DE10054192C2 - Planare Mobilfunkantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine planare Antenne für den Betrieb in zwei unterschiedli­ chen Frequenzbereichen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Antenne dieser Art ist aus EP 1 026 774 A2 bekannt.

Die genannte Druckschrift beschreibt eine Konstruktion, bei der zur Ermöglichung eines Multiband-Betriebes die Antenne als eine planare Inverted-F-Antenne ausgebildet ist, die in ihrer Größe für eine vorgegebene untere Abstrahlfrequenz ausgelegt ist und die in Längsrichtung eine oder mehrere Einkerbungen oder Abstufungen aufweist, aufgrund deren sich mehrere geometrische Strecken ergeben, über deren Verlauf sich abstrahlbare Wellen mit einer höheren Frequenz als die vorgegebene untere Frequenz ausbilden. Eine der angegebenen Ausführungsformen beschreibt eine rechteckige Fläche, die durch eine winkelförmige, von einem Längsrand ausgehende Aussparung zu einer grob C-förmigen Gestalt geformt ist. Diese Antennenleiterfläche ist im Abstand über einer leitenden Fläche angeordnet, deren Umriß die der Antennenfläche beachtlich übersteigt.

Die Entwicklung von modernen Mobilfunkgeräten ist durch den Trend zur Miniaturisierung geprägt. Aus diesem Grund müssen alle Gerätekomponenten, z. B. Akkumulator, Tastatur, Display, aber auch Antenne, stetig kleiner werden. Was die Antenne betrifft, möchte man Stäbe, auch wenn sie teleskopisch in das Gerätegehäuse versenkbar sind, aber auch Stummelantennen, die vom Gerätegehäuse vorstehen, vermeiden, d. h. die Antenne soll in das Gerät vollkommen integriert sein.

Am Startpunkt eines Entwicklungsprozesses für eine Mobilfunkantenne steht deshalb typi­ scherweise ein vordefiniertes Volumen an einer bestimmen Einbauposition im Gerät, und die Aufgabe des Antennenentwicklers besteht darin, eine Antenne in dieses vorgegebene Volu­ men zu integrieren und dieses Volumen möglichst gut zu nutzen. In der Regel werden λ/4- Antennenkonzepte verwendet, deren Basistyp die "Planar-Inverted-F-Antenne" ist, die in dem Aufsatz von T. Taga "Analysis of Planar Inverted-F Antennas and Antenna Design for Portable Radio Equipment", Hirasawa and Haneishi, Artech House, Boston/London, 1992, Seiten 161 bis 180, beschrieben ist.

Da der in Handfunktelefonen für die Unterbringung der Antenne üblicherweise verfügbare Raum kürzer als ein Viertel der Betriebswellenlänge ist, bereitet die Unterbringung des Antennenstrahlers Schwierigkeiten. Will man nicht aus dem Umriß des Gerätegehäuses vor­ stehende Elemente verwenden, wie oben diskutiert, greift man zu gefalteten Konstruktionen, wie sie beispielsweise in EP 0 997 974 A1, EP 0 929 115 A1, EP 0 929 121 A1 und der eingangs genannten EP 1 026 774 A2 beschrieben sind.

Das größte Problem dieser gefalteten planaren Antennen ist ihre geringe Bandbreite. Da die Bandbreite einer Antenne direkt vom Antennenvolumen abhängt und die Mobilfunkbänder typischerweise Bandbreiten von ca. 9% fordern, ist die Erzielung einer ausreichenden Band­ breite das Kernthema bei der Antennenentwicklung.

Unter "Antennenvolumen" wird das reaktive Nahfeld verstanden, das sich um die Antenne herum ausbildet. Je größer das Antennenvolumen ist, um so größer ist die Bandbreite. Die Form des Antennenvolumens wird durch die Bauart und Baugröße der Antenne und durch feldbegrenzende Elemente, z. B. die Schaltungsplatine im Funkgerät, geprägt. Bei planaren Antennen entspricht das Antennenvolumen näherungsweise dem Volumen zwischen der vom Antennenleiter eingenommenen Fläche und der ihm gegenüberliegenden Bezugsmas­ sefläche. Bei komplexeren Strukturen ist die Bestimmung dieses Antennenvolumens schwie­ riger.

Bei Handfunktelefonen befindet sich der für die Unterbringung der Antenne bestimmte Raum in der Regel auf der Rückseite der Schaltungsplatine. Ist als Aufgabenstellung die Integration einer Zweibandantenne mit ausreichender Bandbreite für zwei Mobilfunkstandards, bei­ spielsweise GSM bei 900 MHz und DCS bei 1.800 MHz, vorgegeben und sollen die Anten­ nenresonanzen in diesen Frequenzbändern unabhängig voneinander einstellbar sein und über einen gemeinsamen Eingang bandbreitenoptimal an 50 Ω angepaßt werden, dann kommt als Lösung beispielsweise eine Konstruktion nach der o. a. EP 0 997 974 A1 in Betracht. Bei der dort dargestellten Antennenstruktur handelt es sich um eine Kombination von zwei λ/4-Strahlern, wobei der Strahler für das untere Frequenzband den Strahler für das hohe Frequenzband quasi umschließt. Dadurch wird das im Gerät vorhandene Rechteckvo­ lumen komplett von der Antenne ausgefüllt. Nachteilig an dieser Struktur ist aber, daß die beiden Strahler einander unmittelbar benachbart sind, so daß es zu einer starken Wechsel­ wirkung zwischen ihnen kommt. Die Folge ist, daß im Betrieb des jeweils aktiven Strahlers bei der einen, d. h. seiner Frequenz der jeweils andere, passive Strahler als starke Kapazität wirkt, so daß die Bandbreite des aktiven Strahlers stark vermindert wird. Dem äußeren Strahler, der für das untere Frequenzband ausgelegt ist, wird Volumen "entzogen", er ist schmalbandiger als eine Einbandantenne gleichen geometrischen Volumens.

Eine andere Lösung für eine Zweibandantenne ist in der EP 0 973 230 A1 skizziert. Diese Lösung erlaubt eine unabhängige Einstellung zweier Resonanzfrequenzen, einer Viertelwellenresonanz im Patch und einer Halbwellenresonanz im Schlitz. Der Viertelwellen­ strahler hat das ganze Volumen des Rechtecks zur Verfügung und ist deshalb breitbandig. Die Schlitzresonanz hat allerdings ein sehr kleines Volumen, so daß sie für Mobilfunk nicht ausreichend breitbandig und daher untauglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs genannten Art anzu­ geben, die bei kleiner, in ein Handfunktelefon vollkommen integrierbarer Bauweise eine große Bandbreite aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das von der Erfindung angegebene Antennenkonzept besteht demnach aus einer offenen Schleife, die planar oder im wesentlichen planar und insbesondere ringförmig ist, wobei der Ring kreisförmig oder eckig ausgeführt sein kann, je nach den zur Verfügung stehenden räumlichen Verhältnissen, und die in einem Abstand zu einer elektrischen Bezugsmasseflä­ che angeordnet ist, der sehr klein im Verhältnis zur Betriebswellenlänge der Antenne ist. Je nach Bauform kann die Leiterschleife parallel zur Bezugsmassefläche verlaufen, doch kann der Abstand auch variieren. "Planar" im Sinne dieser Beschreibung bedeutet nicht absolut eben, sondern beinhaltet auch schwach gekrümmte Flächen, d. h. die Antennengestalt ist an gewölbte Gestalten von Gerätegehäusen, wie bei modernen Handfunktelefonen anzutreffen, anpassbar.

Wesentlich ist, daß der äußere Umriss der Leiterschleife sich mit dem äußeren Umriss der Bezugsmassefläche an wenigstens drei Seiten der Bezugsmassefläche deckt, weil sich hier­ durch am Rand der Antenne ein das elektrische Antennenvolumen vergrößerndes Streufeld ausbildet, was die Antenne breitbandig macht. An der vierten Seite kann die Bezugsmasse­ fläche ggf. über den Umriss des Antennenleiters hinausragen, wenn z. B. der Träger für die Bezugsmassefläche zugleich Platine für Schaltungselemente des mit der Antenne ausgerü­ steten Handfunktelefons ist. Die Leiterschleife ist an einer Stelle unterbrochen, so daß zwi­ schen der Unterbrechungsstelle und dem zwischen der Leiterschleife und der Bezugsmas­ sefläche ausgebildeten Hochfrequenzkurzschluß zwei Leiterabschnitte unterschiedlicher Längen entstehen, die für den Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen dimen­ sioniert sind.

Die Breite des Leiters der Leiterschleife ist kleiner als 1/30 der größten Betriebswellenlänge, so daß die Unterbringung der Leiterschleife in beengten Raumverhältnissen keine Schwierigkeiten aufwirft. Der Einfluß der Leiterbreite auf die Bandbreite der Antenne ist wegen der vorbeschriebenen Deckungsgleichheit von Antennenrand und Bezugsmassenflächenrand unwesentlich.

Auch die geometrische Breite des Hochfrequenzkurzschlusses zwischen der Leiterschleife und der Massefläche ist unkritisch. Der Kurzschluß kann von einem Leiterstift, einem Leiterstreifen oder dergleichen gebildet, d. h. galvanisch sein, er kann aber auch kapazitiv sein und beispielsweise von einem konzentrierten Bauelement gebildet sein, so lange er nur im Betriebsfrequenzbereich der Antenne Hochfrequenzströme ausreichend kurzschließt.

Das Dielektrikum der Antenne zwischen der Leiterschleife und der Massefläche ist vorzugs­ weise Luft oder ein Material mit geringer Dielektrizitätskonstante, um eine möglichst große Bandbreite zu erreichen.

Der Speisepunkt der Antenne liegt zweckmäßigerweise in dem längeren Leiterabschnitt, und sein Abstand von der Hochfrequenzkurzschlußstelle ist so gewählt, daß ein Eingangswider­ stand von 50 Ω erreicht wird. Eine etwa notwendige Anpassung der Eingangsimpedanz des anderen Leiterabschnittes für dessen Betriebsfrequenzbereich läßt sich beispielsweise durch eine Einschnürung nahe der Kurzschlußstelle erreichen.

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Antennenstruktur besteht darin, daß, obgleich die Strahlerfläche im wesentlichen nur am Rand eines den Antennenleiter tragenden Trägers verläuft, das vorgegebene Antennenvolumen sehr effizient genutzt wird. Dieses ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß beispielsweise der längere Leiterabschnitt zwar nur einen klei­ nen Teil der von der Leiterschleife umgrenzten Fläche bedeckt, dabei aber einen Großteil von dessen Randsegment überspannt und somit aktiv nutzt. Gleiches gilt für den kürzeren Leiterabschnitt, der zwar nur einen kleineren Teil der Fläche seines Trägers nutzt, im Ver­ hältnis der Wellenlängen aber den gleichen Platz wie der längere Leiterabschnitt zur Verfü­ gung hat. Man kann hieraus folgern, daß beide Leiterabschnitte wechselseitig ein Großteil des zur Verfügung stehenden Volumens nutzen, ohne sich gegenseitig zu stören.

Wenn der Rand dieses vordefinierten Volumens beispielsweise mit dem Rand einer Schal­ tungsplatine zusammenfällt, dehnt sich das reaktive Nahfeld der Antenne auch über den Rand dieses Volumens hinaus aus und es steigt, wie bereits erwähnt, die Bandbreite, ohne daß die Antenne mehr Platz beansprucht.

Die Erfindung wird an einem in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Leiterschleife einer erfindungsgemäßen Antenne,

Fig. 1b eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Antenne mit der Lei­ terschleife von Fig. 1a, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Leiterschleife einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Man erkennt in Fig. 1a eine als offener Ring gestaltete Leiterschleife, die zwei von einem Kurzschluß 3 ausgehende Leiterabschnitte 1 und 2 unterschiedlicher Länge aufweist, die im Bereich des Kurzschlusses 3 durchgehend miteinander verbunden sind und sich an ihren freien Enden unter Ausbildung eines Spaltes S einander gegenüberstehen. Zwischen dem Kurzschluß 3, an dem der Antennenleiter 1, 2 hochfrequenzmäßig mit einer in Fig. 1a nicht dargestellten Massefläche verbunden ist, und dem Spalt S weisen die Leiterabschnitte 1 und 2 Längen auf, die jeweils ein Viertel der Betriebswellenlängen λ₁ bzw. λ₂ betragen.

Nahe der Kurzschlußstelle 3 weist der Leiterabschnitt 2 größerer Länge einen Speisean­ schluß 4 auf, dessen Lage in Bezug auf Kurzschlußstelle 3 und Länge des Leiterabschnitts 2 so bemessen ist, daß sich bei der Betriebswellenlänge λ₂, für die der Leiterabschnitt 2 bestimmt ist, ein vorbestimmter Eingangswiderstand ergibt, beispielsweise 50 Ω.

Der kürzere Leiterabschnitt 1 hat nahe der Kurzschlußstelle 3 eine Einschnürung 5 der Länge L, mit deren Hilfe der Eingangswiderstand des kürzeren Leiterabschnitts 1 beeinflußt werden kann, um in dessen Betriebsfrequenzbereich denselben Eingangswiderstand zu erreichen, wie jener beim anderen Leiterabschnitt.

Der Kurzschluß 3 ist, wie Fig. 1b zeigt, als Leiterstreifen ausgeführt, der die Leiterabschnitte 1 und 2 mit einer elektrisch leitenden Massefläche 6 galvanisch verbindet. Der hochfre­ quenzmäßig wirksame Kurzschluß kann aber auch von einer Kapazität ausreichender Größe, beispielsweise einem Kondensator, gebildet werden.

Der Speisepunkt oder Speiseanschluß 4 ist im dargestellten Beispiel ein galvanischer Anschluß, doch kann dieser gegebenenfalls kapazitiv sein.

Der Abstand h der Leiterschleife 1, 2 von der Massefläche 6 beträgt vorzugsweise weniger als 1/16 der größten Betriebswellenlänge λ₂ der Antenne. Die Breite der Leiter 1, 2 ist kleiner als 1/30 der größten Betriebswellenlänge λ₂.

Wie Fig. 1b zeigt, hat der die Massefläche 6 bildende Träger einen Umriss, der sich nicht über den der Leiterschleife 1, 2 hinaus erstreckt. Auf diese Weise ergibt sich an den Rändern der in Fig. 1b gezeigten Anordnung ein erhebliches Streufeld, das in der rechten Seite von Fig. 1b mit F eingezeichnet ist und für die Vergrößerung der Bandbreite maßgeblich ist.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine zweite Ausführungsform einer Leiterschleife für eine erfin­ dungsgemäße Antenne. Diese hat im Umriss rechteckige Gestalt und besteht aus einem kurzen Leiterabschnitt 1 und einem langen Leiterabschnitt 2, die miteinander verbunden sind und eine Schleife bilden, die an einem Spalt S offen ist. Die Leiterschleife weist einen Hoch­ frequenzkurzschluß 3 zu einer nicht gezeigten Massefläche auf, die man sich als unter der Leiterschleife liegend vorzustellen hat, so wie einen Speiseanschluß 4, der nahe dem Kurz­ schluß 3 im längeren Leiterabschnitt 2 liegt.

Wie man aus Fig. 2 entnehmen kann, ist der freie Endabschnitt 7 des langen Leiterabschnitts 2 nach innen in den von der Leiterschleife umgrenzten Raum abgewinkelt, weil im vorliegen­ den Fall die Summe der erforderlichen Längen der beiden Leiterabschnitte 1 und 2 größer als die Länge des Umfangs eines vorgegebenen Raums ist, in dem die Antenne unterge­ bracht werden muß. Die Abwinkelung des Endabschnitts 7 des Leiterabschnitts 2 hat keine wesentlichen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften dieser Antenne und ist daher unschädlich.

Claims (17)

1. Planare Antenne für den Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Massefläche (6) und einer sich im Abstand über der Mas­ sefläche (6) erstreckenden, offenen Leiterschleife (1, 2), die an wenigstens einer Stelle (3), die fern ihrer offenen Stelle (S) liegt, mit der Massefläche (6) hochfrequenzmäßig kurzgeschlossen ist und nahe dieser Kurzschlußstelle (3) einen Speiseanschluß (4) aufweist, wobei der Abstand (h) zwischen der Massefläche (6) und der Leiterschleife (1, 2) sehr viel kleiner als die größte Betriebswellenlänge (λ₂) der Antenne ist und die zwischen der offenen Stelle (S) und der Kurzschlußstelle (3) liegenden Abschnitte (1, 2) der Leiterschleife voneinander verschiedene Längen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Leiters der Leiterschleife (1, 2) kleiner als 1/30 der größten Betriebswellenlänge (λ₂) der Antenne ist und die äußeren Umrandungen der Massefläche (6) und der Leiterschleife (1, 2) an wenigstens drei Seiten der Massefläche (6) einander deckungsgleich sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der beiden Leiter­ abschnitte (1, 2) sich etwa wie 1 : 2 verhalten.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der beiden Leiterabschnitte (1, 2) sich etwa wie 1 : 3 verhalten.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife kreisringförmig ausgebildet ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife rechteckig ausgebildet ist.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Leitungsabschnitt (2) an seinem freien Ende in den von der Schleife (1, 2) um­ schlossenen Raum hinein abgewinkelt ist.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (h) zwischen der Leiterschleife (1, 2) und der Massefläche (6) kleiner als ein Sech­ zehntel der größten Betriebswellenlänge (λ₂) der Antenne ist.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterabschnitt (1), der nicht mit dem Speiseanschluß (4) versehen ist, nahe der Kurzschluß­ stelle (3) eine vom Leiterrand ausgehende Aussparung (5) zur Widerstandsanpassung auf­ weist.

9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiseanschluß (4) an dem längeren Leitungsabschnitt (2) ausgebildet ist.

10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umrandung der Massefläche (6) an wenigstens drei Seiten nicht über die äußere Umrandung der Leiterschleife (1, 2) vorsteht.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Massefläche (6) und die Leiterschleife (1, 2) einander parallel sind.

12. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzkurzschluß (3) von einem galvanischen Leiter gebildet ist.

13. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoch­ frequenzkurzschluß (3) von einer Kapazität gebildet ist.

14. Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität von einem Kon­ densator gebildet ist.

15. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiseanschluß (4) ein kapazitiver Anschluß ist.

16. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Speise­ anschluß (4) ein galvanischer Anschluß ist.

17. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum zwischen der Massefläche (6) und der Leiterschleife (1, 2) Luft ist.