DE69725896T2

DE69725896T2 - Zweibandantenne

Info

Publication number: DE69725896T2
Application number: DE69725896T
Authority: DE
Inventors: c/o SAMSUNG ELECTRONICS CO. LTD. Dong In HA; Soo Ho SEO; Alexandre Suwon-city GOUDELEV; Konstantin Suwon-city KRYLOV
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-07-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: AU724495B2; CN1260071A; CN1156054C; EP0998767A1; CA2296519A1; AU5413898A; BR9714784A; CA2296519C; IL133940A; RU2183372C2; IL133940A0; KR19990010968A; WO1999004452A1; EP0998767B1; US6054962A; DE69725896D1; JP2001510949A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Antennen und insbesondere eine Zweibandantenne für die Mobilkommunikation.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Mit dem schnellen Fortschritt der Mobilkommunikation erreicht die Kapazität bestehender Systeme ihre Grenzen, und neue Systeme werden bei neuen Frequenzen entwickelt, um die Kapazität zu erhöhen. Die gegenseitige Beziehung zwischen bestehenden und neuen Systemen muss folglich bei der Konstruktion von Geräten der Mobilkommunikation in Betracht gezogen werden. Für Mobilkommunikationsantennen sind der Leistungswirkungsgrad und die wirkungsvolle Nutzung der Frequenz die hauptsächlichen Entwurfsbelange.
In der Praxis ist es in der Republik Korea (Südkorea) erwünscht, das bestehende CDMA- (Code Division Multiple Access) System mit dem neuen PCS- (Personal Communication System) System zu verketten, in den USA das bestehende AMPS- (Advanced Mobile Phone Service) System mit dem PCS-System zu verketten, und in Europa das bestehende GSM (Group Speciale Mobile) System mit dem DCS (Digital Communication System) 1800 Systen zu verketten. Ein "Zweibandsystem" ist im Allgemeinen ein System, das Kommunikation in zwei verschiedenen Systemen in verschiedenen Frequenzbändern, wie z. B in den obigen Beispielen, erlaubt. Es ist wünschenswert, Kommunikationseinrichtungen herzustellen, die in der Lage sind, in Zweibandsystemen zu arbeiten.
Bisher wird jedes Funktelefon-Endgerät in den Zweibandsystemen mit zwei getrennten kleinen Antennen für zwei verschiedene Bänder versehen, was erhöhte Herstellungskosten zur Folge hat. Außerdem ist der Gebrauch von zwei Antennen für diesen Zweck ein Hindernis für die Verkleinerung der Funktelefon-Endgeräte und bringt Unbequemlichkeiten für den Benutzer mit sich. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, eine Zweibandantenne zu entwickeln, die für beide Bänder benutzt werden kann.
US-Patent Nr. 4,509,056 offenbart eine Mehrfrequenzantenne, die eine abgestimmte Hülsen- Drosselspule verwendet. 1 zeigt eine Antenne des in diesem Patent offenbarten Typs. Diese Antenne arbeitet wirkungsvoll in einem System, in dem das Frequenzverhältnis zwischen den Betriebsfrequenzen 1.25 oder höher ist. Der mit der Koaxial-Speiseleitung 2 verbundene Innenleiter 10 und die Hülsendrossel 12i wirken als ein Strahlungselement. Der Speisepunkt der Hülsendrossel 12i ist kurzgeschlossen, und ihr anderes Ende ist offen. Die Längen des Leiters 10 und der Hülsendrossel 12i sind so ausgelegt, dass bei einer gewünschten Frequenz ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Drossel 12i ist teilweise mit dielektrischem Material 16i gefüllt, das so bemessen ist, dass die Drossel eine Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung bildet und eine Kopplung zwischen der Schale 14i und der Verlängerung 10 am offenen Ende der Drossel bei der höchsten Frequenz verhindert. Bei etwas tieferer Betriebsfrequenz wird die Drossel 12i als ein Isolationselement unwirksam, und die ganze Länge P der Struktur von dem Gegengewicht bis zum Ende des Leiters wird bei der tieferen Resonanzfrequenz eine Monopolantenne.
Die Kopplung zwischen dem Leiter 10 und der Hülsendrossel 12i geschieht am offenen Ende der Hülsendrossel 12i. Das heißt, wenn die Länge I = λ/4 ist, wirkt die Drossel als eine hohe Impedanz, wodurch die Kopplung zwischen dem Leiter und der Hülsendrossel 12i minimal ist. Wenn λ/4 ungleich I, wirkt die Drossel als eine niedrige Impedanz, wodurch die Kopplung zwischen dem Leiter 10 und der Drossel 12i höher ist. Die elektrische Länge der Drossel 12i kann durch Ändern der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials 16i eingestellt werden.
Die Konstruktion, die aus dem Innenleiter 10 und dem Außenleiter 14i besteht, wird als koaxiale Übertragungsleitung betrachtet, und ihr Wellenwiderstand wird wie folgt ausgedrückt:
wo ε_r die Dielektrizitätskonstante ist, D der Durchmesser des Außenleiters ist, und d der Durchmesser des Innenleiters ist. Die Eingangsimpedanz zwischen dem Innen- und dem Außenleiter 10, 14i wird durch die folgende Gleichung bezeichnet: Zin = Zc((ZL + jZc tanhγ * I)/(Zc + jZL tanhγ * I)) (2)wo γ = α + jβ, α ein Dämpfungsfaktor ist, β eine Ausbreitungskonstante ist, I die Länge der Übertragungsleitung ist, und Z_L die Lastimpedanz ist.
In der Antenne von 1 sind die Bodenplatte 20 und der Außenleiter 14i strukturell aneinander angrenzend, wodurch parasitische Kapazität erzeugt wird, die den Antennenwirkungsgrad verschlechtert. Um den Antennenwirkungsgrad zu verbessern, kann die parasitische Kapazität verringert werden. Folglich muss in der Konstruktion von 1 der Durchmesser des Außernleiters 14i zu diesem Zweck verringert werden, was letztlich das gleiche ist wie die Verringerung des Wellenwiderstands der Drossel 12i entsprechend der obigen Gleichung (1). Das heißt, eine solche Verringerung im Wellenwiderstand der Drossel 12i gibt Anlass zu einer Änderung im Betrag der Kopplung, was eine Verschlechterung der Antennenleistung zur Folge hat.
Um den Betrag der Kopplung minimal zu beeinflussen und den Wellenwiderstand der Drossel 12i so zu halten wie er vorher war (d. h. von dem Ändern des Durchmessers des Leiters 14i) muss daher der Durchmesser des Innenleiters 10 reduziert werden. Dies hat eine Verringerung der Bandbreite der Antennen zur Folge. Wenn die Antenne in einer solchen Weise hergestellt wird, kann sie daher die für das System erforderliche Frequenzbandbreite nicht zufriedenstellend abdecken.
Da das dielektrische Material eingesetzt wird, um die Größe der Kopplung einzustellen, müssen des Weiteren die Dielektrizitätskonstante und die Abmessung des dielektrischen Materials zur richtigen Kopplung genau ausgewählt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibandantenne mit verbesserter Leistung und Bandbreite durch Minimieren der parasitischen Kapazität zwischen Masse und einem Außenleiter davon bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibandantenne bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau und hohe Leistung aufweist.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibandantenne bereitzustellen, die billig ist und bequem zu verwenden ist.
In einer exemplarischen Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zweibandantenne einen Induktor, ein erstes und zweites stabartiges Strahlungselement, die mit entgegengesetzten Enden des Induktors verbunden sind, und dielektrisches Material, das sowohl den Induktor als auch die Verbindungsteile des ersten und zweiten Strahlungselements an den betreffenden Enden des Induktors umgibt. Ein leitendes Gehäuse, z. B. ein zylindrisches Metallgehäuse, umgibt das Dielektrikum und hält den Induktor und die Verbindungsteile des ersten und zweiten Strahlungslements. Das Gehäuse und das Dielektrikum erzeugen eine Kapazität, sodass ein LC-Resonanzkreis in Verbindung mit dem Induktor gebildet wird. Der LC-Kreis ist so ausgelegt, dass nur ein Strahlungselement bei dem höheren Band des Zweibetriebsbandes strahlt, während beide Strahlungselemente bei dem tieferen Band strahlen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Monopolantenne, die auf zwei Frequenzen arbeitet, nach einer herkömmlichen Ausführung einer Mehrfrequenzantenne, die abgestimmte Hülsendrosseln verwendet.
2 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Zweibandantenne nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist ein Schaltbild, das die Ersatzschaltung der in 1 und 2 gezeigten Antenne veranschaulicht.
4 ist eine graphische Darstellung, die das Stehwellenverhältnis (SWR) einer experimentellen Zweibandantenne nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5 ist ein Smith-Diagramm, das gemessene Ergebnisse für eine Zweibandantenne nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun besonders mit Verweis auf die anliegenden Zeichnungen nur als Beispiel beschrieben. Man sollte beachten, dass die in den begleitenden Zeichnungen verwendeten Verweiszeichen gleiche Bestandteilselemente betreffen.
Auf 2 verweisend wird wird ein Querschnitt einer exemplarischen, erfindungsgemäßen Zweibandantenne gezeigt. Die Antenne umfasst einen Induktor 40, ein erstes und zweites stabförmiges Strahlungselement 32a und 32b, die jeweils mit betreffenden Enden des Induktors 40 verbunden sind, wobei dielektrisches Material 35 den ganzen Induktor und die verbundenen Teile des ersten und zweiten Strahlungselements 32a und 32b an den mit dem Induktor 40 verbundenen betreffenden Enden umgibt. Ein leitendes zylindrisches Halterungsgehäuse 42, z. B. ein zylindrisches Metallgehäuse, fixiert den Induktor 40 an Ort und Stelle und stützt denselben sowie die zugehörigen Verbindungsteile des ersten und zweiten Strahlungselements 32a und 32b. Das Halterungsgehäuse 42 und das Dielektrikum 35 bilden gemeinsam eine kapazitive Struktur, wodurch ein LC-Resonanzkreis in Verbindung mit dem Induktor 40 erzeugt wird.
Das erste und zweite Strahlungselement 32a und 32b sind jeweils mit Rillen 39 versehen, die mit dielektrischem Material 35 gefüllt sind. Dadurch wird eine Lagerstruktur der Strahlungselemente gebildet, da eine gleichmäßige Horizontalkraft von dem zylindrischen Metallgehäuse 42 an das dielektrische Material 35 angelegt wird. Das andere Ende des zweiten Strahlungselements 32b ist mit dem Innenleiter 8 der Koaxial-Speiseleitung 2 verbunden. Der Außenleiter 6 der Koaxialleitung 2 ist mit der Erdplatte 20 verbunden. Die Verweiszeichen 37a und 37b bezeichnen die Verbindungsteile zwischen dem Induktor 40 und dem ersten und zweiten Strahlungslement 32a und 32b. Diese Verbindungen können z. B. Lötverbindungen sein.
3 zeigt ein Schaltbild, das eine Ersatzschaltung aus konzentrierten idealen Elementen für die Antenne von 1 oder 2 veranschaulicht. In der Ersatzschaltung wird die Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Strahlungselement 32a und 32b durch die Kapazität C und die Spule L bezeichnet.
Gemeinsam auf 2 und 3 verweisend kann in der Ausführung der vorliegenden Erfindung der Betrag der Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Strahlungselement 32a und 32b durch den Induktor 40, das dielektrische Material 35 und das zylindrische Metallgehäuse 42 gesteuert werden. Die Gesamtlänge der Antenne wird auf der Basis des ersten und zweiten Strahlungselements 32a, 32b, des Induktors 40 und des Betriebsfrequenzbandes bestimmt. Das heißt, die Gesamtantennenlänge L1 wird als eine Funktion der Wellenlänge des unteren Betriebsfrequenzbandes bestimmt. Im unteren Frequenzband strahlen sowohl das erste als auch das zweite Strahlungselement 32a, 32b elektromagnetische Energie ab. Die physikalische Länge L1 wird vorzugsweise so gewählt, dass die elektrische Länge der Gesamtantenne, die L1 einschließt, z. B. λ/4 oder 5λ/8 bei der Mittenfrequenz des unteren Frequenzbandes beträgt.
Für das höhere Frequenzband strahlt aufgrund der Resonanz des LC-Resonanzkreises nur das untere Strahlungselement 32b. Die Länge L2 des zweiten Strahlungselements 32b wird folglich bevorzugt so gewählt, dass die elektrische Länge des Elements 32b z. B. λ/4 oder 5λ/8 bei der Mittenfrequenz des höheren Frequenzbandes beträgt. Zum Beispiel kann das untere Frequenzband für den Bereich von etwa 824 MHz–894 MHz gedacht sein, und das obere Frequenzband kann für den Bereich von etwa 1,750 MHz–1,870 MHz gedacht sein.
Der Induktor 40, das dielektrische Material 35 und das zylindrische Gehäuse 42, die wie in 2 gezeigt verbunden sind, um den LC-Resonanzkreis von 3 zu bilden, sind bestimmt, in dem höheren Frequenzband eine Resonanz zu erzeugen, um dadurch eine hohe Impedanz bereitzustellen. In dem höheren Frequenzband tritt folglich die Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Strahlungselement 32, 32b nicht auf, und nur das untere Strahlungselement 32b strahlt. Im unteren Frequenzband ist die Auslegung des Induktors 40, des Dielektrikums 35 und des Gehäuses 42 so, dass der LC-Resonanzkreis einen relativ niedrigen Impedanzwert annimmt, und folglich das zweite Strahlungselement 32b mit dem ersten Strahlungselement 32a gekoppelt wird, wodurch sie elektrisch miteinander verbunden werden, um eine Niederfrequenzantenne zu bilden.
4 ist eine graphische Darstellung, die das Stehwellenverhältnis (SWR) einer exemplarischen Zweibandantenne nach der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Die Graphik stellt Versuchswerte dar, die von handgehaltenen Telefon-Endgeräten (Modell Nr. SCH-100) des CDMA-Systems, hergestellt von Samsung Electronics Co. Ltd., erhalten wurden. Am Versuchspunkt Δ1 ist das Stehwellenverhältnis 1.1732 bei 0.8240 GHz. Am Versuchspunkt Δ2 ist das Stehwellenverhältnis 1.2542 bei 0.8940 GHz. Demnach ist leicht zu erkennen, dass Ausführungen der vorliegenden Endung eine gute SWR-Leistung über dem Bereich von 849 MHz–894 MHz zum Senden/Empfangen in einem CDMA-System erzielen können.
5 ist Smith-Diagramm, das die Eingangsimpedanz für eine experimentelle Zweibandantenne, hergestellt nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, veranschaulicht.
Wie oben beschrieben, kann die obige erfinderische Antenne auf Zweibandsysteme, wie z. B. GSM/DECT-, GSM/DCS1800-, AMPS- oder CDMA- (824 MHz–894 MHZ) /PCS-Systeme, angewandt werden. Des Weiteren kann, wenn die Frequenztrennung zwischen den zwei gewünschten Betriebsbändern kein ganzzahliges Vielfaches der 1/4 Wellenlänge ist, eine erfindungsgemäße Antenne trotzdem leicht hergestellt werden, indem die Induktivität des Induktors und/oder die Abmessungen oder Konstanten des dielektrischen Materials verändert werden. Außerdem ist für die oben erwähnte relativ längeren Antennenlänge von 5λ/8 das Strahlungsmuster im Azimut noch isotropisch, während der Antennengewinn zunimmt. Deshalb kann die obige erfinderische Antenne vorteilhaft auf Mobilkommunikationssysteme wie fahrzeugmontierte Telefone angewandt werden. Außerdem ist die vorliegenden Erfindung vorteilhaft, weil die parasitische Kapazität zwischen Erde und dem Außenleiter minimiert werden kann, um so die Antennenleistung zu verbessern. Des Weiteren erlaubt die Konstruktion eine Verringerung des Gewichts und der Antennengröße.

Claims

Zweibandantenne, die umfasst: einen Induktor (40); ein erstes und ein zweites stabförmiges Strahlungselement (32a, 32b), die mit dem ersten bzw. zweiten Ende des Induktors (40) verbunden sind; ein dielektrisches Material (35), das einen Abschnitt des ersten Strahlungselementes (32a), der mit einem Ende des Induktors (40) verbunden ist, den gesamten Induktor (40) und einen Abschnitt des zweiten Strahlungselementes (32b), der mit dem anderen Ende des Induktors (40) verbunden ist, umgibt; und ein leitendes Gehäuse (42), um den Induktor (40) zu befestigen und den Induktor sowie die zugehörigen Abschnitte des ersten und des zweiten Strahlungselementes (32a, 32b) zusammen mit dem dielektrischen Material (35) zu tragen und so eine Kapazität mit dem dielektrischen Material zu bilden, so dass ein LC-Resonanzkreis ausgebildet wird.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das leitende Gehäuse ein zylindrisches Metallgehäuse umfasst.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das andere Ende des zweiten Strahlungselementes mit einem inneren Leiter einer Koaxial-Speiseleitung verbunden ist, die einen äußeren Leiter aufweist, der mit einer Erdplatte verbunden ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Strahlungselement jeweils mit Nuten versehen sind, die mit dem dielektrischen Material gefüllt sind, um eine Tragestruktur für das erste und das zweite Strahlungselement durch das leitende Gehäuse zu bilden.
Antenne nach Anspruch 4, wobei das andere Ende des zweiten Strahlungselementes mit einem inneren Leiter einer Koaxial-Speiseleitung verbunden ist, die einen äußeren Leiter aufweist, der mit einer Erdplatte verbunden ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das leitende Gehäuse und das dielektrische Material eine Kapazität bilden, der Induktor und die Kapazität einen LC-Resonanzkreis bilden, der eine hohe Impedanz innerhalb eines Hochfrequenzbandes des Zweifachbandes und eine niedrige Impedanz innerhalb eines Niederfrequenzbandes des Zweifachbandes erzeugt, wobei lediglich eines der Strahlungselemente innerhalb des Hochfrequenzbandes strahlt und beide Strahlungselemente innerhalb des Hochfrequenzbandes strahlen.
Antenne nach Anspruch 6, wobei das Niederfrequenzband ein Standard-CDMA-Band ist und das Hochfrequenzband ein Standard-PCS-Band ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die einander gegenüberliegenden Enden des Induktors jeweils an einem entsprechenden Verbindungsabschnitt des ersten oder des zweiten Strahlungselementes angelötet sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne in einem bestimmten Frequenzband als eine Antenne mit einer Länge arbeitet, die so lang ist wie das zweite Strahlungselement, und in einem relativ niedrigeren Frequenzband als eine Antenne mit einer Länge, die das erste und das zweite Strahlungselement kombiniert.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Strahlungselement jeweils mit bestimmten Nuten versehen sind, die mit dem dielektrischen Material gefüllt sind, um eine Tragestruktur für das erste und das zweite Strahlungselement durch Ausüben einer gleichmäßigen horizontalen Kraft von dem leitenden Trageelement auf das dielektrische Material zu bilden.
Antenne nach Anspruch 10, wobei die Antenne in einem bestimmten Frequenzband als eine Antenne mit einer Länge arbeitet, die so lang ist wie das zweite Strahlungselement, und in einem relativ niedrigeren Frequenzband als eine Antenne mit einer Länge, die das erste und das zweite Strahlungselement kombiniert.
Antenne nach Anspruch 11, wobei das niedrigere Frequenzband ein Bereich von 824 MHz bis 894 MHz ist und das relativ höhere Frequenzband ein Bereich von 1750 MHz bis 1870 MHz ist.
Antenne nach Anspruch 11, wobei die Antenne eine Länge von ¼ einer Wellenlänge einer Mittenfrequenz des entsprechenden Frequenzbandes hat.
Antenne nach Anspruch 11, wobei das andere Ende des zweiten Strahlungselementes mit einem inneren Leiter einer Koaxial-Speiseleitung verbunden ist, die einen äußeren Leiter aufweist, der mit einer Erdplatte verbunden ist.
Antenne nach Anspruch 11, wobei die Antenne eine Länge von 5/8 einer Wellenlänge einer Mittenfrequenz des entsprechenden Frequenzbandes hat.
Antenne nach Anspruch 15, wobei das niedrigere Frequenzband in einem Bereich von 824 MHz bis 894 MHz liegt und das vergleichsweise höhere Frequenzband in einem Bereich von 1,750 MHz bis 1,870 MHz liegt.