DE60019196T2

DE60019196T2 - Antennenstruktur

Info

Publication number: DE60019196T2
Application number: DE60019196T
Authority: DE
Inventors: Anne Isohätälä; Suvi Tarvas; Jyrki Mikkola
Original assignee: Filtronic LK Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: EP1061603A3; FI112986B; EP1061603A2; CN1277470A; US6252554B1; FI991359A0; DE60019196D1; FI991359A; EP1061603B1; CN1206770C

Description

Die Erfindung betrifft Dualmodusantennen, insbesondere geeignet für Mobilstationen. Eine Dualmodusantenne bedeutet, dass sie zwei elektrische Betriebszustände hat und der Übergang zwischen den Zuständen durch Ändern der mechanischen Struktur der Antenne ausgeführt wird.
Als Dualmodusantennen sind die Spiralen/Peitschen-Antennenkombinationen vorbekannt, wobei die Peitschensektion entweder innerhalb der Mobilstation ist oder außerhalb davon verläuft. Die letzterwähnte Position wird erforderlichenfalls verwendet, um die Qualität der Verbindung zu verbessern. Die Spirale ist stationär am Rahmen der Mobilstation, wodurch sich die Peitsche durch die Spirale erstreckt, oder liegt am Ende der Peitsche, wodurch beide Sektionen beweglich sind. Ein Nachteil bei Antennen dieses Typs ist, dass die Spiralsektion immer außerhalb der Mobilstation bleibt, wo sie einen störenden Vorsprung bildet.
Aus dem Stand der Technik ist ferner u. a. aus der Veröffentlichung WO98/56066 eine Dualmodusflachantenne gemäß der 1 bekannt. Sie enthält eine Erdungsebene 11 und eine Strahlungsebene 12, die leicht über die Erdungsebene angehoben ist. Die Strahlungsebene kann längs den Nuten eines dielektrischen Körpers bewegt werden. Ein Stück des genuteten dielektrischen Körpers 18 ist in der 1 gezeichnet, so dass es an einem Rand der Ebene 12 zu sehen ist. Wenn die Fläche zurückgezogen ist, arbeitet die Struktur als eine Antenne des planaren invertierten F-Antennen-(PIFA-)Typs. Dann erfolgt die Versor gung über die Leitung 13 zu einem Punkt 14 der Fläche 12. Ein Kurzschluß zwischen der Fläche 12 und der Erdungsebene 11 wird an einer anderen Position 15 erzeugt. Wenn die Fläche 12 in die in der 1 durch eine gestrichelte Linie gezeigte Position ausgezogen ist, arbeitet die Struktur als eine Monopolantenne. Dann erfolgt die Versorgung über die Leitung 13 und die Übertragungsleitung 16 zu der Fläche 12 an einem Punkt 17. Diese Anordnung enthält auch einen Kurzschluß der Übertragungsleitung 16, wenn die Fläche 12 zurückgezogen ist, und eine Impedanzabstimmung, wenn die Fläche 12 ausgezogen ist. Diese Anordnungen sind in der 1 nicht sichtbar.
Ein Nachteil der oben beschriebenen Struktur ist die Unzuverlässigkeit der galvanischen Verbindung in solchen Positionen, in denen das andere Teil beweglich ist. Die Verbindung kann aufgrund mechanischen Verschleißes der Nuten in dem dielektrischen Körper oder aufgrund einer Deformation der Strahlungsebene als Ergebnis der Anwendung verschlechtert werden.
Aus dem Dokument US 4 914 714 ist ein Funkgerät bekannt, das eine Raumdiversitätsempfangsfunktion hat. Die Antennenstruktur des Geräts enthält eine ausziehbare Peitschenantenne und eine weitere Antenne, die eine interne Planarantenne sein kann. Ferner enthält die Struktur eine Schaltanordnung, die durch das untere Ende der Peitsche gesteuert wird. Die Schaltanordnung funktioniert folgendermaßen: Wenn die Peitsche zurückgezogen ist, dann ist die interne Antenne an den Transmitter und den ersten RX-Filter angeschlossen. Wenn die Peitsche ausgezogen ist, ist sie an den Transmitter und den ersten RX-Filter angeschlossen und ist die interne Antenne an den zweiten RX-Filter für den Diversitätsempfang angeschlossen.
Das Dokument WO97/18600 betrifft eine Antennenstruktur, die einen fixierten Radiator und einen beweglichen Radiator hat. Wenn der bewegliche Radiator ausgezogen ist, stellt sein unteres Ende einen Kontakt mit dem fixierten Radiator her und er hält der bewegliche Radiator seine Versorgung durch den Kontakt.
Das Ziel der Erfindung ist es, die angegebenen Nachteile betreffend den Stand der Technik zu verringern. Die Antennenstruktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch ausgedrückt ist. Einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Die Antennenstruktur enthält eine Antenne des PIFA-Typs, die innerhalb der Umhüllungen der Mobilstation liegt, und ein Peitschenelement, das bezüglich der PIFA bewegt werden kann. Die PIFA kann eine Einzelfrequenz- oder eine Dualfrequenzantenne sein. Wenn das Peitschenelement in der unteren Position ist, hat es keine wesentliche Kopplung mit den Teilen der PIFA. Wenn das Peitschenelement in der oberen Position oder ausgezogen ist, dann bildet sein unteres Ende eine galvanische oder kapazitive Kopplung mit dem Strahlungselement der PIFA. Wenn die PIFA eine Einzelbandantenne ist, ändert das ausgezogene Peitschenelement die Resonanzfrequenz der PIFA, so dass das Peitschenelement das Strahlungselement bei dem Betriebsband sein wird. Wenn die PIFA eine Dualbandantenne ist, kann das Peitschenelement eine der Resonanzfrequenzen der PIFA ändern, vorzugsweise die untere Resonanzfrequenz, so dass bei dem unteren Betriebsband nur die ausgezogene Peitsche als das Strahlungselement arbeitet. Bei dem oberen Betriebsband fungiert die leitende Fläche der PIFA als das Strahlungselement. Alternativ verbessert das ausgezogene Peitschenelement nur den Betrieb der Antenne bei dem unteren Betriebsband, ohne die Resonanzfrequenz der PIFA zu ändern. Das Versorgen des Peitschenelements ist über die PIFA ohne jegliche zusätzliche Komponenten eingerichtet.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine Mobilstation, die mit einer Antenne der Erfindung versehen ist, keine störenden vor stehenden Teile hat, wenn die Mobilstation nicht zur Kommunikation verwendet wird. Jedoch können die Eigenschaften eines vorstehenden Peitschenelements erforderlichenfalls verwendet werden. Die Bandbreite und die Verstärkung der PIFA hängen stark vom Abstand zwischen den Ebenen der PIFA ab. Die Charakteristika von insbesondere klein gebauten PIFA sind nicht in allen Situationen in notwendiger Weise ausreichend. Wie bekannt ist, sorgt eine Peitschenantenne für eine gute elektrische Leistung. Durch Kombinieren einer PIFA und einer Peitschenantenne können die besten Eigenschaften beider Antennen verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Struktur gemäß der Erfindung zuverlässig ist, da es ein Minimum an beweglichen Teilen gibt, und selbst ein häufiges Bewegen des Peitschenelements entsprechend einer normalen Verwendung keinerlei wesentliche Änderungen bei den elektrischen Eigenschaften verursacht. Ein Vorteil der Erfindung ist ferner, dass die Herstellungskosten der Struktur relativ niedrig sind, weil sie einfach und für Serienproduktion geeignet ist. Ein Vorteil der Erfindung ist weiterhin, dass das Peitschenelement allgemein einen niedrigeren spezifischen Absorbtionsratenwert (SAR) verursacht als eine entsprechende PIFA. Ferner ist ein Vorteil der Erfindung, dass das Überbrücken der Lücke in dem strahlenden Muster der PIFA, was die Änderung der Resonanzfrequenz realisiert, die Antenne weniger empfindlich auf Effekte der Hand des Anwenders macht, als eine herkömmliche PIFA oder eine PIFA, die nicht durch die Peitsche überbrückt ist.
Die Erfindung wird unten im Detail beschrieben. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
1 ein Beispiel einer Dualmodusantenne des Standes der Technik zeigt,
2a ein Beispiel einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
2b die Struktur von 2a von einer Seite gesehen zeigt,
3 ein zweites Beispiel der Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
4 ein drittes Beispiel der Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
5 ein Beispiel des Abstimmens einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
6 ein Beispiel der Verbindungskomponente des Peitschenelements zeigt, und
7 ein weiteres Beispiel der Verbindungskomponente des Peitschenelements zeigt.
Die 1 wurde bereits in Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik beschrieben.
Die 2a zeigt ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Sie enthält eine Erdungsebene 201, ein strahlendes Planarelement 211 und ein Peitschenelement 220. Von diesen sind die Erdungsebene und das strahlende Planarelement stationär innerhalb der Umhüllungen der betroffenen Funkvorrichtung, und das Peitschenelement ist entweder innerhalb der Vorrichtung oder ausgezogen. Die Erdungsebene 201 kann zum Beispiel eine separate Metallplatte oder ein Teil des Rahmens oder eine metallische Schutzumhüllung der Funkvorrichtung sein. Das Planarelement 211 hat eine Lücke 213, die verwendet wird, um das leitende Muster des Elements zu formen, so dass die Planarantenne eine gewünschte Resonanzfrequenz erhält. Die Lücke 213 beginnt an einem Rand der Ebene 211 und endet im Zentrumsbereich der Ebene 211. Bei diesem Beispiel ist die Gestaltung des leitenden Musters so, dass die Planarantenne eine Einzelfrequenzbandantenne ist. Das Planarelement 211 wird über den Leiter 212 versorgt, der mit seinem Rand verbunden ist. Zwischen der Erdungsebene 210 und der Ebene 211 gibt es ein Überbrückungselement 202, so dass die Planarantenne des Beispiels vom PIFA-Typ ist. Das Peitschenelement 220 enthält die tatsächlich strahlende Peitsche 221, eine Verbindungskomponente 222 an ihrem unteren Ende und ein Auszugsteil 223 am oberen Ende der Peitsche, welches ein Greifen erleichtert. In der 2a ist die Peitsche 220 in ihrer oberen Position oder ausgezogen gezeigt. Dann ist die Verbindungskomponente 222 am Anfang der Lücke 213 des Planarelements 211. Die Verbindungskomponente 222 hat eine galvanische Verbindung an beiden Seiten der Lücke 213 des Planarelements 211, und somit wird die Lücke überbrückt. Aufgrund der überbrückten Lücke 213 erhöht sich die Resonanzfrequenz der Flächenantenne wesentlich, und daher fungiert die Planarantenne nicht als eine Antenne auf dem Betriebsfrequenzband, wenn das Peitschenelement 220 ausgezogen ist. Andererseits ist das Peitschenelement dimensioniert, um als eine Monopolantenne auf demselben Betriebsfrequenzband zu wirken, und somit ersetzt es die interne Planarantenne. Im Betriebszustand von 2a ist die Aufgabe des Planarelements 211, als eine Sektion des Versorgungsleiters der Peitsche 220 und als ein Element zu fungieren, das die Impedanz der Peitsche abstimmt.
Die 2b zeigt die Struktur von 2a von einer Seite gesehen. Die Verbindungskomponente 222 des Peitschenelements wird gegen das Planarelement 211 mit einer Kraft F mit Hilfe eines Mechanismus gedrückt, von welchem es ein Beispiel in der 6 gibt. Die 2b zeigt mit einer gestrichelten Linie das Peitschenelement innerhalb der Struktur zurückgezogen. Dann hat sie keine wesentliche elektrische Kopplung zum Rest der Struktur, und nur die Planarantenne fungiert als eine Antenne. Die Haltestruktur 251, 252 für die Planarantenne ist in der 2b ebenfalls gezeichnet. Das Teil 251 am oberen Teil der Antenne hält auch die Peitsche 221. Es hat ein Loch, in welchem die Peitsche 221 einwärts und auswärts bewegt werden kann.
Der Ausdruck "(ab)strahlen" bezeichnet in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen die beabsichtigte Verwendung des Elements. Natürlich strahlt das Element nicht, wenn es nicht versorgt wird. Ein "Strahlungs"-Element empfängt auch auf demselben Frequenzband, auf welchem es effektiv abstrahlen kann.
Die 3 zeigt ein zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Struktur unterscheidet sich von jener in der 2 nur hinsichtlich der Gestaltung des leitenden Musters des strahlenden Planarelements. Das Planarelement 311 von 3 hat zwei Lücken oder Spalte. Die erste Lücke 313 beginnt an einem ersten Rand des Planarelements nahe dem Versorgungspunkt P und erstreckt sich in der Figur horizontal bis zu einem bestimmten Abstand von dem entgegengesetzten oder zweiten Rand. Die zweite Lücke 314 beginnt am zweiten Rand und verläuft in der Figur horizontal bis zu einem bestimmten Abstand von dem ersten Rand des Flächenelements. Mit einem geeigneten Dimensionieren der Lücken kann die Planarantenne zwei verschiedene Resonanzfrequenzen erhalten; somit arbeitet sie als eine Dualbandantenne. Wenn das Peitschenelement 320 ausgezogen ist, überbrückt seine Verbindungskomponente 322 die erste Lücke 313 an ihrem Anfang. Dann wird die zweite, vorzugsweise untere Resonanzfrequenz wesentlich geändert. Als ein Ergebnis fungiert nur die Peitsche 321 als eine Antenne bei dem unteren Betriebsfrequenzband. Beim oberen Betriebsfrequenzband fungiert die Planarantenne als die Antenne, sowohl wenn das Peitschenelement zurückgezogen ist als auch wenn es ausgezogen ist.
In den Strukturen der 2 und 3 ist der Verbindungspunkt zwischen dem Peitschenelement und dem Planarelement nahe dem Versorgungspunkt P des Planarelements angeordnet. Auf diese Weise kann das Versorgen des Peitschenelements effektiver durchgeführt werden. In den gezeigten Strukturen dient das Überbrücken der Lücke des Planarelements demselben Zweck. Wenn dies nicht erfolgen würde, würden sowohl das Planarelement als auch die Peitsche als Strahler auf dem betroffenen Betriebsfrequenzband fungieren, wenn die Peitsche ausgezogen ist. Die Strahlungseffizienz des Peitschenelements wird durch seine Impedanzabstimmung auf den Antennenanschluss beeinträchtigt. Das Versorgen über die PIFA, die mit einem Überbrückungsleiter 202; 302 versehen ist, veranlaßt die Impedanz, sich in die induktive Richtung zu ändern. Daher kann das Abstimmen eine kapazitive Aufladung erfordern. In der 4 ist ein Beispiel, wie die Abstimmkapazität vorteilhafterweise angeordnet sein könnte. Die Struktur der 4 ist ähnlich zu jener der 2. Sie enthält eine Erdungsebene 401, ein strahlendes Planarelement 411 und ein Peitschenelement 420, das die tatsächlich strahlende Peitsche 421 und eine Verbindungskomponente 422 enthält. Das Planarelement 411 hat eine Lücke oder einen Spalt 413, die/der durch die Verbindungskomponente 422 überbrückt ist. Der Versorgungspunkt P des Flächenelements ist nahe der Überbrückungsposition der Lücke 413. Der Unterschied im Vergleich zur Struktur der 2 ist, dass eine Leiste 415 zur Erdungsebene 401 hin gerichtet ist, welche Leiste durch Umbiegen des Planarelements gebildet ist. Die Kapazität zwischen der Leiste und der Erdungsebene wird beim Abstimmen der Impedanz der Peitschenantenne verwendet. Das Abstimmen kann z. B. durch Ändern der Dimensionen der Überbrückungsleiter 202, 302, die in den 2 und 3 gezeigt sind, getuned werden.
Die 5 zeigt ein Beispiel, wie die galvanische Verbindung zwischen dem Peitschenelement und dem Planarelement anzuordnen ist. Die Figur zeigt das tatsächliche Peitschenelement 221, die Verbindungskomponente 222, das Planarelement 211 und seine Lücke 213, wie in der 2b. Die 5 zeigt ferner ein Teil des dielektrischen Körpers 550, der zu der Haltestruktur der Planarantenne parallel zum Planarelement 211 gehört, und die Streifenfedern 525 und 527, die an der Verbindungsk omponente 222 befestigt sind. Wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, ist die Verbindungskomponente 222 zwischen dem Planarelement 211 und dem Haltekörper 550, so dass die Feder 525 das Planarelement drückt und die Feder den Haltekörper drückt. Dann bildet die Kontaktfeder 525 einen festen Kontakt mit dem Planarelement 211 an beiden Seiten seiner Lücke 213. An einer Seite der Hauptdarstellung zeigt die 5 die Verbindungskomponente 222, wie sie in der Richtung vom Flächenelement 211 zu sehen ist. Sie zeigt die Kontaktfeder 525 und ferner parallel zu ihr eine zweite ähnliche Kontaktfeder 526. Der Doppelkontakt, der durch sie gebildet ist, verbessert die Zuverlässigkeit der Verbindung.
Die 6 zeigt ein anderes Beispiel der Verbindungskomponente des Peitschenelements. Die Verbindungskomponente 622 enthält gebogene Kontaktfedern, wie 627, in einer zylindrischen symmetrischen Anordnung, so dass sie eine faßähnliche Peripherie bilden. Die Kontaktfedern sind aneinander und an der Peitsche 621 durch Haltekörper 631, 632 befestigt. Eine Struktur dieser Art ermöglicht es der Peitsche, hinsichtlich ihrer Achse gedreht zu werden. Die hohe Anzahl von Kontaktfedern bedeutet ferner eine längere Betriebslebensdauer.
Oben haben wir einige Lösungen gemäß der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf sie beschränkt. Die Planarantenne könnte von einem anderen Typ als PIFA sein. Sie könnte auch ein parasitäres Element enthalten. Die Form und der Verriegelungsmechanismus der Verbindungskomponente können in einem weiten Bereich variieren. In ihrer einfachsten Form wird die hülsenähnliche Verbindungskomponente nur zwischen die Flächenvorsprünge gezogen, die über die Ränder der Lücke des Planarelements gebogen sind. Die erfinderische Idee kann auf zahlreiche Weisen innerhalb der Grenzen angewandt werden, die in dem unabhängigen Anspruch angegeben sind.

Claims

Antennenstruktur einer Funkvorrichtung, enthaltend hinsichtlich des Rahmens der Vorrichtung ein stationäres Teil und ein bewegliches Teil, – welches stationäre Teil eine Erdungsebene (201; 301; 401) und ein strahlendes Planarelement (211; 311; 411) hat, welche Ebenen innerhalb einer Umhüllung der Vorrichtung angeordnet sind, und – welches bewegliche Teil ein strahlendes Peitschenelement (220; 320; 420) hat, welches während des Betriebs der Funkvorrichtung im wesentlichen innerhalb der Umhüllung der Vorrichtung angeordnet sein kann und ausgezogen werden kann, in welchem letzteren Fall das Peitschenelement eine galvanische Kopplung mit dem Planarelement hat, durch welche Kopplung das Peitschenelement angeordnet ist, um versorgt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Planarelement (211; 311, 411) eine nichtleitende Lücke (213; 313; 413) zum Erlangen einer gewünschten Resonanzfrequenz hat, und die galvanische Kopplung über die Lücke an beiden Seiten davon hergestellt wird, um eine Resonanzfrequenz des Planarelements zu ändern.
Struktur nach Anspruch 1, wobei es am Ende des Peitschenelements wenigstens eine erste und zweite Kontaktfeder (525, 527) gibt, die an wenigstens einem ihrer Enden am Peitschenteil (221) des Peitschenelements befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, ihr besagtes Ende zwischen einem stationären dielektrischen Haltekörper (550) der Struktur und dem Planarelement (211) angeordnet ist, so dass seine erste Kontaktfeder (525) gegen den dielektrischen Haltekörper gedrückt ist und die zweite Kontaktfeder (527) gegen das Planarelement gedrückt ist, um eine galvanische Kopplung zu bilden.
Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfedern (627) gebogen und in im wesentlichen gleichen Intervallen an einer faßähnlichen Oberfläche in gleichen Abständen von der Achse des Peitschenelements (620) angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planarelement (411) einen leitenden Vorsprung (415) zu der Erdungsebene (401) hin hat, um die Versorgungsimpedanz des Peitschenelements (420) abzustimmen.
Antennenstruktur nach jeglichem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihr stationäres Teil eine Antenne des PIFA-Typs bildet.