DE69624300T2

DE69624300T2 - Antenne

Info

Publication number: DE69624300T2
Application number: DE69624300T
Authority: DE
Inventors: Alastair Curtis; Stephen Goodwin
Original assignee: Nokia Oyj; Nokia Inc
Current assignee: Nokia Oyj; Nokia Inc
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: GB2303968A; JP2004320814A; GB2303968B; EP0757405A1; JPH09107230A; GB9515958D0; JP3604515B2; EP0757405B1; US6130650A; DE69624300D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederprofilantenne, genauer gesagt, jedoch nicht ausschließlich, eine Umkehr-F-Antenne.
Niederprofilantennen wie L- oder Umkehr-F-Antennen sind in der Technik gut bekannt, z. B. aus JP 59 0972. Ein Beispiel einer Umkehr-F-Antenne ist in der Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Die Antenne 100 verfügt über einen Speiseabschnitt 102, der mit einer kurzgeschalteten induktiven Blindleitung 104 und einer kapazitiven Leitung 106 verbunden ist. Die induktive Blindleitung 104 ist zu einer Masseebene 108 kurzgeschlossen, über die der Speiseabschnitt 102 um einen Abstand D übersteht. Die Masseebene 108 ist offen, um Zugang zum Speiseabschnitt 102 zu erlauben, der elektrisch gegen die Masseebene 108 isoliert ist, 110. Die jeweiligen Längen L&sub1;, L&sub2;, der induktiven Blindleitung 104 bzw. der kapazitiven Leitung 106 sind so bestimmt, dass sich für die Antenne, gesehen vom Antennenspeisepunkt 112 aus, eine gewünschte Resonanzfrequenz und Eingangsimpedanz Zin ergeben. Die Eingangsimpedanz hängt von der Position des Speiseabschnitts 102 und damit den Längen L&sub1; und L&sub2; ab, und sie kann vollständig ohmsch gemacht werden. Typischerweise handelt es sich um eine Impedanz von 50 Ohm, um die Ausgangs- oder Eingangsimpedanz jeweils an kommerziell verfügbare Leistungsverstärker und rauscharme Verstärker anzupassen. Weitere Einzelheiten hinsichtlich L- oder Umkehr-F-Antennen finden sich in "Small Antennas", ISBN 0 86380 048 3, Seiten 116-151.
Umkehr-F-Antennen haben auf dem Gebiet von Funktelefonen besondere Anwendung gefunden, wo ihre hohe Verstärkung und ihre omnidirektionalen Strahlungsmuster besonders geeignet sind. Sie sind auch für Anwendungen geeignet, bei denen gute Frequenzselektivität erforderlich ist. Außerdem können, da diese Antennen bei den typischen Funktelefonfrequenzen relativ klein sind, in das Gehäuse eines Funktelefons eingebaut werden, wodurch sie die ästhetische Gesamtattraktivität des Funktelefons nicht beeinträchtigen und zu einem attraktiveren Aussehen als dem von Funktelefonen mit externer Antenne führen. Dadurch, dass die Antenne innerhalb des Gehäuses eines Funktelefons platziert wird, ist es auch weniger wahrscheinlich, dass sie beschädigt wird, weswegen sie eine längere Nutzungsdauer zeigt. Eine Umkehr-F-Antenne führt von sich aus zu planarer Herstellung, und sie kann geeignet auf der gedruckten Leiterplatte hergestellt werden, wie sie typischerweise in einem Funktelefon dazu verwendet wird, die elektronische Schaltung zu tragen, was von sich aus zu billiger Herstellung führt.
Jedoch wird trotz der geringen Größe einer Umkehr-F-Antenne wegen der Tatsache, dass Funktelefone immer kleiner und immer komplizierter werden, wodurch ein größerer Umfang an Elektronik innerhalb des Gehäuses erforderlich ist, der für die Umkehr-F-Antenne erforderliche Raum kleiner, und es wird schwieriger, derartige Antennen zweckdienlich innerhalb eines Gehäuses unterzubringen. Die Positionierung einer derartigen Antenne außerhalb des Gehäuses ist ungeschickt, da sie leitend durch das Gehäuse hindurch mit den Komponenten auf der gedruckten Leiterplatte verbunden werden muss und die Vorteile verlorengehen, wie sie normalerweise in Zusammenhang mit einer internen Antenne bestehen.
Gemäß der Erfindung ist eine auf einem Substrat angeordnete Planarantenne mit einer Masseebene, einem ersten dazu transversal angeordneten leitenden Element, das elektrisch gegen die Masseebene isoliert ist, und einem zweiten leitenden Element geschaffen, das elektrisch mit dem ersten leitenden Element verbunden ist und ein offenes Schaltungsende aufweist, wobei es zur Masseebene hin konkav ist.
Dies zeigt den Vorteil, dass die Antenne kleiner als herkömmliche L- oder Umkehr-F-Antennen ist und daher als interne Antenne für ein Gerät geeignet ist, das im Inneren über wenig verfügbaren Raum verfügt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Masseebene im Hinblick auf das zweite Element entsprechend gekrümmt. Dies zeigt den überraschenden und unerwarteten Vorteil, dass das Strahlungsmuster gegenüber demjenigen verbessert ist, das mit einer ebenen Masseebene erzielt wird, wobei es demjenigen einer herkömmlichen L- oder Umkehr-F-Antenne ähnlich ist. Außerdem ist die vom offenen Schaltungsende abgestrahlte Leistung in Bezug auf diejenige erhöht, die mit einer Antenne mit ebener Masseebene erzielt wird.
Eine gekrümmte Antenne ist in US 5 437 091 offenbart.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem zweiten Element und der Masseebene im Wesentlichen konstant, und geeigneterweise liegt der Abstand zwischen dem zweiten Element und der Masseebene in der Größenordnung eines Zehntels der Wellenlänge der Mittenfrequenz der Antenne.
Vorteilhafterweise verfügt das zweite leitende Element über einen Blindleitungsabschnitt, der elektrisch mit Masse gekoppelt ist und sich in der Gegenrichtung zum offenen Schaltungsende zu einer Seite des ersten Elements erstreckt. Dies führt zur Möglichkeit, jeweilige Reaktanzen der kurzgeschlossenen Blindleitung und des offenen Schaltungsendes auf solche Weise abzustimmen, dass die Antenne insgesamt eine ohmsche Eingangsimpedanz zeigt. Wenn dies mit dem Merkmal einer gekrümmten Masseebene kombiniert ist, besteht der Vorteil, dass die charakteristische Impedanz der Antenne unabhängig von der Länge des offenen Schaltkreises ist und es demgemäß einfacher ist, die Eingangsimpedanz an die Ausgangsimpedanz herkömmlicher elektronischer Geräte dadurch anzupassen, dass der Antennenspeisepunkt an einer geeigneten Stelle zur kurzgeschlossenen Blindleitung und zum offenen Schaltungsende positioniert wird.
Typischerweise verfügt die Masseverbindung für den Blindleitungsabschnitt über ein die Masseebene kontaktierendes leitendes Element, und das erste Element, das leitende Element und das offene Schaltungselement liegen im Wesentlichen in einer Linie.
Durch Anordnen des ersten Elements und des leitenden Elements in solcher Weise, dass sie nicht parallel verlaufen, besteht die Tendenz, dass sich die jeweiligen Ströme, die im ersten Element und im leitenden Element in entgegengesetzten Richtungen fließen, im Strahlungsfernfeld nicht aufheben. Demgemäß ist in der Richtung ihrer Kurzschlussschaltung der Antenne ein größeres Strahlungsfeld möglich als es mit einer herkömmlichen Umkehr-F- Antenne erzielbar ist.
Die Antenne kann auf einem geeigneten Substrat wie einer gedruckten Leiterplatte hergestellt werden, und die Masseebene kann aus einem Teil der Hochfrequenzabschirmung für eine Schaltung in Zusammenhang mit einem mit der Antenne versehenen Gerät ausgebildet werden.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Umkehr-F-Antenne;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer gekrümmten Umkehr-F-Antenne gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer gekrümmten Umkehr-F-Antenne mit gekrümmter Masseebene gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung, das eine auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnete gekrümmte Umkehr-F- Antenne zeigt, die mit einem Masseleiter der gedruckten Leiterplatte verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Antenne, die als gekrümmte Umkehr-F-Antenne bezeichnet wird, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wenn auf die Fig. 2 Bezug genommen wird, werden gleiche Merkmale wie in der Fig. 1 mit denselben Bezugszahlen wie in der Fig. 1 bezeichnet. Die induktive Blindleitung 104 und die kapazitive Leitung 106 in der Fig. 1 sind nun eine gekrümmte induktive Blindleitung 204 und eine gekrümmte kapazitive Leitung 206. Der von der gekrümmten Umkehr-F-Antenne entlang ihrer Längsachse eingenommene Raum ist wesentlich kleiner als derjenige, der von einer herkömmlichen Umkehr-F-Antenne eingenommen wird. So kann die gekrümmte Umkehr-F-Antenne in kleinere Räume passen. Wie es aus der Fig. 2 erkennbar ist, variiert der Abstand zwischen der gekrümmten induktiven Blindleitung 204 und der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 und der Masseebene, wobei z. B. Abstände D&sub1;, D&sub2; und D&sub3; vorliegen. Da die gekrümmte induktive Blindleitung 204 im Vergleich zur gekrümmten kapazitiven Leitung 206 relativ kurz ist, können die Effekte der Krümmung auf die induktive Blindleitung 204 vernachlässigt werden. Jedoch entspricht es dem Verständnis der Anmelderin, dass derartige Effekte hinsichtlich der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 nicht vernachlässigt werden können. Der Effekt der Krümmung besteht darin, eine effektive charakteristische Impedanz Z&sub0; zu verleihen, die von der Länge L'&sub2; der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 abhängt. Hinsichtlich Übertragungsleitungsgleichungen hat dies den Effekt, dass eine Eingangsimpedanz der Form
Zin = -jZ&sub0;(L2')/tanßL2'
geschaffen ist, wobei Zin die am Speisepunkt der Antenne gesehene Eingangsimpedanz ist, Z&sub0; (L'&sub2;) die längenabhängige effektive charakteristische Impedanz der kapazitiven Leitung ist, L'&sub2; die Länge der kapazitiven Leitung ist und β die Phase eines sich die gekrümmte kapazitive Leitung 206 herab ausbreitenden Signals ist. Die Abhängigkeit der Eingangsimpedanz von zwei Parametern, die Funktionen der Länge L'&sub2; der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 sind, macht die Berechnungen zum Anpassen der Antenne an eine gewünschte Speisepunktimpedanz schwierig, und ferner kann der Effekt einer Verringerung der Bandbreite der Antenne auftreten. Außerdem liegt das offene Ende 214 der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 näher an der Masseebene 108 als der Rest der Antenne, und es besteht der Effekt des Verschließens einer Abstrahlungsöffnung der Antenne im Vergleich mit einer herkömmlichen Umkehr-F-Antenne. Dies hat einen schädlichen Effekt auf die Strahlungsmuster der Antenne.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt, in der gleiche Merkmale wie in den Fig. 1 und 2 unter Verwendung derselben Bezugszahlen angegeben sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Masseebene 308 für die gekrümmte Umkehr-F-Antenne entsprechend gekrümmt, so dass der Abstand D zwischen der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 und der Masseebene 308 im Wesentlichen konstant bleibt. Dies hat den Effekt des Beseitigens der doppelten Abhängigkeit der Eingangsimpedanz von der Länge L'&sub2; der gekrümmten kapazitiven Leitung 206, wobei ferner das offene Ende 314 der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 unter dem größten Abstand D von der Masseebene 308 gehalten wird. Dadurch ergibt sich gute Abstrahlung vom offenen Ende 314, so dass diese im Wesentlichen derjenigen ähnlich ist, die von einer herkömmlichen Umkehr-F-Antenne erzielbar ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der. Erfindung ist die gekrümmte Umkehr- F-Antenne 416 auf einer gedruckten Leiterplatte 418 aufgebaut, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist. Die Antenne ist so konzipiert, dass sie in einem Frequenzband von 1880 bis 1900 MHz bei einer Mittenfrequenz von 1890 MHz arbeitet, wobei sie eine Bandbreite benötigt, die mindestens 1% der Mittenfrequenz (1890 MHz) ist. Die Designparameter der Antenne 416 entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind dergestalt, dass die Breite 316 der gekrümmten induktiven Blindleitung 204 und der gekrümmten kapazitiven Leitung 206 2 mm beträgt. Die Dicke der Einspeisebahn 102 beträgt 1 mm, und der Abstand D zwischen dem Innenrand 322 der Antenne und der Masseebene 308 beträgt ungefähr ein Zehntel der Wellenlänge der Mittenfrequenz, d. h. 8 mm. Der Krümmungsradius 320 des Außenrands der Antenne beträgt 24,7 mm, und der Krümmungsradius des Innenrands 322 der Antenne beträgt 22,7 mm. Der Krümmungsradius der Masseebene beträgt 13 mm. Die gekrümmte Umkehr-F-Antenne 416 wird unter Verwendung herkömmlicher Kupfermetallisierung auf einer gedruckten Leiterplatte aus irgendeinem geeigneten Material aufgebaut.
Bei der bevorzugten Ausführungsform, und wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, verläuft die Einspeisebahn 402 nicht parallel zur Kurzschlussschaltung 420 für die gekrümmte induktive Blindleitung 204, sondern statt dessen folgen sie jeweils ihren Radien. Dies hat den Effekt, dass die in der Einspeisebahn 402 und der Kurzschlussschaltung 420 fließenden Ströme nicht parallel sind. So besteht, obwohl die Ströme in entgegengesetzten Richtungen fließen, abweichend von der herkömmlichen Umkehr-F-Antenne und der in den Fig. 2 und 3 dargestellten gekrümmten Umkehr-F-Antenne die Tendenz, dass sich diese Strombeiträge im Fernfeldbereich der Strahlungsmuster nicht aufheben. Demgemäß weist eine gekrümmte Umkehr-F-Antenne gemäß der in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform in der Richtung ihrer Kurzschlussschaltung eine größere Strahlungsleistung auf, als sie von einer herkömmlichen Umkehr-F-Antenne erzielbar ist. Bei praktischen Anwendungen der Erfindung ist es erforderlich, an der gedruckten Leiterplatte 418 Testkontakt 422 anzubringen, damit die Funktion der Antenne während der Herstellung getestet werden kann. Ein derartiger Testkontakt ist selbstverständlich leitend, und er kann so wirken, dass er die Funktion der Antenne stört, wenn er zu groß ist. Jedoch hat die Anmelderin herausgefunden, dass kleine Störungen, wie die in der Fig. 4 mit der Bezugszahl 422 dargestellte, die Funktion der Antenne nicht ungebührlich beeinflussen und toleriert werden können. Wie es aus der Fig. 4 erkennbar ist, ist die gekrümmte induktive Blindleitung 204 gegen einen Masseleiter 424 geerdet. Dieser Masseleiter 424 kann Teil des Masseleiters für die HF-Abschirmung des Funktelefons sein, und es handelt sich demgemäß um eine zweckdienliche Masseverbindung für die gekrümmte induktive Blindleitung 204 wahlweise kann eine Hochfrequenzabschirmung oder eine Abdeckung die Masseebene und die Masseverbindung für die gekrümmte induktive Blindleitung 204 bilden. Dies kann dann besonders nützlich sein, sollte die gekrümmte Umkehr-F-Antenne auf der Innenseite des Gehäuses des Funktelefons hergestellt werden, so dass das leitende Gehäuse der HF-Abschirmung ihre Masseebene bildet.
Das Ausmaß der Krümmung der Antenne, und entsprechend der Masseebene, ist teilweise durch die Strahlungsmuster bestimmt, die die Antenne erzeugen soll. Die Anmelderin ist sich keiner Beschränkungen hinsichtlich der Krümmung aufgrund von Impedanzanpassungskriterien bewusst.

Claims

1. Planarantenne (400), die auf einem Substrat (418) angeordnet ist und Folgendes aufweist:

- eine Masseebene;

- ein erstes leitendes Element (402), das transversal zur Masseebene angeordnet ist und elektrisch gegen diese isoliert ist; und

- ein zweites elektrisches Element (416), das elektrisch mit dem ersten leitenden Element gekoppelt ist und ein offenes Schaltungsende aufweist, wobei das zweite Element zur Masseebene hin konkav ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Masseebene entsprechend wie das zweite Element gekrümmt ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Abstand zwischen dem zweiten Element und der Masseebene im Wesentlichen konstant ist.

4. Antenne nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der der Abstand zwischen dem zweiten Element und der Masseebene in der Größenordnung eines Zehntels der Wellenlänge der Mittenfrequenz der Antenne liegt.

5. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das zweite leitende Element einen elektrisch mit Masse verbundenen Blindleitungsabschnitt (204) aufweist, der sich in der Gegenrichtung zum offenen Schaltungsende zu einer Seite des ersten Elements (402) hin erstreckt.

6. Antenne nach Anspruch 5, bei der der Blindleitungsabschnitt über ein die Masseebene kontaktierendes leitendes Element (420) elektrisch mit Masse gekoppelt ist.

7. Antenne nach Anspruch 6, bei der das erste Element (402) und das leitende Element (420) nicht parallel sind.

8. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, die auf einer gedruckten Leiterplatte hergestellt ist.

9. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Masseebene einen Teil einer Hochfrequenzabschirmung für eine Schaltung bildet, der die Antenne zugeordnet ist.