DE60313390T2

DE60313390T2 - Antenne mit variabler Richtcharakteristik

Info

Publication number: DE60313390T2
Application number: DE60313390T
Authority: DE
Inventors: Seppo Ojantakanen; Timo Leppäluoto
Original assignee: Pulse Finland Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: FI20020674A0; CN1450686A; US6967618B2; US20030189523A1; DE60313390D1; CN100346530C; EP1353401B1; FI20020674A; ATE360898T1; EP1353401A1; FI121519B

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne, die insbesondere für Funktelefone vorgesehen ist und deren Richtungscharakteristik kontrollierbar geändert werden kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Funktelefon, das eine solche Antenne hat.
Es ist üblicherweise vorteilhaft für den Betrieb eines Zweiwege-Funkgerätes, wenn die Übertragungs- und Empfangscharakteristika seiner Antenne in alle Richtungen gut sind. In der Praxis variiert die Antenneneffizienz beim Übertragen und Empfangen in Abhängigkeit von der Richtung oft drastisch. In Mobilkommunikationsnetzwerken verringert die Multipfadausbreitung den Nachteil, der durch die Ungleichheit der Antennenrichtungscharakteristik verursacht wird, aber natürlicherweise ist es bevorzugt, dass die Richtungscharakteristik so gleichmäßig wie möglich ist. Hinsichtlich Übertragungscharakteristika bei Kommunikationsvorrichtungen, die gegen das Ohr eines Anwenders gehalten werden, wird es als unerwünscht erachtet, dass Strahlung zu dem Kopf des Anwenders gerichtet wird. Daher empfängt eine ideale Mobiltelefonantenne aus allen Richtungen gut, überträgt aber schwach in den Sektor, wo der Kopf des Anwenders liegt, wenn das Telefon in seiner normalen Betriebsposition angeordnet ist. Hinsichtlich des Empfangens werden die oben erwähnten wünschenswerten Charakteristika mit einer Peitschenantenne erzielt, die eine große Erdungsebene hat, damit ihre Richtungscharakteristik kreisartig auf der Ebene senkrecht zu der Achse der Peitsche ist. In der Praxis ist die Erdungsebene der Körper des Funkgeräts, welcher vom Antennenstandpunkt aus relativ klein und undefiniert geformt ist. Da her kann die Richtungscharakteristik eine beachtliche Veränderung haben. Ähnlich variiert hinsichtlich des Übertragens die Form der Richtungscharakteristik einer herkömmlichen Peitschenantenne eines Mobiltelefons unkontrollierbar, so dass Strahlung auch zu dem Kopf des Anwenders gerichtet wird.
Aus dem Stand der Technik sind Strukturen bekannt, wo das Antennenfeld in der Richtung des Kopfes des Anwenders mittels eines zusätzlichen Elements abgeschwächt wird. Die 1a, 1b zeigen ein Beispiel einer solchen Struktur. Die 1a zeigt einen Teil des Körpers 110 eines Mobiltelefons und darüber eine kleine Antennenschaltungsplatte 120, an deren Vorderseite es ein Mäandertyp-Strahlungselement 121 gibt. Dieses ist durch sein Bodenende mit dem Antennenport durch einen Versorgungsleiter 125 verbunden. An der Rückseite der Schaltungsplatte 120 gibt es, wie in der 1b gezeigt ist, einen leitenden Pfad 122, der einen Hauptteil des Strahlungselements abdeckt. Wenn das Telefon in der Anwendungsposition ist, steht der leitende Fleck 122 zwischen dem Strahlungselement und dem Kopf des Anwenders. Der leitende Fleck ist mit der Signalerdung GND verbunden, so dass er nicht als ein signifikanter parasitärer Strahler fungiert. Statt dessen fungiert er als eine Oberfläche, die Funkwellen reflektiert, was die Strahlung in die Richtung des Kopfes des Anwenders abschwächt. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass sich auch die Empfangscharakteristik der Antenne in dieser Richtung verschlechtert.
Aus dem Dokument JP 2000040910 ist eine Antennenstruktur bekannt, die ein Peitschenelement, eine Abstimmschaltung, eine Erdungsebene und eine Metallplatte enthält, die an einem Ende mit der Erdungsebene verbunden ist. Die Metallplatte ist L-förmig mit einem langen Teil parallel zu der Schaltungsplatte der Vorrichtung und einem kurzen Teil senkrecht zu der Schaltungsplatte. Die Länge des kurzen Teils ist der Abstand des langen Teils von der Schaltungsplatte, an deren Oberfläche die Erdungsebene ist. Aufgrund der Metallplatte sind die Strahlungscharakteristika der Antennen insbesondere verbessert, wenn die Vorrichtung nahe an den Körper des Anwenders oder unter Gebäuden ist.
Das Dokument WO 97 44911 offenbart eine Dipolantenne mit einem zusätzlichen Element parallel zum ersten Dipolzweig. Das zusätzliche Element oder der Sicherheitsleiter ist mit jenem Anschluss der Versorgungsquelle verbunden, mit welchem der zweite Dipolzweig verbunden ist. Der Sicherheitsleiter ist wenigstens gleich lang wie der erste Dipolzweig. Das Ziel des Sicherheitsleiters ist es, die Strahlung, die zu dem Kopf des Anwenders gerichtet ist, abzuschwächen, aus welchem Grund er einen Knoten in der Richtungscharakteristik verursacht. Ein gewisser Knoten wird in der Richtungscharakteristik sowohl in den Übertragungs- als auch Empfangsbändern erzeugt.
Ein Ziel der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile in Verbindung mit dem Stand der Technik zu verringern. Eine Antenne gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 spezifiziert ist. Ein Funktelefon gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 9 spezifiziert ist. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Idee der Erfindung ist grundsätzlich folgendermaßen: Wenigstens ein leitendes Element, zusätzlich vom Standpunkt der Basisoperation der Antenne, wird der Antennenstruktur des Funktelefons hinzugefügt, um die Richtungscharakteristik der Antenne zu ändern. Ein solches leitendes Element ist mit der Signalerdung an einem Punkt relativ nahe des Versorgungspunktes der Antenne verbunden. Das leitende Element enthält ein Teil, dessen Länge ungefähr eine Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Antenne ist und das von dem Erdungspunkt zu einer Richtung entgegengesetzt der Versorgungsrichtung des Strahlungselementes gerichtet ist. Dieses Teil wird verwendet, um die Richtungscharakteristik der Antenne in dem Empfangsband auszugleichen. Zusätzlich enthält das leitende Element einen zweiten Teil, der wesentlich kürzer und von dem Erdungspunkt in die Versorgungsrichtung des Strahlungselementes gerichtet ist. Der zweite Teil wird verwendet, um einen Knoten in der Richtungscharakteristik bei Übertragungsbandfrequenzen zu setzen, so dass es in einer gewünschten Richtung ist.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Richtungscharakteristik einer Antenne in den Übertragungs- und Empfangsbändern eines gegebenen Funksystems separat geformt werden können. Dies bedeutet, dass die Richtungscharakteristik in dem Empfangsband relativ gleichmäßig gehalten werden kann, ungeachtet der Tatsache, dass ein Richtungscharakteristikknoten in dem Übertragungsband bereit gestellt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass, wenn eine externe Antenne verwendet wird, der Knoten durch eine interne Anordnung in dem Funktelefon ohne zusätzliche Elemente bei der externen Antenne erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Anordnung gemäß der Erfindung einfach ist.
Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitende Zeichnung, worin
1 ein Beispiel ist, das ein Verfahren des Standes der Technik zum Ändern der Richtungscharakteristik einer Antenne darstellt,
2 ein Beispiel ist, das darstellt, wie die Richtungscharakteristik einer Antenne gemäß der Erfindung geändert werden kann,
3 ein zweites Beispiel ist, das darstellt, wie die Richtigungscharakteristik einer Antenne gemäß der Erfindung geändert werden kann,
4 ein drittes Beispiel ist, das darstellt, wie die Richtungscharakteristik einer Antenne gemäß der Erfindung geändert werden kann,
5 ein Beispiel des Effektes der Erfindung auf die Richtungscharakteristika einer Antenne ist,
6 ein Beispiel eines Funktelefones ist, das eine Antenne gemäß der Erfindung hat.
Die 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
Die 2 zeigt vergrößert ein Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Das zugehörige Strahlungselement ist ein Helixleiter 220 außerhalb der Abdeckungen eines Funktelefons, angeordnet innerhalb einer schützenden Hülle. Die Helix kann so dimensioniert sein, um in Frequenzbändern von zwei Funksystemen zu funktionieren. Ein Versorgungsleiter 225, eine Verlängerung des Helixleiters, ist galvanisch mit einer Schaltungsplatte 210 in dem Funktelefon an einem Versorgungspunkt F der Antenne verbunden. Der Versorgungspunkt F ist über einen Duplexfilter oder Antennenschalter mit dem Übertrager und Empfänger des Funktelefons verbunden. Zusätzlich enthält die Antennenstruktur einen leitenden Streifen 230 gemäß der Erfindung an der Schaltungsplatte 210. Der leitende Streifen 230 ist mit der Signalerdung GND relativ nahe dem Versorgungspunkt F verbunden. Eine dicke unterbrochene Linie repräsentiert die Signalerdung. Sie kann an der Rückseite der Schaltungsplatte und, im Fall einer Mehrschichtplatte, auch in Zwischenschichten angeordnet sein. "Relativ nahe" bedeutet hier, dass der Abstand zwischen dem Erdungspunkt G des leitenden Streifens und dem Versorgungspunkt F der Antenne kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge entsprechend der Betriebsfrequenz ist. Der Erdungspunkt G teilt den leitenden Streifen in einen ersten Teil 231 und einen zweiten Teil 232. Die Länge des ersten Teils ist im wesentlichen gleich einem Viertel der Wellenlänge, und der erste Teil ist von dem Erdungspunkt in einer Richtung entgegengesetzt zu der Versorgungsrichtung des Strahlungselementes gerichtet. Der zweite Teil 232 des leitenden Elements 230 ist wesentlich kürzer als der erste Teil, und er ist von dem Erdungspunkt G in die Versorgungsrichtung des Strahlungselementes gerichtet.
Der erste Teil 231 des leitenden Elements gemäß der Erfindung wird verwendet, um die Antennenrichtungscharakteristik in dem Empfangsband auszugleichen. Dies basiert auf der Tatsache, dass die Antennenstruktur regelmäßiger, dipolähnlich wird, was ausgeprägte Knoten entfernt, die in der Richtungscharakteristik durch den Funktelefonkörper und andere Leiter verursacht werden, die als Signalerdung fungieren. Da die Form und der Ort der Signalerdung z.B. in einer Schaltungsplatte des Funktelefons vom Antennenstandpunkt aus undefinierbar sind, muss die exakte optimale Länge des ersten Teils 231 des leitenden Elements experimentiell gefunden werden. Der zweite Teil 232 des leitenden Elements wird verwendet, um einen Knoten der Richtungscharakteristik, der das Übertragungsband beeinträchtigt, in die gewünschte Richtung zu verschieben. Dies basiert auf der Tatsache, dass ein Leiter neben dem Versorgungspunkt und Versorgungsleiter die Richtungscharakteristik stärker beeinträchtigt als einer, der weiter entfernt ist: Selbst eine kleine Änderung in dem zweiten Teil 232 wird einen signifikanten Effekt auf die Orte der Bäuche und Knoten in der Richtungscharakteristik haben.
Die 3 zeigt ein zweites Beispiel einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Auch in diesem Fall ist das dazugehörige Strahlungselement 320 ein Helixleiter. Ein Versorgungsleiter 325, der eine Verlängerung des Helixleiters ist, ist wie in der 2 an einem Antennenversorgungspunkt F galvanisch mit der Funktelefon-Schaltungsplatte 310 verbunden. Der Unterschied ist, dass nun die Antennenstruktur nicht einen sondern zwei leitende Streifen gemäß der Erfindung enthält. Der erste leitende Streifen 330 ist nahezu identisch mit dem Streifen 230 in der 2. Er hat einen ersten Erdungspunkt G1, von welchem sich in verschiedene Richtungen ein erster Teil 331, dessen Länge im wesentlichen ein Viertel der Wellenlänge ist, und ein zweiter Teil 332, der verglichen mit dem ersten Teil kurz ist, erstrecken. Der zweite Teil hat einen Teil, der bezüglich der Längsrichtung des gesamten Streifens quer ist, und einen Teil in der Längsrichtung des gesamten Streifens. Der zweite leitende Streifen 340 gemäß der Erfindung ist mit der Signalerdung GND an einem zweiten Erdungspunkt G2 verbunden, der, wie der erste Erdungspunkt G1, relativ nahe zu dem Antennenversorgungspunkt F ist. Der zweite Erdungspunkt G2 ist an dem Ende des zweiten leitenden Streifens, und der zweite leitende Streifen erstreckt sich davon von dem strahlenden Element und dem Versorgungsleiter davon weg. Das zweite leitende Element 340 ist somit nur zum Formen der Richtungscharakteristik in dem Empfangsband vorgesehen. Durch das Verwenden von zwei Streifen kann die Richtungscharakteristik in dem Empfangsband noch mehr rund geformt werden, statt wenn nur ein Streifen verwendet wird. Außerdem verbessert der zweite leitende Streifen die Unabhängigkeit des Abstimmens der Richtungscharakterika in den Übertragungs- und Empfangsbändern.
Die 4 zeigt ein drittes Beispiel einer Antennenstruktur gem der Erfindung. Das zugehörige Strahlungselement 420 ist nun eine leitende Ebene, die über die Funktelefon-Schaltungsplatte 410 angehoben ist. Die Schaltungsplatte 410 hat eine Erdungsebene 415 unter der Strahlungsebene 420, welche ein Teil der Signalerdung ist. Die Strahlungsebene und die Erdungsebene sind an einem Punkt durch einen Kurzschlussleiter 422 miteinander verbunden, was bedeutet, dass die in Rede stehende Antenne eine planare invertierte F-Antenne (PIFA) ist. Ein Versorgungsleiter 425 des Federkontakttyps erstreckt sich vom Rand der Strahlungsebene aus und ist galvanisch mit dem Antennenversorgungspunkt F an der Schaltungsplatte 410 verbunden. Bei diesem Beispiel ist letztere viereckig und von der Erdungsebene 415 von drei Seiten umgeben. Nahe dem Versorgungspunkt F an einem Punkt G1 ist ein erstes leitendes Element 431 gemäß der Erfindung mit der Erdungsebene verbunden. In diesem Beispiel ist das erste leitende Element ein Mäandertyp-Leitungsstreifen an der Oberfläche der Schaltungsplatte 410, und er ist senkrecht von der PIFA weg gerichtet, wie es von dem Erdungsebenen-Anschlusspunkt G1 zu beobachten ist. An der anderen Seite des Versorgungspunktes F ist ein zweites leitendes Element 432 gemäß der Erfindung mit der Erdungsebene verbunden. Dies ist ein gerader leitender Streifen an der Oberfläche der Schaltungsplatte 410, senkrecht weg von der PIFA gerichtet, wie es von dem Erdungsebenen-Anschlusspunkt aus zu beobachten ist.
Bei dem Beispiel von 4 ist die Strahlungsebene 420 durch den Schlitz in der Ebene in zwei Zweige geteilt, so dass die PIFA zwei Betriebsfrequenzbänder hat. Die leitenden Elemente gemäß der Erfindung können verwendet werden, um die Richtungscharakteristika der Antenne in jedem der Bänder zu beeinflussen. Die 4 zeigt auch einen Teil des dielektrischen Stützrahmens 470 für die Strahlungsebene.
Die 5 zeigt ein Beispiel, das die Richtungscharakteristika einer in einem Mobiltelefon angeordneten Antennenstruktur ähnlich derjenigen darstellt, die in der 3 dargestellt ist. Die Antenne ist so dimensioniert, um zwei Bänder für die Systeme GSM900 und GSM1800 (Global System for Mobile telecommunications) zu haben. Das Übertragungsband des letzteren für eine Mobilstation ist 1710 bis 1785 MHz, und das Empfangsband 1805 bis 1880 MHz. Die 5 zeigt die Antennenverstärkung an der Horizontalebene, wenn das Mobiltelefon in einer aufrechten Position orientiert ist. Die Richtung 0° bezieht sich auf die Richtung nach außerhalb der Vorderseite des Telefons, d.h. in der normalen Anwendungsposition zu dem Kopf des Anwenders. Die Kurve 51 zeigt die Antennenverstärkungsveränderung, bevor Hinzufügungen gemäß der Erfindung in der Struktur gemacht wurden. Die in Rede stehende Telefonstruktur kommt vor, um deutliche Verstärkungsknoten in den Richtungen 30° und 180° zu erzeugen. In der Richtung 0° ist die Strahlung relativ stark. Dieses Ergebnis gilt ungefähr in dem gesamten oberen Betriebsband der Antenne, d.h. von 1710 bis 1880 MHz.
Die leitenden Streifen gemäß der Erfindung sind so dimensioniert, um die Richtungscharakteristika in dem Frequenzband des GSM1800 Systems zu formen. Die Kurve 52 zeigt die Verstärkungsänderung einer solchen Antennenstruktur bei Übertragungsbandfrequenzen. Der Knoten in der Verstärkung ist nun so angeordnet, um in der Richtung 0° zu sein, was die Strahlung, die zu dem Kopf des Anwenders hin gerichtet ist, wesentlich verringert. Die Kurve 53 zeigt eine Verstärkungsänderung bei Empfangsbandfrequenzen. Es gibt insgesamt keine Verstärkungsknoten, die eine große Abschwächung angeben würden, so dass die Antenne ziemlich gut aus allen Richtungen empfängt.
Die 6 zeigt ein Funktelefon RA mit einer Antennenstruktur gemäß der Erfindung. Die Antennenstruktur enthält ein externes Strahlungselement 620, das innerhalb einer schützenden Hülle angeordnet ist, und wenigstens ein leitendes Element 630 innerhalb des Funktelefons, welches leitende Element die Richtungscharakteristik der Antenne beeinträchtigt.
Antennenstrukturen gemäß der Erfindung wurden oben beschrieben. Die Erfindung beschränkt weder die Formen von Antennenelementen noch die Formen der zusätzlichen leitende Elemente auf jene, die oben beschrieben wurden. Die Erfindung beschränkt auch nicht das Herstellungsverfahren der Antenne oder die dabei verwendeten Materialien. Die erfinderische Idee kann auf verschiedene Weisen innerhalb des Umfangs angewandt werden, der durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.

Claims

Antenne eines Funkgerätes, mit einer Richtcharakteristik, die geformt werden kann, welche Antenne enthält ein Strahlungselement (220; 320; 420), einen Versorgungsleiter (225; 325; 425) davon, der mit dem Funkgerät an einem Versorgungspunkt (F) verbunden ist, und zum Formen der Richtcharakteristik der Antenne wenigstens ein leitendes Element, das mit der Signalerdung (GND) des Funkgerätes an einem Erdungspunkt (G; G1; G2) und Punkten von dem Erdungspunkt in einer Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zu der Vorsorgungsrichtung des Strahlungselementes verbunden ist, welche Versorgungsrichtung in der geometrischen Ebene des leitenden Elementes und des Versorgungspunktes betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes von dem wenigstens einen leitenden Element ein Streifen (231; 331, 340; 431, 432) an der Oberfläche einer Schaltungsplatte (210; 310; 410) des Funkgerätes ist, und der Abstand zwischen dem Erdungspunkt (G; G1, G2) und dem Vorsorgungspunkt (F) der Antenne kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge entsprechend der Betriebsfrequenz ist, um die Antennenrichtcharakteristik bei Empfangsbandfrequenzen des Funkgerätes abzugleichen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Streifen (230; 330; 340) von dem Erdungspunkt (G; G1; G2) in einer Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zu der Versorgungsrichtung des Strahlungselementes (220; 320) im wesentlichen über eine Länge einer Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Antenne erstreckt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Element (230; 330) ferner einen zweiten Teil (232, 332) enthält, der von dem Erdungspunkt (G; G1) im wesentlichen in der Versorgungsrichtung des Strahlungselementes weist, um den Richtungswinkel eines Richtcharakteristikeinschnittes bei Übertragungsbandfrequenzen des Funkgerätes zu ändern, welcher zweite Teil wesentlich kürzer als die Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Antenne ist.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtungswinkeleinschnitt nach dem Ändern einer Position des Kopfes eines Anwenders des Funkgerätes in einer normalen Anwendungsposition des Funkgerätes entspricht.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der leitenden Elemente zwei ist.
Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines (330) der leitenden Elemente einen Teil (331), der von dem Erdungspunkt (G1) in eine Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zu der Versorgungsrichtung des Strahlungselementes weist, und einen zweiten Teil (332) enthält, der von dem Erdungspunkt (G1) im wesentlichen in die Versorgungsrichtung des Strahlungselementes weist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement ein Helixleiter (220, 320) ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement ein Planarelement (420) ist und die Antenne ferner eine Erdungsebene (415) enthält, so dass die Antenne eine planare invertierte F-Antenne oder PIFA ist.
Funkgerät (RA) mit einer Antenne (620, 630) nach Anspruch 1.