DE69928732T2

DE69928732T2 - Rahmenantenne

Info

Publication number: DE69928732T2
Application number: DE69928732T
Authority: DE
Inventors: Roger Hill; J. Philip CONNOR; J. Robert COX
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Pendragon Wireless LLC
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: EP0985246A1; TW410488B; KR20010013068A; US6104354A; DE69928732D1; WO1999050931A1; CN1262795A; CN1139145C; ES2255241T3; EP0985246B1; JP2002500852A; GB9806488D0

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Funkgerät und insbesondere aber nicht ausschließlich auf ein physikalisch kleines Gerät mit einer Rahmenantenne, beispielsweise auf einen Pager. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Rahmenantenne.
Stand der Technik
Die Verwendung von Rahmenantennen in Pagern ist bekannt und typischerweise ist die Antenne ein in eine gewünschte Form gebogener Metallstreifen, wobei zwischen den Enden der Schleife zum Abstimmen der Antenne ein variabler Kondensator vorgesehen ist. Da es die Absicht ist, dass Pager wenig Geld kostende Produkte sind, werden die Kosten der Elemente möglichst minimiert und preisgünstige Kondensatoren haben den Nachteil, dass sie im Allgemeinen bei den relevanten Frequenzen verlustbehaftet sind und eine schlechte Temperaturleistung haben können. Weiterhin hat die Verwendung eines einzigen variablen Kondensators zum Abstimmen der Antenne über einen großen Frequenzbereich den Nachteil, dass die Abstimmung kritisch ist.
Ein Beispiel einer Rahmenantenne ist in den "Patent Abstracts of Japan" Heft 9, Nr. 27, (E-294) und in JP 5917280A (Nippon Denki K. K.) 29. September 1984 beschrieben, wobei die Antenne eine erste und eine zweite Schleife aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind und orthogonal zueinander sind, und mit einem variablen Kondensator versehen sind, der parallel zu der ersten und der zweiten Schleife vorgesehen ist. Abstimmung erfolgt über den variablen Kondensator.
Beschreibung der Erfindung
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine relativ effiziente kleine Antenne zu schaffen, und zwar unter Verwendung preisgünstiger Schaltungselemente, und die sich relativ einfach abstimmen lässt.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rahmenantenne geschaffen, die im Allgemeinen eine längliche Schleife aufweist, bestehend aus einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter, die durch einen ersten und einen zweiten elektrisch leitenden Endteil miteinander verbunden sind, wobei ein Abgriff den ersten und den zweiten Leiter miteinander verbindet, und zwar in der Nähe von aber getrennt von dem zweiten Endteil und mit einer variablen Kapazität in dem genannten Abgriff, gekennzeichnet durch eine Festwertkapazität zum Ermitteln der Abstimmung der Antenne und mit einem höheren Q-Wert als die variable Kapazität, und einverleibt in den ersten Endteil.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkgerät mit einer Rahmenantenne nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen.
Durch Verwendung eines Festwertkondensators und einer davon entfernt liegenden variablen Kapazität wird die Abstimmung der Antenne durch die Festwertkapazität überherrscht, die einen höheren Q-Wert hat als die variable Kapazität, wodurch einen begrenzten Abstimmbereich geschaffen wird, wodurch es ermöglicht wird, dass die Antenne auf eine weniger kritische Art und Weise von der variablen Kapazität abgestimmt werden kann, die dann ein preisgünstiges Element sein kann. Die Wahl der Stelle des Abgriffes wird unter Berücksichtigung der Kriterien selektiert, dass eine Verlagerung des Abgriffs in Richtung der Festwertkapazität den Abstimmbereich vergrößert, aber auch die Verluste steigern lässt und dass eine Verlagerung des Abgriffs in Richtung des zweiten Endteils den Abstimmbereich abnehmen lässt, aber zu einer größeren Effizienz führt.
Die variable Kapazität kann einen mechanisch regelbaren Kondensator umfassen oder eine elektrisch regelbare Kapazität, wie einen Varaktor. Während eine elektrisch regelbare Kapazität es ermöglicht, dass die Antenne auf verschiedene Frequenzen abgestimmt werden kann, sind Bauteile wie Varaktors verlustbehaftete Anordnungen. Dem Verlusteffekt kann dadurch begegnet werden, dass der elektrische Abstimmbereich in der Rahmenantenne minimiert wird und dass ein anderer Abgriff vorgesehen wird, und zwar grenzend an aber in einem Abstand von dem erst genannten Abgriff, mit einem mechanisch regelbaren Kondensator mit einem ausreichenden Abstimmbereich um Schwankungen der Schwingfrequenz, verursacht durch Herstellungstoleranzen, zu korrigieren.
In den zweiten Endteil der Antenne kann ein hochwertiger DC-Sperrkondensator einverleibt sein und Verbindungen mit einer den Varaktor vorspannenden Spannungsquelle sind mit den beiden Seiten des Sperrkondensators verbunden.
Eine bequeme Art und Weise der Herstellung der Rahmenantenne ist eine elektrisch leitende Spur auf einem isolierenden Substrat. Wenn es sich herausgestellt hat, dass Verluste in dem Substrat unakzeptierbar sind, kann auf der gegenüber liegenden Seite des Substrats eine zweite Schleife vorgesehen werden, wobei diese zweite Schleife eine Festwertkapazität nicht aber einen Abgriff aufweist. Randeffekten, die Verluste erzeugen, können durch gegenseitige Verbindung der Schleifen durch das Substrat hindurch begegnet werden, damit eine Struktur der Art eines Faraday-Käfigs geschaffen wird, wobei in der Struktur kein E0Feld erzeugt wird.
Der Rahmenantenne kann im Allgemeinen flach sein und eine bequeme Art und Weise der Kopplung der Antenne mit HF-Elementen auf einer Printplatte, wobei Verluste durch Printplattenmaterial vermieden werden, ist die Verwendung einer magnetischen Schleifenkopplung mit Hilfe einer auf der Printplatte vorgesehenen Schleife, die an die Rahmenantenne grenzt, aber in einem Abstand davon liegt.
In einer Ausführungsform der Rahmenantenne, die eine direkte Kopplung mit den HF-Bauteilen auf der Printplatte ermöglicht, haben der erste Endteil mit der Festwertkapazität und dem ersten und zweiten Leiter eine Struktur, die sich im Wesentlichen orthogonal zu dem zweiten Endteil erstreckt, der gedruckte elektrisch leitende Spuren auf einer Printplatte mit den HF-Bauelementen aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Funkgerät mit einer Rahmenantenne, die einen ersten und einen zweiten, im Wesentlichen koextensiven elektrischen Leiter mit einem entsprechenden ersten und zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende des ersten Leiters und das zweite Ende des zweiten Leiters der HF-Schaltung des Geräts Ausgangssignale liefern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Funkgeräts nach der vorliegenden Erfindung,
2 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Rahmenantenne zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Funkgerät,
3 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Rahmenantenne zur Verwendung in dem Funkgerät nach 1,
4 eine Darstellung, welche die Kopplung einer Rahmenantenne mit einer Printplatte zeigt, wobei eine magnetische Schleifenkopplung angewandt wird,
5 eine vergrößerte Darstellung des umkreisten Teils aus 2,
6 und 7 eine Darstellung mit Doppelschleifenanordnungen, wobei die in den 2 bzw. 3 dargestellten Rahmenantennen benutzt werden,
8 eine Darstellung, die eine dritte Ausführungsform einer Rahmenantenne zeigt, und
9 eine Darstellung einer aus einer Übertragungsleitung hergestellten Rahmenantenne.
In der Zeichnung sind zum Bezeichnen übereinstimmte Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet worden.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 umfasst das Funkgerät einen Pager 10 mit einer Rahmenantenne 12, die mit Hilfe einer zweiten Schleife 14 mit der auf einer Printplatte 16 vorgesehenen Schaltungsanordnung induktiv gekoppelt ist. Die Einzelheiten der HF-Schaltung und des Decoders sind zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht relevant und werden folglich nicht beschrieben.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der Rahmenantenne 12, die eine selbst tragende Metallschleife oder eine leitende Spur auf einem isolierenden Substrat sein kann.
Die Rahmenantenne 12 hat im Allgemeinen eine längliche Form aber die genaue Form ist abhängig von der Form des Funkgeräts. Die Antenne 12 hat einen ersten und einen zweiten Endteil 18, 20, die durch einen ersten und einen zweiten Leiter 22, 24 miteinander verbunden sind. Ein Chipkondensator 26 ist in den ersten Endteil 18 einverleibt und dient zum Bestimmen des Abstimmbereichs der Antenne 12. Ein elektrisch leitender Abgriff 28 verbindet den ersten und den zweiten Leiter 22, 24 miteinander, die grenzen an aber in einem Abstand liegen von dem zweiten Endteil 20. In den Abgriff 28 ist ein mechanisch regelbarer Kondensator 30 einverleibt, um die Antenne 12 fein abzustimmen. Der Kondensator 26 hat einen höheren Q-Wert, um wenigstens eine Größenordnung 10 höher, als der regelbare Kondensator 30. Der Chip-Kondensator 26 kann beispielsweise ein Glas- oder Keramikkondensator sein.
Die Stelle des Abgriffs 28 wird empirisch bestimmt, und zwar unter Berücksichtigung einer Anzahl Faktoren. Je näher der Abgriff 28 bei dem Chipkondensator 26 liegt, umso größer ist der Abstimmbereich, aber umso größer sind die Verluste und je näher der Abgriff 28 bei dem zweiten Endteil 20 liegt, umso kleiner ist der Abstimmbereich aber umso größer ist die Effizienz. Als Leitwert für eine längliche gedruckte Rahmenantenne auf einem Hi Q Substrat mit im Allgemeinen flachen Enden, hat es sich herausgestellt, dass eine Länge von 35 mm und eine Breite von 9 mm und eine Frequenz von 470 MHz, die Abgriffsstelle in der Größenordnung von 12 mm von dem zweiten Endteil akzeptierbar sind. Der Chipkondensator 26 hatte einen Wert von 2,2 pF und die variable Kapazität 30 hatte einen Bereich von 1,3 bis 3,7 pF.
3 zeigt eine elektrisch abstimmbare Rahmenantenne, geeignet für ein Funkgerät, das mit verschiedenen Frequenzen arbeitet. Der Kürze wegen werden nur die Unterschiede zwischen den 2 und 3 beschrieben. Die variable Kapazität in dieser Ausführungsform umfasst einen Varaktor 32, der auf dem Abgriff 28 vorgesehen ist. Um die Kapazität der Varaktordiode 32 zu ändern ist in den zweiten Endteil 20 ein DC-Sperrkondensator 38 einverleibt und über die verdrillten Leiter 40 wird jeder Seite des Kondensators 38 eine Vorspannung zugeführt.
Varaktordioden sind im Allgemeinen verlustbehaftete Anordnungen und der Verlusteffekt wird durch Verwendung des Chipkondensators 26 mit einem hohen Q Wert zum Abstimmen der Rahmenantenne 12 minimiert. Außerdem ist zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter 22, 24 an einer Stelle grenzend an, aber in einem Abstand davon, der Abgriff 28 ein zweiter Abgriff 34 vorgesehen. In den zweiten Abgriff 34 ist ein mechanisch regelbarer Kondensator 36 einverleibt, wobei der Kondensator 36 einen ausreichenden Abstimmbereich hat um Schwankungen der Schwingfrequenz bei der Herstellung zu korrigieren.
Wie dargestellt, erfolgt die Kopplung mit der HF-Schaltung mit Hilfe einer Schleife 14. Aber wenn eine leitende Verbindung erforderlich ist, kann dies mit Hilfe von Drähten 42, 44 erreicht werden, die mit dem ersten und zweiten Leiter 22 bzw. 24 verbunden sind, und zwar an Stellen um die erforderliche Impedanz zu erreichen. Wenn zweckdienlich, können auch die Drähte 42, 44 die DC Vorspannung liefern.
Wie in der Beschreibung nach 1 erwähnt und in 4 deutlich dargestellt, kann die Rahmenantenne 12 mit Hilfe einer durch eine Drahtlänge gebildeten magnetischen Koppelschleife 14 mit der Printplatte 16 gekoppelt werden. Vorteile dieser Form von Kopplung sind, dass die Rahmenantenne 12 gegenüber der Printplatte 16 und den Ver lusteigenschaften isoliert ist und dass die Rahmenantenne 12 separat zu geringeren Kosten hergestellt werden kann.
5 ist eine Einzelheit des umkreisten Teils in 2. Die Rahmenantenne 12 kann als leitende Spur auf einer Seite eines Substrats 46 hergestellt werden, beispielsweise durch Ätzung unmittelbar in das Printplattenlaminat oder durch Aufdruck einer leitenden Spur auf einem dielektrischen Substrat 46. Die Empfindlichkeit der Antenne kann dadurch verbessert werden, dass Rahmenantennen 12, 121 Rücken an Rücken auf beiden Seiten des Substrats 46 vorgesehen werden. Da die beiden Seiten des Substrats 46 auf demselben Potential sind, wird das E-Feld in dem Substratmaterial eliminiert und die Verluste werden minimal sein.
Je nach der Herstellung der Doppelschleifenantennen 12, 121 können Randeffekte die oben genannten Vorteile beeinträchtigen, aber es hat sich herausgestellt, dass durch gegenseitige Verbindung der Schleifen der Antennen, sagen wir dadurch, dass hindurchgehende Löcher 48 in dem Substrat 46 mit Metall überzogen werden, wird ein Faraday-Käfig geschaffen, was ein E-Feld innerhalb des Substrats vermeidet. Obschon die Löcher 48 in der Mitte der leitenden Spuren dargestellt sind, kann es sein, dass sie sich an anderen Stellen befinden, wie an den Rändern der Spuren.
Die 6 und 7 zeigen Ausführungsformen von Doppelschleifenantennen auf Basis der ersten und zweiten Ausführungsform aus den 2 und 3. Der Deutlichkeit halber sind die Substrate 46 wohl bezeichnet, nicht aber dargestellt. Die Rahmenantenne 12l in den 6 und 7 hat die gleiche Form und Größe wie die betreffende Rahmenantenne 12 und hat einen Chipkondensator 261 in dem ersten Endteil 181, hat aber keine regelbare Kapazität an einem Abgriff, die den ersten und zweiten Leiter 221, 241 überbrückt um die Abstimmung der Antenne zu vereinfachen.
8 zeigt eine Ausführungsform einer Rahmenantenne 12, wobei der zweite Endteil 20 und der Abgriff 28 mit einem mechanisch regelbaren Kondensator 30 von einer Printplatte 16 getragen werden, wobei der Rest der Rahmenantenne sich im Wesentlichen orthogonal zu der Printplatte 16 erstreckt. Insbesondere sind der erste Endteil 18 zusammen mit dem ersten und zweiten Kondensator 22, 24 aus einem Material mit geringen Verlusten, beispielsweise aus versilbertem Kupfer. Es ist möglich, dass der zweite Endteil 20 aus dem gleichen Material wie der restliche Teil der Rahmenantenne hergestellt ist. Der Kondensator 26 mit dem hohen Q-Wert ist in eine Unterbrechung in dem ersten Endteil eingefügt worden und wird zum Abstimmen der Schleife über die erwünschte Kanalfrequenz eingefügt. Der Kondensator 26 kann als kleine Printplatte mit einem geeigneten Metallüberzug und einem Substrat mit geringen Verlusten, beispielsweise einem ptfe geladenen Substrat, hergestellt werden, oder es kann ein Festwertkondensator mit einem hohen Q-Wert sein, der auf der kleinen Printplatte angeordnet ist. Der zweite Endteil 20 umfasst Kupferspuren auf der Printplatte und der mechanisch regelbare Kondensator 30 hat einen Wert um die Resonanz der gesamten Rahmenantenne auf die erforderliche Frequenz hin zu ziehen. Der zweite Endteil 20 der Rahmenantenne 12 wird verwendet zum induktiven Abgreifen in den restlichen Teil der Schleife zum Erhalten der erforderlichen Impedanztransformation zum Anpassen an einen Verstärker 50 mit einem niedrigen Rauschfaktor.
Der Q-Wert des resultierenden Netzwerkes ist höher, weil der mechanisch einstellbare Kondensator 30 über einen Teil der Rahmenantenne 12 mit einer niedrigen Impedanz liegt, und der entsprechende Störwiderstand dieses Kondensators 30 wird durch das Verhältnis der Impedanz an dem Kondensator 26 mit dem hohen Q-Wert aufgewertet, und zwar zu der Impedanz an den Knotenpunkten des zweiten Endteils 20 mit dem Rest der Rahmenantenne 12, wenn bezogen auf die Antenne. Die Kapazität des Kondensators 30 wird auf gleiche Weise in ihrem Wert umgeformt und erscheint dadurch als eine niedrigere Kapazität aber als eine Anordnung mit einem höheren Q-Wert an den Enden der Rahmenantenne 12.
Ein anderes Mittel zum Konstruieren einer relativ kleinen Antenne unter Verwendung preisgünstiger Schaltungselemente ist, die Antenne aus einer Übertragungsleitung herzustellen. Die Antenne kann kleiner gemacht werden, unter der Bedingung, dass der Q-Wert des Detektionssystems dazu neigt, die Reduktion in der elektrischen Größe zu kompensieren. Typische Q-Werte für Übertragungsleitungsresonatoren sind viel höher als mit normalen Durchschnittsimpedanzschaltungen erzielt werden können.
9 zeigt ein Beispiel einer Rahmenantenne mit parallel vorgesehenen Übertragungsleitungen 60, 62, gebogen zum Bilden von Schleifen, wobei die einander gegenüber liegenden Enden jeder Schleife mit einem betreffenden Eingang eines Verstärkers 50 gekoppelt sind. Die Übertragungsleitungen 60, 62 sind als Übertragungsleitungstransformatoren wirksam, die magnetisch ein Strahlungsfeld erzeugen und dadurch als Antenne wirksam sind. Abstimmung der Antenne ist abhängig von dem gute gesteuerten Parameter der Übertragungslänge, so dass es möglich ist, Antennen herzustellen, die betriebsbereit auf die betreffende Frequenz abgestimmt sind.
Ggf. kann ein mechanisch regelbarer Kondensator 30 vorgesehen sein um die Abstimmung der Antenne nachzuregeln.
Implementierungen der Übertragungsleitungsantennen können Folgendes umfassen:

(1) eine Mehrwindungenspirale aus Koaxialkabel, wobei der Innenleiter des einen Endes mit dem Außenleiter oder dem leitenden Mantel des anderen Endes verbunden ist und Ausgangssignale von dem Außenleiter an dem einen Ende und dem Innenleiter an dem anderen Ende liefert,
(2) einen Kondensator, wie ein folienartiges gewickeltes Bauelement mit zwei elektrisch leitenden Folien, zwischen denen sich eine Dielektrikum befindet. Das innere Ende der einen Folie ist mit dem anderen Ende der anderen Folie verbunden und Ausgangssignale werden von dem inneren Ende der anderen Folie und dem Außenende der anderen Folie hergeleitet; und
(3) Streifenleitungsstrukturen für Printplatten- oder Halbleiterherstellung.

Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung dürften dem Fachmann andere Abwandlungen einfallen. Solche Abwandlungen können andere Merkmale betreffen, die in dem Entwurf, in der Herstellung und in der Verwendung von Funkgeräten und Rahmenantennen dazu bereits bekannt und statt der oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendbar sind.
Industrielle Anwendung
Rahmenantennen für kleine Geräte wie Pager.

Claims

Rahmenantenne (12) mit einer im Allgemeinen länglichen Schleife, bestehend aus einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (22, 24), die durch einen ersten und einen zweiten elektrisch leitenden Endteil (18, 20) miteinander verbunden sind, wobei ein Abgriff (28) den ersten und den zweiten Leiter (22, 24) miteinander verbindet, und zwar in der Nähe von aber getrennt von dem zweiten Endteil (20) und mit einer variablen Kapazität (30) in dem genannten Abgriff (28), gekennzeichnet durch eine Festwertkapazität (26) zum Ermitteln der Abstimmung der Antenne (12) und mit einem höheren Q-Wert als die variable Kapazität (30), und einverleibt in den ersten Endteil (18).
Rahmenantenne (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Kapazität (30) eine elektrisch einstellbare Kapazität aufweist.
Rahmenantenne (12) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen anderen Abgriff (34), der den ersten und den zweiten Leiter (22, 24) miteinander verbindet, grenzend an aber in einem Abstand von dem erstgenannten Abgriff (28), und durch einen mechanisch einstellbaren Kondensator (36) in dem anderen Abgriff (34).
Rahmenantenne (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Substrat (46) umfasst und dass der erste und der zweite Leiter (22, 24) und der erste und der zweite Endteil (18, 20) eine gedruckte elektrisch leitende Spur auf dem Substrat aufweisen.
Rahmenantenne (12) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen anderen im Allgemeinen länglichen Rahmen (121), gebildet durch eine erste und eine zweite gedruckte elektrisch leitende Spur (221, 241), die durch einen ersten und einen zweiten elektrisch leitenden Endteil (181, 201) an der anderen Seite des Substrats (46) gegenüber der ersten Schleife (12) miteinander verbunden sind, und durch eine Festwertkapazität (261), einverleibt in den ersten Endteil (181) der anderen Schleife (121).
Rahmenantenne (12, 121) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Spuren (22, 24, 221, 241) an beiden Seiten des Substrats (46) durch Verbindungen (48) durch das Substrat (46) hindurch elektrisch miteinander verbunden sind.
Rahmenantenne (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Leiter (22, 24) und der erste Endteil (18) sich im Wesentlichen orthogonal zu dem zweiten Endteil (20) erstrecken.
Funkgerät (10) mit einer Rahmenantenne (12) nach Anspruch 1, die mit einem anderen Rahmen (14) induktiv gekoppelt ist, angeordnet auf einer Printplatte (16), die HF-Elemente trägt.
Funkgerät (10) mit einer Rahmenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7.