DE69930407T2

DE69930407T2 - Antenne

Info

Publication number: DE69930407T2
Application number: DE69930407T
Authority: DE
Inventors: Oliver Paul Kingsthorpe LEISTEN
Original assignee: Sarantel Ltd
Current assignee: Sarantel Ltd
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: DE69930407D1; KR20020004943A; GB2346014B; WO2000039887A1; CA2357041C; CN1210842C; EP1147571A1; US6552693B1; GB9828768D0; GB9927490D0; KR100663873B1; ATE320664T1; CA2357041A1; GB2346014A; JP3946955B2; JP2002534823A; EP1147571B1; CN1338133A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Antenne für den Betrieb bei Frequenzen über 200 MHz und ein Funkkommunikationssystem mit der Antenne.
Der Anmelder hat in mehreren anhängigen Patentanmeldungen eine Reihe von dielektrisch belasteten Antennen offenbart. Die gemeinsamen Merkmale der offenbarten Antennen umfassen einen festen zylindrischen Keramikkern mit hoher Dielektrizitätszahl, eine koaxiale Speiseleitung, die den Kern in seiner Achse zu einem Abschluss am distalen Ende durchläuft, eine auf einen proximalen Abschnitt des Kerns aufplattierte leitende Balunhülse zur Erzeugung eines zumindest näherungsweise symmetrischen Speiseleitungsabschlusses am distalen Ende und eine Mehrzahl auf die zylindrische Oberfläche des Kerns aufplattierter länglicher schraubenförmiger Leiterelemente, die sich zwischen einerseits radialen Anschlüssen mit dem Speiseleitungsabschluss auf der distalen Stirnfläche und andererseits dem Rand der Hülse erstrecken.
Eine der erwähnten Anmeldungen, GB-A-2309592, die der WO-A-9727642 entspricht, beschreibt eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Antenne weist ein einzelnes Paar von sich diametral gegenüberliegenden schraubenförmigen Elementen auf, die eine verdrillte Schleife bilden, welche eine bis auf eine auf eine sich senkrecht zur Zylinderachse der Antenne erstreckende Nullachse zentrierte Nullstelle rundstrahlende Richtcharakteristik ergibt. Die Antenne ist besonders zur Verwendung in Mobiltelefonen geeignet und kann so bemessen werden, dass sie beispielsweise Schleifenresonanzen im europäischen GSM-Band (890 bis 960 MHz) bzw. im DCS-Band (1710 bis 1880 MHz) hat. Andere wichtige Bänder umfassen das amerikanische AMPS-Band (842 bis 894 MHz) und das PCN-Band (1850 bis 1990 MHz).
In GB-A-2292638 ist eine Vierdraht-Backfireantenne offenbart, die vier sich miteinander erstreckende schraubenförmige, als zwei Paare ausgebildete Elemente aufweist, wobei die elektrische Länge der Elemente eines Paars sich von jener des anderen Paars unterscheidet. Dieser Aufbau erzeugt bei einer Betriebsfrequenz von beispielsweise 1575 MHz Ströme mit orthogonaler Phase, wodurch die Antenne eine Nierenrichtcharakteristik für zirkularpolarisierte Signale hat, wie sie von den Satelliten in der GPS(Global Positional System)-Satellitenkonstellation gesendet werden.
WO-A-9824144 betrifft eine Abwandlung der in GB-A-2309592 offenbarten Antenne, insofern als die sich diametral gegenüberstehenden, eine verdrillte Schleife bildenden schraubenförmigen Elemente verzweigt sind, um Schleifen unterschiedlicher elektrischer Länge und daher unterschiedlicher Resonanzfrequenzen zu ergeben.
GB-A-2311675 offenbart die Verwendung einer Antenne mit derselben allgemeinen Struktur wie die in GB-A-2292638 offenbarte in einem System für Doppelbetrieb wie etwa ein kombiniertes GPS- und Mobiltelefonsystem, wobei die Antenne im (zirkularpolarisierten) Vierdrahtresonanzmodus zum GPS-Empfang und im (linearpolarisierten) Eintaktresonanzmodus (single-ended mode) für Telefonsignale benutzt wird.
In der nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten WO-A-9966591 ist eine verdrillte Schleifenan tenne so ausgestaltet, dass sie sowohl im symmetrischen Modus als auch im Eintaktmodus Resonanz hat, wobei die beiden Modi benachbarte Resonanzfrequenzen haben und zur Erzeugung eines Betriebsfrequenzbands gekoppelt sind.
Die Anmelder haben gefunden, dass es durch Veränderung des Durchmessers der den proximalen Abschnitt des Kerns umgebenden leitenden Hülse möglich ist, eine Resonanz zu erzeugen, welche durch eine stehende Welle um den Hülsenrand (hier als "Ringresonanz" bezeichnet) gekennzeichnet ist und die bei einer der beispielsweise in Mobiltelefonen oder Satellitenlagebestimmungssystemen verwendeten Frequenzen auftritt. Die Ringresonanz ist eigentlich eine mit einem zirkulären Kernmodus oder Ringmodus zusammenhängende Resonanz.
Nach einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne bereitgestellt, die eine Betriebsfrequenz von über 200 MHz hat, und die einen zylindrischen isolierenden Körper mit einer Mittenachse, der aus einem festen Material gebildet ist, das eine Dielektrizitätszahl größer als 5 besitzt, wobei die Außenfläche des Körpers ein Volumen begrenzt, dessen Hauptteil vom festen Material eingenommen wird, einen leitfähigen Sperrtopf (conductive sleeve) auf der zylindrischen Oberfläche des isolierenden Körpers, eine leitfähige Schicht auf einer Oberfläche des Körpers, welche sich quer zur Achse erstreckt, wobei leitfähiger Sperrtopf und Schicht miteinander einen offenen Hohlraum bilden, der im wesentlichen mit dem festen Material gefüllt ist, und eine dem Hohlraum zugeordnete Speisestruktur umfasst, wobei die Dielektrizitätszahl und die Abmessungen des Hohlraums so angepasst sind, dass die elektrische Länge seines Umfangs am offenen Ende am offenen Ende wesentlich gleich einer ganzen Zahl (1, 2, 3, ...) der geführten Wellenlängen um diesen Umfang entsprechend der Betriebsfrequenz ist.
Eine der mit der oben erwähnten bekannten dielektrisch belasteten Vierdraht-Backfireantenne verknüpften Schwierigkeiten ist, dass die Bandbreite der Antenne für zirkularpolarisierte Signale relativ schmal ist. Das heißt, dass Fertigungstoleranzen eher eng sein müssen und die Antenne einzeln auf die erforderliche Frequenz abgestimmt werden muss. Bei einer erfindungsgemäßen Antenne ist es möglich, die Speisestruktur so anzuordnen, dass sie eine rotierende stehende Welle um den Rand des Hohlraums an seinem offenen Ende anregt, sodass man eine Antenne erzeugt, die auf zirkularpolarisierte Wellen anspricht und die eine zugeordnete Nierenrichtcharakteristik hat, die bei Verwendung mit vertikaler Achse für den Empfang von Satellitensignalen geeignet ist. Die Anmelder haben gefunden, dass die mit solchen Resonanzen verbundene Bandbreite viel größer als die Bandbreite der Vierdrahtantenne ist.
Man beachte, dass der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff "anregen" sich nicht nur auf die Verwendung der Antenne zum Senden von Signalen, sondern auch die Verwendung zum Empfang von Signalen bezieht, da die Betriebseigenschaften der Antenne, wie ihr Frequenzgang, ihre Richtcharakteristik usw. hinsichtlich der entsprechenden Sende- und Empfangseigenschaften der Reziprozitätsregel folgen. Ebenso sollten Bezüge auf Elemente oder Teile, welche "strahlen", so ausgelegt werden, dass sie Elemente oder Teile umfassen, welche aus der Umgebung Energie aufnehmen, wenn sie im Zusammenhang mit einer Empfangsantenne verwendet werden, die jedoch kraft der Reziprozitätsregel strahlen würden, wenn die Antenne zum Senden benutzt würde.
Ein Weg zur Anregung zirkularer stehender Wellen im Sperrtopf ist der Einsatz von länglichen schrauben- oder spiralförmigen Elementen auf der Oberfläche des isolierenden Körpers. Die schraubenförmigen Elemente tragen nämlich eine Tangentialkomponente zur Anregung am Sperrtopf oder an dessen Rand bei, sodass sie als Mittel zur tangentialen Anregung oder Einspeisung angesehen werden können. Mit geeigneter Auswahl der Dielektrizitätskonstanten und Bemessung des Sperrtopfs und der schrauben- oder spiralförmigen Elemente kann die Antenne zum Betrieb als Zweimodusantenne ausgeführt werden, wobei mit der Ringresonanz ein zirkular polarisierter Modus, d.h. eine stehende Welle um den Rand des Hohlraums und ein linearer Modus mit der oben in Verbindung mit der verdrillten Schleifenkonfiguration erwähnten Schleifenresonanz verknüpft ist.
Bevorzugt haben die schraubenförmigen Elemente bei der Frequenz der Ringresonanz je eine elektrische Länge gleich nλ_g/4, worin n eine ganze Zahl (1, 2, 3, ...) und λ_g die geführte Wellenlänge längs der Elemente bei der Ringresonanzfrequenz ist.
In diesem Zusammenhang erkannt der Fachmann, dass "geführte Wellenlänge" den Abstand bedeutet, der durch einen vollständigen Wellenzyklus bei der fraglichen Frequenz längs des zur Messung benutzten Pfads dargestellt wird, d.h. des Pfads, längs dessen die Welle geführt wird. Im vorliegenden Fall ist der Messpfad das entsprechende schraubenförmige Element oder der Sperrtopfrand und die geführte Wellenlänge ist um einen Faktor, der durch die Dielektrizitätskonstante des Kernmaterials und die Geometrie der Antennenstruktur bestimmt wird, kleiner als die entsprechende Freiraumwellenlänge. Es versteht sich, dass mit einer Dielektrizitätskonstante des Kernmaterials, die wesentlich größer als die des freien Raums ist, die geführte Wellenlänge λ_g um den Hülsenrand herum oder längs der schraubenförmigen Elemente viel kleiner als die Wellenlänge im freien Raum, aber allgemein nicht in jedem Fall dieselbe ist. Beim Rand ist der Strompfad sehr stark durch das dielektrische Material beeinflusst, weil die zugeordneten Felder großenteils im Material liegen, während die Strompfade der schraubenförmigen Elemente an der Grenze zwischen dielektrischem Material und Luft weniger beeinflusst werden.
Es ist dann möglich, eine für zirkular polarisierte Signale besonders, aber nicht ausschließlich geeignete Antenne zu erzeugen, ohne die oben erwähnte schmalbandige Vierdrahtstruktur zu verwenden. Folglich besteht eine bevorzugte Verwendung der Antenne bei tragbaren oder mobilen Geräten, wie Mehrband-Mobiltelefone, insbesondere Zellulartelefone, oder, mehr bevorzugt, bei tragbaren oder mobilen Telefonen für die Satellitentelefonsysteme Globalstar oder Iridium, wie auch bei tragbaren Telefonen oder anderen Einheiten, welche eine GPS- oder GLONASS-Lagebestimmungsfunktion haben, wobei diese Satellitendienste zirkular polarisierte Signale einsetzen.
Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hochfrequenzempfangs- und/oder -sendesystem nach Anspruch 25 mit einer Antenne wie oben beschrieben und eine Hochfrequenzempfänger- oder -senderstufe, die so gebaut ist, dass sie bei der Betriebsfrequenz der Antenne arbeitet, bereitgestellt. Diese Empfänger- oder Senderstufe umfasst typischerweise eine Hochfrequenzeingangsstufe, die zum Betrieb bei einer ersten Empfangs- oder Sendefrequenz ausgebildet und die mit der Antenne gekoppelt ist, wobei die Dielektrizitätszahl und die Abmessungen des Hohlraums so angepasst sind, dass die elektrische Länge des Hohlraumrands am offenen Ende im wesentlichen gleich einer ganzen Zahl (1, 2, 3, ...) von geführten Wellenlängen entsprechend der ersten Signalfrequenz ist. In diesem Fall ist die Eingangsstufe zum zusätzlichen Betrieb bei einer zweiten Empfangs- oder Sendefrequenz angepasst, der isolierende Körper hat einen Abschnitt, der sich über die Hohlraumöffnung hinaus in Richtung der Achse erstreckt, und die Speisestruktur enthält ein Paar längliche Leiter auf der Oberfläche dieses Körperabschnitts, welche sich vom Hohlraumrand zu einem Speiseabschluss erstrecken, wobei diese Leiter eine Resonanz für linear polarisierte Signale bei der zweiten Signalfrequenz haben. In diesem Fall umfasst das System ferner eine Koppelstufe mit einer gemeinsamen Signalleitung, welche der Antennenspeisestruktur und wenigstens zwei weiteren Signalleitungen zum Verbinden zugeordnet ist, um bei der ersten bzw. zweiten Signalempfangsfrequenz zu arbeiten.
Die oben beschriebene Antenne kann in einem Mobiltelefonsystem wie nachfolgend in Ansprüchen 30 und 31 beansprucht verwendet werden. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb einer Antenne nach Anspruch 32.
Weitere bevorzugte Merkmale der Antenne und des Systems sind in den am Ende dieser Beschreibung erscheinenden abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Telefons mit einer erfindungsgemäßen Antenne ist;
2 eine perspektivische Ansicht der in 1 erscheinenden Antenne ist;
3 ein Diagramm ist, das die horizontal polarisierte Richtcharakteristik zeigt, die bei Resonanz der Antenne im Schleifenmodus erzeugt wird;
4A und 4B Diagramme sind, welche eine Ringmodusresonanz in dem an der Antenne der 2 beteiligten Sperrtopf veranschaulichen;
5 ein Diagramm ist, das die zirkular polarisierte Richtcharakteristik veranschaulicht, die bei Resonanz der Antenne im Ringmodus erzeugt wird;
6 ein Blockdiagramm des Telefons nach 1 ist;
7 ein Diagramm ist, das einen Koppler für das Telefon nach den 1 und 6 zeigt;
8 eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Antenne ist.
Mit Bezug auf 1 hat eine Handkommunikationseinheit, in diesem Fall ein tragbares Telefon, einen Telefonkörper 10 mit einer Innenfläche 10I, von der normalerweise wenigstens ein Teil bei der Verwendung zum Telefonieren an den Kopf des Benutzers gehalten wird, sodass der Hörer 10E dem Ohr des Benutzers benachbart ist. Das Telefon 10 hat eine am Ende des Telefonkörpers 10 befestigte Antenne 12, deren Mittenachse 12A wie gezeigt längs zum Körper 10 verläuft.
Die Antenne 12 ist in 2 detaillierter gezeigt. Wie man sieht, weist die Antenne zwei sich längs erstreckende Elemente 14A, 14B auf, die als metallische Leiterbahnen auf der äußeren Zylinderfläche eines Keramikkerns 16 ausgebildet sind. Der Kern 16 hat einen axialen Durchgang 18 mit metallischer Innenauskleidung 20, der einen axialen inneren Speiseleiter 22 aufnimmt. Der innere Leiter 22 und die Auskleidung 20 bilden in diesem Fall eine koaxiale Antennenspeiseleitung durch den Kern zur Kopplung einer Speiseleitung 23 an die Antennenelemente 14A, 14B an einer Speisestelle an der distalen Stirnfläche 16D des Kerns. Die Leiter auf dem Kern umfassen auch entsprechende verbindende radiale Antennenelemente 14AR, 14BR, die als Metallbahnen auf der distalen Stirnfläche 16D ausgebildet sind und die sich diametral gegenüberliegenden Enden 14AE, 14BE der entsprechenden sich längs erstreckenden Elemente 14A, 14B mit der Speiseleitung verbinden. Die Verbindung dieser axialen Elemente mit der axialen Antennenspeiseleitung bildet einen symmetrischen Speiseabschluss. Die anderen Enden 14AF, 14BF der Antennenelemente 14A, 14B liegen sich auch diametral gegenüber und sind durch einen zylindrischen Leiter 24 in Form eines aufplattierten Sperrtopfs verbunden, der einen proximalen Endabschnitt des Kerns 16 umgibt. Dieser Sperrtopf ist wiederum mit der Auskleidung 22 des axialen Durchgangs 18 durch eine sich quer erstreckende leitfähige Schicht 26 auf der proximalen Stirnfläche 16P des Kerns 16 verbunden. Sperrtopf 24 und leitfähige Schicht 26 bilden miteinander einen mit dem dielektrischen Kernmaterial gefüllten offenendigen Hohlraum, wobei das offene Ende des Hohlraums durch den Rand 24R begrenzt wird, der im wesentlichen in einer zur Mittenachse 12A des Kerns und der ganzen Antenne senkrechten Ebene liegt.
Demgemäß bedeckt der Sperrtopf 24 einen proximalen Abschnitt des Antennenkerns 16, wodurch er die von der Auskleidung 20 und dem Innenleiter 22 gebildete koaxiale Antennenspeiseleitung umgibt und das Material des Kerns 16 den ganzen Raum zwischen Sperrtopf 24 und Auskleidung 20 ausfüllt. Wie in den oben genannten anhängigen Anmeldungen beschrieben, bilden Sperrtopf 24 und Querschicht 26 miteinander ein Balun, sodass Signale in der Speiseleitung aus einem unsymmetrischen Zustand am proximalen Ende in einen wenigstens näherungsweise symmetrischen Zustand an der distalen Fläche 16D umgewandelt werden.
Ein weiterer Effekt des Sperrtopfs 24 ist, dass der Rand 24R des Sperrtopfs 24 wirksam einen ringförmigen, von der durch den Außenleiter der Speiseleitung dargestellten Masse isolierten Strompfad bilden kann, was bedeutet, dass unter dieser isolierenden Bedingung die in den länglichen schraubenförmigen Elementen 14A, 14B kreisenden Ströme auf den Rand 24R beschränkt sind, sodass diese Elemente, der Rand und die radialen Elemente 14AR, 14BR miteinander eine isolierte Schleife bilden.
Bei der dargestellten Antenne haben die sich längs erstreckenden Elemente 14A, 14B gleiche Länge, wobei jedes die Form einer einfachen, einen halben Umlauf um die Achse 12A des Kerns 16 ausführenden Schraube hat und die distalen bzw. proximalen Enden der schraubenförmigen Elemente jeweils in einer gemeinsamen Ebene liegen, wie die gestrichelten Linien 28 in 2 andeuten. Der symmetrische Abschluss der Antennenspeiseleitung liegt offensichtlich auch in dieser Ebene. Ein Effekt dieser Struktur ist, dass die Antenne eine Nullstelle in der Richtcha rakteristik in einer Richtung quer zur Achse 12A und senkrecht zur Ebene 28 hat, wenn sie im Schleifenmodus resonant ist. Diese Richtcharakteristik hat daher angenähert die Form einer 8 sowohl in den zur Achse 12A horizontalen als auch in den vertikalen Ebenen, wie in 3 gezeigt. Die Orientierung der Richtcharakteristik bezüglich der in 2 gezeigten Antenne wird durch das in den 1, 2 und 3 gezeigte Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z gezeigt. Die Richtcharakteristik hat zwei Kerben, eine auf jeder Seite der Antenne. Um eine der Nullstellen der Richtcharakteristik auf den Kopf des Benutzers auszurichten, wird die Antenne so montiert, dass ihre Mittenachse 12A und die Ebene 28 parallel zur Innenfläche 10I des Handgeräts 10 sind, wie in 1 gezeigt. Die relativen Ausrichtungen von Antenne, Richtcharakteristik und Telefonkörper 10 zueinander sind durch Vergleich des Koordinatensystems x, y, z offensichtlich, wie in 2 mit der Darstellung des in 1 und 3 erscheinenden Koordinatensystems gezeigt.
Die in 2 gezeigte Antenne besitzt auch Resonanzen durch den als Wellenleiter wirkenden Sperrtopf. Wenn insbesondere der Umfang des Sperrtopfs gleich einer ganzen Zahl von geführten Wellenlängen bei einer geforderten alternativen Betriebsfrequenz ist, wird ein Ringresonanzmodus etabliert, der durch wenigstens einen diametral über die Hohlraumöffnung ausgerichteten Spannungsdipol gekennzeichnet ist. Die schraubenförmigen Elemente 14A, 14B, welche zusammen mit den radialen Verbindungen 14AR, 14BR und der Antennenspeiseleitung 20, 22 als Speisesystem wirken, tragen eine radiale Komponente zum Dipol bei, sodass er um seine Mittenachse 12A rotiert. Dieser Effekt ist schematisch in der Draufsicht von 4 gezeigt, wo der Dipol als sich zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Positionen "H" mit hoher Spannungsamplitude erstreckend dargestellt ist, wobei die Pfeile die Rotationskomponente bezeichnen. Computersimulationen der Antennenstruktur (hergestellt unter Verwendung des Microstripe-Pakets der Kimberley Communications Consultants Ltd.) zeigen, dass die Ringresonanz durch Stromdichtemaxima an diametral gegenüberliegenden Positionen "H" nicht nur am Rand des Sperrtopfs, sondern auch über die Innenfläche des Sperrtopfs sich abwärts zur leitfähigen Querschicht oder Bodenwand 26 erstreckend gekennzeichnet ist, wie in 4B gezeigt. Die gestrichelten Linien in 4B bezeichnen die ungefähren Umrisse konstanter Stromdichte auf der Innenfläche des Sperrtopfs. Die in 4A und 4B gezeigten Muster entsprechen einer Ringresonanz, die auftritt, wenn der Umfang des Rands 24R im Wesentlichen gleich der Wellenlänge λ_g bei der erforderlichen alternativen Betriebsfrequenz ist. Es bestehen weitere Ringresonanzen, wenn die Geführte Wellenlänge ein ganzes Vielfaches des Randumfangs ist, sodass beispielsweise zwei oder drei sich gegenüberliegende Paare aus Strom- und Spannungsmaxima vorhanden sind, die um den Rand 24Rund die Innenfläche des Sperrtopfs 24 beabstandet sind. So können im allgemeinen Fall eines oder mehrere Paare diametral gegenüberliegender Strommaxima wie das in 4B gezeigte Paar bei der oder den Betriebsfrequenzen) bestehen.
In jedem Fall ergibt die Ringresonanz eine Nierenrichtcharakteristik für zirkular polarisierte Strahlung bei den entsprechenden Frequenzen, wie in 5 gezeigt. Es folgt, dass die Antenne besonders für den Empfang zirkular polarisierter Signale geeignet ist, wenn die Antenne mit dem offenen Ende nach oben ausgerichtet ist. So fallen sichtbare Satelliten im Wesentlichen unabhängig vom Tragen in die obere Wölbung der Nierencharakteristik.
Die Anmelder haben daher den Sperrtopf 24, der als Balun benutzt wird, auch zur Bildung eines Wellenleiters verwendet, der in einem zirkularen Resonanzführungsmodus angeregt wird. Dies wird ohne orthogonal phasierende Antennenelementstrukturen, wie solche in der früheren Vierdrahtantenne, offenbart in GB-A-2292638, erreicht, wobei eine solche Struktur durch zwei Paare von diametral gegenüberliegenden schraubenförmigen Elementen in orthogonaler Beziehung gekennzeichnet ist, die so angeordnet sind, dass die Elemente eines Paars an einem Leiterpfad beteiligt sind, der länger als der die Elemente des anderen Paars enthaltende Pfad ist.
Der oben erwähnte rotierende Dipol wird kraft der durch den mit den schraubenförmigen Elementen des Speisesystems an diametral gegenüberliegenden Stellen verbundenen Rand beigetragenen Tangentialkomponente der Anregung erreicht. Vorteilhaft hat jede Reihenkombination von schraubenförmigem Element 14A, 14B und Anschlusselement 14AR, 14BR eine elektrische Länge gleich einer ganzen Zahl von geführten Wellenlängenvierteln hat. Die bevorzugte Ausführungsform hat, wie in 2 gezeigt, Kombinationen aus schraubenförmigem und radialem Element, die jeweils eine elektrische Länge von der Hälfte der geführten Wellenlänge längs dieser Elemente haben, sodass ein Strommaximum am symmetrischen Speiseabschluss auf der distalen Stirnfläche 16D in ein Strommaximum an den Verbindungen 14AF, 14BF der schraubenförmigen Elemente 14A, 14B mit dem Rand 24R umgewandelt wird. Symmetrie am Abschluss auf der distalen Stirnfläche 16D wird kraft des Sperrtopfs erreicht, der bei der Ringresonanzfrequenz als Balun wirkt.
Die oben mit Bezug auf 2 beschriebene Antenne ist so ausgestaltet und bemessen, dass sie eine Ringresonanz im Senderband des Globalstar-Uplink (Benutzer zum Satellit) von 1610 bis 1626,5 MHz und eine Schleifenresonanz im europäischen GSM-Zelltelefonband von 890 bis 960 MHz aufweist. Das erste dieser Bänder ist auch das Uplink-Band für das Satellitentelefonsystem Iridium. In diesem ersten Band ist die elektrische Länge des Sperrtopfrands 24R wenigstens angenähert gleich der geführten Wellenlänge λ_g, d.h. jeder Halbkreis zwischen den Verbindungen der schraubenförmigen Elemente 14A, 14B mit dem Rand 24R ergibt bei einer Frequenz in diesem Band eine Phasenverschiebung von etwa 180°. Jedes schraubenförmige Element 14A, 14B mit seinem angeschlossenen radialen Verbindungselement 14AR, 14BR hat eine elektrische Länge λ_g/2. Obwohl jede Kombination aus schrauben förmigem und radialem Element beträchtlich länger als der Randhalbkreis darunter ist, hat er eine ähnliche elektrische Länge, weil der effektive Wert der auf die beiden Strompfade einwirkenden Dielektrizitätszahl unterschiedlich ist, sodass bei gleicher Frequenz λ_g längs des Randes kürzer als λ_g längs der schraubenförmigen und radialen Elemente ist.
Die Schleifenresonanz, bei dieser Ausführungsform im GSM-Band, tritt auf, wenn der durch die radialen und schraubenförmigen Elemente 14AR, 14A, den einen oder anderen der Halbkreise des Rands 24R und das andere schraubenförmige und radiale Element 14B, 14BR dargestellt verschleifte Leitpfad eine elektrische Länge von einer Wellenlänge (d.h. einen Phasensprung von 360°) hat.
Typischerweise werden Resonanzen beobachtet, wenn die Dielektrizitätszahl ε_r des Keramikkerns 16 90, der Kerndurchmesser 10 mm, die axiale Ausdehnung des Sperrtopfs 24 4 mm und die axiale Länge (d. h. parallel zur Achse) der schraubenförmigen Elemente 14A, 14B etwa 14,85 mm ist. Im übrigen ist die Antennenstruktur wie in den oben genannten vorveröffentlichten Patentanmeldungen beschrieben, deren Offenbarung durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Das für den Kern 16 bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendete spezielle Material ist Bariumtitanat oder Bariumneobidiumtitanat.
Alternative Antennen, die unterschiedliche Kombinationen von Resonanzen für unterschiedliche Anwendungen ergeben, können beispielsweise entworfen werden, indem man zuerst geeignete Abmessungen für die verdrillte Schleife wie in der oben genannten GB-A-2309592 zur Anpassung an eine der geforderten Betriebsfrequenzen festlegt und dann den Sperrtopfdurchmesser verändert, um die erforderliche ganze Zahl von geführten Wellenlängen zur Anpassung an die andere der geforderten Betriebsfrequenzen zu erzeugen. Zur Veranschaulichung der Strom- und Felddichten in einem Softwaremodell der Antenne oder ihrer Teile kann das oben genannte Simulationspaket verwendet werden. Die Ringresonanz hat besonders erkennbare Eigenschaften, wie oben mit Bezug auf 4B beschrieben. Durch Auswahl nicht nur verschiedener Dielektrizitätskonstanten und Abmessungen, sondern auch indem man die elektrischen Längen des Rands, der schraubenförmigen Elemente und ihrer radialen Verbindungen und die Tiefe des Baluns gleichwertig zu ganzzahligen Vielfachen der geführten Wellenlänge bzw. eines Viertels der geführten Wellenlänge werden lässt, steht eine Vielfalt von Frequenzkombinationen zur Verfügung. Die Tiefe des Baluns zusammen mit dem Radius der Querleiterschicht oder der Bodenwand des Hohlraums sind typischerweise im Bereich von λ_g/4, damit an der distalen Stirnfläche 16D des Kerns Symmetrie erreicht wird. Stattdessen können ungeradzahlige Vielfache von λ_g oder λ_g/4 angewendet werden.
Außerdem kann die Ringresonanz mit anderen Resonanzen der in den oben genannten vorveröffentlichten Anmeldungen beschriebenen Strukturen kombiniert werden, darunter eine Quasimonopolresonanz, welche durch einen Eintaktmodus (single-ended mode) gekennzeichnet ist, bei dem die radialen Verbindungen 14AR, 14BR, die schraubenförmigen Elemente 14A, 14B und der Sperrtopf 24 zusammen lineare Pfade vom Speiseabschluss der distalen Stirnfläche 16D durch die Verbindung der Querleiterschicht 26 mit der äußeren Abschirmung 20 der Antennenspeiseleitung bilden.
In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Ringresonanz allein benutzt werden. Eine alternative Struktur, die mit dem Schleifenresonanzmodus sendet, ist in 7 dargestellt. In diesem Fall ist jedes schraubenförmige Element 14A, 14B ein Vierteldrehungselement (im Gegensatz zum Halbdrehungselement der Ausführungsform nach 2), wobei die elektrische Länge jedes schraubenförmigen Elements 14A, 14B mit seiner zugehörigen radialen Verbindung 14AR, 14BR allgemein gleich λ_g/4 ist, was bei der Ringresonanzfrequenz eine vollständige 360°-Schleife ergibt (jeder Halbkreis des Rands 24R hat eine elektrische Länge von λ_g/2).
Bei Mehrband-Ausführungsformen der Antenne können die Signale zwischen der Antenne und den entsprechenden Abschnitten einer Hochfrequenzeingangsstufe des angeschlossenen Funkkommunikationsgeräts über eine Koppelstufe wie in 6 gezeigt übergehen. Das Gerät kann eine Handtelefoneinheit 10 mit einer Antenne 12 wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben sein, und die getrennte Hochfrequenzkanäle bildenden Hochfrequenzeingangsstufenabschnitte 30A, 30B können zum Empfang und/oder zum Senden von Signalen in den entsprechenden Betriebsfrequenzbändern konstruiert sein. Diese Eingangsstufenabschnitte 30A, 30B sind an die Antenne 12 über eine Koppelstufe 32 angeschlossen, die eine gemeinsame Signalleitung 32A für die Antennenspeiseleitung und zwei Signalleitungen 32B, 32C für die entsprechenden Eingangsstufenabschnitte 30A, 30B besitzt. Die oben genannte vorveröffentlichte GB-A-2311675 offenbart eine Koppelstufe in Form einer Trennweiche, deren Prinzip anwendbar ist, wenn die gleichzeitige Anwendung der Antenne 12 in verschiedenen Frequenzbändern erforderlich ist. Alternativ kann mit Bezug auf 8 die einfache Kombination eines Transformationsglieds 34 und eines Hochfrequenzumkehrschalters 36 (typischerweise eine p.i.n.-Diodenvorrichtung) verwendet werden. Je nach Zustand des Schalters 36 ist die gemeinsame Leitung 32A an die eine oder andere der weiteren Signalleitungen oder Eingänge 32B, 32C gekoppelt, an welche die unterschiedlichen Eingangsabschnitte angeschlossen werden können. Der Fachmann erkennt, dass die Antenne 12 mit Kommunikationsgeräten verwendet werden kann, die auf getrennte physikalische Einheiten aufgeteilt sind und nicht in einer einzelnen Einheit 10 wie in 6 gezeigt sind.

Claims

Antenne mit einer Betriebsfrequenz über 200 mHz, umfassend: einen zylindrischen isolierenden Körper (16) mit einer Mittenachse (12A), welcher aus einem festen Material gebildet ist, das eine Dielektrizitätszahl größer 5 besitzt, wobei die äußere Oberfläche des Körpers ein Volumen festlegt, dessen Hauptteil durch das feste Material eingenommen ist, einen leitenden Sperrtopf (24) auf der zylindrischen Oberfläche des isolierenden Körpers (16), eine leitfähige Schicht (26) auf einer Oberfläche (16P) des Körpers, welche sich quer zur Achse erstreckt, wobei der leitende Sperrtopf (24) und die Schicht (26) zusammen einen offenen Hohlraum bilden, welcher im Wesentlichen mit dem festen Material gefüllt ist, und eine dem Hohlraum zugeordnete Speisestruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätszahl und die Abmessungen des Hohlraums so angepasst sind, dass die elektrische Länge von dessen Umfang an dem offen Ende wesentlichen gleich einer ganzen Zahl (1, 2, 3, ...) der geführten Wellenlängen um den Umfang gemäß der Betriebsfrequenz ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz kleiner als 5 GHz ist.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur ausgebildet ist um eine Drehwelle um den Rand des Hohlraums an dessen Ende anzuregen.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur an der zylindrischen Oberfläche des isolierenden Körpers (16) langgestreckte schraubenförmige Elemente umfasst.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur einen symmetrischen Speiseabschluss umfasst und zwei schraubenförmigen Elemente (14A, 14B) aufweist, welche sich diametral gegenüberliegend axial gleich erstrecken, wobei sich jede von einer entsprechenden Verbindung mit dem Speiseabschluss zu dem Rand (24R) des Hohlraums erstreckt, und dass die elektrische Länge von jedem der schraubenförmigen Elemente und von jedem Element, das dessen jeweilige Verbindung mit dem Speiseabschluss bildet, gleich nλ₄/4 ist, wobei n eine ganze Zahl (1, 2, 3, ...) und λ_g die geführte Wellenlänge entlang der Elemente (14A, 14B) bei der Betriebsfrequenz ist.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur einen symmetrischen Speiseabschluss umfasst und ein Paar leitende Pfade (14A, 14B), welche von dem Speiseabschluss und entlang gegenüberliegenden Seiten des isolierenden Körpers zu diametral gegenüberliegenden Stellen auf dem Rand (24R) des Hohlraums an dessen offenen Ende verlaufen, und wobei die elektrische Länge von jedem der Pfade gleich nλ_g/4 ist, wobei n eine ganze Zahl (1, 2, 3, ...) und λ_g die geführte Wellenlänge entlang der Pfade bei der Betriebsfrequenz ist.
Antenne nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass n gleich 2 ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur eine Speiseleitung (23) umfasst, welche sich durch den isolierenden Körper auf der Mittenachse (12A) von einer Verbindung mit der leitfähigen Schicht (26) zu einem Speiseabschluss über dem offenen Ende des Hohlraums erstreckt, und dass der Sperrtopf (24) ausgebildet ist um als ein Balun bei der Betriebsfrequenz zu wirken und dadurch ein unsymmetrisches Signal auf der Speiseleitung (23) benachbart zu der leitfähigen Schicht in ein symmetrisches Signal an dem Speiseabschluss umzuwandeln.
Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätszahl des Materials des isolierenden Körpers (16) im Bereich von 50–100, vorzugsweise etwa 90 beträgt.
Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durcheine Strahlungscharakteristik für zirkular polarisierte Strahlung bei der Betriebsfrequenz, wobei die Strahlung herzförmig ist mit ihrem Maximum auf der Achse (12A) des isolierenden Körpers (16) nach außen entfernt von der Öffnung des Hohlraums.
Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Wesentlichen 1575 MHz beträgt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Wesentlichen 1228 MHz beträgt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 1597 bis 1617 MHz liegt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 1240 bis 1260 MHz liegt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 1610 bis 1626,5 MHz liegt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 2483,5 bis 2500 MHz liegt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 1626,5 bis 1646,5 MHz liegt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung, dass die Betriebsfrequenz im Bereich von 1525 bis 1545 MHz liegt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der isolierende Körper (16) einen Abschnitt aufweist, welcher sich über die Hohlraumöffnung in Richtung der Achse (12A) erstreckt und wobei die Speisestruktur eine Struktur von Leitern (14A, 14AR, 14B, 14BR) auf der Oberfläche des Körperabschnitts umfasst.
Antenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet dass die Leiter sich axial gleich erstreckende schraubenförmige Elemente (14A, 14B) umfassen, welche jeweils an einem Ende mit einem Speiseabschluss verbunden sind und an dem anderen Ende mit dem Rand (24R) der Sperrtopfwand.
Antenne nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet dass die Speisestruktur ferner eine koaxiale Antennenspeiseleitung (23) umfasst, welche sich axial durch die leitfähige Schicht (26) erstreckt und durch den isolierenden Körper (16) zu dem Speiseabschluss, wobei die äußere Abschirmung (20) der Leitung mit der leitfähigen Schicht (26) verbunden ist und wobei der Sperrtopf (24) als Balun arbeitet, welcher die Symmetrie an dem Abschluss unterstützt.
Antenne nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet dass die Enden (14AE, 14AF, 14BE, 14BF) der schraubenförmigen Elemente im wesentlichen in einer einzelnen Ebene (28) liegen, welche die Mittenachse (12A) umfasst, wobei die Antenne eine Schleifenresonanz zeigt, die eine Strahlungscharakteristik erzeugt, welche omnidirektional ist mit Ausnahme einer Nullstelle auf einer transversalen Achse, die durch den isolierenden Körper (16) im wesentlichen senkrecht zu der Ebene (28) verläuft.
Antenne nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenresonanz bei einer Frequenz im Bereich von 824 bis 960 MHz oder im Bereich von 1710 bis 1990 MHz auftritt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Speisestruktur ein Drehspeisesystem (14A, 14B) umfasst, welches angepasst ist um eine Wellenleiterresonanz im Hohlraum bei der erforderlichen Betriebsfrequenz anzuregen, wobei die Resonanz gekennzeichnet ist durch ein Spannungsdipol, welcher diametral über die Hohlraumöffnung orientiert ist und sich um die Mittenachse des Hohlraums dreht und dadurch zirkular polarisiertes Strahlungsmuster erzeugt, dass von der Öffnung des Hohlraums axial nach außen gerichtet ist und eine Nullstelle in der entgegengesetzten axialen Richtung aufweist.
Hochfrequenzempfangs- oder Sendesystem, umfassend eine Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 24 und eine an die Antenne gekoppelte Hochfrequenzsignalempfänger- oder Senderstufe, die aufgebaut ist um bei der Betriebsfrequenz der Antenne zu arbeiten.
System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger- oder Senderstufe eine Hochfrequenzeingangsstufe aufweist, die ausgebildet ist zum Betrieb bei einer ersten Empfangssignal- oder Sendesignalfrequenz und die mit der Antenne gekoppelt ist, wobei die Dielektrizitätszahl und die Abmessungen des Hohlraums so angepasst sind, dass die elektrische Länge des Rands des Hohlraums an dessen Öffnungen im wesentlichen gleichen einer ganzen Zahl (1, 2, 3, ...) der Führungswellenlängen gemäß der ersten Signalfrequenz ist; die Eingangsstufe angepasst ist um zusätzlich bei einer zweiten Empfangs- oder Sendefrequenz zu arbeiten; der isolierende Körper (16) einen Abschnitt aufweist, welcher sich über die Hohlraumöffnung in Richtung der Achse (12A) erstreckt und wobei die Speisestruktur ein Paar von langgestreckten Leitern (14A, 14B) an der Oberfläche des Körperabschnittes umfasst, welche sich von dem Rand (24R) des Hohlraums zu einem Speiseabschluss erstrecken, wobei die Leiter (14A, 14B) eine Resonanz für linear polarisierte Signale bei der zweiten Signalfrequenz zeigen; und das System ferner eine Kopplungsstufe (32) mit einer gemeinsamen Signalleitung (32A) umfasst, welche der Antennenspeisestruktur und wenigstens zwei weiteren Signallei tungen(32B, 32C) zum Verbinden zugeordnet ist um bei der ersten bzw. zweiten Signalempfangsfrequenz zu arbeiten.
System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet dassdie Kopplungsstufe ein Impedanzanpassungsglied (34) und ein Signalführungsglied (36) aufweist, welche beide zwischen der Speisestruktur und den weiteren Signalleitungen (32B, 32C) verbunden sind, wobei das Signalführungsglied (36) angeordnet ist um die gemeinsame Signalleitung (34A) und eine der weiteren Signalleitungen (32B; 32C) für Signale bei der ersten Signalfrequenz miteinander zu koppeln, und um die gemeinsame Signalleitung (32A) und die andere weitere Signalleitung (32B; 32C) für Signale bei der zweiten Signalfrequenz miteinander zu koppeln.
System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet dass das Paar von langgestreckten Leitern (14A, 14B) als verdrillte Schleife gebildet ist, wobei die Enden der Leiter im wesentlichen in einer einzelnen Ebene (28) liegen, welche die Mittenachse (12A) umfasst, wodurch sie eine zugeordnete Strahlungscharakteristik bei der zweiten Signalfrequenz besitzen, die omnidirektional mit Ausnahme einer Nullstelle, welche mittig auf einer durch den Kern verlaufenden transversalen Nullachse angeordnet ist.
System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet dass die erste Signalfrequenz im wesentlichen 1575 MHz oder 1228 MHz ist, oder im Bereich von 1597 bis 1617 MHz, oder 1240 bis 1260 MHz oder 1610 bis 1626,5 MHz, oder 2483,5 bis 2500 MHz, oder 1626,5 bis 1646,5 MHz, oder 1525 bis 1545 MHz; wobei die zweite Signalfrequenz im Bereich von 824 bis 960 MHz oder 1710 bis 1990 MHz liegt.
System, das als Mobiltelefon ausgebildet ist um Satelli tensignale mit Zirkularpolarisation zu empfangen und zusätzlich um terristische Telefonsignale in einem Frequenzband zu empfangen, das von der Frequenz der empfangenen Satellitensignale beabstandet ist, umfassend eine Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 24.
Mobiltelefonsystem (10), das in wenigstens zwei beabstandeten Frequenzbändern betreibbar ist, umfassend eine Antenne (12), eine Kopplungsstufe (32) und eine Hochfrequenzstufe, wobei die Hochfrequenzstufe wenigstens zwei Kanäle (30A, 30B) umfasst, die angepasst sind um bei Frequenzen in den jeweiligen Bänder zu arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne eine Antenne gemäß Anspruch 24 umfasst, wobei die Betriebsfrequenz der Antenne die erste Betriebsfrequenz ist; der isolierende Körper (16) der Antenne sich über die Hohlraumöffnung hinaus erstreckt, das Speisesystem ein Paar von langgestreckten Leitern (14A, 14AR, 14B, 14BR) umfasst, welche als eine Schleife wirken, die eine Resonanz für linear polarisierte Wellen bei der zweiten Betriebsfrequenz zeigt, die Betriebsfrequenzen, bei welchen die Resonanzen für zirkular und linear polarisierte Wellen auftreten, jeweils innerhalb der beabstandeten, die Betriebsfrequenzen der Kanäle umfassende Bänder liegen, und die Kopplungsstufe (32) eine gemeinsame Signalleitung (32A) aufweist, die mit dem Speisesystem der Antenne verbunden ist und weitere Signalleitungen (32B, 32C) zum Verbinden mit dem jeweiligen Eingang der Hochfrequenzstufe, wobei die Eingänge den jeweiligen Kanälen (30A, 30B) zugeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Antenne nach Anspruch 1, wobei Signale durch die Antenne aus ihrer Umgebung empfangen und in eine Hochfrequenzsignalempfängereinheit gespeist werden, die mit der Antenne gekoppelt ist und/oder die Antenne mit Signalen aus einer Hochfrequenzsignalsendeeinheit versorgt wird, die mit der Antenne verbunden ist und die Signale durch die Antenne in ihre Umgebung abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale bei wenigstens einer Frequenz, bei welcher ein Ringresonanzmode um den Sperrtopf an dessen offenen Ende auftritt, der Antenne zugeführt bzw. von der Antenne abgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die aufgenommenen bzw. abgestrahlten Signale zirkularpolarisiert sind.