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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft kleine Mikrostrip-Antennen, die auf vielen verschiedenen
Frequenzbändern
arbeiten. Insbesondere betrifft die Erfindung interne, in Mobiltelefonen
verwendete Antennen, die von einem Speisepunkt gespeist werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
der vorliegenden Patentanmeldung umfasst ein Frequenzbereich ein
oder mehrere Frequenzbänder,
d.h. ein Frequenzband ist Bestandteil des Frequenzbereichs. Des
Weiteren ist mit dem Empfangsband ein Frequenzband gemeint, das
für eine
Downlink-Datenübertragung
reserviert ist, und mit dem Sendeband ist ein Frequenzband gemeint, das
für eine
Uplink-Datenübertragung
reserviert ist.
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Bei
Mobiltelefonen kommt es zu einer Umstellung auf Endgeräte, die
in mehreren Frequenzbereichen arbeiten. Solche Lösungen für mehrere Frequenzbereiche
umfassen so genannte Dualband-Endgeräte, die derzeit verwendet werden,
die in zwei Frequenzbereichen arbeiten.
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Dualband-Endgeräte wurden
sowohl bei einer externen als auch einer internen Antenne implementiert.
Die externe Antenne, die beispielsweise eine Monopol- oder eine
Helixantenne oder Kombination davon sein kann, ist hinsichtlich
ihrer Herstellung anspruchsvoll und bricht leicht. Daher erfolgt
bei Mobiltelefonen eine zunehmende Umstellung auf interne Antennenstrukturen,
die durch Mikrostrip-Antennen implementiert werden. Der Vorteil
von internen Antennen im Vergleich zu externen Antennen ist die
Einfachheit der Herstellungstechnik und mit zunehmendem Integrationsgrad
die Beschleunigung der Serienproduktion sowie die Struktur, die
haltbarer ist als diejenige von externen Antennen.
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Eine
herkömmliche
Mikrostrip-Antenne umfasst eine Erdungsebene und ein abstrahlendes
Antennenelement, das von der Erdungsebene durch eine Isolierschicht
isoliert ist. Die Resonanzfrequenz der Mikrostrip-Antenne wird auf
der Basis der physikalischen Abmessungen des Antennenelements und des
Abstands zwischen dem Antennenelement und der Erdungsebene bestimmt.
Das Funktionsprinzip und die Auslegung von Mikrostrip-Antennen sind bekannt,
und sie werden in fachbezogener Literatur beschrieben.
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1a und 1b zeigen
eine Mikrostrip-Antenne und eine L-Ebenen-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die hierin im Folgenden in der vorliegenden Patentanmeldung
als L-Antenne bezeichnet wird.
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Die
Mikrostrip-Antenne besteht aus einer Erdungsebene, einem abstrahlenden
Antennenelement sowie einer Speiseleitung. Zwischen und oberhalb
der Erdungsebene und des Antennenelements befindet sich entweder
Luft oder irgendein dielektrisches Mittel als ein isolierendes Material.
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Herkömmlicherweise
ist die L-Antenne eine Peitschenantenne, die in der Nähe der Erdungsebene
parallel zu der Erdungsebene gebogen ist, wodurch die Antenne einen
niedrigen Speisescheinwiderstand aufweist. Es ist auch möglich, aus
der L-Antenne eine Mikrostrip-Antenne
zu bauen, die aus einer Erdungsebene, einem abstrahlenden Antennenelement
sowie einer Speiseleistung besteht.
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Normalerweise
wird die Länge
des resonanten Anteils der Antenne in Wellenlängen als die Differenz zwischen
der Mikrostrip-Antenne und der L-Antenne definiert. Die elektrische
Länge der
Mikrostrip-Antenne beträgt
eine halbe Wellenlänge,
wogegen herkömmlicherweise
die elektrische Länge
der L-Antenne ein Viertel einer Wellenlänge beträgt. Aus der elektrischen Länge der
L-Antenne folgt,
dass der maximale Strom der L-Antenne am Eingang vorliegt.
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Normalerweise
wird die Mikrostrip-Antenne auf einem Substrat mit zwei Seiten hergestellt,
wobei eine Metallbeschichtung von einer davon als die Erdungsebene
fungiert und auf der anderen das Muster des Antennenelemente durch Ätzen hergestellt
wird. Das Antennenelement wird durch die Speiseleitung, die an das
Antennenelement angekoppelt ist, entweder von einer Seite (1a)
gespeist, oder indem die Speiseleitung durch die Erdungsebene und
das isolierende Material geführt
wird (1b). Die Resonanzfrequenz der
Mikrostrip- und L-Antennen wird durch die physikalischen Abmessungen
des Antennenelements, die Stelle des Speisepunkts sowie bis zu einem
gewissen Grad die Position des Antennenelements in Bezug auf die
Erdungsebene beeinflusst.
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Die
Größe der Mikrostrip-Antenne
wurde reduziert, indem eine so genannte PIFA-Antenne (PIFA, Planar
Inverted F-Antenna)
entwickelt wurde, die in 2b gezeigt
ist. In der PIFA-Antenne ist das Antennenelement durch eine Erdungsleitung
an die Erdungsebene gekoppelt. Somit kann das tatsächliche Antennenelement
so ausgelegt werden, dass es beträchtlich kleiner ist als in
dem Fall der Mikrostrip-Antenne. Des Weiteren kann durch Optimieren
der Stelle des Speisepunkts der Speisescheinwiderstand der Antenne
auf den gewünschten
Impedanzpegel geändert
werden, was in der L-Antenne nicht möglich ist. Die Resonanzfrequenz
der PIFA-Antenne wird durch die physikalischen Abmessungen des Antennenelements
und der Erdungsebene sowie durch den Abstand des Antennenelements
von der Erdungsebene beeinflusst. Das Antennenelement wird entweder von
einer Seite (2a) gespeist, oder indem die Speiseleitung
durch die Erdungsebene und das isolierende Material (2b)
geführt
wird. Wird die Breite der Erdungsleitung eingeengt, nimmt die Resonanzfrequenz
der Antenne ab. Die Erdungsleitung kann so breit sein wie das ganze
Antennenelement oder an ihrer engsten Stelle kaum wie ein Leiter.
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Des
Weiteren ist das kapazitive Speisen einer Mikrostrip-Antenne bekannt.
In einer kapazitiv gespeisten Mikrostrip-Antenne ist ein Speiseelement zwischen
dem Antennenelement und der Erdungsebene vorhanden, wodurch eine
kapazitive Kopplung zwischen dem Antennenelement und dem Speiseelement
ausgebildet wird. Die Speiseleitung ist mit dem Speiseelement gekoppelt,
das Energie weiter an das Antennenelement abstrahlt. Die kapazitive Kopplung
kann sowohl in der Mikrostrip-Antenne (3) als auch
der PIFA-Antenne (4) implementiert werden.
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Das
Problem von Mikrostrip-Antennen ist die schmale Bandbreite. Die
Frequenzbereiche der 2. Generation von mobilen Kommunikationssystemen sind
einigermaßen
schmal, und daher können
sie durch Mikrostrip-Antennen implementiert werden. Zum Beispiel
beträgt
der Frequenzbereich des GSM-Systems 890–960 MHz, wobei ein Sendeband 890–915 MHz
und ein Empfangsband 890–960
MHZ aufweist. Somit beträgt
die erforderliche Bandbreite eines Antennenelements nicht weniger
als 70 MHz. Auf Grund der Produktionstoleranzen und der Objekte
in der Nähe
der Antenne, beispielsweise die Hand eines Benutzers, muss die Bandbreite
des Antennenelements sogar noch breiter sein. Die Frequenzbereiche
der 3. Generation von mobilen Kommunikationsbereichen, wie beispielsweise
Breitband-CDMA-Systeme, sind noch beträchtlich breiter als zum Beispiel diejenigen
des GSM-Systems, und daher ist ihre Implementierung mit Mikrostrip-Antennen
schwierig. Zum Beispiel weist ein Sendeband des W-CDMA-Systems 1920–1980 MHz
und ein Empfangsband 2110–2170
MHz auf. Somit beträgt
die gesamte Breite des Frequenzbereichs 250 MHz. Aus diesem Grund
wurde die Bandbreite von Mikrostrip-Antennen gemäß dem oben beschriebenen bisherigen Stand
der Technik so weit wie möglich
durch Lösungen
erweitert, bei denen mehrere Resonanzfrequenzen, die nahe beieinander
liegen, in einem Antennenelement implementiert werden.
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Lösungen sind
aus dem bisherigen Stand der Technik bekannt, bei denen mehrere
Resonanzfrequenzen, die nahe beieinander liegen, in einem Antennenelement
implementiert werden. In einer Lösung
wird die Anzahl der Resonanzfrequenzen erhöht, indem Schlitze zu dem Antennenelement
hinzugefügt
werden. Allerdings wirken die Schlitze im Fall von kleinen Antennen
leicht als Schlitzstrahler, wodurch die Antennenelemente, die nahe
beieinander schwingen, stark miteinander gekoppelt werden und einen
Resonator um den Schlitz bilden. Daraus folgt des Weiteren, dass
bei der fraglichen Frequenz der Strahlungswiderstand niedrig ist
und die Stromdichten in der Nähe
des Schlitzes hoch sind, wodurch sich der Verlust der Antenne erhöht. Demzufolge
wird durch die Vergrößerung der
Bandbreite einer Mikrostrip-Antenne in der fraglichen Weise nur
auf Kosten des Verstärkungs-
und Strahlungswirkungsgrads Erfolg erzielt. Daher können mit
der fraglichen Lösung beispielsweise
die Verstärkungswerte,
die für
Breitband-CDMA-Systeme der 3. Generation erforderlich sind, nicht
erzielt werden.
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Bei
den oben beschriebenen Mikrostrip-Antennen wurde auch der Versuch
unternommen, Antennenstrukturen zu entwickeln, die in mehreren Frequenzbereichen
arbeiten. Zum Beispiel kann eine Antennenstruktur von zwei Frequenzbereichen
durch einen gemeinsamen Speisepunkt und ein Antennenelement implementiert
werden, dessen Resonanzfrequenz durch einen Schalter und eine elektrische
Ladung an den Frequenzbereich eines anderen mobilen Kommunikationssystems
angepasst werden kann. Eine zweite Alternative besteht darin, ein
Antennenelement und zwei getrennte Speisepunkte zu verwenden, wodurch
zwei verschiedene Resonanzfrequenzen in dem Antennenelement erzeugt
werden. Eine dritte Alternative besteht darin, zwei Antennenelemente
zu verwenden, die mit einem gemeinsamen Speisepunkt gekoppelt sind.
In diesem Fall weisen beide Antennenelemente eine Resonanzfrequenz
auf.
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5 zeigt
eine PIFA-Antenne mit zwei Frequenzbereichen gemäß dem bisherigen Stand der Technik,
die von einem Speisepunkt gespeist wird. Die Resonanzfrequenz des
Antennenelements wird entweder angepasst, indem zwischen das Antennenelement
und die Erdungsebene eine elektrische Ladung gekoppelt wird. Alternativ
kann die Ladung auch als Teil der Speiseleitung gekoppelt werden.
Die Ladung kann eine reagierende Komponente sein, beispielsweise
eine Kapazitanz oder Induktanz. Die Größe der Veränderung in der Resonanzfrequenz wird
auf der Basis der elektrischen Ladung bestimmt.
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Eine
Lösung
gemäß 5 wird
beispielsweise in der Veröffentlichung "Electric Tuning of
Integrated Mobile Phone Antennas",
Louhos, J–P,
Pakinaho, I, Proceedings of The 1999 Antenna Applications Symposium,
Allerton Park, Monticello, Illinois, 15.–17. September 1999 beschrieben.
In der fraglichen Lösung
ist es möglich,
mit einer PIFA-Antenne sowohl auf einem Sende- als auch einem Empfangsband
des GSM900-Systems zu arbeiten. Das Antennenelement ist so ausgelegt,
dass die erste Resonanzfrequenz aus dem Empfangsband des GSM900-Systems
ausgewählt
wird. Die Resonanzfrequenz wird auf eine niedrigere Resonanzfrequenz eingestellt,
indem die kapazitive Ladung C mit einem Schalter S zwischen dem
Antennenelement und der Erdungsebene gekoppelt wird, wodurch die
Resonanzfrequenz des Antennenelements zum Sendeband des GSM900-Systems
wechselt.
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6 und 7 beschreiben
die Antennenstrukturen, die in der Veröffentlichung "Dual Frequency Planar
Inverted F-Antenna" (Liu Z. und andere, IEEE
Transactions on Antennas & Propagation,
Nr. 10, Oktober 1997, Seite 1451–1458) beschrieben wurde, bei
denen zwei Resonanzfrequenzen in einer PIFA-Antenne implementiert
werden.
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In
einer Lösung
gemäß 6 wird
von einer PIFA-Antenne E1 ein Teil E2 getrennt, der für einen höheren Frequenzbereich
ausgelegt ist. Das erste Antennenelement E1 wird von einem Speisepunkt
F1 gespeist, und das zweite Antennenelement E2 wird von einem zweiten
Speisepunkt F2 gespeist. Beide Antennenelemente sind geerdet und
so ausgelegt, dass sie verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen.
Für die
Erdung wird eine Vielzahl von Erdungsstiften G1, G2 verwendet. Die
Polarisationen der Antennenelemente sind die gleichen.
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In
der Lösung
gemäß 7 sind
die Antennenelemente aneinander gekoppelt, wodurch ein Antennenelement
E3 gebildet wird, das von einem Speisepunkt F3 gespeist wird. Für die Erdung
wird eine Vielzahl von Erdungsstiften G3, G4, G5 verwendet. In diesem
Fall können
in einer geschlitzten PIFA-Antenne zwei Resonanzfrequenzen implementiert
werden. Allerdings wird die Auslegung der Antennenelemente beträchtlich
schwieriger, weil die Antennenelemente an den gleichen Speisepunkt
gekoppelt sind, und die Verstärkung,
Impedanz und Bandbreiten der Antennenelemente voneinander abhängen. Auch
bei dieser Lösung
sind die Polarisationen der Antennenelemente die gleichen.
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Der
Vorteil eines Speisepunkts im Vergleich zu Lösungen mit einer Vielzahl von
Speisepunkten besteht darin, dass die Herstellung der Antennenelemente
einfacher wird und der Bedarf an Kontaktflächen sich verringert. Die erforderliche
Fläche
wird auch kleiner. Außerdem
wird von Herstellung, Bedienpersonen und Behörden gewünscht, den Betrieb einer Antenne
sowie die Stärke
und Qualität
des durch ein Mobiltelefon gesendeten und empfangenen Signals an
einem Speisepunkt zu messen.
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Im
Fall eines Speisepunkts und mehrerer Antennenelemente besteht das
größte Problem
in der Zwischenkopplung der Antennenelemente, wodurch der Strahlungswirkungsgrad
der Antennenstruktur beeinträchtigt
wird. Auf Grund der Zwischenkopplung der Antennenelemente wird ausgehend
von dem Antennenelement, das mit einem ersten Frequenzbereich arbeitet,
Energie mit dem Antennenelement eines zweiten Frequenzbereichs und
umgekehrt gekoppelt. Daher muss bei den fraglichen Lösungen mit mehreren
Antennenelementen die nachteilige Zwischenkopplung von Antennenelementen reduziert werden,
um einen guten Strahlungswirkungsgrad zu erzielen.
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Bei
den oben beschriebenen Lösungen
des bisherigen Stands der Technik verlaufen die Antennenelemente
parallel zu der Erdungsebene, wodurch die Kopplung zwischen den
Antennenelementen und der Erdungsebene in hohem Maße kapazitiv
ist. Aus der kapazitiven Kopplung wiederum folgt, dass die Antennenelemente übertragungsunsymmetrisch sind.
Die Sendeantennen, die in Mobiltelefonen verwendet werden, sollten übertragungsunsymmetrisch sein,
wogegen ihre Empfangsantennen so isotrop, d.h. so omnidirektional
wie möglich
sein sollten. Zum Beispiel arbeitet die Antennenstruktur gemäß 5 gut,
wenn Informationen von einem Mobiltelefon zu einer Basis-Sende/Empfangsstation
gesendet werden, doch Informationen, die von der Basis-Sende/Empfangsstation
gesendet werden, sollten in allen verschiedenen Arbeitspositionen
des Telefons empfangen werden.
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Zwar
ist es bei den oben genannten Lösungen
möglich,
von einem Frequenzbereich in einen anderen zu wechseln, doch sind
die Lösungen
in dem GSM-System implementiert, d.h. mit einigermaßen schmalen
Bandbreiten. Außerdem
sind die Antennenelemente übertragungsunsymmetrisch,
wodurch sie nicht unbedingt ausreichend gut arbeiten, wenn sie ein
Breitbandsignal empfangen. Andererseits ist das Problem, abgesehen
von den oben erwähnten,
mit der Antennenstruktur von zwei Antennenelementen, die von einem
Speisepunkt gespeist werden, auch die Zwischenkopplung der Antennenelemente.
Daher war es nicht möglich,
Antennenlösungen,
die für
die 3. Generation von Mobiltelefonen erforderlich sind und den Verstärkungs-,
Strahlungswirkungsgrad- und Bandbreitenwerten entsprechen, durch
Mikrostrip-Antennen des bisherigen Stands der Technik zu implementieren.
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Gemäß den oben
genannten Faktoren war es mit Mikrostrip-Antennen gemäß dem bisherigen Stand der
Technik auch nicht möglich,
eine Antennenstruktur zu implementieren, die einen Speisepunkt aufweist
und ausreichend optimal in Mobiltelefonen der 2. und der 3. Generation
arbeiten würde.
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Dokument
GB 2 317 994 offenbart eine Mehrresonanz-Antenne
mit leitenden Antennenelementen, die sich senkrecht von der Erdungsebene aus
erstrecken.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine Antennenstruktur, die von einem
Speisepunkt aus gespeist wird und auf mehreren verschiedenen Frequenzbändern arbeitet,
mit denen zusätzlich
zu einer guten Bandbreite auch eine Übertragungsunsymmetrie beim
Senden und Isotropie beim Empfangen erzielt wird, in einer neuen
Weise implementiert. Die Verstärkung
und der Strahlungswirkungsgrad der Antennenstruktur wird ausgeglichen,
indem die störenden
Zwischenkopplungen der Antennenelemente reduziert werden. Außerdem ist
auf Grund der Positionierung der Antennenelemente der Raum, der
durch die gesamte Antennenstruktur beansprucht wird, kleiner im
Vergleich zu den Antennen eines entsprechenden Frequenzbereichs.
Demzufolge ist es einfach, eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung beispielsweise
in einem Mobiltelefon oder einer Antenneneinheit zu positionieren,
die mit einem Mobiltelefon gekoppelt werden soll.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden sowohl durch eine neue Frequenzband-Lösung als
auch eine neue Positionierung der Antennenelemente erfüllt, wodurch
die Implementierung einer Antennenstruktur ermöglicht wird, die auf einem
Breitband arbeitet. In der Frequenzband-Lösung ist das Sendeantennenelement
der Antenne mit einem niedrigeren Frequenzbereich übertragungsunsymmetrischer
als das empfangende Antennenelement mit einem höheren Frequenzbereich. Außerdem reduziert
die Positionierung von Antennenelementen gemäß der Erfindung die Zwischenkopplung
von wenigstens zwei Antennenelementen, wodurch die Verstärkung und der
Strahlungswirkungsgrad der Antennenstruktur gut werden.
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Der
grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, statt einem Sende-
und Empfangs-Antennenelement zwei Antennenelemente zu verwenden,
die über
eine Kopplungsleitung so miteinander gekoppelt sind, dass ein erstes
Antennenelement verwendet wird, um Informationen von einem Empfangsband
eines ersten Funkssystems zu empfangen, und ein zweites Antennenelement
verwendet wird, um Informationen auf einem Sendeband des ersten
Funksystems zu senden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
das erste Empfangsband ein Empfangsband irgendeines Breitband-CDMA-Systems
eines Mobiltelefons der 3. Generation, und das erste Sendeband ist
ein Sendeband des gleichen Breitband-CDMA-Systems. Auf diese Weise
wird die Antennenstruktur dazu gebracht, auf einem Breitband zu
arbeiten, und es ist möglich,
in einem breiten Frequenzbereich zu arbeiten.
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Gemäß der Erfindung
werden die Antennenelemente so positioniert, dass das erste Antennenelement,
das vorzugsweise ein Empfangsantennenelement ist, sich auf der Seite
der Erdungsebene und senkrecht zu der Erdungsebene befindet, und
das zweite Antennenelement, das vorzugsweise ein Sendeantennenelement
ist, sich seinerseits oberhalb der Erdungsebene und parallel zu
der Erdungsebene befindet. Somit kann das erste Antennenelement
omnidirektional und das zweite Antennenelement übertragungsunsymmetrisch gemacht
werden. Es ist auch wenig störende
Zwischenkopplung zwischen den Antennenelementen vorhanden, wodurch
ein guter Verstärkungs-
und Strahlungswirkungsgrad durch die Antennenstruktur erzielt werden.
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Eine
störende
Zwischenkopplung kann des Weiteren reduziert werden, indem die Polarisationen des
ersten und des zweiten Antennenelements so ausgelegt werden, dass
sie sich voneinander unterscheiden, wodurch eine gute Polarisationsdämpfung zwischen
den Antennenelementen erzeugt wird.
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Durch
Verbessern der Kopplung zwischen den Resonanzen der ersten Antenne
und der Erdungsebene können
die Effizienz und die Omnidirektionalität der Antenne auf dem Empfangsband
verbessert werden. Dies kann am besten so implementiert werden,
dass sich das offene Ende des ersten Antennenelements in der Nähe der oberen
Kante der Leiterplatine befindet, wodurch die elektrischen Felder
der Antenne und der Erdungsebene an dem "offenen" Ende von beiden Strahlern stark miteinander gekoppelt
werden. Dadurch wirkt das Antennenelement als ein Speiseelement
für die
Erdungsebene, die als ein Hauptstrahler wirkt.
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Die
Kopplung zwischen dem zweiten Antennenelement und der Erdungsebene
kann wiederum reduziert werden, indem das zweite Antennenelement
so auf der Erdungsebene positioniert wird, dass das offene Ende,
der Speisepunkt und der Erdungspunkt des zweiten Antennenelements
sich mehr in der Mitte der Erdungsebene befinden. In diesem Fall kann
die Antennenstruktur gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
in einem Mobiltelefon positioniert werden, das zum Beispiel eine
Kamera und eine GPS-Antenne aufweist.
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In
der bevorzugten Lösung
kann die Anpassung des ersten Antennenelements des Weiteren verbessert
werden, indem eine Kopplungsleitung, welche die Antennenelemente
von dem Eingang zu dem zweiten Antennenelement verbindet, und eine Erdungsleitung,
die von dem zweiten Antennenelement zu der Erdung reicht, so ausgelegt
werden, dass ihre gemeinsame elektrische Länge ein Viertel einer Wellenlänge der
Resonanzfrequenz der ersten Antenne beträgt. Dadurch erkennt das erste
Antennenelement die fragliche Erdung als offen, und die Antenne
arbeitet effizient als Monopol- (d.h. Monopol-Falt-) Antenne. Daraus
folgt auch, dass, obwohl die Erdungsleitung des ersten Antennenelements
geringfügig
kürzer
als ein Viertel einer Wellenlänge
ist, ihre Auswirkung auf die Anpassung des ersten Antennenelements
kleiner ist als auf die Anpassung des zweiten Antennenelements,
und daher ist die Kapazitanz des ersten Antennenelements in Bezug
auf die Erdungsebene an der optimalen Position des ersten Antennenelements
geringer, so dass Strahlungswiderstand und Speisescheinwiderstand
des ersten Antennenelements ausreichend hoch sind.
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Die
Eignung der Antennenlösung
gemäß der Erfindung
für Endprodukte
kann des Weiteren mit einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
verbessert werden, wobei das zweite Antennenelement so ausgelegt
wird, dass es auch in dem Frequenzbereich oder einem Teil des Frequenzbereichs eines
zweiten mobilen Kommunikationssystems arbeitet. In diesem Fall kann
zum Beispiel eine Antennenstruktur implementiert werden, wobei durch
das erste Antennenelement ein Empfangsband eines Breitband-Funksystems
implementiert wird. Durch das zweite Antennenelement werden sowohl
ein Sendeband eines Breitband-Funksystems und wenigstens ein Sendeband
eines zweiten Funksystems, welches z.B. ein Sendeband, eine Empfangsband oder
beides des GSM1800- oder GSMA1900-Systems ist, implementiert.
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Es
bleibt immer eine kleine, störende,
zu Verlusten führende
Zwischenkopplung zwischen den Antennenelementen bestehen, was es
schwieriger macht, das zweite Antennenelement anpassungsfähig zu implementieren.
In dem fraglichen Fall wird die Implementierung des zweiten Antennenelements
auf Grund des ersten Antennenelements jedoch einfacher, weil das
erste Antennenelement die Anpassung des zweiten Antennenelements
an eine niedrigere Resonanzfrequenz auf dem Frequenzband der GSM1800-
oder GSMA1900-Systeme leicht verbessert und damit gleichzeitig zu
der Bandbreite beiträgt. Demzufolge
ist es durch die Antennenstruktur gemäß der Erfindung möglich, eine
Antennenstruktur zu implementierten, die in mobilen Kommunikationssystemen
der 2. und der 3. Generation arbeitet.
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In
der Antennenstruktur gemäß der Erfindung
wirken sich die Antennenelemente nicht gegenseitig beträchtlich
nachteilig auf ihre Eigenschaften aus, wodurch es leicht ist, zu
dem gleichen Speisepunkt Antennenelemente hinzuzufügen, die
unterhalb und oberhalb des ersten Sendebands arbeiten. Auf diese
Weise kann die Funktion der Antennenstruktur gemäß der Erfindung beispielsweise
auf Frequenzbereiche der GSM900 oder PDC800-Systeme ausgedehnt werden,
indem Antennenelemente verwendet werden, die für die fraglichen Frequenzbereiche
ausgelegt sind. Das Hinzufügen
von Antennenelementen, die oberhalb des ersten Frequenzbereichs arbeiten,
ist sogar noch einfacher, weil mit zunehmenden Frequenzen die Größe der Antennenelement
kleiner wird. Es ist einfach, in die Antennenstruktur zum Beispiel
wenigstens eines der Antennenelemente der folgenden Systeme zu implementieren:
Bluetooth, WLAN (Wireless Local Area Network) oder GPS (Global Positioning
System).
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Antennenstruktur implementiert, die
ein erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement, eine Erdungsebene
für die
Erdung der Antennenstruktur, eine Kopplungsleitung, um das erste
Antennenelement und das zweite Antennenelement miteinander zu koppeln,
und eine mit der Kopplungsleitung gekoppelte Speiseleitung zum Speisen der
Antennenstruktur durch einen Speisepunkt umfasst, wobei das erste
Antennenelement sich in der Nähe
der Erdungsebene und senkrecht zu der Erdungsebene befindet, und
das zweite Antennenelemente sich oberhalb der Erdungsebene und parallel zu
der Erdungsebene befindet, und das zweite Antennenelement kapazitiv
mit der Erdungsebene gekoppelt ist.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Koppeln
eines Signals mit einer Antennenstruktur implementiert, welche ein
erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement, eine Erdungsebene
für die
Erdung der Antennenstruktur, eine Kopplungsleitung, um das erste
Antennenelement und das zweite Antennenelement miteinander zu koppeln,
und eine mit der Kopplungsleitung gekoppelte Speiseleitung zum Speisen der
Antennenstruktur umfasst, und wobei das Verfahren Kopplungssignale
umfasst, die durch einen Speisepunkt an die Antennenstruktur gesendet
und von dieser empfangen werden sollen, wobei das Verfahren das
Positionieren des ersten Antennenelements in der Nähe der Erdungsebene
und senkrecht zu der Erdungsebene, und das Positionieren des zweiten Antennenelements
oberhalb der Erdungsebene und parallel zu der Erdungsebene und das
Koppeln des zweiten Antennenelements mit der Erdungsebene umfasst.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Antenneneinheit implementiert,
die eine Antennenstruktur umfasst, wobei die Antennenstruktur ein
erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement, eine Erdungsebene
für die
Erdung der Antennenstruktur, eine Kopplungsleitung, um das erste
Antennenelement und das zweite Antennenelement miteinander zu koppeln,
und eine Speiseleitung zum Speisen der Antennenstruktur durch einen
Speisepunkt umfasst, und wobei die Antennenstruktur auf einem isolierenden
Material hergestellt wird, das eine Basis und wenigstens einen Wandbereich
aufweist, wobei sich der Wandbereich in eine Richtung erstreckt,
die von der Basis abweicht, und wobei die Form der Antennenstruktur
den Formen der Basis und des Wandbereichs folgt, und wobei sich
das erste Antennenelement in der Antennenstruktur in der Nähe der Erdungsebene
und senkrecht zu der Erdungsebene befindet und das zweite Antennenelement
sich oberhalb der Erdungsebene und parallel zu der Erdungsebene
befindet, und das zweite Antennenelement mit einer Erdungsleitung
geerdet und kapazitiv mit der Erdungsebene gekoppelt ist.
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Gemäß einem
vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Mobiltelefon implementiert,
das eine Antennenstruktur aufweist, wobei die Antennenstruktur ein
erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement, eine Erdungsebene
für die
Erdung der Antennenstruktur, eine Kopplungsleitung, um das erste
Antennenelement und das zweite Antennenelement miteinander zu koppeln,
und eine mit der Kopplungsleitung gekoppelte Speiseleitung zum Speisen der
Antennenstruktur durch einen Speisepunkt umfasst, und wobei sich
das erste Antennenelement in der Antennenstruktur in der Nähe der Erdungsebene und
senkrecht zu der Erdungsebene befindet und das zweite Antennenelement
sich oberhalb der Erdungsebene und parallel zu der Erdungsebene
befindet, und das zweite Antennenelement mit der Erdungsleitung
geerdet und kapazitiv mit der Erdungsebene gekoppelt ist.
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LISTE DER
ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf
die folgenden beigefügten Zeichnungen
beschrieben:
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1a zeigt
eine Mikrostrip-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die von einer Seite gespeist wird;
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1b zeigt
eine L-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die durch eine Erdungsebene und ein isolierendes
Material gespeist wird;
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2a zeigt
eine PIFA-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die von einer Seite gespeist wird;
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2b zeigt
eine PIFA-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die durch eine Erdungsebene und ein isolierendes
Material gespeist wird;
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3 zeigt
eine kapazitiv gespeiste Mikrostrip-Antenne;
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4 zeigt
eine kapazitiv gespeiste PIFA-Antenne;
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5 zeigt
eine PIFA-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, deren Resonanzfrequenz anpassungsfähig ist;
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6 zeigt
eine PIFA-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die in zwei Frequenzbereichen arbeitet und zwei
getrennte Speisepunkte aufweist;
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7 zeigt
eine PIFA-Antenne gemäß dem bisherigen
Stand der Technik, die in zwei Frequenzbereichen arbeitet und einen
Speisepunkt aufweist;
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8a zeigt
eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung
von oben gesehen;
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8b zeigt
eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung
von der Seite gesehen;
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8c;
zeigt eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung
von vorne gesehen;
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9 zeigt
dreidimensional eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung;
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10 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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11 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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12 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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13 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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14 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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15 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform;
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16a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines T-Elements;
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16b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines T-Elements;
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16c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines T-Elements;
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17 zeigt
eine Antenneneinheit;
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18 zeigt
ein Mobiltelefon;
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19 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
im Folgenden dargestellten Figuren sind beispielhaft und umfassen
nur die Teile, die zum Verständnis
der Funktionsweise einer Antennenstruktur 100 notwendig
sind. Für
die gleichen Teile werden in den 8–10 die
gleichen Bezugszeichen verwendet.
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8a, 8b und 8c zeigen
die Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung jeweils von oben,
von einer Seite und von der Vorderseite aus gesehen. 9 wiederum
zeigt die Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung dreidimensional.
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Die
Antennenstruktur 100 besteht aus einem ersten Antennenelement 101,
einem zweiten Antennenelement 102, einer Erdungsebene 105,
einer Kopplungsleitung 106, welche die Antennenelemente
verbindet, eine Speiseleitung 107 und eine Erdungsleitung 108,
die von dem zweiten Antennenelement 102 mit der Erdungsebene 105 gekoppelt
ist. Des Weiteren umfasst das erste Antennenelement 101 einen
ersten Abstimmschlitz 109, und das zweite Antennenelement
umfasst einen zweiten Abstimmschlitz 110.
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Somit
besteht die Antennenstruktur gemäß der Erfindung
aus einer Mikrostrip-Antenne und einer PIFA-Antenne, die mit der
Speiseleitung der L-Antenne miteinander gekoppelt sind. Der Speisepunkt
der Antennenstruktur befindet sich auf der Verbindung der Speiseleitung
der Mikrostrip-Antenne
und der PIFA-Antenne oder in unmittelbarer Nähe der Verbindung. Die Mikrostrip-Antenne
und die PIFA-Antenne weisen
ebenfalls Abstimmschlitze auf. Die Kopplungsleitung 106,
die Speiseleitung 107 und die Erdungsleitung 108 sind
vorzugsweise Mikrostrips, aber andere einem Fachmann bekannte Leiter
können
ebenfalls verwendet werden.
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Das
zweite Antennenelement 102 ist eine viereckige Ebene, die
parallel zur Erdungsebene verläuft.
Von der Ecke aus, die von einer ersten und einer zweiten Seite der
Ebene ausgebildet wird, beginnt die Kopplungsleitung 106,
die sich von dem zweiten Antennenelement 102 weg fortsetzt
und zur Erdungsebene 105 hin biegt, so dass sie im Wesentlichen
von der Ebene des zweiten Antennenelements 102 abweicht.
Die Kopplungsleitung 106 ist einigermaßen schmal verglichen mit den
Längen
der Seiten des zweiten Antennenelements 102. Die Länge der Kopplungsleitung
hängt von
den elektrischen Längen der
gewünschten
Resonanzfrequenz ab.
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Das
erste Antennenelement 101 befindet sich am Ende der Kopplungsleitung 106 und
verläuft senkrecht
zu der Erdungsebene. Das erste Antennenelement 101 ist
eine viereckige Ebene, die zwei kürzere und zwei längere Seiten
aufweist. Das erste Antennenelement 101 beginnt ab dem
Ende der Kopplungsleitung 106, so dass die längeren Seiten parallel
zu der Erdungsebene 105 und die kürzeren Seiten senkrecht zu
der Erdungsebene 105 verlaufen. Das erste Antennenelement 101 biegt
sich zum zweiten Antennenelement 102 hin, parallel zu der ersten
Seite des zweiten Antennenelements 102.
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Durch
das erste Antennenelement wird der obere Teil des Frequenzbereichs
eines Breitband-Funksystems (z.B. ein Empfangsband des W-CDMA-Systems)
implementiert, und durch das zweite Antennenelement wird der untere
Teil eines Breitband-Funksystems (z.B. eine Sendeband des W-CDMA-Systems) implementiert.
Die Seiten des ersten Antennenelements 101 sind kürzer als
die Seiten des zweiten Antennenelements 102, wodurch das
erste Antennenelement 102 auf einer kürzeren Wellenlänge arbeitet,
d.h. bei einer höheren
Resonanzfrequenz. Demzufolge ist die Fläche des ersten Antennenelements 101 kleiner
als die Fläche
des zweiten Antennenelements 102. Außerdem ist das erste Antennenelement
weniger kapazitiv mit der Erdungsebene 105 gekoppelt als
das zweite Antennenelement 102.
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Zum
Reduzieren der Zwischenkopplung können die Polarisationen der
Antennenelemente so ausgelegt werden, dass sie sich voneinander
unterscheiden. Das erste Antennenelement 101 wird beispielsweise
elliptisch polarisiert, und das zweite Antennenelement wird mehr
linear polarisiert. Dementsprechend, je nach der Positionierung
eines Antennenelements in einem Mobiltelefon, kann das zweite Antennenelement 102 elliptisch
polarisiert und das erste Antennenelement 101 mehr linear
polarisiert werden. Lineare Polarisationen, die sich voneinander unterscheiden,
können
ebenfalls verwendet werden. In diesem Fall wird eines der Antennenelemente
beispielsweise horizontal polarisiert, und das andere wird vertikal
polarisiert.
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Die
Polarisation der Antennenelemente kann beeinflusst werden, indem
die Antennenelemente in Richtungen positioniert werden, die in Bezug
auf die Erdungsebene voneinander abweichen. Die Stelle des Speisepunkte
der Antennenelemente in Bezug auf das zweite Antennenelement beeinflusst
ebenfalls die Polarisation, von der das Antennenelement primär durch
die Erdungsebene beeinflusst wird.
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Die
Antennenstruktur 100 wird von der Ecke gespeist, die von
der Speiseleitung 106 und der zweiten Seite des zweiten
Antennenelements 102 ausgebildet wird, oder von ihrer unmittelbaren
Nähe. Die Speiseleitung 107 ist
an die Kopplungsleitung 106 gekoppelt. Die Speiseleitung 107 weicht
von der Ebene des zweiten Antennenelements 102 ab und biegt sich
zur Erdungsebene 105 hin.
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Mit
dem Ende der Speiseleitung 107 ist beispielsweise eine
Sende/Empfangsvorrichtung gekoppelt. Ein gesendetes Signal wird
von der Sende/Empfangsvorrichtung mit dem Ende der Speiseleitung 107 gekoppelt,
von wo aus die Energie des gesendeten Signals des Weiteren durch
die Speiseleitung 107 mit der Antennenstruktur 100 gekoppelt wird.
Beim Empfang wird die Energie des empfangenen Signals mit der Antennenstruktur 100 gekoppelt, von
wo aus die Energie des empfangenen Signals durch die Speiseleitung 107 mit
dem Ende der Speiseleitung 107 und des Weiteren mit der
Sende/Empfangsvorrichtung gekoppelt wird. Am Speisepunkt wird ein
Spitzenwert der Stromverteilung der Antennenstruktur auf der Resonanzfrequenz
des ersten Antennenelements 101 erzeugt, wodurch die Stromverteilung
der Antennenstruktur und des Weiteren die Resonanzfrequenz, der
Speisescheinwiderstand und das Strahlungsmuster durch die Positionierung
und Auslegung der Speiseleitung beeinflusst werden.
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Von
der zweiten Seite des zweiten Antennenelements 102 aus
beginnt die Erdungsleitung 108, die mit der Erdungsebene 105 gekoppelt
ist. Auf der Resonanzfrequenz des zweiten Antennenelements 102 wird
ein Spitzenwert der Stromverteilung in der Erdungsleitung erzeugt.
Die Position der Erdungsleitung beeinflusst insbesondere die Stromverteilung,
die Polarisations-Ellipsität,
die Anpassungsoptimierung und die Resonanzfrequenz des zweiten Antennenelements 102.
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Auf
Grund der Abstimmschlitze können
das erste und das zweite Antennenelement so ausgelegt werden, dass
sie kleiner sind als ohne die Abstimmschlitze. Dies erfolgt durch
die Bemaßung,
Positionierung und Formung der Abstimmschlitze in dem Antennenelement
entsprechend der Verstärkungs-, Bandbreiten-
und Strahlungswirkungsgrad-Werte, die
für die
Antennenstruktur erforderlich sind. Die Funktion der Abstimmschlitze
besteht auch darin, die Resonanzfrequenzen der Antennenelemente 101, 102 und
der Antennenstruktur 100 auf beispielsweise 50 Ohm anzupassen.
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Der
erste Abstimmschlitz 109 beginnt an der Seite des Kontaktpunkts
des ersten Antennenelements 101 und der Kopplungsleitung 106,
und er setzt sich fort zu dem ersten Antennenelement 101. Der
erste Abstimmschlitz 109 beginnt parallel zu den kürzeren Seiten
des ersten Antennenelements 101 und dreht sich von der
Kopplungsleitung 106 weg, wobei er zu den längeren Seiten
des ersten Antennenelements 101 parallel wird.
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Der
zweite Abstimmschlitz 110 beginnt an der zweiten Seite
des zweiten Antennenelements 102 zwischen der Speiseleitung 107 und
der Erdungsleitung 108, und er setzt sich zu dem zweiten Antennenelement 102 fort.
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Der
zweite Abstimmschlitz 110 verläuft von der zweiten Seite des
zweiten Antennenelements 102 zur ersten Seite des zweiten
Antennenelements 102 hin, dreht sich parallel zu der ersten
Seite und des Weiteren von der ersten Seite weg.
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Die
längeren
Seiten des ersten Antennenelements 101 sind etwa 1 mm und
die kürzeren
etwa 6 mm lang. Alle Seiten des zweiten Antennenelements 102 sind
etwa 18 mm lang. Die Länge
des ersten Abstimmschlitzes beträgt
etwa 11 mm und die Breite etwa 1,5 mm. Die Länge des zweiten Abstimmschlitzes
beträgt
etwa 17 mm und die Breite etwa 1,5 mm. Somit ist die Antennenstruktur
für den
Frequenzbereich von 1920–2170
MHz des W-CDMA-Systems ausgelegt, wobei Informationen, die von einer
Basis-Sende/Empfangsstation
kommen, durch das erste Antennenelement auf einem ersten Empfangsband
mit Frequenzen von 2110–2170
MHz empfangen werden, und Informationen durch das zweite Antennenelement
zu einer Basis-Sende/Empfangsstation auf einem ersten Sendeband
mit Frequenzen von 1920–1980
MHz gesendet werden. Die Resonanzfrequenz des ersten Antennenelements
liegt oberhalb des ersten Empfangsbands bei einer Frequenz von 2200
MHz, und die Resonanzfrequenz des zweiten Antennenelements liegt
unterhalb des ersten Sendebands bei einer Frequenz von 1750 MHz.
In diesem Fall wird bei der fraglichen Lösung zusätzlich zu dem Sendeband des
W-CDMA-Systems auch
die Bandbreite von 1710–1990
MHz für
beispielsweise eines der folgenden Systeme erzielt: GSM1800, GSMA1900,
TDMA1900, CDMA1900.
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Der
Abstand der Antennenstruktur 100 von der Erdungsebene 105 beeinflusst
bis zu einem gewissen Grad die Resonanzfrequenzen des ersten 101 und
des zweiten 102 Antennenelements. Der Abstand des zweiten
Antennenelements 102 von der Erdungsebene 105 beträgt etwa
7 mm. Das erste Antennenelement 101 wiederum ist gemäß 8b neben
der Kante der Erdungsebene senkrecht zu der Erdungsebene 105 positioniert.
Der Abstand des ersten Antennenelements 101 von der Kante
der Erdungsebene 1065 beträgt etwa 5 mm und seine untere
Kante befindet sich in einer Höhe
von etwa 3 mm über
der Erdungsebene 105. Durch Bewegen des ersten Antennenelements 101 in
Bezug auf die Erdungsebene wird die Zwischenkopplung der Antennenelemente
beeinflusst, die abnimmt, wenn sich der Abstand zwischen den Antennenelementen
vergrößert.
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Durch
Implementieren einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur in der
oben beschriebenen Weise können
die Zwischenkopplung zwischen den Antennenelementen 101, 102 gering,
die Verluste der Antennenstruktur 100 ausreichend klein
und die Verstärkung
auf der erforderlichen Bandbreite hoch gehalten werden. Des Weiteren
kann das sendende zweite Antennenelement 102 übertragungsunsymmetrisch
und das empfangende erste Antennenelemente 101 omnidirektional
gemacht werden, wodurch die Antennenstruktur 100 beispielsweise
auf Sende- und Empfangsbändern
von verschiedenen mobilen Kommunikationssystemen gut arbeitet. Zusätzlich zu
den oben erwähnten
kann ein weiterer Vorteil erzielt werden, indem das erste Antennenelement 101 auf
einer Seite der Antennenstruktur 100 so positioniert wird,
dass die Antennenstruktur immer noch leicht in einem Mobiltelefon
positioniert werden kann.
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Durch
Verbessern der Kopplung zwischen den Resonanzen des Antennenelements 101 und der
Erdungsebene 105, die mit der Erdungsebene 105' eines Mobiltelefons 200 verbunden
ist, ist es möglich,
den Wirkungsgrad und die Omnidirektionalität der Antenne zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 19 kann dies am besten so implementiert werden,
dass das offene Ende des Antennenelements 101 sich in der
Nähe der
oberen Kante U der Erdungsebene 105' des Mobiltelefons 200 befindet, wodurch
die elektrischen Felder der Antenne und der Erdungsebene an dem "offenen" Ende der beiden Strahler
stark miteinander gekoppelt werden. Dadurch wirkt das Antennenelement 101 als
das Speiseelement für
die Erdungsebene 105',
die als der Hauptstrahler wirkt.
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Die
Kopplung zwischen den Resonanzen des zweiten Antennenelements 102 und
der Erdungsebene 105' kann
wieder reduziert werden, indem das Antennenelement 102 so
auf der Erdungsebene platziert wird, dass das offene Ende, der Speisepunkt
und der Erdungspunkt des Antennenelements 102 sich mehr
in der Mitte der Erdungsebene 105' (am Punkt M) befinden. Dies wird
in der bevorzugten Ausführungsform
gemäß 19 gezeigt.
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Die
Kopplung zwischen den Antennenelementen 101 und 102 kann
reduziert werden, und die Effizienz und Anpassung des Antennenelements 102 kann
des Weiteren verbessert werden, indem die Kopplungsleitung 106,
welche die Antennenelemente ab dem Eingang zu dem zweiten Antennenelement verbindet,
sowie die Erdungsleitung 108, die sich von dem zweiten
Antennenelement zu der Masse erstreckt, so ausgelegt werden, dass
ihre gemeinsame elektrische Länge
ein Viertel einer Wellenlänge
auf der Resonanzfrequenz des ersten Antennenelements 101 beträgt. In diesem
Fall erkennt das Antennenelement 101 die Erdungsleitung 108 als
offen, und die Funktion der Antenne 101 wird nicht beeinträchtigt.
Daraus folgt auch, dass, obwohl die Erdungsleitung des Antennenelements 101 geringfügig kürzer ist
als ein Viertel einer Wellenlänge,
ihre Auswirkung auf die Anpassung des Antennenelements 101 kleiner
ist als auf die Anpassung des Antennenelements 102, und
somit die Kapazitanz des Antennenelements 101 in Bezug
auf die Erdungsebene an einer optimalen Stelle niedriger sein sollte
und tatsächlich
ist, so dass der Strahlungswiderstand und der Speisescheinwiderstand
des Antennenelements 101 ausreichend hoch sind. Die am
Speisepunkt auf der Resonanzfrequenz des ersten Antennenelements 101 und
des zweiten Antennenelements 102 gemessene Anpassung sollte
beispielsweise etwa 50 Ohm betragen.
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Das
erste Antennenelement 101 und das zweite Antennenelement 102 können auch
durch kapazitive Speisung gespeist werden, die einem Fachmann bekannt
ist. Dies wird erreicht, indem hinter das Antennenelement ein Element
gekoppelt wird, das es speist. Das Speiseelement ist wiederum mit der
Speiseleitung gekoppelt. Das Speiseelement ist so ausgelegt, dass
seine elektrische Länge
gleich der elektrischen Länge
des Antennenelements ist. 10 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform,
wobei die Funktion der Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung
weiterhin so verbessert wird, dass das zweite Antennenelement 102 so
angeordnet wird, dass es auf wenigstens einem Frequenzband eines
zweiten Funksystems arbeitet. Auf diese Weise kann eine Antennenstruktur
implementiert werden, wobei es durch das erste Antennenelement 101 beispielsweise
auf einem Empfangsband irgendeines Breitband-CDMA-Systems empfangen wird,
und durch das zweite Antennenelement 102 sowohl auf einem
Sendeband des Breitband-CDMA-Systems gesendet und auf wenigstens
einem Frequenzband des zweiten Funksystems gesendet und/oder empfangen
wird. Das Frequenzband des zweiten Funksystems kann beispielsweise
ein Sendeband, ein Empfangsband oder beides in dem Frequenzbereich
irgendeines mobilen Kommunikationssystems der 2. Generation sein.
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Eine
erste kapazitive Ladung C1 wird mit dem zweiten Antennenelement 102 gekoppelt.
Die Ladung C1 wird des Weiteren durch einen ersten Schalter S1 so
mit der Erdungsebene 105 gekoppelt, dass die Resonanzfrequenz
des zweiten Antennenelements 102 für wenigstens ein Frequenzband
des zweiten Funksystems abgestimmt werden kann. Die Kopplung und
die erste kapazitive Ladung können
in einer dem Fachmann bekannten Art so ausgelegt werden, dass, wenn
der erste Schalter S1 offen ist, das zweite Antennenelement 102 auf
einem Sendeband, und wenn der erste Schalter S1 geschlossen ist,
auf wenigstens einem Frequenzband des zweiten Funksystems arbeitet.
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Die
Kopplung kann so angeordnet werden, dass die Resonanzfrequenz des
zweiten Antennenelements 102 beispielsweise für ein Sendeband,
ein Empfangsband oder zwischen den Bändern des GSM1800- oder GSMA1900-Systems
abgestimmt werden kann. In diesem Fall ist es möglich, entweder auf dem Empfangsband,
dem Sendeband oder in dem gesamten Frequenzbereich des GSM1800- oder
GSMA1900-Systems
zu arbeiten, und es wird Platz gespart, weil für die GSM1800- oder GSMA1900-Systeme
kein separates Antennenelement erforderlich ist. Herkömmliche
Halbleiterschalter, wie beispielsweise FET-Schalter, PIN-Dioden oder ähnliche
Schalter können
als der erste Schalter S1 verwendet werden. Künftig ist es möglich, beispielsweise
so genannte MEMS- (Micro Electro Mechanical System) Schalter zu
verwenden.
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11 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Da in der gemäß der Erfindung implementierten
Antennenstruktur 100 wenig gegenseitige Einwirkung zwischen
den Antennenelementen besteht, ist es leicht, zur Antennenstruktur
Antennenelemente hinzuzufügen,
die unterhalb oder oberhalb des ersten Frequenzbereichs arbeiten.
Durch Hinzufügen
eines dritten Antennenelements 103 zu der Antennenstruktur 100,
und durch Erweitern der Erdungsebene 105, falls erforderlich,
kann die Funktion der Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung auf
wenigstens ein Frequenzband eines dritten Funksystems erweitert
werden. Das dritte Antennenelement 103 kann in einer dem
Fachmann bekannten Weise so ausgelegt werden, dass seine Resonanzfrequenz
beispielsweise auf einem Sendeband, einem Empfangsband oder zwischen
den Bändern
des GSM900-Systems liegt. In diesem Fall ist es möglich, mit
dem dritten Antennenelement 103 entsprechend entweder auf
dem Sendeband, dem Empfangsband oder in dem gesamten Frequenzbereich
des GSM900-Systems zu arbeiten. Das dritte Antennenelement 103 ist
mit dem Speisepunkt gekoppelt. In 11 ist
das dritte Antennenelement 103 mit der Speiseleitung 107 gekoppelt.
Das dritte Antennenelement 103 kann auch mit dem Speisepunkt
gekoppelt werden, beispielsweise durch das zweite Antennenelement 102 und
die Erdungsleitung 108. Das dritte Antennenelement wird
beispielsweise in der Nähe des
zweiten Antennenelements 102 und auf der gleichen Ebene
wie das zweite Antennenelement 102 positioniert.
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Es
ist leicht, Antennenelemente hinzuzufügen, die oberhalb des ersten
Frequenzbereichs arbeiten, denn wenn die Frequenzen zunehmen, nimmt die
Größe der fraglichen
Antennenelemente ab und ihre Positionierung ist einfach. Diese bevorzugte Ausführungsform
wird in 12 gezeigt. In der fraglichen
Figur wurde ein viertes Antennenelement 104 zu dem Speisepunkt
hinzugefügt.
Durch das vierte Antennenelement 104 wird wenigstens ein
Frequenzband eines fünften
Funksystems implementiert. Das fünfte
Funksystem kann entweder ein mobiles Kommunikationssystem oder wenigstens
eines der folgenden Systeme sein: Bluetooth, WLAN (Wireless Local
Area Network) oder GPS (Global Positioning System).
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Das
dritte Antennenelement 103 kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
anpassungsfähig
gemacht werden, wie in 13 gezeigt ist. In 13 ist
das dritte Antennenelement 103 für wenigstens ein Frequenzband
eines vierten Funksystems anpassungsfähig. In 13 werden
ein zweiter Schalter S2 und eine dritte kapazitive Ladung C3 mit
der Erdungsleitung 108 gekoppelt. Die zweite kapazitive
Ladung C2 wird des Weiteren von dem zweiten Schalter S2 mit der
Erdungsebene 105 gekoppelt. Die dritte kapazitive Ladung
wird wiederum direkt von der Erdungsleitung mit der Erdungsebene 105 gekoppelt.
Die Kopplung ist normalerweise so ausgelegt, dass sich die Resonanzfrequenz
des Antennenelements verringert, wenn sich der Schalter S2 schließt. In diesem
Fall, wenn der zweite Schalter S2 offen ist, arbeitet das dritte
Antennenelement 103 auf dem Frequenzbereich des dritten
Funksystems, und wenn der zweite Schalter S2 geschlossen ist, arbeitet
das dritte Antennenelement 103 auf dem Frequenzbereich
des vierten Funksystems. Demzufolge wird Platz gespart und einige
Vorteile werden erzielt wie in dem Fall des zweiten Antennenelements 102, das
als anpassungsfähig
implementiert wurde.
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Das
dritte Antennenelement 103 kann in einer dem Fachmann bekannten
Weise so ausgelegt werden, dass seine Resonanzfrequenz beispielsweise
auf einem Sendeband, einem Empfangsband oder zwischen den Bändern des
PDC-800-Systems liegt.
Somit ist es mit dem dritten Antennenelement 103 möglich, entsprechend
jeweils auf dem Sendeband, dem Empfangsband oder in dem gesamten Frequenzband
des PDC800-Systems zu arbeiten.
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Auch
das vierte Antennenelement 104 kann für wenigstens ein Frequenzband
eines sechsten Funksystems anpassungsfähig gemacht werden. Dies erfolgt über die
elektrischen Ladungen C2, C3 und den Schalter S2 wie im Fall des
dritten Antennenelements 103. Als der Schalter S2 können herkömmliche
Halbleiterschalter, wie beispielsweise FET-Schalter, PIN-Dioden
oder entsprechende Schalter verwendet werden. Künftig auch die vorher erwähnten MEMS-Schalter.
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Gemäß 13 können aktuelle
und künftige Systeme
je nach Anwendung in den gleichen Speisepunkt mit den Frequenzbereichen
1500–1600
MHz, 1700–1990
MHz, 2120–2170
MHz, 2400–2500
MHz, 810–960
MHz installiert werden. Wenn ohne den ersten Schalter S3, die zweite
Ladung C2 und die dritte Ladung C3 keine ausreichendes Frequenzband
erreicht wird, können
diese zum Implementieren der erforderliche Bandbreite verwendet
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß 14 biegt
sich das erste Antennenelement parallel zu der zweiten Seite des
zweiten Antennenelements.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß 15 wird
eine so genannte T-Antenne als das erste Antennenelement verwendet.
Die T-Antenne kann beispielsweise in den in 16a, 16b, 16c oder 16c gezeigten Weisen geformt sein.
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In 17 ist
eine Antenneneinheit 201 vorhanden, die in einem Mobiltelefon 200 platziert
werden soll. Diese Figur wird als Beispiel angegeben und zeigt,
wie die Antennenstruktur 100 geformt sein kann. Die Antenneneinheit 201 umfasst
die Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung, die auf einem isolierenden
Material hergestellt ist. Die Antennenelemente 101, 102, 103 und 104 können beispielsweise
in der Konstruktionsstufe gefaltet und gebogen werden, wodurch die
Antennenstruktur 100 so geformt werden kann, dass sie sich
den Formen des Mobiltelefons anpasst. Das isolierende Material weist eine
Basis 301 und wenigstens einen Wandbereich 302 auf,
wobei der Wandbereich 302 sich in eine Richtung erstreckt,
die von der Basis 301 abweicht. Die Form der Antennenstruktur 100 folgt
den Formen der Basis 301 und des Wandbereichs 302.
Die Basis 301 und des Wandbereichs 302 sind wiederum
vorzugsweise so geformt, dass sie die Formen des Mobiltelefons 200 nachahmen.
Die Antenneneinheit 201 kann beispielsweise auch durch
einen Kunststoffüberzug
oder ein entsprechendes isolierendes Material geschützt werden.
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18 zeigt
ein Mobiltelefon 200, das die Antennenstruktur 100 gemäß der Erfindung
aufweist. Die Darstellung ist beispielhaft und veranschaulicht eine bevorzugte
Positionierung der Antennenstruktur 100 in dem Mobiltelefon 200.
Die Antennenstruktur kann in das Mobiltelefon integriert werden,
oder sie kann in eine Antenneneinheit integriert werden, die an
das Mobiltelefon angeschlossen werden soll. Die Antennenstruktur
kann beispielsweise so in dem oberen Teil des Mobiltelefons positioniert
werden, dass das erste Antennenelement 101 in einer Ecke des
Mobiltelefons 200 positioniert wird.
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Dieses
Dokument erläutert
die Implementierung und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Hilfe von Beispielen. Ein Fachmann
versteht, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Details der oben
dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
ist, und dass die Erfindung auch in einer anderen Form implementiert
werden kann, ohne von den Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die oben
dargestellten Ausführungsformen
sollten als veranschaulichend, aber nicht als einschränkend betrachtet
werden. Somit werden die Möglichkeiten zum
Implementieren und Einsetzen der Erfindung nur durch die Ansprüche im Anhang
eingeschränkt. Demzufolge
gehören
die verschiedenen Optionen zum Implementieren der Erfindung, wie
in den Ansprüchen
festgelegt, einschließlich
der entsprechenden Implementierungen ebenfalls zum Umfang der Erfindung.