DE102008043242A1

DE102008043242A1 - Planare Multiband-Antennenstruktur

Info

Publication number: DE102008043242A1
Application number: DE200810043242
Authority: DE
Inventors: Michael Reppel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Continental Advanced Antenna GmbH
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010049435A1

Abstract

Bei einer Multi-Band-Antennenstruktur ist eine erste (6) und eine zweite (7) leitende Fläche auf einem dielektrischen Trägersubstrat (1) vorgesehen, die durch einen Schlitz (11) voneinander getrennt sind. Die erste leitende Fläche (6) weist eine Verbindungsleitung (12) auf, die an mindestens einem Bereich der zweiten leitenden Fläche (7) vorbeiführt und mit einer Massefläche (9) kontaktiert ist. Die Verbindungsleitung (12) ist mit der zweiten leitenden Fläche (7) über mindestens einen leitenden Steg (8) im Bereich des Schlitzes (11) verbunden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Multi-Band-Antennenstruktur, bestehend aus einer ersten und einer zweiten leitenden Fläche auf einem dielektrischen Trägersubstrat, die durch einen Schlitz voneinander getrennt sind.
Planare Antennenstrukturen für zwei oder mehrere Frequenzbänder (Multi-Band-Antennen) mit akzeptablen Leistungsmerkmalen, wie z. B. ausreichender Anpassung, Wirkungsgrad, sind schwierig zu realisieren, da aufgrund der planaren Struktur das eingenommene räumliche Volumen stark begrenzt ist. Daher werden üblicherweise neben der eigentlichen Antennenstruktur zusätzlich diskrete Bauelemente, z. B. SMD-Komponenten, oder andere vorgeschaltete Anpasselemente verwendet, um die notwendige Anpassung zu erzielen. Diese zusätzlichen Elemente verursachen weitere Arbeitsschritte bei der Herstellung, höhere Materialkosten und können den Antennenwirkungsgrad reduzieren.
Aus der US 6,756,946 B1 ist eine Multi-Band-Antennenstruktur bekannt, bei der zwei benachbarte leitende Flächen für unterschiedliche Frequenzbereiche über leitende Verbindungen gekoppelt sind. Dadurch entstehen mehrere Antennenkreise mit unterschiedlichen Längen und Multiresonanzverhalten, was zur Erhöhung der wirksamen Bandbreite beiträgt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Mit der planaren Multi-Band-Antennenstruktur nach Anspruch 1, bestehend aus einer ersten und einer zweiten leitenden Fläche auf einem insbesondere dielektrischen Trägersubstrat, die durch einen Schlitz voneinander getrennt sind, wobei die erste leitende Fläche eine Verbindungsleitung aufweist, die an mindestens einem Bereich der zweiten leitenden Fläche vorbei führt und mit einer Massefläche kontaktiert ist und wobei die Verbindungsleitung mit der zweiten leitenden Fläche über mindestens einen Steg im Bereich des Schlitzes verbunden ist, kann eine Antennenanpassung ausschließlich durch gezielte Abstimmung der planaren Struktur, d. h. durch das Layout der leitenden Flächen in Zusammenwirkung mit den leitenden Stegen im Bereich des Schlitzes, erreicht werden.
Neben einer Antennenanpassung (Impedanzanpassung) kann durch die Stege auch das Resonanzverhalten der Antennenstruktur in verschiedenen Frequenzbereichen gezielt eingestellt werden.
Die Antennenstruktur nach der Erfindung ist als planare Multi-Band-Antennenstruktur für Frequenzbereiche einsetzbar, die üblicherweise von Mobilfunkdiensten benutzt werden. Diese Frequenzbereiche liegen in Europa bei 880 bis 960 MHz (GSM 900), 1710 bis 1880 MHz (GSM 1800) und 1900 bis 2170 MHz (UMTS). Die Antennenstruktur lässt sich vorteilhaft als passive Sende- und Empfangsantenne für Anwendungen im automotiven Bereich einsetzen und kann z. B. als Dachantenne auf einem metallischen Fahrzeugdach verbaut werden. Die erfindungsgemäße Antennenstruktur unterscheidet sich von bekannten Lösungen dahingehend, dass zur Erzielung der Antennenanpassung (typisch ≤ –10 dB bzw. VSWR ≤ 2.0) in den zuvor genannten Frequenzbereichen keine zusätzlichen Anpassungs- und/oder Abstimmungselemente z. B. SMD-Bauelemente benötigt werden.
Eine Abstimmung der Antennenstruktur ist in der Regel notwendig, um die Antenne and die jeweilige Einbausituation, z. B. Lage im Antennengehäuse, Lage bezüglich benachbarter HF-Baugruppen, anzupassen. Eine gezielte Abstimmung lässt sich bei der erfindungsgemäßen Antennenstruktur durch ein anderes Layout der Stege erreichen. Dazu können die Stege beispielsweise verschoben, entfernt oder weitere hinzugefügt werden. Es ist auch möglich, statt mehrere Stege lediglich zwei oder aber auch nur einen einzigen, breiteren Steg einzusetzen. Durch diese gezielte Auswahl von Position und Breite der Stege erreicht man, dass die Antennenstruktur an ihrem Fußpunkt eine hinreichende Anpassung im Betriebsfrequenzbereich aufweist.
Es ist vorteilhaft, die sende- und empfangsseitige Signalein- und auskopplung rein kapazitiv über eine rückseitige leitende Fläche auf dem Trägersubstrat vorzunehmen. Dadurch ist eine galvanische Trennung zur Massefläche erreicht, ohne dass es irgendwelcher Zusatzmaßnahmen bedarf. Außerdem unterstützt diese rückseitige leitende Fläche den Antennengewinn der Antennenstruktur.
Bei Ausgestaltung der rückseitigen leitenden Fläche bezüglich ihrer Lage, Ausdehnung und Kontur entsprechend der zweiten leitenden Fläche bis auf die Unterschiede, dass sie sich auch über die Verbindungsleitung und den mindestens einen Steg auf der Vorderseite des Trägersubstrats erstreckt und die Signalein- und auskopplung aufweist, lässt sich eine sehr kompakte Antennenstruktur mit wenig Streuverlusten realisieren.
Es ist vorteilhaft, die zweite leitende Fläche über die rückseitige leitende Fläche als Antennenstrahler direkt zu erregen und die erste leitende Fläche indirekt über die zweite leitende Fläche. Dies spart zusätzliche Anschlüsse bzw. Einspeisepunkte, die störende Impedanzsprünge und Resonanzverstimmungen verursachen könnten.
Die Ausgestaltung, dass die erste leitende Fläche zusammen mit der Verbindungsleitung und der Massefläche die zweite leitende Fläche umgreift, trägt einerseits zum kompakten platzsparenden Aufbau bei und verhindert unerwünschte Abstrahlungen insbesondere in unerwünschte Richtungen.
Es ist vorteilhaft, die rückseitige leitende Fläche mit einer Aussparung für ein Lötpad zu versehen, welches insbesondere über mehrer Stege mit der rückseitigen Fläche verbunden ist, wobei das Lötpad zur Signalein- und auskopplung über ein Koaxialkabel vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung bewirkt zum einen eine günstige Wärmeableitung vom Lötpad und zum anderen eine günstige, d. h. möglichst reflexionsfreie Anpassung an das angeschlossene Koaxialkabel.
Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen
1 die Oberseite der Antennenstruktur,
2 die Unterseite der Antennenstruktur,
3 bis 6 unterschiedliche Ausführungsformen der Stege zwischen einer Verbindungsleitung der ersten leitenden Fläche und der zweiten leitenden Fläche.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt die Oberseite (Vorderseite) der Multi-Band-Antennenstruktur. Auf einem dielektrischen Trägersubstrat 1 ist eine erste leitende Fläche 6 angeordnet, die im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Über einen Schlitz 11 getrennt befindet sich unterhalb davon die im Wesentlichen rechteckförmige zweite leitende Fläche 7. Unterhalb dieser zweiten leitenden Fläche 7 befindet sich ebenfalls durch einen Schlitz 11 getrennt eine Massefläche 9. Die erste leitende Fläche 6 weist eine Verbindungsleitung 12 zur Massefläche 9 auf, die an einem Bereich, hier an einem Außenrand der zweiten leitenden Fläche 7 durch den Schlitz 11 getrennt, vorbeiführt. Die Verbindungsleitung 12 ist mit der zweiten leitenden Fläche 7 über mindestens einen leitenden Steg 8 im Bereich des Schlitzes 11 verbunden.
Die Unterseite (Rückseite) der erfindungsgemäßen Antennenstruktur ist in 2 dargestellt. Eine der ersten leitenden Fläche 6 entsprechende rückseitige weitere leitende Fläche 4 mit ebensolchen Konturen weist jedoch keine Verbindungsleitung zu einer im unteren Bereich vorgesehene der Massefläche 9 entsprechende Massefläche 3 auf. Eine der zweiten leitenden Fläche 7 bezüglich ihrer Lage, Ausdehnung und Kontur entsprechende rückseitige leitende Fläche 5 weist jedoch keine Stege zu einer Verbindungsleitung auf, wie die leitende Fläche 7 auf der Oberseite, sondern erstreckt sich auch über die Verbindungsleitung 12, die Stege 8 und den Schlitz 11 auf der Oberseite bis zum Rand des dielektrischen Trägersubstrates 1. Außerdem weist die leitende Fläche 5 im Gegensatz zur leitenden Fläche 7 eine Aussparung 13 für ein Lötpad 2 auf, welches über mehrere leitende Stege 13 mit der rückseitigen leitenden Fläche 5 verbunden ist. Ein Schlitz 14 im Trägersubstrat 1 weist in Richtung des Lötpads 2. Ein Koaxialkabel (nicht dargestellt) kann mit seinem Innenleiter an das Lötpad 2 gelötet werden, über das die sende- und empfangsseitige Signalein- und auskopplung der Antennenstruktur erfolgt. Die Schirmung des Koaxialkabels kann gegenüber der Aussparung 18 an die rückseitige Massefläche 3 angelötet werden, die dort wie die Massefläche 9 auf der Oberseite nach oben verlängert ist und so die rückseitige leitende Fläche 5 teilweise umgreift. Über die Stege 13 ist eine strahlenförmige Wärmeableitung beim Lötpad 2 möglich. Außerdem ist durch die Lage, Breite und Anzahl der Stege 13 eine möglichst reflexionsfreie Anpassung des Koaxialkabels an die rückseitige leitende Fläche 5 möglich. Die zweite leitende Fläche 7 auf der Oberseite wird auf die rückseitige leitende Fläche 5 als Antennenstrahler durch kapazitive Kopplung erregt. Die erste leitende Fläche 6 auf der Oberseite wird indirekt über die zweite leitende Fläche 7 als Antennenstrahler erregt. Die rückseitige weitere leitende Fläche 4 ist mit der ersten leitenden Fläche 6 über ein oder mehrere Durchkontaktierungen verbunden. Eben solche Durchkontaktierungen können die Masseflächen 3 und 9 auf der Vorder- und Rückseite aufweisen.
Die erste leitende Fläche 6 umgreift zusammen mit der Verbindungsleitung 12 und der Massefläche 9 die weitere leitende Fläche 7. Dadurch ist die Antennenstruktur sehr kompakt, insbesondere bezüglich ihrer Bauhöhe gegenüber vergleichbaren Antennen und resistent gegen Störstrahlungen. Die Bauhöhe ist für die Anwendung als Fahrzeugdachantenne ein wichtiges Kriterium. Die zweite leitende Fläche 5 und die zweite leitende Fläche 7 sind bezüglich ihrer Dimensionen als breitbandige Antennen für GSM 1800 (1710–1880 MHz) und UMTS (1900–2170 MHz) ausgebildet. Die leitenden Flächen 4 und 6 zusammen mit der Verbindungsleitung 12 bis zur Massefläche 9 bilden eine Antenne für GSM 900 (880 bis 960 MHz). Vom Fußpunkt der Verbindungsleitung 12 an der Massefläche 9 bis zum äußersten Rand der ersten leitenden Fläche 6 ist eine Gesamtlänge von Lambda- 4 für eine Resonanz bei GSM 900 vorgesehen.
Wie die 3 bis 6 zeigen, kann durch Variation der Stege 8 zwischen der Verbindungsleitung 12 und der zweiten leitenden Fläche 7 bezüglich Anzahl, Breite und Lage eine gezielte Anpassung der als Antennenstrahler dienenden leitenden Flächen 5 und 7 an die Impedanz des HF-Koaxialkabels vorgenommen werden, bzw. das Resonanzverhalten ohne zusätzliche Abstimmelemente etwa in Form von SMD-Bauelementen eingestellt werden. Dadurch können auch Störeffekte durch benachbarte HF-Baugruppen und/oder Gehäuseteile kompensiert werden. 3 zeigt sehr viele schmale Stege 8, 4 zwei relativ weit auseinander liegende schmale Stege 8, 5 einen einzigen sehr breiten Steg 8 und 6 zwei mittelbreite Stege 8, von denen der untere nahe der Massefläche 9 vorgesehen ist und der zweite im oberen Drittel der Verbindungsleitung 12 gelegen ist. Für ein Ziehen der Frequenzbereiche sind mindestens zwei Stege notwendig. Durch die Breite der Stege kann eine Beeinflussung zu höheren oder tieferen Frequenzen hin erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6756946 B1 [0003]

Claims

Planare Multi-Band-Antennenstruktur, bestehend aus – einer ersten (6) und einer zweiten (7) leitenden Fläche auf einem insbesondere dielektrischem Trägersubstrat (1), die durch einen Schlitz (11) voneinander getrennt sind, – die erste leitende Fläche (6) weist eine Verbindungsleitung (12) auf, die an mindestens einem Bereich der zweiten leitenden Fläche (7) vorbei führt und mit einer Massefläche (9) kontaktiert ist, – die Verbindungsleitung (12) ist mit der zweiten leitenden Fläche (7) über mindestens einen leitenden Steg (8) im Bereich des Schlitzes (11) verbunden.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Trägersubstrat (1) eine rückseitige leitende Fläche (5) trägt, über die die sende- und empfangsseitige Signalein- und auskopplung (2) erfolgt.
Antennenstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige leitende Fläche (5) bezüglich ihrer Lage, Ausdehnung und Kontur der zweiten leitenden Fläche (7) entspricht bis auf die Unterschiede, dass sie sich auch über die Verbindungsleitung (12) und den mindestens einen Steg (8) auf der Oberseite des Trägersubstrats (1) erstreckt und die Signalein- und auskopplung (2) aufweist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite leitende Fläche (7) über die rückseitige leitende Fläche (5) als Antennenstrahler erregbar ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitende Fläche (6) indirekt über die zweite leitende Fläche (7) als Antennenstrahler erregbar ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitende Fläche (6) zusammen mit der Verbindungsleitung (12) und der Massefläche (9) die zweite leitende Fläche (7) umgreift.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzahl, Breite und Lage der Stege (8) die Antennenanpassung insbesondere in deren Fußpunkt und/oder das Resonanzverhalten der Antennenstruktur einstellbar ist.
Antennenstruktur nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägersubstrat (1) eine weitere rückseitige leitende Fläche (4) vorgesehen ist, die bezüglich ihrer Lage und Kontur der ersten leitenden Fläche (6) entspricht, aber keine Verbindungsleitung zu einer Massefläche aufweist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen der zweiten leitenden Fläche (7) und gegebenenfalls der rückseitigen leitenden Fläche (5) so gewählt sind, dass sie als breitbandige Antennen für GSM 1800 und/oder UMTS-Frequenzen dienen.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen der ersten leitenden Fläche (6) sowie der gegebenenfalls vorgesehenen weiteren rückseitigen leitenden Fläche (4) so gewählt sind, dass sie als breitbandige Antenne für GSM 900 dient.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige leitende Fläche (5) eine Aussparung (18) für ein Lötpad (2) aufweist, welches insbesondere über mehrere Stege (13) mit der rückseitigen leitenden Fläche (5) verbunden ist, wobei das Lötpad (2) zur Signalein- und auskopplung über ein Koaxialkabel vorgesehen ist.