Fleckenmusterantenne für den Mikrowellenbereich

Abstract

 Es wird eine Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator (10, 20) für den Mikrowellenbereich beschrieben, die insbesondere zur Ausführung als Vielschicht-Antenne mit Kurzschlussleiter (14, 24) sowie zur SMD-Montage auf einer Schaltungsplatine geeignet ist. Die Antenne hat weiterhin auch bei Verwendung von Substraten (11, 21) mit gleicher Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätszahl eine zur Anwendung in der mobilen Telekommunikation ausreichende Bandbreite. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Zuführung mindestens ein erstes Metallisierungsstück (17) umfasst, das sich an einer ersten Seitenfläche (112) des Resonators zwischen der Masse-Metallisierung (12) und dem metallischen Fleckenmuster (13) erstreckt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne durch Veränderung der Abmessungen dieses Metallisierungsstücks einstellbar ist. Eine besondere Ausführung der Antenne weist eine resonante Einkopplung mittels eines Leitungsresonators in Form eines Mikrostreifenleitungs-Resonators (10') oder eines Printed Wire Resonators (19, 29) auf, wodurch u.a. die Bandbreite der Antenne weiter erhöht werden kann und die auch zur Ausstattung mit einem Kurzschlussleiter sowie zur SMD-Montage geeignet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Fleckenmusterantenne (Patchantenne), insbesondere für den Mikrowellenbereich, mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator mit einem metallischen Fleckenmuster und einer Masee-Metallisierung sowie einer Zuführung zur Einspeisung elektromagnetischer Energie.

[0002] In der mobilen Telekommunikation werden elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich zur Übertragung von Informationen verwendet. Beispiele hierfür sind der GSM-Mobiltelefonstandard im Frequenzbereich von 890 bis 960 MHz (GSM900) sowie von 1710 bis 1880 MHz (GSM1800 oder DCS), weiterhin das UMTS-Band (1970 bis 2170 MHz), der DECT-Standard für Schnurlostelefone im Frequenzbereich von 1880 bis 1900 MHz, sowie der neue Bluetooth-Standard im Frequenzbereich von 2400 bis 2480 MHz, der dazu dient, Daten zwischen zum Beispiel Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten wie zum Beispiel Computern, anderen Mobiltelefonen, usw. auszutauschen.

[0003] Auf dem Markt ist ein starker Trend zur Miniaturisierung dieser Geräte zu erkennen. Daraus resultiert der Wunsch, die Komponenten für die mobile Kommunikation ebenfalls zu verkleinern. Die bei Mobiltelefonen zur Zeit verwendeten Antennentypen, bei denen es sich meistens um Drahtantennen handelt, haben diesbezüglich jedoch wesentliche Nachteile, da sie relativ groß sind. Sie ragen aus den Mobiltelefonen heraus, können leicht abbrechen, können in unerwünschten Augenkontakt mit dem Benutzer geraten und stehen auch einem ästhetischen Design im Wege. Zunehmend wird in der Öffentlichkeit auch eine unerwünschte Mikrowellenbestrahlung des Benutzers von Mobiltelefonen diskutiert. Bei Drahtantennen, die aus dem Mobiltelefon herausragen, kann ein Großteil der ausgesendeten Strahlungsleistung im Kopf des Benutzers absorbiert werden.

[0004] Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass sich bei der technischen Realisierung moderner digitalelektronischer Geräte die Oberflächenmontage (SMD - surface mounted device), das heißt das flache Auflöten elektronischer Bauelemente auf eine Platine (PCB-printed circuit board) mittels eines Wellenlötbades oder eines Reflowprozesses weitgehend durchgesetzt hat. Die bislang verwendeten Antennen entziehen sich jedoch dieser Montagetechnik, da sie häufig nur mittels spezieller Halterungen auf der Platine des Mobiltelefons angebracht werden können und auch die Zufuhr elektromagnetischer Leistung nur über spezielle Zuführungshalterungen wie Stifte oder ähnliches möglich ist. Dies verursacht in der Produktion unerwünschte Montageschritte, Qualitätsprobleme und Mehrkosten.

[0005] Die heute in Mobiltelefonen verwendeten Antennen strahlen elektromagnetische Energie bei der Ausbildung einer elektromagnetischen Resonanz ab. Dies erfordert, dass die Länge der Antenne mindestens gleich einem Viertel der Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung ist. Mit Luft als Dielektrikum (ε_r = 1) ergibt sich für eine Frequenz von 1 GHz demnach eine notwendige Antennenlänge von 75 mm.

[0006] Um die Größe der Antenne bei gegebener Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung zu minimieren, kann man als Grundbaustein der Antenne ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r > 1 verwenden. Dies führt zu einer Verkleinerung der Wellenlänge der Strahlung im Dielektrikum um einen Faktor 1 / ⊆ε_r,. Eine auf der Grundlage eines solchen Dielektrikums konzipierte Antenne wird daher in ihrer Größe ebenfalls um diesen Faktor kleiner werden.

[0007] Die sogenannte Fleckenmuster- oder Patchantenne, wie sie zum Beispiel in der WO 98/18177 beschrieben ist, ist ein Antennentyp, bei dem sich die Miniaturisierung mittels der Dielektrizitätskonstanten ε_r nutzen lässt. Sie besteht aus einem massiven Block dielektrischen Materials mit ε_r > 1. Die Höhe des Blocks ist dabei typischerweise um einen Faktor 3-10 kleiner als dessen Länge und Breite. Der Block ist auf einer Oberfläche ganz oder teilweise mit einem metallischen Fleckenmuster, auf der anderen Oberfläche mit einer Masse-Metallisierung versehen. Zwischen diesen Elektroden bilden sich elektromagnetische Resonanzen aus, deren Frequenzen von den Dimensionen der Elektroden und dem Wert der Dielektrizitätskonstanten ε_r des Blocks abhängen. Dabei sinken die Werte der einzelnen Resonanzfrequenzen mit zunehmenden lateralen Dimensionen der Antenne und - wie oben beschrieben - mit zunehmenden Werten der Dielektrizitätskonstanten ε_r. Um einen hohen Miniaturisierungsgrad der Antenne zu erreichen, wird man daher ε_r groß auslegen und aus dem Resonanzspektrum die Mode mit der niedrigsten Frequenz auswählen. Diese Mode wird als Grundmode bezeichnet.

[0008] Ein weitergehender Miniaturisierungsschritt besteht im zusätzlichen Einfügen einer leitenden Verbindung (Kurzschlussleiter) in das Dielektrikum zwischen den beiden Elektroden. Bei gleicher Resonanzfrequenz kann die Größe der Antenne dadurch üblicherweise um einen Faktor 4 verkleinert werden.

[0009] Ein Problem bei diesen Fleckenmusterantennen (mit oder ohne Kurzschlussleiter) besteht jedoch darin, dass die Bandbreiten bei im Frequenzbereich des GSM-Standards liegenden Resonanzfrequenzen nur wenige MHz betragen. Außerdem sinkt die Bandbreite mit wachsender Dielektrizitätskonstante ε_r des dielektrischen Materials. Die für die GSM-Standands benötigte Bandbreite beträgt demgegenüber jedoch etwa 70 MHz Herkömmliche Fleckenmusterantennen eignen sich daher nicht für solche breitbandigen Anwendungen.

[0010] Um auch mit Fleckenmusterantennen höhere Bandbreiten zu realisieren, können mehrere Fleckenmuster-Resonatoren mit oder ohne Kurzschlussleiter vertikal gestapelt werden. Diese Konfiguration wird als Vielschicht-Fleckenmusterantenne bezeichnet. Die Anzahl der Grundmoden der Vielschicht-Fleckenmusterantenne ist dabei gleich der Anzahl der konstituierenden Fleckenmuster-Resonatoren. Ist der Frequenzabstand zwischen den Grundmoden kleiner als deren Bandbreite, so kann dadurch die Gesamtbandbreite der Antenne erhöht werden.

[0011] Allerdings hat auch dieser Antennentyp zwei wesentliche Nachteile. Einerseits müssen Substratmaterialien mit leicht unterschiedlichen Werten der Dielektrizitätskonstanten (zum Beispiel ε_r1 = 2,2 und ε_r2 = 1,07) für die einzelnen Fleckenmuster-Resonatoren verwendet werden, um einen geeigneten Frequenzabstand der Resonanzen zu erreichen. Dies erhöht den Fertigungsaufwand.

[0012] Andererseits gelang es bei Vielschicht-Fleckenmusterantennen mit Kurzschlussleiter bisher nur über eine Koaxialleitung, die Antenne mit elektromagnetischer Leistung zu speisen und die Eingangsimpedanz der Antenne in begrenztem Maße so einzustellen, dass nur geringe Reflexionen an der Zuführungsstruktur auftreten. Diese Art der Zuführung steht jedoch einer SMD-Integration auf einer Schaltungsplatine (PCB) eines Mobiltelefons im Wege, da zur Zuführung der elektromagnetischen Leistung auf die Schaltungsplatine geeignete Stifte aufgebracht werden müssen, die von unten durch die Metallisierung zu führen sind, so dass die Antenne nicht zusammen mit den anderen Bauteilen durch Oberflächenmontage (SMD-Technik) auf die Platine gelötet werden kann.

[0013] Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Fleckenmusterantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch mit Kurzschlussleiter zur Oberflächenmontage (SMD) auf einer Schaltungsplatine geeignet ist.

[0014] Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Fleckenmusterantenne zu schaffen, die bei geringen Abmessungen eine für die genannten Anwendungen ausreichende Bandbreite auch ohne den Einsatz von Dielektrika mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten aufweist.

[0015] Weiterhin soll mit der Erfindung eine Fleckenmusterantenne geschaffen werden, bei der die Eingangsimpedanz so eingestellt werden kann, dass die der Antenne zugeführte Leistung nicht an der Antenne reflektiert, sondern im wesentlichen vollständig abgestrahlt wird, ohne dass die Antenne eine koaxiale Zuführung aufweisen muss.

[0016] Schließlich soll auch eine Fleckenmusterantenne geschaffen werden, die sich durch eine besonders große Bandbreite auszeichnet.

[0017] Zur Lösung dieser Aufgaben wird gemäß Anspruch 1 eine Fleckenmusterantenne der eingangs genannten Art geschaffen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zuführung mindestens ein erstes Metallisierungsstück umfasst, das sich an einer ersten Seitenfläche des Resonators zwischen der Masse-Metallisierung und dem metallischen Fleckenmuster erstreckt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne durch die Abmessungen dieses Metallisierungsstücks bestimmt ist.
Ein besonderer Vorteil dieser Lösung bestehen darin, dass in einfacher Weise (zum Beispiel durch Lasertrimmung) eine optimale Abstimmung der Eingangsimpedanz an eine konkrete Einbausituation möglich, so dass keine Reflektionen an der Antenne auftreten und die zugeführte elektromagnetische Leistung im wesentlichen vollständig abgestrahlt wird. Zur Verkleinerung ihrer Abmessungen kann diese Antenne auch mit einem Kurzschlussleiter ausgestattet werden.

[0018] Eine weitere Lösung der genannten Aufgaben wird gemäß Anspruch 4 mit einer Fleckenmusterantenne der eingangs genannten Art erzielt, die sich durch einen Leitungsresonator auszeichnet, der durch eine auf mindestens ein Substrat aufgebrachte Leitung gebildet ist, und der zur resonanten Einkopplung der der Zuführung zugeführten elektromagnetischen Energie in den mindestens einen Fleckenmuster-Resonator dient.

[0019] Besondere Vorteil dieser Lösungbestehen darin, dass durch diesen resonanten Einkopplungsmechanismus das Ausbilden der Fleckenmusterresonanzen nicht beeinträchtigt wird und die Bandbreite der Antenne durch Hinzufügen einer weiteren Resonanz in wesentlichem Maße weiter erhöht werden kann. Außerdem ist auch diese Antenne zur SMD-Montage und zur Ausstattung mit einem Kurzschlussleiter geeignet.

[0020] Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

[0021] Mit der Ausführung gemäß Anspruch 2 ist eine besonders einfache Oberflächenmontage der Antenne in SMD-Technik möglich, da das zweite Metallisierungsstück zusammen mit der Masse-Metallisierung direkt auf eine Schaltungsplatine aufgelötet werden kann.

[0022] Die Ausrührung gemäß Anspruch 3 hat insbesondere den Vorteil, dass durch die zwei Resonatoren die Bandbreite weiter erhöht wird, auch wenn Substrate mit gleicher Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätszahl verwendet werden, und dass sie auch zur Ausstattung mit einem Kurzschlussleiter geeignet ist.

[0023] Die Ausführung gemäß Anspruch 5 hat insbesondere den Vorteil, dass die Kopplungsstärke zwischen dem Leitungsresonator und dem Fleckenmuster-Resonator über eine Bemessung des Endabschnitts eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung, ebenso wie derjenigen gemäß Anspruch 7, besteht darin, dass die Frequenz der resonanten Einkopplung durch entsprechende Bemessung der Länge der genannten Leitungen eingestellt werden kann.

[0024] Die Ausführung gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine Anpassung der Kopplungsstärke zwischen der Zuführung und dem Leitungsresonator.

[0025] Mit der Ausführung gemäß Anspruch 8 kann die Bandbreite der Antenne weiter erhöht werden, während sich mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 im wesentlichen der Miniaturisierungsgrad der Antenne weiter gesteigert werden kann.

[0026] Die erfindungsgemäße Antenne ist schließlich besonders vorteilhaft auf einer gedruckten Schaltungsplatine gemäß Anspruch 11 bzw. in einem mobilen Telekommunikationsgerät gemäß Anspruch 12 einsetzbar.

[0027] Weiteren Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform. der Antenne;

Fig. 2

ein Reflektionsdiagramm für diese Antenne;

Fig. 3

eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Antenne;

Fig. 4

ein Reflektionsdiagramm für diese Antenne; und

Fig. 5

eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Antenne.

[0028] Die in den Figuren 1, 3 und 5 gezeigten Fleckenmusterantennen setzen sich aus mehreren Schichten zusammen, die jeweils in senkrechter Richtung auseinandergezogen dargestellt sind und in zusammengefügtem Zustand eine Fleckenmusterantenne mit zwei einzelnen Fleckenmuster-Resonatoren bilden. Jede Schicht ist dabei jeweils durch ein keramisches Substrat in Form eines im wesentlichen quaderförmigen Blocks gebildet, dessen Höhe im allgemeinen um einen Faktor 3 bis 10 kleiner ist, als dessen Länge oder Breite. Davon ausgehend sollen in der folgenden Beschreibung die in den Darstellungen der Figuren oberen und unteren Flächen der Substrate als obere bzw. untere Stirnfläche und die demgegenüber kleineren vertikalen Flächen als Seitenflächen bezeichnet werden.

[0029] Alternativ dazu ist es allerdings auch möglich, anstelle eines quaderförmigen Substrates andere geometrische Formen wie zum Beispiel eine Zylinderform zu wählen, auf die eine entsprechende resonanten Leiterbahnstruktur mit zum Beispiel spiralförmigem Verlauf aufgebracht ist.

[0030] Die Substrate können zum Beispiel durch Einbetten eines keramischen Pulvers in eine Polymermatrix hergestellt werden und haben eine Dielektrizitätszahl von ε_r > 1 und /oder eine Permeabilitätszahl von µ_r > 1.

[0031] Die in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsform der Antenne umfasst zwei Schichten, die in zusammengefügtem Zustand jeweils einen unteren ersten und einen oberen zweiten Fleckenmuster-Resonator 10 bzw. 20 bilden. Der erste Resonator 10 umfasst ein erstes Substrat 11, auf dessen untere Stirnfläche eine Masse-Metallisierung 12 aufgebracht ist. Die obere Stirnfläche des ersten Substrates 11 trägt ein erstes metallisches Fleckenmuster 13, das sich über den größten Teil der obere Stirnfläche erstreckt, wobei nur Randbereiche 111 dieser obere Stirnfläche frei bleiben. Zwischen der Masse-Metallisierung 12 und dem ersten Fleckenmuster 13 erstreckt sich ein erster Abschnitt 14 eines Kurzschlussleiters.

[0032] Auf etwa halber Länge einer ersten Seitenfläche 112 des ersten Substrates 11 befindet sich eine Zuführung 15, 17, die durch ein erstes Metallisierungsstück an dieser Seitenfläche in Form eines sich in Richtung auf die obere Stirnfläche des Substrates erstreckenden Streifenleiter 17, sowie ein zweites Metallisierungsstück 15 gebildet ist, das an der unteren Stirnfläche in einem Bereich 16 liegt, in dem die Masse-Metallisierung 12 ausgespart ist. Die Zuführung ist dadurch gegenüber der Masse-Metallisierung 12 isoliert.

[0033] Der zweite Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, auf dessen obere Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 23 aufgebracht ist, das sich über die gssamte obere Stirnfläche erstreckt. Weiterhin befindet sich in dem zweiten Substrat 21 ein zweiter Abschnitt 24 des Kurzschlussleiters. Wenn die Antenne durch Zusammenfügen der beiden Resonatoren in Richtung des Pfeils A zusammengebaut ist, setzt der zweite Abschnitt 24 den ersten Abschnitt 14 fort, so dass der Kurzschlussleiter entsteht.

[0034] Ein wesentlicher Kern dieser ersten Ausführungsform der Antenne beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass entgegen der bisher vorherrschenden Ansicht auch mit einer nicht-koaxialen Zuführung 15, 17 der beschriebenen Art eine Einkopplung elektromagnetischer Energie in eine Fleckenmusterantenne möglich ist, und zwar auch dann, wenn diese mit einem Kurzschlussleiter versehen ist, mit dem die Abmessungen der Antenne weiter verkleinert werden können.

[0035] Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich die Eingangsimpedanz der Antenne durch geeignete Wahl der Höhe und Breite des Streifenleiters 17 einstellen lässt, so dass eine Optimierung im Hinblick auf geringe Reflektionen an der Antenne vorgenommen werden kann und dadurch der weitaus überwiegende Anteil der der Antenne zugeführten elektromagnetischen Leistung abgestrahlt wird.

[0036] Die Zuführung bzw. der Streifenleiter 17 können jeweils auch aus mehreren metallischen Stücken mit variabler Breite bestehen.

[0037] Da sich das zweite Metallisierungsstück 15 der Zuführung an der unteren Stirnfläche des ersten Substrates 11 befindet, und keine Stifte oder ähnliches wie bei einer durch einen Koaxialleiter gebildeten Zuführung erforderlich sind, kann die Antenne zusammen mit anderen Bauelementen in üblicher Weise durch Oberflächenmontage (SMD) auf einer Schaltungsplatine montiert werden. Weiterhin kann auf diese Weise auch die Masse-Metallisierung 12 mit einem entsprechenden Masseanschluss auf der Platine verlötet werden.

[0038] Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass für das erste und zweite Substrat 11, 21 das gleiche Material verwendet werden kann, das nicht, wie bei bisherigen Fleckenmusterantennen mit Kurzschlussleiter, unterschiedliche Dielektrizitätszahlen aufweisen muss, um eine ausreichende Bandbreite der Antenne zu erzielen.

[0039] Erfindungsgemäß wird die für die oben genannten Anwendungen erforderliche Frequenz-Bandbreite unter anderem dadurch erzielt, dass die Antenne aus (mindestens) zwei Schichten, d.h. zwei Fleckenmuster-Resonatoren 10, 20 zusammengssetzt wird, deren Einzelresonanzen in einer Betiebsmode sich durch die unterschiedliche Größe des ersten und zweiten Fleckenmusters 13, 23 etwas voneinander unterscheiden.

[0040] Alternativ dazu können die Fleckenmuster auch identisch sein. In diesem Fall wird durch die Kopplung der beiden Resonatoren eine Aufspaltung der nominell identischen Resonanzfrequenzen und damit eine Erhöhung der Frequenz-Bandbreite erzielt.

[0041] Bei einer bevorzugten Realisierung dieser Antenne betragen die Abmessungen der Substrate 11, 21 jeweils etwa 19,4 x 10,9 x 2,0 mm³. Die dielektrischen Eigenschaften des für die Substrate verwendeten Materials sind etwa wie folgt: ε_r = 18.55, tanδ = 1,17 x 10^-4. Dies entspricht den Hochfrequenzeigenschaften einer kommerziellen NP0-K17 Keramik (Ca_0,05Mg_0,95TiO₃-Keramik). Die Leitfähigkeit der Metallisierungen (Silberpaste) beträgt etwa σ = 3,0 x 10⁷ S/m. Das untere erste Fleckenmuster 13 hat Abmessungen von etwa 17,0 x 8.5 mm, während das obere zweite Fleckenmuster 23 die Oberfläche des zweiten Substrats 21 im wesentlichen vollständig abdeckt. Die Masse-Metallisierung 12 deckt abgesehen von der Aussparung 16 für das zweite Metallisierungsstück 15 die untere Stirnfläche des ersten Substrats 11 im wesentlichen vollständig ab. Der seitliche Streifenleiter 17 ist etwa 1.8 mm breit und etwa 2.0 mm hoch. Er setzt sich auf der unteren Stirnfläche des ersten Substrates 11 in Form des zweiten Metallisierungsstücks 15 mit einer Länge von etwa 0,5 mm fort. Der Kurzschlussleiter 14, 24 hat einen Durchmesser von etwa 0,5 mm, einen Abstand in beiden lateralen Richtungen von beiden Ecken der Substrate 11, 21 von jeweils etwa 3,5 mm und verläuft in den beiden Substraten zwischen den Metalliserungen.

[0042] Figur 2 zeigt für diese Antenne ein Reflektionsdiagramm, d.h. das Verhältnis R [dB] zwischen der an der Antenne reflektierten Leistung zu der der Antenne zugeführten Leistung über der Frequenz F [GHz]. Es sind deutlich die Einzelresonanzen der beiden Schichten (Fleckenmuster-Resonatoren) zu erkennen, die zu einer Verbreiterung der Gesamt-Bandbreite der Fleckenmusterantenne beitragen.

[0043] Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, die sich aus einem Mikrostreifenleitungs-Resonator 10', sowie darüber j evils einem ersten bzw. zweiten Fleckenmuster-Resonator 20 bzw. 30 zusammensetzt.

[0044] Der Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' umfasst ein erstes Substrat 11', das an seiner in der Darstellung oberen Stirnfläche mit einer Masse-Metallisierung 12' beschichtet ist. Auf die untere Stirnfläche dieser ersten Schicht ist eine mäanderförmig verlaufende Mikrostreifenleitung 18' aufgebracht, die an einer Zuführung 15' beginnt und an einer Seitenfläche des Substrates 11' nach oben geführt wird. Ein Kurzschluss zwischen der Masse-Metallisierung 12' und dem Mikrostreifenleiter 18' beim Hochführen muss dabei verhindert werden. Dies kann zum Beispiel durch entsprechendes Verkürzen der Masse-Metallisierung 12' an der betreffenden Seitenfläche des ersten Substrates 11' erreicht werden.

[0045] Die Zuführung 15' greift U-förmig um den Anfang der Mikrostreifenleitung 18', wobei sich zwischen beiden ein Spalt bzw. eine Lücke befindet, mit deren Größe die Kopplungsstärke zwischen beiden eingestellt wird. Die Resonanzfrequenz dieses Mikrostreifenleitungsresonators 10' wird wie üblich im wesentlichen durch die Länge der Mikrostreifenleitung 18' bestimmt. In der ersten Schicht kann sich auch ein erster Abschnitt 14' eines Kurzschlussleiters befinden.

[0046] Der erste Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, das an seiner obere Stirnfläche ein erstes metallisches Fleckenmuster 23 trägt, wobei ein umlaufender Randbereich 211 der oberen Stirnfläche frei bleibt. An einer Seitenfläche 213 des Substrates 21 befindet sich ein Endabschnitt 28, der in zusammengefügtem Zustand der Antenne die Mikrostreifenleitung 18' fortsetzt und abschließt. Über die Abmessungen dieses Endabschnitts kann die Stärke der Ankopplung an den ersten Fleckenmuster-Resonator 20 bestimmt werden. In dem ersten Fleckenmuster-Resonator 20 befindet sich weiterhin ein zweiter Abschnitt 24 des Kurzschlussleiters.

[0047] Der zweite Fleckenmuster-Resonator 30 ist durch ein drittes Substrat 31 gebildet, das an seiner oberen Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 33 trägt, wobei wiederum ein umlaufender Randbereich 311 der oberen Stirnfläche frei bleibt. Durch den zweiten Fleckenmuster-Resonator 20 verläuft schließlich ein dritter Abschnitt 34 des Kurzschlussleiters. Das erste und zweite metallische Fleckenmuster 23, 33 können ebenso wie bei der ersten Ausführungsform auch unterschiedliche Ausdehnungen auf den Substraten 21 bzw. 31 aufweisen.

[0048] Fügt man diese drei Schichten gemäß den Pfeilen A zusammen, so ergibt sich eine Mehrschicht-Fleckenmusterantenne mit resonanter Einkopplung der elektromagnetischen Energie, die im Vergleich zu einer Mehrschicht-Fleckenmusterantenne ohne resonante Einkopplung zu einer weitergehenden Vergrößerung der Bandbreite führt.

[0049] Dieser Konfiguration liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Resonanzfrequenzen der Grundmoden der einzalnen Fleckenmuster-Resonatoren durch eine resonante Einkopplung mit einem Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' der beschriebenen Art nur unwesentlich gestört werden. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn ein Kurzschlussleiter 14', 24, 34 eingesetzt wird. Die Masse-Metallisierung 12' stellt gleichzeitig die Masse des ersten Fleckenmuster-Resonators 20 und des Mikrostreifenleitungs-Resonators 10' dar. Durch die Erzeugung der einzelnen Fleckenmusterresonanzen erhöht sich außerdem die Bandbreite einer entsprechenden Vielschicht-Fleckenmusterantenne.

[0050] Die elektromagnetische Ankopplung der Fleckenmuster-Resonatoren 10,20 an den Mikrostreifenleitungs-Resonator 10' erfolgt über die an einer Seitenfläche 213 des zweiten Substrates 21 hochgeführte Mikrostreifenleitung 18', 28, wobei die Stärke der Ankopplung und die Bandbreite der Antenne über die Höhe und Breite insbesondere des Endabschnitts 28 an dem ersten Fleckenmuster-Resonator 20 bestimmt bzw. verändert werden kann.

[0051] Die Resonanzfrequenz des Mikrostreifenleitungs-Resonators 10' kann in bekannter Weise über die Länge der Mikrostreifenleitung 18', 28 eingestellt werden.

[0052] Schließlich kann auch die Kopplung zwischen der Zuführung 15' und der Mikrostreifenleitung 18', 28 durch entsprechende Wahl der Spaltbreite zwischen beiden eingestellt werden.

[0053] Auch diese zweite Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie zusammen mit anderen Bauelementen durch Oberflächenmontage (SMD-Technik) auf eine Schaltungsplatine (PCB) aufgebracht werden kann. Die Zuführung 15' wird dabei auf einen entsprechenden Streifenleiter der Platine gelötet, über den die abzustrahlende elektromagnetische Energie zugeführt wird. Die Masse-Metallisierung 12' kann über eine Metallisierungszuführung (nicht dargestellt) an dem ersten Substrat 11' mit einem Masseanschluss der Platine verlötet werden.

[0054] Ein veiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass im Gegensatz zu resonanten Einkopplungen mit bekannten Schlitzresonatoren die Geometrien der Masse-Metallisierungen 23, 33 der Fleckenmuster-Resonatoren 20, 30 im wesentlichen unverändert bleiben können. Dies bedeutet eine wesentliche Erleichterung beim Entwurf von Vielschicht-Fleckenmusterantennen und insbesondere solchen mit Kurzschlussleiter.

[0055] Bei einer Realisierung dieser Antenne wurden bevorzugt folgende Werte gewählt:

[0056] Die Abmessungen des zweiten und dritten Substrates 21, 31 betragen jeweils etwa 19,0 x 10,5 x 2,0 mm³. Die Abmessungen des ersten Substrates 11 betragen etwa 19,0 x 10,5 x 1,0 mm³. Die dielektrischen Eigenschaften sind etwa wie folgt gewählt: ε_r = 18.55, tanδ = 1,17 x 10^-4. Dies entspricht den Hochfrequenzeigenschaften einer kommerziellen NP0-K17 Keramik (Ca_0,05Mg_0,95TiO₃-Keramik). Die Leitfähigkeit der Metallisierungen wurde zu etwa s = 3,0 x 10⁷ S/m (Silberpaste) bestimmt. Die beiden Fleckenmuster 13, 23 haben Abmessungen von etwa 17,0 x 8,5 mm². Der Kurzschlussleiter hat einen Durchmesser von etwa 0,5 mm und einen Abstand von jeweils etwa 2,4 mm in beiden lateralen Richtungen von jeweils einer Ecke der Fleckenmuster und verläuft durch die drei Schichten 10, 20, 30. Die Masse-Metallisierung 12 hat eine Länge von etwa 18,5 mm und eine Breite von etwa 10,5 mm. Der Mikrostreifenleitungs-Resonator (Streifenleiterbreite etwa 0,36 mm) verläuft unter der Masse-Metallisierung 12' mäanderfömig auf einem NP0-K17 Substrat mit einer Höhe von etwa 1,0 mm. Das vertikale Ende dieses Resonators hat zunächst auf einer Länge von etwa 1,0 mm eine Breite von etwa 0,36 mm und dann auf einer Länge von etwa 1,8 mm eine Breite von etwa 1,4 mm. Die Gesamtlänge der Mikrostreifenleitung beträgt somit etwa 42,93 mm.

[0057] Der Abstand zwischen dem Anfang der Mikrostreifenleitung 18' und der Zuführung 15', die sich U-förmig um diesen legt, beträgt auf allen Seiten etwa 0,18 mm.

[0058] Figur 4 zeigt ein Diagramm des Verlaufes der Reflektionseigenschaften, das heißt des Verhältnisses R [dB] zwischen der an der Antennenstruktur reflektierten Leistung zu der der Antenne zugeführten Leistung, über der Frequenz F [GHz]. Es sind deutlich drei Resonanzen zu erkennen, die zur Verbreiterung der Gesamt-Bandbreite der Antenne beitragen. Die mittlere Resonanz wird dabei von dem Mikrostreifenleitungs-Resonator, die beiden anderen Resonanzen von den Fleckenmuster-Resonatoren verursacht.

[0059] Figur 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne, die sich von der zweiten Ausführungsform im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die resonante Einkopplung der elektromagnetischen Energie nicht durch einen Mikrostreifenleitungs-Resonator 10', sondern mit einem durch eine sogenannte Printed Wire Antenne gebildeten Leitungsresonator ("Printed Wire Resonator") 19, 29 vorgenommen wird, bei dem es sich vom Typ her um eine Drahtantennen-Resonator handelt, der durch ein Substrat der eingangs genannten Art mit einer aufgedruckten Leiterbahn 192, 292 gebildet ist.

[0060] Die Leiterbahn 192, 292 wird elektrisch mit dem Signalleiter einer Zuführung 15 verbunden und kann bei Erreichen einer elektromagnetischen Resonanz Energie in Form von Wellen abstrahlen. Die Werte der Resonanzfrequenzen sind in bekannter Weise von den Dimensionen der aufgedruckten Leiterbahn und der Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätszahl des Substrates abhängig.

[0061] Ein erster Fleckenmuster-Resonator 10 ist durch ein erstes Substrat 11 gebildet, auf dessen unterer Stirnfläche eine Masse-Metallisierung 12 aufgebracht ist. Auf einem Teil der oberer Stirnfläche des ersten Substrates 11 befindet sich ein in Längsrichtung des Substrates 11 erstreckendes erstes metallisches Fleckenmuster 13. Parallel dazu ist entlang einer Seitenfläche des ersten Substrates 11 ein erster Teil 19 des Resonators angeordnet, der durch einen ersten Randbereich 191 des ersten Substrates 11 mit einem darauf aufgedruckten ersten Leiterbahnabschnitt 192 gebildet ist. Der Leiterbahnabschnitt ist mit einer Zuführung 15 an der unteren Stirnfläche des Substrates 11 verbunden, die bei der Oberflächenmontage der Antenne mit einer entsprechenden Zuführungsleitung für elektromagnetische Energie verlötet wird. Darüber hinaus ist entlang einer anderen Seitenfläche des Substrates 11 ein erster Abschnitt 14 eines planaren Kurzschlussleiters angeordnet.

[0062] Ein zweiter Fleckenmuster-Resonator 20 ist durch ein zweites Substrat 21 gebildet, auf dessen oberer Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster 23 aufgebracht ist. Entlang einer Seitenfläche des zweiten Substrates 21 ist korrespondierend mit dem ersten Teil 19 des Resonators ein zweiter Resonatorteil 29 angeordnet, der durch einen zweiten Randbereich 291 des zweiten Substrates 21 mit einem darauf aufgedruckten zweiten Leiterbahnabschnitt 292 gebildet ist. Schließlich ist entlang einer anderen Seitenfläche des zweiten Substrates 21 ein zweiter Abschnitt 24 des planaren Kurzschlussleiters angeordnet, der den ersten Abschnitt 14 in zusammengebautem. Zustand der Antenne fortsetzt und damit den Kurzschlussleiter bildet.

[0063] Wenn die beiden Schichten gemäß Pfeil A zusammengesetzt werden, ergänzen sich weiterhin die beiden Leiterbahnabschnitte 192, 292 zu einer gemeinsamen Leiterbahn, die im wesentlichen mäanderförmig entlang der Seiten- und eines Teils der Stirnfläche der Substrate verläuft und bei Einspeisung elektromagnetische Energie zu einer Resonanz angeregt wird. Zusammen mit den dadurch angeregten Resonanzen der Fleckenmuster-Resonatoren 10, 20, die sich auch auf Grund der unterschiedlichen Flächen der metallischen Fleckenmuster 13, 23 etwas voneinander unterscheiden, wird eine relativ große Bandbreite der Fleckenmusterantenne ähnlich der Darstellung in Figur 4 erzielt. Die elektromagnetische Ankopplung an die Fleckenmuster-Resonatoren 20, 30 erfolgt wiederum, über die Streufelder des Printed Wire Resonators 19, 29.
Diese dritte Ausführungaform weist darüber hinaus im wesentlichen die gleichen Vorteile auf, wie sie im Zusammenhang mit der zweiten Ausrührungsform beschrieben wurden.

[0064] Die Anpassung der beschriebenen Fleckenmusterantennen an eine konkrete Einbausituation im Hinblick auf ihre Resonanzfrequenzen sowie ihre Eingangsimpedanz kann durch Veränderung der metallischen Fleckenmuster, der zur Einkopplung dienenden metallischen Strukturen bzw. des Spaltes zwischen der Zuführung und der Mikrostreifenleitung mit Hilfe eines Laserstrahls (Lasertrimmung) vorgenommen wenden,

[0065] Die erfindungsgemäßen Fleckenmusterantennen sind (neben dem DECT- und Bluetooth-Band) insbesondere zur Anwendung in Mobiltelefonen geeignet, da sie geringe Abmessungen mit einer für die GSM- und UMTS-Bänder ausreichenden Bandbreite verbinden und gleichzeitig mit den anderen elektronischen Bauelementen durch Oberflächenmontage (SMD-Technik) auf eine gedruckte Schaltungsplatine aufgebracht werden können.

Ansprüche

1. Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator mit einem metallischen Fleckenmuster und einer Masse-Metallisierung sowie einer Zuführung zur Einspeisung elektromagnetischer Energie,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuführung mindestens ein erstes Metallisierungsstück (17) umfasst, das sich an einer ersten Seitenfläche (112) des Resonators zwischen der Masse-Metallisierung (12) und dem metallischen Fleckenmuster (13) erstreckt, wobei die Eingangsimpedanz der Antenne durch die Abmessungen dieses Metallisierungsstücks bestimmt ist.

2. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuführung ein zweites Metallisierungsstück (15) aufweist, das isoliert in die Masse-Metallisierung (12) eingelassen ist und sich mit dem ersten Metallisierungsstück in Form eines Streifenleiters (17) fortsetzt.

3. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Fleckenmuster-Resonator (10) ein erstes Substrat (11) mit der Masse-Metallisierung (12) an einer ersten Stirnfläche und mit dem ersten metallischen Fleckenmuster (13) an einer gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche umfasst, wobei ein zweiter Fleckenmuster-Resonator (20) mit einem zweiten Substrat (21) vorgesehen ist, das an einer ersten Stirnfläche ein zweites metallisches Fleckenmuster (23) trägt und das mit seiner gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche an dem ersten metallischen Fleckenmuster (13) angeordnet ist.

4. Fleckenmusterantenne mit mindestens einem Fleckenmuster-Resonator sowie einer Zuführung zur Einspeisung elektromagnetischer Energie,
gekennzeichnet durch einen Leitungsresonator (10'; 19, 29), der durch eine auf mindestens ein Substrat (11'; 11, 21) aufgebrachte Leitung (18'; 192, 292) gebildet ist, zur resonanten Einkopplung der der Zuführung (15) zugeführten elektromagnetischen Energie in den mindestens einen Fleckenmuster-Resonator (10, 20).

5. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitungsresonator ein Mikrostreifenleitungs-Resonator (10') ist, der durch ein erstes Substrat (11') mit einer Mikrostreifenleitung (18') an einer Stirnfläche und einer Masse-Metallisierung (12') an einer gegenüberliegenden Stirnfläche gebildet ist, wobei an der Masse-Metallisierung (12') mindestens ein erster Fleckenmuster-Resonator (20) angeordnet ist und ein Endabschnitt (28) der Mikrostreifenleitung zur Einkopplung der elektromagnetischen Energie an einer Seitenfläche (213) des ersten Fleckenmuster-Resonators (20) liegt.

6. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich zwischen der Zuführung (15') und dem Anfang der Mikrostreifenidtung (18') ein Spalt bzw. eine Lücke befindet, deren Größe die Kopplungsstärke zwischen beiden bestimmt.

7. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitungsresonator ein Printed Wire Resonator (19, 29) ist, der durch eine mäanderförmig entlang eines Randbereiches (191, 291) des mindestens einen Substrates (11, 21) verlaufende Leiterbahn (192, 292) gebildet ist.

8. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die metallischen Fleckenmuster (13) mehrerer Fleckenmuster-Resonatoren (10, 20, 30) zur Erzeugung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen.

9. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 1 oder 4,
gekennzeichnet durch einen Kurzschlussleiter (14'; 14, 24, 34), der sich durch die Fleckenmusterantenne erstreckt.

10. Fleckenmusterantenne nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kurzschlussleiter (14, 24) durch einen Streifenleiter an einer Seitenfläche der Fleckenmusterantenne gebildet ist.

11. Gedruckte Schaltungsplatine, insbesondere zur Oberflächenmontage von elektronischen Bauelementen,
gekennzeichnet durch eine Fleckenmusterantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Mobiles Telekommunikationsgerätes insbesondere für Dual- oder Multibandbetrieb,
gekennzeichnet durch eine Fleckenmusterantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Zeichnung