DE10137946B4

DE10137946B4 - Integrierte Dreiband-Antenne

Info

Publication number: DE10137946B4
Application number: DE10137946A
Authority: DE
Inventors: Dirk Manteuffel
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: DE10137946A1

Abstract

Mehrbandantenne (1), insbesondere für Mobilfunktelefone, mit einem Strahler (8), der mit einem Abstand gegenüberliegend zu einer elektrischen Bezugsmasse (7) angeordnet ist und einen Speisepunkt (4) sowie einen Kurzschlusspunkt (5) aufweist, wobei der Strahler (8) einen ersten (3) und einen zweiten (2) λ/4-Strahlerarm (2, 3), die sich zumindest einem Teilabschnitt (11) im wesentlichen orthogonal zueinander erstrecken, wobei mindestens ein Strahlerarm (2, 3) einen in seinem Inneren verlaufenden Schlitz (6) zur Erzeugung einer Resonanzfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz des Schlitzes (6) und die Resonanz eines der Strahlerarme derart miteinander koppeln, dass es zu einer die Bandbreite steigernden Verschmelzung kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrbandantenne, insbesondere für Mobilfunktelefone, mit einem Strahler, der in einem gewissen Abstand im wesentlichen parallel zu einer elektrischen Bezugsmasse angeordnet ist und einen Speisepunkt und einen Kurzschlusspunkt aufweist, wobei der Strahler einen ersten und einen zweiten Strahlerarm enthält.
Moderne Mobilfunktelefone verwenden zunehmend Antennen, die vollständig in das Gerät integriert sind (sog. „Integrierte Antennen"). Um die Größe der Mobilfunktelefone zu minimieren, werden möglichst kleine Antennen entwickelt. Die Mindestgröße einer resonanten Antenne hängt von der Wellenlänge λ der verwendeten elektromagnetischen Strahlung ab. Wird eine Antenne kleiner gebaut, nimmt die Abstrahleffizienz der Antenne ab. Für eine λ/2 Antenne ist die elektrische Länge durch die Hälfte der Wellenlänge λ, für eine λ/4 Antenne durch das Viertel der Wellenlänge λ begrenzt.
Übliche Frequenzstandards für den Mobilfunk sind z.B. GSM 900, DCS und PCS oder UMTS. Legt man beispielsweise für einen λ/4-Strahler eine Frequenz von 900 MHz zugrunde, welches dem in Europa verbreiteten GSM900-Band entspricht, beträgt ein Viertel der Wellenlänge in Luft etwa 8 cm. Eine λ/4 Antenne hätte somit eine Größe, die zur Integration in ein Mobilfunktelefon nicht akzeptabel ist.

Es ist bekannt, Antennen nach dem sogenannten Prinzip der PIFA (Planar Inverted-F Antenna) aufzubauen (siehe K. Hirasawa, M. Haneishi (Editors): Analysis and Design of Small and Low-Profile Antennas. Artech House Inc. Boston London, ISBN 0-89006-486-5, 1992). Die PIFA umfasst gewöhnlicherweise ein rechteckiges, planares, elektrisch leitfähiges Element und eine elektrische Masseplatte. Sie stellt eine relativ kompakte Bauform einer planaren Antenne dar.

Wird die PIFA derart modifiziert, dass der Strahlerverlauf gemäß der Form des Buchstabens „C" gefaltet wird, wird vom sogenannten C-Patch gesprochen. Obgleich die abgewickelte Länge der Antenne nach wie vor etwa ein Viertel der abgestrahlten Wellenlänge beträgt, ist die Größe des Gesamtmoduls aufgrund der Faltung der Antenne kleiner.

In der Regel sind Mobilfunktelefone so konzipiert, dass sie in zwei Frequenzbändern gleichzeitig arbeiten können. Diese sind in Europa meist das GSM-Band (ca. 900 MHz) und das DCS-Band (ca. 1.800 MHz). Hierfür gibt es mittlerweile verschiedene Antennenkonzepte, die vollständig in das Gerät integriert werden können.

In einer Ausführungsform besteht eine solche Antenne aus zwei Strahlerelementen, die im Bereich des Kurzschlusspunktes zur Platine miteinander verbunden sind. Das Strahlerelement für die niedrigere Resonanzfrequenz (z.B. 900 MHz) hat in der Regel die Form eines C-Patch. Das zweite Strahlerelement, welches bei der höheren Frequenz (z.B. 1800 MHz) aktiv ist und dementsprechend eine geringere Länge benötigt, ist zusätzlich zum C-Patch auf einem freien Teil des Antennenmoduls untergebracht. Durch geeignete Positionierung der Strahler und des Kurzschlusspunktes, ist es möglich, einen Speisepunkt derart zu finden, dass eine Anpassung beider Strahler in ihren entsprechenden Frequenzbändern erreicht wird.

Ein Problem bei bisher verwendeten Antennenkonzepten ist, dass aufgrund des begrenzten Volumens des Antennenelementes die Impedanzbandbreite der Antennen eher gering ausfällt. In Bezug auf integrierte Antennen für Mobilfunktelefone gelingt es in der Regel gerade, die nötige Bandbreite in beiden Bändern zu erreichen. Die Anpassung an den Bandgrenzen ist jedoch dann eher unbefriedigend.

Neben der Möglichkeit einer Vergrößerung des Antennenvolumens, gibt es in der Literatur noch andere Ansätze, die resultierende Bandbreite zu erhöhen. So verwendet man bei Microstripantennen sogenannte parasitäre Elemente. Diese parasitären Elemente sind zusätzliche, passive Strahlerelemente, die mit dem eigentlichen Strahlerelement nicht galvanisch kontaktiert sind und auch nicht direkt gespeist werden. Durch eine nahe Positionierung zum Hauptstrahler Wechselwirken die passiven Strahlerelemente mit dem Hauptstrahler. Die passiven Strahlerelemente werden zum Schwingen angeregt, wobei sie Energie aufnehmen und abgeben. Durch diese Kopplung beeinflussen die passiven Strahlerelemente den eigentlichen Strahler in der Weise, dass dieser sein Impedanzverhalten verändert. Wählt man die Größe und die Lage des parasitären Elementes geeignet, kann diese Veränderung des Impedanzverhaltens zu einer erheblichen Steigerung der Bandbreite der Antenne führen.

Parasitäre Elemente müssen nicht unbedingt aus weiteren Patchen bestehen. In der Literatur sind Fälle aufgeführt, in denen im Hauptstrahler ein U-förmiger Schlitz untergebracht ist, der durch seine Resonanz ein ähnliches Verhalten aufweist und eine Bandbreite steigernde Wirkung auf die Resonanz in diesem Hauptstrahler hat. Es ist bekannt (K. F. Tong, K. M. Luk: A Broadband U-Slot Rectangular Patch Antenna on a Mircowave Substrate. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, No. 6, June 2000), in einer Halbwellenpatchantenne einen U-förmigen Schlitz zu integrieren, der zu einer breitbandigen Anpassung im Bereich der Hauptresonanz führt.

US 6,252,552 B1 offenbart eine Dualband-Antenne mit einem Schlitz zur Erzeugung von zwei weit beabstandeten Resonanzfrequenzen.

WO 01/08257 offenbart eine Triband-Antenne mit einem Schlitz, deren Frequenzbereich weltweit voneinander beabstandet sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antenne anzugeben, die in ihrer Bauform kompakt ist und die in der Lage ist, auf mehreren Frequenzbändern zu empfangen bzw. zu senden. Des weiteren ist es Aufgabe, eine Antenne anzugeben, mit der eine Impedanzanpassung der Antenne auch am Rand der Frequenzbänder noch gut möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Mehrbandantenne, insbesondere für Mobilfunktelefone, enthält einen Strahler, der in einem gewissen Abstand gegenüberliegend zu einer elektrischen Bezugsmasse angeordnet einen Speisepunkt sowie einen Kurzschlusspunkt aufweist, wobei der Strahler einen ersten und einen zweiten λ/4-Strahlerarm enthält, die sich zumindest in einem Teilabschnitt im wesentlichen orthogonal zueinander erstrecken, wobei mindestens ein Strahlerarm einen in seinem Inneren verlaufenden Schlitz zur Erzeugung einer weiteren Resonanzfreqenz aufweist, wobei die Resonanz des Schlites und die Resonanz eines der Strahlerarme derart miteinander Koppeln, daß es zu einer die Bandbreite steigerunden Verschmalzung kommt.

Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus einer zweiarmigen Struktur mit Schlitz. Zweiarmige Strahlerstrukturen weisen zunächst zwei Grundschwingungszustände auf. Allgemein gilt, dass die Eigenresonanzen der beiden Strahlerarme durch geeignete Maßnahmen bei Verwendung eines gemeinsamen Speisepunktes so miteinander verkoppelt werden können, dass eine Impedanzanpassung der beiden Frequenzbänder erzielt wird. Der Schlitz der erfindungsgemäßen Antenne induziert einen dritten Grundschwingungszustand. Mit diesem dritten Schwingungszustand wird zum einen ein drittes Frequenzband eröffnet, zum anderen kann durch eine geeignete Anordnung der beiden Strahlerarme, des Schlitzes und der Einspeise- bzw. Kurzschlusspunkte eine Verbreiterung der Eigenresonanzen erzielt werden. Die Schwierigkeit besteht darin, den Schlitz so anzuordnen, dass sowohl der Schlitz impedanzangepasst ist, als auch die Impedanzanpassung der beiden Strahlerarme nicht gestört wird.

Der Schlitz wird im Strahler selbst, d.h. in einem der beiden Strahlerarme, vorzugsweise im längeren Strahlerarm, angeordnet. Hierbei ist zu beachten, dass die elektrischen Randbedingungen des Schlitzes bei dessen Resonanzfrequenz implizit auf dem längeren Strahler erfüllt werden. Die beiden Strahlerarme repräsentieren einen λ/4-Strahler. Der Schlitz repräsentiert ein λ/2-Strahler. Die Länge des Schlitzes entspricht somit der halben Wellenlänge der vom Schlitz induzierten Grundschwingung.

Durch die orthogonale Anordnung der beiden Strahlerarme zueinander zumindest in einem Teilabschnitt wird eine Entkopplung der Schwingungszustände auf den beiden Strahlerarmen erreicht. Der Anfang und das Ende eines Stralilerarmes wird in Bezug auf den Kurzschlusspunkt, mit dem der Strahler mit der elektrischen Masse verbunden wird festgelegt. Durch den Kurzschlusspunkt wird ein Strahler zum λ/4-Strahler. Mit Hilfe eines derartigen Aufbaus wird eine besonders kompakte Bauform der Mehrbandantenne erzielt.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne ist der erste Strahlerarm länger als der zweite Strahlerarm und der Schlitz ist in dem ersten Strahlerarm. Durch eine geeignete Wahl der Längen des ersten Strahlerarms und des zweiten Strahlerarms ist es möglich, die Antenne auf die gewünschte Frequenz abzustimmen. Vorteilhaft für die betrachteten Frequenzbereiche ist, die Strahlerarme in einem Längenverhältnis von etwa 1:2 auszugestalten und den Schlitz in seiner Länge so zu bemessen, dass er eine dritte Resonanz erzeugt, die etwas höher liegt als die höhere Resonanzfrequenz der beiden Strahlerarme. Dieses ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der längere erste Strahlerarm für das GSM 900-Frequenzband (880 MHz – 960 MHz) und der kürzere zweite Strahlerarm in Kombination mit dem Schlitz für das DCS-Band und das DECT-Band, oder für das DCS-Band und das PCS- Band, oder für das UMTS -Band verwendet werden sollen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt ein Ende des Schlitzes in der Nähe des Kurzschlusspunktes. Durch diese Wahl des einen Endes des Schlitzes wird eine besonders gute Impedanzanpassung der Schlitzresonanz erzielt. Das dem einem Ende gegenüberliegende andere Ende des Schlitzes wird durch die Länge des Schlitzes und damit durch die zu erzielende Resonanzfrequenz des Schlitzes vorgegeben. Üblicherweise befindet sich der Kurzschlusspunkt an einem Ende eines Strahlerarms.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne ist der Schlitz länger als der kürzere zweite Strahlerarm und kürzer als der längere erste Strahlerarm. Die Funktionsweise des Schlitzes lässt sich veranschaulichen durch das Babinetsche Theorem, welches besagt, dass die Abstrahlcharakteristik eines Schlitzes in der Nähe einer Strahlerfläche bis auf einen Phasenfaktor gleich einer gleichartig gestalteten Strahlerfläche in Form des Schlitzes entspricht. Der Schlitz wirkt somit als phaseninvertierter dritter passiver Strahler.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Schlitz im wesentlichen parallel zum längeren ersten Strahlerarm. Durch einen parallelen Verlauf wird eine vorteilhafte Ausbildung der Schlitzresonanz bewirkt.

In einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne ist der längere erste Strahlerarm ungefähr doppelt so lang wie der kürzere zweite Strahlerarm. Durch dieses Längenverhältnis wird den bekannten, verfügbaren Frequenzbereichen Rechnung getragen, und die Sende- bzw. Empfangseigenschaften der Antenne auf das GSM 900 bzw. PCS-Band abgestimmt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens einer der beiden Strahlerarme zur Verringerung des Platzbedarfs gefaltet. Die Faltung kann eine Mäanderform haben, kann aber auch die Form eines großen C, F oder G aufweisen. Durch diese Faltung ist eine zusätzliche Verringerung des Platzbedarfs der Antenne möglich, so dass die äußeren Abmaße der Mehrbandantenne kleiner sind als ein Viertel der Wellenlänge.

Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß der erste Strahlerarm im wesentlichen um den kürzeren zweiten Strahlerarm gefaltet. Die abgewickelte Länge eines Strahlerarms entspricht ca. einem Viertel der Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung in Luft. Durch eine derartige Faltung der Strahlerarme werden äußere Abmaße der Mehrbandantenne für die oben beschriebenen Frequenzbänder auf 3 cm × 4 cm erreicht.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der längere erste Strahlerarm ein GSM 900-Strahler.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung liegt die Resonanzfrequenz des zweiten Strahlerarms unterhalb der Mittenfrequenz des DCS-Bandes.

In einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung liegt die Resonanzfrequenz des Schlitzes nahe der Mittenfrequenz des PCS- Bandes.

In einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Resonanzen des kurzen Strahlers und des Schlitzes so miteinander verkoppelt, dass sie eine breitbandige Anpassung der Antenne in einem oder mehreren Frequenzbändern ermöglichen, z.B. in den DCS- und PCS- Frequenzbändern.

Vorteilhafterweise wird in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Speisepunkt so gewählt, dass die unterschiedlichen Schwingungszustände der Mehrbandantenne miteinander koppeln. Durch die Kopplung der Schwingungszustände der Mehrbandantenne miteinander wird ein Energietransfer von einem Schwingungszustand zu einem anderen Schwingungszustand ermöglicht, welches die Frequenzbandbreite der jeweiligen Resonanzen erweitert. Ein Mindestmaß an Frequenzbandbreite ist für die jeweiligen Frequenzbänder erforderlich.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne sind der Speisepunkt und der Kurzschlusspunkt so zueinander angeordnet, dass eine Leistungsanpassung der Antenne erzielt wird. Die HF-Schaltungen sind üblicherweise mit einer 50 Ω-Impedanz abzuschließen. Wird dieses nicht getan, treten Störungen aufgrund Interferenzen reflektierter HF-Wellen auf. Deshalb ist es wichtig, die Eingangsimpedanz der Antenne auf die jeweilige Schaltung abzustimmen. Die Abstimmung der Eingangsimpedanz erfolgt üblicherweise durch eine geeignete Wahl des Speisepunktes relativ zum Kurzschlusspunkt.

Vorteilhafterweise sind die beiden Strahlerarme und der Schlitz im wesentlichen planar angeordnet. Durch eine planare Anordnung ist es möglich, den Strahler aus einem Blech zu stanzen, so dass eine besonders einfache Herstellung der Antenne ermöglicht wird.

Zweckmäßigerweise verlaufen erfindungsgemäß die beiden Strahlerarme im wesentlichen parallel zur elektrischen Bezugsmasse. Mit Hilfe der elektrischen Bezugsmasse wird aus den beiden Strahlerarmen jeweils ein λ/4-Strahler. Bei der Wahl des Abstands zwischen dem Strahler und der Bezugsmasse ist zu beachten, dass einerseits der Abstand möglichst klein ist, damit die Größe der Antenne klein bleibt, anderseits der Abstand aber groß genug ist, damit die auf der Bezugsmasse fließenden Spiegelströme, die durch das Stromprofil auf dem Strahler induziert werden, nicht die Send- bzw. Abstrahlwirkung der Antenne zu stark beeinflussen. Wird der Abstand größer gewählt, wird die Interferenz zwischen den elektromagnetischen Feldern der Spiegelströme und der Ströme auf dem Strahler aufgrund des Phasenunterschieds der Ströme schwächer.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Strahler als eine elektrische leitfähige Schicht ausgebildet. Diese Schicht kann entweder durch Aufdampfen, beispielsweise von Metallen auf ein Substrat, erzeugt werden, kann aber auch durch Stanzung eines Bleches hergestellt werden. Geeigneterweise werden im Falle einer Stanzung eines Bleches der Kurzschlusspunkt sowie Speisepunkt als Blechstreifen mit ausgebildet, die sich an den Strahler anschließen, so dass keine weiteren Verbindungsdrähte zwischen Strahler und HF-Elektronik notwendig sind. Der Kurzschlusspunkt sowie der Speisepunkt werden in einem Stück mit dem Strahler gefertigt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kurzschlusspunkt an einem Armende des ersten Strahlerarmes ausgebildet. Hierdurch wird das eine Armende des ersten Strahlerarmes auf das Potential der Bezugsmasse gesetzt, so dass der Strahlerarm in der Funktion eines λ/4-Strahlers eine besonders niedrige Eigenfrequenz hat. Bei entsprechend vorgegebener Frequenz bewirkt dieses eine besonders kompakte Bauform der Antenne.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist der Teilabschnitt, in dem sich die beiden Strahlerarme im wesentlichen orthogonal zueinander erstrecken räumlich beabstandet vom Armende des Strahlerarmes, das den Kurzschlusspunkt aufweist. Durch diese Anordnung wird der Strahler zur F-Antenne.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die Länge des Schlitzes etwa ¾ der Länge des längeren ersten Strahlerarmes. Für den Fall eines Längenverhältnis von 1 zu 2 der beiden Strahlerarme erzeugt der Schlitz durch eine derartige Wahl eine Resonanzfrequenz, die etwas oberhalb der Resonanzfrequenz des kürzeren zweiten Armes liegt. Hiermit wird eine besonders gute Übereinstimmung der Resonanzfrequenz mit den bekannten gewerblich nutzbaren Anwendungsbereichen ermöglicht.

In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne ist die Dicke der beiden Strahlerarme im wesentlichen gleich.

Es ist von Vorteil, wenn der längere erste Strahlerarm um den kürzeren zweiten Strahlerarm gefaltet ist. Dieses kann erfolgen, wenn sich der längere erste Strahlerarm im wesentlichen in Form eines C um den kürzeren zweiten Strahler erstreckt. Alternativ beschreibt der Strahler im wesentlichen ein F, wobei ein Teilabschnitt (der Fuß des F) des Strahlers sowohl von der Schwingungszustand des ersten als auch des zweiten Strahlerarmes aktiv ist und der längere erste Strahler um den kürzeren zweiten Strahler herumgefaltet ist. Als dritte Möglichkeit beschreibt der Strahler im wesentlichen ein G, wobei der längere erste Strahlerarm um den kürzeren zweiten Strahlerarm herumgefaltet ist. Durch derartige Anordnungen wird der Raumbedarf der Mehrbandantenne minimiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale, die einzeln oder in Kombination miteinander auftreten können, werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert. Die Zeichnung soll jedoch nicht den erfinderischen Gedanken beschränken, sondern soll nur die Erfindung exemplarisch veranschaulichen.

Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne in F-Form mit zwei Strahlerarmen und einem Schlitz;
2 eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne in G-Form mit zwei Strahlerarmen und einem Schlitz;
3 eine Mehrbandantenne nach 2 im Schnitt entlang der Linie A-A';
4 eine Darstellung des gemessenen Eingangsreflexionsfaktors der Antenne; und
5 ein ausgestanztes Blech für eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne 1 in F-Form mit einem ersten Strahlerarm 3 und einem zweiten Strahlerarm 2, wobei der erste Strahlerarm länger als der zweite ausgebildet ist und den zweiten Strahlerarm umschließt. Der Name „F-Form" rührt daher, dass der Strahler wie ein (hier über eine Horizontalachse gespiegeltes) F aussieht, wobei der obere Strich des F um den Mittelstrich des F herumgezogen ist. Die Mehrbandantenne 1 weist einen Schlitz 6 auf, der im wesentlichen parallel zum ersten Strahlerarm 3 verlaufend sich in dessen Inneren erstreckt. Ein Einspeisepunkt 4 liegt gegenüber vom kürzeren zweiten Strahlerarm 2 und sorgt für eine optimale Leistungsanpassung der Antenne. Ein Kurzschlusspunkt 5 ist an einem Armende des ersten Strahlerarmes angebracht. Ein Ende 9 des Schlitzes 6 befindet sich in unmittelbarer Nähe des Kurzschlusspunktes 5. Die beiden Strahlerarme 2, 3 mit dem Schlitz 6 bilden zusammen einen Strahler 8, der planar ausgebildet ist und im wesentlichen parallel zu einer Bezugsmasse 7 verläuft. Die Bezugsmasse 7 ist als metallische Platte ausgebildet.
Bei einer unteren Resonanzfrequenz des Strahlers 8 ist in erster Näherung nur der längere erste Strahlerarm 3 wirksam (z.B. GSM 900- Strahler), da der kürzere zweite Strahlerarm 2 aufgrund seiner Länge bei dieser Frequenz nicht in Resonanz geraten kann. Eine geringe Rückwirkung ist lediglich auf eventuell kapazitive Verkopplung zurückzuführen. Der Schlitz 6 im ersten Strahlerarm 3 gerät ebenfalls bei dieser Frequenz aufgrund seiner Kürze nicht in Schwingung. Auf dem ersten Strahlerarm 3 bildet sich eine λ/4-Verteilung aus. Bei steigender Frequenz stellt sich auf dem zweiten Strahlerarm 2 eine Eigenresonanz bei etwa der doppelten Frequenz ein. Diese wird zusätzlich durch die Kopplung mit resonanten Elementen auf dem ersten Strahlerarm 3 beeinflusst. Bei weiterer Steigerung der Frequenz bildet sich eine Eigenresonanz auf dem Schlitz 6 im ersten Strahlerarm 3 aus.
Die Länge des Schlitzes 6 entspricht dann etwa einer halben Wellenlänge dieser Schwingung. Der Schlitz 6 ist im Strahler 8 so platziert, dass er die Randbedingungen für eine solche Resonanz erfüllt. So liegt sein eines Ende 9 nahe der Kurzschlusskante des GSM 900-Strahlers, also nahe dem Kurzschlusspunkt 5 des ersten Strahlerarmes 3, und ermöglicht auf diese Weise ein Strommaximum an dieser Stelle in den Frequenzbändern GSM und PCS. Auf der mittleren Länge des Schlitzes 6 kann sich gemäß der Nähe zur 3/4λ-Verteilung aus dem GSM 900-Strahler in der Nähe der PCS-Frequenz ein Stromminimum einstellen, wie es für die Ausbildung eines Schlitzmodes erforderlich ist. Aus dem gleichen Grund kann sich an dem anderen Ende des Schlitzes 6 wiederum ein Strommaximum einstellen.
Durch die frequenzmäßige und räumliche Nähe der GSM 1.800- und der PCS-Resonanz findet eine starke Kopplung statt. Der Speisepunkt 4 und die Anordnung der Strahlerarme 2, 3 bzw. des Schlitzes 6 werden so gewählt, dass die oberen beiden Resonanzen in der Art miteinander koppeln, dass es zu einer die Bandbreite steigernden Verschmelzung der Modi kommt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne in G-Form mit zwei Strahlerarmen 2, 3. Der Name G-Antenne rührt daher, dass die Antenne abgesehen vom Schlitz wie ein (hier gespiegeltes und auf die Seite gedrehtes) G aussieht. Der Schlitz 6 ist in dem ersten Strahlerarm 3 eingebracht, dessen Armende 12 den Kurzschlusspunkt 5 aufnimmt. Das Ende 9 des Schlitzes 6 befindet sich in unmittelbarer Nähe des Kurzschlusspunktes 5. Der Speisepunkt 4 wird in geeignetem Abstand zum Kurzschlusspunkt 5 gewählt, so dass eine Impedanzanpassung der Antenne erfolgt.
Der Strahler 8 befindet sich in einem Abstand über einer Basismasse 7, wobei der Abstand einerseits möglichst groß zu wählen ist, so dass eine Interferenz der abgestrahlten Wellen des Strahlers 8 mit den Spiegelströmen und deren abgestrahlten Wellen auf der Basismasse 7 nicht eine Beeinträchtigung der Abstrahleffizienz bewirkt, anderseits aber möglichst klein zu wählen ist, um die Größe der Antennen klein zu halten.
3 zeigt die erfindungsgemäße Mehrbandantenne nach 2 im Schnitt entlang der Linie A-A'. Man erkennt den planaren Strahler 8 mit seinem Einspeisepunkt 4 und seinem Kurzschlusspunkt 5 parallel zu der Bezugsmasse 7. Der Abstand h des Strahlers zur Bezugsmasse beträgt 7 mm.
4 zeigt einen gemessenen Eingangsreflexionsfaktor der Antenne der erfindungsgemäßen Mehrbandantenne nach 1. Aufgetragen ist der Reflexionsfaktor in Abhängigkeit der Frequenz f. Der Reflexionsfaktor ist gegeben durch das Verhältnis der Leistung der auf die Mehrbandantenne 1 aufgeprägten Welle zu der Leistung der von der Mehrbandantenne 1 reflektierten Welle.
Zu sehen sind die gemessenen Eingangsreflexionsfaktoren der erfindungsgemäßen Antenne mit und ohne Gehäuse des Mobilfunktelefons. Durch das Gehäuse werden die Abstrahlfrequenzen der Antenne aufgrund der relativen Dielektrizitätszahl ε_r > 1, des Gehäusematerials zu niedrigeren Frequenzen verschoben.
In 4 erkennt man die tiefe Anpassung des ersten Strahlerarmes 3 bei 0,9 Gigahertz, die zu besonders effizienten Sende-/und Empfangseigenschaften führt. Im Bereich zwischen 1,1 und 1,6 Gigahertz wird eine auf den Einspeisepunkt gegebene elektrische Welle fast zu 100 % von der Antenne reflektiert, ohne dass Strahlung abgestrahlt wird. In diesem Frequenzfenster ist die Antenne nicht aktiv. Durch die beschriebene Art der Anordnung der zwei Strahlerarme 2, 3 mit dem Schlitz 6 und die Wahl der Einspeise- bzw. Kurzschlusspunkte 4, 5 wird eine Verschmelzung der oberen beiden Eigenfrequenzen erzielt, so dass eine besonders effektive Anpassung der Antenne in einem breiten Frequenzband zwischen 1,8 GHz und 2 GHz erzielt wird.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel für ein Blech, aus dem eine erfindungsgemäße Mehrbandantenne geformt wird, ist in 5 gezeigt. Die Zuleitungen für den Einspeisepunkt 4 und den Kurzschlusspunkt 5 werden in einem Arbeitsschritt mit dem Blech ausgestanzt. Die jeweiligen ungefähren Abmaße, die in einem Rahmen von ± 10 % schwanken können, sind der Tabelle zu entnehmen:
Die Erfindung betrifft eine Mehrbandantenne 1 mit zwei Strahlerarmen 2, 3, wobei der eine Strahlerarm 3 einen Schlitz 6 aufweist, der in diesem im Inneren verläuft und dessen Schwingungszustand mit denen der anderen Strahlerarme 2, 3 impedanzangepasst ist. Die Mehrbandantenne 1 zeichnet sich dadurch aus, dass sie in der Lage ist, auf mehreren Frequenzbändern zu senden und zu empfangen, und dabei eine besonders kompakte Bauweise aufweist.

1: Mehrbandantenne
2: zweiter Strahlerarm
3: erster Strahlerarm
4: Einspeisepunkt
5: Kurzschlusspunkt
6: Schlitz
7: Bezugsmasse
8: Strahler
9: Ende
11: Teilabschnitt
12: Armende
h: Abstand der Bezugsmasse 7 vom Strahler 8
d1 ... d14 Längenbezeichnungen

Claims

Mehrbandantenne (1), insbesondere für Mobilfunktelefone, mit einem Strahler (8), der mit einem Abstand gegenüberliegend zu einer elektrischen Bezugsmasse (7) angeordnet ist und einen Speisepunkt (4) sowie einen Kurzschlusspunkt (5) aufweist, wobei der Strahler (8) einen ersten (3) und einen zweiten (2) λ/4-Strahlerarm (2, 3), die sich zumindest einem Teilabschnitt (11) im wesentlichen orthogonal zueinander erstrecken, wobei mindestens ein Strahlerarm (2, 3) einen in seinem Inneren verlaufenden Schlitz (6) zur Erzeugung einer Resonanzfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz des Schlitzes (6) und die Resonanz eines der Strahlerarme derart miteinander koppeln, dass es zu einer die Bandbreite steigernden Verschmelzung kommt.
Mehrbandantenne (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Strahlerarm (3) länger als der zweite Strahlerarm (2) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (6) in dem ersten Strahlerarm (3) ist.
Mehrbandantenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende (9) des Schlitzes (6) in der Nähe des Kurzschlusspunktes (5) liegt.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (6) länger als der kürzere zweite Strahlerarm (2) und kürzer als der längere erste Strahlerarm (3) ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (6) im wesentlichen parallel zum längeren ersten Strahlerarm (3) verläuft.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der längere erste Strahlerarm (3) ungefähr doppelt so lang ist wie der kürzere zweite Strahlerarm (2).
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Strahlerarme (2, 3) zur Verringerung des Platzbedarfs gefaltet ist.
Mehrbandantenne (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der längere erste Strahlerarm (3) im wesentlichen um den kürzeren zweiten Strahlerarm (2) gefaltet ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der längere erste Strahlerarm (3) ein GSM900-Strahler ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des kürzeren zweiten Strahlerarms unterhalb der Mittenfrequenz des DCS- Bandes liegt.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schlitzes nahe der Mittenfrequenz des PCS- Bandes liegt.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzen des kurzen Strahlers und des Schlitzes so miteinander verkoppelt sind, dass sie eine breitbandige Anpassung der Antenne in einem oder mehreren Frequenzbändern ermöglichen.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeisepunkt (4) so gewählt wird, dass die unterschiedlichen Schwingungszustände der Mehrbandantenne (1) miteinander koppeln.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlerarme (2, 3) und der Schlitz (6) so angeordnet sind, dass die unterschiedlichen Schwingungszustände der Mehrbandantenne (1) miteinander koppeln.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisepunkt (4) und der Kurzschlusspunkt (5) so zueinander angeordnet sind, dass eine Leistungsanpassung der Antenne erzielt wird.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlerarme (2, 3) und der Schlitz (6) im wesentlichen planar angeordnet sind.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlerarme (2, 3) im wesentlichen parallel zur elektrischen Bezugsmasse (7) verlaufen.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (8) als eine elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusspunkt (5) an einem Armende (12) des ersten Strahlerarmes (3) ausgebildet ist.
Mehrbandantenne (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabschnitt (11) vom Armende (12) räumlich beabstandet ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes (6) etwa 3/4 der des längeren ersten Strahlerarmes (3) beträgt.
Mehrbandantenne (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der beiden Strahlerarme (2, 3) im wesentlichen gleich ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich der längere erste Strahlerarm (2) im wesentlichen in Form eines C um den kürzeren zweiten Strahlerarm (3) erstreckt.
Mehrbandantenne (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (8) im wesentlichen ein G beschreibt, wobei der längere erste Strahler (3) um den kürzeren zweiten Strahler (2) herum gefaltet ist.
Mehrbandantenne (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (8) im wesentlichen ein F beschreibt, wobei der längere erste Strahlerarm (3) um den kürzeren zweiten Strahlerarm (2) herum gefaltet ist.