DE60125947T2 - Antennenanordnung und tragbares funkkommunikationsgerät - Google Patents

Antennenanordnung und tragbares funkkommunikationsgerät Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen interne Antennenanordnungen und insbesondere eine interne Antennenanordnung zur Verwendung in einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung, wie ein mobiles Telefon.
  • HINTERGRUND
  • Moderne mobile Telefone werden kleiner und kleiner und somit wird die Interaktion zwischen Antenne, Telefongehäuse und Benutzer wichtiger als zuvor. Es ist weithin bekannt, dass die Größe einer Antenne kritisch ist für ihre Leistung. Es gibt heutzutage auch normalerweise eine Anforderung, dass zwei oder mehr Frequenzbänder unterstützt werden.
  • GB 2 316 540 offenbart eine planare Antenne und eine Funkvorrichtung, welche diese aufweist.
  • Mobile Telefone tauschen im Allgemeinen Funksignale mit einer Funkbasisstation aus. Einiger Signalaustausch findet während einer Bereitschaft bzw. Standby statt, wenn kein Anruf stattfindet und das Telefon sich zum Beispiel in der Hand, in einer Tasche oder an der Hüfte des Benutzers befindet. Ein Signalaustausch findet selbstverständlich statt, wenn ein Anruf stattfindet, und das Telefon befindet sich dann typischerweise zwischen dem Ohr und dem Mund des Benutzers oder weiterhin in einer Tasche oder an der Hüfte des Benutzers mit einem verbundenen Ohrhörer und Mikrofon.
  • Ein grundlegender und effizienter Antennentyp für ein mobiles Telefon ist die Monopolantenne, die aus einer Antennenpeitsche mit einer Länge von im Allgemeinen einem Bruchteil einer Wellenlänge und einer Telefonleiterplatte besteht, die als ein entsprechender Masseleiter wirkt. Dabei wurde in vielen älteren Telefonen eine Länge einer halben Wellenlänge verwendet und liefert einen sehr niedrigen Zufuhrstrom (entsprechend hoher Impedanz) mit geringen Strömen auf dem Telefonkörper oder der Leiterplatte. Dieser Typ von Antenne liefert sehr niedrige elektromagnetische Felder auf dem Telefon selbst und somit wenig Interaktion mit dem Kopf, den Händen, usw. in der Nähe des Telefons. Jedoch ist die Größe sehr viel größer als zu modernem Telefondesign passen würde, somit sind im Allgemeinen für eine einfache Handhabung sehr viel kleinere Antennen erforderlich.
  • Da jedoch die kleine Antenne dieselbe Leistung ausstrahlen muss wie eine große (aufgrund der Anforderungen des Telefonsystems), sind die Ströme oder Spannungen (abhängig von dem Typ der Antenne) auf der kleinen Antenne größer. Dies gilt insbesondere, wenn die Struktur im Vergleich zu einer Wellenlänge klein ist. Somit ist die mögliche Interaktion mit verschiedenen Objekten in der Nähe der Antenne an sich größer und das gleiche gilt für die Ströme entlang des Telefonkörpers oder der Leiterplatte. Dies gilt für alle typischen „Screener" in Telefonumgebungen, was bedeutet, dass die elektromagnetischen Felder der Antenne während des Anrufmodus signifikant mit dem Körper des Benutzers interagieren. Diese Interaktion findet im Allgemeinen statt während einer Bereitschaft sowie wenn sich das Telefon nahe an dem Körper des Benutzers befindet.
  • Bei der Behandlung einer Interaktion zwischen der Telefonantenne und ihrer unmittelbaren Umgebungen ist das elektromagnetische Feld der Antenne wichtiger als das Fernfeld. In dieser Interaktion sind zumindest zwei unterschiedliche Größen zu berücksichtigen.
  • Eine ist der Leistungsverlust in Umgebungen, der aus Verlusten zum Beispiel in einem Tisch, einer Tasche oder in einer Hand, an einem Kopf und anderem menschlichen Gewebe besteht. Derartige Verluste müssen berücksichtigt werden bei der Gestaltung einer Antenne für ein mobiles System, da die Telefonsysteme einen bestimmten Leistungspegel erfordern (wie 2 W Spitze und 0.25 W im Mittel für GSM). Eine weitere Größe ist die SAR (Specific Absorption Rate), die in Ländern relevant ist, in denen es Gesetzgebung und Regulierung gibt, die obere SAR-Grenzen als den Leistungsverlust pro einer bestimmten Einheit von Körpergewebe definieren, im Allgemeinen quantifiziert als ein Mittel in Watt pro einer bestimmten Menge an Körpergewebe. Zum Beispiel erfordert die FCC (Federal Communications Commission) in den USA, dass SAR geringer ist als durchschnittlich 1.6 mW pro Gramm an Körpergewebe. Unterschiedliche Antennen und Telefone zeigen eine unterschiedliche SAR für dieselbe ausgestrahlte Leistung. Gemäß Standards (FCC, CENELEC und anderen) wird SAR in einem Dummy-Kopf gemessen.
  • Aufgrund des allgemeinen Wunsches, eine so große Signalstärke eines mobilen Telefons wie möglich zu erlangen, wird ein internes Antennenelement herkömmlicherweise gestaltet, so groß wie möglich zu sein, d.h. sich über die PCB zu erstrecken oder zumindest bis zu einem Rand der PCB.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antennenanordnung zur Verwendung in einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung vorzusehen, wobei der Leistungspegel der Antennenanordnung erhöht werden kann, ohne die SAR zu erhöhen, oder SAR verringert werden kann mit einem unveränderten Leistungspegel der Antennenanordnung.
  • Dieses Ziel wird unter anderem erreicht durch eine tragbare Funkkommunikationsvorrichtung, wie in den angehängten Ansprüchen beansprucht.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass, wenn eine Antennenanordnung in einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung in ein sendendes Antennenelement (Tx) und ein empfangendes Antennenelement (Rx) geteilt wird, es möglich ist, die SAR der Antennenanordnung zu verringern, wenn das sendende Antennenelement (Tx) entfernt von dem Rand einer PCB einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung vorgesehen wird, da ein Empfang eines Funksignals schwach zu der SAR beiträgt im Vergleich zu dem Senden von Funksignalen. Es ist somit möglich, den Sendeleistungspegel zu erhöhen, ohne SAR zu erhöhen, oder SAR zu verringern bei einem unveränderten Sendeleistungspegel.
  • Ein Vorteil getrennter Tx- und Rx-Antennenelemente ist, dass eine reine sendende Antenne oder empfangende Antenne einfacher einzustellen ist als eine Transceiver-Antenne, und somit erreicht eine niedrigere Sendeleistung auf einer sendenden Antenne dasselbe Ergebnis wie eine höhere Sendeleistung auf einer Transceiver-Antenne. Als Ergebnis daraus wird die SAR verringert.
  • Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn das Tx-Antennenelement unsymmetrisch (unbalanced) ist und das Rx-Antennenelement symmetrisch (balanced) ist oder umgekehrt, da die Kopplung zwischen den Antennenelementen verringert wird und das Transceiver-Antennenelement weiter einfach einzustellen ist, was eine niedrigere Sendeleistung und somit eine geringere SAR ermöglicht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird verständlicher aus der detaillierten Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnungen, die auf beispielhafte Weise vorgesehen sind und somit die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen, wobei:
  • 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine schematische Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine schematische Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • In der folgenden Beschreibung werden zum Zweck einer Erläuterung und nicht begrenzend spezifische Details dargelegt, wie bestimmte Techniken und Anwendungen, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu bieten. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsbeispielen praktiziert werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen. In anderen Fällen wird eine detaillierte Beschreibung von weithin bekannten Verfahren und Vorrichtungen weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Details zu verdecken.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
  • Eine offene tragbare Funkkommunikationsvorrichtung, wie ein mobiles Telefon, weist eine im Allgemeinen planare Leiterplatte (PCB – printed circuit board) 1 und eine Antennenanordnung auf, um eine Funkkommunikation vorzusehen. Die Antennenanordnung umfasst ein sendendes Antennenelement 3, 4, um eine Übertragung von Funksignalen vorzusehen, das von einer dielektrischen Unterstützung 2 getragen wird, und einem empfangenden Antennenelement (nicht gezeigt). Das sendende Antennenelement besteht aus einem zuführenden Teil 3 und einem mitschwingenden (resonating) Teil 4. Der mitschwingende Teil 4 besteht aus einem im Wesentlichen planaren Teil parallel zu der PCB 1 und einen weiteren im Wesentlichen planaren Teil senkrecht zu der PCB 1. Die zwei mitschwingenden Teile sind in einer Krümmung mit einem geringen Krümmungsradius miteinander verbunden.
  • Die PCB 1 funktioniert als eine Masse-Fläche-Vorrichtung, welche die Antennenelemente abschirmt (srceening), aufgrund von leitenden Pfaden und elektrischen Schaltungen und Komponenten, die darauf angebracht sind. Die PCB 1 ist unter anderem mit Komponenten für eine Hochfrequenz(RF – radio frequency)-Funktionalität vorgesehen, die mit den zuführenden Teilen der Antennenelemente verbunden sind.
  • Das sendende Antennenelement ist in dem allgemeinen Umfang der PCB 1 angebracht, begrenzt von den Rändern der im Allgemeinen planaren Oberfläche der PCB 1. Das sendende Antennenelement ist etwas innerhalb aller Ränder der PCB 1 positioniert, mindest mit einem Abstand von 1 Millimeter. Bei einer Positionierung der sendenden Antenne auf diese Weise zeigen Messungen, dass im Vergleich zur Positionierung des sendenden Antennenelements genau am Rand der PCB die SAR um 14% verringert werden kann. Der Abstand kann zumindest zwei oder drei Millimeter oder noch mehr betragen, was zu noch geringerer SAR führt.
  • Die Reduzierung der SAR kann, wenn nicht dafür erforderlich, um eine Gesetzgebung oder Regulierung zu erfüllen, stattdessen verwendet werden, um eine Sendeleistung zu erhöhen, ohne die SAR zu erhöhen, im Vergleich zu einem mobilen Telefon mit dem sendenden Antennenelement bis zu einem Rand der PCB 1.
  • Das empfangende Antennenelement trägt nur marginal zu der SAR bei und seine Position ist deswegen nicht so wichtig. Positionen von empfangenden Antennen elementen relativ zu sendenden Antennenelementen und der PCB werden im Folgenden beschrieben.
  • Vorzugsweise ist das sendende Antennenelement mit gleichem Abstand zu den zwei gegenüberliegenden Längsrändern der PCB 1 positioniert, d.h. in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Längsrändern der PCB 1 positioniert.
  • Das sendende Antennenelement kann unsymmetrisch sein und das empfangende Antennenelement kann symmetrisch sein oder umgekehrt, was die Kopplung zwischen den Antennenelementen verringert: dies ermöglicht eine einfachere Einstellung des Transceiver-Antennenelements und somit eine niedrigere Sendeleistung.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • Dieses zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist identisch mit dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, außer dass der mitschwingende Teil des sendenden Antennenelements nur aus einem im Wesentlichen planaren Teil parallel zu der PCB 1 besteht.
  • Bei einem Positionieren des sendenden Antennenelements auf diese Weise, ohne einen im Wesentlichen planaren Teil senkrecht zu der PCB 1, zeigen Messungen, dass im Vergleich zur Positionierung des sendenden Antennenelements ganz bis zu einem Rand der PCB 1 die SAR um 34% verringert werden kann.
  • Eine schematische Darstellung der relativen Positionen eines sendenden Antennenelements und eines empfangenden Antennenelements auf einer PCB, von der nur ein Teil gezeigt ist, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
  • Das sendende Antennenelement 5 ist eine planare Antenne, die in der Mitte zwischen zwei gegenüberliegenden Längsrändern der PCB 1 einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung, wie ein mobiles Telefon, positioniert ist. Der Abstand zu den Rändern beträgt zumindest einen Millimeter. Zwei Zufuhrpunkte 6 des sendenden Antennenelements 5 werden im oberen Teil der PCB 1 gezeigt.
  • Das empfangende Antennenelement 7 ist eine Ringantenne, die derart positioniert ist, dass sie das sendende Antennenelement 5 umfasst. Zwei Zufuhrpunkte 8 des empfangenden Antennenelements 7 werden entfernt von dem oberen Teil der PCB 1 gezeigt, d.h. an dem Teil des empfangenden Antennenelements 7, das von dem oberen Teil der PCB 1 abgewandt ist.
  • Im Folgenden wird eine schematische Darstellung der relativen Positionen eines sendenden Antennenelements und eines empfangenden Antennenelements auf einer PCB, von der nur ein Teil gezeigt ist, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
  • Das sendende Antennenelement 5 ist eine planare Antenne, die in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Längsrändern der PCB einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung, wie ein mobiles Telefon, positioniert ist. Der Abstand zu den Rändern beträgt zumindest einen Millimeter. Zwei Zufuhrpunkte 6 des sendenden Antennenelements 5 werden im oberen Teil der PCB 1 gezeigt.
  • Das empfangende Antennenelement 9 ist eine Dipolantenne, die zwischen dem sendenden Antennenelement und dem Umfang der PCB positioniert ist und das sendende Antennenelement 5 an dessen drei Seiten umgibt. Zwei Zufuhrpunkte 10 des empfangenden Antennenelements 9 werden in dem oberen Teil der PCB 1 gezeigt. Die Dipolantenne kann alternativ durch einen gemeinsamen Zufuhrpunkt versorgt werden.
  • Eine schematische Darstellung der relativen Positionen eines sendenden Antennenelements und eines empfangenden Antennenelements auf einer PCB gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
  • Das sendende Antennenelement 5 ist eine planare Antenne, die in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Längsrändern der PCB 1 einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung, wie ein mobiles Telefon, positioniert ist. Der Abstand zu den Rändern beträgt zumindest einen Millimeter. Zwei Zufuhrpunkte 6 des sendenden Antennenelements 5 werden in dem oberen Teil der PCB 1 gezeigt.
  • Das empfangende Antennenelement 11 ist eine Ringantenne, die zwischen dem sendenden Antennenelement 5 und einem Rand der PCB positioniert ist. Die Ringantenne ist senkrecht zu der planaren Antenne positioniert. Zwei Zufuhrpunkte 12 des empfangenden Antennenelements 11 werden in dem oberen Teil der PCB 1 gezeigt.
  • Obwohl die oben angeführten Antennenelemente als planare oder Ringantennen beschrieben wurden, können sie ein interner Antennentyp sein, wie: PIFA, Streifenantenne, Mäanderantenne, usw.
  • Um weiter eine Multiband-Abdeckung eines mobilen Telefons vorzusehen, können eine sendende Antenne und eine empfangende Antenne jeweils ausgebildet sein, in mehreren Frequenzbändern zu schwingen, oder ein mobiles Telefon kann vorgesehen werden mit mehreren sendenden Antennen und empfangenden Antennen, von denen jede ausgebildet ist, in einem Frequenzband zu schwingen. Es ist auch möglich, Einzelfrequenzband-Antennen mit Multifrequenzband-Antennen zu kombinieren.
  • Werden ein zweites sendendes Antennenelement und ein zweites empfangendes Antennenelement in einem mobilen Telefon vorgesehen, kann eine Multiband-Abdeckung erreicht werden, wobei jede Antenne nur in einem Frequenzband schwingt.
  • Wie oben erwähnt, trägt eine empfangende Antenne sehr wenig zu der SAR bei und es ist somit möglich, das empfangende Antennenelement teilweise außerhalb des allgemeinen Umfangs einer PCB zu positionieren, ohne die SAR signifikant zu erhöhen. Ein empfangendes Antennenelement kann somit z.B. einen planaren Teil parallel zu der PCB und einen gefalteten Teil haben, der um einen Rand oder mehrere Ränder der PCB gefaltet ist.
  • Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise variiert werden kann. Derartige Variationen sollen nicht als Abweichung von dem Umfang der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Wie für Fachleute offensichtlich ist, sollen alle derartigen Variationen in dem Umfang der vorliegenden Erfindung aufgenommen sein.

Claims (10)

  1. Ein tragbares Funk-Kommunikations-Gerät, welches eine Antennen-Anordnung und ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse eine im Allgemeinen planare Leiterplatte (1) aufnimmt, welche eine Masse-Fläche-Anordnung definiert, wobei die Antennen-Anordnung umfasst: – ein erstes Antennen-Element (4; 5) zum Senden von Funk-Signalen, welches innerhalb des Gehäuses angebracht ist und mit der Leiterplatte verbunden ist; und – ein zweites Antennen-Element (7; 9; 11) zum Empfang von Funk-Signalen, welches innerhalb des Gehäuses angebracht ist und mit der Leiterplatte verbunden ist; und dadurch gekennzeichnet ist, dass – das erste Antennen-Element, welches über der Leiterplatte angebracht ist, eine Projektion auf die Leiterplatte aufweist, welche senkrecht zu einer Ebene parallel zu der im Allgemeinen planaren Leiterplatte ist, wobei das erste Antennen-Element eine derartige Größe aufweist und derartig angeordnet ist, dass sich die Leiterplatte, in sämtliche Richtungen der Ebene, weiter als die Projektion erstreckt, zumindest um eine Distanz von einem Millimeter; und – das zweite Antennen-Element, welches über der Leiterplatte angebracht ist, eine Projektion auf die Leiterplatte aufweist, welche senkrecht zu der Ebene parallel zu der im Allgemeinen planaren Leiterplatte ist, und wobei das zweite Antennen-Element eine derartige Größe aufweist und derartig angeordnet ist, dass sich die Projektion des zweiten Antennen-Elements, zumindest in einer Richtung der Ebene, weiter erstreckt als die Projektion des ersten Antennen-Elements, wobei das zweite Antennen-Element zumindest teilweise das erste Antennen-Element umgibt.
  2. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das erste Antennen-Element im Wesentlichen planar und parallel zu der Leiterplatte angebracht ist.
  3. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei das zweite Antennen-Element derartig angeordnet ist, dass sich die Leiterplatte, in sämtliche Richtungen der Ebene, weiter erstreckt als die Projektion des zweiten Antennen-Elements.
  4. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei das zweite Antennen-Element derartig angeordnet ist, dass sich die Projektion des zweiten Antennen-Elements, in zumindest einer Richtung der Ebene, weiter erstreckt als die Leiterplatte.
  5. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–4 beansprucht, wobei das erste Antennen-Element derartig angeordnet ist, dass die Projektion des ersten Antennen-Elements gleich weit von zwei gegenüber liegenden Kanten der Leiterplatte entfernt ist.
  6. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–5 beansprucht, wobei die Antennen-Anordnung umfasst: – ein drittes Antennen-Element zum Senden von Funk-Signalen, welches innerhalb des Gehäuses angebracht ist und mit der Leiterplatte verbunden ist; und – ein viertes Antennen-Element zum Empfang von Funk-Signalen, welches innerhalb des Gehäuses angebracht ist und mit der Leiterplatte verbunden ist; wobei das dritte Antennen-Element, welches über der Leiterplatte angebracht ist, eine Projektion auf die Leiterplatte aufweist, die senkrecht zu der Ebene parallel zu der im Allgemeinen planaren Leiterplatte ist, und wobei das dritte Antennen-Element eine derartige Größe aufweist und derartig angeordnet ist, dass sich die Leiterplatte, in sämtliche Richtung der Ebene, weiter erstreckt als die Projektion des dritten Antennen-Elements, zumindest um eine Distanz von einem Millimeter.
  7. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–6 beansprucht, wobei die Distanz zumindest zwei Millimeter beträgt.
  8. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–6 beansprucht, wobei die Distanz zumindest drei Millimeter beträgt.
  9. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–8 beansprucht, wobei das erste Antennen-Element unsymmetrisch ist und das zweite Antennen-Element symmetrisch ist.
  10. Das tragbare Funk-Kommunikations-Gerät wie in einem der Ansprüche 1–8 beansprucht, wobei das erste Antennen-Element symmetrisch ist und das zweite Antennen-Element unsymmetrisch ist.
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