EP1576697B1 - Antennenvorrichtung - Google Patents
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- EP1576697B1 EP1576697B1 EP04729855A EP04729855A EP1576697B1 EP 1576697 B1 EP1576697 B1 EP 1576697B1 EP 04729855 A EP04729855 A EP 04729855A EP 04729855 A EP04729855 A EP 04729855A EP 1576697 B1 EP1576697 B1 EP 1576697B1
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- H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
- H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
Definitions
- the present invention relates to an antenna device, and more particularly to an antenna device suitable for multi-band operation.
- the present invention relates to an antenna for wireless data transmission, which may optionally include voice transmission.
- WLANs wireless local area networks
- compact small antennas which often have to be dual or multi-band capable.
- separate antennas may be used in practice for each frequency range.
- These separate antennas are connected to a diplexer, for example in the form of a diverter (Directional Filter) or a multiplexer, by which the signals to be transmitted are distributed according to the frequency ranges used on the competent individual antennas.
- a diplexer for example in the form of a diverter (Directional Filter) or a multiplexer, by which the signals to be transmitted are distributed according to the frequency ranges used on the competent individual antennas.
- the disadvantage of using separate antennas for each frequency range is the size of the individual antennas, with the required area for the antennas increasing with the number of antennas required.
- the required distribution circuit in the form of a diplexer or multiplexer also takes up considerable space.
- Dual-band PIFAs described in the above-referenced book comprise on a major surface of a substrate various antenna arrays realized by slots in an electrode formed on the surface, the antenna arrays being fed via a common feed point and grounded through a common short-circuit point.
- Such antennas are also described in Zi Dong Liu et al., "Dual-Frequency Planar Inverted-F Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 10, October 1997, pages 1451-1458.
- a non-planar, broadband antenna using a radiation coupling technique is described in Louis F. Fei et al., "Method Boosts Bandwidths of IFAs for 5-GHz WLAN NICs, Microwaves and RF", September 2002, pages 66-70.
- Method Boosts Bandwidths of IFAs for 5-GHz WLAN NICs, Microwaves and RF September 2002, pages 66-70.
- the radiation-coupled resonance of another IFA antenna expands the bandwidth of the antenna.
- IFA antennas usually have a higher bandwidth than PIFA antennas, with most integrable dual band concepts having disadvantages due to their low bandwidth or their high space requirements.
- US 2002/024466 A1 discloses antenna devices in which an antenna pattern of an inverted F-shape or an inverted L-shape is formed on a first surface of a substrate while an antenna pattern of an inverted L-shape is formed on an opposite second surface of the substrate is formed.
- the antenna pattern arranged on the first surface is fed via a feed line, while the antenna pattern arranged on the second surface is driven by the antenna pattern on the first surface.
- Comparable structures are known from US 2001/0043159 A1, in which fed antennas are implemented in an inverted F-shape, while coupled antennas are formed in an inverted L-shape.
- JP 2002223108 A discloses an antenna attachment in which a microstrip line radiation electrode is mounted on a dielectric substrate is arranged. A first end of the radiation electrode is connected to ground. A second end is idle and faces a ground electrode across a gap. Near the second end, the radiation electrode is fed.
- WO 01/33665 A1 discloses an antenna arrangement comprising a powered element having a feed point, a first leg and a second leg. Furthermore, a parasitic element is provided which has a first leg and a second leg. The powered element and the parasitic element are connected to a ground plane by their respective legs or capacitively coupled and arranged in spaced relation to the ground plane.
- the object of the present invention is to provide an antenna device with a simple construction and dual-bandity or a high bandwidth.
- the two radiation electrodes of the antenna device according to the invention preferably have different lengths and thus different resonance frequencies, so that the antenna device according to the invention can be used as a dual-band antenna.
- the radiation electrodes can also have such resonance frequencies that an antenna is obtained with an increased bandwidth compared to an antenna with only one radiation electrode becomes.
- the antenna device according to the invention may further comprise more than two radiation electrodes and thus be used as a multi-band antenna.
- the antenna or antenna device according to the invention is planar integrated, which offers itself due to the small size, especially at transmission frequencies in the centimeter and millimeter wave range.
- Preferred fields of application of the antenna according to the invention are in mobile transmitters and receivers, which use two or more frequency bands or require a high bandwidth. Therefore, the present invention is excellent, for example, for the wireless LAN connection of mobile data processing equipment, since, for example, frequency ranges from 2400 to 2483.5 MHz and 5150 to 5350 MHz are used (Europe).
- the frequency ranges from 5470 to 5725 MHz and the ISM band from 5725 to 5825 MHz (USA) may also be used.
- the antenna according to the invention is also suitable for use in dual-band or multi-band mobile telephones (900 MHz / 1800 MHz, etc.). Due to the small size and the integrability on planar circuits, the antenna according to the invention u.a. well suited to be integrated with PCMCIA WLAN adapter cards for laptops.
- the antenna for a wireless data transmission according to the invention is a dual-band integrated antenna, which is provided, for example, for use in the WLAN area 2.45 GHz and 5.2 GHz.
- the principle according to the invention can also be extended to more than two bands and other frequencies.
- the antenna device according to the invention is preferably implemented as an integrated IFA antenna in which, in contrast to conventional integrated IFAs, only a single element, namely the first radiation electrode, is galvanically fed.
- the other element or elements (the second and further radiation electrodes) are inductively coupled. This results in a reduction in manufacturing overhead and space requirements, especially if the antenna is implemented using a multilayer concept.
- the area requirement of the entire antenna is determined only by the size of the antenna element for the lowest frequency.
- the antenna according to the invention is distinguished by an above-average bandwidth for planar antennas.
- the inductive coupling and the characteristic impedance of the antenna elements can be optimally adapted by substrate thickness, substrate material (its permittivity), the shape of the feed line and a displacement of the feed point.
- the antenna according to the invention is distinguished by optimal adaptability, minimal space requirement, high bandwidth and low production costs of previously known multiband concepts.
- the antenna can be integrated completely planar on a substrate (dual band) or on a multilayer substrate (multiband). In preferred embodiments of the present invention, only one mass is required by contacting at the short-circuit side of the radiation electrodes.
- FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an antenna device according to the invention, which is implemented on a double-sided substrate 10. It should be noted that for purposes of illustration in Fig. 1, the substrate is shown transparent.
- the antenna device according to the invention shown in Fig. 1 consists in principle of two integrated IFAs ("inverted-F antennas"), wherein one of the antennas is formed on an upper side 10a of the substrate 10, while the other is formed on a lower side 10b.
- a first radiation electrode 12 is formed having an open end 12a and a shorted end 12b. Further, on the main surface 10a, a lead 14 for galvanically feeding the first radiation electrode 12 is provided. The supply line 14 is connected to the first radiation electrode 12 at a feed point 16.
- FIG. 2a shows a top view of the top side 10a of the relevant part of the substrate 10.
- the short-circuited end 12b of the first radiation electrode 12 is connected via a via 20 to a ground electrode 22 (shown hatched in FIG. 1) formed on the main surface 10b of the substrate 10 opposite to the main surface 10a.
- This opposite main surface 10b (the back side in FIG. 1) is shown in FIG. 2b as a "translucent" image from above, wherein the metallizations provided on the front side 10a have been omitted for illustration purposes and the substrate is transparent.
- a second radiation electrode 24 is formed on the major surface 10b and has an open end 24a and a shorted end 24b.
- the short-circuited end 24b is connected to the ground electrode 22.
- a coupling conductor 26 having a first end connected to the ground electrode 22 and having a second end connected to the second radiation electrode 24 at a coupling point 28.
- the ground electrode is provided as a backside metallization on the underside of the substrate and also serves as a ground plane for the microstrip line 14 and the antennas.
- the galvanically driven, longer, first radiation electrode 12 is provided for the lower frequency band, while the inductively fed, shorter antenna 24 is provided for the upper frequency band.
- the antenna shown in Fig. 1 consists in principle of two integrated IFAs, wherein the first of the two antennas for the first frequency band is fed by the feed line 14 in the form of a microstrip line.
- the second antenna for the second frequency band which has the second radiation electrode 24, is inductively excited via a current loop. More specifically, in the illustrated embodiment, the lead 14 and the portion of the first radiation electrode 12 located between the shorted end 12b and the feed point 16 form a field current loop. which generates a magnetic flux.
- the coupling line 26, the region of the second radiation electrode 24 lying between the short-circuited end 24b and the coupling point 28 and the earth electrode 22 form a circuit or a current loop. This current loop is arranged in the antenna device according to the invention such that it is penetrated by the magnetic flux generated by the excitation current loop, so that a current is induced in this current loop. By this induced current, the second radiation electrode 24 is fed.
- the dimensions of the energized current loop formed on the back 10b approximately correspond to the dimensions of the exciter loop formed on the front side 10a.
- the thickness of the substrate 10 may be, for example, 0.5 mm, so that the distance of the current loops on the top and bottom of the substrate is small (compared to the wavelength at the resonant frequency of the radiation electrode 24), so that a good magnetic coupling can be achieved ,
- the radiation electrode 24 is inductively excited by magnetic coupling, the strength of the coupling depending on the mutual inductance between the excitation conductor and the energized conductor.
- the size and shape of the excitation current loop and the energized current loop can be adjusted to achieve a desired coupling.
- the coupling depends on the distance of the loops from each other.
- the excitation current loop and the energized current loop need not constitute a closed current loop formed on the substrate, but may be formed as conductor regions which form an AC circuit or a current loop together with conductors not formed on the substrate.
- the excitation current loop has only a course to generate a sufficient magnetic field or a sufficient magnetic flux, so that sufficient as a supply current current in the part of the circuit of the second antenna element that is arranged in the magnetic field or the magnetic flux, can be induced.
- the respective current loops or circuits are designed to allow an alternating current flow, so that capacitive couplings can be provided within these current loops or circuits.
- the feed point 16 is selected to achieve an impedance match between the microstrip line 14 and the radiation electrode 12.
- the respective position for the feeding point 16 must be determined in the design of the antenna, by moving the feed point 16 to the left the antenna impedance can be reduced, while by moving the feed point 16 to the right the same can be increased, as indicated by an arrow 30 in FIG Fig. 2a is displayed.
- the antenna impedance can thus be adapted to the impedance of the galvanic feed line.
- an adjustment between antenna impedance of the second radiation electrode 24 and the coupling line 26 can be achieved by a suitable choice of the coupling point 28, as shown by an arrow 32 in Fig. 2b.
- the induced current can be used optimally for feeding the second radiation electrode.
- each of these lines could also with each perpendicular to the edge of the ground electrode 22 extending Part of the respective radiation electrode to be coupled, as required to achieve an impedance matching.
- the overall geometry of the antenna device according to the invention can be reduced to, for example, to obtain a minimization of the space requirement, for example, by making the radiation electrodes or at least the longer of them meander-shaped.
- the shape of the feed line 14a or the coupling line 26 and the choice of the feeding point or coupling point 26 may be different for achieving an impedance matching for the two radiation electrodes in order to allow an optimal adaptation for the two individual antenna elements.
- the kink 14a provided in the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2 may be provided in the feed line 14 and the kink 26a in the coupling line 26 in order to achieve an impedance matching.
- FIG. 3 A schematic representation of an exemplary embodiment of a multi-band antenna according to the invention is shown in FIG. 3.
- the multiband antenna is implemented in a multilayer substrate 50, which in turn is shown transparent for purposes of illustration and includes a first layer 52 and a second layer 54.
- a first antenna element is formed, which substantially corresponds to the antenna element formed on the upper side 10 a of the substrate 10 with the first radiation electrode 12, wherein, in contrast to the embodiment shown in FIG. 1, only the feed line 14 with the perpendicular to the edge of the ground surface 22 extending part of the radiation electrode 12 is connected and thus has a corresponding portion 14b.
- the second radiation electrode 24 is formed in analogy to the embodiment described above.
- a third radiation electrode 56 is formed with an open end 56a and a short end 56b. The short-circuited end is connected to the ground electrode 22 via a via 58 provided in the second layer 54.
- a further through-connection 60 is provided in the second layer 54, via which a first end of a coupling line 62 is connected to the ground electrode 22. A second end of the coupling line 62 is connected to the third radiation electrode 56 at a crosspoint 64.
- the third antenna element having the radiation electrode 56 has a structure that is comparable to the structure of the second antenna element having the radiation electrode 24.
- the third radiation electrode 56 is energized by first inducing a current into the circuit of the second antenna element and inducing a current in the circuit of the third antenna element through this current induced in the circuit of the second antenna element.
- This circuit of the third antenna element is formed by a conductor loop having the via 60, the coupling line 62, the portion of the third radiation electrode 56 located between the coupling point 64 and the shorted end 56b, the via 58 and the ground electrode 22.
- the respective feed points or crosspoints for the different antenna elements may be arranged at different positions in order to achieve an adaptation for the various elements.
- the galvanically fed antenna element could be arranged between two inductively fed antenna elements, so that no two-fold magnetic coupling would be necessary for feeding the third antenna element.
- the first end of the coupling line 64 could be connected to the shorted end of the third radiation electrode 56 via a conductive trace (not shown) provided on the underside of the second layer 54 to form the circuit of the third antenna element. In such a case, only one via would be required in both the first layer 52 and the second layer 54 of the multilayer board.
- the plurality of antenna elements can be used to produce a dual-band or multi-band antenna.
- respective additional antenna elements may also be used to spread the bandwidth of a single frequency band, for example by selecting the resonant frequencies of two antenna elements adjacent to each other.
- a Ro4003 substrate is a radio frequency substrate manufactured by Rogers Corporation and consists of a glass reinforced cured hydrocarbon / ceramic laminate.
- HFSS is Ansoft Corporation's EM field simulation software for calculating S-parameters and field gradients based on the finite element method.
- Fig. 4 shows purely schematically photographs of two such prototypes, in which the respective microstrip feed line is fed by a coaxial cable. For size comparison, a 20 cent coin is shown in Fig. 4 further. As can be seen in Fig. 4, the left antenna has a slightly narrower radiation electrode, while the right antenna has a wider radiation electrode.
- Fig. 5a shows the characteristics obtained in input reflection measurements of the left antenna in Fig. 4, while Fig. 5b shows the characteristics obtained in the right antenna shown in Fig. 4.
- a variation of the bandwidth can be achieved by varying the geometry.
- the principle of the invention can be extended to more than three radiation electrodes in order to achieve a corresponding multi-band or broadband.
- a multilayer substrate having more than two layers may be suitably used.
- the present invention is not limited to the described embodiments of antenna devices, but also includes single-sided printed antennas (in which two or more radiation electrodes are provided on a surface of a substrate) or wire antenna arrays.
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 US 2002/024466 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.
- Vergleichbare Strukturen sind aus der US 2001/0043159 A1 bekannt, bei der gespeiste Antennen in einer umgekehrten F-Form ausgeführt sind, während mitgekoppelte Antennen in einer umgekehrten L-Form gebildet sind.
- Die JP 2002223108 A offenbart eine Antennenanördnung, bei der eine Mikrostreifenleitungsstrahlungselektrode auf einem dielektrischen Substrat angeordnet ist. Ein erstes Ende der Strahlungselektrode ist mit Masse verbunden. Ein zweites Ende ist leerlaufend und liegt einer Masseelektrode über einen Zwischenraum gegenüber. In der Nähe des zweiten Endes wird die Strahlungselektrode gespeist.
- Die WO 01/33665 A1 offenbart eine Antennenanordnung, die ein gespeistes Element mit einem Speisepunkt, einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel aufweist. Ferner ist ein parasitäres Element vorgesehen, das einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist. Das gespeiste Element und das parasitäre Element sind mit einer Masseebene durch ihre jeweiligen Schenkel verbunden oder kapazitiv gekoppelt und in beabstandeter Beziehung zu der Masseebene angeordnet.
- 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 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:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
- Fig. 2a
- und 2b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
- Fig. 4
- schematische Darstellungen zweier realisierter erfindungsgemäßer Antennenvorrichtungen; und
- Fig. 5a
- und 5b gemessene Charakteristika der in Fig. 4 gezeigten Antennenvorrichtungen.
- In Fig. 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 Fig. 1 das Substrat durchsichtig dargestellt ist. Die in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 1) ist in Fig.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 Fig. 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 Fig. 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 kurzgeschlossenen Ende 12b und dem Speisepunkt 16 liegende Abschnitt der ersten Strahlungselektrode 12 eine Erregerstromschleife, 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 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 Fig. 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 Fig. 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 Figuren 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 verlaufenden 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 Figuren 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 εr ≈ 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.
- Fig. 4 zeigt rein schematisch Fotographien zweier derartiger Prototypen, bei denen die jeweilige Mikrostreifenzuleitung durch ein Koaxialkabel gespeist wird. Zum Größenvergleich ist in Fig. 4 ferner eine 20 Cent-Münze dargestellt. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, weist die linke Antenne eine etwas schmälere Strahlungselektrode auf, während die rechte Antenne eine breitere Strahlungselektrode besitzt.
- Fig. 5a zeigt die Charakteristika, die bei Eingangsreflexionsmessungen der in Fig. 4 linken Antenne erhalten wurde, währen Fig. 5b die bei der in Fig. 4 gezeigten rechten Antenne erhaltenen Charakteristika zeigt. Wie den Kurven in Fig. 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 (7)
- 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, wobei die Speiseleitung (14) und ein Abschnitt der ersten Strahlungselektrode zwischen dem Speisepunkt (16) und dem Kurzschlussende (12b) eine Erregerschleife definieren;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 Erregerschleife und die Leiterschleife derart räumlich benachbart zueinander 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,
wobei 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 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 Erregerschleife 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 1 bis 3, 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 4, 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 eines Stromkreises ist, in den 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 den der zweiten Strahlungselektrode (24) zugeordneten Stromkreis fließt, ein Wechselstrom durch magnetische Kopplung induzierbar ist.
- Antennenvorrichtung nach Anspruch 5, 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 6, bei der die erste, zweite und/oder dritte Strahlungselektrode (12, 24, 56) unterschiedliche Längen aufweisen, um Antennenelemente mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zu definieren.
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