EP1732165A1

EP1732165A1 - Antennenstruktur für mobile Kommunikationsendgeräte

Info

Publication number: EP1732165A1
Application number: EP05011708A
Authority: EP
Inventors: Paul Schmitz; Werner Dr. Schroeder
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: EP1732165B1; DE502005010551D1; ATE488882T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur für mobile Kommunikationsendgeräte mit einer aktiven Masseebene (1) zur Ausbildung einer für eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen maßgeblichen Stromdichteverteilung und einem Anregerelement (A1), das kapazitiv an die Masseebene (1) gekoppelt ist,
wobei die Masseebene (1) im Wesentlichen rechtwinklig mit zwei kurzen und zwei langen Seiten ausgebildet ist, wobei das Anregerelement (A1) flach ausgebildet ist, senkrecht zu der Masseebene (1) und einer kurzen Seite der Masseebene (1) benachbart angeordnet ist und über eine Speiseleitung (4,5), welche einen Speisepunkt enthält, mit der Masseebene (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenstruktur für mobile Kommunikationsendgeräte mit einer aktiven Masseebene zur Erzeugung einer für eine Abstrahlung der elektromagnetischer Wellen maßgeblichen Stromdichteverteilung und einem Anregerelement, das kapazitiv an die Masseebene gekoppelt ist, wobei die Masseebene im Wesentlichen rechtwinkelig mit zwei kurzen und zwei langen Seiten ausgebildet ist.
Eine solche Antennenstruktur, bei der das Abstrahlungs-/Empfangselement, anders als beispielsweise bei den bekannten PIFA-Antennen, von der Masseebene gebildet wird, ist beispielsweise aus dem Fachartikel "Compact Antenna Structures for Mobile Handsets", von Juha Villanen et al., veröffentlicht anlässlich des "3rd COST 284 Management Committee Meeting Workshop", Budapest, Oktober 2003, bekannt. Theoretische Hintergründe für eine solche Antennenstruktur finden sich außerdem in dem Fachartikel "Resonator-Based Analysis of the Combination of Mobile Handset Antenna and Chassis", von B. Vainikainen et al., erschienen in IEEE Trans. Antennas Propagation, Vol. 50, Nr. 10, Seiten 1433 - 1444, Oktober 2002.
Dieser Antennenstruktur ist es eigentümlich, dass eine für die Abstrahlung maßgebliche Stromdichteverteilung auf einer gedruckten Schaltkreisplatine eines Mobiltelefons bzw. auf einem Chassis des Mobiltelefons selbst angeregt wird. Anstelle einer "Antenne" im herkömmlichen Sinne wird zum Erzeugen der gewünschten Stromdichteverteilung ein kapazitiv an die gedruckte Schaltkreisplatine gekoppeltes Anregerelement verwendet. Beispielsweise in dem oben erstgenannten Fachartikel wird vorgeschlagen, für die beiden Mobilfunk-Standardfrequenzbereiche GSM900 und GSM1800 jeweils eine gesonderte Antennenstruktur vorzusehen. Dort ist das kapazitiv angekoppelte Anregerelement an einer kurzen Seite der gedruckten Schaltkreisplatine angeordnet und liegt im Wesentlichen innerhalb einer von der gedruckten Schaltkreisplatine aufgespannten Ebene. In dem GSM900 Frequenzband wurde für eine Reflexionsdämpfung von 10 dB für das GSM900-Frequenzband eine Bandbreite von 50 MHz und im GSM1800-Frequenzband eine Bandbreite von 95 MHz erreicht. Es handelte sich dabei jeweils um separate Strukturen. Eine Lösung, das genannte Prinzip der kapazitiven Anregung in einer gemeinsamen Struktur für zwei weit auseinanderliegende Frequenzbänder zu realisieren, ist bisher nicht bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Antennenstruktur derart zu verbessern, dass eine effektivere Anregung der Stromdichteverteilung der Masseebene erzielt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antennenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Danach ist vorgesehen eine Antennenstruktur für mobile Kommunikationsendgeräte mit einer aktiven Masseebene zur Ausbildung einer für eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen maßgeblichen Stromdichteverteilung und einem Anregerelement, das kapazitiv an die Masseebene gekoppelt ist, wobei die Masseebene im Wesentlichen rechtwinklig mit zwei kurzen und zwei langen Seiten ausgebildet ist, wobei das Anregerelement flach ausgebildet ist, senkrecht zu der Masseebene und einer kurzen Seite der Masseebene benachbart angeordnet ist und über eine Speiseleitung mit der Masseebene verbunden ist.
Eine solche Anordnung des Anregerelementes hat die Folge, dass es damit in den Bereich lokal maximaler elektrischer Feldstärke einer Chassis-Ausbreitungsmode gelangt und bei gegebener Masseebene vom größtmöglichen elektrischen Fluss der zugehörigen Feldverteilung durchsetzt werden kann. Auf diese Weise wird eine besonders starke Kopplung an die Masseebene, die von einer Masse-Schicht einer gedruckten Schaltkreisplatine gebildet werden kann, erreicht. Dies wiederum bedeutet, eine besonders geringe Strahlungsgüte und damit eine besonders hohe Bandbreite für das Resonanzverhalten der Masseebene.
Bevorzugt sind die Ecken der kurzen Seite der Masseebene, die dem Anregerelement benachbart ist, abgeschrägt. Ein solches "Anspitzen" der Massefläche bewirkt eine Konzentration einer Verteilung elektrischer Ladung im mittleren Bereich dieser kurzen Seite der Massenebene. Wenn das Anregerelement ebenfalls etwa in der Mitte der kurzen Seite angeordnet ist, durchsetzt ein wesentlich größerer Teil des von dieser Ladung ausgehenden elektrischen Flusses das Anregerelement, was wiederum eine stärkere Kopplung zwischen Anregerelement und Masseebene, eine geringere Strahlungsgüte und eine dadurch größere Bandbreite zur Folge hat. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht alternativ oder zusätzlich im mittleren Bereich der kurzen Seite der Masseebene, welche dem Anregerelement zugewandt ist eine senkrecht dazu angebrachte Fläche vor, die ebenfalls die Konzentration der Ladung im mittleren Bereich unterstützt.
Zur Unterstützung zweier verschiedener Mobilfunk-Frequenzbereiche, beispielsweise der Bereich für GSM850 und GSM900 einerseits und DCS und PCS andererseits ist es von Vorteil, wenn das Anregerelement in einen inneren Anregerelementabschnitt für ein höherfrequentes Spektralband und einen äußeren Anregerelementabschnitt für ein niedrigerfrequentes Spektralband aufgeteilt ist. Dabei sind dann die beiden Anregerelementabschnitte elektrisch durch einen umlaufenden Spalt voneinander getrennt, wobei an einer Stelle ein Steg zur mechanischen Halterung des äußeren Anregerelementabschnitts verbleiben kann.
In dieser Weise kann der äußere Anregerelementabschnitt zur Unterstützung der Mobilfunkfrequenzbänder GSM850 und GSM900 dienen, während der innere Anregerelementabschnitt den höherfrequenten Frequenzbändern für DCS und PCS zugeordnet ist, die ihre Mittenfrequenzen bei 1800 bzw. 1900 MHz haben.
Für jeden der Anregerelementabschnitte kann eine gesonderte, zu der Masseebene führende Speiseleitung mit jeweils separaten Speisepunkten vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine getrennte Zuleitung für das niederigerfrequente und das höherfrequente Spektralband, wobei eine Kopplung insbesondere von dem inneren Anregerelementabschnitt zu dem äußeren stattfinden kann.
Bevorzugt weist die Speiseleitung eine eingefügte Impedanz auf, deren Wert umschaltbar oder kontinuierlich einstellbar ist, z.B. eine Induktivität, die zuschaltbar ist. Für dieses Ausführungsbeispiel kann die Speiseleitung in Streifenleitungstechnik ausgeführt sein und ein Teilstück der Speiseleitung kann eine umschaltbare Speiseleitungsbreite aufweisen. Eine solche umschaltbare Speiseleitungsbreite kann dadurch realisiert sein, dass in dem Teilstück die Speiseleitung mittig geschlitzt und eine der Speiseleitungshälften mit einem Schalter versehen ist. Durch Schließen des Schalters kann die Induktivität gegenüber einem vorhergehenden nicht zugeschalteten Zustands verändert werden. Dies geschieht bevorzugt derart, dass beispielsweise durch Verringerung der der Induktivität von dem GSM850-Band auf das GSM900-Band angepasst wird. Die Anpassung hat Auswirkungen für die Resonanzfrequenzen der Einheit aus Speiseleitung und Anregungselement. Selbstverständlich können bei aufgeteiltem Anregerelement beide vorgesehenen Speiseleitungen mit derart variabler Serienimpedanz versehen sein, so dass sowohl innerhalb des niedrigerfrequenten als auch innerhalb des höherfrequenten Spektralbandes unabhängig umgeschaltet werden kann. Die Anregerstruktur für das höherfrequente Band kann dabei beispielsweise zwischen den Einstellungen DCS- und PCS-Band einerseits und PCS-Band und UMTS-Band andererseits umgeschaltet werden.
Wenn beispielsweise die Abmessungen einer Schaltkreisplatine als Masseebene durch andere Randbedingungen vorgegeben sind, ist es von Vorteil, wenn auf derjenigen kurzen Seite der Masseebene, welche der kurzen Seite mit benachbarten Anregerelement gegenüberliegt, ein kapazitives Belastungselement vorgesehen ist, das zur Anpassung einer Stromdichteverteilung der Masseebene an eine gewünschtes Resonanzfrequenzband angepasst ist. Auf diese Weise kann insbesondere ein Vergrößern einer elektrischen Länge im Hinblick auf die Mobilfunk-Frequenzbänder GSM850 und GSM900 mit Hilfe kapazitiver Endbelastung durch das Belastungselement herbeigeführt werden. Im Hinblick auf die hochfrequenten Frequenzbänder für DCS und PCS kann dabei durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Belastungselementes gleichzeitig eine Verringerung der wirksamen elektrischen Länge erzielt werden. Dazu ist das Belastungselement derart ausgebildet und angeordnet, dass sich für die Masseebene in deren Längsrichtung von dem Anregerelement aus eine elektrische Länge, entsprechend einer halben gewünschten Resonanzwellenlänge, einstellt, an deren Ende vermittels des Belastungselementes eine Knotenlinie der Stromdichteverteilung erzwungen wird und ferner erreicht wird dass die parallel zur Längsachse der Masseebene orientierte Stromdichte auf Masseebene und Belastungselement jenseits der Knotenlinie insgesamt im Mittel sehr klein wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur mit zwei Anregerelementabschnitten, einer Masseebene und einem Belastungselement,
Figur 2: eine Draufsicht der Antennenstruktur von Figur 1,
Figur 3: eine Seitenansicht der Antennenstruktur von Figur 1,
Figur 4: eine weitere perspektivische Ansicht der Antennenstruktur von Fig. 1,
Figur 5: eine Ansicht eines Teilstücks einer Speiseleitung der Antennenstruktur nach Figur 1,
Figur 6: eine Aufsicht auf eine Metallisierungsstruktur im Bereich der Anregerelementabschnitte für die Antennenstruktur von Figur 1,
Figur 7: eine Draufsicht der Antennenstruktur von Figur 1 mit Darstellung einer elektrischen Stromdichteverteilung bei Anregung im höherfrequenten Band,
Figur 8: eine graphische Darstellung einer Abhängigkeit zweier Eingangsreflexionsfaktoren an zwei Speisepunkten der Antennenstruktur von Figur 1 als Funktion der Frequenz,
Figur 9: eine Draufsicht auf ein alternatives Anregerelement, welches zusätzlich einen Diversity-Betrieb ermöglicht, und
Figur 10: eine Seitenansicht des Anregerelementes von Figur 9.

Die in den Figuren 1 bis 4 vollständig dargestellte Antennenstruktur weist eine Masseebene 1 auf, bei der es sich beispielsweise um eine Masse-Schicht einer bei Mobiltelefonen typischer Weise eingesetzten elektrischen Schaltkreisplatine handeln kann, die Träger der erforderlichen elektrischen Baugruppen zur Unterstützung der Funktionalitäten des Mobiltelefons ist. Die Masseebene 1 ist kapazitiv mit einem Anregerelement A1 gekoppelt, welches in einen äußeren Anregerelementabschnitt 2 und einen inneren Anregerelementabschnitt 3 aufgeteilt ist. Das Anregerelement A1 ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene angeordnet, welche von der Masseebene 1 aufgespannt wird. Dabei ist der innere Anregerelementabschnitt 3 lang gestreckt ausgebildet und wird von dem äußeren Anregerelementabschnitt 2 unter Freilassung eines Spaltes umschlossen. Der äußere Anregerelementabschnitt 2 dient zur Unterstützung von niedrigerfrequenten Mobilfunk-Frequenzbändern, beispielsweise GSM850 und GSM900, während der innere Anregerelementabschnitt 3 für die bei 1800 bzw. 1900 MHz liegenden Frequenzbänder für DCS und PCS ausgelegt ist. Insofern können die beiden Anregerelementabschnitte 2, 3 als im Wesentlichen unabhängig voneinander betreibbare Anregerelemente aufgefasst werden.
Bei einem vereinfachten Ausführungsbeispiel der Antennenstruktur könnte auch auf die Teilung des Anregerelements A1 in die Anregerelementabschnitte 2 und 3 verzichtet werden und ein gemeinsamer Anreger für alle Bänder verwendet werden. Vorteilhaft ist die Teilung zum einen in Hinblick auf die Entkopplung der Speisepunkte für das niederfrequente und das höherfrequente Spektralband, zum anderen in Hinblick auf die Möglichkeit, die durch die Anregerelemente zusammen mit ihren Speiseleitungen gebildeten Resonatoren weitgehendst unbeeinflusst voneinander durch elektrische Schaltelemente abstimmen zu können. Von grundsätzlicher Bedeutung ist jedoch die im Wesentlichen senkrechte Anordnung der Anregerelementabschnitte 2, 3, welche zur Folge hat, dass sie in den Bereich einer lokal maximalen elektrischen Feldstärke einer abstrahlenden Stromdichteverteilung auf der Masseebene 1 gelangen und damit vom größtmöglichen elektrischen Fluss der zugehörigen Feldstärkeverteilungen durchsetzt werden. Ergebnis ist, dass eine besonders starke Kopplung zwischen den Anregerelementabschnitten 2, 3 und den gewünschten Stromdichteverteilungen auf der Masseebene 1 herbeigeführt wird, was eine erwünschte, geringe Strahlungsgüte mit hoher Bandbreite nach sich zieht.
Die Masseebene 1 weist an derjenigen kurzen Seite, die dem Anregerelement A1 zugeordnet ist, abgeschrägte Ecken 1a auf, die bewirken, dass die in dem angrenzenden Bereich der Massefläche 1 befindliche Ladung einen elektrischen Fluss erzeugt, der das Anregerelement A effizient durchsetzt.
Wie insbesondere aus Figur 1 deutlich hervorgeht, ist der innere Anregerelementabschnitt 3 über eine Speiseleitung 5 mit der Masseebene 1 verbunden, was im Einzelnen heißt, dass die Speiseleitung 5 auf Seiten der elektrischen Schaltkreisplatine an einem Endpunkt mit deren Masseschicht verbunden ist. In dem durch die angestrebte Eingangsimpedanz definierten Abstand von diesem Endpunkt befindet sich ein unsymmetrische Speisepunkt 5a. Während die Speiseleitung 5 über der Masseebene 1 verläuft, gilt dies in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur teilweise für die Speiseleitung 4 für den äußeren Anregerelementabschnitt 2, denn sie ist an einer Stelle senkrecht zu der Masseebene 1 herausgeführt und dann parallel zu der Masseebene 1 an den äußeren Anregerelementabschnitt 2 angeschlossen. Diese spezielle Leitungsführung ist für eine Funktion der Antennenstruktur nicht von hoher Bedeutung. Die Speiseleitung 4 könnte ebenso auf dem Dielektrikum (der Masseebene 1) angeordnet sein. Der ebenfalls unsymmetrische Speisepunkt 4a befindet sich wiederum in dem durch die angestrebte Eingangsimpedanz definierten Abstand von dem mit der Masseebene 1 verbundenen Endpunkt der Leitung 4.
Aus der Figur 7 geht zudem die Ausbildung einer einem elektrischen Dipol entsprechenden resonanten Stromdichteverteilung von der Knotenlinie L bis zu der dem Anregerelement A1 zugewandten kurzen Seite der Massefläche 1 hervor, wenn die Anregung im höherfrequenten Spektralband erfolgt, wobei diese Stromdichteverteilung für die Strahlungscharakteristik der Antennenstruktur maßgeblich ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass durch die Zweiteilung des Anregungselementes A1 in die Anregerelementabschnitte 2, 3 in der gewählten Anordnung eine Anregung sowohl im hochfrequenten als auch im niedrigfrequenten Bereich ermöglicht wird, weitestgehend ohne gegenseitige Beeinflussung. Dabei wird eine kapazitive Kopplung zwischen dem inneren Anregerelementabschnitt 3 und dem äußeren Anregerelementabschnitt 2 gezielt ausgenutzt, um eine größere effektive Fläche für die hochfrequenten Frequenzbänder wie DCS und PCS bereitzustellen. Dabei koppelt der innere Anregerelementabschnitt 3, der für die hochfrequenten Bänder wirksam ist, teilweise direkt auf die Masseebene 1 und teilweise indirekt, unter Zwischenschaltung des äußeren Anregerelementabschnitts 2 mit der Masseebene 1. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung gegenüber einer multiresonanten Antennenstruktur besteht darin, dass aufgrund der elektrischen Abstimmbarkeit in beiden Bändern, d. h. dem niedrigfrequenten Spektralband und dem hochfrequenten Spektralband, jeweils höhere Nutzbandbreiten erreichbar sind, als es sonst möglich wäre.
Während die Anregerelementabschnitte 2, 3 einer ersten kurzen Seite der Massefläche 1 benachbart angeordnet sind, ist ausgehend von der anderen kurzen Seite der Massefläche 1 ein Belastungselement 6 vorgesehen, das etwa in der Mitte dieser kurzen Seite elektrisch leitend mit der Massefläche 1 verbunden ist.
Das Belastungselement 6 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Verkürzung der wirksamen elektrischen Länge der Masseebene 1 im Hinblick auf die DCS- und PCS-Bänder, während gleichzeitig eine Vergrößerung der elektrischen Länge für GSM850 und GSM900 mittels kapazitiver Endbelastung erreicht werden soll. Die Verringerung der elektrischen Länge für das DCS- und das PCS-Band wird dadurch erreicht, dass eine Knotenlinie L für die Stromdichteverteilung der Masseebene 1 in einem Abstand einer effektiven Halbwellenlänge von der kurzen Seite der Masseebene 1, der die Anregerelementabschnitte 2, 3 benachbart sind, erzeugt wird. (vgl. Figur 7). Zu diesem Zweck bewirkt das Belastungselement 6 durch Ausbildung eines Spaltes 7 zu beiden Seiten der Massefläche 1 eine resonante Abschirmung, wobei der Schlitz 7 einer Viertelwellenlänge entspricht und aus diesem Grunde im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils um eine Ecke der Masseebene 1 herum verläuft. Die derart realisierten parasitären Viertelwellenresonatoren sind im Wesentlichen nicht strahlend aufgrund der entgegensetzten Richtungen der Stromdichtevektoren auf dem abschirmend wirkenden Belastungselement 6 und der Masseebene 1. Für die parasitären Viertelwellenresonatoren kann erwartet werden, dass sie nur geringe dissipative Verluste mit sich bringen.
Die effektive elektrische Länge für die Benutzung der Massefläche 1 als Abstrahlungsfläche für die hochfrequenten Bänder PCS und DCS wird daher von einem Anteil der Massefläche 1 gebildet, der zwischen den Anregerelementabschnitten 2, 3 und den nahen Enden der Schlitze 7 liegt.
Im Hinblick auf die niedrigfrequenten Spektralbänder für die Mobilfunk-Standards GSM850 und GSM900 wirkt das Belastungselement 6 als kapazitive Endbelastung zur Vergrößerung der elektrischen Länge. Hier bildet sich die in Figur 7 dargestellte Knotenlinie nicht aus.
Das Belastungselement 6 gewährt den Vorteil, dass sowohl in den niederfrequenten als auch in den hochfrequenten Spektralbändern eine dipolähnliche Rundstrahl-Charakteristik erzielt werden kann, was in letzterem Falle auf die resonante Abschirmung durch das Belastungselement 6 zurückzuführen ist.
Nachfolgend wird erläutert, wie mit Hilfe von Modifikationen beispielsweise an der Speiseleitung 4 im Bereich zwischen dem Speisepunkt 4a und dem Anregerelementabschnitt 2, erreicht werden kann, dass sich der äußere Anregerelementabschnitt 2 abstimmen lässt. In der Figur 5 ist ein Teilstück T1 aus dem genannten Bereich der Speiseleitung 4 teilweise schematisch dargestellt. In diesem Teilstück T1 ist die Speiseleitung 4 über eine Strecke mittig geschlitzt, so dass die Speiseleitung 4 in zwei Hälften aufgeteilt wird. Die eine Hälfte H1 ist durchgehend, während die andere Hälfte H2 mit Hilfe eines Schalters S zuschaltbar ist. Auf diese Weise kann eine effektive Leiterbreite in dem Teilstück T durch Betätigung des Schalters S abgestimmt werden. Durch Schließen oder Öffnen des Schalters wird die effektive Leiterbreite und damit die Induktivität des Teilstücks T1 verändert, wobei die Induktivität und die Leiterbreite in erster Näherung im umgekehrt proportionalen Verhältnis zueinander stehen. Demgegenüber bleibt eine Kapazität des Teilstücks T1 im Wesentlichen unverändert. Durch Betätigen des Schalters S kann die Resonanzfrequenz der Kombination aus Speiseleitung 4 und Anregerelementabschnitt 2 verändert werden, insbesondere eine Anpassung an das GSM850 oder das GSM900 Band herbeigeführt werden. Der Schalter S kann alternativ auch als Varaktor ausgeführt sein wobei in Verallgemeinerung des eben beschriebenen Vorgehens die Serienimpedanz des Teilstückes T1 verändert wird. Das Einbringen des Schalters bzw. Varaktors in die Speiseleitung bietet den Vorteil, dass über dem Schaltelement nur eine relativ geringe HF-Spannung abfällt. Da auch nur etwa die Hälfte des Stroms durch den Schalter S fließt, verringert sich eine Verlustleistung im Schaltelement um beispielsweise 6 dB im Vergleich zu dem Fall dass der Gesamtstrom geschaltet würde. Obwohl in den Figuren nicht gezeigt, kann ein ebensolches Teilstück auch in der Speiseleitung 5 für die hochfrequenten Bänder DCS und PCS vorgesehen sein.
Es ist hervorzuheben, dass es durch die Ausbildung des in Figur 5 dargestellten Teilstücks T1 der Speiseleitung 4 ermöglicht wird, trotz einer Nicht-Linearität der als Schaltelemente zur Verfügung stehenden Bauelemente einschlägige Spezifikationen der zu unterstützenden Mobilfunkstandards hinsichtlich Emissionsmaske und Abstrahlung von Harmonischen einzuhalten.
Aus der Figur 6 geht die Ausbildung der Speiseleitungen 4, 5 zu den Anregerelementabschnitten 2, 3 im Vergleich zur Figur 1 mehr im Detail hervor. Auch dort ist ein Teilstück T2 der Speiseleitung 4 zwischen dem Speisepunkt 4a und dem Anregerelement 2 mittig geschlitzt. Eine zuschaltbare Hälfte dieses Teilstücks T2 der Speiseleitung 4 ist dort beispielsweise mit zwei Leiterbahnunterbrechungen 4b zur Aufnahme zweier in Serie geschalteter Schaltelemente ausgeführt, wobei es sich um Halbleiterschalter, z.B. Feldeffekttransistoren oder Halbleitervaraktoren oder Mikoelektromechanische Schalter (MEMS Schalter)handeln kann.
In der Figur 8 sind nunmehr jeweils eine Abhängigkeit zwischen einem Eingangsreflexionsfaktor am Speisepunkt 4a der Leitung 4 bzw. 5a der Leitung 5 und der Frequenz graphisch dargestellt. Die durchgezogenen Linien sind jeweils der Abstimmposition für GSM850 und die gestrichelten Linien der Abstimmposition für GSM900 zugeordnet. Bezüglich des Speisepunktes 4a finden sich ohne weiteres, in Abhängigkeit von der Abstimmposition, Reflexionsminima bei 850 MHz bzw. 900 MHz. Bezüglich des Speisepunktes 5a findet sich, unabhängig von der Abstimmposition, ein weiterer Bereich geringen Eingangsreflexionsfaktors von 1700 MHz bis 2000 MHz, der im wesentlichen auf die Halbwellenresonanz auf der Masseebene 1 im Bereich zwischen der anregerseitigen kurzen Seite der Masseebne und der Knotenlinie L zurückzuführen ist und der durch Kopplung mit der Resonanz des durch die Speiseleitung 5 und das Anregerelement 3 gebildeten Resonators zusätzlich verbreitert wird.
In den Figuren 9, 10 ist eine alternative Ausführungsform der Antennenstruktur gezeigt, wobei ein alternatives Anregerelement A2 zusammen mit einem benachbarten Teil der Masseebene 1 dargestellt ist. Das Anregerelement A2 entspricht im Wesentlichen dem Anregerelementabschnitt 2 für die Mobilfunkstandards GSM850 und GSM900, ist jedoch entlang einer Ebene, die senkrecht zur Masseebene 1 verläuft und eine Längsachse der Masseebene 1 enthält, geteilt. Auch ist eine Speiseleitung 8, die im Wesentlichen wie die Speiseleitung 4 verläuft, über einen Abschnitt von dem Anregerelement A2 aus, der hinsichtlich seiner Länge etwa einem Viertel einer Wellenlänge einer Zielfrequenz entspricht, geteilt. Auf diese Weise entsteht ein Dipol, der unabhängig von weiteren Mobilfunkbändern angeregt werden kann. Dabei erfolgt die Anregung des Dipols symmetrisch an einem Speisepunkt 8a der symmetrisch geschlitzen Zuleitung in einem höherfrequenten Band während die Anregung für GSM850 und GSM900 wie zuvor beschrieben weiterhin unsymmetrisch an einem dem Speisepunkt 4a entsprechenden Speisepunkt 8b der Speiseleitung 8 erfolgt. Die kurze Seite der Masseebene 1, die dem Anregerelement A2 zugewandt ist, weist Schlitze 10 auf, die beispielsweise etwa von der Mitte der kurzen Seite der Masseebene 1 aus in Richtung auf die jeweiligen langen Seiten und ein Stück entlang der jeweiligen langen Seiten verlaufen, so dass eine Schlitzlänge erreicht wird, welche etwa einer Viertelwellenresonanz bei der höherfrequenten Anregungsfrequenz des Dipols entspricht. Aufgabe dieser resonanten Schlitze 10 ist es, das mit Hilfe der geteilten Ausbildung der Speiseleitung 8 und des Anregerelementes A2 ermöglichte elektrische Dipolfeld nicht durch die Masseebene 1 kurzzuschließen.
Die zur Realisierung einer Viertelwellenleitung mit hoher Impedanz am offenen Ende symmetrische Teilung des Anregerelementabschnittes 2 und seiner Speiseleitung 4 sowie die symmetrische Schlitzung der Masseebene 1, welche zu der Anordnung nach Fig. 9 führt, kann nun dahingehend erweitert werden, dass auch der Anregerelementabschnitt 3 wieder eingeführt und zusammen mit seiner Speiseleitung 5 ebenfalls symmetrisch so geteilt wird, dass ein Kurzschluss des Dipolfeldes des Dipols, welcher gemeinsam mit dem Anregerelementabschnitt 2 realisiert wurde, vermieden wird. Es stehen dann in einem höherfrequenten Spektralbereich zwei unabhängige Strahler zur Verfügung, von denen einer durch Anregung des Chassis vermittels Anregerelementabschnitt 3 und einer als Dipol 11 realisiert ist. Aufgrund einer Orthogonalität der Feldverteilungen des Dipolfeldes und der Chassis-Ausbreitungsmode kann eine ausgezeichnete Entkopplung erwartet werden. Durch die Maßnahmen wird eine zusätzliche resonante Antenne mit unterschiedlicher Polarisation und Richtcharakteristik und separatem Speisepunkt erreicht, die für eine Empfangs-Vielfalt beispielsweise im UMTS-Band oder alternativ im PCS-Band einsetzbar ist. Die Funktion der ursprünglich ungeteilten Anregerelementabschnitte 2, 3 bleibt dabei auch in der geteilten Realisierung zur Anregung des Chassis in einem niedrigeren Frequenzband und in einem höheren Frequenzband erhalten.
Die oben erläuterten Antennenstrukturen gemäß den Figuren 1 bis 4 zeichnen sich insbesondere durch eine erhebliche Reduzierung der Strahlungsgüte gegenüber konventionellen Lösungen aus, deren unmittelbare Folge eine erhebliche Erhöhung einer Bandbreite ist.
Erste Messungen haben gezeigt, dass die Anregerelementabschnitte 2,3 bezüglich eine Verstimmung der Antennenstruktur beispielsweise durch den Kopf oder eine Hand eines Benutzers sehr unempfindlich sind, was für einen praktischen Einsatz der Antennenstruktur von hervorgehobener Bedeutung ist. Für die beiden hochfrequenten Mobilfunkbänder DCS und PCS ergibt sich eine verbesserte Richtcharakteristik die zu einer Erhöhung der sog. "Near Horizon Partial Radiated Power" führt. Auch für die unteren Mobilfunkbänder, wie GSM850 und GSM900, ergibt sich eine verbesserte Antenneneffizienz.
Die genannten Vorteile werden erreicht, obwohl zugleich ein Volumen der Antennenstruktur im Vergleich zu beispielsweise den heute häufig verwendeten PIFA-Antennen erheblich verkleinert werden kann. Realisiert wurde bereits ein Quadband-Prototyp mit weniger als drei cm³ Antennenvolumen (Anregerelementvolumen) auf einer elektrischen Schaltkreisplatine mit einer Gesamtfläche von 100 mm x 40 mm, und zwar bei einer Gesamtdicke des Aufbaus der Antennenstruktur von lediglich 10 mm. Der Quadband-Prototyp zeigte in den vier Mobilfunk-Frequenzbändern bei 850, 900, 1800 und 1900 MHz eine Reflexionsdämpfung von wenigstens 10 dB.
Die Anordnung der Anregerelementabschnitte 2,3 bzw. der erweiterten, alternativen Ausführungsform des Anregerelements A2 in der beschriebenen senkrechten Art zur Masseebene 1 hat außerdem den Vorteil, dass die gesamte elektrische Schaltkreisplatine auf beiden Seiten frei zur Platzierung von weiteren elektronischen Komponenten bleibt.

Claims

Antennenstruktur für mobile Kommunikationsendgeräte mit einer aktiven Masseebene (1) zur Ausbildung einer für eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen maßgeblichen Stromdichteverteilung und einem Anregerelement (A1, A2), das kapazitiv an die Masseebene (1) gekoppelt ist,
wobei die Masseebene (1) im Wesentlichen rechtwinklig mit zwei kurzen und zwei langen Seiten ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Anregerelement (A1, A2) flach ausgebildet ist, senkrecht zu der Masseebene (1) und einer kurzen Seite der Masseebene (1) benachbart angeordnet ist und über eine Speiseleitung (4, 5, 8), welche einen Speisepunkt (4a, 5a, 8a, 8b) enthält, mit der Masseebene (1) verbunden ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ecken (1a) der kurzen Seite der Masseebene (1), die dem Anregerelement (A1 , A2) benachbart ist, abgeschrägt sind.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Anregerelement (A1, A2) in einen inneren Anregerelementabschnitt (2) für ein höherfrequentes Spektralband und einen äußeren Anregerelementabschnitt (3) für ein niedrigerfrequentes Spektralband aufgeteilt ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass für jeden der Anregerelementabschnitte (2, 3) eine gesonderte, zu der Masseebene (1) führende Speiseleitung (4, 5, 8) vorgesehen ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der innere und der äußere Anregerelementabschnitt (2, 3) an einer Stelle in Radialrichtung des Anregerelementes (A1, A2) mechanisch miteinander verbunden sind.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Speiseleitung (4, 5, 8)eine eingefügte, schaltbare oder veränderliche Impedanz aufweist.
Antennenstruktur nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Speiseleitung (4, 5, 8) in Streifenleitungstechnik ausgeführt ist und ein Teilstück der Speiseleitung (4, 5, 8) eine umschaltbare Speiseleitungsbreite aufweist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Teilstück (T1, T2) die Speiseleitung (4, 5, 8) mittig geschlitzt und eine der Speiseleitungshälften (H1) mit einem Schalter (S) oder einem Varaktor versehen ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der kurzen Seite der Masseebene (1), welche der kurzen Seite mit benachbartem Anregerelement (A1, A2) gegenüberliegt, ein kapazitives Belastungselement (6) vorgesehen ist, das zur Anpassung einer Stromdichteverteilung der Masseebene (1) an ein gewünschtes Resonanzfrequenzband angepasst ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Belastungselement (6) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich für die Masseebene (1) in deren Längsrichtung von dem Anregerelement (A1, A2) aus eine elektrische Länge, entsprechend einer halben gewünschten Resonanzwellenlänge, einstellt, an deren Ende vermittels des Belastungselementes eine Knotenlinie der Stromdichteverteilung erzwungen wird und ferner erreicht wird, dass die parallel zur Längsachse der Masseebene orientierte Stromdichte auf Masseebene und Belastungselement jenseits der Knotenlinie im Mittel geringer als diesseits der Knotenlinie ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Anregerelement (A2) entlang einer Ebene, die senkrecht zur Masseebene (1) verläuft und eine Längsachse der Masseebene (1) enthält, geteilt ist und die Speiseleitung (8) über einen Abschnitt von dem Anregerelement (A2) aus, der hinsichtlich seiner Länge etwa einem Viertel einer Wellenlänge einer Zielfrequenz entspricht, geteilt ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der geteilte Abschnitt der Speiseleitung (8) einer vom Anregerelement (A2) aus gesehen leerlaufenden und am anderen Ende kurzgeschlossenen symmetrischen Viertelwellenleitung bei einer Zielfrequenz entspricht und mit einem symmetrischen Speisepunkt (8b) versehen ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Anregerelement (A2) mit einem symmetrischen Speisepunkt (8a) und einem unsymmetrischen Speisepunkt (8b) ausgestattet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kurze Seite der Masseebene (1), die dem Anregerelement (A2) zugewandt ist, Schlitze (9) aufweist, die etwa von der Mitte der kurzen Seite der Masseebene (1) aus in Richtung auf die jeweiligen langen Seiten verlaufen.