WO2000008711A1 - Antenne mit grosser bandbreite - Google Patents

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Nikolaus Dellantoni
Peter-Ernst Veith
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/45—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements using two or more feeds in association with a common reflecting, diffracting or refracting device

Definitions

  • the present invention relates to an antenna for transmitting or receiving signals, with a first antenna element for transmitting or receiving signals of a specific frequency, the antenna element being of spiral design and being capacitively coupled to a high-frequency counterweight. Because of their compact design, such antennas can be used as internal antennas in telecommunications devices, such as cordless telephones.
  • Spiral antenna elements for the antennas of telecommunication devices are known.
  • the disadvantages of such antennas with a single spiral antenna element are, on the one hand, a small bandwidth, which only makes up approximately 5-7% of the carrier frequency and thus roughly corresponds to the signal bandwidth of existing mobile telecommunications systems, and, on the other hand, the ease of detuning due to capacitive influences Surroundings.
  • capacitive influences are caused, for example, by installation conditions, metal parts or the human body and lead to detuning of the antennas and a reduction in the range which can be achieved both in the transmitting and in the receiving direction.
  • the object of the present invention is thus to provide an antenna for transmitting and receiving signals, comprising a first antenna element for transmitting and receiving signals of a certain frequency, wherein the antenna element is formed helically and capacitively coupled to a Hochfre acid sequence counterweight which allows a wider bandwidth and / or better adaptation to the feed line system.
  • an antenna for transmitting or receiving signals according to the appended claim 1, which has a first antenna element for transmitting or receiving signals of a specific frequency, the antenna element being of spiral design and connected to a high-frequency counterweight is coupled, characterized by at least one second antenna element for transmitting or receiving signals of the same frequency, the antenna elements being arranged in parallel.
  • a higher bandwidth is achieved by the two or more antenna elements arranged in parallel, as a result of which the antenna according to the invention becomes less sensitive to capacitive influences from the environment. Furthermore, the two or more antenna elements can be better adapted to the high-frequency counterweight or the feed line system by means of higher currents induced at the base or feed point of the antenna and better distributed in terms of flat dimensions.
  • the antenna elements are preferably coupled to the high-frequency counterweight by a capacitive coupling element.
  • the capacitive coupling element can comprise conductor areas which are printed on opposite sides of the high-frequency counterweight.
  • the antenna elements can comprise spirals.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of an antenna according to the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the antenna shown in FIG. 1 according to the present invention
  • FIG. 3 shows a standing wave factor diagram of an antenna with one, two or three antenna elements
  • FIG. 4 shows the return flow vaporization of the antenna shown in FIGS. 1 and 2,
  • Figure 5 shows the foot impedance of the antenna shown in Figures 1 and 2
  • FIG. 1 shows a top view of a preferred exemplary embodiment of an antenna 1 according to the present invention, which has three spiral antenna elements 2 arranged in parallel.
  • the antenna elements 2 are coupled to a high-frequency counterweight 3, which can consist of a rectangular conductor surface or of a dielectric printed with circuit boards.
  • the antenna elements 2 comprise spirals made of metal, the central axes of which are arranged parallel to one another and horizontally or perpendicularly to the plane of the high-frequency counterweight, as can be seen from FIGS. 1 and 2.
  • the three antenna elements 2 are connected to a first conductor surface 4 printed on the high-frequency counterweight 3.
  • the first circuit board 4 is on a side surface of the high frequency quenz counterweight printed on a corner.
  • the first conductor surface 4 is connected via a feed point 7 to a feed line 8 which feeds signals received by the antenna elements 2 to a high-frequency module 9 or feeds signals to be sent out by the radio-frequency module 9 to the antenna elements 2.
  • a second conductor area 5 which is insulated from the first conductor area 4, and on which the high-frequency module 9, one with the high frequency, is printed Module connected digital part 10 and a voltage supply 11 for the digital part 10 and the high-frequency module 9.
  • a third conductor surface 6 is printed on the high-frequency counterweight, which corresponds approximately to the size of the conductor surface 5 and which is not located below the conductor surface 4, so that a capacitive coupling element consisting of the conductor surface 4 for coupling the antenna elements 2 is given to the high-frequency counterweight.
  • the three antenna elements 2 are connected in parallel, i. H. they are each individually connected to the first conductor surface 4 and are connected to the high-frequency module 9 via a common feed point 7 on the first conductor surface 4.
  • the antenna elements 2 can be adapted very well to the high-frequency counterweight 3 and to the approximately 50 ohm impedance of the feed line 8. A large useful bandwidth can be achieved by using 3 parallel antenna elements 2.
  • the standing wave factor for an antenna with one, two and three spiral antenna elements 2 im Frequency band between 880 and 960 MHz (medium frequency 920 MHz) shown.
  • the first curve A represents the standing wave factor for an antenna with one antenna element
  • the second curve B represents the standing wave factor for an antenna with two antenna elements
  • the third curve C represents the standing wave factor for an antenna with three antenna elements foi, fo 2 o 3 labeled in ⁇ points marked the respective beginning of the useful band and the f el, f_ and f ⁇ e the respective end of the useful band.
  • Curve C shows the standing wave factor of an antenna, the structure of which corresponds to that of antenna 1 in FIG. 1 and in FIG. 2.
  • Curve B has essentially the same structure, but only two parallel spiral antenna elements 2.
  • the antenna of curve A has only one spiral antenna element.
  • the bandwidth of the antenna with a spiral antenna element is approximately 6.2% (curve A)
  • the bandwidth of an antenna with two antenna elements is approximately 16% (curve B)
  • the use of several parallel spiral antenna elements thus considerably increases the useful bandwidth.
  • the 3dB useful bandwidth is approximately 820-995 MHz.
  • the foot impedance in the signal band is approximately (60 + ⁇ x9) ohms at 880 MHz and (58-1x13) ohms at 960 MHz.
  • the standing wave ratio is about 1: 1.3 at 880 MHz and 1: 1.4 at 960 MHz.
  • the antenna according to the invention is therefore universally suitable for mobile and compact stationary cordless terminals, base stations and relay stations of the various telecommunication standards in frequency ranges up to 3 GHz.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne (1) zum Senden bzw. Empfangen von Signalen, mit einem ersten Antennenelement (2) zum Senden bzw. Empfangen von Signalen einer bestimmten Frequenz, wobei das Antennenelement (2) spiralförmig ausgebildet und an ein Hochfrequenz-Gegengewicht (3) kapazitiv angekoppelt ist, wobei zumindest ein zweites Antennenelement (2) vorgesehen ist und die Antennenelemente (2) parallel angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Antenne ermöglicht eine erhöhte Nutzbandbreite und eine bessere Anpassung an das Hochfrequenz-Gegengewicht bzw. das Speiseleitungssystem.

Description

Beschreibung
Antenne mit großer Bandbreite
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen von Signalen, mit einem ersten Antennenelement zum Senden bzw. Empfangen von Signalen einer bestimmten Frequenz, wobei das Antennenelement spiralförmig ausgebildet und an ein Hochfrequenz-Gegengewicht kapazitiv angekoppelt ist. Derartige Antennen können wegen ihrer kompakten Bauweise als interne Antennen in Telekommunikationsvorrichtungen, wie beispielsweise schnurlosen Telefonen, verwendet werden.
Spiralförmige Antennenelemente für die Antennen von Telekom- munikationsvorrichtungen sind bekannt. Die Nachteile derartiger Antennen mit einem einzigen spiralförmigen Antennenelement liegen einerseits in einer kleinen Bandbreite, welche lediglich in etwa 5-7% der Trägerfrequenz ausmacht und damit der Signalbandbreite existierender mobiler Teleko munikati- onssysteme in etwa entspricht und andererseits in der leichten Verstimmbarkeit durch kapazitive Einflüsse der Umgebung. Derartige kapazitive Einflüsse werden beispielsweise durch Installationsbedingungen, Metallteile oder den menschlichen Körper verursacht und führen zu einer Verstimmung der Anten- nen und einer Reduzierung der erzielbaren Reichweite sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung. Die Folge ist ein komplizierter und aufwendigerer Aufbau des Hochfrequenzteiles der jeweiligen Kommunikationseinrichtung, in der die Antenne verwendet wird, damit die für die Zulassung dieser Kommuni- kationseinrichtungen geforderten Eigenschaften erfüllt werden. Weiterhin ist bei diesen bekannten Antennen die Fußimpedanz relativ hoch, beispielsweise bis zu 100 Ohm, wodurch eine schlechte Anpassung an die normalerweise etwa 50 Ohm betragende Impedanz des Speiseleitungssystems gegeben ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen von Signalen bereitzustellen, die ein erstes Antennenelement zum Senden bzw. Empfangen von Signalen einer bestimmten Frequenz aufweist, wobei das Antennenelement spiralförmig ausgebildet und an ein Hochfre¬ quenz-Gegengewicht kapazitiv angekoppelt ist, die eine größere Bandbreite und/oder eine bessere Anpassung an das Speiseleitungssystem ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen von Signalen gemäß dem beigefugten Anspruch 1 gelost, die ein erstes Antennenelement zum Senden bzw. Empfangen von Signalen einer bestimmten Frequenz aufweist, wobei das Antennenelement spiralförmig ausgebildet ist und an ein Hochfre- quenz-Gegengewicht angekoppelt ist, gekennzeichnet durch zumindest ein zweites Antennenelement zum Senden bzw. Empfangen von Signalen der gleichen Frequenz, wobei die Antennenelemente parallel angeordnet sind.
Durch die beiden oder mehrere parallel angeordnete (n) Antennenelemente wird eine höhere Bandbreite erzielt, wodurch die erfmdungsgemäße Antenne unempfindlicher gegenüber kapazitiven Einflüssen aus der Umgebung wird. Weiterhin können durch am Fußpunkt bzw. Einspeisepunkt der Antenne induzierte höhere und flachenmaßig besser verteilte Strome die beiden oder mehrere Antennenelemente besser an das Hochfrequenz-Gegengewicht bzw. das Speiseleitungssystem angepaßt werden.
Vorzugsweise sind die Antennenelemente durch ein kapazitives Koppelelement an das Hochfrequenz-Gegengewicht angekoppelt. Das kapazitive Koppelelement kann dabei Leiterflachen umfassen, die auf gegenüberliegende Seiten des Hochfrequenz-Gegengewichtes aufgedruckt sind. Weiterhin können die Antennenelemente Spiralen umfassen. Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines be¬ vorzugten Ausfuhrungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen naher erläutert, m denen zeigen
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht der m Figur 1 gezeigten Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Stehwellenfaktor-Diagramm einer Antenne mit einem, zwei oder drei Antennenelementen,
Figur 4 die Ruckflußdampfung der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Antenne,
Figur 5 die Fußimpedanz der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Antenne, und
Figur 6 den Stehwellenfaktor der m den Figuren 1 und 2 gezeigten Antenne.
In Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausfuh- rungsbeispiel einer Antenne 1 gemäß der vorliegenden Erfm- düng gezeigt, die drei spiralförmige parallel angeordnete Antennenelemente 2 aufweist. Die Antennenelemente 2 sind an ein Hochfrequenz-Gegengewicht 3 angekoppelt, das aus einer rechteckigen Leiterflache oder aus einem mit Leiterplatten bedruckten Dielektrikum bestehen kann.
Die Antennenelemente 2 umfassen Spiralen aus Metall, deren Mittelachsen parallel zueinander und waagrecht oder senkrecht zur Ebene des Hochfrequenz-Gegengewichtes angeordnet sind, wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist. Die drei Anten- nenelemente 2 sind mit einer auf das Hochfrequenz-Gegengewicht 3 aufgedruckten ersten Leiterflache 4 verbunden. Die erste Leiterplatte 4 ist auf eine Seitenflache des Hochfre- quenz-Gegengewichtes an einer Ecke aufgedruckt. Die erste Leiterflache 4 ist über einen Emspeisepunkt 7 mit einer Speiseleitung 8 verbunden, die von den Antennenelementen 2 empfangene Signale einem Hochfrequenz-Modul 9 zufuhrt bzw. den Antennenelementen 2 auszusendende Signale von dem Hochfrequenz-Modul 9 zufuhrt.
Auf der gleichen Seite des Hochfrequenz-Gegengewichtes 3, auf der die erste Leiterflache 4 aufgedruckt ist, ist weiterhin eine zweite Leiterflache 5 aufgedruckt, die von der ersten Leiterflache 4 isoliert ist, und auf der sich das Hochfrequenz-Modul 9, ein mit dem Hochfrequenz-Modul verbundenes Digitalteil 10 sowie eine Spannungsversorgung 11 f r das Di- gitalteil 10 und das Hochfrequenz-Modul 9 befinden.
Gegenüber den beiden Leiterflachen 4 und 5 ist auf das Hochfrequenz-Gegengewicht eine dritte Leiterflache 6 aufgedruckt, die m etwa der Große der Leiterflache 5 entspricht und die sich nicht unterhalb der Leiterflache 4 befindet, so daß ein kapazitives Koppelelement bestehend aus der Leiterflache 4 zur AnKopplung der Antennenelemente 2 an das Hocnfrequenz- Gegengewicht gegeben ist. Die drei Antennenelemente 2 sind parallel geschaltet, d. h. sie sind jeweils einzeln mit der ersten Leiterflache 4 verbunden und sind über einen gemeinsamen Emspeisepunkt 7 an der ersten Leiterflache 4 an das Hochfrequenz-Modul 9 angeschlossen.
Durch am Fuß der Antenne, d. h. m der ersten Leiterflache 4 induzierte höhere und flachenmaßig besser verteilte Strome können die Antennenelemente 2 sehr gut an das Hochfrequenz- Gegengewicht 3 und an die etwa 50 Ohm betragende Impedanz der Speiseleitung 8 angepaßt werden. Durch die Verwendung von 3 parallelen Antennenelementen 2 kann eine große Nutzbandbreite erzielt werden.
In Figur 3 ist der Stehwellenfaktor für eine Antenne mit einem, zwei und drei spiralförmigen Antennenelementen 2 im Frequenzband zwischen 880 und 960 MHz (Mittelfrequenz 920 MHz) dargestellt. Die erste Kurve A stellt den Stehwellenfaktor für eine Antenne mit einem Antennenelement dar, die zweite Kurve B stellt den Stehwellenfaktor für eine Antenne mit zwei Antennenelementen dar, und die dritte Kurve C stellt den Stehwellenfaktor für eine Antenne mit drei Antennenelementen dar. Dabei kennzeichnen die mit foi, fo2 o3 gekenn¬ zeichneten Stellen den jeweiligen Anfang des Nutzbandes und die mit fel, f_ und fe^ das jeweilige Ende des Nutzbandes. Die Kurve C zeigt dabei den Stehwellenfaktor einer Antenne, deren Aufbau dem der Antenne 1 von Figur 1 und von Figur 2 entspricht. Die Kurve B hat im wesentlichen den gleichen Aufbau, jedoch nur zwei parallele spiralförmige Antennenelemente 2. Die Antenne der Kurve A weist nur ein spiralförmiges Anten- nenelement auf.
Wie aus der Figur 3 zu erkennen ist, betragt die Bandbreite der Antenne mit einem spiralförmigen Antennenelement etwa 6,2% (Kurve A) , die Bandbreite einer Antenne mit zwei Anten- nenelementen etwa 16% (Kurve B) und die Bandbreite einer Antenne mit drei Antennenelementen etwa 24% (Kurve C) . Die Verwendung mehrerer paralleler spiralförmiger Antennenelemente erhöht somit die Nutzbandbreite betrachtlich.
In den Figuren 4, 5 und 6 sind die Ruckflußdampfung, die
Fußimpedanz bzw. der Stehwellenfaktor der m den Figuren 1 und 2 gezeigten Antennenanordnung im Frequenzband zwischen 880 MHz und 960 MHz (Mittelfrequenz 920 MHz) dargestellt. Wie zu erkennen ist, betragt die 3dB-Nutzbandbreιte etwa 820-995 MHz. Die Fußimpedanz im Signalband betragt etwa (60+ιx9) Ohm bei 880 MHz und (58-1x13) Ohm bei 960 MHz. Das Stehwellenver- haltnis ist etwa 1:1,3 bei 880 MHz und 1:1,4 bei 960 MHz. Die erfmdungsge aße Antenne ist damit universell geeignet für mobile und kompakte stationäre schnurlose Endgerate, Basis- und Relaisstationen der verschiedenen Telekommunikations- standards m Frequenzbereichen bis zu 3 GHz.

Claims

Patentansprüche
1. Antenne (1) zum Senden bzw. Empfangen von Signalen, mit einem ersten Antennenelement (2) zum Senden bzw. Empfangen von Signalen einer bestimmten Frequenz, wobei das Antennenelement (2) spiralförmig ausgebildet und an ein Hochfrequenz- Gegengewicht (3) kapazitiv angekoppelt ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h , zumindest ein zweites Antennenelement (2) zum Senden bzw. Empfangen von Signalen der gleichen Frequenz, wobei die Antennenelemente (2) parallel angeordnet sind.
2. Antenne gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Antennenelemente (2) durch ein kapazitives Koppelelement an das Hochfrequenz-Gegengewicht (3) angekoppelt sind.
3. Antenne gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Antennenelemente (2) Spiralen umfassen.
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