DE20116529U1

DE20116529U1 - Antenne und Computereinrichtung mit Antenne

Info

Publication number: DE20116529U1
Application number: DE20116529U
Authority: DE
Original assignee: Dosch and Amand GmbH and Co KG
Current assignee: Mitel Deutschland GmbH
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2011-10-10

Description

Antenne und Computereinrichtung mit Antenne

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne und insbesondere eine Leiterplattenantenne für den DECT-Standard sowie eine Computereinrichtung, insbesondere ein Web-Pad, enthaltend eine derartige Antenne.

Moderne Computersysteme, insbesondere Laptops, werden zunehmend mit Funkmodulen ausgerüstet, die eine drahtlose Datenkommunikation gestatten. Als Funkkommunikationsstandard dient häufig DECT oder Blue Tooth. Die entsprechenden Funkmodule sind häufig als sogenannte PCMCIA-Karten ausgebildet, die in einen hierfür vorgesehenen Slot eingeführt werden. Die PCMCIA-Karte weist eine Antenne auf, die dabei in der Regel aus dem Gehäuse des Laptops herausragt und somit frei abstrahlen kann.

Um entsprechende gesetzliche Vorschriften hinsichtlich Störemissionen einzuhalten, weisen Computereinrichtungen mit hochgetakteten Prozessoren in der Regel Abschirmungen auf, die verhindern, dass die störende Strahlung nach außen gelangt. Die Abschirmung kann mittels einer metallischen Schicht auf der Innenseite des Computergehäuses erreicht werden.

Ebenso wie bei Mobilfunkgeräten wäre es bei modernen portablen Computereinrichtungen wünschenswert, die für die Funkkommunikation erforderliche Antenne im Inneren des Gehäuses platzieren zu können und somit nicht nach außen treten zu lassen. Bei Mobilfunkgeräten ist die Platzierung der Antenne im Inneren des Gehäuses häufig problemlos möglich, da die entsprechenden Mobilfunkgerätegehäuse in der Regel selbst nicht abgeschirmt sind und somit die von der Antenne abgestrahlten Wellen problemlos nach außen dringen können. Bei den Computereinrichtungen ist dies, wie oben dargestellt, aufgrund der auftretenden Störemissionen anders. Würde man eine Antenne in das Innere einer Computereinrichtung platzieren, so wäre ihr Abstrahlverhalten durch die Abschirmung erheblich beeinträchtigt.

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Insbesondere wünschenswert ist das Platzieren von Antennen im Inneren des Gehäuse bei den heute zunehmend populär werdenden Web-Pads. Bei diesen Geräten handelt es sich um drahtlose Terminals zum Zugreifen auf das Internet, wobei diese Einrichtungen in der Regel keine Mauseingabeeinrichtung sowie keine Tastatur aufweisen. Sämtliche Eingaben werden über einen berührungsempfindlichen Bildschirm getätigt, wobei der Bildschirm dem Benutzer mitteilt, welche Funktion er durch Berühren welchen Teils des Bildschirms ausführen kann. Auch diese Computergattung weist hochgetakte Prozessoren auf und muss daher mit einer Abschirmung versehen sein, um den gesetzlichen Vorschriften gerecht zu werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die es möglich wird, bei Computereinrichtungen trotz Abschirmung entsprechende Antennen im Inneren des Computergehäuses anzuordnen.

Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplattenantenne nach Anspruch 1 sowie durch eine Computereinrichtung nach Anspruch 13 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die besondere Antennenanordnung gemäß Anspruch 1 weist ein überraschend gutes Abstrahlverhalten auf und ist insbesondere geeignet für den Einbau in Computergehäusen.

Die Computereinrichtung gemäß Anspruch 13 enthält eine derartige Antenne und ist über das gesamte Gehäuse hinweg geschirmt mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Antenneneinrichtung angeordnet ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass als weiterer unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Computereinrichtung vorgeschlagen wird, deren Gehäuse vollständig geschirmt ist und die in ihrem Inneren eine beliebige Antenne aufweist. An der Stelle, wo die Antenneneinrichtung vorgesehen ist, ist die entsprechende Abschirmung ausgespart, wobei dieser entsprechende Abschnitt vorzugsweise an ei-

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ner Stelle liegt, wo ohnehin keine größeren Störemissionen auftreten aufgrund des Fehlens abstrahlender Bauelemente in dem entsprechenden Bereich. Insbesondere kann der ungeschirmte Bereich nur wenige Quadratzentimeter groß ausfallen und ist vorzugsweise am Rand der Computereinrichtung oder eines Web-Pads vorgesehen. Die dann im Inneren der Computereinrichtung vorgesehene Antenne korrespondiert in ihren Abmessungen mit dem ungeschirmten Bereich.

In Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgmäßen Antennenstruktur;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Web-Pads mit einer im Inneren angeordneten Antenne; und

Fig.3 eine Detailansicht des Teils des Web-Pads gemäß Fig. 2, in dem die Antennenstruktur angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenstruktur.

Die Antenne 1 ist als Leiterplattenantenne aufgebaut. Insbesondere ist sie auf einem Stück kupferkaschierten Leiterplattenmaterial aus Glasfaser verstärktem Epoxidharz gefertigt, wobei die Antenne als Leiterstruktur auf photolithografischem Weg hergestellt ist. Alternativ zu Epoxidharz kann auch Teflon verwendet werden, welches aus HF-technischer Sicht bessere Eigenschaften aufweist.

Die Leiterplatte 2 weist eine kreisrunde Form auf, an deren Rand entlang zwei Kreisringabschnitte 3, 4 aus leitendem Material aufgebracht sind. Die beiden Kreis-

ringabschnitte 3, 4 werden durch ein Koaxialkabel 5 gespeist. Am Fußpunkt der Antenne befindet sich eine kammartige Kapazitätsstruktur.

Der Durchmesser der Kreisscheibe 2 beträgt vorzugsweise zwischen 25 und 35 mm und vorzugsweise 28 mm. Die Stärke der Leiterplatte beträgt vorzugsweise 1 mm. Die Breite b der Kreisringabschnitte beträgt zwischen 2 und 5 mm und vorzugsweise 3 mm. Die beiden Kreisringabschnitte 3, 4 sind an ihren unteren Enden, d.h. den Enden, die durch das Koaxialkabel 5 gespeist werden, eng benachbart. Dagegen sind die freien Enden deutlich voneinander beabstandet. Dieser Abstand liegt vorzugsweise zwischen 10 und 30 mm und besonders bevorzugterweise bei 18 mm.

Das somit nicht von einem Antennenleiter besetzte Segment der Scheibe 2 beträgt zwischen 45 und 90°, insbesondere zwischen 70 und 80° und bevorzugterweise etwa 75°, wie dies in der Figur gezeigt ist.

Elektrisch stellt die Antenne einen Dipol dar. Durch die kreisförmige Form der Strahlerhälften wird der Platzverbrauch stark reduziert. Statt einer Länge von beispielsweise 8 cm, die ein Dipol für Frequenzen im Bereich von 1890 MHz (DECT-Standard) benötigen würde, ergibt sich eine Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 30 mm (vorzugsweise 28 mm).

Ein gestreckter Dipol mit sehr dünnen Leitern hat eine Länge I von

I = &lgr;/2 &lgr; =3x10⁸/f f in MHz, I in m.
Für eine Frequenz von 1890 MHz beträgt &lgr; somit 39,7 mm.
Durch die endliche Leiterbahnverkürzung b ergibt sich ein Verkürzungsfaktor

V=(l/b)/(lb+l) von ca. 4 %.
Weitere Verkürzungen ergeben.sich.dujrch

den kapazitiven Belag des dielektrischen Baumaterials (&egr;_&Ggr; ca. 4,5),
die gegenseitige Beeinflussung der beiden Dipolenden durch Ringform,
kapazitive Belastungen durch metallische und dieelektriche Teile in der Um
gebung.

Eine Analyse mit dem Programm EZNEC ergab einen Gesamtverkürzungsfaktor von 15%. Hierbei muss beachtet werden, dass der Wirkungsgrad der Antenne um so mehr abnimmt, je näher sich die beiden Dipoläste kommen. Es muss ein Kompromiss zwischen Größe und Abstrahleigenschaften geschlossen werden. Eine entsprechende Simulation ergab bei einem gewählten Abstand von 18 mm eine Degradation von knapp 2%. Dies ist ein in der Praxis vernachlässigbar kleiner Wert.

Effektiv besitzt der Dipol im eingebauten Zustand gegenüber dem theoretischen Wert einen Verkürzungsfaktor von 20%. Die Differenz von 5% zu der Simulation erklärt sich aus weiteren kapazitiven Belastungen durch die Umgebung der Antenne, wie Metallteile eines Lautsprechers oder Plastikteile eines Gehäuses. Diese Komponenten sind weder analytisch noch durch Simulation exakt zu bestimmen. Entsprechend ist man auf empirische Ermittlungen angewiesen.

Ein Nachteil jeder kapazitiven Belastung des Antennenstrahlers ist die Verschiebung des Fußpunktwiderstandes zu niedrigen Werten. Da das angeschlossene Koaxialkabel 50&OHgr; besitzt, müsste die Impedanz mit einem Transformationsglied angepasst werden. Um zusätzliche Bauteile zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Länge der Antenne wieder etwas größer zu wählen, als dies für die Resonanzfrequenz eigentlich notwendig wäre. Hierdurch erhöht sich der Fußpunktwiderstand und es tritt eine induktive Blindkomponente auf. Diese wird durch eine Kapazität direkt am Speisepunkt der Antenne so kompensiert, dass die Eingangsimpedanz wieder rein real ist. Zwar reduziert sich damit die nutzbare Bandbreite der Antenne um etwa 5% auf ca. 3%, dies ist jedoch bei einer relativen Bandbreite im DECT-Band von 1 % kein Problem.

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Die runde Form der Antenne weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Polarisation der abgestrahlten Welle nicht mehr rein linear ist, sondern die Energie auf horizontale und vertikale Komponenten verteilt wird. Dadurch kommt es speziell bei der Ausleuchtung in Gebäuden zu weniger Auslöschungseffekten.

Fig. 2 zeit ein Beispiel für eine Computereinrichtung, nämlich ein sogenanntes Web-Pad. Dieses Web-Pad 5 weist ein Gehäuse 6 und eine Anzeigefläche 7 auf. Das Web-Pad weist darüber hinaus einen zylinderförmig ausgebildeten Batterieaufnahmebereich 8 auf, in dem zusätzlich Lautsprecher 9, 10 integriert sind. Das gezeigte Web-Pad 5 weist gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung im Inneren eine Antenne (nicht sichtbar) auf, die vollständig im Inneren des Gehäuses 6 angeordnet ist und somit nicht, wie bei üblichen konventionellen Lösungen, aus dem Gehäuse herausragt.

Fig. 3 zeigt die linke obere Ecke des in Fig. 2 gezeigten Web-Pads im geöffneten Zustand im Detail.

Ersichtlicherweise ist eine Antennenstruktur 11 ähnlich der Struktur aus Fig.1 in dem zylinderförmigen Aufnahmebereich des Web-Pads so eingesetzt, dass die Achse der Antennenscheibe parallel zur Zylinderachse verläuft und vorzugsweise mit dieser zusammenfällt.

Vorzugsweise ist die Antenne somit in einem Bereich angeordnet, der nahe oder im Lautsprecherresonanzvolumen des Web-Pads bzw. der Computereinrichtung angeordnet ist.

Dies führt zu dem Vorteil, dass die Antenne im wesentlichen in einem Luftvolumen angeordnet ist, wodurch die Impedanz der Antenne nur mäßig stark beeinflusst wird. Da sich in der Nähe der Antenne dann keine elektronische Komponente befindet, findet kaum eine störende Beeinflussung der Gerätelektronik durch die abgestrahlte HF-Energie statt. In die Lautsprecherzuleitung wird zwar etwas HF-Spannung eingestrahlt, diese lässt sich jedoch relativ leicht zur Schaltung hin ent-

koppeln. Um die Antenne herum befinden sich darüber hinaus keine Bauteile, die selbst Strahlung abgeben. Aus diesem Grund kann man in diesem Bereich des Gehäuses auf das sogenannte Coating, d.h. eine Abschirmungsschicht verzichten. Eine derartige Abschirmungsschicht ist ansonsten über das gesamte Gehäuse der Computereinrichtung bzw. der Webeinrichtung verteilt, um den gesetzlichen Vorschriften zur Störemission zu entsprechen. Vorzugsweise ist diese Abschirmung durch eine im Inneren des Gehäuses aufgebrachte Metallschicht realisiert. Lediglich in dem Teil des Gehäuses, in dem sich die Antenne befindet, ist dieses Coating nicht aufgebracht, wobei dies bei der oben beschriebenen speziellen Anordnung der Antenne innerhalb des Gehäuses problemlos möglich ist, da an dieser besonderen Stelle ohnehin wenig Strahlung auftritt.

Durch die Anordnung der Antenne entsprechend den Fig. 2 und 3 im Eck des Web-Pads, welches vom Benutzer abgewandt ist, ergibt sich ein freier Abstrahlwinkel von etwa 270°, welcher für eine optimale Reichweite sorgt.

Um eine exakt reproduzierbare Position der Antenne innerhalb der Computereinrichtung bei Serienfertigung zu erreichen, was insbesondere wichtig ist, um die Resonanzfrequenz und entsprechende Anpassungen einzuhalten, sind Einrichtungen vorgesehen, die verhindern, dass die Antennenscheibe sich gegenüber ihrer Referenzposition verdrehen kann.

Hierzu wird vorgeschlagen, die Antennenscheibe mit Einkerbungen oder Verzahlungselementen zu versehen, die entsprechende Gegenstücke im Computergehäuse haben, wodurch die Position der Antenne in bezug auf das Computergehäuse eindeutig festgelegt werden kann. Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Antennenscheibe auf eine Scheibe aus porösem Schaumstoff aufzubringen, die einen etwas vergrößerten Durchmesser aufweist, um zu vermeiden, dass die Antennenscheibe selbst an dem Gehäusekunststoff aufliegt. Die Scheibe aus porösem Schaumstoff weist eine geringe relative Dielektriztätskonstante s_r auf, wodurch sich die relativ schlechten HF-Eigenschaften weniger negativ auswirken können. Der in Fig. 3 gezeigte Bereich des Web-Pads ist, wie erwähnt, von sowohl auf der Unter- als auch

auf der Oberschale von Coating freigehalten, um ein freies Abstrahlen der Antenne nach außen zu ermöglichen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Antennenstruktur als geschlossene Leiterschleife ausgeführt sein. Zur Anpassung ist dann eine am Fußpunkt der Antenne angeordnete Kapazität erforderlich.

Claims

1. Leiterplattenantenne mit einer kreisrunden Dipol-Leitergeometrie, die durch zwei auf der Platine aufgebrachte zueinander symmetrische Kreisringabschnitte gebildet wird, wobei die Kreisringabschnitte an ihren Fußpunkten eng benachbart sind und dort über ein Kabel, vorzugsweise ein Koaxialkabel, gespeist werden und wobei die freien Enden vorzugsweise entsprechend einem Kreiswinkel von 45 bis 90° und besonders bevorzugterweise etwa 75° voneinander beabstandet sind.

2. Leiterplattenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte als kreisrunde Scheibe ausgebildet ist und die Antennenstruktur entlang des Randes der Kreisscheibe ausgebildet ist.

3. Leiterplattenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur mittels photolithographischer Verfahren auf der Leiterplatte ausgebildet ist.

4. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kreises, der durch die Kreisringabschnitte beschrieben wird, zwischen 25 bis 35 mm liegt und vorzugsweise 28 mm beträgt.

5. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der freien Enden der Kreisringabschnitte zwischen 10 bis 25 mm, vorzugsweise 18 mm beträgt.

6. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatine aus glasfaserverstärktem Epoxidharz oder aus Teflon besteht.

7. Leiterplattenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterplattenmaterial eine relative Dielektrizitätskonstante von &epsi;_r = 4, 5 aufweist.

8. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kreisringe zwischen 2 und 5 mm liegt und vorzugsweise 3 mm beträgt.

9. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne für einen Frequenzbereich um 1890 MHz entsprechend dem DECT-Standard ausgelegt ist.

10. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Fußpunktimpedanz an die Resonanzfrequenz ein Kondensator am Fußpunkt der Antennenstruktur vorgesehen ist.

11. Leiterplattenantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator als SMD-Bauteil oder als Leiterstruktur ausgebildet ist.

12. Leiterplattenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines zusätzlichen Bauteils zur Erzielung einer Anpassungstransformation die Länge der Antenne größer gewählt wird als für die Resonanz nötig ist, um dadurch den Fußpunktwiderstand zu erhöhen und der sich ergebende induktive Blindwiderstand durch eine Kapazität direkt am Speisepunkt der Antenne so kompensiert wird, dass die Eingangsimpedanz wieder rein real ist.

13. Computereinrichtung, vorzugsweise Web-Pad, mit eingebautem Funkmodul zur Erzielung einer drahtlosen Datenkommunikation, vorzugsweise entsprechend dem DECT-Standard, wobei die Computereinrichtung zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften eine Abschirmung für Störmissionen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Computereinrichtung eine Leiterplattenantenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, die vollständig innerhalb des Computergehäuses angeordnet ist und dass zur Abschirmung eine Schicht vorgesehen ist, die sich über das gesamte Computergehäuse erstreckt mit Ausnahme des Bereichs, an dem die Leiterplattenantenne angeordnet ist.

14. Computereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenantenne am äußeren Rand der Seite der Computereinrichtung angeordnet ist, die bei normaler Benutzung der Computereinrichtung der Position des Benutzers gegenüber liegt.

15. Computereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenantenne nahe oder im Resonanzvolumen eines in der Computereinrichtung vorgesehenen Lautsprechers angeordnet ist.

16. Computereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Computereinrichtung ein Web-Pad ist, das an seinem oberen, dem Benutzer abgewandten Rand einen zylinderförmigen Aufnahmebereich für Batterien aufweist und die Leiterplattenantenne als Scheibe ausgebildet ist, die so angeordnet ist, dass die Achse der Kreisscheibe mit der Zylinderachse zusammenfällt.

17. Computereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Leiterplatine auf einer Scheibe aus porösem Schaumstoff aufgebracht ist und die Achse der Schaumstoffscheibe mit der Zylinderachse des Batteriegehäuses zusammenfällt.

18. Computereinrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinenscheibe oder die Scheibe aus porösem Schaumstoff Einkerbungen oder Verzahnungen aufweist, die in entsprechende Gegenstücke des Computergehäuses eingreifen, um dadurch eine exakte Orientierung der Antennenstruktur innerhalb des Computergehäuses festzulegen.