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Dokumentenidentifikation DE60020643T2 04.05.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001067628
Titel Antenne für mehrere Frequenzen
Anmelder LK Products Oy, Kempele, FI
Erfinder Annamaa, Petteri, 90460 Oulunsalo, FI;
Mikkola, Jyrki, 69600 Kaustinen, FI
Vertreter Patentanwälte Walter Eggers Lindner, 81241 München
DE-Aktenzeichen 60020643
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.07.2000
EP-Aktenzeichen 006601231
EP-Offenlegungsdatum 10.01.2001
EP date of grant 08.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2006
IPC-Hauptklasse H01Q 9/30(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01Q 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01Q 5/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01Q 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01Q 1/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Peitschenantennenkonstruktion, die wenigstens zwei Betriebsfrequenzbänder hat.

Auf der Welt gibt es zellulare Kommunikationssysteme im Einsatz, die sich voneinander signifikant in ihren Betriebsfrequenzbändern unterscheiden. Hinsichtlich digitalen zellularen Systemen verwendet das Globale System für Mobiltelekommunikation (GSM) Frequenzen in dem 890-960-MHz-Band, während das digitale zellulare System (DCS1800) bei einem Band um 1 800 MHz arbeitet. Die Betriebsfrequenzen des Japanischen Digitalen Zellularen (JDC) Systems sind um 800 MHz und 1 500 MHz. Das Persönliche Kommunikationsnetzwerk (PCN) verwendet ein Frequenzband von 1 710 – 1 880 MHz, und das Persönliche Kommunikationssystem (PCS) ein Frequenzband von 1 850 – 1 990 MHz. Die Betriebsfrequenzen des Digitalen Europäischen Schnurlostelefon- (DECT-) Systems sind 1 880 – 1 900 MHz. Frequenzen über 2 000 MHz hinaus werden in neuen zellularen Systemen der dritten Generation verwendet, wie dem Universellen Mobilen Kommunikationssystem (UMTS). Aus der Sicht des Anwenders wäre es wünschenswert, dass er ein und dasselbe "Standardtelefon" in diesen Netwerken verwenden kann, wenn er es so möchte. Eine erste Voraussetzung dafür ist, dass die Antenne des Kommunikationsgeräts relativ effektiv in den Frequenzbändern von mehr als einem Netzwerk funktioniert.

Mobile Kommunikationsgeräte verwenden verschiedene Antennenkonstruktionen, wie z. B. Peitschenantennen, zylindrische Spiral- oder Helixantennen und planare invertierte F-Antennen (PIFA). Die Resonanzfrequenz einer Antenne ist bestimmt auf der Basis ihrer elektrischen Länge, die vorteilhafterweise &lgr;/2, 3&lgr;/8, 5&lgr;/8 oder &lgr;/4, ist, wobei &lgr; die eingesetzte Wellenlänge ist. Somit hat ein und dieselbe Basisantenne im Prinzip mehrere Frequenzbänder, die verwendet werden können. Der Nachteil ist jedoch, dass diese Frequenzbänder selten auf die Bänder der zwei gewünschte Netzwerke fallen. Vom Stand der Technik sind auch verschiedene kombinierte Antennen bekannt, die in zwei Frequenzbereichen funktionieren können: Eine kombinierte Helix- und Peitschenantenne und eine kombinierte PIFA- und Peitschenantenne zum Beispiel. Bei diesen Lösungen funktioniert die Peitschenantenne, wenn sie ausgezogen ist, bei der niedrigeren Betriebsfrequenz und funktioniert der andere Teil der Antennenkonstruktion bei der oberen Betriebsfrequenz. Der Nachteil der Helix-Peitschen-Kombination ist der Vorsprung, der durch das Helix-Teil verursacht wird, was lästig ist, wenn das Kommunikationsgerät zum Beispiel in einer Tasche platziert ist. Der Nachteil der PIFA-Peitschen-Kombination ist, dass die Hand des Anwenders die PIFA fast vollständig abdecken kann, die innerhalb des Gehäuses des Telefons angeordnet ist, womit der Betrieb der PIFA wesentlich verschlechtert wird.

Aus dem Dokument EP 0 772 255 ist eine Peitschenantenne bekannt, die einen ersten Antennenstab, einen zweiten Antennenstab und einen separaten Resonator dazwischen enthält. Der Resonator ist ein dielektrischer Koaxialresonator, der gleichzeitig die Stabelemente der Antenne hält. Die Antenne schwingt auf drei üblichen Frequenzen mit: Die niedrigste Frequenz ist dadurch begründet, dass der erste Stab, der Resonator und der zweite Stab zusammen eine Halbwellenresonanz haben. In diesem Fall funktioniert die Antenne wie ein Dipol. Die zweitniedrigste Frequenz ist dadurch begründet, dass der erste Stab eine Viertelwellenresonanz hat, und liegt nahe der niedrigsten Frequenz. Die höchste Frequenz ist dadurch begründet, dass der erste Stab eine Halbwellenresonanz hat. In diesem Fall hat der Resonator eine Resonanz, die eine hohe Impedanz zeigt. Das Verhältnis von höchster Frequenz zur zweitniedrigsten Frequenz ist zwei und kann nicht geändert werden.

Aus dem Dokument DE 2257 352 ist eine abstimmbare Peitschenantenne für Fahrzeuge bekannt. Die Antenne hat nur ein Betriebsband und die Abstimmeinrichtungen stellen die Lage des Bandes ein. Das Einstellen ist durch Verschieben einer Hülse ausgeführt, die um die Peitsche angeordnet ist. Das Material der Hülse kann leitend, dielektrisch oder magnetisch sein.

Aus dem Dokument US 5 327 151 ist eine einbandige Antenne bekannt, die vorgesehen ist, um an der Karosserie eines Autos befestigt zu werden. Die gesamte Antenne enthält eine Peitschenantenne mit einer Phasenspule und eine Planarantenne. Die Peitsche ist galvanisch mit der Strahlungsebene der Planarantenne verbunden und hat auch eine elektromagnetische Kopplung mit der Planarantenne. Die Resonanzfrequenzen der Peitschen- und Planarantennen unterscheiden sich ein wenig voneinander, aus welchem Grund die Bandbreite der gesamten Antenne vergrößert ist.

Ein Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile von Dualfrequenzantennen gemäß dem Stand der Technik zu verringern.

Die Antenne gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch ausgedrückt ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen angegeben.

Die Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Ein dielektrischer Block mit einer relativ hohen Permittivität ist zu der Peitschenantenne an einem Punkt hinzugefügt, wo es ein Spannungsmaximum bei einer harmonischen Frequenz der Basisresonanzfrequenz der Antenne gibt. Das dielektrische Medium veranlasst, dass sich die in Rede stehende harmonische Frequenz abwärts verschiebt. Die Anordnung ist so realisiert, dass die Basisresonanzfrequenz der Peitschenantenne in das Betriebsfrequenzband eines Netzwerks fällt und die in Rede stehende harmonische Frequenz in das Betriebsfrequenzband des anderen Netzwerks fällt. Die Konstruktion kann ferner eine PIFA enthalten, die in den entsprechenden Betriebsfrequenzbändern gemäß den Systemen arbeitet.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass einen einzelne Peitschenantenne in zwei gewünschten Frequenzbändern verwendet werden kann, wenn die Antenne in der ausgezogenen Position ist. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass, wenn die Peitschenantenne gemäß der Erfindung zusammen mit einer PIFA verwendet wird, die durch die Hand des Anwenders verursachte Verschlechterung des Betriebs der PIFA die Verbindung nicht wesentlich verschlechtern wird, da die Peitsche ebenfalls in der Betriebsfrequenz der PIFA arbeitet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Herstellungskosten der Konstruktion gemäß der Erfindung relativ niedrig sind.

Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben. Es wird auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin

1 ein Beispiel der Anordnung gemäß der Erfindung mit einem dielektrischen Teil in der Peitschenantenne zeigt,

2 ein Beispiel der Anordnung gemäß der Erfindung mit zwei dielektrischen Teilen in der Peitschenantenne zeigt,

3 ein Beispiel der Kombination einer Peitschenantenne und PIFA gemäß der Erfindung zeigt,

4 ein Beispiel des Reflexionskoeffizienten einer herkömmlichen Peitschenantenne als eine Funktion der Frequenz zeigt, und

5 ein Beispiel des Reflexionskoeffizienten der Peitschenantenne gemäß der Erfindung als eine Funktion der Frequenz zeigt.

Die 1 zeigt ein Beispiel der Peitschenantennenanordnung gemäß der Erfindung. Sie zeigt eine Mobilstation 11 mit ihrer Peitschenantenne 12 in der ausgezogenen Position, welche Antenne eine Viertelwellenantenne ist. Um die Peitschenantenne herum ist an einem Ort entsprechend dem Spannungsmaximum bei der dritten harmonischen Frequenz gemäß den Originaldimensionen ein dielektrischer Block 13 installiert, der wie ein zylindrischer Ring geformt ist. Somit wird die elektrische Länge der Antenne bei der in Rede stehenden dritten harmonischen Frequenz erhöht und wird folglich die dritte harmonische Resonanzfrequenz gegenüber dem verringert, was ohne den dielektrischen Block sein würde. Durch Wählen der Permittivität und Dimensionen des dielektrischen Blocks ist es möglich, das Betriebsband entsprechend der dritten harmonischen Resonanzfrequenz der Antenne an einer gewünschten Position in der Frequenzskala anzuordnen.

Oben und von hier an wird die Basisresonanzfrequenz als die "erste harmonische Frequenz" angesehen.

Der Änderungsbetrag der Frequenz einer dritten Harmonischen ist direkt proportional zu der Permittivität des verwendeten dielektrischen Blockes 13. Um so größer die Dielektrizitätskonstante &egr;r ist, um so größer ist die Änderung der Frequenz der Harmonischen. Wenn in der 1 die Länge des Blocks 13 in der Achsenrichtung der Antenne sagen wir 10 mm und die Dicke der Wand sagen wir 1 mm ist, kann ein Material erforderlich sein, dessen Dielektrizitätskonstante &egr;r einige Zehnen ist. Solche Werte von &egr;r können mit verschiedenen Keramikmaterialien erzielt werden. Sie haben jedoch den Nachteil relativ steif und spröde zu sein. Kommerzielle Kunststoffmaterialien, die wegen ihrer Elastizität geeignet sein würden, um die Peitschenantenne herum platziert zu werden, haben eine Dielektrizitätskonstante &egr;r von ungefähr 10. Dieser Wert ist in der Praxis zu niedrig, wenn es einen dielektrischen Block gibt, wie in der 1 gezeigt ist.

Die 2 zeigt ein Beispiel der Peitschenantennenkonstruktion gemäß der Erfindung, worin das dielektrische Material Kunststoff sein kann, selbst wenn die dritte harmonische Frequenz um einen relativ großen Betrag verschoben werden soll. Die 2 zeigt eine Mobilstation 21 mit ihrer Peitschenantenne 22 in der ausgezogenen Position, welche Antenne in diesem Fall auch eine Viertelwellenantenne ist. Um die Peitschenantenne ist an einem Ort entsprechend dem Spannungsmaximum bei der dritten harmonischen Frequenz gemäß den Originaldimensionen ein dielektrischer Block 23 installiert, der wie ein zylindrischer Ring geformt ist. An dem äußeren Ende der Peitschenantenne ist ein zweiter dielektrischer Block 24 installiert. Der erste dielektrische Block 23 ist so dimensioniert, dass das Spannungsmaximum an der bereits geänderten dritten harmonischen Frequenz, verursacht durch den ersten dielektrischen Block, auf die Spitze der Peitschenantenne fällt. Da ein zweiter dielektrischer Block 24 an der Spitze installiert ist, ist die in Rede stehende dritte harmonische Frequenz weiter verringert. In der dargestellten Konstruktion in der 2 ist die von den dielektrischen Blöcken 23, 24 geforderte &egr;r nicht so groß wie bei der Konstruktion der 1. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, kommerzielle Kunststoffe zu verwenden, die gegenwärtig verfügbar sind.

Das oben beschriebene Verfahren kann gemäß der Erfindung in einer solchen Weise erweitert werden, dass, nachdem die zwei dielektrischen Blöcke positioniert wurden, eine neue Spannungsmaximumsstelle gesucht wird, wo ein dritter dielektrischer Block positioniert wird. Im Prinzip kann dies wiederholt werden, bis die gewünschten Betriebsfrequenzen erzielt wurden.

Die 3 zeigt ein Beispiel der Kombination einer Peitschenantenne und einer PIFA gemäß der Erfindung. Die Anordnung enthält eine PIFA 34, die bei einer oder mehreren Frequenzen arbeitet, eine Peitschenantenne 32 und einen dielektrischen Block 33 um die letztere. Der Block 33 ist in einer fixierten Weise installiert. Die Peitschenantenne kann fixiert sein oder sie kann eine sein, die nach innerhalb des Kommunikationsgeräts geschoben werden kann, in welchem Fall die Peitschenantenne eine erste und eine zweite Extremposition hat. Wenn die bewegliche Peitsche in der eingeschobenen Position ist, funktioniert nur die PIFA 34 als die Antenne des Kommunikationsgeräts. Wenn die Peitschenantenne in der ausgezogenen Position ist, ist der dielektrische Block 33 an einer Stelle der Peitschenantenne, wo die harmonische Resonanzfrequenz der Antenne den gewünschten Wert gemäß der Beschreibung von 1 erhält. Dadurch funktioniert die Peitschenantenne an zwei gewünschten Frequenzbändern, die vorteilhafterweise dieselben wie die Betriebsfrequenzbänder der PIFA sind. Somit verbessert die Peitschenantenne gemäß der Erfindung die Funktion der Antenne eines Mobiltelefons insbesondere bei schlechten und gestörten Bedingungen, bei welchen die Leistung der PIFA echt unzureichend wird. Ferner ist der verschlechternde Effekt der Hand des Anwenders auf die Funktion der Antenne verringert.

Der dielektrische Block 33 kann entweder unter dem strahlenden Element der PIFA, wie in der 3, oder in ihrer unmittelbaren Umgebung platziert sein. Da der Block 33 dann innerhalb des Gehäuses des Kommunikationsgeräts ist, kann sein Material irgend eine keramische Substanz sein, deren &egr;r ausreichen für die in Rede stehende Anwendung ist. Zur Klarheit ist der dielektrische Block 33 in der 3 sowie sind die Blöcke 13, 23 und 24 in den 1 und 2 dicker als die Peitsche gezeichnet. In der Praxis sind sie so realisiert, dass ihre Dicke gleich jener des Peitschenteils ist.

Die 4 zeigt ein Beispiel des Reflexionskoeffizienten einer herkömmlichen &lgr;/4-Peitschenantenne als eine Funktion der Frequenz. Der Reflexionskoeffizient S11 ist an der Vertikalachse in Dezibel angegeben; die Kurve 41 repräsentiert seine Variation. Die Frequenzskala an der Horizontalachse verläuft von 400 bis 2 900 MHz. An Messpunkten f1 und f2, die in dem Band 824 – 894 MHz liegen, das von dem analogen AMPS- (Erweitertes Mobiltelefonservice-) System verwendet wird, ist der Reflexionskoeffizient –8,4 dB bzw. –7,4 dB. Diese Werte bedeuten, dass die Antenne in dem System verwendet werden kann. Ein anderes nutzbares Frequenzband bei der Antenne wäre um die dreifache Basisresonanzfrequenz bei ungefähr 2,7 GHz. Es ist jedoch nicht von Nutzen. Zum Beispiel würde in einem PCS-Zellularnetzwerk, dessen Betriebsfrequenzband 1 850 – 1 990 MHz ist, die Antenne wegen Fehlanpassung nutzlos sein.

Die 5 zeigt mittels einer Kurve 51 den Reflexionskoeffizienten einer &lgr;/4-Peitschenantennen gemäß der 1 als eine Funktion der Frequenz. Die Peitschenantenne ist in diesem Fall auch ursprünglich dimensioniert, um in einem AMPS-Zellularnetzwerk nutzbar zu sein. Die Antenne hat nun einen dielektrischen Block, so dass die Harmonische entsprechend der dreifachen Basisfrequenz der Antenne nun auf irgendwo nahe 2 GHz abgefallen ist. An Messpunkten f3 und f4, die in dem von dem PCS-Netzwerk genutzten Band liegen, ist der Reflexionskoeffizient –3,6 dB bzw. –11,1 dB. Dies bedeutet, dass die Antenne fast durch den gesamten PCS-Bereich hindurch akzeptabel funktioniert. In dem AMPS-Bereich ist der Betrieb wenigstens so gut, wie bei einer Antenne gemäß der 4; an Messpunkten f1 und f2 ist der Reflexionskoeffizient –11,0 dB und –7,6 dB.

Gemäß den Beispielen, die in den 4 und 5 dargestellt sind, können Peitschenantennenkonstruktionen auf der Basis der erfinderischen Idee realisiert werden, die in anderen als jenen zwei in den Figuren angegebenen Frequenzbändern verwendet werden können.

Oben wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf Konstruktionen beschränkt, die oben beschrieben sind. Zum Beispiel ist es möglich, zusammen mit der Peitschenantenne andere Antennenstrukturen als die PIFA zu verwenden, die allgemein bei Mobiltelefonen verwendet wird. Außerdem können Peitschenantennen gemäß der Erfindung realisiert werden, die in mehr als zwei Betriebsfrequenzbändern funktionieren.


Anspruch[de]
  1. Antennenkonstruktion eines Funkgerätes (11, 21) zum Übertragen und Empfangen von Strahlung auf wenigstens zwei Frequenzbändern, enthaltend eine &lgr;/4 Peitschenantenne (12, 22, 23), die eine Basisresonanzfrequenz hat, die als die erste harmonische Resonanzfrequenz anzusehen ist, wobei &lgr; der Wellenlänge des niedrigsten Frequenzbandes entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Abwärtsverschieben einer dritten harmonischen Resonanzfrequenz der Peitschenantenne einen dieletrischen Block (13, 23, 33) gibt, der um die Peitschenantenne an einem Ort angeordnet ist, wo die dritte harmonische Resonanzfrequenz ein Spannungsmaximum hat, welcher Ort nicht der Spitze der Peitschenantenne entspricht.
  2. Peitschenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei funktionale Extrempositionen hat, wobei sie in der ersten davon vollständig ausgezogen ist und in der zweiten davon im wesentlichen vollständig nach innerhalb des Gehäuses des Funkgerätes geschoben ist.
  3. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste dielektrische Teil (23) so dimensioniert ist, dass nach einem Anordnen des dielektrischen Blockes das Spannungsmaximum an der Spitze der Peitschenantenne auftritt, und die Konstruktion ferner einen zweiten dielektrischen Block (24) enthält, der an der besagten Spitze installiert ist.
  4. Antennenkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der dielektrischen Blöcke Kunststoff ist.
  5. Antennenkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der dielektrischen Blöcke Keramik ist.
  6. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine PIFA-Antenne enthält.
  7. Antennenkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Block (33) wenigstens teilweise zwischen der Strahlungsebene und der Erdungsebene der PIFA-Antenne (34) liegt.
  8. Antennenkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Block außerhalb der PIFA-Antenne liegt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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