DE4113277C2 - Antenne für ein mobiles Telefon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne für ein mobiles Telefon gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Für mobile Telefone, insbesondere für Handgeräte nach dem GSM-Standard (Group Special Mobile), wird eine ver­ kürzte Antenne benötigt, da die bisher übliche Stab­ antenne, deren Länge etwa 8 cm betragen müßte, ersetzt werden soll. Letztere besitzt bei den zu fordernden Eigenschaften hinsichtlich Anpassung und Verlust nicht die für Handgeräte nach der im genannten Standard zu fordernden Breitbandigkeit.

Zur Anpassung einer verkürzten linearen Antenne wird meist eine Induktivität zum elektrischen Ausgleich der fehlenden Länge eingesetzt. Durch diese Verlängerungs­ spule fließt ein großer Strom, so daß schon ein kleiner Verlustwiderstand den Antennenwirkungsgrad in einem für Handgeräte nicht tragbaren Ausmaß herabsetzen kann. Eine verkürzte Antenne läßt sich auch mit einer kapazi­ tiven Belastung der Antennenspitze (Kopfkapazität oder Dachkapazität) in Resonanz bringen und an die Speise­ leitung anpassen. Diese Methode der Anpassung ver­ ursacht kleinere Verluste und vergrößert die Band­ breite.

In der DE 22 62 522 C2 wird eine Antenne für Meter- oder Dezimeterwellen nach Art eines Faltunipols mit Dachkapazität vorgeschlagen. Dabei sollen zwei etwa senkrecht zu einer Grundfläche stehende Antennenleiter mit einer als Dachkapazität wirkenden leitenden Scheibe über eine Induktivität verbunden sein. Einer der An­ tennenleiter ist an die Grundfläche angeschlossen, der andere bildet im Bereich der Grundfläche den Antennen­ fußpunkt. Kennzeichnenderweise ist die Induktivität bei dieser Ausführung dadurch gebildet, daß die Antennen­ leiter isoliert durch die Scheibe hindurchgeführt, an der der Grundfläche abgewandten Scheibenseite entlang­ geführt und an ihrem jeweiligen Ende galvanisch mit der Scheibe verbunden sind. In einer speziellen Ausführung ist vorgesehen, die Scheibe aus einem Isolierträger, insbesondere Epoxidglas, mit geeigneten Metalli­ sierungen auf beiden Seiten der Scheibe auszubilden. Die zwischen der Scheibe und der Grundfläche stehenden Antennenleiter sind in jedem Fall als drahtförmige Leitungsstücke ausgebildet.

Für die geplante Frequenz wird eine derartige Antenne einen etwa zylindrischen Raum von ca. 3 cm Durchmesser und 3 cm Höhe einnehmen. Dies erscheint für handge­ haltene Geräte zu groß. Die Antenne ist ferner ferti­ gungstechnisch recht aufwendig, da sie aus einzelnen Teilen, wie Scheibe und Antennenleiter, durch Löten und Vernieten aufgebaut werden muß.

Darüber hinaus soll der theoretische Isotropgewinn der Antenne etwa 5 dB betragen, was für eine deutliche Bündelung spricht, und die Bandbreite soll ungefähr 7% bei einem Stehwellenverhältnis von weniger als 2 be­ tragen.

Eine Antenne der einleitend genannten Art ist aus der US 48 76 709 bekannt. Diese Antenne ist für eine Ver­ wendung im unteren Bereich des VHF-Bandes geeignet. Aus dieser vorgesehenen Verwendung resultiert, daß die Antenne wesentlich kleinere Abmessungen als die zuge­ ordnete Wellenlänge aufweist. Die Antenne wird durch eine metallisierte Fläche realisiert, die relativ zur Leiterplatte des Gerätes erregt wird. Die Anpassung erfolgt mit Hilfe von zwei Filtern, von denen eines für den Sender und eines für den Empfänger vorgesehen ist. Durch die Verwendung einer zusätzlichen Abschirmplatte ist es möglich, den Einfluß einer Hand des Benutzers auf die Signalübertragung durch eine Anpassung der Antenne zu minimieren. Insbesondere erfolgt hierzu eine Entfernung der benötigten Schalter aus dem Bereich der Antenne.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antenne der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß bei einem kompakten und preiswerten Aufbau eine qualitativ hochwertige Signalübertragung erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Antenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Antenne wird als kurze lineare Antenne mit Dachkapazität ausgeführt. Am Antennenfuß­ punkt ist eine Verlängerungsspule vorgesehen, die zu­ sammen mit der Dachkapazität den Frequenzbereich der Antenne bestimmt. Zur Anpassung der Antenne an die Impedanz der Speiseleitung wird die Verlängerungsspule mit einem Abgriff versehen (Spartransformator). Die Speisung erfolgt dann zwischen dem Fußpunkt und dem Abgriff der Verlängerungsspule. Eine Verwendung kann insbesondere im Frequenzbereich zwischen 875 und 960 MHz erfolgen.

Die Dachkapazität der erfindungsgemäßen Antenne wird durch eine flexible Folie gebildet. Als Folie wird eine Metallfolie verwendet. Speziell sollen jedoch metallisierte Kunststoffolien zum Einsatz kommen. Die metallisierte Folie wird zur Vergrößerung der Dachkapazität umgebogen. Die Biegelinie der Folie soll dabei etwa u-förmig sein.

Es ist vorgesehen, das Antennengegengewicht als Sperrtopf auszubilden. Dafür bekommt das Gegengewicht bzw. die leitende Grundfläche einen Durchmesser, der der Hälfte der Wellenlänge der gewünschten Antennenmittenfrequenz entspricht. Wird die Grundfläche nicht eben, sondern gekrümmt ausgeführt, so soll die Oberfläche jeweils nach einem Viertel der Wellenlänge, vom Fußpunkt der Antenne gesehen, enden. Dadurch fließt am Rand der Grundfläche praktisch kein Strom mehr, und die Grundfläche ist elektrisch von dem Speisekabel und dem Gehäuse entkoppelt.

Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen besondere erfin­ dungsgemäße Gestaltungen der Antenne nach Anspruch 1.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, entweder die gesamte Schaltung bis auf das Antennengegengewicht (z. B. elektrisch leitende Grundfläche) oder auch das Antennengegengewicht selber auf der flexiblen Folie insbesondere aus Kunststoff durch Aufbringen einer Metallisierungsschicht zu realisieren. Bei dieser Aus­ führung ist dann die Dachkapazität als relativ groß­ flächiger metallisierter Bereich auf der Folie ausge­ bildet. Demgegenüber sind Verlängerungsspulen bzw. Spartrafos zur Anpassung als schmalere Leiterbahnen ausgebildet. Die Leiterbahnen werden bis zu den An­ schlußpunkten am Antennengegengewicht bzw. dem Mantel einer Koaxialleitung und bis an den Innenleiter der Koaxialleitung geführt. Das Antennengegengewicht ist dann als großflächig metallisierter Bereich auf der flexiblen Kunststoffolie ausgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird der Sperrtopf als Teil des Gehäuses des Sende- und Empfangsgerätes ausgebildet.

Durch Verwendung eines Sperrtopfes wird insbesondere auch die Empfindlichkeit der Antenne gegen ein Ver­ stimmen durch Bewegung des Handgerätes bzw. auch durch die Handhabung selbst verringert.

Die erfindungsgemäße Antenne mit Dachkapazität wird insbesondere für Handgeräte für die Kommunikation nach dem GSM-Standard verwendet.

Eine detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Antenne erfolgt exemplarisch anhand eines Ausführungs­ beispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs­ gemäßen Antenne,

Fig. 2 Seitenansichten,

Fig. 3 eine weitere Seitenansicht

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Antenne mit nicht gefalteter Dachkapazität,

Fig. 5 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild,

Fig. 6 eine äquivalente Schaltung zu dem verein­ fachten Ersatzschalbild nach Fig. 5.

Die Antenne nach Fig. 1 ist über einem als elektrisch leitfähige Kappe ausgebildeten Antennengegengewicht (1) angeordnet. Die Antenne wird gebildet aus der Dach­ kapazität (2) in Form der umgebogenen leitfähigen Fläche, der etwa s-förmigen Verlängerungsspule (3) und dem Abgriff (5). Die etwa s-förmige Verlängerungsspule (3) ist einerseits mit der Dachkapazität (2), anderer­ seits mit dem Antennengegengewicht (1) am Antennenfuß­ punkt (4) verbunden. Der Antennenfußpunkt (4) ist an den Außenleiter eines als Speisekabel ausgebildeten Koaxialkabels (7) angeschlossen. Der Abgriff (5) ist mit dem Innenleiter des Speisekabels verbunden.

Erfindungsgemäß wird die Antenne in einer bevorzugten Ausführung als gedruckte Schaltung auf einem als flexible Folie ausgebildeten Substitut (6) realisiert. Auf dem Substrat (6) sind die Dachkapazität (2), die Verlängerungsspule (3) und der Abgriff (5) angeordnet.

Das Substrat (6) wird gemäß Fig. 4 um eine Linie (9) gefaltet, um die Dachkapazität (2) zu vergrößern.

Nach Fig. 2 und 3 ist die Antenne mit dem gefalteten Substrat (6) in einer Kunststoffkappe (8) angeordnet. Die Kunststoffkappe (8) sitzt auf einem Sockel (10), in dem ein in der Zeichnung nicht dargestellter Anschluß­ stecker zu dem Koaxialkabel (7) angeordnet sein kann. Der Anschlußstecker liegt vorzugsweise im Inneren des kappenförmigen Antennengegengewichts (1). Die Höhe der Kunststoffkappe (8) beträgt in einer speziellen Ausfüh­ rung 27 mm und die Höhe des Antennengegengewichts (1) mit Sockel (10) in einer speziellen Ausführung 70 mm. Die Kunststoffkappe (8) hat an ihrem oberen Ende in einer speziellen Ausführung eine Breite von etwa 25 mm.

Das Antennengegengewicht (1) wird bei der in diesem Beispiel dargestellten Ausführung entweder als Metalli­ sierung der Kunststoffschale des Funktelefons ausge­ bildet, oder als ein in die Kunststoffschale des Funk­ telefons eingebrachtes Blechteil realisiert.

Fig. 5 zeigt ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild der Antenne. Die Kapazität C repräsentiert die Dach­ kapazität (2). Der Strahlungswiderstand ist Rs, und die Verluste der Antenne sind in Rv zusammengefaßt. Die Verlängerungsspule mit Abgriff wird durch die Indukti­ vitäten L1 und L2 und die Gegeninduktivität M darge­ stellt, und links (angedeutet durch den Pfeil) ist die speisende 50-Ohm-Leitung gezeigt. Fig. 6 zeigt eine äquivalente Schaltung mit idealem Übertrager und separater Induktivität. Das Übersetzungsverhältnis des Überträgers ist ü.

Die Eingangsimpedanz der Schaltung ist

Z = ü² (jwL - j/wC + Rv + Rs)

Für die Mittenfrequenz (w = 2Pi×930 MHz) wird der Imaginärteil (j) zu Null. Eine soweit verkürzte Antenne hat einen Strahlungswiderstand von etwa 10 Ohm, und der Verlustwiderstand ist etwa 1 Ohm. Zur Anpassung an eine 50-Ohm-Speiseleitung ist dann ein Übertragungsver­ hältnis von

erforderlich. Die gemessene Dachkapazität (2) beträgt etwa 5 pF, und die Induktivität der Verlängerungsspule muß dann bei verschwindendem Imaginärteil

L = 5,9 nH

sein. Es ergibt sich für ein Stehwellenverhältnis vswr < 2 eine Bandbreite von 20%. Der Wirkungsgrad (n) be­ rechnet sich mit

zu 91%, was einem Gewinn von - 0,4 dB entspricht.

Die gemessenen Werte sind:

• - Bandbreite für vswr < 1,5 875 bis 980 MHz entsprechend 11%
• - Bandbreite für vswr < 2 850 bis 1030 MHz entsprechend 19%
• - Strahlungsleistung bezogen auf einen Halbwellen­ dipol ca. - 1 dB entsprechend 80% Wirkungsgrad
• - Abweichung von der Rundstrahlcharakteristik in der Horizontalen bei vertikaler Polarisation: +/- 1 dB. Dieser Wert hängt stark von der Symmetrie der ge­ samten Anordnung und besonders des Gegengewichtes ab.

Claims (3)

1. Antenne für ein mobiles Telefon, die mit einer Dachkapazität und einem Antennengegengewicht ver­ sehen ist und bei der
die Dachkapazität flächenhaft ausgebildet und zur Vergrößerung der Dachkapazität U-förmig umgebogen ist, an einem Fußpunkt eine Ver­ längerungsspule angeordnet ist,
die zur Anpassung an die Impedanz eines als Anschlußleitung vorgesehenen Koaxialkabels einen Abgriff zur Ausbildung eines Spartrafos aufweist und
die Verlängerungsspule zum einen mit der Dachkapazität und zum anderen mit dem Antennen­ gegengewicht verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dachkapazität (2) als metallisierte Schicht auf einer Folie ausgebildet ist,
daß die Verlängerungsspule (3) s-förmig verlegt ist und
daß das Antennengegengewicht (1) als Sperrtopf ausgebildet ist, der ausgehend von einem Antennenfußpunkt (4) bis zu einem Speisepunkt eine Länge aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge einer Antennenmittenfrequenz dimensioniert ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Folie, die die Dachkapazität (2) trägt, auch der Spartrafo und die Verlängerungsspule (3) als metallisierte Schichten angeordnet sind.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrtopf als Teil des Gehäuses des Sende/- Empfangsgerätes ausgebildet ist.