DE102006035680A1

DE102006035680A1 - Inverted F-Antenne

Info

Publication number: DE102006035680A1
Application number: DE200610035680
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg REINHEIMER; Jakob Heierli
Original assignee: REEL Reinheimer Elektronik GmbH
Current assignee: REEL Reinheimer Elektronik GmbH
Priority date: 2006-07-30
Filing date: 2006-07-30
Publication date: 2008-01-31
Also published as: WO2008014762A1

Abstract

Es wird eine "Inverted F-Antenne" (IFA) mit einem streifenförmigen Hauptstrahler (1, 1') und dazu senkrecht ausgerichteten streifenförmigen Signal- (2, 2') und Masseverbindungen (3, 3') beschrieben, bei der die Masseverbindung (3, 3') einem Ende des Hauptstrahlers (1, 1') zugeordnet und die Signalverbindung (2, 2') dazu benachbart angeordnet ist und die sich dadurch auszeichnet, daß die Antenne als einteiliges Element aus einem flachen Metallblech-Streifen gefertigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Inverted F-Antenne (IFA) mit einem streifenförmigen Hauptstrahler und dazu senkrecht ausgerichteten streifenförmigen Signal- und Masseverbindungen, wobei die Masseverbindung einem Ende des Hauptstrahlers zugeordnet und die Signalverbindung dazu benachbart angeordnet ist.
Für den Betrieb tragbarer Telefon- und Navigationsgeräte werden besonders kleine und kompakte Antennen benötigt, die in ihrer Empfangs- und Sendeempfindlichkeit möglichst unbeeinflußt von Änderungen in der Ausrichtung der Geräte sind und auf die benötigten Frequenzen gut abstimmbar sind.
Die IFA ist bekannt als eine im Kurzschluß betriebene umgekehrte L-Antenne mit offenem stabförmigem Hauptstrahler. Der Hauptstrahler wird parallel zur Massebezugsfläche ausgerichtet. Über den L-Schenkel wird das Signal durch die Massebezugsfläche isoliert hindurchgeführt. Der Hauptstrahler wird über den abgehenden L-Schenkel hinaus verlängert und über einen weiteren Schenkel im Kurzschluß mit der Massebezugsfläche verbunden. Die gesamte Anordung gleicht damit einem umgekehrten F. Die Gesamtlänge L des Hauptstrahlers ist auf die Sende-/Empfangsfrequenz abgestimmt. Der Abstand H des Hauptstrahlers zur Massebezugsfläche und die Länge L bestimmen die Eingangsimpedanz der Antenne. Über den Abstand S zwischen den beiden F-Schenkeln kann die Impedanz abgestimmt werden.
Die Dimensionierung der IFA kann mit Hilfe bekannter Rechenprogramme ermittelt werden. Für den Anwendungsbereich der üblichen Kommunikationsfrequenzen von 824 bis 894 MHz und der zivilen GPS-Frequenz von 1575 MHz. Ergeben sich sehr kompakte Abmessungen. Ein Nachteil der stabförmigen IFA ist ihre geringe Bandbreite.
Eine Steigerung der Bandbreite und der Strahlungseffektivität wird durch eine planare Ausbildung des Hauptstrahlers parallel zur Massebezugsfläche erreicht. Der Kurzschluß zur Massebezugsfläche wird über eine streifenförmige Verbindung hergestellt. Die Signalleitung wird an einer geeigneten Stelle mit der planaren Fläche verbunden. Die Größe und die Form der Antennenplatte, ihr Abstand zur Massebezugsfläche, die Form und Anordnung der Masseverbindung und die Lage des Signalverbindungspunktes haben wesentlichen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der planaren IFA. Ihre Dimensionierung und Konstruktion ist daher wesentlich komplexer als bei der stabförmigen IFA.
Für Entwicklungsaufgaben ist eine IFA bekannt, die aus streifenförmigen Leiterbahnen auf einem Epoxidharz-Trägermaterial besteht. Die Leiterbahren liegen am Rand einer Platine neben der Massebezugsfläche. Die Grundfläche der Antenne mit den elektronischen Elementen für die Signalbearbeitung ist daher größer. Eine nachträgliche Abstimmung der geometrischen Einflußgrößen ist nicht möglich.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu fertigende, nachträglich abstimmbare IFA mit omnidirektional konstanter Sende-/Empfangsleistung anzugeben, die platzsparend und ohne aufwändige Justierung mit der Massebezugsfläche und der Signalleitung auf einer Platine verbunden werden kann. Die Anordnung der IFA auf der Platine sollte eine Anpassung der Raumform an bestimmte Gehäuseformen ermöglichen und insbesondere bei handgehaltenen Geräten unabhängig von deren Ausrichtung eine weitgehend konstante Empfangsleistung sicherstellen.
Diese Aufgabe wird bei einer Antenne der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antenne als einteiliges Element aus einem flachen Metallblech-Streifen gefertigt ist. Die Fußpunkte der Signal und Masseverbindungen sind zweckmäßigerweise mit nasenförmigen Vorsprüngen zum Einsetzen in Lötaugen einer Platine versehen. Die Anordnung der Antenne auf einer Platine mit Massebezugsfläche und elektronischen Elementen zur Signalbearbeitung erfolgt in der Weise, daß die Fläche des Hauptstrahlers senkrecht zur Massebezugsfläche ausgerichtet ist. In besonders vorteilhafter Weise werden zwei im Winkel zueinander stehende Antennen vorgesehen, deren Signalverbindungen im Verhältnis zur Resonanzwellenlänge der Antenne nahe beieinander stehen und mit einem Signalvereiniger verbunden sind. Der Winkel beträgt vorzugsweise 90°. Die Fläche des Hauptstrahlers kann in Längsrichtung auch gebogen sein.
Die Fertigung des Antennenelementes als einteiliges Element ermöglicht ein geschlossenes geometrisches Design unter Anwendung bekannter Simulations-Rechenprogramme. Die geometrischen Daten können direkt in eine CAD-gesteuerte Fertigungsanlage übertragen werden. Ein flacher Metallblech-Streifen kann sowohl mit Hilfe einer Laserschneidmaschine in der gewünschten Form ausgeschnitten oder die Form in einer Ätzanlage hergestellt werden. Für die Massenherstellung sind auch Stanzverfahren möglich. Die Wahl des Metalles kann den verschiedenen Herstellverfahren angepaßt werden.
Das fertige Antennenelement hat eine für die Handhabung zum Einbau und beim Betrieb günstige Steifigkeit. Da die Betriebsparameter von den geometrischen Dimensionen des Antennenelements abhängen, können diese nachträglich z.B. durch Schleifen, Fräsen, Feilen oder ähnliches nachgearbeitet werden. Die nasenförmigen Vorsprünge an den Fußpunkten können zur Montage in dafür vorgesehene Lötaugen in einer Platine eingesetzt werden. Dafür können sowohl Bestückungsroboter als auch ungeübte Hilfskräfte eingesetzt werden.
Die einstückige Form des Antennenelements mit den Einsetznasen ist der vorgesehenen Betriebsweise der Antenne mit Ausrichtung ihrer Fläche senkrecht zur Massebezugsfläche angepaßt. Diese Lösung steht im Gegensatz zu den bekannten Erfahrungen, nach denen die Fläche des Hauptstrahlers parallel zur Massebezugsfläche auszurichten ist, wenn eine Leistungssteigerung erreicht werden soll. In überraschender Weise hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere bei handgehaltenen Geräten mit wechselnder Ausrichtung des Gerätes und damit der Antenne im Raum eine weitgehend konstante Empfangsleistung erreicht werden kann.
Dieser Effekt kann damit erklärt werden, daß für im wesentlichen im Zenit stehende Sender bei waagerechter Ausrichtung des Empfangsgerätes die Dicke des Antennenstreifens wie eine herkömmliche stabförmige IFA wirkt. Bei zunehmender Neigung des Gerätes vergrößert sich die zum Zenit ausgerichtete effektive Dicke, so daß die erfindungsgemäße Antenne wie eine IFA mit kontinuierlich veränderbarem Stabdurchmesser arbeitet.
Für im wesentlichen im Horizont stehende Sender und waagerechte Ausrichtung des Gerätes ist die Breite des Antennenstreifens für die Empfangsleistung bestimmend. Da in diesem Fall der effektive Stabdurchmesser einer äquivalenten stabförmigen IFA bei zunehmender Neigung des Gerätes abnimmt, ergibt sich eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung für den GPS-Empfang.
Bei handgehaltenen Geräten mit waagerecht liegenden stabförmigen Antennen ist zu beobachten, daß die Empfangsleistung bei einer Drehung um die zur waagerechten Ausrichtung senkrechte Achse mit zunehmender Abkehr vom Ort des Senders abnimmt. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Antennenform hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß zwei gleiche Antennen im Winkel zueinander auf der Platine aufgestellt werden können, wenn darauf geachtet wird, daß ihre Signalverbindungen im Verhältnis zur Resonanzwellenlänge der Antennen nahe beieinander stehen. Da der Abstand zwischen dem Massekurzschluß und der Signaleinspeisung bei einer IFA üblicherweise wesentlich kleiner als die Länge des Hauptstrahlers ist, wird die vorgenannte Bedingung ohne weiteres erfüllt, wenn die freien Enden des Hauptstrahlers die Schenkel des Winkels zwischen den beiden Antennen bilden. Bei dieser Anordnung hat sich ergeben, daß die beiden Antennen sich wie eine einzige Antenne verhalten, wenn ihre Signalverbindungen über einen Signalvereiniger verbunden werden. Die bei einer Drehung entstehende Verringerung der Empfangsleistung der einen Antenne wird durch eine entsprechende Steigerung der Empfangsleistung der anderen Antenne ergänzt. Die üblicherweise bei der Zusammenschaltung von Antennen auftretenden Interferenzen der Signale durch Phasenverschiebungen sind nicht zu beobachten.
Die Rundumwirkung der neuen Antennen kann noch dadurch verbessert werden, daß die Flächen des Hauptstrahlers in Längsrichtung gebogen werden. Dies ermöglicht zusätzlich eine Anpassung der Antennenanordnung an zylindrische Gehäusedeckel, wie sie z.B. bei Empfangsgeräten zur Montage auf Fahrzeugen verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne und der Anordnung auf einer Platine sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen
1 eine Ansicht der Antenne und
2 eine Anordnung von zwei im Winkel zueinander stehenden Antennen auf einer Platine.
1 zeigt in einer Ansicht eine aus einem flachen Metallblech-Streifen einstückig gefertigte IFA mit Hauptstrahler 1, Signalverbindung 2 und Masseverbindung 3. An den Fußpunkten der Signalverbindung 2 und der Masseverbindung 3 sind nasenförmige Vorsprünge 4, 4' vorgesehen. Die üblichen geometrischen Einflußgrößen L, H und S sind angegeben. Die Höhe H ist auf eine Massebezugsfläche 5 bezogen. Die Länge L entspricht einem Viertel der Resonanzwellenlänge der Antenne.
2 zeigt die Anordnung von zwei im rechten Winkel zueinander und senkrecht auf einer Platine 6 mit Massebezugsfläche 5 stehende Antennen 1, 1'. Die Signalverbindungen 2, 2' stehen nahe beieinander und werden über Leiterbahnen an einen Signalvereiniger 7 geführt. Anstelle der gestreckten Ausrichtung der Hauptstrahler 1, 1' können diese auch in Längsrichtung gebogen sein.

1,1': Hauptstrahler
2,2': Signalverbindung
3,3': Masseverbindung
4,4': nasenförmige Vorsprünge
5: Massebezugsfläche
6: Platine
7: Signalvereiniger
L: Gesamtlänge Hauptstrahler
H: Abstand des Hauptstrahlers zur Massebezugsfläche
S: Abstand Signalverbindung und Masseverbindung

Claims

Inverted F-Antenne (IFA) mit einem streifenförmigen Hauptstrahler (1, 1') und dazu senkrecht ausgerichteten streifenförmigen Signal- (2, 2') und Masseverbindungen (3, 3'), wobei die Masseverbindung (3, 3') einem Ende des Hauptstrahlers (1, 1') zugeordnet und die Signalverbindung (2, 2') dazu benachbart angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne als einteiliges Element aus einem flachen Metallblech-Streifen gefertigt ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunkte der Signal- (2, 2') und Masseverbindungen (3, 3') mit nasenförmigen Vorsprüngen (4, 4') zum Einsetzen in Lötaugen einer Platine (6) versehen sind.
Anordnung einer Antenne nach den Ansprüchen 1 oder 2 auf einer Platine (6) mit Massebezugsfläche (5) und elektronischen Elementen zur Signalbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Hauptstrahlers (1, 1') senkrecht zur Massebezugsfläche (5) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Winkel zueinander stehende Antennen vorgesehen sind, deren Signalverbindungen im Verhältnis zur Resonanzwellenlänge der Antennen nahe beieinander stehen und mit einem Signalvereiniger (7) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 90° beträgt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Hauptstrahlers (1, 1') in Längsrichtung gekrümmt ist.