DE60033140T2

DE60033140T2 - Mehrfrequenzband-Antenne

Info

Publication number: DE60033140T2
Application number: DE60033140T
Authority: DE
Inventors: Zhinong Ying; Anders DAHLSTRÖM
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: DE60033140D1; ATE352884T1; EP1168491B1; EP1168491A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Antennen zur Verwendung in tragbaren Kommunikationsgeräten, wie z.B. mobilen Telefonen. Für tragbare Kommunikationsgeräte ist es erforderlich kompakt in der Größe zu sein, welches eine Anforderung ist, die auf jede Komponente der Geräte einschließlich der Antenne angewendet werden kann. Moderne Mobiltelefone benutzen zwei oder mehr getrennte Frequenzbänder und es ist vorzugsweise ein und dieselbe Antenne erforderlich, um in allen von dem Telefon benutzten Frequenzbändern zu arbeiten.
Verwandter Stand der Technik
Gegenwärtig verwenden die meisten mobilen Telefone eines oder mehrere der folgenden drei Frequenzbänder:
Das GSM Band inmitten der Frequenz von 900 MHz, das DSC Band inmitten von 1800 MHz und das PCS Band inmitten von 1900 MHz. Das 900 MHz und das 1800 MHz Frequenzband sind durch eine Oktave getrennt, wohingegen das 1800 MHz und das 1900 MHz Frequenzband lediglich durch einen Teil einer Oktave getrennt sind. In vielen Mobiltelefonen, die das 900 MHz und das 1800 MHz Frequenzband verwenden, besitzen die Antennen getrennte Teile, die auf jeweils eines der zwei Frequenzbänder abgestimmt sind, da es nicht als durchführbar betrachtet wird, ein und denselben Teil der Antenne auf ein Frequenzband von mehr als einer Oktave mit einem relativ großen unbenutzten Frequenzband zwischen den nützlichen Frequenzbändern abgestimmt zu haben.
Einerseits beschreiben EP 1 095 422 und WO 00/36700 die Versuche, die unternommen wurden, mit ein und demselben Teil der Antenne beide Hochfrequenzbänder inmitten von 1800 MHz und 1900 MHz mit einer unteren Frequenzgrenze von 1710 MHz und einer oberen Frequenzgrenze von 1990 MHz – eine Bandbreite von 280 MHz – abzudecken. Die Verbesserung in der Bandbreite wird auf Kosten der Antennenverstärkung erzielt.
Insbesondere offenbart EP 1 095 422 ≡ WO 00/03452 eine gedruckte Dualbandantenne, die einen Niederbandteil und einen Hochbandteil besitzt, der gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem gemeinsamen Einspeisepunkt und einem gemeinsamen Erdungspunkt verbunden ist.
EP 942 488 und EP 332 139 offenbaren beide eine Breitbandantenne, mit zwei kapazitiv gekoppelten Zweigen in einer End-zu-End Konfiguration, die eine Doppelresonanz bereitstellt, die zum Erhöhen der Bandbreite verwendet wird.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Antenne bereitzustellen, die zumindest in drei Frequenzbändern verwendbar ist und die einen minimalen Verlust besitzt, z.B. maximale Verstärkung in allen Frequenzbändern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Antenne zum Verwenden in beispielsweise tragbaren Kommunikationsgeräten bereit, sowie z.B. mobilen Telefonen. Die Antenne kann in einem Niederfrequenzband und zwei Hochfrequenzbändern verwendet werden, wobei die zwei Hochfrequenzbänder untereinander näher als das Niederfrequenzband sind. Die Antenne ist daher eine wirksame Dreibandantenne, und ein mobiles Telefon, das eine solche Antenne besitzt, kann daher in drei Frequenzbändern verwendet werden, wie z.B. die oben identifizierten drei Frequenzbänder inmitten von 900 MHz, 1800 MHz bzw. 1900 MHz. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Verwendung in den oben identifizierten Frequenzbändern beschränkt, sondern ist für die Verwendung in existierenden und zukünftigen Frequenzbändern genauso geeignet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine bekannte Dualbandantenne, die elektrisch mit einem gedruckten Schaltbrett verbunden ist,
2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführung einer Dreibandantenne der Erfindung, die elektrisch mit einem gedruckten Schaltbrett verbunden ist,
3 ist eine Endansicht der Antenne und des gedruckten Schaltbrettes von 2,
4 zeigt schematisch das gedruckte Schaltbrett mit der Antenne in 2, und
5 ist ein Diagramm, das einen typischen Reflexionsverlust für eine Antenne gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den 2–4 wird ein gedrucktes Schaltbrett PCB (engl.: printed circuit board) zusammen mit einer Antenne gemäß der Erfindung zum Verwenden in einem Mobiltelefon gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform besitzt das gedruckte Schaltbrett für darstellerische Zwecke eine rechteckige Form und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer rechteckigen Form beschränkt.
In der praktischen Verwendung besitzt das Schaltbrett eine Anzahl von auf diesem montierten elektronischen Komponenten, die notwenig für den Betrieb des mobilen Telefons sind, die jedoch nicht Teil der Erfindung sind. In 4 werden diese Komponenten daher lediglich schematisch angezeigt.
In den 2–4 bildet ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Kupfer, die Antenne der Erfindung. Die Antenne ist vorzugsweise räumlich von dem gedruckten Schaltbrett PCB durch einen vorbestimmten dazwischen liegenden Abstand getrennt. Ein erster Leiterteil CP1, der in dieser Ausführung geradlinig ist, besitzt einen Massepunkt mit einem ersten Massestab GP1 an einem ersten Ende des ersten Leiterteils CP1. In Verwendung wird der Massepunkt elektrisch durch den ersten Massestab GP1 mit dem Massepotential an dem gedruckten Schaltbrett PCB verbunden. Nahe des ersten Endes und in einer vordeklinierten Entfernung von diesem besitzt der erste Leiterteil CP1 einen Speisepunkt mit einem Speisestab FP, der den ersten Leiterteil CP1 elektrisch mit einem elektronischen Schaltkreis auf dem PCB verbindet, um die Antenne mit durch die Antenne zu übertragenden Signalen zu speisen und/oder mit einem elektronischen Schaltkreis zum Empfangen der durch die Antenne empfangen Signale. Der Teil des ersten Leiterteiles CP1, der zwischen dem Einspeisestab FP und dem ersten Massestab GP1 aufgestellt ist, funktioniert als eine Anpassungsbrücke MB.
An einem zweiten Ende, das entgegengesetzt zu dem ersten Ende ist, zweigt ein Niederfrequenzteil LB an einer Seite des geraden ersten Leiterteils CP1 ab und bildet eine Spirale. Hier bilden drei gradlinige Segmente, die zueinander rechte Winkel bilden, die Niederbandspirale. Das innerste Segment in der Spirale ist breiter als die verbleibenden drei gradlinigen Segmente einschließlich des Leiterteils CP1.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Ende zweigt ein erster Hochbandteil HB1, der ebenso eine Spirale bildet, in einem rechten Winkel und an der gleichen Seite wie der Niederbandteil LB ab. Die erste Hochbandspirale wird ebenso durch drei gradlinige Segmente, die zueinander rechte Winkel bilden, gebildet. Die Segmente, die die erste Hochbandspirale bilden, haben im Wesentlichen gleiche Breiten. Der Niederbandteil LB der Antenne is angepasst, um eine relativ niedrigere Resonanzfrequenz, wie z.B. 900 MHz, und eine vordefinierte Bandbreite zu besitzen, um ein Niederfrequenzband der Antenne festzulegen. Die untere Resonanzfrequenz wird hauptsächlich durch die Länge des Niederbandteils LB bestimmt oder beeinflusst, die von dem Spaltpunkt FP zu dem inneren Ende der Spirale gemessen wird, deren Länge einem Viertel der Wellenlänge bei der unteren Resonanzfrequenz entspricht. Wenn ein elektrisches Signal mit Frequenzen in dem Niederfrequenzband in den Speisepunkt FP der Antenne gespeist wird, werden entsprechende elektromagnetische Signale von dem Niederbandteil LB der Antenne als Funksignale abgestrahlt; und umgekehrt, wenn die Antenne elektromagnetische Signale in Form von Funkwellen mit Frequenzen in dem Niederfrequenzband empfängt, werden elektrische Signale durch den Niederbandteil LB der Antenne erzeugt, und die dadurch erzeugten elektrischen Signale werden an dem Speisestab FP durch empfangende elektronische Schaltkreise abgetastet, die mit der Antenne verbunden sind.
Der erste Hochbandteil HB1 der Antenne wird abgestimmt, um eine erste hohe Resonanzfrequenz, wie z.B. 1800 MHz, und eine vorbestimmte Bandbreite zu besitzen, um ein erstes Hochfrequenzband festzulegen. Die erste hohe Resonanzfrequenz wird hauptsächlich durch die Länge des erstes Hochbandteiles HB1 bestimmt oder beeinflusst, die von dem Speisepunkt FP zu dem inneren Ende der Spirale gemessen wird, deren Länge einem Viertel einer Wellenlänge bei der ersten Hochresonanzfrequenz entspricht. Wenn ein elektrisches Signal mit Frequenzen in dem ersten Hochfrequenzband in den Speisepunkt FP der Antenne gespeist wird, werden entsprechende elektromagnetische Signale von dem ersten Hochbandteil HB1 der Antenne als Funkwellen abgestrahlt, und umgekehrt, wenn die Antenne elektromagnetische Signale in Form von Radiowellen mit Frequenzen in dem ersten Hochfrequenzband empfängt, werden elektrische Signale durch den ersten Hochbandteil HB1 der Antenne erzeugt, und die dadurch erzeugten elektrischen Signale werden ebenso an den Einspeisepunkt FP durch die empfangenden elektronischen Schaltkreise abgetastet, die mit der Antenne verbunden sind.
Zusammen bilden der Niederbandteil LB und der erste Hochbandteil HB1 der Antenne eine Dualbandantenne, die in einem Mobiltelefon verwendbar ist, das in zwei Frequenzbändern arbeitet, wie z.B. 900 MHz und 1800 MHz.
Soweit entspricht die Antenne der Erfindung der bekannten Antenne, die in 1 gezeigt ist.
Gemäß der Erfindung besitzt die Antenne ebenso einen zweiten Hochbandteil HB2 in Form eines zweiten Leiterteils CP2, der in einer parallelen Beziehung zu dem ersten Leiterteil CP1 und in einer vorbestimmten Entfernung zu diesem angeordnet ist. An einem ersten Ende besitzt das zweite Hochbandteil HB2 einen Massepunkt, der durch einen zweiten Massestab GP2 mit dem Massepotential auf dem PCB verbunden ist. Der zweite Massestab GP2 ist in der nahen Umgebung des Speisepunktes FP angeordnet, vorzugsweise in einer Entfernung von 0,5 mm, oder zumindest in dem Bereich zwischen 0,1 mm und 1 mm.
Zusammen bilden der erste Leiterteil CP1 und der zweite Leiterteil mit CP2 einen elektrischen Kondensator. Daher existiert ein kapazitives oder parasitäres Koppeln zwischen den ersten Leiterteil CP1 und dem zweiten Leiterteil CP2. Der zweite Hochbandteil HP2 der Antenne wird abgestimmt, um eine zweite hohe Resonanzfrequenz, wie z.B. 1900 MHz, und eine vorbestimmte Bandbreite zu besitzen, um ein zweites Hochfrequenzband festzulegen. Die zweite hohe Resonanzfrequenz wird hauptsächlich durch die Länge des zweiten Leiterteils CP2 bestimmt oder beeinflusst, die einem Viertel einer Wellenlänge bei der zweiten hohen Frequenz entspricht, und der kapazitiven Koppelung zwischen dem ersten Leiterteil CP1 und dem zweiten Leiterteil CP2.
Alternativ kann der erste Hochbandteil HB1 der Antenne mit der höheren der beiden Hochbandresonanzfrequenzen – hier 1900 MHz – abgestimmt werden und der zweite Hochbandteil HP2 der Antenne kann mit der niedrigeren der zwei Hochbandresonanzfrequenzen – hier 1800 MHz – abgestimmt werden.
Wenn ein elektrisches Signal mit Frequenzen in dem zweiten Hochfrequenzband in den Speisestab FP der Antenne gespeist wird, werden diese Signale aufgrund der Abstimmung der kapazitiven oder parasitären Koppelung, die zwischen dem ersten Leiterteil CP1 und dem zweiten Leiterteil CP2 existiert, mit dem zweiten Leiterteil CP2 gekoppelt und entsprechende elektromagnetische Signale werden von dem zweiten Hochbandteil HB2 der Antenne als Funkwellen abgestrahlt. Wenn die Antenne elektromagnetische Signale in Form von Funkwellen mit Frequenzen in dem zweiten Hochfrequenzband empfängt, werden elektrische Signale umgekehrt durch den zweiten Hochbandteil HB2 der Antenne erzeugt, und diese Signale werden mit dem ersten Leiterteil CP1 gekoppelt, und die dadurch erzeugten elektrischen Signale werden ebenso an dem Speisestab FP durch die empfangenden elektronischen Schaltkreise abgetastet, die mit der Antenne verbunden sind.
Der erste Hochbandteil HB1 der Antenne ist an einer Seite des ersten linearen Leiterteils CP1 angeordnet und der zweite Hochbandteil HB2 der Antenne ist an der entgegen gesetzten Seite des ersten linearen Leiterteils CP1 angeordnet. Hierdurch werden Störungen zwischen den zwei Hochfrequenzsendern auf ein Minimum reduziert.
In 3 wird am deutlichsten gezeigt, dass die aktiven Teile der Antenne (einschließlich der linearen Leiterteile CP1 und CP2, der Nieder- und Hochbandteile LB, HB1 und HB2) räumlich von dem gedruckten Schaltbrett PCB getrennt sind. In dem Raum zwischen den aktiven Teilen der Antenne und dem PCB befindet sich ein dielektrisches Substrat DE mit physikalischen Abmessungen und bestimmten dielektrischen Eigenschaften, die zum einwandfreien Funktionieren der Antenne gewählt wurden. Die Dicke des dielektrischen Substrates DE ist nicht notwendigerweise die gleiche wie der Abstand, der die aktiven Teile der Antenne von dem gedruckten Schaltbrett PCB trennt.
Wenn die aktiven Teile der Antenne in einem Mobiltelefon verwendet werden, können diese nahe einer inneren Seite einer Gehäusewand des Telefons platziert werden oder sogar befestigt oder daran gesichert werden, z.B. durch Verkleben. In einem solchen Fall müssen die dielektrischen Eigenschaften des Gehäusematerials und ihr Einfluss auf das Funktionieren der Antenne in Betracht gezogen werden.
In 5 wird ein typischer Reflexionsverlust für eine Multifrequenzbandantenne gemäß der Erfindung gezeigt. Der Reflexionsverlust ist hier als Stehwellenverhältnis (engl.: voltage standing wave ratio) (VSWR) der Antenne auf einem linearem Frequenzmaßstab von 500 MHz bis 2,5 GHz gezeigt. Der Reflexionsverlust hat ein getrenntes Minimum bei einem Niederfrequenzband und zwei zueinander relativ nahe Minima bei zwei Hochfrequenzbändern HF1 und HF2.

Claims

Multifrequenzbandantenne mit – einem Niederbandteil (LB), der mit einem Niederfrequenzband (LF) abgestimmt ist, und – einem ersten Hochbandteil (HB1), der mit einem ersten Hochfrequenzband (HF1) bei höheren Frequenzen als das Niederfrequenzband (LF) abgestimmt ist, wobei der Niederbandteil (LB) und der erste Hochbandteil (HB1) umfassen: – einen gemeinsamen ersten Massepunkt (GP1), – einen gemeinsamen Speisepunkt (FP) zum Speisen der Eingangssignale an die Antenne und zum Ausgeben der Signale von der Antenne, und – einen ersten Leiterteil (CP1), der einen Teil des Niederbandteiles (LB) und des ersten Hochbandteiles (HB1) bildet, wobei der erste Leiterteil (CP1) elektrisch mit dem ersten Massepunkt (GP1) und dem gemeinsamen Speisepunkt (FP) verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, dass – ein zweiter Leiterteil (CP2) in einer parallelen Beziehung zu dem ersten Leiterteil (CP1) an einer entgegen gesetzten Seite des Niederbandteiles (LB) und des ersten Hochbandteiles (HB1) angeordnet ist, um einen zweiten Hochbandteil (HB2) zu bilden; – der zweite Leiterteil (CP2) einen vorbestimmtem Abstand davon entfernt ist, so dass der zweite Leiterteil (CP2) kapazitiv mit dem ersten Leiterteil (CP1) gekoppelt ist; – die Länge des zweiten Leiterteils (CP2) mit einem zweiten Hochfrequenzband (HF2) abgestimmt ist, das unterschiedlich zu dem ersten Hochfrequenzband (HF1) ist und die einem Viertel einer Wellenlänge des zweiten Hochfrequenzbandes (HF2) entspricht; und – ein erstes Ende des zweiten Leiterteiles einen Massepunkt (GP2) besitzt, der in naher Umgebung des Speisepunktes (FP) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiterteil (CP1) und der zweite Leiterteil (CP2) im Wesentlichen lineare Teile umfassen.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, kennzeichnet dadurch, dass das longitudinale Überlappen über eine Länge stattfindet, die einem Viertel einer Wellenlänge einer Frequenz in dem zweiten Hochfrequenzband (HF2) entspricht.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederbandteil (LB) und der ersten Hochbandteil (HB1) im Wesentlichen in einer Spiralform konfiguriert sind und jeder von dem im Wesentlichen linearen ersten Leiterteil (CP1) an einer ersten Seite des ersten Leiterteiles (CP1) abzweigt.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hochbandteil (HB2) an einer zweiten Seite entgegen gesetzt zu der ersten Seite des ersten Leiterteiles (CP1) angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralen des Niederbandteils (LB) und des ersten Hochbandteils (HB1) im Wesentlichen lineare Teile eines leitfähigen Materials umfassen.
Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen linearen Teile des leitfähigen Materials in Paaren angeordnet sind, die im Wesentlichen rechte Winkel bilden.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (DE) mit vorbestimmten dielektrischen Eigenschaften die Antenne unterstützt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hochbandteil (HB2) einen zweiten Massepunkt (GP2) umfasst, der in der nahen Umgebung des Speisepunktes (FP) der Antenne angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Massepunkt (GP2) des zweiten Hochbandteiles (HB2) in einer Entfernung zwischen 0,1 mm und 1,0 mm von dem Speisepunkt (FP) der Antenne angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Massepunkt (GP2) des zweiten Hochbandteiles (HB2) in im Wesentlichen 0,5 mm Entfernung von dem Speisepunkt (FP) der Antenne angeordnet ist.
Mobilkommunikationseinheit, die eine Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.