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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstimmen dielektrischer Antennen,
die zum Betrieb insbesondere im Mikrowellenbereich gestaltet sind. Die
Erfindung betrifft auch eine Antennenstruktur und eine Vorrichtung,
worin das Verfahren angewandt wird.
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Da
transportable Geräte,
die Funkteile enthalten, immer populärer und in der Größe kleiner werden,
müssen
auch die Antennen in ihnen klein sein, wobei sie vorzugsweise innerhalb
der Abdeckungen der Geräte
liegen. Da höhere
Frequenzen als vorher verwendet werden, werden Antennen natürlicherweise
kleiner. Zum Beispiel nimmt die Verwendung von Frequenzen über dem
2,4 GHz-Band zu. Die Größe der Antennenstruktur
kann weiter durch Design verringert werden. Die Struktur kann z. B.
Planarelemente und ein dielektrisches Medium enthalten. Um so kleiner
eine solche Antenne ist, die von dem einfachen Monopol abweicht,
um so schwieriger ist es, ihre elektrischen Charakteristika innerhalb
der spezifizierten Grenzen zu erhalten. Somit ist der Nachteil einer
kleinen Antennengröße die Schwierigkeit
ihrer Herstellung.
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Die
letzte Phase der Herstellung einer Antenne ist das Abstimmen der
Antenne, d. h. dafür
zu sorgen, dass die Resonanzfrequenz oder -frequenzen der Antenne
exakt die Betriebsbänder
trifft/treffen. Die Erfindung ist auf Strukturen gerichtet, bei
welchen das Strahlungselement einer Antenne eine leitende Schicht
auf einer Oberfläche
einer dielektrischen Platte ist.
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Bei
solchen Antennen ist der Faktor, der am meisten zum Erfordernis
des Abstimmens beiträgt, die
Abweichung in der Dicke der dielektrischen Platte. Aus dem Stand
der Technik ist ein Abstimmverfahren bekannt, bei welchem ein Teil
des Strahlungselementes durch mechanisches Bearbeiten oder mittels eines
Laserstrahls entfernt wird. Da die Elementengröße somit verringert wird, nimmt
die Resonanzfrequenz des entsprechenden Teils der Antennenstruktur
zu. Natürlicherweise
muss das Element ursprünglich
groß genug
sein, um eine sichere Abstimmspanne zu haben. Die 1 stellt
das Verfahren und die Struktur des vorerwähnten Standes der Technik dar. Es
gibt einen plattenähnlichen
dielektrischen Block 110. An einer ersten Oberfläche davon,
die vorne gezeigt ist, gibt es ein Strahlungselement 120,
an einen Punkt F von welchem ein Antennenversorgungsleiter angeschlossen
ist. An der entgegengesetzten Oberfläche der dielektrischen Platte
gibt es eine Erdungsebene 130 oder eine leitende Schicht,
die mit dem Erdungspotential verbunden ist. Das strahlende Element
ist an einem Punkt S zu der Erdungsebene kurzgeschlossen, was bedeutet,
dass die Antenne eine planare invertierte F-Antenne oder kurz PIFA
ist. Bei dem Beispiel von 1 bildet
das Strahlungselement 120 ein dickes Π-förmiges Muster, von welchem an
einem Ende der vorerwähnte
Versorgungspunkt und Kurzschlusspunkt sind. Die Resonanzfrequenz der
Antenne ist durch die elektrische Länge des Musters bestimmt. wenn
die Antenne abgestimmt wird, wird ein Teil des Strahlungselementes
von dem Ende entgegengesetzt vom Versorgungspunkt F entfernt, wodurch
die elektrische Länge
des Elements verringert wird. Die Figur zeigt eine exemplarische
Bearbeitungsgrenze WB parallel zu der Endlinie des Elements. Zwischen
der Bearbeitungsgrenze und dem Ende des Elements gibt es einen leitenden
Streifen 121, der zu entfernen ist.
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Ein
Nachteil des Verfahrens ist, dass es relativ ungenau ist: Entfernen
selbst einer kleinen Menge von leitendem Material ändert die
Resonanzfrequenz der Antenne beachtlich. Zum Beispiel kann bei einer Antenne,
die ungefähr
bei 2,5 GHz arbeitet, das Entfernen eines leitenden Streifens von
1 mm Breite am Ende des Elements die Resonanzfrequenz um mehr als
100 MHz ändern.
Ein anderer Nachteil ist, dass das Bearbeiten der leitenden Schicht
kleine leitende Splitter in der Struktur zurücklassen kann, womit ein Kurzschluss
riskiert wird, da relativ starke elektrische Felder in der Antenne
auftreten. Wenn ein Laserstrahl beim Bearbeiten verwendet wird,
ist ein zusätzlicher
Nachteil, dass eine Schutzanordnung für die Arbeiter benötigt wird,
da, wenn Metall durch Laser entfernt wird, gleichzeitig Kunststoffmaterial
verdampft wird.
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Aus
dem Dokument
JP 9307340 ist
eine Planarantenne mit einer dielektrischen Platte zwischen den
Strahlungs- und Erdungsebenen bekannt. Die dielektrische Platte
hat eine relativ große
Ausnehmungsöffnung
an einer Seite der Antenne. Die Antenne wird abgestimmt durch Bearbeiten
des dielektrischen Materials in jener Ausnehmung.
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Von
dem Dokument WO 01/13464 ist eine Dipolantenne bekannt, bei der
die Strahler Leiterstreifen an entgegengesetzten Seiten einer länglichen
dielektrischen Platte sind. Die Strahler sind Spiegelbilder voneinander
bezüglich
des transversalen Querschnittes der dielektrischen Platte. Die Antenne
wird abgestimmt durch Formen der Strahler oder durch Hinzufügen separater
Abstimmstreifen. Dieses Dokument offenbart den Oberbegriff des unabhängigen Anspruches
1.
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Auch
das Dokument
US 4,072,951 offenbart eine
Dipolantenne, bei der die Radiatoren Leiterstreifen an entgegengesetzten
Streifen einer dielektrischen Platte sind und die Radiatoren Spiegelbilder voneinander
sind. Das Abstimmen der Antenne ist nicht angegeben.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, ein neues und vorteilhafteres Verfahren
zum Abstimmen einer dielektrischen Antenne zu schaffen. Ein Verfahren
gemäß der Erfindung
ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 2 ausgedrückt ist.
Einer Antennnenstruktur gemäß der Erfindung
ist durch das ge kennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 ausgedrückt ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen offenbart.
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Die
Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Eine Antenne wird abgestimmt
durch Entfernen von Material von einem dielektrischen Block, der zwischen
leitenden Elementen liegt. Das Entfernen von dielektrischem Material
verringert die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante in dem Raum zwischen
den leitenden Ebenen, was zu einer Zunahme bei der Resonanzfrequenz
der Antenne führt.
Die Antenne wird vorteilhafterweise so hergestellt, dass die leitenden
Elemente an den entgegengesetzten Seiten des dielektrischen Blockes
identisch geformt sind und symmetrisch bezüglich einander liegen, so dass
das Abstimmen der Antenne nicht die anderen elektrischen Charakteristika
der Antenne sondern nur die Resonanzfrequenz beeinflusst.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass das Verfahren gemäß der Erfindung
ein genaues Abstimmen einer Antenne ermöglicht, da ein Entfernen einer
geringen Menge von Material von dem dielektrischen Medium die Resonanzfrequenz
der Antenne nur relativ wenig ändert.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
strukturelle Defekte in dem dielektrischen Medium automatisch kompensiert
werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass das Bearbeiten
des dielektrischen Materials nie zusätzliche kleine leitende Ausbildungen
in der Antennenstruktur erzeugen wird. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung ist, dass Kunststoffe, die üblicherweise als dielektrisches
Material verwendet werden, leicht zu bearbeiten sind. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung ist, dass das mechanische Bearbeiten des Kunststoffs
keinen Schutz der Arbeiter erfordert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist, dass die Antenne leicht selbst in dem fertig gestellten Produkt
abzustimmen ist, da das Abstimmen nur einen Zugriff auf eine Seite
der Antenne erfordert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass
bei der ihr gemäßen Struktur das
Abstimmen der Antenne andere elektrische Charakteristika als die
Resonanzfrequenz nicht beeinflussen wird.
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Die
Erfindung ist im genaueren Detail nachfolgend beschrieben. In der
Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen,
in welchen
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1 ein
Beispiel einer Antennenstruktur des Standes der Technik und das
Abstimmen davon zeigt,
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2 ein
Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung und das Abstimmen
davon zeigt,
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3 ein
zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung und das Abstimmen davon
zeigt,
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4 in
der Form eines Flussdiagramms ein Abstimmverfahren gemäß der Erfindung
zeigt,
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5 ein
Beispiel des Effektes des Abstimmens gemäß der Erfindung auf das Amplitudenansprechen
zeigt,
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6 ein
Beispiel der Anordnung einer Antenne gemäß der Erfindung in einem Gerät zeigt,
und
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7 ein
Beispiel eines Gerätes
zeigt, das mit einer Antenne gemäß der Erfindung
ausgestattet ist.
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Die 1 wurde
bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik
erörtert.
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Die 2 zeigt
ein Beispiel einer abgestimmten Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die
Antennenstruktur 200 enthält einen plattenähnlichen
dielektrischen Block 210, ein planares Strahlungselement 220 an
einer ersten Oberfläche
davon, die hier vorne gezeigt ist, und ein planares zweites Antennenelement 230 an
einer zweiten, entgegengesetzten Oberfläche der dielektrischen Platte.
Bei diesem Beispiel hat das Strahlungselement zwei gerade Teile
unter einem 90-Grad Winkel. Der längere Teil ist als nahe dem
oberen Rand der dielektrischen Platte 210 und parallel
zur längsten
Seite der Platte, d. h. longitudinal, liegend gezeigt. Der kürzere Teil
verläuft in
der Vertikalrichtung nahe dem Bodenrand der dielektrischen Platte.
An dem Ende unter dem kürzeren Teil
gibt es relativ nahe beieinander einen Versorgungspunkt F der Antennenstruktur
und einen Punkt G1, der mit dem Erdungspotential verbunden ist.
Leiter in dem Erdungspotential können
die Signalerdung genannt werden. Das zweite Antennenelement 230 ist
identisch zu dem Strahlungselement geformt. Gemäß der Erfindung liegen diese
zwei Elemente symmetrisch, so dass ihre kürzeren Teile an den entgegengesetzten
Enden der dielektrischen Platte bezüglich der Längsrichtung liegen und die
längeren
Teile über
den größten Teil
einander zugewandt an dem oberen Teil der dielektrischen Platte
sind. Somit haben die Elemente eine vertikale Symmetrieachse SA in
der Mitte der Antennenstruktur. Das zweite Antennenelement ist mit
den Erdungspotentialen an Punkten G2 und G3 verbunden, deren Lagen
jenen von den Punkten F und G1 in dem Strahlungselement entsprechen.
Das zweite Antennenelement hat keine anderen galvanischen Verbindungen.
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Attribute "oben" und "Boden" sowie "vertikal" und "horizontal" beziehen sich in
dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die Position der Antenne,
wie sie in der 2 gezeigt ist, und sind in keiner
Weise mit der Betriebsposition des Gerätes verbunden.
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Die
Antenne wird abgestimmt durch Entfernen von Material von der dielektrischen
Platte 210. Bei dem Beispiel von 2 wird das
Entfernen in der Mitte der horizontalen oberen Seite der dielektrischen
Platte an der Symmetrieachse SA der leitenden Antennenelemente vorgenommen.
Das Entfernen von Material hat einen zylindrischen Hohlraum 211 zurück gelassen.
Das Abstimmen basiert auf der Tatsache, dass die grundsätzliche
Resonanzfrequenz der Struktur zunimmt, wenn die Dielektrizität in dem
Raum zwischen den Antennenelementen verringert wird. Die Dielektrizität von Luft
ist geringer als jene der verwendeten festen Materialien. Somit
ist wegen des Hohlraums 211 die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante
des Raums zwischen den Antennenelementen kleiner als vor dem Bearbeiten
der Platte.
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Die
dielektrische Platte kann mechanisch, z. B. mittels Bohren, bearbeitet
werden. Ein Laser kann auch verwendet werden. Die Form des Hohlraums, der
erzeugt wird, kann natürlicherweise
etwas anders sein als ein Zylinder, so lange die Antennenelemente symmetrisch
bezüglich
des Hohlraums liegen.
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Die 3 zeigt
ein zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung und das Abstimmen
davon. Die Antennenstruktur ist ähnlich
jener in der 2 mit der Ausnahme, dass bei
diesem Beispiel das Steuerungselement 320, wie es von dem Versorgungspunkt
der Antenne aus zu sehen ist, zwei Zweige hat: Es hat einen Zweig
B1, der wie das Element in der 2 geformt
ist, und einen zweiten kürzeren
Zweig B2, um ein zweites Betriebsband bereit zu stellen. Ein Erdungselement 330 an
der anderen Seite der dielektrischen Platte ist wieder identisch zu
dem Strahlungselement geformt. Die Antennenstruktur 300 wird
abgestimmt durch Entfernen von Material an zwei Stellen. Die Punkte
des Entfernens liegen symmetrisch bezüglich einander relativ zu der Symmetrieachse
SA der Antennenelemente. Bei diesem Beispiel liegen die Punkte des
Entfernens in den Ecken der oberen Seite und Endseiten der dielektrischen
Platte. Die Querschnitte der Hohlräume 311 und 312,
die durch Bearbeiten des Materials hergestellt werden, sind bei
diesem Beispiel dreieckig. Wenn die Antenne eine Dualbandantenne
ist, kann das Abstimmen gemäß der Erfindung
verwendet werden, um ein Band einzustellen, wobei das andere Band
durch irgend welche anderen Mittel eingestellt werden muss.
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Die 4 stellt
in der Form eines Flussdiagramms ein Abstimmverfahren gemäß der Erfindung dar.
Im Schritt 401 werden Vorbereitungen für das Abstimmen durchgeführt: Die
Antennenstruktur wird in dem Bearbeitungsgerät platziert, so dass dielektrisches
Material von der Symmetrieachse der Struktur oder von Punkten, die
symmetrisch bezüglich
einander relativ zu der Symmetrieachse liegen, entfernt werden kann.
Ferner wird im Schritt 401 Testequipment, wie ein Netzwerkanalysator,
elektrisch mit der Antenne verbunden. Im Schritt 402 wird
die grundsätzliche
Resonanzfrequenz der Antenne gemessen. Sie wird im Schritt 403 mit
der Nennresonanzfrequenz entsprechend dem spezifizierten Band verglichen.
Wenn die Resonanzfrequenz, die gemessen wurde, signifikant unter
der Nennresonanzfrequenz ist, wird das Bearbeitungsgerät verwendet,
um dielektrisches Material in der oben beschriebenen Weise zu entfernen
(Schritt 404). Die Menge an Material, das entfernt wird,
ist z. B. proportional zu dem Unterschied der Nennresonanzfrequenz
und der gemessenen Resonanzfrequenz. Es ist auch möglich, immer
eine kleine konstante Menge zu einer Zeit zu entfernen. Der Prozess
kehrt dann zum Schritt 402 zurück. Der Zyklus, der aus den
Schritten 402, 403 und 404 besteht, wird
wiederholt, bis die gemessene Resonanzfrequenz mit einer ausreichenden
Genauigkeit gleich der Nennresonanzfrequenz ist.
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Die 5 zeigt
ein Beispiel des Effektes des Abstimmens gemäß der Erfindung auf das Amplitudenansprechen
einer Antennenstruktur. Es sind zwei Kurven 51 und 52 gezeigt,
die den Reflexionskoeffizienten S11 der Antennenstruktur als eine
Funktion der Frequenz wiedergibt. Die Kurve 51 gilt für die Situation
vor dem Abstimmen, und die Kurve 52 gilt für die Situation
nach dem Abstimmen. Die betroffene Antenne soll in Kommunikationsvorrichtungen
verwendet werden, die das Frequenzband von 2400 bis 2484 MHz einsetzen.
Die Kurven und die zugehörigen
Resonanzfrequenzen zeigen, dass ein Band, das ursprünglich um
ungefähr
60 MHz verschoben ist, durch Abstimmen korrigiert wurde. Die Ergebnisse,
die in der 4 wiedergegeben sind, gelten
für eine
Struktur gemäß der 2,
wo die dielektrische Platte 210 aus gewöhnlichem bedruckten Schaltungsplattenmaterial
besteht.
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Die 6 zeigt
ein Beispiel der Anordnung einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung
in einem Gerät,
das sie verwendet. Das Gerät
enthält eine
gedruckte Schaltungsplatte 61. Eine Antenne 65 ist
an der gedruckten Schaltungsplatte 61 durch ihre Längsseite
angebracht, so dass eine Ebene parallel zu den Antennenelementen
senkrecht zu der gedruckten Schaltungsplatte ist. Das Anbringen
wird realisiert z. B. durch Anlöten
wenigstens des Versorgungspunktes und der Erdungspunkte der Antennenstruktur über Löcher oder
leitende Flecke in der gedruckten Schaltungsplatte.
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Die 7 zeigt
ein Gerät,
das eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung
enthält.
Das Gerät ist
bei diesem Beispiel ein tragbarer Computer 70, der z. B.
mit einer Schnittstelle für
ein kabelloses lokales Bereichsnetzwerk (WLAN) ausgestattet ist.
Die Antennenstruktur 75 liegt an einer gedruckten Schaltungsplatte
im Inneren des Computers 70. Antennen gemäß der Erfindung
können
in dem Gerät
auch doppelt angeordnet werden, wodurch Raumdiversität angewandt
wird.
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Oben
wurden Antennenstrukturen gemäß der Erfindung
und ein Abstimmverfahren dafür
beschrieben. Die Antennenstruktur kann sich von jenen unterscheiden,
die beschrieben sind. Ähnlich
kann sich das Abstimmverfahren in einigen Einzelheiten von jenem
unterscheiden, das beschrieben ist. Material kann entfernt werden
von anderen Orten als der Symmetrieachse. Außerdem beschränkt die
Erfindung weder das Herstellungsverfahren der Antenne noch die dabei
verwendeten Materialien. Das Material kann auch zum Beispiel eine
Keramik sein. Die erfinderische Idee kann auf verschiedene Weisen
innerhalb der Grenzen angewandt werden, die durch die unabhängigen Ansprüche 1 und
2 bestimmt sind.