DE60122698T2

DE60122698T2 - Mehrbandantenne

Info

Publication number: DE60122698T2
Application number: DE60122698T
Authority: DE
Inventors: Dunlop Simon
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: ATE338354T1; EP1276170A1; DE60122698D1; EP1276170B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Mehrbandantennen und insbesondere Mehrbandplanarantennen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Anwendungen erfordern, dass eine Antenne Signale in zwei oder mehreren getrennten Frequenzbändern senden und empfangen kann. Zum Beispiel können auf dem Gebiet der Mobiltelekommunikation Mobiltelekommunikationsnetze in einem oder mehreren unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten, die von Land zu Land variieren können. Daher müssen Mobiletelefone (Handys) in mehr als einem Frequenzband arbeiten können, wenn sie mit mehr als einem mobilen Netz, die unterschiedliche Frequenzbänder verwenden, kompatibel sein sollen (dies wird manchmal als Vorhandensein von Ortswechselfunktionalität bezeichnet). Eine Mehrbandantenne ist eine Antenne, die in mehr als einem Frequenzband arbeiten kann.
Planarantennen, wie beispielsweise Mikrostreifen-Flachantennen, sind eine Antennenform mit zunehmender Beliebtheit. Planarantennen weisen eine relativ kompakte Konstruktion auf, sind relativ leicht, relativ einfach herzustellen und daher relativ kostengünstig. Zudem sind Planarantennen für den internen Gebrauch geeignet, d.h. sie können in einem Telekommunikationsgerät, z.B. einem Mobiltelefonhörer, integriert werden. Dadurch wird nicht nur die ästhetische Attraktivität des Geräts erhöht, sondern die Antenne wird ebenfalls geschützt, wodurch sie weniger empfindlich für Beschädigungen ist. Ein weiterer Vorteil von Planarantennen besteht darin, dass sie zum Beispiel derart in einem Telefonhörer angeordnet sein können, dass die während des Gebrauchs abgegebene Strahlung vorwiegend direkt von dem Benutzer des Hörers weg geleitet wird.
Es sind frühere Versuche zur Bereitstellung von Mehrband-Planarantennen durchgeführt worden. Diese Versuche umfassen das Kombinieren von zwei Planarantennen übereinander oder nebeneinander oder die Verwendung eines passenden Netzes. Diese Antennen weisen den Nachteil auf, dass sie groß und komplex sind und ihre Herstellung kann daher relativ schwierig und kostspielig sein. Andere Versuche umfassten die Kombination von Schlitzen und Kurzschlussstiften, jedoch müssen solche Antennen relativ groß sein und sind aus diesem Grund für den Einbau in moderne Telekommunikationsvorrichtungen, insbesondere Telefonhörer, ungeeignet. Das Problem der Größe wird durch die Tatsache verschärft, dass viele Mobiltelekommunikationsnetze in relativ niedrigen Frequenzbändern arbeiten, wobei ein Niederfrequenzbetrieb normalerweise eine große Planarantenne erfordert.
J.Y. Sze und K.L. Wong, „Broadband Rectangular Microstrip Antenna with Pair of Toothbrush Shaped Slots", Electronic Letters, Bd. 34, Nr. 23, 12.11.1998, S. 2186–2187, XP6010604 offenbart eine Antenne mit den Eigenschaften des Oberbegriffs von Anspruch 1. J.F. Zurcher und F.E. Gardiol, „Broadband patch antennas", 1998, Abschnitt 2.5. „Broadbanding" offenbart in Abschnitt 2.5.2. eine gefaltete Dipolantenne, die einen mittig angeordneten H-förmigen Schlitz umfasst. Die Antennen jedes dieser Dokumente können in zwei Resonanzmodi betrieben werden, deren Frequenzen ausreichend dicht beieinander liegen, dass sie als einzelner Breitbandresonanzmodus dienen. Das Patent der Vereinigten Staaten US 5,955,995 (Silverstein) offenbart eine Planarantenne, die an einer Ecke der Platte gespeist wird, wodurch verursacht wird, dass die Antenne bei zwei benachbarten Frequenzen mitschwingt. Keine dieser Antennen erreicht eine Resonanz in mehreren getrennten Frequenzbändern. US 5,955,995 offenbart den Oberbegriff von Anspruch 1.
Es besteht daher ein Bedarf für verbesserte Mehrband-Planarantennen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine Flachantenne, die Folgendes umfasst: eine im Allgemeinen rechteckige leitfähige Platte, die durch ein erstes und zweites Paar gegenüberliegende Seiten abgegrenzt ist; eine Masseebene; ein dielektrisches Substrat zwischen der Platte und der Masseebene; einen Speisemechanismus zum Anlegen elektromagnetischer Signale an einen Speisepunkt, der sich auf der leitfähigen Platte befindet; und einen oder mehrere Schlitze, die in der Platte gebildet sind, wobei jeder Schlitz von den Seiten der Platte beabstandet ist, wobei der Speisepunkt auf einer gedachten Linie durch eine Ecke und die Mitte der leitfähigen Platte angeordnet ist oder mit dieser übereinstimmt, ein erster Schlitz einen länglichen Körperabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu einer der ersten Seiten der Platte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne des Weiteren einen zweiten Schlitz umfasst, der einen länglichen Körperabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu der anderen der ersten Seiten der Platte angeordnet ist, der erste Schlitz einen entsprechenden Fußschlitzabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu einer entsprechenden zweiten Seite der Platte angeordnet ist, wobei der zweite Schlitz einen entsprechenden Fußschlitzabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu den entsprechenden zweiten Seiten der Platte angeordnet ist.
Die Antenne kann in einer Vielzahl von getrennten Frequenzbändern mitschwingen. Dies bedeutet, dass die Antenne zu einem Mehrbandbetrieb in der Lage ist, ohne dass zusätzliche Resonanzplatten, Kurzschlussstifte, passende Schaltkreise oder mehrere Speisepunkte benötigt werden.
Vorzugsweise ist der Speisemechanismus so ausgelegt, dass er der leitfähigen Platte eine direkte Einspeisung bereitstellt. Der Speisemechanismus kann die Platte alternativ durch indirekte Kopplung speisen. Vorzugsweise ist die Antenne aus Mikrostreifen gebildet.
Vorzugsweise ist mindestens ein Teil mindestens eines der Schlitze in nächster Nähe zu einer Kante der Platte angeordnet, so dass der mindestens eine Schlitzteil elektromagnetische Energie in einem anderen Frequenzband als den natürlichen Resonanzfrequenzbändern der Platte abstrahlt.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Schlitz einen ersten und einen zweiten nicht parallelen Schlitzabschnitt. Insbesondere wird bevorzugt, dass der erste und zweite Schlitzabschnitt im Wesentlichen senkrecht zu einander angeordnet sind. Des Weiteren wird bevorzugt, dass der mindestens eine Schlitz im Wesentlichen I-förmig oder H-förmig ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die leitende Platte eine im Allgemeinen rechteckige Form auf und umfasst einen ersten und einen zweiten Schlitz, jeweils einen auf beiden Seiten des Speisepunktes, wobei jeder Schlitz einen länglichen Körperabschnitt mit einem jeweiligen Fußabschnitt an beiden Enden des Körperabschnitts oder benachbart zu diesen aufweist, die Schlitze so ausgelegt sind, dass die jeweiligen länglichen Körperabschnitte im Wesentlichen parallel im Verhältnis zu einem Paar gegenüberliegender Kanten der Platte angeordnet sind und dass sich die jeweiligen Fußabschnitte in nächster Nähe zu dem anderen Paar gegenüberliegende Plattenkanten befinden. Vorzugsweise besteht das eine Paar gegenüberliegende Plattenkanten aus den Platttenkanten, die während der Resonanz in einem Frequenzband elektromagnetische Energie abstrahlen, wobei die leitfähige Platte primär dafür konstruiert ist, in Bezug auf das Frequenzband mitzuschwingen. Vorzugsweise sind der erste und zweite Schlitz im Wesentlichen I-förmig und die jeweiligen Fußabschnitte sind so ausgelegt, dass sie im Wesentlichen parallel zu den anderen gegenüberliegenen Plattenkanten angeordnet sind.
Andere bevorzugte Eigenschaften sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Weitere vorteilhafte Gesichtspunkte der Erfindung werden Fachleuten bei Durchsicht der folgenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht einer Planarantenne in Position in einem Mobiltelefonhöher ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Planarantenne gemäß der Erfindung ist, die auf einem Frontendmodul (FEM) für einen Funk-Sendeempfänger angebracht ist;
3 eine Seitenansicht der Antenne aus 2 ist;
4 eine Draufsicht einer ungeschlitzten Planarantenne ist;
5a bis 5c Diagramme der Stromdichte in der ungeschlitzten Antenne aus 4 bei veschiedenen Speisefrequenzen sind;
6 ein Diagramm des Reflexionsverlusts (dB) im Verhältnis zur Frequenz (GHz) für die ungeschlitzte Planarantenne ist;
7 eine Gruppe von Gleichungen zur Verwendung bei der Konstruktion einer Planarantenne zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist eine perspektivische Ansicht eines Mobiltelekommunikationshörers gezeigt, der im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Der Hörer 10 ist nur zum Zweck der Klarheit im allgemeinen Umriss gezeigt. Der Hörer 10 umfasst eine Planarantenne in der bevorzugten Form einer Mikrostreifen-Flachantenne 12. Die Flachantenne 12 ist an einem Funkmodul oder Frontendmodul (FEM) 14 befestigt, das seinerseits in herkömmlicher Weise auf einer Leiterplatte (PCB) 16 befestigt ist. Die Antenne 12 umfasst ein dielektrisches Substrat 20, das eine erste leitende Schicht oder Platte 18 auf einer Seite und eine zweite leitende Schicht oder Masseebene 22 auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Ein Speisemechanismus (in 1 nicht gezeigt) ist für die Kommunikation zwischen dem FEM 14 und der Antenne 12 bereitgestellt. Der Speisemechanismus kann direkt mit der Platte verbunden sein (direkte Speisung) oder er kann indirekt mit der Platte gekoppelt sein.
Bei Gebrauch sendet und empfängt das FEM 14, wie es üblich ist, über die Antenne 12 elektromagnetische Signale, einschließlich Funkfrequenzsignale. Während der Übertragung speist das FEM 14 über den Speisemechanismus ein elektrisches Signal in die Antenne 12 ein. Das Signal erregt die Platte 18, um die Abstrahlung von elektromagnetischer Energie oder Wellen davon zu verursachen. Insbesondere wird eine Ladungsverteilung auf der Rückseite oder Unterseite der Platte 18 und der Masseebene erzeugt, wenn die Platte 18 von einem Speisesignal erregt wird. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Unterseite der Platte positiv geladen und die Masseebene ist negativ geladen. Die Anziehungskräfte zwischen diesen Ladungen neigen dazu, einen großen Prozentanteil der Ladung zwischen den beiden entgegengesetzten Flächen zu halten. Jedoch drücken die Abstoßungskräfte zwischen positiven Ladungen auf der Platte einige dieser Ladungen in Richtung der Kanten der Platte, was zu einer großen Ladungsdichte oder Stromdichte an einigen der Kanten (normalerweise zwei gegenüberliegenden Kanten) führt. Diese Bereiche großer Ladungsdichte sind die Quelle von Randfeldern an den Kanten der Platte 18 und der entsprechenden Strahlung von der Platte 18.
Eine Planar- oder Flachantenne strahlt Energie nur in Frequenzbändern ab, in denen Resonanz auftritt. Die Stelle des resonanten oder betriebsfähigen Frequenzbandes einer Flachantenne hängt vorwiegend von ihren Dimensionen und ihrer Zusammensetzung ab. Wenn eine Platte mit einem Signal in dem resonanten Frequenzband gespeist wird, strahlt die Platte daher Energie in diesem Frequenzband ab.
Die Effizienz, mit der die Platte Energie abstrahlt, hängt unter anderem davon ab, ob eine Impedanzübereinstimmung zwischen der Platte 18 und dem Speisemechanismus vorliegt oder nicht. Typischerweise weist eine koaxiale Speisevorrichtung eine Impedanz von 50 Ohm auf, und es ist daher wichtig, den Speisepunkt so zu positionieren, dass die effektive Impedanz, die von der Platte am Speisepunkt angelegt wird, mit der Impedanz der Speisevorrichtung übereinstimmt. Die Strahlungseffizienz kann hinsichtlich des Reflexionsverlusts (typischerweise in Dezibel (dB)) oder des Spannungsstehwellenverhältnisses (VSWR) gemessen werden. Ein Reflexionsverlustwert (RLV) von etwa –10 dB oder besser, der einem VSWR von etwa 2 oder weniger entspricht, wird in einem betriebsfähigen Frequenzband gewöhnlich als wünschenswert angesehen, obwohl eine schlechtere Effizienz zufriedenstellend sein kann.
Normalerweise wird eine Flachantenne 12 als Einzelbandkonstruktion mit schmaler Bandbreite angesehen, d.h. eine Konstruktion mit nur einem einzigen relativ schmalen Resonanzfrequenzband. Um eine Flachantenne zum Betrieb in einem gewünschten Frequenzband und für eine gegebene dielektrische Konstante und Substratdicke zu konstruieren, können die Gleichungen [1] bis [4] aus 7 verwendet werden, um die ungefähre erforderliche Länge und Breite der Platte 18 zu bestimmen. Normalerweise ist dann für die Fertigstellung der Plattendimensionen eine Feinabstimmung erforderlich, um für die betreffende Anwendung geeignet zu sein.
Der nächste Schritt bei der Konstruktion der Flachantenne 12 besteht darin, die Position des Punkts zu bestimmen, an dem der Speisemechanismus die Antenne speist. Herkömmlicherweise ist der Speisepunkt auf einer gedachten geraden Linie angeordnet, die senkrecht zu den Kanten der Platte 18 und durch die Mitte der Platte verläuft. Eine derartige Speiseposition wird im Folgenden als mittige oder symmetrische Speiseposition bezeichnet. Eine herkömmliche Art, die beste Position für den Speisepunkt zu bestimmen, besteht darin, den Betrieb der Antenne 12 für verschiedene Speisepositionen zu stimulieren, ausgehend von einer Plattenkante und hin zur Plattenmitte entlang der gedachten Mittellinie. Ein geeigneter Speisepunkt ist gefunden, wenn eine Impedanzübereinstimmung zwischen dem Speisemechanismus und der Platte vorliegt (es wird angemerkt, dass in einigen Fällen keine Impedanzübereinstimmung auf der Mittellinie zu finden ist. In diesen Fällen besteht die normale Lösung darin, die Größe der Platte 18 zu vergrößern oder ein Impedanzübereinstimmungsnetz zwischen dem Speisemechanismus und der Platte 18 bereitzustellen).
Bei Einspeisung eines Signals in das resonante oder betriebsfähige Frequenzband steigt die Stromdichte auf der Oberfläche der Platte 18 entlang zwei gegenüberliegenden Kanten der Platte 18 bedeutend an, wodurch verursacht wird, dass elektromagnetische Wellen von diesen Kanten abgestrahlt werden. Die Stromdichte steigt ebenfalls auf der Oberfläche der Platte 18 zwischen den beiden abstrahlenden Kanten an, und dies verursacht weitere elektromagnetische Strahlung, die von dem Zwischenraum zwischen den beiden abstrahlenden Kanten ausgeht. Das resultierende Strahlungsmuster ist im Verhältnis zur Platte 18 im Wesentlichen symmetrisch, und dies optimiert die Verstärkung der Antenne. Dies ist der Hauptgrund, warum Flachantennen herkömmlicherweise von einer mittigen Position gespeist werden.
Jedoch stellt eine mittig gespeiste Flachantenne nur ein einzelnes Resonanzfrequenzband bereit. Es sind frühere Versuche unternommen worden, Mehrband-Planarantennen zu schaffen, einschließlich Mehrband-Flachantennen. Diese Versuche umfassen das Stapeln oder Schichten von zwei Flachantennen aufeinander oder nebeneinander oder die Verwendung eines passenden Netzes. Andere Versuche umfassten die Kombination von Schlitzen und Kurzschlussstiften oder die Bereitstellung mehrerer Speisepunkte. Es wird angenommen, dass solche früheren Versuche Nachteile in Bezug auf die Größe und/oder Komplexität aufweisen. Ihre Herstellung kann folglich relativ schwierig und kostspielig sein. Zudem wird angenommen, dass die Größe dieser Antennen diese ungeeignet für den Einbau in moderne Telekommunikationsvorrichtungen, insbesondere Telefonhörer, macht. Das Problem der Größe wird durch die Tatsache verschärft, dass viele Mobiltelekommunikationsnetze in relativ niedrigen Frequenzbändern arbeiten, wobei ein Niederfrequenzbetrieb normalerweise eine große Antenne erfordert.
Wie nun beschrieben wird, schafft ein Gesichtspunkt der Erfindung eine Einzelschicht-Planar- oder -flachantenne, die zu einem Mehrbandbetrieb ohne die Verwendung von Kurzschlussstiften, passenden Netzen oder mehreren Speisepunkten in der Lage ist.
2 und 3 veranschaulichen eine Flachantenne 112, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgelegt ist und an einem FEM 114 befestigt ist. Die Antenne 112 umfasst eine mehrseitige Platte 118 in Form einer Schicht aus leitendem Material, insbesondere leitendem Metall, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Platte 118 beschichtet eine Seite eines Substrats 120, das aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise Duroid, Keramik oder Tonerde, besteht. Eine zweite leitende Schicht 122 beschichtet die gegenüberliegende Seite des dielektrischen Substrats 120. Die zweite leitende Schicht 122, die typischerweise aus demselben Material wie die Platte 118 besteht, dient als Masseebene für die Antenne 112.
Die Antenne 112 umfasst einen Speisemechanismus 124 zur Zufuhr von elektromagnetischen Signalen (wie beispielsweise Funk- oder Mikrowellensignalen) in Form von elektrischen Signalen zwischen der Antenne 112 und dem FEM 14. In 2 nimmt der Speisemechanismus 124 die Form einer koaxialen Speisevorrichtung an, obwohl Fachleuten ersichtlich ist, dass alternativ andere Formen von herkömmlichen Speisemechanismen, wie beispielsweise Mikrostreifen, Streifenleitungen und Wellenleiter, verwendet werden können. Der Speisevorrichtung 124 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie eine direkte Einspeisung in die Platte 118 bereitstellt, und ist dementsprechend an einem Speisepunkt 126 auf der Platte 118 selbst befestigt. Eine nicht leitende Hülle 123, die zum Beispiel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet ist, umgibt den Körper der Speisevorrichtung 124.
Der Speisepunkt 126 befindet sich auf einer gedachten geraden Linie 128, die durch eine Ecke der Platte 118 und die Mitte der Platte 118 verläuft. Wenn die Platte eine geradseitige Figur ist, wie die im Allgemeinen rechtwinklige Platte 118, die in dem Beispiel aus 2 gezeigt ist, befindet sich der Speisepunkt 126 auf einer Diagonalen der Platte.
Wenn der Speisepunkt 126 auf einer Diagonalen angeordnet ist, wird festgestellt, dass die Platte 118 in einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzbänder mitschwingt. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen auftritt, weil alle Seiten der Platte dem Erregungssignal als mögliche Bereiche, von denen Strahlung ausgehen kann, ausgesetzt sind. Bei der allgemein rechtwinkligen Platte 118 aus 2 stehen daher als Folge des diagonal angeordneten Speisepunkts 126 alle vier Seiten der Platte 118 als potenzielle Strahlungselemente zur Verfügung. Da die Frequenz, bei der eine Strahlung stattfindet, von den Plattendimensionen abhängt, und da die entsprechenden gegenüberliegenden Seiten der Platte 118 eine unterschiedliche Länge aufweisen, treten die jeweiligen Resonanzzustände in verschiedenen Frequenzbändern auf.
Die Platte 118 umfasst zwei Schlitze 130, 132 zur Beeinflussung der Leistung der Antenne 112, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Als erstes wird der Betrieb einer ungeschlitzten Platte betrachtet. 4 zeigt eine Draufsicht einer ungeschlitzten Platte 218, die mit einem diagonal angeordneten Speisepunkt 226 versehen ist. Die Dimensionen der Platte 218 werden unter Verwendung der Gleichungen [1] bis [4] aus 7 für eine gewünschte Betriebsfrequenz, fr, von etwa 1800 MHz berechnet, wobei die Substratdicke, t, etwa 1,2 mm beträgt und die dielektrische Konstante, εr, etwa 10 beträgt. Dementsprechend beträgt die Länge 1 der Platte 218 etwa 34,20 mm und die Plattenbreite, w, beträgt etwa 23,37 mm. Die optimale Position des Speisepunkts 226 wurde bestimmt, indem der Betrieb der Platte 218 simuliert wurde, wobei der Speisepunkt zuerst an oder in der Nähe einer Ecke 234 der Platte 218 und daraufhin nachfolgend an Punkten, die sich fortschreitend näher an der Mitte der Platte entlang der Diagonalen befanden, angeordnet war. Bei der vorliegenden Konstruktion wurde eine Impedanzübereinstimmung gefunden, wenn der Speisepunkt 226 5,70 mm von der längeren Kante 236 der Platte 218 und 7,98 min von der kürzeren Kante 238 der Platte 218 angeordnet war, wie in 4 gezeigt. Es versteht sich, dass der Speisepunkt 226 ebenso entlang der entsprechenden Diagonalen von jeder Ecke der Platte 218 angeordnet sein kann.
In 5a bis 5c ist die Stromdichte auf der Platte 218 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass nur Bereiche von relativ hoher oder bedeutender Stromdichte durch die gestrichelten Linien gezeigt sind. Im Allgemeinen kann die Stromdichte auf einer Platte im Bereich von 0 bis 1500 A/m oder höher liegen. In 5 sind nur Bereiche; in denen die Stromdichte etwa 400 A/m und mehr beträgt, dargestellt. Eine Stromdichte von etwa 500 A/m und mehr wird als besonders bedeutend angesehen.
5a bis 5c zeigen Skizzen der Stromdichte auf der Platte 218 bei unterschiedlichen Speisefrequenzen, bei denen eine Resonanz auftritt. 5a bis 5c zeigen daher die Stromdichte der Platte 218 in drei verschiedenen Resonanzzuständen in drei unterschiedlichen Frequenzbändern. In 5 ist die Stromdichte durch kurze Striche auf der Oberfläche der Platte 218 angezeigt, wobei die Dichte der Striche der Stromdichte entspricht. 5a zeigt die Stromdichte, wenn die Platte 218 mit einem Erregungssignal von etwa 1389 MHz gespeist wird. Der Hauptbereich von hoher Stromdichte ist in etwa durch die gestrichelte Linie 501 angezeigt. Dieser Bereich enspricht dem Bereich der bedeutendsten elektromagnetischen Strahlung von der Platte 218 in diesem Resonanzzustand, wobei die Strahlung in einem Frequenzband auftritt, das bei etwa 1389 MHz zentriert ist. Wie aus 5a ersichtlich, treten die Hauptbereiche von hoher Stromdichte in diesem Frequenzband an den mittleren Abschnitten der gegenüberliegenden längeren Kanten 236, 240 und um diese herum sowie auf der Platte 218 zwischen den beiden Kanten 236, 240 auf. Folglich tritt die Hauptstrahlung der elektromagnetischen Energie an den mittleren Abschnitten der Kanten 236, 240 und um diese herum und von der Plattenoberfläche zwischen den Kanten 236, 240 in diesem Resonanzzustand (und daher in dem 1389 MHz Frequenzband) auf.
Ein zweiter Resonanzzustand tritt auf, wenn das Erregungssignal etwa 1971 MHz beträgt, und die zugehörige Stromdichtenskizze ist in 5b gezeigt. Der Hauptbereich von hoher Stromdichte ist in etwa durch die gestrichelte Linie 503 angezeigt. In diesem Zustand befinden sich die Hauptbereiche von hoher Stromdichte in den mittleren Abschnitten der verbleibenden beiden gegenüberliegenden Kanten 238, 242 und um diese herum sowie auf der Platte 218 zwischen den beiden Kanten 238, 242. Folglich tritt die Hauptstrahlung der elektromagnetischen Energie in dem Frequenzband um 1971 MHz an den mittleren Abschnitten der Kanten 238, 242 und um diese herum sowie von der Plattenoberfläche zwischen den Kanten 238, 242 auf.
Ein dritter Resonanzzustand tritt auf, wenn das Erregungssignal etwa 2476 MHz beträgt und die zugehörige Stromdichtenskizze ist in 5c gezeigt. Der Hauptbereich von hoher Stromdichte ist in etwa durch die gestrichelte Linie 505 angezeigt. In diesem Zustand befinden sich die Hauptbereiche von hoher Stromdichte in den mittleren Abschnitten aller vier Kanten 236, 238, 240, 242 und um diese herum. Folglich tritt die Hauptstrahlung der elektromagnetischen Energie in dem Frequenzband um 2476 MHz an den vier Kanten 236, 238, 240, 242 und um diese herum auf. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass ein Nullpunkt für die Stromdichte in der Mitte der Platte 218 und um diese herum vorhanden ist und dass der Pegel der Stromdichte in Richtung der Kanten der Platte 318 zunimmt. Die Stromdichte bzw. das Strahlungsmuster, die bzw. das in 5c gezeigt ist, ist zweifach linear oder kreisförmig polarisiert, was bedeutet, dass eine hohe Stromdichte und daher Strahlung gleichzeitig an allen vier Kanten in diesem Frequenzband auftritt.
Aus 5a bis 5c ist ersichtlich, dass die Platte 218 als Folge der diagonalen Speiseposition in der Lage ist, Energie von allen vier Kanten 236, 238, 240, 242 abzustrahlen, im Gegensatz zu einer herkömmlichen Platte mit Mittelspeisung, die Energie nur von zwei gegenüberliegenden Kanten abstrahlt. Dies ermöglicht, dass die Platte 218 in mehr als einem Frequenzband mitschwingt.
6 zeigt den Reflexionsverlust (dB) für jeden der Resonanzzustände, die in 5a bis 5c veranschaulicht sind. Die erste Reflexionsverlustspitze 601 stellt ein resonantes oder betriebsfähiges Frequenzband dar, das bei etwa 1389 MHz zentriert ist und dem Resonanzzustand entspricht, der in 5a gezeigt ist. Die zweite Reflexionsverlustspitze 602 stellt ein Resonanzfrequenzband dar, das bei etwa 1971 MHz zentriert ist und dem Resonanzzustand entspricht, der in 5b gezeigt ist. Die dritte Reflexionsverlustspitze 603 stellt ein Resonanzfrequenzband dar, das bei etwa 2476 MHz zentriert ist und dem Resonanzzustand entspricht, der in 5c gezeigt ist. Die zweite Reflexionsverlustspitze 602 ist bedeutend besser (etwa –13 dB) als die erste und dritte Reflexionsverlustspitze 601, 603 (jeweils etwa –4 dB und –4,5 dB). Dies wird erwartet, da die Platte 218 speziell für eine Resonanz bei etwa 1800 MHz konstruiert war und der Speisepunkt 226 so gewählt wurde, dass er eine gute Impedanzübereinstimmung in diesem Frequenzbereich bereistellt. Dennoch sind die erste und dritte Reflexionsverlustspitze 601, 603 bedeutend und können, wie unten ausführlicher beschrieben ist, so entwickelt werden, dass sie zusätzliche betriebsfähige Frequenzbänder für eine Antenne bereitstellen, in die sie integriert sind.
Daher kann die ungeschlitzte Platte 218 mit diagonaler Speisung in eine Antenne der allgemeinen Art eingebaut werden, wie in 2 und 3 gezeigt, und die resultierende Antenne ist in einer Reihe von unterschiedlichen Frequenzbändern betriebsfähig. Dies wird durch die Verwendung von nur einer einzigen leitenden Schicht für die Platte 218, unter Verwendung nur eines einzigen Speisemechanismus und ohne den Bedarf für Kurzschlussstifte oder einen passenden Schaltkreis erreicht. Jedoch werden die relativ schlechten Reflexionsverlustspitzen 601, 603 für das erste und dritte Frequenzband normalerweise als nicht zufriedenstellend für die kommerzielle Verwendung angesehen. Zudem befinden sich die drei veranschaulichten Reflexionsverlustspitzen 601, 602, 603 in Frequenzbändern, die in der Mobiltelekommunikationsindustrie derzeit nicht in kommerziellem Gebrauch sind. In diesem Zusammenhang sind vier Hauptfrequenzbänder, die auf dem Mobiltelekommunikationsmarkt gegenwärtig in Gebrauch sind, GSM (Global System for Mobile telecommunications – etwa 890 bis 960 MHz), GPS (Global Positioning System – etwa 1,57 bis 1,58 GHz), DCS (Digital Communication System – etwa 1,71 bis 1,88 GHz) und Bluetooth (etwa 2,4 bis 2,48 GHz).
Es wird daher vorgeschlagen, einen oder mehrere Schlitze in der Platte 218 bereitzustellen, um die Leistung der Antenne zu beeinflussen. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Planarantenne zu schaffen, die zu einem zufriedenstellenden Betrieb in mindestens zwei kommerziell verwendeten Frequenzbändern in der Lage ist.
Die Bereitstellung von Schlitzen erhöht die Stromdichte in der Platte um mindestens einige der Schlitzkanten herum. Ein Anstieg der Stromdichte hat die Wirkung, dass die Platte elektrisch größer wird, und dies verursacht, dass sich die Platte so verhält, als ob sie physikalisch größer wäre, obwohl die tatsächliche Länge und Breite der Platte unverändert sind. Durch sorgfältige Anordnung eines Schlitzes (einschließlich der Schlitzform, der Schlitzgröße und der Schlitzposition) können eins oder mehrere der Frequenzbänder, in denen die Platte mitschwingt, eingestellt werden. Insbesondere kann durch Anordnen mindestens eines Teils eine Schlitzes in oder benachbart zu einem Bereich der Platte, der eine relativ hohe Stromdichte während der Resonanz in einem gegebenen Frequenzband aufweist, das Frequenzband gesenkt werden (d.h. die Resonanz tritt bei einer niedrigeren Frequenz auf). Dies liegt daran, dass die Zunahme der Stromdichte, die von dem Vorhandensein des Schlitzes verursacht wird, verursacht, dass sich die Platte so verhält, als ob sie größer wäre- und größere Platten schwingen im Allgemeinen bei niedrigeren Frequenzen mit.
Die Schlitze stellen ebenfalls eine weitere Wirkung bereit, wenn sie gemäß der Erfindung angeordnet sind. Die erhöhte Oberflächenstromdichte um die Schlitzkanten herum verursacht zusätzliche Reflexionsverlustspitzen in unterschiedlichen Frequenzbändern. Die Schlitzkanten wirken, wenn sie angemessen angeordnet sind, als Pseudo-Plattenkanten, von denen elektromagnetische Energie abgestrahlt werden kann. Ein Schlitz kann daher effektiv einen oder mehrere weitere Resonanzzustände für die Platte erzeugen und so die Vielseitigkeit der Antenne vergrößern.
Die Bereitstellung eines Schlitzes in der Platte kann ebenfalls die wirksame Impedanz der Platte im Verhältnis zum Speisepunkt beeinflussen. Der Schlitz kann daher die Größe der Reflexionsverlustspitze in einem oder mehreren Resonanzfrequenzbändern beeinflussen.
Daher können bei geeigneter Konstruktion und Anordnung von Schlitzen gemäß der Erfindung die natürlichen Resonanzfrequenzbänder einer Planarantenne eingestellt werden, es können weitere Resonanzfrequenzbänder, d.h. Betriebsfrequenzen, erzeugt werden und der Reflexionsverlustwert (d.h. die Platteneffizienz) in den Resonanzfrequenzbändern kann verbessert werden. Jedoch kann sich die Beseitigung von Material aus einer Platte zur Bildung eines Schlitzes nachteilig auf die Effizienz der Antenne auswirken, und dies muss während der Schlitzkonstruktion berücksichtigt werden.
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass es für die Konstruktion einer Platte zum Betrieb in einer Reihe unterschiedlicher Frequenzbänder notwendig ist, sorgfältig eine Anordnung von Schlitzen zu wählen, so dass die Platte in den gewünschten Frequenzbänder und mit einer zufriedenstellenden Effizienz (d.h. einem zufriedenstellenden Reflexionsverlustwert) mitschwingt. Es wird mehr als ein Schlitz bevorzugt, da dies die Einstellung einer größeren Anzahl von Frequenzbändern erleichtert – zum Beispiel kann ein Schlitz verwendet werden, um den Frequenzwert und/oder Reflexionsverlustwert primär in einem Resonanzfrequenzzustand einzustellen, während ein anderer Schlitz dafür verwendet werden kann, den Frequenzwert und/oder Reflexionsverlustwert primär in einem anderen Resonanzfrequenzzustand einzustellen.
Zur Bestimmung der Anordnung eines oder mehrerer Schlitze zur Einstellung einer oder mehrerer Resonanzfrequenzen ist festgestellt worden, dass das Anbringen eines Schlitzes (oder eines Teils eines Schlitzes) in oder benachbart zu einem Bereich von bedeutender elektromagnetischer Strahlung in einem bestimmten Resonanzzustand im Allgemeinen die Stromdichte in dem Bereich erhöht, wodurch die Strahlungsfrequenz in diesem Zustand verringert wird. Ein Vergrößern der Länge des Schlitzes (oder Teilschlitzes) in dem Bereich erhöht ebenfalls die Stromdichte und verringert die Strahlungsfrequenz (und umgekehrt). Das Verrücken des Schlitzes (oder Teilschlitzes) näher zu einer Plattenkante hin, die in dem Resonanzzustand strahlt, erhöht ebenfalls die Stromdichte um den Schlitz (oder Teilschlitz) herum, wodurch die Strahlungsfrequenz verringert wird (und umgekehrt). Ebenso vergrößert das Verrücken eines Schlitzes (oder Teilschlitzes) in einen oder in Richtung eines Bereich(s) von höherer Strahlungsdichte die Stromdichte weiter und senkt die Frequenz. Des Weiteren können der oder die Schlitz(e) zusätzliche Resonanzzustände verursachen, die in einer ungeschlitzten Platte nicht merklich sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der bzw. die Schlitz(e) (oder Teilschlitz(e)) in nächster Nähe von und im Wesentlichen parallel zu einer Plattenkante angeordnet sind.
Es ist ersichtlich, dass bei einer Platte von unterschiedlichen Dimensionen die Resonanzzustände sowohl von einer geschlitzen als auch einer ungeschlitzten Platte in anderen Frequenzbändern als den oben beschriebenen auftreten können und die Schlitze auf diese Weise in unterschiedlichen Frequenzbändern wirken können.
Es ist ersichtlich, dass die hierin beschriebenen Schlitzkonstruktionsverfahren auf Platten angewendet werden können, die nicht notwendigerweise von einem Punkt auf einer Diagonalen gespeist werden.
Das Vorhandensein von mehr als einem Schlitz in der Platte wird bevorzugt, da dies die Beeinflussung von mehr als einer Betriebsfrequenz erleichtert. Es ist jedoch ersichtlich, dass eine betriebsfähige Platte ebenfalls unter Verwendung von nur einem Schlitz erreicht werden kann.
Es ist ebenfalls ersichtlich, dass der oder jeder Schlitz nicht notwendigerweise I-förmig sein muss. Es wird jedoch bevorzugt, dass mindestens ein Schlitz einen ersten und einen zweiten nicht parallelen Schlitzabschnitt umfasst. Dies vergrößert die Länge der Schlitzkanten in einem gegebenen Bereich (zum Beispiel um die Füße herum), wodurch die Wirkung, die der Schlitz auf die Betriebsfrequenzen hat, vergrößert wird. Insbesondere wird bevorzugt, dass der erste und zweite Schlitzabschnitt im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Dies ist besonders nützlich für allgemein rechtwinklige Platten, da es das Anordnen des Schlitzes mit einem entsprechenden Abschnitt im Wesentlichen parallel zu einer entsprechenden Plattenkante ermöglicht. Für eine nicht rechtwinklige Platte kann der relative Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Schlitzabschnitt entsprechend eingestellt werden. Fachleuten ist ersichtlich, dass es viele verschiedene Schlitzformen gibt, die verwendet werden können, um die Vorteile der Lehre der Erfindung zu nutzen. Zum Beispiel müssen die Fußabschnitte des Schlitzes nicht notwendigerweise ganz am Ende des Körperabschnitts angeordnet sein.
Der zweite nicht parallele Schlitzabschnitt braucht nicht notwendigerweise einstückig mit dem ersten Schlitzabschnitt zu sein. Zum Beispiel können die Fußabschnitte bei einem I-förmigen Schlitz vom Körperabschnitt getrennt sein. Dies führt zu einer Abnahme der Stromdichte insbesondere im Bereich zwischen den Fußabschnitten und dem Körperabschnitt. Die Verringerung der Stromdichte führt zu einer Zunahme der Betriebsfrequenz in den Resonanzzuständen, in denen die Hauptstrahlungsbereiche den Bereich um die Fußabschnitte herum umfassen. Es ist ebenfalls festgestellt worden, dass eine Trennung der Füße vom Körper den Reflexionsverlustwert im DCS-Frequenzband verbessert.
Es ist ebenfalls möglich, den zweiten Schlitzabschnitt auszulassen. Zum Beispiel können die Fußabschnitte eines I-förmigen Schlitzes ausgelassen werden. Dies führt zu einer Abnahme der Stromdichte in den Bereichen, wo sich die Füße befunden hätten, was wiederum zu einer Zunahme der Betriebsfrequenz in den Resonanzzuständen führt, in denen die Hauptstrahlungsbereiche den Bereich um die Fußabschnitte umfassen.
Eine weitere Alternative besteht darin, mindestens einen Teil des Körperabschnitts des Schlitzes auszulassen. Zum Beispiel kann bei einem I-förmigen Schlitz der mittlere Abschnitt des Schlitzkörpers entfernt werden, so dass zwei beabstandete T-förmige Schlitze zurückbleiben. Diese Anordnung ist in den Fällen geeignet, in denen die Platte für einen Betrieb in Frequenzbändern bestimmt ist, in denen die Mittelabschnitte der Schlitze keine bedeutende Rolle spielen.
Es ist im Allgemeinen wünschenswert, dass eine Antenne ein so symmetrisches Strahlungsmuster wie möglich erzeugt, und es wird daher bevorzugt, dass die Schlitze im Allgemeinen eine symmetrische Form und im Allgemeinen eine symmetrische Anordnung in der Platte aufweisen.
Es ist ebenfalls ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung mit Antennen beschränkt ist, bei denen die Platte direkt mit einem Erregungssignal gespeist wird. Andere herkömmliche Speiseanordnungen, wie beispielsweise Koppeln, eine koplanare Wellenleiter- oder Miktrostreifen-Speiseleitung, können ebenfalls verwendet werden. In jedem Fall ist der Speisepunkt gemäß der Erfindung so angeordnet, dass er sich auf einer gedachten Linie von einer Ecke der Platte zur Mitte der Platte befindet oder mit dieser übereinstimmt.
Es ist ersichtlich, dass die Platte 118, 218 Signale in mehreren Frequenzbändern sowohl senden als auch empfangen kann. Vorzugsweise ist die Platte 218 der Erfindung auf einem Frontendmodul (FEM) befestigt, das sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Signalen in den entsprechenden Frequenzbändern ausgelegt ist. Jedoch kann die Platte 218 alternativ mit einem FEM verwendet werden, das nur empfangen oder nur senden kann.
Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass die Platten 118, 218 in weiteren Frequenzbändern neben den hierin beschriebenen mitschwingen können. Zum Beispiel ist in 6 eine kleine Reflexionsverlustspitze 604 bei etwa 2750 MHz vorhanden. Jedoch werden solche zusätzlichen Reflexionsverlustspitzen von der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht verwendet.

Claims

Flachantenne (12), die Folgendes umfasst: eine im Allgemeinen rechteckige leitfähige Platte (118), die durch ein erstes und zweites Paar gegenüberliegende Seiten abgegrenzt ist; eine Masseebene (122); ein dielektrisches Substrat (120) zwischen der Platte und der Masseebene; einen Speisemechanismus (124) zum Anlegen elektromagnetischer Signale an einen Speisepunkt (126, 226), der sich auf der leitfähigen Platte befindet; und einen oder mehrere Schlitze (130, 132), die in der Platte gebildet sind, wobei jeder Schlitz von den Seiten der Platte beabstandet ist, wobei der Speisepunkt (126, 226) auf einer gedachten Linie durch eine Ecke und die Mitte der leitfähigen Platte angeordnet ist oder mit dieser übereinstimmt, ein erster Schlitz einen länglichen Körperabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu einer der ersten Seiten der Platte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne des Weiteren einen zweiten Schlitz (132) umfasst, der einen länglichen Körperabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu der anderen der ersten Seiten der Platte angeordnet ist, der erste Schlitz (130) einen entsprechenden Fußschlitzabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu einer entsprechenden zweiten Seite der Platte angeordnet ist, wobei der zweite Schlitz (132) einen entsprechenden Fußschlitzabschnitt umfasst, der benachbart und parallel zu den entsprechenden zweiten Seiten der Platte angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Fußschlitzabschnitte einstückig mit den entsprechenden länglichen Körperabschnitten jeweils des ersten und zweiten Schlitzes gebildet sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seiten des ersten Paars kürzer sind als die Seiten (240, 246) des zweiten Paars.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speisemechanismus (124) so angeordnet ist, dass er der leitfähigen Platte eine direkte Einspeisung bereitstellt.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne aus einem Mikrostreifen gebildet ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Schlitz im Wesentlichen „H"-förmig sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Schlitz (130, 132) jeweils auf beiden Seiten des Speisepunkts (124) angeordnet sind, jeder Schlitz einen länglichen Körperabschnitt mit einem entsprechenden Fußabschnitt an beiden Enden des Körperabschnitts oder benachbart zu diesem aufweist, wobei die entsprechenden länglichen Körperabschnitte im Wesentlichen parallel in Bezug auf ein jeweiliges Paar erster gegenüberliegender Seiten der Platte angeordnet sind und die jeweiligen Fußabschnitte benachbart zu dem zweiten Paar gegenüberliegender Plattenseiten angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste Paar gegenüberliegende Plattenseiten die Plattenseiten sind, die während der Resonanz in einem Frequenzband elektromagnetische Energie abstrahlen, wobei die leitfähige Platte primär dafür konstruiert ist, in Bezug auf das Frequenzband mitzuschwingen.