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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Antennen. Spezifischer
ist eine Mehrfachelementantenne vorgesehen, die insbesondere gut geeignet
ist zur Verwendung in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen, wie
PDAs (Personal Digital Assistants), zellularen Telefonen bzw. Mobiltelefonen und
drahtlosen Zweiweg-E-Mail-Kommunikationsvorrichtungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mobile
Kommunikationsvorrichtungen („mobile
Vorrichtungen")
mit Antennenstrukturen, die Kommunikationen in mehreren Betriebsfrequenzbändern unterstützen, sind
bekannt. Viele unterschiedliche Typen von Antennen für mobile
Vorrichtungen sind ebenfalls bekannt, einschließlich Helix-, „invertiertes
F"-, Faltdipol-
und einziehbare Antennenstrukturen. Helix- und einziehbare Antennen
sind typischerweise außerhalb
einer mobilen Vorrichtung angebracht, und „invertierte F"- und Faltdipol-Antennen sind
typischerweise eingebettet in einer Verkleidung oder einem Gehäuse einer
mobilen Vorrichtung. Im Allgemeinen sind eingebettete Antennen gegenüber externen
Antennen für
mobile Vorrichtungen aus mechanischen und ergonomischen Gründen bevorzugt. Eingebettete
Antennen werden durch die Verkleidung oder das Gehäuse der
mobilen Vorrichtung geschützt
und sind folglich haltbarer als externe Antennen. Obgleich externe
Antennen physikalisch in die Umgebung einer mobilen Vorrichtung
störend
eingreifen können
und es schwierig machen können, eine
mobile Vorrichtung zu benutzen, insbesondere in Umgebungen mit begrenztem
Raum, zeigen eingebettete Antennen weniger solche Herausforderungen.
In einigen Typen einer mobilen Vorrichtung jedoch sind bekannte
eingebettete Antennenstrukturen und Entwurfstechniken nicht mög lich, wenn
ein Betrieb in mehrfachen ungleichen Frequenzbändern erforderlich ist.
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WO 03/047031 A1 offenbart
eine abgestimmte Breitband-Multi-Antenne, die eine kapazitive Kopplung
zwischen mehreren leitenden Platten benutzt. Die Anzahl und das
Design von leitenden Platten kann ausgebildet sein, um die gewünschte Bandbreite
zu erzielen. Ein Dual-Band-Haupt-Patch mit zwei verschiedenen Abzweigen
mit unterschiedlichen Längen
und Bereichen, um drei von vier gewünschten Resonanzfrequenzen
zu handhaben, ist vorgesehen. Ein mittiger L-förmiger
Schenkel ist ein Zufuhr-Patch mit einem Zufuhrstift, der mit einem Sender,
Empfänger
oder Transceiver verbunden ist. Ein parasitärer Hoch-Band-Patch mit einem
Massestift ist ausgebildet, eine der zwei höheren gewünschten Resonanzfrequenzen
zu handhaben. Dies ermöglicht
eine Antenne, die für
vier Resonanzfrequenzen ausgebildet ist.
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Das
Dokument nach Stand der Technik
WO 91/12637 offenbart
eine Patch-Antenne,
die einen Zufuhr-Patch aufweist mit einer Resonanzlänge L1 und
ein Paar von parasitären
Patches, die parasitär mit
den Seitenrändern
des Zufuhr-Patches
verbunden sind. Die parasitären
Patches sind vorgesehen zum Erhöhen
der Bandbreite des Betriebsfrequenzbandes.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung weist eine Mehrfachelementantenne für eine drahtlose
Kommunikationsvorrichtung auf ein erstes Antennenelement mit einem
ersten Betriebsfrequenzband, ein „schwebendes" Antennenelement,
das angrenzend an das erste Antennenelement positioniert ist, um
elektromagnetisch mit dem ersten Antennenelement gekoppelt zu sein,
und konfiguriert ist, um in Verbindung mit dem ersten Antennenelement
in einem zweiten Betriebsfrequenzband zu arbeiten, und einen Zufuhranschluss,
der zwei Anschlüsse
aufweist, der mit dem ersten Antennenelement verbunden ist und konfiguriert
ist, das erste Antennenelement mit Kommunikationsschaltungen zu
verbinden und Kommunikationssignale in sowohl dem ersten Betriebsfrequenzband
als auch dem zweiten Betriebsfrequenzband zwischen der Mehrfachelementantenne
und den Kommunikationsschaltungen auszutauschen. Das zweite Betriebsfrequenzband
wird bestimmt durch die gesamte Länge des ersten Antennenelements
und des schwebenden Antennenelements und ist niedriger als das erste
Betriebsfrequenzband.
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Eine
Mehrfachelementantenne gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung zur Verwendung mit einer drahtlosen
mobilen Kommunikationsvorrichtung mit einem Transceiver und einem
Empfänger
weist auf ein einzelnes dielektrisches Substrat, ein erstes Antennenelement
auf dem dielektrischen Substrat, das einen Zufuhranschluss hat,
der mit dem Transceiver und dem Empfänger verbunden ist, und ein
schwebendes Antennenelement auf dem dielektrischen Substrat und
ist positioniert angrenzend an das erste Antennenelement auf dem
einzelnen dielektrischen Substrat, um mit dem ersten Antennenelement
elektromagnetisch gekoppelt zu sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht eines ersten Antennenelements;
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2 ist
eine Draufsicht eines schwebenden Antennenelements;
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3 ist
eine Draufsicht einer Mehrfachelementantenne, einschließlich der
Antennenelemente der 1 und 2;
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4 ist
eine orthogonale Ansicht der Mehrfachelementantenne der 3,
angebracht in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung;
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5 ist
eine Draufsicht eines zweiten Antennenelements;
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6–8 sind
Draufsichten von alternativen zweiten Antennenelementen;
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9 ist
eine Draufsicht einer Mehrfachelementantenne, einschließlich ein
erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement und ein schwebendes
Antennenelement;
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10 ist
eine Draufsicht eines parasitären Kopplers;
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11 ist
eine Draufsicht eines alternativen parasitären Kopplers;
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12 ist
eine Draufsicht einer weiteren Mehrfachelementantenne einschließlich eines
parasitären
Kopplers;
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13 ist
eine orthogonale Ansicht einer weiteren Mehrfachelementantenne,
die in einer mobile Kommunikationsvorrichtung angebracht ist; und
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14 ist
ein Blockdiagramm einer mobilen Kommunikationsvorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In
einer Mehrfachelementantenne werden unterschiedliche Antennenelemente
typischerweise auf unterschiedliche Betriebsfrequenzbänder eingestellt
bzw. abgestimmt, um so einer Mehrfachelementantenne zu ermöglichen,
als die Antenne in einer mobilen Multi-Band-Kommunikationsvorrichtung
zu arbeiten. Zum Beispiel aktivieren passend abgestimmte getrennte
Antennenelemente eine Mehrfachelementantenne für einen Betrieb auf den GSM(Global
System for Mobile Communication)- und GPRS(General Packet Radio
Service)-Frequenzbändern
bei ungefähr
900 MHz und 1800 MHz oder 1900 MHz, oder an den CDMA(Code Division Multiple
Access)-Frequenzbändern
bei ungefähr
800 MHz und 1900 MHz.
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Wenn
Betriebsfrequenzbänder
relativ nah beieinander liegen, in 100–200 MHz, oder manchmal, wenn
die Bänder
harmonisch verwandet sind, kann ein einzelnes Antennenelement für einen
Mehrhandbetrieb konfiguriert werden. In einer mobilen GPRS-Vorrichtung
zum Beispiel kann ein Betrieb in allen drei Frequenzbändern gewünscht sein,
um Kommunikationen in Netzwerken in unterschiedlichen Ländern oder
Regionen unter Verwendung einer allgemeinen Antennenstruktur zu
unterstützen.
In einem bekannten Antennendesign wird ein Triband-Betrieb unter
Verwendung von nur zwei Antennenstrukturen erzielt, die mit jeweiligen
Transceiver verbunden sind, einschließlich ein Antennenelement eingestellt
auf 900 MHz und ein anderes Antennenelement, das für einen
Betrieb in einem breiteren Frequenzband eingestellt ist, einschließlich der
zwei anderen Frequenzbänder
bei 1800 MHz und 1900 MHz. Dieser Typ einer Antennenstruktur ermöglicht drei Betriebsfrequenzbänder unter
Verwendung von nur zwei Antennenelementen.
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Wie
jedoch für
Fachleute offensichtlich ist, opfert ein derartiger Breitbandbetrieb
eines Antennenelements die Leistung des Antennenelements in zumindest
einem der Frequenzbänder,
die durch das breite Betriebsfrequenzband abgedeckt werden. Getrennte
Antennenelemente, die auf jedes der zwei Frequenzbänder eingestellt
sind, zeigen im Allgemeinen eine bessere Leistung an jedem Betriebsfre quenzband
als ein ähnliches
Antennenelement, das für
einen Breitbandbetrieb konfiguriert ist. Zusätzlich ist diese Breitbandtechnik
nur für
relativ nah beieinander liegende Betriebsfrequenzbänder praktisch, wie
oben beschrieben. Obgleich ein einzelnes Antennenelement konfiguriert
werden kann, an mehreren ähnlichen
oder nah beieinander liegenden Frequenzbändern zu arbeiten, wird ein
Betrieb in weiteren „ungleichen" Frequenzbändern typischerweise
unterstützt
unter Verwendung eines getrennten Antennenelements, das seinen eigenen
Zufuhranschluss zur Verbindung mit Kommunikationsschaltungen hat. Wie
detaillierter unten beschrieben wird, umfassen Mehrfachelementantennen
gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung ein erstes Antennenelement, das für einen
Betrieb in einem ersten Betriebsfrequenzband konfiguriert ist, und
ein schwebendes (floating) Antennenelement, das für einen
Betrieb in Verbindung mit dem ersten Antennenelement an einem zweiten
Betriebsfrequenzband konfiguriert ist.
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1 ist
eine Draufsicht eines ersten Antennenelements. Das erste Antennenelement 10 umfasst
einen ersten Leiterabschnitt 22 und einen zweiten Leiterabschnitt 26.
Die ersten und zweiten Leiterabschnitte 22 und 26 sind
positioniert, um eine Lücke 23 zu
definieren, wodurch eine „Open
Loop"-Struktur gebildet
wird, die als eine offene Faltdipolantenne bekannt ist. In alternativen
Ausführungsbeispielen
können
andere Antennendesigns verwendet werden, wie zum Beispiel eine geschlossene
Faltdipolstruktur.
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Der
erste Leiterabschnitt 22 umfasst eine Top-Last 20,
die verwendet wird, um ein Betriebsfrequenzband des ersten Antennenelements 10 zu
setzen. Wie kurz oben beschrieben, kann dieses Betriebsfrequenzband
ein breites Frequenzband sein, das mehrere Betriebsfrequenzbänder enthält, wie 1800
MHz und 1900 MHz. Die Dimensionen der Top-Last 20 beeinflussen
die gesamte elektrische Länge
des ersten Antennenelements 10 und können folglich angepasst werden,
um das erste Antennenelement 10 einzustellen. Zum Beispiel
erhöht
ein Verringern der Größe der Top-Last 20 die
Frequenz des Betriebsfrequenzbandes des ersten Antennenele ments 10 durch
Verringern seiner gesamten elektrischen Länge. Zusätzlich kann die Frequenz des
Betriebsfrequenzbandes des ersten Antennenelements 10 weiter
abgestimmt werden durch Anpassen der Größe der Lücke 23 zwischen den
Leiterabschnitten 22 und 26 oder durch Verändern der
Dimensionen anderer Teile des ersten Antennenelements 10.
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Der
zweite Leiterabschnitt 26 umfasst einen Stabilitäts-Patch 24 und
einen Last-Patch 28.
Der Stabilitäts-Patch 24 ist
ein gesteuerter Kopplungs-Patch, der die elektromagnetische Kopplung zwischen
den ersten und zweiten Leiterabschnitten 22 und 26 in
dem Betriebsfrequenzband des ersten Antennenelements 10 beeinflusst.
Die elektromagnetische Kopplung zwischen den Leiterabschnitten 22 und 26 wird
weiter durch die Größe der Lücke 23 beeinflusst,
die in Übereinstimmung
mit gewünschten Antennencharakteristiken
gewählt
wird.
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Das
erste Antennenelement 10 umfasst auch zwei Anschlüsse 12 und 14,
einer verbunden mit dem ersten Leiterabschnitt 22 und der
andere mit dem zweiten Leiterabschnitt 26 verbunden. Die
Anschlüsse 12 und 14 sind
von der Lücke 23 zwischen den
Leiterabschnitten 22 und 26 versetzt (offset), was
zu einer Struktur führt,
die allgemein bezeichnet wird als eine offen gefaltete Dipol-Antenne
mit „versetzter
Zufuhr (offset feed)".
Jedoch müssen
die Anschlüsse 12 und 14 nicht
notwendigerweise von der Lücke 23 versetzt
sein und können
zum Beispiel positioniert sein, um Raum für andere Komponenten einer
mobilen Vorrichtung vorzusehen, in der das erste Antennenelement 10 implementiert
ist, oder diese nicht zu stören.
Die Anschlüsse 12 und 14 sind
konfiguriert, um das erste Antennenelement 10 mit Kommunikationsschaltungen
zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel
wird der Anschluss 12 mit einer Masse-Ebene (ground-plane)
verbunden, während der
Anschluss 14 mit einer Signalquelle verbunden ist. Die
Masse- und Signalquelle-Verbindungen können in alternativen Ausführungsbeispielen
umgekehrt sein, wobei der Anschluss 12 mit einer Signalquelle
und der Anschluss 14 mit Masse verbunden ist. Obgleich
in 1 nicht gezeigt, ist für Fachleute ebenso offensichtlich,
dass einer der oder beide Anschlüsse 12 und 14 mit
einem Abstimmungs-Netzwerk verbunden werden können, um eine Impedanz des
ersten Antennenelements 10 mit der Impedanz einer Kommunikationsschaltung
oder -vorrichtung abzustimmen, mit der das Antennenelement 10 verbunden
ist.
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2 ist
eine Draufsicht eines schwebenden Antennenelements. Das schwebende
Antennenelement 30 umfasst einen Patch 32 und
Leiterabschnitte 34, 36 und 38. Für Fachleute
ist offensichtlich, dass die Dimensionen des Patches 32 das
Betriebsfrequenzband und die Verstärkung einer Antenne beeinflussen,
die das schwebende Antennenelement 30 enthält. Wie
detaillierter unten beschrieben wird, steuern die Dimensionen der
Leiterabschnitte 34, 36 und 38 die elektromagnetische
Kopplung zwischen dem schwebenden Antennenelement 30 und
einem anderen Antennenelement in Verbindung mit dem es arbeitet,
und betrifft folglich auch die Betriebscharakteristiken einer Antenne
einschließlich
des schwebenden Antennenelements 30. Anders als das erste Antennenelement 10 umfasst
das schwebende Antennenelement 30 keinen Zufuhranschluss
und soll in Verbindung mit einem anderen Antennenelement arbeiten.
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3 ist
eine Draufsicht einer Mehrfachelementantenne einschließlich der
Antennenelementen der 1 und 2. In der
Mehrfachelementantenne 40 sind das erste Antennenelement 10,
wie in 1 gezeigt, und das schwebende Antennenelement 30 der 2 nahe
beieinander positioniert, so dass zumindest ein Teil des ersten
Antennenelements 10 angrenzend an zumindest einen Teil
des schwebenden Antennenelements 30 ist. Die Mehrfachelementantenne 40 wird
auf einem flexiblen dielektrischen Substrat 42 unter Verwendung
zum Beispiel eines Kupferleiters und bekannten Kupferätztechniken
hergestellt. Die Antennenelemente 10 und 30 werden
derart hergestellt, dass ein Teil des ersten Antennenelements 10,
die Top-Last 20 des ersten Leiterabschnitts 22 in 3,
angrenzend an die Leiterabschnitte 34, 36 und 38 des
schwebenden Antennenelements 30 ist und diese teilweise überlappt.
Die Nähe
des ersten Antennenelements 10 und des schwebenden Antennenelements 30 führt zu einer elektromagnetischen
Kopplung zwischen den zwei Antennenelementen 10 und 30.
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Das
erste Antennenelement 10 ist entweder eingestellt, um ein
einzelnes Frequenzband zu optimieren, wie das CDMA-PCS(Personal
Communication System)-Band 1900 MHz, oder konfiguriert für einen
Breitbandbetrieb in Mehrfachfrequenzbändern, wie GSM-1800 (1800 MHz),
auch bekannt als DCS, und GSM-1900
(1900 MHz) in einer GPRS-Vorrichtung zum Beispiel. Das schwebende
Antennenelement 30 ist eingestellt, um ein ungleiches Betriebsfrequenzband
der Mehrfachelementantenne 40 zu optimieren. Das ungleiche
Betriebsfrequenzband wird durch die gesamte Länge des ersten Antennenelements 10 und
des schwebenden Antennenelements 30 bestimmt. In einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, ermöglicht
die schwebende Antenne 30 der Mehrfachelementantenne 40,
GPS(Global Positioning System)-Signale in einem Frequenzband von 1575
MHz zu empfangen, obgleich offensichtlich sein sollte, dass die
Erfindung keinesfalls darauf beschränkt ist. Die hier beschriebenen
Prinzipien können
auch auf andere Frequenzbänder
angewendet werden.
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Wie
oben beschrieben, werden die Betriebscharakteristiken des ersten
Antennenelements 10 gesteuert durch Anpassen der Dimensionen
der Leiterabschnitte 22 und 26 und der Größe der Lücke 23 zwischen
den ersten und zweiten Leiterabschnitten 22 und 26.
Zum Beispiel wird die Lücke 23 angepasst,
um das erste Antennenelement 10 auf ein gewähltes erstes
Betriebsfrequenzband einzustellen durch eine Optimierung einer Antennenverstärkung und
einer Leistung an einer bestimmten Frequenz in dem ersten Betriebsfrequenzband.
Die Dimensionen des Stabilitäts-Patches 24 und
der Lücke 23 beeinflussen
die Eingangsimpedanz des ersten Antennenelements 10 und
werden somit auch angepasst, um eine Impedanzabstimmung zwischen
dem ersten Antennenelement 10 und Kommunikationsschaltungen zu
verbessern, mit denen es verbunden ist. In einer ähnlichen
Weise beeinflussen die Dimensionen des Patches 32 das Betriebsfrequenzband,
Verstärkung und
Impedanz der Mehrfachelementantenne 40.
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Die
Dimensionen jedes der Antennenelemente 10 und 30 und
der Abstand zwischen ihnen steuert auch die elektromagnetische Kopplung
zwischen den Antennenelementen. Eine richtige Steuerung der elektromagnetischen
Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 30 sieht
ein im Wesentlichen unabhängiges
Einstellen jedes Betriebsfrequenzbandes vor. Die Dimensionen jedes
Antennenelements 10 und 30 und seine Position
im Verhältnis
zu dem anderen Antennenelement werden folglich angepasst, so dass
das Antennenelement 10 und die Antenne 40 in ihren
jeweiligen Betriebsfrequenzbändern
optimiert werden. In der Mehrfachelementantenne 40 überlappen
die Leiterabschnitte 34 und 38 und zu einem geringeren
Grad der Leiterabschnitt 36 Teile der Top-Last 20 des
ersten Antennenelements 10. Diese Teile der Antennenelemente 10 und 30 steuern
hauptsächlich
die Stärke
der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 30,
sowie die Impedanz, insbesondere Kapazität, der Mehrfachelementantenne 40.
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In
Betrieb ermöglicht
das erste Antennenelement 10 der Mehrfachelementantenne 40 eine
Kommunikation in einem ersten Betriebsfrequenzband, und die Kombination
des ersten Antennenelements 10 und des schwebenden Antennenelements 30 ermöglicht eine
Kommunikationen in einem zweiten Betriebsfrequenzband.
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Das
erste Antennenelement 10 ist betriebsfähig, Kommunikationssignale
in dem ersten Betriebsfrequenzband zu senden und/oder zu empfangen.
Obgleich das schwebende Antennenelement 30 eine Top-Last
zu dem ersten Antennenelement 10 aufgrund der elektromagnetischen
Kopplung darstellt, die oben beschrieben wird, kompensiert oder verringert
eine richtige Anpassung der Dimensionen und Platzierung der Antennenelemente
die Effekte des schwebenden Antennenele ments 30 auf den
Betrieb des ersten Antennenelements 10 in dem ersten Betriebsfrequenzband.
Somit bildet das erste Antennenelement 10 den Primärstrahler
für Übertragung und
Empfang von Kommunikationssignalen in dem ersten Betriebsfrequenzband.
Kommunikationssignale, die durch das erste Antennenelement 10 empfangen
werden, werden an die Kommunikationsschaltungen (nicht gezeigt) übertragen,
mit denen die Anschlüsse 12 und 14 verbunden
sind. Ähnlich
werden Kommunikationssignale, die in dem ersten Betriebsfrequenzband
gesendet werden sollen, an das erste Antennenelement 10 durch
die Anschlüsse 12 und 14 übertragen.
Sende- und Empfangsfunktionen in dem ersten Frequenzband sind abhängig von
dem Typ der Kommunikationsschaltung, mit der die Anschlüsse 12 und 14 verbunden
sind. Zum Beispiel können
die Kommunikationsschaltungen einen Empfänger, einen Sender oder einen
Transceiver umfassen, der sowohl einen Empfänger als auch einen Sender
enthält.
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Ein
Betrieb der Mehrfachelementantenne 40 in dem zweiten Betriebsfrequenzband
nutzt die elektromagnetische Kopplung zwischen dem schwebenden Antennenelement 30 und
dem ersten Antennenelement 10. Das erste Antennenelement 10 und
das schwebende Antennenelement 30 arbeiten in Kombination,
um Kommunikationssignale in dem zweiten Betriebsfrequenzband zu
empfangen und in einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung zu senden. Diese Signale werden zwischen der Mehrfachelementantenne 40 und
dazugehörigen
Kommunikationsschaltungen durch die Anschlüsse 12 und 14 übertragen.
Die Anschlüsse 12 und 14 des
ersten Antennenelements 10 dienen folglich als Zufuhranschluss
für sowohl
das erste Antennenelement 10 als auch, durch die elektromagnetische
Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 30,
für die Mehrfachelementantenne 40.
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Wie
aus der vorangehenden Beschreibung offensichtlich, umfasst das Design
einer Mehrfachelementantenne, wie 40, einen Kompromiss
zwischen einer Belastung (load) des ersten Antennenelements 10 in
dem ersten Betriebsfrequenzband und einem Sicherstellen eines wirkungsvollen
Betriebes der Mehrfachelementantenne 40 in dem zweiten
Betriebsfrequenzband. Während
die elektromagnetische Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 30 eine
Top-Last zu dem ersten Antennenelement 10 einführt, ermöglicht dieses
gleiche Kopplungsprinzip einen Betrieb der Mehrfachelementantenne 40 in
dem zweiten Betriebsfrequenzband von den Anschlüssen 12 und 14 des
ersten Antennenelements 10.
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Die
Kommunikationsschaltungen, die zu den ersten und zweiten Betriebsfrequenzbändern gehören, sind
entweder ein einzelner Empfänger,
Sender oder Transceiver, konfiguriert, um in mehrfachen Frequenzbändern zu
arbeiten, oder eindeutige Empfänger,
Sender, Transceiver oder eine Kombination daraus für jedes
Frequenzband. In einer möglichen
Implementierung ist zum Beispiel das erste Betriebsfrequenzband
das 1900 MHz CDMA-PCS-Frequenzband, das zweite Betriebsfrequenzband
ist das 1575 MHz GPS-Frequenzband, und sowohl ein CDMA-Transceiver
als auch ein GPS-Empfänger
sind mit den Anschlüssen 12 und 14 verbunden.
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3 stellt
eine Mehrfachelementantenne gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar. In alternativen Ausführungsbeispielen können die
Antennenelemente 10 und 30 oder Teile davon mehr
oder weniger überlappen.
Zum Beispiel verringert eine Erhöhung
des Abstandes zwischen der Top-Last 20 und dem Leiterabschnitt 38 oder
ein Verringern der Langen des Leiterabschnitts 34, 36 oder 38,
um dadurch den Grad einer Überlappung zwischen
den Antennenelementen 10 und 30 zu verringern,
die elektromagnetische Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 30 und
beeinflusst auch die Impedanz der Mehrfachelementantenne 40. Für Fachleute
ist auch offensichtlich, dass eine elektromagnetische Kopplung erzielt
werden kann, ohne unbedingt Teile der Antennenelemente 10 und 30 zu überlappen.
Folglich sind andere Strukturen, als die in der 3 gezeigte
bestimmte Struktur, ebenso möglich.
Die Dimensionen und der Abstand der Antennenelemente in solchen
alternativen Strukturen und folglich die elektromagnetische Kopplung
zwischen den Antennenelementen werden vorzugsweise angepasst, so
dass eine optimale Antennenleistungsfähigkeit und ein im Wesentlichen
unabhängiges
Einstellen der Antennenelemente erzielt werden, wie oben beschrieben.
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4 ist
eine orthogonale Ansicht der Mehrfachelementantenne von 3,
angebracht in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung. Für Fachleute ist
offensichtlich, dass eine vordere Gehäusewand und eine Vielzahl von
internen Komponenten der mobilen Vorrichtung 43, welche
die Sicht auf die Antenne verdecken würden, in 4 nicht
gezeigt werden. In einer zusammengebauten mobilen Vorrichtung ist die
eingebettete Antenne nicht sichtbar, die in 4 gezeigt
wird.
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Die
mobile Vorrichtung 43 weist eine Verkleidung oder ein Gehäuse auf
mit einer vorderen Wand (nicht gezeigt), einer hinteren Wand 44,
einer oberen Wand 46, einer unteren Wand 47 und
Seitenwänden, von
denen eine bei 45 gezeigt wird. Zusätzlich umfasst die mobile Vorrichtung 43 einen
Transceiver 48 und einen Empfänger 49, die mit den
Anschlüssen 12 und 14 des
ersten Antennenelementes 10 verbunden sind und in dem Gehäuses angebracht
sind.
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Obgleich
der Teil des Substrates 42 hinter der oberen Wand 46 nicht
in der 4 gezeigt wurde, um eine Überfüllung in diesem Teil der Zeichnung zu
vermeiden, sollte offensichtlich sein, dass sich das Substrat entlang
der seitlichen Wand 45 und auf der oberen Wand 46 zumindest
bis zum Ende des schwebenden Antennenelements 30 erstreckt.
Eine Herstellung der Mehrfachelementantenne 40 auf dem
Substrat 42, vorzugsweise ein flexibles dielektrisches
Substrat, erleichtert die Handhabung der Antenne vor und während der
Installation in der mobilen Vorrichtung 43.
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Die
Mehrfachelementantenne, einschließlich des Substrats 42,
auf dem die Antenne hergestellt ist, ist im Inneren des Gehäuses der
mobilen Vorrichtung 43 angebracht. Das Substrat 42 und
folglich die Mehrfachelementantenne ist gefaltet von einer ursprünglich im
Wesentlichen flachen Konfiguration, wie in 3 dargestellt
wird, so dass sie sich um die innere Oberfläche des Gehäuses der mobilen Vorrichtung
erstrecken, um die Antenne in mehreren Ebenen zu orientieren. Das
erste Antennenelement 10 ist gefaltet und angebracht entlang
der Rückseite, der
seitlichen und der oberen Wand 44, 45 und 46. Die
Anschlüsse 12 und 14 sind
an der hinteren Wand 44 angebracht und verbunden mit dem
Transceiver 48 und dem Empfänger 49. Der erste
Leiterabschnitt 22 erstreckt sich entlang der seitlichen
Wand 45, um die obere Ecke 39 und entlang der
oberen Wand 46. Das schwebende Antennenelement 30 erstreckt
sich ähnlich
entlang der seitlichen Wand 45, der oberen Wand 46 und
der hinteren Wand 44. Wie gezeigt, ist das schwebende Antennenelement
teilweise auf der oberen Wand 46 positioniert, wobei sich
der Leiterabschnitt 38 auf die seitliche Wand 45 erstreckt
und ein Teil 35 des Patches 32 sich um die oberen
hintere Kante 41 auf die hintere Wand 44 erstreckt.
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Die
Anschlüsse 12 und 14 des
ersten Antennenelements 10 sind sowohl mit dem Transceiver 48 als
auch dem Empfänger 49 verbunden.
Schaltung oder Routing von Signalen an und von einem oder dem anderen
des Transceivers 48 und des Empfängers 49 kann auf
viele Arten erreicht werden, wie für Fachleute offensichtlich
ist. Wie kurz oben beschrieben, ist das erste Antennenelement 10 für einen
Betrieb in dem 1900 MHz CDMA-PCS-Frequenzband konfiguriert, das
schwebende Antennenelement 30 arbeitet in Kombination mit
dem ersten Antennenelement 10 an dem 1575 MHz GPS-Frequenzband,
der Transceiver 48 ist ein CDMA-PCS-Transceiver, und der Empfänger 49 ist
ein GPS-Empfänger
in einer möglichen
Implementierung. Eine Befestigung des schwebenden Antennenelements 30 auf
der oberen Wand 46 der mobilen Vorrichtung 43 ist
insbesondere vorteilhaft für
einen wirkungsvollen Empfang von Signalen von GPS-Satelliten, da
eine mo bile Vorrichtung typischerweise mit seiner oberen Oberfläche relativ
unbehindert und in Richtung Himmel orientiert ist, wenn die mobile
Vorrichtung in Benutzung ist oder sich in einer Speicher-Aufnahmevorrichtung
(cradle) oder in einem Etui befindet zum Beispiel. Zusätzlich blockieren
andere Komponenten der mobilen Vorrichtung 43 Strahlungskomponenten,
die zu dem schwebenden Antennenelement 30 gehören, die
in die Vorrichtung gerichtet sind. Dieses Blockieren hat einen resultierenden
Strahl-formenden Effekt, der Komponenten verbessert, die aus der
Oberseite der Vorrichtung heraus gerichtet sind, und verbessert weiter
einen GPS-Signalempfang.
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Wie
gezeigt, weist der Patch 32 einen Teil 35 auf,
der sich um die obere hintere Kante 41 und auf die hintere
Wand 44 erstreckt. Dieser Teil 35 wird zum Beispiel
verwendet, wenn eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem schwebenden
Antennenelement 30 und anderen Komponenten der mobilen
Vorrichtung 43 gewünscht
ist. Solche Kopplung zu anderen Vorrichtungskomponenten liefert
einen weiteren Freiheitsgrad zum Steuern des Strahlungsmusters der
Mehrfachelementantenne. Somit ist in alternativen Ausführungsbeispielen
der Patch 32 vollständig
oder nur teilweise an der oberen Wand 46 angebracht.
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Obgleich 4 eine
Orientierung der Mehrfachelementantenne in der mobilen Vorrichtung 43 zeigt,
sollte offensichtlich sein, dass die Antenne in unterschiedliche
Weisen angebracht werden kann, abhängig zum Beispiel von dem Typ
des Gehäuses. In
einer mobilen Vorrichtung mit im Wesentlichen durchgehenden hinteren,
oberen, seitlichen und unteren Wänden
kann eine Antenne direkt an dem Gehäuse angebracht werden. Viele
Gehäuse
von mobilen Vorrichtungen werden in getrennten Teilen hergestellt,
die miteinander verbunden werden, wenn interne Komponenten der mobilen
Vorrichtung platziert wurden. Häufig
umfassen die Gehäuseabschnitte
einen vorderen Abschnitt und einen hinteren Abschnitt, jeweils einschließlich eines
Teils der hinteren, oberen, seitlichen und unteren Wände des
Gehäuses. Außer der
Teil der hinteren, oberen, seitlichen und unteren Wände in dem
hinteren Gehäuseabschnitt hat
eine ausreichende Größe, um die
Antenne und das Substrat unterzubringen, kann ein Anbringen der Antenne
am Gehäuse,
wie in 4 gezeigt, nicht praktisch sein. In solchen mobilen
Vorrichtungen wird die Antenne vorzugsweise an einem Antennenrahmen
angebracht, der integral ist oder ausgebildet, um an dem Gehäuse der
mobilen Vorrichtung, einem strukturellen Element in der mobilen
Vorrichtung oder an einer anderen Komponente der mobilen Vorrichtung
angebracht zu werden. Wenn die Antenne auf einem Substrat hergestellt
wird, wird eine Anbringung oder Befestigung der Antenne vorzugsweise unter
Verwendung eines Klebers erreicht, der vorgesehen ist an oder aufgetragen
wird auf das Substrat, an der Komponente, an der die Antenne angebracht oder
befestigt wird, oder an beiden.
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Das
Anbringen der Mehrfachelementantenne, wie in 4 gezeigt,
ist nur zu illustrativen Zwecken vorgesehen. Die Mehrfachelementantenne oder
andere ähnliche
Antennenstrukturen können auf
unterschiedlichen Oberflächen
einer mobilen Vorrichtung oder eines Gehäuses einer mobilen Vorrichtung
angebracht werden. Zum Beispiel müssen Gehäuseoberflächen, auf denen eine Mehrfachelementantenne
angebracht wird, nicht unbedingt flach, senkrecht sein oder eine
bestimmte Form haben. Eine Antenne kann auch an weniger oder weiteren Oberflächen oder
Flächen
angebracht werden, als in der 4 gezeigt.
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Obgleich
die vorhergehende Beschreibung eine Zweielementantenne betrifft,
sollte offensichtlich sein, dass ein schwebendes Antennenelement
in Mehrfachelementantennen implementiert werden kann, die mehr als
ein anderes Antennenelement haben. Illustrative Beispiele von Mehrfachelementantennen,
die ein erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement und
ein schwebendes Antennenelement enthalten, werden unten beschrieben.
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5 ist
eine Draufsicht eines zweiten Antennenelements. Das zweite Antennenelement 50 umfasst
einen ersten Anschluss 52, einen zweiten Anschluss 54 und
einen oberen Leiterabschnitt 56, der mit den Anschlüssen 52 und 54 verbunden
ist. Wie für
Fachleute offensichtlich ist, werden die Anschlüsse 52 und 54 und
der obere Leiterabschnitt 56 normalerweise aus leitendem
Material, wie Kupfer zum Beispiel, hergestellt. Die Länge des
oberen Leiterabschnitts 56 stellt ein Betriebsfrequenzband
des zweiten Antennenelements 50 ein.
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Die 6–8 sind
Draufsichten von alternativen zweiten Antennenelementen. Während der obere
Leiterabschnitt 56 des zweiten Antennenelements 50 eine
im Wesentlichen gleichmäßige Breite 58 hat,
hat das alternative zweite Antennenelement 60, das gezeigt
wird in der 6, einen oberen Leiterabschnitt 66 mit
einer nichtgleichförmigen
Breite. Wie in 6 gezeigt, haben der Teil 68 zwischen
den Anschlüssen 62 und 64 und
ein Teil des oberen Leiterabschnitts 66 des Antennenelements 60 eine
Breite 67, und ein Endteil des Antennenelements 60 hat eine
geringere Breite 69. Eine Struktur, wie in 6 gezeigt,
ist zum Beispiel nützlich,
um Raum für
andere Antennenelemente vorzusehen, wie einen parasitären Koppler,
um Raum einzusparen. Für
Fachleute ist offensichtlich, dass die Länge und die Breite des Antennenelements 60 oder
Teile davon gewählt
werden, um Verstärkung,
Bandbreite, Impedanzabstimmung, Betriebsfrequenzband und andere
Charakteristiken des Antennenelements einzustellen.
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7 zeugt
eine Draufsicht eines weiteren alternativen zweiten Antennenelements.
Das Antennenelement 70 umfasst Anschlüsse 72 und 74 und erste,
zweite und dritte Leiterabschnitte 75, 76 und 78.
Das Betriebsfrequenzband des Antennenelements 70 wird hauptsächlich gesteuert
durch Auswahl der Längen
der zweiten und dritten Leiterabschnitte 76 und 78.
Eine der Längen
L3, L4 und L5 kann angepasst werden, um die Längen der zweiten und dritten
Leiterabschnitte 76 und 78 einzustellen, während die
Länge des
ersten Leiterabschnitts 75 für Zweck einer Impedanzabstimmung
eingestellt werden kann durch Anpassen der Länge L1, L2 oder beider. Obgleich
die Längen
der ersten, zweiten und dritten Leiterabschnitte angepasst werden,
um die oben angeführten
Betriebscharakteristiken des Antennenelements 70 zu steuern,
hat eine Anpassung der Länge
eines dieser Leiterabschnitte einen Effekt auf die Eigenschaft,
die hauptsächlich
durch die anderen Antennenleiterabschnitte gesteuert wird. Zum Beispiel
können
zunehmende L3, L4 oder L5 zur Verringerung des Betriebsfrequenzbandes
des Antennenelements 70 auch eine Anpassung einer oder
beider der Längen
L1 und L2 erfordern, da ein Ändern
von L3, L4 oder L5 auch die Impedanz und folglich die Abstimmung
des Antennenelements 70 beeinflusst.
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Einer
der ersten, zweiten und dritten Leiterabschnitte des Antennenelements 70 kann
eine Struktur umfassen, um seine elektrische Länge zu verlängern, wie eine mäandernde
Leitung oder ein Sägezahn-Muster
zum Beispiel. 8 ist eine Draufsicht eines
anderen alternativen ersten Antennenelements, ähnlich zu dem Antennenelement 70,
einschließlich
der Anschlüsse 82 und 84 und
der mäandernden
Leitungen 90, 92 und 94, um die elektrische Länge der
ersten, zweiten und dritten Leiterabschnitte 85, 86 und 88 zu
erhöhen.
Die mäandernden
Leitungen 92 und 94 ändern die Längen der zweiten und dritten
Leiterabschnitte 86 und 88 des zweiten Antennenelements 80,
um es auf ein bestimmtes Betriebsfrequenzband einzustellen. Die
mäandernden
Leitung 94 belastet (top-loads) auch das zweite Antennenelement 80 derart,
dass es arbeitet, als wäre
seine elektrische Länge
länger
als seine tatsächliche physikalische
Dimension. Die mäandernde
Leitung 90 ändert ähnlich die
elektrische Länge
des ersten Leiterabschnitts für
eine Impedanzabstimmung. Die elektrische Länge einer der mäandernden
Leitungen 90, 92 und 94 und folglich
die gesamte elektrische Länge
der ersten, zweiten und dritten Leiterabschnitte 85, 86 und 88 können angepasst
werden zum Beispiel durch miteinander Verbinden von einem oder mehreren
Segment(en) der mäandernden
Leitungen, um einen festen Leiterabschnitt zu bilden.
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9 ist
eine Draufsicht einer Mehrfachelementantenne einschließlich eines
ersten Antennenelements, ein zweites Antennenelement und ein schwebendes
Antennenelement. In der Mehrfachelementantenne 100 sind
ein erstes Antennenelement 10 und ein schwebendes Antennenelement 30 auf
einem Substrat 102 angrenzend zueinander positioniert.
Die schwebende Antenne 30 arbeitet in Verbindung mit dem
ersten Antennenelement 10 im Wesentlichen wie oben beschrieben.
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Das
zweite Antennenelement 50, wie in 5 gezeigt,
ist so positioniert, dass zumindest ein Teil des zweiten Antennenelements 50 angrenzend ist
an zumindest einen Teil des ersten Antennenelements 10.
In der 9 werden die Antennenelemente 10 und 50 auf
dem Substrat 102 so hergestellt, dass ein Teil des oberen
Leiterabschnitts 56 des zweiten Antennenelements 50 angrenzend
ist zu dem zweiten Leiterabschnitt 26 des ersten zweiten Antennenelements 10 und
diesen teilweise überlappt.
Die Nähe
des ersten Antennenelements 10 und des zweiten Antennenelements 50 resultiert
in einer elektromagnetischen Kopplung zwischen den zwei Antennenelementen 10 und 50.
Obgleich das erste Antennenelement 10 und das zweite Antennenelement 50 typischerweise
eingestellt sind, um entsprechende erste und zweite Betriebsfrequenzbänder zu
optimieren, dient jedes Antennenelement 10 und 50 als
ein parasitäres
Element für
das andere aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen ihnen,
wodurch eine Leistung der Mehrfachelementantenne 100 verbessert
wird durch Glätten von
Strom-Verteilungen in jedem Antennenelement 10 und 50 und
Erhöhen
der Verstärkung
und Bandbreite an den Betriebsfrequenzbändern der ersten und zweiten
Antennenelemente 10 und 50. Zum Beispiel kann
in einer mobilen Vorrichtung, die für einen Betrieb in einem GPRS-Netzwerk
bestimmt ist, das erste Betriebsfrequenzband sowohl GSM-1800 (1800 MHz) oder
DCS als auch die GSM-1900(1900 MHz)- oder PCS-Frequenzbänder umfassen, während das
zweite Betriebsfrequenzband das GSM-900(900 MHz)-Frequenzband ist. In einer
mobilen CDMA-Vorrichtung können
die ersten und zweiten Betriebsfrequenzbänder die CDMA-Bänder jeweils
bei ungefähr
1900 MHz und 800 MHz umfassen. Für
Fachleute ist offensichtlich, dass die ersten und zweiten Antennenelemente 10 und 50 auf
andere erste und zweite Betriebsfrequenzbänder eingestellt werden können für einen
Betrieb in unterschiedlichen Kommunikationsnetzwerken.
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9 zeigt
ein illustratives Beispiel einer Mehrfachelementantenne. Die Dimensionen,
Formen und Orientierungen der verschiedenen Patches, der Lücken und
Leiter, die die elektromagnetische Kopplung zwischen den Elementen 10, 30 und 50 beeinflussen,
können
modifiziert werden, um gewünschte
Antennencharakteristiken zu erzielen. Zum Beispiel, obgleich das
zweite Antennenelement 50 in der Mehrfachelementantenne 100 gezeigt
wird, kann jedes der alternativen Antennenelemente 60, 70 und 80 oder
ein zweites Antennenelement, das einige der Charakteristiken dieser
alternativen zweiten Antennenelemente kombiniert, anstelle des zweiten
Antennenelements 50 verwendet werden. Andere Formen des
ersten Antennenelements 10 und des schwebenden Antennenelements 30 können in
den alternativen Ausführungsbeispielen
auch verwendet werden.
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10 ist
eine Draufsicht eines parasitären Kopplers.
Ein parasitärer
Koppler ist ein parasitäres Element,
in 10 ist ein einzelner Leiter 110, der verwendet
wird, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen ersten und zweiten
Antennenelementen zu verbessern, wie detaillierter unten beschrieben
wird, um dadurch die Leistung jedes Antennenelements in ihrem jeweiligen
Betriebsfrequenzband zu verbessern und Strom-Verteilungen in den
Antennenelementen zu glätten.
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Ein
parasitärer
Koppler muss nicht unbedingt ein im Wesentlichen gerader Leiter
sein, wie in 10 gezeigt. 11 ist
eine Draufsicht eines alternativen parasitären Kopplers. Der parasitäre Koppler 112 ist
ein gefalteter oder gebogener Leiter, der einen ersten Leiterabschnitt 114 und
einen zweiten Leiterabschnitt 116 hat. Ein parasitärer Koppler wie 112 kann
zum Beispiel verwendet werden, wenn physikalische Raumbeschränkungen
bestehen.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass ein parasitärer Koppler alternativ angrenzende,
verbundene oder getrennte, Leiterabschnitte aufweisen kann. Zum
Beispiel können
zwei Leiterabschnitte des Typs, der in 10 gezeigt
wird, nebeneinander liegen, so dass sie sich entlang im Wesentlichen
ihrer gesamten Länge überlappen,
um ein „gestapeltes" parasitäres Element
zu bilden. In einer Variation eines gestapelten parasitären Elements überlappen sich
die Leiterabschnitte nur teilweise, um ein versetztes (offset) gestapeltes
parasitäres
Element zu bilden. Ende-zu-Ende gestapelte Leiterabschnitte stellen
eine weitere Variation von parasitären Kopplern mit Mehrfach-Leiterabschnitten
dar. Andere parasitäre
Element-Muster oder
-Strukturen, ausgebildet, um in einem verfügbaren physikalischen Raum untergebracht
zu werden oder bestimmte elektromagnetische Kopplungs- und Leistungsmerkmale
zu erzielen, sind ebenfalls für
Fachleute offensichtlich.
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12 ist
eine Draufsicht einer weiteren Mehrfachelementantenne einschließlich eines
parasitären
Kopplers. Die Mehrfachelementantenne 111 umfasst die ersten
und zweiten Antennenelemente 10 und 50, das schwebende
Antennenelement 30 und den parasitären Koppler 112. Wie
gezeigt, ist der parasitäre
Koppler 112 angrenzend das erste Antennenelement 10 und
das zweite Antennenelement 50 und überlappt einen Teil davon.
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In
der Mehrfachelementantenne 111 ist ein Teil des ersten
Leiterabschnitts 114 des parasitären Kopplers 112 angrenzend
an den oberen Leiterabschnitt 56 des zweiten Antennenelements 50 positioniert
und elektromagnetisch damit verbunden. Der zweite Leiterabschnitt 116 und
ein Teil des ersten Leiterabschnitts 114 des parasitären Kopplers 12 überlappen ähnlich einen
Teil des ersten Antennenelements 10, um den parasitären Koppler 112 mit
dem ersten Antennenelement 10 elektromagnetisch verbinden.
Der parasitäre
Koppler 112 ist dadurch elektromagnetisch mit sowohl dem
ersten Antennenelement 10 als auch dem zweiten Antennenelement 50 verbunden.
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Das
zweite Antennenelement 50 neigt dazu, eine relativ schlechte
Kommunikationssignal-Ausstrahlung und -Empfang in einigen Typen
von mobilen Vorrichtungen zu zeigen. Insbesondere, wenn in einer
kleinen mobilen Vorrichtung implementiert, ist die Länge des
oberen Leiterabschnitts 56 begrenzt durch die physikalischen
Dimensionen der mobilen Vorrichtung, was zu einer schlechten Verstärkung führen kann.
Die Anwesenheit des parasitären
Kopplers 112 erhöht
eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem ersten Antennenelement 10 und
dem zweiten Antennenelement 50. Da das erste Antennenelement 10 im
Allgemeinen eine bessere Verstärkung
als das zweite Antennenelement 50 hat, verbessert diese
elektromagnetische Kopplung zu dem ersten Antennenelement 10 die
Verstärkung
des zweiten Antennenelements 50 an seinem Betriebsfrequenzband.
Wenn es in seinem Betriebsfrequenzband arbeitet, koppelt das zweite
Antennenelement 50, aufgrund seiner Position relativ zu
dem ersten Antennenelement 10, elektromagnetisch zu dem zweiten
Leiterabschnitt 26 des ersten Antennenelements 10.
Durch den parasitären
Koppler 112 ist das zweite Antennenelement 50 stärker mit
dem zweiten Leiterabschnitt 26 gekoppelt und koppelt auch
elektromagnetisch zu dem ersten Leiterabschnitt 22 des ersten
Antennenelements 10.
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Der
parasitäre
Koppler 112 verbessert auch die Leistung des ersten Antennenelements 10 und somit
die Leistung der Mehrfachelementantenne 40 in allen ihren
Betriebsfrequenzbändern.
Insbesondere sieht der parasitäre
Koppler 112, durch seine elektromagnetische Kopplung mit
dem ersten Antennenelement 10, einen weiteren Leiter vor,
an den Strom in dem ersten Antennenelement 10 effektiv übertragen
wird, was zu einer gleichmäßigeren
Strom-Verteilung in dem ersten Antennenelement 10 führt. Eine elektromagnetische
Kopplung von sowohl dem ersten Antennenelement 10 als auch
dem parasitären Koppler 112 zu
dem zweiten Antennenelement 50 streut auch einen Strom
in dem ersten Antennenelement 10 und dem parasitären Koppler 112.
Dies liefert eine noch größere Kapazität zum Glätten einer Strom-Verteilung
in dem ersten Antennenelement 10, da Strom effektiv sowohl
an den parasitären
Koppler 112 als auch das zweite Antennenelement 50 übertragen
werden kann, wenn das erste Antennenelement 10 in Betrieb
ist, zum Beispiel wenn ein Kommunikationssignal gesendet oder empfangen
wird in einem Betriebsfrequenzband, das entweder zu dem ersten Antennenelement 10 oder
der Mehrfachelementantenne 40 gehört.
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Die
Länge des
parasitären
Kopplers 112 sowie der Abstand zwischen den ersten und
zweiten Antennenelementen 10 und 50 und dem parasitären Koppler 112 steuern
die elektromagnetische Kopplung zwischen den Antennenelementen 10 und 50 und
dem parasitäre
Koppler 112, und werden somit angepasst, um die Verstärkung und
die Bandbreite des ersten Antennenelements 10 und des zweiten Antennenelements 50 in
ihren jeweiligen ersten und zweiten Betriebsfrequenzbändern zu
steuern.
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Der
Betrieb der Antenne 111 ist ansonsten im Wesentlichen wie
oben in Verbindung mit 9 beschrieben.
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Obgleich
bestimmte Typen von Antennenelementen und der parasitäre Elemente
in der 12 gezeigt werden, ist die vorliegende
Erfindung keineswegs darauf beschränkt. Alternative Ausführungsbeispiele,
in denen andere Typen von Elementen implementiert sind, werden ebenso
in Betracht gezogen, einschließlich
zum Beispiel Antennenelemente, die Merkmale von einem oder mehreren
der alternativen Antennenelemente in den 6-8 aufweisen. Die
relativen Positionen der verschiedenen Elemente in der Antenne 111 können für alternative
Ausführuungsbeispiele
auch anders sein als in der 12 gezeigt.
Eine elektromagnetische Kopplung zwischen den ersten und zweiten
Antennenelementen 10 und 50 wird zum Beispiel
verbessert durch Positionieren des parasitären Kopplers 112 zwischen
den ersten und zweiten Antennenelementen 10 und 50.
Solch eine alternative Struktur liefert eine festere Kopplung zwischen
den Antennenelementen. Jedoch ist eine Antenne, wie die Antenne 111,
mit einer schwächeren
Kopplung zwischen den Antennenelementen, nützlich, wenn ein Grad einer
Isolierung zwischen den ersten und zweiten Antennenelementen 10 und 50 gewünscht wird.
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13 ist
eine orthogonale Ansicht der Mehrfach-Element-Antenne, angebracht
in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung. Wie in 4 wird eine
vordere Gehäusewand
und eine Vielzahl von internen Komponenten der mobilen Vorrichtung 120, welche
die Sicht auf die Antenne verdecken würden, in 13 nicht
gezeigt.
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Die
mobile Vorrichtung 120 weist eine Verkleidung oder ein
Gehäuse
auf mit einer vorderen Wand (nicht gezeigt), einer hinteren Wand 123,
einer oberen Wand 128, einer unteren Wand 126 und
Seitenwänden,
von denen eine bei 124 gezeigt wird. Zusätzlich umfasst
die mobile Vorrichtung 120 einen ersten Transceiver 136,
einen zweiten Transceiver 134 und einen Empfänger 138,
die in dem Gehäuses angebracht
sind.
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Die
Mehrfachelementantenne, die gezeigt wird in der 13,
ist ähnlich
zu der Mehrfachelementantenne 111 in der 12,
da sie ein erstes Antennenelement 150, ein zweites Antennenelement 140,
ein schwebendes Antennenelement 160 und einen parasitären Koppler 170 umfasst.
Das erste Antennenelement 150 ist ein Dipolantennenelement
mit einem Anschluss 152, der mit einem ersten Leiterabschnitt 158 verbunden
ist, und einen zweiten Anschluss 154, der mit einem zweiten
Leiterabschnitt 156 verbunden ist. Die Anschlüsse 152 und 154 sind auch
konfiguriert für
eine Verbindung zu dem ersten Transceiver 136 und dem Empfänger 138,
durch eine von vielen möglichen
Signalschaltungs- oder -Routinganordnungen (nicht gezeigt). Das
zweite Antennenelement 140 ist ähnlich zu dem Antennenelement 50 und
weist die Anschlüsse 142 und 144,
die konfiguriert sind, um mit einem zweiten Transceiver 144 verbunden
zu werden, und einen oberen Leiterabschnitt 146 auf. Die
Antennenelemente 140, 150 und 160 und
der parasitäre
Koppler 170 werden auf einem Substrat 172 hergestellt.
Wie in der 4 wird der Teil des Substrates 172 hinter
der oberen Wand 128 nicht in der 13 gezeigt.
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13 zeigt
weitere Beispiele der möglichen Formen
und Typen von Elementen, auf welche die anwesende Erfindung anwendbar
ist. Das erste Antennenelement 150 ist ein anderes Dipolantennenelement
als das Antennenelement 10. Zum Beispiel umfasst der erste
Leiterabschnitt 158 eine Verlängerung 166, die eine
Kopplung zwischen dem ersten Antennenelement 10 und dem
schwebenden Antennenelement 160 verbessert, der Anschluss 154 ist mit
einem Ende des zweiten Leiterabschnitts 156 verbunden statt
einem Zwischenteil davon, und beide Leiterabschnitte sind anders
geformt als die in dem Antennenelement 10. Das zweite Antennenelement 140 ist
auch anders als das zweite Antennenelement 50 in den Mehrfachelementantennen
der 9 und 12, da der obere Leiterabschnitt 146 eine nicht-gleichförmige Breite
hat und eine Kerbe oder einen Ausschnitt-Teil, in denen sich der
parasitäre Koppler 170 befindet.
Weitere Form-, Größen- und relative
Positions-Variationen sind für
Fachleute offensichtlich und werden somit betrachtet als in dem Umfang
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Mehrfachelementantenne, einschließlich das Substrat 172,
auf dem die Antenne hergestellt ist, ist in dem Gehäuse der
mobilen Vorrichtung 120 angebracht, direkt an dem Gehäuse, auf
einem Befestigungsrahmen, der an dem Gehäuse oder einem anderen strukturellen
Teil der mobilen Vorrichtung 120 oder einem anderen Teil
der mobilen Vorrichtung 120 befestigt ist. Das Substrat 172 und
folglich die Mehrfachelementantenne werden aus einer ursprünglich im
Wesentlichen fla chen Konfiguration, wie gezeigt in der 12,
gefaltet, um die Antenne in mehreren Ebenen zu orientieren.
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Das
erste Antennenelement 150 ist gefaltet und angebracht entlang
der Rückseite,
der seitlichen und der oberen Wand 123, 124 und 128.
Die Anschlüsse 152 und 154 sind
an der hinteren Wand 123 angebracht und verbunden mit dem
ersten Transceiver 136 und dem Empfänger 138. Der erste
Leiterabschnitt 158 erstreckt sich entlang der seitlichen
Wand 124, um die obere Ecke 132 und entlang der
oberen Wand 128. Der zweite Leiterabschnitt 156 des
ersten Antennenelements 150 ist an der Seitenwand 124 angebracht.
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Der
obere Leiterabschnitt 146 des zweiten Antennenelements 140 ist
an der seitlichen Wand 124 angebracht und erstreckt sich
von der seitlichen Wand 124 um eine untere Ecke 130 zu
der unteren Wand 126. Die Anschlüsse 142 und 144 sind
an der hinteren Wand 123 des Gehäuses angebracht und verbunden
mit dem zweiten Transceiver 134. Wie gezeigt, ist der parasitäre Koppler 170 an
der seitlichen Wand 124 angebracht.
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Das
schwebende Antennenelement 160 ist teilweise entlang der
oberen Gehäusewand 128 angebracht,
mit einem Leiterabschnitt 164 an der oberen Wand 128 und
ein Leiterabschnitt 168 erstreckt sich entlang der oberen
Wand 128, um die Ecke 132 und auf die seitliche
Wand 124. Das schwebende Antennenelement 160 umfasst
auch einen Patch, von dem sich ein Teil 162 um eine obere
hintere Kante des Gehäuses
und auf die hintere Wand 123 erstreckt. Wie oben beschrieben,
ist diese Position der schwebenden Antenne 160 insbesondere
vorteilhaft, wenn der Empfänger 138 ein
GPS-Empfänger
ist.
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Eine
mobile Vorrichtung, in der eine Mehrfachelementantenne implementiert
ist, kann zum Beispiel eine Datenkommunikationsvorrichtung, eine Sprachkommunikationsvorrichtung,
eine Dualmodus-Kommunikationsvorrichtung wie ein mobiles Telefon,
das eine Datenkommunikationsfunktionalität hat, ein PDA (Personal Digital
Assistant) aktiviert für eine
drahtlose Kommunikation, eine drahtlose E-Mail-Kommunikationsvorrichtung oder
ein drahtloses Modem sein, das in Verbindung mit einem Laptop- oder
Desktop-Computer arbeitet, oder eine andere elektronische Vorrichtung
oder System sein.
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14 ist
ein Blockdiagramm einer mobilen Kommunikationsvorrichtung. Die mobile
Vorrichtung 120 ist eine mobile Dualmodus-Vorrichtung und
umfasst ein Transceivermodul 911, einen Mikroprozessor 938,
eine Anzeige 922, einen nichtflüchtigen Speicher 924,
einen RAM-Speicher 926, eine oder mehrer Hilfs-Eingabe/Ausgabe(E/A)-Vorrichtungen 928,
einen seriellen Anschluss 930, eine Tastatur 932,
einen Lautsprecher 934, ein Mikrofon 936, ein drahtloses
Nahbereichs-Kommunikations-Teilsystem 940 und andere Vorrichtungs-Teilsysteme 42.
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Das
Transceivermodul 911 umfasst erste und zweite Antennen 902 und 904,
einen ersten Transceiver 906, einen Empfänger 908,
einen zweiten Transceiver 910 und einen digitalen Signalprozessor
(DSP – digital
signal processor) 920. Obwohl in 14 nicht
getrennt gezeigt, ist aus der obigen Beschreibung offensichtlich,
dass die erste Antenne 906 sowohl ein erstes Antennenelement
als auch ein schwebendes Antennenelement umfasst. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die ersten und zweiten Antennen 902 und 904 Antennenelemente
in einer Mehrfachelementantenne.
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In
dem nichtflüchtigen
Speicher 924 umfasst die mobile Vorrichtung 120 vorzugsweise
eine Vielzahl von Software-Modulen 924A–924N, die ausgeführt werden
können
durch den Mikroprozessor 938 (und/oder den DSP 920),
einschließ lich
ein Sprachkommunikationsmodul 924A, ein Datenkommunikationsmodul 924B und
eine Vielzahl von anderen betriebsfähigen Modulen 924N zur
Ausführung
einer Vielzahl von anderen Funktionen.
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Die
mobile Vorrichtung 120 ist vorzugsweise eine Zweiwegkommunikationsvorrichtung,
die Sprach- und Datenkommunikationsfähigkeiten hat. So kann die
Vorrichtung 120 zum Beispiel über ein Sprachnetzwerk kommunizieren,
wie eines der analogen oder digitalen zellularen Netzwerke, und
kann auch über
ein Datennetzwerk kommunizieren. Die Sprach- und Datennetzwerke
werden in 14 dargestellt durch den Kommunikationsturm 919.
Diese Sprach- und Datennetzwerke können getrennte Kommunikationsnetzwerke
unter Verwendung getrennter Infrastruktur sein, wie Basisstationen,
Netzwerksteuervorrichtungen, etc., oder sie können in ein einziges drahtloses
Netzwerk integriert werden. Die Transceiver 906 und 910 und
der Empfänger 908 sind
normalerweise konfiguriert, mit unterschiedlichen Netzwerken 919 zu
kommunizieren.
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Das
Transceivermodul 911 wird verwendet, um mit den Netzwerken 919 zu
kommunizieren. Der DSP 920 wird verwendet, um Kommunikationssignale
an die Transceiver 906 und 910 zu senden und von diesen
zu empfangen und Kommunikationssignale von dem Empfänger 908 zu
empfangen, und liefert eine Steuerungsinformation an die Transceiver 906 und 910 und
an den Empfänger 908.
Eine Information, die sowohl Sprach- als auch Dateninformation umfasst,
wird an das und von dem Transceivermodul 911 über eine
Verbindung zwischen dem DSP 920 und dem Mikroprozessor 938 kommuniziert.
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Das
detaillierte Design des Transceivermoduls 911, wie Betriebsfrequenzbänder, Komponenten-Auswahl,
Leistungspegel, etc., ist abhängig
von dem Kommunikationsnetzwerk 919, in dem die mobile Vorrichtung 120 arbeiten
soll. Zum Beispiel kann in einer mobilen Vorrichtung, die in einem
nordamerikanischen Markt arbeiten soll, der erste Transceiver 906 ausgebildet
sein, in jedem einer Vielzahl von Sprachkommunikationsnetzwerken
zu arbeiten, wie den mobilen MobitexTM- oder DataTACTM-Datenkommunikationsnetzwerken, AMPS, TDMA,
CDMA, PCS, etc., während
der Empfänger 908 ein GPS-Empfänger ist,
der konfiguriert ist, mit GPS-Satelliten zu arbeiten, und zweite
Transceiver 910 ist konfiguriert, mit dem GPRS(General
Packet Radio Service)-Datenkommunikationsnetzwerk und dem GSM-Sprachkommunikationsnetzwerk
in Nordamerika und möglicherweise
anderen geographischen Regionen zu arbeiten. Andere Typen von Daten- und Sprachnetzwerken,
sowohl getrennt als auch integriert, können ebenfalls mit einer mobilen
Vorrichtung 120 verwendet werden. Die Transceiver 906 und 910 können stattdessen
konfiguriert sein für
einen Betrieb in unterschiedlichen Betriebsfrequenzbändern von ähnlichen
Netzwerken, wie GSM-900 und GSM-1900, oder die CDMA-Bänder von
800 MHz und 1900 MHz zum Beispiel In einigen Fällen wird ein dritter Transceiver
anstelle des Empfängers 908 implementiert.