DE60309994T2 - Interne Antenne - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine interne Planarantenne, die für kleine Funkgeräte vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Funkgerät, das eine Antenne gemäß der Erfindung einsetzt.
  • Beim Antennendesign ist der verfügbare Raum ein wichtiger Faktor. Eine Antenne mit guter Qualität ist relativ leicht herzustellen, wenn es keine Größenbeschränkungen gibt. In Funkgeräten, insbesondere Mobiltelefonen, ist die Antenne zum Komfort vorzugsweise innerhalb der Hülle angeordnet. Da die Vorrichtungen kleiner und kleiner werden, schrumpft auch der Raum für die Antenne weiter, was engere Anforderungen beim Antennendesign bedeutet. Ein anderer Faktor, der dazu beiträgt, ist, dass eine Antenne oft in der Lage sein muss, in zwei oder mehreren Frequenzbändern zu arbeiten.
  • 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. Um die Impedanz leichter passend zu machen, sind die Strahlungsebene und die Erdungsebene üblicherweise an einem geeigneten Punkt mittels eines Kurzschlussleiters zusammengeschaltet, was eine PIFA-(planare invertierte F-Antenne)Typ-Struktur erzeugt. Die größere Erdungsebene ist hinsichtlich der Antennencharakteristika natürlicherweise von Bedeutung. Wie im Fall einer Monopol-Peitsche hat eine ideale planare Antenne auch eine sehr große Erdungsebene. Wenn die Erdungsebene kleiner wird, werden die Resonanzen der Antenne schwächer und nimmt, teilweise aus diesem Grund, der Antennengewinn ab. Wenn man die Größe der Erdungsebene weiter verringert, kann sie an irgend einem Punkt als ein Strahler wirken, womit sich die Antennencharakteristika in einer unkontrollierten Weise ändern.
  • Die 1 zeigt eine bekannte interne PIFA-Typ-Planarantenne. Sie enthält eine Schaltungsplatte 105 des Funkgerätes, welche Platte eine leitende obere Oberfläche hat. Jene leitende Oberfläche wirkt als eine Erdungsebene 110 für die Planarantenne. An dem anderen Ende der Schaltungsplatte gibt es eine Strahlungsebene 120 der Antenne, die durch einen dielektrischen Rahmen 150 oberhalb der Erdungsebene abgestützt ist. Die Antennenstruktur enthält ferner nahe einer Ecke der Strahlungsebene einen Antennenversorgungsleiter 131, der dort anschließt, und einen Kurzschlussleiter 132, der die Strahlungsebene mit der Erdungsebene an einem Punkt S verbindet. Von dem Versorgungsleiter gibt es ein Durchgangsloch, das gegenüber der Erdung isoliert ist, zu einem Antennenport an der unteren Oberfläche der Schaltungsplatte 105. In der Strahlungsebene gibt es einen Schlitz 125, der an einem Rand der Ebene nahe dem Versorgungsleiter 131 beginnt und in der Innenregion der Ebene nahe dem entgegengesetzten Rand aufhört. Der Schlitz 125 teilt die Strahlungsebene, von dem Kurzschlusspunkt aus gesehen, in zwei Zweige B1, B2 von verschiedenen Längen. Die PIFA hat somit zwei separate Resonanzfrequenzen und entsprechende Betriebsbänder.
  • Ein Nachteil der Antenne von 1 ist, dass, wenn das zur Rede stehende Funkgerät sehr klein ist, es etwas mäßige elektrische Charakteristika hat. Dies wird durch die Kleinheit der Erdungsebene, wie oben beschrieben wurde, und auch durch die begrenzte Höhe der Antenne verursacht, da das Funkgerät relativ flach ausgeführt ist.
  • Aus dem Dokument WO 01/89031 ist eine Planarantenne bekannt, die eine Erdungsebene enthält, die nichtleitende Schlitze zum Erhöhen der elektrischen Länge der Erdungsebene hat. Das Ziel ist es, die Antennenanpassung zu verbessern.
  • Ein Ziel der Erfindung ist es, den Nachteil zu verringern, der mit dem Stand der Technik verbunden ist. Eine Antenne gemäß der Erfindung ist in dem unabhängigen Anspruch 1 spezifiziert. Ein Funkgerät gemäß der Erfindung ist im Anspruch 11 spezifiziert. Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen angegeben.
  • Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Die Erdungsebene einer Planarantenne in einem kleinen Funkgerät ist so geformt, dass sich die elektrische Leistung der Antenne verbessert. Die Formgebung erfolgt, indem ein Schlitz oder einige Schlitze in der Erdungsebene erstellt wird/werden, wobei wenigstens ein Schlitz zwischen einem Kurzschlusspunkt und einem Versorgungspunkt verläuft. Der Schlitz ändert die elektrische Länge der Erdungsebene, wie es von dem Kurzschlusspunkt aus zu sehen ist, so dass die Erdungsebene besser als ein Strahler in einem Betriebsband der Antenne funktionieren wird. Der Schlitz in der Erdungsebene kann auch angeordnet sein, um als ein zusätzlicher Strahler in dem Betriebsband der Antenne zu dienen.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der Antennengewinn, so wie sich die Abstimmung verbessert, im Vergleich zu einer entsprechenden Antenne gemäß dem Stand der Technik zunehmen wird. Somit ist es zum Beispiel möglich, den Abstand zwischen der Erdungsebene und der Strahlungsebene geeignet um einen Betrag zu verkürzen, der der Antennengewinndifferenz entspricht. Dies wird zu einer Antenne führen, die denselben Antennengewinn hat, aber flacher ist, was in kleinen Funkgeräten vorteilhaft ist. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass das obere Band einer Dualbandantenne zum Beispiel breiter gemacht werden kann. Dies wird durch geeignetes richtiges Versetzen der Resonanzfrequenz des Schlitzstrahlers in der Erdungsebene von der Resonanzfrequenz des Strahlers bewerkstelligt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Anordnung gemäß der Erfindung sehr einfach ist.
  • Die Erfindung ist unten im Detail beschrieben. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, worin
  • 1 ein Beispiel einer Planarantenne gemäß dem Stand der Technik zeigt,
  • 2a ein Beispiel der Erdungsebene einer Planarantenne gemäß dem Stand der Technik zeigt,
  • 2b ein anderes Beispiel der Erdungsebene einer Planarantenne gemäß dem Stand der Technik zeigt,
  • 3 ein Beispiel der Planarantenne gemäß der Erfindung zeigt,
  • 4 die Erdungsebene der Antenne zeigt, die in der 3 dargestellt ist,
  • 5 ein Beispiel des Verwendens eines diskreten Kondensators in der Erdungsebene zeigt,
  • 6 ein drittes Beispiel der Erdungsebene gemäß der Erfindung zeigt,
  • 7 ein viertes Beispiel der Erdungsebene gemäß der Erfindung zeigt,
  • 8 ein Beispiel zeigt, wie die Erfindung eine Antennenabstimmung beeinflusst,
  • 9 ein Beispiel zeigt, wie die Erfindung einen Antennengewinn beeinflusst,
  • 10 ein Beispiel eines Funkgerätes zeigt, das mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
  • Die 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
  • Die 2a, b illustrieren das Prinzip des Vergrößern der elektrischen Länge der Erdungsebene. Die 2a zeigt die Schaltungsplatte 105 der Struktur, die in der 1 dargestellt ist, wie es von der Seite der Erdungsebene aus zu sehen ist. An der oberen linken Ecke der Erdungsebene 110 gibt es den Kurzschlusspunkt S für die Strahlungsebene. Da die Erdungsebene keine Muster hat, die ihre Form ändern, ist ihre elektrische Länge, gemessen vom Kurzschlusspunkt, durch die Längen der Seiten der rechtwinkligen Ebene bestimmt. Da die Erdungsebene relativ klein ist, ist ihre elektrische Länge signifikant, da die Erdungsebene bei einer Frequenzordnung von Betriebsfrequenzen strahlen kann, wie ein Zweig einer Dipolantenne.
  • Die 2b zeigt eine gedruckte Schaltungsplatte 205, die ähnlich zu derjenigen ist, die oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass es nun einen Schlitz 215 in der Erdungsebene gibt. Der Schlitz beginnt bei diesem Beispiel an der langen Seite der Erdungsebene nahe dem Kurzschlusspunkt S und verläuft parallel zu der kurzen Seite der Erdungsebene hinter dem Punkt auf halbem Weg der kurzen Seite. Der Schlitz 215 vergrößert die elektrische Länge, weil nun die Erdungsebenenströme um das geschlossene Ende des Schlitzes herum gehen müssen. Die gestrichelte Linie 219, die ungefähr am Kurzschlusspunkt beginnt, illustriert die elektrische Länge der Erdungsebene. Die elektrische Länge kann z. B. so angeordnet sein, dass die Erdungsebene das Abstimmen einer Dualbandantenne in dem unteren Band verbessert.
  • Die 3 zeigt ein Beispiel einer ganzen Planarantenne gemäß der Erfindung. Sie enthält eine Schaltungsplatte 305 eines Funkgerätes, wobei die leitende obere Oberfläche der Platte als eine Erdungsebene für die Planarantenne wirkt. An einem Ende der Schaltungsplatte oberhalb der Platte gibt es von dem Punkt der Außenlinie aus eine rechtwinklig geformte Strahlungsebene 320 der Antenne mit zwei Zweigen B1 und B2 von verschiedenen Längen, um zwei Betriebsbänder zu erzeugen, wie in der 1. Nahe einer Ecke der Strahlungsebene verläuft ein Kurzschlussleiter 332 von einer langen Seite der Strahlungsebene zu der Erdungsebene, welche lange Seite parallel zu einer kurzen Seite der Erdungsebene ist. Die Erdungsebene hat einen ersten Schlitz 315 gemäß der Erfindung, wie den Schlitz 215 in der 2, welcher erste Schlitz nahe dem Kurzschlusspunkt der Antenne parallel zu der kurzen Seite der Erdungsebene liegt. Die Versorgungsleitungsleiter 331 der Antenne trifft auf die Strahlungsebenen nahe derselben Ecke wie der Kurzschlussleiter, aber bei diesem Beispiel auf der Seite der kurzen Seite der Strahlungsebene, so dass ein erster Schlitz 315 zwischen dem Kurzschlusspunkt S und dem Versorgungspunkt F verläuft, die auf der Schaltungsplatte markiert sind. Diese Anordnung ermöglicht es, den ersten Schlitz 315 näher zu der kurzen Seite der Erdungsebene anzuordnen, als es möglich wäre, wenn der Versorgungspunkt mit seinem Durchgangsloch auf derselben Seite wäre, wie in der 1.
  • Das Beispiel von 3 zeigt ferner einen zweiten Schlitz 316 gemäß der Erfindung. Dieser beginnt an derselben langen Seite der Erdungsebene und verläuft parallel zum ersten Schlitz. Bei diesem Beispiel liegt der Versorgungspunkt F zwischen den ersten und zweiten Schlitzen auf der Oberfläche der Schaltungsplatte 305. Die ersten 315 und zweiten 316 Schlitze sowie der Versorgungspunkt F und der Kurzschlusspunkt S sind besser in der 4 zu sehen, die die Schaltungsplatte der Struktur, die in der 3 dargestellt ist, darstellt, wie es von der Seite der Erdungsebene aus zu sehen ist. Die Anordnung und die Länge des zweiten Schlitzen 316 kann so sein, dass die Resonanz in dem Schlitz in dem oberen Betriebsband der Antenne angeregt wird. Somit funktioniert sie als ein Schlitzstrahler, was die Abstimmung des oberen Betriebsbandes verbessert. Ähnlich kann bei dem Einzelschlitzfall gemäß der 2 der Schlitz so abgestimmt sein, um als ein Strahler in dem oberen Betriebsband zu wirken.
  • Als zusätzliche Art und Weise können reaktive diskrete Komponenten in der Erdungsebenenanordnung verwendet werden. Die 5 zeigt ein Beispiel einer solchen Anordnung. Sie enthält eine Schaltungsplatte 505 eines Funkgerätes, wobei die Erdungsebene der Platte zwei Schlitze gemäß der Erfindung hat, wie in der 4. Über dem zweiten Schlitz 516 ist nahe seinem offenen Ende ein Kondensator C angeschlossen. Die Kapazität davon verringert die elektrische Länge der Erdungsebene z.B. in dem Fall einer Dualbandantenne natürlicherweise in dem oberen Betriebsband signifikanter als in dem unteren. Wenn die Schlitze 515, 516 in der Erdungsebene so dimensioniert sind, um die Antennencharakteristika in dem unteren Betriebsband zu verbessern, dann kann der Kondensator verwendet werden, um die Antennencharakteristika am Verschlechtern in dem oberen Betriebsband aus den oben genannten Gründen zu hindern. Andererseits hilft, wenn der zweite Schlitz als ein Strahler verwendet wird, der Kondensator, einen Schlitz mit einer erwünschten elektrischen Länge physikalisch kürzer zu erzeugen, als er ohne einen Kondensator wäre. Eine geeignete Kapazität für den Kondensator bei einer Anordnung gemäß der 5 und in der Gigahertzregion ist in der Größenordnung von 1 pF.
  • Die 6 zeigt ein drittes Beispiel eines Erdungsebenendesigns gemäß der Erfindung. In diesem Fall hat die Erdungsebene auch zwei Schlitze gemäß der Erfindung. Ein erster Schlitz 615 verläuft zwischen dem Kurzschlusspunkt S und Versorgungspunkt F mit einer rechtwinkligen Biegung am Ende davon. Ein zweiter Schlitz 616 ist nun weiter unten in der Erdungsebene angeordnet, beginnend an einer langen Seite der Erdungsebene gegenüber jener langen Seite, an welcher die Kurzschluss- und Versorgungspunkte liegen. Der erste Schlitz kann so dimensioniert sein, um als ein Strahler in dem oberen Be triebsband der Antenne zu wirken, und der zweite Schlitz 616 kann so dimensioniert sein, um die Antennenabstimmung in dem unteren Betriebsband durch Erhöhen der elektrischen Länge der Erdungsebene zu verbessern.
  • Die 7 zeigt ein viertes Beispiel eines Erdungsebenendesigns gemäß der Erfindung. In diesem Fall hat die Erdungsebene einen Schlitz 715 gemäß der Erfindung. Der Versorgungspunkt F liegt nahe zu einer Ecke der Schaltungsplatte 705 und der Kurzschlusspunkt S liegt mehr zentral in der Richtung der kurzen Seite der Platte. Der Schlitz 715 beginnt an dem Rand der Erdungsebene auf der kurzen Seite der Schaltungsplatte, verläuft zwischen dem Versorgungspunkt und Kurzschlusspunkt und wendet sich dann parallel zu der kurzen Seite der Platte, nahe der gegenüber liegenden langen Seite der Schaltungsplatte verlaufend. Beim Ausbreiten in der Erdungsebene von dem Kurzschlusspunkt aus ist es erforderlich, um das geschlossene Ende des Schlitzes 715 herum zu gehen, was eine Zunahme in der elektrischen Länge der Erdungsebene bedeutet. Der Unterschied zu der Struktur von 2b ist, dass die Versorgungs- und Kurzschlusspunkte nun auf verschiedenen Seiten des Schlitzes in der Erdungsebene liegen. Dies kann verwendet werden, wenn der Schlitz 715 als ein Strahler eingesetzt wird.
  • Die 8 illustriert den Effekt der Erfindung auf eine Antennenabstimmung in einem Beispielsfall. Die Qualität der Abstimmung ist durch die gemessenen Werte des Reflexionskoeffizienten S11 wiedergegeben. Die Kurve 81 illustriert die Variation im Reflexionskoeffizienten einer Dualbandantenne des Standes der Technik als eine Funktion der Frequenz, und die Kurve 82 die Variation einer entsprechenden Antenne gemäß der Erfindung, die zwei Schlitze in der Erdungsebene hat, wie in der 3 dargestellt ist. Beim Vergleichen der Kurven kann man sehen, dass sich in dem oberen Band in der der 1,9 GHz-Region der beste Wert des Reflexionskoeffizienten von –8 dB auf ungefähr –13 dB verbessert, d.h. um ungefähr 5 dB. Gleichzeitig nimmt die Bandbreite B von ungefähr 150 MHz auf ungefähr 200 MHz unter Verwendung des Reflexionskoeffizienten –6 dB als ein Kriterium zu. In dem unteren Band in der 0,9 GHz-Region verbessert sich der beste Wert des Reflexionskoeffizienten um über 2,5 dB, d. h. von –11 dB auf ungefähr –13,5 dB. Gleichzeitig vergrößert sich die Bandbreite merklich.
  • Die 9 illustriert den Effekt der Erfindung auf den Antennengewinn. Der Antennengewinn ist hier unter Verwendung eines Simulationsmodels berechnet. Die Kurve 91 illustriert die Variation in dem Antennengewinn Gmax einer Dualbandantenne des Standes der Technik als eine Funktion der Frequenz, berechnet in der vorteilhaftesten Richtung, und die Kurve 92, die Variation in dem Antennengewinn Gmax einer entsprechenden Antenne gemäß der Erfindung, die zwei Schlitze in der Erdungsebene hat, wie in der 3 dargestellt ist, berechnet in der vorteilhaftesten Richtung. Beim Vergleichen der Kurven kann man sehen, dass der Antennengewinn in dem oberen Band von ungefähr 3 dB auf ungefähr 4 dB verbessert wird, d. h. ungefähr um ein Dezibel. Der Antennengewinn ist auch in dem unteren Betriebsband in der 0,9 GHz-Region verbessert. Die Zunahme ist ein wenig über einem halben Dezibel.
  • Wie vorher erwähnt wurde, können die Verbesserungen, die durch die Erfindung bei den elektrischen Charakteristika bewirkt werden, durch Verringern des Abstandes zwischen der Erdungsebene und der Strahlungsebene geeignet um einen Betrag entsprechend der Antennengewinndifferenz genutzt werden. Wenn die Zunahme von ungefähr 30 % bei der Bandbreite des oberen Betriebsbandes und die Ein-Dezibel-Zunahme bei dem Antennengewinn in dieser Weise verloren gehen, wird man eine Planarantenne erhalten, die ungefähr 40 % flacher ist.
  • Die 10 zeigt ein Funkgerät RA das mit einer internen Planarantenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Die Antenne enthält eine Erdungsebene auf der Schaltungsplatte 005 des Funkgerätes und eine Strahlungsebene 020 an jenem Ende der Schaltungsplatte, das in der Figur das obere Ende ist. Die Erdungsebene hat wenigstens einen Schlitz, der einen verbessernden Effekt auf die Antennenabstimmung hat.
  • Die Wörter "untere(r)" und "obere(r)" und "über/oberhalb" beziehen sich in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die Positionen der Antennenstruktur und ihrer Erdungsebene, wie in den 1 bis 7 dargestellt ist, und sie sind in keiner weise mit der operativen Position der Antenne verbunden. Ähnlich beziehen sich Angaben über die "kurzen" und "langen" Seiten der strukturellen Teile in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die Dimensionen, die in den 1 bis 7 dargestellt sind, und beschränken nicht die tatsächlichen Dimensionen.
  • Einige Antennenstrukturen gemäß der Erfindung wurden oben beschrieben. Die Erfindung beschränkt nicht die Formen der Antennenelemente auf jene, die eben beschrieben wurden. Auch beschränkt die Erfindung nicht das Herstellungsverfahren der Antenne oder die dabei verwendeten Materialien. Die erfinderische Idee kann auf verschiedene Weisen innerhalb des Umfangs angewandt werden, der durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.

Claims (11)

  1. Interne Planarantenne für ein Funkgerät, welche Antenne enthält eine Erdungsebene, eine Strahlungsebene, einen Versorgungsleiter (331), der die Versorgungsebene mit einem Versorgungspunkt (F) auf gleicher Höhe mit der Erdungsebene verbindet, und einem Kurzschlussleiter (332), der die Strahlungsebene mit der Erdungsebene an einem Kurzschlusspunkt (S) verbindet, welche Erdungsebene (210; 310; 510) einen ersten nichtleitenden Schlitz (315; 515; 615; 715) hat, der an einem Rand davon beginnt, um das Abstimmen der Antenne zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz zwischen den Kurzschlusspunkt (S) und dem Versorgungspunkt (F) geführt ist.
  2. Antenne nach Anspruch 1, von welcher die Erdungsebene eine leitende Schicht auf der oberen Oberfläche einer Schaltungsplatte in der Funkvorrichtung ist und von welcher die Strahlungsebene eine leitende Ebene über der Erdungsebene ist und eine Kontur hat, die im Wesentlichen wie ein Rechteck geformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusspunkt (S) relativ nahe, in Proportion zu den Längen der Seiten der Strahlungsebene (320), an einem Vorsprung einer Ecke der Strahlungsebene in der Schaltungsplatte ist und der erste Schlitz (315; 515; 615) in der Erdungsebene an einem Rand der Erdungsebene relativ nahe an dem Kurzschlusspunkt beginnt und im Wesentlichen parallel zu einer Längsseite der Strahlungsebene geführt ist.
  3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz (315; 515; 615; 715) in der Erdungsebene die elektrische Länge der Erdungsebene gemessen von dem Kurzschlusspunkt vergrößert.
  4. Antenne nach Anspruch 1, mit wenigstens einem unteren und einem oberen Betriebsband, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen zweiten Schlitz (316; 516; 616) in der Erdungsebene gibt.
  5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitz (316; 516) an derselben Seite der Erdungsebene wie der erste Schlitz (315; 515) beginnt, im Wesentlichen parallel zu dem ersten Schlitz geführt ist und der Versorgungspunkt (F) zwischen den ersten und zweiten Schlitzen auf der Schaltungsplatte liegt.
  6. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Kondensator (C) enthält, der über dem zweiten Schlitz (516) in der Erdungsebene angeschlossen ist.
  7. Antenne nach Anspruch 1, mit wenigstens einem unteren und einem oberen Betriebsband, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz (715) angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein.
  8. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Schlitz (316; 516) angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein.
  9. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitz (616) an einer Seite der Erdungsebene beginnt, die entgegengesetzt zu jener Seite ist, an welcher der erste Schlitz (615) beginnt, der zweite Schlitz die elektrische Länge der Erdungsebene gemessen von dem Kurzschlusspunkt aus vergrößert, und der erste Schlitz angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne in Resonanz zu sein.
  10. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schlitz (415; 715) in der Erdungsebene einen Teil enthält, dessen Richtung sich wesentlich von der Richtung der Längsseite der Strahlungsebene unterscheidet.
  11. Funkvorrichtung (RA), enthaltend eine Antenne nach Anspruch 1.
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