DE10055123A1 - Inverted-F-Antenne - Google Patents

Inverted-F-Antenne

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Abstract

Die erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne (A) weist eine Metallschicht (MASSE, MS), die derart partiell auf einer Trägerschicht (FR4) aufgetragen ist, dass zumindest ein Antennenarm (AA), ein äußerer Querbalken (AS) sowie ein innerer Querbalken (SS) der Inverted-F-Antenne (A) durch einen metallfreien Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) gebildet wird, der die Metallschicht (MASSE, MS) in eine Massefläche (MASSE) und eine Anschlussfläche (MS) trennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Inverted-F-Antenne.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispiels­ weise Sprache, Bildinformation oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen übertragen. Das Abstrahlen bzw. der Empfang der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch Antennen, wobei die Trägerfrequenzen, in dem für das jeweili­ ge System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Bei Funk-Kommunikationssystemen, die gemäß dem DECT-Standard funktionieren, werden für die zugehörigen Funksende- /Funkempfangsgeräte häufig steckbare Drahtantennen verwendet, die während der Endmontage, also nach dem Prüfen, eingesetzt werden.
Nachteilig bei ansteckbaren Drahtantennen ist, dass sie im Be­ reich der Steckverbindung einen relativ großen Volumenbedarf haben. Dieses Volumen steht jedoch beispielsweise bei Kurz­ strecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräten, die gemäß dem Blue­ tooth-Standard funktionieren, nicht zur Verfügung, da diese Kurzstrecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräte im Allgemeinen als Module für die Integration in bereits bekannte Endgeräte der Daten- bzw. Telekommunikation gedacht sind, und diese In­ tegration - insbesondere aus Designgründen - ohne merkliche Volumenänderung der Endgeräte vonstatten gehen soll.
Wegen ihres - im Vergleich zu Drahtantennen - geringen Volu­ menbedarfs wird daher auch auf Inverted-F-Antennen für den Einsatz in Kurzstrecken-Funksende-/-Funkempfangsgeräten gemäß Bluetooth, aber auch für Funksende-/Funkempfangsgeräte gemäß GSM- oder DECT-Standard, zurückgegriffen.
In der Regel werden diese Inverted-F-Antennen als Stanzbiege­ teile aus einem Blech geformt und beispielsweise druckkontak­ tiert auf einer Leiterplatine fixiert oder als planare aus metallischen Streifenleitern gestaltete Struktur auf der Lei­ terplatine (eine sogenannte "PIFA" = Planar Inverted-F- Antenna) aufgetragen.
Insbesondere beim Anbringen der Antenne durch Druckkontaktie­ rung besteht aber dennoch ein erhöhter Volumenbedarf, der sich neben dem großen Volumen der Blechantenne auch durch die für das Fixieren der Blechantenne erforderlichen Fangrippen ergibt.
Zudem unterliegen die Kontaktflächen einer Korrosion, der le­ diglich durch ein kostenintensives Vergolden der Kontakte be­ gegnet werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es eine gegen­ über dem Stand der Technik verbesserte Antenne anzugeben.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne weist eine Metall­ schicht die derart partiell auf einer Trägerschicht aufgetra­ gen ist, dass zumindest ein Antennenarm, ein äußerer Querbal­ ken sowie ein innerer Querbalken der Inverted-F-Antenne durch einen metallfreien Teil der Trägerschicht gebildet wird, der die Metallschicht in eine Massefläche und eine Anschlussflä­ che trennt.
Durch die erfindungsgemäße Antenne wird ein geringerer Volu­ menbedarf erzielt, da die relative Dielektrizität εr einer nicht metallischen Schicht, insbesondere die relative Die­ lektrizität der für Flachbaugruppen Verwendung findenden Trä­ gersubstrate im Vergleich zu Metall einen größeren Verkürzung bzw. kleineren Verkürzungsfaktor, der proportional zu 1/(εr. µr)0.5 ist, bewirken, da ihre relative Permeabilität µr nahe­ zu den Wert eins aufweist, so dass elektrische Feldlinien fast vollständig im Trägersubstrat verlaufen. Zudem lässt sich mit der Antenne eine sehr große Bandbreite der nutzbaren Frequenzen erzielen. Eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber sich im Nahfeld der Antenne befindender Metallteile wird e­ benso gewährleistet.
Weitere Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren dargestellt. Davon zeigen:
Fig. 1 Eine erfindungsgemäße ausgestaltete Inverted- F-Antenne
Fig. 2 Gemessener Verlauf des Eingangsreflexionsfak­ tors bei Einsatz der erfindungsgemäßen Antenne im Bluetooth-Frequenzband (2400-2480 MHz)
In Fig. 1 ist eine zur planaren aus metallischen Streifen­ leitern gestalteten Inverted-F-Antenne erfindungsgemäß als zur Inverted-F-Antenne duale bzw. komplementäre Antenne A dargestellt.
Dual bedeutet hierbei, dass die für die Inverted-F-Antenne charakteristische F-Form nicht durch metallische Streifenlei­ ter realisiert ist, sondern durch ein für Flachbaugruppen verwendetes Trägersubstrat (z. B. FR4) bzw. Dielektrikum, wo­ bei sich die Konturen der F-Form durch eine das Trägersub­ strat begrenzende Metallschicht MASSE ergeben.
Handelt es sich bei dem verwendeten Trägersubstrat um Ferrit, kann eine von der Antenne A benötigte Fläche, d. h. die Fläche der Metallisierung MASSE; MS, bzw. die Antennen(arm)länge, nochmals reduziert werden, da Ferrit eine relative Permeabilität µr größer als eins aufweist und somit den Verkürzungs­ faktor abermals verbessert.
Im Gegensatz zur üblichen Inverted-F-Antenne sind bei der du­ alen Antenne A die Rollen von Metallschicht und Substrat (Dielektrikum) vertauscht. Die erfindungsgemäße Antenne A er­ scheint daher komplementär zur üblichen Inverted-F-Antenne, da keine metallischen Streifenleiter die F-Form bilden, son­ dern Schlitze AA, AS und SS, die und zwischen einer Metall­ schicht MASSE und einem metallischen Abschnitt MS verlaufen bzw. durch diese begrenzt sind.
Ein erster in Fig. 1 dargestellter als Schlitz realisierter Querbalken (Speiseschlitz) SS der F-Form wird zur Speisung der Antenne A verwendet, d. h. hierüber laufen die zu senden­ den bzw. die empfangenen Hochfrequenzsignale.
Zur Speisung ist an den Speiseschlitz SS beispielsweise eine Koplanarleitung KL angeschlossen, die beispielsweise über ei­ ne 50 Ω Leitung mit einem Sende-/Empfangsteil (Transceiver) verbunden ist.
Der Anschluss erfolgt, in dem ein Innenleiter (Leiterbahn) der Koplanarleitung KL mit dem Abschnitt MS verbunden wird, während ein Außenleiter (Leiterbahn) der Koplanarleitung KL mit der Massemetallisierung MASSE verbunden wird.
Alternativ kann für den Anschluss auch eine gemäß "Triplate" Technologie oder "Micro Strip" ausgestaltete Leitung Verwen­ dung finden.
Ein zweiter dargestellter als Schlitz realisierter Querbalken (Anpassungsschlitz) AS der F-Form kann auf vorteilhafte Weise zu einer evtl. notwendigen Anpassung, beispielsweise an die 50 Ω Leitung, verwendet werden, wobei dazu lediglich die Breite des (Anpassungs-)Schlitzes AS variiert werden muss.
Die Resonanzfrequenz der Antenne A wird in erster Linie durch die Länge des in der Figur dargestellten Antennenarms AA be­ stimmt, wobei der Antennenarm AA bei der gezeigten Inverted- F-Antenne A dem Längsbalken der F-Form entspricht und eben­ falls als Schlitz ausgestaltet ist.
Die äußeren Maße der erfindungsgemäß ausgestalteten Antenne A können im Vergleich zu einer planaren metallischen Inverted- F-Antenne deutlich kleiner gewählt werden.
Zum Einen ist das durch eine bessere Ausnutzung des Verkür­ zungsfaktors des Trägersubstrats bei der Antenne A begründet, die sich dadurch bemerkbar macht, dass die elektrischen Feld­ linien bei der erfindungsgemäßen Antenne A im Vergleich zu Metall nahezu vollständig im Dielektrikum (Trägersubstrat) verlaufen.
Zum Anderen ist dies auch dadurch begründet, dass die F-Form platzsparend innerhalb einer ohnehin für die Massemetallisie­ rung MASSE notwendigen Fläche untergebracht ist. Die für eine planare metallische Inverted-F-Antenne notwendige Fläche wird daher eingespart.
Die erfindungsgemäße Antenne A ist nicht beschränkt auf In­ verted-F-Antennen, da sich die Vertauschung der Rolle von Me­ tall- und Trägerschicht auch auf andere zur Realisierung ei­ ner Antennenfunktion bekannte metallischen Strukturen anwen­ den lässt, wobei die Realisierung der Anpassung bzw. Speisung analog zur Struktur zu der in Fig. 1 dargestellten unter­ scheiden kann und durch Messung und Simulation ermittelt bzw. optimiert werden kann.
In Fig. 2 ist als Messergebnis ein Eingangsreflexionsfaktor S11 einer nach Fig. 1 ausgestalteten Antenne A mit folgender Dimensionierung
l
16 mm
h 6 mm
d 1 mm
L 50 mm
H 17 mm
dargestellt, wobei
l: Länge des Antennenarms AA
h: Länge Anpassschlitz AS und Speiseschlitzlänge SP
d: Breite Antennenarm AA und Speiseschlitz SS
L: Gesamtlänge der benötigten (Layout-)Fläche
H: Gesamthöhe der benötigten (Layout-)Fläche
definiert sind.
Für die Durchführung der Messung ist die Antenne A am Speise­ schlitz SS mit einem "Semi-Rigid"-Koaxialkabel verknüpft und an einen Netzwerkanalysator angeschlossen.
Die Verknüpfung des Koaxialkabels mit der erfindungsgemäßen Antenne A wird derart realisiert, dass der Innenleiter des Koaxialkabels mit dem Abschnitt MS, der zwischen dem Speise­ schlitz SS und dem Anpassschlitz AS verläuft, und der äußere Kabelmantel mit der Massemetallisierung MASSE durch Löten verbunden sind.
Die Messung des Eingangsreflexionsfaktors S11 erfolgt bei Frequenzen in einem Bereich zwischen 2400-2480 MHz. Dieser Frequenzbereich entspricht dem Bluetooth-Frequenzband für das die Messung optimiert wurde.
Anhand der Werte des Eingangsreflexionsfaktors S11 bei den dargestellten Markern 1, 2 und 3 lässt sich entnehmen, dass für das gewählte Frequenzband eine sehr gute Anpassung er­ zielt wird.
An dem in der Fig. 2 dargestellten Verlauf des Eingangsre­ flexionsfaktors S11 lässt sich auch erkennen, dass die Antenne A für eine extrem hohe Bandbreite geeignet ist, da bei­ spielsweise die "-10 dB-Bandbreite", die in der Fachwelt als Richtwert angesetzt wird, bei knapp 700 MHz liegt.
Bei herkömmlichen metallischen Inverted-F-Antennen liegen die erzielbaren Bandbreiten dagegen bei wenigen 100 MHz.
Daher ist die erfindungsgemäße Antenne A auch für Telekommu­ nikationsgeräte geeignet, die in einem Telekommunikationssys­ tem mit hoher Bandbreite bzw. in unterschiedlichen Frequenz­ bändern verschiedener Telekommunikationssysteme eingesetzt werden, beispielsweise Multi-Band-Geräten, die sowohl nach dem UMTS-Standard in einem Frequenzband um 2 GHz als auch nach dem Bluetooth-Standard in einem Band um 2,4 GHz funktionieren, so dass die Antenne eine Frequenzbandbreite von mindestens 400 MHz abdecken muss.
Neben der hohen Bandbreite bestätigt sich der Vorteil des ge­ ringen Volumenbedarfs, da für die Messung eine erfindungsge­ mäße Anntenne A mit einer Länge von nur 16 mm verwendet wurde, wobei ein FR4-Trägersubstrat Verwendung fand.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne A ist eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber sich in der Nähe der An­ tenne befindender Metallteile, wie beispielsweise Schirmtöpfe oder dergleichen.

Claims (12)

1. Inverted-F-Antenne (A), dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Trägerschicht (FR4) eine Metallschicht (MASSE, MS) derart partiell aufgetragen ist, dass zumindest ein An­ tennenarm (AA), ein äußerer Querbalken (AS) sowie ein in­ nerer Querbalken (SS) der Inverted-F-Antenne (A) durch einen metallfreien Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) gebildet wird, der die Metallschicht (MASSE, MS) in eine Massefläche (MASSE) und eine Anschlussfläche (MS) trennt.
2. Inverted-F-Antenne (A), dadurch gekennzeichnet, dass die Massefläche (MASSE) und die Anschlussfläche (MS) derart aufgetragen sind, dass sie die Konturen des metallfreien Teils (AA, AS, SS) der Inverted-F-Antenne bilden.
3. Inverted-F-Antenne (A), dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfläche (MS) zwischen dem inneren Querbalken (SS) und äußeren Querbalken (AS) zu liegen kommt.
4. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der metallfreie Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) als Dielektri­ kum ausgestaltet ist.
5. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Dielektrikum als Ferrit ausgestaltet ist.
6. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der metallfreie Teil (AA, AS, SS) der Trägerschicht (FR4) eine relative Permeabilität größer eins aufweist.
7. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverted-F- Antenne (A) plan ausgestaltet ist.
8. Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines äußeren Querbalkens (AS) der Inverted-F-Antenne (A) der­ art ausgestaltet ist, dass eine Impedanzanpassung der In­ verted-F-Antenne (A) an eine an der Inverted-F-Antenne (A) angeschlossenen Leitung realisiert ist.
9. Inverted-F-Antenne (A) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden-/Empfangen von Hochfrequenzsignalen eine Leitung (KL) derart an die In­ verted-F-Antenne angeschlossen wird, dass
  • a) ein signalführender Anschluss der Leitung (KL) mit ei­ nem metallischen Abschnitt (MS) der Metallschicht (MASSE, ML) elektrisch leitend verbunden ist,
  • b) ein Masseanschluss der Leitung (KL) mit einer Masseme­ tallisierung (MASSE) der Metallschicht (MASSE, MS) e­ lektrisch leitend verbunden ist.
10. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leitung (KL) als Triplate-Leitung (KL) ausgestaltet ist.
11. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leitung (KL) als "Micro-Strip"-Leitung (KL) ausgestaltet ist.
12. Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leitung (KL) als Koplanarleitung (KL) ausgestaltet ist.
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