DE10147921A1

DE10147921A1 - Planare Inverted-F-Antenne

Info

Publication number: DE10147921A1
Application number: DE2001147921
Authority: DE
Inventors: Abbas Alpaslan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Die erfindungsgemäße planare Inverted-F-Antenne, welche einen als ein erstes Flächenstück ausgestalteten Resonanzkörper, eine als zweites Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einem Speisepunkt sowie eine als ein drittes Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einer Massemetallisierung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Flächenstück, das zweite Flächenstück und das dritte Flächenstück derart miteinander leitend verbunden sind, dass ihre Flächen parallel zu einer Ebene verlaufen, das zweite Flächenstück derart ausgestaltet ist, dass sich seine Fläche zum Speisepunkt hin verjüngt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Planare Inverted-F-Antenne aufweisend einen als ein erstes vieleckiges Flächenstück ausgestalteten Resonanzkörper eine als zweites vieleckiges Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einem Speisepunkt sowie eine als ein drittes vieleckiges Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einer Massefläche aufweist.

Inverted F-Antennen werden im Allgemeinen aus Stanzbiegeteilen geformt und weisen trotz eines geringen Volumenbedarfs, den Vorteil auf, dass sie keine externe Anpassschaltung benötigen und zudem eine unabhängige Einstellung von Resonanzfrequenz und Impedanzniveau ermöglichen.

Um eine Verringerung der Dimension einer Antenne derart, dass sie lediglich eine Länge von 1,8 Meter aufweist und die in einer Testanordnung zur Erzeugung elektrischer Felder zum Einsatz kommt, zu erreichen, wird in der US 5,926,150 daher die Anwendung einer Inverted-F-Antenne vorgeschlagen, wobei der spitz zulaufende Resonanzkörper zusätzliche eine Steigerung der Leistungsfähigkeit (Performance) insbesondere für hohe Frequenzen erzielen.

Nachteilig hierbei ist, dass eine derartig dimensionierte und ausgestaltete Antenne nicht für den Einsatz in Engeräten für Mobilfunkanwendungen geeignet ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher eine für Mobilfunkanwendungen geeignete Inverted-F-Antenne hoher Bandbreite anzugeben.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße planare Inverted-F-Antenne, welche einen als ein erstes Flächenstück ausgestalteten Resonanzkörper, eine als zweites Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einem Speisepunkt sowie eine als ein drittes Flächenstück ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einer Massemetallisierung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet dass das erste Flächenstück, das zweite Flächenstück und das dritte Flächenstück derart miteinander leitend verbunden sind, dass ihre Flächen parallel zu einer Ebene verlaufen, das zweite Flächenstück derart ausgestaltet ist, dass sich seine Fläche zum Speisepunkt hin verjüngt.

Durch das Verjüngen des zweiten Flächenstückes wird eine hohe Bandbreite der Antenne gewährleistet, da am Speisepunkt eingekoppelte elektromagnetische Wellen zwischen Massemetallisierung und Resonanzkörper nach außen geführt werden, so dass sich die elektromagnetischen Wellen von der Antenne trennt, wenn eine Wellenlänge von λ/4 erreicht wird, da die elektromagnetischen Wellen dann geschlossene Verläufe bilden, wobei ein Freiheitsgrad bezüglich einer gewählten Form und Dimensionierung des, insbesondere rechteckig geformten, ersten Flächenstücks und dritten Flächenstücks eine einfache Einstellung einer Resonanzfrequenz nutzbar ist.

Unterstützt wird dieser Effekt, wenn das dritte Flächenstück derart ausgestaltet ist, dass sich seine Fläche zur Massemetallisierung oder alternativ von der Massemetallisierung weg zum ersten Flächenstück hin verjüngt.

Wird ein im wesentlichen als Rechteck ausgestalteter Abschnitt zwischen dem zweiten Flächenstück und dem dritten Flächenstück platziert, so lässt sich eine Optimierung bzw. Anpassung der Antenne, insbesondere an einen 50 Ohm Widerstand, für den Einsatz einfach durch Variation der Breite des Abschnitts, d. h. des Abstandes zwischen zweitem Flächenstück und drittem Flächenstück realisieren, wobei um ein Verengen oder Verbreitern des Abschnitts zu erzielen, gleichzeitig die Breite des dritten Flächenstücks variiert wird.

Sind das zweite Flächenstück, dritte Flächenstück oder vierte Flächenstück im wesentlichen als Dreieck ausgestaltet, verjüngt sich deren Fläche ausgehend jeweils von einer geraden Dreieckseite im Wesentlichen gleichmäßig, so das elektromagnetische Wellen gleichmäßig geführt werden, wobei zudem durch Wahl eines Winkels der durch jeweils eine der Seiten des Dreiecks und der Massemetallisierung eingeschlossen wird die zu erzielende Bandbreite erhöht werden kann. Des Weiteren ist ein Dreieck eine einfache Geometrie, welche das Aufstellen eines mathematischen Modells (Modellierung) zur Simulation und Optimierung der Antenne vereinfacht.

Bilden das erste Flächenstück und das zweite Flächenstück gemeinsam ein Dreieck, welches derart ausgestaltet ist, dass ein Eckpunkt als Speisepunkt dient, ergeben sich keine Unstetigkeiten beim Übergang der elektromagnetischen Wellen von der leitenden Verbindung (zweites Flächenstück) zum Resonanzkörper (erstes Flächenstück).

Weist das Dreieck zumindest eine konkave und/oder zumindest eine konvexe Dreiecksseite auf, sind durch die Wahl der Funktion mit durch die sich eine konvexe oder konkave Wölbung einstellt weitere Freiheitsgrade zur Optimierung bzw. Anpassung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit recheckigem Masseanschlussarm und im Wesentlichen dreiecksförmiger Flächenstruktur aus Antennenarm und Speisearm
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit einem rechteckigen Zwischenstück zwischen rechteckigem Masseanschlussarm und im Wesentlichen dreiecksförmiger Flächenstruktur aus Antennenarm und Speisearm
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit rechteckigem Masseanschluss- und Antennenarm sowie dreiecksförmigem Speisearm
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit rechteckigem Antennenarm sowie dreiecksförmigem Speise- und Masseanschlussarm
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit rechteckigem Antennenarm sowie dreiecksförmigem Speise- und um 180° gedrehtem Masseanschlussarm
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit konkav geformten Speise- und Masseanschlussarm
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Inverted-F-Antenne mit konvex geformten Speise- und Masseanschlussarm
Fig. 8 einen gemessenen Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors für einen Einsatz der in Fig. 1 dargestellten Antenne im UMTS und Bluetooth-Frequenzband
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne A dargestellt, wie sie auf einer Leiterplatte strukturiert ist. Bei dieser neuen Antennen-Form sind ein Speisebein SS und ein Antennenarm AA jeweils als eine dreiecksförmigen Struktur ausgestaltet, wobei die beiden Strukturen AA, SS derart elektrisch leitend verbunden sind, dass eine ihrer Dreiecksseiten auf ganzer Länge elektrisch leitend verschmelzen und somit eine zusammenhängende viereckige Fläche AA, SS erzeugt wird, was in der Darstellung durch die gestrichelte Darstellung der gemeinsamen Dreieckseite zur Geltung kommt.
Diese Fläche wirkt aber im Wesentlichen dreiecksförmig, da die Dreiecksform des Speisebeins SS dominiert und eine Seite des entstehenden Vierecks AA, SS, welche eine elektrisch leitende Verbindung zu einen Masseanschlussarm AS aufweist, im Verhältnis zu den anderen Seiten deutlich kürzer ist.
Der Masseanschlussarm AS der Antenne A ist als rechteckige Fläche auf der Leiterplatte strukturiert und weist neben der Verbindung zur gemeinsamen Fläche des Speisebeins SS und des Antennenarms AA auch eine elektrisch leitende Verbindung zu einer Massefläche MASSE mit der ein Masseanschluss der Antenne A realisiert wird.
Als Speisepunkt SP der Antenne A dient eine Spitze SP des Speisarms SS, die sich am Ende zweier zur Massefläche MASSE hin zulaufenden Seiten des Speisearms SP in einer Distanz zur Massefläche MASSE, d. h. ohne Verbindung zu ihr, befindet, wobei die Distanz einen, beispielsweise in Simulationen ermittelten, Wert aufweist, der eine optimale Anpassung der Antenne A gewährleistet.
Um den besonderen Vorteil der zur Massefläche MASSE hin spitz zulaufenden Fläche AA, SS darzustellen, sei an dieser Stelle auf die physikalische Wirkungsweise der Struktur aus Antennenarm AA und Speisearms SS eingegangen.
Die Wirkungsweise der Struktur AA, SS liegt darin, dass am Speisepunkt SP, beispielsweise über Koaxkabel, Triplate- oder Microstripleitung, eingekoppelten elektromagnetischen Wellen zwischen der Struktur aus Speisearm SS und Antennenarm AA auf der einen Seite und der Massemetallisierung MASSE auf der anderen Seite gemäß der Darstellung nach Rechts außen geführt werden, wobei die Länge der Feldlinien mit wachsender Weglänge stetig wächst und somit instabiler werden.
Wenn die Weglänge einen durch die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ergebenden Wert von λ/4 erreicht, beginnen die Feldlinien geschlossene Verläufe zu bilden und sich somit von der Antenne A zu trennen (Abstrahlung).
D. h. durch den gemäß der Darstellung nach Rechts hin stetig größer werdenden Abstand der Dreieckseite des Speisearms SS zur Massemetallisierung MASSE ist die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen mit einem breiten Spektrum unterschiedlicher Frequenzen möglich, da mit dem größer werdenden Abstand auch viele in Frage kommenden λ/4-Wellenlängen gegeben sind.
Optimierungen der Antenneneigenschaften sind durch eine weitere Anpassung der Antenne A, welche über die Breite des Masseanschlussarms AS erfolgt, gegeben. Der Masseanschlussarm AS wird daher auch als Anpassbalken bezeichnet.
Des Weiteren lässt sich die zu erzielende Bandbreite der Antenne A über die sich ergebenden Öffnungswinkel des Dreiecks bzw. Winkel zwischen Antennenarm AA und der Massemefläche MASSE beeinflussen.
Diese Beeinflussungsmöglichkeit lässt sich jedoch nur begrenzt nutzen, da dies in der Regel auf Kosten der Anpassung erfolgt. Daher wird im Wesentlichen ein Kompromiss zwischen Anpassung und weiterer Bandbreitendsteigerung getroffen.
Des Weiteren wird in der Regel bei der Einstellung der Resonanzfrequenz darauf geachtet, dass über die Länge des Antennenarms AA in erster Linie die untere Grenzfrequenz des Frequenzbereichs festgelegt wird.
Die erwähnte Anpassung, die in der Regel auf eine Impedanz von 50 Ohm erfolgt, kann alternativ und/oder ergänzend auch über den Abstand des Masseanschlussarms AS zum Speisepunkt SP manipuliert werden.
Eine Weiterbildung mit der der Abstand zum Speisepunkt SP vergrößert werden kann ist in der Fig. 2 dargestellt.
Hierzu wird ein weiteres rechteckiges Flächenstück AB zwischen dem Masseanschlussarm AS und dem sich aus Antennenarm AA und Speisearm SS zusammensetzenden Flächenstück derart eingefügt, dass es eine elektrisch leitfähige Verbindung realisiert.
Die Anpassung erfolgt hierdurch besonders einfach dadurch, dass die Breite des rechteckigen Flächenstücks AB sowie des Masseanschlussarms AS miteinander derart manipuliert werden, dass die Position der gemäß Darstellung linken Seite des Masseanschlussarms AS unverändert bleibt, während die rechte Seite in dem Masse verringert wird mit dem das rechteckige Flächenstück verbreitert wird, wobei die Position des Speisepunktes SP ebenfalls unverändert bleibt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiels ähnelt im Wesentlichen einer Üblichen Inverted-F-Antenne A. Die Flächen des Antennenarms AA sowie des Masseanschlussarms AS sind hierbei rechteckig, während das Flächenstücks des Speisearms SS auch in dieser Variante als Dreieck ausgestaltet ist.
Auch hier lassen sich, wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen die Bandbreite über den Öffnungswinkel des Dreiecks, die Resonanzfrequenz über die Länge des Antennenarms AA und die Anpassung über die Breite des Anpassbalkens AS einstellen.
Bei den in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist auch das Flächenstück des Masseanschlussarms AS als Dreieck ausgestaltet, so dass die Bandbreite nochmals erhöht werden kann. Die dargestellten Varianten unterscheiden sich lediglich dadurch, dass das Flächenstück gemäß Fig. 4 zur Massefläche MASSE hin spitz zuläuft während es gemäß Fig. 5 zur rechteckigen Fläche des Antennenarms AA hin spitz zuläuft.
Auch hier lässt sich durch die Wahl des Winkels, die beispielsweise gestützt auf die Ergebnisse einer Kalkulation und/oder Simulation erfolgt, die zu erzielende Bandbreite beeinflussen, wobei Kombination dieser Variation mit Elementen der anderen Ausführungsbeispiele denkbar sind.
Bei den in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Öffnungswinkel nicht mehr konstant, sondern ändert sich mit der Weglänge. Dies kann, wie in Fig. 6 dargestellt, zu einer konkaven Form der entsprechenden Dreiecksseiten führen oder wie in Fig. 7 dargestellt zu einer konvexen Form der Dreieckseiten.
Alternativ und/oder ergänzend sind auch weitere Formen der Dreiecksseiten vorteilhaft einsetzbar, bei denen die Änderung des Winkels mit der Weglänge anderen mathematischen Funktionen, beispielsweise, exponentielle, quadratische, Kreisbogen etc., folgt.
Des Weiteren sind Kombinationen dieser Funktionen, beispielsweise je Dreiecksseite eigenen Funktion, denkbar.
Vorteilhaft ist hierbei, dass sich die elektromagnetischen Wellen in einer günstigeren Weise von der Antenne A ablösen.
Zudem ist hierdurch eine weitere Erhöhung der Bandbreite und ein Verkürzung der Antennelänge möglich.
In Fig. 8 ist als Messergebnis ein Eingangsreflexionsfaktor S11 der in Fig. 1 beschriebenen Antenne A' mit folgender Dimensionierung
l = 40 mm
h = 12 mm
dargestellt, wobei
l: = Summe Antennenarmlänge AA und Breite Masseanschlussarm
h: = Abstand zur Massemetallisierung MASSE
bezeichnen.
Die Antenne A wurde in diesem Fall so optimiert, dass sowohl das Bluetooth-Frequenzband (2400 MHz-2480 MHz) als auch das UMTS-Frequenzband (1885 MHz-2200 MHz) abgedeckt werden (kann problemlos auch für DECT oder GSM optimiert werden).
Für die Durchführung der Messung ist die Antenne A' am Speiseschlitz 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 Speisepunkt SP und der äußere Kabelmantel mit dem Masseanschlusspunkt durch Löten verbunden sind.
Für den Anschluss der Antenne A in dem für den Markt bestimmten Produkt wird der Speisepunkt SP beispielsweise über eine Triplate-Leitung, die unterhalb der Massemetallisierung MASSE bzw. außerhalb der als Massepotential genutzten Schirmtöpfe verläuft, an ein Funksende-/Funkempfangsmodul (Transceiver), wobei die Massemetallisierung beispielsweise durch eine Leiterbahn mit dem Transceiver verbunden ist.
An dem in der Fig. 8 dargestellten Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors S11 lässt sich auch erkennen, dass die Inverted-F-Antenne A' bei dem der Fachwelt bekannten "-10 dB- Bandbreite" bei 600 MHz liegt. D. h. eine extreme Bandbreite vorliegt.
Durch geringfügige Änderung der Form wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben können noch größere Bandbreiten erzielt werden.
Aufgrund dieser Eigenschaft kann diese Antenne z. B. in Geräten Eingesetzt werden, die nach dem neuen UMTS-Standard arbeiten und zusätzlich Bluetooth beinhalten sollen.
Würde man hierzu herkömmliche Antennen verwenden, so müsste man für beide Frequenzbänder verschiedene Antennen in einem Gerät unterbringen was einen erhöhten Kostenaufwand sowie Designnachteile zur Folge hätte.
Alleine zum Abdecken des gesamten UMTS-Frequenzbandes ist die erfindungsgemäße extrem breitbandige Antenne schon geeignet, da dies sonst mit den bisher bekannten Draht- oder Blechantennen kaum möglich ist.
Die erfindungsgemäße Breitband-Antenne A eignet sich aber auch besonders gut bei mobilen Engeräten, die unterschiedlichen Umgebungen betrieben werden, wie beispielweise einem Bluetooth-Dongle oder GSM-, DECT- oder WDCT-Mobilteile Geräten, da insbesondere, wenn sich die dielektrische Eigenschaft der umgebenden Materialien stark ändert (z. B. Metall, Holz, Benutzerkopf usw.), es zu einer starken Verstimmung der Antenne A kommt, die im Normalfall in einer Verschiebung der Resonanzfrequenz zu niedrigen Frequenzen hin resultiert.
Dies führt in der Regel dazu, dass bei einer bestimmten Umgebung die Reichweite extrem abfällt oder eine bestehende Verbindung plötzlich abbricht. Benutzt man aber eine genügend breitbandige Antenne, wie die erfindungsgemäße, so kann die Verstimmung der Antenne in gewissen Grenzen abgefangen werden.

Claims

1. Planare Inverted-F-Antenne (A) aufweisend einen als ein erstes vieleckiges Flächenstück (AA) ausgestalteten Resonanzkörper (AA), eine als zweites vieleckiges Flächenstück (SS) ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einem Speisepunkt (SP) sowie eine als ein drittes vieleckiges Flächenstück (AS) ausgestaltete elektrisch leitende Verbindung des Resonanzkörpers zu einer Massefläche (MASSE) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das erste Flächenstück (AA), das zweite Flächenstück (SS) und das dritte Flächenstück (AS) derart miteinander leitend verbunden sind, dass ihre Flächen im Wesentlichen parallel zu einer Ebene verlaufen,

b) das zweite Flächenstück (SS) derart ausgestaltet ist, dass sich ihre Fläche zum Speisepunkt (SP) hin verjüngt.

2. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Flächenstück (AS) derart ausgestaltet ist, dass sich ihre Fläche zur Massefläche (MASSE) hin verjüngt.

3. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Flächenstück (AS) derart ausgestaltet ist, dass sich ihre Fläche zur ersten Fläche (AA) hin verjüngt.

4. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen als Rechteck ausgestalteter Abschnitt (AB) zwischen dem zweiten Flächenstück (SS) und dem dritten Flächenstück (AS) angeordnet ist.

5. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flächenstück (AS), dritte Flächenstück (SS) oder vierte Flächenstück (AA, SS) im wesentlichen als Dreieck ausgestaltet sind.

6. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Flächenstück (AA) und das zweite Flächenstück (SS) gemeinsam ein Dreieck bilden, welches derart ausgestaltet ist, dass ein Eckpunkt als Speisepunkt (SP) dient.

7. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreieck zumindest eine konkave Dreiecksseite aufweist.

8. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreieck zumindest eine konvexe Dreiecksseite aufweist.

9. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreieck zumindest eine gerade Dreiecksseite aufweist.

10. Planare Inverted-F-Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Inverted-F-Antenne (A) als strukturierte Metallisierung auf einer Leiterplatte angebracht ist.