DE10133517A1 - Antenne - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße Antenne, mit zumindest einem im Wesentlichen das Abstrahlen und den Empfang von elektromagnetischen Wellen realisierenden Antennenarm und einem Speisepunkt, weist als weiteres Element eine metallische Grundfläche auf, wobei der Speisepunkt und die metallische Grundfläche in einer ersten Ebene zu liegen kommen, während der Antennenarm in einer zweiten Ebene, die in einem bestimmten Abstand im Wesentlichen parallel oberhalb der ersten Ebene verläuft, zu liegen kommt und mit der Grundfläche sowie dem Speiseanschlusspunkt elektrisch leitend verbunden ist. Erfindungsgemäß sind der Antennenarm, die Grundfläche, der Speisepunkt und die leitende Verbindung derart ausgestaltet, dass sie einstückig, insbesondere aus einem Blechstück geformt, und bei Auflage der Grundfläche auf einen ebenen Untergrund eine stabile Lage der Antenne gegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei DECT- oder WDCT-Basisstationen und bei einigen Bluetooth- Produkten (z. B. USB-Dongle, Odysseus, DSL-AP) wird gefordert, dass die Antenne durch das Untergrundmaterial (Holz, Metall usw.) möglichst wenig beeinflusst wird.

Diese Forderung ist dadurch begründet, dass die Materialien auf der Unter- bzw. Rückseite (bei wandmontierten Geräten) der Geräte sehr unterschiedliche dielektrische Eigenschaften aufweisen können.

Bei Antennen, die empfindlich gegenüber dem Untergrundmateri­ al reagieren kann es daher zu Störungen der Funkverbindung bis hin zum Abbruch der Verbindung kommen, wenn sie sich auf einem ungünstig gewähltem Untergrund befindet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es eine Anten­ ne anzugeben, die eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Um­ welteinflüssen aufweist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Antenne, mit zumindest einem im Wesent­ lichen das Abstrahlen und den Empfang von elektromagnetischen Wellen realisierenden Antennenarm und einem Speisepunkt, weist als weiteres Element eine metallische Grundfläche auf, wobei der Speisepunkt und die metallische Grundfläche in ei­ ner ersten Ebene zu liegen kommen, während der Antennenarm in einer zweiten Ebene, die in einem bestimmten Abstand im We­ sentlichen parallel oberhalb der ersten Ebene verläuft, zu liegen kommt und mit der Grundfläche sowie dem Speisean­ schlusspunkt elektrisch leitend verbunden ist. Erfindungsge­ mäß sind der Antennenarm, die Grundfläche, der Speisepunkt und die leitende Verbindung sind derart ausgestaltet, dass sie einstückig, insbesondere aus einem Blechstück geformt, und bei Auflage der Grundfläche auf einen ebenen Untergrund eine stabile Lage der Antenne gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Antenne zeichnet sich dadurch aus, dass man einfach maschinell auf eine Leiterplatte aufbringen kann, was für eine effektive Serienfertigung von Vorteil ist. Zudem zeichnet sich die Antenne dadurch aus, dass sie die Lage zur Leiterplatte nach erfolgtem Bestücken stabil einhält, so dass sie vor, während und nach erfolgtem elektrisch leitfähigen Verbinden, insbesondere Löten, mit der Leiterplatte mechani­ sche Stabilität gewährleistet. Sie ist auch klein dimensio­ niert, so dass sie platzsparend in Gehäusen von Geräten un­ tergebracht werden kann, die besonders klein ausgestaltet sein müssen, wie beispielsweise Bluetooth-Funkmodule.

Wird die Antenne derart ausgestaltet, dass eine dem Antennen­ arm abgewandte Seite der Grundfläche zur Aufnahme auf einer Leiterplatte ausgestaltet ist, kann die Antenne einfach auf Leiterplatten angebracht werden, bei denen eine Antenne auf einer Seite der Leiterplatte aufgesetzt werden soll, wobei die Unterseite der Grundfläche die elektrisch leitende Ver­ bindung, insbesondere durch Löten, eingehen kann.

Wird die Antenne derart ausgestaltet, dass eine dem Antennen­ arm zugewandte Seite der Grundfläche zur Aufnahme auf einer Leiterplatte ausgestaltet ist, lässt sich diese Antenne auf Leiterplatinen anbringen, die eine den Antennenarm durchlas­ sende Öffnung aufweist, so dass der Antennenarm durch diese Öffnung geführt und die Grundfläche mit ihrer Oberseite eine leitende mechanisch stabile Verbindung, insbesondere durch Löten, eingehen kann.

Wird die Grundfläche derart ausgestaltet, dass sie als elekt­ rische Masse zumindest der Antenne funktioniert, ist durch die leitende Verbindung des Antennenarms zur Grundfläche eine nahezu verlustfreie Anbindung an die Masse gewährleistet, da sie aus einem Stück bestehen, Kontaktverluste und Toleranzen durch Übergangswiderstände daher beispielsweise nicht gegeben sind, so dass sich die Antenne auch einfacher dimensionieren und optimieren lässt.

Wenn die Grundfläche derart ausgestaltet ist, dass eine e­ lektrische Abschirmung des Antennenarms von unterhalb der ersten Ebene liegendenden, insbesondere metallischen, Körpern gegeben ist, beispielsweise dadurch, dass das Flächenmaß der Grundfläche mindestens dem Flächenmaß der Fläche des Anten­ nenarms entspricht.

Die Geometrie der Inverted-F-Antenne, die sonst üblicherweise eine planare Struktur aufweist, lässt sich auch in den dreidimensionalen Raum übertragen, wobei die beiden namensge­ benden F-Querbalken sehr gut geeignet sind die elektrisch leitende und zugleich mechanisch stabile Anbindung an die Grundfläche zu gewährleisten.

Ist die leitende Verbindung durch einen Anpassschlitz zumin­ dest teilweise derart separiert, dass die leitende Verbindung zur Grundfläche durch einen Masseanschlussarm und die leiten­ de Verbindung zum Speisepunkt durch einen Speisearm herge­ stellt ist, wird auf einfache Weise die Inverted-F-Struktur erzeugt, wobei der Anpassschlitz zusätzlich eine Anpassung zur Minimierung von Verlusten, insbesondere durch die Anpas­ sung an einen 50 Ohm Widerstand, gewährleistet.

Den Anpassschlitz hierzu in der Längen und/oder in seiner Breite zu modifizieren bietet Freiheitsgrade bei der Anpas­ sung und lässt es auch zu Design bzw. Stabilitätsaspekte zu berücksichtigen. Beispielsweise wirkt sich die Variation der Breite des Anpassschlitzes auch unmittelbar auf die Breite des Speise- sowie Massenanschlussarm aus, die wiederum neben anderen Faktoren für die stabile Positionierung des Antennen­ arms oberhalb der Grundfläche verantwortlich sind.

Als Stanzbiegeteil ist die Antenne besonders einfach einstü­ ckig herzustellen und weist eine ausreichende mechanische Stabilität auf.

Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 Eine als Stanzbiegeteil ausgestaltete erfindungsge­ mäße Inverted-F-Antenne,

Fig. 2 Gemessener Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors bei Einsatz der erfindungsgemäßen Antenne im Blue­ tooth-Frequenzband (2400-2480 MHz).

Die Darstellung in der Fig. 1 zeigt eine Inverted-F-Antenne A, die aus einem Blech derart gestanzt worden ist, dass der eigentliche strahlende, im Allgemeinen als Antennenarm AA be­ zeichneter, Teil der Antenne A oberhalb einer Grundfläche MASSE liegt, deren Flächenmaß, um ein mechanisches Gleichge­ wicht zu erzielen, welches gewährleistet, dass die Antenne A nicht umkippt, wenn sie auf die Grundfläche MASSE gestellt wird, größer als das Flächenmaß des Antennenarms AA ist, wo­ bei neben dem Flächenverhältnis auch noch die Position der beiden Flächen zueinander zur Stabilitätsförderung optimiert werden kann.

Die derartig erzielte Stabilität bewirkt, dass eine Art me­ chanisches Gegengewicht zum Antennenarm AA erzeugt wird, das bei einer maschinellen Bestückung von Leiterplatinen mit die­ ser Antenne A gewährleistet, dass die Antenne A nicht weg­ kippt. Das Flächenmaß der Grundfläche unterstützt auch eine maschinelle Bestückung, da die Antenne A unter anderem von einem Bestückungsarm leichter gegriffen bzw. angesaugt werden kann.

Neben dem mechanischen Gleichgewicht, bildet die Grundfläche MASSE auch ein die Funktion eines elektrischen Gleichge­ wichts, da sie zugleich als Massepotential der Antenne A dient. Sie kann auch alternativ oder ergänzend als Masse ei­ ner für die Leiterplatte vorgesehenen Schaltung ausgestaltet sein. Daher weist ihre Metallfläche das mindestens hierfür erforderliche Flächenmaß auf.

Zudem bietet die als Massepotential ausgestaltete Grundfläche MASSE auch Schutz vor elektromagnetischer Beeinflussung von elektrisch wirksamen Bauelementen und Metallteilen, die auf der, im Bezug auf die Grundfläche MASSE dem Antennenarm AA gegenüberliegenden Seite, angeordnet sind, so dass zumindest eine von dieser Seite drohende Verstimmung einer auf eine be­ stimmte elektrisch wirksame Umgebung erfolgten Anpassung der Antenne A weitestgehend vermieden wird.

Um sowohl eine elektrische Verbindung als auch eine mechani­ sche Anbindung des Antennenarms AA an die Grundfläche MASSE zu gewährleisten, geht von der Grundfläche MASSE im rechten Winkel ein Masseanschlussarm MA ab, dessen Breite so gewählt ist, dass der Antennenarm AA stabil in der Lage oberhalb der Grundfläche MASSE gehalten wird.

Für einen Einsatz in einem für den Bluetooth-Standard reser­ vierten Frequenzbereich wird es daher eine Breite von ca. 3 bis 4 mm aufweisen. Für einen Einsatz gemäß dem DECT-, oder GSM-Standard sind voraussichtlich andere Dimensionen erfor­ derlich.

Die dargestellte Antenne A weist durch einen Speisearm SA zu­ dem eine elektrische Verbindung zur Speisung der Antenne A mit abzustrahlenden Signalen bzw. zum Weiterleiten empfange­ ner Signale auf.

Der Speisearm SA mündet in einem Speispunkt SP, der, bei­ spielsweise als kleine Fläche ausgestaltet, die Anbindung der Antenne A an eine Sende-/Empfangseinrichtung erlaubt und dazu beispielsweise durch Löten oder durch Druckkontaktierung mit einer auf der Leiterplatine aufgebrachten Schaltung elekt­ risch verbunden wird.

Der Speisearm SA leistet ebenfalls zusätzlich einen Beitrag zur mechanischen Stabilität, die noch durch entsprechende Op­ timierung der Breite bzw. Ausgestaltung der Kontaktfläche am Speisepunkt SP verbessert werden kann.

Eine Anpassung der Antenne A, die in der Regel zu einer 50 Ohm-Leitung erfolgt, wird durch eine Anpassschlitz AS er­ reicht, der zwischen dem Masseanschlussarm MA und dem Speise­ arm SA verläuft.

Die Dimensionen des Anpassschlitzes AS werden durch die für den Einsatz der Antenne A zu erwartenden Umgebungseinflüsse bestimmt, beispielsweise durch Gehäusematerial, Abstand zum Gehäuse und zu etwaigen Schirmtöpfen.

Dazu wird bei der Entwicklung der Antenne A die Dimension (Höhe, Breite) des Anpassschlitzes AS so lange verändert, bis eine gute Anpassung vorliegt. Dies kann beispielsweise durch Schaltungssimulation und/oder Versuchsaufbauten geprüft veri­ fiziert werden.

Die Länge des Anpassschlitzes AS kann hierbei so groß gewählt werden, dass der Anpassschlitz AS bis hin zum Antennenarm AA verläuft und evtl. sogar in den Antennenarm AA hineinragt.

Im Allgemeinen wird die Länge des Anpassschlitzes AS jedoch so gewählt sein, dass er vor einem Knick, bei dem der Anten­ nenarm AA rechtwinklig von den beiden Armen MA, SA abgeht, endet und sich an dieser Stelle Speisearm SA und Massean­ schlussarm MA vereinen.

Das Flächenmaß der Grundfläche MASSE kann bei einer vollstän­ dig metallisierten Leiterplatte auch kleiner ausfallen, ins­ besondere weil in diesem Fall die Metallisierung der Leiter­ platte das Massepotential der Antenne A bildet.

Unabhängig davon muss aber das Flächenmaß so groß sein, dass die mechanische Stabilität auch für diesen Fall gegeben ist.

Diese Antenne A kann sowohl auf einer Bauteileseite als auch auf der Rückseite der Leiterplatte angebracht werden.

Wird die Antenne A auf der Bauteileseite angebracht, so wird die Grundfläche MASSE der Antenne A derart auf die Leiter­ platte aufgebracht, dass die Unterseite der Grundfläche MASSE auf die Leiterplatte angelötet oder durch Druckkontaktierung aufgebracht wird.

Alternativ ist es möglich, dass in der Leiterplatte eine Öff­ nung vorgesehen ist, durch die der Antennenarm AA derart durchgesteckt wird, dass die Grundfläche MASSE auf der Bau­ teileseite der Leiterplatte zu liegen kommt, während der Rest der Antenne A auf der Rückseite herausragt, wird die Grund­ fläche MASSE durch Verlöten bzw. Druckkontaktieren ihrer O­ berseite auf die Leiterplatte angebracht.

Da die Antenne A in beiden Fällen durch die Grundfläche nach unten hin gut abgeschirmt ist, reagiert sie sehr unempfind­ lich gegenüber Materialien unterhalb der Antenne.

In Fig. 2 ist als Messergebnis ein Eingangsreflexionsfaktor S11 einer nach Fig. 1 ausgestalteten Antenne A mit folgender Dimensionierung

l = 26 mm
l_{AS_SA} = 2 mm
D_MA = 3,5 mm
D_SA = 2,25 mm
D_AS = 2 mm
D_AA = 5 mm
H = 7 mm

dargestellt, wobei

l := Länge des Antennenarms AA
l_{AS_SA} := Länge Anpassschlitz AS und Speisearm SA
D_MA := Breite Masseanschlussarm MA
D_SA := Breite Speiseanschlussarm SA
D_AS := Breite Anpassschlitz AS
D_AA := Breite Antennenarm AA
H := Antennenhöhe (Abstand Antennenarm zu Massefläche MASSE)

definiert sind.

Die erfindungsgemäße Inverted-F-Stanzbiegeteil-Antenne ist auf einer Leiterplatine, die für einen Bluetooth-USB-Dongle vorgefertigt wird (inkl. Gehäuse) für die zwei Fälle:

• 1. a.) Antenne auf einer großen Metallfläche (linksverschoben),
• 2. b.) Antenne im freien Raum (rechtsverschoben)

einer Messung unterzogen worden.

Für die Durchführung der Messung ist die Antenne A am Speis­ arm SA mit einem "Semi-Rigid"-Koaxialkabel verknüpft und an einen Netzwerkanalysator angeschlossen.

Die Verknüpfung des Koaxialkabels mit der erfindungsgemäßen Antenne A wird derart realisiert, dass der Innenleiter des Koaxialkabels mit dem Speisepunkt SP, der den Fortsatz des Speisearm SA bildet, und der äußere Kabelmantel mit der Mas­ sefläche MASSE durch Löten verbunden sind.

Die Messung des Eingangsreflexionsfaktors S11 erfolgt bei Frequenzen in einem Bereich zwischen 2400-2480 MHz. Dieser Frequenzbereich entspricht dem Bluetooth-Frequenzband für das die Messung optimiert wurde.

Durch die etwas nach Links verschobene Kurve, sind die Mess­ ergebnisse bei Anbringung eines metallischen Untergrundes und durch die rechte der beiden Kurven, sind die Messergebnisse für den Freiraumfall dargestellt.

Anhand der Werte des Eingangsreflexionsfaktors S11 bei den dargestellten Markern 1 bis 3 lässt sich entnehmen, dass für das gewählte Frequenzband eine sehr gute Anpassung erzielt wird.

Die Kurven für die beiden Extremfälle (metallischer Unter­ grund, Freiraum) zeigen, dass diese Antenne relativ unemp­ findlich gegenüber sich unterhalb der Antenne befindenden Ma­ terialien reagiert.

Neben der guten Anpassung bestätigt sich der Vorteil der ge­ ringen Proportionen, da für die Messung eine erfindungsgemäße Anntenne A mit einer Länge von nur 26 mm und Höhe von kleiner 1 cm verwendet wurde, so dass falls diese Antenne für in ei­ nem Frequenzband, der für DECT-Standard ausgelegt ist, auch trotz einer für dieses Band erforderlichen Vergrößerung der Antennendimensionierung, ohne Weiteres innerhalb eines Gehäu­ ses integriert werden kann.

Sehr interessant bei dieser Antenne ist die Tatsache, dass die Entfernung zum Untergrundmaterial extrem klein gehalten werden kann.

Claims (10)

1. Antenne (A), mit zumindest einem im Wesentlichen das Ab­ strahlen und den Empfang von elektromagnetischen Wellen realisierenden Antennenarm (AA) und einem Speisepunkt (SP), dadurch gekennzeichnet, dass

• a) die Antenne (A) eine metallische Grundfläche (MASSE) aufweist,
• b) der Speisepunkt (SP) und die metallische Grundfläche (MASSE) in einer ersten Ebene angeordnet sind,
• c) der Antennenarm (AA) in einer zweiten Ebene angeordnet ist,
• d) die zweite Ebene verläuft in einem bestimmten Abstand (D) im Wesentlichen parallel zur ersten Ebene,
• e) der Antennenarm (AA) ist mit der Grundfläche (MASSE) und dem Speisepunkt (SP) über eine leitende Verbindung (SA, MA) elektrisch leitend verbunden,
• f) der Antennenarm (AA), die Grundfläche (MASSE), der Speisepunkt (SP) und die leitende Verbindung (SA, MA) derart ausgestaltet sind, dass sie einstückig sind und bei Auflage der Grundfläche (MASSE) auf einen ebenen Untergrund eine stabile Lage der Antenne (A) gegeben ist.

2. Antenne (A) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Antennenarm (AA) abgewandte Seite der Grundflä­ che (MASSE) zur Aufnahme auf einer Leiterplatte ausges­ taltet ist.

3. Antenne (A) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Antennenarm (AA) zugewandte Seite der Grundflä­ che (MASSE) zur Aufnahme auf einer Leiterplatte ausges­ taltet ist.

4. Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (MASSE) derart ausgestaltet ist, dass sie als elektrische Masse zumin­ dest der Antenne (A) funktioniert.

5. Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Grundfläche derart ausges­ taltet ist, dass eine elektrische Abschirmung des Anten­ nenarms (AA) von unterhalb der ersten Ebene liegendenden, insbesondere metallischen, Körpern gewährleistet ist.

6. Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass sie als Inverted-F-Antenne ausgestaltet ist.

7. Antenne (A) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Verbindung (SA, MA) durch einen Anpass­ schlitz (AS) zumindest teilweise derart separiert ist, dass die leitende Verbindung zur Grundfläche (MASSE) durch einen Masseanschlussarm (MA) und die leitende Ver­ bindung zum Speisepunkt (SP) durch einen Speisearm (SA) hergestellt ist.

8. Antenne (A) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Anpassschlitzes (AS) derart ausgestaltet ist, dass eine Anpassung, insbesondere an einem 50 Ohm Widerstand, erzielt wird.

9. Antenne (A) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net dass die Breite des Anpassschlitzes (AS) derart aus­ gestaltet ist, dass eine Anpassung, insbesondere an einem 50 Ohm Widerstand, erzielt wird.

10. Antenne (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass sie als Stanzbiegeteil ausges­ taltet ist.