Die Erfindung betrifft eine PIFA-Antennenvorrichtung (Planar
Inverted F-Antenna), mit einem HF-Ein/Ausgang und zwei
Antennenflächen, die jeweils einen Kontakt zu einer Masse
eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die
erste Antennenfläche für zwei unabhängige Frequenzen und die
zweite Antennenfläche für eine dritte unabhängige Frequenz
ausgebildet ist.
Bei mobilen Kommunikationsendgeräten sollte die Antenne
sowohl technischen als auch optischen Anforderungen genügen.
Zum einen sollte sie für mehr als eine Frequenz arbeiten, zum
anderen sollte sie so klein wie möglich sein, um
beispielsweise eine nach außen hin unsichtbare Integration in
ein Mobilfunkgerät zu erlauben. Hierfür kann zum Beispiel
eine PIFA-Antenne (Planar Inverted F-Antenna) verwendet
werden, die eine äußerst kompakte Form aufweist.
Meist operieren diese PIFA-Antennen in zwei unabhängigen
Frequenzbereichen, zum Beispiel bei einem Frequenzband von
900 MHz im GSM-Betrieb (GSM = Global System for Mobile
Communication) und bei dem Frequenzband von 1800 MHz im PCN-Betrieb
(PCN = Personal Communication Network). Die
Einführung einer weiteren, dritten Frequenz, zum Beispiel bei
dem Frequenzband des PCS-Betriebes (PCS = Personal
Communications Services) bei 1900 MHz, wird bislang
hauptsächlich mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen
Ausgestaltungen durchgeführt.
Eine bekannte Ausgestaltung zur Einführung einer dritten
Frequenz sieht vor, die Bandbreite des PCN-Frequenzbandes
einer Dualband-Antenne zu vergrößern, indem der Abstand
zwischen der Antenne und der Leiterplatte (PCB-board) des
Mobilfunkgerätes vergrößert wird. Hierdurch kann die
GSM/PCN-Dualband-Antenne zusätzlich für das PCS-Frequenzband
verwendet werden. In dieser Ausgestaltung benötigt die PIFA-Antenne
jedoch für einen Betrieb auf drei Frequenzbändern
zirka 50% mehr Volumen als eine PIFA-Antenne, die lediglich
auf zwei Frequenzbändern arbeitet.
Eine andere Ausgestaltung, eine PIFA-Antenne auszubilden, die
auf drei Frequenzbereichen arbeitet, sieht vor, eine
Dualband-PIFA-Antenne mit einer zusätzlichen Antenne zu
kombinieren. Diese zusätzliche Antenne liefert die dritte
Resonanzfrequenz und die gesamte PIFA-Antennenvorrichtung
weist nun drei Frequenzen auf. Hier wird sowohl die
Dualband-PIFA-Antenne als auch die zusätzliche Antenne mit
einem HF-Ein/Ausgang des Mobilfunkgerätes verbunden, wobei
beide Antennen separat angesteuert werden. Auch diese
Ausgestaltung führt zu einer voluminöseren Baugröße der PIFA-Antennenvorrichtung.
Da die heutigen Mobilfunkgeräte immer kleiner werden, sind
diese bislang beschriebenen PIFA-Antennenvorrichtungen, die
für drei Frequenzbereiche ausgelegt sind, nicht für einen
Einbau in solche Mobilfunkgeräte geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine PIFA-Antennenvorrichtung
für drei Frequenzbereiche zu entwickeln,
die kein nennenswert größeres Volumen als bestehende
Dualband-PIFA-Antennen aufweist und somit einen Einbau in
bestehende Mobilfunkgeräte ermöglicht.
Die Aufgabe zur Entwicklung einer PIFA-Antennenvorrichtung
wird durch den unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst.
Demgemäss schlägt der Erfinder vor, eine PIFA-Antennenvorrichtung,
mit einem HF-Ein/Ausgang und zwei
Antennenflächen, die jeweils einen Kontakt zu einer Masse
eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die
erste Antennenfläche für zwei unabhängige Frequenzen und die
zweite Antennenfläche für eine dritte unabhängige Frequenz
ausgebildet ist, dahingehend weiterzuentwickeln, dass
ausschließlich die erste Antennenfläche an einem Punkt mit
dem HF-Ein/Ausgang verbunden ist, die zweite Antennenfläche
berührungslos zu der ersten Antennenfläche derart angeordnet
ist, dass zwischen beiden Antennenflächen eine
elektromagnetische Kopplung entsteht, und dass eine erste
Fläche (F1) vorgesehen ist, die von der ersten Antennenfläche
(P1) weitgehend umschlossen wird und innerhalb dieser Fläche
(F1) die zweite Antennenfläche (P2) angeordnet ist.
Durch die vorgesehene elektromagnetische Kopplung kann auf
eine separate Ansteuerung der zweiten Antennenfläche
verzichtet werden. Beispielsweise kann die erste
Antennenfläche als Dualbandantenne in den Frequenzbändern für
den GSM- und den PCN-Betrieb arbeiten und die zweite
Antennenfläche die Frequenz für den PCS-Betrieb liefern.
In Folge des Merkmals, dass die erste Antennenfläche
ausschließlich an einem Punkt mit dem HF-Ein/Ausgang
verbunden ist, ist die Kontaktierung der PIFA-Antenne
besonders einfach gestaltet.
Erfindungsgemäß ist eine erste Fläche vorgesehen, die von der
ersten Antennenfläche weitgehend umschlossen wird und
innerhalb dieser Fläche ist die zweite Antennenfläche
angeordnet. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die zweite
Antennenfläche ohne zusätzlichen Platzbedarf in einer
Aussparung im Innenbereich der ersten Antennenfläche
untergebracht werden kann. Die beiden Antennenflächen können
hierbei vorzugsweise in einer Ebene (coplanar) angeordnet
sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
PIFA-Antennenvorrichtung ist die zweite Antennenfläche derart
ausgestaltet, dass sie einen λ/4-Resonator bildet, wenn sie
auf Masse gelegt wird. Durch eine elektromagnetische
Kopplung zwischen den beiden Antennenflächen wird der λ/4-Resonator
angeregt.
Vorteilhaft kann die Länge und die Breite der zweiten
Antennenfläche auf eine gewünschte dritte Frequenz abgestimmt
sein. Ein Nennwert von beispielsweise 50 Ohm
Eingangsimpedanz der Antennenvorrichtung bei der dritten
Frequenz kann durch die Auswahl der Größe der freien Fläche
beziehungsweise des nichtleitenden Mediums zwischen den
beiden Antennenflächen realisiert werden. Hierdurch kann die
Antenne ohne ein Anpaßnetzwerk beziehungsweise mit einer
geringen Anzahl von Anpaßelementen betrieben werden, so dass
die in Anpassschaltungen auftretenden Verluste vermieden
werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
PIFA-Antennenvorrichtung weisen die Antennenflächen Knicke
und Biegungen auf. Hierdurch können kleine räumliche
Strukturen entstehen, die sowohl für eine Anwendung bei zwei
als auch bei drei Frequenzen geeignet sind und die sich an
ein Gehäuse eines bestehenden Mobilfunkgerätes anpassen
können.
Darüber hinaus kann die von der ersten Antennenfläche
umgrenzte Fläche rechteckförmig ausgestaltet sein. Diese
Fläche ist vorzugsweise derart an die Länge und Breite der
zweiten Antennenfläche angepasst, dass sowohl eine
berührungslose Anordnung dieser zweiten Antennenfläche als
auch eine elektromagnetische Kopplung zwischen beiden
Antennenflächen ermöglicht wird. Das Medium zwischen den
beiden berührungslos angeordneten Antennenflächen ist
vorzugsweise Luft oder ein anderes nichtleitendes Medium.
Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung mindestens eine
zweite Fläche beziehungsweise Aussparung vorgesehen, die von
der Antennenfläche umgrenzt wird. Hierdurch kann die dritte
Frequenz der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung
unabhängig abstimmt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigen:
- Figur 1:
- erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung in
schematischer Ansicht;
- Figur 2:
- berechnete Reflexionskoeffizienten S11 der
erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung; und
- Figur 3:
- erfindungsgemäße PIFA-Anntenvorrichtung mit an eine
Unterschale eines Mobiltelefons angepasster Form.
Die Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung A. Die PIFA-Antennenvorrichtung
A enthält zwei Antennenflächen P1 und P2,
wobei die Antennenfläche P1 eine rechteckförmige Fläche F1
weitgehend umgrenzt beziehungsweise umfasst. Die
Antennenfläche P1 ist nach einer Seite hin geöffnet. Die
Fläche F1 kann auch als Aussparung in der Antennenfläche P1
betrachtet werden und kann auch eine andere Form aufweisen.
Weiterhin enthält die Antennenfläche P1 einen Kontakt G1, der
eine Masse des Mobilfunkgerätes kontaktiert, einen HF-Ein/Ausgang
S1, der die Antennenfläche P1 mit einem HF-Ein/Ausgang
des Mobilfunkgerätes verbindet sowie eine weitere
Fläche beziehungsweise eine Aussparung F2.
Die beiden Antenneflächen P1 und P2 sind im wesentlichen
coplanar zueinander angeordnet. Hervorzuheben ist, dass die
erste Antennenfläche P1 ausschließlich an einem Punkt KP mit
dem HF-Ein/Ausgang S1 verbunden ist. Dies bewirkt eine sehr
einfache Kontaktierung der PIFA-Antennenvorrichtung A.
Die Antennenfläche P1 stellt eine Dualbandantenne dar, zum
Beispiel für die Frequenzbänder 900 MHz und 1800 MHz.
In der Aussparung F1 ist eine weitere Antennenfläche P2
angeordnet, ohne dass zusätzlicher Platz benötigt wird.
Hierbei ist zu beachten, dass sich die Antennenflächen P1 und
P2 gegenseitig nicht berühren. Die Antennenfläche P2 hat
keine direkte Verbindung zu dem HF-Ein/Ausgang S1, so daß sie
ein "parasitäres Element" darstellt.
Weiterhin trägt die Antennenfläche P2 einen Kontakt G2, der
die Antennenfläche P2 mit der Masse des Mobilfunkgerätes
verbindet. Wird die Antennenfläche P2 mit der Masse
verbunden, bildet sie einen λ/4-Resonator, der nur die Hälfte
von der Fläche eines λ/2-Resonators (ohne Massenverbindung)
benötigt.
Das dritte Frequenzband kann durch die gewählte Länge und
Breite der Antennenfläche P2 gewählt werden. Eine Anregung
der Antennenfläche P2 findet über eine elektromagnetische
Kopplung zwischen der Antennenfläche P1 und der
Antennenfläche P2 statt. Durch Auswahl der Fläche F1 kann ein
optimaler Reflexionskoeffizient S11 bei einer dritten
Frequenz realisiert werden.
Die beiden Kontakte G1 und G2 stehen im wesentlichen in
derselben Richtung von ihren zugehörigen Antennenflächen P1,
P2 vor, und zwar etwa in der Mitte der langen Seiten der
Rechtecke, die die Antenneflächen P1, P2 jeweils beschreiben.
Der HF-Ein/Ausgang S1 ist unweit von dem Kontakt G1
angeordnet. Genauer gesagt, liegt der HF-Ein/Ausgang F1 im
Bereich einer Ecke des Rechtecks, das von der Antennenfläche
P1 beschrieben wird. Die Antennenfläche P1 weist im Bereich
einer ihrer Ecken eine Öffnung O auf, die dem HF-Ein/Ausgang
S1 im wesentlichen diagonal gegenüberliegt. Der HF-Ein/Ausgang
S1 liegt in Bezug auf den Kontakt G1 an der von
der Öffnung O entfernteren Ecke des Rechtecks.
Die Öffnung O sorgt dafür, dass die Antennenfläche P1 für
zwei Frequenzbänder benutzt werden kann. Insofern umfasst die
Antennefläche P1 zwei Resonatoren mit dem gemeinsamen
Massekontakt G1 und dem gemeinsamen HF-Ein/Ausgang S1. Die
Längen dieser beiden Resonatoren der Antennenfläche P1 können
durch Vergrößern oder Vermindern der Öffnung O verändert
werden, und damit auch die Resonanzfrequenzen der
Resonatoren, die von diesen Längen abhängen. Aufgrund dessen
wird die Öffnung O verwendet, um die zwei Resonanzfrequenzen
bzw. Betriebsfrequenzbänder der Antennenfläche P1
festzulegen.
Die Figur 2 zeigt als durchgezogene Linie die
Reflexionskoeffizienten S11 der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung,
die auf bekannte Weise berechnet wurden,
in einer Auftragung gegen die Frequenz F.
Das Frequenzbänder für den GSM-Betrieb sind im Bereich
zwischen zirka 880 bis 960 MHz, für den PCN-Betrieb im
Bereich zwischen zirka 1710 bis 1880 MHz und für den PCS-Betrieb
im Bereich zwischen zirka 1850 bis 1990 MHz als
gestrichelte Linien eingezeichnet.
Die aufgetragenen Simulationsergebnisse in der Figur 2
zeigen, dass die erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung
den Erfordernissen für einen Betrieb in diesen drei
Frequenzbereichen genügt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der
Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insgesamt wird durch die Erfindung eine PIFA-Antennenvorrichtung
für drei Frequenzbereiche vorgestellt, die in ihren
Ausdehnungen denen einer Dualband-PIFA-Antenne entspricht und
die einen Einbau in bestehende Mobilfunkgeräte ermöglicht.
Die Figur 3 zeigte eine erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung,
die hinsichtlich ihrer äußeren Form an
eine Unterschale eines Mobiltelefons angepasst ist, zu dem
die PIFA-Antennenvorrichtung A gehört. Aus der Figur 3 wird
ersichtlich, dass zum Ausnutzen des zur Verfügung stehenden
Volumens in der Unterschale des Mobiltelefongehäuses die
Antennenvorrichtung A, insbesondere die Antennenflächen P1
und P2, an eine komplexe Struktur der Gehäuseunterschale
angepasst werden kann. Dazu weisen die Antennenflächen P1 und
P2 an ihren Innen-/Außenrändern Vorsprünge/Aussparungen o. ä.
auf, die es gestatten, die Antennenvorrichtung A möglichst
platzsparend der Gehäuseunterschale benachbart anzuordnen.
Dabei bleibt jedoch die in Figur 1 dargestellte im
wesentlichen rechteckförmige Gestalt der Antennenflächen P1
und P2 im wesentlichen erhalten.