DE60210246T2

DE60210246T2 - Mehrbandantenne

Info

Publication number: DE60210246T2
Application number: DE60210246T
Authority: DE
Inventors: Jyrki Mikkola; Petteri Annamaa; Suvi Tarvas; Mari Panuma
Original assignee: LK Products Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: US6727857B2; FI20011043A; EP1258944A3; EP1258944B1; CN1213513C; EP1258944A2; DE60210246D1; ATE322088T1; FI20011043A0; CN1387281A; FI113215B; US20020171592A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Multibandantenne, die insbesondere in Mobilstationen Anwendung findet.
Auf dem Gebiet von transportablem Funkequipment, insbesondere Mobilstationen, wurde die Herstellung von Antennen anspruchsvoller als früher. Da neue Frequenzbänder eingeführt wurden, muss eine Antenne oft in zwei oder mehr Frequenzbändern funktionieren. Der Einfachheit halber ist die Antenne vorzugsweise innerhalb der Abdeckungen des Gerätes plaziert. Verständlicherweise sind jedoch die Strahlungscharakteristika einer internen Antenne etwas schwächer als jene einer externen Antenne. Dieser Nachteil kann durch Verwenden einer doppelt wirkenden Antenne verringert werden, so dass ein bewegliches Antennenelement, das zu der Struktur gehört, teilweise aus dem Gerät heraus gezogen werden kann, falls es erforderlich ist, um die Qualität der Netzwerkverbindung zu verbessern. Andererseits bedeutet die Erhöhung bei der Anzahl von Strahlungsstrukturkomponenten mehr Abstimmprobleme.
Eine Antenne mit befriedigenden Charakteristika, die in eine kleine Vorrichtung passt, ist in der Praxis am leichtesten als eine Planarstruktur implementiert: Die Antenne enthält eine Strahlungsebene und eine Erdungsebene parallel dazu. Die Anzahl von Betriebsbändern kann auf zwei erhöht werden durch Teilen der Strahlungsebene in zwei Zweige verschiedener Längen, wie es vom Versorgungspunkt aus zu sehen ist. Die in der 1 gezeigte Struktur, die in der Patentanmeldungsveröffentlichung FI 99 1359 offenbart ist, die auch als EP 1 061 603 veröffentlicht ist, repräsentiert eine solche bekannte Antenne. Sie enthält eine Erdungsebene GND, ein strahlendes Planarelement 120, einen Versorgungsleiter 103 des letzteren und einen Kurzschlussleiter 104, der die Strahlungsebene mit der Erdungsebene verbindet. So ist unter Betrachtung dieser Konstruktion die Antenne eine sogenannte planare invertierte F-Antenne (PIFA). Das Planarelement 120 enthält einen Schlitz 130, der am Rand des Planarelementes beginnt und in dem Innenbereich des Planarelementes nach einer U-förmigen Biegung endet. Der Versorgungspunkt F des Planarelementes ist nahe der U-Biegung des Schlitzes 130. Betrachtet vom Versorgungspunkt aus ist von dem Planarelement der erste Zweig B1, der innerhalb der U-Biegung gekrümmt ist, elektrisch deutlich länger als der zweite Zweig B2 auf der anderen Seite des Planarelementes. Somit hat die PIFA zwei separate Resonanzfrequenzen und entsprechende Betriebsbänder erhalten. Die Antennenstruktur von 1 enthält ferner ein bewegliches Peitschenelement 111, an dessen unterem Ende es ein leitendes Verbindungsteil 112 gibt. Wenn die Peitsche in ihrer unteren Position ist, hat sie keine signifikante Kopplung mit dem PIFA-Teilen. Wenn die Peitsche in ihrer oberen Position ist, wie in der 1 gezeigt ist, ist das Verbindungsteil 112 in galvanischem Kontakt mit dem strahlenden Planarelement 120 nahe seinem Versorgungspunkt F. Somit wird das Peitschenelement über das Planarelement versorgt. Die Dimensionen des Peitschenelementes sind so, dass es in dem unteren Betriebsfrequenzband des PIFA-Teiles in Resonanz ist, wo es die elektrische Leistung der Antenne verbessert. Die gesamte Struktur hat somit zwei Operationsbänder. Wenn man anstreben würde, ein drittes Betriebsband unter Verwendung z. B. eines Peitschenelementes bereit zu stellen, würde es Abstimmprobleme geben und wären die Antennencharakteristika wenigstens in einem Betriebsband unbefriedigend. Ein drittes Betriebsband könnte durch ein Strahlungselement und einen Antennenport jeweils separat bereitgestellt werden, aber dies würde platzverbrauchend sein und zusätzliche Kosten erfordern.
Aus der Patentanmeldungsveröffentlichung FI 99 0006 , auch veröffentlicht als EP 1 018 779 , ist es bekannt, einen Schlitzstrahler zu verwenden, um ein zweites Betriebsband für eine Antenne bereit zu stellen. Die Veröffentlichung offenbart eine PIFA-Typ-Antenne, bei der das strahlende Planarelement einen Schlitz enthält, der von dem Rand zur Mittelregion verläuft. Die Versorgungs- und Kurzschlusspunkte der Antenne sind nahe zum offenen Ende des Schlitzes. Die Dimensionen des Schlitzes sind so, dass er in dem oberen der angestrebten Betriebsbänder in Resonanz ist. Das leitende Planarelement ist natürlich in dem anderen, unteren Betriebsband in Resonanz. Diese Antennenstruktur hat auch nur zwei Betriebsbänder erhalten. Außerdem würde ein Hinzufügen eines Peitschenelementes in der bekannten Weise zu Abstimmproblemen in den Betriebsbändern der PIFA führen.
Eine Antenne nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 ist in der EP 1 061 603 offenbart.
Es ist ein Ziel der Erfindung, in einer neuen, vorteilhafteren Weise eine Mobilstationsantenne zu schaffen, die wenigstens drei nutzbare Betriebsbänder hat. Eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 angegeben ist. Einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Die Antennenstruktur enthält eine PIFA-Typ-Antenne, die innerhalb der Abdeckungen einer Mobilstation platziert ist, welche Antenne einen Schlitzstrahler hat, der durch einen ersten Schlitz gebildet ist, der nahe den Versorgungs- und Kurzschlusspunkten des Planarelementes beginnt. Zusätzlich hat das Planarelement einen zweiten Schlitz, so dass von dem Versorgungspunkt aus betrachtet, zwei strahlende leitende Zweige verschiedener Längen gebildet sind. Jeder der drei Strahler hat ein separates eigenes Betriebsband. Die Struktur enthält ferner ein Peitschen element, das bezüglich des PIFA-Teiles beweglich ist. Wenn es eingeschoben ist, hat das Peitschenelement keine signifikante Kopplung mit der Antennenversorgung oder den PIFA-Teilen. Wenn es heraus gezogen ist, ist das untere Ende des Peitschenelementes galvanisch an den kürzeren Zweig des Planarelementes gekoppelt. Für diese Kopplung hat der kürzere Zweig einen relativ schmalen Seitenzweig. Die Dimensionen sind so gewählt, dass die Peitsche den Betrieb der Antenne insbesondere im untersten Betriebsband fördert. Der Einfluss der heraus gezogenen Antenne auf die Lage des obersten Betriebsbandes ist durch einen dritten Schlitz kompensiert, der in dem Planarelement ausgebildet ist, mit welchem dritten Schlitz gleichzeitig der kürzere Zweig des Planarelementes geformt ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das Peitschenelement, das den Betrieb der Antenne fördert, ohne jegliche spezielle Abstimmeinrichtungen gekoppelt werden kann. Das Abstimmen wird durch Formgebung der leitenden Muster erfüllt, die in dem Planarelement in jedem Fall existieren. Daraus folgt, dass eine Struktur gemäß der Erfindung relativ einfach und wirtschaftlich herzustellen ist. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass sie auch eine nützliche Drei-Band-Planarantenne ohne ein Peitschenelement bereit stellt.
Die Erfindung ist unten näher beschrieben. Es wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
1 ein Beispiel einer Antennenstruktur des Standes der Technik zeigt,
2 ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt,
3 die Struktur von 2 in einer Seitenansicht zeigt,
4 ein Beispiel der Frequenzcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
5 ein Beispiel einer Mobilstation zeigt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
Die 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
Die 2 zeigt in einer Vergrößerung ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Antenne hat drei Betriebsbänder: ein erstes oder oberes Band, ein zweites oder mittleres Band und ein drittes oder unterstes Band. Die Antennenstruktur enthält eine Erdungsebene GND, ein strahlendes Planarelement 220 parallel dazu und ein Peitschenelement 211 auf einer Seite des Planarelementes. Bei diesem Beispiel ist die Erdungsebene eine leitende Schicht auf einer Oberfläche einer Schaltungsplatte 201 in dem zur Rede stehenden Funkgerät. Die Erdungsebene könnte auch z. B. ein Teil des Rahmens des Funkgerätes sein. Bei diesem Beispiel ist das strahlende Planarelement eine leitende Schicht auf einer Antennenschaltungsplatte 202. Es könnte auch eine starre leitende Platte sein. Die Antennenschaltungsplatte ist so gehalten, dass sie in einem gewissen Ausmaß über der größeren Schaltungsplatte 201 des Funkgerätes angehoben ist. In galvanischem Kontakt mit dem strahlenden Planarelement 220 an ihrem Punkt F gibt es den Versorgungsleiter der gesamten Antennenstruktur, und an einem anderen Punkt S, relativ nahe zu dem Versorgungspunkt, gibt es einen Kurzschlussleiter, der das strahlende Planarelement mit der Erdungsebene verbindet. Somit ist der Planarteil der Antennenstruktur vom PIFA-Typ. In dem Planarelement 220 gibt es einen ersten Schlitz 231, der am oberen Rand des Elementes nahe dem Kurzschlusspunkt S beginnt und in dem Zentralbereich des Planarelementes endet. Die Dimensionen des ersten Schlitzes sind so, dass er zusammen mit der umgebenden leitenden Ebene und Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem obersten Betriebsband der Antenne fungiert. In dem Planarelement 220 gibt es auch einen zweiten Schlitz 232, der am oberen Rand des Elementes nahe dem Versor gungspunkt F beginnt und nach drei rechtwinkligen Biegungen am unteren Teil des Planarelementes endet. Das zweite Element teilt das Planarelement vom Versorgungsbereich aus betrachtet in einen ersten Zweig B1 und zweiten Zweig B2. Der erste Zweig ist gleichzeitig größtenteils das beginnende Ende des zweiten Zweiges. Die Dimensionen des ersten Zweiges sind so, dass er zusammen mit der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem mittleren Betriebsband der Antenne fungiert. Die Dimensionen des zweiten Zweiges B2 sind so, dass er zusammen mit der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem untersten Betriebsband der Antenne fungiert. Um die genaue Lage der Resonanzfrequenz einzustellen, enthält der zweite Zweig zusätzliche Biegungen, die durch kurze Schlitze 234 gebildet sind, die rechtwinklig von dem rechten Rand beginnen, und Ausläufer des zweiten Zweiges 232, die zwischen diesen Schlitzen positioniert sind. Zusätzlich ist die elektrische Länge des zweiten Zweiges mittels leitenden Platten 221 und 222 vergrößert, die von dem Planarelement 220 zu der Erdungsebene an dem offenen Ende des zweiten Zweiges gerichtet sind, was dort die Kapazität vergrößert.
Der erste Zweig B1 verzweigt sich ferner in zwei Teile auf der linken Seite des Planarelementes, wo das Peitschenelement 211 platziert ist. Der größere Unterzweig B11 ist abwärts gerichtet, und er ist zusätzlich zu den Rändern des Planarelementes durch den dritten Schlitz 233 des Planarelementes begrenzt, der vom unteren Rand des Elementes aus beginnt. Der zweite Unterzweig B12, der schmäler und kürzer ist, ist aufwärts gerichtet und ist zusätzlich zu den Rändern des Planarelementes durch den ersten Schlitz 231 des Planarelementes begrenzt.
Das Peitschenelement 211 ist in der Richtung seiner Achse beweglich. In der 2 ist das Peitschenelement in seiner unteren Position gezeigt d. h. in das Funkgerät geschoben. In jener Position hat es keine signifikante Kopplung mit dem Rest der Antennenstruktur, d. h. der Planarantenne. Das leitende Verbindungsteil 212 in dem unteren Ende des Peitschenelementes ist in galvanischem Kontakt mit der Erdungsebene durch einen Vorsprung 208 in der Erdungsebene, welcher ein unerwünschtes Koppeln mit der Planarantenne verringert. Ein Teil des oberen Teils des Peitschenelementes ist durchsichtig gezeichnet, um eine bessere Ansicht des darunter liegenden zweiten Unterzweiges B12 des ersten Zweiges bereit zu stellen.
Die 3 zeigt die Antennenstruktur von 2 von der Seite des Peitschenelementes aus gesehen. Es sind die größere Schaltungsplatte 201 des Funkgerätes und die Antennenschaltungsplatte 202 gezeigt. Die letztere ist von der ersteren in einem geeigneten Abstand separiert und daran mittels eines dielektrischen Rahmens 209 angebracht. Das Peitschenelement 211 ist in seiner oberen Position gezeigt, d. h. heraus gezogen. In jener Position ist das Verbindungsteil 212 an ihrem unteren Ende in galvanischem Kontakt mit dem Ende des zweiten Unterzweiges B12 des ersten Zweiges des Planarelementes 220. Die Länge des Peitschenelementes ist so gewählt, dass es zusammen mit dem ersten Zweig des Planarelementes und der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem untersten Betriebsband der Antenne fungiert. Somit verbessert ein heraus gezogenes Peitschenelement die Strahlungs- und Empfangscharakteristika der Antenne in dem untersten Band. Umso niedriger das unterste Band ist, umso wichtiger ist dies, weil, wenn die Frequenz niedriger wird, es schwieriger wird, eine ausreichend gute interne Antenne herzustellen.
Ein heraus gezogenes Peitschenelement bewirkt die Einstellungen der Planarantenne. Die Wirkung auf das mittlere Band ist verringert durch Anordnen des Peitschenverbindungspunktes an dem Ende des schmalen Seitenzweiges B12, wie oben beschrieben wurde. In der Praxis ist der Effekt der größte auf das oberste Band, das dazu neigt, sich abwärts zu verschieben. Gemäß der Erfindung ist dies folgendermaßen verhindert: Der dritte Schlitz 233 in dem Planarelement ist angeordnet und gestaltet, so dass, wenn die Peitsche heraus gezogen ist, eine Resonanz dort bei einer Frequenz herbei geführt ist, die höher als die Mittelfrequenz des obersten Betriebsbandes ist, das für die Antenne spezifiziert ist. Somit deckt das Betriebsband, das durch den ersten Schlitz 231 und dritten Schlitz 233 gebildet ist, noch das spezifizierte Betriebsband ab, d. h. wird die Abstimmung in dem Betriebsband aufrecht erhalten. Das Betriebsband wird nur breiter.
Die 3 zeigt ferner die Erweiterungen des zweiten Zweiges B2 des Planarelementes, d. h. die leitenden Platten 221 und 222, die zu der Erdungsebene hin gerichtet sind. Außerdem zeigt die 3 das Ende des Versorgungsleiters 203 der gesamten Antennenstruktur an der Außenoberfläche der Schaltungsplatte des Funkgerätes und einen Kurzschlussleiter zwischen der Schaltungsplatte des Funkgerätes und der Antennenschaltungsplatte. Auch gezeigt ist ein Erdungsebenenvorsprung 208, der das Peitschenelement in der unteren Position mit der Erdungsebene verbindet.
Die Attribute "untere" und "obere" sowie "rechts" und "links" beziehen sich in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die Position der Antennenstruktur, wie sie in der 2 dargestellt ist; sie sind in keiner Beziehung mit der Betriebsposition des Gerätes.
Die 4 zeigt ein Beispiel der Frequenzcharakteristika einer Antennenstruktur entsprechend den 2 und 3. Gezeigt sind in der Figur Kurven des Reflexionskoeffizienten S11 als eine Funktion der Frequenz. Die Kurve 41 zeigt die Änderung beim Reflexionskoeffizienten, wenn das Peitschenelement in der eingeschobenen Position ist, und die Kurve 42 zeigt die Änderung beim Reflexionskoeffizienten, wenn das Peitschenelement in der heraus gezogenen Position ist. Die strukturellen Dimensionen sind so gewählt, dass das unterste Betriebsband das Band ist, das durch das GSM 450 System (globales System für mobile Telekommunikationen) erforderlich ist, das mittlere Betriebsband das Band ist, das durch das GSM 900 System erfor derlich ist, und das oberste Band das Band ist, das durch das PCN System (Persönliches Communikationsnetzwerk) erforderlich ist. Beim Vergleichen der Kurven sehen wir, dass ein Herausziehen des Peitschenelementes zu einer kleinen Verschiebung abwärts in dem untersten Band, einem Verengen des mittleren Bandes und einem Verbreitern des obersten Bandes führt. Die Anordnung gemäß der Erfindung, die in der Beschreibung von 3 angegeben ist, wird verwendet, um das oberste Band am abwärts Verschieben zu hindern. Dies würde ohne den dritten Schlitz 233 in dem Planarelement 220 passieren. In der 4 ist der Effekt des Einstellens, realisiert mit dem dritten Schlitz, durch den Referenzpfeil TU gezeigt.
Das Herausziehen des Peitschenelementes verbessert natürlicherweise die Effizienz der Antennenstruktur beim Übertragen und Empfangen. Dies erscheint nicht in den Reflexionskoeffizientenkurven.
Die 5 zeigt eine Mobilstation MS, die mit einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Ein strahlendes Multiband-Planarelement 520, das zu der Struktur gehört, ist vollständig innerhalb der Abdeckungen der Mobilstation angeordnet. Das Peitschenelement 511 ist vollständig von innerhalb der Abdeckungen der Mobilstationen heraus gezogen gezeigt.
Oben wurde eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung beschrieben. Die Erfindung beschränkt die Gestaltungen der Antennenelemente nicht auf jene, die beschrieben wurden. Noch beschränkt die Erfindung das Herstellungsverfahren der Antenne oder die dabei verwendeten Materialien.

Claims

Multibandantenne, enthaltend eine Erdungsebene und ein strahlendes Planarelement (220) innerhalb eines Funkgerätes, welches Planarelement einen Antennenversorgungspunkt (F), einen Kurzschlusspunkt (S) und einen ersten Schlitz (231) enthält, der an einem Rand des Planarelementes relativ nahe dem Kurzschlusspunkt beginnt und der eingerichtet ist, um in einem ersten Betriebsband der Antenne mitzuschwingen, welche Antenne ferner ein Peitschenelement enthält, das bezüglich des Planarelementes beweglich ist, welches Peitschenelement, wenn es ausgezogen ist, einen galvanischen Verbindungspunkt mit dem Planarelement hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Planarelement (220) ferner zweite (232) und dritte (233) Schlitze enthält, die an einem Rand des Planarelementes beginnen und die voneinander und vom ersten Schlitz separiert sind, welcher zweite Schlitz das Planarelement, von seinem Versorgungspunkt (F) aus betrachtet, in einen ersten Zweig (B1), der eingerichtet ist, um in einem zweiten Betriebsband der Antenne mitzuschwingen, und in einen zweiten Zweig (B2) teilt, der eingerichtet ist, um in einem dritten Betriebsband der Antenne mitzuschwingen, und dass der dritte Schlitz eingerichtet ist, um, wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, bei einer Frequenz mitzuschwingen, die höher als die Zentralfrequenz des ersten Betriebsbandes der Antenne ist, um ein Abstimmen für die Antenne innerhalb des Bereiches des ersten Betriebsbandes vorzusehen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Peitschenelement (211) zusammen mit dem ersten Zweig (B1) eingerichtet ist, um in dem dritten Betriebsband der Antenne mitzuschwingen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Zweig ferner in zwei Unterzweige verzweigt, von denen der zweite (B12) durch die Ränder des Planarelementes und des ersten Schlitzes (231) begrenzt ist, und wobei am Ende des zweiten Unterzweiges der Peitschenelement-Verbindungspunkt liegt.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den Unterzweigen des ersten Zweiges der erste Unterzweig (B11) durch die Ränder des Planarelementes und des dritten Schlitzes (233) begrenzt ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungspunkt (F) und der Kurzschlusspunkt (S) zwischen dem ersten schlitz (231) und dem zweiten Schlitz (232) liegen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zweig (B2) wenigstens einen Vorsprung (221, 222) enthält, der zu der Erdungsebene hin gerichtet ist, um die elektrische Länge des zweiten Zweiges zu vergrößern.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Peitschenelementes galvanisch an die Erdungsebene gekoppelt ist, wenn das Peitschenelement in das Funkgerät zurückgezogen ist.
Mobilstation (MS), die eine Antenne nach Anspruch 1 hat.