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Die
Erfindung betrifft allgemein planare Antennenstrukturen. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine planare Struktur, die zwei verschiedene
Antennenarchitekturen kombiniert, so dass bei zwei klar unterschiedlichen
Frequenzen gearbeitet wird. Zusätzlich
betrifft die Erfindung die Versorgungsanordnung einer solchen Antenne
und ein Funkgerät,
das eine solche Antenne einsetzt.
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Die 1 zeigt eine bekannte Basisgestaltung 100 einer
planaren invertierten F-Antenne (PIFA), die ein planares elektrisch
leitendes Strahlungselement 101, eine elektrisch leitende
Erdungsplatte 102 parallel zu dem Strahlungselement und
einen diese zwei verbindenden Erdungskontakt 103 enthält, der
im wesentlichen senkrecht zu dem Strahlungselement und der Erdungsfläche ist.
Die Struktur enthält
ferner eine Versorgungselektrode 104, die ebenfalls im
wesentlichen senkrecht zu dem Strahlungselement und der Erdungsfläche ist
und die an eine Antennenanschlussbuchse (nicht gezeigt) eines Funkgerätes angeschlossen
werden kann. Bei der Struktur der 1 werden
das Strahlungselement 101, der Erdungskontakt 103 und
die Versorgungselektrode 104 üblicherweise durch Schneiden
eines dünnen
Metallbleches in eine geeignete rechtwinklige Form hergestellt,
die zwei zu einem rechten Winkel gebogene Vorsprünge hat. Die Erdungsfläche 102 kann
ein metallisierter Bereich auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungsplatte
sein, so dass der Erdungskontakt 103 und die Versorgungselektrode
leicht mit Löchern
an der gedruckten Schaltungsplatte verbunden sind. Die elektrischen
Charakteristika der Antenne 100 werden allgemein durch
die Dimensionen ihrer Elemente und insbesondere durch die Größe des Strahlungselementes 101 und
seinen Abstand von der Erdungsfläche 102 bewirkt.
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Ein
Nachteil der Antennenstruktur, die in der
1 dargestellt ist, ist eine geringe mechanische Stabilität. Verschiedene
Strukturen wurden vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen. Das
europäische
Patentdokument
EP 484, 454 offenbart
eine PIFA-Struktur gemäß der
2, wobei ein Steuerungselement
201,
eine Erdungsfläche
202 und
ein Erdungskontakt
203, der diese zwei verbindet, als Metallplattierungen
auf Oberflächen
eines festen dielektrischen Körpers
204 realisiert
sind. Die Antenne wird durch ein Kopplungselement
205 versorgt,
das das Strahlungselement
201 nicht berührt. Eine elektromagnetische
Kopplung existiert zwischen dem Kopplungselement
205 und
dem Strahlungselement
201, und das Kopplungselement erstreckt
sich über
den Rand des dielektrischen Körpers
204 zu
einem Punkt, der an die Antennenanschlussbuchse des Funkgerätes gekoppelt
werden kann. Die Struktur ist mechanisch stabil, aber der dielektrische
Körperblock
macht sie ziemlich schwer. Ferner erhöht der dielektrische Körper die
Impedanzbandbreite der Antenne und verschlechtert die Strahlungseffizienz
im Vergleich zu einer luftisolierten PIFA.
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Ein
PIFA-Strahlungselement muss kein einfaches Rechteck sein, wie in
den 1 und 2. Die 3 zeigt eine bekannte Gestaltung eines
PIFA-Strahlungselementes 301. Die rechtwinklige Form ist
durch einen Schlitz 302 unterbrochen, der eine Art Streifen
in jenem Teil des Strahlungselementes bildet, das am weitesten entfernt
von dem Versorgungspunkt 303 und dem Erdungskontakt 304 ist. Der
Zweck des Schlitzes ist üblicherweise,
um die elektrische Länge
der Antenne zu erhöhen
und somit die Resonanzfrequenz der Antenne zu beeinflussen.
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Alle
die oben beschriebenen PIFA-Strukturen sind so gestaltet, dass sie
eine bestimmte Resonanzfrequenz sowie ein Betriebsfrequenzband haben,
das um die Resonanzfrequenz zentriert ist.
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In
einigen Fällen
ist es jedoch bevorzugt, dass die Antenne eines Funkgerätes zwei
verschiedene Resonanzfrequenzen hat. Die 4a und 4b zeigen
Dualfrequenz-PIFA-Strahlungselemente, die aus der Veröffentlichung "Dual-Frequency Planar
Inverted-F Antenna" von
Z. D. Liu, P. S. Hall, D. Wake, IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol. 45, Nr. 10. Oktober 1997, S. 1451–1457, bekannt sind.
In der 4a enthält die Antenne
ein rechtwinkliges erstes Strahlungselement 401 und ein
zweites Strahlungselement 402, das das erste Strahlungselement
von zwei Seiten umgibt. Das erste Strahlungselement hat einen eigenen
Versorgungspunkt 403 und Erdungskontakt 404 und
das zweite Strahlungselement hat jene selbst, 405 und 406.
In der 4b enthält die Antenne
ein kontinuierliches Strahlungselement 410, das durch einen
Schlitz 411 in zwei Zweige geteilt ist. Der Versorgungspunkt 412 liegt
nahe dem inneren Ende des Schlitzes 413, d. h. dem Ende,
das nicht am Rand des Strahlungselementes endet, so dass die Zweige
vom Versorgungspunkt aus verschiedene Richtungen haben. Beide Zweige
haben eigene elektrische Längen,
die sich beachtlich voneinander unterscheiden. Die Erdungskontakte 413 liegen
nahe dem Rand der Struktur.
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Es
ist ferner ein Dualfrequenz-PIFA-Strahlungselement 501 gemäß der 5 bekannt, welches zwei
Zweige in derselben Weise wie das Strahlungselement in der 4b hat. In der 5 erstrecken sich die äußersten
Enden von beiden Zweigen zum Rand der in der Figur durch die gestrichelte
Linie dargestellten Schaltungsplatte, die das Strahlungselement
abstützt.
Diese Struktur stellt ein etwas breiteres Antennenimpedanzband bereit,
d. h. einen Frequenzbereich um eine spezielle Resonanzfrequenz, in
welchem die Antennenimpedanz, die zu der Antennenanschlussbuchse
des Funkgerätes
passt, gut ist. Gleichzeitig wird jedoch der SAR-Wert, der die Strahlungsmenge
angibt, die von dem Anwender absorbiert wird, wesentlich höher, insbesondere
in dem höheren
Frequenzband.
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Die
finnische Patentanmeldung FI-982366 offenbart ein PIFA-Strahlungselement 600 gemäß der 6, in welcher das Strahlungselement
durch einen nicht leitenden Schlitz 601-602-603 geteilt
ist, der das planare Strahlungselement in einen ersten Zweig und
einen zweiten Zweig teilt. Der Versorgungspunkt 604 und
der Erdungskontakt 605 liegen nahe dem inneren Ende des
Schlitzes. Somit hat auch diese Struktur zwei benachbarte PIFA-Strahlungselementzweige
auf ein und derselben planaren Oberfläche und in der Nähe ein und
derselben Erdungsfläche 606.
Die Patentanmeldung offenbart auch, dass das äußere Ende des Zweiges, der
der höheren
Betriebsfrequenz entspricht, innerhalb der Randlinie des Strahlungselementes
liegt, das von dem ersten Zweig umgeben ist, so dass der SAR-Wert
kleiner sein wird als bei der Anordnung der 5.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine planare Dualfrequenzantennenstruktur
zu schaffen, die leicht herzustellen und zusammenzubauen ist und
leicht für
die gewünschten
Betriebsfrequenzen dimensioniert werden kann. Ein anderes Ziel der
Erfindung ist es, dass die Impedanzbandbreite der Antenne relativ
groß ist,
und dass ihre Versorgungsimpedanz in einer gewünschten Weise wählbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Funkgerät zu schaffen,
das die oben beschriebene Antennenstruktur verwendet.
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Diese
Ziele der Erfindung werden durch Kombinieren eines PIFA-Strahlungselementes
und eines geschlitzten Strahlungselementes in einer einzigen Struktur
erreicht. Die Ziele betreffend die Impedanzbandbreite und Versorgungsimpedanz
werden durch Bereitstellen des kombinierten Strahlungselementes
mit einer kapazitiven Versorgung von der Antennenanschlussbuchse
des Funkgerätes
erreicht.
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Die
Antennenstruktur gemäß der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, dass sie ein planares Strahlungselement
hat, das einen Versorgungspunkt und einen Erdungskontakt nahe dem
ersten Ende eines Teilungsschlitzes hat, so dass die elektrische Län ge des
leitenden Bereiches, der durch den Schlitz geteilt ist, gemessen
am Versorgungspunkt gleich einem Viertel der Wellenlänge bei
der ersten Betriebsfrequenz ist und die elektrische Länge des
Schlitzes gleich einem Viertel der Wellenlänge bei der zweiten Betriebsfrequenz
ist.
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Das
Funkgerät
gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein planares Strahlungselement
in seiner Antennenstruktur nahe dem ersten Ende eines bestimmten
Schlitzes einen an die Antennenanschlussbuchse des Funkgerätes gekoppelten Versorgungspunkt
und einen an das Erdungspotential des Funkgerätes gekoppelten Erdungskontakt
enthält,
so dass die elektrische Länge
des leitenden Bereiches, der durch den Schlitz geteilt ist, gemessen an
dem Versorgungspunkt gleich einem Viertel der Wellenlänge bei
der ersten Betriebsfrequenz ist und die elektrische Länge des
Schlitzes gleich einem Viertel der Wellenlänge bei der zweiten Betriebsfrequenz
ist.
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Bei
den PIFA-Strukturen gemäß dem Stand der
Technik sind zwei Betriebsfrequenzen durch zwei PIFA-Zweige mit
einem gemeinsamen Versorgungspunkt realisiert. Gemäß der Erfindung
wird die PIFA-Struktur als eine Strahlungsantennenstruktur nur bei
der ersten Betriebsfrequenz verwendet. Die Antenne der zweiten Betriebsfrequenz
ist ein sogenannter Viertelwellenaperturstrahler, der aus einem Schlitz
in dem PIFA-Strahlungselement besteht. Zusätzlich zum Fungieren als ein
Strahlungselement zieht der Schlitz auch die Betriebsfrequenz des
PIFA-Strahlungselementes im Vergleich zu einer gleich großen PIFA
ohne einen Schlitz herunter, so dass eine bestimmte vorgegebene
Betriebsfrequenz der Struktur gemäß der Erfindung größenmäßig kleiner ist
als eine PIFA, die ohne einen Schlitz hergestellt ist, gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
Impedanzbandbreite der kombinierten PIFA mit geschlitztem Strahlungselement
kann durch Hinzufügen
einer "extra" Reihenkapazität im Versorgungspunkt
vergrößert werden. "Extra" bedeutet, dass eine
solche Kapazität üblicherweise
nicht verwen det wird: bei bekannten PIFA-Strukturen ist der Versorgungspunkt üblicherweise
in galvanischem Kontakt mit der Antennenanschlussbuchse des Funkgerätes. Gemäß der Erfindung
ist es möglich,
einen Versorgungsstift zu verwenden, der nicht im galvanischem Kontakt
mit dem planaren leitenden Muster ist, das als ein PIFA-Strahlungselement
fungiert, sondern dass eine bestimmte Isolationsschicht zwischen
dem Ende des Versorgungsstiftes und dem Strahlungselement existiert.
Die Isolationssubstanz kann z. B. Luft oder Material einer gedruckten
Schaltungsplatte sein.
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Die
Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele,
die exemplarisch angegeben sind, und auf die begleitende Zeichnung
genauer beschrieben, in welcher
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1 die bekannte Basisstruktur
der PIFA darstellt,
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2 eine bekannte PIFA-Struktur
darstellt,
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3 eine bekannte Planarstrahlungselementgestaltung
zeigt,
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4a und 4b bekannte Dualfrequenzplanarstrahlungselementgestaltungen zeigen,
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5 eine dritte bekannte Dualfrequenzplanarstrahlungselementgestaltung
zeigt,
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6 eine vierte bekannte Dualfrequenzplanarstrahlungselementgestaltung
zeigt,
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7 eine bekannte Mikrostreifenantennengestaltung
zeigt,
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8 eine Gestaltung eines
planaren Strahlungselementes gemäß der Erfindung
zeigt,
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9a bis 9f weitere Gestaltungen eines planaren
Strahlungselementes gemäß der Erfindung zeigen,
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10 eine Versorgungsanordnung
gemäß der Erfindung
darstellt,
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11a und 11b alternative Implementierungen der
Anordnung darstellen, die in der 10 dargestellt
ist,
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12 eine Antennenstruktur
gemäß der Erfindung
bei einer Mobilstation zeigt, und
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13 eine Äquivalentschaltung eine kapazitiven
PIFA-Versorgung zeigt.
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Die
Erfindung verwendet das Prinzip eines sogenannten Aperturstrahlungselementes,
welches unten unter Bezugnahme auf das US-Patent Nr. 4,692,769 und
die 7 beschrieben ist.
Es sollte beachtet werden, dass sich das US-Patent Nr. 4,692,769
nicht mit PIFA-Strukturen, sondern mit Mikrostreifenantennen befasst,
die sich von dem PIFA-Prinzip z. B. hinsichtlich des Dimensionierens
bei der Betriebsfrequenz und auch dadurch unterscheiden, dass das
strahlende planare leitende Element bei einer Mikrostreifenantenne
keinen galvanischen Kontakt mit der Erdungsfläche parallel dazu hat. Die 7 zeigt in einer aus dem
US-Patent Nr. 4,692,769 bekannten Weisen ein dielektrisches Substrat 701,
das auf seiner oberen Oberfläche
ein planares strahlendes leitendes Element 702 und an seiner
unteren Oberfläche
eine Erdungsfläche 703 hat, wovon
nur ein Rand gezeigt ist. Die Antenne wird durch ein Koaxialkabel 704 versorgt,
dessen Mantel 705 an die Erdungsfläche gekoppelt ist und dessen Innenleiter 706 an
das strahlende leitende Element gekoppelt ist. Das strahlende leitende
Element ist grundsätzlich
wie ein Viereck (das Referenzdokument offenbart auch eine grundsätzlich kreisartige Form)
geformt und hat einen Schlitz 707 in sich, wovon die elektrische
Länge gleich
der Hälfte
der Wellenlänge
bei einer bestimmten höheren
Betriebsfrequenz ist. Die elektrische Länge des planaren Strahlungselementes
ist wiederum die Hälfte
der Wellenlänge
bei einer bestimmten niedrigeren Betriebsfrequenz. In dem Dokument
ist die höhere
Betriebsfrequenz 1557 MHz und ist die niedrigere Betriebsfrequenz
1380 MHz, die beispielsweise angegeben sind.
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Der
Betrieb eines Aperturstrahlungselementes basiert auf der Tatsache,
dass eine bestimmte Resonanzwellenform eines elektromagnetischen Feldes
in einem dielektrischen zweidimensionalen Raum angeregt werden kann,
der von einem elektrisch leitenden Material umgeben ist. Wenn der Raum
gestreckt ist, wird die Resonanzwellenform eine stehende Welle,
so dass sie eine bestimmte Anzahl von Knoten und Antiknoten in der
Längsrichtung des
Raumes enthält.
In einem Schlitz, dessen beide Enden geschlossen sind, entsprechen
die Resonanzfrequenzen stehenden Wellen, die einen Knoten an beiden
Enden haben. Die niedrigste Resonanzfrenquenz ist dann diejenige,
bei welcher die Länge des
Schlitzes gleich der Hälfte
der Wellenlänge
ist. Wenn ein Ende des Schlitzes geschlossen und das andere offen
ist, entsprechen die Resonanzfrequenzen stehenden Wellen, die einen
Knoten am ersten Ende (dem geschlossenen Ende des Schlitzes) und einen
Antiknoten an dem zweiten Ende (dem offenen Ende des Schlitzes)
haben. In dem Fall ist die Länge des
Schlitzes gleich einem Viertel der Wellenlänge bei der niedrigsten Resonanzfrequenz.
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Die 8 zeigt eine planare Strahlungselementgestaltung
gemäß der Erfindung.
Das betroffene planare Strahlungselement ist vorgesehen, um einen
Teil einer PIFA-Struktur zu bilden, die später genauer beschrieben werden
wird. Das Strahlungselement enthält
einen elektrisch leitenden Bereich 801, der von einer im
wesentlichen kontinuierlichen Randlinie begrenzt und durch einen
nichtleitenden Schlitz 802 geteilt ist. Ein Ende des Schlitzes
liegt an einem Randpunkt des leitenden Bereiches (sogenanntes äußeres Ende
des Schlitzes) und das andere Ende liegt an einem Punkt innerhalb
des leitenden Bereiches (das innere Ende des Schlitzes). Die Figur
zeigt auch einen Versorgungspunkt 803 und einen Erdungskontakt 804,
die nahe dem äußeren Ende
des Schlitzes liegen.
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Anders
als bei Dualfrequenz-PIFA-Strahlungselementen des Standes der Technik,
die in den 4a bis 6 dargestellt sind, hat das
Strahlungselement gemäß der 8 nicht zwei getrennt mitschwingende
Zweige, sondern nur einen relativ langen PIFA-Zweig. Dies wird durch Positionieren
des Versorgungspunktes und des Erdungskontaktes nahe dem äußeren Ende
des Schlitzes erreicht. Der PIFA-Zweig fungiert als ein Strahlungsantennenelement
bei der niedrigeren Betriebsfrequenz der Struktur. Bei der höheren Betriebsfrequenz
enthält
das Strahlungselement den elektrisch nicht leitenden Schlitz gemäß dem oben
beschriebenen Prinzip des Aperturstrahlungselementes. Ein solches
Kombinieren von zwei Antennenprinzipien in einer einfachen Struktur ähnelt geringfügig der
Lösung,
die in der 7 gezeigt
ist. Jedoch macht der Erdungskontakt daraus eine PIFA-Struktur und
nicht eine Mikrostreifenantenne, wie in dem US-Patent Nr. 4,692,769.
Außerdem
sollte beachtet werden, dass die Erfindung erfordert, dass der Schlitz
richtig zum Rand des leitenden Bereiches verläuft. Die Struktur gemäß der 7 wird nicht in der gewünschten
Weise funktionieren, ohne dass der Schlitz in dem Strahlungselement
von allen Seiten von dem leitenden Material umgeben ist.
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Ferner
basiert die Dimensionierung der Struktur gemäß der 8 auf einem bezüglich jenem, das in dem US-Patent
Nr. 4,692,769 offenbart ist, unterschiedlichen Prinzip. Der Startpunkt
ist die Betriebsfrequenz eines PIFA-Strahlungselementes ohne einen
Schlitz. Dies entspricht der Frequenz, bei welcher die elektrische
Länge eines
ungeschlitzten PIFA-Strahlungselementes gleich einem Viertel der Wellenlänge ist.
Der Schlitz verringert die Betriebsfrequenz des PIFA-Strahlungselementes,
da die elektrische Länge
davon zunimmt: die verringerte Frequenz ist die niedrigere Betriebsfrequenz
des Strahlungsele mentes, das in der 8 gezeigt
ist. Andererseits wird, da der Versorgungspunkt und der Erdungskontakt
nahe dem äußeren Ende
des Schlitzes liegen, der Schlitz ein Schlitzstrahler, dessen elektrische
Länge gleich
einem Viertel der Wellenlänge
einer zweiten Frequenz ist, die wesentlich höher als die niedrigere Betriebsfrequenz
ist. Diese zweite Frequenz ist die höhere Betriebsfrequenz des Strahlungselementes
von der 8.
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Die
Erfindung spezifiziert nicht einen Abstand zwischen dem äußeren Ende
des Schlitzes und dem Versorgungspunkt und Erdungskontakt, sondern
es wird, damit die Struktur wunschgemäß arbeitet, erforderlich sein,
dass der Versorgungspunkt und der Erdungskontakt näher an dem äußeren Ende des
Schlitzes als an dem inneren Ende liegen. Außerdem ist es erforderlich,
dass es, wenn eine Linie von dem Versorgungspunkt und dem Erdungskontakt zum äußeren Ende
des Schlitzes gezogen wird, nur auf einer Seite der Linie zutrifft,
dass dort ein signifikanter Teil des leitenden Bereiches im Hinblick
auf die elektrische Länge
und Resonanzcharakteristika existiert. Unter Beachtung dieser Beschränkungen kann
man einen geeigneten Ort für
den Versorgungspunkt und Erdungskontakt durch Experimentieren finden.
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Die 8 zeigt auch ein spezielles
Detail bei der Planarstrahlungselementgestaltung: der PIFA-Zweig
erweitert sich von einem bestimmten engeren Punkt zum äußeren Ende
stufenlos, d. h. dem Ende, das am weitesten weg von dem Versorgungspunkt
und dem Erdungskontakt ist. Eine solche Anordnung ermöglicht es,
die Gesamtgröße der Antenne
etwas zu verringern, ohne die Strahlungs- oder Impedanzbandbreite
signifikant zu verkleinern, da das Strahlungsantennenelement bei
der niedrigeren Betriebsfrequenz am weitesten ist, wo das elektrische
Feld am größten ist;
das heißt,
am offenen Ende des Zweiges.
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Die 9a bis 9f zeigen alternative Gestaltungen für ein planares
Strahlungselement mit einem PIFA-Zweig und einem Schlitz, der als
ein Aperturstrahler fungiert. Eine gestri chelte Linie begrenzt den Bereich,
in welchem der Versorgungspunkt und Erdungskontakt vorteilhafterweise
liegen. Die Figuren zeigen, dass der Schlitz gerade Teile von gleichmäßiger Breite
enthalten kann, die auch unter rechten Winkeln zueinander (9a) sein können; andererseits
kann der Schlitz auch Teile von ungleichmäßiger Breite enthalten, welche
Teile auch stufenlos schmäler
oder breiter (9b) werden
können;
ferner kann der Schlitz vollständig
oder teilweise gekrümmt
(9c und 9d) oder gewunden (9e) sein, oder er kann sowohl Teile gleichmäßiger Breite, als
auch Teile enthalten, die schmäler
oder breiter (9f) werden.
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Die 10 ist ein Längsschnitt,
der die kapazitive PIFA-Versorgung darstellt, was eine vorteilhafte
Weise des Realisierens der Versorgung der Antennenstruktur gemäß der Erfindung
ist. Der Längsschnitt
zeigt eine Erdungsfläche 1001,
ein planares Strahlungselement 1002, einen Versorgungsstift 1003 und
einen Erdungskontakt 1004. Für die Versorgung zum Gesamtbetrieb
ist es wesentlich, dass der Versorgungsstift 1003 (der
an die Antennenanschlussbuchse des Funkgerätes, das nicht gezeigt ist,
gekoppelt ist) nicht in direktem galvanischen Kontakt mit der Erdungsfläche 1001 oder
dem Erdungskontakt 1004 ist. Andererseits ist es, damit
die Versorgung kapazitiv ist, auch wesentlich, dass es keinen galvanischen
Kontakt zwischen dem Versorgungsstift 1003 und dem planaren
Strahlungselement 1002, sondern eine kapazitive Kopplung
durch eine Isolationsschicht gibt. Die 10 stellt keine speziellen Anforderungen
an die Isolationsschicht: sie kann z. B. Luft oder ein anderes bekanntes
dielektrisches Material sein.
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In
der Praxis kann die Struktur von 10 z. B.
in einer solchen Weise realisiert sein, dass das planare Strahlungselement 1002 eine
Metallplatte ist, die auf anderen Teilen des Funkgerätes z. B.
mittels eines Halterahmens ruht, der längs des Randes der Platte angeordnet
ist, oder indem es an einem dielektrischen Teil in dem Gehäuse des
Funkgerätes
angebracht ist, und die Erdungsfläche 1001 enthält eine Metallisierung
entwe der auf der Oberfläche
einer gedruckten Schaltungsplatte, die zu dem Funktgerät gehört, oder
in einem bestimmten Teil der Gehäusestruktur
des Funkgerätes.
Der Versorgungsstift und der Erdungskontakt können als Metallstreifen oder Stifte
realisiert sein, die z. B. durch eine separate Haltestruktur abgestützt sein
können,
die aus Kunststoff oder anderem dielektrischen Material besteht.
In einem Längsschnitt
einer Konstruktionszeichnung würde
sich eine solche Struktur nicht wesentlich von der konzeptionellen
Zeichnung unterscheiden, die in der 10 gezeigt
ist.
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Die 11a und 11b stellen ein zweites Verfahren zum
Realisieren des strukturellen Prinzips gemäß der 10 dar. Unter Bezugnahme auf die Figuren
wurde ein planares Strahlungselement 1101 auf einer ersten
Oberfläche
einer gedruckten Schaltungsplatte 1102 gebildet, welche
erste Oberfläche die
obere Oberfläche
in den Figuren ist. Kopplungsflecke 1103 und 1104 zum
Versorgen und Erden wurde auf einer zweiten Oberfläche (der
unteren Oberfläche
in den Figuren) derselben gedruckten Schaltungsplatte gebildet.
Versorgungen erfolgen kapazitiv durch die gedruckte Schaltungsplatte 1102,
aber zum Realisieren einer Erdung muss ein galvanischer Kontakt
zwischen dem Erdungskopplungsfleck 1104 und dem planaren
Strahlungselement 1101 entweder durch ein metallplattiertes
Loch 1105 oder mittels Metallisierung 1106 längs des
Randes der gedruckten Schaltungsplatte bereitgestellt sein. Die
Erdungsfläche 1107 kann
in dieser Struktur auch eine Metallisierung auf der Oberfläche einer
anderen gedruckten Schaltungsplatte sein, oder sie kann durch Metallisieren
eines gegebenen Teils der Gehäusestruktur
des Funkgerätes
realisiert sein. Die 11a und 11b verwenden die erste Alternative,
wodurch der Versorgungsstift 1108 an ein Loch (um welches
es auf der Oberfläche,
die der Erdungsfläche
zugewandt ist, einen nicht leitenden Bereich gibt, der den Versorgungsstift
von der Erdungsfläche
isoliert) in der erdenden gedruckten Schaltungsplatte gelötet sein, und
der Erdungskontakt 1109 kann aus einem Metallstreifen oder
Stift gebildet sein, der gelötet
oder anderweitig an der Er dungsfläche angebracht ist. Anstelle
von oder zustätzlich
zu einfachen Stiften ist es möglich,
verschiedene bekannte flexible Stiftstrukturen zu verwenden, die
sich in der Längsrichtung (senkrecht
zu dem planaren Strahlungselement und der Erdungsfläche) biegen,
so dass in der fertigen Konstruktion die Federkraft, die durch die
Flexibilität verursacht
wird, wenigstens ein Ende des Stiftes gegen die Oberfläche drückt, auf
welcher der Stift platziert, aber nicht anderweitig befestigt ist.
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Die 12 zeigt eine vorteilhafte
Anordnung für
eine Antennenstruktur in einem Funkgerät, wobei das Strahlungselement
gemäß der Erfindung
eine Kombination aus einer PIFA und einem geschlitzten Strahlungselement
ist. Das exemplarische Funkgerät ist
hier ein Mobiltelefon 1200, das mit geöffnetem äußeren Gehäuse gezeigt ist, so dass die
Tastatur, Anzeige und Lautsprecher, die bekannte Komponenten eines
Mobiltelefons sind, abwärts
weisen und daher in der Figur nicht gezeigt sind. Eine erste gedruckte Schaltungsplatte 1201 oder
eine andere im wesentlichen planare Oberfläche innerhalb des Mobiltelefons enthält eine
Erdungsfläche 1202,
die ein im wesentlichen kontinuierlicher elektrisch leitender Bereich
ist. Eine Erdungsfläche,
die auf einer gedruckten Schaltungsplatte ausgebildet ist, kann
auf der Oberfläche der
Schaltungsplatte oder in einer Zwischenschicht der Schaltungsplatte
liegen. Ein planares Strahlungselement 1203 ist auf der
Oberfläche
einer zweiten gedruckten Schaltungsplatte 1204 ausgebildet,
die an der ersten gedruckten Schaltungsplatte mittels eines Rahmens 1205 angebracht
ist. Ein Versorgungspunkt 1206 ist an der Antennenanschlussbuchse 1209 des
Funkgerätes
in einer solchen Weise angeschlossen, dass die Kopplung durch die
gedruckte Schaltungsplatte 1204 an einen Verbinderblock 1207 kapazitiv
ist, und von dort an eine Verbindung durch einen Versorgungsstift
bereitgestellt ist, der einen Mikrostreifen auf der Oberfläche des
Verbinderblockes enthält.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
stellt derselbe Verbinderblock die Verbindung zwischen dem Erdungskontakt 1208 und
der Erdungsfläche 1202 bereit.
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Die 13 zeigt eine Äquivalenzschaltung, um
die Charakteristika einer kapazitiven PIFA-Versorgung darzustellen.
Ein Knoten 1301 in der Schaltung entspricht der Antennenanschlussbuchse
des Funkgerätes.
Ein Knoten 1302 entspricht dem Erdungskontakt in der PIFA,
der Knoten 1303 entspricht dem offenen Ende der PIFA und
ein Knoten 1304 entspricht der Erdungsfläche. Eine
Induktivität 1305 repräsentiert
die Induktivität
der Versorgungsleitung oder der Leitung zwischen der Antennenanschlussbuchse
des Funkgerätes
und dem kapazitiv gekoppelten Versorgungspunkt, eine Kapazität 1306 repräsentiert
die Kapazität
der kapazitiven Versorgung, eine Induktivität 1307 repräsentiert
die Induktivität zwischen
der Antennenanschlussbuchse und dem Erdungskontakt, eine Induktivität 1308 repräsentiert die
Induktivität
des PIFA-Elementes und eine Kapazität 1309 repräsentiert
die Kapazität
zwischen dem offenen Ende des PIFA-Elementes und der Erdungsfläche. Die
Figur zeigt, dass die Versorgungsleitungsinduktivität 1305 und
die Versorgungspunktkapazität 1306 eine
serielle Resonanzschaltung zwischen der Antennenanschlussbuchse
des Funkgerätes
und dem Antennenversorgungspunkt bilden.
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Der
Wert der Kapazität
1306 kann
durch Variieren der Größe des Versorgungspunktkopplungsfleckes
(
1103 in der
11)
und Wählen
gewünschter
Werte für
die Dicke und Dielektrizitätskonstante der
gedruckten Schaltungsplatte eingestellt werden, die das strahlende
Antennenelement abstützt:
eine grobe Abschätzung
für den
Wert der Kapazität
C kann folgendermaßen
berechnet werden:
wobei ε
0 die
Dielektrizitätskonstante
von Vakuum ist, ε
r die relative Dielektrizitätskonstante
des Materials der gedruckten Schaltungsplatte ist, A die Fläche des Kopplungsfleckes
ist, und d die Dicke des Materials der gedruckten Schaltungsplatte
ist. Der Wert der Kapazität
1306 beeinflusst
die Resonanzfre quenz der seriellen Reseonanzschaltung. Durch geeignetes
Dimensionieren kann diese Frequenz eingestellt werden, um nahe der
Resonanz- oder Betriebsfrequenz der PIFA selbst zu sein, wodurch
die Impedanzbandbreite der Antenne bezüglich jener einer galvanisch versorgten
PIFA bis zu verdoppelt wird. Bei der Dualfrequenzantennenstruktur
kann der Bandbreitenerweiterungseffekt der seriellen Resonanz wunschgemäß auf entweder
die höhere
oder die niedrigere Betriebsfrequenz gerichtet werden; allgemein
kann gesagt werden, dass der Effekt der seriellen Resonanz in einer
Antennenstruktur von einer höheren
Betriebsfrequenz zu einer niedrigeren verschoben werden kann, indem
der kapazitive Versorgungskopplungsfleck größer gemacht wird. Typischerweise
gibt es in Dualfrequenz- oder Multifrequenzantennen eine Betriebsfrequenz,
die eine Impedanzbrandbreite hat, die inhärent schmäler ist als die anderer Betriebsfrequenzen,
so dass der Bandbreitenerweiterungseffekt der kapazitiven Versorgung
vorzugsweise auf jene spezielle Betriebsfrequenz gerichtet ist.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nur exemplarisch wiedergegeben und beschränken die
Erfindung nicht. Zum Beispiel brauchen das planare Strahlungselement
und die Erdungsfläche
nicht absolut planar sein, sondern ihre Form kann z. B. wie bei
der in 2 gezeigten Antennenstruktur
des Standes der Technik gekrümmt
sein. Der Rahmen 1205, der in der 12 durchgehend gezeigt ist, kann auch
getrennte Teile enthalten, und er braucht nicht die gesamte Länge des
Randes der gedruckten Schaltungsplatte 1204 abdecken, wenn
eine ausreichende mechanische Stabilität erzielt wird, indem nur bestimmte
Teile des Randes auf anderen Teilen des Funkgerätes aufliegen.
