-
Diese
Erfindung betrifft eine Antennenstruktur für einen Funk-Sender-Empfänger.
-
Mobiltelephone,
die in Zellennetzen betrieben werden, werden rasch zu dem wichtigsten
Mittel für
persönliche
Kommunikationen, das verwendet wird, um Sprache, Faxnachrichten
und Daten in elektronischer Form über Kommunikationsnetze von
einem Benutzer zum anderen zu übertragen.
Ein derartiges Mobiltelephon wird im Folgenden als ein Beispiel
eines Funkgeräts
verwendet, für
das eine Antenne verwendet werden kann.
-
Zellentelephonsysteme
werden in verschiedenen Teilen der Welt verwendet, in denen Betriebsfrequenzbereiche
beträchtlich
voneinander abweichen. Bei den digitalen Zellentelephonsystemen
liegen die Betriebsfrequenzen des GSM-Systems (Groupe Speciale Mobile)
bei 900 MHz, des JDC (Japanisches Digitales Zellensystem) in den
Bereichen von 800 und 1500 MHz, des PCN (Persönliches Kommunikationsnetz)
im Bereich von 1800 MHz und des PCS (Persönliches Kommunikationssystem)
im Bereich von 1900 MHz.
-
Die
Mobiltelephone, die für
diese Systeme vorgesehen sind, verwenden im Allgemeinen einfache
Antennen mit zylindrischen Spulen, d. h. Spiralantennen oder aus
geradlinigen Leitern gebildete Stabantennen auf Grund ihrer geringen
Herstellungskosten und der verhältnismäßig großen elektrischen Leistungsfähigkeit.
Die Resonanzfrequenz der Antenne ist durch ihre elektrische Länge definiert,
die ein bestimmter Teil der Wellenlänge der verwendeten Funkfrequenz
sein muss. Die elektrische Länge
einer Spiralantenne, die bei Mobilfunkfrequenzen verwendet wird,
beträgt
vorzugsweise z. B. 3λ/4,
5λ/4 oder λ/4, wobei λ die verwendete
Wellenlänge
ist. Dementsprechend ist die elektrische Länge einer Stabantenne vorzugsweise
z. B. λ/2,
5λ/8, 3λ/8 oder λ/4. Es sind
außerdem
Lösungen
bekannt, bei denen der Stababschnitt und der Spiralabschnitt alternativ
an den Antennenanschluss des Funkgeräts angeschlossen werden können, und
es sind Stab-Spiral-Reihenverbindungen bekannt, die teilweise in
das Telephon geschoben werden können
(z. B. Patentveröffentlichung
WO 92/16980). Das Ziel dieser Lösungen
besteht im Allgemeinen darin, die Antenne möglichst klein zu machen, wenn
sie in der Aufbewahrungs- und Transportposition ist, jedoch derart,
dass sie bei Bedarf für
eine bessere Verbindung herausgezogen werden kann.
-
Da
die Resonanzfrequenz der Antenne des Standes der Technik von der
Wellenlänge
in der oben beschriebenen Weise abhängt, kann eine Antenne lediglich
in einem Mobiltelephon, das für
das Zellentelephonsystem eines Frequenzbereichs vorgesehen ist,
verwendet werden. Es ist jedoch in einigen Fällen vorzuziehen, dass ein
und dasselbe Telephon auch in einem anderen Frequenzbereich verwendet
werden kann. In diesen Fällen
wird zusätzlich
zu weiteren geeigneten HF-Abschnitten eine brauchbare Antennenlösung benötigt.
-
Die
einfachste Lösung
würde darin
bestehen, das Telephon mit wenigstens zwei separaten auswechselbaren
Antennen zu versehen, wovon der Benutzer die Antenne einsetzen könnte, die
dem Frequenzbereich des Systems entspricht, das er momentan verwendet.
Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die benötigte Auswechselantenne zu
diesem Zeitpunkt nicht auffindbar ist. Ein ständiger Wechsel von Antennen
belastet außerdem
den Antennenstecker und kann im Laufe der Zeit Kontaktstörungen bewirken.
Eine weitere Alternative besteht darin, wenigstens zwei feststehende
unterschiedlich dimensionierte Antennen an unterschiedlichen Punkten
des Telephons anzubringen, von denen der Benutzer unter Verwendung
eines Schalters die Antenne auswählt,
die dem Frequenzbereich des momentan verwendeten Systems entspricht.
Das vergrößert die Anzahl
der Teile des Telephons und demzufolge die Herstellungskosten.
-
Das
US-Patent Nr. 4.442.438 offenbart eine Antennenstruktur, die bei
zwei Frequenzen in Resonanz gerät
und im Wesentlichen gemäß 1 zwei Spiralen
HX1 und HX2 und ein Stabelement P1 umfasst. Die Spiralen HX1 und
HX2 sind nacheinander in Richtung der Symmetrieachse der Struktur
installiert und ihre benachbarten Enden A1 und A2 bilden den Speisepunkt
der zusammengesetzten Struktur. Das Stabelement P1 befindet sich
teilweise in der oberen Spirale HX1 und erstreckt sich geringfügig nach
außen,
wobei sich sein Speisepunkt A3 an seinem unteren Ende befindet.
HF-Signale werden durch einen Koaxialleiter KX, die mit der Symmetrieachse
der Struktur übereinstimmt,
zu diesem Speisepunkt A3 geleitet, wobei der Koaxialleiter durch
die untere Spirale HX2 verläuft.
Der Speisepunkt A3 des Stabelements ist mit dem unteren Ende A1
der oberen Spirale verbunden und die untere Spirale ist an ihrem
oberen Ende A2 mit dem leitenden und geerdeten Schirm des Koaxialleiters
KX verbunden. Die erste Resonanzfrequenz der Struktur ist die Resonanzfrequenz
der kombinierten Struktur, die aus den Spiralen HX1 und HX2 gebildet
ist und beträgt
in der beispielhaften Ausführungsform
827 MHz. Die zweite Resonanzfrequenz der Struktur ist die gemeinsame Resonanzfrequenz
der oberen Spirale HX1 und des Stabelements P1 und beträgt in der
beispielhaften Ausführungsform
850 MHz. Die Spirale HX1 und das Stabelement P1 sind so dimensioniert,
dass sie im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenzen besitzen.
-
Die
in dem US-Patent offenbarte Struktur ist verhältnismäßig komplex und die physikalische
Länge in
der Richtung der Symmetrieachse ist die Summe der physikalischen
Längen
der unteren Spirale HX2 und des Stabelements P1. Der schwierigste Punkt
der Struktur aus der Sicht der Herstellungstechnik ist die Speisepunktanordnung
in der Mitte der Antenne, an dem das untere Ende A3 des Stabelements
und das untere Ende A1 der oberen Spirale galvanisch verbunden sein
müssen,
und die untere Spirale muss an ihrem oberen Ende A2 mit dem Schirm
des Koaxialleiters, der das Stabelement speist, verbunden sein.
Der Unterschied zwischen den beiden Resonanzwerten, die durch die
Verwendung der Struktur erhalten werden, ist gemäß dem in dem Patent offenbarten
Material klein, da die obere Spirale HX1 und das Stabelement P1
so dimensioniert sein müssen,
dass sie im Wesentlichen die gleichen Resonanzfrequenzen besitzen,
die Struktur kann demzufolge in Telephonen implementiert sein, die
z. B. auf den GSM- und PCN-Frequenzen arbeiten. Der Beschreibungsabschnitt
des Patents schlägt deshalb
als Aufgabe der Erfindung vor, dass der Resonanzfrequenzbereich
der Mobiltelephonantenne so erweitert werden sollte, dass er besser
wäre, den gesamten
Frequenzbereich in einem Zellentelephonsystem zu versorgen. Es wäre schwierig,
die Struktur bei mehr als zwei Resonanzfrequenzen anzuwenden.
-
In
einer europäischen
Patentanmeldung, die als EP-A-650 215 veröffentlicht wurde, ist die Antennenkonstruktion
um eine ausziehbare Peitschenantenne mit einem Koaxial-Impedanzanpassungselement
an seiner Basis gebaut. Eine Ausführungsform der Struktur umfasst
ein Spulenantennenelement am oberen Ende des Koaxial-Impedanzanpassungselements,
wobei ein Kondensator vorhanden ist, um die Peitschenantenne mit
dem Spulenantennenelement zu koppeln.
-
Eine
eigene, frühere
europäische
Patentanmeldung des Anmelders, die als EP-A-593 185 veröffentlicht
wurde, offenbart die Verwendung von zwei koaxial angeordneten Spiralantennen,
um das einzige nützliche
Frequenzband der Antennenanordnung zu erweitern. Die Beschreibung
bezieht sich auf das eingeschränkte
schmale Frequenzband einer einzelnen Spirale im Vergleich z. B.
zu der Duplex-Trennung von bestimmten digitalen Zellensystemen.
Verschiedene Variationen zum allgemeinen Thema Doppelspirale sind
gezeigt.
-
Die
kennzeichnenden Merkmale einer Antenne gemäß der Erfindung sind in dem
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführt. Gemäß einem Aspekt der hier beschriebenen
Erfindung kann eine Antennenstruktur geschaffen werden, die wenigstens
zwei diskrete Resonanzelemente umfasst. Ein erstes Element, das
vorzugsweise ein geradliniger Leiter, d. h. ein Stabelement ist,
kann teilweise oder vollständig
innerhalb eines zweiten Elements, das vorzugsweise ein Zylinderspulenleiter,
d. h. ein schraubenlinienförmiges
Element ist, angeordnet sein. Indem um die Struktur eine dritte
Antenne hinzugefügt
wird, die vorzugsweise ein Zylinderspulenleiter ist, dessen Innendurchmesser
größer als
der Außendurchmesser
des ersten Antennenelements ist, kann eine dritte Resonanzfrequenz
erreicht werden. Die Speisung der in Resonanz schwingenden Antennenelemente
kann von einem gemeinsamen Punkt bewirkt werden oder alle Elemente
können
ihre eigenen Speisepunkte umfassen.
-
Beispielhafte
Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
eine Antenne schaffen, die für
Funkkommunikationen, insbesondere für Mobiltelephone geeignet ist
und die wenigstens zwei diskrete Resonanzfrequenzbereiche umfasst.
Die Ausführungsformen
können
außerdem
eine Antennenstruktur schaffen, deren Resonanzfrequenzen beim Entwerfen
der Antenne frei gewählt
werden können.
Die Ausführungsformen
können
ferner eine Mobiltelephonantenne mit wenigstens zwei Frequenzen
schaffen, deren Struktur einfach und zuverlässig sein kann und die für eine Massenproduktion
gut geeignet ist. Weitere Ausführungsformen
können
eine kleine Größe besitzen
und wenigstens eine Zweifrequenz-Antenne sein.
-
Die
Antennenstruktur gemäß der Erfindung kann
ein erstes Antennenelement und ein zweites Antennenelement, das
ein Zylinderspulenleiter ist, umfassen und kann dadurch gekennzeichnet
sein, dass
das erste Antennenelement einen Abschnitt umfasst, der
sich in dem Zylinderspulenleiter befindet, und
die Resonanzfrequenz
des ersten Antennenelements sich von der Reso nanzfrequenz des zweiten Antennenelements
unterscheidet.
-
Im
Verlauf der Entwicklungsarbeiten, die die Schaffung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
zur Folge hatten, wurde festgestellt, dass eine Stabantenne in einer
Spiralantenne angeordnet werden kann, ohne dass die Antennen ihre
Funktionsweise gegenseitig beträchtlich
stören,
wenn sie mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen dimensioniert
sind. Die Resonanzfrequenz der Spiralantenne, die ein Teil der kombinierten
Struktur darstellt, kann etwas kleiner sein als die Resonanzfrequenz
einer diskreten Spiralantenne mit entsprechenden Abmessungen. Dementsprechend
kann die Resonanzfrequenz der Stabantenne, die ein Teil der kombinierten Struktur
ist, etwas kleiner sein als die einer diskreten Stabantenne mit
entsprechenden Abmessungen. Durch das Dimensionieren der Teile der
Antennenstruktur in der nachfolgend beschriebenen Weise, können die
Resonanzfrequenzen so angepasst werden, dass der erste Resonanzfrequenzbereich
der kombinierten Struktur vorzugsweise im Betriebsfrequenzbereich
eines Zellenmobiltelephonsystems liegt, ein zweiter Resonanzfrequenzbereich
vorzugsweise im Betriebsfrequenzbereich eines weiteren Zellenmobiltelephonsystems
liegt und möglicherweise
ein dritter Resonanzfrequenzbereich vorzugsweise im Betriebsfrequenzbereich
eines dritten Zellenmobiltelephonsystems liegt.
-
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben, wovon:
-
1 eine
bekannte Antennenstruktur mit zwei Resonanzfrequenzen schematisch
darstellt;
-
2 eine
Antennenstruktur gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
-
3 das
Verhalten eines berechneten S-Parameters S11 der
Antenne gemäß der Ausführungsform
von 2 als Funktion der Frequenz graphisch darstellt;
-
4 eine
weitere Antennenstruktur gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
-
5 ein
Querschnitt einer Ausführungsform
der Antennenstruktur gemäß der Erfindung
ist; und
-
6 eine
dritte Antennenstruktur gemäß der Erfindung
schematisch darstellt.
-
In
Verbindung mit der Beschreibung des Standes der Technik erfolgte
oben eine Bezugnahme auf 1.
-
2 stellt
eine Antennenstruktur dar, die ein Spiralelement HX3 und ein Stabelement
P2 umfasst, die aus leitendem Material hergestellt sind und in Bezug
auf die in der Figur dargestellten Betriebsposition an ihren unteren
Enden mit dem gemeinsamen Speisepunkt A4 verbunden sind. Die elektrische Länge des
Spiralelements HX3 entspricht in einer an sich bekannten Weise einem
Bruchteil der Wellenlänge
einer Betriebsfrequenz der Struktur und seine physikalische Länge in der
Richtung der Symmetrieachse, d. h. in Richtung der Längsachse
der Struktur hängt
hauptsächlich
davon ab, wie eng sie gewickelt ist, d. h. wie groß die Schraubensteigung
der Spirale ist. Die elektrische Länge des Stabelements P2, die im
Wesentlichen gleich ihrer physikalischen Länge ist, entspricht in einer
an sich bekannten Weise einem Bruchteil der Wellenlänge einer
weiteren Betriebsfrequenz der Struktur und ist vorzugsweise größer als
die Länge
des Spiralelements HX3 in der Richtung der Symmetrieachse, wodurch
es sich teilweise außerhalb
des Spiralelements HX3 an dessen in Bezug auf die Betriebsposition
oberen Ende erstreckt. Das ist nicht notwendigerweise der Fall,
da Berechnungen bewiesen haben, dass ein Stabelement, dass sich
vollständig
innerhalb eines Spiralelements befindet, zufrieden stellend als
Antenne funktioniert; eine Ausführungsform
ist ansonsten ähnlich der
Ausführungsform
von 2 mit der Ausnahme, dass das Stabelement P2 lediglich
den Teil P2a innerhalb der Spirale umfasst. Die Masseebene GND, die
aus leitendem Material hergestellt ist, umhüllt den Speisepunkt A4.
-
Die
Funktionsweise der Antennenstruktur wurde durch eine Simulationssoftware
analysiert, deshalb wurde daraus ein Computermodell erstellt. In
dem Modell ist das Stabelement P2 ein geradliniger Leiter und das
Spiralelement HX3 enthält
miteinander verbundene aufeinander folgende geradlinige Leiterabschnitte,
wobei für
jede Wicklung der Spirale 16 Abschnitte vorhanden sind. Der S-Parameter
S11, der in einer Simulation einer erfindungsgemäßen Antenne
berechnet wurde und die HF-Leistung darstellt, die vom Antennenanschluss
zu der sie speisenden Schaltung zurück reflektiert wird, ist in 3 als
eine Funktion der Frequenz graphisch dargestellt. Gemäß den Dimensionie rungsbeispielen,
die bei dieser Simulation verwendet wurden, beträgt die Resonanzfrequenz des
Stabelements P2, das als ein Teil der Antennenstruktur funktioniert,
1,9 GHz und seine Eingangsimpedanz ist geringfügig kleiner als 50 Ω. Das Schwellenverhältnis (VSWR),
das berechnet wurde, ist besser als 2 : 1 und Reflexionsverluste
sind geringer als –10
dB bei einem Frequenzband, dessen Breite 16% der Nennfrequenz beträgt.
-
Dementsprechend
besitzt das Spiralelement HX3 gemäß Berechnungen, die mit den
selben Messwerten ausgeführt
wurden, als Teil der kombinierten Antennenstruktur eine Resonanzfrequenz von
910 MHz. Seine Eingangsimpedanz ist verhältnismäßig klein, deshalb wird bei
Berechnungen ein Verhältnis
von 8 : 1 als Schwellenverhältnis
erreicht. Eine Bandbreite der halben Leistung, d. h. 3 dB beträgt etwa
13%. Die Reflexionsverluste des Spiralelements HX3 sind wesentlich
größer als
die des Stabelements P2, Verluste können jedoch bei Bedarf verringert
und die Eingangsimpedanz kann vergrößert werden, indem Anpassungsschaltungen
verwendet werden, die eine HF-Technik enthalten, die einem Fachmann
bekannt ist.
-
Außerdem sind
Berechnungsanalysen verwendet worden, um die Wirkung der Antennenelemente
HX3, P2 auf die Strahlungsmuster des jeweils anderen Elements zu
untersuchen. Berechnungen geben an, dass sich die Strahlungsmuster
in Bezug auf die Strahlungsmuster diskreter Antennen nicht wesentlich ändern. Das
Vorhandensein des Stabelements P2 verringert möglicherweise das Strahlungsmuster
des Spiralelements HX3 in der entgegengesetzten Richtung zum Speisepunkt
A4 geringfügig, jedoch
nicht beträchtlich.
Bei dem Strahlungsmuster des Stabelements P2 kann keine wesentliche Änderung
wahrgenommen werden.
-
4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Antennenstruktur,
bei der sowohl das Spiralelement HX4 als auch das Stabelement P3
ihre entsprechenden Speisepunkte besitzen. Der Speisepunkt A5 des
Stabelements ist vorzugsweise an der Symmetrieachse der Struktur
angeordnet, weil dann das Stabelement P3 nicht gebogen werden muss.
Der Speisepunkt A6 des Spiralelements ist vorzugsweise so angeordnet,
dass der Spiraldraht in Bezug auf die in der Figur gezeigte Betriebsposition
vom Umfang der untersten Wicklung direkt zur Masseebene GND gebogen
ist, wobei der Speisepunkt A6 an dem Punkt gebildet ist, an dem der
Spiraldraht auf die Masseebene trifft. Bei dieser Ausführungsform
ist es besonders einfach, eine separate optimierte Anpassungsschaltung
für beide
Antennenelemente aufzubauen.
-
Wenn
eine Antenne mit drei Resonanzfrequenzbereichen oder -bändern hergestellt
werden soll, die in Mobiltelephonen z. B. des GSM-Frequenzbereichs
(900 MHz), des höheren
JDC-Frequenzbereichs (1500 MHz) oder des PCS-Frequenzbereichs (1900
MHz) verwendet werden kann, kann der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Antennenstruktur
ein drittes Antennenelement zugefügt werden, das vorzugsweise
ein Zylinderspulenleiter, z. B. eine Spirale HX5 ist. Sein Innendurchmesser
ist vorzugsweise größer als
der Außendurchmesser
des ersten Spiralelements HX4, wodurch es um das kleinere Spiralelement
gemäß 6 passt.
Bei der Antenne mit drei Antennenelementen können die Speisepunkte die gleichen
sein oder jedes Antennenelement P3, HX4, HX5 kann einen entsprechenden
Speisepunkt A5, A6, A7 umfassen, wie in 6 gezeigt
ist. Der Durchmesser des dritten Antennenelements kann außerdem die
selbe Größe besitzen
wie das erste Antennenelement, wodurch die Spiralelemente in Richtung
der Längsachse
der Struktur nacheinander angeordnet werden oder sie werden ineinander
gewunden.
-
Die
leitenden Abschnitte einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur, d. h.
das Stabelement P2; P3 und die Spiralelemente HX3; HX4; HX5 können vorzugsweise
aus Edelstahldraht, Phosphorbronzedraht, Berylliumkupferdraht oder
aus einem anderen bekannten leitenden Material hergestellt sein.
Das Stabelement kann aus einem geradlinigen Draht auf eine geeignete
Länge geschnitten
sein und falls es den Abschnitt P2b umfasst, der sich außerhalb
des Spiralelements HX3; HX4; HX5 befindet, kann dieser Abschnitt
gebogen sein, um Platz zu sparen. Das Spiralelement bzw. die Spiralelemente
können
vorzugsweise durch Wickeln hergestellt sein. Um die leitenden Eigenschaften
zu verbessern, können
das Stabelement und/oder die Spiralelemente mit Gold, Silber und
einem weiteren Material, das gut leitet, beschichtet sein. Wenn
die erfindungsgemäße Antenne in
dem Mobiltelephon angebracht wird, kann die Masseebene, die in den
Figuren mit dem Bezugszeichen GND bezeichnet ist, die Masseebene
des Telephons sein.
-
Die
Verwendungsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Antennenstruktur
als eine Mobiltelephonantenne kann verbessert werden, wenn sie außer dem Speisepunkt
A4 und möglicherweise
dem Verbindungsabschnitt L1, der die Anten nenstruktur mit dem Körper RD
des Funkgeräts
verbindet, mit einer dielektrischen Schutzbeschichtung S1 gemäß 5 in der
gleichen Weise wie Mobiltelephonantennen des Standes der Technik
beschichtet wird. Die Schutzbeschichtung S1 ist vorzugsweise aus
einem bekannten elastischen Material, das für die Massenproduktion von
Antennen gut geeignet ist, wie etwa ein Spritzguss-Kunststoff oder
eine Gummimischung.
-
Wenn
das Stabelement P2, P3 in der Richtung der Längsachse der Antennenstruktur
länger
ist als das Spiralelement HX3, HX4, HX5, kann es in ähnlicher
Weise wie bei Lösungen
des Standes der Technik mit einem Teleskopaufbau versehen sein. Das
schafft den Vorteil, dass in Gebieten, in denen Datenkommunikationssysteme,
die auf der Resonanzfrequenz des Spiralelements HX3, HX4, HX5 basieren,
die einzigen Systeme sind, die verwendet werden, die äußeren Abmessungen
der Funkgeräte, die
erfindungsgemäße Antennen
verwenden, kleiner gemacht werden können. In diesem Fall stört das Stabelement
die Funktion des Spiralelements als Antenne nicht, selbst wenn sich
das Stabelement innerhalb des Spiralelements befindet. Die gesamte
Antennenstruktur kann außerdem
mit einem Gleitmechanismus versehen sein, durch den sie in das Gehäuse des
Mobiltelephons teilweise eingeschoben oder aus diesem herausgezogen
werden kann, um bei Bedarf Platz zu sparen.
-
Eine
Antennenstruktur gemäß der Erfindung kann
bei Funkkommunikationen verwendet werden, bei denen zwei unterschiedliche
Frequenzbereiche verwendet werden, vorzugsweise bei Funkfrequenzen,
wie etwa UHF und VHF. Die Resonanzfrequenzen hängen lediglich von den Abmessungen
der verschiedenen Abschnitte der Antenne ab, so dass sie während der
Entwicklungs- und Fertigungsstufen verhältnismäßig frei gewählt werden
können.
Da die Antennenstruktur in einer bevorzugten Ausführungsform
lediglich zwei Teile sowie möglicherweise
ein Verbindungsteil, um sie an dem Funkgerät zu befestigen, und möglicherweise
eine Schutzabdeckung umfasst, ist ihr Aufbau sehr einfach, wobei
sie für eine
Massenproduktion gut geeignet ist. Die Anordnung der Antennenelemente
ineinander macht die Struktur klein z. B. im Vergleich zu der Struktur,
die im US-Patent Nr. 4.442.438 dargestellt ist und oben in Verbindung
mit dem Stand der Technik behandelt wurde, wodurch sie für moderne
kleine Mobiltelephone sehr gut geeignet ist.