DE602005002697T2

DE602005002697T2 - Kleine Planarantenne mit erhöhter Bandbreite und kleine Streifenantenne

Info

Publication number: DE602005002697T2
Application number: DE602005002697T
Authority: DE
Inventors: Yuri Tikhov; Yong-Jin Kim; Young-Hoon Min
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-08-21
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2025-08-20
Also published as: US7355559B2; JP4206088B2; US20070096993A1; EP1628359B1; US7289076B2; US20060038725A1; EP1628359A1; JP2006060829A; DE602005002697D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenz- und Mikrowellenantennen, und insbesondere eine kleine Planarantenne und eine kleine Streifenantenne mit verbesserter Bandbreite.
In niederfrequenter Bandbreite und bei UHF-Frequenzen stellt die Größe einer Halbwellendipolantenne eine Einschränkung der mobilen oder HF-Identifikationsanwendungen dar, und somit ist eine kleine Antenne mit relativ geringer Wellenlänge erforderlich. Die Größe der Antenne für eine gegebene Anwendung bezieht sich jedoch nicht hauptsächlich auf die verwendete Technologie, sondern ist durch wohl bekannte physikalische Gesetze definiert. Die Antennengröße in Bezug auf die Wellenlänge ist nämlich der Parameter, der den deutlichsten Einfluss auf die Strahlungseigenschaften der Antenne hat.
Jede Antenne wird dazu verwendet, eine geleitete Welle in eine abgestrahlte zu verwandeln oder umgekehrt. Um diese Umwandlung wirksam auszuführen, sollte die Antennegröße grundsätzlich im Bereich einer halben Wellenlänge oder größer liegen. Natürlich kann eine Antenne kleiner als diese Größe sein, aber dann werden Bandbreite, Verstärkung bzw. Gewinn und Effizienz abnehmen. Demzufolge ist die Kunst der Antennenminiaturisierung im mer auch eine Kunst des Kompromisses zwischen Größe, Bandbreite und Effizienz.
Bei Planarantennen kann ein guter Kompromiss erzielt werden, wenn der Großteil des vorgegebenen Antennenbereichs an der Abstrahlung teilhat.
Die WO 03/094293 offenbart ein Beispiel für die Miniaturisierung der Antenne auf eine Größe, die kleiner als die Größe der Resonanz ist, während eine relativ hohe Verstärkung und die Effizienz der Resonanzmerkmale beibehalten werden. 1 zeigt eine Antenne der WO 03/094293 .
Bezugnehmend auf 1 enthält die Antenne 1 ein dielektrisches Substrat 2, eine Zuführleitung 5, eine Metallschicht 3, einen Hauptschlitz 4 und eine Vielzahl an Unterschlitzen 6a bis 6d, die in die Metallschicht 3 gemustert sind. Die Metallschicht 3 mit dem Hauptschlitz 4 und den Unterschlitzen 6a bis 6d bilden einen Sende- bzw. Abstrahlungsteil der Antenne 1.
Währenddessen zeigt 2 einen Abstrahlungsteil einer herkömmlichen Antenne, die einen vertikal-linearen Schlitz hat. 3 zeigt einen Abstrahlungsteil einer herkömmlichen Antenne mit einem vertikal rotierenden Schlitz, und 4 zeigt einen Abstrahlungsteil einer herkömmlichen Antenne mit einem vertikal-spiraligen Schlitz.
In den 2 bis 4 werden die gemeinsamen Bauteile, das sind Hauptschlitz und Metallschicht, mit denselben Bezugsziffern versehen. Eine Vielzahl an Unterschlitzen 8a bis 8d, 9a bis 9d, 10a bis 10d verschiedener Ausgestaltungen sind an jedem Ende des Hauptschlitzes 4 gebildet.
Eine herkömmliche Antenne, wie oben beispielhaft erläutert, ist dadurch beschränkt, dass sie eine enge Bandbreite hat. Darüber hinaus ist die operative Frequenzbandbreite einer kleinen Antenne eine Einflussgröße bei einer Vielzahl von Anwendungen.
Demnach entsteht Bedarf an einer kleinen Antenne, die bei einer elektrisch verbesserten Bandbreite arbeiten kann, ohne Strahlungsmuster, Verstärkung und Strahlungseffizienz zu beeinträchtigen.
Währenddessen erfordert eine kleine Antenne eine große Menge an leitendem Material als Masse- bzw. Erdschicht. Somit wird auch das relativ hohe Gewicht des leitenden Materials, das in Antennen benötigt wird, zu einer Einflussgröße.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung ist, wie in Anspruch 1 definiert, eine kleine Planarantenne vorgesehen, aufweisend: ein dielektrisches Substrat; eine Metallschicht, die auf einem oberen Teil des dielektrischen Substrats gebildet ist; einen Hauptschlitz, der in die Metallschicht gemustert ist und eine Längsachse hat; und eine Vielzahl an Unterschlitzen, die jeweils mit dem einen oder anderen Ende des Hauptschlitzes verbunden und in eine vorbestimmte Richtung gewickelt sind, wobei die Vielzahl an Unterschlitzen symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes angeordnet ist,
wobei die Vielzahl an Unterschlitzen in Paare geteilt ist, wobei jedes Paar umfasst: einen ersten Unterschlitz, der sich in einer Spule vom Hauptschlitz erstreckt; einen zweiten Unter schlitz, der gegenüber dem ersten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des ersten Unterschlitzes gebildet ist.
Die vorbestimmte Richtung kann im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen.
Jeder der Vielzahl an Unterschlitzen, die symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes angeordnet sind, kann in Gegenrichtung zu einem Pendant eines jeden der Vielzahl an Unterschlitzen gewickelt sein.
Entsprechende Bereiche der Unterschlitze, die gewickelt sind, können kleiner als einer Wellenlänge sein, die innerhalb des Operationsfrequenzbereichs der Antenne liegt.
Die Vielzahl an Unterschlitzen kann einen ersten rechten Unterschlitz umfassen, der im Uhrzeigersinn gewickelt und auf einer Oberseite eines rechten Endes des Hauptschlitzes gebildet ist; einen zweiten rechten Unterschlitz, der gegenüber dem ersten rechten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des ersten rechten Unterschlitzes gebildet ist; einen vierten rechten Unterschlitz, der gegenüber dem ersten rechten Unterschlitz gewickelt und auf einer Unterseite des rechten Endes des Hauptschlitzes gebildet ist; und einen dritten rechten Unterschlitz, der gegenüber dem vierten rechten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des vierten rechten Unterschlitzes gebildet ist.
Erste bis vierte linke Unterschlitze können auch vorgesehen sein, die spiegelsymmetrisch gegenüber den ersten bis vierten rechten Unterschlitzen in Bezug auf den Hauptschlitz angeordnet sind, wobei jeder der ersten bis vierten linken Unter schlitze gegenüber einem ersten bis vierten rechten Unterschlitzpendant angeordnet ist.
Der Hauptschlitz kann eine Länge aufweisen, die geringer ist als eine halbe Welle, die innerhalb des Operationsfrequenzbereichs der Antenne liegt.
Die Breiten der Unterschlitze und des Hauptschlitzes können identisch sein.
Die Breite der Unterschlitze kann enger sein als die Breite des Hauptschlitzes.
Die Breite der Unterschlitze kann breiter sein als die Breite des Hauptschlitzes.
Eine Zufuhrleitung kann an der Rückseite des dielektrischen Substrats vorgesehen sein, die eine Mikrostreifenleitung eines am Ende offenen kapazitiven Fühlers enthält.
Die Breiten des am Ende offenen kapazitiven Fühlers und die der Streifen der Mikrostreifenleitung können identisch sein.
Die Breite des am Ende offenen kapazitiven Fühlers kann geringer als eine Breite der Streifen der Mikrostreifenleitung sein.
Die Breite des am Ende offenen kapazitiven Fühlers kann breiter als eine Breite der Streifen der Mikrostreifenleitung sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 15 definiert, ist eine kleine Streifenantenne vorgesehen, aufweisend: einen Hauptstreifen mit einer Längsachse, und eine Vielzahl an gewickelten Streifenarmen, die den Hauptstreifen an jedem Ende abschließen, wobei die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens angeordnet sind, wobei die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen in Paare geteilt ist, wobei jedes Paar umfasst: einen ersten Streifenarm, der sich in einer Spule vom Hauptstreifen erstreckt, einen zweiten Streifenarm, der gegenüber dem ersten Streifenarm gewickelt und entlang der Innenseite des ersten Streifenarms gebildet ist.
Der Hauptstreifen kann einen mittig angeordneten Spalt enthalten, der ein Zufuhrpunkt der Antenne ist.
Der Hauptstreifen und die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen können auf einem dielektrischen Substrat gebildet sein.
Die gewickelten Streifenarme können spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens angeordnet sein.
Eine Zuführung kann ferner vorgesehen sein, die einen direkten Einlass eines elektronischen Chips in den Spalt enthält.
Eine Zuführung kann ferner vorgesehen sein, die eine plane auf einem dielektrischen Substrat angeordnete Übertragungsleitung enthält.
Das dielektrische Substrat, der Hauptstreifen und die gewickelten Streifenarme können im Wesentlichen plan sein.
Der Hauptstreifen und die gewickelten Streifenarme können als ein Massendraht mit derselben Geometrie ausgebildet sein.
Die Erfindung stellt eine kleine Planarantenne bereit, die eine verbesserte operative Frequenzbandbreite hat und Strahlungsmuster, Verstärkung und Strahlungseffizienz nicht nachteilig beeinflusst. Der Erfindung stellt auch eine kleine Streifenantenne bereit, die weniger Metall oder anderes leitendes Material benötigt als herkömmliche Antennen, zugleich aber arbeiten kann, ohne die Strahlungseigenschaften nachteilig zu beeinflussen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden bei der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen:
1 eine Ansicht einer Antenne gemäß der Stand der Technik ist;
2 einen Abstrahlungsteil einer herkömmlichen Antenne mit einem vertikal linearen Schlitz darstellt;
3 einen Abstrahlungsteil einer herkömmlichen Antenne mit einem vertikal rotierenden Schlitz darstellt;
4 einen Abstrahlungsteil mit einem vertikal spiraligen Schlitz darstellt;
5 eine perspektivische Ansicht einer kleinen Planaran tenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine detaillierte Draufsicht auf die Metallschicht aus 5 ist, die einen Hauptschlitz und eine Vielzahl von Unterschlitzen darin hat
7 die Verteilung des elektromagnetischen Stroms in dem Schlitzmuster gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ein Strahlungsmuster auf den Ebenen E und H einer herkömmlichen Antenne darstellt;
9 ein Strahlungsmuster auf den Ebenen E und H einer Antenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 eine graphische Darstellung ist, bei der die Bandbreitenmerkmale durch Rückflussdämpfung zwischen einer herkömmlichen Antenne und einer Antenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verglichen werden;
11 eine kleine Streifenantenne gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 das Streifenmuster aus 11 detailliert darstellt; und
13 eine zeitweise Verteilung der elektrischen Stromdichte in dem Steifenmuster gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer kleinen Planarantenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 enthält eine kleine Planarantenne 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein dielektrisches Substrat 20, eine Metallschicht 30, die auf einem oberen Teil des dielektrischen Substrats 20 gebildet ist, einen Hauptschlitz 40 und eine Vielzahl an Unterschlitzen 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b, die in die Metallschicht 30 gemustert sind, und eine Zufuhrleitung 50, die auf einem unteren Teil des dielektrischen Substrats 20 gebildet ist. Die Metallschicht 30 mit dem Hauptschlitz 40 und eine Vielzahl an Unterschlitzen 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b bilden den Abstrahlungsteil der Antenne 100.
6 ist eine detaillierte Draufsicht auf die Metallschicht 30, die einen Hauptschlitz 40 und Unterschlitze 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b aus 5 hat. Im Folgenden werden der Hauptschlitz 40 und die Unterschlitze 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b gemeinsam als „Abstrahlungsteil" bezeichnet.
Bezugnehmend auf 6 enthält der Abstrahlungsteil die Metallschicht 30, einen Hauptschlitz 40 und die Vielzahl an Unterschlitzen 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b, die auf beiden Seiten des Hauptschlitzes 40 gebildet sind.
Jeder der Unterschlitze 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b ist mit dem Hauptschlitz 40 verbunden. Es ist auch jeder der Unterschlitze 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt. Darüber hinaus ist jeder der Unterschlitze 60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b in einem spiegelsymmetrischen Muster in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes 40 angeordnet.
Dementsprechend können der erste Unterschlitz 60a auf der rechten Seite und der dritte Unterschlitz 80a auf der rechten Seite im Uhrzeigersinn gewickelt sein, während der zweite Unterschlitz 80 auf der rechten Seite und der vierte Unterschlitz 90a auf der rechten Seite entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt sein können.
Des Weiteren können der erste Unterschlitz 60b auf der linken Seite und der dritte Unterschlitz 80b auf der linken Seite entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt sein, während der zweite Unterschlitz 70b auf der linken Seite und der vierte Unterschlitz 90b auf der linken Seite im Uhrzeigersinn gewickelt sein können.
Im Grunde genommen dominiert ein abstrahlender Teil über die elektromagnetischen Eigenschaften jeder Antenne. Wenn ein größerer Teil des Abstrahlungsteils zum Strahlen verwendet wird, kann somit die operative Bandbreite verbessert und eine Antenneminiaturisierung erreicht werden, ohne dabei die erwünschten Strahlungseigenschaften, wie zum Beispiel Verstärkung und Strahlungseffizienz, zu verkleinern.
Anders als das Schlitzmuster herkömmlicher Antennen enthält der Abstrahlungsteil gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Antenne vier Unterschlitze, die jeweils am Endes des Hauptschlitzes 40 gebildet sind, in einer spiegelsymmetrischen Struktur in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes. Die kleine Planarantenne gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform hat die obige recht schwierige Schlitzstruktur aus den nachfolgenden Gründen.
Im Allgemeinen ist die Gesamtlänge einer Antenne kleiner als die halbe Wellenlänge, und sie kann sogar kleiner als ein Viertel der Wellenlänge sein, was unvermeidlich dazu führt, dass der Hauptschlitz eine verkürzte Größe hat. Außerdem muss der Abstrahlungsteil einer Antenne eine Halbwellenresonanzeigenschaft beibehalten. Dementsprechend kann, um die Größe der Antenne zu verringern, eine bestimmte Grenzspannung an beide Enden des Hauptschlitzes angelegt werden, und somit wird eine gewünschte Resonanzelektromagnetfeldverteilung an dem gekürzten Hauptschlitz erzeugt. Um die gewünschte Unstetigkeit der Spannung an beiden Enden des Hauptschlitzes bereitzustellen, benötigen beide Abschlussenden eines Unterschlitzes Abschlusselemente mit einem induktiven Merkmal.
Wenn die Länge des Abschlussunterschlitzes kleiner als ein Viertel einer Wellenlänge ist, ist des Weiteren die induktive Last garantiert. Herkömmlicherweise wird ein induktiver Abschluss durch ein Paar linearer oder spiraliger Schlitze gebildet, die an beiden Enden des Hauptschlitzes 4 (siehe Unterschlitze 8a bis 8d, 9a bis 9d, 10a bis 10d der 2, 3 und 4) angeordnet sind. Anderes als die herkömmlichen Antennen werden bei dieser beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abschlüsse des Hauptschlitzes 40 aus vier Unterschlitzen 60a, 70a, 80a, 90a gebildet, die an der rechten Seite des Hauptschlitzes enden, und vier Unterschlitzen 60b, 70b, 80b und 90b, die an der linken Seite des Hauptschlitzes 40 enden, wobei entsprechende Unterschlitze 60a, 70a, 80a, 90a und 60b, 70b, 80b, 90b in einem im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelten, spiegelsymmetrischen Muster gewickelt sind.
7 zeigt die Verteilung der elektromagnetischen Ströme in dem Schlitzmuster gemäß der obigen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 7 ist die Richtung des elektromagnetischen Stroms schematisch durch Pfeile angezeigt. Durch die Kombination von im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelten Unterschlitzen 60a, 70a, 80a, 90a können einzigartige elektromagnetische Merkmale erreicht werden. Das heißt, es gibt sechs Arme 62a, 71a, 75a, 85a, 92a aus gewickelten Unterschlitzen, die denselben elektromagnetischen Fluss wie der Hauptschlitz 40 haben.
Außerdem gibt es zwei Bereiche 73a, 83a die entgegengesetzten elektromagnetischen Fluss in Bezug auf die Fließrichtung des Hauptschlitzes 40 haben. Der elektromagnetische Strom hat eine kleine Amplitude in den beiden Bereichen 73a, 83a.
Währenddessen wird ein unerwünschter Feldkopplungseffekt erst an den Bereichen 72a und 74a, 82a und 84a, 61a und 63a und 91a und 93a verringert und durch die spiegelsymmetrische Anordnung in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes 40 weiter unterdrückt.
Infolgedessen können unerwünschte Erscheinungen durch induktive Unterschlitze vermieden werden. Zusätzlich kann der Bereich, der elektromagnetischen Strom am abschließenden Unterschlitz verwendet, erfolgreich verbessert werden und als Ergebnis können vergrößerte Antennenbereiche wirksam zur Strahlung beitragen. Somit kann, wie oben in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, eine kleine Planarantenne vorgesehen sein, die mit einer verbesserten Bandbreite arbeiten kann, ohne dabei das Strahlungsmuster, Verstärkung und Strahlungseffizienz nachteilig zu beeinflussen.
Um die Leistungen der Antenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der herkömmlichen Antenne zu vergleichen, wurden beide Antennen mit einer identischen Größe für UHF-Vorgänge ausgestaltet. Das heißt, die Metallschicht 30 ist 0,21λ0 × 0,15λ0 groß und der Schlitz ist 0,17λ0 × 0,08λ0 groß, wobei λ0 Wellen im freien Raum bezeichnet.
Die Zuführung zur Antenne kann eine am Ende offene Mikrostreifenleitung mit einem Fühler sein, der an der Rückseite des dielektrischen Substrats oder an jeder anderen Übertragungsleitung installiert ist.
8 zeigt ein Strahlungsmuster auf den Ebenen E und H einer herkömmlichen Antenne, und 9 zeigt ein Strahlungsmuster auf den Ebenen E und H einer Antenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf die 8 und 9 wurde beobachtet, dass die vorwärts ausgerichteten Muster beider Antennen fast gleich sind. Die kleine Planarantenne der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verstärkt mit –1,9 dBi und die herkömmliche Antenne verstärkt mit –1,8 dBi. Dementsprechend können die Vorteile der Antenne gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf Verstärkung und Effizienz nicht bemerkenswert sein.
10 ist eine graphische Darstellung, die die Bandbreitenmerkmale einer Antenne gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit denen einer herkömmlichen auf Rückfluss- bzw. Echodämpfung basierenden Antenne vergleicht. In 10 ist die Rückflussdämpfung der herkömmlichen Antenne durch eine gestrichelte Linie dargestellt, während die Rückflussdämpfung der Antenne gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist.
Bei der Rückflussdämpfung mit einem Wert von –10 dB hat die Antenne gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Operationsbandbreite von 38 MHz, während die herkömmliche Antenne eine Operationsbandbreite von 29 MHz hat. Anders ausgedrückt hat die Antenne gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine etwa 30 breitere Bandbreite als die herkömmliche Antenne. Gleichzeitig leidet die Antenne gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht unter den Einflüssen auf Strahlungsmuster und -effizienz und Polarisationsreinheit.
Währenddessen erfordert die Antenne 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 5 dargestellt, eine im Wesentlichen große Menge an leitendem Material, um eine Bodenmetallschicht 30 zu bilden. Zusätzlich wird das relativ schwere Metall, das durch die Antenne 100 benötigt wird, zu einer Einflussgröße. Somit ist es wünschenswert, einen Abstrahlungsteil vorzusehen, der weniger Metall oder anderes leitendes Material benötigt und der arbeiten kann, ohne dabei die Strahlungseigenschaft nachteilig zu beeinflussen. Ein solcher Abstrahlungsteil wird unten unter Bezugnahme auf eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen.
Grundsätzlich ist die Abstrahlungseigenschaft die dominante Eigenschaft unter den elektromagnetischen Eigenschaften jeder Antenne. Somit sollte der größte Bereich des Abstrahlungsteils beim Strahlen dazu benutzt werden, die Parameter der Antenne zu verbessern. Anders als der Abstrahlungsteil mit Vierschlitzmuster in 6, beruht ein Abstrahlungsteil gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Streifenmuster, weil bei einer solchen Struktur im Wesentlichen weniger Metall verbraucht wird.
Das Muster mit Metallstreifen verdoppelt geometrisch nahezu das in 6 gezeigte Muster mit vier Schlitzen. Anders ausgedrückt, gemäß dieser besonderen Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, ersetzt der Streifen den Schlitz nach dem Prinzip der elektromagnetischen Dualität. Nach diesem gut bekannten Prinzip kann eine duale Struktur gebildet werden, indem das Metall durch Luft und Luft durch Metall ersetzt wird. Duale Strukturen ähneln einem Positiv und einem Negativ in der Photographie.
Der Abstrahlungsteil gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als eine „komplementäre" Strahlungsstruktur hinsichtlich des Abstrahlungsteils eingestuft werden, der ein auf Schlitzen basierendes Muster hat. Dementsprechend sind auch die Aspekte des Abstrahlungsteils aus 6 auf eine kleine Planarantenne anwendbar, die unten gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird.
11 zeigt eine kleine Streifenantenne gemäß einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
In 11 enthält eine gedruckte Streifenantenne 1000 ein dielektrisches Substrat 200 und ein leitendes Streifenmuster 300, das auf einer Seite des dielektrischen Substrats 200 gebildet ist. Das dielektrische Substrat 200 bildet unmittelbar eine kleine Streifenantenne 1000.
12 zeigt das Streifenmuster aus 11 im Detail. Das Streifenmuster 200 enthält einen Hauptstreifen 310 und eine Vielzahl an Streifenarmen, die den Hauptstreifen 310 an jedem Ende abschließen. Der Hauptstreifen 310 hat einen mittig angeordneten Spalt 360 am Zufuhrpunkt der Antenne 1000.
Die Streifenarme 320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b sind paarweise angeordnet, die in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens 310 angeordnet sind. Das heißt, die Streifenarme 320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b schließen so den Hauptstreifen 310 ab, dass ein Arm, beispielsweise der Arm 320a, im Uhrzeigersinn gewickelt ist, während der andere Arm, beispielsweise der Arm 320b, entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt ist. Die abschließenden Streifenarme sind des Weiteren als spiegelsymmetrische Paare in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens 310 ausgebildet.
Die Größe der Metallbodenschicht 30 der Antenne aus 6 wäre idealerweise unendlich. Nichtsdestoweniger kann die Antenne 1000, trotz theoretischer Unvollkommenheiten einer tatsächlichen Implementierung, sehr gut unter der Voraussetzung arbeiten, dass die einwandfreie Abstimmung des zweckmäßigen Streifenmusters beachtet wird. Natürlich wäre die Eingabeimpedanz der Antenne mit komplementärer Antenne im Wesentlichen unterschiedlich und erfordert eine genaue Anpassung an die bestimmte Zuführungsimplementierung.
13 zeigt eine zeitweise Verteilung der Stromdichte am Streifenmuster.
Im Falle einer elektrisch kleinen Antenne (d.h. klein im Verhältnis zur Wellenlänge) ist der Phasenunterschied des elektromagnetischen Felds entlang der Struktur klein, somit kann die unmittelbare Verteilung der elektrischen Stromdichte an dem Streifenmuster schematisch durch Pfeile mit proportionaler Länge wie in 13 gezeigt werden. Die Kombination von im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelten Streifenarmen sorgt für den Abschluss mit einzigartigen elektromagnetischen Merkmalen.
Es gibt nämlich sechs Bereiche 321b, 331b, 322b, 332b, 314b, 344b in 13, bei denen der Stromfluss in dieselbe Richtung wie beim Hauptstreifen 310 läuft. Der gegenläufige Stromfluss mit im Wesentlichen niedriger Amplitude besteht nur auf den zwei Bereichen 325b, 335b.
Der unerwünschte sekundäre Effekt der Abschlussstreifenarme wird unterdrückt. Gewiss wird ein unerwünschter Fernfeldkopplungseffekt aus Paaren der Bereiche 324b und 323b, 334b und 333b, 312b und 316b, und 342b und 346b zuerst paarweise reduziert, und dann durch die Spiegelsymmetrie in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens 310 unterdrückt.
Somit löschen die Strahlungsfelder von den Streifenbereichen 324b, 323b, 312b, 316b die Strahlungsfelder von den Bereichen 334b, 333b, 342b, 346b und sie tragen nicht zu dem gesamten Fernfeld bei. Zusätzlich werden die Bereiche 321b, 331b, 322b, 332b, 314b, 344b der vertikalen elektrischen Strom verwendenden Streifenarme erfolgreich verbessert, wodurch der Antennenbereich, der tatsächlich an dem Abstrahlungsphänomen teilhat, zunimmt.
Der Abstrahlungsteil arbeitet somit als ein Basiselement elektrisch kleiner Planarantennen. Die Zufuhr zur Antenne kann entweder durch eine herkömmliche plane Übertragungsleitung oder durch direkten Einlass eines elektronischen Chips in das Streifenmuster realisiert werden.
Folglich stellen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Abstrahlungsteil für elektrisch kleine Antennen bereit, die weniger Metall oder anderes leitendes Material erfordern als herkömmliche Abstrahlungsteile und die gleichzeitig arbeiten können, ohne die Abstrahlungseigenschaften nachteilig zu beeinflussen.
Das praktische Verfahren zur Herstellung des Abstrahlungsteils umfasst gedruckte Schaltungstechnologie jeder Art. Ein gedrucktes Steifenmuster durch ein Massendrahtmuster mit dersel ben gattungsgemäßen Geometrie zu ersetzen, würde auch nicht vom Schutzumfang und dem Geist der vorliegenden Erfindung abweichen.
Wie oben in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, kann eine kleine Planarantenne einen vergrößerten Bereich haben, um wirksam am Abstrahlungsphänomen teilzuhaben und deshalb für eine verbesserte Bandbreite sorgen, ohne Abstrahlungsmuster, Verstärkung und Effizienz nachteilig zu beeinflussen.
Zusätzlich kann bei kleinen Streifenantennen gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung ein elektrisch kleiner Antennenabstrahlungsteil vorgesehen sein, der weniger Metall oder leitendes Material als herkömmliche Antennen benötigt, und der auch arbeiten kann, ohne die Abstrahlungseigenschaften der Antenne nachteilig zu beeinflussen.
Die zuvor erwähnten beispielhaften Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend auszulegen. Die vorliegende Lehre kann leicht auf andere Vorrichtungsarten angewendet werden. Auch die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung soll veranschaulichend sein und nicht den Schutzumfang der Ansprüche begrenzen, und viele Alternativen, Änderungen und Variationen werden für den Fachmann offensichtlich sein.

Claims

Kleine Planarantenne (100), aufweisend: ein dielektrisches Substrat (20); eine Metallschicht (30), die auf einem oberen Teil des dielektrischen Substrats (20) gebildet ist; einen Hauptschlitz (40), der in die Metallschicht gemustert ist und eine Längsachse hat; und eine Vielzahl an Unterschlitzen (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b), die jeweils mit dem einen oder anderen Ende des Hauptschlitzes (40) verbunden und in eine vorbestimmte Richtung gewickelt sind, wobei die Vielzahl an Unterschlitzen (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b) symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes (40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Unterschlitzen in Paare geteilt ist, wobei jedes Paar umfasst: einen ersten Unterschlitz (60a, 60b, 90a, 90b), der sich in einer Spule vom Hauptschlitz (40) erstreckt; einen zweiten Unterschlitz (70a, 70b, 80a, 80b), der gegenüber dem ersten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des ersten Unterschlitzes gebildet ist.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Vielzahl an Unterschlitzen (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b), die symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptschlitzes (40) angeordnet sind, in Gegenrichtung zu einem Pendant eines jeden der Vielzahl an Unterschlitzen (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b) gewickelt ist.
Kleine Planarantenne (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entsprechende Bereiche der Unterschlitze, die gewickelt sind, kleiner als ¼ einer Wellenlänge sind, die innerhalb des Operationsfrequenzbereichs der Antenne liegt.
Kleine Planarantenne (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl an Unterschlitzen umfasst: einen ersten rechten Unterschlitz (60a), der im Uhrzeigersinn gewickelt und auf einer Oberseite eines rechten Endes des Hauptschlitzes gebildet ist; einen zweiten rechten Unterschlitz (70a), der gegenüber dem ersten rechten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des ersten rechten Unterschlitzes gebildet ist; einen vierten rechten Unterschlitz (90a), der gegenüber dem ersten rechten Unterschlitz gewickelt und auf einer Unterseite des rechten Endes des Hauptschlitzes gebildet ist; und einen dritten rechten Unterschlitz (80a), der gegenüber dem vierten rechten Unterschlitz gewickelt und entlang der Innenseite des vierten rechten Unterschlitzes gebildet ist.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 5, ferner aufweisend erste bis vierte linke Unterschlitze, die spiegelsymmetrisch gegenüber den ersten bis vierten rechten Unterschlitze in Bezug auf den Hauptschlitz angeordnet sind, wobei jeder der ersten bis vierten linken Unterschlitze gegenüber einem ersten bis vierten rechten Unterschlitzpendant angeordnet ist.
Kleine Planarantenne (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hauptschlitz (40) eine Länge aufweist, die geringer ist als eine halbe Welle, die innerhalb des Operationsfrequenzbereichs der Antenne liegt.
Kleine Planarantenne (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breiten der Unterschlitze (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b) und des Hauptschlitzes (40) identisch sind.
Kleine Planarantenne (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Breite der Unterschlitze (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b) enger ist als eine Breite des Hauptschlitzes (40).
Kleine Planarantenne (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Breite der Unterschlitze (60a, 60b, 70a, 70b, 80a, 80b, 90a, 90b) breiter ist als eine Breite des Haupt schlitzes (40).
Kleine Planarantenne (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Zufuhrleitung an der Rückseite des dielektrischen Substrats, die eine Mikrostreifenleitung eines am Ende offenen kapazitiven Fühlers enthält.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 11, wobei die Breiten des am Ende offenen kapazitiven Fühlers und die der Streifen der Mikrostreifenleitung identisch sind.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 11, wobei eine Breite des am Ende offenen kapazitiven Fühlers geringer ist als eine Breite der Streifen der Mikrostreifenleitung.
Kleine Planarantenne (100) nach Anspruch 11, wobei eine Breite des am Ende offenen kapazitiven Fühlers breiter ist als eine Breite der Streifen der Mikrostreifenleitung.
Kleine Streifenantenne (1000), aufweisend: einen Hauptstreifen (310) mit einer Längsachse, und eine Vielzahl an gewickelten Streifenarmen (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b), die den Hauptstreifen (310) an jedem Ende abschließen, wobei die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens (310) angeordnet sind, wobei die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen in Paare geteilt ist, wobei jedes Paar umfasst: einen ersten Streifenarm (320a, 320b, 350a, 350b), der sich in einer Spule vom Hauptstreifen (310) erstreckt, einen zweiten Streifenarm (330a, 330b, 340a, 340b), der gegenüber dem ersten Streifenarm gewickelt und entlang der Innenseite des ersten Streifenarms gebildet ist.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, wobei die gewickelten Streifenarme (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt sind.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 16, wobei der Hauptstreifen (310) einen mittig angeordneten Spalt (360) enthält, der ein Zufuhrpunkt der Antenne (1000) ist.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei der Hauptstreifen (310) und die Vielzahl an gewickelten Streifenarmen (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) auf einem dielektrischen Substrat (200) gebildet sind.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, wobei die gewickelten Streifenarme (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Hauptstreifens (310) angeordnet sind.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Zuführung, die einen direkten Einlass eines elektronischen Chips in den Spalt (360) enthält.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Zuführung, die eine plane auf einem dielektrischen Substrat (200) angeordnete Übertragungsleitung enthält.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 21, wobei das dielektrische Substrat (200), der Hauptstreifen (310) und die gewickelten Streifenarme (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) im Wesentlichen plan sind.
Kleine Streifenantenne (1000) nach Anspruch 15, wobei der Hauptstreifen (310) und die gewickelten Streifenarme (320a, 320b, 330a, 330b, 340a, 340b, 350a, 350b) als ein Massendraht ausgebildet sind.