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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Leckwellen-Hohlleiterstrahler mit Erdungsplatten, im speziellen
eine Antenne von geringer Größe mit Erdungsplatten,
die durch Oberflächenmontage
(surface mounting technology, SMT) installiert werden kann.
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Verborgene Antennen erlangen durch
die weltverbreitete Verwendung von Mobiltelefonen größere Aufmerksamkeit.
Da verborgene Antennen von geringer Größe sind, können sie durch Oberflächenmontage
in einen HF-Schaltung eingebaut werden, wodurch sie deren Genauigkeit
erhöhen
und somit die Qualität
des Mobiltelefons verbessern.
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In einer herkömmlichen verborgenen Antenne
wird ein Stück
eines Metallstreifen verwendet. 1 zeigt
eine Patch-Antenne, wobei das Substrat 11 auf der Erdungsplatte 12 und
das Metallstück 13 am
Mittelpunkt der oberen Oberfläche
des Substrats 11 angebracht ist. Signale können über die
Zuleitung 14 in die Antenne eingespeist werden. Eine solche Anordnung
wird in vielen aktiven Antennen verwendet.
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2 zeigt
ein andere Art von Patch-Antenne. Der Unterschied zwischen 2 und 1 ist, dass die Zuleitung 15 aus 2 entlang der oberen Oberfläche des
Substrats 11 und nach unten entlang der Kante durch eine
Durchkontaktierung im Substrat ausgedehnt ist. Eine solche Anordnung
wird für
eine Antenne mit Oberflächenmontage
verwendet.
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3 zeigt
eine weitere, andere Art einer herkömmlichen Patch-Antenne, die ähnlich der
in 1 gezeigten Patch-Antenne
ist. Der Hauptunterschied ist, dass die Signale über eine Sonde oder eine Koaxialleitung
in die Patch-Antenne eingespeist werden. Es ist offensichtlich,
dass zur Verbindung einer solchen Art von Antenne mit anderen Mikrowellenschaltkreisen
die SMT-Technik nicht geeignet ist, da eine Koaxialleitung ein Mikrowellenverbindungsstück benötigt, um
mit einem externen Koaxialkabel verbunden zu werden.
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Gemäß früherer Forschungsergebnisse
ist die Resonanzfrequenz der Metallstreifenantenne umgekehrt proportional
zu
(wobei ε
r die
relative Dielektrizitätskonstante
ist).
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Aufgrund dieser Einschränkung sind
normalerweise für
die in 1 bis 3 dargestellten miniaturisierten
Metallstreifenantennen dielektrische Materialien mit einer relativen
Dielektrizitätskonstante von über 20 nötig. Zudem
ist bekannt, dass eine eingeschränkte
Abmessung der Erdungsplatte die Leistung der Metallstreifenantenne
extrem beeinflusst. Daher sollten die Abmessungen der Erdungsplatte größer sein
als die des Metallstücks,
damit der Metallstreifen korrekt arbeiten kann.
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Außerdem kann eine verborgene
dielektrische Antenne in einer gängigen
integrierten Schaltung verwendet werden, indem das Resonanzphänomen der
dielektrischen Materialien ausgenutzt und Energie über einen
Metallstreifen an einen mittleren Resonator oder eine Schlitzleitung
gekoppelt wird. In dieser Art von dielektrischen Antennen werden
jedoch normalerweise dielektrische Materialien mit hoher relativer
Dielektrizitätskonstante
ausgewählt,
da ihre Größe ebenfalls
umgekehrt proportionell zu
ist.
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Man betrachte das in 4(a) dargestellte, vereinfachte Modell
einer monopolen Antenne: die Länge
der monopolen Antenne 42 auf dem Gehäuse des Mobiltelefons beträgt ein Viertel
der Länge
der Freiraum-Wellenlänge. 4(b) zeigt ein vereinfachtes
Modell einer ebenfalls in Mobiltelefonen verwendeten Helix-Antenne.
Die komplette Länge
dieser Art von Helix-Antenne 43 entspricht ziemlich genau
der Freiraum-Wellenlänge λ0,
weswegen es offensichtlich ist, dass beide Antennenarten nicht zur
Verwendung als verborgene Antennen in Mobiltelefonen geeignet sind.
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Außerdem benutzen diese beiden
Antennenarten ihr Gehäuse
als Erdungsplatte. Das Ausmaß der
Erdungsplatten ist immer groß,
etwa 2 λ0
2 in allgemeinen
Konstruktionen (λ0 ist die Freiraum-Wellenlänge). Die
Außmaße der Erdungsplatten
der Antennen werden immer kleiner, da die Mobiltelefone kleiner
gestaltet werden, was dazu führt,
dass die Leistung der Antennen beeinträchtigt wird.
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US-A-4.949.094 enthüllte eine
Richtantenne mit passiven Strahlern zur Verwendung an einer Übertragungs-/Empfangsantenne,
die eine zylindrische, dielektrische Halterung aufweist, die eine Mehrzahl
an leitenden, ringförmigen,
entlang der Halterung ange brachten Parasitärbauteilen besitzt. Die Halterung
hat eine verlängerte,
hohle Struktur mit geschlossenen Enden und die Parasitärbauteile
sind aus einem leitfähigen
Film ausgebildet, der an der äußeren Oberfläche der
Halterung angebracht ist.
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US
5.818.398 schlägt
eine Antenne des Oberflächenmontagetyps
vor, die einen hohen Gewinn liefert, der unabhängig von ihrer Ausrichtung
ist. Das Dokument schlägt
die Verwendung einer Antenne des Oberflächenmontagetyps vor, die ein
dielektrisches Substrat und einen Leiter umfasst, der auf der Oberfläche oder
im dielektrischen Substrat spiralförmig gewunden liegt. Zudem
ist zumindest ein Spannungsversorgungspunkt zur Verwendung als Spannungslieferant
für den
Leiter auf der Oberfläche
des dielektrischen Substrats angebracht.
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Angesichts des oben Erwähnten beschreibt die
vorliegende Erfindung eine speziell entworfene Miniaturantenne,
die eine geführte
Welle und einen schnelle Leckwelle benutzt, die in einem aufgehängten Metallstreifen
nebeneinander existieren. Die entsprechenden Modalströme und das
querelektrische Feld (magnetische Feld) der geführten Welle und der schnellen
Leckwelle sind sich in der Nachbarschaft des Metallstreifens sehr ähnlich.
Daher kann eine Antenne mit Erdungsplatten gemäß des Resonanzphänomens der
schnellen Leckwelle entworfen werden.
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Diese Antenne umfasst einen Leckwellen-Hohlleiterstrahler
sowie eine vielschichtige und durchbohrte Erdungsvorrichtung, wobei
der Leckwellen-Hohlleiterstrahler aus einem dielektrischen, quaderförmigen Substrat
und einem aufgehängten
Metallstreifen besteht, der mit der Oberfläche des quaderförmigen Substrats
zusammenhängt.
Die Form des zusammenhängenden
Metallstreifens wird basierend auf dem benötigten Strahlungsfeldmuster
bestimmt, und der zusammenhängende
Metallstreifen ist zusammengedrängt
(d. h. eingeschlossen) innerhalb eines kleinen Bereichs oder Gebiets
der Oberfläche
des dielektrischen Substrats. Signale werden in ein Ende des Metallstreifens
eingespeist und das andere Ende des Metallstreifens ist offen.
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Die Erdungsvorrichtung ist unter
dem Leckwellen-Hohlleiterstrahler angebracht. Die Erdungsvorrichtung
ist quaderförmig
und mit einer Vielzahl an Durchkontaktierungen ausgestattet, wobei
die Durchkontaktierungen von rechteckiger und/oder runder Form sind,
d. h. die Durchkontaktierungen haben wenigstens eine der folgenden
Formen: (a) recht eckig und (b) rund, und wobei die Anzahl und Größe der rechteckigen
und/oder runden Durchkontaktierungen gemäß eines Erdungsbereichs, der
zur Bereitstellung einer gewünschten
oder vorbestimmten Strukturstärke
benötigt
wird, bestimmt werden.
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Da der Metallstreifen in einem kleinen
Bereich der Oberfläche
des dielektrischen Substrats eingeschlossen ist, während die
Erdungsvorrichtung einen beträchtlichen
Bereich zum Erden in einem begrenzten Raum liefert, kann die Größe der Antenne substanziell
verkleinert werden. Außerdem
kann diese Antenne direkt in Leiterplatten (PCB) mit Hilfe der Oberflächenmontage
installiert werden. Im Besonderen benötigt die Antenne gemäß der vorliegenden
Erfindung keine dielektrischen Materialien mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante;
dielektrische Materialien mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
zwischen 2 und 5 sind geeignet.
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1 zeigt
eine Art einer konventionellen Patch-Antenne;
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2 zeigt
eine andere Art einer konventionellen Patch-Antenne, wobei Signale
durch die Durchkontaktierung eingespeist werden;
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3 zeigt
eine, weitere andere Art einer konventionellen Patch-Antenne, wobei
Signale durch eine Sonde oder eine Koaxialleitung eingespeist werden;
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4(a) stellt
ein vereinfachtes Modell einer monopolen Antenne in einem konventionellen
Mobiltelefon dar;
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4(b) stellt
ein anderes vereinfachtes Modell einer Helix-Antenne in einem konventionellen Mobiltelefon
dar;
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5(a) ist
eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines idealen aufgehängten Mikrostreifens
zeigt;
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5(b) zeigt
die Fortpflanzungskonstanten der geführten Welle und der schnellen
Leckwelle;
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6(a) zeigt
die Verteilungen des Quermodalstroms der geführten Welle und der schnellen Leckwelle;
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6(b) zeigt
die Verteilungen des Längsmodalstroms
der geführten
Welle und der schnellen Leckwelle;
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7 stellt
in querverlaufender Richtung die Verteilungen der elektrischen Felder
der Leckwelle an verschiedenen Positionen (Höhen) des aufgehängten Mikrostreifens
dar;
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8 zeigt
den idealen Aufbau des aufgehängten
Metallstreifens;
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9(a) stellt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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9(b) stellt
eine vergrößerte Teilansicht von 9(a) dar;
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9(c) ist
ein Schaltbild von 9(a);
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10(a) stellt
den Fall dar, in dem die Antenne gemäß der obigen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf einer begrenzten Platine installiert
ist;
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10(b) zeigt
den Teil der begrenzten Platine, der der Antenne gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entspricht;
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11 ist
ein Ersatzstromkreis der Antenne gemäß der obigen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 stellt
die gemessenen Ergebnisse des einportigen Smith-Diagramms gemäß der obigen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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13 stellt
die gemessenen Ergebnisse des einportigen Streuungsparameters gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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14(a) zeigt
die Stromverteilungen auf einer Seite des Metallstreifens gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei der Resonanzfrequenz von 260 MHz;
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14(b) zeigt
die Stromverteilungen auf der gegenüberliegenden Seite des Mikrostreifens
gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei der Resonanzfrequenz von 260 MHz;
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15 zeigt
das gemessene Strahlungsfeldmuster der Y-Z-Ebene der Antenne gemäß der obigen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei der Resonanzfrequenz von 260 MHz;
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5(a) zeigt
eine Querschnittsansicht des idealen Aufbaus des aufgehängten Mikrostreifens
mit den folgenden Maßen:
x1 = 300 mm; b = 421.6 mm, w = 1,6 mm, h
= 0,762 mm; εr1 = 1,0, εr2 = 2,1 bzw. εr3 =
1,0. 5(b) stellt die
beiden zuvor beschriebenen Wellenmodi des Metallstreifens unter
der Annahme dar, dass alle metallischen Leiter des Metallstreifens in 5(a) eine unendliche Leitfähigkeit
besitzen. Mit anderen Worten: ym = βm – j*0 = βm und
y1 = β1 – j*α1,
wobei ym und y1 die
Fortpflanzungskonstanten der geführten
Welle bzw. der Leckwelle beschreiben; βm und β1 die
Phasenkonstanten der geführten
Welle bzw. der Leckwelle beschreiben; α1 die
Dämpfungskonstante
der Leckwelle beschreibt. Man merke, dass die Freiraum-Leckwelle
normalisierte Phasenkonstanten (β1/k0) kleiner als
1 besitzt.
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Die Quer- und Längsstromverteilungen sind in
den 6(a) bzw. 6(b) dargestellt. Deren
Modalströme
in Quer- und Längsrichtung
des Metallstreifens sind relativ ähnlich. Mit anderen Worten: wird
eine Welle angeregt, wird die andere Welle ebenfalls angeregt.
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Außerdem sind ihre Verteilungen
der elektrischen Felder in der Nähe
des Metallstreifens ebenfalls ähnlich. 7 zeigt die Verteilungen
der elektrischen Felder der Leckwelle in der Querebene an verschiedenen
Positionen des aufgehängten
Metallstreifens, wobei die Parameter folgende Werte haben: (1) xb1 = 299 mm, xt1 =
303 mm, (2) xb2 = 408 mm, xt2 = 412
mm, (3) xb3 = 677 mm, xt3 =
681 mm, y1 = 208,3 mm, y2 =
213,3 mm. In 7 kann
man erkennen, dass die Dämpfungskonstante
der Leckwelle nicht gleich null ist, was zu einer ungünstigen
aber realistischen Lösung
mit wachsenden Querfeldern führt.
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Ein detaillierte Analyse zeigt, dass
die beiden Wellen gegenseitig gekoppelt sind. Mit anderen Worten
sind beide Integrationen über
den Querschnitt des Hohlleiters ∫E(m)x H*
(1)ds
und ∫E -
(1)xHH -
*
(m)ds
ungleich null, wobei E -
(m) und EE -
(1) das
elektrische Feld der geführten
Welle bzw. der Leckwelle darstellen; H -
(m) und H -
(1) das magnetische Feld der geführten Welle
bzw. der Leckwelle darstellen. Mit anderen Worten: wird eine geführte Welle
angeregt, wird die Energie während
ihrer Fortpflanzung teilweise in eine Leckwelle umgewandelt. Dann
strahlt die Leckwelle während
ihrer Fortpflanzung die Energie in den freien Raum ab. Im Gegensatz
dazu wandelt eine Leckwelle während
ihrer Fortpflanzung Energie teilweise in eine geführte Welle
um.
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Wie in 8 gezeigt,
besteht der ideale Aufbau des aufgehängten Metallstreifens aus einer
Metallleitung 81, einem dielektrischen Substrat 82,
einem mit Luft gefüllten
Gebiet 83 und einer Erdungsplatte 84. Der Raum über der
Metallleitung 81 ist ebenfalls mit Luft gefüllt.
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Die Antenne der vorliegenden Erfindung
ist gemäß dem obigen
Prinzip und dem idealen Aufbau des aufgehängten Metallstreifens entworfen.
Sie umfasst einen Leckwellen-Hohlleiterstrahler
und eine Erdungsvorrichtung, die mit einer Vielzahl von Durchkontaktierungen
ausgestattet ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 9(a) dargestellt,
wobei A den Leckwellen-Hohlleiterstrahler und B die Erdungsvorrichtung
kennzeichnet. Zusätzlich
ist das dielektrische Material des Leckwellen-Hohlleiterstrahlers
in A entfernt, um die Schaltung des Leckwellen-Hohlleiterstrahlers
deutlich zu zeigen. Außerdem wird
angenommen, dass die Richtungen der X-Achse, der Y-Achse und der
Z-Achse des dreidimensionalen Raums die Länge, Breite bzw. Höhe der Antenne
darstellen. 9(b) ist
die vergrößerte Teilansicht von 9(a).
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In 8 entspricht
das mit Luft gefüllte
Gebiet 83, das zwischen dem dielektrischen Substrat und
der Erdungsplatte ausgebildet ist, dem mit Luft gefüllten Gebiet
C aus 9. Die Struktur
des mit Luft gefüllten
Gebiets C wird mit Hilfe von Grab- und Gießtechniken hergestellt.
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In 9(b) ist
der Leckwellen-Hohlleiterstrahler A aus einem quaderförmigen,
dielektrischen Substrat zusammengesetzt, und die Metallstreifen A1,
A2, A3, ... umgeben die Oberfläche
des quaderförmigen,
dielektrischen Substrats zur Ausbildung eines helixförmigen Metallstreifens.
Ein Ende dieses helixförmigen
Metallstreifens ist zur Ausbildung einer Leerlaufschaltung offen,
was für
die Resonanz benötigt
wird. Das andere Ende 51 wird zur Eingabe/Ausgabe von Signalen
verwendet. Diese Art von Leckwellen-Hohlleiterstrahler kann mit Hilfe von PCB-Technik
oder durch die Kombination von Gieß- und Ätztechiken hergestellt werden.
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Man erkennt, mit Verweis auf 9(b), dass die Erdungsvorrichtung
B mit einer Vielzahl von Durchkontaktierungen ausgestattet ist.
Diese Durchkontaktierungen werden in zwei Kategorien aufgeteilt:
(a) Durchkontaktierungen der ersten Art, 1–4, die eine rechteckige Form
besitzen, und (b) Durchkontaktierungen der zweiten Art, B10–B17, die
eine runde Form besitzen. Die Erdungsfläche wird durch die Existenz
dieser Durchkontaktierungen dramatisch erhöht. Ein solcher Aufbau kann
durch die Verwendung der PCB-Technik oder durch die Verwendung einer
Kombination aus Gieß-
und Überzugstechniken
erreicht werden.
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In 9(b) dehnt
sich der Mikrostreifen A0 entlang der Oberfläche des dielektrischen Quaders bis
zum Ende 51 aus, eine Eingabe/Ausgabe eines koplanaren
Wellenleiters wird durch die Kombination des Endes 51 und
der Erdungsenden 55 und 57 der vielschichtigen
und durchbohrten Erdungsvorrichtung B ausgebildet.
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10(a) illustriert
ein Beispiel, bei dem die Antenne 101 der vorliegenden
Erfindung in einer begrenzten Platine 103 installiert ist.
Die Antenne ist, mit Verweis auf 10(b),
mit der begrenzten Platine verbunden, in der die Eingabe-/Ausgabepunkte 61, 65 und 67 des
koplanaren Wellenleiters ausgebildet sind, wobei Anschlusspunkt 61 das
Signal-Eingabe-/Ausgabeende
ist, die Anschlusspunkte 65 und 67 Erdungspunkte
sind. Mit Hilfe von SMT sind die Anschlusspunkte 51, 55 und 57 mit
den Anschlusspunkten 61, 65 bzw. 67 verbunden,
und die vielschichtige und durchbohrte Erdungsvorrichtung ist mit
der Erdungsplatte 105 der begrenzten Platine 103 über eine
Vielzahl an Durchkontaktierungen 69 in der begrenzten Platine 103 und
dem metallischen Teil 70 verbunden.
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9(c) ist
das Schaltbild von 9(a).
Die Parameter haben, mit Verweis auf 9(c),
gemäß der obigen
Ausführungsform
folgende Werte:
- (1) Breite und Intervall des
Metallstreifens sind 0,39 × 10–3 λ0 bzw.
0,17 × 10–3 λ0.
Mit anderen Worten: w = 0,39 × 10–3 λ0;
s = 0,17 × 10–3 λ0.
- (2) die Länge
des quaderförmigen
Dielektrikums 10 beträgt
etwa 0,039 λ0, wobei d = 0,032 λ0; g
= 7,0 × 10–3 λ0.
- (3) Breite und Höhe
des quaderförmigen
Dielektrikums 10 betragen etwa 4,3 × 10–3 λ0 und
1,47 × 10–3 λ0 .
Mit anderen Worten: f = 4,3 × 10–3 λ0;
e = 1,47 × 10–3 λ0.
- (4) εr = 3,25.
- (5) die Anzahl an Windungen der Helix beträgt N = 57.
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Basierend auf den obigen Parametern
ist das Volumen der Antenne etwa 0,25 × 10–6 λ0
3; die durchschnittliche Länge beträgt etwa
0,63 × 10–2 λ0.
Somit kann eine Miniaturantennenschaltung erreicht werden.
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Zudem ist die Länge der Helix in etwa: 5,8 × 10–3 λ0 × 57 × 2 + 0,17 × 10–3 λ0 × 57 = 0,667 λ0.
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Die gesamte Fläche der Helix ist in etwa: 0,667 λ0 × 3,9 × 3,9 × 10–4 λ0 =
260 × 10–6 λ0
2.
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Tritt in dem Metallstreifen das Resonanzphänomen auf, ähnelt die
Stromstärke
dem Verlauf einer Kosinus-Funktion zwischen Radiant 0 und π/2, was unten
illustriert wird. Die Fläche,
die von einer ¼-Periode
einer Kosinus-Funktion ausgebildet wird, ist 2/π, so dass die durchschnittliche,
effektive Fläche der
Helix des Metallstreifens ist: 260 × 10–6 λ0
2 × π/2 = 166 × 10–6 λ0
2.
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Es kann angenommen werden, dass die
Ladung auf der effektiven Fläche
166 × 10–6 λ0
2 des Metallstreifens gleichmäßig verteilt
ist.
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Es wird geschätzt, dass die Erdungsplatte der
Erdungsvorrichtung eine Fläche
von etwa 90,6 × 10–6 λ0
2 besitzt. Während das Resonanzphänomen auftritt,
fließen
die positiven Ladungen Q (die Menge der Ladung) in das Eingabeende 51,
fließen über das Ende
A0 in den helixförmigen
Metallstreifen und füllen
dann die metallische Oberfläche
des Metallstreifens auf. Gleichzeitig fließt ein Teil der negativen Ladung –Q in die
Erdungsenden 55 und 57 und füllt alle metallischen Oberflächen der
Erdungsvorrichtung auf. Ein weiterer Teil der negativen Ladung –Q fließt in die
Erdungsenden 65 und 67 der begrenzten Schaltung
und seine Erdungsplatte 105. Daher halten der helixförmige Metallstreifen,
die Erdungsvorrichtung und der Teil nahe des Erdungsendes zusammen
das Ladungsgleichgewicht. Es ist offensichtlich, dass die Fläche der
Erde für
die Antenne der vorliegenden Erfindung ausreicht, obwohl sie viel
weniger Platz beansprucht als die konventionelle Antenne des Mobiltelefons.
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Außerdem werden für die Antenne
der vorliegenden Erfindung keine dielektrischen Materialien mit
hoher Dielektrizitätskonstante
benötigt.
Konkret bedeutet das, dass ein dielektrisches Material mit einer
Dielektrizitätskonstante εr zwischen
2 und 5 verwendet werden kann.
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Die wichtige Rolle, die die schnelle
Leckwelle in der Antenne der vorliegenden Erfindung spielt, kann
durch die folgende Beschreibung erkannt werden.
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Gemäß den Theorien von Mikrowellenschaltungen,
kann, falls das offene Ende einer Übertragungsleitung, die eine
einzelne Welle unterstützt,
keinen Randflächeneffekt
hat (komplett offen ist), eine Resonanzschaltung audgebildet werden,
wenn die Frequenzen ein ungerades Vielfaches der Frequenz sind,
die ¼ λg entspricht
(λg: die Übertragungsleitungswellenlänge der
einzelne Welle). Die Resonanzgleichung, die zur ersten Resonanzfrequenz
gehört,
lautet: I = ¼ × λ0/β = ¼ λg, (1)wobei 1 die
Länge des
Metallstreifens, β die
normalisierte Phasenkonstante bezeichnet und k0 die
Wellenzahl im luftleeren Raum ist.
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Die äquivalente Schaltung der Antenne,
die ein offenes Ende 31, einen aufgehängten Metallstreifen 32,
eine Erde 33 und eine Spannungsquelle 34 umfasst,
ist in 11 dargestellt.
Basierend auf den obigen Theorien über Mikrowellenschaltungen
beträgt
die Länge
des Metallstreifens 32 ¼ λg, falls 11 die Resonanzschaltung,
die zur ersten Resonanzfrequenz gehört, darstellt.
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Basierend auf obiger Parameterauslegung kann
die erste Resonanzfrequenz von 260 MHz mit Hilfe der Theorie über die
dreidimensionalen elektromagnetischen Feldern von Doppelwegwellen
hergeleitet werden. Andererseits können durch die Messung des
einportigen S11 Parameters (Streuungsparameter)
der mit obiger Parameterauslegung konstruierten Antenne das Smith-Diagramm
und das Reflexionskoeffizientendiagramm des entsprechenden Eingabeendes
erhalten werden, wie in den 12 bzw. 13 gezeigt.
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In 12 wird
der Vektoranalysator zum Abtasten von 240 MHz bis 300 MHz verwendet.
Benutzt man ein Smith-Diagramm, startet die Kurve in einem Punkt
in der Umgebung des Endes ganz rechts, das einem Leerlauf entspricht,
läuft im
Uhrzeigersinn zu einem Punkt nahe dem Ende ganz links, das einem Kurzschluss
entspricht, und hält
dann an einem Punkt, der 300 MHz entspricht und sich im rechten, oberen
Teil des Smith-Diagramms befindet. Durch eine detaillierte Analyse
wird erkannt, dass die Frequenz, die dem Punkt entspricht, der sich
am nächsten
zum Kurzschlussende des Smith-Diagramms befindet, die Arbeitsfrequenz
von 259 MHz ist, was einer Phase von 180° entspricht. Die Frequenz von
259 MHz ist das gemessene Ergebnis der ersten Resonanzfrequenz und
unterscheidet sich vom theoretischen Wert 260 MHz nur um 1 MHz.
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Die erste Resonanzfrequenz kann zudem wie
im Folgenden beschrieben überprüft werden:
Mit Verweis auf 13 hat
der Parameter S11 den geringsten Wert von
etwa –2,8
dB während
des Auftretens des Resonanzphänomens
bei 259 MHz, was einer Phase von 180° entspricht. Der Reflexionskoeffizient
S11 (in dB) des Eingabeendes des in 11 dargestellten Resonators
mit einer Länge
von ¼ der Wellelänge (¼ λg)
muss negativ sein und der Phase von 180° entsprechen. Der absolute Wert
von S11 ist weniger als 1 (< 0 dB), da die schnelle
Leckwelle Energie in den freien Raum abgibt.
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Somit ist der Wert von β = 0,375,
wenn, in Beziehung auf die erste Resonanzfrequenz, die Länge l des
Metallstreifens in Gleichung (1) durch 0,667 λ0 ersetzt
wird. Die Phasengeschwindigkeit der Leckwelle, die diesem Wert von β entspricht,
ist: c/β = 2,66c (2)wobei c die
Lichtgeschwindigkeit ist. Gleichung (2) zeigt, dass die Phasengeschwindigkeit
dieser Leckwelle 2,66 mal höher
ist als die Lichtgeschwindigkeit. Daher ist diese Leckwelle eine
schnelle Welle.
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Des weiteren können Stromverteilungen auf einer
Seite und der gegenüberliegenden
Seite des Metallstreifens (dargestellt in Teil A von 9(a)) beim Auftreten des
Resonanzphänomens
bei einer Frequenz von 260 MHz mit Hilfe der Theorie über die dreidimensionalen
elektromagnetischen Feldern von Doppelwegwellen hergeleitet werden.
Mit Verweis auf die 14(a) und 14(b) lässt sich zeigen, dass die Stromstärke am Eingabeende
des Metallstreifens am größten ist,
und die Stromstärke
entlang der X-Richtung
in 9(a) schrittweise
abnimmt. Die Richtung der Stromstärke ändert sich jedoch nicht. Der
Strom fließt
in Richtung des offenen Endes (der Kante des Resonators) und seine
Stärke
wird am offenen Ende null. Mit anderen Worten: die Stärke des Modalstroms
im Metallstreifen ist ähnlich
dem Verlauf einer Kosinus-Funktion zwischen den Radianten 0 und π/2. Daher
kann eine solche Resonanz gemäß der obigen
Analyse nur durch die Leckwelle erreicht werden.
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Zusammengefasst kann man sehen, dass die Übertragung
der Antenne der vorliegenden Erfindung hauptsächlich auf der schnellen Leckwelle
beruht.
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15 zeigt
das gemessene Strahlungsfeldmuster gemäß obiger Ausführungsform
der Antenne in der Y-Z-Ebene bei einer Resonanzfrequenz von 260
MHz, wobei der Winkel θ den
Winkel repräsentiert,
der zwischen der Z-Achse und der Linie, die von einem bestimmten
Punkt zum Ursprung verläuft, liegt.
Wie in 15 deutlich zu
sehen ist, ist das Strahlungsfeldmuster gleich dem der monopolen
Antenne auf einer unendlichen, ebenen Erdgungsplatte, obwohl der
Gewinn viel größer ist.
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Das oben Beschriebene ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch
nicht durch die Ausführungsform
beschränkt.
Beispielsweise ist mit Verweis auf den in 9(b) dargestellten Aufbau der Antenne
die Region zwischen dem Metallstreifen des Leckwellen-Hohlleiterstrahlers
und der Oberfläche
der vielschichtigen und durchbohrten Erdungsvorrichtung eigentlich
mit Luft gefüllt.
Dies ist ähnlich
dem in 8 dargestellten
mit Luft gefüllten
Gebiet 83. Daher ist das mit Luft gefüllte Gebiet C nicht unerläßlich. Demgemäß gibt es
eine weitere Art von Antenne ohne dem mit Luft gefüllten Gebiet
C. In diesem Fall sind die dielektrischen Materialien des Leckwellen-Hohlleiterstrahlers
A und der Erdungsvorrichtung B direkt und ohne mit Luft gefülltem Gebiet
miteinander verbunden.
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Der Metallstreifen besitzt nicht
ausschließlich
die Form einer Helix. Metallstreifen mit unterschiedlichen Formen,
die auf der benötigten
Form des Strahlungsfeldmusters basieren, können in einem Leckwellen-Hohlleiterstrahler
verwendet werden. Beispielsweise kann der Metallstreifen aus einer Vielzahl
von parallelen, geschlossenen Kreisen bestehen, und das Verfahren
zur Anordnung ist ähnlich dem
der obigen Ausführungsform.
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Außerdem kann die Antenne der
vorliegenden Erfindung eine Speiseleitung zur direkten Eingabe/Ausgabe
des Signals verwenden. In diesem Fall bildet die entsprechende Position
des begrenzten Substrats auch die direkten Eingabe-/Ausgabepunkte
aus. Dabei wird das Ende des Metallstreifens des Leckwellen-Hohlleiterstrahlers,
das zur Eingabe und Ausgabe verwendet wird, mit Hilfe der SMT-Technik direkt
mit den entsprechenden Eingabe/Ausgabepunkte der begrenzten Platine
verbunden.
