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WO2001017061A1 - Multiband-antenne - Google Patents

Multiband-antenne

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Publication number
WO2001017061A1
WO2001017061A1 PCT/DE2000/001327 DE0001327W WO0117061A1 WO 2001017061 A1 WO2001017061 A1 WO 2001017061A1 DE 0001327 W DE0001327 W DE 0001327W WO 0117061 A1 WO0117061 A1 WO 0117061A1
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WO
WIPO (PCT)
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antenna
conductor tracks
antenna according
carrier
circuit
Prior art date
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Ceased
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PCT/DE2000/001327
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Huber
Martin OELSCHLÄGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2001017061A1 publication Critical patent/WO2001017061A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the invention relates to a multiband antenna with the generic features of claim 1.
  • multiband antennas are required that cover different frequency ranges, e.g. to be able to improve network utilization and roaming at home and abroad.
  • the antennas should also be able to be designed for a broadband frequency range.
  • these antennas should have only small dimensions and a low weight.
  • this antenna must be cheap and reproducible to manufacture.
  • Multiband antennas are known in which a plurality of conductor tracks are arranged as radiation bodies on at least one side of a printed circuit board. Only one of the conductor tracks is connected to a transmitter / receiver or e.g. designed as a simple radiating element. Other conductor tracks are not connected directly via electrical conductors, but are designed in such a way that they are excited by an electromagnetic coupling. In particular, the coordination of the conductor tracks is very difficult and complex.
  • Microstrip line antennas require a ground plane that completely covers the back of a printed circuit board (PCB). The required distance from the radiating elements also requires a large amount of space. These antennas are also expensive to manufacture.
  • PCB printed circuit board
  • Multi-layer PCB multiband antennas are more complex to manufacture and have a lower reproducibility.
  • the known systems are also disadvantageous in terms of their ability to be removed, since a large amount of time is required in the development due to a large number of time-consuming work steps.
  • the punching and bending technique and the wound helix require simulations, and the implemented result usually has to be corrected again, since simulation and practice generally do not match sufficiently.
  • the punching and bending technique also means that changing the tool takes longer or, in extreme cases, may not even be possible in the final stage.
  • Multi-layer antennas with more than two layers have the disadvantage that they cannot be easily etched in many laboratories, since the technology is not available in-house and the tests have to be carried out with the supplier.
  • the object of the invention is to propose an improved antenna with multi-band capability.
  • the proposed antenna is ideally a multiband antenna that can cover different frequency ranges, so that the utilization of the networks and the roaming in and
  • a further downsizing of the mobile radio devices is also made possible, since the dimensions of the antennas and their weight can be reduced. In particular, a reduction in the total height required is possible.
  • these antennas can be produced inexpensively, since only two conductor tracks are required, for example, in the case of an antenna for two frequencies. In addition, no mass is required, which further simplifies the construction.
  • Such antennas are also easily reproducible due to low tolerance fluctuations in production. It is particularly advantageous that such an antenna can be tuned particularly easily in a wide variety of ways. In particular, a short-term fine-tuning of the antenna is also possible.
  • An antenna can be set up at short notice in your own laboratory, e.g. in half a day, including etching or milling the structure if necessary. The data can then be passed on to the circuit board manufacturer, who then also quickly, e.g. creates a new mask within one day, without implementation problems, with which mass production can then be started. It is also possible to carry out additional tests on this basis.
  • the combination of a two-level PCB antenna with one or more vias and / or one or more face contacts is particularly advantageous. This combination extends and simplifies the possibilities of coordinating the overall arrangement. This makes it possible to provide a particularly space-saving, cheap and relatively easily tunable multiband antenna.
  • FIG. 1 shows an overall structure of a two-level PCB multiband antenna with end face contact in a perspective view
  • Fig. 2 shows such an antenna with plated-through hole
  • FIG. 3 the individual sides of an antenna with a branching and edge contact
  • FIG. 4 the individual sides of an antenna with
  • FIG. 5 shows the individual sides of an antenna with a
  • Fig. 6 shows another combination with different
  • an exemplary two-level PCB multiband antenna consists of a carrier in the form of a printed circuit board 1, which is shown transparently here apart from its outer contours.
  • the circuit board 1 carries one or more structured conductor tracks 2 and 3 on both sides.
  • the conductor track 2 can be connected to a transmitting / receiving circuit via a contact surface 12.
  • the conductor tracks 2 and 3 are electrically connected here directly. As a result, they represent one or more electrical radiators that resonate at two or more frequencies.
  • the resonance frequencies can be freely selected by choosing the location of the electrical connection, that is to say the connecting points of the conductor tracks 2 and 3, and by selecting the arrangements and shapes of the conductor tracks 2 and 3.
  • the conductor tracks 2 and 3 of the two levels are thus directly connected in an electrically conductive manner via one or more edge and / or end face contacts 4.
  • contacting can also take place at one or more points through the printed circuit board 1, as is the case here for example in Fig. 2 is shown with a via 6.
  • Every trace can take any shape.
  • branches 7 are also possible on the conductor tracks.
  • 3 shows an exemplary embodiment with an edge contact 8 in the area of the middle of the
  • Conductor tracks 2 and 3 Preferably one or more of the conductor tracks 2 and 3 have the shape of a meander, a serpentine line or that of a rod.
  • one or more of the conductor tracks 2 and 3 can also be interrupted at one or more points.
  • a combination of direct connections and couplings between the front and rear sides and also couplings to further interconnects 10 which are formed via the gaps 9 and are not directly connected can be produced.
  • Two or more radiators can also be attached to the back, which are excited by coupling both from the front and from the back. Examples of a multitude of further possible combinations are shown in FIGS. 5 and 6.
  • An antenna can in particular also be constructed from a plurality of printed circuit boards 1, each with one or more conductor tracks and / or printed circuit boards with one or more conductor tracks, on one or more layers in such circuit boards, which can be arranged in any way relative to one another.
  • the individual layers and / or printed circuit boards are preferably, but not necessarily, parallel to one another.
  • the Distance between the levels can also be used as an option for coordination.
  • circuit board material is freely selectable, but should be suitable for high frequencies, e.g. commercial circuit board material FR4 or a flexible plastic material, in particular a film made of polycarbonate or polyetherimide. Individual conductor tracks can also be included in the material.
  • Such an antenna can advantageously also be integrated directly into a main assembly.
  • Branch lines can also be implemented on the antenna PCB itself.
  • one or more matching circuits can be arranged on the antenna carrier itself and not only on the main assembly.
  • the provision of other assemblies, in particular electronic elements, is also possible on such a printed circuit board, such elements optionally also being able to communicate with the conductor tracks, e.g. can be actively controlled by the signals on the conductor tracks or in turn can influence or specify the signals on the conductor tracks.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne, insbesondere Multiband-Antenne für Mobilfunkgeräte mit einem mehrseitigen Träger (1) und zwei oder mehr Leiterbahnen (2, 3) als Sende- und/oder Empfangseinrichtung in verschiedenen Ebenen des Trägers (1). Bei der vorgeschlagenen Antenne sind zumindest zwei der Leiterbahnen (2, 3) über eine direkte Kontaktierung (6) miteinander verbunden. Die vorgeschlagene Antenne ist idealerweise eine Multiband-Antenne, die verschiedene Frequenzbereiche abdecken kann, so dass die Auslastung der Netze und das Roaming in In- und Ausland verbessert werden. Dabei ist eine einfache Auslegung für eine Funktion in mehreren Frequenzbändern möglich. Insbesondere ist auch eine kurzfristige Feinabstimmung der Antenne möglich. Die Möglichkeiten der Abstimmung der einzelnen Leiterbahnen wird insbesondere bei einer Kombination von direkt kontaktierten Leiterbahnen und weiteren angekoppelten Leiterbahnen optimiert.

Description

Beschreibung
Multiband-Antenne
Die Erfindung bezieht sich auf eine Multiband-Antenne mit den oberbegrifflichen Merkmaien des Patentanspruchs 1.
Im Bereich der Funktechnik, insbesondere Mobilfunktechnik werden Multiband-Antennen benötigt, die verschiedene Frequenzbereiche abdecken, um z.B. die Auslastung der Netze und das Roaming im In- und Ausland verbessern zu können.
Insbesondere sollen die Antennen auch für einen breitbandigen Frequenzbereich auslegbar sein. Um eine weitere Verkleinerung der Mobilfunkgeräte zu ermöglichen, sollten diese Antennen nur geringe Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen. Außerdem müssen diese Antenne billig und reproduzierbar herstellbar sein.
Bisher wurde versucht das Problem mit Helixantennen, Mikrostreifenantennen, beidseitigen und mehrlagigen PCB- Antennen oder dem gleichzeitigen Einsatz mehrerer Antennen zu lösen.
Aus der WO 96/38881 und der WO 96/38882 sind z.B. Multiband- Antennen bekannt, bei denen auf zumindest einer Seite einer Leiterplatte mehrere Leiterbahnen als Strahlungskörper angeordnet sind. Nur eine der Leiterbahnen ist mit einem Sender/Empfänger verbunden oder z.B. als einfaches strahlendes Element ausgebildet. Weitere Leiterbahnen sind nicht direkt über elektrische Leiter verbunden, sondern sind derart ausgebildet, daß sie durch eine elektromagnetische Kopplung angeregt werden. Insbesondere die Abstimmung der Leiterbahnen gestaltet sich dabei sehr schwierig und aufwendig.
Die bekannten Lösungen haben jedoch verschiedene Nachteile, wie folgt: Die sogenannten Helix-Antennen, die nur einen heiisch gewundenen Draht aufweisen, sind kompliziert abzustimmen, benötigen viel Platz und machen lange Werkzeugvorlaufzeiten erforderlich. Zudem besteht das Problem, daß nicht alle denkbaren Steigungen und Formen wickelbar sind.
Bei Mikrostreifenleitungs-Antennen wird eine Massefläche benötigt, die die Rückseite einer gedruckten Leiterplatte (PCB) vollständig abdeckt. Durch den erforderlichen Abstand zu den strahlenden Elementen ist zudem ein großer Platzbedarf erforderlich. Auch diese Antennen sind bei der Herstellung kostenintensiv.
Auch bei beidseitigen PCB-Antennen oder zwei PCBs mit jeweils einer strahlenden Struktur auf einer Seite der beiden PCBs und mit einer verlängerten Masse zum Abstimmen auf einer Rückseite einer der beiden PCBs, die hintereinander gelegt werden, bestehen Nachteile. So bestehen bei diesen eine geringere Multibandfähigkeit und weniger Möglichkeiten zur Abstimmung. Zudem wird eine Massezuführung benötigt.
Mehrlagige PCB-Multiband-Antennen sind in der Herstellung aufwendiger und haben eine geringere Reproduzierbarkeit.
Die Verwendung mehrerer Antennen zur Abdeckung von mehreren Bändern macht einen höheren Platzbedarf, eine zusätzliche Ansteuerung der einzelnen Antennen, eine zusätzliche Antennenkontaktierung und eine zusätzliche Antennenhalterung erforderlich. Dabei erhöht sich dementsprechend auch die Anzahl der Bauelemente. Auch diese Lösung ist bei der Herstellung kostenintensiv.
Die bisherigen Konzepte wie Helix-Draht-Antennen, Mikrostreifenleitungs-Antennen, beidseitige PCB-Antennen mit Kopplung und mehrere Antennen neben- oder hintereinander haben insbesondere alle den Nachteil, daß sie entweder einen zu hohen Platzbedarf haben oder die Abstirnmbarkeit bei einer Multiband-Funktion nicht ohne weiteres möglich ist.
Die bekannten Systeme sind mit Blick auf die Abstirnmbarkeit auch nachteilhaft, da dafür durch eine Vielzahl von zeitintensiven Arbeitsgängen ein großer Zeitaufwand bei der Entwicklung erforderlich ist. Beispielsweise sind bei der Stanz-Biege-Technik und der gewickelten Helix Simulationen erforderlich, wobei das umgesetzte Ergebnis meistens nochmals korrigiert werden muß, da Simulation und Praxis in der Regel nicht ausreichend übereinstimmen. Bei der Stanz-Biege-Technik kommt weiter hinzu, daß eine Werkzeugänderung länger dauert oder im Extremfall im Endstadium unter Umständen gar nicht möglich ist. Mehrlagige Antennen mit mehr als zwei Lagen haben den Nachteil, daß sie in vielen Labors nicht ohne weiteres ätzbar sind, da die Technik im Haus nicht vorhanden ist und man die Tests mit dem Zulieferer zusammen fahren muß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Antenne mit Multibandfähigkeit vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch eine Antenne mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Die vorgeschlagene Antenne ist idealerweise eine Multiband- Antenne, die verschiedene Frequenzbereiche abdecken kann, so daß die Auslastung der Netze und das Roaming in In- und
Ausland verbessert werden. Dabei ist eine einfache Auslegung für eine Funktion in mehreren Frequenzbändern möglich.
Eine weitere Verkleinerung der Mobilfunkgeräte wird ebenfalls ermöglicht, da die Abmessungen der Antennen und deren Gewicht reduzierbar sind. Insbesondere ist eine Verringerung der erforderlichen Gesamthöhe möglich. Außerdem sind diese Antennen kostengünstig herstellbar, da z.B. im Fall einer Antenne für zwei Frequenzen nur zwei Leiterbahnen erforderlich sind. Außerdem ist keine Masse erforderlich, was den Aufbau zusätzlich vereinfacht.
Derartige Antennen sind durch geringe Toleranzschwankungen in der Produktion auch problemlos reproduzierbar. Besonders vorteilhaft ist, daß eine solche Antenne besonders einfach auf verschiedenste Art und Weise abstimmbar ist. Insbesondere ist auch eine kurzfristige Feinabstimmung der Antenne möglich. Eine Antenne kann im eigenen Labor kurzfristig aufgebaut werden, z.B. in einem halben Tag, bei Bedarf einschließlich Ätzen oder Fräsen der Struktur. Die Daten können dann an den Leiterplattenhersteller weitergegeben werden, der dann ebenfalls zügig, z.B. innerhalb eines Tages, ohne Umsetzungsprobleme eine neue Maske herstellt, mit der dann die Massenproduktion aufgenommen werden kann. Auch ist es möglich auf dieser Grundlage zusätzliche Test durchzuführen.
Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer Zwei-Ebenen- PCB-Antenne mit einer oder mehreren Durchkontaktierungen und/oder einer oder mehreren Stirnseitenkontaktierungen. Diese Kombination erweitert und vereinfacht die Möglichkeiten der Abstimmung der Gesamtanordnung. So wird es möglich, eine besonders platzsparende, billige und verhältnismäßig einfach abstimmbare Multiband-Antenne bereitzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Gesamtaufbau einer Zwei-Ebenen-PCB-Multiband- Antenne mit Stirnseitenkontaktierung in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 eine solche Antenne mit Durchkontaktierung durch die
Leiterplatte hindurch, Fig. 3 die einzelnen Seiten einer Antenne mit einer Verzweigung und Randkontaktierung, Fig. 4 die einzelnen Seiten einer Antenne mit
Stirnseitenkontaktierung und einer Unterbrechung in der rückseitigen Leiterbahn, Fig. 5 die einzelnen Seiten einer Antenne mit einer
Kombination aus zwei Stirnseitenkontaktierungen und einer durch reine Kopplung anregbaren Leiterbahn und
Fig. 6 eine andere Kombination mit verschiedenen
Leiterbahnen und deren Anschlüsse bzw. Kopplungen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht eine beispielhafte Zwei- Ebenen-PCB-Multiband-Antenne aus einem Träger in Form einer Leiterplatte 1, die hier abgesehen von ihren Außenkonturen durchsichtig dargestellt ist. Die Leiterplatte 1 trägt auf beiden Seiten eine bzw. mehrere strukturierte Leiterbahnen 2 und 3. Die Leiterbahn 2 ist über eine Kontaktierfläche 12 an eine Sende-/Empfangsschaltung anschließbar.
Die Leiterbahnen 2 und 3 sind hier direkt miteinander elektrisch verbunden. Dadurch stellen sie einen oder mehrere elektrische Strahler dar, die bei zwei oder mehr Frequenzen Resonanzen zeigen. Die Resonanzfrequenzen sind durch Wahl des Ortes der elektrischen Verbindung, also der Verbindungspunkte der Leiterbahnen 2 und 3, und durch Wahl der Anordnungen und Formen der Leiterbahnen 2 und 3 frei wählbar.
Die Leiterbahnen 2 und 3 der beiden Ebenen sind also über eine oder mehrere Rand- und/oder Stirnseitenkontaktierungen 4 direkt elektrisch leitend verbunden.
Anstelle der Kontaktierung über Stirnseiten 5 oder zusätzlich dazu kann die Kontaktierung auch an einer oder mehreren Stellen durch die Leiterplatte 1 hindurch erfolgen, wie dies beispielsweise in Fig. 2 anhand einer Durchkontaktierung 6 dargestellt ist.
Zusätzlich zur bekannten kapazitiven, induktiven und Strahlungskopplung bietet die direkte elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 2 und 3 beider Ebenen eine neue Möglichkeit der Abstimmung der Gesamtanordnung.
Jede Leiterbahn kann jede beliebige Form annehmen. Insbesondere sind auf den Leiterbahnen auch Verzweigungen 7 möglich. So zeigt Fig. 3 eine beispielhafte Ausführungsform mit einer Randkontaktierung 8 im Bereich der Mitten der
Leiterbahnen 2 und 3. Vorzugsweise haben eine oder mehrere der Leiterbahnen 2 und 3 die Form eines Mäanders, einer Schlangenlinie oder diejenige eines Stabes.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können eine oder mehrere der Leiterbahnen 2 und 3 auch an einer oder an mehreren Stellen unterbrochen werden. Dadurch ist eine Kombination aus Direktverbindungen und Kopplungen zwischen Vorder- und Rückseite und auch Kopplungen zu weiteren über die durch die Unterbrechungen entstandenen Spalte 9 ausgebildeten und nicht direkt verbundenen Leiterbahnen 10 erzeugbar.
Es können auch zwei oder mehrere Strahler auf der Rückseite angebracht werden, die sowohl von der Vorderseite, als auch von der Rückseite durch Kopplung angeregt werden. Beispiele für eine Vielzahl weiterer Kombinationsmöglichkeiten sind aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich.
Eine Antenne kann insbesondere auch aus mehreren Leiterplatten 1 mit jeweils einer oder mehreren Leiterbahnen und/oder Leiterplatten mit einer oder mehreren Leiterbahnen auf einer oder mehreren Lagen in solchen Leiterplatten aufgebaut sein, die beliebig zueinander angeordnet werden können. Die einzelnen Lagen und/oder Leiterplatten sind vorzugsweise, aber nicht zwingend, parallel zueinander. Der Abstand zwischen den Ebenen kann zusätzlich als Möglichkeit zur Abstimmung eingesetzt werden.
Das Material aus dem die Leiterplatte besteht ist frei wählbar, sollte aber hochfrequenztauglich sein, wie z.B. kommerzielles Leiterplattenmaterial FR4 oder ein flexibles Kunststoffmaterial, insbesondere eine Folie aus Polycarbonat oder Polyetherimid. Dabei können einzelne Leiterbahnen auch im Material eingeschlossen werden.
Eine solche Antenne kann vorteilhafterweise auch direkt in eine Hauptbaugruppe integriert werden. In diesem Fall bietet sich z.B. auch die Möglichkeit durch eine Verzweigung der Zuleitung und unterschiedlich lange Umwegleitungen in den einzelnen Zweigen mehrere Speisepunkte auf den einzelnen der Leiterbahnen 2 und 3 bereitzustellen, um die Hauptbaugruppe mit verschiedenen Phasenlagen versorgen zu können. Diese
Verzweigungsleitungen können auch auf dem Antennen-PCB selbst verwirklicht werden.
Weiterhin können eine oder mehrere Anpaß-Schaltungen auf dem Antennenträger selbst und nicht nur auf der Hauptbaugruppe angeordnet werden. Auch das Bereitstellen anderer Baugruppen, insbesondere elektronischer Elemente ist auf einer solchen Leiterplatte möglich, wobei solche Elemente optional auch mit den Leiterbahnen kommunizieren können, also z.B. aktiv durch die Signale auf den Leiterbahnen angesteuert werden können oder ihrerseits die Signale auf den Leiterbahnen beeinflussen oder vorgeben können.

Claims

Patentansprüche
1. Antenne, insbesondere Multiband-Antenne für Mobilfunkgeräte, mit - einem mehrseitigen Träger (1),
- zwei oder mehr Leiterbahnen (2, 3) als Sende- und/oder Empfangseinrichtung in verschiedenen Ebenen des Trägers (1), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Leiterbahnen (2, 3) über direkte Kontaktierung miteinander verbunden sind.
2. Antenne nach Anspruch 1, bei der zwei der Ebenen durch zwei Außenseiten des Trägers (1), insbesondere gegenüberliegende Außenseiten ausgebildet sind.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Träger (1) eine Leiterplatte (PCB) oder ein flexibles Kunststoffmaterial ist, insbesondere eine Folie aus Polycarbonat oder Polyetherimid.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine oder mehrere direkte Kontaktierungen über leitende Verbindungen (8) am Rand des Trägers (1) und/oder über durch den Träger (1) hindurchführende leitende Durchkontaktierungen (6) ausgebildet sind.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine oder mehrere Kontaktierungen (6, 8) an Kontaktstellen und/oder Leiterbahn-Verzweigungen (7) angeordnet sind.
6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest eine der Leiterbahnen (2) direkt mit einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung verbunden ist.
7. Antenne nach Anspruch 6, bei der die direkt mit einem Sender verbundene Leiterbahn (2) in einer anderen Ebene angeordnet ist, als die weiteren Leiterbahnen (3, 10) .
8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der neben direkt miteinander verbundenen Leiterbahnen (2, 3) weitere Leiterbahnen (10) als Strahler durch Kopplung angeregt werden.
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf dem Träger (1) zusätzlich zu Leiterbahnen (2, 3, 10) zumindest ein elektronisch aktives und/oder passives Bauelement, insbesondere eine Anpaß-Schaltung angeordnet ist.
10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antenne in einer Hauptbaugruppe integriert ist.
PCT/DE2000/001327 1999-09-01 2000-04-27 Multiband-antenne Ceased WO2001017061A1 (de)

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DE19941681 1999-09-01

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PCT/DE2000/001327 Ceased WO2001017061A1 (de) 1999-09-01 2000-04-27 Multiband-antenne

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