DE19606582A1 - Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung zur Erzielung einer nahezu kreisförmigen lateralen Strahlungscharakteristik und zur Erhöhung des Antennenwirkungsgrades - unter Einbeziehung des Abschattungseffektes durch den Kopf des Benutzers bei gleichzeitiger Reduktion der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Kopf des Benutzers - von portablen Telekommunikationsgeräten und insbesondere von Mobilfunktelefonen.

Die Absorption elektromagnetischer Strahlung z. B. von Mobilfunk­ telefonen 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 Mobilfunktelefonen 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 des 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 Mobilfunktelefone mit möglichst kurzen Antennen. Ein Extender mit einer Länge von 20 cm würde mit aufgesetzter Antenne die Höhe derzeitiger Mobilfunktelefone nahezu verdreifachen, was vom Kunden in der Regel nicht akzeptiert würde. Ein solches Mobilfunktelefon wäre nur an wenige gesundheitsbewußte Menschen zu verkaufen, der überwiegende Teil der Kundschaft 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 Mobilfunktelefones 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 Mobilfunktelefon 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 ausgehenden 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 telephonierens den Kopf bewegt oder sich dreht.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die vom Benutzer eines portablen Telekommunikationsgerätes und insbesondere eines Mobilfunktelefons insgesamt zu erleidende spezifische Absorptionsrate (SAR), insbesondere im Kopf, 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 portablen Telekommunikationsgeräten und insbesondere von Mobilfunk­ telefonen 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, sowohl das Strahlungsdiagramm als auch den Antennenwirkungsgrad noch weiter zu verbessern.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patent­ anspruch 3 angegeben. Auch die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es ebenfalls, sowohl das Strahlungsdiagramm als auch den Antennenwirkungsgrad noch weitem zu verbessern.

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

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Darstellung der Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung auf dem Gehäuse (G) von einem portablem Telekommunikationsgerät.

Fig. 2 Details zum Aufbau des U-förmigen Strahlers in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 die verschiedenen Abmessungen des U-förmigen Strahlers,

Fig. 4 Details zum Aufbau des Hohlzylinders (HZ),

Fig. 5 Erläuterungen der Wirkungsweise des U-förmigen Strahlers mit Hilfe geeigneter Ersatzschaltbilder,

Fig. 6 verschiedene Ausführungsbeispiele der Verbindungsplatte (VP) des U-förmigen Strahlers.

Die in Fig. 1 schematisch perspektivisch gezeigte Anordnung der Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung mit dem Hohlzylinder (HZ) auf dem Gehäuse (G) des Mobilfunktelefons visualisiert das grundsätzliche Prinzip der Erfindung. Der U-förmige Strahler schirmt mit seiner breiten Grundplatte (GP) die schmalere Strahlerplatte (SP) zum Kopfe des Benutzers hin ab. Während die Grundplatte (GP) das Erd- bzw. Massepotential bildet, strahlt das offene Ende der Strahlerplatte (SP) die von der Koaxialleitung eingespeiste elektromagnetische Feldenergie in den Raum. Dabei wird ein lokal begrenzter Bereich in unmittelbarer Nähe des U-förmigen Strahlers durch die Grundplatte (GP) abgeschattet. Dieser Bereich entspricht in etwa der typischen Größe und dem Ort des Kopfes eines Benutzers bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Mobilfunktelefons.

Der Einspeisepunkt (E) des U-förmigen Strahlers befindet sich in der Höhe (L3) über dem Gehäuse (G) des Mobilfunktelefons. Um den Fußpunkt (F) der speisenden Koaxialleitung (KL) herum befindet sich u. a. zur Unter­ drückung von Mantelwellen ein Hohlzylinder (HZ). Das Gehäuse (G) des Mobilfunktelefons besitzt die Höhe (c), die Breite (a) und die Tiefe (b). Es ist zur Erzielung eines kreisförmigen Strahlungsdiagramms vorteilhaft, den Fußpunkt (F) nicht in der Mitte der Tiefe des Gehäuses (G) - also nicht bei b/2 - entspringen zu lassen, sondern einen Versatz mit der Tiefe (e) zu verifizieren. Dies führt ebenfalls zu einer gezielt gewollten Beeinflussung der Richtcharakteristik des Strahlungsdiagramms der Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung.

Durch die mit Hilfe geeigneter Computerprogramme dimensionierten Abmessungen der einzelnen Komponenten wird die in den Raum abgestrahlte Sendeenergie hinsichtlich der Richtcharakteristik in gewünschter Weise beeinflußt.

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

Dadurch ergeben sich zugleich zwei Vorteile. Zum einen wird bedeutend weniger Feldenergie im Gewebe des Kopfes 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 Antennen­ wirkungsgrad signifikant erhöht wird. Der bei bekannten Anordnungen üblicherweise im Gewebe des Benutzers absorbierte Anteil der von einer Antenne abgestrahlten Sendeleistung geht bei der hier vorgestellten erfindungsgemäßen neuen Vorrichtung also nicht verloren, sondern wird quasi um den Kopf herum geführt und noch zusätzlich abgestrahlt.

Dadurch werden mit dieser Vorrichtung erheblich höhere Reichweiten zwischen dem Mobilfunktelefon und der jeweiligen zugehörigen Basisstation erzielt, ohne dafür die Sendeleistung erhöhen zu müssen.

Die Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung die Details zum Aufbau des U-förmigen Strahlers. Der Strahler besteht aus einer Grundplatte (GP), einer Verbindungsplatte (VP) und einer Strahlerplatte (SP). Die Strahler­ platte (SP) ist von der Grundplatte (GP) im Abstand (t) separiert und wird von dem inneren Leiter der Koaxialleitung (KL) gespeist. Der äußere Mantel der Koaxialleitung (KL) ist am Einspeisepunkt (E) mit der Grundplatte (GP) elektrisch leitend verbunden.

Die verschiedenen Abmessungen des U-förmigen Strahlers zeigt Fig. 3. Die Grundplatte (GP) besitzt die Länge (L1) und die Breite (W1). Die Strahlerplatte (SP) besitzt die Länge (L2) und die Breite (W2). Die im Abstand (s) von der Verbindungsplatte (VP) eingespeiste Koaxialleitung (KL) besitzt einen Durchmesser (D1) des inneren Leiters und einen Durchmesser (D2) des äußeren Leiters. Die gezielte Dimensionierung dieser Abmessungen mit Hilfe geeigneter Computerprogramme bestimmen in hohem Maße das elektrische Verhalten des U-förmigen Strahlers.

Die von der im Mobilfunktelefon integrierten Senderendstufe zur Antenne gelieferte Sendeleistung wird nur dann vollständig abgestrahlt, wenn keine Reflektionen auf der speisenden Koaxialleitung (KL) zum Einspeisepunkt (E) des U-förmigen Strahlers stattfinden. Dazu muß die am Fußpunkt (F) vorliegende Eingangsimpedanz der Antenne 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 Bedingungen können zusätzlich vorteilhaft durch die geeignete Wahl der in Fig. 4 im Detail gezeigten geometrischen Abmessungen des Hohlzylinders (HZ) am Fußpunkt (F) der Antenne erfüllt werden. Der Hohlzylinder (HZ) ist elektrisch leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Gehäuse (G) des Mobilfunktelefons verbunden und besitzt den Durchmesser (D3) und die Länge (h). Das Verhältnis der verschiedenen Durchmesser zueinander bestimmt nach in der Hochfrequenztechnik bekannten Gesetzmäßigkeiten das charakteristische Verhalten der Hochfrequenzleitung in der Nähe des Fußpunktes (F).

Mit Hilfe feldtheoretischer Computerprogramme lassen sich die elektrischen Verhältnisse durch einen leistungsstarken Personalcomputer jedoch relativ rasch durch die geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen (D3, h) für den jeweiligen Anwendungsfall optimieren.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des U-förmigen Strahlers dienen die in Fig. 5 dargestellten Ersatzschaltbilder. Die obere Darstellung zeigt eine Leitungsdarstellung des U-förmigen Strahlers. Die Klemme (A) ist mit dem inneren Leiter und die Klemme (B) ist mit dem äußeren Mantel der speisenden Koaxialleitung verbunden. Im Abstand (s) befindet sich ein Leitungskurzschluß, der durch die Verbindungsplatte (VP) gebildet wird, wobei dieser Abstand (s) etwa ein Viertel der Wellenlänge bei der jeweiligen Betriebsfrequenz der Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung beträgt. Dadurch wirkt dieser Leitungskurzschluß in der Nähe der Betriebsfrequenz des U-förmigen Strahlers wie ein Parallelresonanzkreis mit einer Spule (Lp) und einem Kondensator (Cp). Die offenen Enden der Leitung sind unter­ schiedlich lang. Die Länge der auf Massepotential liegenden Grundplatte (GP) beträgt (L1) und die Länge der Strahlerplatte (SP) beträgt (L2). Das Streufeld am Ende der offenen Leitung bewirkt die Wechselwirkung mit dem freien Raum, der durch den Strahlungswiderstand (Rs) elektrisch berechnet werden kann. Die am Ende offene Leitung wirkt in der Nähe der Betriebsfrequenz des U-förmigen Strahlers wie ein Serienresonanzkreis mit einer Spule (Ls) und einem Kondensator (Cs).

Einen weiteren zur Optimierung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften des U-förmigen Strahlers zu verwendenden Freiheitsgrad bietet die Gestaltung der Form der Verbindungsplatte (VP). Einige beispielhafte Ausführungsformen sind in Fig. 6 dargestellt. So ist ein trapezförmiger Übergang der Höhe (t) von der Weite (W1) der Grundplatte (GP) zur Weite (W2) der Strahlerplatte mit einer geringen induktiv wirkenden Komponente möglich. Eine andere mögliche Ausführungsform besitzt die Weite (W2) über eine Höhe (t1) und eine Weite (W1) über eine Höhe (t2). Die dadurch erzielte induktive Wirkung der Verbindungsplatte (VP) ist größer und läßt sich durch die Wahl der Höhen (t1) und (t2) gezielt einstellen. Eine weitere mögliche Ausführungsform besitzt die Weite (W2) über der gesamten Höhe (t). Dadurch wird eine maximale induktive Komponente der Verbindungsplatte/(VP) erzielt. Durch die zusätzliche induktive Komponente können insbesondere die kapazitiven Anteile in der Fußpunktimpedanz weitgehend kompensiert werden. Dadurch wird es dem Rechnerprogramm erleichtert, die übrigen geometrischen Abmessungen der Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung in einem höheren Maße hinsichtlich der Abstrahlcharakteristiken zu optimieren, da beispielsweise die Forderung zur Kompensation des Imaginärteils in der Fußpunktimpedanz bereits durch eine geeignete Wahl der Form der Verbindungsplatte (VP) für die angestrebte Betriebsfrequenz weitgehend erfüllt werden kann.

Claims (6)

1. Mobilfunk-N-Antennenvorrichtung zur Erhöhung des Antennen­ wirkungsgrades bei gleichzeitiger Verringerung des Abschattungseffektes durch den Benutzer und Reduktion der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Kopf des Benutzers von portablen Telekommunikationsgeräten, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein mit einer Koaxialleitung (KL) - mit dem Durchmesser (D1) des inneren Leiters und dem Durchmesser (D2) des äußeren Leiters - gespeister, U-förmiger, metallischer Strahler mit einer Strahlerplatte (SP), einer Grundplatte (GP) und einer Verbindungsplatte (VP) auf der Oberseite des portablen Telekommunikationsgerätes mit dem metallischen Gehäuse (G) gleichzeitig als Sende- und Empfangsantenne wirkt,
• - wobei die geometrischen Abmessungen (W1, L1, W2, L2, s, t) des U-förmigen Strahlers unter Berücksichtigung der absorbierenden Eigenschaften des Kopfes bzw. des Körpers eines Benutzers gezielt so gewählt sind, daß die vom Strahler ausgehende elektromagnetische Feldenergie gleichmäßig, d. h. trotz lokaler Abschattung im Kopfbereich mit weitgehend kreisförmiger Richtcharakteristik und mit möglichst hohem Wirkungsgrad abgestrahlt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am Fußpunkt der vom Gehäuse (G) des portablen Telekommunikationsgerätes ausgehenden Koaxialleitung (KL) ein Hohlzylinder (HZ) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist,

• - wobei durch die physikalischen Abmessungen - der Höhe (h) und dem Durchmesser (D3) - dieses Hohlzylinders sowohl die Eingangsimpedanz, als auch das Strahlungsdiagramm des U-förmigen Strahlers justiert werden, als auch die Mantelwellen der koaxialen Speiseleitung reduziert werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum einen der Abstand (e) zwischen dem Fußpunkt (F) und der vom Kopf des Benutzers ab gewandten Seite des Gehäuses (G) und zum anderen der Abstand (L3) zwischen dem Fußpunkt (F) der der vom Gehäuse (G) des portablen Telekommunikationsgerätes ausgehenden Koaxialleitung (KL) und deren Einspeisepunkt (E) in den U-förmigen Strahler gezielt so gewählt werden, daß sowohl die Eingangsimpedanz, als auch das Strahlungsdiagramm des U-förmigen Strahlers optimal justiert werden können.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsplatte (VP) mit der Höhe (t) zwischen der Strahlerplatte (SP) und der Grundplatte (GP) trapezförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsplatte (VP) bis zu der Höhe (t1) die Breite (W2) der Strahlerplatte (SP) bzw. bis zu der Höhe (t2) die Breite (W1) der Grundplatte (GP) besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsplatte (VP) mit der Höhe (t) zwischen der Strahlerplatte (SP) und der Grundplatte (GP) trapezförmig ist.