DE112010000731T5

DE112010000731T5 - Interne fm-antenne

Info

Publication number: DE112010000731T5
Application number: DE112010000731T
Authority: DE
Inventors: Johan Lucas Gertenbach; James Digby Yarlet Collier
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2010086208A1; US8860618B2; US20120127047A1; GB0901583D0; WO2010086208A9

Abstract

Eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem vorgegebenen Frequenzband; die Antenne weist auf: Einen ersten Antennenteil umfassend zumindest eine leitende Schleife um ein erstes Material mit einer Anfangspermeabilität von mindestens 4; und einen zweiten Antennenteil eingebettet in einem zweiten Material mit einer Dielektrizitätskonstante von mindestens 4; wobei der erste und der zweite Antennenteil miteinander elektrisch gekoppelt sind, um eine zusammengesetzte Antenne zu bilden mit einer Größe derart, dass der Durchmesser der kleinsten Kugel, welche alle der ersten und zweiten Antennenteile der zusammengesetzten Antenne einschließt, kleiner ist als 1/30 der Wellenlänge der Hochfrequenzsignale in der Mitte des vorgegebenen Frequenzbandes.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Antennen zum Empfangen und/oder Überträgen von hochfrequenten Signalen und insbesondere in platzsparender Weise ausgebildete Antennen.
Es ist üblich, dass die Signalverarbeitungskomponenten eines Funk-Transceivers in einer einzelnen integrierten Schaltung implementiert sind, um einen Funkempfänger in kleinen, tragbaren Geräten zu ermöglichen, wie beispielsweise in Mobiltelefonen und Medienabspielgeräten. Um jedoch eine akzeptable Signalqualität über das kommerzielle FM-Band (76 MHz bis 108 MHz) zu erreichen, war es immer notwendig, eine externe Antenne zu verwenden. Dies ist ein Resultat der verhältnismäßig langen Wellenlänge bei diesen Frequenzen (ungefähr 3 Meter), was viel größer ist als die typische Größe eines Mobiltelefons oder eines Medienabspielgeräts (8 bis 15 cm). Einfach die Größe einer konventionellen Antenne zu reduzieren, so dass diese in ein Portables Gerät passt, führt zu sehr großen Verlusten im Hinblick auf die Effizienz und zu einer Reduktion der Bandbreite der Antenne. Diese Probleme werden in einem Artikel von D. Aguilar et al, mit dem Titel "Small handset Antenna for FM reception", veröffentlicht in Microwave and Optical Technology Letters, Bd. 50, Nr. 10 (Oktober 2008), diskutiert. Der Artikel schlägt auch einige platzsparende Antennendesigns vor, die auf Rahmenantennen-Konfigurationen basieren.
Für manche Geräte ist die Verwendung einer externen Antenne kein nennenswertes Problem, da leitfähige Komponenten des Geräts, welche sonst vorhanden sind, um andere Funktionen zu erfüllen, als Antenne verwendet werden können. Zum Beispiel kann in einem Mobiltelefon, das ein kabelgebundenes Head-Set aufweist, das Kabel, welches das Telefon mit dem Head-Set verbindet, als Antenne zum Empfang von frequenzmodulierten (FM) Rundfunksignalen im Band von 76 MHz bis 108 MHz verwendet werden. Es wird jedoch vermehrt üblich, dass drahtlose Head-Sets zusammen mit Mobiltelefonen verwendet werden, welche kein als Antenne geeignetes Kabel bieten. Des Weiteren könnte eine Funkempfangsfunktionalität zu viel mehr Geräten hinzugefügt werden, wenn keine langen Antennen benötigt würden.
Das Problem wird speziell für die Funksignale mit verhältnismäßig langen Wellenlängen im kommerziellen FM Band kritisch, jedoch stellen sich analoge Miniaturisierungsprobleme in anderen Hochfrequenz-Bändern, für die es wünschenswert ist, eine Antenne in einer kleinen integrierten Schaltung oder auf begrenztem Raum einzubetten.
Daher besteht ein Bedarf an einer platzsparenden Antennenstruktur, welche die Einbettung einer Hochfrequenzantenne in einem Gerät oder einer integrierten Schaltung ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne zur Verfügung gestellt zum Empfangen und/oder zum Senden von Hochfrequenzsignalen in einem vorgegebenen Frequenzband; die Antenne weist auf: einen ersten Antennenteil, der zumindest eine leitfähige Schleife um ein erstes Material mit einer anfänglichen Permeabilität von zumindest 4 umfasst; und einen zweiten, in einem zweiten Material mit einer dielektrischen Konstante von mindestens 4 eingebetteten Antennenteil, wobei der erste und der zweite Antennenteil elektrisch miteinander gekoppelt sind, um eine Verbundantenne zu bilden mit einer Größe derart, dass der Durchmesser der kleinsten Kugel, die alle der ersten und zweiten Antennenteile der Verbundantenne einschließt, kleiner ist als 1/30 der Wellenlänge der Hochfrequenzsignale in der Mitte des vorgegebenen Frequenzbandes ist.
Geeigneterweise liegen der ersten und der zweite Antennenteil im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene. Ein Ende des ersten oder des zweiten Antennenteils kann geerdet sein. Der zweite Antennenteil kann eine Monopolantenne sein. Der zweite Antennenteil kann als mäanderförmige Leitung, als Fraktalkurve oder als gerade Leitung ausgebildet sein.
Geeigneterweise ist die Antenne in einer symmetrischen Antennenanordnung ausgebildet. Geeigneterweise umfasst die Antenne einen dritten Antennenteil, der identisch ist mit dem zweiten Antennenteil ist und elektrisch mit dem ersten Antennenteil gekoppelt ist, um so eine Dipolantenne zu bilden.
Vorzugsweise sind die Antennenteile aus einem oder mehreren leitfähigen Drähten, gedruckten Leitersegmenten oder durch Abscheidung gebildete leitfähige Bahnen gebildet.
Vorzugsweise sind das erste und das zweite Material ein und das gleiche Kernmaterial. Vorzugsweise ist das Kernmaterial von langgestreckter Form, und die zumindest eine Schleife des ersten Antennenteils ist um die Längsachse des Kernmaterials gewickelt. Das Kernmaterial kann ungefähr zylindrisch oder rechteckig (oblong) sein. Vorzugsweise umfasst der erste Antennenteil eine Vielzahl von in einer Solenoid-Antennenanordnung um das Kernmaterial gewickelte Schleifen. Vorzugsweise erstreckt sich das Kernmaterial entlang der gemeinsamen Achse der Schleifen des ersten Antennenteils derart, dass jede Schleife das Kernmaterial umringt. Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Antennenteil entlang der Längsachse des Kernmaterials, ungefähr durch die Mitte des Kernmaterials. Der erste und der zweite Antennenteil können an einem Ende des Kernmaterials elektrisch verbunden sein.
Geeigneterweise ist der zweite Antennenteil ein leitfähiges Element, das sandwichartig zwischen zwei Hälften des Kernmaterials angeordnet ist.
Geeigneterweise umfasst die Antenne ein äußeres Material, welches das Kernmaterial und den ersten und den zweiten Antennenteil im Wesentlichen umschließt, wobei das äußere Material eine anfängliche Permeabilität von mindestens 1 und eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 4 aufweist
Das Kernmaterial kann ein Ferrit oder eine Keramik sein.
Vorzugsweise ist die Antenne mit einer integrierten Schaltung verbunden, welche eine Abstimmschaltungsanordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Impedanzabstimmung der Antenne durchzuführen. Vorzugsweise umfasst die Abstimmschaltungsanordnung einen oder mehrere geschaltete oder variierbare Kondensatoren.
Geeigneterweise hat die Antenne eine Vielzahl von Anschlüssen an unterschiedlichen Positionen entlang des ersten Antennenteils, um eine Vielzahl von wählbaren Antennenimpedanzen zu ermöglichen. Alternativ wird die Verbindung zur Antenne durch eine oder mehrere leitende Schleifen hergestellt, die magnetisch mit der Antenne gekoppelt sind.
Vorzugsweise wird die Antenne in einem einzelnen Gehäuse zur Verbindung mit einer Platine angeordnet.
Geeigneterweise ist die Antenne in einem portablen Gerät angeordnet. Vorzugsweise ist die Wellenlänge des Hochfrequenzsignals in der Mitte des vorgegebenen Frequenzbands ungefähr gleich der Wellenlänge, bei der die Antenne in Resonanz ist beim Einsatz in dem portablen Gerät.
Die Hochfrequenzsignale können frequenzmodulierte Signale sein mit einem Frequenzbereich von 76 bis 108 MHz. Vorzugsweise ist die Bandbreite der Antenne mindestens 300 kHz.
Vorzugsweise ist die anfängliche Permeabilität des ersten Materials im Wesentlichen über den vorgegebenen Frequenzbereich zumindest 6. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätskonstante des zweiten Materials größer als 6.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltung mit einer Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt.
Vorzugsweise umfasst die integrierte Schaltung des Weiteren eine Abstimmschaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist eine Impedanzabstimmung der Antenne durchzuführen. Geeigneterweise umfasst die integrierte Schaltung Schaltungsteile zur Durchführung von Signalverarbeitung gemäß dem IEEE 802.11- und/oder dem Bluetooth-Kommunikationsprotokoll.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Antennensystem zur Verfügung gestellt zum Empfangen und/oder zum Senden von Hochfrequenzsignalen in einem vorgegebenen Frequenzband; das Antennensystem weist auf: eine Antenne mit einem ersten und einem zweiten Antennenteil, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der erste Antennenteil zumindest eine leitfähige Schleife um ein erstes Material mit einer anfänglichen Permeabilität von zumindest 4 umfasst, und der zweite Antennenteil in einem zweiten Material mit einer dielektrischen Konstante von mindestens 4 eingebettet ist; eine Masseebene, die elektrisch mit der Antenne verbunden ist; und eine Abstimmschaltungsanordnung, die eine variable Impedanz hat und elektrisch mit der Antenne gekoppelt ist, um eine Abstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises umfassend die Antenne, die Masseebene und die Abstimmschaltungsanordnung zu ermöglichen; wobei die Größe der Antenne derart ist, dass der Durchmesser der kleinsten Kugel, die alle der ersten und zweiten Antennenteile der Antenne einschließt, kleiner ist als 1/30 der Wellenlänge der Hochfrequenzsignale über den Bereich der Hochfrequenzsignale, bei dem der Schwingkreis Resonanz ist.
BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen im Anhang beschrieben. in den Abbildungen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm einer unsymmetrischen Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Diagramm einer symmetrischen Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm einer Platine geeignet zur Verwendung in einem portablen Gerät, die Platine trägt eine integrierte Schaltung, die eine Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
4a ein schematisches Diagramm einer Solenoid-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
4b ein schematisches Diagram einer Solenoid-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung, die Antenne ist als Querschnitt dargestellt und hat einen äußeren Mantel;
4c ein schematisches Diagram einer Solenoid-Antenne mit quadratischem Querschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung;
4d ein schematisches Diagram einer Solenoid-Antenne mit quadratischem Querschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung und geeignet zur Herstellung unter Verwendung gedruckter Schaltungstechniken.
5a, 5b und 5c zeigen unterschiedliche Anordnungen einer Solenoid-Antenne in einer Dipol-Konfiguration.
6a zeigt eine Solenoid-Antenne mit Abgriffen.
6b zeigt eine Solenoid-Antenne mit einer induktiv gekoppelten Antenneneinspeisung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die folgende Beschreibung dient dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und wird im Zusammenhang einer bestimmten Anwendung vorgestellt. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsbeispiele sind für einen Fachmann leicht erkennbar.
Die allgemeinen, hier definierten Prinzipien können auch auf andere Ausführungsbeispiele und Anwendungen übertragen werden, ohne vom allgemeinen Erfindungsgedanken und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Folglich ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf die gezeigten Beispiele zu begrenzen, sondern entspricht dem weitesten mit den hier offenbarten Prinzipen und Eigenschaften konsistenten Rahmen.
Die einfachste Form einer Resonanzen Antenne ist eine Monopolantenne von einer ungefähren Länge von λ/4, wobei λ die Wellenlänge der zu empfangenden Hochfrequenzsignale bezeichnet. Für Funksignale im FM-Band ist diese Länger in der Größenordnung von 800 mm und kann daher praktisch nicht in ein typisches portables Gerät eingebaut werden. Das Chu-Wheeler-Gesetz stellt jedoch die Größe einer Antenne mit dem Q-Faktor der Antenne in Beziehung zueinander und zeigt, dass eine Antenne verkleinert werden kann bei gleichzeitigem Verlust von Antennenbandbreite und (theoretisch) ohne Einfluss auf den Wirkungsgrad der Antenne. In der Praxis wird der Wirkungsgrad spürbar dadurch beeinflusst, dass die Antenne in den kleinen Raum eines Gerätes gepackt wird, wegen Verlusten (resistive, dielektrische und/oder magnetische) in der Antenne sowie in Komponenten zur Anpassung. Für eine elektrisch kleine Antenne ist der Strahlungswiderstand oft sehr klein im Vergleich zu dem äquivalenten Serien-Verlustwiderstand in den Antennenelementen. Zusätzlich wird Nahfeld-Energie in absorbierenden Körpern dissipiert (im menschlichen Körper, in leitfähigen Objekten, etc.).
Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass eine kleine Antenne verwendet werden kann, um Signale über ein Frequenzband durch Abstimmen der Resonanzfrequenz der Antenne zu empfangen/übertragen – vorausgesetzt die Bandbreite der Antenne ist mindestens die Bandbreite des zu empfangenden/übertragenden Funksignals. Die vorliegende Erfindung hat des Weiteren erkannt, dass der Wirkungsgrad einer kleinen Antenne aufrechterhalten werden kann durch die Verwendung einer Antenne mit magnetischen und elektrostatischen Teilen, welche es der Antenne ermöglichen, den Effekt von Nahfeld-Störungen zu reduzieren und eine nützliche Kopplung zwischen der Antenne und einem in nächster Nähe befindlichen menschlichen Körper zu verbessern.
1 zeigt eine unsymmetrische (unbalanced) Antenne, die erfindungsgemäß ausgebildet ist. Die Antenne 100 umfasst zwei Teile: einen magnetischen Teil 103 mit einer um ein weichmagnetisches Material 106 gewickelten leitfähigen Schleife 108 und einen elektrostatischen Teil 102 mit einer in einem Material 105 mit einer hohen dielektrischen Konstante (Material mit ”hohem k”) eingebetteten oder auf diesem angeordneten Monopolantenne 109. Die magnetischen und elektrostatischen Antennenteile speisen beide den Antennenanschluss 101, an den ein geeigneter Funkempfänger angeschlossen werden kann. Das entfernte Ende der leitenden Schleife 108 ist geerdet – im Falle eines portablen Gerätes ist dies typischerweise die Massefläche oder das Gehäuse des Geräts. Bei einer symmetrischen Antenne bildet das entfernte Ende der leitenden Schleife 108 einen zweiten Anschluss an die Antenne.
Die leitende Schleife 108 des magnetischen Teils umfasst eine oder mehrere Antennenschleifen, vorzugsweise zwei oder mehr. Die Schleifen umschließen ein weichmagnetisches Material 106, wie z. B. Ferrit mit einer Anfangspermeabilität von mindestens 4 und vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30. Es ist vorteilhaft in Bezug auf die Strahlungskopplung, wenn das magnetische Material 106 so viel wie möglich des durch die Antennenschleifen definierten Volumens ausfüllt. Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Material 106 sich rechtwinklig zur Ebene der leitenden Schleichen 108 erstreckt derart, dass alles entlang der Schleifen, die das Material 106 umschließen, orientiert ist. Die leitenden Schleifen 108 können beliebige Form aufweisen: beispielsweise, eine rechteckige, eine runde, eine fraktale, und sie können eine Spirale oder eine Helix um das Material 106 bilden.
Die Monopolantenne 109 kann eine beliebige Konfiguration annehmen: beispielsweise eine gerade, eine fraktale oder eine mandelförmige Struktur, oder als Zylinderspule (Solenoid) um das Material 105 ausgebildet sein. Es ist vorteilhaft in Bezug auf den Wirkungsgrad bei der Abstrahlung, wenn der Antennenteil 109 zumindest teilweise in dem elektrostatischen Material 105 eingebettet ist. Alternativ kann der Antennenteil 109 auf der Oberfläche des Materials 105 angeordnet sein. Um die Größe der Antenne zu reduzieren, ist es vorteilhaft, dass die Antenne eine Mäanderstruktur bildet, wie es in 1 dargestellt ist.
2 zeigt eine symmetrische (balanced) Antenne 200, die gemäß einem Beispiel der Erfindung ausgebildet ist. Statt ein Ende der leitenden Schleife 108 zu erden, ist der Funkempfänger mit zwei differenziellen Antennenanschlüssen 101 und 202 ausgestattet. Entlang des Antennenteils 109 speist die leitende Schleife 108 den Antennenanschluss 101, wie im unsymmetrischen Fall. Das entfernte Ende der leitenden Schleife 108 speist den zweiten Antennenanschluss 202. Um die Performance der Antenne weiter zu steigern, ist es vorteilhaft, wenn ein zusätzlicher elektrostatischer Antennenteil 201 vorgesehen wird, welcher identische mit dem Teil 102 ist und den zweiten Antennenanschluss 202 speist. In dieser Weise angeordnet bilden die elektrostatischen Antennenteile 207 und 109 eine Dipolantenne.
Vorzugsweise ist die symmetrische Antenne 200 symmetrisch um den Antennenteil 108 ausgebildet wie in 2 dargestellt. Dies muss jedoch nicht der Fall sein und die elektrostatischen Antennenteile 109 und 207 können an einem beliebigen Punkt mit der leitenden Schleife 108 verbunden sein. Die Antennenteile 207, 109 und 108, die Materialien mit ”hohem k” 207 und 109, sowie das magnetische Material 106 können eine beliebige Struktur und eine beliebige Konfiguration aufweisen wie oben beschrieben wurde.
Dadurch, dass eine FM-Antenne auf einen Bruchteil der empfangenen Wellenlänge verkleinert, kann eine Antennenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung im Inneren eines portablen Geräts eingebaut werden, wie z. B. ein tragbares Medienabspielgerät oder ein Mobiltelefon. Ein Antennen-Package 302 ist in 3 auf einer Platine 301 montiert dargestellt. Ein Antennen-Package 302 kann eine Sende-/Empfangsschaltung sowie eine Abstimmschaltung (Tuningschaltung) in einer integrierten Schaltung aufweisen. Alternativ kann die Sende-/Empfangsschaltung und/oder die Abstimmschaltung in einem separaten Chip 303 ausgebildet sein.
Es wurde festgestellt, dass durch eine Kombination der elektrischen und der magnetischen Teile der Antenne die Performance der Antenne gesteigert und/oder die Größe der Antenne weiter reduziert werden kann. Das wird durch die Verwendung eines Materials erreicht, welches sowohl eine Anfangspermeabilität größer 1 als auch eine dielektrische Konstante größer 4 aufweist. Geeignete Materialien umfassen Ferrite wie z. B. Material 68 von Fair-rite Produkts Corp, USA.
Antennenstrukturen mit einem kombinierten elektrischen und magnetischen Element gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind in 4 gezeigt. Die unsymmetrische Antenne 403 aus 4a umfasst ein Kernmaterial 401 mit einer hohen Anfangspermeabilität und einem hohen k und ist im Wesentlichen zylindrisch. Der erste Antennenteil 108 ist um die Längsachse des Kernmaterials 401 gewickelt, um eine Solenoid-Antenne zu bilden. Der zweite Antennenteil 109 ist eine gerade Stabantenne und im Wesentlichen innerhalb des Kernmaterials 401 entlang dessen Mittelachse eingebettet. Die Antenne 403 ist in 4b im Querschnitt dargestellt sowie mit einer äußeren Ummantelung 402 des Kernmaterials. Die äußere Ummantelung verbessert weiter den Wirkungsgrad der Antenne und minimiert Verstimmungs-Effekte aufgrund anderer Körper in nächster Nähe zur Antenne.
Aus Gründen der Vereinfachung der Fertigung, sowie aufgrund der durch das Antennen-Package und durch die Größe des Gehäuses, in dem die Antenne eingesetzt werden soll, vorgegebenen Randbedingungen können andere Antennenformen verwendet werden. Das Kernmaterial 401 ist nicht auf im Wesentlichen zylindrische Formen beschränkt und kann beliebige Form aufweisen, obwohl es vorzugsweise langgestreckt (z. B. konisch, quaderförmig, ellispoidförmig) ist, um eine Längsachse vorzusehen, um welche die Solenoid-Antenne 108 gewickelt werden kann. Die Solenoid-Antenne kann von regelmäßiger oder unregelmäßiger Form sein, helix- oder spiralförmig und umfasst zumindest zwei Windungen. Vorzugsweise wird die Solenoid-Antenne durch die Oberfläche des Materials 401 getragen, sie kann jedoch auch von dem Material durch eine oder mehrere elektrisch isolierende Materialien oder durch einen Luftspalt beabstandet sein.
Der zweite Antennenteil 109 ist ein leitfähiges Material, wie z. B. Metall, und kann eine beliebige der in Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Konfiguration annehmen – es muss kein gerader Stab sein, der durch die Mitte des Kernmaterials 401 geführt ist.
Als weiteres Beispiel ist in 4c eine Antenne 404 gezeigt, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Das Kernmaterial 401 umfasst zwei Hälften, die eine Sandwich-Struktur um den zweiten Antennenteil 109 bilden, welcher ein beliebiger Typ leitfähigen Materials sein kann. Der erste Antennenteil 1108 ist ein leitfähiges Band, welches um das Kernmaterial gewickelt ist, um eine Solenoid-Antenne zu bilden. Eine elektrische Verbindung zwischen den ersten und den zweiten Antennenteilen wird an einem Ende der Antennenstruktur mit Hilfe des Drahtes 405, oder andere elektrische Verbindungsmittel, hergestellt. Weitere Drähte können verwendet werden, um elektrische Verbindungen zu dem ersten und dem zweiten Antennenteil herzustellen. Die Antenne 404 hat den Vorteil, dass sie unkompliziert aus zwei um einen leitfähigen Stab (zum Beispiel) aneinander gepressten Ferrit-Teilen gefertigt werden kann, und leicht in ein kompaktes Package integriert werden kann, welches für die Verwendung in einem portablen Gerät geeignet ist.
Ein anderes Beispiel einer Antenne mit einem rechteckigen Querschnitt ist in 4d gezeigt. Die Antenne 406 ist in planerer Weise gefertigt, wobei das Kernmaterial 401 aus zwei Materialblöcken gebildet ist. Bevor das Kernmaterial aufeinander gebongte wird, wird eine leitfähige Bahn entlang der Mittellinie der Oberfläche einer oder beider Hälften des Kernmaterials gedruckt oder abgeschieden, sodass nach dem Bonden die leitfähige Bahn einen leitenden Stab entlang der Mitte des Kernmaterials bildet. Leitfähigen Bahnen 108 sind in ähnlicher Weise oben und unten auf dem Kernmaterial gedruckt und durch leitfähige Durchkontaktierungen (Vias) durch die beiden Blöcke hindurch verbunden. Dies Antennenkonfiguration hat den Vorteil, dass es günstiger ist, Leitersegmente, welche den Antennenteil bilden, zu drucken als komplexe dreidimensionale Antennenstrukturen unter Verwendung konventioneller Drähte und gewickelter Metallbahnen herzustellen.
Beispiele unterschiedlicher Dipolantennenkonfigurationen erfindungsgemäßer Antennen sind in 5 dargestellt. 5a zeigt eine Dipolantenne mit zwei zylinderspulenförmigen ersten Antennenteilen und einem gemeinsamen zweiten Antennenteil. Die 5b und 5c zeigen Dipolantennen mit zylinderspulenförmigen (solenoid) Antennenteilen, die sich nicht über die gesamte Länge der zweiten Antennenteile erstrecken. In diesen Konfigurationen können die zweiten Antennenteile über die gesamte Länge des Geräts, in dem die Antenne verwendet wird, gestreckt werden. Das Kernmaterial, um das die Zylinderspule (Solenoid) gewickelt ist kann sich (muss aber nicht) über einen größeren Teil des zweiten Antennenteils erstrecken als die Schleifen der Zylinderspule. In 5b erstreckt sich die Zylinderspule nicht über den Mittenbereich des zweiten Antennenteils. In 5c erstreckt sich die Zylinderspule nicht über die Außenbereiche des zweiten Antennenteils.
In der Praxis wird die Performance der Antenne teilweise auch durch die Massefläche und die Abstimmschaltung bestimmt, mit denen die Antenne interagiert. Bei portablen elektronischen Geräten wie z. B. Mobiltelefonen wurde festgestellt, dass die gemeinsame Masseleitung (common ground rail) für die Elektronik des Geräts ausreichend gut auch als Massefläche (ground plane) dient. Eine dezidierte Massefläche wird daher üblicherweise nicht benötigt für die unsymmetrischen Antennendesigns der vorliegenden Erfindung. Die Resonanzfrequenz der Antenne im eingebauten Zustand (in-situ) wird bestimmt durch das System umfassend die Antenne, die Massefläche, und die Abstimmschaltung. Eine Antenne sollte daher derart ausgelegt sein, dass ihre Resonanzfrequenz in oder nahe dem Frequenzband liegt, in dem die Antenne arbeitet, wenn sie mit der Abstimmschaltung und der Massefläche (im unsymmetrischen Fall) gekoppelt ist.
Bei Verwendung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien kann eine Antenne mit akzeptablem Wirkungsgrad konstruiert werden, deren größte physikalische Abmessung kleiner als λ/30 und vorzugsweise kleinere als λ/50 oder λ/100 ist (wobei λ die typische Wellenlänge des Frequenzbandes ist). Die größte physikalische Abmessung kann bestimmt werden als der Durchmesser der kleinsten Kugel, die alle leitfähigen Teile der Antenne einschließt. Die Kugel umfasst nicht die Massefläche.
Des Weiteren ermöglicht die oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebene bevorzugte Antennenstruktur eine weitere Verkleinerung auf ungefähr λ/150. Für Funksignale aus dem kommerziellen FM-Band ergibt das eine Antenne von rund 20 mm Länge. Die kombinierte Größe der Massefläche gepaart mir einer solchen Antenne in einem typischen mobilen Gerät (wie z. B. ein Mobiltelefon) beträgt ungefähr 100 mm. Das ist zu vergleichen mit der typischen Mindestlänge einer geraden Dipolantenne von λ/2, was rund 1500 mm für kommerzielle FM-Signale beträgt.
Bei kleiner werdender Antenne ist es wesentlich, dass die Bandbreite der Antenne zumindest der Bandbreite eines zu übertragenden oder zu empfangenden Signals entspricht – für kommerzielle FM-Stationen ist dies typischerweise 300 kHz. Um den typischen Bereich von 30 MHz des kommerziellen FM-Bandes abzudecken, ist es notwendig, die Antenne durch Anpassung der Impedanz über den Antennenanschlüssen abzustimmen. Im Allgemeinen kann dies durch die Verwendung eines Bauelements mit variabler Impedanz, welches zwischen die Antennenanschlüsse geschaltet ist, erreicht werden, oder durch Ein- und Ausschalten kapazitiver und induktiver Elemente, um die benötigte Impedanz zu erreichen. Dies hat den Effekt der Verschiebung der Resonanzfrequenz der Antennenstruktur.
Die aktive, zur Abstimmung der Antenne in dem interessierenden Frequenzband ausgebildete Abstimmschaltung (tuning circuitry) ist vorzugsweise in einer integrierten Schaltung angeordnet. Die Abstimmschaltung kann in einer integrierten Schaltung angeordnet sein, die auch die Sende-/Empfangsschaltung umfasst.
Am unkompliziertesten ist es, wenn die Abstimmschaltung eine Menge von einem oder mehreren geschalteten und variierbaren Kondensatoren aufweist, welche von der Sende-/Empfangsschaltung gesteuert sind, um die Antenne auf die für das Senden/Empfangen eines bestimmten Signals benötigte Frequenz abzustimmen. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Nettoimpedanz der Antenne leicht induktiv ist, sodass die verbleibende Induktivität in dem gewünschten Maße durch die geschalteten Kondensatoren und/oder variierbaren Kondensatoren der Abstimmschaltung angepasst werden kann. Vorzugsweise beträgt die Nettoimpedanz der Antenne mehr als 1 kOhm.
Eine weitere Abstimmung der Antenne kann erreicht werden durch das Vorsehen eine Vielzahl von Anschlüssen (oder Abgriffen) an die Schleifen des ersten Antennenteils, sodass die Impedanz weiter dadurch abgestimmt werden kann, indem gewählt wird, welcher Anschluss an die Antenne verwendet wird. Das hilft, es zu ermöglichen, dass die Antenne über den gesamten interessierenden Frequenzbereich abgestimmt werden kann und ist insbesondere nützlich, wenn die Antenne eine sehr schmale Bandbreite aufweist. Die Abstimmschaltung umfasst daher vorzugsweise einen oder mehrere durch die Sende-/Empfangsschaltung steuerbare Schalter, um eine geeignete Auswahl der Antennenimpedanz zu ermöglichen. Eine Antenne mit Zwischenabgriff an einem Punkt entlang der Länger des ersten Antennenteils ist in 6a dargestellt. Im Wesentlichen weist die Antenne zwei unterschiedliche Impedanzen auf, abhängig davon, ob die Antenne an Anschluss 507 oder 506 kontaktiert wird.
Bei schmalbandigen Antennen kann auch eine dynamische Abstimmung notwendig sein während des Empfangs oder der Übertragung von Funksignalen, um eine Drift in der Sende-/Empfangsschaltung und jegliche Änderungen in der Umgebung der Antenne zu kompensieren. Eine dynamische Abstimmung kann dadurch bewirkt werden, dass ein Test-Signal in die Antenne eingespeist und die Änderungsraten von Amplitude und Phase dieses Signals beobachtet wird. Diese Änderungen können in bekannter Weise verwendet werden, um die Antenne dynamisch abzustimmen.
Um eine bessere Impedanzanpassung zwischen der Antenne und der Abstimmschaltung zu ermöglichen, kann es manchmal nützlich sein, eine Antennenstruktur 505 wie in 6b gezeigt zu verwenden. Ein Antennenkopplungsteil 509, mit dem die Abstimmschaltung elektrisch verbunden ist, ist magnetisch an die Antenne 510 gekoppelt. Der Antennenkopplungsteil 509 kann eine beliebige Konfiguration aufweisen, jedoch ist – wie in 6b dargestellt – der Antennenkopplungsteil 509 vorzugsweise als Zylinderspule (Solenoid) um den zweiten Antennenteil gewickelt.
Es ist wichtig zu erkennen, dass, obwohl die Resonanzfrequenz der Antenne im Wesentlichen die Frequenzen der Signale bestimmt, die gesendet/empfangen werden können, die Antenne in der Praxis dazu verwendet werden kann, auch Signale mit einem geringfügigen Offset zur Resonanzfrequenz zu senden/empfangen. Des Weiteren ist die effektive Resonanzfrequenz der Antenne nicht jene der Antenne im leeren Raum, sondern jene der Antenne im eingebauten Zustand und umgeben von den Komponenten des Geräts, in dem sie installiert ist. Daher ist es wichtig, dass die Abstimmschaltung dazu ausgebildet ist, die Umgebung, in der die Antenne installiert ist, zu berücksichtigen.
Eine gute FM-Empfangscharakteristik von ungefähr 70 bis 120 MHz wurde demonstriert anhand einer Antenne mit einer Konfiguration gemäß 4a. Die Test-Antenne hatte eine Länger von 20 mm, einen Durchmesser von 8 mm und als Antennenteil eine Zylinderspule mit 6 Windungen um einen Ferritkern (Fair-rite material 68) mit einer zentralen 2,5 mm Bohrung, durch die der Draht des zweiten Antennenteils verläuft. Eine solche Antenne hat eine Bandbreite von ungefähr 3 bis 4 MHz. Bei Verwendung einer Keramik als Kern mit einer höheren Anfangspermeabilität (vorzugsweise mindestens 20) und einer höheren Dielektrizitätskonstante (vorzugsweise mindestens 12) und/oder durch Vergrößern der Anzahl der Windungen der Zylinderspule ist es möglich, die Antenne weiter zu verkleinern. Eine Veränderung dieser Parameter in dieser Weise vergrößert tendenziell den Q-Faktor der Antenne und verringert folglich deren Bandbreite. Dies ist akzeptabel, vorausgesetzt die Bandbreite der Antenne entspricht zumindest jener der Signale, die empfangen werden sollen (zumindest 300 kHz für kommerziellen FM-Rundfunk). Derartige Modifikationen machen im Allgemeinen eine Vergrößerung des Bereichs notwendig, in dem die Abstimmschaltung arbeitet, um eine Verschiebung der Bandbreite der Antenne über das gesamte Frequenzband zu ermöglichen. Dies kann in einer integrierten Schaltung erreicht werden durch die Verwendung eines größeren Netzwerks von variierbaren/geschalteten Kondensatoren oder durch Anzapfen des ersten Antennenteils an unterschiedlichen Punkten entlang dessen Länge.
Eine integrierte Schaltung umfassend die Abstimmschaltung und die Sende-/Empfangsschaltung kann weiter eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen und optional auch Antennen für einen oder mehrere andere Funkfrequenzbänder, wie z. B. Bluetooth und IEEE 802.11.
Antennenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung haben einige Vorteile gegenüber konventionellen Antennen. Die Materialien mit hohem konzentrieren das elektrische Feld in dem Körper des Dielektrikums so, dass es weniger anfällig gegenüber externen Störungen ist (wie z. B. anderen Komponenten in dem Gerät oder dielektrische Objekte/Metalloberflächen/dem menschlichen Körper). Die verbessert auch die Strahlungswirkungsgrad der Antenne.
Die Antennenteile sind Leiter in beliebiger geeigneter Konfiguration. Die Antennenteile können Drähte sein, die geeignet um die elektrostatischen und magnetischen Materialien angeordnet sind. In einer integrierten Schaltung sind die Antennenteile geeigneterweise durch bekannte Herstellungstechniken gedruckte oder abgeschiedene Bahnen. Durch die Verwendung von integrierten Schaltungen, die mehrere Levels und Mesas aufweisen, die geeignete Merkmale auf diesen Levels verbinden, können komplexe Strukturen wie Spiralen und Helices mit vielen Windungen aufgebaut werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nicht beschränkt auf Antennen für das kommerzielle FM-Band und können über das gesamte Hochfrequenzspektrum (wie z. B. im 2,4 GHz ISM-Band) eingesetzt werden. Jenseits von Frequenzen von rund 120 MHz wird es notwendig andere Kernmaterialien als Ferrit zu verwenden.
Der Anmelder offenbart hiermit jedes hier beschriebene Merkmal für sich und jede beliebige Kombination von zwei oder mehreren Merkmalen in dem Ausmaß, dass solche Merkmale oder Kombinationen geeignet sind, basierend auf der vorliegenden Beschreibung als Ganzes und im Lichte des allgemeinen Wissens eines Fachmannes ausgeführt zu werden, ungeachtet dessen ob die Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen irgendwelche hier beschriebenen Probleme lösen und ohne Beschränkung auf den Umfang der Ansprüche. Der Anmelder stellt fest, dass verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung verschiedne einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen umfassen kann. Im Hinblick auf die obige Beschreibung ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass unterschiedliche Modifikationen im Rahmen der Erfindung machbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Aguilar et al, mit dem Titel ”Small handset Antenna for FM reception”, veröffentlicht in Microwave and Optical Technology Letters, Bd. 50, Nr. 10 (Oktober 2008) [0002]
IEEE 802.11 [0021]
IEEE 802.11 [0062]

Claims

Eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem vorgegebenen Frequenzband; die Antenne weist auf: Einen ersten Antennenteil umfassend zumindest eine leitende Schleife um ein erstes Material mit einer Anfangspermeabilität von mindestens 4; und einen zweiten Antennenteil eingebettet in einem zweiten Material mit einer Dielektrizitätskonstante von mindestens 4; wobei der erste und der zweite Antennenteil miteinander elektrisch gekoppelt sind, um eine zusammengesetzte Antenne zu bilden mit einer Größe derart, dass der Durchmesser der kleinsten Kugel, welche alle der ersten und zweiten Antennenteile der zusammengesetzten Antenne einschließt, kleiner ist als 1/30 der Wellenlänge der Hochfrequenzsignale in der Mitte des vorgegebenen Frequenzbandes.
Eine Antenne mit Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Antennenteil im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Eine Antenne gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ende des ersten oder zweiten Antennenteils geerdet ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Antennenteil eine Monopolantenne ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Antennenteil entweder als mäanderförmige Leitung, als Fraktalkurve oder als gerade Leitung ausgebildet ist.
Eine Antenne gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Antenne als symmetrische Antennenanordnung ausgebildet ist.
Eine Antenne gemäß Anspruch 6, die weiter einen dritten Antennenteil aufweist, der identisch ist zu dem zweiten Antennenteil und elektrisch mit dem ersten Antennenteil gekoppelt, um eine Dipolantenne zu bilden.
Eine Antenne gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Antennenteile aus einem oder mehreren leitenden Drähten, gedruckten Leitersegmenten oder durch Abscheidung gebildete Leiterbahnen gebildet sind.
Eine Antenne gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Materialien ein und dasselbe Kernmaterial sind.
Eine Antenne gemäß Anspruch 9, wobei das Kernmaterial von langgestreckter Form ist und zumindest eine Schleife des ersten Antennenteils um die Längsachse des Kernmaterials gewickelt ist.
Eine Antenne gemäß Anspruch 10, wobei das Kernmaterial ungefähr eine zylindrische oder quaderförmige Form aufweist.
Eine Antenne gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Antennenteil eine Vielzahl von Schleifen aufweist, welche um das Kernmaterial in einer Solenoid-Antennenanordnung gewickelt sind.
Eine Antenne gemäß Anspruch 12, wobei das Kernmaterial entlang der gemeinsamen Achse der Schleifen des ersten Antennenteils verläuft, sodass jede Schleife das Kernmaterial umschließt.
Eine Antenne gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der zweite Antennenteil entlang der Längsachse des Kernmaterials verläuft, ungefähr durch das Zentrum des Kernmaterials.
Eine Antenne gemäß Anspruch 14, wobei der zweite Antennenteil ein leitendes Element ist, welches sandwichartig zwischen zwei Hälften des Kernmaterials angeordnet ist.
Die Antenne gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die ersten und zweiten Antennenteile elektrisch verbunden sind an einem Ende des Kernmaterials.
Eine Antenne gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, weiter umfassend ein äußeres Material, welches im Wesentlichen das Kernmaterial und den ersten und zweiten Antennenteil umgibt, wobei das äußere Material eine Anfangspermeabilität von mindestens 1 und eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 4 aufweist.
Eine Antenne gemäß einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei das Kernmaterial ein Ferrit oder eine Keramik ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne mit einer integrierten Schaltung verbunden ist, welche eine Abstimmschaltungsanordnung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine Impedanzabstimmung der Antenne durchzuführen.
Eine Antenne gemäß Anspruch 19, wobei die Abstimmschaltungsanordnung einen oder mehrere geschaltete oder variierbare Kondensatoren aufweisen.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne eine Vielzahl von Antennenanschlüssen an unterschiedlichen Positionen entlang des ersten Antennenteils aufweist, um so eine Vielzahl von auswählbaren Antennenimpedanzen zu ermöglichen.
Eine Antenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Verbindung zur Antenne durch eine oder mehrere leitende Schleifen gewährleistet wird, welche magnetisch mit der Antenne gekoppelt sind.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne in einem einzigen Package zur Verbindung einer Platine angeordnet ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne in einem portablen Gerät angeordnet ist.
Eine Antenne gemäß Anspruch 24, wobei die Wellenlänge der Funkfrequenzsignale in der Mitte des vorgegebenen Frequenzbandes ungefähr der Wellenlänge entspricht, bei der die Antenne im eingebauten Zustand im Gerät resonant ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenzsignale frequenzmodulierte Signale sind mit einer Frequenz im Bereich von 76 bis 108 MHz.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bandbreite der Antenne zumindest 300 kHz beträgt.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfangspermeabilität des ersten Materials im Wesentlichen über das vorgegebene Frequenzband zumindest 6 ist.
Eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dielektrizitätskonstante des zweiten Materials größer als 6 ist.
Eine integrierte Schaltung umfassend eine Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 30, wobei die integrierte Schaltung weiter eine Abstimmschaltungsanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Impedanzabstimmung der Antenne durchzuführen.
Eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 31, wobei die integrierte Schaltung weiter eine Schaltung zur Durchführung von Signalverarbeitung gemäß dem IEEE 802.11 und/oder Bluetooth Kommunikationsprotokoll aufweist.
Ein Antennensystem zum Empfangen und/oder Senden von Hochfrequenzsignalen in einem vorgegebenen Frequenzband, wobei das Antennensystem aufweist: Eine Antenne mit einem ersten und einem zweiten Antennenteil, welche elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Antennenteil zumindest eine leitende Schleife um ein erstes Material mit einer Anfangspermeabilität von zumindest 4 aufweist, und wobei der zweite Antennenteil in einem zweiten Material eingebettet ist mit einer Dielektrizitätskonstante von zumindest 4; eine Massefläche, welche elektrisch mit der Antenne verbunden ist; und eine Abstimmschaltungsanordnung mit variabler Impedanz und elektrisch mit der Antenne gekoppelt, um ein Abstimmen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu ermöglichen, welcher aus Antenne, Massefläche und Abstimmschaltungsanordnung besteht; wobei die Größe der Antenne so ist, dass der Durchmesser der kleinsten Kugel, welche alle der ersten und zweiten Antennenteile der Antenne einschließt, kleiner ist als 1/30 der Wellenlänge der Hochfrequenzsignale über dem vorgegebenen Frequenzbereich, in dem der Schwingkreis resonant ist.
Eine Antenne, im Wesentlichen wie unter Bezugnahme auf eine der 1 bis 6 beschrieben.