DE4436157A1 - Antenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Antenne, die in einer mobilen bzw. tragbaren Kommunikationseinrichtung, oder der­ gleichen, verwendbar ist.

Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen eine konventionelle Mikrostreifenleiter- Antenne 15 für eine an einem Fahrzeug vorhandene mobile Kommuni­ kationseinrichtung, oder dergleichen. Diese Mikrostreifenleiter-Antenne 15 enthält eine sog. Patch-Elektrode 12 und eine Erdelektrode 13, wobei sich die erste auf einer oberen und die zweite auf einer unteren Fläche ei­ nes dielektrischen Substrats 11 befinden. Weiterhin ist ein Stecker 14 mit dem dielektrischen Substrat 11 verbunden, der sich an der unteren Sub­ stratoberfläche befindet, die mit der Erdelektrode 13 versehen ist. Der Stecker 15 weist einen Innenleiter auf, der mit einem Speisepunkt 12(a) der Patch-Elektrode 12 verbunden ist, sowie einen äußeren Leiter, der mit der Erdelektrode 13 verbunden ist.

Diese Mikrostreifenleiter-Antenne 15 mit dem zuvor beschriebenen Auf­ bau arbeitet als Antenne, wenn die Patch-Elektrode 12 elektrische Wellen aussendet oder empfängt. Die Mikrostreifenleiter-Antenne 15 sollte darüber hinaus vorzugsweise einen miniaturisierten Aufbau aufweisen, um den Anforderungen dieser Anmeldung gerecht zu werden. Bei der Mi­ krostreifenleiter-Antenne nach den Fig. 8(a) und 8(b) muß jedoch die Län­ ge der Patch-Elektrode 12, die als Sende- bzw. Empfangsteil dient, minde­ stens 1/10 der Wellenlänge der elektrischen Wellen betragen. Mit anderen Worten hängt die Größe der Mikrostreifenleiter-Antenne 15 von der Wel­ lenlänge der elektrischen Wellen ab, so daß es schwierig ist, diese Mikro­ streifenleiter-Antenne 15 weiter zu miniaturisieren.

Andererseits wird die Mikrostreifenleiter-Antenne 15 über den Stecker 14 auf einer gedruckten Schaltungskarte montiert, so daß es unmöglich ist, sie in einfacher Weise direkt auf der Oberfläche der gedruckten Schal­ tungskarte anzuordnen. Wird zu diesem Zweck der Stecker 14 entfernt, so ist es jedoch schwierig, eine Impedanzanpassung zwischen der Mikrostrei­ fenleiter-Antenne 15 und einer mit ihr verbundenen Schaltung vorzuneh­ men. Erhöhte Reflexionsverluste sind die Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, die sich weiter miniaturisieren läßt, ohne daß auf die Wellenlänge oder die Frequenz elektrischer Wellen Rücksicht genom­ men zu werden braucht, die von der Antenne abgestrahlt oder empfangen werden sollen.

Außerdem soll es möglich sein, die Antenne direkt auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte montieren zu können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine Antenne nach einem weiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ent­ hält ein dielektrisches Substrat, eine Eingangs-/Ausgangselektrode, die auf dem dielektrischen Substrat vorhanden ist, einen spulen- bzw. wen­ delartig geführten Metalldraht mit einem ersten Ende, das elektrisch mit der Eingangs-/Ausgangselektrode verbunden ist, und eine elektrisch lei­ tende Kappe, die mit einem zweiten Ende des Metalldrahtes in Verbindung steht.

Es ist möglich, den Metalldraht hinreichend zu miniaturisieren, der bei dieser Antenne als Sende- bzw. Empfangsteil verwendet wird, indem der Metalldraht z. B. spulen- bzw. wendelartig geführt bzw. gewickelt wird. Demzufolge läßt sich auch die gesamte Antenne im Vergleich zur konven­ tionellen Mikrostreifenleiter-Antenne weiter miniaturisieren.

Bei einer Antenne nach einem engeren Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht die leitende Kappe aus einer hohlen Metallkappe mit einem offenen Ende. Genauer gesagt weist jetzt die Metallkappe eine kastenartige oder zylindrische Form auf. Dadurch läßt sich eine gewünschte Kapazität sicherstellen, und zwar ohne Vergrößerung der ebenen Abmessungen, was gleichfalls zur Miniaturisierung der Gesamtantenne beiträgt.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet sich die Eingangs-/Ausgangselektrode an einer Seitenoberfläche des dielektri­ schen Substrats, wobei sie elektrisch mit dem ersten Ende des Metalldrah­ tes verbunden ist, welcher sich in einem zentralen Teil des dielektrischen Substrats befindet. Zur Verbindung zwischen der Eingangs-/Ausgangs­ elektrode und dem ersten Ende des Metalldrahtes dient eine Leitungselek­ trode. Die Antenne läßt sich somit in einfacher Weise auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte anordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und teilweise gebrochene Dar-
stellung einer Antenne nach einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Erfindung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Ersatzschaltung der Antenne nach Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation einer Metallkappe für die Antenne nach Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifi­ kation der Metallkappe für die Antenne nach Fig. 1;

Fig. 6 ein Richtdiagramm der Antenne nach Fig. 1;

Fig. 7 eine Übertragungscharakteristik der Antenne nach Fig. 1; und

Fig. 8(a) und (b) jeweils eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne.

Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, enthält eine Antenne 10 nach der vorliegenden Erfindung ein dielektrisches Substrat 1 in Form einer recht­ eckförmigen, dünnen Platte. Das dielektrische Substrat 1 kann ein aus Schichten aufgebautes Produkt sein, beispielsweise aufgebaut durch Keramikschichten oder Harzschichten, und dergleichen. Trägerelektro­ den 2 (in Fig. 1 ist nur eine gezeigt) befinden sich an zwei einander gegenü­ berliegenden Seitenoberflächen des dielektrischen Substrats 1, während sich eine Eingangs-/Ausgangselektrode 3 an einer anderen Seitenoberflä­ che des dielektrischen Substrats 1 befindet, die benachbart zu den beiden zuerst genannten Seitenoberflächen liegt. Die Trägerelektroden 2 dienen zur Montage der Antenne 10 auf einer Oberfläche einer gedruckten Schal­ tungskarte durch Verlöten, oder dergleichen. Wird dagegen das dielektri­ sche Substrat 1 der Antenne 10 direkt auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungskarte befestigt, beispielsweise durch einen Klebstoff, oder der­ gleichen, so können die Trägerelektroden 2 entfallen.

Eine Leitungselektrode 5 liegt zwischen den Schichten des dielektrischen Substrats 1, das, wie bereits erwähnt, aus einem geschichteten Produkt besteht. Ein Ende dieser Leitungselektrode 5 ist dabei mit der Eingangs- /Ausgangseleketrode 3 verbunden, während ein anderes Ende der Lei­ tungselektrode 5 mit einer Verbindungselektrode 4 elektrisch verbunden ist, die sich in einem zentralen Bereich des dielektrischen Bereichs 1 be­ findet. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen der Verbindungs- bzw. An­ schlußelektrode 4 und dem genannten anderen Ende der Leitungselektro­ de 5 durch ein Durchgangsloch 6 hindurch.

Ein erstes Ende des spulen- bzw. wendelartig geführten Metalldrahtes 9 ist mit der Anschlußelektrode 4 verbunden, während ein zweites Ende die­ ses Metalldrahtes 9 mit einer inneren Oberfläche einer oberen Platte 8(a) einer Metallkappe 8 verbunden ist. Dabei kann es sich um eine feste Ver­ bindung handeln, beispielsweise um eine Lötverbindung. Der Metalldraht 9 kann aber auch federnd in Kontakt mit der oberen Platte 8(a) stehen und gegen diese pressen.

Die Metallkappe 8, die hier in Form eines hohlen Kastens vorliegt und im unteren Bereich eine Öffnung aufweist, ist mit einer festen Elektrode 7 fest verbunden, wobei die feste Elektrode 7 entlang der Umfangskanten einer Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats 1 verläuft. Dabei kann die offene Umfangskante der Metallkappe 8 mit der festen Elektrode 7 z. B. ver­ lötet sein. Mit anderen Worten liegt die nach unten offene Metallkappe 8 entlang ihrer gesamten Umfangskante auf der festen Elektrode 7 auf und kann entlang der gesamten Umfangskante mit dieser verlötet sein.

Die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltdiagramm der zuvor erwähnten Antenne 10. Entsprechend der Fig. 3 entspricht der Speiseanschluß T der Ein­ gangs-/Ausgangselektrode 3, während L die Induktivität des spulen- bzw. wendelartig gewickelten Metalldrahtes 9 repräsentiert und C eine infolge der Metallkappe 8 vorhandene schwimmende Kapazität ist.

Die Resonanzfrequenz f₀ dieser Antenne 10 läßt sich wie folgt ausdrücken:

Um eine Impedanzanpassung zwischen der Antenne 10 und einer mit ihr verbundenen Schaltung vornehmen zu können, muß Rücksicht auf die fol­ gende Beziehung bezüglich der Eingangsimpedanz Z genommen werden:

Die verteilte Induktivität L des Metalldrahtes 9 und die schwimmende Kapazität C infolge der Metallkappe 8 werden im Hinblick auf die beiden zuvor erwähnten Bedingungen eingestellt, um auf diese Weise die Reso­ nanzfrequenz f₀ der Antenne 10 vorzugeben. Beispielsweise gilt eine um­ gekehrt proportionale Beziehung zwischen der Länge des Metalldrahtes 9 und der Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10, derart, daß sich die verteilte Induktivität L vergrößert und sich die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 verringert, wenn die Länge des Metalldrahtes 9 zunimmt, während sich die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 vergrößert, wenn sich die Länge des Metalldrahtes 9 verkürzt. Um die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 zu reduzieren, muß somit nur die Länge des Metalldrahtes 9 vergrößert wer­ den. In diesem Fall ist es möglich, den Metalldraht 9 innerhalb eines klei­ nen Raumes unterzubringen, selbst wenn sich dessen Länge erhöht, da der Metalldraht 9 spulen- bzw. wendelartig geführt bzw. gewickelt werden kann, und zwar bei sehr hohem Freiheitsgrad bezüglich seiner Form.

Die Metallkappe 8 kann eine kubische Form aufweisen, um eine ge­ wünschte Kapazität zu erhalten, ohne daß dabei die ebene Flächenaus­ nutzung vergrößert wird. Im Vergleich zu dem unter den Fig. 8(a) und 8(b) beschriebenen Stand der Technik läßt sich somit die gesamte Antenne 10 weiter miniaturisieren, wenn man von der konventionellen Mikrostreifen­ leiter-Antenne 15 ausgeht, und zwar dann, wenn der Metalldraht 9 eine Länge aufweist, die größer ist als 1/10 der Wellenlänge der elektrischen Wellen, die empfangen oder ausgesendet werden sollen.

Nachfolgend wird eine beispielsweise, konkrete Ausführungsform einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Antenne nach dem konkreten Ausführungsbeispiel enthält ein dielektrisches Substrat mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Keramikplatte, deren Breite 9 mm, deren Tiefe 9 mm und deren Dicke 1 mm beträgt. Ferner ist eine Metallkappe vorhanden, die aus einer Kupferlegierung besteht. Diese Metallkappe weist eine Breite von 7 mm, eine Tiefe von 7 mm und eine Höhe von 7 mm auf. Ein Metalldraht besteht aus einer Kupferlegierung und be­ sitzt einen Durchmesser von 0,3 mm sowie eine Gesamtlänge von 30 mm.

Die Fig. 6 zeigt die Richtwirkung dieser Antenne. Dabei läßt die Fig. 6 er­ kennen, daß diese Antenne hinreichende Eigenschaften aufweist, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Der maximale Antennengewinn liegt bei -2 dB (Dipol-Antennen-Verhältnis), während bezüglich ihrer Richtwirkung kei­ ne Richtung bevorzugt ist. Die Resonanzfrequenz liegt bei 1,38 GHz. Die Fig. 7 zeigt darüber hinaus die Übertragungscharakteristik der Antenne. Dabei ist mit durchgezogener Linie die Übertragungscharakteristik der er­ findungsgemäßen Antenne dargestellt, die gemäß dem konkreten Beispiel aufgebaut ist. Mit unterbrochener Linie ist die Übertragungscharakteri­ stik der konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne eingezeichnet. Da­ bei sei darauf hingewiesen, daß z. B. in einem -3 dB Band das Resonanzfre­ quenzband der erfindungsgemäßen Antenne mit einer Resonanzfrequenz­ breite X1 von 150 MHz mindestens zehnmal so groß ist wie das Resonanz­ frequenzband der konventionellen Antenne, die eine Resonanzfrequenz­ breite X2 von 12 MHz aufweist. Infolge dieser Eigenschaften kann ein hin­ reichender Antennengewinn gewährleistet werden, selbst wenn sich die Resonanzfrequenz verschiebt oder infolge der Massenproduktion der Antenne, um einen Solwert herum schwankt.

Die in Fig. 1 gezeigte Antenne 10 läßt sich in folgender Weise abwandeln: Die Metallkappe 8 kann durch eine zylindrische Metallkappe 18 ersetzt werden, die in Fig. 4 gezeigt ist; oder es kann die Metallkappe 8 durch eine Metallkappe 28 ersetzt werden, die in Form eines rechtwinkeligen Parallelepipeds gemäß Fig. 5 vorliegt.

Es ist außerdem nicht unbedingt erforderlich, die Metallkappe 8 mit dem dielektrischen Substrat 1 dadurch zu verbinden, daß die Metallkappe 8 mit der festen Elektrode 7 verlötet wird, die auf dem Substrat 1 befestigt ist. Vielmehr kann die Metallkappe 8 auch direkt auf dem dielektrischen Substrat 1 befestigt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Klebers, oder dergleichen.

Das dielektrische Substrat 1 muß darüber hinaus nicht unbedingt aus einer Mehrschichtstruktur bestehen. Vielmehr kann das Substrat 1 auch aus einer einzelnen Keramikschicht oder Harzschicht bestehen. In diesem Fall ist es erforderlich, die Leitungselektrode 5 auf einer Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats 1 anzuordnen, wobei gleichzeitig partiell die feste Elektrode 7 und/oder die Metallkappe 8 Einkerbungen aufweisen, um die Leitungselektrode 5 gegenüber der festen Elektrode 7 und/oder der Metallkappe 8 elektrisch zu isolieren.

Die Antenne nach der vorliegenden Erfindung weist einen Sende- bzw. Empfangsteil auf, der durch einen spulenartig oder durch einen wendelar­ tig geführten Metalldraht gebildet wird. Die gesamte Antenne läßt sich da­ her im Vergleich zur konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne weiter miniaturisieren, bei der eine Patch-Elektrode (Flickenelektrode) zum Ein­ satz kommt. Bei der erfindungsgemäßen Antenne ist auch kein Stecker erforderlich, sondern es wird lediglich eine Eingangs-/Ausgangselektrode oder eine feststehende Elektrode verwendet, die sich an einer Seitenober­ fläche des dielektrischen Substrats 1 befindet. Deswegen läßt sich die erfindungsgemäße Antenne in einfacher Weise auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte montieren.

Claims (7)

1. Antenne, gekennzeichnet durch:

• - ein dielektrisches Substrat (1);
• - eine Eingangs-/Ausgangselektrode (3) auf dem dielektrischen Sub­ strat (1);
• - einen spulen- oder wendelartig geführten Metalldraht (9) mit einem ersten Ende, das elektrisch mit der Eingangs-/Ausgangselektrode (3) ver­ bunden ist; und
• - eine leitende Kappe (8), die mit dem zweiten Ende des Metalldrahtes (9) in Verbindung steht.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten­ de Kappe (8) einen Öffnungsbereich mit einem Rand aufweist, über den sie mit dem dielektrischen Substrat (1) verbunden ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten­ de Kappe eine Metallkappe mit kastenartiger Form ist.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten­ de Kappe eine Metallkappe mit zylindrischer Form ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Öffnungsbereich der leitenden Kappe (8) mit einer Haupt­ oberfläche des dielektrischen Substrats (1) verbunden ist, wobei der Metalldraht (9) innerhalb der leitenden Kappe (8) so angeordnet ist, daß sein zweites Ende mit einer inneren Oberfläche einer oberen Platte der Metallkappe (8) verbunden ist.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Leitungselektrode (5), die sich von einem zentralen Bereich des dielektrischen Substrats (1) in Richtung zu einer Seitenoberfläche des die­ lektrischen Substrats (1) erstreckt, wobei die Leitungselektrode (5) im Zentralbereich des dielektrischen Substrats (1) mit dem ersten Ende des Metalldrahtes (9) verbunden ist, während die Leitungselektrode (5) an ihrem anderen Ende mit der Eingangs-/Ausgangselektrode (3) verbunden ist, die sich an der genannten Seitenoberfläche des dielektrischen Substrats (1) befindet.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat (1) eine Mehrschichtstruktur aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufweist, wobei das erste Ende des Metall­ drahtes (9) mit einer Anschlußelektrode (4) verbunden ist, die sich auf der Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats (1) befindet, und wobei ferner die Leitungselektrode (5) zwischen den Schichten des dielektri­ schen Substrats (1) liegt und mit der Anschlußelektrode (4) über eine Durchgangsöffnung (6) verbunden ist.