DE60209686T2 - Interne Mehrbandantenne - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Multibandantenne, die als eine interne Antenne insbesondere in kleinen Mobilterminals anwendbar ist.
- Auf dem Gebiet von Mobilstationen wurden Modelle populär, die in zwei oder mehr Systemen arbeiten, jedes mit einem unterschiedlichen Frequenzband. Ein Grunderfordernis für den Betrieb einer Kommunikationsvorrichtung ist, dass die Abstrahlungs- und Empfangscharakteristika ihrer Antenne in allen Bändern der anstehenden Systeme befriedigend sind. Wichtige Charakteristika sind z.B. Antennenbandbreite und Abstrahlmuster. Es ist relativ leicht, eine Multibandantennenstruktur mit guter Qualität herzustellen, wenn ihrer Größe keine Beschränkungen auferlegt sind. Jedoch soll in Mobilterminals die Antenne verständlicherweise sehr kompakt sein. Außerdem ist der gegenwärtige Trend, die Antenne der Bequemlichkeit halber vorzugsweise innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung anzuordnen. Dies macht die Antennengestaltung anspruchsvoller.
- Eine Antenne mit ausreichend guten Charakteristika, die ins Innere einer kleinen Vorrichtung passt, ist in der Praxis am einfachsten als eine planare Struktur implementiert: Die Antenne enthält eine Strahlungsebene und eine Erdungsebene parallel dazu. Um ein Abstimmen zu erleichtern, sind die Strahlunsebene und die Erdungsebene üblicherweise an einem geeigneten Punkt durch einen Kurzschlussleiter miteinander verbunden, was eine sogenannte planare invertierte F-Antenne oder PIFA ergibt. Die Anzahl von Betriebsbändern kann durch Teilen der Strahlungsebene mittels eines nichtleitenden Schlitzes in zwei Zweige, vom Versorgungspunkt aus betrachtet, auf zwei angehoben werden, welche Zweige unterschiedliche Längen haben, so dass die Resonanzfrequenzen der Antennenteile entsprechend den zwei Zweigen in angestrebte Punkte auf der Frequenzachse fallen.
- Ein anderer Weg, um ein zweites Betriebsband in einer Planarantenne bereit zu stellen, ist, einen Schlitzstrahler zu verwenden. Eine PIFA-Struktur, die in der
1 gezeigt ist, offenbart in der Patentanmeldung FI990006, repräsentiert eine solche bekannte Antenne. Sie enthält eine Erdungsebene GND und ein strahlendes Planarelement120 . Verbunden mit der Strahlungsebene ist ein Antennenversorgungsleiter an einem Punkt F und ein Kurzschlussleiter an einem Punkt S nahe dem Versorgungspunkt. Das strahlende Planarelement120 hat einen Schlitz130 , der vom Rand des Elements zur Zentrumsregion davon verläuft. Insbesondere der Antennenversorgungspunkt F ist relativ nahe zu dem Ende des Schlitzes130 , welches sich in den Rand der Ebene öffnet. Das Planarelement ist in dem unteren der angestrebten Betriebsbänder geeignet in Resonanz. Die Dimensionen des Schlitzes sind so, dass er in dem zweiten, oberen Betriebsband in Resonanz ist. Die1 zeigt für die Strahlungsebene auch eine Haltestruktur105 , die ein Rahmen ist, der aus dielektrischem Material besteht und relativ dünne Wände hat. - Bei den oben beschriebenen Dualbandstrukturen kann das obere Betriebsband insbesondere für eine Problematik wegen seiner beschränkten Breite sorgen; seine Abdeckung selbst eines Bandes, das für ein einzelnes System reserviert ist, kann gering sein. Das Problem wird verstärkt, wenn es das Ziel ist, die Bänder von wenigstens zwei Systemen abzudecken, z.B. solche, die in dem Frequenzbereich 1,7 bis 2,0 GHz arbeiten. Ein anderer Nachteil ist, dass die Strahlung insbesondere in der Horizontalebene und in dem oberen Betriebsband weniger effektiv sein kann, als es erwünscht ist. Eine Lösung ist, die Anzahl von Antennenelementen zu erhöhen. Zum Beispiel kann auf der Oberseite einer Strahlungsebene eine andere Strahlungsebene sein, die galvanisch oder elektromagnetisch versorgt wird. Die Resonanzfrequenz der zweiten Strahlungsebene ist eingerichtet, um nahe der oberen Resonanzfrequenz der unteren Ebene zu sein, so dass ein kontinuierliches, relativ breites Betriebsband bereit gestellt wird. Elektromagnetisch gekoppelte, d. h. parasitäre Elemente, können ebenfalls auf derselben geometrischen Ebene mit der Strahlungshauptebene angeordnet sein. Ein Nachteil bei der Verwendung von parasitären Elementen ist, dass sie zu den Produktionskosten der Antenne hinzuzufügen sind und es schwieriger machen, eine Reproduzierbarkeit bei der Produktion zu erzielen. Ein Handikap bei der Schaltungsplattengestaltung einer Funkvorrichtung kann alleine ein Anschlussfleck sein, der für den Kurzschlussleiter eines parasitären Elementes auf der Schaltungsplatte unten erforderlich ist.
- Aus dem Dokument
US 5 943 020 ist eine Antenne mit zwei symmetrischen Resonatoren bekannt. Jeder Resonator enthält eine Hälfte einer leitenden Zwischenebene über der Erdungsebene und eine Strahlungsplatte über der Zwischenebene. Jede Strahlungsplatte ist mit einem Ende der Zwischenebene durch eine Vertikalplatte verbunden. Jeder Resonator ist zu der Erdung in einer Ecke der Zwischenebene kurzgeschlossen. Der Versorgungsleiter der Antenne ist mit dem Rand der Zwischenebene zwischen den Kurzschlusspunkten verbunden. DieUS 5 943 020 offenbart den Oberbegriff des Anspruches 1. - Aus dem Dokument WO 02/071535 ist eine Antenne mit einer änderbaren Versorgungsanordnung bekannt. In dem Rand der Strahlungsebene gibt es wenigstens zwei Anschlusspunkte. Einer der Anschlusspunkte ist der Antennenversorgungspunkt, und der andere Anschlusspunkt ist mit der Erdung verbunden oder ist unverbunden belassen. Im letzteren Fall ist die elektrische Länge der Antenne größer als im ersteren Fall. Zusätzlich kann die Antenne einen dritten Anschlusspunkt haben, der ebenfalls mit der Erdung verbunden oder unverbunden belassen sein kann.
- Die Antenne hat zu jeder Zeit ein Betriebsband, und der Ort jenes Bandes kann durch Schalter verschoben werden. Die WO 02/071535 gehört zum Stand der Technik unter Artikel 54 (3) EPC.
- Ein Ziel der Erfindung ist es, in einer neuen, vorteilhafteren Weise eine interne Antenne für ein Mobilterminal mit wenigstens zwei Betriebsbändern zu realisieren. Eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 angegeben ist. Einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
- Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Die Antenne ist eine PIFA, die innerhalb des Gehäuses eines Mobilterminals angeordnet ist, mit wenigstens zwei Betriebsbändern. Eine erste Resonanz, die in ein unteres Betriebsband fällt, wird mittels eines strahlenden leitenden Musters im Planarelement erzeugt. Um die Charakteristika der Antenne in dem oberen Betriebsband zu verbessern, enthält das Planarelement gemäß der Erfindung ferner einen Schlitz, der zwischen den Versorgungspunkt und den Kurzschlusspunkt der Antenne geht. Der Strahler, der durch diesen Schlitz bereit gestellt ist, kann als ein Viertelwellenschlitzstrahler oder ein Halbwellenschleifenstrahler betrachtet werden. Die PIFA kann ferner einen weiteren Strahler haben, der in dem oberen Betriebsband in Resonanz ist. Ein ausziehbares Peitschenelement kann zu der Struktur hinzugefügt sein.
- Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das obere Betriebsband der Antenne mit dem Schlitz- oder Schleifenstrahler gemäß der Erfindung verbreitert werden kann, so dass das zweite Band leicht die Bänder abdeckt, die selbst von zwei Mobilkommunikatonssystemen verwendet werden. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Strahlung in der Horizontalebene in dem oberen Betriebsband der Antenne mit dem Schleifenstrahler gemäß der Erfindung effektiver gemacht werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Schlitz gemäß der Erfindung ohne im Wesentlichen ein Verschlechtern der Abstimmung in dem ersten Betriebsband der Antenne implementiert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die ihr gemäße Struktur einfach und günstig herzustellen ist.
- Die Erfindung ist unten im Detail beschrieben. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen
-
1 ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß dem Stand der Technik zeigt, -
2a ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt, -
2b die Struktur von2 in einer Seitenansicht zeigt, -
3 ein zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt, -
4 ein drittes Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt, -
5 ein viertes Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung zeigt, -
6 ein Beispiel von Bandcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt, -
7 ein Beispiel des Reflexionskoeffizienten einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt, und -
8 ein Beispiel einer Mobilstation zeigt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist. - Die
1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert. - Die
2a und2b stellen ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung dar. Die Struktur200 enthält eine Erdungsebene GND, ein rechtwinkliges strahlendes Planarelement220 , einen Versorgungspunkt F und einen Kurzschlusspunkt S davon, einen ersten Schlitz231 und einen Halterahmen205 , ähnlich wie in der Struktur von1 . Der Versorgungspunkt und der Kurzschlusspunkt liegen bei diesem Beispiel in der Nähe von einer der längeren Seiten der Strahlungsebene nahe einer Ecke der Ebene. Der erste Schlitz231 beginnt von demselben Rand von der anderen Seite des Versorgungspunktes, wie es vom Kurzschlusspunkt aus gesehen wird. Ein wesentlicher Unterschied zur1 ist, dass die Strahlungsebene nun ferner einen zweiten Schlitz232 gemäß der Erfindung enthält. Er beginnt an dem Rand der Strahlungsebene an einem Punkt zwischen den Versorgungs- und Kurzschlusspunkten und endet in der inneren Region der Ebene. - Die Antennenstruktur
200 hat zwei Betriebsbänder und drei derartige Resonanzen erhalten, die aus der betrieblichen Sicht signifikant sind. Die Strahlungsebene220 enthält einen leitenden Zweig B21, der vom Kurzschlusspunkt S beginnt und sich um das Ende des ersten Schlitzes windet und der zusammen mit der Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem unteren Betriebsband der Antenne fungiert. Der Ort und die Dimensionen des ersten Schlitzes231 sind so, dass er zusammen mit der umgebenden leitenden Ebene und Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem oberen Betriebsband der Antenne fungiert. Die Dimensionen des zweiten Schlitzes232 sind so, dass er zusammen mit der umgebenden leitenden Ebene und Erdungsebene einen Viertelwellenresonator bildet und als ein Strahler in dem oberen Betriebsband der Antenne fungiert. Somit sind die Resonanzfrequenzen der zwei Schlitzstrahler angeordnet, um relativ nahe beieinander aber noch ungleich zu sein, so dass das obere Betriebsband relativ breit wird. Bei diesem Beispiel ist die Resonanzfrequenz des zweiten Schlitzstrahlers nicht nur mit tels der Schlitzdimensionen sondern auch durch eine leitende Ebene225 geeignet ausgeführt, die sich zu der Erdungsebene von der kürzeren Seite nahe dem Kurzschlusspunkt S des Planarelementes220 erstreckt. - Der zweite Schlitz
232 beeinflusst natürlich die Antennenabstimmung in dem unteren Betriebsband. Dies kann auch ausgenutzt werden durch Optimieren dieses Abstimmens durch Formen des zweiten Schlitzes in einer geeigneten Weise. - Die
2b zeigt die Antennenstruktur von2a von der Seite betrachtet, wo die leitende Platte225 liegt. Bei diesem Beispiel hat die leitende Platte225 ungefähr die Hälfte der Länge der Seite des Planarelementes und reicht etwas mehr als über den halben Weg zwischen dem Planarelement und der Erdungsebene in der Richtung der Normalen des Planarelementes220 . Ähnliche Ausdehnungen der Strahlungsebene sind in Planarantennen üblich. Üblicherweise ist die Erweiterung an dem offenen Ende eines Strahlungszweiges angeordnet, wodurch dort die Kapazität sowie die elektrische Länge des Zweiges erhöht werden. In diesem Fall ist die Erweiterung der Ebene nahe dem Kurzschlusspunkt, was die elektrische Länge des zweiten Strahlungsschlitzes erhöht. Gleichzeitig verstärkt die Erweiterung, d. h. die leitende Platte225 , die Resonanz des zweiten Schlitzes. Die2b zeigt ferner einen Leiter202 , der den Kurzschlusspunkt S mit der Erdungsebene GND verbindet. Der Antennenversorgungsleiter203 ist hinter dem Kurzschlussleiter zu sehen. - Die
3 zeigt ein zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Struktur ist ähnlich zu der Struktur in der2 ; die Unterschiede sind so, dass die Formen des ersten und des zweiten Schlitzes in dem Strahlungselement320 von jenen in der2 abweichen und die Orte des Versorgungspunktes und des Kurzschlusspunktes miteinander vertauscht sind. Der erste Schlitz331 ist so geformt, dass die Antenne zwei Betriebsbänder auch ohne den zweiten Schlitz hat. Wesent lich ist die Form des zweiten Schlitzes332 . Dieser verzweigt in zwei Richtungen, womit er zwei geschlossene Enden hat. Der zweite Schlitz ist so dimensioniert, dass er eine leitende Schleife B32 zwischen dem Versorgungspunkt F und dem Kurzschlusspunkt S erzeugt, deren elektrische Länge die Hälfte der Wellenlänge in dem oberen Betriebsband ist. Aus diesem Grund strahlt die Schleife B32 in dem oberen Betriebsband. Der zweite Schlitz ist so geformt, dass eine Stromverteilung in der Schleife B32 ziemlich groß ist. Dies ändert die Polarisation der Strahlung, was zu einer Verstärkung der Strahlung insbesondere in der Horizontalebene führt, wenn die Strahlungsebene in einer vertikalen Position ist. Gemäß Simulationsergebnissen steigt die durchschnittliche Antennenverstärkung um 6 dB in dem oberen Betriebsband an. Die minimale Verstärkung steigt noch mehr, was bedeutet, dass das Strahlungsmuster gleichmäßiger wird. - Die
4 zeigt ein drittes Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. In diesem Fall enthält ein Planarelement420 einen ersten Schlitz431 und einen zweiten Schlitz432 . Hauptsächlich der erste Schlitz ist so geformt, dass das Planarelement zwei strahlende Zweige erhalten hat. Der erste B41 von diesen ist länger und ist in dem unteren Betriebsband der Antenne in Resonanz. Die Resonanzfrequenz entsprechend dem zweiten Zweig B42 fällt in das obere Betriebsband der Antenne, wie auch die Resonanzfrequenz entsprechend dem zweiten Schlitz432 gemäß der Erfindung. Die zwei letzteren Resonanzfrequenzen sind in diesem Fall auch geeignet nahe beieinander, so dass das obere Betriebsband relativ breit ist. - Die Antennenstruktur von
4 enthält auch ein Peitschenelement440 , das längs seiner Achse beweglich ist. Das Peitschenelement ist herausgezogen gezeichnet, ist galvanisch an das strahlende Planarelement420 nahe dem Versorgungspunkt F gekoppelt und erhöht die Leistung der Antenne z.B. in dem untersten Betriebsband. Die zurückgezogene Peitsche hat keine signifikante Kopplung mit dem Rest der Antennenstruktur. Al ternativ kann eine separate Versorgung für das Peitschenelement angeordnet sein, in welchem Fall es keine galvanische Kopplung mit dem Planarelement selbst in der ausgezogenen Position haben wird. - Die
5 zeigt ein viertes Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Es hat auch einen ersten Schlitz531 , der das Planarelement520 in zwei Zweige B51 und B52 teilt, die in verschiedenen Betriebsbändern in Resonanz sind. Die Struktur enthält auch einen zweiten Schlitz532 , der zwischen die Versorgungs- und Kurzschlusspunkte geht und in dem selben Betriebsband wie der zweite Zweig B52 in Resonanz ist. Es unterscheidet sich von der Struktur der2a darin, dass der erste Schlitz531 bei diesem Beispiel zwei Teile hat; ein relativ enger erster Teil, der vom Rand der Ebene520 beginnt und an der Längsseite des zweiten, relativ breiten Teils endet. Diese Form, die für sich bekannt ist, erhöht die Bandbreite weiter. Bei dem Beispiel von5 ist die Strahlungsebene520 keine starre leitende Platte, sondern eine leitende Schicht auf der oberen Oberfläche einer Schaltungsplatte510 . Als ein Einstellelement gibt es eine Erweiterungsplatte525 zu der Strahlungsebene, angeordnet an der langen Seite der Strahlungsebene zwischen dem Versorungspunkt F und dem Anfang des ersten Schlitzes531 . - Der Kürze halber wird in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen über leitende Zweige und Schlitze in Resonanz gesprochen. Damit wird jedoch auf die gesamte Resonanzstruktur einschließlich zusätzlich zu dem in Rede stehenden Zweig oder Schlitz auch der Erdungsebene und dem Raum zwischen der Erdungsebene und der Strahlungsebene Bezug genommen.
- Die
6 zeigt ein Beispiel von Frequenzcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung. In der6 sind Kurven des Reflexionskoeffizienten S11 als eine Funktion der Frequenz gezeigt. Die Kurve61 zeigt die Änderung des Reflexionskoeffizienten einer Antenne des Standes der Technik gemäß der1 , und die Kurve62 zeigt ähnlich die Änderung des Reflexionskoeffizienten einer Antennenstruktur gemäß den2a ,b. Die Kurven zeigen, dass für die Antenne gemäß der Erfindung die Breite B des oberen Betriebsbandes ungefähr 440 MHz ist, während sie für die Referenzantenne nur ungefähr 140 MHz ist. Das Kriterium für die Bandgrenzfrequenz ist hier der Reflexionskoeffizientenwert 6 dB. Das obere Betriebsband wird somit viel breiter. Dies basiert auf der Resonanz r3 des zweiten Strahlungsschlitzes, dessen Frequenz angeordnet ist, so dass sie in einem geeigneten Abstand über der Frequenz der Resonanz r2 des ersten Strahlungsschlitzes ist. In dem unteren Betriebsband der Antenne wird die Änderung gemäß der Erfindung in diesem Fall die Schwächungsspitze verringern und das Band etwas schmäler machen. Jedoch kann das untere Betriebsband leicht ausgelegt werden, um das Band abzudecken, das zum Beispiel von dem GSM 900 System benötigt wird. - Die
7 stellt unter Verwendung eines Smith-Diagramms die Qualität des Abstimmens in der Antenne dar, für welche die Reflexionskoeffizientenkurve62 gezeichnet wurde. Die Kurve72 zeigt die Änderung des komplexen Reflexionskoeffizienten als eine Funktion der Frequenz. Ein Kreis60 , der in einer gestrichelten Linie gezeichnet ist, markiert die Grenze, innerhalb welcher der Absolutwert des Reflexionskoeffizienten kleiner als 0,5 ist, d. h. – 6 dB. Die Kurve72 zeigt unter anderem, dass die Schleife entsprechend dem Bereich des oberen Betriebsbandes vollständig innerhalb des Kreises60 ist, was das Ziel der Abstimmung war. - Die
8 zeigt eine Mobilstation MS, die eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung enthält. Ein strahlendes Planarelement820 , das zu der Struktur gehört, liegt vollständig innerhalb des Gehäuses der Mobilstation. - Vorstehend wurden einige Antennenstrukturen gemäß der Erfindung beschrieben. Die Erfindung beschränkt die Antennenelementformen nicht auf jene, die oben beschrieben wurden. Auch beschränkt die Erfindung das Herstellungsverfahren der Antenne oder der darin verwendeten Materialien nicht.
Claims (8)
- Interne Antenne einer Funkvorrichtung, welche Antenne gleichzeitig wenigstens ein unteres und ein oberes Betriebsband hat und eine Erdungsebene und ein strahlendes Planarelement (
220 ;320 ;420 ;520 ) mit einem Antennenversorgungspunkt, einem festen Kurzschlusspunkt und ersten und zweiten Schlitzen enthält, von denen jeder von einem Rand des Planarelements startet, wobei eine leitende Ebene des Planarelements angeordnet ist, um in dem unteren Betriebsband mitzuschwingen, dadurch gekennzeichnet, dass der Startpunkt des ersten Schlitzes (231 ;331 ;431 ;531 ) außerhalb eines Bereichs zwischen dem Versorgunspunkt (F) und dem Kurzschlusspunkt (S) ist und der zweite Schlitz (232 ;332 ;432 ;532 ) zwischen den Versorgungspunkt und den Kurzschlusspunkt führt und angeordnet ist, um eine Resonanz in dem oberen Betriebsband zu verursachen. - Interne Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitz (
232 ;432 ;532 ) angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne mitzuschwingen und die elektrische Länge des zweiten Schlitzes eine Viertelwellenlänge ist, wenn er mitschwingt. - Interne Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitz (
332 ) angeordnet ist, um zwischen dem Versorgungspunkt und dem Kurzschlusspunkt eine leiten de Schleife (B32) herzustellen, deren elektrische Länge die Hälfte der Wellenlänge in dem oberen Betriebsband ist. - Interne Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz (
231 ) angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne mitzuschwingen. - Interne Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitz (
431 ;531 ) das Planarelement in zwei Zweige teilt, von denen einer (B42; B52) angeordnet ist, um in dem oberen Betriebsband der Antenne mitzuschwingen. - Interne Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Planarelement auf der Seite des zweiten Schlitzes eine Erweiterung (
225 ) enthält, die zu der Erdungsebene gerichtet ist, um die Resonanzfrequenz des zweiten Schlitzes abzustimmen. - Interne Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein bewegliches Peitschenelement (
340 ) enthält, das wenn es ausgezogen ist, galvanisch an das Planarelement gekoppelt ist. - Mobilterminal (MS), enthaltend eine interne Antenne nach Anspruch 1.
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