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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine neuartige Antennenanordnung, die bei geringen Abmessungen eine große Bandbreite erreicht und für Multiple-Input-Multiple-Output-Anwendungen geeignet ist.
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Die Entwicklung mobiler Geräte hat zu einem immer weiter wachsenden Bedarf an zur Verfügung stehender Bandbreite, auch für mobile Geräte, geführt. Wo früher lediglich Gesprächsdaten und Textnachrichten übertragen werden mussten, sind nunmehr Datenübertragungen aus dem Internet für Webseiten, Navigationsdaten und Videotelefonie gefordert. Die Bandbreitenanforderungen an derartige Übertragungen übertreffen jene der ursprünglichen Übertragungen um ein Vielfaches. Daneben hat sich die Übertragung über verschiedene Frequenzbänder etabliert. Nicht nur zwischen Staaten oder Regionen variierend sondern auch anwendungsbezogen, werden unterschiedliche Überragungsfrequenzen für Mobilfunk, WLAN etc. genutzt.
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Die in der Ausbreitung befindliche LTE-Technologie setzt unter anderem das MIMO-Prinzip (MIMO – Multiple Input, Multiple Output) zur Vergrößerung des Durchsatzes ein. Hierbei senden bzw. empfangen mehrere Antennen zu bzw. von mehreren anderen Antennen parallel. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung muss diese Anforderung berücksichtigen. Im Stand der Technik findet sich eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen. Von einfachen Stab(Rund-)antennen mit nur schmalen Frequenzbereichen zu Panel-, Biquad-, oder Richtantennen.
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Für den Einsatz im Innenraum oder im Privatbereich sollten die Antennen besonders klein, handlich und dezent sein.
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Unter Zusammenfassung der Anforderungen ist eine geeignete Antennenanordnung neben einer Einsetzbarkeit für das MIMO-Prinzip und für alle relevanten Frequenzen (790 MHz bis 2600MHz) besonders einfach, kostengünstig und dabei kompakt und unauffällig.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, eine kompakte Antennenanordnung mit mehreren Einzelantennen zu schaffen, die im Frequenzbereich von 790 MHz bis 2600MHz effizient übertragen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Antennenanordnung nach Anspruch 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung wurde als Weiterentwicklung der aus Zhengwei bekannten Konstruktion angelegt. In dieser Druckschrift wird eine Planarantenne mit einer Bandbreite von ca. 870 MHz–2450 MHz vorgestellt. Die Antenne ist auf Vorder- und Rückseite einer Trägerplatine aus nichtleitendem Material als flache Beschichtung ausgeführt. Während die Bauform bereits die Anforderungen hinsichtlich kompakter Bauweise weitgehend erfüllt, ist diese als Einzelantenne jedoch nicht für den MIMO-Betrieb geeignet, da dieser mehrere Antennen erfordert. Darüber hinaus ist die Bandbreite der Antenne nicht ausreichend.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung weist zwei im rechten Winkel (bzw. mit einer Abweichung kleiner 10° in beide Richtungen von diesem) zueinander angeordnete Einzelantennen auf.
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Die Crossover Isolation der beiden Einzelantennen muss für eine optimale Funktion größer 15dB betragen. Dies erreicht man auf engstem Raum durch die Kreuz- bzw. X-Polarisation. Dabei ist die X-Polarisation vor zuziehen, weil die Netzbetreiber genauso abstrahlen. Der Winkel (90°) kann verändert werden, wenn die Antennenelemente weiter voneinander entfernt angeordnet werden. Nachteilig dabei ist dann jedoch die vergrößerte Bauform.
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Jede Einzelantenne besteht aus einem planaren beidseitig beschichteten Leiterplattenabschnitt, wobei die Beschichtung der beiden Leiterplattenseiten spezifische, voneinander unterschiedliche Leitermuster aufweist. Die beiden planaren Einzelantennen liegen bevorzugt in einer Ebene (d. h. die größten flächigen Ausdehnungen der beiden Einzelantennen liegt in einer gemeinsamen Ebene). Vorzugsweise sind die beiden Einzelantennen durch einen Steg miteinander verbunden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die beiden Einzelantennen aus einem gemeinsamen Leiterplattenabschnitt, auf dem Leiterstrukturen der beiden Einzelantennen auf Vorder- und Rückseite aufgedruckt sind. Diese Leiterstrukturen sind ebenfalls in einem Winkel von 90° zueinander geneigt. Bevorzugt ist der Leiterplattenabschnitt derartig beschnitten, dass eine V-förmige Antennenstruktur entsteht, wobei der Innenwinkel zwischen den beiden Schenkeln des V 90° beträgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Einzelantennen von einem Tragelement getragen, dass in der Art eines Ständers der Gesamtkonstruktion die Form eines Y verleiht. Das Tragelement kann als Einzelelement die beiden Einzelantennen aufnehmen oder aber die beiden auf einem gemeinsamen Leiterplattenabschnitt angeordneten Antennen als ein Stück halten oder aber selbst Bestandteil des gemeinsamen Leiterplattenabschnittes sein. Das Tragelement ist bevorzugt lösbar oder unlösbar an einem Fußteil angeordnet, welches die Standfestigkeit der Konstruktion gewährleistet.
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Aufgrund der Neigung der beiden Einzelantennen zueinander wird vorteilhaft eine gute Trennung der Signale der beiden Einzelantennen erreicht, da diese Signale bevorzugt polarisiert und ganz besonders bevorzugt mit Polarisationen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander verlaufen, ausgestrahlt werden.
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Die Leiterstrukturen einer Seite des Leiterplattenabschnittes einer Einzelantenne bilden die Abstrahlungsstruktur während die Leiterstruktur auf der gegenüberliegenden Seite des Leiterplattenabschnittes die Massestruktur ausbildet. Bevorzugt sind die Masse- bzw. Abstrahlungsstrukturen der beiden Einzelantennen jeweils gleich gerichtet, d.h. die Abstrahlungsstrukturen der beiden Einzelantennen befinden sich auf der Vorderseite (Abstrahlungsseite) und die Massestrukturen auf der Rückseite (Masseseite) des gemeinsamen Leiterplattenabschnittes bzw. der Ebene, in der die Einzelantennen angeordnet sind.
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Die genaue Formgebung der Abstrahlungs- und der Massestrukturen sowie Dicke und Beschaffenheit des Materials des Leiterplattenabschnittes (bzw. dessen Dielektrizitätskonstante) bestimmen die Abstrahlungsleistung und den Frequenzbereich, in dem die Antenne nutzbar ist. Formen und Abmessungen der Masse- bzw. Abstrahlungsstrukturen werden in Simulationsprogramme zur Antennenberechnung eingegeben, um zu überprüfen, ob die angestrebten Ziele hinsichtlich Bandbreite und Abstrahlungsleistung etc. erreicht werden. Derartige Programme sind jedoch nicht in der Lage, vorteilhafte Formen der Masse- bzw. Abstrahlungsstrukturen anzugeben. Ergänzt werden die Berechnungen durch Tests und Überprüfungen am Messplatz. Vorteilhaft kommt hier ein Rhode & Schwarz Messplatz zur Ermittlung der Stehwelle zum Einsatz.
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Die Massefläche einer Einzelantenne der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist zweiteilig ausgeführt, wobei die beiden Teile miteinander verbunden sind. Beide Teile sind rechteckig und weisen einen Steg auf, der zwei benachbart, parallel zueinander verlaufende Kanten der Masseflächen mittig verbindet. Der Steg verläuft bevorzugt mittig entlang der Längsachse der Einzelantenne. Das erste Masseflächenteil, das dem Verbindungspunkt der beiden Einzelantennen am nächsten liegt, weist eine Bohrung als Antennenfußpunkt zur Befestigung des Masseanschlusses der Antennenzuleitung auf. Das Masseflächenteil, das vom Fußpunkt der Antenne entfernt ist (zweites Masseflächenteil), weist an seiner, am weitesten vom Fußpunkt entfernten Kante und an den beiden Seitenkanten abschließend, zwei rechteckige Erweiterungen auf, die dem zweiten Masseflächenteil eine leichte Gabelform verleihen. Die beiden rechteckigen Erweiterungen sind aus Zhengwei nicht bekannt.
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Die Abstrahlungsstruktur einer Einzelantenne weist einen großen annähernd rechteckigen Teil auf. Dieser entspricht in seiner Höhe in etwa dem Abstand der beiden Masseflächenteile der gegenüberliegenden Seite des Leiterplattenabschnittes, und liegt somit im Bereich in der auf der Masseseite der Verbindungssteg der beiden Masseflächenteile verläuft. Auf der Masseseite ist der Bereich, der dem annähernd rechteckigen Teil gegenüber liegt zu mindestens 80% frei von leitfähigem Material. Die Breite der Abstrahlungsstruktur entspricht der der Massefläche. Von dem annähernd rechteckigen Teil der Abstrahlungsstruktur erstreckt sich ein schmaler Leitersteg zum Fußpunkt der Einzelantenne, wo die Antennenzuleitung angeschlossen wird. Ein zweiter Steg verläuft mittig aus dem rechteckigen Teil entgegen der Richtung des Steges zum Antennenfußpunkt. Der Leitersteg und der zweite Steg verlaufen entlang der Längsachse der Einzelantenne. Der zweite Steg endet in etwa in der Höhe, in der die rechteckigen Erweiterungen des zweiten Masseflächenteils auf der entgegengesetzten Seite des Leiterplattenabschnittes enden.
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Der annähernd rechteckige Teil der Abstrahlungsstruktur weist auf der Seite, aus der der Steg zum Antennenfußpunkt austritt, zweidreieckförmige, symmetrisch zur Mittellinie des Stegs verlaufende Einkerbungen auf, in denen kein leitfähiges Material existiert.
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Sowohl Massestruktur als auch Abstrahlungsstruktur bestehen bevorzugt aus Kupfer.
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Eine einfache beispielhafte Methode zur Herstellung sieht vor, die Masse- und Abstrahlungsstrukturen aus einem doppelseitig kupferkaschierten Leiterplattenrohling herauszuätzen.
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Bevorzugt werden die Einzelantennen an den Antennenfußpunkten derart angeschlossen, dass die Antennenzuleitungen als Koaxialleitung auf der Masseseite herangeführt und die Abschirmung auf der Masseseite mit dem ersten Masseflächenteil verbunden wird. Der isolierte Innenleiter der Antennenzuleitung wird durch die Bohrung hindurchgeführt und auf der Abstrahlungsseite des Leiterplattenabschnittes mit dem Steg zum annähernd rechteckigen Teil der Abstrahlungsstruktur verbunden. Die Verbindung erfolgt in beiden Fällen bevorzugt durch Löten. Die Anschlüsse der Antennenzuleitung werden vorzugsweise auf beiden Seiten des Leiterplattenabschnittes abgedeckt. Dazu kommt vorzugsweise ein Lackpunkt oder ein Abdeckstück aus Plastik nach dem Stand der Technik zum Einsatz.
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In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind Masse- und Abstrahlungsstrukturen im Antennenfußpunkt jeder Einzelantenne durch eine Hochfrequenzdrossel miteinander verbunden. Dies ermöglicht die Erkennbarkeit der Antennenanordnung für bestimmte Routertypen, die einen ohmschen Kurzschluss über dem Antennenanschluss erwarten.
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Die Antennenzuleitungen der beiden Einzelantennen werden bevorzugt zusammengefasst und in der Nähe der beiden Antennenfußpunkte nach dem Stand der Technik zugentlastet befestigt. Dazu kommt bspw. ein Kabelbinder, eine Klebeverbindung oder eine wellenartige Durchführung durch geeignete benachbarte Öffnungen im Leiterplattenmaterial zum Einsatz.
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Bevorzugt werden die Einzelantennen, insbesondere die Masse- und die Abstrahlungsstrukturen, abgedeckt. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antennenstruktur dazu in einem Gehäuse angeordnet.
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Ganz besonders bevorzugt wird der Leiterplattenabschnitt mit einer nicht leitfähigen Beschichtung, darüber hinaus besonders bevorzugt, einem Lack, überzogen. Dieser Lacküberzug bedeckt mindestens die Masse- und die Abstrahlungsstrukturen, bevorzugt jedoch den gesamten Leiterplattenabschnitt beider Einzelantennen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders flache Ausführung der Antennenanordnung. Für den ganz besonders bevorzugten Fall, dass die beiden Einzelantennen auf einem gemeinsamen V- oder Y-förmigen Leiterplattenabschnitt angeordnet sind, ist eine vollständige einheitliche Lackierung besonders vorteilhaft.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die lackierten oder unlackierten Leiterplattenabschnitte mit geeigneten Folien beklebt werden. Dies ermöglicht eine dekorative Gestaltung der Antennenanordnung. Die Folien sollten jedoch metallfrei sein um die Abstrahlung nicht zu behindern.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Antennenanordnung unterhalb des Berührungspunktes der beiden Einzelantennen eine oder mehrere Bohrungen zum Einrasten elastischer Saugfüße auf, mit denen die Antennenanordnung an einer Glasscheibe befestigt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Auskragung vorgesehen, die es ermöglicht, die Antennenanordnung in den Schlitz eines Standfußes einzuführen und dort optional lösbar oder unlösbar zu befestigen.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung bietet neben der besonders hohen Bandbreite eine vorteilhafte Kompaktheit und einen filigranen Aufbau. Die Antennenanordnung kann so unauffällig an jedem beabsichtigten Ort angeordnet oder aber als Gestaltungselement hervorgehoben werden. Die Anpassung an verschiedene Kundenwünsche ist bei gleichbleibendem konstruktivem Aufbau vorteilhaft leicht möglich.
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Ausführungsbeispiel
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Es wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, ohne die Erfindung auf dieses beschränken zu wollen.
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Die 1 zeigt die Masseseite des Leiterplattenabschnittes (4), auf dem zwei Einzelantennen (1) in rechtem Winkel zueinander angeordnet sind. Jede Einzelantenne (1) weist eine Massestruktur auf, die sich aus dem ersten Masseflächenteil (2), dem zweiten Masseflächenteil (21), dem Verbindungssteg (23), der die beiden Masseflächenteile verbindet sowie den beiden rechteckigen Erweiterungen (211) des zweiten Masseflächenteils (21) zusammensetzt. Im ersten Masseflächenteil (2) ist der Fußpunkt (22) der Antenne dargestellt.
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Der Leiterplattenabschnitt (4) weist zwei Öffnungen (42) auf, in die optional Saugfüße für eine Fensteranbringung eingeklippt werden können. Eine andere Möglichkeit der Aufstellung wird durch die Auskragung (41) geboten, die in den Schlitz eines Standfußes eingesteckt werden kann. Optional ist hier eine Klebeverbindung möglich.
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Die 2 zeigt die Abstrahlungsseite der Antennenstruktur, die die Vorderseite des Leiterplattenabschnittes (4) darstellt. Die beiden Einzelantennen (1) stoßen an dem Berührungspunkt (11) aneinander und schließen dabei einen Winkel von 90° ein. Jede Einzelantenne (1) weist eine Abstrahlungsstruktur mit einem annähernd rechteckigen Teil (3) auf. Von dem annähernd rechteckigen Teil (3) der Abstrahlungsstruktur erstreckt sich ein schmaler Leitersteg (31) zum Fußpunkt (22) der Einzelantenne (1). Ein zweiter Steg (33) verläuft mittig aus dem rechteckigen Teil entgegen der Richtung des Steges zum Antennenfußpunkt. Der annähernd rechteckige Teil (3) der Abstrahlungsstruktur weist auf der Seite, aus der der Steg (32) zum Antennenfußpunkt (22) austritt, zwei dreieckförmige Einkerbungen (31) auf.
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Die beigefügte Bemaßung (Angaben in mm) in den 1 und 2 beschreibt eine funktionierende Antennenanordnung bei einer Materialdicke des Leiterplattenabschnittes von 0,8 mm (Material Kunstharz). Das Material des Leiterplattenabschnittes ist fr4-Epoxi mit einer relativen Dielektrizitätskonstante im Bereich von 4,5 bis 4,7. Die beiden Einzelantennen werden mit einem doppelten Koaxialkabel RG174 Dual, 1,5mm mit SMA-Stecker kontaktiert. Das Kabel wird dabei hinter der Zugentlastung (nicht dargestellt) aufgeteilt (Dual-Kabel) und an den Fußpunkten der Einzelantennen jeweils mit der Abschirmung auf der Masseseite und der Seele auf der Abstrahlungsseite angelötet.
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Der Antennengewinn der Antennenanordnung beträgt ca. 3 dBi. Die Abstrahlung ist annähernd omnidirektional. Die Antenne ist im Frequenzbereich von 790 MHz bis 2700 MHz einsetzbar.
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Zitierte Nichtpatentliteratur:
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Zhengwei Du, et al. „A Novel Compact Wide-Band Planar Antenna for Mobile Handsets", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 54, No. 2, February 2006
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelantenne
- 11
- Berührungspunkt der Einzelantennen
- 2
- erstes Masseflächenteil
- 21
- zweites Masseflächenteil
- 211
- rechteckige Erweiterungen des zweiten Masseflächenteils
- 22
- Fußpunkt der Einzelantenne
- 23
- Verbindungssteg der Masseflächenteile
- 3
- annähernd rechteckiger Teil der Abstrahlungsstruktur
- 31
- dreieckförmige Einkerbungen im annähernd rechteckigen Teil
- 32
- Leitersteg zum Fußpunkt der Einzelantenne
- 33
- zweiter Steg
- 4
- Leiterplattenabschnitt
- 41
- Auskragung zum Einrasten in einen Standfuß
- 42
- Bohrungen zum Einrasten elastischer Saugfüße
