DE10204079A1

DE10204079A1 - Mehrbandantenne mit parasitären Strahlern

Info

Publication number: DE10204079A1
Application number: DE10204079A
Authority: DE
Inventors: Marta Martinez-Vazquez; Matthias Geissler
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antenne (1), insbesondere für Mobilfunktelefone, umfassend einen aktiven Strahler (2) und mindestens einen ersten parasitären Strahler (3), die jeweils eine erstes Ende (5, 6), das mit einer elektrischen Bezugsmasse (9) verbunden ist, einen Zwischenbereich (10, 11) und ein dem ersten Ende (5, 6) gegenüberliegendes freies Ende (7, 8) aufweisen, wobei der aktive Strahler (2) und der erste parasitäre Strahler (3) in einem Kopplungsbereich (12) miteinander verkoppelt sind und im wesentlichen nebeneinander verlaufend mit einem Abstand gegenüberliegend zu der elektrischen Bezugsmasse (9) angeordnet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich (12) einen mittleren Durchmesser kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne (1) aufweist. Die Antenne (1) sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstrahlen von Frequenzen in mehreren Frequenzbändern mit einer Antenne (1) zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere Frequenzbänder mit großer Bandbreite und guter Impedanzanpassung von einer höchst kompakten Antenne (1) betrieben werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrbandantenne, insbesondere für Mobilfunktelefone, umfassend einen aktiven Strahler und mindestens einen parasitären Strahler.

Moderne Mobilfunktelefone verwenden zunehmend Antennen, die vollständig in das Gerät integriert sind (sog. "Integrierte Antennen"). Um die Größe der Mobilfunktelefone zu minimieren, werden möglichst kleine Antennen entwickelt. Die Mindestgröße einer resonanten Antenne ist abhängig von der Wellenlänge λ der verwendeten elektromagnetischen Strahlung. Wird eine Antenne kleiner gebaut, nimmt die Abstrahleffizienz der Antenne ab.

Es ist bekannt, Antennen nach dem sogenannten Prinzip der PIFA (Planar Inverted-F Antenna) aufzubauen (siehe K. Hirasawa, M. Haneishi (Editors): Analysis and Design of Small and Low-Profile Antennas. Artech House Inc. Boston London, ISBN 0-89006-486-5, 1992). Die PIFA umfasst gewöhnlicherweise ein rechteckiges, planares, elektrisch leitfähiges Element und eine elektrische Masseplatte. Sie stellt eine relativ kompakte Bauform einer planaren Antenne dar.

Durch die zunehmende Anzahl von Frequenzstandards und aufgrund des Bedürfnisses, mit einem Mobilfunktelefon mehrere Frequenzstandards nutzen zu können, werden Antennenkonzepte konzipiert, die zum einen in der Lage sind, gleichzeitig auf mehreren Frequenzbändern senden bzw. empfangen zu können, zum anderen jedoch auch möglichst kompakt und klein sind.

Aus der EP 0 997 974 ist eine Zweiband-Antenne bekannt, die aus einer einzigen Strahlerfläche besteht, die einen Speisekontakt sowie einen Massekontakt aufweist. Nachteilig hierbei ist, dass die Eingangsimpedanz nicht für beide Strahler unabhängig eingestellt werden kann, weil beide Strahlerarme galvanisch verbunden sind. Andere Bauformen für Antennen, wie z. B. die in der DE 199 29 689 beschriebenen, haben zwar galvanisch getrennte Strahlerarme, benötigen aber eine aufwändige zweiarmige Speisestruktur. Derartige Antennen sind nur für den Betrieb zweier Standards (z. B. GSM und DCS) geeignet.

Ein Problem bei vielen bisher verwendeten Antennenkonzepten ist, dass aufgrund des begrenzten Volumens des Antennenelementes die Bandbreite der Antennen eher gering ausfällt. In Bezug auf integrierte Antennen für Mobilfunktelefone gelingt es in der Regel gerade, die nötige Bandbreite in beiden Bändern zu erreichen. Die Anpassung an den Bandgrenzen ist jedoch dann eher unbefriedigend.

Ein befriedigende Lösung hinsichtlich Kompaktheit, Impedanzanpassung und Bandbreite ist in der (nicht vorveröffentlichten) DE 101 37 946 angegeben, die eine Antenne aus zwei Strahlerelementen beschreibt, die sich zumindest in einem Teilabschnitt orthogonal zueinander erstrecken, wobei mindestens ein Strahlerarm einen in seinem Inneren verlaufenden Schlitz zur Erzeugung einer Resonanzfrequenz aufweist. Die beiden Strahlerarme und der Schlitz induzieren drei Grundschwingungszustände der Antenne. Durch geeignete Positionierung der Strahler und des Kurzschlusspunktes, sowie über die Lage und Geometrie des Schlitzes, ist es möglich, einen Speisepunkt derart zu finden, dass eine Impedanzanpassung aller drei Strahler mit jeweils angemessener Bandbreite erfolgen kann.

In der Literatur sind weitere Ansätze zu finden, wie eine resultierende Bandbreite erhöht werden kann. So verwendet man sogenannte parasitäre Elemente. Diese parasitären Elemente sind zusätzliche, passive Strahlerelemente, die mit dem eigentlichen Strahlerelement nicht galvanisch kontaktiert sind und auch nicht direkt bespeist werden. Durch eine nahe Positionierung zum Hauptstrahler wechselwirken die passiven Strahlerelemente mit dem Hauptstrahler. Die passiven Strahlerelemente werden dadurch zum Schwingen angeregt, wobei sie Energie aufnehmen und abgeben. Durch diese Kopplung beeinflussen die passiven und abgeben. Durch diese Kopplung beeinflussen die passiven Strahlerelemente den eigentlichen Strahler in der Weise, dass dieser sein Impedanzverhalten verändert. Beispielsweise beschreibt die EP 1 094 545 eine gestapelte Antennenstruktur mit parasitären Elementen. Die WO 01/28035 beschreibt einen Strahler mit einem parasitären Element, wobei die gemeinsame Massefläche nicht als aktiver Gegenpol benutzt wird. Derartige Antennensysteme weisen noch nicht die gewünschte Kompaktheit auf oder sind nicht geeignet für den Betrieb in mehreren Frequenzstandards.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere verbesserte Antenne anzugeben, die in ihrer Bauform kompakt ist und die in der Lage ist, auf mehreren Frequenzbändern gleichzeitig zu empfangen bzw. zu senden, insbesondere eine Antenne anzugeben, mit der eine Impedanzanpassung der Strahler auch am Rand der Frequenzbänder noch gut möglich ist. Desweiteren ist es Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Frequenzen in mehreren Frequenzbändern mit einer kompakten Antenne abgestrahlt bzw. empfangen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mehrbandantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 25 gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen, die jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Antenne, insbesondere für Mobilfunktelefone, umfasst einen aktiven Strahler und mindestens einen parasitären Strahler, die jeweils ein erstes Ende, das mit einer elektrischen Bezugsmasse verbunden ist, einen Zwischenbereich und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes freies Ende aufweisen, wobei der aktive Strahler und der parasitäre Strahler in einem Kopplungsbereich miteinander verkoppelt sind und gegenüberliegend zu der elektrischen Bezugsmasse beabstandet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler für unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgelegt sind und der Kopplungsbereich einen mittleren Durchmesser kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne aufweist.

Der aktive Strahler und der parasitäre Strahler sind vorzugsweise planar mit einem vorgegebenen Abstand zu einer elektrischen Bezugsmasse ausgebildet. Vorteilhafterweise verlaufen die Strahler im wesentlichen nebeneinander. Es ist vorteilhaft, wenn der eine Strahler zumindest teilweise um den anderen Strahler gebogen ist. Die Strahler können parallel, schräg oder gekrümmt zur Bezugsmasse angeordnet sein. Je nach erforderlicher Anzahl von Frequenzbändern, mit denen die Antenne senden bzw. empfangen soll, sind mehrere parasitäre Strahler vorgesehen. Die Bezugsmasse ist üblicherweise durch eine Platine gegeben, mit der die beiden Strahler an ihrem ersten Ende elektrisch verbunden sind. Der aktive Strahler wird über einen Speisekontakt von einer Hochfrequenzschaltung bespeist. Der aktive und der parasitäre Strahler sind länglich ausgebildet und verlaufen im wesentlichen nebeneinander auf einer Bahn, die gekrümmt oder geknickt sein kann, vorzugsweise jedoch gradlinig ist.

Der parasitäre Strahler wird über das elektromagnetische Feld, welches vom aktiven Strahler aufgebaut wird, angekoppelt, wobei der Energietransfer größtenteils, d. h. zu mehr als 60%, insbesondere zu mehr als 80%, vorzugsweise zu mehr als 90%, in dem Kopplungsbereich stattfindet. Der Kopplungsbereich beschreibt somit den Bereich, der für den Energieübertrag vom aktiven Strahler zum parasitären Strahler maßgeblich verantwortlich ist. Der Kopplungsbereich kann in seine verschiedenen Raumrichtungen verschieden ausgedehnt sein, soll jedoch räumlich begrenzt sein, damit eine Lokalisierung des Energieübertrags bewirkt wird. Durch die Lokalisierung wird erreicht, dass eine undifferenzierte räumliche Koppelung der unterschiedlichen Strahler, die sich in einer ungünstigen Weise auf die Lage der Frequenzbereiche und deren Frequenzbandbreite auswirkt, reduziert wird. Hiermit wird die Bandbreite der jeweiligen Frequenzbereiche unter Berücksichtigung der zu erzielenden Kompaktheit der Antenne verbreitert und eine Anpassung der Frequenzbänder auch an ihren Rändern ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt der eingeschränkte Kopplungsbereich eine gezielte Abstimmung der Kopplung.

Der Kopplungsbereich zweier Strahler kann grundsätzlich an verschiedenen Orten angeordnet werden und kann insbesondere an den Enden der länglichen Strahler oder in einem Zwischenbereich, der sich zwischen den Enden des Strahlers befindet, vorgesehen sein.

Die Kopplung kann vornehmlich kapazitiv oder induktiv geprägt sein, wobei eine kapazitive Kopplung bevorzugt ist. Wichtig in jedem Fall ist die räumliche Begrenzung des Bereichs, der verantwortlich für einen Energieübertrag von dem aktiven Strahler zu dem parasitären Strahler ist. Dieses ist dann der Fall, wenn der Kopplungsbereich einen mittleren Durchmesser kleiner als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Viertel, vorzugsweise kleiner als ein Achtel, der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne aufweist.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass insbesondere bei mehreren parasitären Strahlern das Antennenvolumen mehrfach in der Weise genutzt werden kann, dass jeder Strahler als Endkapazität auf die anderen Strahler wirkt. wodurch die Strahler effektiv verlängert werden. Darüber hinaus besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die Resonanzfrequenzen der Strahler sich über die Länge abstimmen lassen. Die Eingangsimpedanz im tiefen Band ergibt sich aus der Lage des Speisepunkts am aktiven Strahler. Die Eingangsimpedanzen der hohen Bänder sind über die Kopplung der parasitären Strahler zum aktiven Strahler einregelbar. Damit lassen sich alle erforderlichen Parameter einzeln, d. h. aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit mit einem iterativen Verfahren, voneinander einstellen. Zusätzlich ist es vorteilhaft, dass die Strahler jeweils für unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgelegt werden können, wobei üblicherweise der aktive Strahler als tiefste Resonanz (z. B. GSM bei 900 MHz) einen Großteil des für die Antenne zur Verfügung stehenden Volumens einnimmt. Die anderen Resonanzfrequenzen liegen typischerweise mindestens um den Faktor 2 höher (DCS bei 1800 MHz, PCS bei 1900 MHz), und erfordern deshalb weniger Volumen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Kopplungsbereich im wesentlichen durch das freie Ende des aktiven Strahlers und das freie Ende des parasitären Strahlers gebildet. Vorteilhafterweise ist das freie Ende des einen Strahlers durch seine Stirnseite mit dem freien Ende des anderen Strahlers verkoppelt. Hierbei bedeutet der Begriff "freies Ende" jenes Ende des Strahlers, welches entlang des jeweiligen Strahlers entgegengesetzt zum ersten Ende liegt, wobei dort insbesondere der Bereich der Strahler gemeint ist, der sich in Richtung auf das freie Ende des anderen Strahlers erstreckt. Vorzugsweise ist das freie Ende des einen Strahlers in der Verlängerung des freien Ende des anderen Strahlers angeordnet. Dieses wird beispielsweise dadurch erreicht, indem der eine Strahler zumindest teilweise mit seinem freien Ende um den anderen Strahler gebogen ist. Durch diese Maßname wird effektiv eine Verlängerung der Strahler bewirkt.

Vorteilhafterweise weist der Kopplungsbereich der erfindungsgemäßen Antenne einen Spalt zwischen dem freien Ende des aktiven Strahlers und dem freien Ende des ersten parasitären Strahlers auf, dessen kopplungswirksame Spaltbreite kleiner ist als der kopplungswirksame Abstand zwischen den jeweiligen Zwischenbereichen des aktiven und des ersten parasitären Strahlers. Der Kopplungsbereich wird durch ein Volumen um diesen Spalt gebildet, das je nach Ausgestaltung des Spaltes meist länglich oder ellipsoid ist.

Hiermit wird eine im wesentlichen kapazitive Kopplung zwischen den Strahlern bewirkt, die lokal begrenzt ist. Mit der kopplungswirksamen Spaltbreite ist die Breite eines Spaltes gemeint, die für den Spalt physikalisch wirksam ist. Sie ist definiert durch Idealisierung des Spaltes durch einen effektiv wirksamen Plattenkondensator. Ändert sich beispielsweise die Breite des Spaltes entlang seiner Spaltrichtung, bedeutet die kopplungswirksame Spaltbreite eine über die verschiedenen Breiten gemittelte Spaltbreite. Beispielsweise trägt ein kleiner metallischer nadelförmiger Vorsprung, der sich von dem einen Strahler in Richtung auf den anderen Strahler erstreckt, aufgrund seines hohen Ohmschen Widerstands zur Kopplung wenig bei, so dass die Spaltbreite nicht durch die Entfernung des äußersten Bereiches des Vorsprungs zum anderen Strahler gegeben ist, sondern ist die Breite des Spaltes, die zur Kopplung tatsächlich beiträgt.

Bevorzugt ist ein Verhältnis der kopplungswirksamen Spaltbreite (B1) des Spaltes (13) zur Resonanzwellenlänge der Strahler von kleiner als 1 : 6, insbesondere kleiner als 1 : 8, vorzugsweise kleiner als 1 : 14. Für ein GSM Frequenzband bedeutet dieses, dass die kopplungswirksame Spaltbreiten des Spaltes kleiner 0.7 mm, insbesondere kleiner als 0.5 mm, vorzugsweise kleiner als 0.3 mm betragen. Mit diesen Spaltbreiten wird bei den üblichen kopplungswirksamen Abständen zwischen den Zwischenbereichen zweier Strahler, die üblicherweise größer als 1 mm, insbesondere größer als 2 mm sind, eine ausreichend starke und hinreichend lokalisierte Kopplung zwischen den Strahlern bewirkt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die kopplungswirksame Spaltbreite des Spaltes variierend. Eine Variation der Spaltbreite eines Spaltes kann dafür genutzt werden, die Impedanz des parasitären wie auch des aktiven Strahlers zu beeinflussen. Üblicherweise werden Antennen in einem reiterativen Verfahren für die jeweilige Anwendung angepasst. Eine variierende Spaltbreite ist ein Freiheitsgrad, der zwar die Bandbreite eines Strahlers beeinflusst, jedoch die Resonanzfrequenzen der Strahler nahezu konstant lässt.

Eine Anpassung der Bandbreite kann auch dadurch erfolgen, dass mindestens ein Spaltknick oder mindestens eine Spaltrundung vorgesehen ist. Dadurch verläuft der Spalt nicht gradlinig, sondern gekrümmt oder geknickt. Dieses stellt einen weiteren Freiheitsgrad dar, mit dem das Sende- und Empfangsverhalten der einzelnen Strahler wie auch das der gesamten Antenne angepasst werden kann.

Neben der Maßnahme, den Spalt so auszugestalten, dass dessen kopplungswirksame Spaltbreite kleiner als der kopplungswirksame Abstand zwischen den jeweiligen Zwischenbereichen des aktiven und des ersten parasitären Strahlers ist, kann auch eine Lokalisierung der Kopplung durch Kopplungsmittel erfolgen. Dazu weist der Kopplungsbereich vorzugsweise mindestens ein Kopplungsmittel auf. Das Kopplungsmittel stellt zu dem Spalt eine alternative Möglichkeit dar, die Kopplung zwischen den Strahlern räumlich auf Teile der Strahler zu begrenzen.

Vorteilhafterweise enthält das Kopplungsmittel ein dielektrisches Material, insbesondere ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r von mindestens 3, vorzugsweise von mindestens 5, besonders bevorzugt von mindestens 10. Durch das lokale Einbringen eines derartigen Materials, vorzugsweise zwischen zwei zu verkoppelnde Strahler, alternativ in unmittelbarer Nähe der beiden zu verkoppelnden Strahler, wird über die Polarisierung bzw. die elektrische Verschiebungsdichte in dem Dielektrikum, eine Kopplung zwischen den Strahlern bewirkt. Vorteil einer solchen Kopplung ist, dass auf einfache Weise, nämlich durch Einbringen eines Dielektrikums auch im nachhinein die Antenne justiert werden kann. Beispielsweise kann die Stärke der Kopplung über den Abstand des Dielektrikums von den Strahlern eingestellt werden, welches durch eine Schraube einfach möglich ist.

In einer alternativen Ausführungsform wird die Kopplung zwischen den Strahlern mit Hilfe von zusätzlichen, passiven metallischen Elementen bewirkt. Dazu weist das Kopplungsmittel metallische Elemente, wie z. B. Metallstreifen, Metallkugeln oder anderen metallische Dipole, auf, die zwischen dem freien Ende des aktiven Strahlers und dem freien Ende des ersten parasitären Strahlers angeordnet sind. Die metallischen Element stellen parasitäre Elemente dar, die jedoch, anders als der parasitäre Strahler, aufgrund ihrer Größe nicht im Fernfeld abstrahlen können und nur das Nahfeld modifizieren.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist einer der Strahler gefaltet. Durch die Faltung wird eine erhebliche Platzersparnis der Antenne bewirkt und eine große Kompaktheit erzielt. Bevorzugterweise ist einer der Strahler ein L-Strahler, aber auch C-, G- oder F-Strahler sind möglich. Üblicherweise ist der aktive Strahler gefaltet, jedoch ist eine Faltung des parasitären Strahlers ebenso möglich. Es ist sinnvoll den Strahler mit der tiefsten Resonanzfrequenz zu falten, um dessen Länge zu kürzen und die Antenne möglichst klein zu gestalten.

Es kann von Vorteil sein, den ersten parasitären Strahler an seinem ersten Ende galvanisch mit dem ersten Ende des aktiven Strahlers zu verbinden. Abgesehen von leichten Auswirkungen dieser Maßnahme auf die Eingangsimpedanz der Antenne bringt dieses fertigungstechnische Vorteile mit sich, da es die Fertigung einer einstückigen Mehrbandantenne, vorzugsweise durch Stanzung aus einem Blech erlaubt, wodurch Kosten reduziert werden und ein Einbau der Mehrbandantenne in ein Mobilfunkgerät erleichtert wird.

Das Frequenzspektum der Antenne kann vorteilhafterweise dadurch erweitert werden, indem der aktive Strahler mindestens einen ersten Schlitz aufweist. Durch einen Schlitz wird eine zusätzliche Resonanzfrequenz der Antenne aufgeprägt. Je nachdem, ob der Schlitz im Inneren des Strahlers verläuft, d. h. geschlossen ist, oder sich bis zum Rand des Strahlers erstreckt, d. h. offen ist, wird damit ein Halbwellenstrahler (λ/2-Strahler) oder ein Viertelwellenstrahler (λ/4-Strahler) mit entsprechend verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugt. Der erste Schlitz verläuft vorzugsweise in einer Längsrichtung des aktiven Strahlers.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Breite des ersten Schlitzes variierend, insbesondere entlang der Längsrichtung des Strahlers. Um auch Resonanzfrequenzen zwischen denjenigen des Halbwellenstrahlers oder des Viertelwellenstrahlers zu erzeugen, wird vorteilhafterweise eine Zwischenvariante zwischen einem offenen und geschlossenem Schlitz gewählt. Dieses wird beispielsweise dadurch erwirkt, dass die Schlitzbreite des ersten Schlitzes sich am Rand des Strahlers verjüngt.

Die Schlitzbreite bestimmt dann das Verhalten der durch den Schlitz induzierten zusätzlichen Resonanz. Ist die Schlitzbreite verschwindend klein, ähnelt die Resonanz einem Halbwellenstrahler. Liegt kaum eine Verjüngung vor, zeigt die Resonanz das Verhalten eines Viertelwellenstrahlers. Damit ist durch eine variierende Schlitzbreite die Resonanzfrequenz in weiten Grenzen einstellbar. Vorteilhafterweise weist der aktive Strahler einen offenen und/oder einen geschlossenen Schlitz auf.

Vorteilhafterweise weist der parasitäre Strahler mindestens einen zweiten Schlitz auf. Hierfür gelten ähnliche Überlegungen wie für den ersten Schlitz. Auch kann die Breite des zweiten Schlitzes variierend sein und/oder der zweite Schlitz offen, geschlossen oder eine Mischform zwischen offen und geschlossen, wie oben stehend näher ausgeführt, sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und/oder der zweite Schlitz geknickt oder gekrümmt. Ein Knick bzw. eine Rundung des Schlitzes ist zum Beispiel vorteilhaft, wenn ein gefalteter Strahler einen Schlitz tragen soll. Der Schlitz folgt dann der Faltung des Strahlers und ist entsprechend gekrümmt oder geknickt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne weist die Antenne einen zweiten parasitären Strahler auf. Durch diesen wird ein weiteres Frequenzband induziert.

Vorteilhafterweise füllen gemäß der Erfindung alle Strahler zusammen mit den Schlitzen und den Spalten eine im wesentlichen rechteckige Fläche im wesentlichen vollständig aus. Hierdurch wird ein vorgegebenes quaderförmiges Antennenvolumen besonders effizient genutzt, wobei gleichzeitig eine höhere Flexibilität als bei bisherigen Antennenstrukturen erreicht wird. Die dem Strahler gegenüberliegende Oberfläche der Bezugsmasse ist vorteilhafterweise größer als die Fläche, die von den Strahlern eingenommen wird. Hiermit wird eine besonders gute Abstrahlcharakterisitik der Strahler bewirkt.

Nicht zuletzt aus fertigungstechnischen Gründen wie einfachere Produktion filigraner Strukturen und höhere Stabilität dieser Strukturen sind die Strahler als elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet. Sie können alternativ aus einem Blech gestanzt sein.

Erfindungsgemäß wird die erfindungsgemäße Antenne für ein Mobilfunktelefon verwendet, jedoch sind auch zahlreiche andere Anwendungen denkbar, bei denen Antennen mit einer besonderen Kompaktheit erforderlich sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abstrahlen von Frequenzen in mehreren Frequenzbändern mit einer Antenne, insbesondere eines Mobilfunktelefons, mit einem aktiven Strahler und mindestens einem ersten parasitären Strahler, wird die elektromagnetische Energie von dem aktiven Strahler auf den ersten parasitären Strahler im wesentlichen in einem Kopplungsbereich übertragen, dessen mittlerer Durchmesser begrenzt wird auf kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne.

Es hat sich gezeigt, dass eine Lokalisierung der Kopplung auf einen kleinen Bereich der Strahler, auf den Kopplungsbereich, insbesondere auf einen Kopplungsbereich, dessen mittlerer Durchmesser kleiner als kleiner als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Viertel, vorzugsweise kleiner als ein Achtel, der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne beträgt, vorteilhaft für die Ausbildung von Frequenzbereichen mit ausreichenden Bandbreiten ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Energie im wesentlichen durch eine kapazitive Kopplung übertragen wird. Durch eine derartige Kopplung kann der Koppelbereich räumlich stark begrenzt werden. Alternativ wird die Energie im wesentlichen durch eine induktive Kopplung übertragen.

Um die Kompaktheit der Antenne zu steigern, werden vorteilhafterweise der aktive Strahler oder der erste parasitäre Strahler oder beide geerdet. Die Erdung bewirkt, dass die gemeinsame Massenfläche als aktiver Gegenpol genutzt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert, die den Erfindungsgehalt nicht einschränken, sondern die Erfindung anhand von Beispielen erläutern soll.

Es zeigen schematisch in der Draufsicht:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Antenne mit zwei parasitären Strahlern;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem parasitären Strahler;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem geschlitzten parasitären Strahler;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Antenne mit geschlitztem aktiven Strahler;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Antenne nach Fig. 3 mit einem weiteren parasitären Strahler;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Antenne mit doppelt geschlitztem aktiven Strahler;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem Kopplungsmittel;
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem weiteren Kopplungsmittel;
Fig. 9 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem noch weiteren Kopplungsmittel; und
Fig. 10 eine erfindungsgemäße Antenne mit einem sich verjüngenden Schlitz und einem variierenden Abstand zwischen den Strahlern.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem ersten 3 und einem zweiten 4 parasitären Strahler und einem L-förmigen aktiven Strahler 2.
Der erste 3 und der zweite 4 parasitäre Strahler sind an ihren jeweiligen ersten Enden 6 und der aktive Strahler 2 ist an seinem ersten Ende 5 mit einem Masseanschluss 24 mit einer Bezugsmasse 9 verbunden. Die Bezugsmasse 9 wird als aktiver elektrischer Gegenpol verwendet. Die Strahler 2, 3, 4 sind länglich und verlaufen im wesentlichen parallel in einem vorgegebenen Abstand räumlich über der Bezugsmasse 9.
Der aktive Strahler 2 wird an seinem ersten Ende 5 an einem Speisepunkt 21 mit einer Hochfrequenzschaltung (nicht abgebildet) verbunden. Die räumliche Wahl des Speisepunkts 21 ist entscheidend für das Sende- und Empfangsverhalten der Antenne, insbesondere für ihre Eingangsimpedanz. Gegenüberliegend zu dem ersten Ende 5 des aktiven Strahlers 2 befindet sich sein freies Ende 7. Das freie Ende 7 hat eine Ausdehnung L, mit deren Bemessen die Resonanzfrequenz des aktiven Strahlers 2 beeinflusst werden, ohne die Impedanzanpassung, insbesondere die Bandbreiten und Resonanzfrequenzen der parasitären Strahler 3, 4 wesentlich zu beeinflussen. Zwischen dem freien Ende 7 des aktiven Strahlers 2 und dessen erstem Ende 5 liegt ein Zwischenbereich 10.
Ebenso befindet sich gegenüberliegend zu dem ersten Ende 6 des ersten parasitären Strahlers 3 sein freies Ende 8 und zwischen diesem freien Ende 8 und dem ersten Ende 6 des ersten parasitären Strahlers 3 liegt ein Zwischenbereich 11. Ein Kopplungsbereich 12 wird durch die jeweiligen freien Enden 7, 8 der Strahler 2, 3, 4 gebildet, die dicht beieinander liegend einen Spalt 13 bilden, der eine kopplungswirksame Spaltbreite B1 aufweist. Das freie Ende 8 des parasitären Strahlers 4 ist durch seine Stirnseite 27 an dem freien Ende 7 des aktiven Strahlers 2 gekoppelt. Diese kopplungswirksame Spaltbreite B1 ist kleiner als ein kopplungswirksame Abstand B2 zwischen dem Verbindungsbereich 10 des aktiven Strahlers 2 und dem Verbindungsbereich 11 des zweiten parasitären Strahlers 4. Hierdurch wird bewirkt, dass die Kopplung zwischen den Strahlern 2, 3, 4 im wesentlichen in einem lokal begrenztem Kopplungsbereich stattfindet.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem ersten parasitären Strahler 3, der über den Spalt 13 mit dem aktiven Strahler 2 in dem Kopplungsbereich 12 verkoppelt ist. Ein Knick 14 trägt zu einer günstigen Impedanzanpassung bei, insbesondere bei Frequenzen am Rand des Frequenzbandes, welche üblicherweise schwer anzupassen sind. Ein zusätzlicher offener Schlitz 23 erzeugt eine Viertelwellenresonanz auf dem aktiven Strahler 2.
In der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem geschlitzten ersten parasitären Strahler 3 dargestellt. Der offene Schlitz sorgt für eine Viertelwellenresonanz auf dem ersten parasitären Strahler 3.
Fig. 4 offenbart eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem aktiven Strahler 2, der einen offenen Schlitz 23 enthält, und mit einem ersten 3 und einem zweiten 4 parasitären Strahler. Jeder Strahler 2, 3, 4 und jeder Schlitz 23 sorgt jeweils für eine Resonanzfrequenz der Antenne 1.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 nach Fig. 3 mit einem zweiten parasitären Strahler 4.
Fig. 6 offenbart eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Antenne 1 mit doppelt geschlitztem aktiven Strahler 2. Der offene Schlitz 23 induziert eine Viertelwellenlängenresonanz, der geschlossene Schlitz 22 bewirkt eine Halbwellenlängenresonanz auf dem aktiven Strahler 2. Der Spaltknick 14 trägt zu einer Abstimmung der Impedanzen der Strahler 2, 3, 4 bei. Durch Bemessung der Länge der Schlitze 22, 23, sowie deren Art, ob offen oder geschlossen, die Wahl des Einspeisepunktes 21 und des Masseanschlusses 24, der Geometrie des Spaltes 13 und des Schlitzknickes 20 wird das Sende- und Empfangsverhalten der Antenne 1, insbesondere die Lage der Frequenzbänder und deren Bandbreite, massgeschneidert. Typische Abmasse sind gegeben durch die Längen D1 = 0,5 mm; D2 = 0,2 mm; D3 = 16 mm; D4 = 36 mm; D5 = 1 mm; D6 = 0,9 mm.
Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem Kopplungsmittel 18. Die Kopplung wird nicht durch einen besonders schmalen Schlitz 13 bewirkt, sondern durch Auflegen eines Kopplungsmittels 18 in Form eines Plättchens aus dielektrischem Material. Durch die in dem dielektrischen Plättchen induzierte Polarisation wird eine Kopplung der Strahler 2, 3, 4 bewirkt, die im wesentlichen räumlich begrenzt auf die Größe des Plättchens bleibt. Der Kopplungsbereich 12 ist somit kleiner als 1/32 der Wellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne 1. Der aktive Strahler 2 und der zweite parasitäre Strahler 4 sind so angeordnet, dass eine in einem Mobilfunkgerät befindliche Komponente 16 ausreichend Platz hat.
Fig. 8 offenbart eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem weiteren Kopplungsmittel 18, welches durch ein metallisches Element 19 gebildet wird. Die Größe des metallischen Elements 19 ist nicht ausreichend, um eine Auswirkung auf das Fernfeld der Antenne 1 zu haben, doch führt es dazu, dass der zweite parasitäre Strahler 4 mit dem aktiven Strahler 2 lokal im Kopplungsbereich 12 koppelt. Der Spalt 13 weist eine variierende Breite auf, welches zu einer kopplungswirksamen Spaltbreite B1 führt, die im wesentlichen durch die gemittelte Breite gegeben ist.
Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem noch weiteren Kopplungsmittel 18, welches durch ein Dielektrikum gebildet wird, welches zwischen dem ersten parasitären Strahler 3 und dem zweiten parasitären Strahler 4 angeordnet ist. Durch Einschieben und Herausziehen des Kopplungsmittels 18 kann die Kopplung zwischen diesen Strahlern 3, 4 auch später beeinflusst werden, insbesondere kann die Antenne 1 nachjustiert werden. Der Spalt 13 zwischen dem aktiven Strahler 2, der hier nicht als der Strahler für die tiefste Frequenz, sondern für eine höhere, ausgebildet ist, und dem zweiten parasitären Strahler 4 weist eine Spaltrundung 17 auf, die vorteilhaft für eine Impedanzanpassung ist. Der aktive Strahler 2 wird über einen Speisepunkt 21 bespeist.
Fig. 10 offenbart eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem verjüngendem zweiten Schlitz 15 im zweiten parasitären Strahler 4 auf. Durch eine Verjüngung 25 der Schlitzbreite B3 am freien Ende 8 des zweiten Schlitzes 15 wird eine Mischform aus Halbwellenstrahler und Viertelwellenstrahler mit entsprechender Resonanzfrequenz bewirkt. Die Kopplung zwischen aktivem Strahler 2 und ersten parasitären Strahler 3 wird durch einen Kopplungsspalt 26 zwischen dem Zwischenbereich 10 des aktiven Strahlers 2 und dem Zwischenbereich 11 des parasitären Strahler 3 bewirkt, der eine Mischform aus kapazitiver und induktiver Kopplung induziert. Der zweite parasitäre Strahler 4 ist über den Spalt 13 mit dem aktiven Strahler 2 gekoppelt.
Die Erfindung betrifft eine Antenne 1, insbesondere für Mobilfunktelefone, umfassend einen aktiven Strahler 2 und mindestens einen ersten parasitären Strahler 3, die jeweils ein erstes Ende 5, 6, das mit einer elektrischen Bezugsmasse 9 verbunden ist, ein Zwischenbereich 10, 11 und ein dem ersten Ende 5, 6 gegenüberliegendes freies Ende 7, 8 aufweisen, wobei der aktive Strahler 2 und der erste parasitäre Strahler 3 in einem Kopplungsbereich 12 miteinander verkoppelt sind und im wesentlichen nebeneinander verlaufend mit einem Abstand gegenüberliegend zu der elektrischen Bezugsmasse 9 angeordnet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich 12 einen mittleren Durchmesser kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne 1 aufweist. Die Antenne 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstrahlen von Frequenzen in mehreren Frequenzbändern mit einer Antenne 1 zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere Frequenzbänder mit großer Bandbreite und guter Impedanzanpassung von einer höchst kompakten Antenne 1 betrieben werden können. Bezugszeichenliste 1 Antenne
2 aktiver Strahler
3 erster parasitärer Strahler
4 zweiter parasitärer Strahler
5 erstes Ende
6 erstes Ende
7 freies Ende
8 freies Ende
9 Bezugsmasse
10 Zwischenbereich
11 Zwischenbereich
12 Kopplungsbereich
13 Spalt
14 Spaltknick
15 zweiter Schlitz
16 Komponente
17 Spaltrundung
18 Kopplungsmittel
19 Elemente
20 Schlitzknick
21 Speisepunkt
22 geschlossener erster Schlitz
23 offener erster Schlitz
24 Masseanschluss
25 Verjüngung
26 Kopplungsspalt
27 Stirnseite
B1 kopplungswirksame Spaltbreite
B2 kopplungswirksame Abstand zwischen den jeweiligen Zwischenbereichen (10, 11)
B3 Schlitzbreite
L Abmaße des freien Endes 7

Claims

1. Antenne (1), insbesondere für Mobilfunktelefone, umfassend einen aktiven Strahler (2) und mindestens einen ersten parasitären Strahler (3),
die jeweils ein erstes Ende (5, 6), das mit einer elektrischen Bezugsmasse (9) verbunden ist, einen Zwischenbereich (10, 11) und ein dem ersten Ende (5, 6) gegenüberliegendes freies Ende (7, 8) aufweisen,
wobei der aktive Strahler (2) und der erste parasitäre Strahler (3) in einem Kopplungsbereich (12) miteinander verkoppelt sind und gegenüberliegend zu der elektrischen Bezugsmasse (9) beabstandet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahler (2, 3) für unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgelegt sind und der Kopplungsbereich (12) einen mittleren Durchmesser kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne (1) aufweist.

2. Antenne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich im wesentlichen durch das freie Ende (7) des aktiven Strahlers (2) und das freie Ende (8) des ersten parasitären Strahlers (3) gebildet ist.

3. Antenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (7, 8) des einen Strahlers (2, 3) durch seine Stirnseite (27) mit dem freien Ende (8, 7) des anderen Strahlers (3, 2) verkoppelt ist.

4. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich einen Spalt (13) zwischen dem freien Ende (7) des aktiven Strahlers (2) und dem freien Ende (8) des ersten parasitären Strahlers (3) aufweist, dessen kopplungswirksame Spaltbreite (B1) kleiner ist als der kopplungswirksame Abstand (B2) zwischen den jeweiligen Zwischenbereichen (10, 11) des aktiven und des ersten parasitären Strahlers (2, 3).

5. Antenne (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der kopplungswirksamen Spaltbreite (B1) des Spaltes (13) zur Resonanzwellenlänge der Strahler (2, 3) kleiner als 1 : 6, insbesondere kleiner als 1 : 8, vorzugsweise kleiner als 1 : 14, ist.

6. Antenne (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kopplungswirksame Spaltbreite (B1) des Spaltes (13) variierend ist.

7. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13) mindestens einen Spaltknick (14) oder mindestens eine Spaltrundung (17) aufweist.

8. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich (12) mindestens ein Kopplungsmittel (18) aufweist.

9. Antenne (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (18) ein dielektrisches Material enthält, insbesondere ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von mindestens 3, vorzugsweise von mindestens 5, besonders bevorzugt von mindestens 10.

10. Antenne (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel (18) metallische Elemente (19) aufweist, die zwischen dem freien Ende (7) des aktiven Strahlers (2) und dem freien Ende (8) des ersten parasitären Strahlers (3) angeordnet sind.

11. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Strahler (2, 3), vorzugsweise der aktive Strahler (2), gefaltet ist, insbesondere ein L-Strahler ist.

12. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste parasitäre Strahler (3) an seinem ersten Ende (6) galvanisch mit dem ersten Ende (5) des aktiven Strahlers (2) verbunden ist.

13. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Strahler (2) mindestens einen längsverlaufenersten Schlitz (22, 23) aufweist.

14. Antenne (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des ersten Schlitzes (22, 23) variierend ist.

15. Antenne (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz (22, 23) geknickt oder gekrümmt ist.

16. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Strahler (2) einen geschlossenen ersten Schlitz (22) aufweist.

17. Antenne (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Strahler (2) einen offenen ersten Schlitz (23) aufweist.

18. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der parasitäre Strahler (3) mindestens einen zweiten Schlitz (15) aufweist.

19. Antenne (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des zweiten Schlitzes (15) variierend ist.

20. Antenne (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitz (15) geschlossen ist.

21. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten parasitären Strahler (4).

22. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strahler (2, 3, 4) zusammen eine im wesentlichen rechteckige Fläche im wesentlichen vollständig ausfüllen.

23. Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (2, 3, 4) als elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet sind.

24. Verwendung einer Antenne (1) nach den Ansprüchen 1 bis 23 für ein Mobilfunktelefon.

25. Verfahren zum Abstrahlen von Frequenzen in mehreren Frequenzbändern mit einer Antenne (1), insbesondere eines Mobilfunktelefons, mit einem aktiven Strahler (2) und mindestens einem ersten parasitären Strahler (3), wobei die elektromagnetische Energie von dem aktiven Strahler (2) auf den ersten parasitären Strahler (3) im wesentlichen in einem Kopplungsbereich (12) übertragen wird, dessen mittlerer Durchmesser begrenzt wird auf kleiner als die Hälfte der Viertelwellenlänge der tiefsten Resonanzfrequenz der Antenne (1).

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie im wesentlichen durch eine kapazitive Kopplung übertragen wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie im wesentlichen durch eine induktive Kopplung übertragen wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Strahler (2) oder der erste parasitäre Strahler (3) oder beide (2, 3) geerdet werden.