Antennenkonstruktion

Abstract

 Die insbesondere für Handfunktelefone nach verschiedenen Standards geeignete Antennenkonstruktion hat eine Metallfläche (1), welche ein boxförmiges Volumen begrenzt, und ein Resonatorelement (5), welches über eine Kante (2) der Metallfläche (1) abgewinkelt ist. Das Resonatorelement (5) kann z.B. durch ein asymmetrisch angeordnetes Kurzschlusselement (4) und eine Speisung (3.1) im erforderlichen Abstand gehalten werden. Das lange Ende (5.1) des Resonatorelements ist über eine in mehrere verschiedene Zustände schaltbare Schaltvorrichtung (34) mit der Metallfläche verbunden. Je nach Schaltzustand der Schaltvorrichtung (34) weist die Antenne eine andere Resonanzfrequenz auf, wobei die Frequenzen durch den Anschlussort sowie die Art der verwendeten Bauelemente beeinflusst werden kann. Die Bauhöhe einer solchen Antennenkonstruktion ist sehr flach, da der Abstand zwischen der Hauptfläche (1.2) und dem darüberliegenden Teil (5.2) des Resonatorelements (5) möglichst klein gewählt werden kann. Die Antenne hat, je nach Schaltzustand der Schaltvorrichtung (34) eine Bandbreite zwischen 10% und. 20% und eine hohe Effizienz.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine insbesondere für Handfunkgeräte geeignete Antennenkonstruktion mit einer Metallfläche und einem als im wesentlichen L-förmig abgewinkelte Platte ausgebildeten Resonatorelement, welches in einem Abstand zu einer Kante der Metallfläche gehalten ist.

Stand der Technik

[0002] Zurzeit besitzen die auf dem Markt erhältlichen Mobilfunktelefone des GSM-Standards überwiegend eine externe Antenne, welche meist als λ/4-Monopol funktioniert. Es ist bekannt, dass der für die Antenne benötigte Platz (insbesondere die Länge) reduziert werden kann, wenn die Antenne zu einer Helix aufgewickelt wird. In Kombination mit einer ausziehbaren Monopolantenne vermag diese Konstruktion in rein elektrischer Sicht den grossen Anforderungen des GSM-Standards hinsichtlich Bandbreite und Effizienz zu genügen. Zur Erhöhung des Tragkomforts, der Verringerung der Beschädigungsgefahr und der Verbesserung der Designmöglichkeiten wurden zudem Antennen entwickelt die vollständig im Gehäuse untergebracht werden können. Diese bekannten Antennenkonstruktionen sind jedoch nur für einbandige Anwendungen geeignet und können nicht in verschiedenen Frequenzbändern verwendet werden.

Darstellung der Erfindung

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenkonstruktion anzugeben, die einen geringen Platzbedarf hat und die bei hohen Bandbreiten und Leistungen für einen Multiband-Betrieb (wie z.B. in den Netzen GSM 900, DCS 1800 und PCS 1900) geeignet ist.

[0004] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung wird die Antenne im wesentlichen durch eine als Grundplatte dienende Metallfläche und eine als Resonatorelement wirkende, L-förmig abgewinkelte Platte gebildet. Die L-förmige Platte ist im Abstand um eine Kante der Metallfläche geführt. D.h. ein kurzer Schenkel der Platte ist in einem vorgegebenen, mittleren ersten Abstand A1 bezüglich einer in der Ebene der Metallfläche liegenden Richtung "jenseits" der Kante und ein langer Schenkel der Platte in einem vorgegebenen, mittleren zweiten Abstand A2 "über" der Metallfläche gehalten. Der erste und der zweite Abstand können entsprechend den Vorgaben für die gewünschten Resonanzfrequenzen und Bandbreiten gewählt werden. Sie können insbesondere auch gleich gross sein. Der genannte zweite Schenkel verläuft typischerweise mehr oder weniger parallel zur Metallfläche. Zwischen der Metallfläche und dem langen Ende des Resonatorelements ist eine Schaltvorrichtung vorgesehen, über welche beide miteinander verbunden werden können. Die Schaltvorrichtung ist beispielsweise ein kompaktes Schaltelement, das zumindest ein elektrisches bzw. elektronisches Bauelement umfasst.

[0005] Der Übergang zwischen dem langen und dem kurzen Schenkel kann eckig oder rund ausgebildet sein. Der Abstand A2 zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche braucht allerdings nicht an jedem Punkt gleich zu sein. Resonatorelement und Metallfläche können z.B. leicht gekrümmt oder in einem kleinen Winkel zueinander stehen. Ferner kann der genannte Abstand lokal variieren. Insgesamt bewegt er sich innerhalb eines gegebenen Bereiches bzw. variiert um einen bestimmten Mittelwert herum. Das Resonatorelement kann also einer Innenseite eines Gerätegehäuses formmässig angepasst sein. Es stört auch nicht, wenn elektronische Bauteile aus der Metallfläche herausragen.

[0006] Die erfindungsgemässe Konstruktion und Plazierung des Resonatorelements macht es möglich, die Bauhöhe (in einer Richtung senkrecht zur Metallfläche) - ohne wesentlichen Verlust an Bandbreite - zu minimieren. In diesem Sinn wird der Abstand A2 kleiner gewählt als der Abstand A1. Mit dem Schaltelement lässt sich die effektive Länge und damit die Resonanzfrequenz des Resonatorelementes verändern.

[0007] Das Schaltelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es sich in verschiedene Schaltzustände schalten lässt. Es kann z.B. als Kurzschluss, als Unterbruch, als Kapazität oder als Induktivität geschaltet werden. Je nach Schaltzustand resultiert eine höhere oder eine niedrigere Resonanzfrequenz des Resonatorelementes.

[0008] Das Schaltelement ist mit Vorteil an dem, dem kurzen Ende des Resonatorelements gegenüberliegenden Rand angeordnet. Die genaue Position, insbesondere der Abstand vom seitlichen Rand (senkrecht zur Falzrichtung des abgewinkelten Resonatorelements), ist jeweils im Hinblick auf die gewünschten Resonanzfrequenzen abgestimmt und optimiert.

[0009] Ein zwischen Metallfläche und Resonatorelement vorgesehenes Kurzschlusselement ist im wesentlichen in Richtung der durch die Verlängerung der Metallfläche definierten Ebene geführt. Es ist vorzugsweise asymmetrisch angeordnet und kann z.B. gerade in einer Verlängerung der Metallfläche verlaufen. Es kann aber auch - namentlich bei der weiter unten erläuterten Variante mit dem "Box"-Volumen - durch eine lokal senkrecht zur Metallfläche stehende Verbindungslasche gebildet sein.

[0010] Die Speisung verläuft im wesentlichen parallel zum Kurzschlusselement aus der Metallfläche heraus zum Resonatorelement. Der genaue Ansatzpunkt (Ort) der Speisung und insbesondere deren Abstand zum Kurzschlusselement kann variiert werden, um die gewünschte Anpassung der erfindungsgemässen Antenne zu erzielen. Ansatzpunkt und Abstand sind im Einzelfall festzulegen und können nach Bedarf optimiert werden.

[0011] Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform definiert die Metallfläche ein boxförmiges Volumen. Das erfindungsgemässe Resonatorelement ist im Abstand zu einer (vorzugsweise stirnseitigen) Kante des boxförmigen Volumens angeordnet. Seine mechanische Abstützung kann u.U. allein durch das asymmetrisch angeordnete Kurzschlusselement erfolgen. Je nach Ausführung der Speisung kann evtl. auch diese zur Stabilisierung beitragen. Besonders stabil wird die Konstruktion bei Benutzung eines dielektrischen Stützkörpers oder bei Befestigung des Resonatorelements an einem die Antenne umgebenden Kunststoffgehäuse.

[0012] Die Metallfläche kann auch durch die Metallisierung einer Leiterplatte gebildet sein. Auf dieser Leiterplatte sind auch die elektronischen Bauteile der Schaltung (Sender, Empfänger, Steuerung, Datenverarbeitung) aufgebaut. Das Kurzschlusselement wird z.B. durch eine angelötete oder angeklemmte Lasche gebildet (welche in der durch die Leiterplatte definierten Ebene liegen kann). Es kann auch vorzugsweise durch eine aufgedruckte, flächige Metallisierung direkt auf der Leiterplatte gebildet sein. Die Speisung ist dann z.B. als Mikrostreifenleiter auf der Leiterplatte von der Schaltung zum Resonatorelement auf der Platine geführt.

[0013] Vorzugsweise ist das boxförmige Volumen durch die Metallfläche allseitig umschlossen. Eine im Volumen befindliche Schaltung wird so effizient abgeschirmt. Für die Anwendung bei Mobilfunktelefonen wird ein möglichst flaches, schichtförmiges Volumen angestrebt. Es sind aber auch Anwendungen denkbar, bei denen es nicht primär auf ein Volumen geringer Bauhöhe ankommt. Es ist natürlich auch nicht zwingend, dass das Volumen allseitig umschlossen ist. Schmal- und Stirnseiten können teilweise oder ganz geöffnet sein.

[0014] Als boxförmiges Volumen kann jedes mehr oder weniger quaderförmige Volumen verstanden werden (Zigarettenschachtelform). Die Kanten können eckig oder abgerundet sein. Die verschiedenen Seitenflächen brauchen nicht parallel zueinander zu stehen. Sie können z.B. entsprechend den Formvorgaben des designmässig gestalteten Aussengehäuses des Funktelefons geneigt oder gekrümmt sein.

[0015] Die durch die Metallfläche gebildete Oberfläche umfasst z.B. zwei länglich rechteckige Hauptflächen (in - einem im Verhältnis zur Querabmessung - geringen gegenseitigen Abstand) und mindestens eine kurze verbindende Stirnfläche. Das Resonatorelement überdeckt die genannte Stirnfläche und einen angrenzenden Bereich der einen Hauptfläche (selbstverständlich unter Wahrung eines bestimmten Abstandes). Zur Speisung der Antenne ist z.B. ein Innenleiter einer Koaxialleitung (oder ein Mikrostreifenleiter) durch die Metallfläche hindurch zum Rand des Resonatorelements geführt. Der kurze Schenkel der Resonatorplatte kann über eine (zur Metallfläche hin abgewinkelte) Lasche gespeist werden. Das Kurzschlusselement kann ein Verbindungsstreifen sein, welcher in einer Verlängerung einer Schmalseite des boxförmigen Volumens liegt. Damit die Resonanzbedingung erfüllt ist, muss das Kurzschlusselement im Bereich einer Ecke der Resonatorplatte angeordnet sein. Speisung und Kurzschluss können in der gleichen oder in verschiedenen (z.B. senkrecht zueinander stehenden) Ebenen liegen.

[0016] Das Resonatorelement soll zur Hauptfläche einen kleineren Abstand haben als zur kurzen verbindenden Stirnfläche. Während nämlich der erstgenannte Abstand mitbestimmend für die Bauhöhe des (aus designmässigen Gründen möglichst flach zu gestaltenden) Handfunkgeräts sein kann, geht der zweitgenannte Abstand nur in die (nicht besonders kritische) Längsabmessung ein.

[0017] Es ist durchaus möglich, zwischen Resonatorelement und Metallfläche einen dielektrischen Körper einzufügen. Er kann insbesondere für die Stabilisierung des Resonatorelements hilfreich sein. Der Körper kann z.B. ein L-förmig abgewinkeltes Substrat mit einer selektiv aufgebrachten Metallbeschichtung (zur Bildung der Resonatorplatte, der Speisung und des Kurzschlusses) sein.

[0018] Die erfindungsgemässe Antenne kann auch so ausgebildet sein, dass das Resonatorelement mit dem Kurzschlusselement und fünf Flächenstücken der boxförmigen Metallfläche aus einem Stück teilweise metallisierten Kunststoffes besteht. Der Kunststoffteil braucht nicht vollständig metallisiert zu sein. Die nicht-metallisierten Teile können zur mechanischen Festigkeit beitragen. Die angefügte Leiterplatte mit den elektronischen Bauteilen und der aufgedruckten Stanzform vervollständigt einerseits die Metallfläche zu einer geschlossenen Oberfläche einer Box und schliesst andererseits das Resonatorelement an die Speisespannung an.

[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante besteht darin, dass das Resonatorelement an der Innenseite des Kunststoffgehäuses des Mobilfunktelefons oder auf einer flexiblen Folie oder einem dünnen Leiterplattensubstrat aufgebracht ist. Die mechanische Abstützung muss dann natürlich nicht vom Kurzschlusselement übernommen werden.

[0020] Das Resonatorelement hat einen Umfang entsprechend einer halben Wellenlänge λ der Resonanzschwingung. Da die resonanzaktive Länge des Resonatorelements etwa λ/4 betragen sollte (Resonanzbedingung), ist also das Kurzschlusselement möglichst in der Ecke zu plazieren. Das boxförmige Volumen kann z.B. eine Abmessung von 0.33x0.15x0.015λ³ haben. Der Abstand zwischen der verbindenden Stirnfläche und dem abgewinkelten Teil des Resonatorelements kann z.B. 0.03λ betragen. Der Abstand zur Hauptfläche beträgt z.B. nur gerade etwa 0.01λ.

[0021] Je nach Schaltzustand des Schaltelementes weist das Resonatorelement eine andere Resonanzfrequenz auf. Ist das Schaltelement als Unterbruch geschaltet, berechnet sich eine Näherung für die Grundresonanzfrequenz f₀ gemäss folgender Formel:

I₁ entspricht hierbei dem ersten Abstand A1 des Resonatorelements zur Metallfläche, I₂ der Länge des langen Endes des Resonatorelements, h₁ der Länge des kurzen Endes des Resonatorelements, w, der Breite des Resonatorelements, c der Lichtgeschwindigkeit und ε_r bzw. µ_r entsprechen der Dielektrizitätskonstante resp. der Permeabilität eines zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche vorhandenen dielektrischen Körpers.

[0022] Ist das Schaltelement als Kurzschluss geschaltet, berechnet sich eine Näherung der unteren Grenze für die Resonanzfrequenz f, gemäss folgender Formel:

w₂ bezeichnet hierbei den Abstand (parallel zur Falzrichtung) des Schaltelements zu dem in Richtung des Kurzschlusselements liegenden Seitenrand des Resonatorelements.

[0023] Ist das Schaltelement als Kapazität mit dem Wert C geschaltet, resultiert eine verringerte Resonanzfrequenz f_0C, welche sich näherungsweise gemäss folgenden Formeln berechnen lässt:

mit

ε₀ bezeichnet hierbei die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und w₂ den Abstand (parallel zur Falzrichtung des Resonatorelements) des Schaltelements zu dem in Richtung des Kurzschlusselements liegenden Seitenrand des Resonatorelements.

[0024] Ist das Schaltelement als Induktivität mit dem Wert L geschaltet, resultiert eine gegenüber der Kurzschluss-Resonanzfrequenz verringerte Resonanzfrequenz f_1L, deren untere Grenze näherungsweise gemäss folgenden Formeln berechnet werden kann:

mit

µ₀ bezeichnet hierbei die Permeabilität des Vakuums und h₂ den zweiten Abstand A2 des Resonatorelements zur Metallfläche.

[0025] Wie bereits erwähnt, lassen sich mit den angegebenen Formeln nur die Grössenordnungen der jeweiliegen Frequenzen bestimmen. Die genauen Werte für die Grundresonanzfrequenz f₀ sowie die anderen Resonanzfrequenzen f_0C, f₁ und f_1L sind abhängig von vielen Parametern, beispielsweise der verwendeten Materialien, der Verhältnisse der Antennenmasse oder der Umgebungsbedingungen und sind im Einzelfall auf die gewünschten Werte abzustimmen.

[0026] Bei einer einfachen Ausführungsform der Antennenkonstruktion lässt sich das Schaltelement nur in zwei verschiedene Schaltzustände Kurzschluss und Unterbruch schalten. Ein solches ON/OFF-Schaltelement ist auf einfache Art und Weise mit einer entsprechend vorspannbaren Diode (z.B. PIN-Diode = Positive Intrinsic Negative Diode) oder einem entsprechend ansteuerbaren Transistor (z.B. FET = Feldeffekt-Transistor) realisierbar.

[0027] Die beschriebenen Antennen werden vorzugsweise für Handfunkgeräte, beispielsweise Mobilfunktelefone, eingesetzt. Die zur Ansteuerung der Antennenkonstruktion benötigte elektrische Schaltung ist hierbei in dem durch die Metallfläche gebildeten, boxförmigen Volumen untergebracht.

[0028] Bei einem bevorzugten Handfunkgerät besteht das Gehäuse aus einem nichtleitenden Material und das Resonatorelement ist in Form einer Metallbeschichtung, eines vorgeformten Blechs oder einer leitend beschichteten Folie an der Innenseite des Gehäuses angebracht.

[0029] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Handfunkgeräts sind das Resonatorelement, das Kurzschlusselement und die Metallfläche aus einem Stück, insbesondere aus einem teilweise metallisierten Kunststoff gefertigt.

[0030] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0031] Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

Eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Antenne;

Fig. 2a

ein Schaltschema eines einfachen Schaltelementes;

Fig. 2b

ein Schaltschema einer alternativen Ausführung eines einfachen Schaltelementes;

Fig. 2c

ein Schaltschema eines allgemeinen Schaltelementes;

Fig. 3

eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Antenne mit einer alternativen Anschlussart des Resonatorelements;

Fig. 4

eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Antenne mit einer alternativen Ausführung der Speisung des Resonatorelements;

Fig. 5

eine schematische perspektivische Darstellung eines auf einem dielektrischen Substrat realisierten Resonatorelements;

Fig. 6

eine schematische Darstellung einer Stanzform zur Herstellung eines Resonatorelements aus einem Stück Blech;

Fig. 7a

eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Antennenkonstruktion für eine bestückte Leiterplatte in der Seitenansicht;

Fig. 7b

eine schematische Darstellung der Antennenkonstruktion aus Fig. 7a mit einer Abschirmung der elektrischen Schaltung auf der Leiterplatte;

[0032] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0033] Fig. 1 zeigt eine boxförmige Metallfläche 1 mit zwei in geringem Abstand parallel zueinander angeordneten Hauptflächen 1.1, 1.2, einer oberen und einer unteren kurzen Stirnfläche 1.3 bzw. 1.4 und zwei langen schmalen Seitenflächen 1.5, 1.6. Die Form ist vergleichbar mit derjenigen einer länglichen flachen Zigarettenschachtel.

[0034] In einem bestimmten Abstand zur Kante 2 (welche zwischen Hauptfläche 1.2 und Stirnfläche 1.3 gebildet ist) ist ein L-förmig abgewinkeltes Resonatorelement 5 gehalten. Zur Abstützung können ein Kurzschlusselement 4 und - je nach mechanischer Ausführung - evtl. eine Speisung dienen.

[0035] Die Breite w₁ des Resonatorelements 5 entspricht derjenigen der Hauptfläche 1.2. Eine abgewinkelte kurze Seite 5.1 besitzt eine Länge h₁ und ist etwas grösser als die Stirnfläche 1.3 (entsprechend dem Abstand h₂ zwischen Resonatorelement 5 und Hauptfläche 1.2). Die genannte kurze Seite 5.1 hat einen Abstand I₁ von der Stirnfläche 1.3 und endet etwa in der Verlängerung einer durch die Hauptfläche 1.1 definierten geometrischen Ebene. Die vorzugsweise um 90° abgewinkelte lange Seite 5.2 besitzt eine Länge 12 und überdeckt den obersten Bereich der Hauptfläche 1.2.

[0036] Das Kurzschlusselement 4 ist z.B. eine streifenförmige Verlängerung der Seitenfläche 1.5. Es kann so breit wie die genannte Seitenfläche 1.5 oder auch schmaler sein.

[0037] Die Speisung erfolgt aus dem abgeschirmten Volumen heraus. Zu diesem Zweck ist z.B. ein Mikrostreifenleiter 3.1 (oder ein Innenleiter einer Koaxialleitung) von einer elektrischen Energiequelle 35 durch die Stirnfläche 1.3 hindurch zur kurzen Seite 5.1 geführt. Die Speisung ist im Bereich der Hauptfläche 1.1 oder der Seitenfläche 1.5 angeordnet (wobei der Abstand zum Kurzschlusselement 4 durch die erforderliche Anpassung bestimmt ist). Die Schaltung zur Ansteuerung der Antenne wird in dem innerhalb der Metallfläche 1 gebildeten flachen Volumen untergebracht. Die Metallfläche 1 bildet also das Abschirmgehäuse der Schaltungselektronik.

[0038] Die Speisung (Mikrostreifenleiter 3.1) befindet sich im gezeigten Beispiel mehr oder weniger in der durch die Hauptfläche 1.1 gebildeten geometrischen Ebene und schliesst am Rand bzw. in der Nähe des Randes der abgewinkelten kurzen Seite 5.1 des Resonatorelements 5 an.

[0039] Das Resonatorelement 5 ist über ein Schaltelement 34 mit der Hauptfläche 1.2 verbunden. Das Schaltelement 34 ist an dem der kurzen Seite 5.1 gegenüberliegenden Rand der langen Seite 5.2 in einem Abstand w₂ vom Seitenrand des Resonatorelements 5 befestigt.

[0040] Das Schaltelement 34 dient dazu, die Resonanzfrequenz des Resonatorelements 5 zu beeinflussen. Je nach gewünschter Frequenz wird das Schaltelement 34 in einen von zumindest zwei möglichen Schaltzuständen geschaltet. Je nach Schaltzustand wird eine andere Verbindung zwischen dem Resonatorelement 5 und der Metallfläche 1 hergestellt, welche die effektive Länge des Resonatorelementes und damit dessen Resonanzfrequenz verändert.

[0041] In den Figuren 2a bis 2c sind drei verschiedene Ausführungsformen des Schaltelementes dargestellt. In Figur 2a besteht das Schaltelement 34.1 aus einer einfachen Diode 36, beispielsweise einer PIN-Diode. Die Anode 36.1 ist mit dem Resonatorelement 5 und die Kathode 36.2 mit der Metallfläche 1 verbunden. Ist die Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Kathode gleich Null, sperrt die Diode 36 und das Schaltelement 34.1 wirkt als elektrischer Unterbruch. Wird am Steuereingang 37.1 hingegen eine positive elektrische Spannung angelegt, welche grösser als die Durchlassspannung der Diode 36 ist, wird diese leitend und das Schaltelement 34.1 wirkt demzufolge als elektrischer Kurzschluss.

[0042] Durch ein- resp. ausschalten der Steuerspannung kann das Schaltelement 34.1 somit zwischen zwei Schaltzuständen "Unterbruch" und "Kurzschluss" umgeschaltet werden.

[0043] Figur 2b zeigt eine weitere Möglichkeit, wie ein solcher Unterbruch/Kurzschluss-Umschalter realisiert sein kann. Ein Transistor 38, beispielsweise ein FET, ist als Schalter angeschlossen (wobei weitere, nicht dargestellte Widerstände vorhanden sein können). Durch anlegen einer entsprechenden Steuerspannung am Steuereingang 37.2 kann der Transistor 38 in den Zustand "high", d.h. leitend oder in den Zustand "low", d.h. nicht leitend geschaltet werden.

[0044] Figur 2c zeigt ein Schaltelement 34.3 mit vier unterschiedlichen Schaltzuständen. Über einen Umschalter 39, der über den Steuereingang 37.3 angesteuert wird, kann jeweils eine von vier möglichen Verbindungsvarianten zwischen dem Resonatorelement 5 und der Metallfläche 1 hergestellt werden. Die vier Verbindungsvarianten umfassen einen Verbindungsunterbruch 40 bei der Schalterposition 39.1, eine induktive Verbindung über eine Induktivität L bei Schalterposition 39.2, eine kapazitive Verbindung über eine Kapazität C bei Schalterposition 39.3 und einen Kurzschluss 41 bei Schalterposition 39.4.

[0045] Je nach Schalterposition 39.1 - 39.4 resultieren andere Resonanzfrequenzen der Antenne, welche gemäss den Formeln (I) bis (VI) berechnet werden können.

[0046] Die in Fig. 3 gezeigte Variante unterscheidet sich von Fig. 1 hinsichtlich der Speisung und der Positionierung des Kurzschlusselements 4. Der Mikrostreifenleiter 3.1 (bzw. ein Innenleiter einer Koaxialleitung) ist an einer Lasche 3.2 angeschlossen, welche im wesentlichen senkrecht zur kurzen Seite 5.1 steht und zur Stirnfläche 1.3 hinragt. Das Kurzschlusselement 4 befindet sich nicht in der Verlängerung der Seitenfläche 1.5, sondern in der Verlängerung der Hauptfläche 1.1. Die Speisung (Lasche 3.2 und Mikrostreifenleiter 3.1) und das Kurzschlusselement 4 sind wiederum in einem durch die angestrebte Anpassung bestimmten Abstand zueinander angeordnet.

[0047] Fig. 4 zeigt eine weitere Alternative, bei welcher das Resonatorelement abgerundet ist. Der Übergang zwischen der langen Seite 5.2 und der kurzen Seite 5.1 ist hier nicht durch eine ausgeprägte Kante, sondern durch einen kontinuierlich gewölbten, bzw. gekrümmten Übergang gebildet. Der Krümmungsradius liegt in der Grössenordnung der Abstände A1 und A2. Versuche haben gezeigt, dass runde Übergänge zu einer grösseren Bandbreite führen können. Ist die Bandbreite - durch das Ersetzen des eckigen Resonatorelements durch ein rundes - zu gross geworden, kann sie durch eine Reduktion des Abstandes A1 bzw. A2 wieder verringert werden. Die Dicke (bzw. Bauhöhe) der ganzen Antennenkonstruktion kann durch die Verwendung von abgerundeten Resonatorelementen vorteilhaft klein gehalten werden.

[0048] Im Beispiel gemäss Fig. 4 ist das Kurzschlusselement 4 ähnlich wie in Fig. 3 positioniert. Die Speisung erfolgt dagegen durch einen Mikrostreifenleiter 3.1 in einer Verlängerung der Seitenfläche 1.5. Aus den Figuren 1, 3 und 4 sind also verschiedene Varianten für die Plazierung von Kurzschluss und Speisung ersichtlich. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen möglich entsprechend dem erforderlichen Abstand zwischen diesen beiden Elementen.

[0049] Für eine gegebene Grundfrequenz (beispielsweise 900 MHz für das GSM 900 Netz) lassen sich die Abmessungen der Metallbox z.B. folgendermassen bestimmen: Länge L = I₃ = 0.33λ, Breite B = w₁ = 0.15λ und Dicke D = h₁-h₂ = 0.015λ. (D beträgt im vorliegenden Beispiel 1/10 von B bzw. etwa 1/20 von L.) Der Abstand I₁ zwischen der Stirnfläche 1.3 und der kurzen Seite 5.1 beträgt z.B. 0.03λ, derjenige zwischen der langen Seite 5.2 und der Hauptfläche 1.2 (h₂) etwa 0.01λ. Der zweitgenannte Abstand ist also um ein Mehrfaches (z.B. 3-faches) kleiner als der erstgenannte. Die Breite des Resonatorelements 5.1 ist im wesentlichen gleich wie die Breite B der Metallbox. Die Länge h₁ der kurzen Seite 5.1 beträgt z.B. 0.025λ, während die Länge I₂ der langen Seite 5.2 0.07λ misst. Mit anderen Worten, die lange Seite ist z.B. mehr als doppelt so lang wie die kurze Seite 5.1.

[0050] Als Beispiel soll eine Antennenkonstruktion gemäss Figur 1 mit einem FET-Schalter als Schaltelement 34 für ein GSM 900 Netz und ein DCS 1800 Netz angegeben werden. Die Grundresonanzfrequenz f₀ bei offenem FET-Schalter muss somit 900 MHz, und die erhöhte Resonanzfrequenz f₁ bei geschlossenem FET-Schalter 1800 MHz betragen. Die Grundwellenlänge λ₀ liegt damit im Bereich von 33 cm. Die geforderten Resonanzfrequenzen können somit erreicht werden, indem die Antennenkonstruktion mit folgenden Werten realisiert wird: I₁ = 7 mm, I₂ = 25 mm, h₁ = 8 mm, h₂ = 3 mm, w₁ = 50 mm, w₂ = 32 mm und einer Länge der Metallbox von I₃ = 110 mm. Hierbei resultiert bei offenem Schalter eine relative -10dB Bandbreite von über 20% und bei geschlossenem Schalter von über 12%.

[0051] Der Abstand zwischen der Speisung und dem Kurzschlusselement 4 kann zur Anpassung der Antenne an die geforderte Eingangsimpedanz variiert werden. Bei der oben beispielhaft erwähnten Dimensionierung betrug er 0.037λ.

[0052] Dadurch, dass das Resonatorelement 5 in der in Fig. 1 gezeigten Weise abgewinkelt bzw. rund abgebogen ist, gelingt es, die Bauhöhe in der kritischen Umgebung der Speisung und des Kurzschlusselements 4 in die Längsachse des Gehäuses zu verlegen, wo mehr Platz vorhanden ist. Die grössere Seite 5.2 des im wesentlichen rechteckigen Resonatorelements kann mit geringer Höhe über der abstrahlseitigen Metallfläche (d.h. der Hauptfläche 1.2) geführt werden. Die boxförmige Metallfläche 1 trägt als Gegengewicht zur Abstrahlung bei und gewährleistet auch dann eine gute Abstrahlung, wenn das Antennenelement durch die Hand des Mobilfunktelefonbenutzers abgedeckt ist.

[0053] Die Eingangsimpedanz der erfindungsgemässen Antenne liegt bei ca. 50Ω reell. Bezüglich der Bedingung, dass der Reflexionsverlust kleiner als 10dB sein soll, wurde je nach Schaltzustand des verwendeten Schaltelements eine Bandbreite zwischen 10% und 20% erzielt. Dieser Wert liegt - bei guter Effizienz und kompakter Abmessung - über den entsprechenden Anforderungen der verschiedenen Standards. Hervorragend ist die geringe Verstimmbarkeit der Antenne durch die Hand oder den Kopf des Telefonbenutzers. Als Antenne im Medium Luft hat sie eine aussergewöhnliche Effizienz von über 90% und zwar weitgehend unabhängig von der abgestrahlten Leistung (beispielsweise bis zu 2 Watt bei GSM). Trotzdem sind die geometrischen Abmessungen klein und optimal für die Integration in einem Handgerät angepasst. Das Abstrahldiagramm weist eine überwiegend omnidirektionale Charakteristik auf. Im folgenden sollen einige einfache und kostengünstige Antennenkonstruktionen beschrieben werden.

[0054] Fig. 5 zeigt einen dielektrischen Körper 6 mit zwei rechtwinklig zueinander stehenden Teilen 6.1, 6.2. An der Aussenseite dieses L-förmigen Körpers 6 ist eine ganzflächige Metallbeschichtung 7.1, 7.2 angebracht, welche dem Resonatorelement 5 in Fig. 1 entspricht. Auf einer der Metallbeschichtung 7.1 gegenüberliegenden Seite des Teils 6.2 ist eine schmale streifenförmige Metallbeschichtung 7.3 angebracht, welche der Speisung (Mikrostreifenleiter 3.1/ Lasche 3.2) in Fig. 1 bzw. 3 entspricht. An der L-förmigen Seitenfläche ist im Bereich des Teils 6.2 eine Metallbeschichtung 7.4 als Kurzschlusselement angebracht (vgl. Kurzschlusselement 4 in Fig. 1). Auf einer der Metallbeschichtung 7.2 gegenüberliegenden Seite des Teils 6.1 ist eine schmale streifenförmige Metallbeschichtung 7.5 angebracht, welche zur Herstellung des Kontaktes zum Schaltelement dient. Das Schaltelement kann auch direkt auf dem Teil 6.1 des dielektrischen Körpers 6 (beispielsweise als geeignet ausgeführte Metallbeschichtung 7.5) realisiert werden.

[0055] Die in Fig. 5 gezeigte Resonatorkonstruktion kann an die Aussenseite eines geeignet dimensionierten Abschirmgehäuses aufgesetzt werden. Die Abmessungen sind dabei so, dass im Endeffekt ein zu Fig. 1 vergleichbarer Aufbau entsteht (Metallbeschichtung 7.3 fluchtend mit einer Hauptfläche des Abschirmgehäuses und Metallbeschichtung 7.4 fluchtend mit einer Seitenfläche desselben). Der Körper 6 bildet dabei ein dielektrisches Medium (ε_r>1) und kann zu einer Reduktion der Antennenabmessungen führen. Die in Fig. 5 gezeigte Resonatorkonstruktion ist mechanisch stabil und kann auch ohne besonderen Montageaufwand die Abstände zwischen Resonatorelement und Abschirmgehäuse definiert festlegen.

[0056] Bei gleicher Resonanzfrequenz kann die Antenne kleiner gebaut werden. Allerdings nimmt mit zunehmender Dielektrizitätskonstante ε_r die Bandbreite ab. Umgekehrt gesehen, kann die Bandbreite und die Grösse der Antenne durch die geeignete Wahl der Materialeigenschaften des Substrats angepasst werden.

[0057] Fig. 6 zeigt, wie das Resonatorelement aus einem Stück Blech 8, welches drei Laschen 12, 13.1 und 13.2 für die Speisung, den Kurzschluss bzw. den Schaltelement-Kontakt hat, hergestellt werden kann. Das im wesentlichen rechteckige Blech 8 hat an geeigneter Stelle eine Biegelinie 9, so dass das Blech 8 L-förmig abgebogen werden kann. Auch die Laschen 12, 13.1, 13.2 verfügen über Biegelinien 10, 11.1, 11.2 zum rechtwinkligen Abbiegen. Das derart zurechtgeformte Blech wird über die Laschen 12, 13.1, 13.2 mit den entsprechenden Kontakten am Abschirmgehäuse verlötet. Auf das Löten kann z.B. verzichtet werden, wenn das gebogene Blech beim Zusammensetzen des Mobilfunkgerätes zwischen dem Kunststoffgehäuse und dem darin angeordneten Abschirmgehäuse eingeklemmt wird. Kurzschlusselement und Speisung werden dann an die entsprechenden Kontakte am Abschirmgehäuse gepresst.

[0058] Die in Fig. 7a gezeigte Ausführungsform stellt eine konstruktiv einfache Variante ohne Abschirmgehäuse dar. Ausgangspunkt ist eine Leiterplatte 14 mit einer Metallisierung 15 auf der Rückseite und einer Bestückung mit diversen elektronischen Bauteilen 16 auf der Vorderseite. (Im vorliegenden Beispiel wird der Einfachheit halber nicht auf die meist üblichen doppelseitigen und mehrschichtigen Leiterplattenaufbauten eingegangen. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung ohne weiteres auf derart verdichtete elektronische Schaltungen angewendet werden kann.) An einer stirnseitigen Kante 19 (welche in der gewählten Darstellung senkrecht zur Zeichenebene verläuft) ist über eine Kurzschlusslasche 18 eine erfindungsgemässe Resonatorplatte 17 angeschlossen. Die Speisung verläuft in der gleichen Ebene wie die Kurzschlusslasche 18 (und ist deshalb in der Darstellung gemäss Fig. 4 nicht sichtbar). Der kurze Schenkel 17.1 endet also in einem bestimmten Abstand "jenseits" der Kante 19. Der lange zweite Schenkel 17.2 verläuft in einem möglichst geringen Abstand über der (dielektrischen) Leiterplatte 14. Das untere Ende des langen Schenkels 17.2 ist über das Schaltelement 34 mit der Leiterplatte, insbesondere der Masse bzw. der Metallisierung 15 der Leiterplatte verbunden. Die Ansteuerung der Antenne erfolgt durch die auf der Leiterplatte 14 implementierte Schaltung. Das Schaltelement 34 kann selbstverstänlich auch direkt auf der Leiterplatte 14 realisiert sein. In diesem Fall ist das untere Ende des langen Schenkels 17.2 beispielsweise direkt mit einer entsprechenden Lötstelle auf der Leiterplatte 14 verbunden, wobei die Verbindung zur Masse bzw. Metallisierung 15 über ein auf der Leiterplatte befindliches Schaltelement 34 hergestellt wird.

[0059] Die in Fig. 7a dargestellte Ausführungsform kann zusätzlich durch ein Abschirmgehäuse der elektronischen Schaltung erweitert werden. Vorzugsweise werden dann Resonatorelement und Abschirmgehäuse aus einem metallisierten Stück Kunststoff hergestellt, wobei die elektrisch leitenden Teile durch die partielle Metallisierung gebildet werden. Durch Zusammenlegen dieses Kunststoffteils mit der Leiterplatte wird in einem Vorgang die Antenne montiert, ein Kontakt erstellt und die elektronische Schaltung abgeschirmt.

[0060] Fig. 7b zeigt die Ausführungsform aus Fig. 7a mit einem Abschirmgehäuse 20. Falls die Leiterplatte auf beiden Seiten mit Bauelementen bestückt ist, ist natürlich auch die "Rückseite" mit einem Deckel abzuschirmen. Die für die Antenne wirksame Metallfläche ist dann dieser zweite Deckel (und nicht die Masse der Leiterplatte). Der genannte zweite Deckel ist in Fig. 7b durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Auch hier gilt, dass das Schaltelement 34 auch direkt auf der Leiterplatte 14 realisiert sein kann. Das untere Ende des langen Schenkels 17.2 wird beispielsweise durch ein (gegebenenfalls isoliertes) Loch im Abschirmgehäuse 20 direkt mit einem als Schaltelement 34 ausgebildeten Bauteil auf der Leiterplatte 14 verbunden, wobei das Schaltelement 34 seinerseits mit der Masse, der Metallisierung 15 oder dem Abschirmgehäuse 20 verbunden ist.

[0061] Die oben beschriebenen Antennenkonstruktionen können in verschiedener Hinsicht variiert werden. So kann z.B. die Form des Resonatorelements abgerundet statt rechteckig sein oder verschiedene kleine Einbuchtungen und Laschen haben, um überstehende Bauteile zu umfassen bzw. einzuhüllen. Es können auch Löcher im Resonatorelement vorgesehen sein, um beispielsweise grösseren Schaltungselementen Platz zu machen. Es ist im übrigen ohne weiteres denkbar, dass eine grössere Anzahl von Löchern vorhanden ist. Der Durchmesser eines Loches ist in der Regel nicht grösser als der weiter oben erwähnte Abstand A1 bzw. A2. Dadurch kann eine Art Gitterstruktur entstehen. Weiter können Einschnitte an Stellen, die keine hohen Stromflüsse zeigen, vorgesehen sein. Der Winkel zwischen dem kleineren und dem grösseren Teil des L-förmigen Resonatorelements kann von 90° abweichen und mit Vorteil gerundet ausgeführt werden. Zur Feinabstimmung können am Resonatorelement Fortsätze angeformt sein, deren Länge die Resonanzfrequenz beeinflussen.

[0062] Auch in der Positionierung des Kurzschlusselementes gibt es gewisse Freiheiten. Es kann gleich breit, breiter oder schmaler als die Seitenfläche sein. Es braucht nicht einmal unbedingt in der Ebene der Seitenfläche zu liegen. Es kann z.B. an den Rand einer der beiden Hauptflächen verlegt werden.

[0063] Wird z.B. das Resonatorelement durch eine Kupferschicht auf einer flexiblen Folie gebildet (flexible Leiterplatte), dann entsteht eine abgerundete Abwinklung. Die Folie wird dabei ins Kunststoffgehäuse eingelegt und von diesem in der richtigen Form gehalten. Die Kontakte können wiederum durch Löten oder Pressen gewährleistet werden. (Die Kupferschicht kann in an sich bekannter Weise mit einem fotochemischen Verfahren auf die Folie aufgedruckt werden.)

[0064] Zusammenfassend ist festzustellen, dass die erfindungsgemässe Antenne für den Betrieb in Funknetzen unterschiedlicher Netzfrequenzen verwendet werden kann, wobei die erforderliche Resonanzfrequenz durch die Positionierung und die Wahl des Schaltelements einstellbar ist. Weiter weist die Antenne eine verhältnismässig hohe Bandbreite bei vergleichsweise geringer Bauhöhe von wenigen Millimetern auf. Die Antenne ist wenig empfindlich auf in der Nähe befindliche Körperteile (wie z.B. Hand oder Kopf des Telefonbenutzers). Sie erfüllt die Anforderungen verschiedenster Mobilfunk-Standards und erlaubt eine vollständige Integration in ein Kunststoffgehäuse.

Ansprüche

1. Antennenkonstruktion, insbesondere für Handfunkgeräte, mit einer Metallfläche (1) und einem als im wesentlichen L-förmig abgewinkelte Platte ausgebildeten Resonatorelement (5), welches derart in einem Abstand zu einer Kante (2) der Metallfläche gehalten ist, dass ein kurzes Ende (5.1) einen vorgegebenen mittleren ersten Abstand in Richtung einer Verlängerung der Metallfläche und ein langes Ende (5.2) einen vorgegebenen mittleren zweiten Abstand senkrecht zur Metallfläche hat, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metallfläche und dem langen Ende des Resonatorelementes eine Schaltvorrichtung (34) vorgesehen ist.

2. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung in verschiedene Schaltzustände, insbesondere als Unterbruch, als Kurzschluss, als Kapazität oder als Induktivität schaltbar ist.

3. Antennenkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung an einem dem kurzen Ende gegenüberliegenden Rand des langen Endes des Resonatorelements angeordnet ist.

4. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfläche über ein vorzugsweise asymmetrisch angeordnetes Kurzschlusselement (4) mit dem Resonatorelement verbunden und das Kurzschlusselement im wesentlichen in einer Verlängerung einer durch die Metallfläche definierten geometrischen Ebene angeordnet ist und dass eine Speisung (3.1) im wesentlichen parallel dazu von der Metallfläche zum Resonatorelement geführt ist, wobei ein gegenseitiger Abstand zwischen Speisung und Kurzschlusselement sowie ein Ort der Speisung entsprechend vorgegebenen Anpassungswerten gewählt sind.

5. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfläche eine Oberfläche eines boxförmigen Volumens bildet, zur Speisung eine Leitung aus dem boxförmigen Volumen durch die Metallfläche geführt ist und das Kurzschlusselement ein in einer Verlängerung einer Schmalseite oder einer Breitseite des boxförmigen Volumens liegender Streifen ist.

6. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Metallfläche und Resonatorelement ein dielektrischer Körper (6) angeordnet ist.

7. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Schaltzustand der Schaltvorrichtung als Unterbruch (40) eine Grundresonanzfrequenz f₀ in einer Grössenordnung von

aufweist, wobei I₁ dem ersten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, I₂ einer Länge des langen Endes des Resonatorelements, h₁ einer Länge des kurzen Endes des Resonatorelements, w₁ einer Breite des Resonatorelements, c einer Lichtgeschwindigkeit und ε_r bzw. µ_r einer Dielektrizitätskonstante resp. einer Permeabilität eines zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche vorhandenen dielektrischen Körpers entsprechen.

8. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Schaltzustand der Schaltvorrichtung als Kurzschluss (41) eine Resonanzfrequenz f, in einer Grössenordnung von

aufweist, wobei I₁ dem ersten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, 12 einer Länge des langen Endes des Resonatorelements, h₁ einer Länge des kurzen Endes des Resonatorelements, w₁ einer Breite des Resonatorelements, w₂ einem Abstand des Schaltelements zu einem in Richtung des Kurzschlusselements liegenden Seitenrand des Resonatorelements, c einer Lichtgeschwindigkeit und ε_r bzw. µ_r einer Dielektrizitätskonstante resp, einer Permeabilität eines zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche vorhandenen dielektrischen Körpers entsprechen.

9. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Schaltzustand der Schaltvorrichtung als Kapazität C eine Resonanzfrequenz f_0C in einer Grössenordnung von

aufweist, wobei I₁ dem ersten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, I₂ einer Länge des langen Endes des Resonatorelements, h₁ einer Länge des kurzen Endes des Resonatorelements, h₂ dem zweiten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, w₁ einer Breite des Resonatorelements, c einer Lichtgeschwindigkeit, ε₀ einer Dielektrizitätskonstante eines Vakuums und ε_r bzw. µ_r einer Dielektrizitätskonstante resp. einer Permeabilität eines zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche vorhandenen Dielektrikums entsprechen.

10. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Schaltzustand der Schaltvorrichtung als Induktivität L eine Resonanzfrequenz f_1L in einer Grössenordnung von

aufweist, wobei I₁ dem ersten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, I₂ einer Länge des langen Endes des Resonatorelements, h₁ einer Länge des kurzen Endes des Resonatorelements, h₂ dem zweiten Abstand des Resonatorelements zur Metallfläche, w₁ einer Breite des Resonatorelements, w₂ einem Abstand des Schaltelements zu einem in Richtung des Kurzschlusselements liegenden Seitenrand des Resonatorelements, c einer Lichtgeschwindigkeit, µ₀ einer Permeabilität eines Vakuums und ε_r bzw. µ_r einer Dielektrizitätskonstante resp. einer Permeabilität eines zwischen dem Resonatorelement und der Metallfläche vorhandenen Dielektrikums entsprechen.

11. Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung als Unterbruch oder als Kurzschluss schaltbar ist und aufgebaut ist aus dem gewünschtem Schaltzustand entsprechend vorspannbaren Dioden (36), insbesondere PIN-Dioden oder entsprechend schaltbaren Transistoren (38), insbesondere Feldeffekt-Transistoren.

12. Handfunkgerät mit einer Antennenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einer im boxförmigen Volumen untergebrachten elektrischen Schaltung (16) zur Ansteuerung der Antennenkonstruktion.

13. Handfunkgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es über ein nichtleitendes Gehäuse verfügt, an dessen Innenseite das Resonatorelement in Form einer Metallbeschichtung, eines vorgeformten Blechs oder einer leitend beschichteten Folie angebracht ist.

14. Handfunkgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Resonatorelement, ein Kurzschlusselement und die Metallfläche aus einem Stück, insbesondere aus einem teilweise metallisierten Kunststoff gefertigt sind.

Zeichnung