DE19548822A1 - Mobilfunk-Antennenvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mobilfunk-Antennenvorrichtung zur Erhöhung des Antennenwirkungsgrades bei gleichzeitiger Verringerung des Abschattungseffektes durch den Benutzer und Reduktion der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Kopf des Benutzers von Handsprechfunkgeräten und insbesondere von Mobilfunktelephonen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Absorption elektromagnetischer Strahlung z. B. von Mobilfunk­ telephonen durch den Menschen gerät zunehmend in die Diskussion, da Verdachtsmomente hinsichtlich einer eventuellen gesundheitlichen Beein­ trächtigung nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden können.

Maßnahmen zur Verringerung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) bei Mobilfunktelephonen sind in zahlreichen Varianten bekannt. So wird von Hombach et al. vom Forschungszentrum Telekom in Darmstadt im Vortrag "Einfluß der Antennenform eines Handfunkgerätes auf das Antennen­ diagramm und die Exposition dem Nutzers" der ITG-Fachtagung im April 1994 in Dresden (ITG Fachbericht 128, Antennen, Seiten 315-320) vorgeschlagen, den Antennenfußpunkt auf der dem Kopf ab gewandten Seite oder Kante des Gehäuses anzuordnen. Darüber hinaus soll der Speise­ punkt durch eine zwischengeschaltete Koaxialleitung, einem sogenannten Extender, nach oben verlagert werden. Durch eine Erhöhung des Speise­ punktes von standardmäßig 4 cm auf 20 cm würden sich die maximalen SAR-Werte um mehr als den Faktor 10 reduzieren und die Verlustleistung im Kopf auf unter 4% verringern.

Die vorgeschlagenen Anordnungen sind jedoch nicht für die Praxis geeignet. Der Benutzer verlangt in zunehmendem Maße kompakte Mobilfunktelephone mit möglichst kurzen Antennen. Ein Extender mit einer Länge von 20 cm würde mit aufgesetzter Antenne die Höhe derzeitiger Mobilfunktelephone nahezu verdreifachen, was vom Kunden in der Regel nicht akzeptiert würde. Ein solches Telephon wäre nur an wenige gesund­ heitsbewußte Menschen zu verkaufen, der überwiegende Teil der Kund­ schaft würde sich für eine kompaktere Ausführungsform, z. B. ein Fabrikat der Konkurrenz, entscheiden.

Ein weiterer Vorschlag zur Reduzierung der im Kopf des Benutzers absorbierten elektromagnetischen Feldenergie wird von Jensen et. al. im Beitrag "EM Interaction of Handset Antennas and a Human in Personal Communications" (Proceedings of the IEEE, Vol. 83, No.1, January 1995, pp. 7-16) diskutiert. Durch die Verwendung einer speziellen Antennen­ ausführung, nämlich der "planar inverted F antenna (PIFA)", die auf der vom Kopf des Benutzer eines Mobilfunktelephones ab gewandten Rückseite im Gehäuse integriert anzuordnen ist, wobei das elektrisch leitende Gehäuse wie eine Schirmung zwischen der Antenne und dem Kopf des Benutzers wirkt, kann die im Kopf absorbierte Strahlungsleistung um bis zu 48% reduziert werden.

Auch dieser Vorschlag führt jedoch bei kompakten Ausführungsformen zu Problemen. So wird nun die das Mobilfunktelephon haltende Hand anstelle des Kopfes der Strahlung in zunehmendem Maße ausgesetzt. Nach Angaben der Verfasser des Beitrages können auf diese Weise bis zu 68% der zur Antenne gelieferten Hochfrequenzleistung vom Gewebe absobiert werden. Die Verlagerung der SAR-Werte vom Kopf zur Hand ist jedoch keine vom potentiellen Kunden zu akzeptierende Lösung des Strahlungs­ problems. Durch das hohe Maß der in der Hand absorbierten Feldenergie sinkt zudem der Antennenwirkungsgrad. Durch die schirmende Wirkung des Gehäuses wird zwar der Kopf hinsichtlich der von der Antenne aus­ gehenden Strahlung nur in einem geringen Maße betroffen, gleichzeitig findet jedoch eine starke Abschattung der Sendeleistung in Richtung des Kopfes statt, wodurch die Strahlungscharakteristik der Antenne stark richtungsabhängig wird. Dadurch kann beispielsweise die Funkverbindung abrupt unterbrochen werden, wenn der Benutzer während des tele­ phonierens den Kopf bewegt oder sich dreht.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die vom Benutzer eines Handsprechfunkgerätes und insbesondere eines Mobilfunktelephones insgesamt zu erleidende spezifische Absorptions­ rate (SAR), insbesondere im Kopf, aber auch in der Hand, zu reduzieren und dabei gleichzeitig einerseits den Antennenwirkungsgrad zu erhöhen und andererseits den Abschattungseffekt zu verringern.

Dieses Problem wird mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent­ anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf einfache und kostengünstige Art und Weise, in vom Käufer sehr gut akzeptierbarer und für die Massenproduktion geeigneter Form, gleich­ zeitig die spezifische Absorptionsrate (SAR) im Kopf des Benutzers von Handsprechfunkgeräten und insbesondere von Mobilfunktelephonen (MFT) verringert, die Abschattung durch den Benutzer reduziert und der Antennenwirkungsgrad erhöht werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, die mechanischen Abmessungen der Antenne unter weitgehender Beibehaltung der elektrischen Eigenschaften noch weiter zu reduzieren.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patent­ anspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 er­ möglicht es, die Fußpunktimpedanz auch bei kapazitiver Belastung der Antenne gemäß Patentanspruch 2 in weiten Grenzen zu variieren und für den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die Monopolantenne (A) auf dem Mobilfunktelephon (MFT) mit dem Hohlzylinder (HZ1) am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A),

Fig. 2 Details zum Aufbau des Hohlzylinders (HZ1) am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A),

Fig. 3 schematisch die Monopolantenne (A) auf dem Mobilfunktelephon (MFT) mit dem Hohlzylinder (HZ1) am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) und dem als kapazitive Belastung wirkenden zweiten Hohlzylinder (HZ2) am abstrahlenden Ende der Monopolantenne (A),

Fig. 4 Details zum Aufbau des Hohlzylinders (HZ2) am abstrahlenden Ende der Monopolantenne (A),

Fig. 5 Details zum Aufbau des Hohlzylinders (HZ1) am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) mit der zusätzlichen Induktivität (LF) zwischen dem Einspeisepunkt (E) und dem Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A).

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Anordnung der Monopolantenne (A) mit dem Hohlzylinder (HZ1) auf dem Mobilfunktelephon (MFT) visualisiert das grundsätzliche Prinzip der Erfindung. Der Hohlzylinder (HZ1) schirmt die Monopolantenne (A) in Richtung zum Betreiber des Mobilfunk­ telephones (MFT) ähnlich wie eine Koaxialleitung ab. Während eine Koaxialleitung jedoch nicht nicht abstrahlen kann und daher als Antenne nicht geeignet ist, führt die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung zu einer gezielt gewollten Beeinflussung der Richtcharakteristik des Strahlungsdiagramms der Monopolantenne (A). Während eine herkömmliche Monopolantenne (A) ohne Hohlzylinder (HZ1) als horizontales Richt­ diagramm eine kreisförmige und als vertikales Richtdiagramm eine doppel­ kreisförmige Strahlungscharakteristik aufweist, wird die in den Raum abgestrahlte Sendeenergie durch den am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) angebrachten Hohlzylinder (HZ1) hinsichtlich der Richtcharakteristik sehr vorteilhaft beeinflußt.

Das horizontale Richtdiagramm wird durch die hier vorgestellte erfindungsgemäße Antennenvorrichtung im Vergleich zu bereits bekannten Anordnungen nicht verändert, d. h. auch bei der neu erfundenen Vorrichtung ist das horizontale Richtdiagramm exakt kreisförmig. Dies bedeutet, daß die vorteilhafte Rundstrahlcharakteristik voll erhalten bleibt. Dadurch ist die drahtlose elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Mobilfunktelephon (MFT) einerseits und der jeweiligen zugehörigen Basisstation andererseits, stets richtungsunabhängig. Der Benutzer des Mobilfunktelephones (MFT) kann sich daher völlig frei bewegen und den Kopf nach allen Seiten drehen, stets ist die Funkverbindung optimal.

Das vertikale Richtdiagramm jedoch wird durch den Hohlzylinder (HZ1) am Fußpunkt der Monopolantenne (A) im Vergleich zu bekannten Anordnungen signifikant verändert. Hier findet sich anstelle des doppel­ kreisförmigen vertikalen Richtdiagramms ein asymmetrisch-doppelnieren­ förmiges vertikales Richtdiagramm. Dabei sind die zum Benutzer des Mobilfunktelephones (MFT) zeigenden seitlichen Strahlungskeulen minimal ausgeprägt. Die zum Mobilfunktelephon (MFT) zugehörigen, zur Basis­ station zeigenden seitlichen Strahlungskeulen hingegen sind über­ dimensional stark ausgeprägt und dominieren das Strahlungsdiagramm.

Dies bedeutet, daß in vertikaler Richtung der weit überwiegende Teil der von der Monopolantenne (A) abgestrahlten Sendeleistung über den Kopf und über die das Mobilfunktelephon haltende Hand hinweg abgestrahlt wird.

Dadurch ergeben sich zugleich zwei Vorteile. Zum einen wird bedeutend weniger Feldenergie im Gewebe des Benutzers absorbiert, wodurch die spezifische Absorptionsrate (SAR) insgesamt signifikant sinkt und zum anderen steht somit eine insgesamt im Feldraum verbleibende höhere effektive Sendeleistung zur Verfügung, wodurch der Antennenwirkungsgrad signifikant erhöht wird. Da der am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) befindliche Hohlzylinder (HZ1) aus elektrisch leitendem Material besteht, wird die abgestrahlte Feldenergie dort nicht absorbiert, sondern weitest­ gehend reflektiert. Der bei bekannten Anordnungen üblicherweise im Gewebe des Benutzers absorbierte Anteil der von der Monopolantenne (A) abgestrahlten Sendeleistung geht bei der hier vorgestellten erfindungs­ gemäßen neuen Vorrichtung also nicht verloren, sondern wird noch zusätzlich abgestrahlt. Dadurch werden mit dieser Vorrichtung erheblich höhere Reichweiten zwischen dem Mobilfunktelephon (MFT) und der jeweiligen zugehörigen Basisstation erzielt, ohne dafür die Sendeleistung erhöhen zu müssen.

Die von der im Mobilfunktelephon (MFT) integrierten Senderendstufe zur Monopolantenne (A) gelieferte Sendeleistung wird nur dann vollständig abgestrahlt, wenn keine Reflexionen auf der Hochfrequenzleitung zum Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) stattfinden. Dazu muß die am Fußpunkt (F) vorliegende Eingangsimpedanz der Monopolantenne (A) einen zuvor festgelegten Wert exakt einhalten. Üblicherweise wird ein reeller Widerstandswert von exakt 50 Ohm angestrebt. Dabei ist zu beachten, daß der frequenzabhängige Imaginärteil der Fußpunktimpedanz bei der ange­ strebten Nutzfrequenz (z. B. 1,9 GHz) vollständig verschwindet. Der eben­ falls frequenzabhängige Realteil der Fußpunktimpedanz hingegen muß bei der angestrebten Nutzfrequenz (z. B. 1,9 GHz) möglichst exakt den Wert 50 Ohm annehmen.

Diese beiden Bedingungen können durch die geeignete Wahl der in Fig. 2 im Detail gezeigten geometrischen Abmessungen des Hohlzylinders (HZ1) am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) erfüllt werden. Der Hohlzylinder (HZ1) ist elektrisch leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Gehäuse (G) des Mobilfunktelephones (MFT) verbunden und besitzt den Durchmesser (D) und die Länge (L). Die Monopolantenne (A) besitzt den Durchmesser (S). Das Verhältnis der beiden Durchmesser zueinander bestimmt nach in der Hochfrequenztechnik bekannten Gesetz­ mäßigkeiten den Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung in der Nähe des Fußpunktes (F) der Monopolantenne (A). Da es sich hierbei jedoch bestimmungsgemäß um eine zum größten Teil offene Struktur handelt, sind die elektrischen Verhältnisse nicht so einfach zu determinieren, wie es bei der geschlossenen Struktur z. B. einer Koaxialleitung der Fall ist. Mit Hilfe feldtheoretischer Rechnerprogramme lassen sich die elektrischen Verhältnisse durch einen leistungsstarken Personalcomputer jedoch relativ rasch durch die geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen (D), (L) und (S) für den jeweiligen Anwendungsfall optimieren. Ein zusätzlicher Freiheitsgrad bildet der Durchmesser (I) der blendenförmigen Zuleitungs­ öffnung im Gehäuse (G). Insbesondere hinsichtlich des Imaginärteils der Fußpunktimpedanz der Monopolantenne (A) läßt sich durch die Wahl eines geeigneten Durchmessers (I) auf einfache Art und Weise der gewünschte Impedanzwert bei der angestrebten Betriebsfrequenz (z. B. 1,9 GHz) des Mobilfunktelephones (MFT) exakt einstellen.

Eine geometrische Verkürzung bei nahezu gleichen elektrischen Eigenschaften bewirkt der in Fig. 3 schematisch gezeigte, als kapazitive Belastung wirkende, zusätzliche zweite Hohlzylinder (HZ2) am ab­ strahlenden Ende der Monopolantenne (A). Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen der sogenannten Dachkapazität ist bei der hier vorgestellten erfindungsgemäß neuen Vorrichtung die Realisierung jedoch wiederum als Hohlzylinder (HZ2) ausgeführt.

Fig. 4 zeigt die Details zum Aufbau des Hohlzylinders (HZ2) am abstrahlenden Ende der Monopolantenne (A) mit dem Durchmesser (K) und der Länge (H). Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen kann der Einfluß der sogenannten Dachkapazität auf die Fußpunktimpedanz der Monopol­ antenne (A) und auf deren Abstrahlcharakteristik durch eine geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen (K) und (H) für den jeweiligen Anwendungsfall und für die jeweilige Betriebsfrequenz optimiert werden. Dazu müssen die betreffenden geometrischen Abmessungen (K) und (H) zuvor mit Hilfe eines geeigneten Rechnerprogrammes bestimmt werden. Obwohl es zunächst zweckmäßig erscheint, den Durchmesser (D) des Hohlzylinder (HZ1) und den Durchmesser (K) des Hohlzylinders (HZ2) anzugleichen, kann es vorteilhaft sein, den Durchmesser (K) des Hohl­ zylinders (HZ2) größer zu wählen. Dadurch wird beispielsweise der Wert der sogenannten Dachkapazität erhöht und die geometrische Länge der Monopolantenne (A) verkürzt. Zudem läßt sich die Monopolantenne (A) ausziehbar gestalten, wobei durch das Überstülpen des im Durchmesser größeren Hohlzylinders (HZ2) über den Hohlzylinder (HZ1) eine sehr kompakte Bauform des nicht aktivierten Mobilfunktelephones (MFT) erzielt werden kann.

Einen weiteren zur Optimierung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Monopolantenne (A) zu verwendenden Freiheitsgrad bietet die Anbringung einer zusätzlichen Induktivität (LF) zwischen dem Einspeisepunkt (E) z. B. der von der Senderendstufe gelieferten Sende­ leistung und dem Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A). Die entsprechen­ den Details sind in Fig. 5 gezeigt. Durch die zusätzliche induktive Komponente können insbesondere die von den Hohlzylindern (HZ1) bzw. (HZ1) und (HZ2) verursachten kapazitiven Anteile in der Fußpunktimpedanz weitgehend kompensiert werden. Dadurch wird es dem Rechnerprogramm erleichtert, die geometrischen Abmessungen der jeweiligen Hohlzylinder (HZ1) bzw. (HZ2) in einem höheren Maße hinsichtlich der Abstrahl­ charakteristiken zu optimieren, da beispielsweise die Forderung zur Kompensation des Imaginärteils in der Fußpunktimpedanz bereits durch eine geeignete Wahl des Wertes der zusätzlichen Induktivität (LF) für die angestrebte Betriebsfrequenz vollständig erfüllt werden kann.

Claims (3)

1. Mobilfunk-Antennenvorrichtung zur Erhöhung des Antennenwirkungs­ grades bei gleichzeitiger Verringerung des Abschattungseffektes durch den Benutzer und Reduktion der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Kopf des Benutzers von Handsprechfunkgeräten und insbesondere von Mobilfunktelephonen (MFT),

• - mit einer Monopolantenne (A), deren elektrisch wirksame Länge in etwa ein dreiviertel der Wellenlänge (λ) der jeweiligen Betriebsfrequenz beträgt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) von einem Hohlzylinder (HZ1) aus elektrisch leitendem Material umgeben ist,
• - wobei durch die physikalischen Abmessungen - der Länge (L) und dem Durchmesser (D) - dieses Hohlzylinders (HZ1), sowohl die Eingangs­ impedanz als auch das Strahlungsdiagramm der Monopolantenne (A) justiert werden können,
• - wobei zusätzlich der Blendendurchmesser (I) der Öffnung für den Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) im elektrisch leitenden Gehäuse (G) zur Justierung verwendet werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am Ende der Monopolantenne (A) ein weiterer Hohlzylinder (HZ2) aus elektrisch leitendem Material an der Monopolantenne (A) elektrisch leitend befestigt ist und wie eine kapazitive Belastung (Dachkapazität) der Monopolantenne (A) wirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am Fußpunkt (F) der Monopolantenne (A) eine Induktivität (LF) in Serie geschaltet ist.