DE69317235T2

DE69317235T2 - Wenig Raum beanspruchende, breitbandige Antenne mit zugehörigem Sendeempfänger

Info

Publication number: DE69317235T2
Application number: DE1993617235
Authority: DE
Inventors: Patrice Brachat
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: EP0604338B1; EP0604338A1; DE69317235D1; FR2699740A1; FR2699740B1

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft die Funkübertragung. Genauer betrifft die Erfindung Antennen zum Senden und/oder Empfangen, insbesondere für Vorrichtungen reduzierter Größe, beispielsweise tragbare Geräte.
Die Erfindung bezieht sich somit insbesondere auf Telekommunikationssysteme mit Mobileinheiten. Tatsächlich erfordert die Ausweitung von Radiokommunikationsnetzen mit erdgebundenen Mobileinheiten die Errichtung von tragbaren autonomen Stationen, die Höchstfrequenzsignale sowohl senden als auch empfangen können. Diese Stationen müssen demnach eine integrierte Antenne umfassen.
Die momentan realisierten Frequenzen für diese Anwendungen (in der Größenordnung von 2 GHz), welche verschiedenen Einschränkungen hinsichtlich der Ergonomie und der Ästhetik bei der Kombination unterliegen (Integration der Antenne in die Geräteausführungen, einfaches Aufbewahren und Gebrauchen, Zerbrechlichkeit von Antennen mit großen Abmessungen, ...), führen zur Verwendung von Antennen mit sehr reduzierten Abmessungen. Es sind daher mehrere Antennentypen bekannt, deren Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge eines Höchstfrequenzsignales.
Diese Antennen weisen in der Regel ein Sendeelement auf, welches an der Außenseite eines metallischen Gehäuses angeordnet ist, das beispielsweise die Form eines Parallelepipeds aufweist und als Abschirmung gegenüber einer oder mehrerer elektronischer Karten dient, wodurch insbesondere die Modulations- und Demodulationsfunktionen der Höchstfrequenzsignale bezüglich des Sendens und Empfanges sichergestellt werden.
Die Veröffentlichung "Small Antennas" (kleine Antennen) von K. Fujimoto, A. Henderson, K. Hirasawa und J.R. James (herausgegeben von Research Studies Press Ltd. und John Wiley & Sons Inc.) stellt gleichfalls verschiedene Typen kleiner Antennen vor, unter denen eine Antenne in Form eines umgedrehten F als die wirksamste erscheint (s. auch EP-A-332 139, Figuren 11 und 13).
Eine solche Antenne in Form eines umgedrehten F ist im Schnitt in der Fig. 1 und perspektivisch in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem rechteckigen, horizontal verlaufenden Leiterelement 11 und einem vertikalen Leiterelement 12. Das vertikale Element 12 stellt eine Kurzschlußfunktion bezüglich des horizontalen Elements 11 sicher, indem eines seiner Enden 13 mit einer Masse 14 verbunden ist. Das andere Ende 15 des horizontalen Elements 11 ist offen.
Das Höchstfrequenzsignal wird durch ein Anregungskoaxialkabel 16 transportiert, welches mit dem horizontalen Element 11 an der Stelle 17 verbunden ist. Die Wahl dieser Stelle 17 zwischen dem kurzgeschlossenen Ende 13 und dem offenen Ende 15 des horizontalen Elements 11 bestimmt die Impedanz der somit erhaltenen Antenne.
Wenn λ die Wellenlänge des übertragenen Höchstfrequenzsignals ist, betragen die Raumabmessungen dieses Antennentyps in der Regel:
- L = λ/4;
- I = λ/8;.
- h = λ/25.
Demnach liegen die Abmessungen für Frequenzen der Größenordnung 2 GHz in der Größenordnung von einigen Zentimetern. Die erhaltene Antenne weist demnach einen sehr reduzierten Raumbedarf auf. Außerdem ist das Strahlungsdiagramm dieser Antenne im wesentlichen omnidirektional empfindlich, was für tragbare Geräte wesentlich ist (diese Eigenschaft weisen in der Regel alle Antennen mit geringen Abmessungen auf).
Jedoch weist diese Antenne sehr dispersive Frequenzeigenschaften und folglich eine sehr geringe Bandbreite auf, beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 3%. Dem liegt die Tatsache zugrunde, daß diese Antennenstruktur sich im wesentlichen wie ein λ/4-Resonator verhält.
Das Durchlaßband einer Antenne ist hierbei wie das Frequenzband definiert, dessen stationäre Wellenbeziehung (Rapport d'Onde Stationnaire, R.O.S) unterhalb von 2 liegt. Dieser Parameter gibt die Eignung der Antenne zur Übertragung der Wirkleistung an, die ihr zur Verfügung gestellt wird und welche das kritischste Moment für Antennen reduzierter Größe darstellt.
Diese Größe ist direkt mit der Eingangsimpedanz der Antenne gekoppelt, welche mit der Impedanz der Übertragungsleitung gekoppelt ist, die das Höchstfrequenzsignal zum Senden und/oder Empfangen transportiert. Für eine optimale Funktion der Antenne ist es notwendig, daß diese Impedanz im wesentlichen konstant (d.h., daß der R.O.S-Wert unterhalb von 2 bleibt) über einen großen Frequenzbereich konstant bleibt. Ein Durchlaßband von 2 bis 3%, das mit Hilfe einer Antenne der Form eines umgedrehten F erhalten wird, ist in der Regel ungenügend.
Die Erfindung hat namentlich die Aufgabe, diesen Nachteil des Standes der Technik zu beheben.
Genauer ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Antenne geringen Platzbedarfs mit einem großen Durchlaßband zur Verfügung zu stellen. So ist es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine solche Antenne zur Verfügung zu stellen, deren Durchlaßband mindestens in der Größenordnung von 8 bis 10% liegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne mit reduziertem Herstellungspreis zur Verfügung zu stellen. In anderen Worten ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine in einfacher Weise zu realisierende Antenne zu schaffen, bei der kein kostenaufwendiges Material verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer Antenne, welche über einen großen Eingangsimpedanzbereich arbeiten kann und insbesondere bei Eingangsimpedanzen zwischen 10 und 200 Ohm.
Die Erfindung hat gleichfalls zur Aufgabe, eine Antenne zu schaffen, deren Abstimmfrequenz in präziser Weise eingestellt werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Antenne zur Verfügung zu stellen, deren Abstimmfrequenz permanent und schnell, beispielsweise zur Ermöglichung eines alternierenden Betriebs, modifiziert werden kann.
Diese und andere Aufgaben, welche im folgenden deutlich werden, werden gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Antenne zum Senden und/oder Empfangen von Höchstfrequenzsignalen erreicht, welche ein im wesentlichen planes Element, horizontales Element genannt, und ein Kurzschlußelement, das im wesentlichen senkrecht zum horizontalen Element ist, vertikales Element genannt, umfaßt, wobei das vertikale Element ein erstes Ende des horizontalen Elements mit der elektrischen Masse einer Verarbeitungseinheit verbindet,
und wobei die Höchstfrequenzsignale zwischen der Verarbeitungseinheit und dem horizontalen Element mittels eines Koaxialkabels übertragen werden, das an dem horizontalen Element angeschlossen ist, wobei das horizontale Element umfaßt:
- eine im wesentlichen rechtwinklige Zwischenoberfläche bzw. ein im wesentlichen rechtwinkliges Zwischenstück, bei der/dem ein erstes Ende dem ersten Ende des horizontalen Elements entspricht; und
- mindestens zwei Antennenstücke die im wesentlichen zueinander parallel und im wesentlichen senkrecht zum vertikalen Element verlaufen, wobei das zweite Ende der Zwischenoberfläche oder des Zwischenstücks einem ersten Ende jedes Antennenstücks entspricht.
Auf diese Weise wird das nutzbare Antennenvolumen im Vergleich zur bekannten Antenne in der Form eines umgedrehten F vergrößert. Hierdurch resultiert eine Vergrößerung des Durchlaßbandes. Im Gegenzug wird die gesamte Raumausdehnung der Antenne nicht modifiziert.
Eine solche Antenne weist im übrigen ein Strahlungsdiagramm vom omnidirektionalen Typ auf, der wesentlich für die Ausrüstung von tragbaren Geräten ist und somit alle möglichen Positionen einnehmen kann. Die Begriffe "horizontal" und "vertikal" werden demnach ausschließlich zur Vereinfachung des Verständnisses der Erfindung verwendet und sind nicht streng auszulegen. In der Praxis werden die Begriffe "horizontal" und "vertikal" oft bezüglich einer Massenfläche definiert, auf welcher die Antenne fixiert wird.
Die Anwesenheit einer Zwischenoberfläche bzw. eines Zwischenstücks oder einer Grundfläche zwischen dem vertikalen Element und den Antennenstücken bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Insbesondere erlaubt sie eine Realisierung von auf mehrere Frequenzen abgestimmten Antennen sowie eine Optimierung der Gesamtabstimmung der Antenne. Es ist anzumerken, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einzige Antenne darstellt (ein einziges vertikales Kurzschlußelement und ein einziges Zwischenelement) und keine Kombination zwei verschiedener Antennenelemente.
In dieser Antenne ist mindestens ein erstes Antennenstück ein Strahlungselement und mindestens ein zweites stellt ein Abstimmungsantennenstück dar, welches parallel mit der Strahlungsimpedanz des ersten Antennenstückes liegt. Das zweite Antennenstück verhält sich demnach wie ein eingebautes Abstimmungsglied.
Eine solche Antenne kann zwei zueinander parallele Antennenstücke umfassen. Wesensgemäß kann die Erfindung gleichfalls auf mehr als zwei Antennenstücke verallgemeinert werden.
Vorteilhafterweise weisen die Antennenstücke eine im wesentlichen rechteckige Form auf und besitzen eine im wesentlichen identische Breite, jedoch verschiedene Längen. Andere geometrische Eigenschaften können gleichfalls je nach Funktion der gewünschten Eigenschaften der Antenne realisiert werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jeder der Antennenstücke an seinem dem ersten Ende des horizontalen Elements entferntesten Ende offen.
In diesem Fall stellt jedes der Antennenstücke ein Resonanzelement dar.
Wenn die beiden Antennenstücke eine geringfügig verschiedene Länge aufweisen, sind ihre Resonanzfrequenzen verschieden, liegen jedoch benachbart. Die Kopplung der beiden Antennenstücke erlaubt es demnach bezüglich der Impedanz eine Resonanzschleife und somit ein breites Durchlaßband zu erhalten, beispielsweise in der Größenordnung von 10%.
Gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform ist das dem ersten Ende des horizontalen Elements entfernteste Ende mindestens eines der Antennenstücke mittels eines zusätzlichen Kurzschlußelements an der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit angeschlossen.
Das an seinen beiden Enden kurzgeschlossene Antennenstück (bzw. der Blindkurzschluß) spielt die Rolle eines Abstimmungsgliedes. Erneut erlaubt die Kombination von Antennenstücken, eine Resonanzschleife zu erhalten, welche zu einem Durchlaßband in der Größenordnung von beispielsweise 10% führt.
Wenn die Antenne zwei Antennenstücke umfaßt, kann das kurzgeschlossene Antennenstück an seinen beiden Enden gemäß den Notwendigkeiten und den erwünschten Eigenschaften entweder das längere oder das kürzere Antennenstück sein. Gegebenenfalls können die beiden Antennenstücke dieselbe Länge aufweisen.
Wenn die Antenne mehr als zwei Antennenstücke umfaßt, können die Vorteile der ersten und der zweiten Ausführungsformen kombiniert werden. Eine oder mehrere Antennenstücke können demnach an ihren beiden Enden kurzgeschlossen sein.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das dem ersten Ende des horizontalen Elements entfernteste Ende mindestens eines der Antennenstücke mittels einer Kapazität mit der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit verbunden.
Diese Ausführungsform nimmt eine Zwischenstellung zwischen der ersten Ausführungsform (offene Anordnung) und der zweiten Ausführungsform (Kurzschluß) ein.
Bevorzugt sind alle Antennenstücke mit der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit mittels einer Kapazität verbunden. Die Abstimmung der Antenne wird hierdurch erleichtert.
Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Kapazitäten eine einstellbare Kapazität (oder ein Varaktor).
Dieses erlaubt insbesondere - unter Kontrolle der Verarbeitungseinheit -, die Kapazitäten zwischen zwei verschiedenen Werten zu variieren, wobei ein erster Wert einer Antennenfunktion bei einer Frequenz zum Senden eines Höchstfrequenzsignals und ein zweiter Wert einer Antennenfunktion bei einer Frequenz zum Empfang von Höchstfrequenzsignalen entspricht.
Auf diese Weise kann dieselbe physikalische Antenne abwechselnd zwischen einem Sendeband und einem Empfangsband arbeiten, beispielsweise in der Halb- Duplex-Funktion. Hierdurch wird die Einfügung einer zweiten Antenne eingespart. Diese Technik kann natürlich auf mehr als zwei Frequenzbänder verallgemeinert werden.
Vorteilhafterweise weist das die Höchstfrequenzsignale übertragende Koaxialkabel eine Impedanz im wesentlichen zwischen 10 und 200 Ohm auf. In anderen Worten kann die Eingangsimpedanz der Antenne zwischen 10 und 200 Ohm gewählt werden. Klassischerweise kann diese Impedanz 50 Ohm betragen. Wenn λ die Wellenlänge der Höchstfrequenzsignale darstellt, betragen die wesentlichen Abmessungen der erfindungsgemäßen Antenne bevorzugt:
- Breite des ersten Endes des horizontalen Elements: in der Größenordnung λ/8;
- maximale Länge des horizontalen Elements, entsprechend der Entfernung zwischen dem ersten Ende des horizontalen Elements und dem dem ersten Ende des horizontalen Elements entferntesten Ende des längsten Antennenstücks: in der Größenordnung λ/4;
- Höhe des vertikalen Elements, entsprechend der Entfernung zwischen dem ersten Ende des horizontalen Elements und der elektrischen Masse: in der Größenordnung λ/25;
- Breite mindestens eines der Antennenstücke: in der Größenordnung λ/20.
Bevorzugt liegt die Wellenlänge λ der Höchstfrequenzsignale zwischen 100 und 200 mm. In diesem Fall sind die Abmessungen der Antenne wesentlich reduziert und liegen in der Größenordnung von einigen Zentimetern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Antenne in einem Gehäuse eingebaut, welche die Verarbeitungseinheit enthält, wobei die elektrische Masse der elektromagnetischen Abschirmung des Gehäuses entspricht.
Vorteilhafterweise sind das vertikale Element und das horizontale Element in einem identischen Streifen eines Leitermatenals ausgebildet. Auf diese Weise gestaltet sich die Herstellung der gesamten Einheit besonders einfach.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, welche zum Zwecke der Darstellung und nicht limitierend angegeben werden, sowie der beiliegenden Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 eine Antenne des Standes der Technik in der Form eines umgedrehten F, im Schnitt und in perspektivischer Sicht. Diese Fig. sind bereits in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung diskutiert worden;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Antenne gemäß der Erfindung, welche zwei an einem ihrer Enden offene Resonanzantennenstükke umfaßt;
Fig. 4 bis 6 drei Smith-Diagramme, welche jeweils die Frequenzantwort entsprechend dem ersten Antennenstück gemäß Fig. 3, dem zweiten Antennenstück und der Kombination der beiden Antennenstücke darstellen;
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, welche an seinen zwei Enden ein Resonanzantennenstück und ein Kurzschlußantennenstück aufweist;
Fig. 8 bis 10 drei Smith-Diagramme, welche jeweils die Resonanzkurven entsprechend dem ersten Antennenstück gemäß der Fig. 7, dem zweiten Antennenstück und der Kombination der beiden Antennenstücke darstellen;
Fig. 11 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, bei welcher die Impedanz der beiden Antennenstücke einstellbar ist;
Fig. 12 eine Unteransicht der Aufteilung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, mit einer Frequenz von 2,5 GHz; und
Fig. 13 und 14 die Abstimmungskurve bzw. die Impedanzkurve gemäß der Antenne gemäß der Fig. 12.
Die Erfindung betrifft demnach eine Antenne reduzierter Größe mit einem großen Durchlaßband. Diese Antenne ist insbesondere zur Ausrüstung tragbarer Geräte und beispielsweise für Sender/Empfänger in Radiokommunikationsnetzen mit erdgebundenen mobilen Einheiten bestimmt.
Allgemein umfaßt die erfindungsgemäße Antenne ein horizontales Element (bezüglich einer Massenfläche), welche mit einem seiner Enden über einen vertikalen Kurzschluß mit der Masse verbunden ist. Das hauptsächliche Charakteristikum der Erfindung besteht darin, beispielsweise durch Herausschneiden mindestens zwei Antennenstücke zu realisieren, welche im wesentlichen zueinander parallel in dem horizontalen Element verlaufen. Die geometrischen Eigenschaften und die Verbindung dieser Antennenstücke sind so ausgewählt, daß die Antenne die gewünschten Eigenschaften aufweist, insbesondere ein bedeutendes Durchlaßband.
Im folgenden werden im Detail drei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die zwei Antennenstücke umfassen. Es ist indessen selbstverständlich, daß die Antenne gemäß der Erfindung durch einfache Verallgemeinerung der beschriebenen Beispiele mehr als zwei Antennenstücke umfassen kann.
Die Fig. 3 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. In dieser Figur ist die Antenne 31 (schraffiert) auf dem Gehäuse 32 angeordnet, welches zur Aufnahme elektronischer Schaltungen (insbesondere zur Demodulation und/oder zur Modulation der mittels der Antenne empfangenen und/oder gesendeten Höchstfrequenzsignale) geeignet ist. Die Abmessungen und die Form dieses Gehäuses 32 sind selbstverständlich rein beispielhaft. In dem dargestellten Beispiel beträgt die Grundlinie b des Gehäuses 60 mm und seine Höhe h1 150 mm.
Das Gehäuse 32 ist abgeschirmt und stellt die Masse dar, mit welcher die Antenne 31 verbunden ist.
Die Antenne 31 umfaßt ein horizontales Element 33, dessen eines Ende 34 mit der Masse (Abschirmung des Gehäuses 32) mittels eines vertikalen Kurzschlußelements 35 verbunden ist.
Das horizontale Element 33 kann sich aus drei Abschnitten zusammensetzen (dies ist fiktiv, da es in der Praxis aus einem einzigen Stück realisiert wird):
- einem Zwischenabschnitt 36 bzw. eine Basis, der bzw. die mit dem vertikalen Element 35 verbunden ist und im wesentlichen dieselbe Breite wie dieses vertikale Element aufweist;
- einem ersten Antennenstück 37 erstreckt sich in Längsrichtung der Basis 36, wobei die Außenkante dieses Antennenstücks 37 einer ersten Kante der Basis 36 entspricht;
- einem zum ersten Antennenstück 37 parallelen zweiten Antennenstück 38, dessen Außenkante der Verlängerung der zweiten Kante der Basis 36 entspricht.
Im folgenden wird als erstes Ende eines Antennenstücks das mit der Basis 36 verbundene Ende und als zweites Ende eines Antennenstücks das gegenüberliegende Ende bezeichnet, d.h. in anderen Worten das dem ersten Ende 34 des horizontalen Elements 33 entfernteste Ende. Ggf. kann die Basis 36 weggelassen und die Antennenstücke 37 und 38 demnach direkt mit dem vertikalen Element 35 verbunden sein.
In der Praxis wird das horizontale Element 33 erhalten, indem ein Bereich 39 in eine rechteckige Fläche zwischen den zwei Antennenstücken 37 und 38 bis zur Basis 36 herausgeschnitten wird.
Ein zweites Herausschneiden einer Fläche 310 wird anschließend an dem kürzeren Antennenstück 38 ausgeführt, um dessen Länge anzupassen.
Im übrigen können das vertikale Element 35 und das horizontale Element 33 aus demselben Material geformt sein, wobei tiie Kante des Endes 34 beispielsweise mittels Falzung realisiert ist.
Vorteilhafterweise kann der vertikale Abschnitt 35 entlang des Gehäuses 32 verlängert und an diesem Gehäuse durch jedes geeignete Fixiermittel (nicht dargestellt) befestigt sein.
Die Höchstfrequenzsignale werden mittels eines Anregungskoaxialkabels 311 transportiert, das an die im Gehäuse 32 befindliche elektronische Schaltung sowie das horizontale Element 33 angeschlossen ist. Die Verbindungsstelle 312 zwischen dem vertikalen Element 35 und den zweiten Enden 313 und 314 der beiden Antennenstücke 37 und 38 definiert die Impedanz der Antenne. Diese Verbindung 312 kann an der Basis 36 oder an einem der Antennenstücke 37 oder 38 vorgesehen sein. Je nach Position kann die Impedanz beispielsweise zwischen 10 und 200 Ohm variieren.
Vorzugsweise betragen die Abmessungen der Antenne für eine Betriebswellenlänge (von der Größenordnung einiger Zentimeter):
- Länge des längsten Antennenstückes 37: l1 = λ/4;
- Länge des zweiten Antennenstücks 38: l2 geringfügig kleiner als λ/4 (beispielsweise: 9λ/40);
- Höhe des vertikalen Elements 35: h = λ/24;
- Breite der Basis 36 und des vertikalen Elements 35: l = λ/8
- Länge der Basis 36: s = λ/30;
- Abstand zwischen der Verbindung 312 und dem vertikalen Element 35: d = λ/24;
- Breite der Antennenstücke 37 und 38: w1 = w2 = λ/20.
Bei anderen Ausführungsformen können die Antennenstücke unterschiedliche Breiten, deren Enden verschiedene Formen, ... aufweisen.
Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 sind die beiden Antennenstücke 37 und 38 an ihren beiden Enden 313 und 314 offen. In diesem Fall schwingt das Antennenstück 37 der Länge λ/4 bei der Arbeitsfrequenz fr (entsprechend der Wellenlänge λ). Das zweite Antennenstück 38 ist ebenfalls ein Schwingungselement, jedoch bei der Frequenz f'r' welche unterschiedlich aber nahe bei fr liegt. Es verhält sich wie ein echtes eingebautes Abstimmungsglied, welches parallel zur Basis und dem offenen Element angeordnet ist. In anderen Worten ist es parallel mit der Strahlungsimpedanz des anderen Antennestücks geschaltet, welche das wesentliche Strahlungselement darstellt.
Diese erste Ausführungsform beruht damit auf der Einführung von einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen in der Antenne. Selbstverständlich können mehr als zwei Antennenstücke verwendet werden.
Die Länge dieser Antennenstücke (und somit ihrer Resonanzfrequenz) ist derart gewählt, um für die Impedanz der Antenne eine Resonanzschleife zu erhalten und somit die entsprechende Bandbreite zu vergrößern. Dieses ist insbesondere in den Fig. 4 und 6 dargestellt.
Die Fig. 4 stellt ein Smith-Diagramm dar, welches die Impedanzkurve 41 des Antennenstücks 37 (mit fr schwingend) zeigt. Das entsprechende Durchlaßband dieses Antennenstücks 37, d.h. das Frequenzband, bei welchem der ROS-Wert unterhalb von 2 liegt, ist einzig durch die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; festgelegt, welche den Schnittpunkten der Impedanzkurve 41 mit der schraffierten Scheibe 42 entspricht, welche die Zone definiert, bei welcher der ROS-Wert unterhalb von 2 liegt. Diese Bandbreite wird beschrieben durch (f&sub2;-f&sub1;)/fr und liegt üblicherweise zwischen 2 und 4%. Wie schon erwähnt, ist eine solche Bandbreite in vielen Anwendungsfällen ungenügend.
Das Element 38 verhält sich in analoger Weise, jedoch bei der Frequenz f'r. Seine lmpedanzkurve 51 ist in der Fig. 5 dargestellt. Das Durchlaßband entspricht (f&sub4;- f&sub3;)/f'r und liegt ebenfalls ungefähr bei 2 bis 4%. Gleichwohl ist das Fr equenzband [f&sub3;, f&sub4;] im wesentlichen bezüglich dem Frequenzband [f&sub2;, f&sub1;] verschoben. Die Kopplung der beiden Strahlungsantennenstücke erlaubt es, eine Resonanzschleife zu erhalten, wenn die Frequenzen fr und f'r passend gewählt sind, wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist. Die Impedanzkurve 61 entsprechend der Kombination der Antennenstücke 37 und 38 stellt eine Resonanzschleife 62 mit Zentrum um f dar. Diese Schleife 62 bleibt in der Scheibe 63, welche die Zone definiert, innerhalb welcher der ROS-Wert unterhalb von 2 liegt.
Auf diese Weise erhält man ein wesentlich verbreitertes Durchlaßband (f&sub1;-f&sub4;)/f&sub0;, welches beispielsweise 10% beträgt.
Die Fig. 7 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar, bei welcher eines der Antennenstücke an seinen beiden Enden kurzgeschlossen ist. Die allgemeine Struktur dieser Antenne ist hinsichtlich der Form des horizontalen 33 und vertikalen 35 Elements derjenigen der Fig. 3 ähnlich. Eine neuerliche Beschreibung erübrigt sich daher.
Der fundamentale Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, daß das Antennenstück 72 nicht mehr an seinem zweiten Ende 313 offen ist, sondern mittels eines vertikalen Kurzschlußelements 71 kurzgeschlossen ist, welches dieses Ende 313 mit der Abschirmung des Gehäuses 32 verbindet.
Dieses Antennenstück 72 spielt somit nicht mehr die Rolle eines Resonanzelements, sondern die Rolle eines "Blind"- ("stub" bzw. Stummel-)Kurzschlusses, welches als Abstimmungsglied dient und die Ausweitung desjenigen Bandes ermöglicht, auf welchem die genannte globale Eingangsimpedanz der Antenne benachbart zur Impedanz des Anregungskoaxialkabels liegt. Ggf. können mehrere Blindstücke realisiert sein. Wenn die Antenne mindestens drei Antennenstücke umfaßt, können die Ausführungsformen gemäß der Fig. 3 und 7 gleichfalls miteinander kombiniert werden.
Die Fig. 8 stellt das Smith-Diagramm dar, in dem die Impedanzkurve 81 entsprechend dem Resonanzantennenstück 38 aufgetragen ist. Das entsprechende Durchlaßband (f&sub2;-f&sub1;)/f&sub0; liegt immer in der Größenordnung von 2 bis 4%.
Das Smith-Diagramm gemäß der Fig. 9 stellt diesbezüglich die Impedanz 91 des "Blind"-Kurzschlusses 72 dar. Diese Kurve 91 ist im wesentlichen symmetrisch zur Kurve 81 gemäß der Fig. 8.
Die Kombination der beiden Antennenstücke 37 und 38 erlaubt es, die Impedanzkurve 101 gemäß der Fig. 10 zu erhalten. Diese Kurve 101 stellt eine Resonanzschleife 102 dar, die innerhalb der Scheibe 103 des ROS-Wertes von unterhalb 2 bleibt. Folglich ist das resultierende Durchlaßband (f&sub4;-f&sub3;)/f&sub0; von neuem verbreitert, und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10%.
Es ist daher anzumerken, daß vom Gesichtspunkt der Bandbreite her ähnliche Resultate bei beiden ersten beschriebenen Ausführungsformen erhalten werden.
Die Fig. 11 stellt eine dritte Ausführungsform der Erfindung dar. Es handelt sich tatsächlich um eine Verallgemeinerung der Antenne gemäß der Fig. 3 und 7, bei denen die zweiten Enden der Antennenstücke weder offen noch kurzgeschlossen sind, sondern mit Hilfe von Kapazitäten mit der Masse verbunden sind.
Auf diese Weise umfaßt die Antenne 111 ein erstes Antennenstück 112, welches über die Kapazität 114 mit der Masse 113 verbunden ist und ein zweites Antennenstück 115, welches über eine Kapazität 116 mit der Masse verbunden ist. Diese Kapazitäten 114 und 116 erlauben es, die äquivalente Länge der Antennenstücke (welche somit nicht mehr auf λ/4 festgelegt ist) zu variieren. Dieses erlaubt eine feine Regelung der Betriebsfrequenz.
Bei dieser Ausführungsform können die Antennenstücke dieselbe physikalische Länge aufweisen, wobei die äquivalente Länge mittels der Kapazitäten modifiziert ist. Es ist anzumerken, daß es allerdings nicht obligatorisch ist, daß die Antennenstücke an eine Kapazität angeschlossen sind. Einige bestimmte von ihnen können auch offen oder kurzgeschlossen sein.
Vorzugsweise sind mindestens bestimmte Kapazitäten 114 und 116 einstellbar (dies sind beispielsweise Varaktoren, oder mehrere parallele Kapazitäten können unabhängig voneinander ausgewählt werden) und über eine elektronische Befehlsschaltung 117 in dem Gehäuse 32 kontrollierbar (118). Es ist demnach möglich, in jedem Augenblick und quasi sofort das Durchlaßband der Antenne 111 zu variieren. Dieses erlaubt den selektiven Betrieb derselben physikalischen Antenne in mehreren Frequenzbändern.
Beispielsweise erlaubt die Antenne 111 einen alternierenden Betrieb in einem Sendeband (entsprechend einer Sendefrequenz) und in einem Empfangsband (entsprechend einer Empfangsfrequenz). Die mit dieser Antenne ausgerüstete Vorrichtung kann demnach im "Halb-Duplex"-Modus arbeiten.
Als detailliertes Beispiel ist namentlich die exakte geometrische Beschreibung einer Antenne gemäß der Erfindung vorgestellt. Diese Ausführungsform entspricht am besten der tatsächlich entwickelten Ausführungsform. Wie man dennoch im folgenden sieht, sind die Ergebnisse immer noch verbesserungsfähig. Die Fig. 1 2 stellt in Unteransicht das horizontale Element einer wie in Fig. 7 wiedergegebenen Antenne dar.
Diese Ausführungsform hat zum Ziel, in dem nominalen Frequenzband von 2,4 GHz bis 2,5 GHz zu arbeiten.
Die Abmessungen des horizontalen Elements sind wie folgt:
- Breite: l = 15 mm;
- Länge des längsten Antennenstücks 122: l1 = 30 mm;
- Länge des kürzesten Antennenstücks 123: l2 = 27 mm;
- Breite der Basis 124: s = 4 mm;
- Breite der Antennenstücke 122 und 123: w1 = w2 = 6 mm.
Die Höhe des vertikalen Elements beträgt: h = 5 mm.
Die Verbindungsstelle 121 des Koaxialkabels ist d = 5 mm vom vertikalen Element entfernt, so daß eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm erhalten wird.
Diese Impedanz kann zwischen 10 und 200 Ohm modifiziert werden, indem dieser Abstand d modifiziert wird.
Bei dieser Ausführungsform ist das längste Antennenstück 122 an seinem zweiten Ende 125 offen, und das kürzeste Antennenstück 123 ist an seinem zweiten Ende 126 kurzgeschlossen.
Die Fig. 13 stellt die Abstimmungskurve 131 dieser Antenne dar, d.h. die R.O.S (Ordinaten)-Kurve als Funktion der Frequenz (Abszisse).
Wie die Markierungen 132 und 133 zeigen, liegt der R.O.S-Wert zwischen 2,37 GHz und 2,55 GHz unterhalb von 2. Dies entspricht einem Durchlaßband in der Größenordnung von 8%, was den Durchlaßbändern, welche mit den Antennen des Standes der Technik erhalten werden, wesentlich überlegen ist.
Außerdem liegt der R.O.S-Wert auf dem Arbeitsband, d.h. zwischen 2,4 GHz (Markierung 134) und 2,5 GHz (Markierung 135) unterhalb von 1,6.
Das Smith-Diagramm gemäß der Fig. 14 stellt die Impedanzkurve 124 der Antenne gemäß der Fig. 12 zwischen 2 GHz und 3 GHz dar. Die Markierungen 142 und 143 begrenzen die Arbeitszone der Antenne (2,4 - 2,5 GHz).
Diese Kurve zeigt, daß diese Antenne noch nicht vollständig optimiert ist und daß eine bessere Zentrierung der Kurve 141 hinsichtlich der Berechnung bessere Leistungen brächte.
Die Erfindung betrifft gleichfalls eine ganze Sende- und/oder Empfangsvorrichtung für Höchstfrequenzsignale, welches mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, wie dies z.B. mittels des Gehäuses 32 der Fig. 3, 7 und 11 dargestellt ist. Ggf. kann ein solcher Apparat mehrere Antennen umfassen und insbesondere eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne.

Claims

1. Antenne zum Senden und/oder Empfangen von Höchstfrequenzsignalen, umfassend ein im wesentlichen planes Element (33), horizontales Element genannt, und ein Kurzschlußelement (35), das im wesentlichen senkrecht zum horizontalen Element (33) ist, vertikales Element genannt, wobei das vertikale Element (35) ein erstes Ende (34) des horizontalen Elements (33) mit der elektrischen Masse einer Verarbeitungseinheit verbindet,

und wobei die Höchstfrequenzsignale zwischen der Verarbeitungseinheit und dem horizontalen Element (33) mittels eines Koaxialkabels (311) übertragen werden, das an dem horizontalen Element (33) angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale Element (33) umfaßt:

- eine im wesentlichen rechtwinklige Zwischenoberfläche (36), bei der ein erstes Ende dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) entspricht; und

- mindestens zwei Antennenstücke (37, 38; 72; 112, 115; 122, 123), die im wesentlichen zueinander parallel und im wesentlichen senkrecht zum vertikalen Element verlaufen, wobei das zweite Ende der Zwischenoberfläche (36) einem ersten Ende (313, 314) jedes Antennenstücks (37, 38) entspricht.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstücke (37, 38) eine im wesentlichen rechteckige Form aufweisen.

3. Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstücke (37, 38) verschiedene Längen aufweisen.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstücke (37, 38) im wesentlichen identische Breiten aufweisen.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antennenstücke (37, 38) an seinem dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) entferntesten Ende (313, 314) offen ist.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) entfernteste Ende (313) mindestens eines der Antennenstücke (72) mittels eines zusätzlichen Kurzschlußelements (71) an der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit angeschlossen ist.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem ersten Ende des horizontalen Elements entfernteste Ende mindestens eines der Antennenstücke (112, 115) mittels einer Kapazität (114, 116) mit der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit verbunden ist.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem ersten Ende des horizontalen Elements entfernteste Ende jedes der Antennenstücke (112, 115) mittels einer Kapazität (114, 116) mit der elektrischen Masse der Verarbeitungseinheit verbunden ist.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (114, 116) einstellbar ist, und daß die Verarbeitungseinheit Mittel (117) zur Kontrolle des Wertes der einstellbaren Kapazität umfaßt.

10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Kapazität (114, 116) mindestens zwei verschiedene Werte annehmen kann, wobei ein erster Wert im Antennenbetrieb einer ersten Sendefrequenz für Höchstfrequenzsignale entspricht und ein zweiter Wert im Antennenbetrieb einer Empfangsfrequenz für Höchstfrequenzsignale entspricht.

11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koaxialkabel (311) eine Impedanz im wesentlichen zwischen 10 Ohm und 200 Ohm aufweist.

12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz im wesentlichen 50 Ohm beträgt.

13. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (l) des ersten Endes des horizontalen Elements (33) im wesentlichen gleich λ/8 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der Höchstfrequenzsignale ist.

14. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Länge (l1) des horizontalen Elements (33), die der Entfernung zwischen dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) und dem dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) entferntesten Ende (313) des längsten Antennenstücks (37) entspricht, im wesentlichen gleich λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge der Höchstfrequenzsignale ist.

15. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des vertikalen Elements (35), die der Entfernung zwischen dem ersten Ende (34) des horizontalen Elements (33) und der elektrischen Masse entspricht, im wesentlichen gleich λ/25 ist, wobei λ die Wellenlänge der Höchstfrequenzsignale ist.

16. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (w1, w2) mindestens eines der Antennenstücke (37, 38) im wesentlichen gleich λ/20 ist, wobei λ die Wellenlänge der Höchstfrequenzsignale ist.

17. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge λ der Höchstfrequenzsignale zwischen 100 und 200 mm liegt.

18. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Antennenstücke (37, 38) umfaßt.

19. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Gehäuse (32) eingebaut ist, welche die Verarbeitungseinheit enthält, wobei die elektrische Masse der elektromagnetischen Abschirmung des Gehäuses (32) entspricht.

20. Antenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt des vertikalen Elements (35) und des horizontalen Elements (33) in einem identischen Streifen eines Leitermaterials ausgebildet sind.

21. Sende- und/oder Empfangsvorrichtung für Höchstfrequenzsignale, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Antenne (31, 111) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfaßt.