EP0965152B1 - Resonanzantenne - Google Patents

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EP0965152B1
EP0965152B1 EP98912379A EP98912379A EP0965152B1 EP 0965152 B1 EP0965152 B1 EP 0965152B1 EP 98912379 A EP98912379 A EP 98912379A EP 98912379 A EP98912379 A EP 98912379A EP 0965152 B1 EP0965152 B1 EP 0965152B1
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EP
European Patent Office
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antenna
conductor section
resonator
fact
conductor
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Application number
EP98912379A
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English (en)
French (fr)
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EP0965152A1 (de
Inventor
Lutz Rothe
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Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
Original Assignee
Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh filed Critical Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
Publication of EP0965152A1 publication Critical patent/EP0965152A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0965152B1 publication Critical patent/EP0965152B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines

Definitions

  • the invention relates to an antenna for receiving and transmitting of electromagnetic microwaves of wavelengths ⁇ from a substrate layer made of low dielectric Material that has a conductive ground plane on one side has and the opposite side conductive in the form of Microstrip lines is structured.
  • the scope of the invention extends ostensibly in the mobile and handheld technology sector within the spectral range between 890 MHz and 960 MHz or 1710 MHz and 1890 MHz by the component according to the invention into the corresponding end device and handheld technology is integrated.
  • Known antenna solutions for the field of mobile radio applications are based on linear antenna designs in form of monopole arrangements in a shortened or unabridged version. These linear antennas are both externally mountable On-board antennas as well as directly with the end device coupled components known, as well as with different Indicative factor and efficiency, where these components in the azimuthal plane are only round strands are.
  • Known flat antenna solutions are based on two-dimensional, dipole-like configurations, whose directional diagram is irregular and in connection with the the respective antenna carrier or antenna body have a significant radiation field deformation. The radiation properties related to the area of application are clear from those of the classic linear antennas inferior. There are also targeted blanking properties of the radiation diagram undetectable. Farther no solutions are known whose electromagnetic or radiation properties based on asymmetrical and open waveguide technology, especially microstrip technology, using foil conductors or foil-like guide surfaces can be achieved.
  • the one shown in the patent DE 41 13 277 and azimuthal omnidirectional antenna configuration is only possible from a film as a mechanical structural support, said antenna component having an outside of the terminal equipment arranged head capacity is.
  • the main radiation direction an inclination with respect to the elevation values of approx. (minus) -30 ° (angular degree), that is, a negative one Has elevation angle.
  • a disadvantage of the known antenna configurations is hence that they are either in the azimuthal plane exclusively are omnidirectional or only within the negative Radiate elevation angle range.
  • the object of the present invention is a system integrable Antenna component with the smallest possible area Expansion with azimuthal as possible one-sided Directionality, that is the preferred illumination of a Spatial hemisphere and a limited angular displacement of the elevation-related directivity within the positive To provide elevation angle range.
  • the antenna according to the invention which can also be referred to as a foil radiator, is a modified ⁇ / 4 radiator which is short-circuited to ground on one side.
  • the elongated conductor section which serves as a resonator, is made shorter than ⁇ ⁇ / 4.
  • the resonator becomes inductive and the vibration condition is not met.
  • an end capacitance is generated at the end of the resonator opposite the short-circuited side.
  • This end capacitance is generated by at least one additional additional conductor section, one end of which connects to the end of the resonator opposite the short-circuited side and the other end of which forms an open circuit.
  • the length of the additional further conductor sections determine the vibration condition and thus the resulting resonance frequency of the entire structure.
  • Various embodiments of the conductor sections at the end of the resonator are conceivable for realizing a defined end capacitance for maintaining the vibration condition.
  • the end capacitance can be realized by one or more lines of appropriate length, which do not necessarily have to run parallel to one another or to the resonator. All lines can also be designed in any curved shape and not just in a straight shape.
  • the electrical properties of this antenna e.g. Quality, Impedance bandwidth, efficiency and gain depend on the size of the mechanical reduction (reduction) achieved, the width of the resonator, the distance between the resonator and the end capacitance sections, the effective permittivity constant, the substrate thickness or of the dielectric loss angle.
  • an essential feature of the invention is that the resonators implemented in microstrip technology for receiving the microwaves are shorter than ⁇ ⁇ / 4, which enables a particularly compact and small construction to be achieved. Because the resonator length is chosen to be shorter than ⁇ ⁇ / 4, the oscillation condition is no longer met, as already explained. The required end capacities are realized by further line sections. An increase in the frequency bandwidth can be achieved by additional radiator elements through electromagnetic coupling. This is done by additional microstrip lines, which are arranged at certain distances from the resonator and its end capacitors.
  • resonators can be arranged spatially nested in one another and matched to the required frequency bands.
  • the individual antennas do not have to be in one plane but can also be arranged in layers one above the other. It is also possible that several antenna arrangements are provided per layer, so that more than two different frequency bands can be operated. This makes it possible for a mobile radio telephone to be able to communicate with different mobile radio networks.
  • FIG. 1 shows an antenna according to the invention with a film-like low dielectric carrier 10, which is one-sided with a conductive structure S consisting of parallel to each other and rectilinear conductor sections 2, 3 and 4 of different lengths coated is, the conductor section 3 is conductive and one-sided is connected to a ground plane 8, which in turn, as shown in Figure 2, via a conductive coating the cross-sectional area of the carrier substrate 10 is connected to ground level 1.
  • the ground surface 8 by means of or a plurality of contact pins covering the dielectric substrate layer 10 reach through, with the ground level 1 in connection his.
  • the conductive coating of the Cross-sectional area of the carrier substrate 10 does not have to have the entire width of the antenna, but it can be a partial coating of the film cross-sectional area made become.
  • the conductor sections 2, 3 and 4 are each by a gap 5.6 of defined spa width from one another arranged separately, the conductor sections 2, 3 and 4 in each case by a strip-shaped strip running in the transverse direction Conductor section 7 of defined section length and -Width are conductively interconnected, the in Conductor section running transversely on that of the ground contact 8 opposite end of the conductor section Antenna is arranged.
  • the input impedance of the microstrip array is along the location of the coupling 9 the line of symmetry of the conductor section 3 determines the again from the resulting length of the conductor sections 2 and 4 depends, the signal coupling in and out on Location 9 via a circular coaxial orifice slit or rectangular aperture.
  • Dielectric constant as well as defined geometry is influenced or minimized.
  • the dielectric carrier layer 10 is in particular one Polystyrene film with a layer thickness of 1 mm, which is one-sided and all over with a copper or aluminum foil Layer thickness between 0.01 mm and 0.5 mm is provided forms the ground plane.
  • the dielectric layer 11 also has one Layer thickness of approx. 1 mm.
  • the antenna has a length L A of 119 mm and a width B A of 40 mm.
  • the length L 8 of the ground surface 8 is 20 mm.
  • the distance L 5 from the ground surface 8 to the feed point of the antenna 9 is also 20 mm.
  • the diameter of the aperture 15 is 4.1 mm.
  • the length of the conductor sections K 1 and K 2 forming the final capacitance are 82.6 mm and 56.7 mm.
  • the length L A of the conductor section 3 or R forming the resonator is 85.7 mm.
  • the width of the conductor section 2 is 11.5 mm and the width of the conductor section 4 is 9.5 mm.
  • the width of the resonator conductor section is 12 mm.
  • FIG. 3 shows a radiator according to the invention, in which only one parallel to the resonator conductor section 3 or R arranged conductor section K forms the final capacitance.
  • FIG. 4 shows an emitter according to the invention, in which the. Sndcapacitance is formed by two parallel conductor sections K 1 and K 2 , which are arranged on one side of the resonator conductor section R.
  • an antenna can be configured in which the resulting end capacitance is realized by three or four conductor sections K 1 to K 4 .
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the invention Antenna where the end capacitance is Conductor sections 16 and 17 are not rectilinear, but have a rectangular shape.
  • FIG. 8 shows antennas in which the frequency bandwidth the antenna through electromagnetic coupling with additional conductor elements, which on the same dielectric carrier substrate are arranged, is adjusted or enlarged.
  • the antenna according to FIG. 8 corresponds in its basic structure to the antenna according to FIG. 3, a U-shaped conductor section 19, 20, 21 with its one leg 21 in the gap between the resonator conductor section 3 and the final capacity. Head section 2 engages.
  • the other leg 19 is with an additional ground surface 18 in connection, which in turn corresponding to the ground plane 9 with the ground plane i is connected.
  • the basic structure of FIG. 9 corresponds of Figure 1, with two additional U-shaped Conductor sections 23 to 28 are provided, which each with its one leg 27, 28 in the through the Intervene conductor sections 2, R, 4 formed column.
  • FIGS. 9 and 10 show further possible configurations the antenna according to the invention, the arrangement of the additional, the coupling to increase the frequency bandwidths influencing conductor sections 30 to 38 is in principle arbitrary. It is also conceivable that the Interconnect conductor sections spirally so that on relatively small space a long parallel routing of conductor sections is produced.
  • FIGS. 11 to 14 show antennas in which two antenna signals can be coupled in or out, as a result of which two frequency bands can be received or operated simultaneously using only one film antenna. Due to the different design of the resonator conductor sections R a and R b , the resonance conditions in connection with the conductor sections 41a, b and 42a, b and the locations 43a, 43b of the coupling-out of the electromagnetic waves are determined. Due to the nesting of the two radiator arrangements, they can be arranged in a confined space.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of an antenna with two connections 51a, 51b for dielectric waveguides, only that shown in Figure 8 Spotlight arrangement in different dimensions arranged side by side on a substrate carrier are.
  • Figures 13 and 14 show a multi-layer antenna, at which the antennas according to the invention one above the other in several layers are sandwiched, one each Antenna the vibration conditions for the frequencies of a corresponds to certain cellular network. Because of the different Resonance frequencies interfere with one another arranged strahiunas structures only insignificantly. Compared to the arrangement according to FIG. 2, the Layering the radiator structures less space needed, whereby the antenna according to Figure 13 more compact and thus the housing of a mobile phone that encloses it can be made relatively small.
  • FIG. 14 shows the antenna according to FIG. 13 in cross section.
  • the conductive coating 12a, b of the cross-sectional area of the carrier substrates 10a and 10b is conductively connected to the structured layers S A and S B.
  • Such a conductive cross-sectional coating can also be provided on the opposite side, depending on the antenna design.

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  • Waveguide Aerials (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Empfang und Senden von elektromagnetischen Mikrowellen der Wellenlängen λ, bestehend aus einer Substratschicht aus niederdielektrischem Material, welche auf einer Seite eine leitfähige Masseebene hat und deren gegenüberliegende Seite leitfähig in Form von Mikrostreifenleitungen strukturiert ist.
Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich vordergründig auf den Sektor der Mobilfunk- und Handheld-Technik innerhalb der Spektralbereiche zwischen 890 MHz und 960 MHz oder 1710 MHz und 1890 MHz, indem die erfindungsgemäße Komponente in die entsprechenden Endgeräte- und Handheld-Technik integriert wird.
Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilfunkanwendungen beruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt, sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungsgrad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene ausschließlich rundstraniend sind. Bekannte Flachantennenlösungen beruhen auf flächenhaft angeordneten, dipolähnlichen Konfigurationen, deren Richtdiagramm unregelmäßig und in Verbindung mit dem jeweiligen Antennenträger bzw. Antennenkörper die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfelddeformation aufweisen. Die auf den Anwendungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungseigenschaften des Strahlungsdiagramms nicht nachweisbar. Weiterhin sind keine Lösungen bekannt, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechnik, insbesondere der Mikrostreifentechnik, unter Verwendung von Folienleitern oder folienähnlichen Leitflächen erzielt werden.
Die in der Patentschrift DE 41 13 277 dargestellte und azimutal rundstrahlende Antennenkonfiguration geht ausschließlich von einer Folie als mechanischen Strukturträger aus, wobei die benannte Antennenkomponente mit einer außerhalb des Endgerätcontainments angeordneten Kopfkapazität behaftet ist. In gleicher Weise.geht die in der Patentschrift DE 41 21 333 dargestellte und azimutal rundstrahlende Antennenkonfiguration von einer elektrisch nicht leitenden Folie als mechanischem Strukturträger aus, wobei die Hauptstrahlungsrichtung bezüglich der Elevationswerte eine Neigung von ca. (Minus) -30° (Winkelgrad), das heißt, einen negativen Elevationswinkel aufweist.
Nachteilig bei den bekannten Antennenkonfigurationen ist somit, daß sie entweder in azimutaler Ebene ausschließlich rundstrahlend sind oder lediglich innerhalb des negativen Elevationswinkelbereiches strahlen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine systemintegrierbare Antennenkomponente mit möglichst kleiner flächenhafter Ausdehnung mit möglichst einseitiger azimutaler Richtwirkung, das heißt der bevorzugten Ausleuchtung einer Raumhemisphäre sowie einer begrenzten Winkelversetzung der elevationsbezogenen Richtwirkung innerhalb des positiven Elevationswinkelbereiches bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie der suf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Antenne, welche auch als Folienstrahler bezeichnet werden kann, handelt es sich um einen modifizierten λ/4-Strahler, der auf seiner einen Seite gegen Masse kurzgeschlossen ist. Um eine möglichst kompakte Bauform zu erhalten, wird der längliche Leiterabschnitt, welcher als Resonator diene, kürzer als λε/4 ausgeführt. Dadurch wird der Resonator jedoch induktiv und die Schwingungsbedingung wird nicht eingehalten. Damit die Resonanzbedingung des Strahlerelements erfüllt wird, wird an dem zur kurzgeschlossenen Seite gegenüberliegenden Ende des Resonators eine Endkapazität erzeugt. Diese Endkapazität wird durch mindestens einen zusätzlichen weiteren Leiterabschnitt erzeugt, der mit seinem einen Ende an dem zur kurzgeschlossenen Seite gegenüberliegenden Ende des Resonators anschließt und dessen anderes Ende einen Leerlauf bildet. Die Länge der zusätzlichen weiteren Leiterabschnitte bestimmen die Schwingungsbedingung und somit die resultierende Resonanzfrequenz der gesamten Struktur. Hierbei sind zur Realisierung einer definierten Endkapazität für die Einhaltung der Schwingungsbedingung verschiedene Ausführungsformen der Leiterabschnitte am Ende des Resonators denkbar. Die Endkapazität kann durch eine oder mehrere Leitungen entsprechender Länge, die nicht unbedingt parallel zueinander oder zum Resonator verlaufen müssen, realisiert werden. Alle Leitungen können ebenfalls in beliebiger gekrümmter Form und nicht nur in gerader Form ausgeführt werden.
Durch die Abdeckung der Antenne bzw. des Folienstrahlers durch eine zusätzliche dielektrische Schicht, die in den Designprozeß mit berücksichtigt wird, kann eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber anderen sich in der Nähe des Strahlers befindlichen Dielektrika erreicht werden. Dies ist wichtig, damit durch den Einbau des Folienstrahlers in Funkgeräte (dielektrische Beeinflussung) sowie durch die Beeinflussung, die sich durch das Halten des Funkgeräts in der Hand ergibt, die Funktionsweise erhalten bleibt und der Strahier nicht verstimmt wird.
Da bei dieser Art von Strahlern eine Seite kurzgeschlossen ist, existiert nur ein abstrahlendes oder empfangendes Ende. Dies führt zu einer Unsymmetrie der Richtcharakteristik in der Schwingungsebene des elektrischen Feldvektors (E-Ebene) und somit zu einem Winkelversatz der Hauptstrahlungsrichtung in dieser Ebene um ca. 30° in Blickrichtung kurzgeschlossene Strahlerseite - strahlendes Ende.
Die elektrischen Eigenschaften dieser Antenne, wie z.B. Güte, Impedanzbandbreite, Wirkungsgrad und Gewinn hängen von der Größe der erreichten mechanischen Verkürzung (Verkleinerung), der Breite des Resonators, dem Abstand zwischen dem Resonator und den Endkapazitätleiterabschnitten, der effektiven Permitivitätskonstante, der Substratdicke bzw. des dielektrischen Verlustwinkels ab.
Mittels der vorgestellten Erfindung ist es möglich, auf relativ kleinem Raum zwei oder mehrere Antennen für unterschiedliche Wellenlängen unterzubringen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die in Mikrostreifentechnik realisierten Resonatoren zum Empfang der Mikroweilen kürzer als λε/4 realisiert sind, wodurch sich eine besonders kompakte und kleine Bauweise erzielen läßt. Dadurch, daß die Resonatorlänge kürzer als λε/4 gewählt wird, ist, wie bereits erläutert, die Schwingungsbedingung nicht mehr erfüllt. Die erforderlichen Endkapazitäten werden durch weitere Leitungsabschnitte realisiert. Eine Vergrößerung der Frequenzbandbreite kann durch zusätzliche Strahlerelemente durch elektromagnetische Verkopplung erreicht werden. Dies geschieht durch weitere zusätzliche Mikrostreifsnleitungen, die in bestimmten Abständen zu dem Resonator und seinen Endkapazitäten angeordnet werden. Es ist möglich, mit zwei oder mehreren Resonatoren auf einem Substrat mehrere Wellenbereiche zu empfangen, wobei die Resonatoren ineinander räumlich verschachtelt angeordnet werden können und auf die geforderten Frequenzbänder abgestimmt sind. Die einzelnen Antennen müssen nicht in einer Ebene, sondern können auch in Schichten übereinander angeordnet sein. Dabei ist es auch möglich, daß pro Schicht mehrere Antennenanordnungen vorgesehen sind, so daß mehr als zwei verschiedene Frequenzbänder bedient werden können. Hierdurch ist es möglich, daß ein Mobilfunktelefon mit verschiedenen Mobilfunknetzen kommunizieren kann.
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1:
Erfindungsgemäße Antenne mit einem mit der Masseebene verbundenen Resonator und zwei die Endkapazitäten darstellenden beidseitig an den Resonator angrenzenden Leiterabschnitten;
Figur 2:
Querschnittsdarstellung der Antenne gem. Figur 1;
Figur 3:
Antenne gem. Figur 1 mit nur einem die Endkapazitat bildenden Leiterabschnitt;
Figur 4:
Antenne gem. Figur 1, bei der die Leiterabschnitte auf einer Seite des Resonators angeordnet sind;
Figur 5 und 6:
Antenne mit 4 bzw. 3 die Endkapazitäten bildenden Leiterabschnitten;
Figur 7:
Antenne, deren Endkapazitätsleiterabschnitte nicht gerade, sondern rechteckförmig gestaltet sind;
Figur 8 bis 10:
Erfindungsgemäße Antenne gemäß Figur 2, bei der mehrere ineinander verschachtelt angeordnete Resonatoren zur Vergrößerung der Frequenzbandbreite vorgesehen sind;
Figur 11:
Zwei erfindungsgemäße ineinander verschachtelte Antennen, für den Empfang von zwei Frequenzbändern;
Figur 12:
Zwei auf einem Substrat angeordnete erfindungsgemäße Antennen zum Empfang von zwei Frequenzbänder mit jeweils zusätzlicher Verkopplung zur Vergrößerung der jeweiligen Frequenzbandbreite;
Figur 13:
Draufsicht auf eine Schicht-Antenne zum Empfang von zwei Frequenzbändern;
Figur 14:
Querschnittsdarstellung einer Antenne gem. Figur 13.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne mit einem folienhaften niederdielektrischen Träger 10, welcher einseitig mit einer leitfähigen Struktur S, bestehend aus parallel zueinander und geradlinig verlaufenden Leiterabschnitten 2, 3 und 4 unterschiedlicher Länge beschichtet ist, wobei der Leiterabschnitt 3 leitfähig und einseitig mit einer Massefläche 8 in Verbindung ist, welche wiederum, wie in Figur 2 dargestellt ist, über eine leitfähige Beschichtung der Querschnittsfläche des Trägersubstrats 10 mit der Masseebene 1 in Verbindung ist. Anstatt der ieitfähigen Beschichtung 12 kann in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Massefläche 8 mittels eines oder mehrerer Kontaktstifte, welche die dielektrische Substratschicht 10 durchgreifen, mit der Masseebene 1 in Verbindung sein. Die in Figur 2 gezeigte Leitfähige Beschichtung der Querschnittsfläche des Trägesubstrats 10 muß nicht über die gesamte Breite der Antenne verlaufen, sondern es kann eine partielle Beschichtung der Folienquerschnittsfläche vorgenommen werden. Die Leiterabschnitte 2, 3 und 4 sind jeweils durch einen Spalt 5,6 definierter Spaitbreite voneinander getrennt angeordnet, wobei die Leiterabschnitte 2, 3 und 4 jeweils durch einen in Querrichtung verlaufenden streifenförmigen Leiterabschnitt 7 definierter Abschnittslänge und -breite leitfähig miteinander verbunden sind, wobei der in Querrichtung verlaufende Leiterabschnitt an dem der Massekontaktierung 8 gegenüberliegenden Leiterabschnittsende der Antenne angeordnet ist. Der Leiterabschnitt 3, der an einem Leiterabschnittsende mit der Massefläche 8 verbunden und am gegenüberliegenden Leiterabschnittsende mit dem quer verlaufenden streifenförmigen Leiterabschnitt 7 verbunden ist, wird am Ort 9 mit einem Signalwellenleiter gekoppelt, indem der Innenleiter 13 eines koaxialen Wellenleiters durch eine Blende 15, die in der rückwärtigen Masseebene 1 angeordnet ist, zehtrisch geführt und mit dem Leiterabschnitt 3 am Ort 9 auf der Längs'symmetrielinie des Leiterabschnitts gekoppelt wird, und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters mit der rückwärtigen Masseebene 1 leitfähig an der Blendenberandung 15 verbunden ist.
Die Schwingungsbedingung der offenen und unsymmetrischen Wellenleiterstruktur in Form der Mikrostreifentechnik wird über die geometrische Länge und Breite der Leiterabschnitte 2, 3 und 4 festgelegt. Die Eingangsimpedanz der Mikrostreifenanordnung wird über den Ort der Einkopplung 9 entlang der Symmetrielinie des Leiterabschnitts 3 bestimmt, der wiederum von der resultierenden Länge der Leiterabschnitte 2 und 4 abhängt, wobei die Signalein- bzw. -auskopplung am Ort 9 über eine kreisförmige koaxiale Blende oder eine schlitz- bzw. rechteckförmige Blende erfolgt.
Die Verstimmung des Strahlers infolge dielektrischer Umgebungseinflüsse wird über die Länge der Leiterabschnitte 2 und/oder 4 kompensiert, wobei der Verstimmungsgrad des
Strahlers infolge dielektrischer Umgebungseinflüsse durch die Auflage einer dielektrischen Schicht 11 definierter Dielektrizitätszahl sowie definierter Geometrie zusätzlich beeinflußt bzw. minimiert wird.
Die dielektrische Trägerschicht 10 ist insbesondere eine Polystyrolfolie der Schichtdicke von 1 mm, welche einseitig und ganzflächig mit einer Kupfer- oder Aluminiumfolie der Schichtdicke zwischen 0,01 mm und 0,5 mm versehen ist, die die Masseebene bildet. Gemäß der Figur 2 wird der selbige Polystyrolträger mit einer folienartigen und aus kupfer oder Aluminium bestehenden Struktur S der Schichtdicke zwischen 0,01 mm und 0,5 mm, bestehend aus den parallel zueinander verlaufenden und jeweils durch einen Längsspalt getrennten, geradlinig verlaufenden Leiterabschnitten 2, 3, 4 versehen. Die dielektrische Schicht 11 hat ebenfalls eine Schichtdicke von ca. 1 mm.
In einer besonderen Ausführungsform hat die Antenne eine Länge LA von 119 mm und eine Breite BA von 40 mm. Die Länge L8 der Massefläche 8 beträgt 20 mm. Der Abstand L5 von der Massefläche 8 zum Speisepunkt der Antenne 9 beträgt ebenfalls 20. mm. Der Durchmesser der Blende 15 beträgt 4,1 mm. Die Länge der die Endkapazität bildenden Leiterabschnitte K1 und K2 bemessen sich mit 82,6 mm und 56,7 mm. Die Länge LA des den Resonator bildenden Leiterabschnitts 3 bzw. R beträgt 85,7 mm. Die Breite des Leiterabschnitts 2 beträgt 11,5 mm, und die Breite des Leiterabschnitts 4 beträgt 9,5 mm. Die Breite des Resonatorleiterabschnitts beträgt 12 mm.
Die Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Strähler, bei dem lediglich ein parallel zum Resonatorleiterabschnitt 3 bzw. R angeordneter Leiterabschnitt K die Endkapazität bildet.
Die Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Strahler, bei dem die. Sndkapazität durch zwei parallel angeordnete Leiterabschnitte K1 und K2 gebildet wird, welche auf einer Seite des Resonatorleiterabschnitts R angeordnet sind. Ebenso ist wie in Figur 5 und 6 dargestellt eine Antenne konfigurierbar, bei der die resultierende Endkapazität durch drei oder vier Leiterabschnitte K1 bis K4 realisiert ist.
Die Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne, bei der die die Endkapazität bildenden Leiterabschnitte 16 und 17 nicht geradlinig sind, sondern einen rechteckigen Verlauf haben.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen Antennen, bei denen die Frequenzbandbreite der Antenne durch elektromagnetische Verkopplung mit zusätzlichen Leiterelementen, welche auf dem gleichen dielektrischen Trägersubstrat angeordnet sind, eingestellt bzw. vergrößert wird. Die Antenne gemäß Figur 8 entspricht in ihrem Grundaufbau der Antenne gemäß Figur 3, wobei zusätzlich ein U-förmiger Leiterabschnitt 19, 20, 21 mit seinem einen Schenkel 21 in den Spalt zwischen dem Resonatorleiterabschnitt 3 und dem die Endkapazität bildenden. Leiterabschnitt 2 greift. Der andere Schenkel 19 ist mit einer zusätzlichen Massefläche 18 in Verbindung, welche ihrerseits entsprechend der Massefläche 9 mit der Masseebene i in Verbindung ist. Die Figur 9 entspricht in ihrem Grundaufbau der Figur 1, wobei nunmehr zwei zusätzliche U-förmige Leiterabschnitte 23 bis 28 vorgesehen sind, welche jeweils mit ihrem einen Schenkel 27, 28 in die durch die Leiterabschnitte 2, R, 4 gebildeten Spalte eingreifen.
Die Figuren 9 und 10 zeigen weitere mögliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antenne, wobei die Anordnung der zusätzlichen, die Verkopplung zur Vergrößerung der Frequenzbandbreiten beeinflussenden Leiterabschnitte 30 bis 38 prinzipiell beliebig ist. Es ist auch vorstellbar, daß die Leiterabschnitte spiralförmig ineinandergreifen, so daß auf relativ geringem Raum eine lange parallele Führung von Leiterabschnitten erzeugt wird.
Die Figuren 11 bis 14 zeigen Antennen, bei denen zwei Antennensignale ein- bzw. auskoppelbar sind, wodurch zwei Frequenzbänder gleichzeitig mittels nur einer Folienantenne empfangbar bzw. bedienbar sind. Durch die unterschiedliche Gestaltung der Resonatorleiterabschnitte Ra und Rb werden die Resonanzbedingungen in Verbindung mit den Leiterabschnitten 41a,b und 42a,b sowie den Orten 43a, 43b der Auskopplung der elektromagnetischen Wellen bestimmt. Durch die Ineinanderverschachtelung der beiden Strahleranordnungen können diese auf engstem Räum angeordnet werden.
Die Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antenne mit zwei Anschlüssen 51a, 51b für dielektrische Wellenleiter, wobei lediglich die in Figur 8 dargestellte Strahleranordnung in jeweils unterschiedlicher Dimensionierung nebeneinander auf einem Substratträger angeordnet sind.
Die Figuren 13 und 14 zeigen eine Mehrschichtantenne, bei der die erfinduhgsgemäßen Antennen übereinander in mehreren schichten sandwichartig angeordnet sind, wobei jeweils eine Antenne den Schwingungsbedingungen für die Frequenzen eines bestimmten Mobilfunknetzes entspricht. Durch die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen behindern sich die übereinander angeordneten Strahiunasstrukturen nur unwesentlich. Gegenüber der Anordnung gemäß der Figur 2 wird bei dem Übereinanderschichten der Strahlerstrukturen weniger Raum benötigt, wodurch die Antenne gemäß der Figur 13 kompakter und somit das sie umschließende Gehäuse eines Mobilfunktelefons relativ klein gestaltet sein kann.
Die Figur 14 zeigt die Antenne gemäß der Figur 13 im Querschnitt. Die leitfähige Beschichtung 12a,b der Querschnittsfläche der Trägersubstrate 10a und 10b ist mit den strukturierten Schichten SA und SB leitend in Verbindung. Eine derartige leitfähige Querschnittsbeschichtung ist je nach Ausführung der Antenne auch an der gegenüberliegenden Seite vorsehbar.
Es versteht sich von selbst, daß je nach gewünschter Resonanzfrequenz, Verkopplung und Verstimmung die jeweiligen Geometrien der einzelnen Leiter'abschnitte entsprechend gewählt werden müssen, wobei zur Erzielung vorgegebener Frequenzwerte die Geometrien der Leiterstrukturen teilweise empirisch ermittelt werden müssen.
Bezugszeichenliste:
1
Masseebene
2, 2a/b, 4, 4a/b, 6a/b, K, Ki
Leiterabschnitt als Endkapazität
3,R,Ri
Resonatorleiterabschnitt
5,6
Abstandsspalte zwischen den Endkapasitätsleiterabschnitten und den Resonatorleiterabschnitten
7,7a/b, 41a/b,45a/b
Resonatorleiterabschnitt mit Endkapazitätsleiterabschnitten verbindender querverlaufender Leiterabschnitt
8
Massefläche; mit der Masseebene 1 in Verbindung
9
Speisepunkt der Antenne
10
Dielektrische Trägerschicht;
11
Dielektrische Schicht
12
Leitfähige Beschichtung der Querschnittsfläche des Trägersubstrats
13,13a,13b
Innenleiter eines koaxialen Wellenleiters
14,14a,14b
Lötstelle
15,15a,15b
Blende
16,17
Leiterabschnitt als Endkapazität in eckiger Wellenform
18,22,29,40b,47
zusätzliche Massefläche; mit der Masseebene 1 in Verbindung
19-21;23-28; 30-35;31',33' 35', 48a/b-50a/b
Zusätzlicher im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt
36,37,38,36' 37', 38',40b
Leiterabschnitt zur Einstellung der Verstimmung der Antenne
BA
Breite der Antenne
L8
Länge der Massefläche 8
LA
Länge der Antenne
LB
Abstand des Einkopplungspunktes von der Massefläche 8
LR
Länge des Resonatorleiterabschnitts
LKi
Länge der Endkapazitätsleiterabschnitte
LSp, LSp1
Breite der Abstandsspalte
S,Sa,Sb
Leitfähige in Mikrostreifenleitungen strukturierte Schicht

Claims (15)

  1. Antenne zum Empfang und Senden von elektromagnetischen Mikrowellen der Wellenlängen λ, bestehend aus einer Substratschicht (10) aus niederdielektrischem Material, welche auf einer Seite eine leitfähige Masseebene (1) hat und deren gegenüberliegende Seite leitfähig in Form von Mikrostreifenleitungen strukturiere ist, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Struktur (S) einen länglichen Leiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) als Resonator hat, dessen Länge (LR) kürzer als λε/4 ist, und der mit seinem einem Ende mit der Masseebene (8,1) leitfähig in Verbindung ist, und dessen anderes Ende mit mindestens einem weiteren Leiterabschnitt (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) leitfähig in Verbindung ist, der als Endkapazität zur Einstellung der Resonanzbedingung dient, wobei der Resonatorleiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) mit einem Innenleiter eines koaxialen Wellenleiters und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters mit der Masseebene (1) in Verbindung ist.
  2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere Leiterabschnitt (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K). ebenfalls als Mikrostreifenleitung ausgebildet ist und parallel zum Resonatorleiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) angeordnet ist.
  3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorleiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) mit dem weiteren Leiterabschnitt (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) derart leitfähig in Verbindung ist, daß die beiden Leiterabschnitte (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K; 3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) zusammen mit dem sie verbindenden. Verbindungsleiterabschnitt (7, 41a, 41b, 45a, 45b, 49a, 49b) ein U mit gleich- oder unterschiedlich langen Schenkeln bilden.
  4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei weitere Leiterabschnitte (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K), welche insbesondere parallel zu dem Resonatorleiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) angeordnet sind, mit jeweils ihrem einen Ende über einen quer zur Längssymmetrielinie des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) angeordneten Verbindungsleiter (7, 41a, 41b, 45a, 45b, 49a, 49b) mit dem einen Ende des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) in Verbindung sind, wobei die weiteren Leiterabschnitte (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) verteilt angeordnet sind, wobei insbesondere die Länge (LK) der weiteren Leiterabschnitte (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) unterschiedlich ist.
  5. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) über mindestens einen durch die Substratschicht (10, 10a, 10b) greifenden Verbindungsstift mit der Masseebene (1) in Verbindung ist.
  6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) über eine leitfähige Beschichtung (12, 12ab) der Querschnittsfläche der Substratschicht (10, 10a, 10b) in Verbindung ist.
  7. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere Leiterabschnitt (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) gerade, abgewinkelt, gebogen, wellenförmig, zickzack- oder rechteckförmig ausgebildet ist.
  8. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen der Resonatorbedingung mindestens ein zusätzlicher im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt (19, 20, 21; 23-28; 30-35; 31', 33', 35'; 48a/b-50a/b) auf der Substratschicht (10) angeordnet ist, wobei ein Schenkel (21, 27, 28, 34, 35, 35',50a, 50b) dieses U-förmigen zusätzlichen Leiterabschnitts in die durch den Resonatorabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) und weiteren Leiterabschnitt (2, 2a, 2b, 4, 42a, 42b, 46a, 46b, K) gebildete Öffnung greift und das Ende des anderen Schenkels (19, 23, 24, 30, 31, 48a, 48b) des zusätzlichen Leiterabschnitts mit der Masseebene (1, 18, 22, 29, 47, 47') in Verbindung ist.
  9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche U-förmige Leiterabschnitt (Rb, 41b, 42b) ebenfalls eine. Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Weilen ist, wobei aus dem mit der Masseebene (1, 40b) in Verbindung befindlichen Leiterabschnitt (Rb) die Wellen aus- bzw. eingekoppelt werden, derart, daß die ineinandergreifenden Strukturen der Antennen durch die gegenseitige elektromagnetische Verkopplung die Resonanzbedingungen und/oder Verstimmung der Einzelresonatoren beeinflussen und eine größere Frequenzbandbreite erzielbar ist.
  10. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antennen zum Senden und/oder Empfangen von unterschiedlichen Wellenlängen auf der Substratschicht (10, 10a, 10b) nebeneinander angeordnet sind, die jeweils mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt sind.
  11. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antennen jeweils getrennt durch mindestens eine Substratschicht (10a) übereinander angeordnet sind.
  12. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (13, 13a, 13b) des koaxialen Wellenleiters durch eine Blende (15, 15a, 15b) in der Masseebene (1) und eine Aussparung in der Schicht (10, 10a, 10b) geführt und mit dem Resonatorleiterabschnitt (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) in Verbindung ist, wobei sich die Eingangsimpedanz der Antenne über den Ort (9) der Einkopplung entlang der Längssymmetrielinie des Resonatorleiterabschnitts (3, 3a, 3b, R, Ra, Rb) bestimmt.
  13. Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (15, 15a, 15b) kreis, schlitz- bzw. rechteckförmig ist.
  14. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstimmung der Antenne infolge dielektrischer Umgebungseinflüsse über die Länge der weiteren Leiterabschnitte (19, 20, 21; 23-28; 30-35; 31', 33', 35'; 48a/b-50a/b) und/oder durch die zusätzlich auf dem Substrat angeordneten Antennen kompensiert wird.
  15. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstimmungsgrad der Antenne infolge dielektrischer Umgebungseinflüsse durch die Auflage einer dielektrischen Schicht (11) definierter Dielektrizitätszahl sowie definierter Geometrie insbesondere Dicke, beeinflußt bzw. minimiert wird.
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