DE69723093T2

DE69723093T2 - Funkkommunikationsgerät

Info

Publication number: DE69723093T2
Application number: DE69723093T
Authority: DE
Inventors: Paul Oliver Kingsthorpe LEISTEN
Original assignee: Sarantel Ltd
Current assignee: Sarantel Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: AU716542B2; CA2250790C; WO1997037401A3; GB2311675B; EP0935826A2; GB9615917D0; US5963180A; WO1997037401A2; JP3923530B2; CN100388562C; MY119077A; CA2250790A1; CN1219291A; TW332952B; ATE243887T1; GB2311675A; EP0935826B1; DE69723093D1; JP2000507766A; GB9706317D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Funkkommunikationsgerät umfassend eine Antenne mit einem länglichen dielektrischen Kern, länglichen leitenden Elementen an oder benachbart zu einer äußeren Oberfläche eines distalen Teils des Kerns, und ein leitendes Trap-Element wie eine leitende Hülse, welche einen proximalen Teil des Kerns umgibt. Die Erfindung betrifft auch ein Antennensystem, das eine solche Antenne einschließt, und ein neuartiges Verwenden der Antenne.
Eine Antenne der obigen Art ist in der parallelen britischen Patentanmeldung des Anmelders offenbart, die unter der Nr. GB 2292638 A veröffentlicht wurde, deren Lehre in diese Beschreibung durch Bezugnahme eingebunden wird. In seiner bevorzugten Form, weist die Antenne dieser Anmeldung einen zylindrischen keramischen Kern auf, wobei das Volumen des massiven keramischen Materials des Kerns wenigstens 50% des inneren Volumens der Einhüllenden einnimmt, die durch die länglichen leitenden Elemente und die Hülse bestimmt ist, und wobei die Elemente an einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Kerns liegen.
Die Antenne ist insbesondere für die Aufnahme von zirkular polarisierten Signalen von Quellen bestimmt, welche direkt über der Antenne liegen, d. h. auf ihrer Achse, oder an einem Ort einige wenige Grade über einer Ebene senkrecht zu der Antennen achse und die durch die Antenne verläuft, oder von anderen Quellen, welche irgendwo in den räumlichen Winkel zwischen diesen Extremen angeordnet sind. Solche Signale umfassen die Signale, welche von Satelliten von Satellitennavigationssystemen wie GPS (Global Positioning System) gesendet werden. Um solche Signale zu empfangen, umfassen die länglichen leitenden Elemente vier sich gemeinsam ausdehnende schraubenförmige Elemente mit einer gemeinsamen zentralen Achse, welche die Achse des Kerns ist, wobei die Elemente als zwei sich längs gegenüberliegenden Paare von Elementen angeordneten sind, und wobei die Elemente eines Paars eine größere elektrische Länge als die Elemente des anderen Paars besitzen.
Derartige Antennen besitzen gegenüber Patch-Antennen die Vorteile von Robustheit und kleiner Anmessung über Antennen mit Luftkern und von relativ gleichförmiger Verstärkung über den Raumwinkel, innerhalb welchem sendende Satellitenquellen positioniert sind.
Die FR-A-2570546 offenbart eine multifilare, schraubenförmige Antenne für einen Telekommunikationssatelliten. Diese Antenne besteht aus einer Vielzahl von verschachtelten schraubenförmigen, abstrahlenden Elementen mit Mehrfachwindung, die um eine gemeinsame zentrale Achse angeordnet sind, wobei jedes Element einzeln über einen jeweiligen Zubringer an einen entsprechenden aus einer Vielzahl von Sendern oder Empfängern gekoppelt ist, welche bei Frequenzen arbeiten, die identisch sind oder nahe zueinander liegen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass es möglich ist, eine Antenne wie sie in der oben erwähnten GB 2292638 A offenbart ist, in unterschiedlichen Frequenzbändern zu verwenden, die voneinander beabstandet sein können. Folglich stellt die Erfindung ein Funkkommunikationsgerät bereit, umfassend eine Antenne und ein mit der Antenne verbundenes Funkkommunikationsschaltungsmittel, das zumindest in zwei Frequenzbändern betriebsfä hig ist, wobei die Antenne einen länglichen dielektrischen Kern umfasst, eine Speisestruktur, die durch den Kern hindurch im wesentlichen von einem Ende zu dem anderen Ende des Kerns verläuft und die an oder benachbart zu der äußeren Oberfläche des Kerns angeordnete Reihenkombination von wenigstens einem länglichen leitenden Antennenelement und einem leitenden Trap-Element, welches im Bereich des einen Ende des Kerns eine Erdungsverbindung zu der Speisestruktur aufweist, wobei das oder jedes Antennenelement im Bereich des anderen Ende des Kerns an eine Speiseverbindung der Speisestruktur gekoppelt ist, und wobei das Funkkommunikationsschaltungsmittel zwei Teile aufweist, die in einem ersten beziehungsweise einem zweiten der Funkfrequenzbänder betriebsfähig sind und jedes einer jeweiligen Signalleitung zugeordnet ist zum Übertragen von Signalen zwischen der Antennenspeisestruktur und des jeweiligen Schaltungsmittelteils, wobei die Antenne in dem ersten Frequenzband in einer ersten Resonanzform und in dem zweiten Frequenzband in einer zweiten Resonanzform resonant ist.
Die erste Resonanzform kann mit im wesentlichen symmetrischen Speiseströmen an einem distalen Ende der Speisestruktur verbunden sein, z. B. wenn das Trap-Element im wesentlichen das längliche, leitende Element von einer Erdungsverbindung an einem proximalen Ende der Antenne isoliert. Im Falle einer Antenne mit einem oder mehreren Paaren von länglichen, leitenden Elementen, die als abstrahlende Elemente wirken, und einem Trap-Element in Form einer leitenden Hülse, die den dielektrischen Stab umgibt, wirkt beziehungsweise wirken das oder die Paare von länglichen leitenden Elemente als eine Schleife, wobei Ströme um den Rand der Hülse zwischen gegenüberliegenden Elementen des Paars laufen. In dem Fall, bei welchem die Antenne zwei oder mehrere Paare von schraubenförmigen Elementen besitzt, die Teil einer Schleife mit unterschiedlichen elektrischen Längen bilden, ist ein solcher symmetrischer Betrieb typischerweise mit zirkular polarisierten Signalen verbunden, die innerhalb eines Raumwinkels gerichtet sind, der auf einer ge meinsamen zentralen Achse der schraubenförmigen Elemente zentriert ist. In dieser ersten Form kann die Antenne nahe zu oder an den Verbindungen der länglichen, leitenden Elemente an die Speisestruktur und nahe zu oder an ihren Übergängen mit dem Rand der Hülse Strommaxima oder Spannungsminima zeigen.
Die zweite Resonanzform ist vorzugsweise mit einendigen oder unsymmetrischen Speiseströmen an dem distalen Ende der Speisestruktur verbunden wie es typischerweise der Fall ist, wenn die Antenne in einer einpoligen Form resonant ist zum Empfangen oder Senden von linear polarisierten Signalen, hauptsächlich Signale die in der Richtung einer zentralen Achse der Antenne polarisiert sind. Eine solche Resonanzform kann sich durch ein Stromminima einer stehenden Welle auszeichnen, das im wesentlichen auf halbem Wege zwischen den Enden des Stabes liegt.
In der ersten Resonanzform ist die Resonanzfrequenz typischerweise eine Funktion der elektrischen Längen der länglichen Elemente, während die Resonanzfrequenz der zweiten Resonanzform eine Funktion der Summe von (a) den elektrischen Längen der länglichen Elemente und (b) der elektrischen Länge der Hülse ist. Im allgemeinen Fall sind die elektrischen Längen der länglichen leitenden Elemente derartig, dass sie eine mittlere Übertragungsverzögerung von wenigstens ungefähr 180° bei einer Resonanzfrequenz erzeugen, die der ersten Resonanzform zugeordnet ist. Die Frequenz der zweiten Resonanzform kann festgelegt werden durch die Summe der mittleren elektrischen Längen der länglichen leitenden Elemente und der mittleren elektrischen Länge der Hülse in longitudinaler Richtung entsprechend einer Übertragungsverzögerung von wenigstens ungefähr 180° bei dieser Frequenz.
Die Erfindung schließt auch ein Antennensystem für Funksignale ein in wenigstens zwei Frequenzbändern umfassend eine Antenne mit einem massiven, länglichen dielektrischen Kern, wenigstens einem länglichen leitfähigen Element an oder benachbart zu ei ner äußeren Oberfläche eines entfernt gelegenen Teils des Kerns, einer leitfähigen Hülse, die einen proximalen Teil des Kerns umgibt, und eine sich durch den Kern erstreckende Längsspeisestruktur, wobei das längliche, leitfähige Element sich zwischen einer entfernt gelegenen Verbindung an die Speisestruktur und einen entfernt gelegenen Rand der Hülse erstreckt, und die Hülse in der Nähe gelegen an die Speisestruktur gekoppelt ist; und eine Kopplungsstufe mit einer Bezugssignalleitung, welche der Speisestruktur zugeordnet ist, wenigstens zwei weitere Signalleitungen zum Verbinden mit einer Funksignalverarbeitungseinrichtung, die in den Frequenzbändern arbeitet, und einer Impedanzanpassungsschaltung die zwischen der Speisestruktur und den weiteren Signalleitungen verbunden ist, und ein Signalführungsabschnitt, wobei der Signalführungsabschnitt angeordnet ist, um die Bezugssignalleitung und eine der beiden weiteren Signalleitungen für Signale zu koppeln, welche in einem der Bänder liegen und bei welchen die Antenne in einer ersten Resonanzform resonant ist, und um die Bezugssignalleitung und die andere der beiden weiteren Signalleitungen für Signale zu koppeln, die in dem anderen Band liegen und bei welchen die Antenne in einer zweiten Resonanzform resonant ist.
In der bevorzugten Ausführungsform des Antennensystems ist die Kopplungsstufe eine Frequenzweiche mit zwei Filtern, welche zwischen der Bezugssignalleitung und den weiteren Signalleitungen gekoppelt ist, wobei die Filter einen ersten Filter umfassen, welcher einer der beiden Signalleitungen zugeordnet ist und auf eine höhere Frequenz abgestimmt ist, die in einem der beiden Frequenzbänder liegt, und einen zweiten Filter, welcher der anderen der zwei weiteren Signalleitungen zugeordnet ist und auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt ist, die in dem anderen der beiden Frequenzbänder liegt. Die Frequenzweiche kann ein Impedanzwandlerelement umfassen, das zwischen der Bezugssignalleitung und einem Knoten gekoppelt ist, an dem die Filter und eine Impedanzausgleichsstichleitung angeschlossen sind. Das Impedanzwandlerelement, die Filter und die Stichleitung sind günstigerweise als Mikrostreifenkomponenten ausgebildet. Bei einer solchen Gestaltung kann das Wandlerelement einen leitfähigen Streifen auf einer isolierenden Substratplatte umfassen, die auf ihrer gegenüberliegenden Oberfläche mit einer leitfähigen Erdungsschicht bedeckt ist. Der Streifen bildet in Verbindung mit der Erdungsschicht eine Übertragungsleitung mit vorbestimmtem Wellenwiderstand. Ähnlich kann die Stichleitung als ein leitfähiger Streifen mit einem offenen Schaltungsende gebildet sein. Obwohl die Filter herkömmliche „engine block" Filter sein können, können sie stattdessen aus Mikrostreifenelementen auf dem gleichen Substrat wie das Wandlerelement und die Stichleitung gebildet sein. Diese Filter sind günstigerweise mit dem oben erwähnten Knoten durch Leiter verbunden, welche im Vergleich zu den elektrischen Längen des Wandlerelementes elektrisch kurz sind.
Das Wandlerelement kann auch ein Kabelstück umfassen, das in Reihe zwischen der Antennenspeisestruktur und dem Knoten der Frequenzweiche verbunden ist, oder kann auch eine Reihenkombination solch eines Kabels und eines Mikrostreifenstückes umfassen zwischen der Speisestruktur und dem Knoten, wobei das Kabel einen Wellenwiderstand zwischen der Quellenimpedanz der Antenne und einer ausgewählten Lastimpedanz des Knotens besitzt.
Das Verwenden der Frequenzweiche stellt den gleichzeitigen Betrieb des Funkkommunikationsgerätes in beiden Frequenzbändern bereit. Wenn der gleichzeitige Betrieb nicht erforderlich ist, kann die Kopplungsstufe eine einfachere Gestaltung umfassen, einschließend einen Schalter als Signalführungsabschnitt zum Routen von Signalen entweder zwischen der Bezugssignalleitung und der einen Signalleitung oder zwischen der Bezugssignalleitung und der anderen weiteren Signalleitung.
Das Antennensystem arbeitet typischerweise nur über zwei Frequenzbänder, es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, ein System bereitzustellen, dass in drei oder mehr, von einander beabstandeten Bändern arbeitet, wobei die Antenne eine entsprechende Anzahl von Resonanzformen besitzt.
Vorteilhaft wird auch ein Funkkommunikationssystem bereitgestellt umfassend ein wie oben beschriebenes Antennensystem, einen Satellitenpositionsempfänger oder Satellitentaktempfänger (d. h. ein GPS-Empfänger), der an eine der weiteren Signalleitungen der Kopplungsstufe angeschlossen ist, und ein Zellen- oder Mobiltelefon, das mit einer anderen der weiteren Signalleitungen der Kopplungsstufe verbunden ist. In dem Falle, bei welchem die Kopplungsstufe eine Frequenzweiche ist, sind die Antenne und die Filter so konfiguriert, dass die den unterschiedlichen Resonanzformen der Antenne zugeordneten Resonanzfrequenzen in dem Betriebsband des Empfängers beziehungsweise dem Betriebsband des Telefons liegen.
In dem Falle, in welchem die Kopplungsstufe eine Schaltereinrichtung als Signalführungsabschnitt besitzt, kann der Impedanzanpassungsabschnitt als ein Impedanzwandler in Form einer Übertragungsleitung und eines Reaktanzausgleichselementes gebildet sein, wobei die Schaltereinrichtung mit dem Knoten zwischen diesen beiden verbunden ist.
Die Länge der den Impedanzwandler bildenden Übertragungsleitung kann derartig sein um eine Widerstandsimpedanzwandlung bei einer Frequenz zwischen der oberen und der unteren Frequenz zu bewirken, wobei die Impedanzen an dem Knoten aufgrund des Wandlers bei den beiden Frequenzen eine kapazitive Reaktanzkomponente beziehungsweise eine induktive Reaktanzkomponente besitzen, und wobei die Stichleitungslänge derartig ist, dass sie induktive beziehungsweise kapazitive Reaktanzen bei den beiden Frequenzen ergibt, wodurch wenigstens teilweise kapazitive und induktive Reaktanzen aufgrund des Wandlers kompensiert sind, derartig, dass sich an den Knoten bei jeder der beiden Frequenzen eine resultierende Impedanz ergibt, die mehr annähernd widerstandsbehaftet ist als die Impedanzen aufgrund der Übertra gungsleitung.
Typischerweise ist die Übertragungsleitungslänge derartig, um eine Übertragungsverzögerung von ungefähr 90° bei einer Frequenz zu erzeugen, die wenigstens ungefähr in der Mitte zwischen der oberen und der unteren Frequenz liegt.
Vorteilhaft stellt die Erfindung auch eine neue Verwendung einer Antenne bereit, umfassend einen länglichen dielektrischen Kern mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten >5, wenigstens ein Paar von länglichen leitfähigen Elementen, die längs in einer koextensiven und lateral in einer gegenüberliegenden Beziehung an oder benachbart zur äußeren Oberfläche eines entfernt gelegenen Teils des Kerns angeordnet sind, eine leitende Hülse, die einen proximalen Teil des Kerns umgibt, und eine sich durch den Kern erstreckende Längsspeisestruktur, wobei die länglichen leitenden Elemente sich zwischen entfernt gelegenen Verbindungen an die Speisestruktur und einem entfernt gelegenen Rand der Hülse erstrecken, wobei das neue Verwenden umfasst, das Betreiben der Antenne bei wenigstens zwei beabstandeten Frequenzbändern, das Einspeisen von Signalen über eine Bezugssignalleitung der Speisestruktur zu oder von unterschiedlichen Teilen einer Funksignalverarbeitungseinrichtung, von welchen jedes in einen unterschiedlichen der Seitenbänder arbeitet, wobei eines der Bänder eine Frequenz umfasst, bei welcher die Antenne eine erste Resonanzform zeigt und ein anderes der Bänder eine Frequenz umfasst, bei welcher die Antenne eine zweite Resonanzform zeigt, die unterschiedlich zu der ersten Form ist.
Die Erfindung wird nun durch das Beschreiben eines Beispiels unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei
1 eine grafische Darstellung ist, welche ein Funkkommunikationsgerät gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht der Antenne des Systems von 1 ist;
3 eine axiale Schnittdarstellung der Antenne, die auf einer leitfähigen Grundplatte befestigt ist;
4a, 4b und 4c perspektivische Ansichten der Antenne sind, welche die unterschiedlichen Muster von stehenden Wellen an den Leitern an der äußeren Oberfläche der Antenne angeben, wenn diese in unterschiedlichen Resonanzformen arbeitet;
5 ist eine Planansicht einer Mikrostreifen-Frequenzweiche;
6a bis 6e sind Smith-Diagramme, welche die Funktion der Frequenzweiche der 5 veranschaulichen;
7 ist eine Darstellung eines Antennensystems gemäß der Erfindung, das eine wie in den 2 und 3 gezeigte Antenne besitzt in Verbindung mit einer Kopplungsstufe unter Verwendung eines signalführenden Schalters;
8 ist eine Darstellung eines alternativen Funkkommunikationsgerätes gemäß der Erfindung; und
9 ist eine Darstellung einer integrierten Funkkommunikationseinheit gemäß der Erfindung.
Bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen ist ein Funkkommunikationsgerät gemäß der Erfindung zum Verwenden bei Frequenzen über 200 MHz gezeigt, das unterschiedliche Funktionen ausführen kann. Es schließt ein Antennensystem ein, umfassend als erstes eine Antenne 1 in Form eines länglichen zylinderförmigen Kera mikstabes mit metallischen Elementen, die an die Außenseite plattiert sind um eine quadrifilare schraubenförmige Antennenelementstruktur zu bilden mit einer proximalen leitfähigen Hülse, welche eine Stromfalle zwischen den abstrahlenden Elementen der Antenne und einer Erdungsverbindung an dessen unteren Ende bildet. In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „abstrahlende Elemente" auf Elemente, welche elektromagnetische Energie von der Antenne abstrahlen falls geeignete von einem Übertrager eingespeist ist, die jedoch in Geräten, welche einen Empfänger umfassen, wirken um solche Energie aufzunehmen und um diese in ohmische Ströme in der Antenne umzuwandeln.
Die Antenne 1 ist auf einer sich längs erstreckenden leitfähigen Oberfläche 2 befestigt, die in dieser Ausführungsform durch eine Wand des Gehäuses der Kopplungsstufe in Form einer Frequenzweicheneinheit 3 gebildet ist. Eine interne Speisestruktur 1a der Antenne ist an die Frequenzweicheneinheit 3 an deren Bezugsport 3a gekoppelt. Das Funkkommunikationsgerät umfasst einen GPS-Empfänger 4, der mit einem ersten Geräteport 3b der Frequenzweicheneinheit 3 verbunden ist und ein Mobiltelefonempfänger 5, der an einen zweiten Geräteport 3c der Frequenzweicheneinheit 3 verbunden ist.
Die unten beschriebene Antenne 1 weist unterschiedliche Resonanzformen in beabstandeten Frequenzbändern auf. In diesem Beispiel ist eine erste Resonanzform einer Resonanzfrequenz von 1,575 GHz zugeordnet, wobei die Antenne ein Maximum der Verstärkung für zirkular polarisierte Signale bei dieser Frequenz zeigt und die Signale im allgemeinen vertikal, d. h. parallel zur zentralen Achse der Antenne gerichtet sind. Diese Frequenz ist die GPS L1 Frequenz. Eine zweite Resonanzform der Antenne 1 in dieser Ausführungsform ist eine Resonanzfrequenz von etwa 860 MHz zugeordnet mit linear polarisierten Signalen in einer Richtung parallel zu der zentralen Achse der Antenne 1. 860 MHz ist ein Beispiel einer Frequenz, die in einem Mobilfunktelefonband liegt.
Die Frequenzweicheneinheit 3 stellt eine Impedanzanpassung der Einheiten 4 und 5 zu der Antenne 1 in dessen erster und zweiter Resonanzform bereit, und isoliert die beiden Einheiten 4 und 5, sodass diese unabhängig voneinander betrieben werden können, d. h. ohne dass der Betrieb der einen den Betrieb der anderen wesentlich stört. Die Frequenzweicheneinheit 3 wird unten näher erläutert.
Die in 1 veranschaulichte Anordnung ist für eine Anzahl von Anwendungen geeignet, in welcher Positionsinformation und die Fähigkeit über ein Mobiltelefon zu kommunizieren, zusammen erforderlich ist. Diese Anordnung ist insbesondere nützlich für eine Installation in einem Auto, in welchem Fall der GPS-Empfänger 4 dem Fahrer Navigationsinformation über die gleiche Antenne bereitstellen kann wie ein permanent installiertes Autotelefon oder ein tragbares Mobiltelefon, das in die Autoverdrahtung eingesteckt ist. Die Antenne 1 und die Frequenzweicheneinheit 3 sind klein und robust und gut geeignet für Autos und andere mobile Anwendungen. Es ist, falls erforderlich, möglich, den GPS-Empfänger und das Telefon zusammen mit der Frequenzweiche in einer einzelnen Einheit zu verbinden.
Die Antenne 1 ist genauer in den 2 und 3 gezeigt und ist wie in der parallelen britischen Patentanmeldung Nr. 9603914.4 des Anmelders aufgebaut, deren Offenbarung in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen ist. In seiner bevorzugten Form ist die Antenne quadrifilar mit einer Antennenelementstruktur mit vier sich längs erstreckenden Antennenelementen 10A, 10B, 10C und 10D aufgebaut, die als metallische Leiterbahnen an der zylinderförmigen äußeren Oberfläche eines zylindrischen Keramikkerns 12 gebildet sind, welcher die Gestalt eines Stabes besitzt. Der Kern 12 weist einen axialen Durchgang 14 mit einer inneren metallischen Auskleidung 16 auf, wobei der Durchgang einen axialen Speiseleiter 18 aufnimmt. Der innere Leiter 18 und die Auskleidung bilden in diesem Fall eine koaxi ale Speisestruktur 14 zum Verbinden einer Speiseleitung mit den Antennenelementen 10A bis 10D. Die Antennenelementstruktur weist auch entsprechende radiale Antennenelemente 10AR, 10BR, 10CR, 10DR auf, welche als metallische Bahnen an einer distalen Endfläche 12D des Kerns 12 gebildet sind, welche die Enden der entsprechenden sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D mit der Speisestruktur verbinden. Die anderen Enden der Antennenelemente 10A bis 10D sind mit einem Bezugsleiter in Form einer plattierten Hülse 20 verbunden, welche einen proximalen Endabschnitt des Kerns 12 umgibt. Die Hülse 20 ist selbst mit der Auskleidung 16 des axialen Durchgangs 14 durch die Plattierung 22 an der proximalen Endfläche 12P des Kerns 12 verbunden. Das Material des Kerns 12 nimmt den Hauptteil des inneren Volumens ein, welcher durch die Antennenelemente 10A bis 10D und die Hülse 20 bestimmt ist.
Das bevorzugte Material für den Kern 12 ist ein zirkoniumtitan-basiertes Material. Dieses Material besitzt die oben erwähnte relative Dielektrizitätskonstante von 36 und wird auch für seine dimensionale und elektrische Stabilität bei variierender Temperatur erwähnt. Dielektrische Verluste sind unbedeutend. Der Kern kann durch Extrusion oder durch Pressen hergestellt werden.
Die Antennenelemente 10A bis 10D, 10AR bis 10DR sind metallische Leiterbahnen, die an die äußere zylindrische Oberfläche und die äußere Endfläche und des Kerns 12 gebondet sind, wobei jede Bahn über ihre Betriebslänge eine Breite aufweist, die wenigstens vier Mal ihrer Dicke entspricht. Diese Bahnen können durch das anfängliche Plattieren der Oberfläche des Kerns 12 mit einer metallischen Schicht gebildet sein und dann durch das ausgewählte Entfernen der Schicht um den Kern freizulegen. Das Entfernen der metallischen Schicht, kann durch Ätzen ausgeführt werden wie bei einer fotografischen Schicht angewendete Muster ähnlich wie sie zum Ätzen von gedruckten Schaltungen verwendet wird. Alternativ kann das metallische Material auch durch se lektives Abscheiden oder durch Drucktechniken aufgebracht werden. In allen Fällen führt das Bilden der Bahnen als eine integrale Schicht an der Außenseite eines von seiner Abmessung stabilen Kerns zu einer Antenne mit bezüglich ihrer Abmessung stabilen Antennenelementen. Ein anderes Verfahren zum Bilden der Leiter umfasst das Schneiden von Rillen in das Material des Kerns, das Plattieren der Gesamtheit der Außenseite des Kerns und dann das Entfernen einer äußeren Schicht der plattierten Beschichtung durch drehloses Schleifen um Inseln von keramischen Material zurückzulassen, wie in der parallelen britischen Patentanmeldung Nr. 9622798.8 offenbart, deren Inhalt in dieser Anmeldung durch Bezugnahme eingebunden wird.
Die leitfähige Hülse 20 wird ähnlich plattiert und deckt einen proximalen Teil des Antennenkerns 12 ab, hierdurch umgebend die Speisestruktur 16, 18, wobei das Material des Kerns 12 die Gesamtheit des Raumes zwischen der Hülse 20 und der metallischen Auskleidung 16 des axialen Durchgangs 14 ausfüllt. Wie in 2 gezeigt, bildet die Hülse 20 einen Zylinder mit einer mittleren axialen Länge l_B und ist mit der Auskleidung 16 durch die plattierte Schicht 22 der proximalen Endfläche 12P des Kerns 12 verbunden. In der ersten Resonanzform besitzt die Kombination der Hülse 20 und der plattierten Schicht 22 die Wirkung, dass Signale in der Übertragungsleitung, welche durch die Speisestruktur 16, 18 gebildet ist zwischen einem unsymmetrischen Zustand am proximalen Ende der Antenne und einem ungefähr symmetrischen Zustand an einem axialen Ort im Wesentlichen im gleichen axialen Abstand von dem proximalen Ende wie die mittleren axiale Position der oberen Verbindungskante 20U der Hülse 20, umgewandelt werden.
Wie aus 2 ersichtlich, weist die Hülse 20 eine ungleichmäßige obere Verbindungskante oder Rand 20U auf, an der oder an dem sie sich zwischen Höcker 20P und Mulden 20T erhebt und senkt. Die vier sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D besitzen eine unterschiedliche Länge, zwei der Elemente 10B, 10D sind länger als die anderen zwei 10A, 10C, da die längeren Elemente an den Mulden der Kante 20U an die Hülse 20 gekoppelt sind, während die anderen Elemente 10A, 10C an die Höcker gekoppelt sind. In dieser für den Empfang von zirkular polarisierten Signalen, wenn resonant in der ersten Resonanzform, bestimmten Ausführungsform sind die sich längs erstreckenden Elemente 10A–10C einfache Schrauben, wobei jede eine halbe Umdrehung um die Achse des Kerns 12 ausführt. Die längeren Elemente 10B, 10D weisen eine längere Schraubenhöhe als die kürzeren Elemente 10A, 10C auf. Jedes Paar von sich längs erstreckendem und entsprechendem radialen Element (z. B. 10A, 10AR) bildet einen Leiter mit einer vorbestimmten elektrischen Länge.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es eingerichtet, dass die Gesamtlänge eines jeden der Elementenpaare 10A, 10AR; 10C, 10CR mit der kürzeren Länge einer Übertragungsverzögerung von ungefähr 135° der Betriebswellenlänge der ersten Resonanzform entspricht, wobei jedes der Elementenpaare 10B, 10BR; 10D, 10DR eine größere Verzögerung erzeugt, entsprechend im wesentlichen 225°. Somit ist die mittleren Übertragungsverzögerung 180° entsrechend einer elektrischen Länge von
/2 bei der Betriebswellenlänge. Die unterschiedlichen Längen erzeugen die erforderliche Phasenverschiebungsbedingungen für eine quadrifilare Schraubenantenne für zirkular polarisierte Signale wie sie in Kilgus, „Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dec. 1970, Seiten 49 bis 54 spezifiziert sind. Die zwei Paare von Elementen 10C, 10CR; 10D, 10DR (d. h. ein langes Elementenpaar und ein kürzeres Elementenpaar) sind an den inneren Enden der radialen Elemente 10CR, 10DR mit den inneren Leitern 18 der Speisestruktur an dem distalen Ende des Kerns 12 verbunden, während die radialen Elemente der anderen zwei Paare von Elementen 10A, 10AR; 10B, 10BR mit dem durch die metallische Abdeckung 16 gebildeten Speiseschirm verbunden. An dem distalen Ende der Speisestruktur sind die an dem inneren Leiter 18 und dem Speiseschirm 16 vorhandenen Signale ungefähr symmetrisch, sodass die Antennenelemente mit einer ungefähr symmetrischen Quelle oder Last verbunden sind, wie unten erläutert wird. Mit den linksdrehenden Schraubenpfaden der sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D besitzt die Antenne ihre höchste Verstärkung für rechtszirkular polarisierte Signale.
Wenn die Antenne stattdessen für linkszirkular polarisierte Signale verwendet wird, ist die Richtung der Schrauben umgekehrt und das Verbindungsmuster der radialen Elemente ist um 90° gedreht. In dem Fall einer Antenne, die geeignet ist zum Empfang sowohl von links- als auch rechtszirkular polarisierten Signalen, können die sich längs erstreckenden Elemente angeordnet sein um Pfaden zu folgen, die im wesentlichen parallel zu der Achse verlaufen, obwohl dies mit einer geringeren Verstärkung verbunden ist.
Als Alternative kann die Antenne Schraubenelemente wie oben mit unterschiedlichen Längen aufweisen, wobei aber die Unterschiede in den Längen erhalten werden kann durch das Winden der längeren Elemente, um entsprechende schraubenförmige Mittellinien. In diesem Falle ist die leitende Hülse von konstanter axialer Länge, wie in der oben erwähnten parallelen britischen Patentanmeldung Nr. 2292638A.
Die Antenne wird vorzugsweise direkt auf einer leitenden Oberfläche befestigt, wie sie durch eine Metallplatte 24 bereitgestellt wird, wie in 3 gezeigt, wobei die plattierte proximale Endoberfläche 12P elektrisch mit der Platte verbunden ist, beispielsweise durch Löten. In dieser Ausführungsform ist die Metallplatte 24 ein Teil des Gehäuses der Frequenzweicheneinheit und des inneren Leiters 18 der Antenne zum direkten Verbinden an eine Frequenzweichenschaltung, wie untenstehend erläutert wird. Die leitende Auskleidung 16 des inneren axialen Durchgangs 14 des Antennenkerns ist mit der plattierten Schicht 22 der proximalen Endfläche 12P der Antenne verbunden.
Aus den 2 und 3 geht hervor, dass die Antenne an ihrem distalen Ende stromgespeist ist. In der ersten Resonanzform wirkt die Hülse 20 als ein Trap-Element, das in hohem Maße die Antennenelemente 10A bis 10D von dem Bezugspotential isoliert. Wie in 4A gezeigt, ist die Amplitude der Ströme der stehenden Welle in den Elementen 10A bis 10D am Rand 20U der Hülse 20 auf einem Maximum, wo sie um den Rand verlaufen, sodass die zwei Paare von Elementen 10A, 10C und 10B, 10D Teile von zwei Schleifen bilden, die von der geerdeten proximalen Endfläche 12P der Antenne isoliert sind. Stromminima einer stehenden Welle bestehen ungefähr in der Mitte der Elemente 10A bis 10D. Spannungsmaxima H und Minima L treten an Orten von Stromminima beziehungsweise -maxima auf. In dieser Resonanzform ist das Abstrahlmuster der Antenne für rechtszirkular polarisierte Signale im wesentlichen herzförmig, distal und mittig auf die zentrale Achse des Kerns gerichtet. In dieser quadrifilaren Form diskriminiert die Antenne in die ansteigende Richtung gegen linkshändige Polarisation wie obenstehend erwähnt.
In dieser Ausführungsform liegt die zweite Resonanzform bei einer niedrigeren Frequenz und stellt eine Form dar, welche sehr unterschiedlich zu der ersten Resonanzform ist, wie in 4B gezeigt. Wieder ist die Antenne am oberen Ende stromgespeist, aber Ströme der stehenden Welle gehen auf ein Minimum zurück und Spannungen steigen auf ein Maximum H in den Antennenelementen 10A–10D an oder nahe der Kante 20U der Hülse (insbesondere in einem Bereich ein wenig über dem Rand 20U, wobei dieser Bereich ungefähr mittig zwischen dem distalen Speisepunkt und der proximalen Erdungsverbindung liegt). Strommaxima und Spannungsminima (L) treten an den zwei Extremen auf, d. h. an dem distalen Speisepunkt und der proximalen Erdungsverbindung. Die Ströme sind verhältnismäßig hoch auf der Innenfläche der Hülse 20, aber hier beeinflussen sie die Abstrahlmuster der Antenne nicht. Die Antenne zeigt Viertelwellenresonanz in einer Art, die sehr ähnlich eines herkömmlichen invertierten Einpols ist mit einer überwiegenden einendigen Speisung. Um die Kante 20U ist ein kleiner Stromfluss vorhanden, was in Einklang mit einer einendigen Speisung ist. In dieser Form zeigt die Antenne die klassische Ringwulst einer einpoligen Antenne mit Signalen, welche parallel zu der zentralen Achse des Kerns linear polarisiert sind. Es besteht eine starke Diskriminierung gegen horizontale Polarisation.
Die Antenne 1 weist auch eine dritte Resonanzform auf, wie in 4C angezeigt. Es besteht ein einendiger Mode höherer Frequenz, bei welchem die Antenne eine elektrische Länge von ungefähr 360° (d. h. von dem distalen Speisepunkt zu der Erdungsverbindung der Hülse) anstatt eine elektrische Länge von ungefähr 180° bei der relevanten Betriebswellenlänge besitzt. Die Resonanzfrequenz ist ungefähr das Doppelte der in der zweiten Resonanzform. Wie in der zweiten Form zeigen die Muster der stehenden Welle Strommaxima und Spannungsminima an den beiden Extremen, aber in diesem Fall liegt auch ein Spannungsminima L elektrisch mittig zwischen den Extremen vor, und zwei zwischenliegende Orte von Spannungsmaxima H, wie in 4C gezeigt. Das Funkkommunikationsgerät von 1 verwendet nicht die dritte Resonanzform, aber geeignete Modifikationen der Kopplungsstufe 2 könnten eine Verbindung mit einer Schaltung erlauben, die bei der relevanten Resonanzfrequenz arbeitet.
Es folgt, dass obwohl das beschriebene und gezeigte Gerät für die Verwendung bei 1.575 MHz und in dem 800–900 MHz Mobilfunkband bestimmt ist, alternative Anordnungen möglich sind, die zusätzlich in dem 1.700–1.800 MHz PCN Mobilfunkband arbeiten. Die Antenne oder eine ähnliche kann auch alleine in dem oberen und unteren Mobilfunkband verwendet werden, d. h. bei 800 –900 MHz und 1.700–1.800 MHz, oder bei GPS-Frequenz und gerade in dem oberen Mobilfunkband. Andere Kombinationen sind natürlich möglich und die Abmessungen der Antennenteile können entsprechend geändert werden. Im allgemeinen ist jedoch eine Mehrzahl von einendigen Resonanzformen möglich, bei welchen die elektrischen Längen der leitfähigen Teile zwischen der distalen Speiseverbindung und der Erdungsverbindung des Traps oder der Hülse gleich n × 180° bei der entsprechenden Resonanzfrequenz ist, wobei n ganze Zahl, d. h. 1, 2, 3 .... ist. In den oben beschriebenen zweiendigen Formen ist n = 1 und bzw. 2. Jede dieser Formen ist durch ein Strommaxima an dem Übergang des Traps oder der Hülse und der Speisestruktur gekennzeichnet, d. h. an der Erdungsverbindung des Traps oder Hülse, und durch Ströme in dem diametral gegenüberliegenden schraubenförmigen Elementen eines jeden Paars, die räumlich in Phase zueinander sind. Im Gegensatz sind diese Ströme in symmetrischen Formen in entgegengesetzter Phasenbeziehung, d. h. gleiche Ströme fließen in entgegengesetzte Richtungen.
Auf ähnliche Weise ist es möglich, symmetrische Formen bei höheren Frequenzen als bei der oben beschriebenen ersten Resonanzform zu haben, bei denen die mittlere elektrische Länge zwischen der distalen Speiseverbindung und dem Trap, insbesondere der Kante der Hülse, ungefähr m × 180° ist, wobei m = 1, 2, 3 ....
Für eine Antenne, die zum Empfang von GPS-Signalen bei 1,575 GHz und Mobilfunksignalen in den Bereichen von 800–900 MHz fähig ist, liegt die Länge und der Durchmesser des Kerns 12 typischerweise in dem Bereich von 20–35 mm beziehungsweise 3– 7 mm, wobei die mittlere axiale Ausdehnung der Hülse 20 in dem Bereich von 8 mm–16 mm liegt. Eine bestimmte bevorzugte Antenne, wie in den 2 und 3 gezeigt, besitzt eine Kernlänge von ungefähr 28,25 mm und einen Durchmesser von ungefähr 5 mm, wobei die mittlere axiale Länge der Hülse 20 etwa 12 mm beträgt. Eine überraschende Eigenschaft der quadrifilaren Resonanzform ist, dass das Verhalten in dieser Form gegenüber einigen Variationen in der mittleren axialen Länge der Hülse 20 tolerant ist entsprechend zu einer Übertragungsverzögerung von 90° bei der jeweiligen Resonanzfrequenz bis zu der Höhe, wo diese Länge eingestellt werden kann um die erforderliche Resonanzfrequenz in der zweiten Resonanzform zu erhalten. Falls es nötig ist, die axiale Länge der Hülse 20 soweit von der Viertelwellenlänge zu verändern, dass das Verhalten der Antenne bei der quadrifilaren Form auf einen nicht akzeptablen Grad beeinträchtigt wird, ist es jedoch möglich, eine Drossel in Serie zwischen der Hülse 20 und der Frequenzweicheneinheit 2 (insbesondere der leitenden Oberfläche benachbart zu der Antenne (siehe 1) einzusetzen, um wenigstens ein ungefähr symmetrisches Stromsignal an der distalen Fläche 12D der Antenne wieder herzustellen.
In dem zum Bestimmen der obigen Abmessungen verwendeten Entwurfsprozess werden bei einer groben Näherung solche Bereiche der Antenne nichtberücksichtigt, wo Randfelder oder evaneszente Felder auftreten, im Gegensatz zu Bereichen, wo die Geometrie derartig ist, die Formgebung wie bei den Übertragungsleitungen zu erleichtern. Als solche Randpfade können die angesehen werden, welche durch die distalen radialen Elemente 10AR bis 10DR, den Rand 20U der Hülse 20 und die proximale Fläche 22 (siehe 2 und 3) bereitgestellt werden. Ströme in den schraubenförmigen Elementen 10A bis 10D können als schwach geführte Ausbreitung angesehen werden, während die längs auftretenden in den Hülsen 20 eine nicht schwach geführte Ausbreitung erzeugen, wie sie auf der inneren Oberfläche der leitfähigen, die Hülse bildenden Schicht auftreten.
Somit kann beispielsweise ein Führungsparameter
für durch die Antennenelemente gebildete Leitungen die verschiedenen schraubenförmigen Leitungssteigungen kennzeichnen. Jede schraubenförmige Leitung kann zum Zwecke einer axialen Ausbreitung als eine Übertragungsleitung angesehen werden, welche durch ein dielektrisches Medium mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
umgeben ist, welche von der relativen Dieletrizitätskonstanten
des Kerns abhängt, und von dem Kern und von Geometrien des Elements. Dieser Parameter
kann durch das Ausführen von Eigenwertverzögerungsmessungen erfasst werden, welche die Phasengeschwindigkeiten in den Leitungen ergeben, die wiederum Werte für
ergeben, die in axialer Richtung aufgelöst sind. Beispielsweise können Messungen für einen Kerndurchmesser von 5 mm und verschiedenen schraubenförmigen Steigung ausgeführt werden, um einen Graph zu erzeugen, in welchem
gegen den Steigungswinkel dargestellt ist, der es erlaubt, Werte für
bei zwischenliegenden Steigungswinkeln abzuschätzen.
Charakteristische Leitungsparameter können dann verwendet werden, um eine Antenne zu konstruieren, bei welcher jedes sich gegenüberliegende Paar von schraubenförmigen Elementen dimensioniert ist um ungefähr der erforderlichen gesamten elektrischen Läne von
zu entsprechen, d. h. 360° in Phase bei der für einen symmetrischen Betrieb (der ersten obigen Resonanzform) erforderlichen Resonanzfrequenz. Genau gesagt sollte ein Paar entsprechend 360° bei einer Frequenz leicht über der erforderlichen Resonanzfrequenz sein und das andere Paar entsprechen 360° bei einer Frequenz leicht unter der Resonanz, um die beste Verstärkung für zirkulare Polarisation zu erreichen.
Sind somit die Längen der schraubenförmigen Elemente berechnet, können die elektrischen Längen von jenen Elementen bei der erforderlichen Resonanzfrequenz in der zweiten Resonanzform durch einfaches Skalieren mit dem Verhältnis der zwei Frequenzen der beiden Resonanzformen bestimmt werden, und durch Substrahieren der skalierten Länge von der elektrischen Einpol-Gesamtlänge von 180° um die erforderliche Länge für die Hülse zu erzeugen.
In diesem Fall sind 180° gewählt, falls ein einendiger Betrieb bei einer niedrigeren Frequenz als der ersten Form erforderlich ist, entsprechend zu der „zweiten" Form der Resonanz wie in 4B gezeigt. Bei bekannter erforderlicher niedrigerer Frequenz für diese „zweite" Resonanzform ist es dann möglich, die ungefähre Länge der Hülse zu schätzen.
Ist stattdessen eine höhere Frequenz für den einendigen Betrieb erforderlich, werden 360° als elektrische Gesamtlänge der schraubenförmigen Elemente und der Hülse gewählt, da die „dritte" Form der Resonanz, die in 4C (oder eine mit einer grö ßeren Anzahl von Höcker einer stehenden Welle) veranschaulicht ist, verwendet wird.
Wird nun das Koppeln der Antenne an die Funkkommunikationsschaltung betrachtet, umfasst die Frequenzweicheneinheit 3 der 1 ein Paar von Filtern, eine reaktanzausgleichende Stichleitung und ein Impedanzwandlerelement um die Antenne an beide Einheiten 4 und 5 anzupassen und um die Signale von einer Einheit zu den Signalen der anderen zu isolieren.
In einer alternativen Anordnung kann die Antenne von der Frequenzweicheneinheit 3 beabstandet befestigt sein wie mit Bezugnahme auf die 8 untenstehend beschrieben wird.
Bezugnehmend auf 5, weist die Frequenzweicheneinheit 3 der 1 ein Abschirmgehäuse (wie in 1 gezeigt) auf, umfassend eine einzelne isolierende Substratplatte 30 mit einer leitfähigen Erdungsschicht auf einer Seite (die verdeckten Seite der Platte 30 wie in 5 gezeigt), wobei die andere Seite der Platte wie dargestellt die Leiter tragen. Diese Leiter umfassen erstens einen Impedanzwandlerabschnitt 32, wie einen leitenden Streifen, der einen Übertragungsleitungsabschnitt bildet, welcher sich zwischen einem Ende 33, des mit dem inneren Antennenleiter verbunden ist, und dem anderen Ende 34 erstreckt, welches einen Schaltungsknoten bildet. Zweitens sind zwei Bandpassfilter 36, 38 mit dem Knoten 34 verbunden. Jeder ist durch drei induktiv gekoppelte parallel resonante Elemente gebildet, wobei jedes Element durch einen schmalen induktiven Streifen 36A, 36B gebildet ist, welche an einem Ende durch ein durchkontaktiertes Loch 36B, 38B geerdet sind und eine Kondensatorplatte 36C, 38C an den gegenüberliegenden Ende aufweisend, die einen Kondensator bilden mit dem Erdungsleiter an der anderen Oberfläche des Substrates. Bei jedem Filter 36, 38 ist der induktive Streifen 36A, 38A, welcher den Knoten 34 am nächsten liegt, an den letzteren durch einen elektrisch kurzen Anzapfleiter 40 verbunden, der sich zum Bewirken einer weiteren Impe danzwandlung verjüngt. In jedem Fall ist der am entferntesten von dem Knoten 34 gelegene induktive Streifen an Anzapfleitungen 42 gekoppelt (welche sich auch nahe am Filter verjüngen), wodurch der Filter an entsprechende Geräteverbindungen 44 gekoppelt ist.
Wie aus den unterschiedlichen Größen der Filter 36, 38 hervorgeht, sind diese an unterschiedliche Frequenzbänder angepasst, tatsächlich entsprechen die Frequenzbänder den zwei Resonanzformen der Antenne 1.
Eine Impedanzanpassung bei beiden Resonanzfrequenzen wird durch die Kombination des Wandlerabschnittes 32 und einer mit einem offenen Schaltungsende versehene Stichleitung 46 erreicht, die wie in 5 gezeigt sich vom Knoten 34 erstreckt.
Der Wandlerabschnitt 32 ist dimensioniert um einen Wellenwiderstand Z_o für die Übertragungsleitung zu besitzen, der gegeben ist durch: Zo = √(ZSZL)wobei Z_S der Wellenwiderstand der Antenne 1 bei Resonanz ist und Z_L eine ausgewählte Lastimpedanz für den Knoten 34 um den Filtern 36 und 38 zu entsprechen. Die Länge des Wandlerabschnittes 32 ist ausgerichtet um einer Übertragungsverzögerung von etwa 90° zu entsprechen bei einer Frequenz ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Frequenzbändern entsprechend der ersten und der zweiten Resonanzform, in diesem Fall ungefähr 1,22 GHz. Die Wirkung des Wandlerabschnittes 32 bei unterschiedlichen Frequenzen ist durch das Smith-Diagramm von 6A veranschaulicht, dass die Impedanz, gesehen am Knoten 34 aufgrund des Wandlerabschnittes 32 bei nicht vorhandener Stichleitung 46 über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 1,6 GHz darstellt. Die Abschnitte A und B der Kurve zeigen die beiden Frequenzbänder, welche bei 860 MHz und 1,575 GHz zentriert sind, und es geht hervor, dass wie oben erwähnt, bei einer Frequenz zwischen den zwei Bändern eine widerstandsbehaftete Impedanz in der Mitte des Diagramms erhalten wird. Die Wirkung der Stichleitung 46 (siehe 5) wird nun mit Bezug auf das Smith-Diagramm von 6B betrachtet. Bei niedrigen Frequenzen ist die durch die Stichleitung 46 am Knoten 34 vorliegende Impedanz relativ hoch, was aus dem Ende der Kurve in 6B hervorgeht, das nahe der rechten Seite des Diagramms ist. Mit erhöhter Frequenz verläuft die Impedanz um die Peripherie des Diagramms durch einen Punkt mit der Impedanz 0 entsprechend einer Frequenz ungefähr mittig zwischen den Frequenzbändern A und B aufgrund der gewählten Längen der Stichleitung 46.
Beim Vergleich der 6A und 6B wird bemerkt, dass die Impedanz am Knoten 34 aufgrund des Wandlerabschnittes 32 im Band A eine induktive Reaktanzkomponente besitzt, während die Impedanz im Band B eine kapazitive Reaktanzkomponente besitzt. In den Smith-Diagrammen sind die vom rechten Ende ausgehenden Kurven Linien konstanter Reaktanz. Aus 6B ist ersichtlich, dass die Stichleitung 46 so dimensioniert ist, dass die im Knoten 34 allein durch die Stichleitung 46 dargestellte Impedanz im Band A kapazitiv ist und wenigstens ungefähr gleich der induktiven Reaktanz in Band A wie in 6A gezeigt. Ähnlich weist die Impedanz aufgrund der Stichleitung 46 im Band B eine induktive Reaktanzkomponente auf, welche zumindest ungefähr in ihrer Größe gleich der kapazitiven Raektanzkomponente in Band B ist, wie in 6A gezeigt.
Nun bezugnehmend auf 6C folgt der Pfad der Impedanz am Knoten 34 aufgrund der Kombination des Wandlerabschnittes 32 und der Stichleitung 46 einer Schleife, die bei einer niedrigen Frequenz an einer Impedanz beginnt, welche der Quellenimpedanz am Port 3A entspricht, wie in 1 gezeigt. Mit erhöhter Frequenz folgt der Pfad einer Schleife, welche die Widerstandslinie zweimal kreuzt. Das erste Kreuzen entspricht ungefähr der Mitte des Bandes A, wie durch die Kurve in 6B gezeigt, dass wie in 6C gezeigt, einfach ein Teil der Kurve entsprechend zum Frequenzband A ist, während das zweite Kreuzen der Widerstandslinie die ungefähre Mitte des Bandes B darstellt, wie durch die Kurve 6E gezeigt, welche auch ein Teil der in 6C gezeigten Kurve ist. In dieser Weise führen die Elemente der Frequenzweiche eine gute Impedanzanpassung der Antenne 1 zu den Filtern 36, 38 in beiden Frequenzbändern A und B durch, wobei die Reaktanzen der Stichleitung 46 wenigstens teilweise die Reaktanzen aufgrund des Wandlerabschnittes kompensieren. Jeder Filter stellt eine relativ hohe Impedanz bei Frequenzen des anderen Filters dar, wodurch eine Isolation zwischen Signalen in den beiden Bändern bereitgestellt ist.
In dem in 1 dargestellten Beispiel wird diese Isolierung verwendet, um einen GPS-Empfänger 4 von Mobiltelefonsignalen zu isolieren, die zu und von einer Telefoneinheit 5 gespeist werden.
Die Frequenzweiche 3 ist richtig, wenn die Funkkommunikationseinheiten 4 und 5 (siehe 1) gleichzeitig betrieben werden. In einigen Fällen, in welchen die Erfindung anwendbar ist, ist ein gleichzeitiger Betrieb nicht erforderlich und eine Kopplungsstufe einschließlich eines HF-Schalters ist besser geeignet, wie in 7 gezeigt. Die Speisestruktur an dem proximalen Ende der Antenne 1 ist über eine Bezugssignalleitung oder Port 47A über einen Impedanzanpassungsabschnitt 48 an einen Zweiwege-HF-Schalter 49 gekoppelt, der typischerweise eine PIN-Diodeneinrichtung ist. Abhängig vom Zustand des Schalters 49 wird die Bezugsleitung 47A an eine oder eine andere der zwei weiteren Signalleitungen oder Ports 47B, 47C gekoppelt, an die unterschiedliche Kommunikationsschaltungseinheiten angeschlossen sein können.
Die Art des Impedanzanpassungsabschnittes 48 hängt von den aufzunehmenden Frequenzen ab. In einigen Fällen, wie einem System, das zum Verwenden der Antenne 1 mit Einheiten bestimmt ist, die bei nahen Frequenzen arbeiten, kann ein einfacher 90° Übertragungsleitungswandler geeignet sein, wie der Abschnitt 32 in der Frequenzweiche von 5. Ein Beispiel eines solchen Systems ist ein kombinierter PCN-Mobiltelefonbetrieb (bei 1710 bis 1785 MHz und 1805 bis 1880 MHz) mit einem lokalen drahtlosen DECT-Telefonbetrieb (bei 1880 bis 1900 MHz). Alternativ kann eine Zweispitzen-Impedanz-Anpassungsanordnung verwendet werden, wo die Frequenzbänder weiter beabstandet sind, wie die Kombination eines 90° Wandlers und einer offenen Schaltungs-Stichleitung, wie der Wandler 32 und die Stichleitung 46 der Frequenzweiche von 5. In diesem Fall ist der Schalter 49 mit der Verzweigung des Wandlers und der Stichleitung verbunden.
Ein alternatives Antennensystem zeigt 8. In diesem Fall ist die Antenne 1 auf eine sich lateral erstreckende leitfähige Oberfläche 2 befestigt, welche anstatt Teil eines Frequenzweichengehäuses zu sein, Teil einer anderen metallischen Struktur, die einem Fahrzeugkörper bildet. Die Antenne ist durch ein Loch in der Oberfläche 2 gekoppelt mittels eines Speisekabels 50, das an den Bezugsport 3A der Frequenzweiche 3 gekoppelt ist, wobei letztere ähnlich zu der Frequenzweiche der oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform ist. Das Speisekabel 3 weist einen inneren Leiter auf, der an den axialen inneren Leiter der Antenne 1 gekoppelt ist und einen äußeren Schirm, welcher mit der plattieren proximalen Fläche der Antenne verbunden ist. Am Ende des Kabels 50 zur Frequenzweiche ist die Abschirmung mit dem Frequenzweichengehäuse verbunden und direkt oder indirekt mit der Erdungsebene einer Mikrostreifen-Frequenzweichen-Leiterplatte innerhalb des Gehäuses, ähnlich wie dies in 4 gezeigt ist.
Vorausgesetzt, dass der Wellenwiderstand des Speisekabels 50 nicht der gleiche wie die durch die Antenne 1 dargestellte Quellenimpedanz ist, wirkt das Kabel 50 als ein Impedanzwandlerelement. Der Umfang, in welchem dies auftritt, hängt von der Länge des Kabels und dem Wert des Wellenwiderstandes ab, und das Mikrostreifen-Frequenzweichenelement ist entsprechend geändert, sodass die zwischen der Antenne 1 und dem Knoten 34 der Frequenzweiche (siehe 4) erforderlich gesamte Impedanzwandlung die gleiche Wirkung besitzt, wie der Wandlerabschnitt 32 der Frequenzweiche der oben beschriebenen und in den 1 und 4 gezeigten ersten Ausführungsform. Somit beträgt die elektrische Länge der Kombination des Kabels 50 und des Impedanzwandlerabschnittes der Frequenzweiche 3 um 90° bei einer Frequenz ungefähr in der Mitte zwischen den zwei Frequenzbändern entsprechend der ersten und der zweiten Resonanzart. Es ist deshalb möglich, dass die Mikrostreifen-Frequenzweiche so aufgebaut ist, wie in 4 gezeigt, aber mit einem Impedanzwandlerabschnitt 32 mit einer stark reduzierten Länge, oder diese kann wenigstens teilweise durch einen Mikrostreifenabschnitt mit einem Wellenwiderstand gebildet sein, der gleich der Lastimpedanz an der Last 34 ist. Typischerweise besitzt das Speisekabel 50 einen Wellenwiderstand von 10 Ohm.
Das System von 8 verwendet die oben erwähnte alternative Antenne, wobei zwei gegenüberliegend angeordnete Elemente mäanderförmigen Pfaden folgen um die Unterschiede in der Länge zu erreichen, was zu den erforderlichen Phasenschiebungsbedingungen für eine quadrifilare, schraubenförmige Antenne für zirkular polarisierte Signale erforderlich ist, während die Antenne 4 schraubenförmige Elemente aufweist, die im wesentlichen koextensiv und koaxial sind. Das mäanderförmige eines der Paare der Elemente nimmt den unregelmäßigen Rand der Hülse 20 ein, wie in 2 gezeigt, sodass in dieser Ausführungsform die Hülse 20 eine ringförmige obere Kante besitzt, welche sich um den Antennenkern mit einem konstanten Abstand von dem proximalen Ende erstreckt. Die Charakterisierung der Führungsparameter für mäanderförmige Elemente kann wie oben skizziert mit einem Ausdehnungsfaktor als Multiplikator für
erreicht werden, welcher für eine einfache Schraube mit dem gleichen mittleren Steigungswinkel erhalten wurde.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Antenne 1 und dessen Kopplungsstufe 2 mit getrennten Funkkommunikationseinrichtungen verbunden. Es ist zu verstehen, dass die Erfindung auch auf eine integrierte Vorrichtung, wie sie in 9 gezeigt ist, angewendet werden kann. In diesem Beispiel beinhaltet ein einzelnes Handgerät sowohl GPS- als auch Mobilfunkschaltkreise, insbesondere einen GPS-Empfänger 4' und einen Telefon-Transceiver 5'. Diese sind zusammen mit einer Frequenzweiche 2' und einer Antenne 1 in einem einzelnen Gehäuse 60 untergebracht.

Claims

Funkkommunikationsgerät, umfassend eine Antenne (1) und ein mit der Antenne verbundenes Funkkommunikationsschaltungsmittel (4, 5) das zumindest in zwei Funkfrequenzbänder betriebsfähig ist, wobei die Antenne umfasst einen länglichen dielektrischen Kern (12), eine Speisestruktur (16, 18), die durch den Kern hindurch im Wesentlichen von einem Ende zu dem anderen Ende des Kerns verläuft, und die an oder benachbart zu der äußeren Oberfläche des Kerns angeordnete Reihenkombination von zumindest einem länglichen, leitenden Antennenelement (10A; 10B; 10C; 10D) und einem leitenden Trap-Element (20), welches im Bereich des einen Endes des Kerns eine Erdungsverbindung (22) zu der Speisestruktur aufweist, wobei das oder jedes Antennenelement im Bereich des anderen Endes des Kerns an eine Speiseverbindung der Speisestruktur gekoppelt ist, und wobei das Funkkommunikationsschaltungsmittel zwei Teile (4, 5) aufweist, die in einem ersten bzw. einem zweiten der Funkfrequenzbänder betriebsfähig sind und jedes einer jeweiligen Signalleitung zugeordnet ist zum Übertragen von Signalen, die zwischen einer Bezugssignalleitung der Antennen speisestruktur (16, 18) und des jeweiligen Schaltungsmittelteils fließen, wobei die Antenne in dem ersten Frequenzband in einer ersten Resonanzform und in dem zweiten Frequenzband in einer zweiten Resonanzform resonant ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste bzw. zweite Form der Resonanz einem im Wesentlichen symmetrischen bzw. einendigen Speisestrom an der Speiseverbindung zugeordnet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die leitenden Elemente der Reihenkombination (10A, 10B, 10C, 10D, 20) und der dielektrischen Kern (12) eine einheitliche Struktur bilden, die eine Mehrzahl von verschiedenen Resonanzformen aufweist, welche durch unterschiedliche Muster der Maxima und Minima einer stehenden Welle innerhalb der einheitlichen Struktur gekennzeichnet sind.
Gerät nach Anspruch 3, wobei die Antenne ohne konzentrierte Filterkomponenten, welche die Antenne in einzelne Resonanzteile auftrennen, gebildet wird und wobei alle Leitungspfade der einheitlichen Struktur für Ströme bei allen Frequenzen verfügbar sind und die Resonanzpfade bei jeder Resonanzfrequenz die bevorzugten Pfade bei dieser Frequenz sind.
Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kern (12) ein Stab aus massivem dielektrischem Material ist mit einer relativen Dielektrizitätskonstante größer 5, und wobei die Reihenkombination wenigstens ein paar von der Länge nach koextensiven länglichen Antennenelemente (10A; 10C; 10B, 10D) umfasst und das Trap-Element (20) eine leitende Hülse ist, welche den Stab auf der Oberfläche des Stabes umfasst.
Antennensystem für Funksignale in wenigstens zwei Fre quenzbändern umfassend: eine Antenne (1) mit einem massiven, länglichen, dielektrischen Kern (12), zumindest einem länglichen, leitfähigen Element (10A, 10B, 10C, 10D) an oder benachbart zu einer äußere Oberfläche eines entfernt gelegenen Teils des Kerns, einer leitfähigen Hülse (20), die einen proximalen Teil des Kerns umgibt, und einer sich durch den Kern erstreckenden Längsspeisestruktur (16, 18), wobei das sich längliche, leitende Element zwischen einer entfernt gelegenen Verbindung an die Speisestruktur und einem entfernt gelegenen Rand (20U) der Hülse erstreckt, und die Hülse in der Nähe gelegen an die Speisestruktur gekoppelt ist; und eine Kopplungstufe (30–46; 47–49) mit einer Bezugssignalleitung, welche der Speisestruktur zugeordnet ist, wenigstens zwei weiteren Signalleitungen zum Verbinden mit einer Funksignalverarbeitungseinrichtung, die in den Frequenzbändern betrieben wird und einer Impedanzanpassungsschaltung (32, 48) die zwischen der Speisestruktur und den weiteren Signalleitungen verbunden ist, und einer Signalführungsschaltung (36, 38, 49), wobei die Signalführungsschaltung angeordnet ist, um die Bezugssignalleitung und eine der beiden weiteren Signalleitungen für Signale zu koppeln, welche in einem der Bänder liegen und bei welchen die Antenne in einer ersten Resonanzform resonant ist, und um die Bezugssignalleitung und die andere der beiden weiteren Signalleitungen für Signale zu koppeln, die in dem anderen Band liegen und bei welchen die Antenne in einer zweiten Resonanzform resonant ist.
Antennensystem nach Anspruch 6, wobei die Kopplungsstufe eine Frequenzweiche ist, mit zwei Filtern (36, 38), welche zwischen der Bezugssignalleitung und den weiteren Signalleitungen gekoppelt ist, wobei die Filter einen ersten Filter (36) umfassen, welcher einer der beiden weiteren Signalleitungen zugeordnet ist und auf eine höhere Frequenz abgestimmt ist, die in einem der beiden Frequenzbän der liegt, und einen zweiten Filter (38), welcher der anderen der zwei weiteren Signalleitungen zugeordnet ist und auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt ist, die in dem anderen der zwei Frequenzbänder liegt.
Antennensystem nach Anspruch 6, wobei die Kopplungsstufe als Signalführungsschaltung einen Schalter (49) umfasst zum Routen von Signalen entweder zwischen der Bezugsignalleitung (47A) und der einen weiteren Signalleitung (47) oder zwischen der Bezugssignalleitung und der anderen weiteren Signalleitung (47B).
Antennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Antenne (1) wenigstens zwei Formen von Resonanz aufweist, bei denen das längliche, leitende Element oder die länglichen, leitenden Elemente (10A–10D) und die Hülse (20) zusammenwirken, um Resonanzfrequenzen festzulegen, die den jeweiligen Resonanzformen zugeordnet sind.
Antennensystem nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine der Resonanzfrequenzen festgelegt ist durch die Summe der Länge der Hülse (20) und der Länge des länglichen, leitfähigen Elements (10A; 10B; 10C; 10D).
Anntennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Hülse (20) und die Speisestruktur (16, 18) als ein Symmetrierglied in zumindest einer der Formen der Resonanz zusammenwirken.
Anntennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die erste bzw. die zweite Form der Resonanz einen im Wesentlichen symmetrischen bzw. einem einendigen Speisestrom an dem entfernt gelegenen Ende der Speisestruktur (16, 18) zugeordnet ist.
Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei der elektrische Kern (12) eine äußere Oberfläche aufweist, die ein inneres Volumen festlegt, das wenigstens zur Hälfte durch ein massives Isoliermaterial eingenommen ist mit einer relativen Dielektrizitätskonstante größer als 5, wobei die Antenne wenigstens ein Paar (10A, 10C; 10B, 10D) der länglichen, leitenden Elementen umfasst, die sich in einer der Länge nach koextensiven und lateral gegenüberliegenden Beziehung an der äußeren Oberfläche des entfernt gelegenen Teils des Kerns, jeweils mit den entsprechenden entfernt gelegenen Verbindungen zu der Speisestruktur (16, 18) und dem entfernt gelegenen Rand (20U) der Hülse (20) befinden und wobei die Bezugssignalleitung der Kopplungsstufe an ein nahegelegenes Ende der Speisestruktur gekoppelt ist.
Antennensystem nach Anspruch 13, wobei die erste Form der Resonanz durch den Betrieb der Antenne bei der höheren Frequenz mit Strommaxima an den Verbindungen der länglichen, leitfähigen Elemente (10A–10D) an die Speisestruktur (16, 18) und an deren Verbindungen mit dem Rand (20U) der Hülse (20) gekennzeichnet ist, wobei die Hülse als Trap arbeitet, welche die längliche, leitfähige Elemente gegen Erde isoliert, und wobei die zweite Form der Resonanz durch den Betrieb der Antenne bei der niedrigeren Frequenz mit einem Spannungsminimum an oder benachbart zu der Kopplung der Hülse (20) an die Speisestruktur (16, 18) gekennzeichnet ist.
Antennensystem nach Anspruch 14, wobei die höhere Frequenz eine Funktion der elektrischen Länge des länglichen Elementes (10A; 10B; 10C; 10D) ist, während die niedrigere Frequenz eine Funktion der Summe der elektrischen Länge des länglichen Elements und der elektrischen Länge der Hülse (20) ist.
Antennensystem nach Anspruch 15, wobei die mittlere elekt rische Länge der länglichen, leitenden Elemente (10A–10D) wenigstens ungefähr 180° bei der höheren Frequenz ist und die Summe der mittleren Länge der länglichen, leitenden Elemente und der mittleren elektrischen Länge der Hülse (20) in der Längsrichtung der Antenne wenigstens ungefähr 180° bei der niedrigeren Frequenz ist.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 16, wobei das wenigstens eine längliche, leitende Element (10A; 10B; 10C; 10D) und die Hülse (20) zusammen mit dem Kern (12) eine einheitliche Struktur bilden mit einer Mehrzahl von verschiedenen Formen der Resonanzen, die durch unterschiedliche Muster von Maxima und Minima einer stehenden Welle innerhalb der einheitlichen Struktur gekennzeichnet sind.
Antennensystem nach Anspruch 17, wobei jedes der Muster von Maxima und Minima einer stehenden Welle an der äußeren Oberfläche des Kerns (12) vorhanden ist zwischen der entfernt gelegenen Verbindung von dem wenigstens einen länglichen, leitenden Element (10A; 10B; 10C; 10D) an die Speisestruktur (16, 18) und der nahegelegenen Kopplung der Hülse (20) an die Speisestruktur.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 18, wobei der Kern (12) ein massiver zylindrischer Körper eines keramischen Materials mit einer axialen Bohrung (14) ist, welche die Speisestruktur (16, 18) enthält und wobei die länglichen, leitenden Elemente (10A–10D) schraubenförmig sind.
Antennensystem nach Anspruch 16, wobei die länglichen, leitenden Elemente (10A–10D) zwei Paare von schraubenförmigen Elementen umfassen und diese Elemente eines jeden Paars diametral gegenüberliegend auf der zylindrischen äußeren Oberfläche des Kerns (12) sind, wobei die eines Paars (10B, 10D) länger als die des anderen Paars (10A, 10C) sind, und wobei die erste Form der Resonanz eine Zirkularpolarisationsform ist, welche zirkular polarisierten Signalen zugeordnet ist, die entlang der zentralen Achse des Kerns gerichtet sind, und die zweite Form der Resonanz eine Linearpolarisationsform ist, die Signalen zugeordnet ist, welche in Richtung parallel zur Kernachse polarisiert sind.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 20, wobei die Frequenzweiche ein Impedanzwandlerelement (32) umfasst, das zwischen der Bezugssignalleitung und einem Knoten (34) gekoppelt ist, an dem die Filter (36, 38) und eine Impedanzausgleichsstichleitung (46) angeschlossen sind.
Antennensystem nach Anspruch 21, wobei das Impedanzwandlerelement (32), die Filter (36, 38) und die Stichleitung (46) als Mikrostreifenkomponenten ausgebildet sind, wobei das Wandlerelement einen leitenden Streifen umfasst, der eine Übertragungsleitung mit vorgestimmten Wellenwiderstand bildet und die Stichleitung einen leitfähigen Streifen mit einem offenen Schaltungsende umfasst.
Antennensystem nach Anspruch 21, wobei die Filter (36, 38) Mikrostreifen-Bandpassfilter sind, die an dem Knoten (34) über Leiter (40) verbunden sind, welche im Vergleich zu der elektrischen Länge des Wandlerelements (32) elektrisch kurz sind.
Funkkommunikationssystem umfassend ein Antennensystem (1; 30–46; 47–49) nach einem der Ansprüche 6 bis 23, einen Satellitenpositionsempfänger oder Satellitentaktempfänger (4) der an einen der weiteren Ports angeschlossen ist und eine Zellen oder Mobiltelefonschaltung (5) die an einen anderen der weiteren Ports angeschlossen ist, wobei die Antenne (1) und die Signalführungsschaltung (36, 38; 49) so konfiguriert ist, dass die eine der höheren und niedrigeren Frequenz im Betriebsband des Empfängers und die andere der höheren und niedrigeren Frequenz in dem Betriebsband der Mobiltelefonschaltung liegt.
Verwendung einer Antenne (1) umfassend einen länglichen, dielektrischen Kern (12) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante größer als 5, wenigstens ein Paar von länglichen, leitenden Elementen (10A–10D), die längs in einer koextensiven und lateral in einer gegenüberliegenden Beziehung an oder benachbart zur äußeren Oberfläche eines entfernt gelegenes Teils des Kerns angeordnet sind, eine leitfähige Hülse (20), die einen nahegelegenen Teil des Kerns umgibt, und eine sich durch den Kern hindurch erstreckende Längsspeisestruktur (16, 18), wobei die länglichen, leitenden Elemente sich zwischen entfernt gelegenen Verbindungen an die Speisestruktur und einem entfernt gelegenen Rand (20U) der Hülse erstrecken, wobei die Verwendung sich zusammensetzt aus dem Betreiben der Antenne bei wenigstens zwei beabstandeten Frequenzbändern, dem Einspeisen von Signalen über eine Bezugssignalleitung der Speisestruktur zu oder von verschiedenen Teilen einer Funksignalverarbeitungseinrichtung (4, 5), von welchen jedes in einem unterschiedlichen der Bänder arbeitet, und eines der Bänder eine Frequenz umfasst bei welcher die Antenne eine erste Form der Resonanz zeigt und ein anderes der Bänder eine Frequenz umfasst, bei welcher die Antenne eine zweite Form der Resonanz zeigt, die unterschiedlich zu der ersten Form ist.
Verwendung einer Antenne nach Anspruch 25, wobei die ersten bzw. zweiten Form der Resonanz einem im Wesentlichen symmetrischen Speisestrom bzw. einem im Wesentlichen einendigen Speisestrom an dem entfernt gelegenen Ende der Speisestruktur (16, 18) zugeordnet ist.
Verwendung einer Antenne nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Frequenz der ersten Form festgelegt ist durch die elektrischen Längen der länglichen, leitenden Elemente (10A –10D), während die Frequenz der zweiten Form durch die mittlere elektrische Länge der länglichen, leitenden Elemente und der mittleren elektrischen Länge der Hülse (20) festgelegt ist.
Verwendung einer Antenne nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die erste Form der Resonanz zirkular polarisierten Signalen zugeordnet ist, während die zweite Form der Resonanz Signalen zugeordnet ist, die in Längsrichtung der Antenne linear polarisiert sind.
Verwendung einer Antenne nach einem der Ansprüche 25 bis 28, zum Empfangen von Satellitenpositionssignalen in dem einem Frequenzband und zum Senden und/oder Empfangen von Mobiltelefonsignalen in dem anderen Frequenzband.