EP1018780B1

EP1018780B1 - Dielectric resonator antenna

Info

Publication number: EP1018780B1
Application number: EP99204260A
Authority: EP
Inventors: Frank Heinrichs; Rebekka Porath; Peter J. Massey
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH; Philips Patentverwaltung GmbH; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH; Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2002-09-25
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: KR100710726B1; KR20000048232A; DE59902831D1; US6323808B1; JP2000209020A; CN1261730A; DE19858790A1; TW439326B; EP1018780A1; CN1197199C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Resonatorantenne bestehend aus einem rechtwinkligen Quader aus einem dielektrischen Material, in dem eine elektrische Feldverteilung einer Eigenmode der dielektrischen Resonatorantenne, die insbesondere durch externe Anregung erzeugt wird, wenigstens zwei nicht parallele Symmetrieebenen besitzt.The invention relates to a dielectric resonator antenna consisting of a rectangular cuboid made of a dielectric material in which an electrical field distribution an eigenmode of the dielectric resonator antenna, which in particular by external excitation is generated, has at least two non-parallel planes of symmetry.

Weiterhin betrifft die Erfindung noch einen Sender, einen Empfänger und ein Mobilfunkgerät mit einer dielektrischen Resonatorantenne bestehend aus einem rechtwinkligen Quader aus einem dielektrischen Material, in dem eine elektrische Feldverteilung einer Eigenmode der dielektrischen Resonatorantenne, die insbesondere durch externe Anregung erzeugt wird, wenigstens zwei nicht parallele Symmetrieebenen besitzt.The invention further relates to a transmitter, a receiver and a mobile radio device with a dielectric resonator antenna consisting of a rectangular one Cuboid made of a dielectric material in which an electrical field distribution of a Eigenmode of the dielectric resonator antenna, in particular by external excitation is generated, has at least two non-parallel planes of symmetry.

Dielektrische Resonatorantennen (DRA) sind als miniaturisierte Antennen aus Keramik oder einem anderen Dielektrikum für Mikrowellenfrequenzen bekannt. Ein dielektrischer Resonator, dessen Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl von ε_r »1 von Luft umgeben ist, besitzt aufgrund der elektromagnetischen Randbedingungen an den Grenzflächen des Dielektrikums ein diskretes Spektrum von Eigenfrequenzen und Eigenmoden. Diese sind definiert durch die spezielle Lösung der elektromagnetischen Gleichungen für das Dielektrikum bei den gegebenen Randbedingungen an den Grenzflächen. Im Gegensatz zu einem Resonator, der bei Vermeidung von Abstrahlungsverlusten eine sehr hohe Güte aufweist, steht bei einer Resonatorantenne die Abstrahlung von Leistung im Vordergrund. Da keine leitenden Strukturen als strahlendes Element verwendet werden, kann sich der Skineffekt nicht negativ auswirken. Daher weisen solche Antennen niedrige ohmsche Verluste bei hohen Frequenzen auf. Durch die Verwendung von Materialien mit hoher Dielektrizitätszahl kann weiterhin ein kompakter, miniaturisierter Aufbau erreicht werden, da für eine vorgewählte Eigenfrequenz (Sende- und Empfangsfrequenz) durch Erhöhung von ε_r die Abmessungen verkleinert werden können. Die Abmessungen einer DRA gegebener Frequenz sind näherungsweise invers proportional zu √ε_r. Eine Erhöhung von ε_r um einen Faktor α bewirkt bei gleichbleibender Resonanzfrequenz also eine Reduzierung aller Dimensionen um den Faktor √α und somit des Volumens um einen Faktor α^3/2. Weiterhin muß ein Material für eine DRA eine gute Hochfrequenztauglichkeit, geringe dielektrische Verluste und Temperaturstabilität aufweisen. Das schränkt die verwendbaren Materialien stark ein. Geeignete Materialien besitzen ε_r-Werte von typischerweise maximal 120. Neben dieser Begrenzung der Möglichkeit zur Miniaturisierung verschlechtern sich die Strahlungseigenschaften einer DRA mit zunehmendem ε_r.Dielectric resonator antennas (DRA) are known as miniaturized antennas made of ceramic or another dielectric for microwave frequencies. A dielectric resonator, the dielectric of which is surrounded by air with a dielectric constant of ε _r »1, has a discrete spectrum of natural frequencies and natural modes due to the electromagnetic boundary conditions at the interfaces of the dielectric. These are defined by the special solution of the electromagnetic equations for the dielectric under the given boundary conditions at the interfaces. In contrast to a resonator, which has a very high quality while avoiding radiation losses, the radiation of power is in the foreground with a resonator antenna. Since no conductive structures are used as the radiating element, the skin effect cannot have a negative effect. Such antennas therefore have low ohmic losses at high frequencies. Through the use of materials with a high dielectric constant, a compact, miniaturized construction can also be achieved, since the dimensions can be reduced for a preselected natural frequency (transmission and reception frequency) by increasing ε _r . The dimensions of a DRA given frequency are approximately inversely proportional to √ε _r . An increase in ε _r by a factor α thus results in a reduction in all dimensions by a factor √α and thus the volume by a factor α ^3/2 with a constant resonance frequency. Furthermore, a material for a DRA must have good radio frequency capability, low dielectric losses and temperature stability. This severely limits the materials that can be used. Suitable materials typically have ε _r values of a maximum of 120. In addition to this limitation of the possibility of miniaturization, the radiation properties of a DRA deteriorate with increasing ε _r .

In der Figur 1 ist eine solche DR-Antenne 1 in der beispielhaft betrachteten Grundform dargestellt. Neben der Form als Quader sind auch andere Formen möglich, wie zum Beispiel zylinder- oder kugelförmige Geometrien. Dielektrische Resonatorantennen sind resonante Bauteile, die nur in einem schmalen Band um eine ihrer Resonanzfrequenzen (Eigenfrequenzen) arbeiten. Das Problem der Miniaturisierung einer Antenne ist äquivalent dazu, die Arbeitsfrequenz bei gegebenen Antennenabmessungen zu erniedrigen. Deshalb wird die niedrigste Resonanz (TE^z ₁₁₁-Mode) verwendet. Diese Mode besitzt Symmetrieebenen in ihren elektromagnetischen Feldern, von denen eine Symmetrieebene des elektrischen Feldes mit Symmetrieebene 2 bezeichnet ist. Wenn die Antenne in der Symmetrieebene 2 halbiert und eine elektrisch leitfähige Fläche 3 angebracht wird (beispielsweise eine Metallplatte), bleibt die Resonanzfrequenz gleich der einer Antenne mit den ursprünglichen Abmessungen. Man erhält so eine Struktur, in der sich dieselbe Mode bei derselben Frequenz ausbildet. Diese ist in der Figur 2 dargestellt. Eine weitere Miniaturisierung kann bei dieser Antenne mittels eines Dielektrikums mit hoher Dielektrizitätszahl ε_r erzielt werden. Dabei wird vorzugsweise ein Material mit geringen dielektrischen Verlusten ausgewählt.Such a DR antenna 1 is shown in FIG. 1 in the basic form considered as an example. In addition to the shape as a cuboid, other shapes are also possible, such as cylindrical or spherical geometries. Dielectric resonator antennas are resonant components that only work in a narrow band around one of their resonance frequencies (natural frequencies). The problem of antenna miniaturization is equivalent to lowering the operating frequency for given antenna dimensions. Therefore the lowest resonance (TE ^z ₁₁₁ mode) is used. This mode has planes of symmetry in its electromagnetic fields, one plane of symmetry of the electric field being designated plane of symmetry 2. If the antenna is halved in the plane of symmetry 2 and an electrically conductive surface 3 is attached (for example a metal plate), the resonance frequency remains the same as that of an antenna with the original dimensions. A structure is thus obtained in which the same mode is formed at the same frequency. This is shown in Figure 2. A further miniaturization can be achieved with this antenna by means of a dielectric with a high dielectric constant ε _r . A material with low dielectric losses is preferably selected.

Eine solche dielektrische Resonatorantenne wird in dem Artikel "Dielectric Resonator Antennas - A review and general design relations for resonant frequency and bandwidth", Rajesh K. Mongia und Prakash Barthia, Intern. Journal of Microwave and Millimeterwave Computer-aided Engineering, Vol. 4, No. 3, 1994, Seiten 230-247 beschrieben. Dabei wird ein Überblick über die Moden und die Strahlungscharakteristik für verschiedene Formen, wie zylindrische, kugelförmige und rechtwinklige DRA's gegeben. Es werden für unterschiedliche Formen die möglichen Moden und Symmetrieebenen gezeigt (siehe Figur 4, 5, 6 und Seite 240, linke Spalte, Zeilen 1-21). In der Figur 9 und der zugehörigen Beschreibung wird insbesondere eine quaderförmige dielektrische Resonatorantenne beschrieben. Mittels einer Metallfläche in der x-z-Ebene bei y=0 oder der y-z-Ebene bei x=0 kann die ursprüngliche Struktur halbiert werden, ohne die Feldverteilung oder andere Resonanzcharakteristika für die TE^z ₁₁₁-Mode zu verändern (Seite 244, rechte Spalte, Zeilen 1-7). Die DRA wird über eine Zuleitung mit Mikrowellenleistung angeregt, indem sie in das Streufeld in der Nähe einer Mikrowellenleitung (beispielsweise eine Microstripleitung oder das Ende einer Koaxialleitung) eingebracht wird.Such a dielectric resonator antenna is described in the article "Dielectric Resonator Antennas - A review and general design relations for resonant frequency and bandwidth", Rajesh K. Mongia and Prakash Barthia, Intern. Journal of Microwave and Millimeterwave Computer-aided Engineering, Vol. 4, No. 3, 1994, pages 230-247. An overview of the modes and the radiation characteristics for various shapes, such as cylindrical, spherical and right-angled DRA's, is given. The possible modes and symmetry levels are shown for different shapes (see FIGS. 4, 5, 6 and page 240, left column, lines 1-21). A cuboid dielectric resonator antenna is described in particular in FIG. 9 and the associated description. Using a metal surface in the xz plane at y = 0 or the yz plane at x = 0, the original structure can be halved without changing the field distribution or other resonance characteristics for the TE ^z ₁₁₁ mode (page 244, right column, Lines 1-7). The DRA is excited via a feed line with microwave power by being introduced into the stray field in the vicinity of a microwave line (for example a microstrip line or the end of a coaxial line).

Das Dokument EP 0982799 A2 beschreibt eine dielektrische Resonatorantenne mit einer elektrisch leitenden Schicht in einer Symmetrieebene. Um bei einer dielektrischen Resonatoratenne eine bessere Kopplung an eine Zuteilung zu schaffen, wird vorgeschlagen, daß in der Symmetrieebene wenigstens ein, von der elektrisch leitenden Schicht isolierter, elektrischer Kontakt vorgesehen ist und dieser elektrischer Kontakt die dielektrische Resonatorantenne mit mehreren Zuteilungen verbindet. Dadurch kann die dielektrische Resonatorantenne mit zwei in einer Ebene fest liegenden, elektrischen Kontakten verbunden werden und somit die Antenne auf einer Platine mit der bekannnten Verlöt-Techniken fixiert werden. Die im Dokument vorgeschlagene dielektrische Resonatorantenne und ihre Zuleitungen bieten keine besseren Möglichkeiten zur Verkleinerung des Volumens.The document EP 0982799 A2 describes a dielectric resonator antenna with a electrically conductive layer in a plane of symmetry. In order for a dielectric resonator antenna To create a better link to an allocation, it is proposed that in the plane of symmetry at least one electrical, isolated from the electrically conductive layer Contact is provided and this electrical contact is the dielectric resonator antenna with multiple allocations. This allows the dielectric resonator antenna can be connected to two electrical contacts fixed in one plane and thus fixed the antenna on a board with the known soldering techniques become. The dielectric resonator antenna proposed in the document and its Supply lines do not offer better options for reducing the volume.

Aus der Veröffentlichung "Measurement of Radiation Efficiency of Dielectric Resonator Antennas", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Band 4, 1994, Nr. 3, Seiten 80-82 (XP 000 43 8190) von R. K. Monigia, A. Ittipiboon und M.Cuhaci ist bekannt, daß durch die direkte Plazierung einer dielektrischen Resonatorantenne auf einer metallischen Symmetrieebene die Kontaktverluste verringert werden und ein Antennenwirkungsgerad von über 98% erzielt werden kann. Eine weitere Optimierung der Antennenparameter kann zu einer Steigerung des Antennenwirkungsgerads führen.From the publication "Measurement of Radiation Efficiency of Dielectric Resonator Antennas " IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Volume 4, 1994, No. 3, pages 80-82 (XP 000 43 8190) by R.K. Monigia, A. Ittipiboon and M.Cuhaci is known for the direct placement of a dielectric resonator antenna on a metallic plane of symmetry the contact losses are reduced and an antenna efficiency line of over 98% can be achieved. A further optimization of the antenna parameters can lead to a Lead to an increase in the antenna efficiency.

Die Veröffentlichung "Dielectric Resonator Technology for Satellite Communications", 1996 Asia Pacific Microwave Conference Proceedings, (APMC'96), New Dehli, India, 17.-20.12.1996, Band 3, Seiten 1003-1006 (XP 000 88 6744) von R.K. Monigia beschreibt eine Anwendung dielektrischer Resonatoren in der Satellitenkommunikation. Dielektrische Resonatoren werden als Antennen und Kanalfilter für Satellitentransponder verwendet. Insbesondere wird eine zylindrische Form der Antenne auf einer flachen Metallfläche dargestellt, jedoch werden die Parameter der Antenne im Hinblick auf das Volumen der Antenne und eine Verkleinerung des Volumens nicht diskutiert.The publication "Dielectric Resonator Technology for Satellite Communications", 1996 Asia Pacific Microwave Conference Proceedings, (APMC'96), New Dehli, India, December 17-20, 1996, volume 3, Pages 1003-1006 (XP 000 88 6744) by R.K. Monigia describes an application of dielectric resonators in satellite communication. Dielectric resonators are used as antennas and channel filters Satellite transponder used. In particular, a cylindrical shape of the antenna displayed on a flat metal surface, but the parameters of the antenna are shown in the With regard to the volume of the antenna and a reduction in volume discussed.

Die Möglichkeit zur Verkleinerung des Volumens wird auf die Verwendung der zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Symmetrieebenen als Außenflächen beschränkt. Auf diese Weise kann das Volumen einer DRA bei gleichbleibender Frequenz nur um den Faktor 4 reduziert werden.The possibility of reducing the volume is based on the use of the two planes of symmetry arranged at right angles to each other are limited as outer surfaces. On this way the volume of a DRA can only be increased by the same frequency Factor 4 can be reduced.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dielektrische Resonatorantenne zu schaffen, die bessere Möglichkeiten zur Verkleinerung des Volumens bietet. Des weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Sender, einen Empfänger und ein Mobilfunkgerät mit besseren Möglichkeiten zur Verkleinerung des Gesamtvolumens und zur Installation von Komponenten innerhalb eines Gerätes zu schaffen.The object of the invention is therefore to create a dielectric resonator antenna, which offers better options for reducing the volume. Furthermore, it is the Object of the invention with a transmitter, a receiver and a mobile device better ways to reduce the overall volume and install To create components within a device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale jedes der Ansprüche 1 und 3 bis 5 gelöst, wobei die parallel zu einer Schnittgeraden der Symmetrieebenen liegende Kante des Quaders zur Bildung der kürzesten Kante des Quaders vorgesehen ist. Die Symmetrieebenen der elektrischen Feldverteilung einer Eigenmode stehen rechtwinklig aufeinander und sind parallel zu jeweils einer Außenfläche des Quaders. Daher liegt die Schnittgerade der Symmetrieebenen parallel zu einer der Kanten des Quaders. Die Länge dieser Kante wird mit d bezeichnet und ist bei einer dielektrischen Resonatorantenne gemäß der Erfindung deutlich kleiner als die Länge der beiden anderen Kanten des Quaders. Die Kante mit der Länge d steht damit senkrecht zum elektrischen Feld der Eigenmode der Antenne. Um eine bessere und insbesondere flexible Verkleinerung des Antennenvolumens zu ermöglichen, muß die Länge wenigstens einer Kante reduziert werden. Überraschend zeigt sich, daß die Kante mit der Länge d ohne erheblichen Effizienzverlust der Antenne deutlich verkürzt werden kann. Sowohl die Strahlungsleistung als auch die Genauigkeit der Resonanzfrequenz bleiben erhalten. The object is achieved by the features of each of claims 1 and 3 to 5, the parallel to a straight line edge of the cuboid lying on the planes of symmetry to form the shortest edge the cuboid is provided. The planes of symmetry of the electrical field distribution of a Eigenmode are perpendicular to each other and are parallel to an outer surface of the cuboid. Therefore, the line of intersection of the planes of symmetry lies parallel to one of the Edges of the cuboid. The length of this edge is denoted by d and is at dielectric resonator antenna according to the invention significantly smaller than the length of the two other edges of the cuboid. The edge with length d is thus vertical to the electrical field of the antenna's own mode. To be better and in particular To allow flexible reduction of the antenna volume, the length must at least an edge can be reduced. Surprisingly, it turns out that the edge with the length d can be significantly shortened without significant loss of antenna efficiency. Both the Radiation power and the accuracy of the resonance frequency are retained.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich eine erste Symmetrieebene parallel zu einer ersten Außenfläche in der geometrischen Mitte des Quaders befindet, daß sich eine zweite Symmetrieebene senkrecht zur ersten Symmetrieebene und parallel zu einer zweiten Außenfläche in der geometrischen Mitte des Quaders befindet, daß die erste und die zweite Symmetrieebene zur Bildung jeweils einer Außenfläche einer dielektrischen Resonatorantenne vorgesehen sind, daß eine elektrisch leitende Schicht auf den durch die Symmetrieebenen gebildeten Außenflächen vorgesehen ist. Bei Verwendung der niedrigsten Eigenmode als Resonanzfrequenz befinden sich die Symmetrieebenen auf jeweils halber Kantenlänge in der Mitte des Quaders. Auch bei einer Miniaturisierung der Antenne, indem die Symmetrieebenen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht die Außenflächen bilden, kann die Länge d der Kante parallel zur Schnittgeraden besonders vorteilhaft zur Verkleinerung des Antennenvolumens verkürzt werden. Durch die erfindungsgemäße Wahl der Kante des Quaders werden die elektrisch leitfähig beschichteten Außenflächen verkleinert, während die Größe der Außenflächen der Antenne, über die Leistung gesendet oder empfangen wird, erhalten bleibt. Das führt zu einer gleichbleibend hohen Antenneneffizienz trotz Verkleinerung des Antennenvolumens.In a development of the invention it is provided that there is a first plane of symmetry that is parallel to a first outer surface in the geometric center of the cuboid a second plane of symmetry perpendicular to the first plane of symmetry and parallel to a second outer surface located in the geometric center of the cuboid that the first and the second plane of symmetry to form an outer surface of a dielectric Resonatorantenne are provided that an electrically conductive layer on the through the Outer surfaces formed planes of symmetry is provided. When using the lowest Eigenmode as resonance frequency, the planes of symmetry are on each half the edge length in the middle of the cuboid. Even with a miniaturization of the Antenna by covering the planes of symmetry with an electrically conductive layer on the outer surfaces form, the length d of the edge parallel to the intersection line can be particularly advantageous can be shortened to reduce the antenna volume. By the invention Choosing the edge of the cuboid are the electrically conductive coated outer surfaces downsized, while the size of the outer surfaces of the antenna, on the performance is sent or received, is retained. This leads to a consistently high Antenna efficiency despite reducing the antenna volume.

Für eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf den zwei Außenflächen jeweils eine Metallschicht aufgebracht ist, daß eine Metallschicht mit einer Platine verbunden ist, daß die Platine eine Leitung für ein Sende- oder Empfangssignal enthält, und daß die Leitung für ein Sende- oder Empfangssignal über die Metallschicht und einen auf der dielektrischen Resonatorantenne aufgebrachten Kontakt mit der Antenne gekoppelt ist.For an advantageous embodiment of the invention it is provided that on the two A metal layer is applied to the outer surfaces in each case, that a metal layer with a Board is connected, that the board is a line for a transmit or receive signal contains, and that the line for a transmit or receive signal over the metal layer and contact on the dielectric resonator antenna with the Antenna is coupled.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung noch durch einen Sender, einen Empfänger und ein Mobilfunkgerät mit einer solchen dielektrischen Resonatorantenne gelöst, bei der die parallel zu einer Schnittgeraden der Symmetrieebenen liegende Kante des Quaders zur Bildung der kürzesten Kante des Quaders vorgesehen ist.Furthermore, the object of the invention by a transmitter, a receiver and solved a mobile radio device with such a dielectric resonator antenna, in which the edge of the cuboid parallel to a line of intersection of the planes of symmetry Formation of the shortest edge of the cuboid is provided.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1:: eine dielektrische Resonatorantenne,
Figur 2:: eine halbierte dielektrische Resonatorantenne mit einer elektrisch leitenden Schicht in einer Symmetrieebene,
Figur 3:: eine quaderförmige Grundform der dielektrischen Resonatorantenne mit Seitenlängen a, b und d,
Figur 4A:: eine Feldverteilung eines elektrischen Feldes einer Eigenmode einer quaderförmigen dielektrischen Resonatorantenne in einer Ebene senkrecht zur kürzesten Seitenlänge,
Figur 4B:: eine mittels der Symmetrieebenen der dielektrischen Resonatorantenne verkleinerte Antenne mit der Feldverteilung,
Figur 5:: eine auf eine Platine mit einer Zuleitung montierte dielektrische Resonatorantenne und
Figur 6:: ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Mobilfunkgerätes mit Sende- und Empfangspfad und einer dielektrischen Resonatorantenne.

In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show

Figure 1:: a dielectric resonator antenna,
Figure 2:: a halved dielectric resonator antenna with an electrically conductive layer in a plane of symmetry,
Figure 3:: a cuboid basic shape of the dielectric resonator antenna with side lengths a, b and d,
Figure 4A:: a field distribution of an electric field of an eigenmode of a cuboid dielectric resonator antenna in a plane perpendicular to the shortest side length,
Figure 4B:: an antenna with the field distribution reduced by means of the symmetry planes of the dielectric resonator antenna,
Figure 5:: a dielectric resonator antenna mounted on a circuit board with a lead and
Figure 6:: a simplified block diagram of a mobile device with transmission and reception path and a dielectric resonator antenna.

In der Figur 3 ist eine dielektrische Resonatorantenne DRA 1 in einer Grundform mit rechtwinkligen Seitenflächen und Seitenlängen a, b und d in den Richtungen x, y und z eines kartesischen Koordinatensystems dargestellt. Die DRA 1 besitzt ein diskretes Spektrum von Eigenfrequenzen, die durch die geometrische Form und die äußeren Abmessungen sowie die durch die relative Dielektrizitätskonstante ε_r des verwendeten Materials bestimmt sind. Um die DRA 1 als Antenne für eine Mikrowellenleistung bei einer definierten Frequenz verwenden zu können, muß ihre Eigenfrequenz in der Nähe der definierten Frequenz liegen. Im Ausführungsbeispiel ist die DRA 1 für die Zentrumsfrequenz 942.5 MHz des GSM900-Standards als gegebener Frequenz ausgelegt. Als Material wird eine temperaturstabile Keramik verwendet, die typischerweise einen Wert von ε_r = 85 hat. Damit ergeben sich für die quaderförmige DRA 1 die Abmessungen von etwa a ≈ b ≈ 30mm und d ≈ 5.5mm. Da diese Abmessungen für eine Integration in Geräte der Mobilkommunikation zu groß scheint, wird die DRA 1, wie in den Figuren 4A und 4B dargestellt, verkleinert.FIG. 3 shows a dielectric resonator antenna DRA 1 in a basic form with rectangular side faces and side lengths a, b and d in the directions x, y and z of a Cartesian coordinate system. The DRA 1 has a discrete spectrum of natural frequencies, which are determined by the geometric shape and the external dimensions as well as by the relative dielectric constant ε _{r of} the material used. In order to use the DRA 1 as an antenna for microwave power at a defined frequency, its natural frequency must be close to the defined frequency. In the exemplary embodiment, the DRA 1 is designed for the center frequency 942.5 MHz of the GSM900 standard as a given frequency. A temperature-stable ceramic is used as the material, which typically has a value of ε _r = 85. The cuboidal DRA 1 thus has dimensions of approximately a ≈ b ≈ 30 mm and d ≈ 5.5 mm. Since this dimension seems too large for an integration in devices of mobile communication, the DRA 1 is reduced, as shown in FIGS. 4A and 4B.

Die Figur 4A zeigt einen Querschnitt durch die quaderförmige DRA 1 in einer Ebene senkrecht zur kürzesten Seitenlänge d. Die Seitenlängen a bzw. b liegen in x- bzw. y-Richtung. Dazu ist eine Feldverteilung eines elektrischen Feldes eingezeichnet, das zu der Eigenmode mit der niedrigsten Frequenz der DRA 1 gehört. Deutlich sichtbar weist diese elektrische Feldverteilung bei x = a/2 und y = b/2 zwei senkrecht aufeinander stehende Symmetrieebenen 4 und 5 auf, die im Querschnitt durch unterbrochene Linien gekennzeichnet sind. Die zwei Symmetrieebenen 4 und 5 und ihre Schnittgerade stehen senkrecht auf der Zeichenebene. Mit Hilfe von Figur 3 ist zu sehen, daß die Kante des Quaders parallel zur Schnittgeraden mit der Länge d bezeichnet ist. Schneidet man die DRA 1 längs einer dieser Ebenen und versieht die entstehende Schnittfläche mit einer Metallisierung 6 bzw. 7, so erhält man eine Struktur, in der sich dieselbe Mode bei derselben Frequenz ausbildet. Wendet man dieses Verfahren zweimal an, so erhält man die in der Figur 4B gezeigte, verkleinerte DRA 8. Mittels der bekannten Symmetrieebenen 4 und 5 kann man also das Volumen der DRA 1 bei gleichbleibender Frequenz um den Faktor 4 auf a/2*b/2*d (x*y*z) reduzieren. Für das Ausführungsbeispiel resultiert die DRA 8 mit den Abmessungen 15*15*5.5 mm³.FIG. 4A shows a cross section through the cuboid DRA 1 in a plane perpendicular to the shortest side length d. The side lengths a and b lie in the x and y directions. For this purpose, a field distribution of an electric field is drawn in, which belongs to the eigenmode with the lowest frequency of the DRA 1. At x = a / 2 and y = b / 2, this electrical field distribution has clearly visible two planes of symmetry 4 and 5 which are perpendicular to one another and which are marked in cross-section by broken lines. The two planes of symmetry 4 and 5 and their intersection line are perpendicular to the plane of the drawing. With the help of Figure 3 it can be seen that the edge of the cuboid parallel to the intersection line is designated with the length d. If you cut the DRA 1 along one of these planes and provide the resulting cut surface with a metallization 6 or 7, a structure is obtained in which the same mode is formed at the same frequency. If this method is used twice, the reduced DRA 8 shown in FIG. 4B is obtained. Using the known symmetry planes 4 and 5, the volume of the DRA 1 can be increased by a factor of 4 to a / 2 * b / while the frequency remains the same. Reduce 2 * d (x * y * z). For the exemplary embodiment, the DRA 8 results with the dimensions 15 * 15 * 5.5 mm ³ .

Durch die direkte Abhängigkeit des Volumens der DRA 1 von der Länge d, kann die DRA 1 durch Verkürzung von d miniaturisiert werden. Insbesondere bei der verkleinerten DRA 8 mit dem Volumen a/2*b/2*d verkleinern sich durch die Verkürzung nur die Außenflächen mit der Metallisierung 6 und 7. Die Ausdehnung dieser Flächen hängt über a/2*d bzw. b/2*d von der Kantenlänge d ab, während die Außenflächen a/2*b/2 konstant bleiben. Da insbesondere die Größe der strahlenden Außenfläche einer DRA 8 charakteristisch für die Effizienz ist, und über die metallisierten Außenflächen keine Leistung abgestrahlt werden kann, wird die Strahlungseffizienz der DRA 8 nur in geringem Maß verringert. Due to the direct dependence of the volume of the DRA 1 on the length d, the DRA 1 can be miniaturized by shortening d. Especially with the reduced DRA 8 with the volume a / 2 * b / 2 * d only shorten the outer surfaces due to the shortening with the metallization 6 and 7. The extent of these areas depends on a / 2 * d or b / 2 * d from the edge length d, while the outer surfaces a / 2 * b / 2 constant stay. Because the size of the radiant outer surface of a DRA 8 is particularly characteristic for efficiency, and no performance over the metallized outer surfaces can be emitted, the radiation efficiency of the DRA 8 is only low reduced.

In der Figur 5 ist eine auf eine Platine 9 mit einer Zuleitung 10 montierte dielektrische Resonatorantenne 8 dargestellt. Die Zuleitung 10 ist durch eine Microstrip-Leitung 10 realisiert. Die DRA 8 wird durch einen Quader aus einem dielektrischen Material mit ε_r=81 und den Abmessungen a=9,7mm, b=9,7mm und d=3,55mm gebildet. Die DRA 8 ist auf einer schmalen Außenfläche senkrecht zur Platine 9 mit einer Metallisierung beschichtet. Die Platine 9 besteht aus einer leitenden Oberfläche auf einer dielektrischen Schicht. In einem von der leitenden Oberfläche ausgesparten Teil, der an eine schmale Außenfläche ohne Metallisierung der DRA 8 grenzt, ist die Microstrip-Leitung 10 aufgebracht. Die Microstrip-Leitung 10 dient zur Übertragung eines zu sendenden oder empfangenen Signals. Dazu ist an der an die Microstrip-Leitung 10 grenzenden schmalen Außenfläche der DRA 8 ein elektrischer Kontakt 11 angebracht, der mit der Microstrip-Leitung 10 verbunden wird An der Microstrip-Leitung 10 kann am anderen Ende noch ein Kontakt zum Anschluß einer Koaxialleitung angebracht sein. Die DRA 8 besitzt bei dieser Ausführungsform eine Zentrumsfrequenz von 1906,5MHz und eine 3dB-Bandbreite von 2,4%.FIG. 5 shows a dielectric resonator antenna 8 mounted on a circuit board 9 with a feed line 10. The feed line 10 is realized by a microstrip line 10. The DRA 8 is formed by a cuboid made of a dielectric material with ε _r = 81 and the dimensions a = 9.7 mm, b = 9.7 mm and d = 3.55 mm. The DRA 8 is coated with a metallization on a narrow outer surface perpendicular to the board 9. The circuit board 9 consists of a conductive surface on a dielectric layer. The microstrip line 10 is applied in a part which is recessed from the conductive surface and which borders on a narrow outer surface without metallization of the DRA 8. The microstrip line 10 is used to transmit a signal to be transmitted or received. For this purpose, an electrical contact 11 is attached to the narrow outer surface of the DRA 8 bordering the microstrip line 10 and is connected to the microstrip line 10. A contact for connecting a coaxial line can also be attached to the microstrip line 10 , In this embodiment, the DRA 8 has a center frequency of 1906.5 MHz and a 3dB bandwidth of 2.4%.

Die Figur 6 zeigt in einem Blockdiagramm die Funktionsblöcke eines Sende- und eines Empfangspfades eines Mobilfunkgerätes mit einer DRA 8, wie es beispielsweise einem Mobiltelefon nach dem GSM-Standard entspricht. Die DRA 8 ist mit einem Antennenumschalter oder Frequenzduplexer 12 gekoppelt, der in einem Empfangs- bzw. Sendebetrieb den Empfangs- bzw. Sendepfad mit der DRA 8 verbindet. Im Empfangsbetrieb gelangen die analogen Funksignale über eine Empfangsschaltung 13 zu einem A/D-Umsetzer 14. Die erzeugten digitalen Signale werden in einem Demodulator 15 demoduliert und anschließend einem digitalen Signalprozessor (DSP) 16 zugeführt. Im DSP 16 werden nacheinander die nicht im einzelnen dargestellten Funktionen Entzerrung, Entschlüsselung, Kanaldekodierung und Sprachdekodierung durchgeführt. Mit einem D/A-Umsetzer 17 werden analoge Signale erzeugt, die über einen Lautsprecher 18 ausgegeben werden. FIG. 6 shows in a block diagram the functional blocks of a transmit and one Reception path of a mobile radio device with a DRA 8, such as one Mobile phone conforms to the GSM standard. The DRA 8 is equipped with an antenna switch or frequency duplexer 12 coupled in a receive or transmit mode connects the receive or transmit path to the DRA 8. In reception mode the analog radio signals arrive at an A / D converter via a receiving circuit 13 14. The digital signals generated are demodulated in a demodulator 15 and then fed to a digital signal processor (DSP) 16. In the DSP 16 the equalization functions that are not shown in detail, Decryption, channel decoding and speech decoding performed. With a D / A converter 17 generates analog signals which are transmitted through a loudspeaker 18 be issued.

Im Sendebetrieb werden die von einem Mikrofon 19 aufgenommenen analogen Sprachsignale mit einem A/D-Umsetzer 20 umgewandelt und dann einem DSP 21 zugeführt. Der DSP 21 führt die dem Empfangsbetrieb komplementären Funktionen Sprachkodierung, Kanalkodierung und Verschlüsselung durch, wobei alle Funktionen von einem einzigen DSP ausgeführt werden. Die binär kodierten Datenworte werden in einem Modulator 22 GMSK moduliert und dann in einem D/A-Umsetzer 23 in analoge Funksignale umgewandelt. Eine Senderendstufe 24 mit einem Leistungsverstärker erzeugt das über die DRA 8 zu sendende Funksignal.In transmission mode, the analog voice signals recorded by a microphone 19 converted with an A / D converter 20 and then fed to a DSP 21. The DSP 21 performs the speech coding functions which are complementary to the receiving operation, Channel coding and encryption through, all functions of one single DSP. The binary coded data words are in one Modulator 22 GMSK modulated and then in a D / A converter 23 into analog radio signals converted. A transmitter output stage 24 with a power amplifier produces this Radio signal to be transmitted via the DRA 8.

Die Beschreibung des Sende- bzw. Empfangspfades 8, 13, 14, 15, 16, 17, 18 bzw. 8, 19, 20, 21, 22, 23, 24 entspricht der eines einzelnen Senders bzw. Empfängers. Der Frequenzduplexer 12 muß nicht vorgesehen werden, sondern Sende- und Empfangspfad verwenden eine eigene DRA 8 als Antenne. Neben der Anwendung im Mobilfunkbereich ist auch eine Verwendung in jedem anderen Bereich der Funkübertragung denkbar (z. B. für Schnurlostelefone nach DECT oder CT, für Richt- oder Bündelfunkgeräte oder Pager). Die DRA 8 kann jeweils der Übertragungsfrequenz angepaßt werden.The description of the transmission or reception path 8, 13, 14, 15, 16, 17, 18 or 8, 19, 20, 21, 22, 23, 24 corresponds to that of a single transmitter or receiver. The frequency duplexer 12 does not have to be provided, but use the send and receive path its own DRA 8 as an antenna. In addition to the application in the field of mobile communications, Can be used in any other area of radio transmission (e.g. for cordless phones according to DECT or CT, for directional or trunked radio devices or pagers). The DRA 8 can be adapted to the transmission frequency.

Claims

A dielectric resonator antenna (1) comprising a cuboid of a dielectric material, in which cuboid an electric field configuration of an eigenmode of the dielectric resonator antenna (1), which eigenmode is particularly generated by external excitation, has at least two non-parallel planes of symmetry (4, 5), characterized in that

a first plane of symmetry (4) runs parallel with a first outside surface in the geometric center of the cuboid,

a second plane of symmetry (5) is perpendicular to the first plane of symmetry and runs parallel with a second outside surface in the geometric center of the cuboid,

the first and second planes of symmetry (4, 5) are provided for forming each an outside surface of a dielectric resonator antenna (8), and

an electrically conducting coating (6, 7) is deposited on the outside surfaces formed by the planes of symmetry (4, 5), and the cuboid edge running parallel with an intersecting line of the planes of symmetry (4, 5) is provided for forming the shortest edge of the cuboid.
A dielectric resonator antenna (1) as claimed in claim 1, characterized in that:

the two outside surfaces are each covered by a metal coating (6, 7),

one metal coating (7) is connected to a printed circuit board (9),

the printed circuit board (9) contains a line (10) for a transmit or receive signal,

the line (10) for a transmit or receive signal is coupled to the antenna (8) via the metal coating (7) and a contact (11) deposited on the dielectric resonator antenna (8).
A transmitter (8, 13, 14, 15, 16, 17, 18) including a dielectric resonator antenna (1) as claimed in claim 1.
A receiver (8, 19, 20, 21, 22, 23, 24) including a dielectric resonator antenna (1) as claimed in claim 1.
A mobile radiotelephone (8, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24) including a dielectric resonator antenna (1) as claimed in claim 1.