DE69602874T2

DE69602874T2 - Wendelantenne und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69602874T2
Application number: DE69602874T
Authority: DE
Inventors: Petteri Annamaa
Original assignee: LK Products Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2016-04-04
Also published as: DK0736926T3; US5742259A; EP0736926B1; JPH08288730A; DE69602874D1; FI951670A; FI109493B; EP0736926A1; FI951670A0

Description

Die Erfindung betrifft die Struktur einer kleinen Funkfrequenzwendel- oder Wendelantenne und ein Verfahren zur Herstellung dieser Antennenstruktur. Die Antennenstruktur wird im folgenden als Wendelantenne bezeichnet.
Bei gegenwärtigen Funkfrequenzanwendungen, wie etwa Mobiltelefonen, stellt die Antennenstruktur aus Sicht des äußeren Erscheinungsbildes, der Widerstandsfähigkeit und der Handhabung des Geräts einen signifikanten Faktor dar. Die Herstellungskosten tragen ebenso zum Preis des Funkgeräts bei. Da moderne Mobiltelefone klein und leicht sind, sollte auch die Antenne klein sein. Falls der Benutzer(in) sein/ihr Telefon aus Versehen fallen läßt, sollte die Antenne ferner nicht gleich zerstört werden. Im Gegenteil, eine als flexibles Element ausgebildete Antenne kann das Telefon selbst vor Zerstörung bewahren. Bei einer Massenserienfertigungvon Telefonen sollte die Antenne wirtschaftlich und leicht herzustellen sein, was man auch dahingehend interpretieren kann, daß die Antenne nur wenige Teile aufweisen sollte, wobei die Teile einfach geformt und die mechanischen Toleranzen nicht übermäßig genau ausgelegt sein sollten.
Die Wendelantenne ist eine allgemein bekannte und weit verbreitete Antennenstruktur, die kleiner ist als zum Beispiel eine Stabantenne mit äquivalenter Funktion, und die folglich üblicherweise als Antenne für ein modernes Mobiltelefon gewählt wird. Eine bereits bekannte Wendelantenne enthält zum Beispiel einen in eine zylindrische Spule, also in eine Wendel gewickelten Leiter, der einen zur Mitte und nach unten gebogenen kurzen Fußbereich aufweist, und einen Anschlußteil, der mittels Löten mit dem Fußbereich der Wendel gekoppelt ist. Der innere Teil der Antenne kann durch Bildung eines speziellen Halterungsteils innerhalb der Wendel gestützt werden. Extern wird der Wendelteil üblicherweise durch einen elastischen Protektor geschützt, der zum Beispiel eine Spritzgußabdeckung oder eine mit dem Wendelteil und dem oberen Teil des Anschlußteils verklebte Gummimuffe sein kann.
Die Abmessungen der Wendel sind folgendermaßen festgelegt: Die Länge des Wendeldrahts ist gleich einem bestimmten Bruchteil der Wellenlänge der elektro magnetischen Welle bei der Betriebsfrequenz, z. B. λ/4 oder 5λ/8. Die gewünschte Länge und die Dicke der Antenne legen dabei fest, wie eng die zylindrische Spule gewickelt ist, die die Menge an Draht enthält. Der Anschlußteil, mit dem die Wendel befestigt ist, enthält Mittel, um die Antenne mechanisch und elektrisch mit einem Funkgerät zu verbinden.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Struktur einer Wendelantenne und ein Verfahren zu deren Herstellung. Zuerst erfolgt in Phase I die separate Herstellung eines Anschlußteils 2a und einer Wendel 3a. Als nächstes werden in Phase II der Anschlußteil und die Wendel zum Beispiel mittels Löten miteinander verbunden. In Phase III wird die Wendel dann gestützt, zum Beispiel durch Anordnung eines Trägers 7a innerhalb der Wendel, und in Phase IV erfolgt eine Einkapselung der Wendel in einer äußeren Ummantelung 4a. Alternativ kann nach der Verbindungsphase II eine separate Gummimuffe 4a auf die Struktur geklebt werden, um als äußere Ummantelung zu dienen, die mit dem oberen Teil des Anschlußteils verbunden ist, wie in Phase III' gezeigt. Das Herstellungsverfahren enthält verschiedene Phasen, wobei das Verlöten des Anschlußteils 2a mit der Wendel 3a in Phase II sowie das Verkleben der Gummimuffe 4a in Phase III' besonders kritisch sind. Die Lötverbindung zwischen der Wendel und dem Anschlußteil ist anfällig für Biegung, Stöße und andere mechanische Verformungen.
Die US 5,274,393 beschreibt eine alternative Antenneneinbaumöglichkeit, bei der eine Wendelantenne innerhalb eines zylindrischen Gummigehäuses gesichert wird, indem die Antenne in einen gewindeten Bereich eingeschraubt wird, der innerhalb des Gehäuses oder über einem Kreuzzapfen gebildet ist, der sich quer im Innern des Gehäuses erstreckt. Die EP 0 632 603 beschreibt eine Antenneneinbaumöglichkeit, bei der ein Antennenelement über einen Federteller, der das untere Ende des Antennenelements umgibt, an einem Befestigungsstück flexibel befestigt ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Antennenstruktur und eines Verfahrens zu deren Herstellung, bei der der Wendelteil auf einfache und zuverlässige Weise mit dem Anschlußteil der Antenne befestigt ist, und bei der das durch diese Teile gebildete Ganze durch eine elastische Ummantelung geschützt ist, so daß eine gemäß dem Verfahren hergestellte Antenne mechanisch widerstandsfähig und für ein Mobiltelefon geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird eine Antenne für ein Funkfrequenz-Kommunikationsgerät zur Verfügung gestellt, mit einer Wendel, die aus einem in eine zylindrische Spule gewickelten elastischen Draht gebildet ist, und einem elektrisch und mechanisch mit der Wendel gekoppelten einstückig ausgebildeten Anschlußteil aus leitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anschlußteilseite der Wendel ein Teil ausgebildet ist, der enger gewickelt ist als der Rest der Wendel, wodurch eine Halterungsspule gebildet wird, die mit dem Anschlußteil verbunden ist, und die gegen den Anschlußteil eine Federkraft ausübt, die verhindert, daß der Anschlußteil von der Wendel getrennt wird.
Der Wendelteil wird vorzugsweise unter Verwendung eines elastischen und leitenden Material hergestellt, indem das obere Ende des Anschlußteils derart ausgebildet ist, daß der Wendelteil am Anschlußteil befestigt ist, und zwar mittels einer Kopplung, die die elastische Eigenschaft nutzt, und durch Befestigen eines elastischen schützenden Teils auf dem Wendelteil und dem Anschlußteil mittels Schmelzen.
Der Anschlußteil ist vorzugsweise einstückig aus einem leitfähigen Material gebildet, wobei an der Anschlußteilseite der Wendel ein Teil ausgebildet ist, der enger als der Rest der Wendel gewickelt ist, also eine Halterungsspule, die mit dem Anschlußteil verbunden ist, die eine Federkraft gegen den Anschlußteil ausübt, um zu verhindern, daß der Anschlußteil von der Wendel getrennt wird, und die bei der Funkfrequenz eine verlustarme elektrische Verbindung zwischen dem Wendel- und dem Anschlußteil bildet.
Der Anschlußteil ist vorzugsweise einstückig aus einem leitfähigen Material gebildet, wobei die Anschlußteilseite der Wendel dichter in eine Halterungsspule gewickelt ist als der Rest der Wendel. Wenn die Wendel mit dem Anschlußteil verbunden wird, erfolgt eine elastische Verformung der Halterungsspule, wodurch im Wendelmaterial eine auf den Anschlußteil wirkende Federkraft erzeugt wird, die verhindert, daß der Anschlußteil von der Wendel getrennt wird, und die bei der Funkfrequenz eine verlustarme elektrische Verbindung zwischen dem Wendel- und Anschlußteil bildet.
Wenn die kombinierten Wendel- und Anschlußteile durch eine dielektrische schützende Ummantelung umgeben werden, müssen typischerweise die Teile nicht zusammengeklebt werden. Ferner müssen das Wendelelement und der An schlußteil nicht wie bei bereits bekannten Verfahren in Plastik spritzgegossen werden. Die dielektrische Ummantelung der Struktur kann separat hergestellt werden, und die Antenne wird vorzugweise durch Erhitzung der Metallteile, also des Wendelelements und des Anschlußteils, zusammengebaut, sowie durch Einführen dieser in die dielektrische Ummantelung, wodurch das dielektrische Material mit der heißen Metalloberfläche des Anschlußteils verschmolzen wird.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne und deren Herstellungsverfahren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 zwei alternative bereits bekannte Herstellungsverfahren für eine Wendelantenne;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Wendelantenne gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Wendelantenne gemäß der Erfindung.
In der Zeichnung sind korrespondierende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Damit der Wendelteil als Antenne dienen kann, muß er aus einem leitfähigen Material gebildet sein, vorzugsweise aus Metall. Bezüglich der Antennenfunktion gibt es zwischen verschiedenen Metallen keine großen Unterschiede, so ist zum Beispiel rostfreier Federstahl als Antennenmaterial genauso gut geeignet wie Kupfer und Silber, die bessere elektrische Leitfähigkeitseigenschaften haben. Der Vorteil des Stahls liegt in seiner Elastizität und exzellenten mechanischen Widerstandsfähigkeit. Diese Tatsache ist bereits bekannt, und Stahl wird in der Tat für Wendelantennen verwendet, so daß Biegungen oder andere unsachgemäße Handhabungen der Antenne keine dauerhaften Verformungen der Wendel verursachen. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, kann der Stahldraht zum Beispiel mit Kupfer oder Silber beschichtet sein. Andere mögliche Drahtmaterialien enthalten verschiedene Phosphorbronze-Legierungen, wie etwa CuSn&sub6; und CuBe. Man hat bei der Erfindung festgestellt, daß die Elastizität des Wendelmaterials dazu verwendet werden kann, eine einfache jedoch kräftige und zuverlässige Verbindung zwischen dem Wendelteil und dem Anschlußteil herzustellen.
Gemäß der Erfindung wird kein zur Mitte und nach unten gebogener Fußbereich, wie oben beschrieben, am unteren Ende des Wendelteil gebildet, sondern ein paar Windungen des unteren Teils der Wendelspule derart gewickelt, daß dieser Bereich enger gewickelt ist und einen kleineren Durchmesser als der Rest der Wendelspule aufweist, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Dieser enger gewickelte Bereich wird im folgenden als Halterungsspule 8 bezeichnet. Der Anschlußteil 2 ist aus irgendeinem leitfähigen Material gebildet, vorzugsweise aus Messing, Kupfer oder Aluminium, und sein oberes Ende 9,11 ist derart ausgebildet, daß ein Zusammenfügen mit dem Wendelteil eine Formänderung der Halterungsspule 8 bewirkt, die aufgrund der Elastizität des Wendelmaterial eine Federkraft gegen den Anschlußteil 2 ausübt. Die aufgrund dieser Federkraft erzeugte Reibung ist so groß, daß der Wendelteil fest gegen den Anschlußteil gehalten wird. Darüber hinaus stellt die Federkraft einen guten galvanischen Kontakt zwischen dem Wendelteil und dem Anschlußteil dar sowie einen verlustarmen Signalweg für das über die Antenne gesendete und empfangene RF-Signal. Die Wirkung der Federkraft kann verbessert werden, indem vor dem Zusammenfügen der Teile eine Rille 5 am oberen Ende des Anschlußteils gebildet wird, in die die Halterungsspule oder ein Teil davon einrastet, oder indem ein Teil des oberen Endes des Anschlußteils besonders streng gegen die Halterungsspule gequetscht wird, nachdem die Teile zusammengefügt sind.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das Zusammenfügen des Wendelteils und des Anschlußteils, wie oben beschrieben. In dem Ausführungsbeispiel ist das obere Ende des Anschlußteils 2 als zylindrischer Bolzen 9 ausgebildet, dessen Durchmesser größer als der Innendurchmesser der Haltungsspule ist. Am Fuße des Bolzens ist eine Rille 5 ausgebildet. Der Wendelteil wird an dem Anschlußteil angebracht, so daß die Halterungsspule 8 auf den Bolzen 9 gepreßt wird. Die Halterungsspule weist zwei bis vier eng gewickelte Windungen auf, wobei die unterste der Windungen in die Rille 5 einrastet. Da der Durchmesser des Bolzens 9 größer ist als der ursprüngliche Innendurchmesser der Halterungsspule 8, wird durch das Anbringen die Halterungsspule gedehnt und an der Verbindung eine gegen den Bolzen wirkende Federkraft erzeugt. Die aufgrund der Federkraft erzeugte Reibung wird durch das Einrasten der untersten Windung in die Rille 5 verbessert.
Fig. 3 zeigt ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Darin enthält das obere Ende des Anschlußteils einen zylindrischen Hohlraum 11, dessen Innendurchmesser kleiner oder gleich dem Außendurchmesser der Halterungsspule 8 und dessen Tiefe gleich der Höhe der Halterungsspule 8 ist. Der Wendelteil wird derart in den Anschlußteil eingesetzt, daß die Halterungsspule in das Innere des Hohlraums 11 gedrückt wird. Falls bei normaler Temperatur der Innendurchmesser des Hohlraums kleiner ist als der Außendurchmesser der Halterungsspule, wie in den Phasen I' und II' gezeigt, muß der Anschlußteil bei der Einsetzphase erhitzt werden, wodurch folglich der Durchmesser des Hohlraums vorübergehend vergrößert wird. Mit dem Abkühlen des Anschlußteils wird dieser fest um die Halterungsspule gepreßt. Eine andere Alternative besteht darin, den Durchmesser des Hohlraums 11 gleich oder geringfügig größer auszubilden als den Durchmesser der Halterungsspule, und nach dem Einsetzen den Anschlußteil im Bereich des Hohlraums zu quetschen, so daß eine Crimpverbindung 12 gebildet wird. Dieses Verfahren ist in den Phasen I, II und III gezeigt. Natürlich kann das Quetschen auch verwendet werden, um die mittels Erhitzen in der Phase II' gebildete Anbringung zu sichern. In beiden Fällen bewirkt die durch die Wand des Hohlraums verursachte Preßkraft gegen die Halterungsspule eine Verformung gemäß der Erfindung des elastischen Wendelmaterials. Die resultierende Federkraft wirkt gegen die Wand des Hohlraums und gewährleistet, daß die Anordnung hält. Ferner wird auf ähnliche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine gute RF-Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt.
Bei einer Antenne gemäß der Erfindung ist der zur Antennenstruktur gehörende schützende Teil 4 aus einem nichtleitenden elastischen Material gebildet, vorzugsweise aus Gummi oder einer Plastiklegierung, das zum Spritzgießen oder für ähnliche vorteilhafte Herstellungsverfahren geeignet ist, und das mit einer Metalloberfläche verschmolzen werden kann. Der schützende Teil 4 ist gemäß den Fig. 2 und 3 derart geformt, daß er einen zur Länge des Wendelteils korrespondierenden Hohlraum 10 und möglicherweise einen zylindrischen Mittelbolzen in der Hohlraummitte aufweist. Der schützende Teil wird auf die Wendel und den Anschlußteil aufgesetzt, so daß die Wendel 3 innerhalb des Hohlraums 10 des schützenden Teils verläuft, und der Mittelbolzen 7 in die Wendel 3 gedrückt ist. Der Mittelbolzen verstärkt die Struktur und verhindert, daß die Wendelspule seitlich zusammengedrückt wird, wenn sie einer starken Seitenkraft ausgesetzt ist, zum Beispiel wenn die Antenne in einer Tür eingeklemmt wird. Der Mittelbolzen stellt auch eine elektrische Last für die Antenne dar, die die Betriebsfrequenz der Antenne reduziert, wenn der Mittelbolzen länger wird, oder mit anderen Worten, je weiter der Mittelbolzen in die Wendelspule hineinragt, desto kleiner ist die Betriebsfrequenz. Dieses Phänomen kann zur Feinabstimmung der Antenne verwen det werden, indem die Länge des Mittelbolzens derart eingestellt wird, daß die Antenne bei der optimalen Frequenz arbeitet.
Der schützende Teil wird über eine Schmelzverbindung 14 auf dem Wendel- und Anschlußteil befestigt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Befestigungsverfahrens befindet sich der schützende Teil innerhalb eines externen Formteils, der ihn trägt, wobei das durch den Wendel- und den Anschlußteil gebildete Ganze in den schützenden Teil gedrückt und der Anschlußteil erhitzt wird, wodurch das untere Ende des schützenden Teils schmilzt und mit der Oberfläche des Anschlußteils unterhalb der Wendel-/Anschlußteil-Verbindung befestigt wird. Das Erhitzen des Wendel- und des Anschlußteils kann ebenso vor ihrem Einführen in den schützenden Teil erfolgen. Ebenso muß bei dieser Version des Verfahrens der schützende Teil während des Einführens von außen gestützt werden. Für das Verbinden mittels Schmelzen ist auf dem Anschlußteil eine spezielle Verbindungsoberfläche 13 ausgebildet. Der Schmelzgummi oder das Plastikmaterial darf beim Erhitzen nicht kochen, da die durch das Kochen verursachte Gasbildung die Bildung einer dauerhaften Verbindung verhindert. Ein Gewinde oder eine andere Anordnung am Anschlußteil, wodurch der Anschlußteil mit einem Telefon befestigt wird, verbleibt bei einer fertiggestellten Antenne außerhalb des schützenden Teils.
Die oben beschriebene und durch zwei Ausführungsbeispiele verdeutlichte Antennenstruktur enthält nur drei Teile: einen Anschlußteil, einen Wendelteil und einen schützenden Teil. Alle Teil sind einfach geformt sowie einfach und schnell herzustellen. Der Wendelteil kann aus einem Stahldraht gewickelt, der Anschlußteil aus einem zylindrischen Block gedreht und der schützende Teil spritzgegossen werden. Die mechanischen Toleranzen sind nicht streng, da die mit Feder-, Quetsch- und Schmelzverbindung miteinander befestigten Teile vor dem Verbinden nicht hundertprozentig mechanisch kompatibel sein müssen. Eine typische mechanische Toleranz bei der beschriebenen Antennenstruktur liegt bei 0,1 mm. Man hat herausgefunden, daß eine auf Federkraft basierende Verbindung besser ist als eine herkömmliche Lötverbindung, soweit es die mechanische Widerstandsfähigkeit betrifft, und daß seine Verwendung die arbeitsaufwendige Lötphase im Herstellungsverfahren eliminiert. Darüber hinaus kann der schützende Teil mittels Schmelzen mit dem Anschlußteil befestigt werden, ohne daß man befürchten muß, daß Lötverbindungen brechen.
Ein wesentlicher Teil der Erfindungshöhe bei der Struktur besteht in der Entdeckung, daß eine Kopplung für eine RF-Frequenz nicht mit dem geraden Bereich des Wendelleiters verlötet oder gecrimpt werden muß, sondern daß die Kopplung auf einer Federkraft basieren kann, die verfügbar ist, da der Wendelteil aus anderen Gründen aus einem elastischen Material gebildet ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik besteht kein Notwendigkeit einen geraden Bereich am unteren Ende der Wendel auszubilden.

Claims

1. Antenne für ein Funkfrequenz-Kommunikationsgerät, mit einer Wendel (3), die aus einem in eine zylindrische Spule gewickelten elastischen Draht gebildet ist, und einem elektrisch und mechanisch mit der Wendel (3) gekoppelten einstückig ausgebildeten Anschlußteil (2) aus leitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anschlußteilseite der Wendel (3) ein Teil ausgebildet ist, der enger gewickelt ist als der Rest der Wendel (3), wodurch eine Halterungsspule (8) gebildet wird, die mit dem Anschlußteil (2) verbunden ist, und die gegen den Anschlußteil (2) eine Federkraft ausübt, die verhindert, daß der Anschlußteil (2) von der Wendel (3) getrennt wird.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft bei der Funkfrequenz eine verlustarme elektrische Verbindung zwischen der Wendel (3) und dem Anschlußteil (2) bildet.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, mit einer schützenden Materialschicht (4), die einstückig aus einem elastischen und nicht leitenden Material gebildet ist, das die Wendel (3) ummantelt und durch eine Schmelzverbindung (14) mit dem Anschlußteil (2) verbunden ist.

4. Antenne nach Anspruch 3, bei der der Anschlußteil (2) eine im wesentlichen zylindrische Verbindungsoberfläche (13) aufweist, mit der das schützende Material (4) mittels der Schmelzverbindung (14) befestigt ist.

5. Antenne nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, bei der am Wendelseitenende des Anschlußteils (2) ein im wesentlichen zylindrischer Bolzen (9) ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer als der Innendurchmesser der Halterungsspule (8) ist, wenn diese freiliegend ist, und die Halterungsspule (8) auf den Bolzen (9) paßt und mit der Federkraft gegen diesen drückt.

6. Antenne nach Anspruch 5, bei der der Bolzen (9) eine Rille (5) enthält, in die mindestens eine Windung der Halterungsspule (8) einrastet.

7. Antenne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei der am Wendelseitenende des Anschlußteils (2) ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum (11) ausgebildet ist, in den die Halterungsspule (8) paßt, und der um die Halterungs spule (8) derart gepreßt ist, daß zwischen der Wand des zylindrischen Hohlraums (11) und der Halterungsspule (8) eine Crimpverbindung (12) gebildet ist.

8. Antenne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei der am Wendelseitenende des Anschlußteils (2) ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum (11) ausgebildet ist, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser der Halterungsspule (8) ist, wenn diese freiliegend ist, in den die Halterungsspule (8) paßt, und gegen dessen Wand die Halterungsspule (8) mit der Federkraft von innen drückt.

9. Antenne nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Anschlußteil (2) eine Befestigungsanordnung (15) enthält, mit der die Antenne mechanisch mit einem Funkkommunikationsgerät befestigt wird.

10. Antenne nach Anspruch 9, bei der die Befestigungsanordnung (15) als Schraubengewinde ausgebildet ist.

11. Antenne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Wendel aus einem nichtrostenden auf Federstahl basierenden Draht gebildet ist.

12. Antenne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Wendel aus Phosphorbronze gebildet ist.

13. Antenne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Wendel aus Berylliumkupfer gebildet ist.

14. Verfahren zur Herstellung einer Antenne nach Anspruch 8 oder irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, wenn diese von Anspruch 8 abhängen, mit folgenden Schritten: Erhitzen des Anschlußteils (2), so daß der Innendurchmesser des zylindrischen Hohlraums (11) im wesentlichen vergrößert wird; und anschließendes Einführen der Halterungsspule (8) in den zylindrischen Hohlraum (11).