DE60109995T2

DE60109995T2 - Adapter-Antenne für Mobiltelephone

Info

Publication number: DE60109995T2
Application number: DE60109995T
Authority: DE
Inventors: Zsolt Barna
Original assignee: Smarteq Wireless AB
Current assignee: Smarteq Wireless AB
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: EP1170822B1; US20020063659A1; DE60109995D1; SE0002575L; SE523526C2; EP1170822A1; US6538607B2; SE0002575D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Adapter-Antenne, die eine elektromagnetische Welle innerhalb des Nahbereichs einer anderen Antenne kontaktlos empfangen und übertragen kann. Die häufigste Anwendung einer Adpater-Antenne tritt beim Anschluss eines Mobiltelefons, das temporär in einem Fahrzeug eingesetzt wird, an eine außerhalb des Fahrzeugs befestigte Außenantenne auf.
Stand der Technik
Alle Mobiltelefone sind mit einer integrierten ersten Antenne ausgestattet, wobei jedoch nicht alle Modelle eine koaxiale Anschlussstelle für einen Anschluss an eine externe zweite Antenne aufweisen. Falls jemand die Verwendung einer externen Antenne bei einem Mobiltelefon wünscht, bei dem eine derartige Antennen-Anschlussstelle fehlt, kann eine Adapter-Antenne in der Nähe der ersten Antenne angeordnet und mit Hilfe eines Koaxialkabels (33) mit der zweiten Antenne verbunden werden.
Nachfolgend wird beschrieben, was die Besonderheit einer Adapter-Antenne im Vergleich zu anderen Antennen im Allgemeinen ist. Antennen sind für gewöhnlich im Fernbereich einer zu einer ersten Antenne angeordnet, wo die Wellenfront in etwa eben mit den elektrischen und magnetischen Feldvektoren im rechten Winkel zueinander liegt. In diesem Fall beeinflussen die Antennen die Stromverteilung untereinander nicht, und sie können unabhängig voneinander konstruiert sein. Eine Adapter-Antenne ist nahe einer ersten Antenne in deren Nahbereich angeordnet. Die elektrischen und magnetischen Feldvektoren weisen hier im Allgemeinen keine rechten Winkel zueinander auf. Die Stromverteilungen der ersten Antenne und der Adapter-Antenne beeinflussen sich gegenseitig. Im Idealfall sollte der Transfer zwischen der ersten Antenne und der Adapter-Antenne vollständig sein, und die gesamte Energie von der ersten Antenne sollte von der Adapter-Antenne aufgenommen werden, was in der Praxis niemals erreicht werden kann. Im Falle einer Verwendung in einem Fahrzeug strahlt die nicht-übertragene Energie in das Fahrzeug ab. Dies ist ein großer Nachteil, da die Strahlung nicht völlig erkannte biologische Wirkungen aufweist, weswegen man sich entschied, eine Außenantenne zu verwenden. Diese beschriebenen Bedingungen, die für die Adapter-Antenne im Vergleich zu anderen Arten von Antennen spezifisch sind, bedeuten, dass die Adapter-Antenne individuell für jede Art von erster Antenne optimiert werden sollte. Die Optimierung kann sich schwieriger gestalten, wenn das Telefon eine Vielzahl von N-Frequenzbändern aufweist, wobei N größer als 1 ist.
Die geläufigste Art von Antenne für Mobiltelefone ist die Monopol- oder Kleinwendel-Antenne. Eine Adapter-Antenne für einen solchen Einsatz sind aus den Patenten US 422095 , GB 2266997, SE 50393U, US 577585 , SE 504343, WO98/25323 bekannt. Alle verwenden einen Rahmen als Kopplungselement. Für andere Arten von Telefonantennen geeignete Adapter-Antennen können auch als Mäander-Windungen gemäß Beschreibung in den Patenten SE 506726 und SE 507100 geformt sein.
Die Entgegenhaltung D1 EP-A-0 999 607 offenbart eine Antennen-Kopplungsvorrichtung zum Koppeln einer Funk-Telekommunika tionsvorrichtung mit einer integrierten Planar- Antenne an eine externe Vorrichtung. Die integrierte Planar- Antenne der Funk-Telekommunikationsvorrichtung weist ein erstes planares leitfähiges Antennenelement auf. Die Antennen-Kopplungsvorrichtung umfasst ein zweites planares leitfähiges Antennenelement, das dem ersten planaren leitfähigen Antennenelement im Wesentlichen ähnlich ist, ein erstes leitfähiges Gegengewicht, das parallel zu dem zweiten planaren leitfähigen Antennenelement ist, sowie eine Übertragungsvorrichtung für das Leiten eines Funkfrequenzsignals zwischen dem zweiten planaren leitfähigen Antennenelement und der externen Vorrichtung.
Die vom Prüfer genannte Entgegenhaltung EP-A-1 006 606 offenbart eine Haltevorrichtung und ein Verfahren zum Übertragen von Signalen zwischen Gerät und Haltevorrichtung. Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für ein handgehaltenes Gerät zum Emittieren von Funksigalen, wobei das Gerät eine Patch-Antenne aufweist. Die Haltevorrichtung weist eine Patch-Antenne auf, die dazu ausgelegt ist, mit der entsprechenden Patch-Antenne auf einem in der Haltevorrichtung plazierten Gerät zusammenzuarbeiten.
Aufgabe und Verfahren der Erfindung
Die bekannten Arten von Adapter-Antennen sind für gewisse Arten von ersten Antennen nicht optimal, beispielsweise für invertierte L, E und F (PIVA) Antennen. Rahmen sind für Adapter-Antennen an diese weniger geeignet. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine optimale Lösung zu erreichen, indem die elektrische Feldkomponente verwendet wird, was darauf schließen lässt, dass diese zusammen mit einem geeigneten adaptiven Schaltkreis als Kondensator wirkt. Die Erfindung kann sowohl für Adapter-Antennen mit nur einem Frequenzband als auch mit einer Vielzahl von Frequenzbändern verwendet werden.
Die Optimierung erfolgt in den folgenden Schritten:

– Bestimmen der kleinsten Kondensatorplatte, die wirksam Energie übertragen kann. Dies erfolgt durch Berechnen oder Messen der Stromverteilung der ersten Antenne und Bestimmen der Oberfläche oder der Oberflächen, wo die Stromdichte groß ist, und Konstruieren der Kondensatorplatte der Adapter-Antenne derart, dass diese eine entsprechende Oberfläche aufweist.
– Auswählen eines Versorgungspunkts und einer Vorrichtung zum Abgleichen der Impedanz des Koaxialkabels, wie beispielsweise 50 Ohm. Am anderen Ende des Koaxialkabels kann die zweite Antenne oder eine Verstärkereinheit angeschlossen werden.
– Bereitstellen eines geeigneten Gegengewichts, wie beispielsweise ein Rahmen um die Kondensatorplatte.
– Optimieren der Adapter-Antenne, wordurch der Einfluss auf die Anpassung der ersten Antenne in ihrem Versorgungspunkt erklärt wird.

Liste der Figuren
Es zeigen:
1 ein Mobiltelefon mit integrierter Antenne, sowie eine Adapter-Antenne mit einem Kabel zu einer Außenantenne;
2 eine PIFA-Antenne für zwei Frequenzbänder;
3 die Stromverteilung auf einer PIFA-Antenne bei 900 MHz;
4 die Stromverteilung auf einer PIFA-Antenne bei 1800 MHz;
5 ein Diagramm auf der ersten Seite der Schaltkreisplatte; und
6 ein Diagramm Muster auf der zweiten Seite der Schaltkreisplatte.
Bevorzugte Ausführungsformen
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit einer Adapter-Antenne einer bevorzugten Art für die Verwendung bei einem Mobiltelefon (1) mit einer integrierten PIFA-Antenne (6) beschrieben, wie es in 2 dargestellt ist. Die Bauteile der Adapter-Antenne (2) sind auf einer Schaltkreisplatte (19, 20) mit Schaltkreisdiagrammenn aus leitfähigem Metall auf beiden Seiten angeordnet. Alternative Ausführungsformen, die in keiner der Figuren gezeigt sind, können Schaltkreisplatten mit leitfähigen Mustern auf nur einer Seite einschließen, oder Metallfolien-Leiter oder Platten aus Kunststoff mit durch Metallisierung, Metallspritzverfahren, leitfähigem Anstrich oder Folie aufgebrachten leitfähigen Oberflächenmustern. Der adaptive Schaltkreis am Port (32) ist ebenfalls auf der Schaltkreisplatte angeordnet, wie aus der in den 5 und 6 ersichtlichen Version ersichtlich ist. Andere Designs der adaptiven Schaltkreise mit getrennten der kontinuierlichen Bauteilen sind für gewöhnlich bekannt und werden hier nicht weiter erörtert.
2 zeigt die PIFA-Antenne (6) des Mobiltelefons (1), welche einen Strahler (7) aus Blech und einer Erdungsfläche (11) aufweist. Der Strahler (7) weist einen ausgeschnittenen Schlitz (8) auf. Der Strahler (7) ist mit der Elektronik des Mobiltelefons am Versorgungspunkt (9) verbunden und bildet eine Stichleitung mit einem Erdanschluss (10). Die Stromverteilung während der Übertragung in dem 900 MHz-Band ist in 3 gezeigt und die Übertragung in dem 1800 MHz-Band ist in 4 gezeigt. Wie bereits in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden ist, ist es erwünscht, eine möglichst kleine Kondensatorplatte in der Adapter-Antenne zu verwenden, wobei diese jedoch groß genug ein soll, um die aktivsten Zonen der PIFA-Antenne abzudecken. In dem 1800-MHz-Band liegen diese nahe dem Versorgungspunkt (9) und der Stichleitung (10). Das selbe gilt für das 900-MHz-Band, wobei dann auch eine Zone an der Ecke (12) des Schlitzes (8) vorliegt. Am besten ist es jedoch, die Verwendung des Bereichs in der Nähe der Ecke (12) zu vermeiden, da dann eine für 1800 MHz zu große Kondensatorplatte erforderlich wäre.
Dies führt zu einem Design der Kondensatorplatte (21) gemäß Darstellung in 5. Die Kondensatorplatte (21) ist auf der ersten Seite (19) der Schaltkreisplatte angeordnet, die am nähesten zum Mobiltelefon (1) liegt, wenn dieses in der Nähe der Adapter-Antenne (2) plaziert wird. Die Kondensatorplatte (21) weist zwei Vorsprünge oder Hörner (22 und 23) aus leitfähigem Werkstoff auf, welche die Zonen mit hoher Stromdichte nahe dem Versorgungspunkt (9) und der Stichleitung (10) der PIFA-Antenne (6) abdecken. In einer anderen Ausführungsform, die hier nicht gezeigt ist, sind separate, jedoch elektrisch angeschlossene Platten über den Starkstromzonen angeordnet. Der Leiter (24) ist oberhalb des Schlitzes (8) angeordnet, so dass er von den Strömen in der Antenne (6) nicht merklich beeinflusst wird.
Auf der ersten Seite (19) der Schaltkreisplatte ist das Gegengewicht der Adapter-Antenne angeordnet, welches eine Gegengewichts-Insel (28) und einen Gegengewichts-Rahmen (29) aufweist.
Auf der anderen Seite (21) der Schaltkreisplatte ist, wie es in 6 gezeigt ist, eine Transfervorrichtung (25) angeordnet, die aus einem eine Lötinsel (27) und Gegengewichts-Inseln (30 und 31) aufweisenden koplanaren Hohlleiter (26) sowie einem Kondensator (28) in Erdrichtung gebildet ist. Dieser Kondensator gleicht die den induktiven Widerstand des Leiters (24) aus. Die Transfervorrichtung (25) stellt eine Anpassung an das 50-Ohm-Koaxialkabel bereit. Das andere Ende (3) des Koaxialkabels kann an eine zweite Antenne (4) oder an eine in der Figur nicht gezeigte Verstärkereinheit angeschlossen werden. Die Ströme in der Abschirmung (34) des Koaxialkabels (33) können mit Hilfe einer Viertelwellenfalle (35) unterdrückt werden. Bei der Verwendung mehrerer Frequenzbänder können mehrere Wellenfallen bereitgestellt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Verlustvorrichtung, wie beispielsweise einen Ferritring, zu verwenden, um jegliche Welle, die der Außenseite der Abschirmung folgen könnte, zu löschen.
Die Optimierung der Abmessungen des Diagramms sollten derart erfolgen, dass nicht nur eine gute Übertragung von der PIFA-Antenne (6) an die Adapter-Antenne (2) und auch in die umgekehrte Richtung geschaffen wird, sondern auch die Anforderung erfüllt wird, dass die Impedanz der PIFA-Antenne im Versorgungspunkt (9) so wenig wie nur möglich beeinflusst wird.
Liste der Bezugszeichen:

1: Mobiltelefon
2: Adapter-Antenne
3: Koaxialkabel
4: Außenantenne
6: PIFA-Antenne
7: Strahler
8: Schlitz
9: Versorgungspunkt
10: Stichleitung
11: Gegengewicht
12: Ecke des Schlitzes
19: Schaltkreisplatte, erste Seite
20: Schaltkreisplatte, zweite Seite
21: Kondensatorplatte
22: Erster Vorsprung/Horn
23: Zweiter Vorsprung/Horn
24: Leiter
25: Transfervorrichtung
26: Koplanarer Hohlleiter
27: Lötinsel
28: Gegengewichts-Insel
29: Erdungsrahmen
30: Gegengewichts-Insel
31: Gegengewichts-Insel
32: Port
33: Koaxialkabel
34: Abschirmung
35: Wellenfalle
36: Adapter

Claims

Adapter-Antenne (2) für einen kontaktlosen Transfer von elektromagnetischen Wellen innerhalb n Frequenzbändern, wobei n ≥ 1, zwischen einer ersten Antenne (6) von der Art eines in der Ebene invertierten L, E, oder F, welche mit Hilfe einer Kondensatorplatte (21, 22, 23) in ein Mobiltelefon (1) eingebaut ist, wobei die Kondensatorplatte (21, 22, 23) wiederum in die Adapter-Antenne (2) eingebaut ist, und einem Anschluss (32) der Adapterantenne (2), an den ein Koaxialkabel (3) angeschlossen werden kann, welches die Adapter-Antenne (2) mit einer äußeren, zweiten Antenne oder einem Verstärker verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplatte (21, 22, 23) parallel zu und nahe einer leitfähigen Oberfläche der ersten Antenne (6) angeordnet ist, und dass die Kondensatorplatte (21, 22, 23) so geformt ist, dass sie Flächen nahe eines Versorgungspunktes (9) und einer Stichleitung (10) der ersten Antenne (6) und diejenigen Bereiche der abstrahlenden Metalloberfläche der ersten Antenne (6) bedeckt, wo die Oberflächenströme relativ groß in jedem beliebigen der n Frequenzbänder sind, um hauptsächlich die elektrische Komponente des nahen Feldes der ersten Antenne für den kontaktlosen Transfer zu nutzen.
Adapter-Antenne (2) nach Anspruch 1, welche zusätzlich ein Gegengewicht mit einer Gegengewichts-Insel (28) und einer außerhalb der Kondensatorplatte (21, 22, 23) angeordneten Gegengewichts-Schleife (29) aufweist.
Adapter-Antenne (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adapter-Antenne (2) einen Leiter (24) aufweist, der gegenüber einem Schlitz (8) der ersten Antenne (6) angeordnet ist, und mit der Kondensatorplatte (21, 22, 23) verbunden ist.
Adapter-Antenne (2) nach Anspruch 1, wobei die Anpassungseinheit am Anschluss (32) einen koplanaren Wellenleiter (26) und einen Kondensator in Richtung des Gegengewichts (27, 28) aufweist.
Adapter-Antenne (2) nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Gegengewicht (28) durch leitfähige Bänder (29) oder Drähte, oder Streifen aus leitfähigem Material, welche den Kanten des die Kondensatorplatte (21) tragenden Bauteils (19) folgen, verstärkt wird.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, wobei die leitfähigen Flächen auf einer gedruckten Schaltung angeordnet sind.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 oder 6, wobei die leitfähigen Flächen aus Blech hergestellt sind.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 7, wobei die leitfähigen Flächen durch Metallisierung von Kunststoffen hergestellt sind.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 8, wobei die leitfähigen Flächen aus einem leitfähigen Anstrich bestehen.
Adpater-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 9, wobei die leitfähigen Flächen aus einer Folie hergestellt sind.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 10, wobei das Koaxialkabel (33) eine Wellenfalle (35) aufweist, die Ströme in der Abschirmung (34) des Kabels unterdrückt.
Adapter-Antenne (2) nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 11, wobei das Koaxialkabel (33) ein Bauelement mit einem hohen internen Verlust aufweist, welches Ströme in der Abschirmung (34) des Kabels unterdrückt.