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WO2000052784A1 - Integrierbare multiband-antenne - Google Patents

Integrierbare multiband-antenne Download PDF

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WO2000052784A1
WO2000052784A1 PCT/DE2000/000599 DE0000599W WO0052784A1 WO 2000052784 A1 WO2000052784 A1 WO 2000052784A1 DE 0000599 W DE0000599 W DE 0000599W WO 0052784 A1 WO0052784 A1 WO 0052784A1
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integrable
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bays
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PCT/DE2000/000599
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Inventor
Stefan Huber
Martin Weinberger
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the radiator structure (meander) behind the height of the ground point P2 also changes its behavior for this frequency (microstrip line characteristic) and no longer couples over between the meander elements.
  • This frequency also sees the last branch of the meander as part of a patch antenna. There is no overcoupling between C8 and C2.
  • the structure (electrical length) represents a ⁇ / 4 radiator.
  • Fig. 1 shows the basic structure of such an integrable antenna. All the dimensions shown can vary in their values to adapt to the requirements or device properties. It is also not essential that Bl is constant over the entire length of the structure. The width of the meander can therefore vary within its structure.
  • the length C1 or C3 need not be the same as the length C2 or C4. The same applies to C5 or C ⁇ and C7 or C8.
  • the previous concepts (F, mverted F, patch, microstrip and double-sided PCB antennas) all have the disadvantage that they either take up too much space (no compact integrated multiband antenna is known to date), or they can be tuned a multiband function is not easily possible.
  • the antenna 4 shows a basic arrangement of the antenna according to the invention on the main assembly of a mobile radio device.
  • the position of the antenna on or in the device is irrelevant, so it can be adapted to the device properties and type of application.
  • the distance between the radiator element and the ground plane is important.
  • the antenna has preference, two contact elements: a contact-RF contact and a ground ⁇ .
  • several ground contacts are also possible in order to set a desired antenna behavior.
  • the HF contact is ideally located at the beginning of the meander, but it can also be positioned at another location.
  • a ground contact is optimally contacted somewhere on the Lange A3, but can also be positioned at one or, in the case of several ground contacts, at several other arbitrary locations.
  • the parts of the radiator structure which are responsible for the radiation in a specific frequency range can be optimized with respect to the distance from the antenna ground.
  • the antenna can be designed as part of the housing.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierbare Multiband-Antenne. Um eine gute Integrierbarkeit zu gewährleisten, weist die Antenne im wesentlichen die Form eines Mäanders mit zwei oder mehr Buchten auf, wobei die Länge des Mäanders ungefähr im Größenbereich der empfangenen und gesendeten Frequenzen liegt.

Description

Beschreibung
Integrierbare Multiband-Antenne
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierbare Multiband-Antenne.
In Hinsicht auf die Entwicklung in der Mobilfunktechnologie (Auslastung der Netze, Roammg m In- und Ausland) bzw. bei funkbetriebenen Kom unikationsendgeraten werden Antennen benotigt, die in der Lage sind, mehrere Frequenzbander gleichzeitig abzudecken. Außerdem verlangt der Markt nach immer kleineren und billigeren Geraten. Deswegen sind Antennen gefordert, die einen geringen Platzbedarf haben, problemlos für eine Funktion m mehreren Frequenzbandern oder einem oder mehreren breitband gen Frequenzbereichen auslegbar, billig und reproduzierbar herstellbar sind. Ein neuer Trend geht dahin, daß die Antenne innerhalb des Gerategehauses und nicht wie bisher als Stummel- oder ausziehbare Antenne auf dem Ge- rat sitzen sollte.
Diese Forderungen werden durch eine Multiband-Antenne gelost, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Antenne im Wesentlichen die Form eines Mäanders mit mindestens drei Buchten aufweist, wobei die Lange des Mäanders ungefähr gleich der halben Wellenlange einer ersten höheren Frequenz ist, daß an einem Ende des Mäanders ein Speisepunkt und im Bereich der Mitte des Mäanders ein Massepunkt vorgesehen ist, und daß die Abmessungen der Buchten des Mäanders auf der Speiseseite der- art gewählt sind, daß eine Welle einer zweiten niedrigeren Frequenz über die ersten beiden Buchten uberkoppelt, so daß sich eine Welle von einem Viertel der Wellenlange der niedrigeren Frequenz von dem Speisepunkt quer zu dieser diagonal gegen berliegenden Ecke des Mäanders und von dort zum anderen Ende des Mäanders ausbildet. Für die höhere Frequenz stellt die Antennenstruktur (elektrische Lange) einen λ/2 Strahler dar. Der Massekontakt (Masse¬ punkt) ist optimalerweise längs der Strecke A3 (Abb. 1) anzubringen. Also in etwa genau nach der elektrischen Lange λ/4 für diese höhere Frequenz. An diesem Punkt beeinflußt der
Massekontakt die Wirkungsweise der Antenne für diese Frequenz nur unwesentlich. Diese Resonanz ist mit und ohne Massekontakt nahezu unverändert vorhanden. Ein geringer Abstand zur Masse beeinflußt das Verhalten der Antenne für diese Frequenz negativ.
Für die niedrigere Frequenz ist der Massekontakt notwendig. Die Struktur bildet f r diese Frequenz nahezu eine Patchantenne. Sie braucht also die Nahe zur Masse, die für d e hohe- re Frequenz eher schädlich ist (hieraus ergibt sich ein optimaler Abstand für die Antenne, der sich aus einem Kompromiß für beide Frequenzen ergibt) . Entsprechend Figur 1 müssen Breite der Leitung (Bl), die Koppelabstande (A4 und A2 ) und der Abstand der Leitung über der Masse m einem gewissen Ver- haltnis zueinander stehen, damit es der Welle möglich ist von der Strecke Cl auf C7 bzw. C8 uberzukoppeln. Je breiter die Leitung ist und e großer der Abstand zur Masse, desto großer können die Abstände A2 und A4 sein. Vom Speisepunkt gesehen ändert die Strahlerstruktur (Mäander) hinter der Hohe des Massepunktes P2 auch für diese Frequenz ihr Verhalten (Mi- krostreifenleitercharakteristik) und koppelt nicht mehr zwischen den Maanderelementen über. Den letzten Ast des Mäanders sieht diese Frequenz also auch als Teil einer Patchantenne. Es findet keine Uberkopplung zwischen C8 und C2 statt. Für die niedrigere Frequenz stellt die Struktur (elektrische Lange) einen λ/4 Strahler dar.
Die integrierbare Multiband-Antenne erfüllt alle oben genannten Anforderungen.
Weitere wesentliche Weiterbildungen der erfmdungsgemaßen Antenne ergeben sich aus den Unteranspruchen sowie der nachfol- genden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen der erfindungs- gemaßen Antenne
Nachfolgend soll die Erfindung anhand mehrerer Ausfuhrungs- beispiele naher beschrieben werden.
Die Figuren 1 bis 17 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen einer erfmdungsmaßigen integrierbaren Multiband-Maander- Antenne .
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer derartigen integrierbaren Antenne. Samtliche eingezeichneten Maße können zur Anpassung an die gestellten Anforderungen bzw. Gerateeigenschaften m ihren Werten variieren. Es ist auch nicht z in- gend notwendig, daß Bl über die gesamte Lange der Struktur konstant ist. Die Breite des Mäanders kann also innerhalb seiner Struktur variieren. Die Lange Cl bzw. C3 muß auch nicht gleich der Lange C2 bzw. C4 sein. Dasselbe gilt für C5 bzw. Cβ und C7 bzw. C8. Die bisherigen Konzepte (F-, mverted F-, Patch-, Mikrostreifen- und beidseitige PCB-Antennen) haben alle den Nachteil, daß sie entweder einen zu hohen Platzbedarf haben (bisher ist keine kompakte integrierte Multiband Antenne bekannt) , oder die Abstimmbarkeit bei einer Multiband-Funktion nicht ohne weiteres möglich ist.
Fig. 2 zeigt Möglichkeiten zur Abstimmung der Antenne auf. Die beiden grundsätzlichen Resonanzen werden durch die Abmessungen des Mäanders bestimmt. Durch geeignete Ausformung der Strahlerstuktur sind auch mehr als zwei Frequenzbereiche mog- lieh. Eine Abstimmung der Frequenzbereiche ist jetzt durch die Wahl der Langen AI-A6 erreichbar. Diese Möglichkeiten richten sich aber stark nach dem zur Verf gung stehenden Platz für die Antenne. Durch Einfügen der Brücke bzw. des Steges (D) mit dem Abstand Hl und durch Veränderung des Ortes für den Kontaktpunkt P2 lassen sich eine untere bzw. obere Frequenz teilweise unabhängig voneinander verschieben. Eine ähnliche Verschiebung der Resonanzfrequenzen ergibt sich mit einer Veränderung der Breite H2 m Abb. 3.
Fig. 4 zeigt eine prinzipielle Anordnung der erflndungsgema- ßen Antenne auf der Hauptbaugruppe eines Mobilfunkgerates . Die Position der Antenne auf bzw. m dem Gerat ist unerheblich, kann also an die Gerateeigenschaften und die Einsatzart angepaßt werden. Von Bedeutung ist allerdings der Abstand des Strahlerelementes zur Masseflache. Die Antenne hat vorzugs- weise zwei Kontaktelemente: einen HF-Kontakt und einen Masse¬ kontakt. Es sind aber auch mehrere Massekontakte möglich, um ein gewünschtes Antennenverhalten einzustellen. Der HF- Kontakt st optimalerweise am Anfang des Mäanders angebracht, er kann aber auch an einer anderen Stelle positioniert wer- den. Ein Masse-Kontakt ist optimalerweise irgendwo auf der Lange A3 kontaktiert, kann aber ebenfalls an einer, oder im Falle von mehreren Massekontakten, auch an mehreren anderen beliebigen Stellen positioniert werden.
Weitere Variationsmoglichkeiten sind m den weiteren Abbildungen erkennbar.
Die Maanderstruktur kann z.B. aus beliebig geschwungenen Elementen zusammengesetzt werden. Ein Ausfuhrungsbeispiel dafür zeigt Fig. 5.
In Fig. 6 sind für die Abstimmung der verschiedenen Resonanzfrequenzen und Bandbreiten mehrere Stege und Brücken, auch unterschiedlicher Breite, in verschiedenen Abstanden Hi em- gefugt. Diese Brücken können auch beliebig schräg bzw. gekrümmt verlaufen.
In Fig. 7 sind der Speisepunkt und der Massekontakt derart ausgeführt, daß die Kontaktierung auf der ganzen Breite einer Kante oder Flache stattfindet (auch Zwischenlosungen möglich) . Die Position für die Speisung und die Masseverbindung können auch an anderen Seiten oder Kanten der Strahlerstruk- tur liegen. Die Antenne kann eine ihr zugeordnete eigene Mas¬ seplatte besitzen, oder aber die metallischen Teile und Flachen des funkbetriebenen Kommumkationsendgerates als Masse- platte benutzen. Die zusatzliche Masseflache kann dabei be- liebig ausgeformt sein und muß nicht zwingend an die Form des Strahlerelements angepaßt sein.
Fig. 8 zeigt gestufte und gestauchte Varianten der erfin- dungsgemaßen Mäander-Antenne. Das heißt, die Hohe der Antenne über dem Gerate-PCB kann innerhalb ihrer Lange/Breite variieren. Es wird davon ausgegangen, daß sich normalerweise die Kontur des Strahlerelements der Antenne dem Gehauseverlauf anpaßt, um das Volumen möglichst gut auszunutzen. Um die Ab- strahleigenschaften zu verbessern und die Bandbreite zu erho- hen, kann es ebenfalls vorteilhaft sein, daß die Ebene der Antenne nicht parallel zur metallischen Oberflache verlauft, sondern einen variablen Abstand zur metallischen EMV- Schirmung des funkbetriebenen Kommumkationsendgerates aufweist.
Fig. 9 soll zeigen, daß die Stege bzw. Brücken nahezu jede beliebige Position und Form einnehmen können. Sie können auch unter Zuhilfenahme von diskreten eingebrachten Bauelementen oder von Bonddrahten realisiert werden.
In Fig. 10 sind die Stege als Leitungs-Induktivitaten ausgebildet.
Fig. 11 zeigt, daß die Struktur auch Locher enthalten kann, die beispielsweise zur Befestigung verwendet werden können.
Fig. 12 zeigt die Verwendung von möglichen gestuften und ge- tapperten Enden zur Erhöhung der Bandbreiten.
Fig. 13 zeigt, daß für die Abstimmung der verschiedenen Resonanzfrequenzen und Bandbreiten auch mehrere Stege und Brücken zwischen verschiedenen Abschnitten des Mäanders eingefugt werden können.
Fig.14 zeigt die Möglichkeit, daß die Endzweige (in der Abb. nur ein Zweig) derart ausgeformt sein können, daß sie auch eine andere Richtung aufweisen, als diejenige, die der Form eines Mäanders entsprechen wurde.
Fig. 15 zeigt, daß die Mäander-Antenne je nach gewünschtem Frequenzverhalten eine höhere oder eine geringere Anzahl von Windungen aufweisen kann.
Fig. 16 soll zeigen, daß der Mäander an jeder beliebigen Stelle seiner Struktur aufhören kann. Es ist nicht zwmgen- dermaßen notwendig, eine ganzzahlige Anzahl von Windungen (Schwmgungszugen) einzuhalten.
Fig. 17 zeigt ein vermaßtes Funktionsmuster, das m dieser Form ein schon gefertigtes Demonstrationsmuster (integrierte Losung) darstellt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten die integrierbare Multiband- Maander-Antenne auszubilden. Die Antenne kann mittels beliebiger Herstellungsverfahren gefertigt werden.
Es seien hier beispielhaft nur drei Möglichkeiten erwähnt: Man kann die Antennenstruktur auf einem PCB (Pnnted Circuit Board) strukturieren, man kann die Antenne aus einem Blech (gleich mit den Kontaktelementen) mittels einer Stanz-Biege- Technik fertigen und man kann die Antenne m MID-Technik (Moulded Interconnected Device) ausfuhren.
Das Material auf dem die Struktur im Falle eines PCB und der MID-Technik aufgebracht wird, ist frei wahlbar, es sollte aber vorzugsweise hochfrequenztauglich sein. Es kann im besonderen Fall auch biegsames flexibles Material sein (zur Anpassung an Gehausegerate-Konturen) . Die Hohe der Strahler- Struktur über der Antennenmasse kann dabei flexibel einge¬ stellt werden. Sie kann also in Treppenform oder in einer ge¬ bogenen Form, die sich beispielsweise dem Gehäuse anpaßt, ausgeführt werden.
Alle diese genannten Formen bieten den Vorteil, daß man die Teile der Strahlerstruktur, die für die Abstrahlung m einem bestimmten Frequenzbereich zustandig sind, bezuglich des Ab- stands zur Antennenmasse optimieren kann. Außerdem kann man bei Einsatz der MID-Technik die Antenne gleich als ein Teil des Gehäuses ausfuhren.
Generell kann festgestellt werden: Die Antenne ist leicht und billig herstellbar, erfordert einen geringen Platzbedarf und ist problemlos für eine Funktion m einem oder mehreren Frequenzbandern (oder in einem breitbandigen Frequenzbereich) auslegbar.
Aus mechanischen Gründen bzw. zur Verbesserung der Abstrahl- eigenschaften oder optimalen Ausnutzung eines verfugbaren Volumens ist es ebenfalls möglich, geeignete dielektrische oder magnetische Materialien m die Antennenstruktur einzubringen. Diese können die Antennenstruktur teilweise, aber auch voll- standig ausfüllen. Es sind auch Kombinationen von verschiede- nen dielektrischen und/oder magnetischen Stoffen bzw. Luft möglich. Der Vorteil der Antenne liegt darin, daß ein Teil der Strahlerlange, die f r die niedrigste Frequenz bestimmend ist, auch für die Abstrahlung bei höheren Frequenzen benutzt werden kann. Dadurch kann der Flachenbedarf bzw. der Volumen- bedarf kleingehalten werden. Da man am einzigen Fußpunkt der Antenne eine Impedanz von 50 Ohm für alle Frequenzbereiche einstellen kann, ist keine weitere äußere Beschaltung mehr notig.
Die vorgestellte Antennenform ist nicht gezwungenermaßen an den Einbau in ein Kommunikationsendgerat gebunden; sie kann auch m einer entsprechenden Ausbildung mit einem Kommunika- tionssendegerät verbunden sein (z.B. außen aufgesetzt oder ausklappbar) oder auf einer gewöhnlichen Leiterplatte (z.B. in GSM-Tischtelefonen, in Funk- oder Telekommunikationsmodulen) montiert werden oder als eigenständige externe Antenne betrieben werden, wobei in allen Fällen auf eine geeignete Antennenmasse geachtet werden muß.

Claims

Patentansprüche
1. Integrierbare Multiband-Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne im wesentlichen die Form eines Mäanders mit drei Buchten aufweist, wobei die Lange des Mäanders ungefähr gleich der halben Wellenlange einer ersten höheren Frequenz ist, daß an einem Ende des Mäanders ein Speisepunkt und im Bereich der Mitte des Mäanders ein Massepunkt vorgesehen ist, und daß die Abmessungen der Buchten des Mäanders auf der Speiseseite derart gewählt sind, daß eine Welle einer zweiten niedrigeren Frequenz über die ersten beiden Buchten uberkop- pelt, so daß die Antenne im wesentlichen die Form eines Maan- ders mit mindestens drei Buchten aufweist, wobei die Lange des Mäanders ungefähr gleich der halben Wellenlange einer ersten höheren Frequenz ist, daß an einem Ende des Mäanders ein Speisepunkt und im Bereich der Mitte des Mäanders ein Massepunkt vorgesehen ist, und daß die Abmessungen der Buchten des Mäanders auf der
Speiseseite derart gewählt sind, daß eine Welle einer zweiten niedrigeren Frequenz über die ersten beiden Buchten uberkop- pelt, so daß sich eine Welle von einem Viertel der Wellenlange der niedrigeren Frequenz von dem Speisepunkt quer zu die- ser diagonal gegenüberliegenden Ecke des Mäanders und von dort zum anderen Ende des Mäanders ausbildet.
2. Integrierbare Multiband-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maanderstruktur aus beliebig geschwungenen Elementen zusammengesetzt ist.
3. Integrierbare Multiband-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Maanderstruktur über die Lange variiert.
4. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der Ansprüche 1
dadurch gekennzeichnet, daß der Speisepunkt und/oder der Massepunkt als leitende Kan- ten ausgebildet sind.
5. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der Ansprüche 1
dadurch gekennzeichnet, daß der Speisepunkt und/oder der Massepunkt als leitende Kanten ausgebildet sind.
6. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur gestaucht und/oder gestuft ausgebil¬
7. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Buchten des Mäanders Stege bzw. Brücken angeordnet sind.
8. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maanderstruktur mindestens zwei Buchten aufweist.
9. Integrierbare Multiband-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endzweig der Maanderstruktur eine andere Richtung aufweist als diejenige, welche der Maanderstruktur entspre- chen wurde.
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