[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Resonatorantenne (DRA).
[0002] Weiterhin betrifft die Erfindung noch einen Sender, einen Empfänger sowie ein Mobilfunkgerät
mit einer dielektrischen Resonatorantenne.
[0003] Dielektrische Resonatorantennen (DRA) sind als miniaturisierte Antennen aus Keramik
oder einem anderen Dielektrikum für Mikrowellenfrequenzen bekannt. Ein dielektrischer
Resonator, dessen Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl von ε
r >> 1 von Luft umgeben ist, besitzt aufgrund der elektromagnetischen Randbedingungen
an den Grenzflächen des Dielektrikums ein diskretes Spektrum von Eigenfrequenzen und
Eigenmoden. Diese sind definiert durch die spezielle Lösung der elektromagnetischen
Gleichungen für das Dielektrikum bei den gegebenen Randbedingungen an den Grenzflächen.
Im Gegensatz zu einem Resonator, der bei Vermeidung von Abstrahlungsverlusten eine
sehr hohe Güte aufweist, steht bei einer Resonatorantenne die Abstrahlung von Leistung
im Vordergrund. Da keine leitenden Strukturen als strahlendes Element verwendet werden,
kann sich der Skineffekt nicht negativ auswirken. Daher weisen solche Antennen niedrige
ohmsche Verluste bei hohen Frequenzen auf. Durch die Verwendung von Materialien mit
hoher Dielektrizitätszahl kann weiterhin ein kompakter, miniaturisierter Aufbau erreicht
werden, da für eine vorgewählte Eigenfrequenz (Sende- und Empfangsfrequenz) durch
Erhöhung von ε
r die Abmessungen verkleinert werden können. Die Abmessungen einer DRA gegebener Frequenz
sind näherungsweise invers proportional zu √ε
r. Eine Erhöhung von ε
r um einen Faktor α bewirkt bei gleichbleibender Resonanzfrequenz also eine Reduzierung
aller Dimensionen um den Faktor √α und somit des Volumens um einen Faktor α
3/2. Weiterhin muß ein Material für eine DRA eine gute Hochfrequenztauglichkeit, geringe
dielektrische Verluste und Temperaturstabilität aufweisen. Das schränkt die verwendbaren
Materialien stark ein. Geeignete Materialien besitzen ε
r-Werte von typischerweise maximal 120.
[0004] Neben dieser Begrenzung der Möglichkeit zur Miniaturisierung verschlechtern sich
die Strahlungseigenschaften einer DRA mit zunehmendem ε
r.
[0005] In der Figur 1 ist eine solche DR-Antenne 1 in der beispielhaft betrachteten Grundform
dargestellt. Neben der Form als Quader sind auch andere Formen möglich, wie zum Beispiel
zylinder- oder kugelförmige Geometrien. Dielektrische Resonatorantennen sind resonante
Bauteile, die nur in einem schmalen Band um eine ihrer Resonanzfrequenzen (Eigenfrequenzen)
arbeiten. Das Problem der Miniaturisierung einer Antenne ist äquivalent dazu, die
Arbeitsfrequenz bei gegebenen Antennenabmessungen zu erniedrigen. Deshalb wird die
niedrigste Resonanz (TE
z111-Mode) verwendet. Diese Mode besitzt Symmetrieebenen in ihren elektromagnetischen
Feldern, von denen eine mit Symmetrieebene 2 bezeichnet ist. Wenn die Antenne in der
Symmetrieebene 2 halbiert und eine elektrisch leitfähige Fläche 3 angebracht wird
(beispielsweise eine Metallplatte), bleibt die Resonanzfrequenz gleich der einer Antenne
mit den ursprünglichen Abmessungen. Man erhält so eine Struktur, in der sich dieselbe
Mode bei derselben Frequenz ausbildet. Diese ist in der Figur 2 dargestellt. Eine
weitere Miniaturisierung kann bei dieser Antenne mittels eines Dielektrikums mit hoher
Dielektrizitätszahl ε
r erzielt werden. Dabei wird vorzugsweise ein Material mit geringen dielektrischen
Verlusten ausgewählt.
[0006] Eine solche dielektrische Resonatorantenne wird in dem Artikel ,,Dielectric Resonator
Antennas - A review and general design relations for resonant frequency and bandwidth",
Rajesh K. Mongia und Prakash Barthia, Intern. Journal of Microwave and Millimeterwave
Computer-aided Engineering, Vol. 4, No. 3, 1994, Seiten 230-247 beschrieben. Dabei
wird ein Überblick über die Moden und die Strahlungscharakteristik für verschiedene
Formen, wie zylindrische, kugelförmige und rechtwinklige DRA's gegeben. Es werden
für unterschiedliche Formen die möglichen Moden und Symmetrieebenen gezeigt (siehe
Figur 4, 5, 6 und Seite 240, linke Spalte, Zeilen 1-21). In der Figur 9 und der zugehörigen
Beschreibung wird insbesondere eine quaderförmige dielektrische Resonatorantenne beschrieben.
Mittels einer Metallfläche in der x-z-Ebene bei y=0 oder der y-z-Ebene bei x=0 kann
die ursprüngliche Struktur halbiert werden, ohne die Feldverteilung oder andere Resonanzcharakteristika
für die TE
z111-Mode zu verändern (Seite 244, rechte Spalte, Zeilen 1-7). Die DRA wird über eine
Zuleitung mit Mikrowellenleistung angeregt, indem sie in das Streufeld in der Nähe
einer Mikrowellenleitung (beispielsweise eine Microstripleitung oder das Ende einer
Koaxialleitung) eingebracht wird.
[0007] Da zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Symmetrieebenen existieren, sind die
Möglichkeiten zur Miniaturisierung beschränkt. Auf diese Weise kann das Volumen einer
DRA bei gleichbleibender Frequenz nur um den Faktor 4 reduziert werden.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dielektrische Resonatorantenne zu schaffen,
die bessere Möglichkeiten zur Verkleinerung der Abmessungen bietet.
[0009] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine elektrisch leitende Schicht in wenigstens
einer gekrümmten Fläche, in der die Tangentialkomponente eines elektrischen Feldes
einer der dielektrischen Resonatorantenne zugeordneten Eigenmode verschwindet, vorgesehen
ist. Die Antenne kann kugelförmig, quaderförmig oder in einer anderen geometrischen
Form sein, die beispielsweise unter Berücksichtigung von herstellungstechnischen oder
ästhetischen Vorgaben gewählt wird. In Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen
des Volumens des dielektrischen Resonators besitzt die Antenne ein diskretes Spektrum
von ausbreitungsfähigen Eigenmoden und Eigenfrequenzen, die durch Lösung der Maxwell-Gleichungen
für elektromagnetische Felder bei den gegebenen Randbedingungen bestimmt sind. Daher
sind einer gegebenen DR-Antenne stets definierte Eigenmoden zugeordnet. Wenn die niedrigste
Mode (TE
z111-Mode entspricht der kleinsten Resonanz) betrachtet wird, ergeben sich die kleinsten
Abmessungen für die DRA. Für die Eigenmoden ergeben sich bestimmte Verteilungen des
zugehörigen elektrischen Feldes in der Antenne, dessen Feldvektor an jedem Ort jeweils
in eine Tangential- und Normalkomponente aufgeteilt werden kann. Erfindungsgemäß werden
solche gekrümmten Flächen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen, die durch
eine verschwindende Tangentialkomponente des elektrischen Feldes charakterisiert sind.
Das bedeutet, daß in diesen gekrümmten Flächen der dielektrischen Resonatorantenne
die gleichen Randbedingungen wie bei einem idealen elektrischen Leiter gelten. Die
leitende Schicht erhält diese Bedingungen für das elektrische Feld, und damit auch
für die zugeordnete Eigenmode. Die elektrisch leitende Schicht in der gekrümmten Fläche
erhält man vorzugsweise durch Schneiden der DRA entlang der gekrümmten Fläche und
Aufbringen einer Metallisierung (z. B. eine Silberpaste) auf der Schnittfläche. Daher
kann das Volumen der DRA erheblich reduziert werden, obgleich sich weiterhin dieselbe
Mode bei derselben Frequenz ausbildet. Da mehrere so gekennzeichnete gekrümmte Flächen
existieren, kann beispielsweise nach gewünschtem Miniaturisierungsgrad, erforderlicher
Bandbreite der entstehenden Antenne und herstellungstechnischen Bedingungen eine besonders
vorteilhafte Fläche ausgewählt werden.
[0010] In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist zur Bildung der dielektrischen
Resonatorantenne ein Quader aus einem dielektrischen Material mit den Seitenlängen
a, b und d in den orthogonalen Richtungen x, y und z vorgesehen, und ist eine gekrümmte
Fläche der Form
mit der elektrisch leitfähigen Schicht versehen. Ein rechtwinkliger Quader bildet
eine der Grundformen, die für dielektrische Resonatorantennen verwendet werden. Diese
Grundform läßt sich besonders gut mittels eines kartesischen Koordinatensystems beschreiben,
dessen Nullpunkt vorteilhaft so in einer Ecke des Quaders gewählt wird, daß die Kanten
des Quaders auf den x-, y- und z-Achsen liegen und positive Seitenlängen a, b und
d entstehen. Dann können die gekrümmten Flächen in besonders einfacher Weise mit der
obigen Formel angegeben werden. Dabei gilt die Funktion y(x) jeweils für Kurven in
einer Ebene z=const. ∈ [0,d], so daß gekrümmte Flächen entstehen, die senkrecht auf
einer solchen Querschnittsebene stehen. Da es eine Vielzahl solcher gekrümmten Flächen
gibt, ist in der Formel ein Parameter C enthalten, der beliebige positive Werte (C>0)
annehmen kann.
[0011] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Bildung der gekrümmten
Fläche eine solche Fläche vorgesehen ist, die mittels eines Parameters C<1 gebildet.
Vorteilhaft für die Erfindung ist die Verwendung einer gekrümmten Fläche, die mittels
einem Parameter von C<1 beschrieben wird, weil dann die Aufgabe der Verkleinerung
der Abmessungen der dielektrischen Resonatorantenne besonders gut gelöst wird. Damit
wird eine erheblich größere Reduzierung des Volumens der dielektrischen Resonatorantenne
erreicht, als es ohne elektrisch leitende Schicht in einer gekrümmten Fläche möglich
ist.
[0012] Des weiteren wird die Aufgabe der Erfindung noch durch einen Sender, einen Empfänger
und ein Mobilfunkgerät mit einer solchen dielektrischen Resonatorantenne gelöst, in
der eine elektrisch leitende Schicht in wenigstens einer gekrümmten Fläche, in der
die Tangentialkomponente eines elektrischen Feldes einer der dielektrischen Resonatorantenne
zugeordneten Eigenmode verschwindet, vorgesehen ist.
[0013] Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert werden. Dabei zeigen
- Figur 1:
- eine dielektrische Resonatorantenne,
- Figur 2:
- eine halbierte dielektrische Resonatorantenne mit einer elektrisch leitenden Schicht
in einer Symmetrieebene,
- Figur 3:
- eine quaderförmige Grundform der dielektrischen Resonatorantenne mit Seitenlängen
a, b und d,
- Figur 4A:
- eine Feldverteilung eines elektrischen Feldes einer Eigenmode einer quaderförmigen
dielektrischen Resonatorantenne in einer Ebene senkrecht zur kürzesten Seitenlänge,
- Figur 4B:
- eine entlang der Symmetrieebenen der dielektrischen Resonatorantenne verkleinerte
Antenne mit der Feldverteilung,
- Figur 5:
- einen Querschnitt durch die verkleinerte dielektrische Resonatorantenne mit gekrümmten
Flächen, in denen die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes verschwindet,
- Figur 6:
- eine verkleinerte dielektrische Resonatorantenne mit einer Reduzierung des Volumens
entlang einer gekrümmten Fläche und
- Figur 7:
- ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Mobilfunkgerätes mit Sende- und Empfangspfad
und einer dielektrischen Resonatorantenne.
[0014] In der Figur 3 ist eine dielektrische Resonatorantenne DRA 1 in einer Grundform mit
rechtwinkligen Seitenflächen und Seitenlängen a, b und d in den Richtungen x, y und
z eines kartesischen Koordinatensystems dargestellt. Die DRA 1 besitzt ein diskretes
Spektrum von Eigenfrequenzen, die durch die geometrische Form und die äußeren Abmessungen
sowie die durch die relative Dielektrizitätskonstante ε
r des verwendeten Materials bestimmt sind. Um die DRA 1 als Antenne für eine Mikrowellenleistung
bei einer definierten Frequenz verwenden zu können, muß ihre Eigenfrequenz in der
Nähe der definierten Frequenz liegen. Im Ausführungsbeispiel ist die DRA 1 für die
Zentrumsfrequenz 942.5 MHz des GSM900-Standards als gegebener Frequenz ausgelegt.
Als Material wird eine temperaturstabile Keramik verwendet, die typischerweise einen
Wert von ε
r = hat. Damit ergeben sich für die quaderförmige DRA 1 die Abmessungen von etwa a
≈ b ≈ 30mm und d ≈ 5.5mm. Da diese Abmessungen für eine Integration in Geräte der
Mobilkommunikation zu groß scheint, wird die DRA 1, wie in den Figuren 4A und 4B dargestellt,
verkleinert.
[0015] Die Figur 4A zeigt einen Querschnitt durch die quaderförmige DRA 1 in einer Ebene
senkrecht zur kürzesten Seitenlänge d. Die Seitenlängen a bzw. b liegen in x- bzw.
y-Richtung. Dazu ist eine Feldverteilung eines elektrischen Feldes eingezeichnet,
das zu der Eigenmode mit der niedrigsten Frequenz der DRA 1 gehört. Deutlich sichtbar
weist diese elektrische Feldverteilung bei x = a/2 und y = b/2 zwei senkrecht aufeinander
stehende Symmetrieebenen 4 und 5 auf, die im Querschnitt durch unterbrochene Linien
gekennzeichnet sind. Die zwei Symmetrieebenen stehen senkrecht auf der Zeichenebene.
Schneidet man die DRA 1 längs einer dieser Ebenen und versieht die entstehende Schnittfläche
mit einer Metallisierung 6 bzw. 7, so erhält man eine Struktur, in der sich dieselbe
Mode bei derselben Frequenz ausbildet. Wendet man dieses Verfahren zweimal an, so
erhält man die in der Figur 4B gezeigte, verkleinerte DRA 8. Mittels der bekannten
Symmetrieebenen 4 und 5 kann man also das Volumen der DRA 1 bei gleichbleibender Frequenz
um den Faktor 4 auf a/2*b/2*d (x*y*z) reduzieren. Für das Ausführungsbeispiel resultiert
die DRA 8 mit den Abmessungen 15*15*5.5 mm
3. Auch diese Abmessungen sind jedoch immer noch so groß, daß hierin ein Hinderungsgrund
für den Einsatz, insbesondere in Mobiltelefonen, bestehen kann.
[0016] In der Figur 5 ist die verkleinerte DRA 8 mit den metallisierten Seitenflächen 6
und 7 im selben Querschnitt nochmals dargestellt. Die zusätzlich eingezeichneten Linien
sind Querschnittslinien von senkrecht auf der Zeichenebene stehenden gekrümmten Flächen
innerhalb der DRA 8. In diesen Flächen verschwindet die Tangentialkomponente des elektrischen
Feldes, das gemäß Figur 4A zu der Eigenmode mit der niedrigsten Frequenz der DRA 1
bzw. der DRA 8 gehört. Eine beliebige gekrümmte Fläche wird mit einer weiteren Metallisierung
versehen. Dadurch werden auch in dieser Fläche die Randbedingungen konstant gehalten,
wenn anschließend der obere Teil der DRA 8 entfernt wird. In der verbleibenden Antenne
bildet sich folglich bei gleicher Anregung die gleiche Eigenmode bei der gleichen
Frequenz aus. Da eine Schar von Flächen mit dieser Eigenschaft existiert, können die
Abmessungen der DRA 8 bei gleichbleibender Resonanzfrequenz weiter reduziert werden.
[0017] In der Figur 5 ist ein Nullpunkt 0 des kartesischen Koordinatensystems eingezeichnet,
so daß die gekrümmten Flächen mathematisch beschrieben werden können. Bei der quaderförmigen
DRA 8 mit den Abmessungen a/2 x b/2 x d sind a/2 und b/2 die Seitenlängen in x- und
y-Richtung (vgl. Figur 4B und 5). Der Nullpunkt 0 liegt in einem Eckpunkt der quaderförmigen
DRA 8. Solche gekrümmten Flächen werden in einem Querschnitt senkrecht zur z-Richtung
(z=constant) beschrieben durch die Gleichung
wobei t=a
2/b
2.
[0018] Die gekrümmten Flächen verschwindender Tangentialkomponente haben folglich die Form
{(x, y(x), z), x∈ [0,a/2], z∈ [0,d]}. Da mehrere solcher gekrümmter Flächen existieren,
ist ein Integrationsparameter C enthalten, für den gilt 0<C<∞. Der Integrationsparameter
C bestimmt die Höhe h der verbleibenden DRA. In der Figur 5 sind Querschnittslinien
für C=1 und für verschiedene Werte C<1 dargestellt. Je kleiner C gewählt wird, desto
kleiner wird die Höhe h und damit das Volumen der verbleibenden DRA. Wählt man vorzugsweise
den Parameter C<1, so ist die Höhe h = y(a/2) < b/2. Der ausgeschnittene Teil ist
also kleiner als a/2 * b/2, die durch Verwendung der Symmetrieebenen erreichte Größe.
Dieses Verfahren ist im Prinzip für jeden Wert von C und somit für beliebig kleine
h möglich, so daß es keine grundsätzliche Grenze für die Verringerung der Abmessungen
einer DRA 1 bei gleichbleibender Resonanzfrequenz gibt. Allerdings können andere Parameter
wie die Bandbreite den praktisch anwendbaren Miniaturisierungsgrad einschränken.
[0019] Die resultierende DRA 9 ist in der Figur 6 gezeigt. Sie weist neben einer metallisierten
Symmetrieebene 10, wie sie schon in Figur 4B zu sehen ist, eine ebenfalls metallisierte
gekrümmte Fläche 11 auf. Da die Höhe h viel kleiner als b/2 sein kann, die Resonanzfrequenz
jedoch gleich der einer rechteckigen DRA 8 mit ebenen Flächen der Abmessungen d x
a/2 x b/2 ist, wird damit eine miniaturisierte DRA 9 bei gleichbleibender Resonanzfrequenz
geschaffen.
[0020] Die praktische Herstellung einer solchen miniaturisierten DRA 9 mit einer gekrümmten
Fläche 11 kann z.B. durch mechanisches Bearbeiten eines gesinterten oder eines gepreßten,
ungesinterten keramischen Blocks oder durch Extrudieren keramischer Masse durch eine
entsprechend geformte Düse und anschließendes Sintern erfolgen.
[0021] Die Figur 7 zeigt in einem Blockdiagramm die Funktionsblöcke eines Sende- und eines
Empfangspfades eines Mobilfunkgerätes mit einer DRA 9, wie es beispielsweise einem
Mobiltelefon nach dem GSM-Standard entspricht. Die DRA 9 ist mit einem Antennenumschalter
oder Frequenzduplexer 12 gekoppelt, der in einem Empfangs- bzw. Sendebetrieb den Empfangs-
bzw. Sendepfad mit der DRA 9 verbindet. Im Empfangsbetrieb gelangen die analogen Funksignale
über eine Empfangsschaltung 13 zu einem A/D-Umsetzer 14. Die erzeugten digitalen Signale
werden in einem Demodulator 15 demoduliert und anschließend einem digitalen Signalprozessor
(DSP) 16 zugeführt. Im DSP 16 werden nacheinander die nicht im einzelnen dargestellten
Funktionen Entzerrung, Entschlüsselung, Kanaldekodierung und Sprachdekodierung durchgeführt.
Mit einem D/A-Umsetzer 17 werden analoge Signale erzeugt, die über einen Lautsprecher
18 ausgegeben werden.
[0022] Im Sendebetrieb werden die von einem Mikrofon 19 aufgenommenen analogen Sprachsignale
mit einem A/D-Umsetzer 20 umgewandelt und dann einem DSP 21 zugeführt. Der DSP 21
führt die dem Empfangsbetrieb komplementären Funktionen Sprachkodierung, Kanalkodierung
und Verschlüsselung durch, wobei alle Funktionen von einem einzigen DSP ausgeführt
werden. Die binär kodierten Datenworte werden in einem Modulator 22 GMSK moduliert
und dann in einem D/A-Umsetzer 23 in analoge Funksignale umgewandelt. Eine Senderendstufe
24 mit einem Leistungsverstärker erzeugt das über die DRA 9 zu sendende Funksignal.
[0023] Die Beschreibung des Sende- bzw. Empfangspfades 9, 13, 14, 15, 16, 17, 18 bzw. 9,
19, 20, 21, 22, 23, 24 entspricht der eines einzelnen Senders bzw. Empfängers. Der
Frequenzduplexer 12 muß nicht vorgesehen werden, sondern Sende- und Empfangspfad verwenden
eine eigene DRA 9 als Antenne. Neben der Anwendung im Mobilfunkbereich ist auch eine
Verwendung in jedem anderen Bereich der Funkübertragung denkbar (z. B. für Schnurlostelefone
nach DECT oder CT, für Richt- oder Bündelfunkgeräte oder Pager). Die DRA 9 kann jeweils
der Übertragungsfrequenz angepaßt werden.
1. Dielektrische Resonatorantenne (9),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine elektrisch leitende Schicht in wenigstens einer gekrümmten Fläche (11), in
der die Tangentialkomponente eines elektrischen Feldes einer der dielektrischen Resonatorantenne
(9) zugeordneten Eigenmode verschwindet, vorgesehen ist.
2. Dielektrische Resonatorantenne (9) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung der dielektrischen Resonatorantenne (9) ein Quader aus einem dielektrischen
Material mit den Seitenlängen a, b und d in den orthogonalen Richtungen x, y und z
vorgesehen ist,
und daß eine gekrümmte Fläche (11) der Form
mit der elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist.
3. Dielektrische Resonatorantenne (9) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung der gekrümmten Fläche (11) eine solche Fläche vorgesehen ist, die
mittels eines Parameters C<1 gebildet ist.
4. Mobilfunkgerät (9, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24) mit einer dielektrischen
Resonatorantenne (9),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der dielektrischen Resonatorantenne (9) eine elektrisch leitende Schicht in
wenigstens einer gekrümmten Fläche (11), in der die Tangentialkomponente eines elektrischen
Feldes einer der dielektrischen Resonatorantenne (9) zugeordneten Eigenmode verschwindet,
vorgesehen ist.
5. Empfänger (9, 19, 20, 21, 22, 23, 24) mit einer dielektrischen Resonatorantenne (9),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der dielektrischen Resonatorantenne (9) eine elektrisch leitende Schicht in
wenigstens einer gekrümmten Fläche (11), in der die Tangentialkomponente eines elektrischen
Feldes einer der dielektrischen Resonatorantenne (9) zugeordneten Eigenmode verschwindet,
vorgesehen ist.
6. Sender (9, 13, 14, 15, 16, 17, 18) mit einer dielektrischen Resonatorantenne (9),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der dielektrischen Resonatorantenne (9) eine elektrisch leitende Schicht in
wenigstens einer gekrümmten Fläche (11), in der die Tangentialkomponente eines elektrischen
Feldes einer der dielektrischen Resonatorantenne (9) zugeordneten Eigenmode verschwindet,
vorgesehen ist.