EP0484454B1

EP0484454B1 - Sende- und/oder empfangsanordnung für tragbare geräte

Info

Publication number: EP0484454B1
Application number: EP90913383A
Authority: EP
Inventors: Josef Rasinger; Arpad Ludwig Scholtz; Ernst Bonek
Original assignee: Siemens AG Oesterreich; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG Oesterreich; Siemens AG
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: EP0484454A1; WO1991002386A1; AT393054B; US5365246A; ATE112421T1; JPH05500889A; ATA181589A; DE59007355D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sende- und bzw. oder Empfangsanordnung für tragbare Geräte, bestehend aus einem den Hochfrequenzteil enthaltenden Abschirmgehäuse aus Metall und einer Antenne, wobei die Antenne aus zwei oder mehreren miteinander strahlunsgekoppelten und im wesentlichen in Längsrichtung gleichorientierten Antennenresonatoren mit jeweils einem freien Resonatorende und jeweils einem über eine Knickkante abgewinkelten und mit dem Abschirmgehäuse leitend verbundenen Ende besteht.
In der EP-A 177 362 ist eine Breitband-Antenne für tragbare Funkgeräte beschrieben. Sie besteht aus zwei abgewinkelten Resonatoren unterschiedlicher Resonanzfrequenz. Beide Resonatoren werden von einer gemeinsamen Leitung aus über eine Abzweigung in der Art einer "Inverted-F-Antenne" gespeist. Die Antennenresonatoren wirken unabhängig voneinander und bilden keine Einheit. Daher ist auch der Wirkungsgrad nicht besonders groß. Der Abstand zwischen den parallelen Schenkeln ist konstant.
In der US 4,584,585 ist eine Antenne mit Resonatoren aus Drahtwinkeln beschrieben. Ein Resonator wird am Ende angespeist und bildet eine "Inverted-L-Antenne". Der zweite Resonator ist strahlungsgekoppelt. Mit dieser Anordnung wird zwar ein guter Wirkungsgrad erreicht, die Antenne hat jedoch eine feste Impedanz und ist schlecht anpaßbar. Die Form des aktiven Antennenresonators ist verhältnismäßig schwierig zu biegen, und die Grundplatte weist darüberhinaus auch noch eine Stufe auf. Die Bandbreite ist verhältnismäßig gering.
In der GB-A 2 067 842 ist eine Mikrostreifenantenne beschrieben, die auf eine isolierende Masse aufgebracht ist. Auch hier ist der Abstand zwischen den beiden Antennenresonatoren konstant. Die Resonatoren liegen einander mit den freien Enden gegenüber. Der Speisepunkt liegt nahe dem freien Ende eines Resonators. "Inverted-F-Antennen" sind aus T. Taga und K. Tsunekawa, "Performance Analysis of a Built-In Planar Inverted F Antenna for 800 MHz Band Portable Radio Units," IEEE Trans., Selected Areas in Commun., vol. SAC-5, no.5, pp. 921-929, June (1987) bekannt. Eine Anpassung derartiger Antennen erfolgt durch variation der Position des Speisepunktes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sende- bzw. Empfangsleistung der Antenne zu verbessern, wobei bei großer Bandbreite eine einfache Herstellbarkeit und gute Anpaßbarkeit gewährleistet sein soll.
Dies wird gemäß Patentanspruch 1 durch eine Sende- und/oder Empfangsanordnung für tragbare Geräte erreicht, bestehend aus einem den Hochfrequenzteil enthaltenden Abschirmgehäuse aus Metall und einer Antenne, wobei die Antenne aus zwei oder mehreren miteinander strahlunsgekoppelten und im wesentlichen in Längsrichtung gleichorientierten Antennenresonatoren mit jeweils einem freien Resonatorende und jeweils einem über eine Knickkante abgewinkelten und mit dem Abschirmgehäuse leitend verbundenen Ende besteht, wobei der Senderausgang bzw. Empfängereingang, gegebenenfalls über ein Duplexfilter, durch eine koaxiale Durchführung im Abschirmgehäuse über eine Speiseleitung nur mit dem Speisepunkt eines einzigen Antennenresonators verbunden ist, welcher Speisepunkt zwischen der Knickkante und dem Freien Resonatorende dieses einzigen Antennenresonators liegt, und wobei zum Variieren der Eingangsimpedanz der Antenne die lichte Weite des zwischen zwei benachbarten Antennenresonatoren gebildeten Schlitzes im Bereich des freien Resonatorendes erheblich kleiner ist als an der Knickkante.
Die nichtgespeisten Resonatoren der Antenne werden strahlungsgekoppelt durch den gespeisten Resonator angeregt, wodurch die Bandbreite der Antenne vergrößert wird. Durch die abgewinkelte Form und die Verbreiterung der Enden fließen Ströme in allen drei Raumrichtungen. Es bilden sich hohe Querströme aus, die eine kleine Impedanz bedingen. Dadurch werden Lücken in der Richtcharakteristik der Antenne gefüllt. Durch den geringen Platzbedarf ist die Anordnung hervorragend für Mobilfunkanwendungen geeignet. Sie ist leicht herstellbar unc die gesamte Hochfrequenz-, Niederfrequenz- und Digitalelektronik eines tragbaren Funkgerätes kann im Abschirmgehäuse untergebracht werden. Das Metallgehäuse dient gleichzeitig als Erdnachbildung für die Antenne. Durch Änderung des Befestigungspunktes der Speiseleitung am Antennenresonator und dadurch, daß zum variieren der Eingangsimpezanz der Antenne die Resonatoren im Bereich ihrer Enden verbreitert sind, ist der Variationsbereich besonders groß. Daher können in vielen Anwendungsfällen Anpassungsnetzwerke zwischen Antenne und Sendeendstufe bzw. Sendefilter, sowie zwischen Antenne und Empfängereingang bzw. Empfangsfilter eingespart werden. Die Anordnung der zueinander im wesentlichen parallelen Antennenresonatoren kann auch als Schlitzantenne beschrieben werden, wobei durch Breite und Form des Schlitzes zwischen den Resonatoren die Eingangsimpedanz in weiten Grenzen variabel ist.
Die Aufgabe kann nach Patentanspruch 2 auch durch eine Sende- und Empfangsanordnung für tragbare Geräte gelöst werden, bestehend aus einem den Hochfrequenzteil enthaltenden Abschirmgehäuse aus Metall und einer Antenne, wobei die Antenne aus zwei oder mehreren miteinander strahlungsgekoppelten und im wesentlichen in Längsrichtung gleichorientierten Antennenresonatoren mit jeweils einem freien Resonatorende und jeweils einem über eine Knickkante abgewinkelten und mit dem Abschirmgehäuse leitend verbundenen Ende besteht, wobei der Senderausgang und der Empfängereingang jeweils über ein Sendefilter bzw. Empfangsfilter durch eine koaxiale Durchführung im Abschirmgehäuse über je eine Speiseleitung mit dem Speisepunkt eines anderen Antennenresonators verbunden sind, welcher Speisepunkt jeweils zwischen der Knickkante und dem freien Resonatorende des jeweiligen Antennenresonators liegt, und wobei zum variieren der Eingangsimpedanz der Antenne die lichte Weite des zwischen zwei benachbarten Antennenresonatoren gebildeten Schlitzes im Bereich des Freien Resonatorendes erheblich kleiner ist als an der Knickkante.
Zu den Vorteilen der Anordnung nach Anspruch 1 wird durch die Speisung zweier Antennenresonatoren und die Verbindung der Speiseleitungen mit Sende- und Empfangsfilter eine teilweise Entkoppelung von Senderausgang und Empfängereingang erreicht. Darüberhinaus ist eine getrennte Optimierung von Sender- und Empfängeranpassung möglich.
Die Antenne kann sich im Prinzip über jeder beliebigen Seitenfläche des Abschirmgehäuses befinden. In Versuchen hat es sich jedoch als günstig erwiesen, daß die Antennenresonatoren an der Oberseite bzw. Deckfläche des Abschirmgehäuses angeordnet sind. Für einen Diversity-Betrieb ist die Antenne aus mindestens zwei gespeisten, einander gegenüberliegenden Teilantennen aufgebaut, die jeweils aus den zwei oder mehreren miteinander strahlungsgekoppelten umd im wesentlichen gleichorientierten Antennenresonatoren bestehen (Fig. 4). Beide Teilantennen können gleich lang sein, es entsteht Doppelresonanz. Die Antenne besteht aus Lambda/4-Resonatoren. Daher kann die Bandbreite noch weiter vergrößert werden, wenn die Länge der Antennenresonatoren ungleich ist.
Ein zuverlässiger mechanischer Aufbau wird dadurch erreicht, daß die abgewinkelten Antennenresonatoren aus Blechwinkeln gebildet sind. Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik ist es vorteilhaft, daß drei Blechwinkeln vorhanden sind und der mittlere Blechwinkel mit der Speiseleitung verbunden ist. Zur Herstellung der Metallteile in einem einzigen Arbeitsgang ist es vorteilhaft, daß das Abschirmgehäuse und die Blechwinkel aus einem flachen Blech ausgestanzt und in die entsprechende Form gebogen sind. Es ist aber auch möglich, daß die Blechwinkeln auf das Abschirmgehäuse gelötet sind.
Die mechanische Belastbarkeit der Antenne wird dadurch erhöht, daß die Blechwinkel U-förmigen Langsschnitt aufweisen und der nicht gespeiste, bzw. nicht strahlungsgekoppelte Schenkel an einer aus dem Abschirgehäuse herausragenden Platine leitend befestigt und über eine Massefläche mit dem Abschirmgehäuse verbunden ist. Eine besondere Steifigkeit wird dadurch erreicht, daß die Platine zwischen die freien Resonatorenden der Blechwinkel ragt und die Resonatorenenden mit der Platine verbunden sind. Durch diese Maßnahmen ist die Antenne auf der Platine integrierbar.
Eine besondere mechanische Widerstandsfähigkeit ist dadurch gegeben, daß das Abschirmgehäuse von einem Kunststoffgehäuse umgeben ist, auf das die Blechwinkel als Metallfolie außen oder innen aufgebracht und über eine Massedurchführung mit dem Abschirmgehäuse verbunden sind.
Darüberhinaus ist es auch vorteilhaft, daß die abgewinkelten Antennenresonatoren aus Drahtwinkeln gebildet sind. Diese Drahtwinkeln laufen derart aufeinander zu, daß ihre freien Resonatorenden nur knapp voneinander entfernt sind. Auch hier fließen dann hohe Ströme und es ergibt sich eine kleine Impedanz. Der "Inverted-F-Aufbau" hat gegenüber dem "Inverted-L-Aufbau" den Vorteil einer höheren Güte der Anpassung an die Breitbandigkeit. Die Verbesserung beträgt etwa 50 - 100 %.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel mit zwei Blechwinkeln,
Fig. 2 den Grundriß mit dem Antennenbereich,
Fig. 3 ein Beispiel mit zwei Speiseleitungen,
Fig. 4 ein Beispiel mit zwei Teilantennen,
Fig. 5 ein Beispiel mit drei Antennenresonatoren,
Fig. 6 ein Beispiel der Integration auf einer Platine,
Fig. 7 ein Beispiel mit Resonatoren aus Metallfolie und
Fig. 8 ein Beispiel mit Resonatoren aus Drahtwinkeln.

In den folgenden Ausführungsbeispielen werden Antennen mit zwei oder mehreren abgewinkelten Resonatoren beschrieben, die in tragbare Funkgeräte, wie Schnurlos-Telefone, Mobil-Telefone, Pager, "Telepoint-Geräte" etc. einbaubar ist. Als interne Antenne für ein digitales Schnurlos-Telefon ist sie auf das 1,7 GHz-Band eingestellt. Die gemeinsamen Funktionsmerkmale sind im Allgemeinen nur im ersten Ausführungsbeispiel angegeben.
Der Aufbau einer ersten Antenne ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einem Abschirmgehäuse 1 sind an der Oberseite die beiden als Antenne wirkenden Blechwinkel 2,3 angebracht. Das Abschirmgehäuse 1 beinhaltet die gesamte Hochfrequenz-, Niederfrequenz- und Digitalelektronik des Mobilteiles eines Schnurlos-Telefons.
Außer der Schirmung erfüllt das Abschirmgehäuse 1 auch die Funktion einer Erdnachbildung für die Antenne und beeinflußt die Bandbreite. Je größer es ist, desto kleiner wird die Bandbreite. Die Oberseite des Abschirmgehäuses 1 hat sich als günstiger Platz für die Anbringung der Antenne herausgestellt.
Das Abschirmgehäuse 1 (bzw. Teile desselben) und die Blechwinkel 2,3 sind aus einem flachen Blech ausgestanzt und wie in der Fig. 1 dargestellt zurechtgebogen. Mit dem ersten Blechwinkel 2 ist eine Speiseleitung 4 verbunden, die über eine koaxiale Durchführung 5 aus dem Inneren des Abschirmgehäuses 1 herausführt. Der erste Blechwinkel 2 ist somit das gespeiste Element der Antenne, der zweite Blechwinkel 3 ist mit dem ersten Blechwinkel 2 strahlungsgekoppelt. Die Speiseleitung 4 ist im Inneren des Abschirmgehäuses 1 über einen Duplexfilter mit einem Empfängereingang bzw. Senderausgang verbunden.
Fig. 2 zeigt den Befestigungspunkt der Speiseleitung 4 am ersten Blechwinkel 2. Der Ort dieses Befestigungspunktes und die Formgebung der einander zugewandten Kanten der Blechwinkel 2,3 gestattet es, die Eingangsimpedanz der Antenne über einen großen Bereich zu variieren. Die Blechwinkel 2,3 sind zu den Enden hin verbreitert. Dadurch wird ein Anpassungsnetzwerk zwischen der Antenne und dem Senderausgang bzw. Empfängereingang eingespart. Die beiden Blechwinkel 2,3 weisen eine unterschiedliche Länge auf. Aufgrund der daraus folgenden unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Einzelstrahler ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Bandbreite gegenüber einer vergleichbaren, nur aus einem einzigen Blechwinkel bestehenden Antenne.
Eine alternative Möglichkeit der Verbindung von Sender und Empfänger mit der erfindungsgemäßen Antenne ist in Fig. 3 dargestellt. Der erste Blechwinkel 2 ist mit der ersten Speiseleitung 4 verbunden, der zweite Blechwinkel 3 mit einer zweiten Speiseleitung 6. Die Speiseleitungen 4,6 sind über Durchführungen 5 herausgeführt. Der Senderausgang ist über ein Sendefilter mit dem ersten Blechwinkel 2 verbunden. Entsprechend ist der Empfängereingang über ein Empfangsfilter mit dem zweiten Blechwinkel 3 verbunden. Durch diese Art der Ausführung wird ein Teil der erforderlichen Entkopplung von Senderausgang und Empfängereingang bewirkt. Die Variation der Eingangsimpedanz durch Formgebung der Blechwinkel 2,3 und Variation des Befestigungspunktes der Speiseleitungen 4,6 erfolgt wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 4 zeigt eine Antennenanordnung für Diversity-Betrieb. Dem Abschirmgehäuse 1 sind auf der Schmalseite zwei Teilantennen vorgelagert. Die erste Teilantenne besteht aus den ersten beiden Blechwinkeln 2,3. Die zweite Teilantenne ist identisch aufgebaut und besteht aus Blechwinkeln 7,8. Die Anspeisung für die erste Teilantenne erfolgt über die Speiseleitung 4 durch eine koaxiale Durchführung 5, für die zweite Teilantenne gilt entsprechendes. Die Länge der Resonatoren beträgt Lambda/4. Beide Teilantennen sind gleich lang und es kommt zu einer Doppelresonanz.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Sende- und Empfangsanordnung ist zwischen den beiden Blechwinkeln 2,3 ein dritter Blechwinkel 9 vom Abschirmgehäuse 1 her angeordnet. Das freie Resonatorende des dritten Blechwinkels 9 ist symmetrisch gegen die ersten beiden Blechwinkel 2,3 hin verbreitert. Über die koaxiale Durchführung 5 ist die Speiseleitung 4 mit dem dritten Blechwinkel 9 verbunden. Die beiden ersten Blechwinkel 2,3 sind strahlungsgekoppelt.
Im Beispiel nach Fig. 6 besteht das Abschirmgehäuse 1 aus zwei Teilen und umschließt eine Platine 12, auf der die Bauelemente des Gerätes angeordnet sind. Die Platine 12 ragt auf der oberen Schmalseite zwischen den Teilen des Abschirmgehäuses 1 heraus und ist mit einer Massefläche 14 versehen. Die Antenne besteht aus Blechwinkeln 10,11, die einen U-förmigen Längsschnitt aufweisen. Sie sind durch eine Lötstelle 13 über die ganze Länge des jeweils unteren Schenkels der Blechwinkel 10,11 mit der Massefläche 14 verbunden und an der Platine 12 befestigt. Die Speisung erfolgt über eine Leiterbahn durch die Durchführung 5 im Abschirmgehäuse 1 und eine Ausnehmung im unteren Schenkel des Blechwinkels 10 zum Speisepunkt 15. Auch hier ist der Blechwinkel 10 mit der Platine 12 verbunden. Falls erforderlich, kann auch das freie Resonatorende mit der Platine 12 verbunden werden. Es ist sowohl eine getrennte als auch eine gemeinsame Speisung der Blechwinkel 10,11 möglich.
Bei einem weiteren Beispiel nach Fig. 7 ist das Abschirmgehäuse 1 von einem Kunststoffgehäuse 16 umgeben. Die Blechwinkel 2,3 sind außen auf das Kunststoffgehäuse 16 aufgespritzt. Es wäre auch möglich, sie herauszuätzen. Von einem Speisepunkt 17 aus ist der Blechwinkel 2 mit dem Sender/Empfänger verbunden. Über eine Massedurchführung 18 wird der Kontakt der Blechwinkel 2,3 mit dem Abschirmgehäuse 1 hergestellt.
Die Antenne der Sende- und Empfangsanordnung nach Fig. 8 ist aus Drahtwinkeln 19,20 hergestellt. Sie laufen aufeinander zu und sind am freien Resonatorende nur mehr knapp voneinander entfernt. Die Drahtwinkel 19,20 sind an das Abschirmgehäuse 1 angelötet, und der zweite Drahtwinkel 20 ist über eine Speiseleitung 4 mit dem Sender/Empfänger verbunden. Dazu weist das Abschirmgehäuse 1 eine koaxiale Durchführung 5 auf. Diese Drahtwinkel 19,20 sind gestreckt ausgeführt und haben daher eine einfache Form. Das Abschirmgehäuse 1 weist keine Stufe auf.

Claims

Sende- und/oder Empfangsanordnung für tragbare Geräte, bestehend aus einem den Hochfrequenzteil enthaltenden Abschirmgehäuse (1) aus Metall und einer Antenne, wobei die Antenne aus zwei oder mehreren miteinander strahlungsgekoppelten und im wesentlichen in Längsrichtung gleichorientierten Antennenresonatoren (2,3;7,8;9) mit jeweils einem freien Resonatorende und jeweils einem über eine Knickkante abgewinkelten und mit dem Abschirmgehäuse (1) leitend verbundenen Ende besteht, wobei der Senderausgang bzw. der Empfängereingang, gegebenenfalls über ein Duplexfilter, durch eine koaxiale Durchführung (5) im Abschirmgehäuse (1) über eine Speiseleitung (4) nur mit dem Speisepunkt eines einzigen Antennenresonators (2;9) verbunden ist, welcher Speisepunkt zwischen der Knickkante und dem freien Resonatorende dieses einzigen Antennenresonators (2;9) liegt, und wobei zum Variieren der Eingangsimpedanz der Antenne die lichte Weite des zwischen zwei benachbarten Antennenresonatoren (2,3; 7,8;9) gebildeten Schlitzes im Bereich des freien Resonatorendes erheblich kleiner ist als an der Knickkante.
Sende- und Empfangsanordnung für tragbare Geräte, bestehend aus einem den Hochfrequenzteil enthaltenden Abschirmgehäuse (1) aus Metall und einer Antenne, wobei die Antenne aus zwei oder mehreren miteinander strahlungsgekoppelten und im wesentlichen in Längsrichtung gleichorientierten Antennenresonatoren (2,3; 7,8;9) mit jeweils einem freien Resonatorende und jeweils einem über eine Knickkante abgewinkelten und mit dem Abschirmgehäuse (1) leitend verbundenen Ende besteht, wobei der Senderausgang und der Empfängereingang jeweils über ein Sendefilter bzw. Empfangsfilter durch eine koaxiale Durchführung (5) im Abschirmgehäuse (1) über je eine Speiseleitung (4,6) mit dem Speisepunkt eines anderen Antennenresonators (2,3) verbunden sind, welcher Speisepunkt jeweils zwischen der Knickkante und dem freien Resonatorende des jeweiligen Antennenresonators (2,3) liegt, und wobei zum Variieren der Eingangsimpedanz der Antenne die lichte Weite des zwischen zwei benachbarten Antennenresonatoren (2,3; 7,8;9) gebildeten Schlitzes im Bereich des freien Resonator endes erheblich kleiner ist als an der Knickkante.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antennenresonatoren (2,3; 7,8;9) an der Oberseite bzw. Deckfläche des Abschirmgehäuses (1) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus mindestens zwei gespeisten, einander gegenüberliegenden Teilantennen aufgebaut ist, die jeweils aus den zwei oder mehreren miteinander strahlungsgekoppelten und im wesentlichen gleichorientierten Antennenresonatoren (2,3,7,8) bestehen (Fig. 4).
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Antennenresonatoren ungleich ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewinkelten Antennenresonatoren (2,3;7,8;9) aus Blechwinkeln gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß drei Blechwinkel (2,3,9) vorhanden und der mittlere Blechwinkel (9) mit der Speiseleitung (4) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (1) und die Blechwinkel (2,3; 7,8; 9) aus einem flachen Blech ausgestanzt und in die entsprechende Form gebogen sind.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Blechwinkel (2,3; 7,8; 9) auf das Abschirmgehäuse (1) gelötet.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechwinkel (10,11) U-förmigen Längsschnitt aufweisen und der nicht gespeiste, bzw. nicht strahlungsgekoppelte Schenkel an einer aus dem Abschirmgehäuse (1) herausragenden Platine (12) leitend befestigt und über eine Massefläche (14) mit dem Abschirmgehäuse (1) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Platine (12) zwischen die freien Resonatorenden der Blechwinkel (10,11) ragt und die Resonatorenden mit der Platine (12) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (1) von einem Kunststoffgehäuse (16) umgeben ist, auf das die Blechwinkel (2,3) als Metallfolie außen oder innen aufgebracht und über eine Massedurchführung (18) mit dem Abschirmgehäuse (1) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewinkelten Antennenresonatoren aus Drahtwinkeln (19,20) gebildet sind.