DE602004002413T2 - Mehrband-Planarantenne - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft insbesondere eine Multiband-Planarantenne, die als eine interne Antenne in Mobilstationen kleiner Größe anwendbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Funkvorrichtung, die eine Planarantenne gemäß der Erfindung enthält.
• Mobiler Kommunikationsverkehr ist über Frequenzbänder verteilt, die von verschiedenen Funksystemen verwendet werden, wie verschiedene GSM-Systeme (globales System für Mobiltelekommunikationen). Daher sind unter den Mobilstationen solche Modelle üblich, die in wenigstens zwei Funksystemen arbeiten. Die Multibandeigenschaft bedeutet natürlich, dass die Gestaltung der Mobilterminalantenne schwieriger wird. Der Gestaltungsprozess wird noch schwieriger, wenn die Antenne innerhalb der Abdeckung der Vorrichtung angeordnet werden muss, um eine komfortable Anwendung bereit zu stellen.
• Eine Antenne, die innerhalb einer klein bauenden Funkvorrichtung angeordnet ist und welche ausreichend gute Strahlungs- und Empfangscharakteristika hat, ist am leichtestens als eine Planarstruktur realisiert: Die Antenne enthält eine Strahlungsebene und eine Erdungsebene, die parallel zur Strahlungsebene ist. Um das Abgleichen zu erleichtern, sind die Strahlungsebene und die Erdungsebene üblicherweise an einem geeigneten Punkt durch einen Kurzschlussleiter miteinander verbunden, was eine Struktur eines PIFA Typs (planare invertierte F-Antenne) erzeugt. Prinzipiell ist es möglich, die Anzahl von Betriebsbändern durch Teilen der Strahlungsebene mit der Hilfe von nichtleitenden Schlitzen in Zweige zu erhöhen, die von dem Kurzschlusspunkt aus gesehen verschiedene Längen haben, so dass die Resonanzfrequenzen der Antennenteile entsprechend den Zweigen an den gewünschten Frequenzbändern liegen werden. Jedoch ist es dann problematisch, das Abstimmen der Antenne zu erhalten und eine ausreichende Bandbreite zu bekommen, zumindest bei einigen der Bändern. Bei einer Planarantenne kann ein neues Betriebsband auch durch Verwenden eines Schlitzstrahlers erhalten werden. Auch in diesem Fall wird ein nichtleitender Schlitz in das strahlende Planarelement gemacht. Das Ende des Schlitzes, das sich zum Rand des Planarelements hin öffnet, ist relativ nahe zum Versorgungspunkt der Antenne. Wenn ferner die Länge des Schlitzes passend ist, dann wird eine Oszillation bei der gewünschten Frequenz angeregt. In dem Fall einer Zwei-Band-Antenne resoniert der Schlitz zum Beispiel bei dem oberen Betriebsband und die leitende Ebene bei dem unteren Betriebsband.
• Das Vorsehen einer ausreichenden Bandbreite oder von Bandbreiten kann auch beim Verwenden eines Schlitzstrahlers problematisch sein. Eine Lösung, die Anzahl der Antennenelemente zu erhöhen, ist: Ein elektromagnetisch angeschlossenes, d. h. parasitäres Planarelement ist nahe der Strahlungsebene geeignet angeordnet. Seine Resonanzfrequenz ist so eingerichtet, um nahe der Resonanzfrequenz zum Beispiel des Strahlungsleiters zu sein, so dass ein einheitliches und relativ breites Betriebsband gebildet wird. Nachteile beim Verwenden parasitärer Elemente sind, dass sie Raum benötigen, die Herstellungskosten für die Antenne erhöhen und die Reproduzierbarkeit bei der Produktion verringern. In einer entsprechenden Weise können die Resonanzfrequenz eines Schlitzstrahlers und die obere Resonanzfrequenz der Zwei-Band-PIFA nahe beianander angeordnet werden, so dass ein gleichförmiges, relativ breites Betriebs band gebildet wird. In dem Fall, dass die Strahlungsebene zwei Schlitze hat: Ein Schlitz, um eine Zwei-Band-PIFR zu bilden und ein zweiter Schlitz, um den Schlitzstrahler zu bilden.
• Aus dem Dokument US 2002/003499 (Kouam et al.) ist eine Dualband-Dielektrik-Planarantenne bekannt, bei der sich der streifenartige Versorgungsleiter zum Zentralbereich der Strahlungsebene erstreckt. Der Versorgungsleiter hat eine elektromagnetische Kopplung zu der Strahlungsebene über die Schlitze zwischen ihnen. Mittels dieser Art von Anordnung wird die Antenne abgestimmt und abgeglichen. Auf beiden Seiten des äußeren Endes des Versorgungsleiters ist ein Kurzschlussleiter. Es gibt zwei Kurzschlussleiter. Die Strahlungsebene kann auch mehrere Schlitze haben, um leitende Zweige mit gewünschten elektrischen Längen zu bilden.
• Aus der Anmeldungsveröffentlichung FI10012045 , entsprechend dem zwischenliegenden Dokument EP 130 4765 A , ist eine Planarantennenstruktur bekannt, die in der 1 gezeigt ist. Sie hat eine Erdungsebene 110 und ein rechtwinkliges strahlendes Planarelement 120, das über der Erdungsebene durch einen dielektrischen Rahmen 170 abgestützt ist. Der Antennenversorgungspunkt F und der Kurzschlusspunkt S liegen am Rand des Planarelements 120 an einer Längsseite. Der erste Schlitz 131 des Planarelements beginnt an demselben Rand auf der vom Versorgungspunkt ferneren Seite, wie es vom Kurzschlusspunkt aus zu sehen ist. Der erste Schlitz ist angeordnet, um als ein Strahler in der oben beschriebenen Weise zu arbeiten. Das wesentlichste Merkmal der Antenne ist, dass nun das Planarelemt 120 zusätzlich einen zweiten Schlitz 132 hat, der an dem Rand des ebenen Elements zwischen den Versorgungs- und Kurzschlusspunkten beginnt und in dem Innenbereich der Ebene endet. Die Antenne ist eine Dualband-Antenne, und sie hat drei Resonanzen, die im wesentlichen ihren Betrieb betreffen: Das Planarelement 120 hat einen Leiterzweig B1, der am Kurzschlusspunkt S beginnt und um das Ende des ersten Schlitzes 131 herum verläuft, und welcher zusammen mit der Erdungsebene einen Vier telwellenresonator bildet, der als Strahler auf dem unteren Betriebsband der Antenne arbeitet. Der erste Schlitz zusammen mit der umgebenden Leiterebene und der Erdungsebene resoniert und arbeitet als ein Strahler auf dem oberen Betriebsband der Antenne. Der zweite Schlitz 132 ist auch so dimensioniert, das er zusammen mit der umgebenden Leiterebene und der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet, der als ein Strahler auf dem oberen Betriebsband der Antenne arbeitet. Die Resonanzfrequenzen der zwei Schlitzstrahler kann so gewählt werden, dass das obere Betriebsband sehr breit sein wird. Es erstreckt sich gut über die Frequenzbänder von zum Beispiel den GSM 1800- und GSM 1900-Systemen. Am Rand des Planarelements, auf der kurzen Seite am nächsten zum Kurzschlusspunkt S, gibt es eine Erweiterung 125, die zu der Erdungsebene hin gerichtet ist, welche Erweiterung das Abstimmen des zweiten Schlitzstrahlers und des ebenen Strahlers verbessert.
• Aus der EP 1202386 A2 ist eine sehr ähnliche Antenne bekannt, die den nächstkommenden Stand der Technik repräsentiert.
• Bei der Struktur gemäß der 1 wird das außergewöhnlich breitere obere Band insbesondere mit der Hilfe des Schlitzes erhalten, der zwischen den Versorgungs- und Kurzschlusspunkten verläuft. Ein Nachteil dieser Struktur ist, dass diese Anordnung das Abstimmen der Antenne auf dem unteren Betriebsband beeinträchtigt, insbesondere, wenn das Ziel eine Antenne mit minimaler Größe ist.
• Das Ziel der Erfindung ist es, eine interne ebene Antenne zu realisieren, die wenigstens zwei Betriebsbänder in einer neuen Weise hat. Die Planarantenne gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 angegeben ist. Eine Funkvorrichtung gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 5 angegeben ist. Einige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Die Basis ist eine gewöhnliche Dualband-PIFA mit ihren Versorgungs- und Kurzschlussleitern, bei welcher PIFA die Strahlungsebene zwei Leiterzweige von verschiedenen Längen hat, die durch einen nichtleitenden Schlitz getrennt sind. Das Planarelement hat einen als solchen bekannten zweiten Schlitz, der am Rand der Ebene auf der anderen Seite vom Versorgungsleiter und Kurzschlussleiter als der oben angegebene Schlitz beginnt. Um die Antenne abzustimmen enthält die Struktur ferner einen zweiten Kurzschlussleiter auf der anderen Seite des zweiten Schlitzes als der Versorgungsleiter. Der zweite Schlitz wirkt als ein Strahler, der zum Beispiel das obere Betriebsband der Dualband-Antenne verbreitert.
• Ein Vorteil der Erfindung ist, dass aufgrund des zweiten Kurzschlussleiters das Abstimmen der Multiband-Planarantenne besser als bei entsprechenden Antennen des Standes der Technik erreicht wird. Dies kann beim Konstruieren einer kleineren Antenne genutzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Antenne gemäß der Erfindung einfach und vorteilhaft herzustellen ist. Jedoch bedeutet der zweite Kurzschlussleiter gesonderte Kosten, aber es ist andererseits möglich, Abstimmteile von bekannten Antennen weg zu lassen.
• Die Erfindung ist unten im Detail beschrieben. In der Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
• 1 ein Beispiel einer Antennenstruktur des Standes der Technik zeigt,
• 2 eine Planarantenne gemäß der Erfindung zeigt,
• 3 ein anderes Beispiel einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
• 4 ein Beispiel der Bandcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt und
• 5 ein Beispiel einer Funkvorrichtung zeigt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung versehen ist.
• Die 1 wurde bereits im zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik beschrieben.
• Die 2 zeigt ein Beispiel einer Planarantenne gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt die Schaltungsplatte 201 in einer Funkvorrichtung, wo die obere leitende Oberfläche der Schaltungsplatte als die Erdungsebene 210 der Antenne 200 wirkt. Ein strahlendes Planarelement 220 liegt über der Erdungsebene, abgestützt durch einen dielektrischen Rahmen 270, auf der Schaltungsplatte. An einer Seite des Planarelements der Antenne ist ein Versorgungsleiter 221 damit in dem Versorgungspunkt F und der erste Kurzschlussleiter 211 in dem Kurzschlusspunkt S verbunden. Bei diesem Beispiel sind diese Leiter aus demselben Blech zusammen mit dem Planarelement. Das untere Ende des Kurzschlussleiters 211 liegt natürlich an der Erdungsebene auf der oberen Oberfläche der Schaltungsplatte 201 an. Das untere Ende des Versorgungsleiters 221, wie in der Figur zu sehen ist, liegt auch an der Schaltungsplatte an, verläuft aber isoliert gegen die Erdung durch ein Durchgangsloch zum Antennenport der Funkvorrichtung. Das Planarelement 220 hat einen ersten Schlitz 231, der am Rand des Elements auf derselben Seite offen ist, wo die Versorgungs- und ersten Kurzschlussleiter liegen. Betrachtet von dem vorderen Eck des Planarelements längs des Randes gibt es zuerst das offene Ende des ersten Schlitzes, dann den Kurzschlussleiter 211 und dann den Versorgungsleiter 221. Der erste Schlitz teilt das Planarelement, wie es von dem Kurzschlusspunkt S aus zu sehen ist, in einen ersten Zweig B21 und einen zweiten Zweig B22. Der erste Zweig zusammen mit der Erdungsebene bildet einen Viertelwellenresonator und wirkt als ein Strahler bei dem ersten Betriebsband der Antenne, welches Band das untere Betriebsband bei diesem Beispiel ist. Der zweite Zweig B22 zusammen mit der Erdungsebene bildet einen Viertelwellenresonator und wirkt als ein Resonator bei dem zweiten Betriebsband der Antenne, welches bei diesem Beispiel das obere Betriebsband ist. Das Planarelement 220 enthält ferner einen zweiten Schlitz 232, der sich auch an dem Rand des Elements auf derselben Seite öffnet, wo die Versorgungs- und Kurzschlussleiter liegen. Sowohl der Versorgungspunkt F als auch der Kurzschlusspunkt S bleiben in dem Bereich zwischen den ersten und zweiten Schlitzen. Der zweite Schlitz 232 kann so angeordnet und dimensioniert sein, dass er zusammen mit der umgebenden Leitungsebene und der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler auf dem zweiten oberen Betriebsband der Antenne wirkt.
• Die Planarantenne von 2 enthält ferner einen zweiten Kurzschlussleiter 212 gemäß der Erfindung. Dieser ist mit dem Planarelement auf derselben Seite wie die Versorgungs- und ersten Kurzschlussleiter verbunden. Der Verbindungspunkt ist von dem Versorgungspunkt F aus betrachtet an der weiteren Seite des zweiten Schlitzes 232; somit verläuft der zweite Schlitz zwischen den Verbindungspunkten des Antennenversorgungsleiters und dem zweiten Kurzschlussleiter. Durch den zweiten Kurzschlussleiter wird das Abstimmen der Antenne verbessert. Die Wirkung auf das Abstimmen hängt vom Ort des Kurzschlusses ab, wie es immer der Fall ist, wenn Kurzschlussleiter verwendet werden. Durch Auswählen des Ortes des zweiten Kurzschlussleiters kann das verbesserte Abstimmen hauptsächlich entweder auf das untere oder obere Betriebsband in dem Fall einer Dualband-Antenne gerichtet werden. Als ein Vorteil stellt die Erfindung insbesondere einen verbesserten Betrieb der Antenne bei dem unteren Betriebsband bereit. Eine Verbesserung des unteren Betriebsbandes im Vergleich zu der Struktur, die in der 1 gezeigt ist, wird bereits durch die Tatsache erzielt, dass nun der Strahlungsschlitz nicht zwischen dem Versorgungspunkt und dem ersten oder primären Kurzschlusspunkt S hindurchgeht. Ein primärer Kurzschlusspunkt ist für die Antenne erforderlich, um insgesamt funktionsfähig zu sein.
• Die 3 zeigt ein anderes Beispiel einer Planarantenne gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt das strahlende Planarelement 320, wie es von oben zu sehen ist, und die Erdungsebene 310 unter diesem Element. Am Rand des ebenen Elements an der zweiten langen Seite sind teilweise der Antennenversorgungsleiter 321 mit dem Planarelement an dem Versorgungspunkt F verbunden und der erste Kurzschlussleiter 311 mit dem Planarelement an dem Kurzschlusspunkt S verbunden gezeigt. Das Planarelement 320 hat einen ersten Schlitz 331, der das Planarelement in einen ersten Strahlungszweig B31 und einen zweiten Strahlungszwei B32 teilt, wie es vom Kurzschlusspunkt S aus zu sehen ist. Nun liegt der zweite Kurzschlussleiter 312 gemäß der Erfindung an der benachbarten Seite des Planarelements verglichen zum Ort des Versorgungsleiters und des ersten Kurzschlussleiters. Der zweiten Strahlungsschlitz 332 in dem Planarelement ist zu dem Rand des Planarelements auf derselben kurzen Seite offen, wo der zweite Kurzschlussleiter 312 liegt. Der Versorgungspunkt F und der Kurzschlusspunkt S liegen in dem Bereich zwischen den ersten und zweiten Schlitzen, und der zweite Schlitz verläuft zwischen dem Versorgungspunkt und dem Verbindungspunkt des zweiten Kurzschlussleiters, wie in der Struktur, die in der 2 gezeigt ist.
• Die 4 zeigt ein Beispiel der Frequenzcharkteristika einer Antenne gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt die Kurve 41 des Reflexionskoeffizienten S11 als eine Funktion der Frequenz. Er ist für eine Antenne gemessen, die ähnlich zu jener ist, die in der 2 gezeigt ist. Um so kleiner der Reflexionskoeffizent ist, um so besser wird die Antenne Funkwellen senden und empfangen. Jedes Minimum in der Kurve des Reflexionseffizienten entspricht einem Resonanzzustand der Antenne. Von der Kurve 41 ist zu sehen, dass die gemessene Antenne drei signifikante Resonanzen hat. Die unterste Resonanz r1 bei der Frequenz 850 MHz liegt an dem längeren Leiterzweig des Planarelements, und die höchste Resonanz r3 bei 1,9 GHz liegt an dem kürzeren Leiterzweig des Planarelements. Die mittlere Resonanz r2 bei der Frequenz 1,7 GHz liegt an dem Strahlungsschlitz des Planarelements. Das Betriebsband basierend auf der untersten Resonanz deckt den Frequenzbereich ab, der von dem GSM850-System verwendet wird. Die mittlere und die höchste Resonanz sind so angeordnet, dass sie ein gleichförmiges Betriebsband über den Bereich von 1,7 GHz bis 2,0 GHz unter Verwendung eines Reflexionskoeffizentenwerten von –4 dB als das Kriterium für die Grenzfrequenz bilden. Dieses Betriebsband deckt die Frequenzbereiche ab, die von sowohl dem GSM 1800- als dem GSM 1900-System verwendet werden.
• Die 5 zeigt eine Funkvorrichtung MS, die eine Planarantenne 500 gemäß der Erfindung enthält. Die gesamte Antenne liegt innerhalb der Abdeckung der Funkvorrichtung.
• Oben haben wir eine Multiband-Planarantenne gemäß der Erfindung beschrieben. Die Erfindung beschränkt die Form des Planarelements der Antenne nicht auf die oben beschriebenen Formen. Bei den Beispielen wurden zwei der Antennenresonanzen verwendet, um ein breites Betriebsband zu bilden. Ziemlich ähnlich im Fall von drei Resonanzen ist es möglich, drei verschiedene Betriebsbänder zu bilden. Diese Erfindung beschränkt auch weder das Herstellungsverfahren der Antenne, noch die dabei verwendeten Materialien. Die erfinderische Idee kann auf verschiedene Weisen innerhalb der Grenzen angewandt werden, die durch den unabhängigen Anspruch 1 aufgestellt sind. Die Ansprüche bezeichnen resonierende Leiterzweige und Schlitze der Kürze halber. Dann ist jedoch eine resonierende Einheit gemeint, die zusätzlich zu dem Zweig oder Schlitz u. a. die Erdungsebene und den Raum zwischen der Erdungsebene und der Strahlungsebene enthält.

Claims (5)

1. Planarantenne (200; 300) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Betriebsband und enthaltend eine Erdungsebene (210; 310) und ein strahlendes Planarelement (220; 320) mit einem Antennenversorgungspunkt (F) und einem Kurzschlusspunkt (S), einem ersten Schlitz (231; 331), der sich an einem Rand des Planarelementes öffnet, welcher erste Schlitz das Planarelement in einen ersten (B21; B31) und einen zweiten (B22; B32) strahlenden Zweig teilt, wie es vom Kurzschlusspunkt (S) aus zu sehen ist, und einem strahlenden zweiten Schlitz (232; 332), der sich an einem Rand des Planarelementes öffnet, so dass der Versorgungspunkt und der Kurzschlusspunkt in einem Bereich zwischen den ersten und zweiten Schlitzen bleibt, wobei jeweils der erste strahlende Zweig, der zweite strahlende Zweig und der strahlende zweite Schlitz in wenigstens einem von dem wenigstens ersten und zweiten Betriebsband in Resonanz ist, wobei, um ein Abstimmen der Antenne zu verbessern, sie ferner einen zweiten Kurzschlussleiter (212; 312) enthält, der gegenüber dem Versorgungsleiter an der anderen Seite des offenen Endes des strahlenden zweiten Schlitzes angeordnet ist.
2. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste strahlende Zweig angeordnet ist, um bei dem ersten Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein, und dass der zweite strahlende Zweig angeordnet ist, um bei dem zweiten Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein.
3. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass der zweite Schlitz (232) angeordnet ist, um bei dem zweiten Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein.
4. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein drittes Betriebsband hat, und dass der zweite Schlitz angeordnet ist, um bei dem dritten Betriebsband in Resonanz zu sein.
5. Funkvorrichtung (MS) mit einer Planarantenne (500), die wenigstens ein erstes und ein zweites Betriebsband hat, welche Antenne eine Erdungsebene und ein strahlendes Planarelement mit einem Antennenversorgungspunkt und einem Kurzschlusspunkt, einem ersten Schlitz, der sich an einem Rand des Planarelementes öffnet, welcher erste Schlitz das Planarelement in einen ersten und einen zweiten strahlenden Zweig teilt, wie es vom Kurzschlusspunkt aus zu sehen ist, und einen strahlenden zweiten Schlitz enthält, der sich an einem Rand des Planarelementes öffnet, so dass der Versorgungs- und der Kurzschlusspunkt in einem Bereich zwischen den ersten und zweiten Schlitzen bleibt, wobei jeweils der erste strahlende Zweig, der zweite strahlende Zweig und der strahlende zweite Schlitz in wenigstens einem von dem wenigstens ersten und zweiten Betriebsband in Resonanz ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbessern einer Abstimmung der Antenne die Planarantenne (500) ferner einen zweiten Kurzschlussleiter enthält, der gegenüber dem Versorgungsleiter an der anderen Seite des offenen Endes des strahlenden zweiten Schlitzes angeordnet ist.