DE4436157C2

DE4436157C2 - Antenne

Info

Publication number: DE4436157C2
Application number: DE4436157A
Authority: DE
Inventors: Teruhisa Tsuru; Harufumi Mandai; Mitsuhide Kato
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1994-10-10
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2014-10-11
Also published as: DE4436157A1; JP3227631B2; GB2283131A; GB2283131B; GB9420553D0; US5777587A; JPH07111413A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Antenne, die in einer mobilen bzw. tragbaren Kommunikationseinrichtung, oder der gleichen, verwendbar ist.

Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen eine konventionelle Mikrostreifenleiter- Antenne 15 für eine an einem Fahrzeug vorhandene mobile Kommuni kationseinrichtung, oder dergleichen. Diese Mikrostreifenleiter-Antenne 15 enthält eine sog. Patch-Elektrode 12 und eine Erdelektrode 13, wobei sich die erste auf einer oberen und die zweite auf einer unteren Fläche ei nes dielektrischen Substrats 11 befinden. Weiterhin ist ein Stecker 14 mit dem dielektrischen Substrat 11 verbunden, der sich an der unteren Sub stratoberfläche befindet, die mit der Erdelektrode 13 versehen ist. Der Stecker 15 weist einen Innenleiter auf, der mit einem Speisepunkt 12(a) der Patch-Elektrode 12 verbunden ist, sowie einen äußeren Leiter, der mit der Erdelektrode 13 verbunden ist.

Diese Mikrostreifenleiter-Antenne 15 mit dem zuvor beschriebenen Auf bau arbeitet als Antenne, wenn die Patch-Elektrode 12 elektrische Wellen aussendet oder empfängt. Die Mikrostreifenleiter-Antenne 15 sollte darüber hinaus vorzugsweise einen miniaturisierten Aufbau aufweisen, um den Anforderungen dieser Anmeldung gerecht zu werden. Bei der Mi krostreifenleiter-Antenne nach den Fig. 8(a) und 8(b) muß jedoch die Län ge der Patch-Elektrode 12, die als Sende- bzw. Empfangsteil dient, minde stens 1/10 der Wellenlänge der elektrischen Wellen betragen. Mit anderen Worten hängt die Größe der Mikrostreifenleiter-Antenne 15 von der Wel lenlänge der elektrischen Wellen ab, so daß es schwierig ist, diese Mikro streifenleiter-Antenne 15 weiter zu miniaturisieren.

Andererseits wird die Mikrostreifenleiter-Antenne 15 über den Stecker 14 auf einer gedruckten Schaltungskarte montiert, so daß es unmöglich ist, sie in einfacher Weise direkt auf der Oberfläche der gedruckten Schal tungskarte anzuordnen. Wird zu diesem Zweck der Stecker 14 entfernt, so ist es jedoch schwierig, eine Impedanzanpassung zwischen der Mikrostrei fenleiter-Antenne 15 und einer mit ihr verbundenen Schaltung vorzunehmen. Erhöhte Reflektionsverluste sind die Folge.

W. Krank beschreibt in seinem Artikel "Breitbandige, geschirmte Wendelan tenne als primäre Antenne für Rotationsparabole im 800-MHz-Bereich", Son derdruck der Firma Telefunken, 1960, eine breitbandige, geschirmte Wendel antenne, die als Erreger für eine Parabolantenne vorgesehen ist. Bei dieser Antenne ist das aus Kupfer bestehende Wendelband auf einen dünnwandigen Kunststoffkörper aufgewickelt, der zwischen einer Reflektorplatte und einer Apertur-Abdeckplatte aus Hostalen angeordnet ist. Ein metallischer Ab schirmzylinder umgibt das Wendelband und verbindet die Apertur-Abdeck platte mit der Reflektorplatte. Das Wendelband ist im Bereich der Reflektor platte an einen Innenleiter einer Koaxialleitung angeschlossen.

Die DE AS 11 17 179 beschreibt dieselbe Antenne wie W. Krank in seinem Ar tikel in schematischer Form. Insbesondere wird hier deutlich, dass der mit ei nem Innenleiter einer Koaxialleitung verbundene, wendelförmige Leiter im Be reich der die Apertur-Öffnung abdeckenden, dielektrischen Platte frei endet, und dass das Abschirmgehäuse mit dem Abschirmmantel der Koaxialleitung verbunden ist.

Bystrom und Berntsen beschreiben in ihrem Artikel "An Experimental Investi gation of Cavity-mounted Helical Antennas", IRE Transactions on Antennas and Propagation, Januar 1956. Seiten 53 bis 58, insbesondere Seite 54 drei verschiedene Antennen, bei denen eine Antennenwendel jeweils in einem Hohlraum angeordnet ist. Die Antennenwendel ist dabei zur Verbindung mit dem Innenleiter einer Coaxialleitung isoliert durch den Boden des Hohlraums hindurchgeführt. Der wendelförmige Leiter ist jedoch nicht elektrisch mit der Hohlraumwand verbunden und weist darüber hinaus ein freies Ende auf. Der Speiseanschluss bei diesen Antennen liegt im Bereich des Hohlraumbodens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Antenne der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich insbesondere weiter miniaturisieren lässt, ohne dass auf die Frequenz zu sendender oder zu empfangender elektri scher Wellen Rücksicht genommen zu werden braucht.

Diese Aufgabe wird durch die Antenne nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß umfasst die Antenne einen Metalldraht, der mit seinem ei nen Ende mit einer Eingangs-/Ausgangselektrode und mit seinem anderen Ende mit einer ihn überdeckenden, leitenden Kappe verbunden ist. Durch Einstellen der Induktivität des Drahtes und der Streukapazität der Metallkap pe lassen sich erfindungsgemäß Antennen mit unterschiedlichen Resonanz frequenzen einfach erhalten. Dabei hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemä ße Antenne nur dann einwandfrei funktioniert, wenn der Draht mit der Me tallkappe verbunden ist. Insbesondere wird durch die Verbindung des Drah tendes mit der Metallkappe die Kapazität am Ende des Drahtes angebracht, sodass die Metallkappe als ganzes als Abstrahlplatte wirkt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es ferner möglich, die Antenne hinreichend zu miniaturisieren, sodass sie direkt auf der Oberfläche einer ge druckten Schaltungskarte montiert werden kann. Durch die spezielle Ausbil dung der Metallkappe in kastenartiger oder zylindrischer Form lässt sich fer ner die gewünschte Kapazität sicherstellen, und zwar ohne Vergrößerung der ebenen Abmessungen, was gleichfalls zur Miniaturisierung der Gesamtanten ne beiträgt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich die Eingangs-/Ausgangselektrode an einer Seitenoberfläche des dielektri schen Substrats, wobei sie elektrisch mit dem ersten Ende des Metalldrah tes verbunden ist, welcher sich in einem zentralen Teil des dielektrischen Substrats befindet. Zur Verbindung zwischen der Eingangs-/Ausgangs elektrode und dem ersten Ende des Metalldrahtes dient eine Leitungselek trode. Die Antenne läßt sich somit in einfacher Weise auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte anordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und teilweise gebrochene Dar stellung einer Antenne nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Erfindung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Ersatzschaltung der Antenne nach Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation einer Metallkappe für die Antenne nach Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifi kation der Metallkappe für die Antenne nach Fig. 1;

Fig. 6 ein Richtdiagramm der Antenne nach Fig. 1;

Fig. 7 eine Übertragungscharakteristik der Antenne nach Fig. 1; und

Fig. 8(a) und (b) jeweils eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne.

Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, enthält eine Antenne 10 nach der vorliegenden Erfindung ein dielektrisches Substrat 1 in Form einer recht eckförmigen, dünnen Platte. Das dielektrische Substrat 1 kann ein aus Schichten aufgebautes Produkt sein, beispielsweise aufgebaut durch Keramikschichten oder Harzschichten, und dergleichen. Trägerelektro den 2 (in Fig. 1 ist nur eine gezeigt) befinden sich an zwei einander gegenü berliegenden Seitenoberflächen des dielektrischen Substrats 1, während sich eine Eingangs-/Ausgangselektrode 3 an einer anderen Seitenoberflä che des dielektrischen Substrats 1 befindet, die benachbart zu den beiden zuerst genannten Seitenoberflächen liegt. Die Trägerelektroden 2 dienen zur Montage der Antenne 10 auf einer Oberfläche einer gedruckten Schal tungskarte durch Verlöten, oder dergleichen. Wird dagegen das dielektri sche Substrat 1 der Antenne 10 direkt auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungskarte befestigt, beispielsweise durch einen Klebstoff, oder der gleichen, so können die Trägerelektroden 2 entfallen.

Eine Leitungselektrode 5 liegt zwischen den Schichten des dielektrischen Substrats 1, das, wie bereits erwähnt, aus einem geschichteten Produkt besteht. Ein Ende dieser Leitungselektrode 5 ist dabei mit der Eingangs- /Ausgangseleketrode 3 verbunden, während ein anderes Ende der Lei tungselektrode 5 mit einer Verbindungselektrode 4 elektrisch verbunden ist, die sich in einem zentralen Bereich des dielektrischen Bereichs 1 be findet. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen der Verbindungs- bzw. An schlußelektrode 4 und dem genannten anderen Ende der Leitungselektro de 5 durch ein Durchgangsloch 6 hindurch.

Ein erstes Ende des spulen- bzw. wendelattig geführten Metalldrahtes 9 ist mit der Anschlußelektrode 4 verbunden, während ein zweites Ende die ses Metalldrahtes 9 mit einer inneren Oberfläche einer oberen Platte 8(a) einer Metallkappe 8 verbunden ist. Dabei kann es sich um eine feste Ver bindung handeln, beispielsweise um eine Lötverbindung. Der Metalldraht 9 kann aber auch federnd in Kontakt mit der oberen Platte 8(a) stehen und gegen diese pressen.

Die Metallkappe 8, die hier in Form eines hohlen Kastens vorliegt und im unteren Bereich eine Öffnung aufweist, ist mit einer festen Elektrode 7 fest verbunden, wobei die feste Elektrode 7 entlang der Umfangskanten einer Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats 1 verläuft. Dabei kann die offene Umfangskante der Metallkappe 8 mit der festen Elektrode 7 z. B. ver lötet sein. Mit anderen Worten liegt die nach unten offene Metallkappe 8 entlang ihrer gesamten Umfangskante auf der festen Elektrode 7 auf und kann entlang der gesamten Umfangskante mit dieser verlötet sein.

Die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltdiagramm der zuvor erwähnten Antenne 10. Entsprechend der Fig. 3 entspricht der Speiseanschluß T der Ein gangs-/Ausgangselektrode 3, während L die Induktivität des spulen- bzw. wendelartig gewickelten Metalldrahtes 9 repräsentiert und C eine infolge der Metallkappe 8 vorhandene schwimmende Kapazität ist.

Die Resonanzfrequenz f₀ dieser Antenne 10 läßt sich wie folgt ausdrücken:

f₀ = 1/2π√LC.

Um eine Impedanzanpassung zwischen der Antenne 10 und einer mit ihr verbundenen Schaltung vornehmen zu können, muß Rücksicht auf die fol gende Beziehung bezüglich der Eingangsimpedanz Z genommen werden:

Z = √L/C.

Die verteilte Induktivität L des Metalldrahtes 9 und die schwimmende Kapazität C infolge der Metallkappe 8 werden im Hinblick auf die beiden zuvor erwähnten Bedingungen eingestellt, um auf diese Weise die Reso nanzfrequenz f₀ der Antenne 10 vorzugeben. Beispielsweise gilt eine um gekehrt proportionale Beziehung zwischen der Länge des Metalldrahtes 9 und der Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10, derart, daß sich die verteilte Induktivität L vergrößert und sich die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 verringert, wenn die Länge des Metalldrahtes 9 zunimmt, während sich die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 vergrößert, wenn sich die Länge des Metalldrahtes 9 verkürzt. Um die Resonanzfrequenz f₀ der Antenne 10 zu reduzieren, muß somit nur die Länge des Metalldrahtes 9 vergrößert wer den. In diesem Fall ist es möglich, den Metalldraht 9 innerhalb eines klei nen Raumes unterzubringen, selbst wenn sich dessen Länge erhöht, da der Metalldraht 9 spulen- bzw. wendelartig geführt bzw. gewickelt werden kann, und zwar bei sehr hohem Freiheitsgrad bezüglich seiner Form.

Die Metallkappe 8 kann eine kubische Form aufweisen, um eine ge wünschte Kapazität zu erhalten, ohne daß dabei die ebene Flächenaus nutzung vergrößert wird. Im Vergleich zu dem unter den Fig. 8(a) und 8(b) beschriebenen Stand der Technik läßt sich somit die gesamte Antenne 10 weiter miniaturisieren, wenn man von der konventionellen Mikrostreifen leiter-Antenne 15 ausgeht, und zwar dann, wenn der Metalldraht 9 eine Länge aufweist, die größer ist als 1/10 der Wellenlänge der elektrischen Wellen, die empfangen oder ausgesendet werden sollen.

Nachfolgend wird eine beispielsweise, konkrete Ausführungsform einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Antenne nach dem konkreten Ausführungsbeispiel enthält ein dielektrisches Substrat mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Keramikplatte, deren Breite 9 mm, deren Tiefe 9 mm und deren Dicke 1 mm beträgt. Ferner ist eine Metallkappe vorhanden, die aus einer Kupferlegierung besteht. Diese Metallkappe weist eine Breite von 7 mm, eine Tiefe von 7 mm und eine Höhe von 7 mm auf. Ein Metalldraht besteht aus einer Kupferlegierung und be sitzt einen Durchmesser von 0,3 mm sowie eine Gesamtlänge von 30 mm.

Die Fig. 6 zeigt die Richtwirkung dieser Antenne. Dabei läßt die Fig. 6 er kennen, daß diese Antenne hinreichende Eigenschaften aufweist, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Der maximale Antennengewinn liegt bei -2 dB (Dipol-Antennen-Verhältnis), während bezüglich ihrer Richtwirkung kei ne Richtung bevorzugt ist. Die Resonanzfrequenz liegt bei 1,38 GHz. Die Fig. 7 zeigt darüber hinaus die Übertragungscharakteristik der Antenne. Dabei ist mit durchgezogener Linie die Übertragungscharakteristik der er findungsgemäßen Antenne dargestellt, die gemäß dem konkreten Beispiel aufgebaut ist. Mit unterbrochener Linie ist die Übertragungscharakteri stik der konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne eingezeichnet. Da bei sei darauf hingewiesen, daß z. B. in einem -3 dB Band das Resonanzfre quenzband der erfindungsgemäßen Antenne mit einer Resonanzfrequenz breite X1 von 150 MHz mindestens zehnmal so groß ist wie das Resonanz frequenzband der konventionellen Antenne, die eine Resonanzfrequenz breite X2 von 12 MHz aufweist. Infolge dieser Eigenschaften kann ein hin reichender Antennengewinn gewährleistet werden, selbst wenn sich die Resonanzfrequenz verschiebt oder infolge der Massenproduktion der Antenne, um einen Sollwert herum schwankt.

Die in Fig. 1 gezeigte Antenne 10 läßt sich in folgender Weise abwandeln:
Die Metallkappe 8 kann durch eine zylindrische Metallkappe 18 ersetzt werden, die in Fig. 4 gezeigt ist; oder es kann die Metallkappe 8 durch eine Metallkappe 28 ersetzt werden, die in Form eines rechtwinkeligen Parallelepipeds gemäß Fig. 5 vorlegt.

Es ist außerdem nicht unbedingt erforderlich, die Metallkappe 8 mit dem dielektrischen Substrat 1 dadurch zu verbinden, daß die Metallkappe 8 mit der festen Elektrode 7 verlötet wird, die auf dem Substrat 1 befestigt ist. Vielmehr kann die Metallkappe 8 auch direkt auf dem dielektrischen Substrat 1 befestigt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Klebers, oder dergleichen.

Das dielektrische Substrat 1 muß darüber hinaus nicht unbedingt aus einer Mehrschichtstruktur bestehen. Vielmehr kann das Substrat 1 auch aus einer einzelnen Keramikschicht oder Harzschicht bestehen. In diesem Fall ist es erforderlich, die Leitungselektrode 5 auf einer Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats 1 anzuordnen, wobei gleichzeitig partiell die feste Elektrode 7 und/oder die Metallkappe 8 Einkerbungen aufweisen, um die Leitungselektrode 5 gegenüber der festen Elektrode 7 und/oder der Metallkappe 8 elektrisch zu isolieren.

Die Antenne nach der vorliegenden Erfindung weist einen Sende- bzw. Empfangsteil auf, der durch einen spulenartig oder durch einen wendelar tig geführten Metalldraht gebildet wird. Die gesamte Antenne läßt sich da her im Vergleich zur konventionellen Mikrostreifenleiter-Antenne weiter miniaturisieren, bei der eine Patch-Elektrode zum Ein satz kommt. Bei der erfindungsgemäßen Antenne ist auch kein Stecker erforderlich, sondern es wird lediglich eine Eingangs-/Ausgangselektrode oder eine feststehende Elektrode verwendet, die sich an einer Seitenober fläche des dielektrischen Substrats 1 befindet. Deswegen läßt sich die erfindungsgemäße Antenne in einfacher Weise auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungskarte montieren.

Claims

1. Antenne mit
einem dielektrischen Substrat (1),
einer Eingangs-/Ausgangselektrode (3) auf dem dielektrischen Sub strat (1),
einem Metalldraht (9), der mit einem ersten Ende elektrisch mit der Eingangs-/Ausgangselektrode (3) verbunden ist und der sich spulen- oder wendelartig geführt vom Substrat (1) wegerstreckt, sowie
einer leitenden Kappe (8), die den Metalldraht (9) überdeckt und mit dessen zweiten Ende in elektrischer Verbindung steht.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten de Kappe (8) einen Öffnungsbereich mit einem Rand aufweist, über den sie mit dem dielektrischen Substrat (1) verbunden ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten de Kappe eine Metallkappe mit kastenartiger Form ist.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leiten de Kappe eine Metallkappe mit zylindrischer Form ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß der Öffnungsbereich der leitenden Kappe (8) mit einer Haupt oberfläche des dielektrischen Substrats (1) verbunden ist, wobei der Metalldraht (9) innerhalb der leitenden Kappe (8) so angeordnet ist, daß sein zweites Ende mit einer inneren Oberfläche einer oberen Platte der Metallkappe (8) verbunden ist.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Leitungselektrode (5), die sich vor einem zentralen Bereich des dielektrischen Substrats (1) in Richtung zu einer Seitenoberfläche des die lektrischen Substrats (1) erstreckt, wobei die Leitungselektrode (5) im Zentralbereich des dielektrischen Substrats (1) mit dem ersten Ende des Metalldrahtes (9) verbunden ist, während die Leitungselektrode (5) an ihrem anderen Ende mit der Eingangs-/Ausgangselekrode (3) verbunden ist, die sich an der genannten Seitenoberfläche des dielektrischen Substrats (1) befindet.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat (1) eine Mehrschichtstruktur aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufweist, wobei das erste Ende des Metall drahtes (9) mit einer Anschlußelektrode (4) verbunden ist, die sich auf der Hauptoberfläche des dielektrischen Substrats (1) befindet, und wobei ferner die Leitungselektrode (5) zwischen den Schichten des dielektri schen Substrats (1) liegt und mit der Anschlußelektrode (4) über eine Durchgangsöffnung (6) verbunden ist.