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Die Erfindung betrifft eine Antenne
mit einem Substrat mit mindestens einer reonanten Leiterbahnstruktur,
insbesondere für
mobile Dual- oder Multiband-Telekommunikationsgeräte wie Mobil-
und Schnurlostelefone, sowie für
Geräte,
die nach dem Bluetooth-Standard
kommunizieren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsplatine
mit einer solchen Antenne sowie ein Funkkommunikationsgerät mit einer
solchen Antenne.
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In der mobilen Telekommunikation
werden zur Übertragung
von Informationen elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich
verwendet. Beispiele hierfür
sind die Mobiltelefonstandards in den Frequenzbereichen von 890
(880) bis 960 MHz (GSM900), von 1710 bis 1880 MHz (GSM1800 – oder DCS),
sowie von 1850 bis 1990 MHz (GSM1900 oder PCS), weiterhin das UMTS-Band
(1885 bis 2200 MHz), der DECT-Standard für Schnurlostelefone im Frequenzbereich
von 1880 bis 1900 MHz, sowie der Bluetooth-Standard im Frequenzbereich
von 2400 bis 2480 MHz, der dazu dient, Daten zwischen verschiedenen
elektronischen Geräten
wie zum Beispiel Mobiltelefonen, Computern, Geräten der Unterhaltungselektronik
usw. auszutauschen. Neben der Informationsübertragung werden in den mobilen
Telekommunikationsgeräten
zuweilen auch zusätzliche Funktionen
und Anwendungen wie zum Beispiel zum Zwecke der Satellitennavigation
in dem bekannten GPS-Frequenzbereich (1573 MHz) realisiert.
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Moderne Telekommunikationsgeräte dieser Art
sollen somit in möglichst
vielen der genannten Frequenzbereiche betrieben werden können, so dass
entsprechende Mehr- oder
Multiband-Antennen benötigt
werden, die diese Frequenzbereiche abdecken.
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Zum Senden bzw. Empfangen müssen die Antennen
elektromagnetische Resonanzen bei den entsprechenden Frequenzen
ausbilden. Um die Größe der Antenne
bei gegebener Wellenlänge
zu minimieren, wird als Grundbaustein der Antenne im allgemeinen
ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstanten εr > 1 verwendet. Dies
führt zu
einer Verkürzung
der Wellenlänge
der Strahlung im Dielektrikum um einen Faktor 1/√ε
r, Eine auf der Grundlage eines solchen Dielektrikums
konzipierte Antenne wird daher in ihrer Größe ebenfalls um diesen Faktor
kleiner.
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Eine Antenne dieser Art umfasst somit
einen Block (Substrat) aus dielektrischem Material. Auf mindestens
eine der Oberflächen
des Substrates sind je nach gewünschtem
Betriebsfrequenzband oder -bändern
eine oder mehrere Metallisierungsstrukturen aufgebracht. Die Frequenzlage
oder die Resonanzfrequenzen sind von den Dimensionen und der Anordnung
der aufgedruckten Metallisierungsstruktur sowie dem Wert der Dielektrizitätskonstanten des
Substrates abhängig.
Dabei verschieben sich die einzelnen Resonanzfrequenzen mit zunehmenden Werten
der Dielektrizitätskonstante
zu niedrigeren Frequenzen.
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In der
EP 11523395 wird eine Mikrowellenantenne
mit einem dielektrischen Substrat und mindestens einer resonanten
Leiterbahnstruktur beschrieben, die durch mehrere Leitungsabschnitte charakterisiert
ist. Die Leitungsabschnitte verlaufen im wesentlichen mäanderförmig an
mehreren Seitenflächen
des Substrats. Derartige Antennen können zusammen mit anderen Bauelementen
durch übliche Oberflächenmontage
auf eine gedruckte Schaltungsplatine aufgelötet werden. Die Bandbreite
einer solchen bekannten Antenne reicht nur aus, um eine vollständige Abdeckung
der Frequenzbänder
des GSM-Standards
zu erzielen. Die eingangs genannten Multibandanwendungen sind damit
folglich nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Antenne für
die genannten Multibandanwendungen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine Antenne
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Substrat auf einer
Stirnfläche
eine erste Leiterbahnstruktur entlang einer ersten Kante und auf
einer gegenüberliegenden,
zweiten Kante der gleichen Stirnfläche eine zweite Leiterbahnstruktur
aufweist.
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Die Antenne hat neben dem Vorteil
der Möglichkeit
der Oberflächenmontage
(SMD) den wesentlichen Vorteil, dass die Antenne in den Frequenzbereichen
des UMTS- und Bluetooth Standards betrieben werden kann. Ein besonderer
Vorteil der Antenne besteht darin, dass die Bandbreite der Antenne, trotz
der geringen Größe, über 1 GHz
beträgt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die resonanten
Metallisierungsstrukturen vollständig
auf nur eine der Stirnflächen
des Substrates aufzubringen sind und somit die Herstellung der vollständige Metallisierungsstruktur
in einem Fertigungsschritt durchgeführt werden kann.
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Die zweite Leiterbahnstruktur der
Antenne gleicht der ersten Leiterbahnstruktur in Form und Größe. Das
Substrat der Antenne ist im wesentlichen quaderförmig mit zwei größeren Stirnflächen und
vier kleineren Seitenflächen.
Dabei sind die erste und zweite Leiterbahnstruktur auf einer ersten
Stirnfläche aufgebracht
und erstrecken sich von einer ersten bis zu einer zweiten, gegenüberliegenden
Seitenfläche entlang
der Kante.
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Die erste und zweite Leiterbahnstruktur
haben die Form einer rechtwinkligen Fläche.
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Jede Leiterbahnstruktur kann auch
in vier Leiterbahnen aufgeteilt werden, wobei eine erste Leiterbahn
sich von der ersten bis zu der zweiten Seitenfläche entlang der Kante erstreckt,
eine zweite Leiterbahn sich von der zweiten bis zu der ersten Seitenfläche erstreckt,
eine dritte Leiterbahn sich an die erste Leiterbahn anschließt und die
erste Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn verbindet. Dabei schließt sich eine
vierte Leiterbahn an die zweite Leiterbahn an.
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Bei dieser Weiterbildung kann die
Antenne in Frequenzbereiche des GPS-, DCS-, UMTS-, sowie Bluetooth-Bandes
wirksam arbeiten.
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Die erste und zweite Leiterbahn sowie
die dritte und vierte Leiterbahn der Antenne sind etwa gleich lang.
Gleichzeitig sind die erste und zweite Leiterbahn länger als
die dritte und vierte Leiterbahn. Die vierte Leiterbahn verläuft entlang
einer Kante der ersten Stirnfläche.
Die erste und dritte Leiterbahn sind senkrecht zu der zweiten und
vierten Leiterbahn angeordnet. Die zwei Leiterbahnstrukturen sind
spiegelbildlich auf der ersten Stirnfläche festgelegt.
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Die Erfindung betrifft auch eine
gedruckte Schaltungsplatine, auf der eine erfindungsgemäße Antenne
angeordnet ist, sowie ein Funkkommunikationsgerät, insbesondere für den GPS-,
DCS-, UMTS- und Bluetooth-Bereich mit einer erfindungsgemäßen Antenne.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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- 1 eine
schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Antenne;
- 2 ein an der ersten
Antenne gemessenes Reflektionsdiagramm;
- 3 eine schematische
Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Antenne;
- 4 ein an der zweiten
Antenne gemessenes Reflektionsdiagramm;
- 5 eine schematische
Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Antenne; und
- 6 ein an der dritten
Antenne gemessenes Reflektionsdiagramm.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen
weisen ein Substrat aus einem im wesentlichen jeweils quaderförmigen Block
auf, dessen Höhe
etwa um einen Faktor 3 bis 10 kleiner ist, als dessen Länge oder
Breite. Davon ausgehend sollen in der folgenden Beschreibung die
in den Darstellungen der Figuren jeweils oberen bzw. unteren (großen) Flächen der
Substrate als obere bzw. untere Stirnflächen und die dazu senkrechten
Flächen
als Seitenflächen
bezeichnet werden.
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Alternativ dazu ist es allerdings
auch möglich,
anstelle eines quaderförmigen
Substrates andere geometrische Formen wie zum Beispiel eine Zylinderform
zu wählen,
auf die eine entsprechende resonanten Leiterbahnstruktur mit zum
Beispiel spiralförmigem
Verlauf aufgebracht ist.
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Die Substrate können durch Einbetten eines keramischen
Pulvers in eine Polymermatrix hergestellt werden und haben eine
Dielektrizitätszahl
von εr > 1
und/oder eine Permeabilitätszahl
von μr > 1.
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Die erste Antenne gemäß 1 besteht aus einem dielektrischen
Substrat 1, an dessen unteren Stirnfläche zwei Leiterbahnstrukturen 2 und 3 aufgebracht
sind. Die Leiterbahnstruktur 2 wird über eine erste Zuführung 4 gespeist
werden, dagegen ist die Leiterbahnstruktur 3 mit einer
zweiten Zuführung 7 verbunden.
Das Substrat 1 wird durch Oberflächenmontage (SMD) auf eine
Schaltungsplatine (PCB) 5 aufgelötet. Dies geschieht durch ein
flaches Auflöten, bei
dem einige hier nicht dargestellte Lötpunkte (sog. Footprints) und
die Zuführung 4 mit
der Platine verbunden werden. Die Zuführung 4 wird dabei
mit einer Leiterbahn 6 auf der Platine 5 kontaktiert, über die
als ein Signal abzustrahlende elektromagnetische Energie zugeführt wird.
Die Zuführung 7 hingegen
wird mit einer Massemetallisierung 8 der Schaltungsplatine 5 verbunden.
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Die zwei Leiterbahnstrukturen 2 und 3 sind symmetrisch
auf der unteren Stirnfläche
des Substrats 1 angeordnet. Jede Leiterbahnstruktur der
ersten Antenne besteht aus einer einzelnen Leiterbahn, die auf das
Substrat 1 aufgedruckt ist und parallel, entlang der Länge der
unteren Stirnfläche
von einer Seitenfläche
bis zu einer zweiten, gegenüberliegenden
Seitenfläche
des Substrates 1 verläuft.
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Die Resonanzfrequenzen dieser Antenne können in
bekannter Weise über
die Länge
und Breite sowie Abstand der aufgedruckten Leiterbahnstruktur eingestellt
werden. Aus der Überlagerung
der durch die Leiterbahnstrukturen hervorgerufenen Resonanzfrequenzen
resultiert eine Bandbreite, die es erlaubt die Antenne bei den gewünschten
Frequenzen zu betreiben.
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Bei einer möglichen Realisierung dieser
ersten Antenne betragen die Abmessungen des Substrates 1 etwa
8 × 8 × 2,0 mm3. Das für
das Substrat 1 gewählte
Material hat eine Dielektrizitätszahl εr =
21,5 und ein tanδ =
1,17 × 10–4.
Dies entspricht etwa den HF-Eigenschaften
einer kommerziellen NPO-K21 Keramik (Ca0,05Mg0,95TiO3-Keramik).
Die aufgedruckte Leiterbahn wurde mittels Silberpaste hergestellt. Die
Breite der Leitungsabschnitte beträgt etwa 0,5 mm.
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2 zeigt
das an der Zuführung 4 dieser Antenne
gemessene Verhältnis
R zwischen der an der Antenne reflektierten Leistung und der der
Antenne zugeführten
Leistung (Reflektionskoeffizient) in Abhängigkeit von der Frequenz f
in Hz. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine der beiden Resonanzen
den Frequenzbereich des Bluetooth-Bandes von 2400–2483.5
MHz abdeckt. Die abgelesene Bandbreite von über l GHz reicht aus, um innerhalb
des Frequenzbandes wirksam arbeiten zu können. Eine weitere Resonanz
befindet sich bei ca. 3100 MHz.
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Diese Ausführungsform hat neben dem für alle Ausführungsformen
geltenden Vorteil der Möglichkeit
der Oberflächenmontage
(SMD) den wesentlichen Vorteil, dass die Antenne in den Frequenzen des
Bluetooth-Bandes betrieben werden kann. Ein weiterer wesentlicher
Vorteil besteht darin, dass die reonanten Metallisierungsstrukturen 2 und 3 vollständig auf
nur eine der Stirnflächen
des Substrates 1 aufzubringen sind und somit die Herstellung
der vollständigen
Metallisierungsstrukturen 2 und 3 in einem Fertigungsschritt
integriert werden kann.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Darstellung sind gleiche oder entsprechende
Elemente und Komponenten wie in 1 jeweils
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Insoweit wird auf die Beschreibung
im Zusammenhang mit 1 Bezug
genommen, und nachfolgend werden nur die Unterschiede erläutert.
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Bei einer Realisierung dieser zweiten
Antenne betragen die Abmessungen des Substrates l etwa 12 × 12 × 2,0 mm3. Das für
das Substrat 1 gewählte Material
besteht auch aus einer NP0-K21 Keramik mit einer Dielektrizitätszahl εr =
21,5 und einem tanδ =
1,17 × 10–4.
Leiterbahnen wurden ebenfalls mittels Silberpaste hergestellt. Die
Breite der Leitungsbahnen wurde etwa 1.0 mm geändert.
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Die Vorteile der zweiten Ausführungsform bestehen
auch aus der Integration der Metallisierungsstrukturenfertigung
in einem Schritt sowie der Möglichkeit
der Oberflächenmontage.
Diese Antenne hat aber den wesentlichen Vorteil, dass sie bei den Frequenzen
des UMTS und Bluetooth-Standards betrieben werden kann.
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In 4 ist
das an der Zuführung 4 dieser Antenne
gemessene Verhältnis
R zwischen der an der Antenne reflektierten Leistung und der der
Antenne zugeführten
Leistung (Reflektionskoeffizient) in Abhängigkeit von der Frequenz f
in Hz dargestellt. Zwei Resonanzfrequenzen können deutlich bei etwa 1,95
GHz und 2,6 GHz abgelesen werden. Die Bandbreite der zweiten Antenne
beträgt
weit über
1 GHz, so dass Frequenzen sowohl im UMTS- als Bluetooth-Band abgedeckt
werden können.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. Die dritte Antenne besteht ebenfalls aus einem dielektrischen
Substrat 1, an dessen unterer Stirnfläche die zwei Leiterbahnstrukturen 2 und 3 aufgebracht
sind. Der wesentliche Unterschied der Leiterbahnen 2 und 3 zu
der ersten Antenne liegt in der Form der Leiterbahnen. Weiterhin
wird die Leiterbahnstruktur 2 über eine erste Zuführung 4 gespeist werden,
dagegen ist die Leiterbahnstruktur 3 mit einer zweiten
Zuführung 7 verbunden.
Gleiche oder entsprechende Elemente und Komponenten bei der in 5 gezeigten Antenne sind
wie in 1 jeweils mit
gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Insoweit wird auf die Beschreibung
im Zusammenhang mit 1 Bezug
genommen, und nachfolgend werden nur die Unterschiede erläutert.
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Die Metallstrukturen 2 und 3 werden
jeweils nicht nur durch eine erste Leiterbahn 11 gebildet,
die entlang der Länge
der unteren Stirnfläche
von der ersten Seitenfläche
bis zu der zweiten, gegenüberliegenden
Seitenfläche
des Substrates 1 verläuft,
sondern auch durch eine zweite, innere Leiterbahn 12, die
parallel zu der ersten Leiterbahn 11 in einem Abstand von
etwa 0.8 mm verläuft.
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Die zwei parallelen Leiterbahnen 11 und 12 werden
durch eine senkrecht zu den Leiterbahnen 11 und 12,
entlang der zweiten Seitenfläche
verlaufenden dritte Leiterbahn 13 verbunden. Eine vierte
Leiterbahn 14 verläuft
ebenfalls senkrecht zu den Leiterbahnen 11 und 12 und
ist mit der Leiterbahn 12 verbunden. Sie erstreckt sich
entlang der ersten Seitenfläche
des Substrats 1 in Richtung der Leiterbahn 11. Im
Unterschied zur Leiterbahn 13 verbindet die Leiterbahn 14 nicht
die parallelen Leitebahnen 11 und l2. Leiterbahn 11 bis 14 zusammen
bilden jeweils die Metallstruktur 9 bzw. 10.
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Die Abmessungen des Substrates 1 der
dritten Antenne betragen etwa 12 × 12 × 2,0 mm3.
Das für
das Substrat 1 gewählte
Material besteht auch aus einer NP0-K21 Keramik mit einer Dielektrizitätszahl εr =
21,5 und einem tanδ =
1,17 × 10–4.
Leiterbahnen wurden ebenfalls mittels Silberpaste hergestellt. Die
Breite der Leitungsbahnen 11 bis 14 wurde auf
etwa 0.5 mm geändert.
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Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform
besteht somit neben den oben genannten Vorteilen darin, dass mit
dieser Antenne ein Multiband-Betrieb eines entsprechenden Mobilfunkgerätes möglich ist.
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In 6 ist
das an der Zuführung
4 der dritten Antenne gemessene Verhältnis R zwischen der an der
Antenne reflektierten Leistung und der der Antenne zugeführten Leistung
(Reflektionskoeffizient) in Abhängigkeit
von der Frequenz F in GHz dargestellt. Deutlich zu erkennen sind
drei Resonanzfrequenzen bei 1.57 GHz, 1.85 GHz, 2.55 GHz und eine Bandbreite
der Antenne von etwa 1.2 GHz. Die Lage der Resonanzen ermöglicht den
Einsatz der vorgestellten Antennen in den vier separaten Applikationen GPS,
DCS/PCS, UMTS und Bluetooth.