DE10113349A1 - Antenne mit Substrat und Leiterbahnstruktur - Google Patents

Abstract

Es wird eine Antenne (1) mit einem dielektrischen oder permeablen Substrat (10) und mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur (20) beschrieben, die insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich vorgesehen ist und sich dadurch auszeichnet, dass das Substrat (10) mindestens eine Aushöhlung (30) aufweist. Die Aushöhlung ist vorzugsweise in eine Stirnfläche des Substrates eingebracht, so dass dieses im Wesentlichen die Form eines U-Profils erhält. Durch diese Aushöhlung wird nicht nur der Strahlungswirkungsgrad erhöht, sondern auch das Gesamtgewicht der Antenne erheblich reduziert. Weitere Vorteile der Antenne bestehen darin, dass sie neben einem hohen Grad an Miniaturisierung die Möglichkeit der Oberflächenmontage (SMD) auf zum Beispiel einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) bietet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne mit einem dielektrischen (oder permeablen) Substrat und mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, zum Beispiel für mobile Dual- oder Multiband- Telekommunikationsgeräte (Mobil- und Schnurlostelefone), sowie für Geräte, die nach dem Bluetooth-Standard kommunizieren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsplatine sowie ein Telekommunikationsgerät mit einer solchen Antenne.

Um dem Trend nach immer kleiner werdenden elektronischen Bauteilen insbesondere im Bereich der Telekommunikationstechnik gerecht zu werden, verstärken alle Hersteller von passiven und/oder aktiven elektronischen Bauelementen ihre Aktivitäten auf diesem Gebiet. Speziell für den Einsatz elektronischer Bauelemente im Bereich der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik entstehen dabei besondere Probleme, da zahlreiche Eigenschaften der Bauelemente von ihren physikalischen Abmessungen abhängig sind und mit zuneh­ mender Frequenz die Wellenlänge des Signals kürzer wird, was wiederum zu einer Beeinflussung der speisenden Signalquelle insbesondere durch Reflektionen führt.

Dies betrifft in besonderem Maße die Struktur der Antenne eines solchen elektronischen Gerätes, wie zum Beispiel eines Mobiltelefons, die stärker als alle anderen HF-Bauelemente von dem gewünschten Frequenzbereich der Anwendung abhängig ist. Dies beruht darauf, dass die Antenne ein resonantes Bauteil ist, das an die jeweilige Anwendung bzw. den Betriebs-Frequenzbereich angepasst werden muss. Im allgemeinen werden zur Übertragung der gewünschten Informationen Drahtantennen verwendet. Um mit diesen Antennen gute Abstrahl- und Empfangseigenschaften zu erzielen, sind bestimmte physikalische Längen zwingend erforderlich.

Optimale Abstrahlbedingungen haben sogenannte λ/2 Dipolantennen, deren Länge der halben Wellenlänge (λ) des Signals im freien Raum entspricht. Diese Antennen setzen sich aus jeweils zwei λ/4 langen Drähten zusammen, die um 180 Grad gegeneinander verdreht sind. Da diese Dipolantennen für viele Anwendungen insbesondere für die mobile Tele­ kommunikation jedoch zu groß sind (im GSM900 Band beträgt die Wellenlänge etwa 32 cm), wird auf alternative Antennenstrukturen zurückgegriffen. Eine weit verbreitete Antenne insbesondere für den Bereich der mobilen Telekommunikation ist der sogenannte λ/4 Monopol. Dieser besteht aus einem Draht mit einer Länge von einem Viertel der Wellenlänge. Das Abstrahlverhalten dieser Antenne ist bei gleichzeitig vertretbarer physi­ kalischer Länge (etwa 8 cm für das GSM-Band) akzeptabel. Weiterhin zeichnet sich diese Art von Antennen durch eine hohe Impedanz- und Strahlungsbandbreite aus, so dass sie auch bei Systemen Anwendung finden, die eine relativ hohe Bandbreite erfordern. Um eine optimale Leistungsanpassung an 50 Ohm zu erzielen, wird bei dieser Art von An­ tennen wie auch bei den meisten λ/2 Dipolen eine passive elektrische Anpassung gewählt. Diese besteht in der Regel aus einer Kombination von mindestens einer Spule und einer Kapazität, die bei geeigneter Dimensionierung die von 50 Ohm verschiedene Eingangsim­ pedanz des λ/4 Monopols an die vorgeschalteten 50 Ohm Komponenten anpasst.

Auch wenn diese Art von Antennen weit verbreitet ist, haben sie doch erhebliche Nach­ teile. Diese bestehen einerseits in der oben erwähnten passiven Anpassungsschaltung.

Andererseits sind zum Beispiel Mobilfunktelefone meistens mit einer ausziehbaren Draht­ antenne ausgestattet. Diese λ/4 Monopole können nicht direkt auf eine Schaltungsplatine aufgelötet werden. Dies hat zur Folge, dass für die Signalübertragung zwischen der Schaltungsplatine und der Antenne teure Kontakte erforderlich sind.

Ein weiterer Nachteil dieser Art von Antennen ist die mechanische Instabilität der Antenne selbst sowie die durch diese Instabilität erforderliche Anpassung des Gehäuses an die An­ tenne. Fällt ein Mobiltelefon zum Beispiel auf dem Boden, so bricht im allgemeinen die Antenne ab, oder das Gehäuse wird an der Stelle beschädigt, an der die Antenne herausge­ zogen werden kann.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden Antennen entwickelt, bei denen eine oder mehrere resonante metallische Strukturen auf ein dielektrisches Substrat mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r < 1 aufgebracht sind. Da die Wellenlänge im Dielektrikum im Vergleich zum Vakuum um einen Faktor 1/√ε_r kleiner ist, können entsprechend kleinere Antennen hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Antennen besteht darin, dass sie durch Oberflächenmontage (SMD-Technik), das heißt durch flaches Auflöten und Kontaktieren mit den Leiterbahnen - ggf. zusammen mit anderen Bauteilen - direkt auf eine Schaltungsplatine (PCB - printed circuit board) aufgebracht werden können, ohne dass zusätzliche Halterungen (Stifte) zum Zuführen der elektromagnetischen Leistung erforderlich sind.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Antenne mit einem dielektrischen (oder permeablen) Substrat und mindestens einer resonanten Leiterbahn­ struktur zu schaffen, die im Hinblick auf ihre Abstrahleigenschaften weiter verbessert ist.

Außerdem soll eine solche Antenne geschaffen werden, die ein möglichst geringes Gewicht aufweist und insbesondere durch Oberflächenmontage (SMD-Technik), das heißt durch flaches Auflöten und Kontaktieren mit den Leiterbahnen - ggf zusammen mit anderen Bauteilen - auf eine Schaltungsplatine aufgebracht werden kann, ohne dass zusätzliche Halterungen (Stifte) zum Zuführen der elektromagnetischen Leistung erforderlich sind.

Insbesondere sollen diese Antennen so konfiguriert sein, dass sie zur Anwendung im Hoch­ frequenz- und Mikrowellenbereich geeignet sind, eine möglichst große und/oder ab­ stimmbare Bandbreite aufweisen und in hohem Maße miniaturisierbar und mechanisch besonders stabil sind.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer durch ein dielektrisches (oder permeables) Substrat und mindestens eine resonante Leiterbahnstruktur gebildeten Antenne, die sich dadurch auszeichnet, dass das Substrat mindestens eine Aushöhlung aufweist.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit einer solchen Aushöhlung der Strahlungs­ wirkungsgrad und damit die Abstrahleigenschaft der Antenne wesentlich erhöht bzw. verbessert werden kann. In Abhängigkeit von der Form, Größe und Anzahl der Aus­ höhlungen kann dieser Wirkungsgrad um etwa 15 Prozent oder mehr gesteigert werden. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass gleichzeitig das Gewicht der Antenne wesentlich geringer wird.

Diese Lösung ist besonders vorteilhaft auf miniaturisierte Mikrowellenantennen für Single- Band-Anwendungen (zum Beispiel 6SM900-Band), wie sie in der DE 10 04 9844.2 beschrieben sind, sowie Dual- und Triple-Band-Antennen für die Frequenzbereiche des GSM900- und des DCS 1800-Standards sowie für Bluetooth-Systeme anwendbar, wie sie in der DE 100 49 845.0 offenbart sind. Die Inhalte dieser Druckschriften sollen deshalb durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der EP 0 923 153 und der US 5.952.972 Antennen mit U-förmigen dielektrischen Substraten bekannt sind. Hierbei handelt es sich jedoch um Substrate, die im Hinblick auf eine Erhöhung der Impedanzbandbreite gestaltet sind, ohne dass Maßnahmen zur Erhöhung der Effzienz (Wirkungsgrad) der abgestrahlten elektro­ magnetischen Wellen getroffen werden. Darüber hinaus betreffen beide Druckschriften Antennen mit Masseelektroden, wobei im Fall der US 5.952.972 ausschließlich dielek­ trische Resonatorantennen (DRA) beschrieben werden. Bei diesen Antennen werden die Betriebsmode durch die Volumenresonanz bestimmt, während bei den erfindungsgemäßen Antennen (PWA - printed wire antenna) ohne Masseelektrode die Betriebsmode durch die Resonanzen der Leiterbahnstruktur auf dem Substrat definiert werden. Die Funktionsprin­ zipien unterscheiden sich somit grundsätzlich voneinander.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Ausführung gemäß Anspruch 2 betrifft insbesondere Substrate aus schaumähnlichen Materialien, in die nicht unbedingt gesonderte Aushöhlungen eingebracht werden müssen.

Im Gegensatz dazu sind die Ausführungen gemäß den Ansprüchen 3 bis 5 in erster Linie dann anzuwenden, wenn massive Substrate eingesetzt werden, in die die Aushöhlungen durch entsprechende Vertiefungen eingebracht werden.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen Antennen, die insbesondere zur Anwendung im Hoch­ frequenz- und Mikrowellenbereich anwendbar sind, wobei die Ausführung gemäß Anspruch 6 eine besonders große Impedanz- und Strahlungsbandbreite aufweist und die Ausführung gemäß Anspruch 7 abstimmbar ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne;

Fig. 2 eine Schaltungsplatine mit einer solchen Antenne; und

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Strahlungswirkungsgrades verschiedener Ausführungsformen der Antenne.

Die beschriebenen Antennen sind von ihrem Grundtyp sogenannte "Printed Wire Anten­ nen" (PWAs), bei denen eine resonante Leiterbahnstruktur auf ein Substrat aufgebracht ist. Prinzipiell handelt es sich bei diesen Antennen somit um Drahtantennen, die im Gegensatz zu Mikrostreifenleitungs-Antennen keine ein Bezugspotential bildende metallische Fläche auf der Rückseite des Substrates aufweisen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen weisen ein Substrat aus einem im wesentlichen jeweils quaderförmigen Block auf, dessen Höhe D etwa um einen Faktor 2 bis 10 kleiner ist, als dessen Länge A oder Breite C. Davon ausgehend sollen in der folgen­ den Beschreibung die in den Darstellungen der Figuren jeweils untere bzw. obere Fläche des Substrates 10 als untere (erste) bzw. obere (zweite) Stirnfläche 11, 12 und die dem­ gegenüber senkrechten Flächen als erste bis vierte Seitenfläche 13 bis 16 bezeichnet werden.

Alternativ dazu ist es auch möglich, anstelle eines quaderförmigen Substrates andere geo­ metrische Formen wie zum Beispiel eine Zylinderform zu wählen, auf die eine ent­ sprechende resonanten Leiterbahnstruktur mit zum Beispiel spiralförmigem Verlauf aufgebracht ist.

Die Substrate können durch Einbetten eines keramischen Pulvers in eine Polymermatrix hergestellt werden und haben eine Dielektrizitätszahl von ε_r < 1 und/oder eine Permeabi­ litätszahl von µ_r < 1.

Im einzelnen umfasst die Antenne 1 gemäß Fig. 1 und 2 ein quaderförmiges dielektri­ sches Substrat 10, auf dessen Oberfläche sich eine resonante Leiterbahnstruktur befindet. Die Leiterbahnstruktur ist, wie es in den beiden oben genannten und in Bezug genom­ menen Druckschriften DE 100 49 844.2 und DE 100 49 845.0 beschrieben ist, durch eine oder mehrere Metallisierungen gebildet, die auf das Substrat 10 aufgebracht sind. Diese Metallisierungen können sich sowohl auf der oberen Stirnfläche 12, als auch auf einer oder mehreren der Seitenflächen 13-16 befinden.

Die Leiterbahnstruktur hat eine wirksame Länge 1 von λ/2√ε_r, wobei λ die Wellenlänge des Signals im freien Raum ist. Die Leiterbahnstruktur wird so bemessen, dass ihre Länge etwa der Hälfte der Wellenlänge entspricht, auf der die Antenne elektromagnetische Leistung abstrahlen soll. Zum Beispiel ergibt sich für die Anwendung der Antenne im Bluetooth-Standard, der in einem Frequenzbereich zwischen 2400 und 2483,5 MHz arbeitet, eine Wellenlänge von etwa 12,1 cm im freien Raum. Bei einer Dielektrizitäts­ konstante ε_r des Substrates von 20 verkürzt sich die halbe Wellenlänge und damit die erforderliche geometrische Länge der Leiterbahnstruktur auf etwa 13,5 mm.

In der unteren Stirnfläche 11 des Substrates 10 befindet sich eine Aushöhlung in Form einer Vertiefung, die als Kanal 30 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt entlang der gesamten Länge des Substrates verläuft. Die Breite B des Kanals erstreckt sich über die untere Stirnfläche 11, während seine Höhe H gleichzeitig die Tiefe ist, mit der der Kanal 30 in das Substrat 10 eingebracht ist. Auf diese Weise ist das Substrat im wesentlichen U- förmig.

Fig. 2 zeigt eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) 40, auf die eine erfindungsgemäße Antenne 1 montiert ist. Zu diesem Zweck befinden sich an der unteren Stirnfläche 11 des Substrates 10 Lötpunkte ("Footprints"), mit denen das Substrat 10 durch Oberflächenmontage (SMD) auf die Schaltungsplatine 40 aufgelötet wird. Die Leiterbahnstruktur ist eine Oberflächenmetallisierung, die durch eine erste flächenartige Metallisierungsstruktur 21 auf der zweiten Stirnfläche 12 sowie eine entlang der Seitenflächen 13 bis 16 des Sub­ strates 10 verlaufende Leiterbahn 22 gebildet ist. Die Leiterbahn 22 beginnt an einer Zuführung 45 und endet an der zweiten Seitenfläche 13, wo sie mit der ersten Metalli­ sierungsstruktur 21 verbunden ist. Die Zuführung 45 befindet sich auf der Schaltungs­ platine 40 und speist die Antenne 1 mit abzustrahlender elektromagnetischer Energie. Antennen mit Leiterbahnstrukturen dieser Art sind in der DE 100 49 844.2 beschrieben.

Bei einer praktischen Realisierung dieser Antenne wurde ein gemäß Fig. 1 quaderför­ miges Substrat 10 verwendet, das eine Länge A von 4 mm, eine Breite C von 3 mm und eine Höhe D von 2 mm aufwies.

Die Strahlungswirkungsgrade von sechs Ausführungen 1 bis 6 dieser Antenne mit jeweils verschiedenen Abmessungen des Kanals 30 wurden im Vergleich zu einer Ausführung 0 mit einem Substrat ohne Aushöhlung gemessen und in Fig. 3 graphisch dargestellt. Der Kanal 30 erstreckte sich jeweils über die gesamte Länge des Substrates 10, und die Leiter­ bahnstrukturen 20 waren bei allen Ausführungen identisch.

Auf der horizontalen Achse der Fig. 3 sind die einzelnen Ausführungen mit fortlaufenden Ziffern 0 bis 6 bezeichnet, während auf der vertikalen Achse der (relative) Strahlungs­ wirkungsgrad in Prozent, und zwar auf die Antenne mit einem Substrat ohne Aushöhlung normiert, angegeben ist.

Die Darstellung zeigt sehr deutlich, dass der Strahlungswirkungsgrad bei allen Aus­ führungen 1 bis 6 wesentlich höher ist, als bei der Ausführung 0 mit einem Substrat ohne Aushöhlung.

Im einzelnen ergab sich für die Ausführung 0 ohne Kanal ein absoluter Strahlungs­ wirkungsgrad von 42,2 Prozent. Für die Ausführung 1 mit einem Kanalquerschnitt von 1,5 mal 1,5 mm² wurde ein absoluter Strahlungswirkungsgrad von 51,2 Prozent gemessen. Bei der Ausführung 2 betrug der Kanalquerschnitt 0,5 mal 0,5 mm², und es ergab sich ein absoluter Strahlungswirkungsgrad von 52,6 Prozent. Bei der Ausführung 3 hatte der Kanal eine Breite B von 1,0 mm und ein Höhe H von 0,5 mm. Hierfür wurde ein Strahlungs­ wirkungsgrad von 52,8 Prozent gemessen. Bei der Ausführung 4 wurde die Breite B des Kanals auf 2,0 mm und die Höhe H des Kanals auf 1,0 mm vergrößert. Hierfür ergab sich ein Strahlungswirkungsgrad von 53,9 Prozent. Bei der Ausführung 5 hatte der Kanal eine Breite B von 1,0 mm und eine Höhe H von 1,5 mm, wofür sich ein Strahlungs­ wirkungsgrad von 55,9 Prozent ergab. Die Ausführung 6 hatte schließlich einen Kanal­ querschnitt von 1,0 mal 1,0 mm². Mit dieser Ausführung wurde die höchste Steigerung des Strahlungswirkungsgrades erzielt, der 57,2 Prozent betrug und somit etwa 15 Prozent höher lag, als bei der Ausführung 0 ohne Aushöhlung des Substrates.

Darüber hinaus hat die Ausführung 6 der Antenne ein um 21 Prozent geringeres Gesamt­ gewicht als die Ausführung 0.

Die bevorzugte Ausführungsform wurde anhand einer Aushöhlung in Form eines Kanals beschrieben. Alternativ dazu sind auch mehrere Aushöhlungen und solche mit anderer Form möglich. Die Wahl wird in erster Linie im Hinblick auf eine einfache Herstellung des Substrates getroffen, wobei im einfachsten Fall eine Mehrzahl von zylindrischen Bohrungen mit einer solchen Tiefe H in die untere Stirnfläche 11 eingebracht wird, dass die mechanische Stabilität der Antenne nicht gefährdet ist. Die erfindungsgemäße Wirkung kann schließlich auch bei Anwendung von schaumähnlichen (dielektrischen oder permeablen) Substraten erzielt werden.

Alternativ zu Fig. 2 kann die Leiterbahnstruktur auch durch mindestens einen ersten und einen zweiten, auf die zweite Stirnfläche 12 des Substrates 10 aufgebrachten Leitungsab­ schnitt gebildet sein, die im wesentlichen mäanderförmig verlaufen. Diese Ausführungs­ form hat insbesondere den Vorteil, dass der Frequenzabstand zwischen der ersten Reso­ nanzfrequenz der Grundmode und der zweiten Resonanzfrequenz bei der ersten Harmo­ nischen der Grundmode durch Veränderung des Abstandes der beiden Leitungsabschnitte einstellbar ist. Antennen mit Leiterbahnstrukturen dieser Art sind in der DE 100 49 845.0 beschrieben.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Form und Art der Aushöhlung des Sub­ strates im wesentlichen unabhängig von der Art der Leiterbahnstruktur gewählt werden kann, die mit der abzustrahlenden elektromagnetischen Welle gespeist wird.

Claims (9)

1. Antenne mit einem dielektrischen oder permeablen Substrat und mindestens einer resonanten Leiterbahnstruktur, insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) mindestens eine Aushöhlung (30) aufweist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung durch mindestens einen von dem Substrat (10) umschlossenen Hohlraum gebildet ist.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung durch mindestens eine in eine oder mehrere Flächen des Substrates (10) eingebrachte Vertiefung gebildet ist.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung ein Kanal (30) ist, der sich entlang einer Länge des Substrates (10) erstreckt.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (30) im Querschnitt im wesentlichen rechteckig und in eine erste Stirnfläche (11) des Substrates (10) eingebracht ist, so dass dieses im wesentlichen U- förmig ist.

6. Antenne nach Anspruch 1, insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur eine Oberflächenmetallisierung ist, die durch mindestens eine erste flächenartige Metallisierungsstruktur (21) auf einer zweiten Stirnfläche (12), sowie eine entlang zumindest eines Teils der Seitenflächen (13 bis 16) des Substrates (10) verlaufende Leiterbahn (22) zur Zuführung von abzustrahlender elektromagnetischer Energie zu der Metallisierungsstruktur gebildet ist.

7. Antenne nach Anspruch 1, insbesondere zur Anwendung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur durch mindestens einen ersten und einen zweiten, auf eine Fläche des Substrates (10) aufgebrachten Leitungsabschnitt gebildet ist, die im wesentlichen mäanderförmig verlaufen, wobei der Frequenzabstand zwischen der ersten Resonanzfrequenz der Grundmode und der zweiten Resonanzfrequenz bei der ersten Harmonischen der Grundmode durch Veränderung des Abstandes der beiden Leitungsabschnitte einstellbar ist.

8. Gedruckte Schaltungsplatine, insbesondere zur Oberflächenmontage von elektronischen Bauelementen, gekennzeichnet durch eine Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Mobiles Telekommunikationsgerät, insbesondere für den Bluetooth-, GSM- oder UMTS-Bereich, gekennzeichnet durch eine Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7.