PIFA-Antennenvorrichtung für mobile Kommunikationsendgeräte

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine PIFA-Antennenvorrichtung (A) mit einem HF-Ein/Ausgang (S1) und zwei Antennenflächen (P1, P2), die jeweils einen Kontakt (G1, G2) zu einer Masse eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die erste Antennenfläche (P1) für zwei unabhängige Frequenzen und die zweite Antennenfläche (P2) für eine dritte unabhängige Frequenz ausgebildet ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ausschließlich die erste Antennenfläche (P1) an einem Punkt mit dem HF-Ein/Ausgang (S1) verbunden ist, die zweite Antennenfläche (P2) berührungslos zu der ersten Antennenfläche (P1) derart angeordnet ist, dass zwischen beiden Antennenflächen (P1, P2) eine elektromagnetische Kopplung entsteht, und dass eine erste Fläche (F1) vorgesehen ist, die von der ersten Antennefläche (P1) weitgehend umschlossen wird und innerhalb dieser Fläche (F1) die zweite Antennenfläche (P2) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine PIFA-Antennenvorrichtung (Planar Inverted F-Antenna), mit einem HF-Ein/Ausgang und zwei Antennenflächen, die jeweils einen Kontakt zu einer Masse eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die erste Antennenfläche für zwei unabhängige Frequenzen und die zweite Antennenfläche für eine dritte unabhängige Frequenz ausgebildet ist.

[0002] Bei mobilen Kommunikationsendgeräten sollte die Antenne sowohl technischen als auch optischen Anforderungen genügen. Zum einen sollte sie für mehr als eine Frequenz arbeiten, zum anderen sollte sie so klein wie möglich sein, um beispielsweise eine nach außen hin unsichtbare Integration in ein Mobilfunkgerät zu erlauben. Hierfür kann zum Beispiel eine PIFA-Antenne (Planar Inverted F-Antenna) verwendet werden, die eine äußerst kompakte Form aufweist.

[0003] Meist operieren diese PIFA-Antennen in zwei unabhängigen Frequenzbereichen, zum Beispiel bei einem Frequenzband von 900 MHz im GSM-Betrieb (GSM = Global System for Mobile Communication) und bei dem Frequenzband von 1800 MHz im PCN-Betrieb (PCN = Personal Communication Network). Die Einführung einer weiteren, dritten Frequenz, zum Beispiel bei dem Frequenzband des PCS-Betriebes (PCS = Personal Communications Services) bei 1900 MHz, wird bislang hauptsächlich mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt.

[0004] Eine bekannte Ausgestaltung zur Einführung einer dritten Frequenz sieht vor, die Bandbreite des PCN-Frequenzbandes einer Dualband-Antenne zu vergrößern, indem der Abstand zwischen der Antenne und der Leiterplatte (PCB-board) des Mobilfunkgerätes vergrößert wird. Hierdurch kann die GSM/PCN-Dualband-Antenne zusätzlich für das PCS-Frequenzband verwendet werden. In dieser Ausgestaltung benötigt die PIFA-Antenne jedoch für einen Betrieb auf drei Frequenzbändern zirka 50% mehr Volumen als eine PIFA-Antenne, die lediglich auf zwei Frequenzbändern arbeitet.

[0005] Eine andere Ausgestaltung, eine PIFA-Antenne auszubilden, die auf drei Frequenzbereichen arbeitet, sieht vor, eine Dualband-PIFA-Antenne mit einer zusätzlichen Antenne zu kombinieren. Diese zusätzliche Antenne liefert die dritte Resonanzfrequenz und die gesamte PIFA-Antennenvorrichtung weist nun drei Frequenzen auf. Hier wird sowohl die Dualband-PIFA-Antenne als auch die zusätzliche Antenne mit einem HF-Ein/Ausgang des Mobilfunkgerätes verbunden, wobei beide Antennen separat angesteuert werden. Auch diese Ausgestaltung führt zu einer voluminöseren Baugröße der PIFA-Antennenvorrichtung.

[0006] Da die heutigen Mobilfunkgeräte immer kleiner werden, sind diese bislang beschriebenen PIFA-Antennenvorrichtungen, die für drei Frequenzbereiche ausgelegt sind, nicht für einen Einbau in solche Mobilfunkgeräte geeignet.

[0007] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine PIFA-Antennenvorrichtung für drei Frequenzbereiche zu entwickeln, die kein nennenswert größeres Volumen als bestehende Dualband-PIFA-Antennen aufweist und somit einen Einbau in bestehende Mobilfunkgeräte ermöglicht.

[0008] Die Aufgabe zur Entwicklung einer PIFA-Antennenvorrichtung wird durch den unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst.

[0009] Demgemäss schlägt der Erfinder vor, eine PIFA-Antennenvorrichtung, mit einem HF-Ein/Ausgang und zwei Antennenflächen, die jeweils einen Kontakt zu einer Masse eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die erste Antennenfläche für zwei unabhängige Frequenzen und die zweite Antennenfläche für eine dritte unabhängige Frequenz ausgebildet ist, dahingehend weiterzuentwickeln, dass ausschließlich die erste Antennenfläche an einem Punkt mit dem HF-Ein/Ausgang verbunden ist, die zweite Antennenfläche berührungslos zu der ersten Antennenfläche derart angeordnet ist, dass zwischen beiden Antennenflächen eine elektromagnetische Kopplung entsteht, und dass eine erste Fläche (F1) vorgesehen ist, die von der ersten Antennenfläche (P1) weitgehend umschlossen wird und innerhalb dieser Fläche (F1) die zweite Antennenfläche (P2) angeordnet ist.

[0010] Durch die vorgesehene elektromagnetische Kopplung kann auf eine separate Ansteuerung der zweiten Antennenfläche verzichtet werden. Beispielsweise kann die erste Antennenfläche als Dualbandantenne in den Frequenzbändern für den GSM- und den PCN-Betrieb arbeiten und die zweite Antennenfläche die Frequenz für den PCS-Betrieb liefern.

[0011] In Folge des Merkmals, dass die erste Antennenfläche ausschließlich an einem Punkt mit dem HF-Ein/Ausgang verbunden ist, ist die Kontaktierung der PIFA-Antenne besonders einfach gestaltet.

[0012] Erfindungsgemäß ist eine erste Fläche vorgesehen, die von der ersten Antennenfläche weitgehend umschlossen wird und innerhalb dieser Fläche ist die zweite Antennenfläche angeordnet. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die zweite Antennenfläche ohne zusätzlichen Platzbedarf in einer Aussparung im Innenbereich der ersten Antennenfläche untergebracht werden kann. Die beiden Antennenflächen können hierbei vorzugsweise in einer Ebene (coplanar) angeordnet sein.

[0013] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung ist die zweite Antennenfläche derart ausgestaltet, dass sie einen λ/4-Resonator bildet, wenn sie auf Masse gelegt wird. Durch eine elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Antennenflächen wird der λ/4-Resonator angeregt.

[0014] Vorteilhaft kann die Länge und die Breite der zweiten Antennenfläche auf eine gewünschte dritte Frequenz abgestimmt sein. Ein Nennwert von beispielsweise 50 Ohm Eingangsimpedanz der Antennenvorrichtung bei der dritten Frequenz kann durch die Auswahl der Größe der freien Fläche beziehungsweise des nichtleitenden Mediums zwischen den beiden Antennenflächen realisiert werden. Hierdurch kann die Antenne ohne ein Anpaßnetzwerk beziehungsweise mit einer geringen Anzahl von Anpaßelementen betrieben werden, so dass die in Anpassschaltungen auftretenden Verluste vermieden werden können.

[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung weisen die Antennenflächen Knicke und Biegungen auf. Hierdurch können kleine räumliche Strukturen entstehen, die sowohl für eine Anwendung bei zwei als auch bei drei Frequenzen geeignet sind und die sich an ein Gehäuse eines bestehenden Mobilfunkgerätes anpassen können.

[0016] Darüber hinaus kann die von der ersten Antennenfläche umgrenzte Fläche rechteckförmig ausgestaltet sein. Diese Fläche ist vorzugsweise derart an die Länge und Breite der zweiten Antennenfläche angepasst, dass sowohl eine berührungslose Anordnung dieser zweiten Antennenfläche als auch eine elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Antennenflächen ermöglicht wird. Das Medium zwischen den beiden berührungslos angeordneten Antennenflächen ist vorzugsweise Luft oder ein anderes nichtleitendes Medium.

[0017] Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung mindestens eine zweite Fläche beziehungsweise Aussparung vorgesehen, die von der Antennenfläche umgrenzt wird. Hierdurch kann die dritte Frequenz der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung unabhängig abstimmt werden.

[0018] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

[0019] Es zeigen:

Figur 1:

erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung in schematischer Ansicht;

Figur 2:

berechnete Reflexionskoeffizienten S₁₁ der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung; und

Figur 3:

erfindungsgemäße PIFA-Anntenvorrichtung mit an eine Unterschale eines Mobiltelefons angepasster Form.

[0020] Die Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung A. Die PIFA-Antennenvorrichtung A enthält zwei Antennenflächen P1 und P2, wobei die Antennenfläche P1 eine rechteckförmige Fläche F1 weitgehend umgrenzt beziehungsweise umfasst. Die Antennenfläche P1 ist nach einer Seite hin geöffnet. Die Fläche F1 kann auch als Aussparung in der Antennenfläche P1 betrachtet werden und kann auch eine andere Form aufweisen. Weiterhin enthält die Antennenfläche P1 einen Kontakt G1, der eine Masse des Mobilfunkgerätes kontaktiert, einen HF-Ein/Ausgang S1, der die Antennenfläche P1 mit einem HF-Ein/Ausgang des Mobilfunkgerätes verbindet sowie eine weitere Fläche beziehungsweise eine Aussparung F2.

[0021] Die beiden Antenneflächen P1 und P2 sind im wesentlichen coplanar zueinander angeordnet. Hervorzuheben ist, dass die erste Antennenfläche P1 ausschließlich an einem Punkt KP mit dem HF-Ein/Ausgang S1 verbunden ist. Dies bewirkt eine sehr einfache Kontaktierung der PIFA-Antennenvorrichtung A.

[0022] Die Antennenfläche P1 stellt eine Dualbandantenne dar, zum Beispiel für die Frequenzbänder 900 MHz und 1800 MHz.

[0023] In der Aussparung F1 ist eine weitere Antennenfläche P2 angeordnet, ohne dass zusätzlicher Platz benötigt wird. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Antennenflächen P1 und P2 gegenseitig nicht berühren. Die Antennenfläche P2 hat keine direkte Verbindung zu dem HF-Ein/Ausgang S1, so daß sie ein "parasitäres Element" darstellt.

[0024] Weiterhin trägt die Antennenfläche P2 einen Kontakt G2, der die Antennenfläche P2 mit der Masse des Mobilfunkgerätes verbindet. Wird die Antennenfläche P2 mit der Masse verbunden, bildet sie einen λ/4-Resonator, der nur die Hälfte von der Fläche eines λ/2-Resonators (ohne Massenverbindung) benötigt.

[0025] Das dritte Frequenzband kann durch die gewählte Länge und Breite der Antennenfläche P2 gewählt werden. Eine Anregung der Antennenfläche P2 findet über eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Antennenfläche P1 und der Antennenfläche P2 statt. Durch Auswahl der Fläche F1 kann ein optimaler Reflexionskoeffizient S₁₁ bei einer dritten Frequenz realisiert werden.

[0026] Die beiden Kontakte G1 und G2 stehen im wesentlichen in derselben Richtung von ihren zugehörigen Antennenflächen P1, P2 vor, und zwar etwa in der Mitte der langen Seiten der Rechtecke, die die Antenneflächen P1, P2 jeweils beschreiben. Der HF-Ein/Ausgang S1 ist unweit von dem Kontakt G1 angeordnet. Genauer gesagt, liegt der HF-Ein/Ausgang F1 im Bereich einer Ecke des Rechtecks, das von der Antennenfläche P1 beschrieben wird. Die Antennenfläche P1 weist im Bereich einer ihrer Ecken eine Öffnung O auf, die dem HF-Ein/Ausgang S1 im wesentlichen diagonal gegenüberliegt. Der HF-Ein/Ausgang S1 liegt in Bezug auf den Kontakt G1 an der von der Öffnung O entfernteren Ecke des Rechtecks.

[0027] Die Öffnung O sorgt dafür, dass die Antennenfläche P1 für zwei Frequenzbänder benutzt werden kann. Insofern umfasst die Antennefläche P1 zwei Resonatoren mit dem gemeinsamen Massekontakt G1 und dem gemeinsamen HF-Ein/Ausgang S1. Die Längen dieser beiden Resonatoren der Antennenfläche P1 können durch Vergrößern oder Vermindern der Öffnung O verändert werden, und damit auch die Resonanzfrequenzen der Resonatoren, die von diesen Längen abhängen. Aufgrund dessen wird die Öffnung O verwendet, um die zwei Resonanzfrequenzen bzw. Betriebsfrequenzbänder der Antennenfläche P1 festzulegen.

[0028] Die Figur 2 zeigt als durchgezogene Linie die Reflexionskoeffizienten S₁₁ der erfindungsgemäßen PIFA-Antennenvorrichtung, die auf bekannte Weise berechnet wurden, in einer Auftragung gegen die Frequenz F.

[0029] Das Frequenzbänder für den GSM-Betrieb sind im Bereich zwischen zirka 880 bis 960 MHz, für den PCN-Betrieb im Bereich zwischen zirka 1710 bis 1880 MHz und für den PCS-Betrieb im Bereich zwischen zirka 1850 bis 1990 MHz als gestrichelte Linien eingezeichnet.

[0030] Die aufgetragenen Simulationsergebnisse in der Figur 2 zeigen, dass die erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung den Erfordernissen für einen Betrieb in diesen drei Frequenzbereichen genügt.

[0031] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

[0032] Insgesamt wird durch die Erfindung eine PIFA-Antennenvorrichtung für drei Frequenzbereiche vorgestellt, die in ihren Ausdehnungen denen einer Dualband-PIFA-Antenne entspricht und die einen Einbau in bestehende Mobilfunkgeräte ermöglicht.

[0033] Die Figur 3 zeigte eine erfindungsgemäße PIFA-Antennenvorrichtung, die hinsichtlich ihrer äußeren Form an eine Unterschale eines Mobiltelefons angepasst ist, zu dem die PIFA-Antennenvorrichtung A gehört. Aus der Figur 3 wird ersichtlich, dass zum Ausnutzen des zur Verfügung stehenden Volumens in der Unterschale des Mobiltelefongehäuses die Antennenvorrichtung A, insbesondere die Antennenflächen P1 und P2, an eine komplexe Struktur der Gehäuseunterschale angepasst werden kann. Dazu weisen die Antennenflächen P1 und P2 an ihren Innen-/Außenrändern Vorsprünge/Aussparungen o. ä. auf, die es gestatten, die Antennenvorrichtung A möglichst platzsparend der Gehäuseunterschale benachbart anzuordnen. Dabei bleibt jedoch die in Figur 1 dargestellte im wesentlichen rechteckförmige Gestalt der Antennenflächen P1 und P2 im wesentlichen erhalten.

Ansprüche

1. PIFA-Antennenvorrichtung (A) mit einem HF-Ein/Ausgang (S1) und zwei Antennenflächen (P1, P2), die jeweils einen Kontakt (G1, G2) zu einer Masse eines mobilen Kommunikationsendgerätes aufweisen, wobei die erste Antennenfläche (P1) für zwei unabhängige Frequenzen und die zweite Antennenfläche (P2) für eine dritte unabhängige Frequenz ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ausschließlich die erste Antennenfläche (P1) an einem Punkt mit dem HF-Ein/Ausgang (S1) verbunden ist, und die zweite Antennenfläche (P2) berührungslos zu der ersten Antennenfläche (P1) derart angeordnet ist, dass zwischen beiden Antennenflächen (P1, P2) eine elektromagnetische Kopplung entsteht und dass eine erste Fläche (F1) vorgesehen ist, die von der ersten Antennenfläche (P1) weitgehend umschlossen wird und innerhalb dieser Fläche (F1) die zweite Antennenfläche (P2) angeordnet ist.

2. PIFA-Antennenvorrichtung gemäß dem voranstehenden Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass , die zweite Antennenfläche (P2) derart ausgestaltet ist, dass sie bei einem Massenkontakt einen λ/4-Resonator bildet.

3. PIFA-Antennenvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge und die Breite der zweiten Antennenfläche (P2) auf die gewünschte dritte Frequenz abgestimmt ist.

4. PIFA-Antennenvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antennenflächen (P1, P2) Knicke und Biegungen aufweisen.

5. PIFA-Antennenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fläche (F1) rechteckförmig ausgestaltet ist.

6. PIFA-Antennenvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine zweite Fläche (F2) vorgesehen ist, die von der Antennenfläche (P1) umgrenzt wird.

Zeichnung