DE10038831A1 - Dualband- und Multiband-Antenne - Google Patents

Abstract

Es wird eine HF-Antenne offenbart, welche bei zwei oder mehr voneinander unabhängigen Frequenzen arbeiten kann. Die Antenne weist ein Schlitzelement 20 und ein Flächenelement 30 mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum 63 auf, und das Flächenelement 63 dient zur Abstimmung der Resonanzfrequenz der Antenne 10.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Antennenanordnungen, und insbesondere Dualband- und Multiband-Antennenanordnungen, die zur Montage auf Glas oder ähnlichen dielektrischen Oberflä­ chen angepaßt sind.

Die Erfindung wurde hauptsächlich für die Nutzung in PDS-, CDMA-, TDMA-, AMPS- und GSM-Telekommunikationssystemen entwi­ ckelt und wird nachstehend unter Bezugnahme auf diese Anwen­ dung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses spezielle Anwendungsfeld beschränkt und ist auch auf fahr­ zeuginterne und andere portable und stationäre Anwendungen, andere Telekommunikationssysteme sowie auf GPS-Navigations­ systeme anwendbar.

Stand der Technik

An Fahrzeugen montierte Antennenanordnungen verschiedener Ar­ ten werden seit vielen Jahren zum Empfang von Signalen des UHF-Bandes und anderer Bänder genutzt. Eine bekannte Anord­ nung nutzt externe Peitschenantennen, welche kapazitiv oder induktiv mit einer Kopplungseinheit auf der Innenseite des Glases verbunden sind, welche wiederum mit einem Mobil­ telefon oder einer anderen Sende und/oder Empfangsvorrichtung verbunden ist.

Eine weitere bekannte Anordnung umfaßt eine im allgemeinen planare Antenne, die an der Innenseite des Fenster angebracht ist. Die ältesten bekannten Anordnungen waren für die Funkti­ on in nur einem Frequenzband - beispielsweise bei der vor­ herrschenden Mobiltelefonfrequenz von typischerweise 800-900 MHz ausgelegt.

Zunehmend entsteht jedoch ein Bedarf nach einer solchen An­ tenne, welche für einen Dualband- und/oder Multiband-Betrieb geeignet ist. Ein Aspekt dieses Bedarfs betrifft die Dual­ band-GSM-Telefonstandards, welche bei 900 und 1800 MHz in Australien, im größten Teil von Europa und in einem großen Teil von Asien arbeiten. Zusätzlich betreiben viele Nationen (einschließlich Australien, Amerika und viele asiatische Na­ tionen) die Mobiltelefone in den 800 MHz und 1900 MHz Bän­ dern. Solche Mobiltelefonsysteme umfassen auch PDS-, RDMA-, CDMA- und AMPS-Systeme.

Einige an Fahrzeugen und nicht an Fahrzeugen montierte Dual­ band-Antennenanordnungen wurden bereits vorgeschlagen, welche unterschiedlich geeignet sind. Die beiden Bänder, in welchen die Antenne eine Resonanz aufweist, stehen jedoch als mehrfa­ che oder harmonische zueinander in Beziehung. Es ist wichtig, zu erkennen, daß in vielen von diesen Anwendungen nicht nur ein Empfangs- sondern auch ein Sendebetrieb erforderlich ist.

Typischerweise wurden bekannte Dualband-Anordnungen durch Er­ regung von zwei resonanten Frequenzen entweder mittels einer Einzelspeisung oder eines Leistungssplitter/Phasenschiebers, der die Frequenzen in einen Einzelanschluß mischt, betrieben.

Ein weiteres Problem bei vielen existierenden Dualband- Anordnungen besteht darin, daß sie relativ kompliziert und teuer sind. Einige bekannte im Einsatz befindliche Antennen verwendeten planare oder ähnliche Schaltungen, welche inhä­ rent breitbandig sind, wobei jedoch deren Effektivität in diesem Bereich gering war, da die Antennen eine schlechte Leistung und demzufolge eine eingeschränkte Marktakzeptanz zeigten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effekti­ ve Dualband- und/oder Multiband-Antenne bereitzustellen, in welcher die getrennten Frequenzbänder keine spezifische Be­ ziehung zueinander aufweisen müssen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau für eine derartige Dualband- und/oder Multiband-Antenne bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Antennenan­ ordnung bereitgestellt, welche aufweist:
ein erstes leitendes Element mit einem Schlitz, welcher einen geschlossenen Pfad bildet und einen Abschnitt aus einem lei­ tenden Materials aufweist, der in einem Teil des Schlitzes angeordnet ist;
ein zweites leitendes Element, das angrenzend an das erste Element angeordnet ist und eine zentrale Öffnung und eine Streifenöffnung besitzt, die sich von der zentralen Öffnung um eine vorbestimmte Länge über den Rand der Öffnung hinaus erstreckt, ein leitendes Streifenspeiseelement, das in der Streifenöffnung angeordnet ist, und mindestens zwei Flächen­ elemente mit vorbestimmten Abmessungen, welche als Filter­ schaltungen funktionieren und sich im allgemeinen radial nach innen in die zentrale Öffnung erstrecken;
einen dielektrischen Isolator, der zwischen den leitenden Elementen so angeordnet ist, daß die Anordnung im Betrieb über mindestens zwei Frequenzbänder zum Empfangen und/oder Senden von HF-Signalen verfügt.

Bevorzugt sind die ersten und zweiten leitenden Elemente und der dielektrische Isolator im allgemeinen planar und weisen zwei Hauptoberflächen auf. Bevorzugter sind die ersten und zweiten leitenden Elemente auf entsprechende Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators geklebt. Noch bevorzugter sind die ersten und zweiten leitenden Elemente integriert auf ent­ sprechenden Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators ausgebildet.

Bevorzugt ist der Schlitz im wesentlichen kreisförmig und de­ finiert einen Kreisring. Ferner weist der Schlitz bevorzugt eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke auf und kann asymmet­ risch sein.

Bevorzugt ist der dielektrische Isolator ein Leiterplattenma­ terial (PCB-Material).

Bevorzugt ist die zentrale Öffnung im wesentlichen kreisför­ mig.

Bevorzugter ist die Anordnung für den Einsatz in CDMA-, TDMA-, PCS- Telekommunikationssystemen, Mobilfunksystemen der dritten Generation und/oder AMPS-Telekommunikationssystemen, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satelli­ tennavigationssystemen vorgesehen.

Bevorzugt ist die Anordnung entfernbar in einem dielektri­ schen Material eingeschlossen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Antennen­ anordnung bereitgestellt, welche aufweist:
eine Schlitzantenne; ein Flächenelement; und ein dielektri­ sches Material, das zwischen der Schlitzantenne und dem Fil­ terflächenelement angeordnet ist, wobei das Flächenelement selektiv so konfiguriert ist, daß die Resonanzfrequenz der Antenne geändert wird, was es der Anordnung ermöglicht, HF- Signale über mindestens zwei Frequenzbänder zu senden und/oder zu empfangen.

Bevorzugt funktioniert das Flächenelement als eine Filter­ schaltung. Bevorzugt enthält das Flächenelement mindestens vier Filterelemente, bevorzugt mit verschiedenen Formen.

Bevorzugt sendet und/oder empfängt die Anordnung im Einsatz HF-Signale über vier Frequenzbänder.

Bevorzugt sind die Filterschaltung, die Schlitzantenne und das dielektrische Material alle im allgemeinen planar und können in integrierter Form ausgebildet werden. Die Filter­ schaltung und die Schlitzantenne sind ebenfalls bevorzugt auf das dielektrische Material geklebt.

Bevorzugt ist der Schlitz kreisförmig und definiert einen Kreisring. Bevorzugter weist der Schlitz eine nicht-gleich­ mäßige Dicke auf.

Die Prinzipien von ringförmigen Schlitzantennen sind im Fach­ gebiet allgemein bekannt und sind besonders in Satelliten- und Luftfahrtanwendungen wegen ihres niedrigen Profils üb­ lich. Sie stellen typischerweise einen mittleren Gewinn und ein Rundstrahlverhalten für eine einzelne Frequenz oder eine einzelnes Frequenzband bereit. Die einfachste Form einer der­ artigen Antenne besteht aus einer ausgedehnten dünnen flachen Metallschicht, wobei der Schlitz zur Abstrahlung elektromag­ netischer Strahlung angepaßt ist.

Der Schlitz wird durch eine Spannungsquelle, wie z. B. eine mit den gegenüberliegenden Rändern des Schlitzes verbundene symmetrische parallele Übertragungsleitung oder eine Koaxial­ leitung angeregt. Ein typische Bandbreite einer Schlitzanten­ ne kann bis zu einer Oktave aber nicht mehr betragen.

In einer Form kann sie typischerweise aus einer Leiterplatte bestehen, wobei lediglich eine Verbinder an der Platte ange­ bracht ist und ein Radom die Leiterplatte abdeckt. Die Lei­ terplatte weist auf einer Seite der Platte eine auf Masse liegende Platte auf. Das Schlitzelement ist in die auf Masse liegende Platte eingeschnitten, von welcher aus die Strah­ lungswelle ausgeht.

Das Schlitzelement gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist typischerweise kreisförmig, wobei dessen Durch­ messer (sowohl der Innen- als auch der Außendurchmesser und unter anderem das Verhältnis zwischen den beiden) die Be­ triebsfrequenz des Schlitzantennenelements bestimmt.

Allgemein ausgedrückt ist die Resonanzfrequenz einer ringför­ migen Schlitzantenne bestimmt durch:

λg = 2πR/n

wobei R der Medianradius des Schlitzes, n ein ganze Zahl und λg die Wellenlänge auf dem Mikrostreifenleiter ist.

Das Flächenelement, oder die Filterschaltungen, wie sie in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung angewendet werden, können geometrisch geändert werden, wobei aber weit­ gehend dasselbe Ergebnis erhalten wird. Das Wesen der Flä­ chenelemente besteht darin, daß sie eine Last darstellen und im allgemeinen von einer spezifischen Anwendung abhängig sind. Es hat sich herausgestellt, daß eine spezielle Geomet­ rie und/oder Komponentenanordnung zu der Abstimmung der inte­ ressierenden Frequenzbänder führt. Beispielsweise führt die Verwendung eines anderen Klebebandes zum Befestigen der An­ ordnung an einer Oberfläche im allgemeinen zu einen unter­ schiedlichen dielektrischen Effekt und es sind einige kleine Veränderungen an der Geometrie erforderlich.

Demzufolge kann die Geometrie der Flächenelemente abhängig von den verwendeten Komponenten verändert werden. Beispiels­ weise kann eine Veränderung in dem Bindemittel des Materials, des Gehäusematerials oder der Abmessungen, oder sogar des dielektrischen Isolators das Verhalten der Antenne verändern. In gleicher Weise kann man gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung zu einer alternative Geometrie jedoch mit unter­ schiedlicher Flächengeometrie gelangen. Das heißt, es ist kein inhärentes Verhältnis zwischen der Zahl der Flächen­ elemente, oder Filter, und der Anzahl der Bänder im Spiel, über welche die Anordnung arbeiten kann. Jede Fläche hat eine Auswirkung auf die Abstimmung und es ist die von den Flächen und anderen Elementen der Anordnung erzeugte kombinierte Last, welche zu dem gewünschten Abstimmungsverhalten führt.

Bezüglich Details spezifischer Aspekte der Abmessungen und der Auslegung wird auf die diese Themen behandelnden Stan­ dardwerke Bezug genommen, welche beispielsweise umfassen:
S. K. Palit, "Design and development of wideband microstrip antenna, "IEEE Proceedings, 146, No. 1, pp. 3539, February 1999;
Yongxi Qian, "A microstrip patch antenna using novel photonic bandgap structures" Microwave Journal, 40, No. 1, January 1999;
Jasik, "Annular slot", Antenna Engineering Handbook, 2^nd Edn, pp. 8/12-15, 1984;
Jean-Francois Zurcher, "Microstrip antennas", Broadband patch antennas, pp. 19-40, 1995;
Fujimoto, "Essential techniques in mobile antenna systems de­ sign", Mobile Antenna Systems Handbook, pp. 17-111, 1994;
K. Y, See, "Rigorous approach to modelling electromagnetic radiation from finite-size printed circuits structures" IEEE Proceedings, 146, No. 1, pp. 29-34, February 1999;
L. Zaid Kossiavas, "Dual-frequency and broadband antennas with stacked quarter wavelength elements", IEEE Transaction, 47, No. 4, pp. 654-658, April 1999; und
John Kraus, "Slot antenna" Antennas, 2^nd Edn, pp. 624-628, 1988.

Beschreibung der Figuren

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine Draufsicht, teilweise in Durchsichtdarstellung einer zusammengebauten Dualband-Antennenanordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen Teil der zusammenge­ bauten Anordnung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein erstes ringförmiges Schlitz­ antennenelement der Dualband-Anordnung von Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Filterschaltungsele­ ment für die Dualband-Anordnung von Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht einer erfin­ dungsgemäßen Multiband-Antennenanordnung; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche das Verhalten der Anordnung von Fig. 5 bei Frequenzen von 880 bis 1900 MHz der Anordnung von Fig. 1 zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Allgemein ist in den Zeichnungen eine Antennenanordnung 10 dargestellt. Dabei stellt Fig. 1 eine Draufsicht dar, welche teilweise nicht sichtbare Merkmale einer zusammengebauten Du­ alband-Antennenanordnung 10 zeigt. Es sind zwei im allgemei­ nen planare Antennenkomponenten mit einem zwischen den Kompo­ nenten angeordneten dielektrischen Leiterplattenmaterial (PCB-Material) vorgesehen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 enthält die Anordnung 10 ein ers­ tes im allgemeinen planares Element 20 mit vorbestimmten Ab­ messungen in der Form eines leitenden Materials, bevorzugt Kupfer. In anderen Ausführungsformen ist das leitende Materi­ al Gold.

Ein kreisförmiger Schlitz 21 mit einem im wesentlichen kon­ stanten radialen Abstand ist in dem Kupferelement 20 ausge­ bildet und stellt eine ringförmige Schlitzresonanzanordnung bereit. Der Schlitz 21 ist symmetrisch auf dem Element 20 an­ geordnet, jedoch in anderen Ausführungsform nicht symmetrisch angeordnet. In noch weiteren Ausführungsformen weist der Schlitz 21 eine vorbestimmte Form auf, wobei der radiale Ab­ stand nicht konstant ist. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird ein Schlitz mit nicht-ringförmiger Konfigura­ tion eingesetzt.

Das Element 20 enthält ferner einen Abschnitt aus Kupfer 23 mit vorbestimmten Abmessungen, der innerhalb eines vorbe­ stimmten Teils des ringförmigen Schlitzes 21 angeordnet ist, um zur Abstimmung der Antennenanordnung beizutragen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 enthält die Anordnung 10 auch ein im allgemeinen planares zweites unteres Resonanzelement 30, welches ebenfalls aus Kupfer besteht. In weiteren Ausfüh­ rungsformen ist das Element aus einem anderen geeigneten Lei­ ter ausgebildet.

Das Element 30 ist ein Flächenelement, welches als Teil einer Filterschaltung wirkt. Es weist eine im allgemeinen kreisför­ mige Öffnung 32 mit einem Streifenöffungsabschnitt 38 auf, welcher sich im wesentlichen radial aus der Öffnung 32 heraus über eine vorbestimmte Länge über den Umfang der Öffnung 32 hinaus erstreckt.

Ein leitendes Mikrostreifenelement 34 mit vorbestimmten Ab­ messungen erstreckt sich radial im wesentlichen aus der Mitte der Öffnung 32 fast durch die Streifenöffnung 35 hindurch.

Mehrere Filterelemente 33, 36, 37 und 38 erstrecken sich im allgemeinen radial nach innen in die im allgemeinen kreisför­ mige Öffnung 32. Die Filterelemente sind im allgemeinen rechteckige Vorsprünge, wobei sie jedoch bei anderen Ausfüh­ rungsformen jede vorbestimmte Form aufweisen können. Das Ele­ ment 42 ist ein parasitäres Element, das ebenfalls zur Ab­ stimmung der Filterschaltung genutzt wird.

Die präzise Lage und Form dieser Filterelemente hängt von der erforderlichen Abstimmung und der spezifischen gewünschten Anwendung ab. Das Flächenelement, oder die Filterschaltungen, wie sie in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, können geometrisch verändert werden, wobei weitgehend dasselbe Ergebnis erzielt wird. Das Wesen der Flä­ chenelemente besteht darin, daß sie eine Belastung erzeugen und im allgemeinen von einer spezifischen Anwendung abhängig sind. Es hat sich herausgestellt, daß eine spezielle Geomet­ rie und/oder Komponentenanordnung zur Abstimmung der interes­ sierenden Frequenzbänder führt. Beispielsweise führt die Ver­ wendung eines anderen Klebebandes zum Befestigen der Anord­ nung an einer Oberfläche im allgemeinen zu einem unterschied­ lichen dielektrischen Effekt und es werden einige kleine Veränderungen an der Geometrie erforderlich.

Demzufolge kann die Geometrie der Flächenelemente abhängig von den verwendeten Komponenten verändert werden. Beispiels­ weise kann eine Veränderung in dem Bindemittel des Materials, des Gehäusematerials oder der Abmessungen, oder sogar des dielektrischen Isolators das Verhalten der Antenne verändern. In gleicher Weise kann man gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung zu einer alternativen Geometrie jedoch mit unter­ schiedlicher Flächengeometrie gelangen. Das heißt, es ist kein inhärentes Verhältnis zwischen der Zahl der Flächenele­ mente, oder Filter, und der Anzahl der Bänder im Spiel, über welche die Anordnung arbeiten kann. Jede Fläche hat eine Aus­ wirkung auf die Abstimmung und es ist die von den Flächen und anderen Elemente der Anordnung erzeugte kombinierte Belas­ tung, welche zu dem gewünschten Abstimmungsverhalten führt.

Ein im allgemeinen planares dielektrisches Material 41 ist zwischen den Elementen 20 und 30 angeordnet. Das Material 41 ist ein Leiterplattenmaterial (PCB-Material), kann jedoch in anderen Ausführungsformen ein anderes geeignetes dielektri­ sches Material sein.

Wie am besten in Fig. 2 dargestellt ist, weist das PCB- Material 41 die ersten und zweiten integriert auf gegenüber­ liegenden Oberflächen ausgebildeten Elemente 20 und 30 auf. In anderen Ausführungsform sind die Elemente 20 und 30 mit der Leiterplatte 41 mit einem doppelseitigen Klebeband 40 verbunden.

Die Elemente 20 und 30 sind in einem Schutzgehäuse 70 derart eingeschlossen, daß eine Oberfläche des Klebebands 40 zur Be­ festigung der Antennenanordnung an einem dielektrischen Mate­ rial freiliegt.

Ein in Fig. 2 nicht dargestellter Verbinder 45 ist ebenfalls zur Verbindung mit einem elektrischen Element in der Form ei­ nes Vorverstärkers, Sende/Empfängers oder dergleichen vorge­ sehen. Der Verbinder 45 ist für den Anschluß der zwei Elemen­ te 20 und 30 an dem einen Ende und eines Koaxialkabels an dem anderen konfiguriert. Insbesondere steht der Verbinder 45 mit dem ersten und resonanten Element an der einen Seite in elektrischer Verbindung und ist für die Verbindung mit dem Ko­ axialkabel an der anderen Seite konfiguriert. Das andere Ende kann jedoch für die Verbindung mit jedem geeigneten elektri­ schen Kabel konfiguriert sein.

In Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Multiband-Antennenanordnung 60 dargestellt, welche eine im wesentlichen planare Schlitzantenne 61 enthält, die angren­ zend an ein im wesentlichen planares Flächenelement 62 ange­ ordnet ist. Das Element 60 enthält ferner ein im wesentlichen planares dielektrisches Material in der Form eines dielektri­ schen Materials 63, das zwischen der Schlitzantenne 61 und der Filterschaltung 62 angeordnet ist.

Das Flächenelement 62 enthält zwei (nicht dargestellte) Fil­ terelemente in der Weise, daß die Resonanzfrequenz der Schlitzantenne 61 verändert wird, um der Anordnung zu ermög­ lichen, HF-Signale über zwei Frequenzbänder zu senden und/oder zu empfangen. In alternativen Ausführungsformen ent­ sprechen die Anzahl der Filterelemente und deren Formen einer vorbestimmten Anzahl und Form, die der Anzahl von Frequenz­ bändern entspricht, die von der Anordnung verarbeitet werden soll.

Die Schlitzantenne 61, das Flächenelement 62 und das die­ lektrische Material 63 sind mittels eines (nicht darge­ stellten) doppelseitigen Klebebands verbunden. In anderer Ausführungsform sind sie mittels eines Klebers verbunden oder integral über dem dielektrischen Material ausgebildet.

Die Schlitzantenne 61 ist im wesentlichen kreisförmig und bildet eine Kreisring 64, welcher eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist. In anderen Ausführungsformen ist jedoch der Schlitz ein Schlitz mit ungleichmäßiger Form.

Ein Verbinder 65 steht mit der Schlitzantenne 61 und dem Flä­ chenelement 62 an dem einen Ende in elektrischer Verbindung und ist an dem anderen Ende für eine elektrische Verbindung zu einem Koaxialkabel konfiguriert. In anderen Ausführungs­ formen kann das andere Ende jedoch für eine elektrische Ver­ bindung mit jedem geeigneten elektrischen Kabel konfiguriert sein.

Die Anordnung 60 enthält auch eine obere Abdeckung 66 und ein untere Abdeckung 67. Die Abdeckungen sind entfernbar so ver­ bunden, daß die Schlitzantenne 61, die Filterschaltung 62 und das Dielektrikum 63 in den Abdeckungen eingeschlossen sind. Die Abdeckungen greifen mittels (nicht dargestellter) komple­ mentärer Verriegelungsformationen lösbar ineinander ein. In anderen Ausführungsformen ist die untere Abdeckung 67 mit der Schlitzantenne 61 verklebt und die obere Abdeckung 66 mit dem Flächenelement 62 so verklebt, daß die Abdeckungen aneinan­ derliegen, und im wesentlichen die Antenne 61, das Flächen­ element 62 und das Dielektrikum 63 einschließen.

Fig. 6 veranschaulicht das Verhalten der in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsform bei Frequenzen von 880 bis 1980 MHz. Das Stehwellenspannungsverhältnis (VSWR) erscheint an der y- Achse und die Frequenz an der x-Achse. Die Resonanzen bei 880-890 MHz und bei 1700-1900 MHz sind deutlich sichtbar.

In dieser Ausführungsform hat eine kleine Änderung in der Größe der auf Masse liegenden Platte und der Geometrie der Flächenschaltung das Frequenzverhalten der Anordnung deutlich verändert und in dieser Form kann eine Einzelantenne erzeugt werden, welche eine große Anzahl unterschiedlicher Betriebsbänder in sich vereint, welche in dieser speziellen Ausführungsform die 800 MHz SMR/Bündelfunk, die CDMA/AMPS/D- AMPS 800 MHz Frequenzen, die 900 MHz GSM- und DECT-Frequen­ zen, die 850-930 MHz ISM-Bandfrequenzen, die 1800 MHz GSM- Frequenzen und die 1900 MHz GSM- und PCS-Frequenzen umfassen.

Das Arbeitsprinzip der Dualband- und Multiband-Anordnungen wird nun allgemein beschrieben. Die Energie wird dem Ab­ strahlelement einer Schlitzantenne typischerweise über eine Streifenleitung oder einen Mikrostreifen zugeführt. Die Streifenleitung verwendet eine Masseebene auf der Oberseite der Platte als ihren eigenen Massebezug und ihr mittiges, ak­ tives Element wird entlang der anderen ansonsten im wesentli­ chen leeren Seite der Leiterplatte entlang geführt. Das mit­ tige Speiseelement erstreckt sich bis hinter das oder durch das Schlitzelement und koppelt Energie in den Schlitz ein und erzeugt somit eine Abstrahlung der Antenne. Mit anderen Wor­ ten, der Streifenleiter muß sich auf seiner getrennten Ebene erstrecken, um das von dem Schlitzelement in seiner entspre­ chenden Ebene definierte Volumen zu schneiden.

Das aktive Element des Streifenleiters ist physikalisch in keiner anderen Weise mit dem Schlitz verbunden, und die Ein­ kopplung der Energie in den strahlenden Schlitz ist einfach ein HF-Phänomen, das auf der Abstimmung der Schaltungen ba­ siert, um es zu ermöglichen.

Die Länge des Streifenleiterelements unterhalb des Schlitzes und in der Tat weitere Abmessungseigenschaften dieses Elemen­ tes haben einen wesentlich Einfluß auf die effektive Frequenz des Schlitzelements und den Wirkungsgrad der Energieeinkopp­ lung in das Schlitzelement. Die Theorie von Schlitzantennen ist im Fachgebiet der Antennenkonstruktion allgemein bekannt, weshalb die Berechnungen hier nicht im Detail beschrieben werden, aber der interessierte Leser auf die vorstehend ange­ führten Standarddokumente verwiesen wird.

In diesen Anordnungen ist der Koxialverbinder oder Speiser üblicherweise auf einer Seite der Platte befestigt, und das vorstehend angeführte Streifenleiterelement führt die HF zu dem Speisepunkt der Schlitzantenne.

Die Filterschaltung wird nicht zur Abstrahlung verwendet, sondern wird in der Tat als Abstimmwerkzeug eingesetzt. Gemäß der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform der Erfin­ dung ist beispielsweise eine Filterschaltung um den Schlitz 21 der Antenne herum aufgebaut, wodurch die Einkopplungsart der Streifenleitung 35 in die Schlitzantenne 21 so verändert wird, daß sie nun bei zwei Frequenzen in die Schlitzantenne 21 einkoppelt und nicht nur in einem einzigen Frequenzband. Dieses Anordnung ermöglicht es der Filterschaltung, selektiv eine Veränderung in der Resonanz der Schlitzantenne 21 selbst zu bewirken, was ihr nun ermöglicht auf zwei Frequenzen zu strahlen.

Die Kombination der zwei HF-Elemente, wovon eines lediglich als ein "Abstimmwerkzeug" verwendet wird, ist bisher im Fach­ gebiet nicht bekannt, und erlaubt eine relativ unabhängige Auswahl von Resonanzfrequenzbändern.

Flächenantennen werden im Fachgebiet verbreitet als Einzelan­ tennen eingesetzt. In einer typischen Leiterplattenanwendung besteht eine Flächenantenne aus einer großen Massenebene auf einer Seite der Leiterplatte, welche die "Unterseite" der Platte bildet. Die Filterschaltung ist auf der Oberseite der Platte vorgesehen und üblicherweise etwas kleiner als die Masseebene. Die Filterschaltung kann eine von mehreren ver­ schiedenen geometrischen Formen annehmen, ist aber auf ein spezifisches Frequenzband abgestimmt.

Energie kann auf die Fläche in einer Anzahl von Möglichkeiten einschließlich einer Streifenleitungs- oder Mikro­ streifenspeisung eingekoppelt werden. Eine derartige Strei­ fenleitungsspeisung enthält typischerweise eine Streifenlei­ tung, wobei deren Bezugsmasse mit der Masseebenenseite der Leiterplatte verbunden ist, und deren aktives mittiges Ele­ ment auf der Leiterplatte entlang gezogen ist, und die Ener­ gie quer zu dem Speisepunkt der Fläche selbst leitet. Die Energie kann dann in das Flächenelement entweder über eine di­ rekte physikalische Verbindung oder eine einfache Kopplung ähnlich der für die Schlitzantenne beschriebenen (was ein HF- Phänomen ist, wenn alle Parameter korrekt eingehalten werden) eingekoppelt werden. In jedem Fall (physikalische oder nicht- physikalische Verbindung) wird die Energie auf diese Weise in das Flächenelement eingekoppelt und die Welle durch die Flä­ che in allen Fällen vorherrschend in der entgegengesetzten Richtung zur Masseebene weitergeleitet.

Durch Verändern der geometrischen Form des aktiven Elements einer Flächenantenne ist es möglich, zwei oder mehr getrennte Frequenzbänder einzuführen, und in einigen Fällen kann dies zu einer Dualband- oder Multibandantenne führen. Die Ein­ schränkung für eine solche Antenne besteht darin, daß die Flächenantenne selbst bei der niedrigsten Grundfrequenz strahlen muß. Ferner muß die Antenne physikalisch aus einem minimalen Satz von Abmessungen bestehen, welche üblicherweise ziemlich groß sind und beispielsweise im Falle einer Antenne einer Basisstation angemessen sind, aber eine schwere Ein­ schränkung in Falle einer Mobilantenne darstellen.

Gedruckte Flächenantennen können Strahlungselemente in einer breiten Vielfalt von Formen, welche beispielsweise Quadrate, Rechtecke, Kreise, Ringe und Ellipsen umfassen, nutzen. Kom­ plexere geometrische Konfigurationen und Kombinationen einfa­ cherer Formen werden ebenfalls für einige spezielle Anwendun­ gen genutzt. Die Auswahl einer speziellen Form hängt von den Parametern ab, die man optimieren möchte, wie z. B. Bandbrei­ te, Seitenkeulen, Kreuzpolarisation und/oder Antennengröße.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung ist die Grundantenne eine Schlitzantenne. Anders als ei­ ne Flächenantenne kann die Schlitzantenne selbst nicht so ge­ ometrisch verändert werden, daß sie die Zweifrequenzband- oder Multifrequenzband-Anforderungen der vorliegenden Erfin­ dung erfüllt. Das inhärente Betriebsfrequenzband der Schlitz­ antenne wird verändert, indem sie unter Anwendung eines wech­ selseitigen Kopplungsmechanismus abgestimmt wird.

In der Implementation der Fig. 1 bis 4 wurde die Schlitzan­ tenne (bevor alle Kompensationsprobleme gelöst wurden) auf das höhere von den zwei Frequenzbändern abgestimmt. Die Schlitzantenne wurde aufgebaut und dann eine Filterschaltung auf der Unterseite der Platte hinzugefügt. Die Filterschal­ tung nutzt dieselbe Streifenleitungsspeisung. Das aktive Ele­ ment der Streifenleitung koppelt bezüglich der Flächenantenne in die mittige Scheibe auf der Schlitzantenne ein und auch in einem geringeren Umfang in das umgebende Kupfer auf der Ober­ seite der Schlitzantenne.

In der Flächenantennentheorie ist eine größere Masseebene auf der Unterseite der Fläche erforderlich. Dieses wurde durch eine Abstimmung der "Masseebene" unter der Schlitzantene un­ ter Verwendung einer Reihe geometrischer Formen erreicht. Un­ ter Anwendung dieser Formen wurde die Filterschaltung in Ver­ bindung mit Veränderungen in der Betriebsfrequenz der Schlitzantenne erzeugt und abgestimmt bis eine Kombination der zwei das gewünschte Ergebnis ergab. Dieses war möglich, weil die Flächenantenne ein komplementäres "Element" auf der Oberseite des Schlitzes hatte. Wenn sie nicht als "de-facto" Antenne funktionieren würde, würde sie nicht abstimmen.

Die Auslegung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet einen unkonventionellen Lösungsansatz, indem sie eine Antennentheorie zum Aufbau einer Antenne nutzt, die mehr als Abstimmschaltung denn als Antenne arbei­ tet. Die Kombination der Flächenantenne (die auch als eine Filterschaltung wirkt) und des Strahlungselementes, das eine ringförmige Schlitzantene ist, ist einzigartig und mit nur einer einzigen Speisung erreichbar. Korrekt in der physikali­ schen Antennenbefestigungsanordnung kompensiert, wird ein physikalisch kleines und sehr flexibles Produkt bereitge­ stellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung fin­ den einen weiten Bereich möglicher Anwendungen. Beispielswei­ se könnte die Dualband-Version der hierin beschriebenen und dargestellten Anordnung dazu genutzt werden, um einem einzel­ nen Sendeempfänger oder Mobiltelefon den Betrieb sowohl in dem 900 MHz als auch in dem 1800 MHz Mobiltelefonband zu er­ möglichen, während ein ähnliches Derivat der Anordnung in ei­ ner Dualband-Form dazu verwendet werden könnte, einer einzi­ gen Antenne den Betrieb in jedem von zwei anderen Betriebs­ bändern, wie z. B. bei CDMA/AMPS/D-AMPS 800 MHz Frequenzen, PCS (1900 MHz Band), UHF Mobilfunk-, GPS Satelliten- UHF- oder VHF Fernseh- oder auch anderen hierin nicht beschriebenen Frequenzbändern zu ermöglichen.

Diese mehrere Bänder abdeckende Anordnung kann daher in den meisten derzeit in der Welt in Einsatz befindlichen Mobilte­ lefonen genutzt werden und könnte in der Zukunft für die Ab­ deckung der noch zu nutzenden aber extrem wertvollen 2,1 GHz "Drittgenerations-Mobiltelefonie"-Frequenzen und der 2,4-2/5 GHz "Drahtlos-LAN und ISM-Band"-Frequenzen erweitert werden.

Die Anwendungen für die Erfindung sind daher in Mobilanwen­ dungen, in welchen die Antenne für die Mobiltelefonie und in Gegensprechfunk-Anwendungen eingesetzt werden könnte, sehr zahlreich und auch in Festanwendungen, wo die Antenne Einsatz als eine Antenne finden könnte, die für ein gebäudeinternes Netzwerk von Funkfrequenzen für Zellulartelefonie und andere Anwendungen verwendet wird. Ferner erweitert die Kombination der Erfindung mit GPS und weiteren ähnlichen Zukunftstechno­ logien die möglichen Anwendungen sowohl in mobilen als auch stationären Installationen, welche in der derzeitigen oder zukünftigen HF-Umgebung erforderlich sein können.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind aus preiswerten Materialien: PCB- oder anderen dielektrischen Materialien, Klebeband und Kunststoffgehäusen aufgebaut. In Kombination bilden diese ein Verbundlaminat, das für den Ein­ satz in Hochleistungsanwendungen im UHF-Bereich und im Be­ reich tiefer Mikrowellenfrequenzen geeignet ist.

Bevorzugt ist die verwendete Leiterplatte ein starres Epo­ xy/Glas-Laminat mit vier Funktionen. Dieses Material besitzt eine niedrige Wasserabsorption, hervorragendes UV- Blockierungsverhalten, überlegene Dimensionsstabilität und hohe chemische Beständigkeit. Alternative PCB- oder andere dielektrische Materialien können verwendet werden, wenn sie eine geeignete Durchschlagfestigkeit, Verlustfaktoren und Di­ mensionsstabilität bereitstellen.

Das Außengehäuse besteht bevorzugt aus ABS-Kunststoff­ material. Zu geeigneten Materialien zählen ASTALAC ABS mit der Typnummer Z48 und ASTALOY ALLOY mit der Typnummer ASTALOY M150.

Das Bandmaterial kann ein Polyurethanschaum-Befesti-gungsband mit Hochleistungsacryl auf beiden Seiten sein. Dieses ist be­ vorzugt Polyurethanband mit geschlossenen Zellen und Acryl­ kleber auf beiden Seiten. Ein derartiger Schaum ist energie­ vernichtend und hoch verformbar, was ihn besonders für Anwen­ dungen nützlich macht, welche fehlangepaßte Oberflächen und extreme Temperaturen mit sich bringen. Jedes verwendete Band sollte hervorragende Alterungseigenschaften und Umweltbestän­ digkeiten gegen Bewitterung, extreme Temperaturen, UV- Bestrahlung, Oxidation und Ozon besitzen.

Ein alternativer Aufbau könnte einen geeigneten Kleber direkt auf der Oberseite der Leiterplatte (PCB 41) zum Ersatz des Bandes 39 verwenden.

Eine weitere alternative Konstruktion könnte eine größere ge­ druckte Leiterplatte oder ein Gehäuse umfassen, welches auf jede dielektrische Oberfläche geschraubt oder anderweitig daran befestigt werden kann.

Es sei betont, daß die Eigenschaften der Leiterplatte (PCB), des Bandes und des Gehäuses im Auslegungsprozeß berücksich­ tigt werden müssen, da sie die Resonanzfrequenz der Antenne beeinflussen. Die Resonanzfrequenz kann sich um 20 MHz oder mehr in einem oder mehreren von den gewünschten Betriebsbän­ dern abhängig von den gewählten Materialien und der Nähe die­ ser Materialien zu dem Strahlungselement der Antennenanord­ nung verschieben.

Man erkennt, daß die vorliegende Erfindung auf verschiedene Arten implementiert werden kann, und daß die beschriebene Implementation nur veranschaulichend und nicht erschöpfend sein soll. Insbesondere ist beabsichtigt, daß eine GPS- Satelliten-Geolokalisierungsantenne der Antennenanordnung hinzugefügt werden kann, um die Funktion einer GPS-Antenne und einer Zellulartelefonantenne in einem einzigen Gehäuse zu kombinieren.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Bei­ spiele beschrieben wurde, wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein, daß die Erfindung in vielen wei­ teren Ausführungsformen realisiert werden kann.

Claims (30)

1. Antennenanordnung, welche enthält:
ein erstes leitendes Element mit einem Schlitz, welcher einen geschlossenen Pfad bildet und einen Abschnitt aus einem leitenden Material enthält, der in einem Teil des Schlitzes angeordnet ist;
ein zweites leitendes Element, das angrenzend an das ers­ te Element angeordnet ist und das aufweist:
eine zentrale Öffnung und eine Streifenöffnung, die sich von der zentralen Öffnung um eine vorbestimmte Länge über den Rand der Öffnung hinaus erstreckt, ein leitendes Streifenspeiseelement, das in der Streifenöffnung ange­ ordnet ist, und mindestens zwei Filterelemente mit vorbe­ stimmten Abmessungen, welche sich im allgemeinen radial nach innen in die zentrale Öffnung hinein erstrecken;
einen dielektrischen Isolator, der zwischen den leitenden Elementen so angeordnet ist, daß die Anordnung im Betrieb über mindestens zwei Frequenzbänder zum Empfangen und/oder Senden von HF-Signalen verfügt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente und der dielektrische Isolator im all­ gemeinen planar sind und zwei Hauptoberflächen enthalten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente auf entsprechende Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators geklebt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente mit einem doppelseitigen Band auf den dielektrischen Isolator geklebt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente integriert auf entsprechenden Haupt­ oberflächen des dielektrischen Isolators ausgebildet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 oder 6, wobei der Schlitz kreisförmig ist und einen Kreisring defi­ niert.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Schlitz bevorzugt eine gleichmäßige Dicke aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Schlitz nicht-symme­ trisch ist.

9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Isolator ein PCB-Material ist.

10. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zentrale Öffnung im wesentlichen kreisförmig ist.

11. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zentrale Öffnung im wesentlichen kreisförmig ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Filterelemente un­ terschiedliche Formen aufweisen kann.

13. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur An­ wendung in CDMA-, TDMA-, PDS-, Drittgenerations-Mobil- und/oder AMPS-Telekommunikationssystemen, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satellitennavigations­ systemen.

14. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitenden Elemente Kupfer enthalten.

15. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche entfernbar in einem dielektrischen Material eingeschlos­ sen ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14, wobei die Auswahl des Gehäu­ sematerials zu der Abstimmung der Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzen der Anordnung beiträgt.

17. Antennenanordnung, welche enthält:
eine Schlitzantenne; ein Flächenelement; und ein die­ lektrisches Material, das zwischen der Schlitzantenne und dem Flächenelement angeordnet ist, wobei das Flächenele­ ment selektiv so konfiguriert ist, daß die Resonanzfre­ quenz der Antenne geändert wird, um der Anordnung zu er­ möglichen HF-Signale über mindestens zwei Frequenzbänder zu senden und/oder zu empfangen.

18. Anordnung nach Anspruch 17, wobei das Flächenelement eine Filterschaltung ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, wobei das Flächenelement min­ destens vier Filterelemente enthält.

20. Anordnung nach Anspruch 19, wobei die Filterelemente ver­ schiedenen Formen aufweisen.

21. Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Anordnung im Ein­ satz HF-Signale über vier Frequenzbänder sendet und/oder empfängt.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Filterschaltung, die Schlitzantenne und das dielektrische Material im allgemeinen planar sind.

23. Anordnung nach Anspruch 19, wobei die Filterschaltung, die Schlitzantenne und das dielektrische Material in in­ tegrierter Form ausgebildet sind.

24. Anordnung nach Anspruch 19, wobei die Filterschaltung und die Schlitzantenne jeweils auf das dielektrische Material geklebt sind.

25. Anordnung nach Anspruch 19, wobei die Filterschaltung und die Schlitzantenne mittels eines doppelseitigen Klebeban­ des geklebt sind.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei der Schlitz kreisförmig ist und einen Kreisring definiert.

27. Anordnung nach Anspruch 26, wobei der Schlitz eine nicht- gleichmäßige Dicke aufweist.

28. Anordnung nach Anspruch 27, wobei die Filterelemente ver­ schiedene Formen aufweisen.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 26 zur Anwen­ dung in CDMA-, TDMA-, PDS-, Drittgenerations-Mobil- und/oder AMPS-Telekommunikationssystemen, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satellitennavigations­ systemen.

30. Antennenanordnung im wesentlichen so, wie sie hierin un­ ter Bezugnahme auf irgendeine von den Ausführungsform der in Fig. 1 bis 5 von den Zeichnungen dargestellten Erfin­ dung beschrieben wurde.