DE60108046T2

DE60108046T2 - Doppeltwirkende Antenne

Info

Publication number: DE60108046T2
Application number: DE60108046T
Authority: DE
Inventors: Jyrki Mikkola; Suvi Tarvas
Original assignee: Filtronic LK Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: ATE286306T1; CN1351391A; EP1202380B1; DE60108046D1; FI113216B; FI20002365L; CN1223042C; FI20002365A0; US6529168B2; US20020084939A1; EP1202380A2; EP1202380A3

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere doppeltwirkende Antennenstrukturen, die für Mobilstationen geeignet sind, bei welchen Strukturen eine Komponente ein rückziehbares Peitschenelement ist.
Auf dem Gebiet von transportablen Funkausstattungen, insbesondere Mobilstationen, wurde die Herstellung von Antennen sehr schwierig. So wie neue Frequenzbänder eingeführt werden, muss eine Antenne oft in zwei oder mehreren Frequenzbändern funktionieren. Wenn die Vorrichtungen klein sind, muss auch die Antenne klein sein; vorzugsweise ist sie innerhalb der Abdeckung des Gerätes angeordnet, wodurch ein unpraktischer Vorsprung vermieden wird. Verständlicherweise sind jedoch die Strahlungscharakteristika einer internen Antenne etwas schlechter als jene einer externen Antenne. Außerdem ist eine interne Antenne zum Beispiel empfindlicher auf die Wirkung der Hand des Anwenders. Diese Nachteile können unter Verwendung einer doppeltwirkenden Antenne verringert werden, so dass ein bewegliches Antennenelement, das zu der Struktur gehört, teilweise ausgezogen werden kann, wenn es erforderlich ist, um die Qualität der Verbindung zu verbessern.
Ein rückziehbares Peitschenelement ist als solches gut bekannt. Wenn die Antennenstruktur zusätzlich ein zweites Strahlungselement enthält, ist es üblicherweise ein Element außerhalb der Abdeckung des Gerätes, wesentlich kürzer als das Peitschenelement. Eine solche doppeltwirkende Antenne, die in einem Betriebsmodus vollständig innerhalb der Abdeckung des Gerätes angeordnet ist, ist in einer früheren Patentanmeldung FI991359 vom selben Anmelder offenbart. Die Struktur ist in der 1 dargestellt. Sie enthält eine Erdungsebene 110, ein planares Strahlungselement 120, einen Versorgungskondensator 102 und einen Kurzschlusskondensator 103, welche ein PIFA-(planare invertierte F-Antenne) Typ-Teil der gesamten Antenne bilden, das innerhalb der Abdeckung des Funkgerätes angeordnet ist. Das planare Element 120 hat einen Schlitz 125 in sich, welcher so geformt ist, dass die Resonanzfrequenz der Planarantenne wunschgemäß ist. Die Struktur enthält ferner ein Peitschenelement 130, an dessen unterem Ende es ein Anschlussteil 131 gibt. Wenn die Peitsche in ihrer unteren Position ist, hat sie keine signifikante Kopplung mit den PIFA-Teilen. Wenn die Peitsche in ihrer oberen Position ist, ist das Verbindungsteil 131 in galvanischem Kontakt mit dem planare Element 120 an beiden Seiten des Schlitzes 125, so dass der Schlitz kurzgeschlossen wird. Ein Kurzschließen des Schlitzes erhöht wesentlich die Resonanzfrequenz der Planarantenne, wodurch die Planarantenne nicht als eine Antenne in dem Betriebsfrequenzband funktionieren wird, wenn die Peitsche in der ausgezogenen Position ist. Das Peitschenelement ist so dimensioniert, dass es als eine Monopolantenne in dem selben Betriebsfrequenzband funktionieren wird, wodurch die interne planare Antenne ersetzt wird. Die Aufgabe des planaren Elements 120 ist dann, als ein Teil in der Versorgungsleitung der Peitsche und als ein Impedanzabstimmelement der Peitsche zu funktionieren. Die PIFA kann auch ausgelegt sein, um zwei Frequenzen zu haben, so dass in ihrer oberen Position das Peitschenelement z. B. die untere Resonanzfrequenz der PIFA in einer solchen Weise ändert, dass nur die ausgezogene Peitsche als das Strahlungselement bei der unteren Betriebsfrequenz funktioniert. Dann funktioniert die leitende Ebene der PIFA als das Strahlungselement bei der oberen Betriebsfrequenz. Alternativ verbessert das ausgezogene Peitschenelement den Betrieb der Antenne genau bei der niedrigen Betriebsfrequenz, ohne die Resonanzfrequenz der PIFA zu ändern.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine doppeltwirkende Antenne in einer neuen und vorteilhafteren Weise als bei bekannten Strukturen bereit zu stellen. Die Antennenstruktur gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 angegeben ist, und einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Eine Antennenstrukur enthält eine Antenne, die innerhalb der Abdeckung einer Mobilstation angeordnet ist, einen Schalter und ein Peitschenelement, das in Relation zu den ersteren Zweien beweglich ist. Die interne Antenne enthält zwei Elemente, von denen eines an den Versorgungskondensator der gesamten Antennenstrukur und das andere an die Signalerdung durch einen Kurzschlusskondensator angeschlossen sind. Wenn das Peitschenelement zurückgezogen ist, verbindet der Schalter die Elemente der internen Antenne galvanisch miteinander. Dann wird nur die interne Antenne verwendet und hat die Peitsche keine praktische Signifikanz. Wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, trennt sein unteres Ende mittels des Schalters die Elemente der internen Antenne voneinander, und das Peitschenelement selbst ist in Reihe mit jenem Element geschaltet, an dessen einem Ende der Versorgungskondensator der Antennenstruktur angeschlossen ist. Somit funktioniert die Reihenschaltung der Peitsche und des in Rede stehenden Elements als ein Radiator, und das kurzgeschlossene Element der internen Antenne hat keine praktische Signifikanz. Zusätzlich sorgt das interne Element der Reihenschaltung für die Abstimmung des Peitschenelements.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass bei der Struktur gemäß der Erfindung die Länge des Peitschenelements relativ frei gewählt werden kann. Dies liegt an der Tatsache, dass mittels des internen Antennenelements, das mit dem Peitschenelement in Reihe geschaltet ist, die elektrische Länge der Struktur z. B. auf ein Viertel der Wellenlänge oder drei Viertel der Wellenlänge eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist gemäß dem Obigen, dass keine separaten mechanischen Teile oder Komponenten für die Abstimmung des Peitschenelements erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Struktur gemäß der Erfindung relativ einfach und unaufwändig herzustellen ist.
Die Erfindung ist nachfolgend im Detail beschrieben. Es wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
1 ein Beispiel einer Antennenstrukur gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 ein Beispiel der Antennenstrukur gemäß der Erfindung zeigt,
3a–3d ein Beispiel des Änderns des Betriebsmodus bei der Antennenstrukur gemäß der Erfindung zeigen,
4 ein weiteres Beispiel der Antennenstrukur gemäß der Erfindung zeigt,
5 ein Beispiel der Frequenzcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt,
6a,b ein Beispiel einer Mobilstation zeigen, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
Die 1 wurde bereits in Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
Die 2 zeigt ein Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Antennenstruktur 200 enthält ein planares erstes Element 220 und ein planares zweites Element 230, ein Peitschenelement 240 und einen Schalter SW. Bei diesem Beispiel enthält die Antennenstruktur ferner eine Erdnungsebene 210. Das erste Element 220 enthält zwei Schlitze 225 und 226, die am Rand des Elements beginnen, so dass das erste Element einen leitfähigen Streifen bildet, der zwei einfassende Ringe enthält. Der Streifen enthält sechs rechtswinklige Ecken, so dass beim Vorwärtsgehen längs des Streifens die Umwindungsrichtung des äußeren Rings entgegengesetzt zu jener des inneren Rings ist. In galvanischem Kontakt mit dem äußeren Ende des leitfähigen Streifens an einem Punkt F ist der Versorgungskondensator 202 der gesamten Antennenstruktur. Das zweite Element 230 in dem Beispiel, das durch die 2 dargestellt ist, ist ein gerader leitfähiger Streifen auf der selben Ebene wie das erste Element. An einem Punkt G am anderen Ende, dem oberen Ende in der 2, des zweiten Elements ist ein Erdungsleiter 203 angeschlossen, der das zweite Element mit der Signalerdung 210 verbindet.
Das äußere Ende des zweiten Elements, wie es vom Erdungspunkt G aus zu sehen ist, und das äußere Ende des ersten Elements, wie es vom Versorgungspunkt F aus zu sehen ist, sind relativ nahe beieinander. In dem Betriebsmodus, in welchem das Peitschenelement zurückgezogen ist, d. h. in der unteren Position, verbindet der Schalter SW die oben angegebenen Enden, die nahe beieinander sind, so dass die leitfähigen Streifen, die die ersten und zweiten Elemente bilden, in Reihe zwischen den Antennenversorgungsleitungskondensatoren 202 und 203 geschaltet sind. Die Basisresonanzfrequenz der internen Antenne hängt von der Gesamtlänge des Leiters zwischen den Versorgungs- und Erdungspunkten ab. Bei der exemplarischen Struktur von 2 gibt es eine Verlängerung 221 zu dem Versorgungspunkt in dem inneren Ring des ersten Elements nach zwei Ecken, wie es von dem Versorgungspunkt F aus zu sehen ist. Diese und die Erdungsebene 210 geben der internen Antenne ein zweites, oberes Betriebsband an einer gewünschten Stelle. Allgemein bestimmen die Form der planaren Elemente und ihrer Teile, ihre wechselseitige elektromagnetische Kopplung und Entfernung von der Erdungsebene die Frequenzcharakteristika der internen Antenne, wie die Anzahl von Bändern und die Bandweiten.
Das Peitschenelement 240 ist längs seiner Achse beweglich. In der unteren Position sind es und ihr Anschlussteil von allen leitfähigen Strukturelementen isoliert und hat es keine signifikante Kopplung zu den anderen Teilen der Antennenstrukur. In der 2 ist das Peitschenelement in seiner oberen Position, d. h. ausgezogen, gezeigt. In dieser Position hält das Verbindungsteil 241 am unteren Ende des Peitschenelements den Schalter SW offen, so dass der oben angegebene leitfähige Streifen der Planarantenne zwischen den ersten und zweiten Elementen getrennt ist, und die Planarantenne nicht alleine als ein Radiator funktionieren kann. Statt dessen funktioniert das Peitschenelement als ein Radiator. Es ist in galvanischem Kontakt mit dem ersten Element 220 durch das Verbindungsteil 241 der Peitsche und die Kontaktfeder des Schalters SW. Diese Anordnung sorgt sowohl für die Versorgung als auch die Impedanzabstimmung des Peitschenelements. Zusammen mit dem ersten Element bildet das Peitschenelement eine Einheit, das eine Resonanz bei der Betriebsfrequenz hat. Die elektrische Länge der Einheit kann ausgelegt sein, um z. B. ein Viertel der Wellenlänge oder drei Viertel der Wellenlänge zu sein. In allen Fällen ist die Länge des Peitschenelements selbst wählbar, da das Abstimmen durch Dimensionieren des ersten Elements 220 realisiert werden kann.
Das "untere Ende" von Strukturteileinrichtungen in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ist das äußerste Ende in der Einschubrichtung des Peitschenelements und hat Nichts zu tun mit der Betriebsposition der Vorrichtung. Umgekehrt bezieht sich das "obere Ende" eines Strukturteils auf das Ende entgegengesetzt dem unteren Ende.
Bei dem Beispiel der 2 sind die planaren Elemente 220 und 230 zum Beipiel steife leitfähige Platten, die an der Erdungsebene 210 mittels eines dielektrischen Rahmens angebracht werden können. Die Elemente können zum Beispiel auch leitfähige Bereiche auf einer Oberfläche einer gedruckten Schaltungsplatte oder einer Keramik sein.
Die 3a–d zeigen ein Beispiel einer Schaltfunktion gemäß der Erfindung zum Ändern des Betriebsmodus der Antennenstruktur. Die 3a und b stellen eine Situation dar, in welcher das Peitschenelement zurückgezogen ist. In der 3a ist der Schalter SW von oben zu sehen und in der 3b von zwischen den planaren Elementen und der Erdungsebene. Der Schalter SW enthält eine Kontaktfeder 251 und einen Gegenkontakt 252. Die Kontaktfeder 251 ist durch ihr unteres Ende an einem Vorsprung 253 in dem ersten Element 220 angebracht. Der Gegenkontakt 252 ist ein Vorsprung in dem zweiten Element 230. Das obere Ende der Kontaktfeder übt eine Federkraft gegen den Gegenkontakt 252 aus, was einen festen galvanischen Kontakt zwischen den ersten und zweiten Elementen erzeugt. Das Peitschenelement 240 liegt neben dem Ende des Rechtecks, das durch die ersten und zweiten Elemente definiert ist, isoliert von den Elementen und dem Schalter. Die 3c und d stellen eine Situation dar, in welcher das Peitschenelement ausgezogen ist. Das Verbindungsteil 241 am unteren Ende des Peitschenelements liegt dann zwischen einem dielektrischen Halteblock 206 und der Kontaktfeder 251. Dieser Raum ist so schmal, dass das Verbindungsteil 241 gegen die Krümmung der Kontaktfeder drückt, wodurch das obere Ende der Kontaktfeder von dem Gegenkontakt 252 getrennt wird. Die Schleife der internen Planarantenne ist somit offen, aber andererseits ist das Peitschenelement mit dem ersten Element 220 verbunden.
Die 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Struktur 400 enthält eine gedruckte Schaltungsplatte 408, ein erstes Element 420, ein zweites Element 430, ein Peitschenelement 440 und einen Schalter SWI. Die ersten und zweiten Elemente sind leitfähige Streifen auf einer Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatte 408, so dass sie eine rechtwinklige Schleifenantenne bilden, wenn sie der Schalter SWI in galvanischen Kontakt miteinander versetzt. Bei dem dargestellten Beispiel liegt der Versorgungspunkt der Schleife in der Mitte der unteren langen Seite des Rechtecks, mit welchem Punkt die Versorgungsleitungskondensatoren 402 und 403 der Antennenstruktur verbunden sind. Von diesen ist der Kondensator 402 mit dem Ende des ersten Elements 420 verbunden und ist der andere Kondensator 403, der an einem anderen Punkt mit der Signalerdung verbunden ist, mit dem Ende des zweiten Elements 430 verbunden. Der Schalter SWI ist eine Komponente am Rand der gedruckten Schaltungsplatte 408, über einer der kürzeren Seiten der Schleifenantenne. Wenn das Peitschenelement 440 in der unteren Position gemäß der 4 ist, ist die Schleifenantenne auf der gedruckten Schaltungsplatte komplett. An der äußeren Seite der Schalterkomponente SWI gibt es einen Zapfen 455, der in die Schalterkomponente hineingedrückt werden kann. Wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, drückt das Verbindungsteil 441 an seinem unteren Ende gegen den Kontaktzapfen 455, wodurch das zweite Element von dem ersten Element getrennt ist und statt dessen das Peitschenelement in Reihe mit dem ersten Element geschaltet ist. Somit wird das Peitschenelement durch das erste Element versorgt, welches gemäß der Erfindung gleichzeitig als ein Abstimmelement für die Peitsche wirkt.
Die 5 zeigt ein Beispiel der Frequenzcharakteristika der Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt zwei Kurven 51 und 52. Die Kurve 51 repräsentiert die Reflexionsverluste RL der Antennenstruktur als eine Funktion der Frequenz, wenn das Peitschenelement zurückgezogen ist, und die Kurve 52 repräsentiert die Reflexionsverluste, wenn das Peitschenelement ausgezogen ist. Um so kleiner die Reflexionsverluste, d. h. um so niedriger die Kurve, ist, um so effektiver ist die Antenne hinsichtlich Abstrahlung und Empfang. Beide Kurven enthalten zwei "Absenkungen" unter –6 dB, was bedeutet, dass die in Rede stehende Struktur gestaltet ist, um in zwei Frequenzbändern zu arbeiten. Das untere Betriebsband ist in dem Bereich 800 bis 900 MHz und das obere Betriebsband aufwärts von 1,8 GHz. Beim Vergleichen der Kurven können wir sehen, dass das Ausziehen des Peitschenelements die Charakteristika der Antennenstruktur in beiden Betriebsbändern klar ver bessert. In einem großen Teil des unteren Betriebsbandes werden Reflexionsverluste um mehr als 10 dB verringert. In dem oberen Betriebsband nimmt sowohl die Bandweite signifikant zu, und verringern sich die Reflexionsverluste wesentlich. Die gezeigten Ergebnisse gelten für eine Struktur ähnlich der, die in der 2 dargestellt ist.
Die 6a und b zeigen eine Mobilstation (MS) mit einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Struktur enthält eine Antenne 620, 630, die innerhalb der Abdeckung der Mobilstation liegt. In der 6a ist das Peitschenelement 640 nach innerhalb der Abdeckung der Mobilstation geschoben, und in der 6b ist es aus der Abdeckung herausgezogen. In der letzteren Situation hat das Peitschenelement eine Kopplung gemäß den 2 bis 4 mit dem internen Antennenelement 620.
Oben wurden einige Antennenstrukturen gemäß der Erfindung beschrieben. Die Erfindung beschränkt die Formen der Antennenelemente und die Implementierung des Schalters in der Antenne nicht auf jene speziellen Strukturen. Weder beschränkt die Erfindung das Herstellungsverfahren der Antenne noch die in ihr verwendeten Materialien. Die erfinderische Idee kann auf verschiedene Weisen innerhalb des Umfangs angewandt werden, der durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.

Claims

Antennenstruktur, enthaltend eine Signalerdung, eine interne Antenne eines Funkgeräts und ein Peitschenelement, das bezüglich der internen Antenne beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antenne ein erstes Element (220; 420), das mit dem Versorgungskondensator (202; 402) der Antennenstruktur verbunden ist, und ein zweites Element (230; 430) enthält, das mit der Signalerdung verbunden ist, welche Antennenstruktur ferner einen Schalter (SW; SWI), enthält, der, wenn das Peitschenelement (240; 440) nach innerhalb des Funkgerätes zurückgezogen ist, die ersten und zweiten Elemente galvanisch verbindet, und, wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, die ersten und zweiten Elemente trennt und das erste Element mit dem Peitschenelement galvanisch verbindet, um das Peitschenelement zu versorgen und abzustimmen.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (220) und zweiten (230) Elemente planare Elemente im wesentlichen auf der selben Ebene sind, wodurch die interne Antenne eine planare Antenne ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antenne eine Schleifenantenne ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Kontaktfeder (251), die in einer fe sten Weise an dem ersten Element angebracht ist, und einen Gegenkontakt (252) in dem zweiten Element enthält.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgezogene Peitschenelement zusammen mit dem ersten Element angeordnet ist, um im wesentlichen bei wenigstens einer selben Frequenz wie die interne Antenne in Resonanz zu sein.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (220) und zweiten (230) Elemente steife leitende Elemente sind.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (420) und zweiten (430) Elemente leitende Bereiche auf einer Oberfläche einer dielektrischen Platte (408) sind.
Antennenfunkgerät (MS), mit einer Antennenstruktur, die eine Erdungsebene, eine interne Antenne des Funkgeräts und ein Peitschenelement enthält, das bezüglich der internen Antenne beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antenne ein erstes Element (620), das mit dem Versorgungskondensator der Antennenstruktur verbunden ist, und ein zweites Element (630) enthält, das mit der Signalerdung verbunden ist, welche Antennenstruktur ferner einen Schalter enthält, der, wenn das Peitschenelement (640) nach innerhalb des Funkgerätes zurückgezogen ist, die ersten und zweiten Elemente galvanisch verbindet, und, wenn das Peitschenelement ausgezogen ist, die ersten und zweiten Elemente trennt und das erste Element mit dem Peitschenelement galvanisch verbindet, um das Peitschenelement zu versorgen und abzustimmen.