DE10038831B4

DE10038831B4 - Dualband- und Multiband-Antenne

Info

Publication number: DE10038831B4
Application number: DE10038831A
Authority: DE
Inventors: Daniel North Rocks Wang; Robert North Rocks Daly
Original assignee: RF Industries Pty Ltd
Current assignee: RF Industries Pty Ltd
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2020-08-05
Also published as: DE10038831A1; IL137716A0; AUPQ204599A0; US6346919B1; IL137716A

Abstract

Antennenanordnung, welche enthält:
ein erstes leitendes Element (20, 61) mit einem Schlitz (21, 64), welcher einen geschlossenen Pfad bildet und einen Abschnitt (23, 69) aus einem leitenden Material enthält, der in einem Teil des Schlitzes (21, 64) angeordnet ist;
ein zweites leitendes Element (30, 62), das angrenzend an das erste Element angeordnet ist und das aufweist:
eine zentrale Öffnung (32) und eine Streifenöffnung (35), die sich von der zentralen Öffnung (32) um eine vorbestimmte Länge über den Rand der Öffnung hinaus erstreckt, ein leitendes Streifenspeiseelement (34), das in der Streifenöffnung (35) angeordnet ist, und mindestens zwei Einschnitte (36, 37) mit vorbestimmten Abmessungen, welche sich im wesentlichen radial nach innen in die zentrale Öffnung (32) hinein erstrecken, wobei das leitende Streifenspeiseelement (34) zumindest teilweise zu dem aus dem geschlossenen Pfad des Schlitzes (21, 64) definierten Volumen überlappend angeordnet ist;
einen dielektrischen Isolator (41, 63), der zwischen den...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Antennenanordnungen, und insbesondere Dualband- und Multiband-Antennenanordnungen, die zur Montage auf Glas oder ähnlichen dielektrischen Oberflächen angepaßt sind.
Die Erfindung wurde hauptsächlich für die Nutzung in PDS-, CDMA-, TDMA-, AMPS- und GSM-Telekommunikationssystemen entwickelt und wird nachstehend unter Bezugnahme auf diese Anwendung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses spezielle Anwendungsfeld beschränkt und ist auch auf fahrzeuginterne und andere portable und stationäre Anwendungen, andere Telekommunikationssysteme sowie auf GPS-Navigationssysteme anwendbar.
Stand der Technik
An Fahrzeugen montierte Antennenanordnungen verschiedener Arten werden seit vielen Jahren zum Empfang von Signalen des UHF-Bandes und anderer Bänder genutzt. Eine bekannte Anordnung nutzt externe Peitschenantennen, welche kapazitiv oder induktiv mit einer Kopplungseinheit auf der Innenseite des Glases verbunden sind, welche wiederum mit einem Mobiltelefon oder einer anderen Sende und/oder Empfangsvorrichtung verbunden ist.
Eine weitere bekannte Anordnung umfaßt eine im allgemeinen planare Antenne, die an der Innenseite des Fensters angebracht ist. Die ältesten bekannten Anordnungen waren für die Funktion in nur einem Frequenzband – beispielsweise bei der vorherrschenden Mobiltelefonfrequenz von typischerweise 800-900 MHz ausgelegt. Elektromagnetische Kopplung für Frequenzen um und oberhalb 1,5 GHz durch eine Glasscheibe hindurch erreicht die mobile Antenne in US 5,898,408 durch ringförmige Aperturkopplung. Mit einem Streifenleiter wie bei der Fens terkopplung in US 5,898,408 wird die planare Antenne in US 6,509,880 B2 betrieben.
Zunehmend entsteht jedoch ein Bedarf nach einer solchen Antenne, welche für einen Dualband- und/oder Multiband-Betrieb geeignet ist. Ein Aspekt dieses Bedarfs betrifft die Dualband-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 Nationen) die Mobiltelefonie in den 800 MHz und 1900 MHz Bändern. Solche Mobiltelefonsysteme umfassen auch PDS-, RDMA-, CDMA- und AMPS-Systeme. Zwei ringförmige Antennen für zirkulare Polarisation und Frequenzen von 15 bis 60 GHz in Spiralanordnung werden in EP 1 158 606 A1 über einen Isolator voneinander getrennt von einem Streifenleiter gespeist.
Einige an Fahrzeugen und nicht an Fahrzeugen montierte Dualband-Antennenanordnungen wurden bereits vorgeschlagen, welche unterschiedlich geeignet sind. Die beiden Bänder, in welchen die Antenne eine Resonanz aufweist, stehen jedoch als mehrfache 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 Erregung 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 inhärent 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 effektive 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 Antennenanordnung bereitgestellt, welche aufweist:
ein erstes leitendes Element mit einem Schlitz, welcher einen geschlossenen Pfad bildet und einen Abschnitt aus einem leitenden 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 Flächenelemente mit vorbestimmten Abmessungen, welche als Filterschaltungen 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 entsprechenden Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators ausgebildet.
Bevorzugt ist der Schlitz im wesentlichen kreisförmig und definiert einen Kreisring. Ferner weist der Schlitz bevorzugt eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke auf und kann asymmetrisch sein.
Bevorzugt ist der dielektrische Isolator ein Leiterplattenmaterial (PCB-Material).
Bevorzugt ist die zentrale Öffnung im wesentlichen kreisförmig.
Bevorzugter ist die Anordnung für den Einsatz in CDMA-, TDMA-, PCS-Telekommunikationssystemen, Mobilfunksystemen der dritten Generation und/oder AMPS-Telekommunikationssyste-men, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satellitennavigationssystemen vorgesehen.
Bevorzugt ist die Anordnung entfernbar in einem dielektrischen Material eingeschlossen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Antennenanordnung bereitgestellt, welche aufweist:
eine Schlitzantenne; ein Flächenelement; und ein dielektrisches Material, das zwischen der Schlitzantenne und dem Filterflächenelement 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 Filterschaltung. 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 Filterschaltung 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 gleichmäßige Dicke auf.
Die Prinzipien von ringförmigen Schlitzantennen sind im Fachgebiet allgemein bekannt und sind besonders in Satelliten- und Luftfahrtanwendungen wegen ihres niedrigen Profils üblich. Sie stellen typischerweise einen mittleren Gewinn und ein Rundstrahlverhalten für eine einzelne Frequenz oder eine einzelnes Frequenzband bereit. Die einfachste Form einer derartigen Antenne besteht aus einer ausgedehnten dünnen flachen Metallschicht, wobei der Schlitz zur Abstrahlung elektromagnetischer 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 Koaxialleitung angeregt. Eine typische Bandbreite einer Schlitzantenne 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 angebracht ist und ein Radom die Leiterplatte abdeckt. Die Leiterplatte 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 Strahlungswelle ausgeht.
Das Schlitzelement gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist typischerweise kreisförmig, wobei dessen Durchmesser (sowohl der Innen- als auch der Außendurchmesser und unter anderem das Verhältnis zwischen den beiden) die Betriebsfrequenz des Schlitzantennenelements bestimmt.
Allgemein ausgedrückt ist die Resonanzfrequenz einer ringförmigen Schlitzantenne bestimmt durch: λg = 2πR/n wobei R der Medianradius des Schlitzes, n eine 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 weitgehend dasselbe Ergebnis erhalten wird. Das Wesen der Flächenelemente besteht darin, daß sie eine Last darstellen und im allgemeinen von einer spezifischen Anwendung abhängig sind. Es hat sich herausgestellt, daß eine spezielle Geometrie und/oder Komponentenanordnung zu der Abstimmung der interessierenden Frequenzbänder führt. Beispielsweise führt die Verwendung eines anderen Klebebandes zum Befestigen der Anordnung an einer Oberfläche im allgemeinen zu einen unterschiedlichen 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. Beispielsweise 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 unterschiedlicher Flächengeometrie gelangen. Das heißt, es ist kein inhärentes Verhältnis zwischen der Zahl der Flächenelemente, 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 Standardwerke 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, 2nd 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 design", 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, 2nd 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:
1 eine Draufsicht, teilweise in Durchsichtdarstellung einer zusammengebauten Dualband-Antennenanordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung;
2 eine Schnittansicht durch einen Teil der zusammengebauten Anordnung von 1;
3 eine Draufsicht auf ein erstes ringförmiges Schlitzantennenelement der Dualband-Anordnung von 1;
4 eine Draufsicht auf ein zweites Filterschaltungselement für die Dualband-Anordnung von 1;
5 eine perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Multiband-Antennenanordnung; und
6 eine graphische Darstellung, welche das Verhalten der Anordnung von 5 bei Frequenzen von 880 bis 1900 MHz der Anordnung von 1 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Allgemein ist in den Zeichnungen eine Antennenanordnung 10 dargestellt. Dabei stellt 1 eine Draufsicht dar, welche teilweise nicht sichtbare Merkmale einer zusammengebauten Dualband-Antennenanordnung 10 zeigt. Es sind zwei im allgemeinen planare Antennenkomponenten mit einem zwischen den Komponenten angeordneten dielektrischen Leiterplattenmaterial (PCB-Material) vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf 3 enthält die Anordnung 10 ein erstes im allgemeinen planares Element 20 mit vorbestimmten Abmessungen in der Form eines leitenden Materials, bevorzugt Kupfer. In anderen Ausführungsformen ist das leitende Material Gold.
Ein kreisförmiger Schlitz 21 mit einem im wesentlichen konstanten radialen Abstand ist in dem Kupferelement 20 ausgebildet und stellt eine ringförmige Schlitzresonanzanordnung bereit. Der Schlitz 21 ist symmetrisch auf dem Element 20 angeordnet, jedoch in anderen Ausführungsform nicht symmetrisch angeordnet. In noch weiteren Ausführungsformen weist der Schlitz 21 eine vorbestimmte Form auf, wobei der radiale Abstand nicht konstant ist. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird ein Schlitz mit nicht-ringförmiger Konfiguration 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 4 enthält die Anordnung 10 auch ein im allgemeinen planares zweites unteres Resonanzelement 30, welches ebenfalls aus Kupfer besteht. In weiteren Ausführungsformen ist das Element aus einem anderen geeigneten Leiter ausgebildet.
Das Element 30 ist ein Flächenelement, welches als Teil einer Schaltung aus Einschnitten wirkt. Es weist eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung 32 mit einem Streifenöffungsabschnitt 35 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 Abmessungen erstreckt sich radial im wesentlichen aus der Mitte der Öffnung 32 fast durch die Streifenöffnung 35 hindurch.
Mehrere Einschnitte 33, 36, 37 und 38 erstrecken sich im wesentlichen radial nach innen in die im wesentlichen kreisförmige Öffnung 32. Die Einschnitte sind im allgemeinen rechteckige Vorsprünge, wobei sie jedoch bei anderen Ausführungsformen jede vorbestimmte Form aufweisen können. Das Element 42 ist ein parasitäres Element, das ebenfalls zur Abstimmung der Schaltung aus Einschnitten genutzt wird.
Die präzise Lage und Form dieser Einschnitte hängt von der erforderlichen Abstimmung und der spezifischen gewünschten Anwendung ab. Das Flächenelement, oder die Filterschaltungen aus Einschnitten, wie sie in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, können geometrisch verändert werden, wobei weitgehend dasselbe Ergebnis erzielt wird. Das Wesen der Flächenelemente besteht darin, daß sie eine Belastung erzeugen und im allgemeinen von einer spezifischen Anwendung abhängig sind. Es hat sich herausgestellt, daß eine spezielle Geometrie und/oder Komponen tenanordnung zur Abstimmung der interessierenden Frequenzbänder führt. Beispielsweise führt die Ver wendung eines anderen Klebebandes zum Befestigen der Anordnung an einer Oberfläche im allgemeinen zu einem unterschiedlichen 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. Beispielsweise 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 unterschiedlicher Flächengeometrie gelangen. Das heißt, es ist kein inhärentes Verhältnis zwischen der Zahl der Flächenelemente, 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 Elemente der Anordnung erzeugte kombinierte Belastung, 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 dielektrisches Material sein Wie am besten in 2 dargestellt ist, weist das PCB-Material 41 die ersten und zweiten integriert auf gegenüberliegenden 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 Befestigung der Antennenanordnung an einem dielektrischen Material freiliegt.
Ein in 2 nicht dargestellter Verbinder 45 ist ebenfalls zur Verbindung mit einem elektrischen Element in der Form eines Vorverstärkers, Sende/Empfängers oder dergleichen vorgesehen. Der Verbinder 45 ist für den Anschluß der zwei Elemente 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 Koaxialkabel an der anderen Seite konfiguriert. Das andere Ende kann jedoch für die Verbindung mit jedem geeigneten elektrischen Kabel konfiguriert sein.
In 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Multiband-Antennenanordnung 60 dargestellt, welche eine im wesentlichen planare Schlitzantenne 61 enthält, die angrenzend an ein im wesentlichen planares Flächenelement 62 angeordnet ist. Die Anordnung 60 enthält ferner ein im wesentlichen planares dielektrisches Material in der Form eines dielektrischen Materials 63, das zwischen der Schlitzantenne 61 und der Filterschaltung aus Einschnitten 62 angeordnet ist.
Das Flächenelement 62 enthält zwei (nicht dargestellte) Einschnitte in der Weise, daß die Resonanzfrequenz der Schlitzantenne 61 verändert wird, um der Anordnung zu ermöglichen, HF-Signale über zwei Frequenzbänder zu senden und/oder zu empfangen. In alternativen Ausführungsformen entsprechen die Anzahl der Einschnitte und deren Formen einer vorbestimmten Anzahl und Form, die der Anzahl von Frequenzbändern entspricht, die von der Anordnung verarbeitet werden soll.
Die Schlitzantenne 61, das Flächenelement 62 und das dielektrische Material 63 sind mittels eines (nicht dargestellten) doppelseitigen Klebebands verbunden. In anderen 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 Ausführungsform ist jedoch der Schlitz ein Schlitz mit ungleichmäßiger Form.
Ein Verbinder 65 steht mit der Schlitzantenne 61 und dem Flächenelement 62 an dem einen Ende in elektrischer Verbindung und ist an dem anderen Ende für eine elektrische Verbindung zu einem Koaxialkabel konfiguriert. In anderen Ausführungsformen kann das andere Ende jedoch für eine elektrische Verbindung 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 verbunden, daß die Schlitzantenne 61, die Filterschaltung 62 und das Dielektrikum 63 in den Abdeckungen eingeschlossen sind. Die Abdeckungen greifen mittels (nicht dargestellter) komplementärer 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 aneinanderliegen, und im wesentlichen die Antenne 61, das Flächenelement 62 und das Dielektrikum 63 einschließen.
6 veranschaulicht das Verhalten der in 1 dargestellten 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 880-890MHz 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-Frequenzen, 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 Abstrahlelement 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, aktives Element wird entlang der anderen ansonsten im wesentlichen leeren Seite der Leiterplatte entlang geführt. Das mittige 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 Worten, der Streifenleiter muß sich auf seiner getrennten Ebene erstrecken, um das von dem Schlitzelement in seiner entsprechenden Ebene definierte Volumen zu schneiden.
Das aktive Element des Streifenleiters ist physikalisch in keiner anderen Weise mit dem Schlitz verbunden, und die Einkopplung der Energie in den strahlenden Schlitz ist einfach ein HF-Phänomen, das auf der Abstimmung der Schaltungen basiert, um es zu ermöglichen.
Die Länge des Streifenleiterelements unterhalb des Schlitzes und in der Tat weitere Abmessungseigenschaften dieses Elementes haben einen wesentlich Einfluß auf die effektive Frequenz des Schlitzelements und den Wirkungsgrad der Energieeinkopplung 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 angeführten 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 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 Fachgebiet nicht bekannt, und erlaubt eine relativ unabhängige Auswahl von Resonanzfrequenzbändern.
Flächenantennen werden im Fachgebiet verbreitet als Einzelantennen 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 verschiedenen geometrischen Formen annehmen, ist aber auf ein spezifisches Frequenzband abgestimmt.
Energie kann auf die Fläche in einer Anzahl von Möglichkeiten einschließlich einer Streifenleitungs- oder Mikrostreifenspeisung eingekoppelt werden. Eine derartige Streifenleitungsspeisung enthält typischerweise eine Streifenleitung, wobei deren Bezugsmasse mit der Masseebenenseite der Leiterplatte verbunden ist, und deren aktives mittiges Element auf der Leiterplatte entlang gezogen ist, und die Energie quer zu dem Speisepunkt der Fläche selbst leitet. Die Energie kann dann in das Flächenelement entweder über eine direkte 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 Fläche 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 Einschränkung 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 Einschränkung 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. Komplexere geometrische Konfigurationen und Kombinationen einfacherer Formen werden ebenfalls für einige spezielle Anwendungen genutzt. Die Auswahl einer speziellen Form hängt von den Parametern ab, die man optimieren möchte, wie z.B. Bandbreite, Seitenkeulen, Kreuzpolarisation und/oder Antennengröße.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Grundantenne eine Schlitzantenne. Anders als eine Flächenantenne kann die Schlitzantenne selbst nicht so geometrisch verändert werden, daß sie die Zweifrequenzband- oder Multifrequenzband-Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt. Das inhärente Betriebsfrequenzband der Schlitzantenne wird verändert, indem sie unter Anwendung eines wechselseitigen Kopplungsmechanismus abgestimmt wird.
In der Implementation der 1 bis 4 wurde die Schlitzantenne (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 Filterschaltung nutzt dieselbe Streifenleitungsspeisung. Das aktive Element 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 Oberseite 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 unter Verwendung einer Reihe geometrischer Formen erreicht. Unter Anwendung dieser Formen wurde die Filterschaltung in Verbindung 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 arbeitet. 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 physikalischen Antennenbefestigungsanordnung kompensiert, wird ein physikalisch kleines und sehr flexibles Produkt bereitgestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden einen weiten Bereich möglicher Anwendungen. Beispielsweise könnte die Dualband-Version der hierin beschriebenen und dargestellten Anordnung dazu genutzt werden, um einem einzelnen Sendeempfänger oder Mobiltelefon den Betrieb sowohl in dem 900 MHz als auch in dem 1800 MHz Mobiltelefonband zu ermöglichen, während ein ähnliches Derivat der Anordnung in ei ner Dualband-Form dazu verwendet werden könnte, einer einzigen Antenne den Betrieb in jedem von zwei anderen Betriebsbändern, 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 Mobiltelefonen genutzt werden und könnte in der Zukunft für die Abdeckung 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 Mobilanwendungen, 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 Zukunftstechnologien 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 Einsatz in Hochleistungsanwendungen im UHF-Bereich und im Bereich tiefer Mikrowellenfrequenzen geeignet ist.
Bevorzugt ist die verwendete Leiterplatte ein starres Epoxy/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 Dimensionsstabilität bereitstellen.
Das Außengehäuse besteht bevorzugt aus ABS-Kunststoffmaterial. 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 bevorzugt Polyurethanband mit geschlossenen Zellen und Acrylkleber auf beiden Seiten. Ein derartiger Schaum ist energievernichtend und hoch verformbar, was ihn besonders für Anwendungen nützlich macht, welche fehlangepaßte Oberflächen und extreme Temperaturen mit sich bringen. Jedes verwendete Band sollte hervorragende Alterungseigenschaften und Umweltbeständigkeiten 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 gedruckte 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 berücksichtigt 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 Betriebsbändern abhängig von den gewählten Materialien und der Nähe dieser Materialien zu dem Strahlungselement der Antennenanordnung 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.

Claims

Antennenanordnung, welche enthält: ein erstes leitendes Element (20, 61) mit einem Schlitz (21, 64), welcher einen geschlossenen Pfad bildet und einen Abschnitt (23, 69) aus einem leitenden Material enthält, der in einem Teil des Schlitzes (21, 64) angeordnet ist; ein zweites leitendes Element (30, 62), das angrenzend an das erste Element angeordnet ist und das aufweist: eine zentrale Öffnung (32) und eine Streifenöffnung (35), die sich von der zentralen Öffnung (32) um eine vorbestimmte Länge über den Rand der Öffnung hinaus erstreckt, ein leitendes Streifenspeiseelement (34), das in der Streifenöffnung (35) angeordnet ist, und mindestens zwei Einschnitte (36, 37) mit vorbestimmten Abmessungen, welche sich im wesentlichen radial nach innen in die zentrale Öffnung (32) hinein erstrecken, wobei das leitende Streifenspeiseelement (34) zumindest teilweise zu dem aus dem geschlossenen Pfad des Schlitzes (21, 64) definierten Volumen überlappend angeordnet ist; einen dielektrischen Isolator (41, 63), der zwischen den leitenden Elementen (20, 30) so angeordnet ist, daß die Anordnung im Betrieb über mindestens zwei Frequenzbänder zum Empfangen und/oder Senden von HF-Signalen verfügt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente (20, 30) und der dielektrische Isolator (41) im allgemeinen planar sind und zwei Hauptoberflächen enthalten.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente (20, 30) auf entsprechende Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators (41) geklebt sind.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente (20, 30) mit einem doppelseitigen Band auf den dielektrischen Isolator (41) geklebt sind.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente (20, 30) integriert auf entsprechenden Hauptoberflächen des dielektrischen Isolators (41) ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Schlitz (21, 64) kreisförmig ist und einen Kreisring definiert.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Schlitz (21, 64) bevorzugt eine gleichmäßige Dicke aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5 wobei der Schlitz (21, 64) nicht-symmetrisch ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Isolator (41, 63) ein PCB-Material ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zentrale Öffnung (32) im wesentlichen kreisförmig ist.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Einschnitte (36, 37) unterschiedliche Formen aufweisen können.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Anwendung in CDMA-, TDMA-, PDS-, Drittgenerations-Mobil- und/oder AMPS-Telekommunikationssystemen, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satellitennavigationssystemen.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitenden Elemente (36, 37) Kupfer enthalten.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche entfernbar in einem dielektrischen Material eingeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Auswahl des Gehäusematerials zu der Abstimmung der Resonanzfrequenz oder der Resonanzfrequenzen der Anordnung beiträgt.
Antennenanordnung, welche enthält: eine Schlitzantenne (21, 64); ein Flächenelement (30, 62) mit einer zentralen Öffnung (32); und ein dielektrisches Material (41, 63), das zwischen der Schlitzantenne (21, 64) und dem Flächenelement (30, 62) angeordnet ist, wobei über die selektive Gestaltung der zentralen Öffnung (32) des Flächenelementes (30, 62) die Resonanzfrequenz der Antenne derart geändert wird, dass die Anordnung HF-Signale über mindestens zwei Frequenzbänder sendet und/oder empfängt.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei das Flächenelement (30, 62) eine Filterschaltung ist.
Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Filterschaltung mindestens vier Einschnitte (33, 36, 37, 38) enthält.
Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Einschnitte (33, 36, 37, 38) verschiedene Formen aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 19, wobei die Anordnung im Einsatz HF-Signale über vier Frequenzbänder sendet und/oder empfängt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Filterschaltung, die Schlitzantenne (21, 64) und das dielektrische Material (41, 63) im allgemeinen planar sind.
Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Filterschaltung, die Schlitzantenne (21, 64) und das dielektrische Material (41, 63) in integrierter Form ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Filterschaltung und die Schlitzantenne (21, 64) jeweils auf das dielektrische Material (41, 63) geklebt sind.
Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Filterschaltung und die Schlitzantenne (21, 64) mittels eines doppelseitigen Klebebandes geklebt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei der Schlitz (21, 64) kreisförmig ist und einen Kreisring definiert.
Anordnung nach Anspruch 25, wobei der Schlitz (21, 64) eine nicht gleichmäßige Dicke aufweist.
Anordnung nach Anspruch 26, wobei die Einschnitte (33, 36, 37, 38) verschiedene Formen aufweisen
Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 25 zur Anwendung in CDMA-, TDMA-, PDS-, Drittgenerations-Mobil- und/oder AMPS-Telekommunikationssystemen, UHF- und/oder VHF-Fernsehsystemen, und/oder GPS-Satellitennavigationssystemen.