DE60010099T2

DE60010099T2 - Halbeingebaute gedruckte multibandantenne

Info

Publication number: DE60010099T2
Application number: DE60010099T
Authority: DE
Inventors: Zhingong Ying
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: JP2003516650A; MY125781A; AU6572800A; EP1212808B1; CN1210838C; CN1384986A; ATE265094T1; JP4391716B2; US6408190B1; EP1212808A1; DE60010099D1; WO2001017063A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Funkkommunikationssysteme und insbesondere auf Einbauantennen, welche in tragbare Endgeräte aufgenommen werden können, und welche es den tragbaren Endgeräten ermöglichen, innerhalb unterschiedlichen Frequenzbändern zu kommunizieren.
Die Zellular-Telefonindustrie machte in den Vereinigten Staaten sagenhafte Schritte bei kommerziellen Betrieben, als auch dem Rest der Welt. Das Wachstum in Ballungsgebieten hat Annahmen weit überschritten und überflügelt rasch die Systemkapazität. Wenn dieser Trend fortfährt, werden die Wirkungen dieses industriellen Wachstums bald sogar die kleinsten Märkte erreichen. Es werden innovative Lösungen erfordert, um diese anwachsenden Kapazitätsbedürfnisse zu befriedigen, als auch einen hohen Qualitätsservice aufrechtzuerhalten und ansteigende Preise zu vermeiden.
Überall in der Welt war ein wichtiger Schritt bei der Verbesserung von Funkkommunikationssystemen der Wechsel von analoger zu digitaler Übertragung. Gleich signifikant ist die Wahl eines wirksamen digitalen Übertragungsschemas zum Implementieren der Technologie nächster Generation, beispielsweise Zeit-Multiplex-Mehrfachzugriff (Time Division Multiple Access TDMA) oder Code-Multiplex-Mehrfachzugriff (Code Division Multiple Access CDMA). Ferner wird verbreitet angenommen, dass die erste Generation von persönlichen Kommunikationsnetzwerken (Personal Communication Networks PCNs), welche günstige, taschengroße Drahtlostelefone verwendet, welche komfortabel getragen werden können, und verwendet werden um Anrufe im Haus, Büro, auf der Straße, im Auto, usw. zu tätigen oder zu empfangen, beispielsweise durch Zellularträger bereitgestellt wird, welche die digitale zellulare Systeminfrastruktur der nächsten Generation verwenden.
Um einen akzeptablen Pegel an Equipment-Kompatibilität bereitzustellen, wurden Standards in unterschiedlichen Regionen der Welt entworfen. Beispielsweise wurden analoge Standards, wie z.B. AMPS (Advanced Mobile Phone System), NMT (Nordic Mobile Telephone) und ETACS, und digitale Standards, wie z.B. D-AMPS (beispielsweise wie in der EIA/TIA-IS-54-B und IS-136 spezifiziert) und GSM (Global System for Mobile Communications, durch ETSI übernommen), als standardisierte Entwicklungskriterien für Funkkommunikationssysteme verkündet. Einmal entworfen, neigen diese Standards dazu, in derselben oder ähnlichen Form wieder verwendet zu werden, um zusätzliche Systeme zu spezifizieren. Beispielsweise besteht zusätzlich zu dem ursprünglichen GSM-System das DCS1800 (spezifiziert durch ETSI) und PCS1900 (spezifiziert durch JTC in J-STD-007), beide basieren auf GSM.
Jedoch schließt die jüngste Entwicklung in zellularen Kommunikationsdiensten zur Verwendung die Annahme zusätzlicher Frequenzbänder bei der Handhabung mobiler Kommunikationen ein, beispielsweise für Personal Communication Services (PCS) Dienste. Die USA als Beispiel genommen, werden dem zellularen Hyperband zwei Frequenzbänder (im allgemeinen bezeichnet als das A-Frequenzband und das B-Frequenzband) zum Durchführen und Steuern von Kommunikationen im 800 MHz Bereich zugewiesen. Das PCS-Hyperband ist andererseits in den Vereinigten Staaten so spezifiziert, dass es sechs unterschiedliche Frequenzbänder (A, B, C, D und F) im 1900 MHz Bereich enthält. Somit sind nun acht Frequenzbänder in jedem gegebenen Dienstbereich der USA erhältlich, um Kommunikationsdienste zu ermöglichen. Bestimmte Standards wurden für das PCS-Hyperband genehmigt (beispielsweise PCS1900 (J-STD-007)), während andere für das zellulare Hyperband genehmigt wurden (beispielsweise D-AMPS (IS-136)).
Jedem der für das zellulare- und PCS-Hyperband spezifizierten Frequenzbänder wird eine Vielzahl von Verkehrskanälen und mindestens ein Zugriffs- oder Steuerkanal zugewiesen. Der Steuerkanal wird verwendet um den Betrieb von Mobilstationen mittels von den Mobilstationen übertragener und davon empfangener Information zu steuern oder zu überwachen. Eine solche Information kann eingehende Rufsignale, ausgehende Rufsignale, Page-Signale, Page-Antwortsignale, Ortsregistriersignale, Sprachkanalzuweisungen, Wartungsanweisungen, einen Hand-off und eine Zellenauswahl oder Wiederauswahlanweisungen enthalten, wenn eine Mobilstation sich aus der Funküberdeckung von einer Zelle und in die Funküberdeckung von einer anderen Zelle bewegt. Der Steuer- und Sprachkanal kann unter Verwendung einer analogen Modulation oder digitalen Modulation arbeiten.
Die durch eine Basisstation im Downlink über den Verkehrs- und Steuerkanal übertragenen Signale werden durch mobile oder tragbare Endgeräte empfangen, wobei jedes davon mindestens eine Antenne hat. In der Vergangenheit verwendeten tragbare Endgeräte eine Anzahl unterschiedlicher Arten von Antennen um Signale über die Luftschnittstelle zu empfangen und zu übertragen. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass Monopolantennen, welche senkrecht zu einer leitfähigen Oberfläche befestigt sind, gute Strahleigenschaften, gewünschte Ansteuerpunktimpedanzen und einen relativ einfachen Aufbau bereitstellen. Monopolantennen können in unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt werden. Beispielsweise wurden Stab- oder Peitschenantennen häufig in Verbindung mit tragbaren Endgeräten verwendet. Für Hochfrequenzanwendungen, bei welchen eine Antennenlänge zu minimieren ist, ist die Wendelantenne eine andere Wahl.
Es ist wirtschaftlich wünschenswert tragbare Endgeräte anzubieten, welche in der Lage sind in weit unterschiedlichen Frequenzbändern zu arbeiten, beispielsweise in Bändern, welche sich im 800 MHz Bereich befinden, und Bändern, welche sich im 1900 MHz Bereich befinden. Demgemäss werden Antennen zur Verwendung in tragbaren Endgeräten gebraucht, welche einen angemessenen Gewinn und eine angemessene Bandbreite in beiden Frequenzbändern bereitstellen. Es wurden mehrere Anstrengungen unternommen, um solche Dualbandantennen herzustellen.
Beispielsweise beschreibt das US-Patent No. 4,571,595 von Philips et al. eine Dualbandantenne, welche ein sägezahnförmiges Leitelement hat. Die Dualbandantenne kann auf eines von zwei nahe beabstandeten Frequenzbändern eingestellt werden (beispielsweise zentriert bei 915 MHz und 960 MHz). Dieser Antennenentwurf ist jedoch relativ ineffizient, da er dem Gehäuse des Mobiltelefons physikalisch sehr nahe ist.
Das japanische Patent No. 6-37531 offenbart eine Spirale, welche einen inneren strahlungsgekoppelten (parasitic) Metallstab enthält. In diesem Patent kann die Antenne durch Einstellen der Position des Metallstabs auf zwei Resonanzfrequenzen eingestellt werden. Unglücklicherweise ist die Bandbreite für diesen Entwurf zur Verwendung in zellularen Kommunikationen zu schmal.
Es sind gedruckte Dualband-Monopolantennen bekannt, bei denen eine Doppel-Resonanz durch den Zusatz eines strahlungsgekoppelten Streifens sehr nahe zu einer gedruckten Monopolantenne erreicht wird. Während eine solche Antenne eine ausreichende Bandbreite für zellulare Kommunikationen hat, benötigt sie den Zusatz eines strahlungsgekoppelten Streifens. Moteco AB in Schweden hat eine spulenangepasste Dualband-Peitschenantenne und Spulenantenne entworfen, bei denen eine Doppel-Resonanz durch Einstellen der Spulenanpasskomponente erreicht wird (1/4 λ für 900 MHz und 1/2 λ für 1800 MHz). Diese Antenne hat eine relativ gute Bandbreiten- und Strahleigenschaft und eine Länge im Bereich von 40 mm. Eine ungleichförmige Spiraldualbandantenne, welche eine relativ kleine Größe hat, ist in der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung No. 08/725,507 mit dem Titel „Multiple Band Non-Uniform Helical Antennas" offenbart.
Derzeit werden Antennen für Funkkommunikationsvorrichtungen, wie z.B. Mobiltelefone, direkt auf dem Telefongehäuse befestigt. Jedoch werden, da die Größe und das Gewicht von tragbaren Endgeräten fortführend abnehmen, die oben beschriebenen Antennen aufgrund ihrer Größe weniger vorteilhaft. Darüber hinaus steigt, da die Funktionalität dieser zukünftigen kompakten tragbaren Endgeräte zunimmt, das Bedürfnis nach einer Einbau-Miniaturantenne an, welche in der Lage ist, auf mehreren Frequenzbändern in Resonanz zu sein.
Herkömmliche Einbauantennen, welche derzeit in Mobiltelefonen im Gebrauch sind, enthalten Mikrostreifenantennen und planare F-invertierte Antennen. Mikrostreifenantennen sind klein und leicht. Die planare F-invertierte Antenne (PIFA) wurde bereits in einem Mobiltelefonhandgerät implementiert, wie durch K. Qassim beschrieben in „Inverted-F Antenna for Portable Handsets", IEE Colloqium on Microwave Filters and Antennas for Personal Communication Systems, pp. 3/1-3/6, Feb. 1994, London, UK. Jüngst haben Lai et al. eine Beschreibung von einer gewundenen F-invertierten Antenne veröffentlicht (WO 96/27219). Diese Antenne hat eine Größe, welche ungefähr 40% der von der herkömmlichen PIFA-Antenne entspricht.
1A und 1B stellen die herkömmliche planare Patch-Antenne verglichen mit der in Lai et al. beschriebenen gewundenen F-invertierten Antenne dar. Die herkömmliche planare Patch-Antenne von 1A hat eine Größe als auch eine Länge, welche beispielsweise gleich einer Viertel-Wellenlänge von der Frequenz entsprechen, auf der die Antenne in Resonanz zu bringen ist. Die herkömmliche planare Patch-Antenne hat ebenfalls eine Breite W. Die in 1B dargestellte gewundene F-invertierte Antenne hat ebenfalls eine Länge, welche gleich einer Viertel-Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist, und eine Breite, welche gleich W ist; jedoch ist die Größe der gewundenen F-invertierten Antenne auf ungefähr 40% von der Größe der herkömmlichen planaren Patch-Antenne reduziert. Diese Größenreduktion ist auf die gewundene Form der Antenne zurückführbar.
Jedoch sind mit immer kleiner werdenden Mobiltelefonen sowohl die herkömmliche Mikrostreifen-Patch-Antenne als auch die PIFA-Antenne immer noch zu groß, um zukünftigen Telefongehäusen zu genügen. In der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung No. 09/112,366 mit dem Titel „Miniature Printed Spiral Antenna for Mobile Terminals" wurde eine gedruckte Spiraleinbauantenne mit einer Anpassstelle (matching post) vorgeschlagen. Die Größe der Antenne wurde auf 20-30% von der der herkömmlichen PIFA-Antenne reduziert, welches weniger als ein Zehntel von einer Wellenlänge ist, um sie für zukünftige Mobiltelefone geeignet zu machen.
Zusätzlich zu einer reduzierten Antennengröße werden Mobiltelefone der nächsten Generation die Fähigkeit benötigen, sich für ein zellulares, drahtloses Lokalgebietnetzwerk, GPS und verschiedene, auf mehr als auf eine Frequenz einzustellen. In der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung No. 09/112,152 mit dem Titel „Twin Spiral Dual Band Antenna" wurde eine Mehrfachband, Einbauantenne vorgeschlagen, welche für zukünftige Mobiltelefone geeignet ist. Die Einbauantenne enthält zwei Spiralleiterarme, welche von unterschiedlicher Länge sind, und in der Lage sind, auf unterschiedliche Frequenzbänder eingestellt zu werden. Bei diesem Entwurf ist die Bandbreite der Antenne kleiner, weil dünne Streifenlinien als Strahler verwendet werden. Um die Antennenbandbreite zu erhöhen, wird ein Kompensationsverfahren durch Einführen einer Widerstandsladetechnik auf der Anpassbrücke verwendet. Während diese Annäherung zu einer breiteren Bandbreite führt, führt sie ebenfalls zu einem Gewinnverlust. Diese Antenne ist zur Verwendung in zwei Frequenzbändern entworfen.
In der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung No. 09/212,259 mit dem Titel „Printed Multi- Band Patch Antenna" ist ein weiterer neuer Typ einer Dualband-Patch-Antenne offenbart. Im Gegensatz zu der Doppelspiral-Dualband-Antenne, welche dünne Streifenlinien als Strahler verwendet, verwendet die Mehrfachband-Patch-Antenne Patches mit eingeschnittenem Schlitz. Die Patches werden als Strahler verwendet und erlauben eine breitere Bandbreite. Die Mehrfachband-Patch-Antenne ist ebenfalls für zwei Frequenzbänder entworfen.
Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf nach einer effizienten Miniatur-Einbauantenne, welche in der Lage ist sich auf mehrere Frequenzbänder einzustellen, während sie gleichzeitig eine breite Bandbreite in jedem dieser mehreren Frequenzbändern hat. Zusätzlich sollten solche Antennen in der Lage sein sich innerhalb mehrerer Bänder auf eine Anzahl unterschiedlicher Frequenzbereiche einzustellen.
ZUSAMMNFASSUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet die oben angezeigten Nachteile im Stand der Technik, indem sie eine gedruckte Miniatur Halbeinbau-Mehrfachband Antenne bereitstellt, welche zur Verwendung in zukünftigen kompakten Mobilendgeräten geeignet ist, indem sie einen Betrieb in mindestens drei Frequenzbereichen ermöglicht. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist eine gedruckte Halbeinbau-Mehrfachband Antenne bereitgestellt, welche Patch-Elemente von unterschiedlichen Größen enthält, und in der Lage ist auf unterschiedliche Frequenzbänder eingestellt zu werden. Auf jedem Patch-Element ist ein Schlitz ausgebildet, welcher das Patch-Element in Unterteile (sub-parts) einteilt. Jedes Unterteil eines Patch-Elements ist so aufgebaut, dass es auf einer Frequenz im selben Frequenzband in Resonanz ist, auf welche das Patch-Element eingestellt wird. Als Ergebnis kann eine hocheffiziente Breitband, Mehrfachband und auf einer Oberfläche befestigbare Kleinprofilantenne realisiert werden, welche in drei Frequenzbereichen verwendet werden kann, von denen einer der Frequenzbereiche außerhalb der zwei Frequenzbänder ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A und 1B eine herkömmliche planare Patch-Antenne verglichen mit der herkömmlichen gewundenen F-invertierten Antenne darstellen;
2 eine beispielhafte Funkkommunikationsvorrichtung darstellt, in welche die Antenne der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann;
3 eine gedruckte Dualband Zwei-Patch Antenne auf einer PCB darstellt;
4 einen Antennenaufbau darstellt, bei welchem jedes Patch-Teil aus drei Unterteilen ausgebildet ist;
5A und 5B die Verarbeitung zum Ausbilden einer Breitband, Mehrfachbandantenne darstellen;
6a eine gedruckte Halbeinbau-Mehrfachband Antenne der vorliegenden Erfindung darstellt;
6b das EM-Feld einer Antenne darstellt, welche sich auf einer Leiterplatine (PCB) befindet;
6c das EM-Feld einer Antenne darstellt, welche sich außerhalb der PCB befindet;
7 eine Draufsicht von einer gedruckten rechteckförmigen Halbeinbau-Mehrfachband Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 eine Draufsicht von einer gedruckten Halbeinbau-Mehrfachband Antenne der vorliegenden Erfindung mit einem bogenförmigen Hochbandelement darstellt;
9 eine Draufsicht von einer gedruckten Halbeinbau-Mehrfachband Antenne der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei das Hochbandelement ein hervorstehendes Ende hat; und
10 eine Draufsicht von einer gedruckten Halbeinbau-Mehrfachband Antenne der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei ein Ende des Hochbandelements eine gewundene Linie ist, welche einen Stab bildet.
11 ein Kurvenverlauf ist, welcher eine beispielhafte VSWR-Performance für eine beispielhafte Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung anzeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
2 stellt eine beispielhafte Funkkommunikationsvorrichtung 200 dar, bei welcher die Einbau-Mehrfachband Patch-Antenne der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann. Die Kommunikationsvorrichtung 200 enthält ein Gehäuse 210, welches eine Mikrofonöffnung 220 und eine Lautsprecheröffnung 230 hat, welche sich jeweils in der Nähe der Position des Mundes und des Ohres eines Benutzers befinden. Eine Tastatur 240 ermöglicht es dem Benutzer, mit der Kommunikationsvorrichtung zu interagieren, beispielsweise durch Eingeben einer zu wählenden Telefonnummer. Die Kommunikationsvorrichtung 200 enthält ebenfalls eine Einbau-Patch-Antennenanordnung 250, deren Details unten beschrieben werden.
3 stellt eine beispielhafte Einbau-Patch-Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die beispielhafte Einbau-Patch-Antennenanordnung enthält zwei Patch-Teile 305 und 310, welche jeweils eine unterschiedliche Größe haben. Die zwei Patch-Teile 305 und 310 sind über ein dielektrisches Substrat 320 mit der Leiterplatine (PCB) 315 befestigt, und sind an gegenüberliegenden Seiten einer Anpassbrücke 330 verbunden. Ein Schlitz 340 ist in jedem Patch-Teil 305 und 310 ausgebildet, welcher die Pacht-Teile in Unterteile 345, 350 und 355, 360 aufteilt, deren Wichtigkeit unten detailliert beschrieben wird. Die Patch-Teile 305 und 310 werden oberhalb der PCB 315 gesetzt und bilden Schlitze zwischen den Patch-Teilen und der PCB 315 aus. Der Fachmann wird zustimmen, dass die Patch-Teile die Hauptstrahler (oder Sensoren) des vorliegenden Antennensystems ausbilden.
Wie anhand von 3 deutlich, werden die Patch-Teile 305 und 310 durch den Zuführstift 325 versorgt. Die Einbauantenne enthält ebenfalls eine Anpassbrücke 330, welche sich zwischen dem Zuführstift 325 und der geerdeten Stelle 335 befindet. Die Anpassbrücke 330 wirkt zum Einstellen der Antenne und bildet eine kleine Schleifenantennen zwischen dem Zuführstift 325 und der geerdeten Stelle 335 aus. Das Einstellen von einer Antenne bezieht sich auf das Anpassend der Impedanz, von einer Antenne aus gesehen, an ihren Eingangsanschlüssen, so dass die Eingangsimpedanz als rein ohmbehaftet (purqely resistive) gesehen werden kann, d.h. sie wird keine merkliche Blindkomponente haben. Das Einstellen des Antennensystems der vorliegenden Erfindung wird durch Messen oder Abschätzen der im Zusammenhang mit einer Antenne stehenden Eingangsimpedanz, und durch Bereitstellen einer geeigneten Impedanzanpassungsschaltung (d.h. der Anpassbrücke) durchgeführt. Das Anpassen der Antenne kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch Ändern der Länge der Anpassbrücke 330 eingestellt werden. Dies wird einfach durch Ändern des Ortes der Erdungsstelle 335 ermöglicht. Die Länge der Anpassbrücke ist im allgemeinen im Bereich von 0,01 λ bis 0,1 λ.
Es ist anhand von 3 deutlich, dass die zwei Patch-Teile 305 und 310 des Antennensystems von unterschiedlichen Größen sind. Durch Steuern der Größe der Patch-Teile ist die Antenne in der Lage, auf unterschiedliche Frequenzbänder eingestellt zu werden. Das erste Patch-Teil 305 der Mehrfachbandantenne ist von einer derartigen Größe (im allgemeinen eine Viertel-Wellenlänge des Frequenzbandes, auf welches der Patch-Teil einzustellen ist), so dass es auf Frequenzen in einem ersten tieferen Band in Resonanz ist, und der zweite Patch-Teil 310 ist von einer derartigen Größe, so dass es auf Frequenzen in einem zweiten höheren Band in Resonanz ist. Die zwei Patch-Teile können auf jeglicher Frequenz in Resonanz gebracht werden. Beispielsweise kann das erste Band das GSM-Band sein, und das zweite Band kann das DCS-Band sein. Einige der möglichen Kombinationen von Tief- und Hochband können GSM + PCS, GSM + WCDMA, DCS + WCDMA, GSM + GPS, GSM + ISM oder jegliche andere Kombination von tieferen und höheren Frequenzbändern enthalten.
Wie oben aufgeführt, enthält jedes Patch-Teil 305 und 310 einen Schlitz 340, welcher zum Trennen des Patch-Teils in zwei Unterteile wirkt. Jedes Unterteil eines Patch-Teils ist auf einer unterschiedlichen Frequenz innerhalb desselben Frequenzbandes in Resonanz, auf welches das Patch-Teil eingestellt ist. Beispielsweise ist das erste Patch-Teil 305 von einer Größe, welche es erlaubt auf Frequenzen im GSM-Band in Resonanz zu sein, dann können die Unterteile der Patch-Teile 305 auf unterschiedliche Frequenzen innerhalb des GSM-Bands in Resonanz gebracht werden. Als Ergebnis kann eine breitere Bandbreite erreicht werden.
Der Fachmann wird anerkennen, dass als eine Alternative drei oder mehrere Unterteile in jedem Patch-Teil ausgebildet werden können. 4 stellt einen beispielhaften Aufbau dar, bei welchem jedes Patch-Teil aus drei Unterteilen ausgebildet ist. Wie dargestellt, ist das erste Patch-Teil 405 in drei Unterteile 405A – 405C geschnitten, und das zweite Patch-Teil 410 ist ebenfalls in drei Unterteile 410A – 410C geschnitten. Jedes der Unterteile kann auf eine unterschiedliche Frequenz innerhalb desselben Frequenzbandes in Resonanz gebracht werden, auf welches ihr jeweiliges Patch-Teil in Resonanz ist. Somit kann durch einen solchen Aufbau eine breitere Bandbreite erreicht werden, jedoch ist das Einstellen schwieriger.
Zurückkehrend auf 3 können die Patch-Teile 305 und 310 von jeglicher Form sein, inklusive einer dreidimensionalen Form. Die Größe der Patch-Teile sollte jedoch ungefähr ein Viertel der Wellenlänge der Frequenz betragen, auf welche die Patch-Teile einzustellen sind.
Die Resonanzfrequenzen und Bandbreite der Einbau-Mehrfachband Patch-Antenne sind abhängig vom Bereich und der Dicke des dielektrischen Substrats, dem Typ des ausgewählten dielektrischen Materials (d.h. der dielektrischen Konstante), der Patch-Größe und der Größe und dem Ort der Schlitze. Der Fachmann wird anerkennen, dass ein Anstieg im Bereich oder in der Dicke des dielektrischen Substrats oder der Patch-Größe oder eine Abnahme im Wert der dielektrischen Konstante zu einem Anstieg der Bandbreite führt, welche erreicht werden kann. Darüber hinaus hängt die Bandbreite ebenfalls von der Größe und dem Ort der in den Patch-Teilen ausgebildeten Schlitze ab.
Wie anhand von 3 deutlich ist, kann die Einbau-Mehrfachband Patch-Antenne an der Ecke der PCB befestigt werden, welches einen besseren Strahlungswirkungsgrad und eine bessere Bandbreite bereitstellt. Zusätzlich wird die PCB-Flächenanforderung für die Einbau-Mehrfachband Patch-Antenne aufgrund ihrer kleinen Größe minimiert.
5A und 5B stellen eine Technik dar, durch welche die Breitband, Mehrfachband Patch-Antenne ausgebildet wird. Die Breitband, Mehrfachband Patch-Antenne kann aus einer herkömmlichen Patch-Antenne ausgebildet werden, indem ein Schlitz in der herkömmlichen Patch-Antenne ausgebildet wird, wie der in 1A dargestellten, und zwar entlang einer Achse der Anpassbrücke, so dass zwei Patch-Teile gebildet werden, welche an gegenüberliegenden Seiten der Anpassbrücke verbunden sind (siehe 5A). Jedes Teil ist von einer Größe, welche es ermöglicht innerhalb eines unterschiedlichen Frequenzbandes in Resonanz zu sein. Der größere Teil 505 ist auf einer tieferen Frequenz in Resonanz, und der kleinere Teil 510 ist auf einer höheren Frequenz in Resonanz. Das tatsächliche Ausbilden des Schlitzes kann beispielsweise durch eines der folgenden Verfahren durchgeführt werden: Schneiden, Ätzen, MID (3D Metallisierung) oder durch chemische Verarbeitung.
Ein Schlitz wird dann in jedem Patch-Teil ausgebildet, um jedes Patch-Teil in Unterteile aufzuteilen (siehe 5B). Die Schlitze können von einer beliebigen Form sein, jedoch beeinflusst die Schlitzform ebenfalls die erreichbare Bandbreite. Wie oben angezeigt, ist jedes Unterteil von einem Patch-Teil bei einer unterschiedlichen Frequenz oder einem Frequenzbereich innerhalb desselben Frequenzbandes in Resonanz, auf welches das Patch-Teil eingestellt wird, wodurch die Bandbreite der Antenne erhöht wird.
Um die Antenne in drei Frequenzbereichen betriebsbereit zu machen, kann das Hochband Patch-Teil 510 modifiziert werden. Im Speziellen kann das Hochband Patch-Teil 510 aus der PCB 315 (von 3) heraus bewegt werden.
Wie in 6a dargestellt, wird gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Hochband Patch-Element 610 außerhalb der PCB 615 gesetzt. Dies führt zu einer Zunahme der äquivalenten Intensität (equivalent volume) der Antenne beim höheren Frequenzband. Eine kleine Antenne hat eine kleine Intensität, welches zu einer kleinen Bandbreite führt. Dies ist in 6b und 6c dargestellt. Mit Bezug auf 6b ist, wenn eine Antenne 610 auf die PCB 615 gesetzt wird, die Intensität 675 der Antenne auf der Oberseite der PCB 615. Durch Setzen der Antenne 610 außerhalb der PCB 615, wie in 6c dargestellt, ist die äquivalente Antennenintensität 675 sowohl an der Oberseite, als auch an der Unterseite der PCB 615, welches zu einer größeren Bandbreite führt. Die EM-Wellen 660, welche der Hochbandantenne 610 entsprechen, werden einfacher mit dem Raum angepasst, wenn die Antenne außerhalb der PCB ist, und dies führt zu einer breiteren Bandbreite. Die EM-Wellen 660 des Hochband-Antennenelements 610 in 6b strahlen auf die dargestellte Weise ab. Die PCB, welche aus einem Leitelement gemacht sein kann, verhindert, dass sich Wellen durch die PCB bewegen. In einer vorliegenden Ausführungsform, wie in 6c dargestellt, strahlen die EM-Wellen aufgrund der Stelle der Hochbandantenne 610 auf beiden Seiten der PCB ab. Die Strahlelemente des Hochband-Patches können durch ein Substrat gehalten werden, wenn sich das Hochband-Patch aus der PCB bewegt. Es kann ebenfalls außerhalb der Kommunikationsvorrichtung geätzt werden. Das Substrat kann beispielsweise Plastik sein.
Da das Hochband Patch-Teil 510 nun außerhalb der PCB ist, kann es in drei Dimensionen gedruckt werden, wodurch es durch die Flexibilität nützlich für bestimmte kommerzielle Anwendungen wird. Aus ästhetischen Gründen braucht das Handgerät nicht in der herkömmlichen rechteckförmigen oder kastenförmigen Form entworfen zu werden. Es kann beispielsweise mit einer gekrümmten Form entworfen werden. Daher wird die Einbauantenne in drei Dimensionen sein. Das Hochbandelement 610 kann nun verwendet werden, um sich sowohl auf das DCS als auch auf das PCS-Band einzustellen, während das Tiefbandelement 605 immer noch auf das GSM-Band eingestellt ist.
Die zwei Patches, d.h. das Hochbandelement 610 und das Tiefbandelement 605 sind von gegenüberliegenden Richtungen aus mit der Anpassbrücke 630 verbunden. Ein Ende der Anpassbrücke 630 ist ein Antennenzuführstift 625, während das andere Ende die Anpasserdungsstelle 635 ist. Wie zuvor beschrieben, ist das größere Patch das Tiefbandelement 605, welches auf dem tieferen Frequenzband in Resonanz ist, und das kleinere Patch ist das Hochbandelement 610, welches auf den höheren Frequenzen in Resonanz ist.
Da die Patch-Größe die Dualband-Resonanzfrequenzen bestimmt, kann die Antenne der vorliegenden Erfindung für GSM-, DCS und PCS-Frequenzen entworfen werden. Die Patches können von jeglicher Form sein. Jedes Patch kann flach und sehr dünn sein, welches den Anschein gibt, dass es nicht dreidimensional ist. Das Hochbandelement kann ebenfalls in der Erscheinung ähnlich zu herkömmlichen Antennen sein, welche in Plastik eingebunden sind, oder zu anderen ähnlichen Aufbauten.
Eine Ecke jedes der Patch-Elemente 605 und 625 ist mit der Anpassbrücke 630 verbunden. Die verbleibenden Ecken der Patch-Elemente sind nicht mit der Anpassbrücke 630 verbunden. Wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben, teilen die Schlitze 340 auf den Patches 305 und 310 die Patche in Unterteile ein. Genauso teilen gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung des Anmelders, wie in 6 dargestellt, Schlitze 640 die Patche 605 und 610 in Unterteile auf. Jedes dieser Unterteile ist auf einer bestimmten Frequenz innerhalb jedes Frequenzbandes, für welches das Patch entworfen ist, in Resonanz. Zwei dieser Unterteile 645 und 650, welche dem Tiefbandelement 605 entsprechen, und zwei Unterteile 655 und 660, welche dem Hochbandelement 610 entsprechen, sind in 6 dargestellt. Diese Unterteile führen zu einer Patch-Antenne mit einem breiteren Band, wie oben beschrieben. Die Unterteile können von unterschiedlichen Formen sein.
Mit Bezug auf die Eigenschaften jedes der Patch-Elemente, wurden sie oben mit Bezug auf 3 beschrieben. Beispielsweise hängt die Bandbreite von der Größe des Patches, der Form des Patches, der Form der Schlitze, dem Ort der Schlitze, der Dicke des Substrats und des Substratmaterials ab. Ein größerer Patch-Bereich führt zu einer breiteren Bandbreite für die Antenne. Ein größerer Spalt zwischen dem Patch und einer Ecke der PCB führt ebenfalls zu einer breiteren Bandbreite für die Antenne. Die Länge der Anpassbrücke kann geändert werden, um die Anpassung der Antenne einzustellen.
Eine Antenne gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt, bei welcher das Hochbandelement 710 rechteckig ist und sich über der Oberkante der PCB 715 befindet. Der Abstand zwischen dem Element 710 und der PCB 715 erlaubt es, dass die Antenne auf den PCD- und DCS-Frequenzbereich eingestellt wird.
8 stellt einen weiteren beispielhaften Antennenentwurf dar, bei welchem das Hochbandelement 810 ebenfalls über der Oberkante der PCB 815 ist, jedoch als ein Bogen ausgebildet ist. Genauso ist in 9 das Hochbandelement 910 über der Oberkante der PCB 915 und ist mit einem nach oben hervorstehendem Ende ausgebildet. In 10 ist das Hochbandelement 1010 über der Oberkante der PCB 1015, und ist ein gewundenes Element, welches zum Auszubilden eines Stabes geändert werden kann.
Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung darzustellen, legt 11 Ergebnisse einer Simulation für die in 7 dargestellte beispielhafte Dualband Patch-Antenne dar. Nur aus Gründen zur Darstellung der vorliegenden Erfindung können die folgenden Werte für die oben aufgezählten unterschiedlichen Parameter für eine gedruckte Halbeinbau-Mehrfachband Antenne verwendet werden. Die Antenne, d.h. sowohl das Hoch-, als auch das Tief-Patch Element 705 und 710 von 7, hat Abmaße von 30 mm × 40 mm. Die Antenne hat eine Höhe von 5 mm. Der Abstand 740, durch welche das Hoch-Patch Element 710 von der PCB 715 getrennt ist, kann 5 mm sein. Das Substrat kann aus Plastik sein und kann 1 mm dick sein. Die Teile des Hoch- und Tief-Patch Elementes wurden in Resonanz auf den GSM-, DCS- und PCS-Frequenzbereichen eingestellt.
11 stellt die VSWR-Performance dieses Entwurfes dar. Die Bandbreite beträgt 8,7% (d.h. um 80 MHz) beim GSM-Band für ein VSWR von weniger als 2,35:1. Beim DCS-Frequenzband beträgt die Bandbreite 15,6% (d.h. um 280 MHz) für ein VSWR von weniger als 3,2:1. Schließlich beträgt die Bandbreite beim PCS-Band 14,6% (d.h. um 280 MHz) für ein VSWR von weniger als 3,2:1. Wie anhand von 11 deutlich wird, hält diese Antenne die Anforderungen von einer GSM/DCS/PCS-Dreifachfrequenz-Anwendung ein.
Im Vorhergehenden wurden die Prinzipien, bevorzugten Ausführungsformen und Betriebsmoden der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch sollte die Erfindung nicht als auf die bestimmten oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkend gedeutet werden. Beispielsweise wird, während die Antenne der vorliegenden Erfindung grundlegend als ein Strahler diskutiert wurde, der Fachmann anerkennen, dass die Dualband-Patch Antenne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als ein Sensor zum Empfangen von Information bei bestimmten Frequenzen verwendet werden würde. Somit sollten die oben beschriebenen Ausführungsformen als darstellhaft, anstelle als beschränkend betrachtet werden, und es sollte anerkannt werden, dass in diesen Ausführungsformen durch den Fachmann Veränderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Kommunikationsvorrichtung zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem, wobei die Vorrichtung enthält: eine gedruckte Schaltungsplatine (615, 715, 815, 915, 1015), welche auf einem Chassis von der Kommunikationsvorrichtung befestigt ist; ein Substrat, welches an der gedruckten Schaltungsplatine angebracht ist und eine vorbestimmte Dicke hat; und gekennzeichnet ist durch eine Patch-Antenne, welche eine Vielzahl von Patch-Teilen enthält, wobei jedes mindestens einen darin ausgebildeten Schlitz hat, wobei sich ein erstes Teil der Patch-Teile (605, 705, 805, 905, 1005) auf der gedruckten Schaltungsplatine befindet und auf ein erstes Frequenzband eingestellt ist, und ein zweites Teil der Patch-Teile (610, 710, 810, 910, 1010), welches sich außerhalb der gedruckten Schaltungsplatine auf dem Substrat befindet und auf ein zweites Frequenzband eingestellt ist, wobei das zweite Frequenzband von dem ersten Frequenzband unterschiedlich ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste Frequenzband ein niedrigeres Frequenzband ist, und das zweite Frequenzband ein höheres Frequenzband ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher das zweite Frequenzband ferner zwei Frequenzbereiche enthält.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher das erste Frequenzband das 800 MHz Frequenzband oder das 900 MHz Frequenzband ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher ein der Frequenzbereiche innerhalb des zweiten Frequenzbandes der 1900 MHz Frequenzbereich ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher ein weiterer Frequenzbereich der Frequenzbereiche der 1800 MHz Bereich ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher jedes der Patch-Teile von einer beliebigen dreidimensionalen Form ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher jedes der Patch-Teile von einer beliebigen zweidimensionalen Form ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Anpassbrücke zum Anpassen einer Eingangsimpedanz der Antenne enthält.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher sich die Anpassbrücke zwischen einem Zuführpunkt und einem Erdungspunkt befindet.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Anpassung der Antenne durch Ändern einer Länge der Anpassbrücke eingestellt wird.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Schlitz jedes Patch-Teil in Unterteile einteilt.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher jedes Unterteil eines jeweiligen Patch-Teils auf einer unterschiedlichen Frequenz innerhalb des Frequenzbandes, auf welches das jeweilige Patch-Teil eingestellt ist, in Resonanz ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Schlitz in jedem der Patch-Teile von einer Form ist, welche es erlaubt die Patch-Teile in einen doppelspiraligen Aufbau auszubilden.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Frequenzband, auf welches jedes Patch-Teil eingestellt ist, von einer Größe des Patch-Teils abhängt.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher Größen der Patch-Teile so ausgewählt sind, dass sie ungefähr einer ¼-Wellenlänge des ersten und zweiten Frequenzbandes entsprechen.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Bandbreite der Antenne von einer Größe der Patch-Teile, einer Form und Stelle des mindestens einen Schlitzes und der Dicke und dielektrischen Konstante des Substrats abhängt.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Form des mindestens einen Schlitzes beliebig ist.
Kommunikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend: eine Mikronfonöffnung um es der Kommunikationsvorrichtung zu ermöglichen eine akustische Information von einem Benutzer zu empfangen; eine Lautsprecheröffnung um es der Kommunikationsvorrichtung zu ermöglichen eine akustische Information an den Benutzer zu übertragen; und eine Tastatur.