DE60115131T2

DE60115131T2 - Chip-Antennenelement und dieses aufweisendes Nachrichtenübertragungsgerät

Info

Publication number: DE60115131T2
Application number: DE60115131T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Aoyama; Kenichi Tonomura; Keiko Kikuchi; Yuta Sugiyama
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: US6476767B2; EP1146589A1; KR20010098596A; EP1146589B1; KR100798044B1; US20010050637A1; ATE311020T1; DE60115131D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein für drahtlose Mikrowellen-Nachrichtenübertragungsgeräte wie zum Beispiel tragbare Funktelefone und drahtlose lokale Netzwerke (WLAN) geeignetes Mikrostreifenleiter-Chip-Antennenelement und eine Antennenvorrichtung mit diesem Chip-Antennenelement sowie ein Nachrichtenübertragungsgerät mit dieser Antennenvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Bei drahtlosen Mikrowellen-Nachrichtenübertragungsgeräten, insbesondere bei tragbaren Nachrichtenübertragungsgeräten wie Mobiltelefonen, werden im Allgemeinen Monopolantennen und Mikrostreifenantennen verwendet, um eine Miniaturisierung und Reduzierung der Dicke zu erreichen. Ein Mikrostreifenantennenelement für den praktischen Einsatz weist, wie in JP-A-10-209740 beschrieben, eine auf einer Fläche eines dielektrischen Quaders ausgebildete Strahlungselektrode auf, der von unten elektrische Hochfrequenzsignale zugeführt werden. 36 zeigt schematisch den Aufbau dieses Mikrostreifenantennenelements. Bei Betrieb als Antenne ist das Antennenelement auf einer Leiterplatte mit einem Masseleiter 96 angeordnet, und eine Zuführleitung 94 ist auf einer unteren Fläche der Leiterplatte vorgesehen. Eine elektrische Leitungskraft F wird zwischen einem offenen Ende 91 einer Strahlungselektrode 90 und dem Masseleiter 96 erzeugt, wodurch ein Magnetfluss in senkrechter Richtung zu der Strahlungselektrode 90 erzeugt wird, was eine Aussendung elektromagnetischer Wellen in den Raum bewirkt. Die Länge D der Strahlungselektrode 90 beträgt im Allgemeinen etwa ein Viertel der Wellenlänge, wodurch ein Magnetfluss in senkrechter Richtung zu der Strahlungselektrode 90 in Resonanz erzeugt wird und wobei die Richtung einer elektrischen Leitungskraft F senkrecht zu dem von der Stirnfläche 91 der Strahlungselektrode 90 ausgesendeten Magnetfluss ist. Im Hinblick auf die Form der Strahlungselektrode 90 in der Aufsicht werden neben einem Rechteck verschiedene Formen wie zum Beispiel Kreis, Fünfeck usw. vorgeschlagen, obwohl meist vertikal oder horizontal symmetrische Formen verwendet werden.
Für tragbare Nachrichtenübertragungsgeräte verwendete Antennen sollten klein sein, eine effiziente Strahlung aufweisen und im Wesentlichen omnidirektional arbeiten. Hierzu weist ein kleines Antennenelement einen Aufbau auf, bei dem eine Strahlungselektrode auf einer oberen Fläche oder in einem isolierenden Substrat angeordnet ist, weil die Wellenlänge eines durch die Strahlungselektrode fließenden elektrischen Stroms durch den Einfluss des isolierenden Substrats verkürzt wird. Weil die gleiche Strahlungswirkung beibehalten werden kann, auch wenn die Strahlungselektrode verkürzt wird, kann die Antenne verkleinert werden. Die nötige Länge d der Antenne ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben: d = c/(2f0√εr) (1)wobei εr eine spezifische Dielektrizitätskonstante des isolierenden Substrats, f₀ eine Resonanzfrequenz und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, kann die Länge d eines Antennenelements mit einem Mikrostreifenaufbau verkürzt werden, da das isolierende Substrat bei einer konstanten Resonanzfrequenz f₀ eine höhere spezifische Dielektrizitätskonstante εr aufweist. Mit anderen Worten, mit einem Substrat mit einer hohen spezifischen Dielektrizitätskonstante εr kann ein kleines Mikrostreifenantennenelement mit derselben Leistung erhalten werden. Da ein kleines Antennenelement für Mobiltelefone usw. unverzichtbar ist, war die Entwicklung kleinerer, leistungsfähiger Antennenelemente erwünscht.
Neben der Mikrostreifenantenne ist auch eine invertierte F-Antenne als Antenne für tragbare Nachrichtenübertragungsgeräte geeignet. Die invertierte F-Antenne besteht aus einem F-förmigen Antennenleiter mit einem gebogenen Abschnitt, der an einem Ende mit einer Masseleiterplatte verbunden ist, und einem gebogenen mittleren Abschnitt, der über einen Zwischenraum mit einer Zuführleitung verbunden ist. Weil der Antennenleiter nur eine Länge von etwa einer Viertel Wellenlänge aufweisen muss, kann er als Antenne mit einer Form angesehen werden, die durch Erweitern des Mikrostreifenantennenelements in Querrichtung erhalten wird.
Das herkömmliche Mikrostreifenantennenelement weist die folgenden Nachteile bezüglich der Miniaturisierung auf. Wenn die Strahlungselektrode durch Erhöhung der spezifischen Dielektrizitätskonstante εr eines isolierenden Substrats verkleinert wird, wird die Resonanzbandbreite der Resonanzfrequenz f₀ kleiner, wodurch die Antenne nur in einem schmalen Frequenzbereich betrieben werden kann. Dies bedeutet eine Begrenzung des für die Nachrichtenübertragung verfügbaren Frequenzbereichs, was bei Antennen für Mobiltelefone usw. nicht sinnvoll ist. Zur Entwicklung einer praktisch brauchbaren Antenne sollte diese über eine große Bandbreite verfügen. Insbesondere bei Mehrfrequenzantennen mit zwei oder mehr Frequenzen stellt das Phänomen der Verringerung der Bandbreite ein ernstes Problem dar, das nicht nur durch die Eigenschaften des isolierenden Substrats kontrolliert werden kann.
Eine Resonanzbandbreite BW, eine Resonanzfrequenz f₀ und ein Q-Wert für die Leistung einer Antenne in Resonanz erfüllen die folgende Beziehung: BW = f0/Q (2)
Die Höhe H eines Mikrostreifenantennenelements, die gleich der Dicke seines isolierenden Substrats ist, und der Q-Wert erfüllen die folgende Beziehung: Q ∝ εr/H (3)
Als eine kleine Mikrostreifenantenne bekannt ist eine Antenne mit einer in der Mitte in zwei Teile unterteilten Strahlungselektrode, wobei ein Ende der geteilten Strahlungselektrode elektrisch mit einer Masseleiterplatte verbunden ist (Hiroyuki Arai, „New Antenna Engineering", Sogo-Densi Shuppan, S. 109 bis 112). Weil die Länge der Strahlungselektrode etwa ein Viertel der Wellenlänge bei Resonanzfrequenz beträgt, ist diese Antenne nur etwa halb so groß wie die herkömmliche Antenne.
EP-A-1 003 240 beschreibt eine Chip-Antenne mit den im ersten Teil von Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen. Die bekannte Antenne weist zwei Strahlungselektroden auf, bei denen sich die Richtungen der Resonanzströme einander ungefähr im rechten Winkel schneiden. Da sich die Vektoren des elektrischen Felds und des Magnetfelds nahe der Strahlungselektroden in gleicher Weise ungefähr im rechten Winkel schneiden, ist das Auftreten gegenseitiger Störungen unwahrscheinlich und es wird eine stabile Doppelresonanz erhalten.
JP-A-11-251816 beschreibt ein Mikrostreifenantennenelement, das mit einer erweiterten Bandbreite betrieben werden kann, bei dem eine Strahlungselektrode in einem Kantenbereich (zwei benachbarte Oberflächen) des Substrats ausgebildet ist. Wird dieses Mikrostreifenantennenelement jedoch in ein tragbares Nachrichtenübertragungsgerät eingebaut, induziert eine hauptsächlich von dem Ende der Strahlungselektrode ausgesendete Funkwelle einen elektrischen Strom in einem nahe gelegenen Gehäuse oder in Leitern auf der Leiterplatte, wodurch die strominduzierten Leiter als eine scheinbare Antenne wirken. Folglich sind die Eigenschaften dieser Antenne je nach Umgebung variabel, wodurch eine Impedanzfehlanpassung an einem Einspeisepunkt entsteht und der Richtfaktor der Strahlung schwankt.
Weil nahe dem Antennenelement montierte elektronische Schaltungsteile durch elektromagnetische Hochfrequenzwellen beeinflusst werden, die von dem Ende der Strahlungselektrode ausgesandt werden, treten außerdem die Probleme einer Verschlechterung der Übertragungsleistung wie zum Beispiel Rauschen, Fehler, unregelmäßige Schwingungen usw. auf. Die herkömmliche Möglichkeit zur Bewältigung dieser Probleme bestand darin, nahe gelegene Schaltungsteile vollständig von dem Antennenelement zu trennen, wodurch die Montagedichte der Teile nahe der Antennen nicht erhöht werden konnte, was die Miniaturisierung des Nachrichtenübertragungsgeräts weit gehend verhinderte.
ZWECK DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines kleinen Mikrostreifenantennenelements mit einem ausreichenden Q-Wert mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Antennenvorrichtung mit diesem auf einer Leiterplatte montierten Antennenelement mit einer verbesserten Montagedichte ohne Beeinträchtigung nahe gelegener Teile.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Nachrichtenübertragungsgeräts wie zum Beispiel eines tragbaren Datenterminals usw. mit dieser Antennenvorrichtung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Als Ergebnis der Untersuchung durch Simulation zur Erreichung der Miniaturisierung und Erhöhung der Bandbreite eines Antennenelements wurde Folgendes festgestellt: (1) Das Antennenelement kann durch entsprechende Gestaltung der Form einer Strahlungselektrode und Masseelektroden gleichwertig mit mehreren Schwingkreisen versehen werden, (2) durch entsprechende Anordnung der Elektroden kann die Richtwirkung der Strahlung mit hoher Verstärkung und ohne unnötige Feldemission erreicht werden und (3) die von der Antenne beanspruchte Fläche kann verkleinert werden, während durch entsprechende Gestaltung der Montage einer Antenne auf einem Masseleiter eine gute Antennencharakteristik ermöglicht werden kann. Die Erfindung basiert auf diesen Feststellungen. Das Chip-Antennenelement nach der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Das Chip-Antennenelement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist (a) eine auf einer ersten Stirnfläche und/oder einem benachbarten Oberflächenbereich eines isolierenden Substrats ausgebildete Masseelektrode auf, (b) eine auf mindestens einer Oberfläche des Substrats ausgebildete Strahlungselektrode, die sich mit im Wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmender Breite von der Masseelektrode mit oder ohne Zwischenraum zu einer zweiten Stirnseite des Substrats oder seiner Umgebung erstreckt, wobei das breite hintere Ende an der Seite der ersten Stirnseite des Substrats und das schmale Spitzenende an der Seite der zweiten Stirnseite des Substrats liegt, und (c) eine Zuführelektrode, die mit oder ohne Kontakt mit der Strahlungselektrode auf mindestens einer Oberfläche des Substrats an einer Stelle ausgebildet ist, die einer Zwischenstelle der Strahlungselektrode gegenüberliegt.
Das Chip-Antennenelement nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist (a) eine auf mindestens einer Oberfläche eines isolierenden Substrats derart ausgebildete Strahlungselektrode auf, dass sie sich mit im Wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmender Breite von einer ersten Stirnseite des Substrats oder ihrer Umgebung zu einer zweiten Stirnseite des Substrats oder ihrer Umgebung erstreckt und somit ein breites hinteres Ende an der Seite der ersten Stirnseite des Substrats und ein schmales Spitzenende an der Seite der zweiten Stirnseite des Substrats aufweist, (b) eine über einen Zwischenraum dem Spitzenende der Strahlungselektrode gegenüberliegende Masseelektrode und (c) eine Zuführelektrode, die mit oder ohne Kontakt mit der Strahlungselektrode auf mindestens einer Oberfläche des Substrats an einer Stelle ausgebildet ist, die einer Zwischenstelle der Strahlungselektrode gegenüberliegt.
Das Chip-Antennenelement nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist (a) eine auf mindestens einer Oberfläche eines isolierenden Substrats derart ausgebildete Strahlungselektrode auf, dass sie sich mit im Wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmender Breite von einer ersten Stirnseite des Substrats oder ihrer Umgebung zu einer zweiten Stirnseite des Substrats oder ihrer Umgebung erstreckt und somit ein breites hinteres Ende an der Seite der ersten Stirnseite des Substrats und ein schmales Spitzenende an der Seite der zweiten Stirnseite des Substrats aufweist, (b) eine erste Masseelektrode, die direkt oder über einen Zwischenraum mit dem hinteren Ende der Strahlungselektrode verbunden ist, (c) eine zweite Masseelektrode, die über einen Zwischenraum dem Spitzenende der Strahlungselektrode gegenüberliegt, und (d) eine Zuführelektrode, die mit oder ohne Kontakt mit der Strahlungselektrode auf mindestens einer Oberfläche des Substrats an einer Stelle ausgebildet ist, die einer Zwischenstelle der Strahlungselektrode gegenüberliegt.
Die erste oder die zweite Masseelektrode ist vorzugsweise in Kontakt mit der Strahlungselektrode, wodurch die Intensität eines abgestrahlten elektrischen Felds in einer Längsrichtung der Strahlungselektrode abnimmt und in senkrechter Richtung zu dieser zunimmt.
Das Chip-Antennenelement weist weiter vorzugsweise eine mit dem Spitzenende der Strahlungselektrode verbundene und auf einer zweiten Stirnfläche des Substrats und/oder einem benachbarten Bereich auf mindestens einer dazu benachbarten Seitenfläche ausgebildete Elektrodenverlängerung auf. Die Elektrodenverlängerung ist vorzugsweise schmaler als das Spitzenende der Strahlungselektrode.
Das isolierende Substrat ist vorzugsweise quaderförmig. Außerdem beträgt das Verhältnis W/S einer Breite W des breiten hinteren Endes der Strahlungselektrode zu einer Breite S des schmalen Spitzenendes der Strahlungselektrode vorzugsweise 2 oder mehr und besonders bevorzugt 2 bis 5. Die Strahlungselektrode ist vorzugsweise auf benachbarten Seitenflächen des isolierenden Substrats ausgebildet. Außerdem ist die Zuführelektrode vor zugsweise an einer von der Mitte des Substrats abweichenden Stelle zum Spitzenende der Strahlungselektrode hin angeordnet.
Die Antennenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst dieses auf einer Leiterplatte montierte Chip-Antennenelement, wobei die Strahlungselektrode des Chip-Antennenelements parallel zu der Kante eines Masseleiters der Leiterplatte verläuft und ein offenes Spitzenende der Strahlungselektrode nicht nahe dem Masseleiter angeordnet ist.
Zwischen der Masseelektrode des Chip-Antennenelements und dem Masseleiter der Leiterplatte besteht vorzugsweise ein Zwischenraum. Die Zuführelektrode ist vorzugsweise an einer von der Mitte des Substrats des Chip-Antennenelements abweichenden Stelle zum Spitzenende der Strahlungselektrode hin angeordnet. Die Zuführelektrode ist vorzugsweise mit einer zwischen einem Paar von Masseleitern auf der Leiterplatte angeordneten Zuführleitung verbunden.
Das Nachrichtenübertragungsgerät nach der vorliegenden Erfindung umfasst die vorstehende Antennenvorrichtung. Die Nachrichtenübertragungsgeräte nach der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise Mobiltelefone, Kopfhörer, Personalcomputer, Notebook-Computer, Digitalkameras usw. sein, die Antennen für Bluetooth-Geräte aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Chip-Antennenelements zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Chip-Antennenelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3(a) zeigt eine Ersatzschaltung für das Chip-Antennenelement in 2.
3(b) zeigt eine Ersatzschaltung für ein herkömmliches Chip-Antennenelement.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Strahlungselektrode in dem Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen dem Verhältnis W/S der Breite W eines hinteren Endes der Strahlungselektrode zur Breite S eines Spitzenendes der Strahlungselektrode und einer Resonanzfrequenz f₀ in dem Chip-Antennenelement in 4.
6 zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen dem Verhältnis W/S der Strahlungselektrode und einer spezifischen Bandbreite BW/f₀.
7 zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen dem Verhältnis W/S der Strahlungselektrode und einem Q-Wert in dem Chip-Antennenelement in 4.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung mit dem auf einer Leiterplatte montierten Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung mit dem auf einer anderen Leiterplatte montierten Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung mit dem auf einer anderen Leiterplatte montierten Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung.
11(a) zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen der Länge eines Substrats und der Bandbreite in dem Chip-Antennenelement in 10.
11(b) zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen der Breite eines Substrats und der Bandbreite in dem Chip-Antennenelement in 10.
11(c) zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen der Dielektrizitätskonstante eines Substrats und der Bandbreite in dem Chip-Antennenelement in 10.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zu untersuchenden Chip-Antennenelements nach der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Diagramm der Richtwirkung des Chip-Antennenelements in 12 im Verhältnis zur Z-Achse.
14 zeigt ein Diagramm der Richtwirkung des Chip-Antennenelements in 12 im Verhältnis zur X-Achse.
15 zeigt ein Diagramm der Richtwirkung des Chip-Antennenelements in 12 im Verhältnis zur Y-Achse.
16 zeigt ein Diagramm der Bandbreitencharakteristik des Chip-Antennenelements in 12.
17 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt ein Diagramm der Bandbreite des Chip-Antennenelements in 17.
19(a) zeigt eine perspektivische Ansicht einer oberen Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19(b) zeigt eine perspektivische Ansicht einer oberen Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem entgegengesetzten Blickwinkel.
19(c) zeigt eine perspektivische Ansicht einer unteren Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
20(a) zeigt eine perspektivische Ansicht einer oberen Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
20(b) zeigt eine perspektivische Ansicht einer oberen Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem entgegengesetzten Blickwinkel.
20(c) zeigt eine perspektivische Ansicht einer unteren Fläche eines Chip-Antennenelements nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
21 bis 26 zeigen perspektivische Ansichten von Chip-Antennenelementen nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
27 bis 34 zeigen Entwicklungen von Chip-Antennenelementen nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
35 zeigt eine Ansicht verschiedener Formen von Strahlungselektroden zur Verwendung in dem Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung.
36 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels für herkömmliche Mikrostreifenantennenelemente.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein planares Chip-Antennenelement zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung und 2 zeigt ein Chip-Antennenelement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 1 gezeigten planaren Chip-Antennenelement wird eine Strahlungselektrode 13 von einem hinteren Ende 13a, das mit einer mit einem Masseleiter 31 verbundenen Masseelektrode 15 verbunden ist, zu einem offenen Spitzenende 13b hin schmäler, das einer von dem Masseleiter 31 ausgehenden Masseelektrode 17 gegenüberliegt.
Das in 2 gezeigte Chip-Antennenelement 10 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges isolierendes Substrat 11 auf, eine eine Stirnfläche des Substrats 11 und einen benachbarten Oberflächenbereich bedeckende Masseelektrode 15, eine so als Mikrostreifenleiter auf einer oberen Fläche des Substrats ausgebildete Strahlungselektrode 13, dass sie direkt mit der Masseelektrode 15 verbunden ist und sich von dort mit einer kontinuierlich abnehmenden Breite zum anderen Ende erstreckt, und eine ohne Kontakt mit der Strahlungselektrode 13 so auf dem Substrat 11 ausgebildete Zuführelektrode 14, dass sie der Strahlungselektrode 13 an einer Zwischenstelle elektrischen Strom zuführt. Auch wenn 2 einen Aufbau zeigt, bei dem die Masseelektrode 17 über einen Zwischenraum 12 dem offenen Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 gegenüberliegt, ist dieser Aufbau nicht unverzichtbar.
Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Strahlungselektrode mit einer im Wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmenden Breite von einem hinteren Ende zu einem Spitzenende verläuft. Das Spitzenende der Strahlungselektrode ist vorzugsweise über einen Zwischenraum (in kapazitiver Kopplung) mit der Masseelektrode in Kontakt. Außerdem ist das Chip-Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so auf einer Leiterplatte montiert, dass ein Zwischenraum zwischen dem Spitzenende der Strahlungselektrode und der Masseelektrode von dem Masseleiter der Leiterplatte entfernt ist.
Die Breite (in senkrechter Richtung zu einem elektrischen Hochfrequenzstrom) der Strahlungselektrode 13 ist nicht konstant, sondern nimmt bei Annäherung an den Zwischenraum 12 allmählich ab. Der aus einer Speisequelle (Hochfrequenz-Signalquelle) 19 über eine Zuführelektrode 14 zugeführte elektrische Hochfrequenzstrom schwingt mit einer durch die Induktivität der Strahlungselektrode 13 und die Kapazität eines Kondensators zwischen der Strahlungselektrode 13 und Masse bestimmten Frequenz und wird als elektromagnetische Energie in den Raum abgestrahlt. In diesem Fall kommt es zu einem Stromverteilungsmodus mit einem Knoten und einem Antiknoten an der Masseelektrode 15 bzw. dem Zwischenraum 12. Hätte die Strahlungselektrode 13 eine konstante Breite, gäbe es nur einen Stromverteilungsmodus. Weil die zwischen den Masseelektroden 15 und 17 verlaufende Strahlungselektrode 13 jedoch eine sich verändernde Breite aufweist, werden mehrere Stromverteilungsmodi erzeugt, entsprechend der Bildung mehrere Schwingkreise. Weil die Schwingkreise jeweils sehr nahe Resonanzfrequenzen haben, liefert das Antennenelement makroskopisch die Resonanzeigenschaften einer großen Bandbreite, was zu einer Verringerung des Q-Wertes des Antennenelements führt.
3(a) zeigt eine Ersatzschaltung für das Chip-Antennenelement in 2. Eine Speisequelle 19 führt einer Strahlungselektrode 13 über die durch die Zuführelektrode 14 usw. erzeugte Induktivität Li und Kapazität Ci elektrischen Strom zu. Die zugeführte Leistung wird von einem Strahlungswiderstand R in Resonanz zur Emission als elektromagnetische Wellen in den Raum verbraucht. In der Ersatzschaltung bilden die mit einer gestrichelten Linie umgebenen Teile eine Strahlungselektrode 13 auf der rechten Seite der Speisequelle 19 und eine Masseelektrode 17 und einen Zwischenraum 12 auf der linken Seite, mit einem Kondensator Cg zwischen der Strahlungselektrode 13 und der Masseelektrode 17.
3(b) zeigt eine Ersatzschaltung für das Chip-Antennenelement mit einer Strahlungselektrode mit einer konstanten Breite. In diesem Fall kann die Strahlungselektrode einfach durch die Spule L und den Kondensator C gebildet werden. Andererseits muss im Falle des Chip-Antennenelements nach der vorliegenden Erfindung mit einer Strahlungselektrode mit veränderlicher Breite die Strahlungselektrode wie eine verteilte Konstante behandelt werden. Das heißt, die Strahlungselektrode kann als eine Kombination einer großen Anzahl von miteinander verbundenen sich allmählich ändernden Spulen (Induktivitäten) und Kondensatoren (Kapazitäten) angesehen werden. Folglich ist die Ersatzschaltung der Strahlungselektrode 13 durch eine Leiterschaltung bestehend aus mehreren Spulen Lr1, Lr2, Lr3, ... und mehreren Kondensatoren Cr1, Cr2, ... dargestellt. Weil deren Resonanzfrequenzen sehr nahe beieinander liegen, hat es den Anschein, als erfolge das Schwingen kontinuierlich, wodurch sich die Frequenzcharakteristik einer großen Bandbreite ergibt.
Auch wenn das in 2 gezeigte Chip-Antennenelement eine trapezförmige Strahlungselektrode aufweist, ist diese nicht auf eine Trapezform beschränkt, sondern kann eine beliebige Form haben. Das Problem bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass anstelle einer Strahlungselektrode mit einer konstanten Breite eine Strahlungselektrode mit einer sich allmählich kontinuierlich und/oder stufenweise ändernden Breite verwendet wird, um eine Induktivitäts- und Kapazitätsverteilung zu ermöglichen, wodurch mehrere Schwingkreise, so genannte parallele Multi-Schwingkreise, entstehen.
Um den Einfluss der Form einer Strahlungselektrode auf die Eigenschaften des Chip-Antennenelements zu ermitteln, werden die Beziehungen zwischen dem Verhältnis W/S und verschiedenen Eigenschaften der trapezförmigen Strahlungselektrode in 4 untersucht, die ein breites hinteres Ende mit einer Breite W, ein schmales Spitzenende mit einer Breite S und eine Länge D aufweist. 5 zeigt die Beziehung zwischen W/S und einer Resonanzfrequenz f₀. Überschreitet W/S den Wert von ca. 5, neigt die Resonanzfrequenz f₀ zur Sättigung. 6 zeigt die Beziehung zwischen W/S und einer spezifischen Bandbreite BW/f₀. Aus 6 ist ersichtlich, dass die spezifische Bandbreite BW/f₀ gesättigt ist, wenn W/S etwa 3 oder mehr beträgt. 7 zeigt die Beziehung zwischen W/S und einem Q-Wert. Mit zunehmendem Verhältnis W/S nimmt der Q-Wert ab, was zu einer größeren Bandbreite führt. Beträgt W/S weniger als 2, wird die Kurve des Q-Wertes zu steil, um sie zu steuern. Überschreitet W/S andererseits einen Wert von ca. 5, neigt der Q-Wert zur Sättigung. Das Verhältnis W/S, das die Bedingung Q ≤ 29 erfüllt, beträgt ca. 3 oder mehr. Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass W/S vorzugsweise 2 oder mehr und besonders bevorzugt 2 bis 5 beträgt.
Ist eine Strahlungselektrode nicht nur auf einer oberen Fläche des Substrats ausgebildet, sondern auch auf benachbarten Seitenflächen des Substrats, wird das Chip-Antennenelement vorzugsweise kleiner mit einer verbesserten Strahlungsrichtwirkung. Das Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 kann mit einer Elektrodenverlängerung versehen sein, die zu der zweiten Stirnfläche und/oder benachbarten Oberflächenbereichen verläuft. Die Elektrodenverlängerung wirkt als Spule oder Kondensator, was eine bessere Strahlungsverstärkung und Frequenzsteuerung ermöglicht.
8 zeigt ein Beispiel, bei dem das Chip-Antennenelement 10 nach der vorliegenden Erfindung auf Masseleitern 31 und 31 der Leiterplatte 30 montiert ist. Das isolierende quaderförmige Substrat 11 ist von der Masseelektrode 15 auf einer Stirnfläche (erste Stirnfläche) oder ihren benachbarten Oberflächenbereichen bedeckt, ohne Masseelektrode auf dem größten Teil der unteren Fläche. Die Zuführelektrode 14 ist auf dem Substrat an einer Stelle ausgebildet, die eine Impedanzanpassung ermöglicht. Die Masseelektrode 15 des Chip-Antennenelements 10 ist mit dem Masseleiter 31 der Leiterplatte 30 und die Zuführelektrode 14 mit einer Zuführleitung 32 zwischen den Masseleitern 31 und 31 verbunden. Das Chip-Antennenelement 10 ist so auf der Leiterplatte 30 montiert, dass ein Zwischenraum 12 zwischen dem Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 und der Masseelektrode 17 möglichst weit von den Masseleitern 31 und 31 entfernt ist.
Sendet die Antenne eine Funkwelle aus, wird elektromagnetische Energie durch ein zwischen der Strahlungselektrode 13 und dem Masseleiter 31 erzeugtes elektromagnetisches Feld in den Raum abgestrahlt, so dass ein sehr schwaches elektromagnetisches Feld an der Masseelektrode 17 mit demselben Spannungspegel wie am Masseleiter 31 entsteht und damit das Abstrahlen einer sehr kleinen elektromagnetischen Energie bewirkt wird. Daher können die Bauteile auf der Leiterplatte an Positionen nahe dem Antennenelement montiert werden. Aus diesem Grund ist es möglich, den Einfluss der Leiter des Gehäuses und der Leiterplatte auszuschalten, wodurch das Auftreten von Fehlern in den Teilen verhindert und somit die Stabilität und Zuverlässigkeit der Antennencharakteristik verbessert wird.
9 zeigt ein typisches Beispiel für die Antennenvorrichtung. Die beiden Masseelektroden 15 und 17 des Antennenelements 10 sind mit den Masseleitern 31 und 31 der Leiterplatte 30 verbunden, wobei eine Zuführelektrode 14 mit einer Zuführleitung 32 verbunden ist. Die Strahlungselektrode 13 ist von den Masseelektroden 15 und 17 an beiden seitlichen Enden und den Masseleitern 31 und 31 an der Unterseite umschlossen, wodurch eine obere Fläche und zwei Seitenflächen des Antennenelements 10 frei von Elektroden bleiben. Daher wird eine solche Richtwirkung erzielt, dass die Intensität eines abgestrahlten elektromagnetischen Felds in der Längsrichtung der Strahlungselektrode 13 niedrig, in der vertikalen Richtung der Strahlungselektrode 13 jedoch hoch ist, was eine höhere Verstärkung ermöglicht. Weil der Einfluss einer elektromagnetischen Welle in der Längsrichtung der Strahlungselektrode 13 durch Schirmungseffekte der Masseelektroden 15 und 17 verringert ist, treten keine Probleme wie Fehler oder Störungen auf, obwohl die Bauteile 51 außerhalb beider Stirnflächen des Substrats 11 des Antennenelements 10 montiert sind.
Wie in 10 gezeigt, ist das Antennenelement 10 auf den Masseleitern 31 und 31 der Leiterplatte 30 montiert, so dass die Strahlungselektrode 13 bei der vorliegenden Erfindung parallel zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 verläuft. Die Masseelektroden 15 und 17 sind vorzugsweise jeweils mit einer Masseleiterverlängerung 310 verbunden, die jeweils von dem Masseleiter 31 ausgeht, und ein elektrischer Feldstrahlungszwischenraum 12 zwischen der Strahlungselektrode 13 und der Masseelektrode 17 ist vorzugsweise an der am weitesten entfernten Stelle von den Masseleitern 31 und 31 angeordnet.
Hat der in den Masseleitern 31 und 31 der Leiterplatte 30 durch den Resonanzstrom des Antennenelements 10 erzeugte Spiegelstrom eine dem Strom im Substrat 11 entgegengesetzte Phase, wird das Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle von dem Antennenelement 10 verhindert, was vermutlich einen Rückgang der Verstärkung und die Verschiebung der Resonanzfrequenz verursacht. Wenn, wie in 10 gezeigt, die Strahlungselektrode 13, durch die ein Resonanzstrom größtenteils fließt, und der Zwischenraum 12 an den von den Masseleitern 31 und 31 am weitesten entfernten Stellen angeordnet sind, kann an den am weitesten von den Masseleitern 31 und 31 entfernten Stellen ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden, wodurch der Spiegelstrom deutlich verringert wird. Da eine untere Fläche des isolierenden Substrats 11 des Antennenelements 10 meist frei von Masseelektroden ist, wird verhindert, dass der Spiegelstrom durch den Masseleiter 31 fließt.
Ist das Antennenelement 10 so angeordnet, dass es senkrecht zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 verläuft, wie bei herkömmlichen Verfahren, verbleibt ein großer nicht belegter Platz auf der Leiterplatte 30. Ist andererseits das Antennenelement 10 parallel zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 angeordnet, wie bei der vorliegenden Erfindung, wird die von dem Antennenelement 10 belegte Fläche erheblich verringert, was zu größerer Freiheit im Schaltungslayout und einer höheren Montagedichte führt. Ist das Antennenelement 10 parallel zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 angeordnet, muss der Rückgang der Verstärkung ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck nutzt die vorliegende Erfindung die Wirkungen der Form der Strahlungselektrode 13 und der Anordnung der Masseelektroden 15 und 17. Belegt die Masseelektrode 15 zum Beispiel alle Endbereiche des Substrats 11, kann ein elektromagnetisches Feld in einem Bereich konzentriert werden, der von dem geerdeten hinteren Ende 13a der Strahlungselektrode 13 bis zu dem dem Zwischenraum 12 gegenüberliegenden Spitzenende 13b reicht. Darüber hinaus trägt die Anordnung der Zuführelektrode 14 an einer Impedanzanpassungsstelle, die die Strahlungselektrode 13 mit einem Kondensator verbindet, zur Konzentration eines elektromagnetischen Felds in der Strahlungselektrode 13 bei.
Der Grund, weshalb die Strahlungselektrode 13 des Antennenelements 10 parallel zu den Kanten der Masseleitern 31 und 31 der Leiterplatte 30 angeordnet ist, besteht darin, den maximalen Formeffekt der Strahlungselektrode 13 zu erreichen und dadurch die Funktion eines zwischen der Strahlungselektrode 13 und der Massefläche gebildeten Kondensators zu maximieren. 9 und 10 zeigen, dass die Wirkung eines Kondensators zwischen der Strahlungselektrode und dem Masseleiter bei dem Aufbau nach der vorliegenden Erfindung deutlich stärker ist, bei der die Strahlungselektrode 13 parallel zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 angeordnet ist, als bei dem herkömmlichen Aufbau, bei dem die Strahlungselektrode 13 senkrecht zu den Kanten der Masseleiter 31 und 31 angeordnet ist.
Weil das Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetisches Feld von einem Zwischenraum 12 zwischen der Strahlungselektrode 13 und der Masseelektrode 17 nicht nur in radialer Richtung um eine Längsachse des Antennenelements 10 abstrahlt, sondern auch in einer dazu senkrechten Richtung, kann das Antennenelement unabhängig von der Anordnung omnidirektional arbeiten, wenn es in einem Nachrichtenübertragungsgerät eingebaut ist.
11(a) bis (c) zeigen die Beziehungen zwischen einer Bandbreite BW des Antennenelements und der Größe (Länge L und Breite W) und der spezifischen Dielektrizitätskonstante εr des isolierenden Substrats 11. Weil sich die Bandbreite BW je nach Größe und Material des Substrats 11 ändert, kann die vorliegende Erfindung effizient ausgeführt werden, indem die Beziehungen zwischen der Größe und dem Material des Substrats 11 und der Bandbreite bestimmt werden, wie in 11 gezeigt. Es hat sich gezeigt, dass das isolierende Substrat 11 vorzugsweise ein Quader von 15 mm × 3 mm × 3 mm aus einem dielektrischen Al₂O₃-Keramikwerkstoff mit einer spezifischen Dielektrizitätskonstante εr von 8 ist. Eine Elektrode aus Silber (Ag) war auf dem isolierenden Substrat 11 ausgebildet, wie in 10 gezeigt. Die Strahlungselektrode 13 war im Wesentlichen trapezförmig, und das Verhältnis W/S der Breite W des hinteren Endes 13a zu der Breite S des Spitzenendes 13b betrug 3. Außerdem war ein 1 mm langer Zwischenraum (freiliegender Bereich des isolierenden Substrats) 12 zwischen einem offenen Spitzenende der Strahlungselektrode 13 und einer Masseelektrode 17 vorgesehen. Das hintere Ende 13a der Strahlungselektrode 13 war direkt mit einer Masseelektrode 15 verbunden. Eine Zuführelektrode 14 war an einer Seitenfläche des Substrats an einer von der Mitte zu dem Zwischenraum hin abweichenden Stelle ausgebildet. Das Antennenelement 10 mit der vorstehenden Größe und einer Resonanzfrequenz von 2,4 bis 2,5 GHz, einer Bandbreite von 100 MHz, einer spezifischen Bandbreite of 3,5%, einer Verstärkung von –5 dBi oder mehr und einem Spannungsstehwellenverhältnis (Welligkeitsfaktor) VSWR von 3 oder weniger war für Mobiltelefone oder WLAN-Netzwerke ausgelegt, die omnidirektional arbeiten müssen.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel dar, das im Hinblick auf Größe und Form je nach den Auslegungsbedingungen entsprechend geändert werden kann. Anstelle des quaderförmigen dielektrischen Substrats kann zum Beispiel ein säulenförmiges dielektrisches Substrat verwendet werden, und die Substratmaterialien können magnetische Materialien, Kunststoffe oder Laminate davon sein.
Um die Bandbreite zu erweitern oder die Frequenz einzustellen, muss der Zwischenraum oder die Strahlungselektrode effektiv abgeglichen bzw. getrimmt werden. Ein rechteckiger Schlitz (freiliegender Bereich des isolierenden Substrats), der auf einer schrägen Seite der Strahlungselektrode 13 nahe einem offenen Ende vorgesehen ist, kann zur Abstimmung ohne weiteres beschnitten werden.
Das Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 sollte der Masseelektrode 17 über einen Zwischenraum 12 gegenüberliegen, während das hintere Ende 13a direkt oder über einen Zwischenraum (kapazitive Kopplung) mit der Masseelektrode 15 verbunden sein kann.
Zur Unterdrückung der Strahlung eines elektromagnetischen Felds von den Stirnflächen des Substrats 11 müssen diese mit geerdeten Masseelektroden 15 und 17 bedeckt werden. Um die Wirkung der Masseelektroden 15 und 17 sicherzustellen, werden jedoch vorzugsweise nicht nur die Stirnflächen des Substrats 11, sondern auch die nahe gelegenen Bereiche auf den den Stirnflächen benachbarten Seitenflächen bedeckt.
Die Zuführelektrode 14 kann auf einer Seitenfläche oder einer Seitenfläche plus einer oberen Fläche des Substrats 11 mit oder ohne Kontakt an einer der Strahlungselektrode 13 gegenüberliegenden Stelle ausgebildet sein.
Das Antennenelement 10 kann wie folgt hergestellt werden. Zuerst wird ein dielektrischer Keramikblock in mehrere quaderförmige Chips geschnitten und auf eine vorbestimmte Größe bearbeitet. Auf den so erhaltenen dielektrischen Chip werden im Siebdruck Silberelektroden (Strahlungselektrode, Masseelektroden und Zuführelektrode) mit vorbestimmten Formen aufgebracht und eingebrannt, um ein quaderförmiges Antennenelement von zum Beispiel 15 mm Länge, 3 mm Breite und 3 mm Dicke zu erhalten. Das Antennenelement ist vorzugsweise möglichst dünn, und bei gleicher Dicke und Breite verschwindet die Anisotropie in Querrichtung, so dass die Elektroden ohne weiteres aufgedruckt werden können.
12 zeigt eine Antennenvorrichtung mit einem auf einer Leiterplatte montierten Antennenelement. Das Antennenelement 10 ist entlang der Kanten der Masseleiter 31 und 31 der Leiterplatte 30 angeordnet, wobei eine Zuführelektrode 14, die mit einer mit einer Speisequelle 19 verbundenen Zuführleitung 32 verbunden ist, zwischen den beiden Masseleitern 31 und 31 angeordnet ist. Die Strahlungselektrode 13 weist ein breites hinteres Ende 13a an der Seite der Masseelektrode 15 auf und erstreckt sich mit kontinuierlich abnehmender Breite zu einem schmalen Spitzenende 13b. Der Zwischenraum 12 zwischen dem Spitzenende 13b und der Masseelektrode 17 ist an einer möglichst weit von den Masseleitern 31 und 31 entfernten Stelle angeordnet. Die Zuführelektrode 14 ist an einer Stelle angeordnet, die in Längsrichtung von einer Mitte zum Zwischenraum 12 hin abweicht, und eine Mitte des Antennenelements 10 weicht dementsprechend von der Mitte der Masseleiter 31 und 31 ab.
Die untersuchten Eigenschaften sind das Spannungsstehwellenverhältnis, die Richtwirkung und die Verstärkung. Das Spannungsstehwellenverhältnis VSWR wurde durch An schließen eines Netzwerk-Analysegeräts an einen Speiseanschluss und Messen der Impedanz von der Anschlussseite her bestimmt. Die Verstärkung wurde anhand der von einer Referenzantenne empfangenen Leistung und der Verstärkung einer Referenzantenne berechnet, wobei die von einer Testantenne abgestrahlte Leistung mit der Referenzantenne in einem schalltoten Raum empfangen wurde. Die Richtwirkung wurde durch Messen der Intensität eines in gleicher Weise wie bei der Verstärkungsmessung abgestrahlten elektromagnetischen Felds bestimmt, wobei das auf einem drehbaren Tisch angeordnete Antennenelement gedreht wurde.
13 bis 15 zeigen die Richtwirkung des Antennenelements in 12 bei Drehung um die X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse. Wie aus 13 bis 15 ersichtlich, war die Verstärkungskurve im Wesentlichen ein Kreis in jeder der drei Richtungen, was zeigt, dass das Antennenelement im Wesentlichen omnidirektional oder rundstrahlend war, obwohl in der Längsrichtung des Antennenelements ein leichter Rückgang der Verstärkung beobachtet wurde. Der Grund hierfür ist der, dass ein in der Längsrichtung der Strahlungselektrode 13 abgestrahltes elektromagnetisches Feld abgeschwächt wurde.
16 zeigt die Bandbreite des Antennenelements 10 in 12. Im Vergleich zu den herkömmlichen Antennenelementen weist das in 12 gezeigte Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung eine deutlich verbesserte Bandbreite auf. Die Bandbreite bei einem Spannungsstehwellenverhältnis (VSWR) von 3 betrug 100 MHz.
Dieselbe Messung wurde durchgeführt, wobei die Position der Zuführelektrode 14 von der in 12 gezeigten Position, in der sie von der Mitte der Strahlungselektrode 13 zum Spitzenende 13b hin abwich, auf die Mitte der Strahlungselektrode 13 und weiter auf eine Position an der Seite des hinteren Endes 13a geändert wurde, so dass sich die Position des Antennenelements 10 im Verhältnis zu dem Masseleiter 31 änderte. Wenn die Position der Zuführelektrode 14 von der in 12 gezeigten Position geändert wurde, wies das Antennenelement 10 als Folge eine schlechte Omnidirektionalität der Bandbreite auf. Dies bestätigte, dass die Position der Zuführelektrode 14 im Verhältnis zu der Strahlungselektrode 13 und die Position des Antennenelements 10 im Verhältnis zu dem Masseleiter 31 einen großen Einfluss auf die Omnidirektionalität der Bandbreite hatten.
Wenn die Zuführelektrode 14 zur Zufuhr eines elektrischen Stroms an einer Zwischenstelle der Strahlungselektrode 13 nicht in Kontakt mit der Strahlungselektrode 13 ist, kann die Zuführelektrode 14 eine Kapazitätsanpassung mit der Strahlungselektrode 13 haben. Daher kann sie nahe dem offenen Spitzenende 13b mit hoher Impedanz angeordnet werden. Wenn die Zuführelektrode 14 andererseits in Kontakt mit der Strahlungselektrode 13 ist, wird die Anpassung schwierig, weil nur eine Induktivitätsanpassung erfolgt, wodurch es unvermeidlich ist, die Zuführelektrode 14 an der Seite des breiten hinteren Endes 13a mit niedriger Impedanz anzuordnen.
Wird in dem in 17 gezeigten Antennenelement ein Zwischenraum von 2 mm vorgesehen, erhöhte sich die Bandbreite auf 180 MHz bei einem Spannungsstehwellenverhältnis VSWR von 3, wie in 18 gezeigt. Selbst ohne Zwischenraum betrug die Bandbreite 120 MHz, wodurch eine größere Bandbreite als nach der bekannten Technik erreicht wird. Auch wenn die belegte Fläche leicht zunimmt, ist die Anordnung der Strahlungselektrode 13 mit einem Zwischenraum von ca. 2 mm von dem Masseleiter 31 vorteilhaft im Hinblick auf Bandbreite und Strahlungsverstärkung.
19 und 20 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform in 19 ist eine Strahlungselektrode 13 nicht nur auf einer oberen Fläche des Substrats 11 angeordnet, sondern auch auf benachbarten Seitenflächen. Mit diesem Aufbau wird die Strahlungselektrode 13 wesentlich breiter, was die Omnidirektionalität der Strahlungsverstärkung verbessert, die Bandbreite erhöht und zur Miniaturisierung des Antennenelements beiträgt. Die Strahlungselektrode 13 kann sich zu einer unteren Fläche des isolierenden Substrats 11 erstrecken. Wie 19(c) zeigt, sind die an beiden Enden ausgebildeten Masseelektroden 15 und 17 elektrisch nicht verbunden.
Das in 20 gezeigte Antennenelement weist ein Direkteinspeisungssystem auf, bei dem eine Zuführelektrode 14 mit einer trapezförmigen Strahlungselektrode 13 verbunden ist. Auf einer unteren Fläche des Antennenelements 10 ist ein mit den Masseelektroden 15 und 17 verbundener Leiter 18 ausgebildet.
21 bis 23 zeigen dünne Antennenelemente mit jeweils 15 mm Länge, 3 mm Breite und 2 mm Höhe. Diese Antennenelemente weisen verschiedene Strahlungselektroden 13 auf, die jeweils direkt oder über einen Zwischenraum mit einer Masseelektrode 15 verbunden sind, die eine Stirnfläche des Substrats 11 oder ihren benachbarten Oberflächenbereich bedeckt. Die Zuführelektrode (nicht gezeigt) ist auf einer hinteren Fläche des Substrats ausgebildet. Bei diesen Ausführungsformen ist die Strahlungselektrode 13 nicht nur auf einer oberen Fläche, sondern auch auf benachbarten Seitenflächen ausgebildet. Bei der Ausführungsform in 23 ist die Strahlungselektrode 13 mäanderförmig. Mit diesem Aufbau wird die Strahlungselektrode 13 wesentlich vergrößert, was eine bessere Strahlungsverstärkung in einer radialen Richtung und eine größere Bandbreite und damit eine weitere Miniaturisierung ermöglicht.
Bei der in 21 gezeigten Ausführungsform ist ein Zwischenraum 21 zwischen der Strahlungselektrode 13 und der Masseelektrode 15 vorgesehen. Weil die Strahlungselektrode 13 mit Zwischenräumen mit Masseelektroden an beiden Enden versehen ist, wird ein von den Zwischenräumen erzeugtes elektromagnetisches Feld weit verteilt, was einen Rückgang des Q-Wertes und damit eine größere Bandbreite bewirkt.
Bei der in 22 gezeigten Ausführungsform ist die Strahlungselektrode 13 teilweise mit der Masseelektrode 15 verbunden. Ein Schlitz (freiliegender Bereich des Substrats) 22 wird durch Beschneiden gebildet, und durch Ändern der Länge und/oder Breite des Schlitzes 22 kann die Resonanzfrequenz des Antennenelements eingestellt werden. Ein Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 erstreckt sich zu der zweiten Stirnfläche, und die resultierende Elektrodenverlängerung kann als eine Spulenkomponente oder eine geladene Kondensatorkomponente verwendet werden.
Bei der in 23 gezeigten Ausführungsform ist die Strahlungselektrode 13 mäanderförmig auf zwei benachbarten Flächen des Substrats 11 ausgebildet. Weil ein Resonanzstrom durch die mäanderförmige Strahlungselektrode 13 fließt, entspricht die Länge der mäanderförmigen Strahlungselektrode etwa einem Viertel der elektrischen Länge. Dementsprechend kann die Strahlungselektrode verkürzt werden, wodurch ein weiter miniaturisiertes Antennenelement erhalten wird.
Die in 24 bis 26 gezeigten Antennenelemente sind dieselben wie in 21 bis 23, mit der Ausnahme, dass sie Masseelektroden 17 aufweisen, die über Zwischenräume den Spitzenenden der Strahlungselektroden 13 gegenüberliegen.
27 bis 34 zeigen Entwicklungen mit Antennenelementen nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der schraffierte Bereich in jeder Abbildung ist die Elektrode.
Das in 27 gezeigte Antennenelement weist eine auf einer Stirnfläche des Substrats 11 oder einem benachbarten Oberflächenbereich ausgebildete Masseelektrode 15, eine so auf zwei benachbarten Flächen des Substrats 11 ausgebildete Strahlungselektrode 13, dass sie sich mit abnehmender Breite in Längsrichtung von der Masseelektrode 15 zu dem anderen Ende des Substrats 11 erstreckt, und eine von dem Spitzenende der Strahlungselektrode 13 auf einer benachbarten Seitenfläche verlaufende Elektrodenverlängerung 131 auf. Eine Zuführelektrode 14 weist eine Impedanzanpassung mit der Strahlungselektrode 13 auf. Die Masseelektrode 15 ist mit einem Schlitz 22 zum Trimmen versehen, mit dem die Frequenz des Antennenelements über einen großen Bereich eingestellt werden kann.
Das in 28 gezeigte Antennenelement weist eine relativ breite Elektrodenverlängerung 131 für die Kapazität auf, die sich von dem Spitzenende 13b der Strahlungselektrode 13 auf einer oberen Fläche und einer Seitenfläche erstreckt.
Das in 29 gezeigte Antennenelement weist eine Elektrodenverlängerung 131 auf, die sich von dem Spitzenende der Strahlungselektrode 13 zu der zweiten Stirnfläche er streckt. Die Elektrodenverlängerung 131 kann auf der gesamten zweiten Stirnfläche als eine Kapazitätselektrode ausgebildet sein.
Das in 30 gezeigte Antennenelement weist eine auf zwei benachbarten Flächen verlaufende Strahlungselektrode 13 und eine auf der zweiten Stirnfläche ausgebildete Kapazitätselektrode 132 mit einem Zwischenraum von dem Spitzenende der Strahlungselektrode 13 auf.
Das in 31 gezeigte Antennenelement weist einen Trimmbereich 20 an einem Ende der Strahlungselektrode 13 und eine Elektrodenverlängerung 131 an dem anderen Ende auf. Mit einer Blindelektrode 133 zum Löten ist das Antennenelement 10 fester auf der Leiterplatte 30 befestigt.
Das in 32 gezeigte Antennenelement ist dasselbe wie in 27, außer dass die Masseelektrode 15 auf der ersten Stirnfläche und dem benachbarten Oberflächenbereich auf vier Seitenflächen ausgebildet ist und dass die Zuführelektrode 14 die untere Fläche des Substrats 11 schneidet. Mit diesem Aufbau kann eine ausreichende Fläche zum Löten erhalten werden.
Das in 33 gezeigte Antennenelement ist dasselbe wie in 32, außer dass eine Blindelektrode 133 auf der unteren Fläche des Substrats 11 ausgebildet ist, anstatt eine Zuführelektrode 14 auf der unteren Fläche zu verlängern.
Das in 34 gezeigte Antennenelement ist dasselbe wie in 32, außer dass es auf der unteren Fläche des Substrats 11 mit einer schwebenden Elektrode 134 versehen ist, ohne die Zuführelektrode 14 zu verlängern. Die schwebende Elektrode 134 erhöht die Kapazität zwischen der Strahlungselektrode 13 und Masse, was die Miniaturisierung des Antennenelements und die Einstellung seiner Frequenz vereinfacht.
Zusätzlich kann das Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung mit einer Strahlungselektrode mit einer Form wie in 35 gezeigt versehen werden.
Obwohl das dielektrische Substrat bei den vorstehenden Ausführungsformen aus isolierender Keramik besteht, können stattdessen auch Substrate aus Kunststoffen verwendet werden. Im Falle eines Kunststoffsubstrats kann dieses mit einer Durchbohrung zur Bildung eines Einspeisepunktes versehen werden.
Eine Antennenvorrichtung mit dem Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung, montiert auf einer Leiterplatte, kann in ein drahtloses Nachrichtenübertragungsgerät wie zum Beispiel ein Mobiltelefon, Datenterminal usw. eingebaut werden, um ein im Wesentlichen omnidirektionales Nachrichtenübertragungsgerät mit einer guten Antennencharakteristik bezüglich Verstärkung, Bandbreite usw. zu erhalten. Als ein Antennenelement für die Oberflächenmontage bietet das Antennenelement nach der vorliegenden Erfindung große Designfreiheit bei geringem Flächenbedarf, was eine hohe Montagedichte und da durch eine Miniaturisierung der Antennenvorrichtung und auch eines Nachrichtenübertragungsgeräts mit der Antennenvorrichtung ermöglicht. Bei der Antennenvorrichtung mit einem Antennenelement von 15 mm × 3 mm × 2 bis 3 mm belegt das Antennenelement zum Beispiel eine Fläche von 50 mm² oder weniger bzw. die Hälfte oder weniger der Fläche wie bei der herkömmlichen Antennenvorrichtung.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein im Wesentlichen omnidirektionales, kleines und leistungsfähiges Chip-Antennenelement mit einer großen Bandbreite und einer hohen Verstärkung bereit sowie eine Antennenvorrichtung mit diesem Chip-Antennenelement. Weil dieses Antennenelement nur eine sehr kleine Fläche auf einer Leiterplatte belegt, auf der es montiert ist, kann eine höhere Montagedichte erzielt werden. Daher kann ein tragbares Nachrichtenübertragungsgerät mit einer solchen Antennenvorrichtung miniaturisiert werden und weist unabhängig von der Position und Richtung der Vorrichtung eine stabile Übertragungsleistung auf.

Claims

Chip-Antennenelement mit (a) einer auf einer ersten Stirnfläche und/oder einem benachbarten Oberflächenbereich eines isolierenden Substrats (11) ausgebildeten Masseelektrode (15), (b) einer auf mindestens einer Oberfläche des Substrats (11) ausgebildeten Strahlungselektrode (13), die sich mit im wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmender Breite von der Masseelektrode (15) mit oder ohne Zwischenraum zu einer zweiten Stirnseite des Substrats (11) oder seiner Umgebung erstreckt, und (c) einer Zuführelektrode (14), die mit oder ohne Kontakt mit der Strahlungselektrode (13) auf mindestens einer Oberfläche des Substrats (11) an einer Stelle ausgebildet ist, die einer Zwischenstelle der Strahlungselektrode (13) gegenüber liegt und gegenüber der Mitte des Substrats (11) zum Spitzenende (13b) der Strahlungselektrode (13) hin versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das breite hintere Ende (13a) der Strahlungselektrode (13) an der Seite der ersten Stirnseite des Substrats (11) und ihr schmales Spitzenende (13b) an der Seite der zweiten Stirnseite des Substrats (11) liegt
Antennenelement nach Anspruch 1, wobei (a) die Strahlungselektrode (13) auf mindestens einer Oberfläche des Substrats (11) derart ausgebildet ist, dass sie sich mit im wesentlichen kontinuierlich und/oder stufenweise abnehmender Breite von einem ersten Stirnseite des Substrats (11) oder ihrer Umgebung zu einer zweiten Stirnseite des Substrats (11) oder ihrer Umgebung erstreckt und somit ein breites hinteres Ende an der Seite der ersten Stirnseite des Substrats (11) und ein schmales Spitzenende (13b) an der Seite der zweiten Stirnseite des Substrats (11) aufweist, (b) eine erste Masseelektrode (15) direkt oder über einen Zwischenraum mit dem hinteren Ende (13a) der Strahlungselektrode (13) verbunden ist und (c) eine zweite Masseelektrode (17) über einen Zwischenraum (12) dem Spitzenende der Strahlungselektrode (13) gegenüber ausgebildet ist.
Antennenelement nach Anspruch 1 oder 2, mit einer mit dem schmalen Spitzenende (13b) der Strahlungselektrode (13) verbundenen und auf einer zweiten Stirnfläche des Substrats (11) und/oder einem benachbarten Bereich auf mindestens einer dazu benachbarten Seitenfläche ausgebildeten Elektrodenverlängerung (131).
Antennenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (11) quaderförmig ist.
Antennenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis W/S von Breite W des breiten hinteren Endes der Strahlungselektrode (13) zu Breite S des schmalen Spitzenendes (13b) der Strahlungselektrode 2 oder mehr beträgt.
Antennenelement nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis W/S 2 bis 5 beträgt.
Antennenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungselektrode (13) auf benachbarten Seitenflächen des Substrats (11) ausgebildet ist.
Antennenvorrichtung mit dem auf einer Leiterplatte (30) montierten Chip-Antennenelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungselektrode (13) des Chip-Antennenelements parallel zur Kante eines Masseleiters (31) der Leiterplatte verläuft und ein offenes Spitzenende (13b) der Strahlungselektrode (13) an einer von dem Masseleiter entfernten Stelle angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwischen der Masseelektrode (15, 17) des Chip-Antennenelements (10) und dem Masseleiter (31) der Leiterplatte (30) ein Zwischenraum besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Zuführelektrode (14) mit einer auf der Leiterplatte (30) zwischen einem Paar von Masseleitern (31) angeordneten Zuführleitung (32) verbunden ist.
Nachrichtenübertragungsgerät mit der Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10.