse für die Reflexionsdämpfung S₁₁ für Frequenzen f zwischen 1500 und 2000 MHz. Nun sind zwei Resonanzen vorhanden, bei Frequenzen von 1718 MHz und 1874 MHz. Die niedrigere von ihnen entspricht der ursprünglichen Resonanzfrequenz, verringert um den Effekt des Resonanzkreises, während die höhere einem neuen Strahlungsband bei einer Frequenz entspricht, die der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises nahe kommt, welche 1873 MHz beträgt. Die Bandbreiten bei einer Reflexionsdämpfung von 7 dB sind 2,2 % und 1,3 %, was eine Gesamt-Strahlungsbandbreite von 3,5 % ergibt. Dies stellt eine leichte Verringerung der Bandbreite gegenüber der des nicht modifizierten Patches dar, was aufgrund der zusätzlichen gespeicherten Energie des Resonanzkreises zu erwarten war.
Ein Smith-Diagramm, welches die simulierte Impedanz der Antenne über denselben Frequenzbereich veranschaulicht, ist in 6 dargestellt. Die Übereinstimmung könnte mit zusätzlichen Anpassungsschaltungen verbessert werden, und die relativen Bandbreiten der zwei Resonanzen könnten leicht geändert werden, zum Beispiel durch Ändern der Induktivität oder Kapazität des Resonanzkreises.
Es wurde ein Prototyp einer Patchantenne hergestellt, um zu ermitteln, wie gut eine solche Konstruktion in der Praxis funktioniert; er ist in 7 im Querschnitt dargestellt. Die modifizierte Patchantenne 700 ist der von 1 ähnlich, wobei ein Dorn 702 und ein Loch 704 im Masseleiter 102 hinzugekommen sind. Der Dorn 702 umfasst einen Messingzylinder mit einem Gewinde M2,5, welcher auf den unteren 5,5 mm seiner Länge auf einen Durchmesser von 1,9 mm abgedreht worden ist, wobei dieser Abschnitt des Dorns 702 danach mit einer 0,065 mm dicken PTFE-Hülse ausgestattet worden ist. Die Länge des Patch-Leiters wurde auf 38,6 mm verkürzt, um besser den UMTS-Frequenzbändern zu entsprechen.
Der Gewindeabschnitt des Dorns 702 wirkt mit einem in dem Patch-Leiter 106 geschnittenen Gewinde zusammen, was es ermöglicht, den Dorn 702 nach oben und unten zu bewegen. Der untere Abschnitt des Dornes 702 wird genau in das Loch 704 eingepasst, welches einen Durchmesser von 2,03 mm hat. Somit wird durch den Abschnitt des Dornes 702, der sich in das Loch 704 hinein erstreckt, eine Kapazität mit einem PTFE-Dielektrikum erzeugt, während durch den Abschnitt des Dornes zwischen dem Masseleiter 102 und dem Patch-Leiter 106 eine Induktivität erzeugt wird. Der Dorn ist mittig bezüglich der Breite der Leiter 102, 106 angeordnet, und sein Mittelpunkt befindet sich in einem Abstand von 1,7 mm vom Rand des Distanzstückes 104.
Die Kapazität zwischen dem Dorn 702 und dem Loch 704 beträgt ungefähr 1,8 pF pro mm Eindringtiefe des Dorns 702 in das Loch 704, bei einer maximalen Eindringtiefe von 4 mm. Die Induktivität des 4 mm langen Abschnittes des Dorns 702 zwischen den Leitern 102, 106 beträgt ungefähr 1,1 nH.
Eine graphische Darstellung der gemessenen Reflexionsdämpfung S₁₁ für Frequenzen f zwischen 1700 und 2500 MHz bei sich vollständig in das Loch 704 hinein erstreckendem Dorn 702 ist in 8 dargestellt. Eine duale Resonanz ist eindeutig erreicht worden, mit einem normierten Frequenzabstand von ungefähr 14 %. Die Band breiten der Resonanzen bei einer Reflexionsdämpfung von 7 dB betragen 5,6 % bzw. 1,7 %, was eine Gesamt-Strahlungsbandbreite von 7,3 % ergibt, welche nahezu doppelt so groß ist wie die des nicht modifizierten Patches. Diese Verbesserung war recht unerwartet und bedeutet, dass die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft für Dualband-Anwendungen ist.
Ein Smith-Diagramm, welches die gemessene Impedanz über denselben Frequenzbereich veranschaulicht, ist in 9 dargestellt. Dieses zeigt, dass die Impedanzeigenschaften der zwei Resonanzen der Antenne 700 ähnlich sind. Folglich scheint eine gleichzeitige Verbesserung der Anpassung der Verbreiterung der Bandbreite möglich zu sein.
Es wurden weitere Messungen mit einem sich teilweise in das Loch 704 hinein erstreckenden Dorn 702 durchgeführt. Wenn die Länge des Dornes 702 im Loch 704 verringert wird, wird proportional dazu die Kapazität des Resonanzkreises verringert, während die Induktivität im Wesentlichen konstant bleibt. Es wurde festgestellt, dass, als der Dorn 702 aus dem Loch 704 herausgezogen wurde, die Resonanzfrequenz der zweiten Resonanz sich erhöhte, während die der ersten Resonanz im Wesentlichen konstant bei ungefähr 19.00 MHz blieb. Die Tiefe beider Resonanzen verringerte sich, während der Dorn 702 zurückgezogen wurde. Folglich könnte eine Antenne, die für eine Verwendung bei UMTS mit einem normierten Frequenzabstand von 8,7 % geeignet ist, erhalten werden, indem die Induktivität oder Kapazität des Resonanzkreises dementsprechend erhöht wird.
Bei einer Ausführungsform einer Patchantenne 700, die für eine Massenfertigung geeignet ist, würde der Resonanzkreis normalerweise unter Verwendung diskreter oder gedruckter Komponenten mit festen Werten implementiert, während die Antenne selbst kantengespeist sein könnte. Diese Modifikationen würden eine wesentlich einfachere Implementierung ermöglichen als die oben beschriebene Ausführungsform des Prototyps. Eine integrierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte auch in einem LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) Träger hergestellt werden, bei dem sich der Masseleiter 102 an der Unterseite des Trägers und der Patch-Leiter 106 an der Oberseite des Trägers befindet und wobei Speise- und Anpassungsschaltungen in Zwischenschichten verteilt sind.
10 ist eine Rückansicht eines Handys 1000, in das eine Patchantenne 700 integriert ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Antenne 700 könnte durch Metallisierung auf dem Gehäuse des Handys hergestellt werden. Stattdessen könnte sie auch auf einer metallischen Kapsel angebracht sein, welche die HF-Komponenten des Telefons abschirmt, wobei diese Kapsel auch als der Masseleiter 102 fungieren könnte.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen einen Resonanzkreis verwendet haben, der bei seiner Resonanzfrequenz eine Impedanz null aufweist, könnte in einer Antenne, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ebenso auch andere Formen von Resonanzkreisen verwendet werden. Es ist lediglich erforderlich, dass das Verhalten der Antenne durch das Vorhandensein des Resonanzkreises im Bereich seiner Resonanzfrequenz so modifiziert wird, dass eine zusätzliche Strahlungsmode der Antenne erzeugt wird, während die ursprüngliche Strahlungsmode im Wesentlichen unverändert gelassen wird. Durch die Hinzufügung von mehr Resonanzkreisen oder die Verwendung eines Resonanzkreises mit mehreren Resonanzfrequenzen können auch Mehrbandantennen konstruiert werden.
Aus dem Studium der vorliegenden Beschreibung werden für Fachleute weitere Modifikationen offensichtlich. Solche Modifikationen können weitere Merkmale beinhalten, welche bei der Konstruktion, Herstellung und Verwendung von Patchantennen bereits bekannt sind und welche anstelle von Merkmalen, die hier bereits beschrieben wurden, oder zusätzlich zu diesen verwendet werden können. Obwohl die Patentansprüche in dieser Anmeldung für bestimmte Kombinationen von Merkmalen formuliert wurden, umfasst der Umfang der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung selbstverständlich auch jedes beliebige neue Merkmal oder jede beliebige neue Kombination von Merkmalen, die hier entweder explizit oder implizit offenbart wurde, oder eine beliebige Verallgemeinerung davon, gleichgültig, ob sie dieselbe Erfindung betrifft, wie sie gegenwärtig in irgendeinem Anspruch beansprucht wird, oder nicht, und gleichgültig, ob sie einige derselben oder alle dieselben technischen Probleme überwinden helfen wie die vorliegende Erfindung. Die Anmelder kündigen hiermit an, dass neue Ansprüche betreffs solcher Merkmale und/oder Kombinationen von Merkmalen während der Verfolgung der vorliegenden Anmeldung oder irgendeiner weiteren von ihr abgeleiteten Anmeldung formuliert werden können.
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen schließt das Wort "ein" oder "eine", das einem Element vorangestellt ist, nicht das Vorhandensein mehrerer solcher Elemente aus. Ferner schließt das Wort "umfasst" nicht das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte außer den aufgelisteten aus.

3

Measured: = Gemessen
Simulated: = Simuliert

Claims

Dualbandantenne für ein Funkkommunikationsgerät, die eine planare invertierte F-Antenne (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) umfasst, welche aus einem im Wesentlichen symmetrischen planaren Masseleiter (102), einem im Wesentlichen symmetrischen planaren Patch-Leiter (106), der im Wesentlichen parallel zu dem Masseleiter und koextensiv mit diesem angeordnet ist, einem elektrisch leitenden Distanzmittel (104), das zwischen übereinander liegenden Kantenabschnitten des Masseleiters und des Patch-Leiters angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden ist, einem Speiseleiter (110), der in einem einen Abstand von den Distanzmitteln aufweisenden Punkt (P) elektrisch leitend mit dem planaren Patch-Leiter verbunden ist, und einem LC-Reihenresonanzkreis-Mittel (L₂, C₂), das zwischen einem Punkt auf dem Masseleiter und einem Punkt auf dem planaren Patch-Leiter zwischen dem Anschlusspunkt des Speiseleiters und dem Distanzmittel zwischengeschaltet ist, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das LC-Reihenresonanzkreis-Mittel einen Dorn (702) umfasst, von dem ein Ende in dem planaren Patch-Leiter angebracht ist und ein zweites Ende in einem Loch (704) in dem Masseleiter (102) angeordnet ist, wobei ein Abschnitt des Dorns, der sich in einem Zwischenraum zwischen dem planaren Patch-Leiter und dem Masseleiter befindet, eine Induktivität darstellt und ein Abschnitt des Dorns, der sich in dem Loch befindet, eine Kapazität darstellt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende des Dorns einstellbar in dem planaren Patch-Leiter angebracht ist.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Resonanzkreises bei seiner Resonanzfrequenz minimiert wird.
Funkkommunikationsgerät, das ein Gehäuse, HF-Komponenten und eine Dualbandantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.