[0001] Die Erfindung betrifft eine dielektrische Resonatorantenne (DRA) mit einer elektrisch
leitenden Schicht in einer Symmetrieebene.
[0002] Außerdem bezieht sich die Erfindung noch auf einen Sender und Empfänger mit einer
dielektrischen Resonatorantenne mit einer elektrisch leitenden Schicht in einer Symmetrieebene
sowie auf ein Mobilfunkgerät mit einer solchen Antenne.
[0003] Dielektrische Resonatorantennen (DRA) sind als miniaturisierte Antennen aus Keramik
oder einem anderen Dielektrikum für Mikrowellenfrequenzen bekannt. In einem dielektrischen
Resonator, dessen Dielektrikum mir einer Dielektrizitätszahl von ε
r >> 1 von Luft umgeben ist, besitzt dieser ein diskretes Spektrum von Eigenfrequenzen
und Eigenmoden. 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. In der Figur 1 ist eine solche DR-Antenne 1 in da als 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
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 eine Ebene, in der die Tangentialkomponente des
elektrischen Feldes verschwindet, die Symmetrieebene 2 genannt wird. 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. Dies 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 mir geringen dielektrischen
Verlusten ausgewählt.
[0004] 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 Millimeter-wave 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.
[0005] Bei dieser Art der Einkopplung der Leistung ist die für einen guten Wirkungsgrad
notwendige Impedanzanpassung der dielektrischen Resonatorantenne an die Zuleitung
schwierig, da die Anpassung stark von der Position der Antenne zur Zuleitung abhängt.
Die Abweichung der relativen Position der Antenne zur Zuleitung schwankt aber insbesondere
bei einer automatischen Fertigung sehr stark.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer dielektrischen Resonatorantenne
eine bessere Kopplung an eine Zuleitung zu schaffen.
[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Symmetrieebene wenigstens ein, von der
elektrisch leitenden Schicht isolierter, elektrischer Kontakt vorgesehen ist, und
daß die elektrische Schicht und der elektrische Kontakt zur Verbindung der dielektrischen
Resonatorantenne mir wenigstens einer Zuleitung für ein zu sendendes oder zu empfangenes
Signal vorgesehen sind. Auf diese Weise entstehen in einer Ebene zwei fest mir da
dielektrischen Resonatorantenne verbundene elektrische Kontakte, die zur Einkopplung
da Leistung mit der DRA verbunden werden können. Eine erfindungsgemäße Antenne kann
mit anderen Komponenten auf einer Platine (PCB) in der bekannten SMD-Technik (Verlöten
auf der Oberfläche der Platine) montiert werden. Diese SMD-fähige DRA kann fest mit
den Zuleitungen auf der Platine verlötet werden, wodurch eine deutlich bessere Einkopplung
als beim Einbringen in das Streufeld einer Zuleitung erzielt wird. Die Impedanzanpassung
hängt wesentlich weniger von der genauen Positionierung der Antenne auf der Platine
ab, als beim Einkoppeln in ein Streufeld, bei dem die Anpassung stark vom Abstand
der Antenne von der Zuleitung abhängt.
[0008] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeweils eine Metallschicht zur Bildung
der elektrisch leitenden Schicht in der Symmetrieebene und des elektrischen Kontaktes
vorgesehen. Metallschichten eignen sich aufgrund ihrer guten Fertigungseigenschaften
und elektrischen Leitfähigkeit gut zur Realisierung der Verbindung mit einer Zuleitung.
[0009] In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Metallschicht auf einer an die Symmetrieebene
angrenzenden Seite der DRA zur Verbindung mit dem elektrischen Kontakt in der Symmetrieebene
vorgesehen. Auf diese Weise wird mit der Erweiterung durch die Metallschicht eine
besonders gute Anregung der dielektrischen Resonatorantenne erreicht. Beispielsweise
kann bei einer quaderförmigen Antenne mit der Symmetrieebene als Grundfläche der elektrische
Kontakt auf einer angrenzenden Stirnseite angebracht werden. Dabei wird die Metallschicht
über die Kante auf die Grundfläche durchgeführt, so daß in der Symmetrieebene ein
Lötpunkt entsteht, der für die Oberflächenmontage verwendet werden kann. Dieser Lötpunkt
ist natürlich von der elektrisch leitenden Schicht isoliert, was vorzugsweise durch
Aussparen einer kleinen Fläche beim Metallisieren der Symmetrieebene geschieht. Dabei
ist vorteilhafterweise eine Silberpaste zur Bildung der Metallschicht durch Einbrennen
in das Material der DRA vorgesehen.
[0010] In einer bevorzugten Weiterbildung ist als Material für die dielektrische Resonatorantenne
eine Keramik aus (Ba, Nd, Gd)TiO
3 vorgesehen. Dieses keramische Material weist alle wichtigen Eigenschaften für die
dielektrische Resonatorantenne wie hohe Dielektrizitätszahl, niedrige dielektrische
Verluste und einen niedrigen dielektrischen Temperaturkoeffizienten auf.
[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen enthalten.
[0012] Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung noch durch einen Sender und einen Empfänger
sowie ein Mobilfunkgerät gelöst, bei dem in der Symmetrieebene der Antenne wenigstens
ein, von der elektrisch leitenden Schicht isolierter, elektrischer Kontakt vorgesehen
ist, und die elektrische Schicht und der elektrische Kontakt zur Verbindung der dielektrischen
Resonatorantenne mit wenigstens einer Zuleitung für ein zu sendendes oder zu empfangenes
Signal vorgesehen sind.
[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 dielektrische Resonatorantenne mit elektrischen Kontakten gemäß der Erfindung
für eine Oberflächenmontage und
- Figur 4:
- eine auf eine Platine montierte Antenne gemäß der Erfindung.
[0014] In der Figur 3 ist eine dielektrische Resonatorantenne (DRA) 4 mit einer metallischen
Schicht 5 in einer Symmetrieebene dargestellt. Weiterhin besitzt der Keramikquader
der DRA 4 eine zweite Metallisierung 6 an einer Stirnseire. Die zweite Metallisierung
6 besitzt einen Lötpunkt 7, der sich in der Symmetrieebene elektrisch isoliert von
der Metallschicht 5 befindet. Der Lötpunkt 7 bildet den zusätzlichen elektrischen
Kontakt in der Symmetrieebene. Dazu wird zunächst die Symmetrieebene, in der die Tangentialkomponente
des elektrischen Feldes der gewünschten Eigenmode (niedrigste Resonanz bei TE
z111-Mode) verschwindet, mit einer fest mit dem Dielektrikum verbundenen Metallisierung
versehen. Dies geschieht vorzugsweise mit einer Silberpaste, die in die Keramik eingebrannt
wird. Die zweite Metallisierung 6 an der Stirnseire wird auf die gleiche Weise angebracht.
Diese Metallisierungen 5,6,7 erlauben eine Oberflächenmontage (Surface Mount Device,
SMD), also das flache Auflöten elektronischer Komponenten auf einer Platine (Printed
Circuit Board PCB) mittels eines Wellen-Lötbades oder eines Reflow-Prozesses.
[0015] In der Figur 4 ist eine mit Metallisierungen 5 und 6 versehene DRA 4 dargestellt,
die in Oberflächenmontagetechnik auf eine Platine 8 mit einer koplanaren Streifenleitung
9, 10, 11 verlötet wurde. Die Metallisierung 6 auf der Stirnseite wird dabei am nach
der Montage nicht mehr zu sehenden Lötpunkt 7 mit einer Zuleitung 9 elektrisch verbunden.
Die Metallisierung der Symmetrieebene 5 wird an zwei Lötpunkten mit den auf Masse
liegenden Flächen 10 und 11 der koplanaren Leitung 9, 10 11 verbunden. Eine so montierte
Antenne 4 weist eine gute Kopplung mit der Zuleitung 9, 10, 11 mit einer sehr guten
Impedanzanpassung auf (Return-Loss von -35dB), wodurch ein sehr guter Wirkungsgrad
erreicht wird. Die guten Werte für die Impedanzanpassung sind unempfindlich gegen
Schwankungen in der genauen Form und Größe der Metallisierungen und der Position der
Antenne auf der Platine 8.
[0016] Damit werden folgende Vorteile erreicht. Die Antenne 4 wird fest mit den Leiterbahnen
9, 10, 11 der Zuführungsplatine 8 verlötet. Das Verlöten geschieht flach auf der Oberfläche
der Platine, also in der als Fertigungstechnik der Elektronikindustrie bekannten SMD-Technik.
Damit kann die Montage der Antenne 4 mit anderen Bauteilen kombiniert werden. Weiterhin
weist eine derart montierte DRA 4 eine sehr gute Impedanzanpassung an die Zuleitung
9, 10, 11 auf, die unempfindlich gegen Ungenauigkeiten in der Positionierung der DRA
4 ist. Die beschriebene DRA 4 kann vorzugsweise durch einen Quader der Abmessungen
15x5x6mm
3 aus einer (Ba, Nd, Gd)TiO
3 Keramik realisiert werden. Dieses Material ist Hochfrequenz geeignet, hat eine Dielektrizitätszahl
von e
r=85, niedrige dielektrische Verluste von

und einen niedrigen dielektrischen Temperaturkoeffizienten von τ
ε = -30ppm/°C (NP0-Charakteristik). Die Metallisierungen 5 und 6 werden mittels einer
Silberpaste hergestellt, die bei einer Temperatur von 700°C eingebrannt wird, so daß
eine geschlossene, hoch leitfähige metallische Schicht entsteht. Die Microstripleitung
9, 10, 11 kann auf einem Standard Platinensubstrat 8 mit einem Wellenwiderstand von
50 Ω realisiert werden. Die Arbeitsfrequenz einer solchen DRA 4 liegt bei 2,1 GHz,
so daß sie insbesondere für Anwendungen im Mobilfunkbereich geeignet ist.
1. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) mit einer elektrisch leitenden Schicht (5)
in einer Symmetrieebene (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Symmetrieebene (2) wenigstens ein, von der elektrisch leitenden Schicht
(5) isolierter, elektrischer Kontakt (7) vorgesehen ist und
daß die elektrische Schicht (5) und der elektrische Kontakt (7) zur Verbindung der
dielektrischen Resonatorantenne (4) mit wenigstens einer Zuleitung (9, 10, 11) für
ein zu sendendes oder zu empfangenes Signal vorgesehen sind.
2. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils eine Metallschicht zur Bildung der elektrisch leitenden Schicht (5) in
der Symmetrieebene (2) und des elektrischen Kontaktes (7) vorgesehen ist.
3. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Metallschicht (6) auf einer an die Symmetrieebene (2) angrenzenden Seite
der DRA (4) zur Verbindung mit dem elektrischen Kontakt (7) in der Symmetrieebene
(2) vorgesehen ist.
4. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Silberpaste zur Bildung der Metallschicht (5, 7) durch Einbrennen in das
Material der DRA (4) vorgesehen ist.
5. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die dielektrische Resonatorantenne (4) eine Keramik aus (Ba,
Nd, Gd)TiO3 vorgesehen ist.
6. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Schicht (5) und der elektrische Kontakt (7) zur Verbindung der
dielektrischen Resonatorantenne (4) mit wenigstens einer koplanaren Streifenleitung
(9, 10, 11) vorgesehen sind.
7. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Resonatorantenne (4) die geometrische Form eines rechtwinkligen
Quaders mit zwei Stirnseiten, zwei Seitenflächen, Grundfläche und Deckfläche besitzt.
8. Dielektrische Resonatorantenne (DRA) (4) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Symmetrieebene (2) zur Bildung der Grundfläche vorgesehen ist und der elektrische
Kontakt (7) auf einer Stirnseite aufgebracht ist.
9. Sender mit einer dielektrischen Resonatorantenne (DRA) (4) mit einer elektrisch leitenden
Schicht (5) in einer Symmetrieebene (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Symmetrieebene (2) wenigstens ein, von der elektrisch leitenden Schicht
(5) isolierter, elektrischer Kontakt (7) vorgesehen ist und
daß die elektrische Schicht (5) und der elektrische Kontakt (7) zur Verbindung der
dielektrischen Resonatorantenne (4) mit wenigstens einer Zuleitung (9, 10, 11) für
ein zu sendendes Signal vorgesehen sind.
10. Empfänger mit einer dielektrischen Resonatorantenne (DRA) (4) mit einer elektrisch
leitenden Schicht (5) in einer Symmetrieebene (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Symmetrieebene (2) wenigstens ein, von der elektrisch leitenden Schicht
(5) isolierter, elektrischer Kontakt (7) vorgesehen ist und
daß die elektrische Schicht (5) und der elektrische Kontakt (7) zur Verbindung der
dielektrischen Resonatorantenne (4) mit wenigstens einer Leitung (9, 10, 11) für ein
zu empfangenes Signal vorgesehen sind.
11. Mobilfunkgerät mit einer dielektrischen Resonatorantenne (DRA) (4) mit einer elektrisch
leitenden Schicht (5) in einer Symmetrieebene (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Symmetrieebene (2) wenigstens ein, von der elektrisch leitenden Schicht
(5) isolierter, elektrischer Kontakt (7) vorgesehen ist und
daß die elektrische Schicht (5) und der elektrische Kontakt (7) zur Verbindung der
dielektrischen Resonatorantenne (4) mit wenigstens einer Zuleitung (9, 10, 11) für
ein zu sendendes oder zu empfangenes Signal vorgesehen sind.