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Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Senden bzw. zum Empfang von Funksignalen, die auf einer Leiterplatte implementiert werden kann.
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Ein elektronisches Gerät, das eingerichtet ist, um über ein drahtloses Kommunikationsnetz zu kommunizieren, umfasst typischerweise mindestens eine Antenne zum Empfang und/oder zum Aussenden von Funksignalen. Dabei kann das elektronische Gerät eingerichtet sein, Funksignale über eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbändern, insbesondere über zwei unterschiedliche Frequenzbänder bzw. Frequenzbereiche, zu empfangen bzw. zu senden. Zu diesem Zweck kann das Gerät eine Mehrband-Antenne, insbesondere eine Dualband-Antenne, umfassen. Beispielhafte Dualband-Antennen können z.B. für die Frequenzbänder 2,4 - 2,5 GHz und 5,1 - 5,8 GHz, d.h. für WLAN (Wireless Local Area Network), bereitgestellt werden.
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Antennen benötigen für ihre Funktion typischerweise eine Bezugsmasse bzw. Bezugsebene. Die Größe und die Form einer derartigen Bezugsmasse haben typischerweise einen maßgeblichen Einfluss auf die Funktion und Abstrahlcharakteristik einer Antenne. Häufig soll eine Antenne als Leiterkartenstruktur oder als aufgesetzte Metallstruktur (z.B. als Stanz-Biegeteil) in verschieden große Leiterkarten eingesetzt werden. Die unterschiedlich großen Leiterkarten stellen für eine Antenne unterschiedlich ausgeprägte Bezugsmassen dar. Des Weiteren kann auch Kunststoff in der Umgebung der Antenne (z.B. aufgrund eines Gehäuses) die Eigenschaften einer Antenne beeinflussen. Als Folge daraus wird typischerweise für jede Leiterkartengeometrie und/oder Anwendung eine neue Antennenabstimmung benötigt. Eine derartige Antennenabstimmung kann durch Verändern der Antennenstruktur und/oder durch Verwenden eines sogenannten „Matching-Circuit“ bewerkstelligt werden.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine (Dualband-) Antenne bereitzustellen, die in effizienter Weise (insbesondere ohne Erfordernis einer dedizierten Antennenabstimmung) auf unterschiedlich ausgeprägten Leiterplatten integriert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Leiterplatten-Antenne beschrieben. Dabei kann die in diesem Dokument beschriebene Leiterplatten-Antenne in effizienter Weise auf unterschiedlich dimensionierten Leiterplatten und/oder in unterschiedlichen Umgebungen bzw. Anwendungen implementiert werden. Eine Leiterplatte umfasst dabei typischerweise eine elektrisch leitende (erste) äußere Schicht (z.B. eine vordere Schicht) sowie eine elektrisch leitende weitere (zweite) äußere Schicht (z.B. eine untere Schicht). Die ein oder mehreren Schichten können durch ein oder mehrere dielektrische Schichten voneinander elektrisch isoliert sein. Die Schichten können ein elektrisch leitendes Material, insbesondere Kupfer, umfassen. Dabei kann das elektrisch leitende Material zumindest bereichsweise aus der jeweiligen Schicht entfernt werden, insbesondere um einen Freiraum zwischen einer Antennenstruktur und einem Bezugsbereich zu bilden.
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Die Leiterplatten-Antenne umfasst eine elektrisch leitende Antennenstruktur auf der (ersten) äußeren Schicht der Leiterplatte. Die Antennenstruktur kann dabei eine längliche Form aufweisen (z.B. wie eine Dipolantenne). Insbesondere kann die Antennenstruktur eine Inverted-F Antenne bilden. Ferner kann die Antennenstruktur eine erste Resonanzfrequenz aufweisen. Insbesondere kann die Antennenstruktur ausgebildet sein, eine erste Antenne für einen ersten Frequenzbereich um die erste Resonanzfrequenz zu bilden. Der erste Frequenzbereich kann insbesondere 5,1 - 5,8 GHz umfassen bzw. diesem Frequenzintervall entsprechen.
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Des Weiteren weist die Leiterplatten-Antenne einen elektrisch leitenden Bezugsbereich auf der äußeren Schicht auf. Dabei kann der Bezugsbereich mit einer Masse bzw. mit Ground der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden sein. Insbesondere kann der Bezugsbereich ausgebildet sein, eine Bezugsmasse für die Antennenstruktur zu bilden, so dass die Leiterplatten-Antenne unabhängig von einer Größe der Bezugsmasse ist.
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Ferner weist die Leiterplatten-Antenne eine elektrisch leitende Speiseleitung zu der Antennenstruktur auf. Die Speiseleitung kann im Wesentlichen senkrecht zu der Längsausrichtung der Antennenstruktur angeordnet sein. Ein von der Antennenstruktur empfangenes Funksignal kann über die Speiseleitung ausgekoppelt werden. Andererseits kann ein von der Antennenstruktur zu sendendes Funksignal über die Speiseleitung in die Antennenstruktur eingespeist werden.
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Der Bezugsbereich kann ausgebildet sein, die Antennenstruktur abgesehen von einer isolierenden Speise-Aussparung für die Speiseleitung und abgesehen von einer isolierenden Steg-Aussparung teilweise oder vollständig zu umschließen. Dabei kann die Steg-Aussparung an einer von der Speiseleitung abgewandten Seite der Antennenstruktur angeordnet sein. Der Bezugsbereich kann somit durch die beiden Aussparungen in (ggf. genau) zwei Teile unterteilt werden, d.h. in einen ersten Teil-Bezugsbereich und in einen zweiten Teil-Bezugsbereich.
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Der Bezugsbereich, insbesondere der erste Teil-Bezugsbereich, kann auf der von der Speiseleitung abgewandten Seite der Antennenstruktur einen Bezugsbereichs-Steg aufweisen. Der Bezugsbereichs-Steg kann dabei elektrisch leitend mit dem ersten Teil-Bezugsbereich verbunden sein. Ferner kann der Bezugsbereichs-Steg einen mit der Antennenstruktur kapazitiv gekoppelten Resonator mit einer zweiten Resonanzfrequenz bilden. Der Bezugsbereichs-Steg kann eine längliche Form aufweisen (und damit z.B. eine Dipolantenne bilden). Insbesondere kann der Bezugsbereichs-Steg ausgebildet sein, eine zweite Antenne für einen zweiten Frequenzbereich um die zweite Resonanzfrequenz zu bilden. Der zweite Frequenzbereich kann insbesondere 2,4 - 2,5 GHz umfassen bzw. diesem Frequenzintervall entsprechen.
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Es wird somit eine Dual-Band Antenne beschrieben, die durch die Bereitstellung eines Bezugsbereichs und eines zusätzlichen Bezugsbereichs-Stegs in zuverlässiger Weise in unterschiedlichen Einbauumgebungen und/oder auf unterschiedlichen Leiterplatten-Typen verwendet werden kann.
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Die Antennenstruktur kann im Wesentlichen rechteckförmig aufgebaut sein. Insbesondere kann die Antennenstruktur ein elektrisch leitendes Rechteck (zur Bereitstellung der Antennenfunktion) aufweisen. Die, senkrecht zu der Speiseleitung verlaufende, Länge der Antennenstruktur kann dabei größer als die, parallel zu der Speiseleitung verlaufende, Breite der Antennenstruktur sein. Des Weiteren kann die Längskante des Bezugsbereichs-Stegs parallel zu der entlang der Länge der Antennenstruktur verlaufenden Längskante der Antennenstruktur angeordnet sein. So kann eine zuverlässige elektromagnetische und/oder kapazitive Kopplung zwischen dem Bezugsbereichs-Steg und der Antennenstruktur bewirkt werden. Insbesondere können der Bezugsbereichs-Steg und die Antennenstruktur über einen zwischen der Längskante der Antennenstruktur und der Längskante des Bezugsbereichs-Stegs angeordneten elektrisch isolierenden Freiraum kapazitiv miteinander gekoppelt sein.
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Der Freiraum zwischen der Längskante der Antennenstruktur und der Längskante des Bezugsbereichs-Stegs kann in einem bevorzugten Beispiel eine Breite von F*2,2mm ± 10% aufweisen, wobei F ein beliebiger reellwertiger Skalierungsfaktor ist, mit insbesondere F=1.
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Die Antennenstruktur kann eine bestimmte Länge entlang der Längskante der Antennenstruktur aufweisen, wobei die Länge der Antennenstruktur von der ersten Resonanzfrequenz abhängt. Insbesondere kann die Einstellung der Länge der Antennenstruktur typischerweise dazu genutzt werden, die erste Resonanzfrequenz einzustellen. In einem bevorzugten Beispiel ist die Länge der Antennenstruktur F*11,4mm ± 10%. Ferner ist die Breite der Antennenstruktur in einem bevorzugten Beispiel F*2,4mm ± 10%.
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In entsprechender Weise weist der Bezugsbereichs-Steg eine bestimmte Länge entlang einer Längskante des Bezugsbereichs-Stegs auf, wobei die Länge des Bezugsbereichs-Stegs typischerweise von der zweiten Resonanzfrequenz abhängt. Insbesondere kann die Einstellung der Länge des Bezugsbereichs-Stegs dazu genutzt werden, die zweite Resonanzfrequenz einzustellen. In einem bevorzugten Beispiel ist die Länge des Bezugsbereichs-Stegs F*11,7mm ± 10%. Ferner ist die Breite des Bezugsbereichs-Stegs in einem bevorzugten Beispiel F*1,5mm ± 10%.
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Die Antennenstruktur kann über einen elektrisch leitenden Antennenstruktur-Steg (auch als Kurzschluss-Steg bezeichnet) elektrisch leitend mit dem Bezugsbereich, insbesondere mit dem zweiten Teil-Bezugsbereich des Bezugsbereichs, verbunden sein. Dabei kann der Antennenstruktur-Steg parallel zu der Speiseleitung verlaufen. Ferner kann der Antennenstruktur-Steg eine Wesentlich größere, parallel zu der Speiseleitung verlaufende, Länge als (senkrecht zu der Speiseleitung verlaufende) Breite aufweisen, insbesondere um einen Faktor 10 oder mehr.
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Die Speiseleitung und/oder der Antennenstruktur-Steg verlaufen typischerweise senkrecht zu einer Längsrichtung bzw. Längskante der Antennenstruktur. Ferner kann der Antennenstruktur-Steg an einem Ende und/oder an einer Querkante der Antennenstruktur angeordnet sein (insbesondere an dem Ende bzw. an der Querkante, die dem zweiten Teil-Bezugsbereich zugewandt ist). In einem bevorzugten Beispiel weist der Antennenstruktur-Steg eine Breite von F*0,9mm ± 10% auf. Ferner kann der Antennenstruktur-Steg (insbesondere eine der Speiseleitung zugewandte Kante des Antennenstruktur-Stegs) in einem bevorzugten Beispiel einen Abstand von F*5,7mm ± 10% zu der Speiseleitung aufweisen.
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Durch die Verwendung eines elektrisch leitenden Antennenstruktur-Stegs kann die Impedanz der Antennenstruktur in effizienter und präziser Weise eingestellt werden. Des Weiteren kann die erforderliche Größe der Antennenstruktur reduziert werden. Ferner können über den (Kurzschluss-) Steg zu dem Bezugsbereich, insbesondere zu dem zweiten Teil-Bezugsbereich, in zuverlässiger Weise elektrostatische Entladungen von der Sende-/Empfangs-Elektronik der beschriebenen Antenne ferngehalten werden.
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Wie bereits oben dargelegt, kann der Bezugsbereich durch die Speise-Aussparung und durch die Steg-Aussparung in einen ersten Teil-Bezugsbereich und in einen zweiten Teil-Bezugsbereich unterteilt sein. Die Unterteilung kann dabei derart sein, dass der erste Teil-Bezugsbereich und der zweite Teil-Bezugsbereich nicht direkt elektrisch leitend auf der äußeren Schicht miteinander gekoppelt sind (sondern ggf. nur indirekt über eine Durchkontaktierung mit einer anderen Schicht der Leiterplatte).
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Der zweite Teil-Bezugsbereich kann eine L-Form aufweisen. Des Weiteren kann der erste Teil-Bezugsbereich eine (ggf. in Bezug auf die Speiseleitung) spiegelbildlich zu dem zweiten Teil-Bezugsbereich angeordnete L-Form aufweisen, an der parallel zu einem senkrecht zu der Speiseleitung verlaufenden Schenkel der L-Form zusätzlich der Bezugsbereichs-Steg angeordnet ist. Der erste Teil-Bezugsbereich und der zweite Teil-Bezugsbereich können somit (abgesehen von dem zusätzlichen Bezugsbereichs-Steg) die gleiche Form und/oder die gleichen Dimensionen aufweisen, und ggf. spiegelbildlich in Bezug auf die Speiseleitung angeordnet sein. So kann eine Antenne bereitgestellt werden, die in besonders flexibler Weise in unterschiedlichen Konstellationen eingesetzt werden kann.
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In einem bevorzugten Beispiel weist ein sich parallel zu der Speiseleitung erstreckender Schenkel des ersten Teil-Bezugsbereichs und/oder des zweiten Teil-Bezugsbereichs jeweils eine (parallel zu der Speiseleitung verlaufende) Länge von F*7,4mm ± 10% auf (ausgehend von einer der Antennenstruktur zugewandten Längskante des Bezugsbereichs). Des Weiteren kann in einem bevorzugten Beispiel die (dem Bezugsbereich zugewandte) Längskante der Antennenstruktur einen Abstand von F*1,3mm ± 10% zu der Längskante des senkrecht zu der Speiseleitung verlaufenden Schenkels des ersten Teil-Bezugsbereichs und/oder des zweiten Teil-Bezugsbereichs aufweisen.
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Die Leiterplatten-Antenne kann eine elektrisch leitende weitere äußere Schicht der Leiterplatte umfassen. Ferner kann die Leiterplatten-Antenne einen elektrisch leitenden weiteren Bezugsbereich auf der weiteren äußeren Schicht umfassen. Dabei kann der Bezugsbereich (der (ersten) äußeren Schicht) über ein oder mehrere Durchkontaktierungen mit dem weiteren Bezugsbereich (der weiteren äußeren Schicht) elektrisch leitend verbunden sein.
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Der Bezugsbereich kann ohne den Bezugsbereichs-Steg und ohne die Speise-Aussparung eine U-Form aufweisen (die sich aus den beiden o.g. L-förmigen Teil-Bezugsbereichen zusammensetzt). Dabei kann die Antennenstruktur an drei Seiten von der U-Form des Bezugsbereichs umschlossen sein. Ferner kann der Bezugsbereichs-Steg zumindest einen Teil der vierten Seite der Antennenstruktur umschließen (und parallel dazu verlaufen).
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Der weitere Bezugsbereich kann ebenfalls eine U-Form aufweisen. Dabei können die U-Form des weiteren Bezugsbereichs und die U-Form des Bezugsbereichs in einem bevorzugten Beispiel identisch dimensioniert sein und/oder direkt übereinander angeordnet sein. So kann eine besonders flexibel einsetzbare Antenne bereitgestellt werden.
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Wie bereits oben dargelegt, werden die (erste) äußere Schicht und/oder die weitere (zweite) äußere Schicht typischerweise jeweils durch eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere durch eine Kupferschicht, einer Leiterplatte gebildet. Des Weiteren sind die äußere Schicht und die weitere äußere Schicht typischerweise durch zumindest eine dielektrische Schicht voneinander isolierst.
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Des Weiteren kann eine Leiterplatte zumindest eine elektrisch leitende Zwischenschicht (z.B. eine Kupferschicht) aufweisen, die zwischen der äußeren Schicht und der weiteren äußeren Schicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht weist bevorzugt in einem Bereich der Antennenstruktur und/oder des Bezugsbereichs-Stegs (sowie des dazwischenliegenden Freiraums) kein elektrisch leitendes Material (insbesondere kein Kupfer) auf. Andererseits kann die Zwischenschicht in einem Bereich des Bezugsbereichs über ein oder mehrere Durchkontaktierungen elektrisch leitend mit dem Bezugsbereich verbunden sein. So kann auch bei einer Leiterplatte mit ein oder mehreren Zwischenschichten in effizienter und präziser Weise eine Leiterplatten-Antenne bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hausgerät, insbesondere ein Haushaltsgerät, beschrieben, das eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Kommunikation (insbesondere über WLAN) umfasst, wobei die Kommunikationseinheit die in diesem Dokument beschriebene Leiterplatten-Antenne aufweist.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Dabei zeigen
- 1a die obere bzw. die (erste) äußere Schicht einer Leiterplatte mit einer Antenne;
- 1b die untere Schicht bzw. die zweite bzw. weitere äußere Schicht einer Leiterplatte;
- 1c und1d Querschnitte durch Leiterplatten mit jeweils einer Antenne;
- 2a und 2b beispielhafte Abmessungen einer Antenne; und
- 3 beispielhafte Frequenzverläufe von unterschiedlich dimensionierten Antennen.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer (Dualband-) Antenne, die in effizienter Weise auf unterschiedlich dimensionierten und/oder ausgelegten Leiterplatten und/oder in unterschiedliche Umgebungen integriert werden kann. Die (Dualband-) Antenne soll dabei insbesondere für WLAN Funkkommunikation in den Frequenzbändern bei 2,4GHz und bei 5GHz ausgelegt sein.
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1a und 1b zeigen eine beispielhafte Antenne 100, die auf einer Leiterplatte 101 integriert ist. Insbesondere zeigen 1a die (elektrisch leitende) obere Schicht 110 der Leiterplatte 101 und 1b die (elektrisch leitende) untere Schicht 120 der Leiterplatte. Wie in den 1c und 1d dargestellt, befinden sich zwischen der oberen Schicht 110 und der unteren Schicht 120 ein oder mehrere dielektrische Schichten 130 sowie ggf. ein oder mehrere (elektrisch leitende) Zwischenschichten 150. Die elektrisch leitenden Schichten 110, 120, 150 können eine Schicht aus Metall, insbesondere Kupfer, aufweisen. Das Metall kann in Teilbereichen der Schichten 110, 120, 150 entfernt werden (z.B. weggeätzt werden), um unterschiedliche elektrisch leitende Teilbereiche innerhalb einer Schicht 110, 120, 150 zu bilden, wobei die Teilbereiche elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die obere Schicht 110 weist eine elektrisch leitende Antennenstruktur 113 auf, die über einen (elektrisch nicht-leitenden) Freiraum 112 von einem elektrisch leitenden Bezugsbereich 111, 141 isoliert ist. Der Bezugsbereich 111, 141 umschließt die Antennenstruktur 113 zumindest teilweise. Dabei ist der die Antennenstruktur 113 umschließende Bezugsbereich 111, 141 an einer ersten Stelle unterbrochen, um einen Freiraum bzw. eine Aussparung 117 zu bilden, durch den bzw. durch die eine elektrisch leitende Speiseleitung 115 zu der Antennenstruktur 113 hin geführt werden kann. Des Weiteren weist der Bezugsbereich 111, 141 eine zweite Aussparung 142 auf, um einen parallel zu der Antennenstruktur 113 verlaufenden Bezugsbereichs-Steg 143 zu bilden. Aufgrund der zwei Aussparungen 117, 142 wird der Bezugsbereich 111, 141 somit in zwei Teil-Bezugsbereiche, insbesondere einen ersten Teil-Bezugsbereich 111 und einen zweiten Teil-Bezugsbereich 141 aufgeteilt. Der Bezugsbereichs-Steg 143 ist dabei elektrisch leitende mit dem ersten Teil-Bezugsbereich 111 verbunden.
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In dem in 1a dargestellten Beispiel weist die Antennenstruktur 113 eine rechteckige Form auf. Die Antennenstruktur 113 kann dabei für das Aussenden bzw. für den Empfang von Signalen in einem bestimmten ersten Frequenzbereich (etwa 5,1 - 5,8 GHz) verwendet werden. Insbesondere kann die Antennenstruktur 113 durch die Gesamtlänge 205 der Antennenstruktur 113 einen λ/4-Strahler für einen bestimmten ersten Frequenzbereich bilden.
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Andererseits kann der Freiraum 112 zwischen der Antennenstruktur 113 und dem Bezugsbereichs-Steg 143 des Bezugsbereichs 111, 141, und/oder der Bezugsbereichs-Steg 143 selbst als (Schlitz-) Antenne für einen weiteren (zweiten) Frequenzbereich (etwa 2,4 - 2,5 GHz) verwendet werden. Zu diesem Zweck können der Freiraum 112 und insbesondere der Bezugsbereichs-Steg 143 eine bestimmte Länge 208 aufweisen, so dass der Freiraum 112 und/oder der Bezugsbereichs-Steg 143 einen λ/4-Strahler für einen weiteren (zweiten) Frequenzbereich bilden.
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Des Weiteren kann die Antennenstruktur 113 über einen elektrisch leitenden Antennenstruktur-Steg (insbesondere über einen Kurzschluss-Steg) 116 elektrisch leitend mit dem Bezugsbereich 111, 141, insbesondere mit dem zweiten Teil-Bezugsbereiche 141, verbunden sein. Der elektrisch leitende Antennenstruktur-Steg 116 kann dabei an einem Ende der Antennenstruktur 113, insbesondere an der schmalsten Querkante der Antennenstruktur 113, angeordnet sein. Die Antennenstruktur 113 kann somit eine (planare) Inverted-F-Antenne bilden.
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Über den Abstand 206 zwischen dem Steg 116 und dem Speisepunkt bzw. der Speiseleitung 115 kann die Impedanz der Antennenstruktur 113 auf einen gewünschten Wert (z.B. 50 Ohm) getrimmt werden. Außerdem können über diesen Kurzschluss-Steg 116 elektrostatische Entladungen weitgehend von der Sende-/Empfangs-Elektronik der Antenne 100 ferngehalten werden.
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1b zeigt die untere Schicht 120 der Leiterplatte 101. Die untere Schicht 120 ist zumindest teilweise identisch zu der oberen Schicht 110 aufgebaut. Insbesondere weist die untere Schicht 120 in dem dargestellten Beispiel einen Bezugsbereich 121 auf, der (abgesehen von der ersten Aussparung 117, und abgesehen von dem Steg 143) identisch zu dem Bezugsbereich 111, 141 der oberen Schicht 110 aufgebaut ist. Der Bezugsbereich 121 weist dabei eine U-Form auf, mit einer parallel zu der rechteckigen Antennenstruktur 113 verlaufenden Basis 124 und zwei Schenkeln 123.
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Der Bezugsbereich 111 der oberen Schicht 110 kann über ein oder mehrere Vias bzw. Durchkontaktierungen 114 mit dem Bezugsbereich 121 der unteren Schicht 120 elektrisch leitend verbunden sein. Die Vias bzw. Durchkontaktierungen 114 sind in den 1a und 1b als Punkte dargestellt. Die genaue Position der ein oder mehreren Vias bzw. Durchkontaktierungen 114 kann je nach Via-Technologie unterschiedlich sein.
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Die 1c und 1d zeigen beispielhafte Querschnitte durch beispielhafte Leiterplatten 101 mit einer Antennenstruktur 113. Dabei weist eine Leiterplatte 101 zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten 110, 120 eine dielektrische und/oder elektrisch isolierende Schicht 130 auf. In dem in 1d dargestellten Beispiel weist die Leiterplatte 101 zwischen der oberen Schicht 110 und der unteren Schicht 120 (zumindest) eine elektrisch leitende Zwischenschicht 150 auf, die von der oberen Schicht 110 bzw. der unteren Schicht 120 jeweils durch eine dielektrische Schicht 130 getrennt ist.
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1d veranschaulicht den Bereich 141, in dem die in der 1a dargestellte Antennenstruktur 113 inklusive des Freiraums 112 angeordnet sind. Dieser Bereich 151 einer Zwischenschicht 150 ist typischerweise auszusparen, so dass die Zwischenschicht 150 in diesem Bereich 151 kein elektrisch leitendes Material (insbesondere kein Kupfer) aufweist. Andererseits kann der verbleibende Bereich 152 einer Zwischenschicht 150 über die Vias bzw. Durchkontaktierungen 114 mit dem Bezugsbereich 111, 121 der oberen Schicht 110 und der unteren Schicht 120 elektrisch leitend verbunden werden.
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Die 2a und 2b zeigen unterschiedliche Dimensionen der Antenne 100 aus den 1a und 1b. Insbesondere zeigen die 2a und 2b
- • den Abstand 201 zwischen der der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141 zugewandten Längskante des Rechtecks 118 der Antennenstruktur 113 und der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141;
- • den Abstand 202 zwischen der der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141 abgewandten Längskante des Rechtecks 118 der Antennenstruktur 113 und der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141;
- • den Abstand 203 zwischen der der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141 zugewandten Längskante des Bezugsbereichs-Stegs 143 und der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141;
- • den Abstand 204 zwischen der der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141 abgewandten Längskante des Bezugsbereichs-Stegs 143 und der (unterbrochenen) Basis (der U-Form) des Bezugsbereichs 111, 141;
- • die Länge 205 des Rechtecks 118 der Antennenstruktur 113;
- • den Abstand 206 der Speiseleitung 117 von dem Antennenstruktur-Steg 116;
- • die Breite 207 des Antennenstruktur-Stegs 116;
- • die Länge 208 des Bezugsbereichs-Stegs 143;
- • den Abstand 209 des Antennenstruktur-Stegs 116 von der parallel zu dem Antennenstruktur-Steg 116 verlaufenden, dem Freiraum 112 zugewandten, Kante eines Schenkels des zweiten Teil-Bezugsbereichs 141;
- • den Abstand 210 der, dem Freiraum 112 zugewandten, einander gegenüberliegenden Kanten der Schenkel des ersten Teil-Bezugsbereichs 111 und des zweiten Teil-Bezugsbereichs 141;
- • den Abstand 212 der, dem Freiraum 122 zugewandten, einander gegenüberliegenden Kanten der beiden Schenkel 123 des Bezugsbereichs 121 der unteren Schicht 120; dieser Abstand 212 entspricht typischerweise dem Abstand 210;
- • die Tiefe 213 der Schenkel 123 des Bezugsbereichs 121 der unteren Schicht 120 (ausgehend von der dem Freiraum 122 zugewandten Kante der Basis 124 des Bezugsbereichs 121); diese Tiefe 213 entspricht typischerweise dem Abstands 204.
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Bevorzugte Werte der o.g. Dimensionen der Antenne 100 (insbesondere für eine Dualband-Antenne für die Frequenzbänder 2,4 - 2,5 GHz und 5,1 - 5,8 GHz) sind:
- • für den Abstand 201: 1,3mm; und/oder
- • für den Abstand 202: 3,7mm; und/oder
- • für den Abstand 203: 5,9mm; und/oder
- • für den Abstand 204: 7,4mm; und/oder
- • für die Länge 205: 11,4mm; und/oder
- • für den Abstand 206: 5,7mm; und/oder
- • für die Breite 207: 0,9mm; und/oder
- • für die Länge 208: 11,7mm; und/oder
- • für den Abstand 209: 5,7mm; und/oder
- • für den Abstand 210: 21,3mm; und/oder
- • für den Abstand 212: 21,3mm; und/oder
- • für die Tiefe 213: 7,4mm.
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Die Leiterplatte 101 kann z.B. eine Stärke bzw. Dicke von 1 ,5mm aufweisen. Eine eventuelle Kupfer-Zwischenlage 150 weist bevorzugt eine rechteckige Aussparung 151 der Größe 7,7mm x 22mm auf. Des Weiteren kann die Zwischenlage 150 über außenliegende Vias 114 mit den Bezugsbereichen 111, 141, 121 der äußeren Schichten 110, 120 verbunden sein.
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Die o.g. Werte können jeweils um bis zu ±10% schwanken (insbesondere um die Resonanzfrequenzen zu trimmen). Des Weiteren können die Werte ggf. mit einem gemeinsamen Faktor F skaliert werden.
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Die Leiterplatten-Antenne 100 kann auf einer Leiterplatte 101 mit einer Größe 49mm x 43 mm angeordnet sein. Dabei können auf der Leiterplatte 101 ggf. mehrere der beschriebenen Leiterplatten-Antennen 100 angeordnet, z.B. je eine Antenne 100 an einer langen Kante und an einer kurzen Kante der Leiterplatte 101. Die einzelnen Antennen 100 können dabei auf die Position innerhalb der Leiterplatte 101 angepasst und/oder optimiert sein (z.B. durch Anpassung der o.g. Werte einer Antenne 100 in einem Bereich von ±10%).
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Es wird somit eine planare Leiterplatten-Antennenstruktur 113 beschrieben, die von der Bezugsmasse (d.h. von einem Bezugsbereich 111, 121, 141) umgeben bzw. in die Bezugsmasse integriert ist. Die Bezugsbereiche 111, 121, 141 können mit Masse bzw. Ground elektrisch leitend gekoppelt sein. Durch die Integration einer Antennenstruktur 113 in einen Bezugsbereich 111, 121, 141 werden die Eigenschaften der Antenne 100 von der Größe der Bezugsmasse einer Leiterplatte 101 unabhängig. Als Folge daraus kann die Antenne 100 in effizienter Weise in verschieden große Leiterkarten 101 und/oder in unterschiedliche Umgebungen eingebaut werden, ohne die Antennenstruktur 113 und/oder einen „Matching Circuit“ verändern zu müssen. Folglich kann eine Modul-Zulassung für die beschriebene Antenne 100 unabhängig von der konkreten Einbausituation für verschiedene Gesamtgeräte verwendet werden.
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Bei der beschriebenen Antenne 100 kann es sich um eine erweiterte Form einer planaren Inverted-F Antenne (PIFA, für englisch: Planar Inverted F-Shaped Antenna) handeln (gebildet durch die Antennenstruktur 113). Dabei weist die Antenne 110 einen zusätzlichen Resonator auf (gebildet durch den Bezugsbereichs-Steg 143 des ersten Teil-Bezugsbereichs 111), wodurch eine zweite (relativ tiefe) Resonanzfrequenz entsteht. Der zusätzliche Resonator kann dabei über den Zwischenraum (d.h. den Freiraum 112) zwischen dem Rechteck 118 der Inverted-F Antenne 113 und dem Bezugsbereichs-Steg 143 kapazitiv durch die Inverted-F Antenne 113 angeregt werden. Diese kapazitive Kopplung ist bevorzugt relativ schwach ausgelegt, wodurch die Resonanzen der Inverted-F Antenne 113 und des Bezugsbereichs-Stegs 153 relativ breitbandig werden.
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Durch die Verwendung von relativ breitbandigen Resonatoren ändert sich das Abstrahlverhalten der Antenne 100 relativ wenig, wenn sich die Resonanzfrequenzen verschieben (z.B. durch Kunststoff (etwa des Gehäuses eines Geräts) in der Nähe der Antenne 100, oder durch Fertigungstoleranzen). Die Qualität der Antenne 100 ist daher relativ unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen. Außerdem kann die Antenne 100 in verschiedenen Einbausituationen betrieben werden, ohne dafür die Resonanzen, durch Anpassung der Struktur der Antenne 100 oder durch ein „Matching Circuit“, verschieben zu müssen. Es kann somit eine Zulassung der Antenne 100 unabhängig von der Einbausituation für verschiedene Gesamtgeräte verwendet werden.
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3 zeigt beispielhafte Frequenzgänge 301, 302, 303 von unterschiedlichen Antennen. In den Frequenzgängen 301, 302, 303 ist für alle Antennen eine Resonanzfrequenz im Frequenzbereich 2,4 - 2,5 GHz zu erkennen. Zwei der Antennen (Frequenzgänge 301, 302) weisen zusätzlich eine Resonanzfrequenz im Frequenzbereich 5,1 - 5,8 GHz auf. Es ist zu erkennen, dass die Antennen mit den beiden Resonanzfrequenzen in den jeweiligen Frequenzbereichen breitbandiger sind, als die Antenne, die nur eine Resonanzfrequenz aufweist. So kann ein flexibler Einsatz der Dualband-Antennen ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
