DE60026132T2

DE60026132T2 - Planare Antennenstruktur

Info

Publication number: DE60026132T2
Application number: DE60026132T
Authority: DE
Inventors: Petteri Annamaa; Jyrki Mikkola
Original assignee: LK Products Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: EP1083624A3; ATE318453T1; EP1083624A2; FI19991929A; CN1188929C; US6380905B1; CN1289157A; DE60026132D1; EP1083624B1; FI114587B

Description

Die Erfindung betrifft eine interne Planarantennenstruktur in einem Funkgerät mit kleiner Größe, wie Mobiltelefonen.
In einem tragbaren Funkgerät ist es sehr wünschenswert, dass die Antenne innerhalb der Abdeckungen des Gerätes angeordnet ist, da eine vorstehende Antenne unpraktisch ist. In modernen Mobilstationen muss zum Beispiel die interne Antenne natürlich von kleiner Größe sein. Auf dieses Erfordernis wird ferner Wert gelegt, da Mobilstationen kleiner und kleiner werden. Ferner sollte in Dualbandantennen zumindest das obere Betriebsband relativ breit sein, insbesondere wenn das in Rede stehende Gerät vorgesehen ist, um in mehr als einem System zu funktionieren, das das 1,7–2 GHz-Band nutzt.
Wenn auf das Realisieren einer Antenne mit kleiner Größe abgezielt wird, ist die allgemeinste Lösung, eine PIFA- (planare invertierte F-Antennen-) Struktur zu verwenden. Das Strahlungselement in einer PIFA kann eine kontinuierliche Ebene bilden, was eine Antenne von einem nutzbaren Betriebsband erzeugt. Das Strahlungselement kann auch einen Schlitz in sich haben, der das Element, vom Versorgungspunkt aus betrachtet, in zwei Zweige teilt, so dass eine Antenne von zwei nutzbaren Betriebsbändern erzeugt wird. Die letztere Struktur ist interessanter, da Mobilstationen, die in zwei Systemen funktionieren, die verschiedene Frequenzbänder verwenden, populär wurden. Die Dualbandstruktur sorgt auch für einen geeigneten Rahmen für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
Die 1 zeigt ein Beispiel einer Dualband-PIFA des Standes der Technik. In der Figur ist von dem in Rede stehenden Gerät der Rahmen 120 zu sehen, der horizontal gezeichnet ist und der als die Erdungsebene der Antenne fungiert. Über der Erdungsebene gibt es ein planares Strahlungselement 110, das durch Isolierstücke, wie 105, abgestützt ist. Zwischen dem Strahlungselement und der Erdungsebene gibt es ein Kurzschlussstück 102. Das Steuerungselement 110 wird an einem Punkt F durch ein Loch 103 in der Erdungsebene versorgt. In dem Strahlungselement gibt es einen Schlitz 115, der von dem Rand des Elementes startet und bis hin zu nahe dem Versorgungspunkt F verläuft, nachdem er zwei rechtwinklige Biegungen gemacht hat. Der Schlitz teilt das Strahlungselement von dem Versorgungspunkt F aus betrachtet in zwei Zweige A1 und A2, die unterschiedliche Längen haben. Der längere Zweig A1 enthält bei diesem Beispiel den Hauptteil der Randregionen des Strahlungselementes und seine Resonanzfrequenz fällt auf das untere Betriebsband der Antenne. Der kürzere Zweig A2 enthält die Mittelregion des Strahlungselementes und seine Resonanzfrequenz fällt in das obere Betriebsband der Antenne.
Bei der Struktur gemäß der 1 ist der Schlitz zwischen den Zweigen des Strahlungselementes relativ schmal, so dass dort eine elektromagnetische Kopplung von beachtlicher Größe zwischen den Zweigen existiert. Als eine Folge ist eine elektrische Länge der Zweige größer als die mechanische Länge. Dies führt wiederum zu dem Vorteil, dass eine Antenne, die in den gegebenen Frequenzbändern funktioniert, im Vergleich zu einer entsprechenden Antenne ohne diese elektromagnetische Kopplung kleiner wird. Ein Nachteil der Kopplung ist jedoch, dass die elektrischen Charakteristika der Antenne beeinträchtigt werden; zum Beispiel wird die Bandbreite kleiner und werden die Verluste größer. Andererseits werden sich, wenn der Schlitz in dem Strahlungselement breiter gemacht wird, die elektrischen Charakteristika der Antenne verbessern, aber die Antenne muss größer gemacht werden. Wie bekannt ist, können die Frequenzbänder auch durch Vergrößern des Abstandes zwi schen dem Strahlungselement und der Erdungsebene breiter gemacht werden, aber diese Anordnung hat auch den Nachteil, die Antenne größer zu machen.
Aus dem Dokument DE 19707535 ist eine Viertelwellenstreifenleitungsantenne bekannt, wo der strahlende Streifen Erweiterungen hat, um die Antenne kleiner zu machen. Die Platte, auf welcher der strahlende Streifen liegt, ist vollständig von einer dielektrischen Schicht bedeckt. Das Ziel dieser Schicht ist es, den Einfluss von externen Objekten auf die Antennencharakteristika zu schwächen. Dieses Dokument offenbart den Oberbegriff des Anspruches 1.
Das Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile zu verringern, die mit dem Stand der Technik verbunden sind. Die Struktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 ausgedrückt ist. Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen angegeben.
Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Eine Schicht aus dielektrischem Material, dessen Dielektrizitätskonstante relativ hoch ist, ist außerhalb der Ebene der äußeren Oberfläche des Strahlungselementes einer PIFA angeordnet. Die Schicht ist so angeordnet, um wenigstens die Bereiche abzudecken, in welchen das elektrische Feld das stärkste ist, wenn die Antenne mitschwingt. In dem Fall einer Dualbandantenne ist der Schlitz des Strahlungselementes vorteilhafterweise so breit ausgeführt, dass der Effekt des Koppelns zwischen den Zweigen des Elementes klein ist.
Das Hinzufügen von dielektrischem Material hat den bekannten Effekt des Abwärtsverschiebens der Resonanzfrequenz oder -frequenzen der Antenne, so dass, um eine gegebene Resonanzfrequenz zu erhalten, die Größe des Resonanzelementes verringert werden muss. Andererseits hat das Hinzufügen von dielektrischem Material an vorteilhaften Stellen den Effekt, die Impe danz der Antenne nahe dem Nominalwert über einem breiteren Frequenzbereich zu halten, was eine größere Bandbreite bedeutet. Dies basiert auf dem Richten des Strahlungsflusses, der außerhalb des Raums zwischen dem Strahlungselement und der Erdungsebene fließt, auf einen breiteren Weg. Wie oben beschrieben wurde, führt das Verbreitern des Schlitzes des Strahlungselementes zu der Verbesserung der elektrischen Charakteristika der Antenne, führt aber andererseits auch zu der Tatsache, dass die Antenne größer gemacht werden muss, wenn die Resonanzfrequenzen so liegen sollen, wie es erwünscht ist.
Durch geeignetes Kombinieren des Hinzufügens von dielektrischem Material "oben drauf" auf das Strahlungselement und des Verbreiterns des Schlitzes in dem Element kann die Antenne kleiner und wenigstens so gut in ihren elektrischen Charakteristika gemacht werden, wie eine entsprechende Antenne des Standes der Technik. Alternativ können die elektrischen Charakteristika der Antenne im wesentlichen ohne Vergrößern der Größe der Antenne verbessert werden. Im letzteren Fall sind die Effekte des Hinzufügens von dielektrischem Material und Verbreiterns des Schlitzes des Strahlungselementes auf die Größe der Antenne entgegengesetzt zu einander. Natürlich kann gemäß der Erfindung eine Struktur angeordnet werden, die innerhalb oder nach außerhalb des Zwischenbereiches zwischen die zwei besagten Fälle fällt. Zusätzlich hat die Erfindung den Vorteil, dass die ihr gemäße Struktur einfach und relativ niedrig in den Herstellungskosten ist.
Die Erfindung wird nun genau beschrieben. In der Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, worin
1 ein Beispiel einer PIFA gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 eine PIFA als eine Einführung in die Erfindung zeigt,
3 eine Seitenansicht einer Struktur gemäß der 2 zeigt,
4 einige Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt,
5 mittels Kurven den Vorteil zeigt, der durch die Erfindung erzielt wird, und
6 ein Beispiel einer Mobilstation zeigt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
Die 1 wurde bereits in Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik diskutiert.
Die 2 zeigt eine Antennenstruktur als eine Einführung in die Erfindung. Die Grundlösung bei der Antenne 200 ist identisch mit jener von 1. Sie enthält ein Strahlungselement 210, eine Erdungsebene 220 und ein Kurzschlussstück 202 dazwischen. Der innere Leiter der Antennenversorgungsleitung ist durch ein Loch 203 in der Erdungsebene mit der Strahlungsebene 210 an einem Punkt F verbunden, der in dem dargestellten Beispiel nahe dem vorderen Rand des Strahlungselementes ist. In dem Strahlungselement 210 gibt es einen Schlitz 215, der vom linken Rand des Elementes, wie es gezeichnet ist, startet und zu nahe dem Versorgungspunkt F verläuft. Wie in der 1 teilt der Schlitz des Strahlungselementes das Element von dem Versorgungspunkt F aus betrachtet in zwei Zweige A1 und A2. Der Zweig A1 ist länger als der Zweig A2. Der Unterschied zur 1 ist, dass gemäß der Erfindung der Schlitz bemerkenswert groß ist. Er trennt die Zweige A1 und A2 in einem solchen Umfang, dass die elektromagnetische Kopplung zwischen ihnen im wesentlichen schwächer als in der Struktur von 1 ist.
Der bedeutendste Unterschied von bekannten Strukturen ist die dielektrische Platte 230 auf der Außenoberfläche des Strahlungselementes 210. "Außenoberfläche" des Strahlungselementes bezieht sich hier und in den Ansprüchen auf die Oberfläche entgegengesetzt zu jener Oberfläche des Strahlungselementes, die der Erdungsebene zugewandt ist. In dem Beispiel von 2 ist die dielektrische Platte 230 massiv und bedeckt Teile der ferneren Enden der Zweige A1 und A2, wie es vom Versorgungspunkt F aus zu sehen ist. In diesen Bereichen ist der Effekt des dielektrischen Materials auf den Strahlungsfluss der Antenne an seinem Höhepunkt, weil, wenn ein Zweig des Elementes in Resonanz ist, das elektrische Feld das stärkste an dem fernen Ende des Zweiges ist, wodurch der Strahlungsfluss dort auch am größten ist. Bei dem Beispiel von 2 bedeckt die dielektrische Platte 230 zusätzlich einen großen Teil des Bereiches 215 zwischen den Zweigen A1 und A2.
Es soll eine solche dielektrische Schicht hier ein Superstrat genannt werden. Das "Superstrat" kann zum Beispiel aus einer Keramik oder einem Kunststoff zusammengesetzt sein. Um so größer die Permittivität des Superstrates ist, um so größer ist der Strahlungsflussrichtungseffekt davon. Natürlich muss die relative Permittivität ε_r größer als eins sein; vorteilhafterweise mehr als zehn. Jedoch werden, wenn der Wert des Koeffizienten ε_r vergrößert wird, die Verluste, die durch das Superstrat verursacht werden, an einem bestimmten Punkt nachteilig hoch. Der optimale Wert des Koeffizienten ε_r ist fallabhängig; er kann zum Beispiel 40–50 sein.
Die 3 zeigt die Struktur gemäß der 2 von der Seite und von dem höheren Teil des Rahmens des Gerätes aus gesehen. Die Erdungsebene 220 ist gezeigt. Von dem Strahlungselement sind die Enden der Zweige A1 und A2 sichtbar, wie auch der Raum 215 zwischen ihnen, der dunkler gezeigt ist. Auf der Oberseite des Strahlungselementes gibt es ein Superstrat 230, so dass es die Zweige A1 und A2 teilweise und den Mundteil zwischen ihnen vollständig bedeckt. Zusätzlich zeigt die 3 den Versorgungsleiter 201, das Kurzschlussstück 202 und ein Haltestück 206 des Strahlungselementes.
Die Unterfiguren (b) und (c) der 4 stellen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die obere linke Unterfigur 4 (a) zeigt die Anordnung von 2 von der Seite der Erdungs-ebene aus betrachtet. Es gibt auf der Außenoberfläche des Strahlungselementes 410 ein Superstrat S ähnlich der Schicht 230 in den 2 und 3. Das Superstrat S hat eine bestimmte Permittivität ε. Die Unterfigur (b) zeigt eine Anordnung, die im übrigen identisch mit jener der Unterfigur (a) ist, aber das Superstrat enthält nun zwei Teile. Das Superstrat S1 bedeckt das Ende des Zweiges A1 des Strahlungselementes, und das Superstrat 2 bedeckt das Ende des Zweiges A2. In der Unterfigur (c) sind zwei Superstrate S1 und S2 ähnlich zur Unterfigur (b) gezeigt, aber mit dem Unterschied, dass sie unterschiedliche Permittivitäten ε haben. Die Permittivität des ersteren ist ε₁ und jene des letzteren ist ε₂. Zusätzlich ist der Zweig A1 von einem dritten separaten Superstrat S3 bedeckt, das eine bestimmte Permittivität ε₃ hat.
Die Kurven in der 5 geben im Prinzip eine Bandbreite B der Antenne als eine Funktion des Volumens V der Antenne wieder. Die Kurve 51 repräsentiert den Stand der Technik und die Kurve 52 repräsentiert die Erfindung. Sie sind beide aufsteigende Kurven, aber die Kurven, die die Erfindung repräsentiert, ist über derjenigen, die den Stand der Technik repräsentiert. Angegeben in der Figur ist ein Punkt P, der einer Antenne gemäß dem Stand der Technik entspricht. Wenn die Erfindung auf diese Antenne angewandt wird, ist es möglich, sich in verschiedenen Richtungen von dem Punkt P zu bewegen. Wenn man sich zur Kurve 52 in Vertikalrichtung bewegt, gibt der Unterschied die Zunahme ΔB in der Bandbreite an. Wenn man sich zur Kurve 52 in der Horizontalrichtung bewegt, gibt der Unterschied die Abnahme ΔV im Volumen an. Kurven, die jenen entsprechen, die in der 5 gezeigt sind, könnten auch zum Beispiel für die Effizienz der Antenne gezeichnet werden. In jenem Fall wäre auch die Kurve, die die Antenne gemäß der Erfindung repräsentiert, über der Kurve, die die Antenne gemäß dem Stand der Technik repräsentiert.
Die 6 zeigt eine Mobilstation ms. Sie hat eine Antenne 600 gemäß der Erfindung, die bei dem dargestellten Beispiel vollständig innerhalb der Abdeckungen der Mobilstation angeordnet ist.

Claims

Antennenstruktur, enthaltend eine Erdungsebene, ein planares Strahlunselement (210; 410), das einen Schlitz hat, der das Strahlungselement, von seinem Versorgungspunkt (F) aus betrachtet, in einen ersten Zweig (A1) und einen zweiten Zweig (A2) teilt, um zwei separate Betriebsfrequenzbänder zu schaffen, wobei die Antennenstruktur ferner dielektrisches Material an der Außenoberfläche des Strahlungselementes enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material wenigstens zwei Superstrate (S1, S2) enthält, die beide in derselben geometrischen Ebene parallel zu dem Strahlungselement angeordnet sind, wobei ein erstes Superstrat (S1) das Ende des ersten Zweiges (A1) des Strahlungselementes bedeckt, und ein zweites Superstrat (S2) das Ende des zweiten Zweiges (A2) des Strahlungselementes bedeckt.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Superstrate verschiedene Permittivität (ε₁, ε₂) haben.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante der wenigstens zwei Superstrate größer als zehn ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Schlitze größer als ein Zehntel eines Bereichs des Strahlungselementes ist.