DE102006058934A1

DE102006058934A1 - Antennenvorrichtung und mobile Datenübertragungseinrichtung, welche diese verwendet

Info

Publication number: DE102006058934A1
Application number: DE102006058934A
Authority: DE
Inventors: Shyh-Tirng Fang; Meng-Hann Shieh
Original assignee: MediaTek Inc
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2007-08-30
Also published as: US20070194995A1; CN101026262A; TW200733484A; BRPI0700451B1; CN101026262B; US7633446B2; AR059877A1; BRPI0700451A; TWI320612B; MX2007002143A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung mit einer Antenneneinheit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge ist. Die Antenneneinheit, die auf einer ersten Ebene ausgebildet ist, kann ausgelegt werden, um eine erste Distanz und einen ersten Winkel in Bezug zu einer Masseebene der Antennenvorrichtung einzustellen, um eine Impedanzanpassung zwischen der Antenneneinheit und einem mit der Antenneneinheit verbundenen Datenübertragungsmodul abzustimmen und zu verbessern. Eine mobile Datenübertragungseinrichtung, welche die Antennenvorrichtung verwendet, wird ebenfalls offenbart.

Description

Diese Anmeldung beansprucht sämtliche Vorteile und die Priorität der US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/775,575, angemeldet am 22. Februar 2006, mit dem Titel „An electrically small antenna apparatus" (Kleine elektrische Antennenvorrichtung), Erfinder FANG, sowie der US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/780,007, angemeldet am 7. März 2006, mit dem Titel „An electrically small antenna apparatus" (Kleine elektrische Antennenvorrichtung), Erfinder FANG, und beinhaltet den gesamten Inhalt dieser Anmeldungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung, die eine Antenneneinheit verwendet, deren Länger kürzer ist als ein Viertel der Sende- oder Empfangswellenlänge, sowie ein mobiles Datenübertragungsgerät, welches selbige verwendet.

Beschreibung des verwandten Stands der Technik

Die Zielsetzungen beim Design von persönlichen mobilen Datenübertragungseinrichtungen bzw. -geräten oder drahtlosen Datenendgeräten ist auf geringes Gewicht, flache Auslegung, kompaktes Profil und gute Datenübertragungsqualität fokussiert. Mobiltelefone stellen beispielsweise kleine, zielgerichtet ausgelegte Modelle mit mehreren Funktionen und Anwendungen zu geringen Kosten dar.

Ein drahtloses Datenübertragungsgerät benötigt mehr als eine Antenne, so dass mehrere Datenübertragungssysteme integriert und angewendet werden können. Folglich stellt dies einen Gesichtspunkt beim Design und ein wichtiges Problem dar. die Antennen in dem drahtlosen Datenübertragungsgerät anzuordnen und die Abmessungen der Antennen festzulegen. In Mobiltelefonen bzw. Handys können GSM-Systeme mit 850/900/1800/1900 MHz, ein WCDMA- oder CDMA2000-System, ein Bluetooth-System und ein drahtloses LAN mit 2400 oder 5200/5800 MHz in ein einzelnes Mobiltelefon integriert sein, was mehr als 3 Antennen erfordert. Glücklicherweise werden GSM-, WCDMA-, CDMA2000-, Bluetooth- und WLAN-Systeme sämtliche in dem Frequenzband oberhalb 1 GHz betrieben, so dass die erforderlichen Antennen in dem Mobiltelefon mir großem Aufwand dadurch ausgelegt werden können, dass die Antennen basierend auf einer 1/4-Wellenlängenantenne ausgelegt werden.

Es ist jedoch schwierig, in ein einzelnes drahtloses Datenübertragungsgerät, beispielsweise ein Mobiltelefon, zusätzliche drahtlose Datenübertragungssysteme zu integrieren, beispielsweise ein HF-, VHF- oder UHF-System, das in dem Frequenzband unterhalb von 1 GHz betrieben wird, weil die Abmessung der Antenne für ein HF-, VHF- oder UHF-System zu groß ist, um in dem Mobiltelefon angeordnet zu werden, wenn diese als 1/4 Wellenlängenantenne ausgelegt wird. Hersteller ordnen entweder die HF-, VHF- oder UHF-Antenne außerhalb des Gehäuses des Mobiltelefons an oder vergrößern die Abmessungen des Mobiltelefons, um die HF-, VHF- oder UHF-Antenne mit einzuhäusen, weshalb das elegante Profil bzw. äußere Erscheinungsbild des Mobiltelefons beeinträchtigt wird und die Herstellungskosten erhöht werden. FM-Funksysteme werden in dem Frequenzbereich von etwa 88 bis 108 MHz innerhalb des VHF-Bands betrieben. Externe Ohrhörer sind erforderlich, um als Antennen für deren Empfang zu dienen, wenn FM-Funksysteme in Mobiltelefonen bereitgestellt werden. Es ist jedoch für die Nutzer unhandlich, die Ohrhörer vorzubereiten, um einem FM-Funk zuzuhören.

Die 1 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm einer Antennenvorrichtung mit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge ist, welche von dem US-Patent US 6,970,140 offenbart wird. Die Antennenvorrichtung 100 umfasst eine Antenneneinheit 11, einen Widerstand 12 und eine Abstimmungsschaltung 13, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Allgemein ist der Realteil der Eingangsimpedanz (d.h. des Eingangswiderstands) der Antenneneinheit 11 sehr klein und kleiner als der Realteil der Eingangsimpedanz einer Schaltungseinheit 14. Folglich kann eine Impedanzanpassung (unter Verwendung nur der Abstimmungsschaltung 13) den Eingangswiderstand der Antenneneinheit 11 nicht erhöhen, so dass dieser gleich dem Eingangswiderstand der Schaltungseinheit 14 ist. Um dieses Problem zu beheben, offenbart das Patent US 6,970 140 außerdem, dass der Widerstand 12 zwischen die Antenneneinheit 11 und die Abstimmungsschaltung 13 geschaltet ist. Der Widerstand 12 verbraucht jedoch eine beträchtliche Energie, die zwischen der Antenneneinheit 11 und der Schaltung 14 ausgetauscht wird, was das Verhalten bei der Datenübertragung beeinträchtigt.

Folglich ist es wünschenswert, über eine Antennenvorrichtung zu verfügen, die eine Antenneneinheit mit einer Länge aufweist, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge der Antennenvorrichtung ist. Außerdem kann die Antenneneinheit auf einer ersten Ebene angeordnet werden, um eine erste Distanz bzw. einen ersten Winkel in Bezug zu einer Masseebene der Antennenvorrichtung festzulegen, um so die Impedanzanpassung zwischen der Antenneneinheit und einem mit diesem verbundenen Datenübertragungsmodul zu verbessern und deren Wirkungsgrad bzw. Effizienz beim Abstrahlen bzw. Senden zu verbessern. Folglich kann die Antennenvorrichtung in mobilen Datenübertragungseinrichtungen eingesetzt werden, ohne dass deren äußeres Erscheinungsbild beeinträchtigt oder deren Kosten erhöht werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Gemäß der Erfindung umfasst eine Antennenvorrichtung, die für eine drahtlose Einrichtung angewendet wird, die in einem Frequenzband betrieben wird, eine Antenneneinheit, die einen ersten Leiter, der ein erstes Ende zum Einspeisen von Signalen und ein zweites Ende aufweist, sowie eine Masseebene umfasst, die für eine Erdungsreferenz bzw. Massereferenz für die Signale sorgt. Der erste Leiter und die Masseebene weisen eine erste Distanz bzw. einen ersten Winkel auf und die erste Distanz bzw. der erste Winkel können eingestellt werden, um die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird eine Antennenvorrichtung bereitgestellt, die für ein drahtloses Gerät eingesetzt werden kann, das in einem Frequenzband betrieben wird, wobei die drahtlose Einrichtung ein Schaltungsmodul und eine Masseebene aufweist. Die Antennenvorrichtung umfasst eine Antenneneinheit, die einen ersten Leiter, der ein erstes Ende zum Einspeisen von Signalen und ein zweites Ende aufweist; und eine Blindstromeinrichtung, die mit dem ersten Ende und dem Schaltungsmodul verbunden ist, um Signale von dem Schaltungsmodul in das erste Ende des ersten Leiters einzuspeisen, wobei die Blindstromeinrichtung induktive Bauelemente oder kapazitive Bauelemente aufweist. Der erste Leiter und die Masseebene weisen eine erste Distanz bzw. einen ersten Winkel auf, die Antenneneinheit weist eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil auf, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz durch Ändern der ersten Distanz bzw. des ersten Winkels eingestellt werden kann und der Imaginärteil der Eingangsimpedanz durch Abstimmen der Blindstromeinrichtung eingestellt werden kann.

Es sei angemerkt, dass die Länge des ersten Leiters der Antenneneinheit kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge der Antennenvorrichtung ist und der Flächeninhalt des ersten Leiters kleiner als 1/64 des Quadrats der Betriebswellenlänge der Antennenvorrichtung ist.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend angeführt wird und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Die Zeichnungen und die Beschreibung werden nur zu Zwecken der Erläuterung bereitgestellt und sollen somit die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
1 ist ein äquivalentes Schaltungsschema einer Antennenvorrichtung, die in dem US-Patent US 6,970,140 offenbart ist.
2A und 2B zeigen schematisch Mobiltelefone mit Antennenvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt schematisch eine Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung.
4A und 4B zeigen schematisch Anordnungen der Antenneneinheit 31 und der Masseebene 32, und zwar in einem Querschnitt entlang der Linie B-B' in der 3.
5 ist ein äquivalentes Schaltungsschema der Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung.
6A, 6B und 6C zeigen drei Ausführungsbeispiele der Antenneneinheit 600 mit einer induktiven Struktur.
7 zeigt schematisch eine weitere Antennenvorrichtung 700 gemäß der Erfindung.
8 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebslänge ist.
9 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
11 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
12 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge von 450 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
13 zeigt eine Kurve des Reflektionsverlusts (S11) der Antenneneinheit gemäß der 11.
14 zeigt die Beziehung zwischen der ersten Distanz D und gewissen Eigenschaften einer Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung.
15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Antenneneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Antenne für ein niederfrequentes System, beispielsweise ein HF-, VHF- oder UHF-System, ist zu groß für die Anordnung in Mobiltelefonen, wenn eine herkömmliche 1/4-Wellenlängenantenne verwendet wird, und deshalb stellt die Erfindung eine kleine Antennenvorrichtung bereit, um dieses Problem zu beheben.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Antennenvorrichtung mit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge ist, bereit, die in einfacher Weise bei Mobiltelefonen oder beliebigen drahtlosen Einrichtungen bzw. Geräten eingesetzt werden kann. Vorzugsweise ist die Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Empfangen und Senden von niederfrequenten Signalen bestimmt, beispielsweise von Signalen mit einer Frequenz unterhalb von 1 GHz, beispielsweise von FM/AM-Signalen. Aus Vereinfachungsgründen werden hier Mobiltelefone als Beispiele für mobile Datenübertragungseinrichtungen verwendet, um die Erfindung zu beschreiben. Anwendungen der Erfindung sollten jedoch nicht auf Mobiltelefone beschränkt sein. Jede beliebige drahtlose Einrichtung soll von der beanspruchten Erfindung mit umfasst sein.
Die 2A und 2B zeigen schematisch Mobiltelefone mit der Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In der 2A oder 2B umfasst das Mobiltelefon 200 ein vorderes Gehäuse 21, ein hinteres Gehäuse 22, eine Hauptantenne 23, bei der es sich um eine außen freiliegende oder eingebettete bzw. eingehäuste Antenne handeln kann, sowie eine Antennenvorrichtung 27, die innerhalb bzw. auf der Innenseite des Mobiltelefons 200 angeordnet ist. Bei diesen Beispielen gemäß der 2A und der 2B ist die Hauptantenne 23 eine außen freiliegende Antenne, die außerhalb des Mobiltelefons 100 angeordnet ist. Die Hauptantenne 23 ist zum Empfangen und Senden von hochfrequenten Signalen bestimmt, beispielsweise über ein GSM-, GPRS-, EDGE-, WCDMA-, CDMA2000-, Bluetooth- oder WLAN-Datenübertragungsnetzwerk, und die Antennenvorrichtung 27 ist andererseits bestimmt, um niederfrequente Signale zu empfangen und zu senden, beispielsweise Signale mit einer Frequenz unterhalb von 1 GHz, beispielsweise von FM/AM-Signalen. Das Mobiltelefon 200 umfasst außerdem eine erste Schaltungseinheit 25, die zumindest ein Hochfrequenz-Modul (RF) und ein Basisband-Modul (BB) aufweist, die mit der Hauptantenne 23 verbunden sind, eine zweite Schaltungseinheit 26, die ein FM/AM-Funkschaltungsmodul aufweist, das mit der Antennenvorrichtung 27 verbunden ist, sowie eine Hauptschaltungsplatine 24, auf der die erste und zweite Schaltungseinheit vorgesehen sind. Dabei stellt die Hauptschaltungsplatine 24 eine gedruckte Leiterplatine (PCB) dar.
Die erste Schaltungseinheit 25 ermöglicht die Übermittlung von Daten zwischen dem Mobiltelefon 200 und der Basisstation, sorgt für ein GSM-, GPRS-, EDGE-, WCDMA-, CDMA2000-, Bluetooth- und/oder WLAN-System etc. für Nutzer und deshalb wird die Hauptantenne 23 in dem Frequenzband um 1 GHz oder oberhalb von 1 GHz betrieben. Außerdem stellt die zweite Schaltungseinheit 26 ein zusätzliches drahtloses Datenübertragungssystem zur Verfügung, beispielsweise ein HF-, VHF- oder UHF-System, das in dem Frequenzband unterhalb von 1 GHz betrieben wird, zur Integration in das Mobiltelefon 200. Bei dem HF-, VHF- oder UHF-System kann es sich um ein Frequenzmodulationssystem (FM), ein Amplitudenmodulationssystem (AM), um Sende-Empfängergeräte oder um ein DTV-System (digitales Fernsehsystem; Digital Television) etc. handeln. Hierbei ist die zweite Schaltungseinheit 26 beispielsweise ein FM-Modul und deshalb wird die Antennenvorrichtung 27 in dem Frequenzband von 88 bis 108 MHz betrieben.
Wie in der 2A und der 2B gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung 27 mit einer Länge bereit, die kürzer als 1/4 der Betriebslänge ist, welche ohne Weiteres innerhalb oder außerhalb des Mobiltelefons 200 angeordnet werden kann.
3 zeigt schematisch eine Antennenvorrichtung 300 gemäß der Erfindung. Die Antennenvorrichtung 300, die bei einer drahtlosen Einrichtung angewendet werden kann, die in einem Frequenzband von beispielsweise 88 bis 108 MHz betrieben wird, umfasst eine Antenneneinheit 31 mit einem ersten Leiter 31, der sich auf einer ersten Ebene 35 erstreckt und ein erstes Ende 33 zum Einspeisen von Signalen von bzw. an ein FM-Modul aufweist, beispielsweise in Form der zweiten Schaltungseinheit 26, die in der 2A oder 2B gezeigt ist, sowie ein zweites Ende 36; und eine Masseebene 32, die für eine Masse- bzw. Erdungsreferenz für die Signale sorgt. Es sei angemerkt, dass die Masseebene 32 bei diesem Ausführungsbeispiel in der Hauptschaltungsplatine 24 angeordnet sein kann, wenn diese bei dem Mobiltelefon 200 gemäß der 2A oder 2B angewendet wird. Die Länge der Antenneneinheit 31 ist kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge des FM-Funkbands (bzw. 1/4 der Betriebswellenlänge der Antenneneinheit). Die Antennenvorrichtung 300 kann außerdem eine Blindstromeinrichtung 34 umfassen, die zwischen die Antenneneinheit 31 und das FM-Modul (die zweite Schaltungseinheit) geschaltet ist, um die Impedanz der Antennenvorrichtung 300 abzustimmen. Die Blindstromeinrichtung 34 kann nur induktive und/oder kapazitive Bauelemente umfassen. Bei gewissen Ausführungsbeispielen kann diese außerdem Widerstände aufweisen. Die Auslegung der Blindstromeinrichtung 34 unterliegt erfindungsgemäß keinerlei Beschränkungen.
Die 4A und 4B zeigen schematisch Anordnungen der Antenneneinheit 31 und der Masseebene 32, und zwar zwischen dem Querschnitt B-B' in der 3. Die Antenneneinheit 31 ist ausgelegt, um eine erste Distanz D und einen ersten Winkel θ zwischen der ersten Ebene 35 (auf welcher die Antenneneinheit 31 angeordnet ist, wie in der 3 gezeigt) und der Masseebene 32 vorzugeben, die auf der Hauptschaltungsplatine 24 angeordnet ist. Die Antenneneinheit 31 weist einen Realteil und einen Imaginärteil der Eingangsimpedanz auf. Der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit 31 kann abgestimmt werden, um die erste Distanz D bzw. den ersten Winkel θ einzustellen. Der erste Winkel wird zwischen 0 und 90° eingestellt. Beispielsweise können die erste Distanz und der erste Winkel in der 4B als D1 und θ1 eingestellt werden, um den Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit 31 einzustellen.
Die 5 zeigt ein äquivalentes Schaltungsschema einer Antennenvorrichtung 500 gemäß der Erfindung. Die Antenneneinheit 51 der Antennenvorrichtung 500, die kürzer ist als 1/4 der Betriebswellenlänge, ist über eine Blindstromeinrichtung 52, die zumindest eine induktive Einrichtung oder eine kapazitive Einrichtung aufweist, mit einer Schaltungseinheit 53 (beispielsweise einem FM-Modul) verbunden. Erfindungsgemäß kann der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit 51 durch Einstellen der ersten Distanz D und des ersten Winkels θ abgestimmt werden, um so eine Impedanzanpassung an den Realteil der Eingangsimpedanz der Schaltungseinheit zu erreichen. Folglich ist kein zusätzlicher Widerstand (wie in der 1 gezeigt) zwischen der Antenneneinheit 52 und der Schaltungseinheit 53 erforderlich.
Die Antenneneinheit der Antennenvorrichtung kann eine induktive Struktur aufweisen, um den Imaginärteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit zu verbessern. Jegliche Struktur eines Leiters, der die Antenneneinheit ausbildet und die Induktivität der Antenneneinheit erhöhen kann, ist induktiv. Die 6A, 6B und 6C zeigen drei Ausführungsbeispiele der Antenneneinheit 600 mit einer induktiven Struktur. Die 6A bzw. 6B zeigen die Antenneneinheit 600, die einen Leiter 63 aufweist, der ein mäanderförmiges Leitungsmuster aufweist, und die 6C zeigt den Leiter der Antenneneinheit, der ein spiralförmiges Muster aufweist. Sämtliche Antenneneinheiten, die in den 6A bis 6C gezeigt sind, stellen Blindstromeinrichtungen dar. Der Eingangsblindwiderstand (der- Imaginärteil der Eingangsimpedanz) einer Antenneneinheit (von der ein Ende offen bzw. nicht angeschlossen ist, wie in den 6A bis 6C dargestellt) mit einer Länge. die kürzer ist als 1/4 der Betriebswellenlänge, ist negativ und kapazitiv. Deshalb kann eine Impedanzanpassung ohne weiteres erzielt werden, und zwar unter Verwendung einer Antenneneinheit mit einer induktiven Struktur gemeinsam mit einem induktiven Bauelement (einer Induktivität). Es sei angemerkt, dass die Fläche des Leiters 63 (nachfolgend als Antennenfläche bezeichnet), der in Form der Bereiche 61 und 62 dargestellt ist, kleiner als 1/64 des Quadrats der Betriebswellenlänge der Antenneneinheit 600 ist.
Der Verlauf des Leiters der Antenneneinheit kann mittels einer Metallleitung, eines Metallblechs oder einer Metallbahn, die auf ein Halteelement aufgedruckt ist, ausgebildet werden. Das Halteelement kann eine Schaltungs- bzw. Leiterplatine sein, mit einer oder mehreren Schichten, wobei die Metallbahn auf zumindest eine Schicht der Schaltungs- bzw. Leiterplatine aufgedruckt ist.
Die 7 zeigt schematisch eine andere Antennenvorrichtung 700 gemäß der Erfindung. Ein zweites Ende 76 der Antenneneinheit 31 ist mit der Masseebene 32 verbunden. Der Eingangsblindwiderstand (der Imaginärteil der Eingangsimpedanz) der Antenneneinheit 71 mit einer Länge, die kürzer ist als 1/4 der Betriebswellenlänge, ist positiv und induktiv. Deshalb können kapazitive Einrichtungen bzw. Bauelemente (Kapazitäten) dazu verwendet werden, um die Impedanz zwischen der Antenneneinheit und einer Schaltungseinheit 72 anzupassen.
Gemäß der 4A wird unter der Annahme, dass die Antennenfläche etwa 40 × 15 mm² beträgt, der erste Winkel θ auf 90° eingestellt wird und dann die bevorzugte erste Distanz D auf kürzer als oder gleich 15 mm zur Impedanzanpassung eingestellt, wenn der Betrieb in dem Band von etwa 88 bis 108 MHz erfolgt. Je kürzer die erste Distanz D ist, desto kleiner ist der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit gemäß der Erfindung. Die erste Distanz D wird auf 10 mm oder weniger verkürzt, um die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern. Die erste Distanz D kann weiter auf den Bereich innerhalb von 2 bis 8 mm verringert werden, um den Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit auf 40 bis 60 Ohm zu verbessern. Allgemein kann die erste Distanz D kürzer als 2 mm sein, wenn man einen Kompromiss zwischen der Impedanzanpassung und der internen Anordnung bei einem flachen und kompakt aufgebauten Mobiltelefon eingeht.
Um die Eigenschaften der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern, kann man das gut bekannte Kreisdiagramm des Reflexionsverlusts verwenden. In den Zeichnungen gemäß den 8 bis 12 stellt jedes Kreisdiagramm eine Impedanzeigenschaft der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen den FM-Frequenzen von 88 MHz bis 108 MHz dar. Jedes Kreisdiagramm ist normiert und der Kreis in der Kurve, in welchem die Punkte
und
in dem Ort der charakteristischen Impedanz liegen. Es sei angemerkt, dass der Frequenzbereich zwischen 88 MHz bis 108 MHz nur ein Beispiel darstellt und die vorliegende Erfindung nicht beschränkt.
Die 8 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge ist. Die Antenneneinheit, deren eines Ende offen ist bzw. nicht angeschlossen ist, wird in dem Bereich von 88 bis 108 MHz betrieben und weist einen negativen Eingangsblindwiderstand auf. In der 8 werden die Eingangsimpedanzen der Antenneneinheit durch
und
dargestellt und betragen etwa 95,61-i834 bzw. 44,62-i710,2. Wie in der 8 gezeigt, liegen die Stellen
und
zu weit von der Mitte des Kreisdiagramms entfernt, welche den Ort der bevorzugten Anpassung darstellt, was bedeutet, dass die Impedanzen an den Stellen
und
nicht perfekt abgestimmt sind und die meiste Signalleistung einen großen Verlust darstellt.
Andererseits zeigt die 9 ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß der Erfindung. Hierbei wird die Antenneneinheit, deren eines Ende offen bzw. nicht angeschlossen ist, innerhalb des Bereichs von 88 bis 108 MHz betrieben und wird eine induktive Blindstromeinrichtung mit einer Induktivität von 390 nH zur Impedanzanpassung verwendet. Die erste Distanz D und der erste Winkel θ werden auf 2 mm und 70° eingestellt. In der 9 betragen die Eingangsimpedanzen (jeweils bei 88 und 108 MHz gemessen) der Antenneneinheit, wie durch
und
angedeutet, etwa 147,3-i557,1 bzw. 74,1-i367,4.
Die 10 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer anderen Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß der Erfindung.
Die einzig unterschiedliche Testbedingung ist die, dass die erste Distanz D in diesem Fall auf 0,5 mm eingestellt ist. Andere Testbedingungen sind dieselben wie anhand der 9 beschrieben. In der 10 betragen die Eingangsimpedanzen (jeweils bei 88 und 108 MHz gemessen) der Antenneneinheit, wie durch
und
angedeutet, etwa 102,8-i462,7 bzw. 60,83-i253,1.
Die 11 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer anderen Antenneneinheit mit einer Länge von 400 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß der Erfindung. Die einzig unterschiedliche Testbedingung ist die, dass die erste Distanz D in diesem Fall auf 5 mm eingestellt ist. Andere Testbedingungen sind dieselben wie anhand der 9 beschrieben. In der 11 betragen die Eingangsimpedanzen (jeweils bei 88 und 108 MHz gemessen) der Antenneneinheit, wie durch
und
angedeutet, etwa 240,4-i755,4 bzw. 118,9-i608,8.
Aus den Ergebnissen der 9 bis 11 wird klar, dass, je kürzer die erste Distanz D ist, desto kleiner der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit ist. Somit kann der Entwickler die erste Distanz D in geeigneter Weise verringern bzw. verkürzen, um den Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit näher an den gewünschten Widerstand von 50 Ohm zu bringen. Andererseits gilt, dass je länger die erste Distanz D ist, desto größer der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit ist.
Die 12 zeigt ein Kreisdiagramm der Eingangsimpedanz einer bevorzugten Antenneneinheit mit einer Länge von 450 mm (kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge) gemäß der Erfindung. Hierbei wird die Antenneneinheit, deren eines Ende offen bzw. nicht angeschlossen ist, innerhalb des Bereichs von 88 bis 108 MHz betrieben. Und eine induktive Blindstromeinrichtung mit einer Induktivität von 680 nH wird zur Impedanzanpassung verwendet. Die erste Distanz D und der erste Winkel θ werden auf 1,5 mm und 90° eingestellt.
In der 12 betragen die Eingangsimpedanzen (jeweils bei 88 und 108 MHz gemessen) der Antenneneinheit, wie durch
und
angedeutet etwa 72,07-i179,9 bzw. 82,41-i179,8. Der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit liegt näher an dem gewünschten Widerstand von 50 Ohm (das heißt dieser liegt näher bei der Mitte des Kreisdiagramms bzw. der auf 1 normierten Impedanz).
Die 13 zeigt eine Kurve des Reflektionsverlustes (S11) der Antenneneinheit, welche der 12 entspricht. Wie in der 13 gezeigt, wird eine sehr gute Impedanzanpassung in einem FM-Frequenzband von 88 bis 108 MHz erzielt, weil die Antenneneinheit den geringsten Reflektionsverlust bei der Mittenfrequenz (von etwa 100 MHz) des FM-Frequenzbandes erleidet.
Die 14 zeigt die Beziehung zwischen der ersten Distanz D und den Eigenschaften einer Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung. Es sei angenommen, dass die Antenneneinheit der Antennenvorrichtung mit einem ersten Winkel θ von 90 ° und einer ersten Distanz D in Bezug zu einer Masseebene der Antennenvorrichtung angeordnet ist und dass die Mittenfrequenz der Antennenvorrichtung sich in dem Frequenzbereich von 90 bis 120 MHz ändert. Die Kurve 142 gemäß der 14 zeigt, dass je kürzer die erste Distanz D ist, desto kleiner die Impedanz der Antenneneinheit ist. Die Kurve 144 gemäß der 14 zeigt, dass je kürzer die erste Distanz D ist, desto niedriger die Mittenfrequenz ist (mit dem geringsten Reflektionsverlust). Deshalb kann nicht nur die Impedanz sondern auch die Mittenfrequenz durch Einstellung der ersten Distanz D und des ersten Winkels θ abgestimmt werden.
Die Betriebswellenlängen von HF-, VHF- und UHF-Anwendungen sind länger als 30cm. Deshalb ist es ziemlich schwierig, eine herkömmliche 1/4-Wellenlängeantenne innerhalb eines mobilen Datenübertragungssystems anzuordnen. Die Antennenvorrichtung gemäß der Erfindung kann ohne weiteres so ausgelegt werden, dass diese eine Länge kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge aufweist, und zwar durch Einstellen einer bestimmten Distanz und eines bestimmten Winkels zwischen einer Antenneneinheit und deren Masseebene, und zwar geeignet für Anwendungen von HF-, VHF- und UHF-Systemen mit Betriebsfrequenzen unterhalb von 1 GHz.
Gemäß der 15 kann die Antenneneinheit 150 außerdem einen zweiten Leiter 151, der sich von dem zweiten Ende aus auf einer zweiten Ebene 154, die eine andere Ebene als die erste Ebene 35 ist, umfassen, um den Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit 31 durch Einstellen einer zweiten Distanz dd und eines zweiten Winkels ϕ zwischen der zweiten Ebene 154 und der Masseebene 32 einzustellen. In der 15 beträgt der erste Winkel θ 0 ° und kann eine bessere Abstimmung durch Einstellen der zweiten Distanz dd und des zweiten Winkels ϕ erzielt werden. Es sei angemerkt, dass der zweite Leiter dieselben Eigenschaften aufweist, wie anhand der 6A bis 6C beschrieben.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Antennenvorrichtung mit einer Antenneneinheit einer Länge, die kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge ist. Die Antenneneinheit, die auf einer ersten Ebene ausgebildet ist, kann ausgelegt werden, um einer erste Distanz und einen ersten Winkel in Bezug zu einer Masseebene der Antennenvorrichtung einzustellen, um eine Impedanzanpassung zwischen der Antenneneinheit und einem mit der Antenneneinheit verbundenen bzw. gekoppelten Datenübertragungsmodul abzustimmen und zu verbessern. Eine mobile Datenübertragungseinrichtung, welche die Antennenvorrichtung verwendet, wird ebenfalls offenbart. Die vorstehende Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen erfolgte nur zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung. Offensichtliche Modifikationen und Variationen sind im Lichte der vorstehenden Lehre möglich. Die Ausführungsbeispiele wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien dieser Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern, so dass der Fachmann auf diesem Gebiet die Erfindung in zahlreichen Ausführungsformen und mit Hilfe von zahlreichen Modifikationen einsetzen kann, wie diese für den bestimmten angedachten Verwendungszweck geeignet sind. Sämtliche solche Modifikationen und Variationen liegen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, die anhand der beigefügten Ansprüche bestimmen, wenn diese gemäß der Breite ausgelegt werden, zu welchen diese in angemessener, rechtlicher und haltbarer Weise berechtigen.

Claims

Antennenvorrichtung, zur Anwendung für eine drahtlose Einrichtung, die in einem Frequenzband betrieben wird, mit: einer Antenneneinheit, die einen ersten Leiter umfasst, der ein erstes Ende zum Einspeisen von Signalen sowie ein zweites Ende aufweist; und einer Masseebene, die für eine Masse- bzw. Erdungsreferenz für die Signale sorgt; wobei der erste Leiter und die Masseebene eine erste Distanz aufweisen, die eingestellt werden kann, um die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Länge des ersten Leiters kürzer als 1/4 der Betriebswellenlänge der Antenneneinheit ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Fläche des ersten Leiters kleiner als 1/64 des Quadrats der Betriebswellenlänge der Antenneneinheit ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Frequenzband zwischen 88 bis 108 MHz liegt.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Distanz kürzer als oder gleich 15 mm ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Distanz kürzer oder gleich 10 mm ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz aufweist, die einen Realteil und einen Imaginärteil aufweist, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz durch Ändern der ersten Distanz eingestellt werden kann.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit abnimmt, wenn die erste Distanz abnimmt.
Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil aufweist, die Antenneneinheit außerdem einen zweiten Leiter umfasst, der sich von dem zweiten Ende des ersten Leiters aus erstreckt, wobei der erste Leiter und der zweite Leiter sich auf unterschiedlichen Ebenen befinden und der zweite Leiter und die Masseebene eine zweite Distanz aufweisen, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit durch Ändern der zweiten Distanz eingestellt werden kann.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit abnimmt, wenn die zweite Distanz abnimmt.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Blindstromeinrichtung, die mit dem ersten Ende der Antenneneinheit verbunden ist, wobei die Blindstromeinrichtung induktive Bauelemente oder kapazitive Bauelemente aufweist, um die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil aufweist, wobei der Imaginärteil der Eingangsimpedanz durch Abstimmen der Blindstromeinrichtung eingestellt werden kann.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Blindstromeinrichtung außerdem Widerstands-Bauelemente aufweist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenneneinheit eine einpolige Antenne ist, deren zweites Ende offen bzw. nicht angeschlossen ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leiter der Antenneneinheit ein spiralförmiges Muster oder ein mäanderförmiges Leitungsmuster aufweist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leiter der Antenneneinheit aus einer Metallbahn hergestellt ist, die auf ein Trägerelement aufgedruckt ist, aus einer Metallleitung besteht oder aus einem Metallblech besteht.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Trägerelement eine Mehrschichtstruktur umfasst und die Metallbahn auf zumindest einer Schicht der Schichtstruktur bereitgestellt ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Ende der Antenneneinheit als Masse- bzw. Erdungsende dient, das leitend mit der Masseebene verbunden ist.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leiter und die Masseebene außerdem einen Winkel aufweisen bzw. vorgeben, der eingestellt werden kann, um die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil aufweist, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz durch Abstimmen des Winkels eingestellt werden kann.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit abnimmt, wenn der Winkel abnimmt.
Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drahtlose Einrichtung ein Mobiltelefon bzw. Handy ist.
Antenneneinheit, zur Anwendung bei einer drahtlosen Einrichtung, die in einem Frequenzband betrieben wird, wobei die drahtlose Einrichtung ein Schaltungsmodul und eine Masseebene aufweist, mit: einem ersten Leiter, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; und einer Blindstromeinrichtung, die mit dem ersten Ende und dem Schaltungsmodul verbunden ist, um Signale von dem Schaltungsmodul in das erste Ende des ersten Leiters einzuspeisen, wobei die Blindstromeinrichtung induktive Bauelemente oder kapazitive Bauelemente aufweist; wobei der erste Leiter und die Masseebene eine erste Distanz aufweisen, die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil mit einem Imaginärteil aufweist, der Realteil der der Eingangsimpedanz durch Ändern der ersten Distanz eingestellt werden kann und der Imaginärteil der Eingangsimpedanz durch Abstimmen der Blindstromeinrichtung eingestellt werden kann.
Antenneneinheit nach Anspruch 23, wobei die Länge des ersten Leiters kürzer als 1/4 der Betriebslänge der Antenne ist.
Antenneneinheit nach Anspruch 23 oder 24, wobei das Frequenzband zwischen 88 bis 108 MHz liegt.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die erste Distanz kürzer oder gleich 15 mm ist.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 26, weiterhin umfassend: einen zweiten Leiter, der sich ausgehend von dem zweiten Ende des ersten Leiters erstreckt, wobei der erste Leiter und der zweite Leiter auf unterschiedlichen Ebenen liegen, wobei der zweite Leiter und die Masseebene eine zweite Distanz aufweisen bzw. vorgeben, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit durch Ändern der zweiten Distanz eingestellt werden kann.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei die Blindstromeinrichtung außerdem Widerstands-Bauelemente aufweist.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei die Antenneneinheit eine einpolige Antenne ist, deren zweites Ende offen bzw. nicht angeschlossen ist.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei der erste Leiter der Antenneneinheit ein spiralförmiges Muster oder ein mäanderförmiges Leitungsmuster aufweist.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 30, wobei das zweite Ende der Antenneneinheit als Masse- bzw. Erdungsende dient, das leitend mit der Masseebene verbunden ist.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 31, wobei der erste Leiter und die Masseebene außerdem einen Winkel aufweisen bzw. vorgeben, wobei der Realteil der Eingangsimpedanz der Antenneneinheit durch Ändern des Winkels eingestellt werden kann.
Antenneneinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei die drahtlose Einrichtung ein Mobiltelefon bzw. ein Handy ist.
Antennenvorrichtung, zur Verwendung in einer drahtlosen Einrichtung, die in einem Frequenzband betrieben wird, mit: einer Antenneneinheit, die einen ersten Leiter umfasst, der ein erstes Ende zum Einspeisen von Signalen sowie ein zweiten Ende aufweist; und einer Masseebene, die für eine Masse- bzw. Erdungsreferenz für die Signale sorgt; wobei der erste Leiter und die Masseebene einen Winkel aufweisen bzw. vorgeben, der eingestellt werden kann, um eine Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung zu verbessern.
Antenneneinheit, zur Verwendung in einer drahtlosen Einrichtung, die in einem Frequenzband betrieben wird, wobei die drahtlose Einrichtung ein Schaltungsmodul und eine Masseebene aufweist, mit: einem ersten Leiter, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; und einer Blindstromeinrichtung, die mit dem ersten Ende und dem Schaltungsmodul verbunden ist, um Signale von dem Schaltungsmodul in das erste Ende des ersten Leiters einzuspeisen, wobei die Blindstromeinrichtung induktive Bauelemente oder kapazitive Bauelemente aufweist; wobei der erste Leiter und die Masseebene einen Winkel aufweisen bzw. vorgeben, die Antenneneinheit eine Eingangsimpedanz mit einem Realteil und einem Imaginärteil aufweist, der Realteil der Eingangsimpedanz durch Ändern des Winkels eingestellt werden kann und der Imaginärteil der Eingangsimpedanz durch Abstimmen der Blindstromeinrichtung eingestellt werden kann.