DE102005053511A1

DE102005053511A1 - Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät

Info

Publication number: DE102005053511A1
Application number: DE102005053511A
Authority: DE
Original assignee: BenQ Mobile GmbH and Co OHG
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät, mit einer internen Antenne (A) und einer elektrischen Schaltkreisplatine (P), die eine Masseebene für die interne Antenne (A) bildet, wobei an einem Ende der elektrischen Schaltkreisplatine (P) mit dieser elektrisch verbunden ein mäanderförmiges Antennenelement (M) vorgesehen ist, das derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es bei Anregung der internen Antenne (A) eine eigene Resonanzfrequenz zeigt und eine elektrische Verlängerung der elektrischen Schaltkreisplatine (P) erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät, mit einer internen Antenne und einer elektrischen Schaltkreisplatine, die eine Masseebene für die interne Antenne bildet.
Ein mobiles Kommunikationsendgerät, wie ein Mobiltelefon, benötigt mindestens eine Antenne, um Funksignale auszusenden und zu empfangen. Eine besonders verbreitete Ausführungsform von Antennen für Mobiltelefone ist eine interne Antenne, da sie einfach in ein Gehäuse des Mobiltelefons integriert werden kann. Sie wird typischer Weise über einer Masseebene einer elektrischen Schaltkreisplatine des Mobiltelefons angeordnet.

Bekannter Weise wird eine Bandbreite einer internen Antenne erheblich in niederfrequenten Bändern von GSM-Standards vermindert, wenn die Länge des Mobiltelefons oder auch eines anderen mobilen Kommunikationsendgerätes abnimmt. Dabei hat eine Länge der elektrischen Schaltkreisplatine, welche die Masseebene bereitstellt, einen starken Einfluss auf eine Stromverteilung und damit auf eine Betriebsbandbreite der internen Antenne. Beispielsweise wird eine Bandbreite einer internen Antenne um einen Faktor von 2 bis 3 für das GSM-900-Band vermindert, wenn die Länge der elektrischen Schaltkreisplatine von 120 mm auf 80 mm abnimmt. Dies verdeutlicht, dass die Länge der elektrischen Schaltkreisplatine, genauer gesagt deren Masseebene, ein sehr kritischer Faktor für die Anwendung einer internen Antenne für kleine mobile Kommunikationsendgeräte ist, und zwar in Bezug auf deren Betriebsbandbreite.

Zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Betriebsbandbreite ist es bekannt, interne Antennen mit einem großen Antennenvolumen einzusetzen. Dies führt zu einem großen Abstand zwischen der Antenne und der elektrischen Schaltkreisplatine bei dem Anwendungsbeispiel eines Mobiltelefons. Diese Vorgehensweise wird angesichts des großen erforderlichen Volumens für die Auslegung kleiner Mobiltelefone unattraktiv.

Ein anderer Ansatz zur Bereitstellung einer geeigneten Betriebsbandbreite ist der Einsatz eingebetteter Monopol-Antennen. Da eine Masseebene, bereitgestellt von einer elektrischen Schaltkreisplatine, nicht parallel zu der Monopol-Antenne angeordnet werden kann, ergeben sich sehr starke elektromagnetische Streufelder.

Auch die Verbindung eines zusätzlichen leitfähigen Elementes mit der elektrischen Schaltkreisplatine zur Erhöhung der Bandbreite ist bekannt (WO 2003/067702 A2).

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät anzugeben, bei der auch für kleindimensionierte Kommunikationsendgeräte eine geeignete Betriebsbandbreite gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Antennenanordnung dadurch gelöst, dass an einem Ende der elektrischen Schaltkreisplatine mit dieser elektrisch verbunden ein mäanderförmiges Antennenelement vorgesehen ist, das derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es bei Anregung der internen Antenne eine eigene Resonanzfrequenz zeigt und eine elektrische Verlängerung der elektrischen Schaltkreisplatine bewirkt.

Der Einsatz des mäanderförmigen Antennenelementes, das auch als parasitäres Element bezeichnet werden kann, ermöglicht eine Erhöhung der Bandbreite der Antennenanordnung insgesamt, wenn beispielsweise die eigene Resonanzfrequenz des mäanderförmigen Antennenelementes in einem Frequenzbereich liegt, der von der Antennenanordnung unterstützt werden soll.

In dieser Weise ist es möglich, dass sich die Frequenzspektren der internen Antenne, die mit der Masseebene zusammenwirkt, und des vorgesehenen mäanderförmigen Antennenelementes aneinander anschließen, so dass insgesamt ein breitbandigeres Frequenzspektrum abgedeckt werden kann.

Aufgrund der zweiten Funktion des mäanderförmigen Antennenelementes, nämlich der elektrischen Verlängerung der elektrischen Schaltkreisplatine, insbesondere deren Massefläche, ergibt sich ebenfalls eine Verbreiterung eines unterstützten Sendefrequenzspektrums, wenn die interne Antenne mit Hilfe einer geeigneten und im Stand der Technik bekannten HF-Treiberschaltung angeregt wird.

Das mäanderförmige Antennenelement kann in einem Mindestabstand von 1 mm gegenüber der elektrischen Schaltkreisplatine angeordnet werden. Zweck dieser Vorgehensweise ist eine ausreichende elektrische Entkopplung des mäanderförmigen Antennenelementes, so dass es eine eigene Resonanzfrequenz zeigen kann.

Ebenfalls zur elektrischen Entkopplung des mäanderförmigen Antennenelementes von der elektrischen Schaltkreisplatine kann die Maßnahme dienen, das Antennenelement im Wesentlichen senkrecht zu der elektrischen Schaltkreisplatine anzuordnen.

Vorteilhafter Weise kann die interne Antenne oberhalb der elektrischen Schaltkreisplatine an einem Ende angeordnet sein, das dem Ende gegenüberliegt, an dem das mäanderförmige Antennenelement vorgesehen ist. Diese relative Anordnung der Komponenten interne Antenne, elektrische Schaltkreisplatine und mäanderförmiges Antennenelement hat sich als besonders günstig erwiesen.

Die interne Antenne kann als Dual- oder Tribandantenne ausgeführt sein, die einen Mobilfunkbetrieb auf einem niedrigeren Frequenzband (GSM 900) und einem höheren Frequenzband (PCN, 1800; PCS 1900) unterstützt, wobei dann das mäanderförmige Antenneelement eine Resonanzfrequenz aufweist, die in einem Bereich des niedrigeren Frequenzbandes liegt.

Das niedrigere Frequenzband kann dabei beispielsweise das GSM-900-Band sein, das aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung des mäanderförmigen des mäanderförmigen Antennenelementes derart verbreitert werden kann, dass es mit ausreichender Betriebsbandbreite unterstützt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische, vereinfachte Ansicht einer Antennenanordnung,
2 eine Draufsicht eines mäanderförmigen Antennenelementes zur Verwendung bei der Antennenanordnung von 1,
3 eine Draufsicht einer internen Antenne zur Verwendung bei der Antennenanordnung von 1,
4 eine Draufsicht eines weiteren mäanderförmigen Antennenelementes zur Verwendung bei der Antennenanordnung nach 1, und
5 einen Frequenzverlauf eines Betrages eines Reflexionskoeffizienten S₁₁ für die Antennenanordnung nach 1.
Die in 1 gezeigte Antennenanordnung weist eine elektrische Schaltkreisplatine P auf, welche eine Masseebene für eine interne Antenne A der Antennenanordnung bildet. Im Einzelnen wird die Masseebene von der typischerweise bei elektrischen Schaltkreisplatinen vorhandenen Masseschicht gebildet. Die interne Antenne A ist im Bereich einer kurzen Seite der rechteckigen elektrischen Schaltkreisplatine P oberhalb derselben angeordnet und kann im Wege einer PIFA-Antennenstruktur realisiert sein. Die interne Antenne A wird zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung von einer HF-Treiberschaltung (nicht dargestellt) gespeist und leitet empfangene Funksignale an eine geeignete Signalverarbeitung weiter.
An der anderen kurzen Seite der elektrischen Schaltkreisplatine P ist ein mäanderförmiges Antennenelement M vorgesehen, dessen nähere Struktur aus den später erläuterten 2 und 4 hervorgeht. Das mäanderförmige Antennenelement M ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene angeordnet, die von der elektrischen Schaltkreisplatine P festgelegt ist. Das mäanderförmige Antennenelement M ist elektrisch mit der elektrischen Schaltkreisplatine P verbunden. Es befindet sich außerdem in einem Abstand von dem Rand der elektrischen Schaltkreisplatine P, so dass eine derartige elektromagnetische Entkopplung zwischen dem mäanderförmigen Antennenelement M und der elektrischen Schaltkreisplatine, insbesondere deren Massefläche, realisiert wird, dass das mäanderförmige Antennenelement M eine eigene Resonanzfrequenz ausbilden kann, wenn die interne Antenne A angeregt wird. Auch die senkrechte Anordnung zwischen dem mäanderförmigen Antennenelement M und der elektrischen Schaltkreisplatine P trägt zur elektromagnetischen Entkopplung zwischen diesen beiden Elementen bei.
In der 1 ist außerdem eine Batterie B dargestellt, die zwischen dem mäanderförmigen Antennenelement M und der internen Antenne A untergebracht werden kann.
Das mäanderförmige Antennenelement M hat eine Resonanzfrequenz in einem niedrigeren Frequenzband der internen Antenne A, die im vorgestellten Ausführungsbeispiel als Dualbandantenne mit einer Struktur, wie in 3 gezeigt, ausgeführt sein kann.
Aufgrund der Frequenzlage der Resonanzfrequenz wird ein Strom in der Massefläche der elektrischen Schaltkreisplatine P effektiv in das mäanderförmige Antennenelement M im niedrigeren Frequenzband eingekoppelt. In diesem Fall hat das mäanderförmige Antennenelement M die gewünschten zwei Funktionen, nämlich das Generieren der zusätzlichen Resonanzfrequenz im niedrigeren Frequenzband der internen Antenne A und die Verlängerung der effektiven elektrischen Länge der elektrischen Schaltkreisplatine P. Beide Effekte erhöhen eine Betriebsbandbreite der internen Antenne A im niedrigeren Frequenzband.
Es ergibt sich daher der Vorteil, dass die Bandbreite der Antenne im niedrigeren Frequenzband ohne Erhöhung eines Antennenvolumens zunehmen kann. Die Antennenanordnung insgesamt hat zwei Resonanzfrequenzen im niedrigeren Frequenzband, die sich zum Verbreitern der Bandbreite aneinander anschließen.
Eine mögliche Struktur des mäanderförmigen Antennenelements M geht aus 2 hervor. Auf einem typischerweise aus Kunststoff bestehenden Träger T ist das mäanderförmige Antennenelement M in Form einer elektrischen Leitung angeordnet. Alternativ könnte das mäanderförmige Antennenelement M auch an einem Gehäuse eines mit der Antennenanordnung ausgestatteten Mobiltelefons angebracht sein.
Eine Ausführungsform der internen Antenne A geht aus 3 hervor. Diese Ausführungsform realisiert eine Tribandantenne mit einer ersten Breite W1 = 15 mm, einer zweiten Breite W2 = 21 mm, einer Gesamtbreite W3 = 40 mm und einer Höhe H = 20 mm. Bei einem typischen Abstand zwischen der internen Antenne A und der Masseebene der elektrischen Schaltkreisplatine P von 6,5 mm ergibt sich ein Antennenvolumen von etwa 5,2 cm³.
Eine anhand von 4 veranschaulichte Ausführungsform des mäanderförmigen Antennenelements M zeichnet sich durch folgende Abmessungen aus: Die Länge L1 beträgt 138 mm, die Breite B1 beträgt 1 mm. Eine von dem mäanderförmigen Antennenelement M aufgespannte Fläche hat eine Länge L1 von 38 mm und eine Breite B1 von 7 mm, während ein jeweiliger Spalt zwischen benachbarten Abschnitten des mäanderförmigen Antennenelementes M 1 mm breit ist. Angesichts dieser geringen Breite ergibt es sich, dass das mäanderförmige Antennenelement M äußerst platzsparend innerhalb eines Gehäuses eines Mobiltelefons untergebracht werden kann, insbesondere wenn es im Wesentlichen senkrecht zu der elektrischen Schaltkreisplatine P steht.
In 5 ist nun der Frequenzverlauf des Betrages des Reflexionskoeffizienten S₁₁ dargestellt, und zwar für die Antennenstruktur nach 1, wobei von einer Größe der Schaltkreisplatine von 75 mm Länge und 40 mm Breite ausgegangen worden ist. Dabei zeigt die durchgezogene Kurve in der 5 den Frequenzverlauf einer Antennenanordnung mit der internen Antenne A und dem mäanderförmigen Antennenelement M. Zum Vergleich ist mittels gestrichelter Linie der Frequenzverlauf für die interne Antenne A allein gezeigt. Die einschlägigen Frequenzbänder für GSM-900, PCN und PCS sind in der 5 ebenfalls dargestellt, und zwar mit Hilfe strichpunktierter Linien entsprechend der Legende der 5.
Im hochfrequenten Mobilfunkband bei 1800 (PCN) bzw. 1900 (PCS) MHz zeigt sich durch die Zuschaltung des mäanderförmigen Antennenelementes M eine leichte Verschiebung ins Hochfrequente, so dass beide hochfrequenten Frequenzbänder von der Antennenanordnung mit interner Antenne A und mäanderförmigem Antennenelement M unterstützt werden können. Im niedrigerfrequenten GSM-Frequenzband bei 900 MHz ergibt sich eine Verbreiterung der Betriebsbandbreite, wobei auf der hochfrequenten Seite des Bandes eine einzelne Resonanz zu sehen ist, die von dem mäanderförmigen Element M herrührt.
Für das GSM-900-Band hat die Antennenanordnung insgesamt eine Bandbreite von 92 MHz, während die interne Antenne A allein lediglich eine Bandbreite von 48 MHz zeigt. Dies bedeutet eine Zunahme der Betriebsbandbreite um etwa 90 % im niedrigeren Frequenzband. Die Antennenanordnung insgesamt ist somit eine Triband-Antenne und erfüllt die Erfordernisse für GSM-900, PCN 1800 und PCS 1900 für sehr kleine mobile Kommunikationsendgeräte, insbesondere Mobiltelefone.

Claims

Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät, mit einer internen Antenne (A) und einer elektrischen Schaltkreisplatine (P), die eine Masseebene für die interne Antenne (A) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der elektrischen Schaltkreisplatine (P) mit dieser elektrisch verbunden ein mäanderförmiges Antennenelement (M) vorgesehen ist, das derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es bei Anregung der internen Antenne (A) eine eigene Resonanzfrequenz zeigt und eine elektrische Verlängerung der elektrischen Schaltkreisplatine (P) bewirkt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mäanderförmige Antennenelement (M) einen Mindestabstand von 1 mm einhält.
Antennenanordnung nach einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mäanderförmige Antennenelement (M) im Wesentlichen senkrecht zu der elektrischen Schaltkreisplatine (P) angeordnet ist.
Antennenanordnung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antenne (A) oberhalb der elektrischen Schaltkreisplatine (P) an einem Ende angeordnet ist, das dem Ende gegenüber liegt, an dem das mäanderförmige Antennenelement (M) vorgesehen ist.
Antennenanordnung nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antenne (A) als Dual- oder Tribandantenne ausgeführt ist, die einen Mobilfunkbetrieb auf einem niedrigeren Frequenzband und einem höheren Frequenzband unterstützt, und das mäanderförmige Antennenelement (M) eine Resonanzfrequenz aufweist, die in einem Bereich des niedrigerfrequenten Frequenzbandes liegt.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mäanderförmige Antennenelement auf einem gesonderten Kunststoffträger (T) angeordnet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mäanderförmige Antennenelement (A) auf einem Gehäuseabschnitt eines Kommunikationsendgerätes angeordnet ist.