DE10319093B3

DE10319093B3 - Antennenvorrichtung

Info

Publication number: DE10319093B3
Application number: DE10319093A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Univ. Humpfer; Reiner Dipl.-Ing. Univ. Wansch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-29
Also published as: ES2262118T3; KR20050103972A; NO20055600L; US7218282B2; CA2523070A1; DE502004000660D1; EP1576697B1; AU2004234948B2; HK1080221B; AU2004234948A1; KR100729269B1; JP4074881B2; ATE328372T1; CA2523070C; US20060109179A1; JP2006524940A; WO2004097981A1; EP1576697A1; HK1080221A1; NO20055600D0

Abstract

Eine Antennenvorrichtung umfaßt eine erste Strahlungselektrode, die ein Leerlaufende und ein mit Masse verbundenes Kurzschlussende aufweist und die an einen Speisepunkt mit einer Speiseleitung gekoppelt ist. Ferner weist die Antennenvorrichtung eine zweite Strahlungselektrode auf, die ein Leerlaufende und ein mit Masse verbundenes Kurzschlussende aufweist, wobei ein Abschnitt der zweiten Strahlungselektrode Teil eines Stromkreises ist. Die erste Strahlungselektrode, die Speiseleitung und der Stromkreis sind derart angeordnet, dass ein durch die Speiseleitung zu dem Kurzschlussende der ersten Strahlungselektrode fließender Wechselstrom zur Speisung der zweiten Strahlungselektrode über eine magnetische Kopplung einen Wechselstrom in den Stromkreis induziert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung und insbesondere eine Antennenvorrichtung, die für einen Mehrbandbetrieb geeignet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne zur drahtlosen Datenübertragung, was gegebenenfalls auch eine Sprachübertragung einschließen kann.
Zur drahtlosen Anbindung mobiler Datenverarbeitungsgeräte, beispielsweise in drahtlosen lokalen Netzen (WLAN; WLAN = Wireless Local Area Network) sind kompakte kleine Antennen notwendig, die häufig dual- oder mehrbandfähig sein müssen.

Zu diesem Zweck können in der Praxis für jeden Frequenzbereich separate Antennen verwendet werden. Diese separaten Antennen sind mit einem Diplexer beispielsweise in der Form einer Weiche (Directional Filter) oder einem Multiplexer verbunden, durch den die zu übertragenden Signale entsprechend der verwendeten Frequenzbereiche auf die zuständigen Einzelantennen verteilt werden. Der Nachteil der Verwendung separater Antennen für jeden Frequenzbereich ist die Baugröße der einzelnen Antennen, wobei sich die benötigte Fläche für die Antennen mit der Anzahl der benötigten Antennen vergrößert. Darüber hinaus nimmt auch die benötigte Verteilungsschaltung in der Form eines Diplexers bzw. Multiplexers beträchtlichen Platz ein.

Ein weiterer bekannter Lösungsansatz besteht darin, sehr breitbandige oder mehrbandfähige Antennen zu verwenden. Bei Kin-Lu Wong "Planar Antennas for Wireless Communications, John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003, Seiten 26 bis 53, sind einige Dual-/Mehrbandantennen vorgestellt, speziell auch zur Verwendung in drahtlosen lokalen Netzen. Beschrieben sind in dieser Schrift u.a. integrierte IFAs (IFA = Inverted F Antenna) und PIFAs (PIFA = Planar Inverted F Antenna).

In dem oben genannten Buch beschriebene Dualband-PIFAs umfassen auf einer Hauptoberfläche eines Substrats verschiedene Antennenfelder, die durch Schlitze in einer auf der Oberfläche gebildeten Elektrode realisiert sind, wobei die Antennenfelder über einen gemeinsamen Speisepunkt gespeist und über einen gemeinsamen Kurzschlusspunkt geerdet sind. Derartige Antennen sind auch bei Zi Dong Liu et al., "Dual-Frequency Planar Inverted-F Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Bd. 45, Nr. 10, Oktober 1997, Seiten 1451 bis 1458, beschrieben.

Aus dem Buch von Kin-Lu Wong ist ferner eine integrierte Dualbandantenne in der Form einer gestockten IFA-Antenne (Seiten 226 ff. des Buchs) beschrieben. Hier werden zwei IFA-Antennen "gestapelt" und beide über eine Mikrostreifenleitung galvanisch angeregt. Diese Antenne ist ebenfalls für drahtlose lokale Netze einsetzbar.

Ferner sind aus dem genannten Buch Dualband-PIFAs beschrieben, bei denen ein Antennenfeld über einen Speisepunkt galvanisch gespeist wird, während ein zweites Antennenfeld durch eine kapazitive Kopplung mit dem galvanisch gespeisten Antennenfeld gespeist wird. Derartige Antennenfelder mit kapazitiver Kopplung sind auch bei Yong-Xin Guo et al., "A Quarter-Wave U-Shaped Patch Antenna With Two Unequal Arms for Wideband and Dual-Frequency Operation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Bd. 50, Nr. 8, August 2002, Seiten 1082 bis 1087, beschrieben.

Eine weitere Möglichkeit zur Implementierung einer Dualbandantenne, bei der das Antennenfeld (Antennenpatch) über einen dazwischen geschalteten LC-Resonator bzw. einen dazwischengeschalteten Chipinduktor frequenzselektiv verlängert oder verkürzt wird, ist ebenfalls aus dem obengenannten Buch von Kin-Lu Wong bekannt und auch bei Gabriel K. H. Lui et al., "Compact Dual-Frequency PIFA Designs Using LC Resonators", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Bd. 49, Nr. 7, Juli 2001, Seiten 1016 bis 1019, beschrieben.

Eine nicht planare, Breitbandantenne, die eine Strahlungskopplungstechnik verwendet, ist bei Louis F. Fei et al., "Method Boosts Bandwidths of IFAs for 5-GHz WLAN NICs, Microwaves and RF", September 2002, Seiten 66 bis 70, beschrieben. Dort wird bei einer nicht planar integrierten IFA-Antenne durch das strahlungsgekoppelte Mitschwingen einer weiteren IFA-Antenne die Bandbreite der Antenne erweitert.

Allgemein ist festzustellen, dass IFA-Antennen gegenüber PIFA-Antennen meist eine höhere Bandbreite aufweisen, wobei die meisten integrierbaren Dualbandkonzepte Nachteile durch eine geringe Bandbreite oder durch einen hohen Platzbedarf aufweisen.

Aus der DE 10142384 A1 sind Antennenvorrichtungen bekannt, bei denen auf einer ersten Oberfläche eines Substrats ein Antennenmuster einer umgekehrten F-Form oder einer umgekehrten L-Form gebildet ist, während auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Substrats ein Antennenmuster einer umgekehrten L-Form gebildet ist. Das auf der ersten Oberfläche angeordnete Antennenmuster wird über eine Speiseleitung gespeist, während das auf der zweiten Oberfläche angeordnete Antennenmuster durch das Antennenmuster auf der ersten Oberfläche angesteuert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antennenvorrichtung mit einem einfachen Aufbau und Dualbandigkeit bzw. Mehrbandigkeit oder einer hohen Bandbreite zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Antennenvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Strahlungselektrode, die ein Leerlaufende und ein mit Masse verbundenes Kurzschlusswende aufweist und die an einem Speisepunkt mit einer Speiseleitung gekoppelt ist:
einer zweiten Strahlungselektrode, die ein Leerlaufende und ein mit Masse verbundenes Kurzschlussende aufweist, wobei ein Abschnitt der zweiten Strahlungselektrode Teil einer von einem Wechselstrom durchfließbaren Leiterschleife ist,
wobei die erste Strahlungselektrode und die Speiseleitung derart räumlich benachbart zu der Leiterschleife angeordnet sind, dass ein durch die Speiseleitung zu dem Kurzschlussende der ersten Strahlungselektrode fließender Wechselstrom zur Speisung der zweiten Strahlungselektrode über eine magnetische Kopplung einen Wechselstrom in den Stromkreis induziert.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung sind die erste Strahlungselektrode und die Speiseleitung auf einer ersten Hauptoberfläche eines Substrats angeordnet, während die zweite Strahlungselektrode auf einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Die zweite Elektrode ist vorzugsweise Teil einer von einem Wechselstrom durchfliessbaren Leiterschleife, die von einem Magnetfeld durchsetzbar ist, das durch einen durch die Speiseleitung zu dem Kurzschlussende der ersten Strahlungselektrode fließenden Wechselstrom erzeugt wird, so dass der Speisestrom für die zweite Strahlungselektrode in die Leiterschleife induziert wird. Bei weiterhin bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung definieren die erste Strahlungselektrode und die Speiseleitung eine Erregerschleife, so dass die Leiterschleife, zu der die zweite Strahlungselektrode beiträgt, durch eine Gegeninduk tion zweier räumlich benachbarter Leiterschleifen gespeist wird.

Die beiden Strahlungselektroden der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung besitzen vorzugsweise unterschiedliche Längen und somit unterschiedliche Resonanzfrequenzen, so dass die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung als Dualbandantenne verwendet werden kann. Die Strahlungselektroden können jedoch auch solche Resonanzfrequenzen aufweisen, dass eine Antenne mit einer gegenüber einer Antenne mit nur einer Strahlungselektrode erhöhten Bandbreite erhalten wird. Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung kann ferner mehr als zwei Strahlungselektroden aufweisen und somit als Mehrbandantenne verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Antenne bzw. Antennenvorrichtung ist planar integrierbar, was sich aufgrund der geringen Baugröße vor allem bei Übertragungsfrequenzen im Zentimeter- und Millimeter Wellenbereich anbietet. Bevorzugte Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Antenne liegen in mobilen Sendern und Empfängern, die zwei oder mehr Frequenzbänder nutzen oder ein hohe Bandbreite benötigen. Daher ist die vorliegende Erfindung beispielsweise hervorragend zur Wireless-LAN-Anbindung von mobilen Datenverarbeitungsgeräten geeignet, da hier beispielsweise Frequenzbereiche von 2400 bis 2483,5 MHz und 5150 bis 5350 MHz benutzt werden (Europa). Außerdem werden gegebenenfalls noch die Frequenzbereiche von 5470 bis 5725 MHz und das ISM-Band von 5725 bis 5825 MHz (USA) genutzt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Antenne auch für den Einsatz in Dualband- oder Mehrband-Mobiltelefonen (900 MHz/1800 MHz, u.s.w.) geeignet. Aufgrund der geringen Baugröße und der Integrierbarkeit auf planaren Schaltungen ist die erfindungsgemäße Antenne u.a. gut dafür geeignet, auf PCMCIA-WLAN-Adapterkarten für Laptops integriert zu werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Antenne für eine drahtlose Datenübertragung um eine integrierte Dualbandantenne, die beispielsweise für den Einsatz im WLAN-Bereich 2,45 GHz und 5,2 GHz vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch auch auf mehr als zwei Bänder und andere Frequenzen erweiterbar.

Die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung wird vorzugsweise als integrierte IFA-Antenne implementiert, bei der im Gegensatz zu herkömmlichen integrierten IFAs nur ein einziges Element, nämlich die erste Strahlungselektrode, galvanisch gespeist wird. Das andere Element bzw. die anderen Elemente (die zweite und weitere Strahlungselektroden) sind induktiv gekoppelt. Daraus resultiert eine Verringerung an Herstellungsaufwand und Platzbedarf, vor allem wenn die Antenne unter Verwendung eines Multilayerkonzepts implementiert wird. Der Flächenbedarf der gesamten Antenne wird lediglich durch die Größe des Antennenelements für die niedrigste Frequenz bestimmt. Wie für IFA-Antennen typisch zeichnet sich auch die erfindungsgemäße Antenne durch eine für planare Antennen überdurchschnittlich hohe Bandbreite aus.

Die induktive Ankopplung und der Wellenwiderstand der Antennenelemente, das heißt der Strahlungselektroden, können durch Substratdicke, Substratmaterial (dessen Permitivität), die Form der Speiseleitung und eine Versetzung des Speisepunkts optimal angepasst werden.

Die erfindungsgemäße Antenne hebt sich durch optimale Anpassbarkeit, minimalen Flächenbedarf, hohe Bandbreite und geringen Fertigungsaufwand von bisher bekannten Multibandkonzepten ab. Die Antenne ist vollständig planar auf einem Substrat (Dualband) oder auf einem Multilayersubstrat (Mehrband) integrierbar. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist dabei lediglich eine Masse durch Kontaktierung an der Kurzschlussseite der Strahlungselektroden notwendig.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
2a und 2b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;
3 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
4 schematische Darstellungen zweier realisierter erfindungsgemäßer Antennenvorrichtungen; und
5a und 5b gemessene Charakteristika der in 4 gezeigten Antennenvorrichtungen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung gezeigt, die auf einem doppelseitigen Substrat 10 implementiert ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass zu Darstellungszwecken in 1 das Substrat durchsichtig dargestellt ist. Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Antennenvorrichtung besteht im Prinzip aus zwei integrierten IFAs ("Inverted-F-Antennen"), wobei eine der Antennen auf einer Oberseite 10a des Substrats 10 gebildet ist, während die andere auf einer Unterseite 10b gebildet ist.
Auf der der Oberseite entsprechenden Hauptoberfläche 10a des Substrats 10 ist eine erste Strahlungselektrode 12 gebildet, die ein leerlaufendes Ende 12a und ein kurzgeschlossenes Ende 12b aufweist. Ferner ist auf der Hauptoberfläche 10a eine Zuleitung 14 zum galvanischen Speisen der ersten Strahlungselektrode 12 vorgesehen. Die Zuleitung 14 ist an einem Speisepunkt 16 mit der ersten Strahlungselektrode 12 verbunden. Hinsichtlich der Struktur der auf der Hauptoberfläche 10a vorgesehenen Metallisierungen, d.h. der dort vorgesehenen Elektroden bzw. Leitungen, sei ferner auf 2a verwiesen, die eine Draufsicht auf die Oberseite 10a des relevanten Teils des Substrats 10 darstellt.
Das kurzgeschlossene Ende 12b der ersten Strahlungselektrode 12 ist über eine Durchkontaktierung 20 mit einer Masseelektrode 22 (in 1 schraffiert dargestellt) verbunden, die auf der der Hauptoberfläche 10a gegenüberliegenden Hauptoberfläche 10b des Substrats 10 gebildet ist. Diese gegenüberliegende Hauptoberfläche 10b (die Rückseite in 1) ist in 2b als "Durchscheinbild" von oben dargestellt, wobei die auf der Vorderseite 10a vorgesehenen Metallisierungen zu Darstellungszwecken weggelassen sind und das Substrat durchsichtig ist. Wie in 2b am besten zu sehen ist, ist auf der Hauptoberfläche 10b eine zweite Strahlungselektrode 24 gebildet, die ein leerlaufendes Ende 24a und ein kurzgeschlossenes Ende 24b aufweist. Das kurzgeschlossene Ende 24b ist mit der Masseelektrode 22 verbunden. Ferner ist auf der Hauptoberfläche 10b ein Koppelleiter 26 gebildet, der ein erstes Ende aufweist, das mit der Masseelektrode 22 verbunden ist, und der ein zweites Ende aufweist, das an einem Koppelpunkt 28 mit der zweiten Strahlungselektrode 24 verbunden ist.
Die Masseelektrode ist als Rückseitenmetallisierung auf der Unterseite des Substrats vorgesehen und dient ferner als Masseebene für die Mikrostreifenleitung 14 und die Antennen. Die galvanisch gespeiste, längere, erste Strahlungselektrode 12 ist für das untere Frequenzband vorgesehen, während die induktiv gespeiste, kürzere Antenne 24 für das obere Frequenzband vorgesehen ist.
Die in 1 gezeigte Antenne besteht im Prinzip aus zwei integrierten IFAs, wobei die erste der beiden Antennen für das erste Frequenzband von der Zuleitung 14 in der Form einer Mikrostreifenleitung gespeist wird. Die zweite Antenne für das zweite Frequenzband, die die zweite Strahlungselektrode 24 aufweist, wird über eine Stromschleife induktiv angeregt. Genauer gesagt bilden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Zuleitung 14 und der zwischen dem leerlaufenden Ende 12b und dem Speisepunkt 16 liegende Abschnitt der ersten Strahlungselektrode 12 eine Erreger stromschleife, die einen magnetischen Fluss erzeugt. Ferner bilden die Koppelleitung 26, der zwischen dem kurzgeschlossenen Ende 24b und dem Koppelpunkt 28 liegende Bereich der zweiten Strahlungselektrode 24 und die Masseelektrode 22 einen Stromkreis bzw. eine Stromschleife. Diese Stromschleife ist bei der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung derart angeordnet, dass sie durch den von der Erregerstromschleife erzeugten magnetischen Fluss durchsetzt wird, so dass ein Strom in diese Stromschleife induziert wird. Durch diesen induzierten Strom wird die zweite Strahlungselektrode 24 gespeist.
Um eine möglichst gute magnetische Kopplung zu erreichen, entsprechen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Abmessungen der auf der Rückseite 10b gebildeten erregten Stromschleife näherungsweise den Abmessungen der auf der Vorderseite 10a gebildeten Erregerschleife. Die Dicke des Substrats 10 kann beispielsweise 0,5 mm betragen, so dass der Abstand der Stromschleifen auf der Oberseite bzw. Unterseite des Substrats klein ist (gegenüber der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz der Strahlungselektrode 24), so dass eine gute magnetische Kopplung erreicht werden kann.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit die Strahlungselektrode 24 induktiv durch magnetische Koppelung angeregt, wobei die Stärke der Kopplung von der Gegeninduktivität zwischen dem Erregungsleiter und dem erregten Leiter abhängt. Die Größe und Form der Erregerstromschleife und der erregten Stromschleife können angepasst werden, um eine gewünschte Kopplung zu erreichen. Ferner hängt die Kopplung vom Abstand der Schleifen zueinander ab.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Erregerstromschleife und die erregte Stromschleife nicht jeweils eine auf dem Substrat gebildete geschlossene Stromschleife darstellen müssen, sondern als Leiterbereiche ausgebildet sein können, die zusammen mit nicht auf dem Substrat gebildeten Leitern einen Wechselstromkreis bzw. eine Stromschleife bilden. Die Erregerstromschleife hat lediglich einen Verlauf aufzuweisen, um ein ausreichendes magnetisches Feld bzw. einen ausreichenden magnetischen Fluss zu erzeugen, so dass ein als Speisestrom ausreichender Strom in den Teil des Stromkreises des zweiten Antennenelements, dass in dem magnetischen Feld bzw. dem magnetischen Fluss angeordnet ist, induziert werden kann. Darüber hinaus sei festgestellt, dass die jeweiligen Stromschleifen bzw. Stromkreise geeignet ausgestaltet sind, um einen Wechselstromfluss zu ermöglichen, so dass innerhalb dieser Stromschleifen bzw. Stromkreise kapazitive Kopplungen vorgesehen sein können.
Der Speisepunkt 16 ist gewählt, um eine Impedanzanpassung zwischen der Mikrostreifenleitung 14 und der Strahlungselektrode 12 zu erreichen. Die jeweilige Position für den Speisepunkt 16 muß beim Entwurf der Antenne festgestellt werden, wobei durch ein Verschieben des Speisepunkt 16 nach links die Antennenimpedanz verringert werden kann, während durch ein Verschieben des Speisepunkts 16 nach rechts dieselbe erhöht werden kann, wie durch einen Pfeil 30 in 2a angezeigt ist. Durch eine entsprechende Wahl des Speisepunkts 16 kann somit die Antennenimpedanz an die Impedanz der galvanischen Zuleitung angepasst werden.
In gleicher Weise kann eine Anpassung zwischen Antennenimpedanz der zweiten Strahlungselektrode 24 und der Koppelleitung 26 durch eine geeignete Wahl des Koppelpunkts 28 erreicht werden, wie durch einen Pfeil 32 in 2b gezeigt ist. Durch diese Anpassung kann erreicht werden, dass der induzierte Strom optimal zur Speisung der zweiten Strahlungselektrode genutzt werden kann.
Obwohl bei dem in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel die Zuleitung 14 beziehungsweise die Koppelleitung 26 mit dem parallel zum Rand der Masseelektrode 22 verlaufenden Teil der jeweiligen Strahlungselektrode gekoppelt sind, könnte jede dieser Leitungen auch mit dem jeweils senkrecht zu dem Rand der Masseelektrode 22 verlau fenden Teil der jeweiligen Strahlungselektrode gekoppelt sein, je nach dem, wie es erforderlich ist, um eine Impedanzanpassung zu erreichen.
Die Gesamtgeometrie der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung kann verkleinert werden, um beispielsweise eine Minimierung des Flächenbedarfs zu erhalten, indem beispielsweise die Strahlungselektroden oder zumindest die längere derselben mäanderförmig ausgestaltet werden.
Die Form der Speiseleitung 14a bzw. der Koppelleitung 26 und die Wahl des Speisepunktes bzw. Koppelpunktes 26 können zum Erreichen einer Impedanzanpassung für die beiden Strahlungselektroden unterschiedlich sein, um eine optimale Anpassung für die beiden einzelnen Antennenelemente zu ermöglichen. Beispielsweise können die bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehene Knick 14a in der Zuleitung 14 und der Knick 26a in der Koppelleitung 26 vorgesehen sein, um eine Impedanzanpassung zu erreichen.
Eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrbandantenne ist in 3 gezeigt.
Die Mehrbandantenne ist in einem Mehrschichtsubstrat 50 implementiert, das wiederum zu Zwecken der Darstellung durchsichtig gezeigt ist und eine erste Schicht 52 und eine zweite Schicht 54 aufweist. Auf der Oberseite der ersten Schicht 52 ist ein erstes Antennenelement gebildet, das im wesentlichen dem auf der Oberseite 10a des Substrats 10 gebildeten Antennenelement mit der ersten Strahlungselektrode 12 entspricht, wobei im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich die Zuleitung 14 mit dem senkrecht zu dem Rand der Massefläche 22 verlaufenden Teil der Strahlungselektrode 12 verbunden ist und somit einen entsprechenden Abschnitt 14b aufweist.
Auf der Unterseite der ersten Schicht 52 (bzw. auf der Oberseite der zweiten Schicht 54) ist analog zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die zweite Strahlungselektrode 24 gebildet. Auf der Unterseite der zweiten Schicht 54 ist eine dritte Strahlungselektrode 56 mit einem leerlaufenden Ende 56a und einem kurzgeschlossenen Ende 56b gebildet. Das kurzgeschlossene Ende ist über eine in der zweiten Schicht 54 vorgesehene Durchkontaktierung 58 mit der Masseelektrode 22 verbunden. Ferner ist eine weitere Durchkontaktierung 60 in der zweiten Schicht 54 vorgesehen, über die ein erstes Ende einer Koppelleitung 62 mit der Masseelektrode 22 verbunden ist. Ein zweites Ende der Koppelleitung 62 ist an einem Koppelpunkt 64 mit der dritten Strahlungselektrode 56 verbunden.
Das dritte Antennenelement, das die Strahlungselektrode 56 aufweist, besitzt daher einen Aufbau, der vergleichbar zu dem Aufbau des zweiten Antennenelements, das die Strahlungselektrode 24 aufweist, ist.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die dritte Strahlungselektrode 56 gespeist, indem zunächst ein Strom in den Stromkreis des zweiten Antennenelements induziert wird, und durch diesen in den Stromkreis des zweiten Antennenelements induzierten Strom ein Strom in den Stromkreis des dritten Antennenelements induziert wird. Dieser Stromkreis des dritten Antennenelements ist durch eine Leiterschleife gebildet, die die Durchkontaktierung 60, die Koppelleitung 62, den zwischen dem Koppelpunkt 64 und dem kurzgeschlossenen Ende 56b angeordneten Abschnitt der dritten Strahlungselektrode 56, die Durchkontaktierung 58 und die Masseelektrode 22 aufweist.
Wie in 3 zu sehen ist, können die jeweiligen Speisepunkte bzw. Koppelpunkte für die verschiedenen Antennenelemente an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein, um für die verschiedenen Elemente jeweils eine Anpassung zu erreichen.
Alternativ zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel könnte das galvanisch gespeiste Antennenelement zwischen zwei induktiv gespeisten Antennenelementen angeordnet sein, so dass zum Speisen des dritten Antennenelements keine zweimalige magnetische Kopplung notwendig wäre.
Statt des Vorsehens der Durchkontaktierung 60 könnte bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das erste Ende der Koppelleitung 64 mit dem kurzgeschlossenen Ende der dritten Strahlungselektrode 56 über eine auf der Unterseite der zweiten Schicht 54 vorgesehene Leiterbahn (nicht gezeigt) verbunden sein, um den Stromkreis des dritten Antennenelements zu implementieren. In einem solchen Fall wäre sowohl in der ersten Schicht 52 als auch in der zweiten Schicht 54 der Multilayerplatine jeweils nur eine Durchkontaktierung erforderlich.
Erfindungsgemäß können die mehreren Antennenelemente zur Erzeugung einer Dualband- bzw. Multiband-Antenne verwendet werden. Alternativ können jeweilige zusätzliche Antennenelemente auch zur Spreizung der Bandbreite eines einzelnen Frequenzbandes verwendet werden, indem beispielsweise die Resonanzfrequenzen zweier Antennenelemente benachbart zueinander gewählt werden.
Prototypen von erfindungsgemäßen Antennenvorrichtungen wurden zunächst mit HFSS simuliert und anschließend auf einem Ro4003-Substrat, das eine effektive Permitivität ε_r ≈ 3,38 aufweist, aufgebaut. Bei einem Ro4003-Substrat handelt es sich um ein Hochfrequenzsubstrat der Firma Rogers Corporation, und besteht aus einem glasverstärkten ausgehärteten Kohlenwasserstoff/Keramik-Laminat. HFSS ist eine EM-Feldsimulationssoftware der Ansoft-Corporation zur Berechnung von S-Parametern und Feldverläufen, die auf der Finite-Elemente-Methode basiert.
4 zeigt rein schematisch Fotographien zweier derartiger Prototypen, bei denen die jeweilige Mikrostreifenzuleitung durch ein Koaxialkabel gespeist wird. Zum Größenvergleich ist in 4 ferner eine 20 Cent-Münze dargestellt. Wie in 4 zu erkennen ist, weist die linke Antenne eine etwas schmälere Strahlungselektrode auf, während die rechte Antenne eine breitere Strahlungselektrode besitzt.
5a zeigt die Charakteristika, die bei Eingangsreflexionsmessungen der in 4 linken Antenne erhalten wurde, währen 5b die bei der in 4 gezeigten rechten Antenne erhaltenen Charakteristika zeigt. Wie den Kurven in 5a und 5b zu entnehmen ist, kann durch Variieren der Geometrie eine Änderung der Bandbreite erreicht werden.
Obwohl oben nur aus zwei oder drei Strahlungselektroden bestehende Aufbauten beschrieben wurden, ist es klar, das das erfindungsgemäße Prinzip auch auf mehr als drei Strahlungselektroden erweitert werden kann, um eine entsprechende Mehrbandigkeit oder Breitbandigkeit zu erreichen. Zu diesem Zweck kann in geeigneter Weise ein Mehrschichtsubstrat mit mehr als zwei Schichten verwendet werden. Überdies ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen von Antennenvorrichtungen begrenzt, sondern umfasst auch einseitig gedruckte Antennen (bei denen zwei oder mehr Strahlungselektroden auf einer Oberfläche eines Substrats vorgesehen sind) oder Drahtantennenanordnungen.

Claims

Antennenvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer ersten Strahlungselektrode (12), die ein Leerlaufende (12a) und ein mit Masse (22) verbundenes Kurzschlussende (12b) aufweist und die an einen Speisepunkt (16) mit einer Speiseleitung (14) gekoppelt ist; einer zweiten Strahlungselektrode (24), die ein Leerlaufende (24a) und ein mit Masse (22) verbundenes Kurzschlussende (24b) aufweist, wobei ein Abschnitt der zweiten Strahlungselektrode Teil einer von einem Wechselstrom durchfließbaren Leiterschleife ist, wobei die erste Strahlungselektrode (12) und die Speiseleitung (14) derart räumlich benachbart zu der Leiterschleife angeordnet sind, dass ein durch die Speiseleitung (14) zu dem Kurzschlussende (12b) der ersten Strahlungselektrode (12) fließender Wechselstrom zur Speisung der zweiten Strahlungselektrode (24) über eine magnetische Kopplung einen Wechselstrom in die Leiterschleife induziert.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Strahlungselektrode (12) und die Speiseleitung (14) auf einer ersten Oberfläche (10a) eines Substrats (10; 52) angeordnet sind und bei der die zweite Strahlungselektrode (24) auf einer zweiten, der ersten Oberfläche (10a) gegenüberliegenden Oberfläche (10b) des Substrats (10) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Strahlungselektrode (12) und die Speiseleitung (14) einen Erregerstromweg definieren.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Erregerstromweg und die von einem Wechselstrom durchfliessbare Leiterschleife einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein Substrat (10; 52) zwischen denselben angeordnet ist.
Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die zweite Strahlungselektrode (24) auf einer Oberfläche (10b) eines Substrats (10; 52) angeordnet ist, auf der ferner eine Massefläche (22), mit der das Kurzschlussende (24b) der zweiten Strahlungselektrode (24) verbunden ist, angeordnet ist, wobei ferner ein Koppelpunkt (28) der zweiten Strahlungselektrode über einen Koppelleiter (26) mit der Massefläche (22) verbunden ist, so dass der zwischen dem Kurzschlussende (24b) und dem Koppelpunkt (28) befindliche Teil der zweiten Strahlungselektrode (24), der Koppelleiter (26) und die Massefläche (22) die von einem Wechselstrom durchfliessbare Leiterschleife definieren.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Koppelpunkt (28) derart gewählt ist, dass eine Anpassung zwischen der Impedanz der zweiten Strahlungselektrode (24) und der Impedanz der Koppelleitung (26) vorliegt.
Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner eine dritte Strahlungselektrode (56), die ein Leerlaufende (56a) und ein mit Masse (22) verbundenes Kurzschlussende (56b) aufweist, aufweist, wobei ein Abschnitt der dritten Strahlungselektrode (56) Teil einer von einem Wechselstrom durchfließbaren Leiterschleife ist, in die zur Speisung der dritten Strahlungselektrode (56) durch einen Wechselstrom, der durch die Speiseleitung (14) zu dem Kurzschlussende (12b) der ersten Strahlungselektrode (12) fließt, oder durch einen Wechselstrom, der durch die der zweiten Strahlungselektrode (24) zugeordnete Leiterschleife fließt, ein Wechselstrom durch magnetische Kopplung induzierbar ist.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erste, zweite und dritte Strahlungselektrode (12, 24), (56) auf unterschiedlichen Schichten (52, 54) eines Mehrschichtsubstrats (50) angeordnet sind.
Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste, zweite und/oder dritte Strahlungselektrode (12, 24, 56) unterschiedliche Längen aufweisen, um Antennenelemente mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zu definieren.