Dielektrische Resonatorantenne

Beschreibung

[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 mit 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 der 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 mit 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 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.

[0005] Aus der EP 0 790 663 A ist eine Antenne bekannt, welche in der bekannten SMD-Technik (Verlöten auf der Oberfläche der Platine) auf einer Platine (PCB) montiert wird. Die Antenne besteht aus einem dielektrischen oder magnetischen Substrat und weist zwei Strahlungselektroden auf, von denen jeweils eine Strahlungselektrode eine Resonanzfrequenz generiert. Eine weitere mit einer Zuführungsleitung verbundene Elektrode befindet sich auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats. Eine weitere mit einem Massepotential verbundene Elektrode befindet sich auf der Rückseite des Substrats. Die zwei Strahlungselektroden sind mit dem Massepotential verbunden und weisen jeweils ein offenes Ende auf. Die offenen Enden der Strahlungselektroden und die mit der Zuführung verbundene Elektrode sind elektromagnetisch durch einen Spalt zwischen einer Strahlungselektrode und der mit der Zuführung verbundene Elektrode kapazitiv gekoppelt. Durch die Antenne kann eine breite Bandbreite erreicht werden, in der Signale zweier unterschiedlicher Frequenzen ohne Reduzierung des Verstärkungsfaktors und ohne Vergrößerung der Antennenkonfiguration empfangen und gesendet werden können. Weiterhin wird eine Telekommunikationsvorrichtung mit einer solchen Antenne offenbart.

[0006] In dem Artikel "Recent Advances in Dielectric-Resonator Antenna Technology" A. Petosa, A. Ittipiboon, Y. M. M. Antar, D. Roscoe, M. Cuhaci, IEEE Antennas and Propagation Magazine, US, IEEE Inc; NY, Bd. 40, Nr.3, S. 35-48 werden Resonatorantennen mit einer verbesserten Impedanzbandbreite, zirkular-polarisatierten Bandbreite, Verstärkung oder Koppelmechanismen zu unterschiedlichen Zuleitungsstrukturen beschrieben. Dargestellt in Fig. 3b und Fig. 5b ist jeweils eine dielektrische Resonatorantenne mit einer Microstripleitung als Zuleitung. Die in Fig. 3b dargestellte Resonatorantenne zeichnet sich durch eine rechwinklige Einkerbung auf der Unterseite aus. Dagegen besteht die in Fig. 5b dargestellte Resonatorantenne aus einem dielektrischen Block mit mehreren geschichteten Segmenten auf der Unterseite, welche ein Material mit einer weit höheren Dielektrizitätskonstante aufweisen.

[0007] 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.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer dielektrischen Resonatorantenne eine bessere Kopplung an eine Zuleitung zu schaffen.

[0009] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Auf diese Weise entstehen in einer Ebene zwei fest mit der dielektrischen Resonatorantenne verbundene elektrische Kontakte, die zur Einkopplung der 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] In einer bevorzugten Weiterbildung ist als Material für die dielektrische Resonatorantenne eine Keramik aus (Ba, Nd, Gd)TiO3 vorgesehen. Dieses keramische Material weist alle wichtigen Eigenschaften für die dielektrische Resonatorantenne wie hohe Dielektrizitätszahl, niedrige dielektrische Verluste und einen niedrigen dielektrischen Temperaturkoeffizienten auf.

[0013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen enthalten.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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 Stirnseite. 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 Stirnseite 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.

[0017] 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.

[0018] 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 15x5x6mm³ aus einer (Ba, Nd, Gd)TiO₃ Keramik realisiert werden. Dieses Material ist Hochfrequenz geeignet, hat eine Dielektrizitätszahl von e_r=85, niedrige dielektrische Verluste von tanδ=4x10^-4 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.

Ansprüche

1. Dielektrische Resonatorantenne (4) mit einem resonanten dielektrischen Körper und mit einer elektrisch leitenden Schicht (5) in einer Fläche des halbierten resonanten dielektrischen Körpers (2) die übereinstimmt mit derjenigen Ebene, worin die Tangential Komponente des elektrischen Feldes im dielektrischen Körpers verschwindet, wobei diese Fläche im folgenden mit Symmetrieebene (2) bezeichnet wird und mit in dieser Symmetrieebene (2) wenigstens einem elektrischen Kontakt (7), der von der elektrisch leitenden Schicht (5) isoliert ist, wobei 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,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Metallschicht (6) auf einer an die Symmetrieebene (2) angrenzenden Seite der dielektrischen Resonatorantenne (4) zur Verbindung mit dem elektrischen Kontakt (7) in der Symmetrieebene (2) vorgesehen ist.

2. Dielektrische Resonatorantenne (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 (4) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine eingebrannte Silberpaste zur Bildung der Metallschicht (5, 7) in das Material der dielektrischen Resonatorantenne (4) vorgesehen ist.

4. Dielektrische Resonatorantenne (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die dielektrische Resonatorantenne (4) eine Keramik aus (Ba, Nd, Gd)TiO₃ vorgesehen ist.

5. Dielektrische Resonatorantenne (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.

6. Dielektrische Resonatorantenne (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.

7. Dielektrische Resonatorantenne (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Symmetrieebene (2) zur Bildung der Grundfläche vorgesehen ist und der elektrische Kontakt (7) auf einer Stirnseite aufgebracht ist.

8. Sender mit einer dielektrischen Resonatorantenne (4) nach Anspruch 1.

9. Empfänger mit einer dielektrischen Resonatorantenne (4) nach Anspruch 1.

10. Mobilfunkgerät mit einer dielektrischen Resonatorantenne (4) nach Anspruch 1.

Claims

1. A dielectric resonator antenna (4) having a resonant dielectric body and an electrically conducting layer (5) on a surface of the halved resonant dielectric body (2) which surface corresponds to the plane in which the tangential component of the electrical field in the dielectric body disappears, this surface being denoted in the following as a plane of symmetry (2) and having at least one electrical contact (7) in this plane of symmetry (2), which is insulated from the electrically conducting layer (5), the electric layer (5) and the electrical contact (7) being used for connecting the dielectric resonator antenna (4) to at least one lead (9, 10, 11) for a signal to be transmitted or received, characterized in that a metal coating (6) is provided on a side of the dielectric resonator antenna (4) adjoining the plane of symmetry (2) for a connection with the electrical contact (7) in the plane of symmetry (2).

2. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1, characterized in that a metallic layer is provided for forming the electrically conducting layer (5) in the plane of symmetry (2) and for forming the electrical contact (7).

3. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 2, characterized in that a silver paste is used for forming the metallic layer (5, 7) by burning into the material of the dielectric resonator antenna (4).

4. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1, characterized in that the material for the dielectric resonator antenna (4) is a ceramic of (Ba,Nd,Gd)TiO₃.

5. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1, characterized in that the electric layer (5) and the electrical contact (7) are provided for connecting the dielectric resonator antenna (4) to at least one coplanar strip line (9, 10, 11).

6. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1, characterized in that the dielectric resonator antenna (4) has the geometric form of a right-angled cuboid having two head ends, two side faces, a ground face and top face.

7. A dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1, characterized in that the plane of symmetry (2) is provided for forming the ground face and the electrical contact (7) is deposited on a head end.

8. A transmitter including a dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1.

9. A receiver including a dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1.

10. A mobile radiotelephone including a dielectric resonator antenna (4) as claimed in claim 1.

Revendications

1. Antenne diélectrique à résonateur (4) avec un corps diélectrique résonant et une couche électriquement conductrice (5) dans une surface du corps diélectrique résonant divisé en deux (2) qui correspond au plan dans lequel la composante tangentielle du champ électrique disparaît dans le corps diélectrique, cette surface étant désignée ci-dessous par plan de symétrie (2) et avec, dans ce plan de symétrie, (2) au moins un contact électrique (7) qui est isolé par la couche électriquement conductrice (5), la couche électrique (5) et le contact électrique (7) étant prévus pour la jonction de l'antenne diélectrique à résonateur (4) avec au moins une ligne d'alimentation (9, 10, 11) pour un signal à émettre ou à recevoir,
caractérisée en ce qu'une couche métallique (6) est prévue sur la face de l'antenne diélectrique à résonateur (4) adjacente au plan de symétrie (2) pour la jonction avec le contact électrique (7) dans le plan de symétrie (2).

2. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1,
caractérisée en ce qu'une couche métallique est respectivement prévue pour la formation de la couche électriquement conductrice (5) dans le plan de symétrie (2) et du contact électrique (7).

3. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 2,
caractérisée en ce qu'une pâte d'argent cuite est prévue pour la formation de la couche métallique (5, 7) dans le matériau de l'antenne diélectrique à résonateur (4).

4. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1,
caractérisée en ce qu'une céramique en (Ba,Nd,Gd)TiO3 est prévue comme matériau pour l'antenne diélectrique à résonateur (4).

5. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1,
caractérisée en ce que la couche électrique (5) et le contact électrique (7) sont prévus pour la jonction de l'antenne diélectrique à résonateur (4) avec au moins un ruban coplanaire (9, 10, 11).

6. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1,
caractérisée en ce
que l'antenne diélectrique à résonateur (4) possède la forme géométrique d'un parallélépipède rectangle avec deux faces d'about, deux faces latérales, une surface de base et une surface de recouvrement.

7. Antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1,
caractérisée en ce que le plan de symétrie (2) est prévu pour la formation de la surface de base et le contact électrique (7) est appliqué sur une face d'about.

8. Emetteur avec une antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1.

9. Récepteur avec une antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1.

10. Radiotéléphone mobile avec une antenne diélectrique à résonateur (4) selon la revendication 1.

Zeichnung