EP1639674A1 - Antennenanordnung für mobile kommunikationsendgeräte - Google Patents

Antennenanordnung für mobile kommunikationsendgeräte

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EP1639674A1
EP1639674A1 EP04798038A EP04798038A EP1639674A1 EP 1639674 A1 EP1639674 A1 EP 1639674A1 EP 04798038 A EP04798038 A EP 04798038A EP 04798038 A EP04798038 A EP 04798038A EP 1639674 A1 EP1639674 A1 EP 1639674A1
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EP
European Patent Office
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antenna
antenna elements
arrangement according
antenna arrangement
contact
Prior art date
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EP04798038A
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English (en)
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EP1639674B1 (de
Inventor
Reinhold Braam
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Hewlett Packard Development Co LP
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1639674A1 publication Critical patent/EP1639674A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1639674B1 publication Critical patent/EP1639674B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/01—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the shape of the antenna or antenna system

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement for mobile communication terminals, in particular those which support a plurality of mobile radio communication standards.
  • Mobile radio standards differ in principle by the specially reserved frequency range.
  • a respective frequency range i. H.
  • antennas are necessary which, in a predominant number of cases, have the length ⁇ / 4, where ⁇ is a wavelength within the frequency range.
  • the term "software defined radio” is of particular importance because it means mobile communication terminals that are intended to cover as many different mobile radio communication standards as possible and thus also receive different carrier frequencies.
  • An antenna arrangement suitable for this can therefore either consist of a plurality of antennas or else such a broadband antenna is used which covers all supported mobile radio standard frequency ranges can operate.
  • a broadband antenna will have the disadvantage that it is not optimally adapted for a particular application in a special frequency range of a mobile radio communication standard. This leads to losses for a received transmission power.
  • the object of the invention is to create an antenna arrangement which can be adapted to a plurality of standard mobile radio frequency ranges.
  • an antenna arrangement is provided with a regular field of electrically conductive antenna elements arranged on a carrier, which are designed and mounted in such a way that they each lie between a first position in which electrical contact with at least one adjacent antenna element is made possible and a second position , in which there is electrical decoupling from the adjacent antenna element, are movable, an RF contact for at least one of the antenna elements and a control device for moving the antenna elements between the first and the second position and for forming a desired antenna structure, starting from the at least one , provided with the RF contact antenna element.
  • the intended array of antenna elements individually switchable between a first position, which is an active position, and a second position, which is an inactive position, allows one for one by connecting a desired number of antenna elements to implement suitable antenna length - currently used mobile radio standard frequency range.
  • the control device used which receives a request to implement a specific antenna structure, causes a number of antenna elements to be moved in such a way that the desired antenna structure is obtained.
  • the antenna elements selected for forming the antenna structure are moved into a respectively required position, namely the first position or the second position.
  • a transmission power received by an antenna structure depends on its position and orientation in space.
  • the antenna arrangement offers the advantage that its orientation can be changed or also shifted in order to optimize the received transmission power.
  • At least one of the antenna elements is provided with an HF contact for supplying electromagnetic signals to be emitted or discharging received electromagnetic signals
  • This antenna element serves as the starting point for an antenna structure to be built with the aid of further antenna elements.
  • Antenna structure to be constructed antenna elements has the advantage that either in terms of antenna "diversity" a gain is achieved with regard to a received transmission power or a parallel reception of different carrier frequencies, which are assigned to different mobile radio standards, is made possible.
  • the antenna elements are preferably designed as essentially rectangular plates which can be rotated on axes running parallel to one another. In this respect, the antenna elements lie one behind the other on an axis, a distance in the axial direction between adjacent antenna elements should take into account that sufficient electromagnetic decoupling from one another can be achieved.
  • an antenna structure is defined by a plurality of antenna elements that are located on different axes.
  • adjacent plates overlap in a direction perpendicular to the axes in the first position and can be connected to one another in an electrically conductive manner in the overlap region.
  • both antenna elements are in the first position and are in electrically conductive contact with one another due to the
  • the platelets on mutually adjacent axes are offset from one another in the axial direction, a distance between platelets adjacent on the axes being smaller than an expansion of the platelets in the axial direction and the offset smaller than the expansion of the platelets and is larger than the distance.
  • the antenna elements are preferably on a substrate, e.g. B. a semiconductor chip, arranged as the carrier.
  • the substrate functioning as a carrier is preferably low-loss. It is advantageous here if each antenna element is arranged on an associated matrix element of a row / column matrix of the carrier and each antenna element is assigned a row and a column address. In this way, the control device by means of the row and the column address can make a single actuation of the "antenna elements and from the second position to the first
  • a current position of an antenna element namely either the first or the second position, can be stored in a respective memory element that a
  • Matrix element of the row / column matrix of the semiconductor chip is assigned. This makes it possible for the control device to be able to draw conclusions continuously about the currently implemented antenna structure by reading out the memory elements.
  • control device for controlling the antenna elements and also a circuit arrangement for HF signal processing are also integrated on the semiconductor chip.
  • the RF signal processing takes place in Usually takes place with the aid of a suitable circuit arrangement, the incoming signals, which are supplied by the antenna elements, are further processed.
  • FIG. 1 shows a side view of an antenna arrangement for a mobile communication terminal
  • FIG. 2 shows a view from above of the antenna structure from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a view from above of a substrate as a carrier for a plurality of antenna structures
  • Figure 4 is a top view of a substrate with several common RF connections for antenna structures and
  • Figure 5 is a schematic overview of an antenna chip with external control.
  • Antenna elements AE / 1 , AE 3 (2 , AE 2 , 2 , AE 1/3 are each rotatably mounted on the associated axes Ai, A 2 , A 3 , A 4 , so that they move from a first, active position into a move the second passive position.
  • the antenna elements AE 4 ⁇ 1 , AE 3 2 , AE 2/2 - also the decoupled antenna element, AE X , 3 - are each provided with an electrically conductive surface 0, which runs in such a way that when the first is taken Position adjacent
  • Antenna elements such as the antenna elements AE 3/2 and AE 2/2 on adjacent axes A 2 , A 3 touch each other with their electrically conductive surfaces.
  • a substrate for the antenna elements can be ceramic material that has been metallized with a metallic layer to form the electrically conductive surface.
  • the antenna elements can also be made entirely of metal.
  • the metallic antenna elements AE 4 , ⁇ , AE 3 , 2 / AE 2/2 , AE 1/3 are essentially rectangular, but point in the direction of adjacent antenna elements perpendicular to the axes Ai, A 2 , A 3 , A 4 each have a step which is provided with an associated section of the electrically conductive surface.
  • the mutually opposite steps overlap with one another and lie against one another when the antenna elements AE 3 (2 , AE 2/2 are in their first position and an electrical contact is established between these antenna elements AE 32 , AE 2 , 2.
  • the antenna elements AE, ⁇ , AE 3 (2 , AE 2 (2 , AE 1 (3 are above a carrier 5, which is in the form of a semiconductor chip, around their associated axis Ai, A 2 , A 3 , A 4 , rotatably arranged and mechanically supported on the semiconductor chip 5.
  • a possible realization of the rotatable mounting for the antenna elements AE lrl , AE 1 ⁇ 2 , AE ⁇ , 3 , AE ⁇ / 4 can be seen , for example, from US 2002/0109903 AI, which relates to a micro-electromechanical system with optical applications.
  • the antenna elements AE ⁇ , ⁇ , AE ⁇ , 2 , AE ⁇ , 3 , AE ⁇ , 4 are designed as micro-electromechanical elements, the position of which can be adjusted with the aid of attractive or repulsive electrostatic forces.
  • FIG. 2 A general structure of an array of antenna elements, which also includes the antenna elements AE (1 , AE 3 2 , AE 22 , AE 13 explained with reference to FIG. 1, is shown in FIG. 2.
  • Four rows of antenna elements AE 1 (1 , ..., AE ⁇ / 8 ,; AE 2 , ⁇ , ..., AE 2/8 ; AE 3 , ⁇ , ..., AE 3 , 8 ; AE 4 ⁇ 1 , ..., AE 4 / 8 which are arranged on respective axes i, A 2 , A 3 , A 4.
  • the indexing of the antenna elements follows the rule that the first index of the number of the associated axis and the second index of the position of the antenna element from left to right in the figure 2.
  • n axes are provided, each with m antenna elements, the number m of antenna elements not necessarily having to be the same for all axes.
  • Antenna elements arranged on adjacent axes Ai, A 2 , A 3 , A 4 have an offset parallel to the axes which is dimensioned such that - apart from the edge region - an axis position of an antenna element on one axis is approximately the middle between two antenna elements corresponds to the other axis. This makes it possible that the antenna element on one
  • Axis can be electrically connected with two antenna elements on the other axis at the same time. This has the Advantage that reception properties of an antenna structure realized with the aid of the field of antenna elements can be optimized by connecting further antenna elements, starting from an initial structure.
  • the field antenna elements shown in FIG. 2 has a general matrix structure, with each antenna element being assigned a unique row position n and a unique column position m. An antenna element can be identified using this position information.
  • FIG. 2 shows two different antenna structures that can be implemented with the field antenna elements, for the sake of example.
  • a first antenna structure AS1 with a length l ⁇ is formed by four antenna elements, each of which is in the first, active position. The four antenna elements run obliquely to the axes on which the field antenna elements is arranged.
  • An outer antenna element of the antenna structure AS1 is provided with an RF contact and is used for coupling received or
  • a received signal can thus be fed to an RF processing device.
  • Each individual antenna element can be equipped with such an RF contact.
  • a second antenna structure AS2 a length 1 2 in Figure 2 is formed by a total of eight antenna elements that are connected to each other electrically conductive. Two antenna elements on each axis contribute to the antenna structure.
  • a comparison of the antenna structure AS1 with the antenna structure AS2 shows that by connecting additional antenna elements, the antenna structure AS1, which of the positioning of the involved antenna elements is contained in the antenna structure AS2, can be modified in order to improve reception properties.
  • FIG. 2 also illustrates that it is not only possible to build up antenna structures in the horizontal or vertical direction, but also to form any antenna structure areas in the predetermined grid of the antenna elements.
  • the antenna elements field can implement two antenna structures that support different mobile radio standards.
  • the requirements for an antenna arrangement for "software defined radio” devices are taken into account.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a substrate serving as a carrier in the form of a semiconductor chip 5.
  • the semiconductor chip 5 is rectangular and has two connections ANi, AN 2 ,... AN 8 on each of its side edges.
  • Each of the connections ANi, ... AN 8 which acts as an HF contact, is permanently electrically connected to a special antenna element that serves as an output element for forming an antenna structure.
  • a total of eight antenna structures are shown in FIG. 3, which emanate from the respective connections ANi,..., AN 8 and in some cases differ in shape.
  • the semiconductor chip 5 can be equipped with antenna elements over its entire surface, with FIG. 3 primarily showing active antenna elements and possibly adjacent inactive antenna elements.
  • FIG. 5 A further exemplary embodiment of an antenna arrangement on the semiconductor chip 5 is illustrated in FIG. In contrast to the embodiment of Figure 3 are as In the exemplary embodiment according to FIG. 4, special antenna elements designed to couple in / out are arranged not on the edge of the semiconductor chip 5 but in the inner region thereof. At its edge, the semiconductor chip 5 has a total of 4 RF connections AN 9 , ..., AN ⁇ 2 provided as RF contacts, each of which is assigned a low-loss multiplexer Mi, M 2 , M 3 , M 4, which is also assigned is realized on the semiconductor chip 5.
  • Each of the multiplexers M x , ..., M 4 is connected in the exemplary embodiment shown to six antenna elements AE nm , which can serve as coupling-in / coupling-out elements for HF signals.
  • antenna elements AE nm which can serve as coupling-in / coupling-out elements for HF signals.
  • FIG. 4 only one antenna structure is shown in FIG. 4 on the antenna element arranged at the top left in FIG. 4.
  • the semiconductor chip 5 of FIG. 4 can be completely provided with antenna elements over its surface.
  • a control device 6 in the form of a microprocessor receives input values which reflect which
  • the control device 6 controls a number of the antenna elements of the field in such a way that they are in the first, active position, while neighboring ones
  • Antenna elements are brought into the second, inactive position, provided that they were previously in the active, first position.
  • the control device 6 sends suitable control signals to the antenna elements AE n ⁇ m concerned .
  • m stored whether it is in the first or in the second position.
  • control device 6 emits address signals S A and data signals S D , the address signals S A denoting respective antenna elements, while the data signals S D contain the information as to whether a currently addressed antenna element is to assume the active or the passive position.
  • LNA Low Noise Amplifier
  • the semiconductor chip 5 is shown in FIG. 5 in such a way that it carries only antenna elements and associated connections, the control device ⁇ and the reception filters F1, F2, F3 and their associated RF amplifiers LNA1, LNA2, LNA3 can be on the semiconductor Chip 5 be implemented.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Description

Beschreibung
Antennenanordnung für mobile Kommunikationsendgeräte
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für mobile Kommunikationsendgeräte, insbesondere solche, die eine Mehrzahl von Mobilfunk-Kommunikationsstandards unterstützen.
Mobile Kommunikationsendgeräte zur Unterstützung von mehreren Mobilfunk-KommunikationsStandards befinden sich derzeit in ihrer Entwicklung. Für diesen Zweck ist es erforderlich, eine Antennenanordnung bereitzustellen, die dazu in der Lage ist, entsprechend den Vorgaben der einzelnen Mobilfunk- Kommunikationsstandards betrieben zu werden.
Ein möglicher Ansatz hierfür ist es, für jeden der unterstützten Mobilfunk-KommunikationsStandards eine gesonderte Antenne vorzusehen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zur Zeit gebräuchliche bzw. zukünftige
Mobilfunkstandards sich prinzipiell durch den jeweils speziell reservierten Frequenzbereich unterscheiden. Für einen jeweiligen Frequenzbereich, d. h. für einen Empfang bzw. ein Aussenden elektromagnetischer Signale innerhalb dieses Frequenzbereiches, sind Antennen notwendig, die in einer überwiegenden Zahl der Fälle die Länge λ/4 aufweisen, wobei λ eine Wellenlänge innerhalb des Frequenzbereiches ist.
In diesem Zusammenhang ist der Begriff "Software Defined Radio" von besonderer Bedeutung, denn damit sind mobile Kommunikationsendgeräte gemeint, die möglichst viele verschiedene Mobilfunk-Kommunikationsstandards abdecken sollen und damit auch unterschiedliche Trägerfrequenzen empfangen. Eine hierfür geeignete Antennenanordnung kann daher entweder aus einer Mehrzahl Antennen bestehen oder aber es wird eine derart breitbandige Antenne eingesetzt, die sämtliche unterstützten Mobilfunk-Standardfrequenzbereiche bedienen kann. Eine derart breitbandige Antenne wird jedoch den Nachteil aufweisen, dass sie für einen jeweiligen Anwendungsfall in einem speziellen Frequenzbereich eines Mobilfunk-Kommunikationsstandards nicht optimal angepasst ist. Dies führt zu Verlusten für eine empfangene Sendeleistung.
Da eine Antenennanordnung aus einer Mehrzahl Antennen sehr komplex und eine sehr breitbandige Antennenanordnung von geringer Anpassungsqualität ist, liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung zu schaffen, die an eine Mehrzahl von Mobilfunk-Standardfrequenzbereichen anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Danach ist vorgesehen eine Antennenanordnung mit einem auf einem Träger angeordneten, regelmäßigen Feld elektrisch leitender Antennenelemente, die derart ausgebildet und gelagert sind, dass sie jeweils zwischen einer ersten Position, bei der ein elektrischer Kontakt zu wenigstens einem benachbarten Antennenelement ermöglicht ist, und einer zweiten Position, bei der eine elektrische Entkopplung von dem benachbarten Antennenelement vorliegt, beweglich sind, einem HF-Kontakt für mindestens eines der Antennenelemente und einer Steuereinrichtung zum Bewegen der Antennenelemente zwischen der ersten und der zweiten Position und zum Ausbilden einer gewünschten Antennenstruktur, ausgehend von dem mindestens einen, mit dem HF-Kontakt versehenen Antennenelement .
Das vorgesehene Feld von Antennenelementen, die einzeln zwischen einer ersten Position, die eine aktive Position ist, und einer zweiten Position, die eine inaktive Position ist, umschaltbar sind, gestattet es, durch Verbinden einer gewünschten Anzahl von Antennenelementen eine für einen aktuell benutzten Mobilfunk-Standardfrequenzbereich geeignete Antennenlänge- zu realisieren. Die eingesetzte Steuereinrichtung, die eine Anforderung erhält, eine bestimmte Antennenstruktur zur realisieren, bewirkt ein Bewegen einer Anzahl der Antennenelemente in der Weise, dass die gewünschte Antennenstruktur sich ergibt . Dazu werden die zum Bilden der Antennenstruktur ausgewählten Antennenelemente in eine jeweils erforderliche Position, nämlich die erste Position oder die zweite Position bewegt.
Bekanntlich hängt eine von einer Antennenstruktur empfangene Sendeleistung von ihrer Position und Orientierung im Raum ab. In dieser Hinsicht bietet die Antennenanordnung den Vorteil, dass sie in ihrer Orientierung verändert oder auch verschoben werden kann, um eine Optimierung hinsichtlich der empfangenen Sendeleistung zu schaffen.
Dabei ist mindestens eines der Antennenelemente mit einem HF- Kontakt zum Zuführen von auszusendenden elektromagnetischen Signalen oder Abführen von empfangenen elektromagnetischen
Signalen ausgebildet. Dieses Antennenelement dient als Ausgangspunkt für eine mit Hilfe weiterer Antennenelemente zu errichtende Antennenstruktur. Um hinsichtlich einer Realisierung einer gewünschten Antennenstruktur flexibler zu sein, ist es möglich, eine Mehrzahl der Antennenelemente oder auch sämtliche Antennenelemente mit einem solchen HF-Kontakt auszustatten.
Wenn eine Mehrzahl Antennenelemente vorgesehen ist, die jeweils als Ausgangspunkt für eine mit Hilfe weiterer
Antennenelemente zu errichtende Antennenstruktur beschaffen sind, ergibt sich der Vorteil, dass entweder im Sinne von Antennen-"Diversity" ein Gewinn hinsichtlich einer empfangenen Sendeleistung erzielt wird oder ein paralleler Empfang verschiedener Trägerfrequenzen, die unterschiedlichen Mobilfunkstandards zugeordnet sind, ermöglicht wird. Bevorzugt sind die Antennenelemente als auf zueinander parallel verlaufenden Achsen drehbare, im wesentlichen rechtwinklige Plättchen ausgebildet. Insofern liegen die Antennenelemente auf einer Achse in einer Reihe hintereinander, wobei ein Abstand in Achsrichtung zwischen benachbarten Antennenelementen berücksichtigen sollte, dass eine ausreichende elektromagnetische Entkopplung voneinander erzielt werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird eine Antennenstruktur durch eine Mehrzahl Antennenelemente festgelegt, die sich auf verschiedenen Achsen befinden.
Es ist von Vorteil, wenn einander benachbarte Plättchen in einer zu den Achsen senkrechten Richtung in der ersten Position überlappen und im Überlappungsbereich elektrisch leitend miteinander verbindbar sind. Wenn somit zwei Antennenelemente auf einander benachbarten Achsen Teil einer gewünschten Antennenstruktur sein sollen, befinden sich beide Antennenelemente in der ersten Position und stehen in einem elektrisch leitenden Kontakt miteinander aufgrund des
Überlappungsbereichs. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen denkbar, mit deren Hilfe ein elektrisch leitender Kontakt zwischen Plättchen einer gemeinsamen Antennenstruktur hergestellt werden kann.
Bei einer spezielleren Ausführungsform ist es vorgesehen, die Plättchen auf einander benachbarten Achsen in Achsrichtung zueinander einen Versatz aufweisen zu lassen, wobei ein Abstand zwischen auf den Achsen benachbarten Plättchen kleiner als eine Ausdehnung der Plättchen in Achsrichtung ist und der Versatz kleiner als die Ausdehnung der Plättchen und größer als der Abstand ist.
Durch diese Merkmale wird gewährleistet, dass ein Plättchen auf einer bestimmten Achse gleichzeitig mit zwei Plättchen auf einer benachbarten Achse in elektrisch leitendem Kontakt stehen kann, so dass sich beliebige, beispielsweise auch diagonal/schräg verlaufende Antennenstrukturen verwirklichen lassen. Dies ist insofern von Vorteil, dass man zunächst versuchen kann, eine erforderliche Antennenstruktur anfangs schräg zu realisieren. Wenn die erforderlichen Empfangseigenschaften dieser Antennenstruktur nicht zufriedenstellend sind, können entlang den Achsen weitere, an die AnfangsStruktur angrenzende Plättchen hinzugeschaltet werden, indem sie in die erste Position bewegt werden, um dadurch die Empfangseigenschaft zu verbessern.
Die Antennenelemente sind bevorzugt auf einem Substrat, z. B. einem Halbleiter-Chip, als der Träger angeordnet. Das als Träger fungierende Substrat ist vorzugsweise verlustarm. Dabei ist es von Vorteil, wenn jedes Antennenelement auf einem zugehörigen Matrixelement einer Reihen-/Spaltenmatrix des Trägers angeordnet und jedem Antennenelement eine Reihen- und eine Spaltenadresse zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung mit Hilfe der Reihen- und der Spaltenadresse eine einzelne Ansteuerung der" Antennenelemente vornehmen und sie von der ersten Position in die zweite
Position oder umgekehrt bewegen.
Eine aktuelle Position eines Antennenelementes, nämlich entweder die erste oder die zweite Position, kann in einem jeweiligen Speicherelement gespeichert werden, das einem
Matrixelement der Reihen-/Spaltenmatrix des Halbleiter-Chips zugeordnet ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass die Steuereinrichtung durch Auslesen der Speicherelemente ständig über die aktuell verwirklichte Antennenstruktur Rückschlüsse ziehen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Träger, der als Halbleiter-Chip integriert ist, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn auf dem Halbleiter-Chip auch die Steuereinrichtung zum Ansteuern der Antennenelemente und auch eine Schaltungsanordnung für eine HF-Signalverarbeitung integriert sind. Die HF-Signalverarbeitung findet dabei in üblicher Weise mit Hilfe einer geeigneten Schaltungsanordnung statt, der eingehende Signale, die von den Antennenelementen geliefert werden, weiterverarbeitet werden.
Des weiteren ist darauf hinzuweisen, dass sämtliche vorgesehenen Zuleitungen, Anschlüsse und Kontakte, die im Rahmen der Antennenanordnung zum Einsatz kommen, für die empfangnen oder auszusendenden HF-Signale verlustarm ausgestaltet sein sollten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Antennenanordnung für ein mobiles Kommunikationsendgerät,
Figur 2 eine Ansicht von oben auf die Antennenstruktur von Figur 1,
Figur 3 Eine Ansicht von oben auf ein Substrat als Träger für eine Mehrzahl Antennenstrukturen,
Figur 4 eine Ansicht von oben auf ein Substrat mit mehreren gemeinsamen HF-Anschlüssen für Antennenstrukturen und
Figur 5 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Antennen-Chips mit externer Steuerung.
Wie aus der Figur 1 hervor geht, liegen als metallisierte
Plättchen ausgebildete Antennenelemente AE 4fl, AE 3/2, AE 2(2, AE 1(3 (vgl. Fig.2) in der dargestellten Seitenansicht auf jeweils zugehörigen Achsen Ai, A2, A3, A4. Die
Antennenelemente AE/1, AE3(2, AE2,2, AE1/3 sind jeweils drehbar auf den zugehörigen Achsen Ai, A2, A3, A4 gelagert, so dass sie sich aus einer ersten, aktiven Position in eine zweite passive Position bewegen lassen. Beispielsweise befinden sich in der Figur 1 die Antennenelemente AE4 1, AE3,2, AE2/2 in der ersten aktiven Position, d. h. sie sind elektrisch leitend miteinander verbunden, um eine gewünschte Antennenstruktur auszubilden. Dem gegenüber ist das Antennenelement AEι,3 in der Figur 1 gegenüber den übrigen Antennenelementen AE4ιι, AE3ι2, AE2/2verkippt und insbesondere von dem benachbarten Antennenelement AE2/2entkoppelt (in der Fig. 1 schraffiert). Es trägt somit nicht zur Realisierung der gewünschten Antennenstruktur bei .
Zur Ausbildung der gewünschten Antennenstruktur sind die Antennenelemente AE4<1, AE3 2, AE2/2 - auch das entkoppelte Antennenelement , AEX,3 - jeweils mit einer elektrisch leitenden Oberfläche 0 versehen, die derart verläuft, dass bei Einnahme der ersten Position benachbarte
Antennenelemente, wie die Antennenelemente AE3/2 und AE2/2 auf benachbarten Achsen A2, A3 einander mit ihren elektrisch leitenden Oberflächen berühren. Ein Substrat für die Antennenelemente kann keramisches Material sein, das mit einer metallischen Schicht zur Ausbildung der elektrisch leitenden Oberfläche 0 metallisiert worden ist. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Antennenelemente auch vollständig aus Metall hergestellt sein.
Im einzelnen sind die metallischen Antennenelemente AE4,ι, AE3,2/ AE2/2, AE1/3 im wesentlichen rechtwinkelig ausgebildet, weisen jedoch in Richtung auf benachbarte Antennenelemente senkrecht zu den Achsen Ai, A2, A3, A4 jeweils eine Stufe auf, die mit einem zugehörigen Abschnitt der elektrisch leitfähigen Oberfläche versehen ist. Die einander gegenüberliegenden Stufen überlappen miteinander und liegen aneinander an, wenn die Antennenelemente AE3(2, AE2/2 in ihrer ersten Position sind und ein elektrischer Kontakt zwischen diesen Antennenelementen AE32, AE2,2 hergestellt ist. Die Antennenelemente AE,ι, AE3(2, AE2(2, AE1(3 sind oberhalb eines Trägers 5, der in Form eines Halbleiter-Chips vorliegt, um ihre zugehörige Achse Ai, A2, A3, A4, drehbar angeordnet und mechanisch an dem Halbleiter-Chip 5 abgestützt.
Eine mögliche Realisierung der drehbaren Lagerung für die Antennenelemente AElrl, AE1<2, AEχ,3, AEι/4 geht beispielsweise aus der US 2002/0109903 AI hervor, die sich auf ein mikro- elektromechanisches System mit optischen Anwendungen bezieht. In Anlehnung daran sind die Antennenelemente AEι,ι, AEι,2, AEχ,3, AEι,4 als mikro-elektromechanische Elemente ausgebildet, deren Position mit Hilfe attraktiver oder abstoßender elektrostatischer Kräfte einstellbar ist.
Eine allgemeine Struktur eines Feldes von Antennenelementen, zu denen auch die anhand der Figur 1 erläuterten Antennenelemente AE(1, AE3 2, AE22, AE13 gehören, geht aus der Figur 2 hervor. Dargestellt sind vier Reihen von Antennenelementen AE1(1, ... , AEι/8, ; AE2,ι, ..., AE2/8; AE3,ι, ..., AE3,8; AE4<1, ..., AE4/8 die auf jeweiligen Achsen i, A2, A3, A4 angeordnet sind. Die Indizierung der Antennenelemente folgt der Regel, dass der erste Index der Nummer der zugehörigen Achse und der zweite Index der Lage des Antennenelementes von links nach rechts in der Figur 2 entspricht. Selbstverständlich sind Erweiterungen des anhand der Figur 2 erläuterten Ausführungsbeispiels denkbar, bei denen n Achsen mit jeweils m Antennenelementen vorgesehen sind, wobei die Anzahl m an Antennenelementen nicht notwendiger Weise für sämtliche Achsen dieselbe sein muss .
Auf benachbarten Achsen Ai, A2, A3, A4 angeordnete Antennenelemente weisen parallel zu den Achsen einen Versatz auf, der derart bemessen ist, dass - abgesehen vom Randbereich - eine Achsenposition eines Antennenelementes auf der einen Achse etwa der Mitte zwischen zwei Antennenelementen auf der anderen Achse entspricht. Dadurch wird es ermöglicht, dass das Antennenelement auf der einen
Achse gleichzeitig mit zwei Antennenelementen auf der anderen Achse elektrisch leitend verbunden werden kann. Dies hat den Vorteil, dass Empfangseigenschaften einer mit Hilfe des Feldes von Antennenelementen realisierten Antennenstruktur durch Zuschalten weiterer Antennenelemente, ausgehend von einer AnfangsStruktur, optimiert werden können.
Das in Figur 2 dargestellte Feld Antennenelemente weist eine allgemeine Matrixstruktur auf, wobei jedem Antennenelement eine eindeutige Reihenposition n und eine eindeutige Spaltenposition m zugeordnet ist. Über diese Positionsangaben lässt sich ein Antennenelement identifizieren.
In der Figur 2 sind zwei verschiedene Antennenstrukturen, die sich mit dem Feld Antennenelemente realisieren lassen, beispielshalber dargestellt. Eine erste Antennenstruktur ASl einer Länge lχ wird von vier Antennenelementen gebildet, die jeweils in der ersten, aktiven Position liegen. Die vier Antennenelemente verlaufen schräg zu den Achsen, auf denen das Feld Antennenelemente angeordnet ist. Ein äußeres Antennenelement der Antennenstruktur ASl ist mit einem HF- Kontakt versehen und dient zur Einkopplung empfangener bzw.
Auskopplung auszusendender Signale in den / aus dem Halbleiter-Chip 5. Ein empfangenes Signal kann somit einer HF-Verarbeitungseinrichtung zugeführt werden.
Für eine möglichst große Variabilität des Feldes
Antennenelemente kann jedes einzelne Antennenelement mit einem solchen HF-Kontakt ausgestattet sein.
Eine zweite Antennenstruktur AS2 einer Länge 12 in der Figur 2 ist von insgesamt acht Antennenelementen gebildet, die miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Jeweils zwei Antennenelemente einer Achse tragen zu der Antennenstruktur bei . Ein Vergleich der Antennenstruktur ASl mit der Antennenstruktur AS2 verdeutlicht, dass durch ein Zuschalten weiterer Antennenelemente die Antennenstruktur ASl, die von der Positionierung der Beteiligten Antennenelemente in der Antennenstruktur AS2 enthalten ist, modifiziert werden kann, um Empfangseigenschaften zu verbessern. Die Figur 2 verdeutlicht außerdem, dass ein Aufbau von Antennenstrukturen nicht nur in horizontaler oder vertikaler Richtung möglich ist, sondern auch die Ausbildung beliebiger Antennenstruktur- Flächen im vorgegebenen Raster der Antennenelemente ermöglicht wird.
Da die beiden Beispiele für Antennenstrukturen eine unterschiedliche Antennenlänge aufweisen, lässt sich außerdem feststellen, dass das Feld Antennenelemente zwei Antennenstrukturen realisieren kann, die unterschiedliche Mobilfunkstandards unterstützen. Insofern wird den Erfordernissen an einer Antennenanordnung für "Software Defined Radio" -Geräte Rechnung getragen.
Aus der Figur 3 geht ein Ausführungsbeispiel eines als Träger dienenden Substrats in Form eines Halbleiter-Chips 5 hervor. Der Halbleiter-Chip 5 ist rechtwinkelig ausgebildet und weist an jedem seiner Seitenränder jeweils zwei Anschlüsse ANi, AN2, ... AN8, auf. Jeder der als HF-Kontakt wirkenden Anschlüsse ANi, ... AN8, ist fest mit einem besonderen Antennenelement elektrisch verbunden, dass als Ausgangselement zum Ausbilden einer Antennenstruktur dient. In der Figur 3 sind insgesamt acht Antennenstrukturen gezeigt, die von den jeweiligen Anschlüssen ANi, ..., AN8 ausgehen und in ihrer Form teilweise voneinander abweichen. Es ist hervorzuheben, dass der Halbleiter-Chip 5 über seine gesamte Oberfläche mit Antennenelementen ausgestattet sein kann, wobei in der Figur 3 in erster Linie aktive Antennenelemente und ggf. benachbarte inaktive Antennenelemente dargestellt sind. In der Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antennenanordnung auf dem Halbleiter-Chip 5 veranschaulicht. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind als Ein-/Auskoppelelemente ausgeführte besondere Antennenelemente bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 nicht am Rand des Halbleiter-Chips 5 sondern im inneren Bereich desselben angeordnet. An seinem Rand weist der Halbleiter-Chip 5 insgesamt 4 als HF-Kontakte vorgesehene HF-Anschlüsse AN9, ..., ANχ2 auf, denen jeweils ein verlustarmer Multiplexer Mi, M2, M3, M4 zugeordnet ist, der ebenfalls auf dem Halbleiter- Chip 5 verwirklicht ist. Jeder der Multiplexer Mx, ... , M4 ist in dargestelltem Ausführungsbeispiel mit sechs Antennenelementen AEnm verbunden, die für sich allein als Einkoppel-/Auskoppelelemente für HF-Signale dienen können. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Figur 4 nur eine Antennenstruktur an dem in der Figur 4 oben links angeordneten Antennenelement dargestellt. Selbstverständlich kann der Halbleiter-Chip 5 der Figur 4 über seine Oberfläche vollständig mit Antennenelementen versehen sein.
Ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren 3 und 4 zur Lagerung der Antennenelemente dienende Achsen nicht eingezeichnet.
Aus der Figur 5 geht eine Schaltungsstruktur, die den Halbleiter-Chip 5 umfasst, hervor, die zur Adressierung und Steuerung der einzelnen Antennenelemente des Feldes dient. Eine Steuerungseinrichtung 6 in Form eines Mikroprozessors erhält Eingabewerte, die wiedergeben, welche
Antennenstrukturen für gerade unterstützte Mobilfunkstandards erforderlich sind. Die Steuereinrichtung 6 steuert eine Anzahl der Antennenelemente des Feldes derart an, dass sie in der ersten, aktiven Position sind, während benachbarte
Antennenelemente in die zweite, inaktive Position gebracht werden, sofern sie sich vorher in der aktiven, ersten Position befanden. Dazu sendet die Steuereinrichtung 6 geeignete Steuersignale an die betroffenen Antennenelemente AEn<m. Dabei ist für jedes Antennenelement lokal auf dem Halbleiter-Chip 5 an der zugehörigen Matrixposition n, m gespeichert, ob es in der ersten oder in der zweiten Position ist .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gehen von der Steuereinrichtung 6 Adresssignale SA und Datensignale SD aus, wobei die Adresssignale SA jeweilige Antennenelemente bezeichnen, während die Datensignale SD die Informationen beinhalten, ob ein gerade adressiertes Antennenelement die aktive oder die passive Position einnehmen soll .
Auf dem Halbleiter-Chip 5 sind bei der Veranschaulichung nach Figur 5 drei Antennenstrukturen AS3 , AS4 , AS5 realisiert, deren zugehörige Ankopplungs-Antennenelemente aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
Von den drei Antennenstrukturen AS3, AS4 , AS5 empfangene HF- Signale gelangen zur Weiterverarbeitung zu einem HF-Chip 7, wobei sie jeweilige Empfangsfilter Fl, F2 , F3 sowie zugehörige rauscharme HF-Verstärker (LNA = Low Noise Amplifier) LNA1, LNAA2 , LNAA3 durchlaufen.
Obwohl in der Figur 5 der Halbleiter-Chip 5 derart dargestellt ist, dass er ausschließlich Antennenelemente und zugehörige Anschlüsse trägt, können die Steuereinrichtung β sowie die Empfangsfilter Fl, F2 , F3 und ihre zugehörigen HF- Verstärker LNA1, LNA2, LNA3 auf dem Halbleiter-Chip 5 mitimplementiert sein.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenanordnung mit einem auf einem Träger (5) angeordneten, regelmäßigen Feld elektrisch leitender Antennenelemente (AEn,m) , die derart ausgebildet und gelagert sind, dass sie jeweils zwischen einer ersten Position, bei der ein elektrischer Kontakt zu wenigstens einem benachbarten Antennenelement (AEn,m) ermöglicht ist, und einer zweiten Position, bei der eine elektrische Entkopplung von dem benachbarten Antennenelement
(AEn,m) vorliegt, beweglich sind, einem HF-Kontakt für mindestens eines der Antennenelemente (AEa,m) und einer Steuereinrichtung (6) zum Bewegen der Antennenelemente (AEn,m) zwischen der ersten und der zweiten Position und zum
Ausbilden einer gewünschten Antennenstruktur (ASl, AS2) , ausgehend von dem mindestens einen, mit dem HF-Kontakt versehenen Antennenelement (AEn,m) .
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der mehrere Antennenelemente (AEn,m) des Feldes zum Einkoppeln oder Auskoppeln eines Antennensignals jeweils mit einem HF-Kontakt versehen sind.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, bei der die mit einem HF-Kontakt ausgestatteten Antennenelemente (AEn#m) am Rand des Trägers angeordnet sind.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 2, bei der die mit einem HF-Kontakt ausgestatteten
Antennenelemente im inneren Bereich des Trägers (5) angeordnet sind, wobei eine jeweiliger Teil der Antennenelemente (AEn,m) die mit einem HF-Kontakt versehen sind, über Zuleitungen mit einem Multiplexer (Mi, M2, M3, M4) verbunden sind, der an jeweils einen der HF-Kontakte angeschlossen ist.
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , bei der die Antennenelemente (AEn,m) als auf zueinander parallel verlaufenden Achsen (Al t A2, A3, A4) drehbare, im wesentlichen rechtwinklige Plättchen ausgebildet sind.
6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, bei der in einer zu den Achsen (Ai, A2, A3, A4) senkrechten Richtung einander benachbarte Plättchen in der ersten Position überlappen und im Überlappungsbereich elektrisch leitend miteinander verbindbar sind.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die Plättchen auf einander benachbarten Achsen in Achsrichtung zueinander einen Versatz aufweisen und ein Abstand zwischen auf den Achsen benachbarten Plättchen kleiner als eine Ausdehnung der Plättchen in Achsrichtung ist, wobei der Versatz kleiner als die Ausdehnung der Plättchen und größer als der Abstand ist.
8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Antennenelemente (AEn(trι) auf einem Halbleiter-Chip als der Träger (5) angeordnet sind.
9. Antennenanordnung nach Anspruch 8 , bei der jedes Antennenelement (AEn,m) auf einem zugehδren
Matrixelement einer Reihen-/Spaltenmatrix des Halbleiterchips angeordnet und jedem Antennenelement (AEn(ttι) eine Reihen- und eine Spaltenadresse (n, m) zugeordnet ist.
10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, bei der jedem Matrixelement ein Speicherelement zum Speichern einer aktuellen Position des zugehörigen Antennenelementes (AEn,m) zugeordnet ist.
11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Steuereinrichtung (6) auf dem Halbleiter-Chip (5) integriert ist .
12. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der eine Schaltungsanordnung (Fl, F2, F3 ; LNAl, LNA2 , LNA3) für eine HF-Signalverarbeitung auf dem Halbleiter-Chip (5) integriert ist.
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