DE19843929A1 - Flachantenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flachantenne und im spezielleren auf ein ver­ bessertes Zuführungsverfahren, welches sich für ein Koaxialkabel eignet, das mit dem Zufüh­ rungspunkt der Flachantenne verbunden ist, wie durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben.

In der letzten Zeit sind einfache Flachantennen als verbreitete Antennen für mobile Kommu­ nikationssysteme entwickelt worden, die kostengünstig hergestellt werden können.

Die Flachantenne oder Dünnantenne ist beispielsweise durch die Anordnung eines Stecklei­ ters konfiguriert, der über eine geerdete leitende Platte durch ein dielektrisches Material auf eine vorbestimmte Größe geschnitten ist. Diese Struktur macht es möglich, eine Antenne mit einer Empfindlichkeit über mehrere Gigahertz Radiofrequenzwellen mit einer relativ einfa­ chen Struktur herzustellen. Eine derartige Antenne kann einfach an Anwendungen montiert werden.

Ein Problem besteht jedoch darin, daß die Flachantennen bei Benutzung bei einer bestimmten Empfangsfrequenz in Resonanz treten und einen Abstrahlwiderstand entwickeln, oder daß die Impedanz an dem Zuführpunkt einen Realteil hat. Das bedeutet, daß wenn empfangene Radiofrequenzwellen aus der Antenne oder dem Koaxialkabel, zur Versorgung der Antenne mit Übertragungsenergie, die mit der Steckantenne verbunden ist, herausgenommen werden, unterschiedliche Arten der Bearbeitung notwendig sind, um die Impedanz des Zuführpunktes anzupassen.

Das oben genannte Problem wird in der Folge beschrieben mit Bezug auf Fig. 5. Fig. 5(a) ist eine Schnittansicht, die eine Flachantenne teilweise darstellt. Bezugnehmend auf Fig. 5(a) bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Teil einer Flächenantenne, die aus einer leitenden Platte gemacht ist, die so bemessen ist, daß sie bei einer empfangenen Frequenz in Resonanz tritt, 11 bezeichnet ein dielektrisches Material und 12 stellt eine geerdete leitende Platte dar.

Das Bezugszeichen 13 stellt den mittleren Leiter eines Koaxialkabels dar, welches vorgese­ hen ist, um dem Flächenantennenteil 10 Energie zuzuführen. Der äußere Leiter des Koaxial­ kabels ist innerhalb der Öffnung 12a der geerdeten leitenden Platte 12 geerdet.

Das dielektrische Material 11, das eine hohe dielektrische Konstante aufweist, wird verwen­ det, um die Antenne zu miniaturisieren. Ein dickes dielektrisches Material 11 von großer Dicke bietet im allgemeinen eine höhere Empfangsempfindlichkeit und ein breiteres Emp­ fangsband.

Der mittlere Leiter 13, der in das dielektrische Material 11 eingeführt ist, induziert jedoch eine induktive Impedanzkomponente L an der Öffnung. Beim Entwurf wird die Impedanz des Zuführpunktes der Flächenantenne, die bei einer bestimmten Empfangsfrequenz in Resonanz tritt, üblicherweise so eingestellt, daß sie nur eine Abstrahlwiderstandskomponente hat. Um daher die induktive Impedanz L zu vermeiden, die zu der Anschlußimpedanz des Koaxialka­ bels hinzugerechnet wird, ist der mittlere Leiter 13 des Koaxialkabels so angeordnet, daß er durch den Zuführpunkt der Flächenantenne hindurch führt, wie in Fig. 5 gezeigt, und die Spitze desselben ist mit einem Chipleiter 15 verbunden. Das Koaxialkabel ist der Flächenan­ tenne durch die kapazitive Impedanz C angepaßt, die zwischen dem Chipleiter 15 und dem Flächenantennenteil 10 ausgebildet ist.

Fig. 5(b) zeigt eine kreisförmige Flächenantenne, in der entsprechende Elemente mit entspre­ chenden Bezugszeichen, wie in Fig. 5(a) dargestellt, bezeichnet sind. Im Falle der herkömm­ lichen Struktur, in Fig. 5(b) gezeigt, ist, um die induktive Impedanz L zu vermeiden, die durch den mittleren Leiter 13 des Koaxialkabels hinzugefügt wird, welche in das dielektrische Material eindringt, ein Inselleiter 10B, der gegenüber der Flächenantenne isoliert ist, an den Zuführpunkt der Flächenantenne 10A angeordnet. Die Flächenantenne 10A ist dem Koaxial­ kabel mit Hilfe der Kapazität C angepaßt, die durch den Spalt t zwischen dem Inselleiter 10B und der Flächenantenne 10A definiert ist.

Bezugnehmend auf Fig. 5(c) ist ein Isolationsmaterial 15 zwischen dem Flächenantennenbe­ reich 10 und dem dielektrischen Material 11 angeordnet. Der mittlere Leiter 13 des Koaxial­ kabels ist mit dem Chipleiter 16 verbunden, der unterhalb der Isolationsschicht 15 angeordnet ist. Die passende Konfiguration, die die induktive Impedanz L vermeidet, wird durch das Hinzufügen der kapazitiven Impedanz C zwischen dem Chipleiter 16 und dem Flächenanten­ nenteil 10 vorgesehen.

Wie oben beschrieben, ist die herkömmliche Flachantenne elektrisch angepaßt, um mit dem Koaxialkabel Energie zuzuführen, um die induktive Impedanz L des mittleren Leiters zu vermeiden, der in das dielektrische Material 12 eindringt. Das Problem ist daher, daß der Flächenantennenteil bis zu einem gewissen Grad bearbeitet sein muß, was die Struktur der Flachantenne kompliziert macht.

Die vorliegende Erfindung umgeht die oben genannten Probleme. Die Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung ist es dabei, eine vereinfachte Flachantenne vorzusehen, die die Herstel­ lungskosten reduzieren kann.

Nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung umfaßt die Flachantenne einen Flächenantennen­ teil, der so eingestellt ist, daß er bei einer vorbestimmten Frequenz in Resonanz tritt; eine dielektrische Platte mit einer Oberfläche in Kontakt mit dem Flächenantennenteil und der anderen Oberfläche in Kontakt mit einer geerdeten Platte; und eine koaxiale Zuführung, die mit dem Flächenantennenteil durch sowohl die geerdete Platte als auch die dielektrische Platte verbunden ist; wobei der mittlere leitende Bereich der koaxialen Zuführung in die die­ lektrische Platte eindringt und mit einem Zuführungspunkt des Flächenantennenteiles verbun­ den ist; wobei die Resonanzfrequenz des Flächenantennenteiles auf einen Wert eingestellt ist, der höher ist, als die Empfangsfrequenzen, in einer Weise, daß eine induktive Impedanzkom­ ponente des mittleren leitenden Teiles fast gleich einer kapazitiven Impedanzkomponente des Zuführungspunktes des Flächenantennenteiles über die verwendeten Frequenzen ist.

Bei der Flachantenne nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung umfaßt der Flächenanten­ nenteil eine kreisförmige leitende Platte oder aber eine rechteckige leitende Platte.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in beispielhafter Weise zeigen.

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht, welche eine Flachantenne nach Maßgabe einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung darstellt und Fig. 1(b) ist eine Schnittansicht, die teilweise die Flachantenne nach Fig. 1(a) darstellt;

Fig. 2(a) ist eine Draufsicht, welche eine Flachantenne nach Maßgabe einer anderen Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und Fig. 2(b) ist eine Schnittansicht, die teilweise die Flachantenne nach Fig. 2(a) darstellt;

Fig. 3 ist ein Diagrammausdruck der Impedanzcharakteristik einer Flachantenne;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die effektiven Verstärkungscharakteristika einer Antenne zeigt, ausgedruckt für die dielektrische Dicke und die dielektrische Konstante; und

Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind Diagramme, die jeweils eine der Impedanz entsprechende Struktur darstellen, die für den Zuführpunkt einer herkömmlichen Flachantenne verwendet wird.

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die eine Flachantenne nach Maßgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, sowie eine Schnittansicht, die die Flachantenne im Schnitt entlang der Linie A-A der Draufsicht darstellt. Bezugnehmend auf Fig. 1 stellt 1 einen run­ den Flächenantennenteil dar, 2 bezeichnet ein dielektrisches Material und 3 repräsentiert eine geerdete leitende Platte. Der Flächenantennenteil 1 ist so angeordnet, daß er dem geerdeten leitenden Teil 3 über das dielektrische Material 2 gegenüberliegt. Der mittlere Leiter 5 des Koaxialkabels ist über die Öffnung 4 der geerdeten leitenden Platte eingeführt und dringt darüber hinaus in das dielektrische Material mit einer Dicke t ein.

Der mittlere Leiter 5 ist an dem Punkt B des Flächenantennenteil 1 verbunden, der als Zu­ führpunkt dient, um Radiowellen zu übertragen und zu empfangen. Der äußere Leiter des Koaxialkabels ist mit dem geerdeten leitenden Bereich verbunden.

Ein Symbol L repräsentiert eine induktive Impedanz, die entsprechend der Penetrationslänge des dielektrischen Materiales 2 hinzugerechnet wird.

Fig. 2 ist eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die jeweils eine Flachantenne nach Maßga­ be einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. In dieser Ausfüh­ rungsform wird eine rechteckige Leiterplatte als Flächenantennenteil 1 verwendet. In den Fig. 1 und 2 repräsentieren entsprechende Bezugszeichen entsprechende Elemente.

Es ist bekannt, daß der rechteckige Antennenteil 1, der eine Seite mit einer Länge L entspre­ chend ½ Leitungswellenlänge der Zuführung aufweist, als rechteckige Micro-Strip-Antenne in Resonanz tritt.

Im allgemeinen reduziert der Endeffekt des dielektrischen Materiales 2, das eine große Dicke t hat, äquivalent die Antennenresonanzfrequenz Q, wodurch die Empfangsempfindlichkeit verbessert wird.

Fig. 4 zeigt effektive Verstärkungen der Flachantenne. Wenn die dielektrische Kontante ε eines dielektrischen Materials zunimmt, wird ein scharfer Q-Wert in einem Empfangsband erzielt, aber die Empfindlichkeit wird verringert, wie mit in Fig. 4 gezeigt. Wenn die Dicke t des dielektrischen Materiales zunimmt, neigt der Q-Wert dazu, abzunehmen, aber die Emp­ findlichkeit neigt dazu, zuzunehmen, wie bei und in Fig. 4 gezeigt.

Die Position des Zuführpunktes P kann gemäß dem Zustand gewählt werden, daß die Anten­ ne in Resonanz tritt und ändert die effektive Impedanz R an dieser Stelle.

Beispielsweise nimmt bei der Flachantenne in Fig. 1 gezeigt die effektive Impedanz R zu, wenn die Position des Zuführpunktes P sich nach links bewegt. Wenn sich die Position des Zuführpunktes P nach rechts bewegt, nimmt die effektive Impedanz R ab.

Bei der Flachantenne, beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt, kann die effektive Impedanz R durch Bewegen des Zuführpunktes P in der dargestellten Richtung variiert werden.

Fig. 3 zeigt Änderungen der Impedanz an dem Zuführpunkt, wenn eine Flächenantenne, die bei einer vorbestimmten Frequenz f2 in Resonanz tritt, mit unterschiedlichen Frequenzen erregt wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird demselben Zuführpunkt eine kapazitive Impedanz 1/j ω c hinzugefügt, wenn die Flächenantenne, die bei einer Frequenz f2 in Resonanz tritt, mit einer niedrigen Frequenz f1 erregt wird. Andererseits wird eine induktive Impedanz j ω L zu dem­ selben Zuführpunkt hinzugefügt, wenn die Flächenantenne, die bei einer Frequenz f2 in Re­ sonanz tritt, mit der Frequenz f3 erregt wird, die höher ist als die Frequenz f2.

Der Abstrahlwiderstand R hängt von der Position des Zuführpunktes der Flächenantenne ab und zeigt im allgemeinen einen höheren Wert, wenn der Zuführpunkt sich dem äußeren Be­ reich der Antenne nähert.

In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Kontur des Flächenantennen­ teiles 1, das auf dem dielektrischen Material 2, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, angeordnet ist, derart bemessen, daß diese bei einer Frequenz in Resonanz tritt, die etwas höher ist als eine vorbestimmte Empfangsfrequenz.

Der mittlere Leiter 5, der in das dielektrische Material 2, wie in den Fig. 1 oder 2 gezeigt, eindringt, ist direkt mit dem Zuführpunkt des Flächenantennenteiles 1, das auf diese Weise konstruiert ist, verbunden.

Wenn die auf diese Weise konstruierte Flachantenne mit einer Frequenz f erregt wird, hat der Zuführpunkt eine kapazitive Impedanz. Daher kann die Flachantenne in einer derartigen Wei­ se konstruiert werden, daß die Resonanz der kapazitiven Impedanz 1/j ω c und die induktive Impedanz j ω L des Endbereiches des mittleren Leiters 5, der in das dielektrische Material 2 eindringt, auf eine Empfangsfrequenz f eingestellt werden kann. Von der Seite der Zuführ­ leitung gesehen, hat die Impedanz eine Widerstandskomponente mit lediglich einem Realteil.

Wie oben beschrieben, können die Anpassungsanforderungen, die keine Reaktionsenergie erzeugen, durch eine Bestimmung der Position des Zuführpunktes konstruiert werden, an dem die Widerstandskomponente der charakteristischen Impedanz des Zuführpunktes ent­ spricht.

Wenn beispielsweise die praktische Dicke t des dielektrischen Materiales auf 1/10 der Ra­ diofrequenzwellenlänge λ gesetzt wird, beträgt f1/f2 ungefähr 0,98 in dem in Fig. 3 gezeigten Fall. Es wurde herausgefunden, daß die effektive Verstärkung und Ausrichtung der Antenne kaum verschlechtert werden kann.

Die Flachantenne, bei der der mittlere Leiter des Koaxialkabels direkt mit dem Flächenanten­ nenteiles über eine Verlötung verwendet werden kann, macht es möglich, daß die Zuführlei­ tung leicht montiert werden kann, und senkt den Preis einer derartigen Antenne.

Wie oben beschrieben, kann bei der Flachantenne nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung ein Koaxialkabel mit einem Flächenantennenteil verbunden werden, durch eine direkte Ein­ führung des mittleren Leiters des Koaxialkabels in das dielektrische Material sowie eine dar­ auffolgende Verlötung desselben an dem Zuführpunkt. Als Resultat dessen kann die Anten­ nenstruktur vereinfacht werden und die Herstellungskosten können reduziert werden.

Der Vorteil liegt darin, daß es die einfache Struktur ermöglicht, daß die Antenne einfach an mobile Kommunikationseinrichtungen montiert werden kann und Unfälle vermeiden kann, durch die ein Kommunikationssystem durch einen Fehler abstürzt.

Die vorhergehende Beschreibung ist lediglich als eine Beschreibung der Prinzipien der vorlie­ genden Erfindung anzusehen. Darüber hinaus werden sich für den Fachmann eine Vielzahl von Modifikationen und Änderungen ergeben, wobei nicht angestrebt ist, die Erfindung auf die exakte Konstruktion und Anwendungen zu begrenzen, die gezeigt und beschrieben sind. Entsprechend müssen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente als unter den Schutz­ bereich der Erfindung fallend angesehen werden, wie durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert.

Claims (3)

1. Flachantenne mit einem Flächenantennenteil (1), der so eingestellt ist, daß er bei einer vorbestimmten Frequenz in Resonanz tritt;
einer dielektrischen Platte (2), deren eine Oberfläche in Kontakt mit dem Flächenantennenteil steht und deren andere Oberfläche in Kontakt mit einer geerdeten Platte (3) steht; und
einer koaxialen Zuführung, die mit dem Flächenantennenteil (1) durch sowohl die geerdete Platte (3) und die dielektrische Platte (2) verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere leitende Teil (5) der koaxialen Zuführung in die dielektrische Platte (2) eindringt und mit einem Zuführpunkt (P) des Flächenantennenteiles (1) verbunden ist;
wobei die Resonanzfrequenz des Flächenantennenteiles (1) auf einen Wert gesetzt ist, der höher als die Empfangsfrequenzen liegt, in einer derartigen Weise, daß eine induktive Impe­ danzkomponente des mittleren leitenden Teiles fast gleich einer kapazitiven Impedanzkom­ ponente des Zuführpunktes (P) des Flächenantennenteiles (1) über die benutzten Frequenzen ist.

2. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenantennenteil (1) eine kreisförmige leitende Platte umfaßt.

3. Flachantenne nach Anspruch 1, wobei der Flächenantennenteil (1) eine rechteckige leitende Platte umfaßt.