Antennensystem und Funkgerät mit einem solchen Antennensystem

Abstract

 Die erfindungsgemäße Lösung besteht im Wesentlichen aus einer fest auf der Hauptbaugruppe des Sende- und/oder Empfangsgerätes fixierten Kopplerstruktur, die elektromagnetisch möglichst stark an das vorhandene Antennensystem gekoppelt ist. Als starke Kopplung in diesem Sinne wird dabei eine Kopplung kleiner als 2dB angesehen, bei der nur noch ein kleiner Teil der Energie wirklich abgestrahlt wird, wodurch die Rückkopplung von äußeren Effekten (wie zum Beispiel starke Reflexionen) vermieden wird. Dies bedeutet letztlich, dass die Koppelstruktur einen Teil des Antennensystems selbst darstellt.

Beschreibung

[0001] Beim Abgleich der Sende- und Empfangseigenschaften eines Sende-/Empfangssystems wie beispielsweise eines Mobilfunkgerätes, muss eine geeignete Schnittstelle zur Messung von Kenngrößen der elektromagnetischen Eigenschaften des Antennensystems und anderer Hochfrequenzparameter des Sende-/Empfangssystems zur Verfügung stehen. Eine solche Schnittstelle muss ein geeignetes Impedanzniveau besitzen, das den Anschluss handelsüblicher Messgeräte an diese Schnittstelle ermöglicht. Dazu werden in üblicher Weise sogenannte 50-Ω-Schnittstellen verwendet, die optional an Stelle des Antennensystems eine Verbindung zum Sende-/Empfangsteil des abzugleichenden oder zu prüfenden Gerätes herstellen.

[0002] Speziell in dem bei Mobilfunkanwendungen typischen Fall, dass beim Abgleich, das heißt bei der Messung der Kenngrößen, bereits das Antennensystem mit dem Sende-/Empfangssystem fest verbunden ist, besteht dabei die Schwierigkeit, dass man zur Messung nicht einfach eine Schnittstelle parallel zur Antennenstruktur aufschalten kann, weil hierdurch die Belastung der zu prüfenden/abzugleichenden Schaltungsteile stark verändert würde. In einem solchen Fall könnte der eigentliche 50-Q-Fall nicht getestet werden.

[0003] Bekannte Lösungen dieses Problems sind jeweils mit verschiedenen Nachteilen verbunden:

[0004] Ein Koaxialkonnektor mit unterbrechender Funktion zum Antennensystem hin steigert die Kosten und benötigt viel Platz auf der Baugruppe des Gerätes. Außerdem sind Fehler hinter dem Messpunkt nicht erkennbar.

[0005] Eine λ/4-Transformations-Leitung im Antennenpfad, die zur Messung kurzgeschlossen wird, so dass dann parallel an ihrem Eingang gemessen werden kann, weil sich dabei der Kurzschluss in einem Leerlauf am Messpunkt transformiert, funktioniert nur für ein schmales Frequenzband und erfordert eine komplexere Kontaktiervorrichtung. Auch hier wären Fehler hinter dem Messpunkt nicht mehr erkennbar.

[0006] Eine extern angenäherte Messantenne oder Kopplerstruktur, welche einen Teil der von der Antenne abgestrahlten Energie aufnimmt, führt zu stark schwankenden Messergebnissen, weil normaler Weise umgebende Teile (Geräte und Kabel, usw.) das Messergebnis stark beeinflussen können. Außerdem ist die damit einhergehende Stimmung des Antennensystems nicht hinreichend genau definiert bzw. reproduzierbar.

[0007] Die vorliegende Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch ein Erzeugnis nach einem der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0008] Die erfindungsgemäße Lösung besteht im Wesentlichen aus einer fest auf der Hauptbaugruppe des Sende- und/oder Empfangsgerätes fixierten Kopplerstruktur, die elektromagnetisch möglichst stark an das vorhandene Antennensystem gekoppelt ist. Als starke Kopplung in diesem Sinne wird dabei eine Kopplung kleiner als 2dB angesehen, bei der nur noch ein kleiner Teil der Energie wirklich abgestrahlt wird, wodurch die Rückkopplung von äußeren Effekten (wie zum Beispiel starke Reflexionen) vermieden wird. Dies bedeutet letztlich, dass die Koppelstruktur einen Teil des Antennensystems selbst darstellt.

[0009] Die Koppelstruktur wird dabei so dimensioniert, dass sie nur im Zustand der Messung (zum Beispiel mit einem 50-Ω-Messgerät) Leistung aus der Antennenstruktur auskoppeln kann. Dies geschieht beispielsweise durch sogenannte λ/4-Strukturen, die ähnlich wie eine λ/4-Antenne wirken. Wird die erfindungsgemäße Koppelstruktur nicht zur Messung benutzt (z.B. im Betriebszustand), so liegt an deren Messpunkt ein Leerlauf vor, wodurch wiederum diese Koppelstruktur keine Leistung mehr von der Antenne aufnimmt. Typisch wird dabei der Abstand zwischen der Koppelstruktur und den Strukturen der eigentlichen Antenne 2mm oder weniger, in einigen Fällen aber auch deutlich mehr betragen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Koppelstruktur so angeordnet wird, dass sie möglichst bereits auf das Speiselement der Antenne wirkt, weil so die Streustrahlung reduziert wird.

[0010] Auf diese Weise wird erreicht, dass im normalen Betriebszustand (das heißt also, wenn die Koppelstruktur nicht zur Messung benutzt wird) keine Leistung in der Koppelstruktur verloren geht und alle Energie nur über das Antennensystem abgestrahlt wird. Selbst wenn ein Teil der Energie an die Koppelstruktur übertragen würde, würde diese bei geeigneter Dimensionierung prinzipiell auch zur abgestrahlten Leistung beitragen, weil sich kein Verlustwiderstand in diesem Zweig befindet. In diesem Fall würde die Koppelstruktur als funktioneller Bestandteil der Antennenstruktur wirken.

[0011] Bei Anwendungen mit Funkgeräten, die in mehreren Frequenzbändern arbeiten sollen, wie dies zum Beispiel bei sogenannte Multiband-Mobiltelefonen der Fall ist, die zum Beispiel im Bereich von GSM900, PCN, PCS1900 oder UMTS arbeiten sollen, kann eine Koppelstruktur vorteilhaft sein, die aus mehr als einem Koppelelement besteht. In diesen Fällen kann es vorteilhaft sein, jeweils eine Koppelstruktur in einem Frequenzband zur Messung zu verwenden.

[0012] Bei der Durchführung von Messungen von Kenngrößen elektromagnetischer Systeme von Funkgeräten liegt häufig in der industriellen Produktion der Fall vor, dass Gehäuseteile dieser Geräten erst nach erfolgter Messung montiert werden. Diese Gehäuseteile haben aber häufig einen Einfluss auf das elektromagnetische Verhalten des Systems, insbesondere auf die E-nergieabstrahlung. So wird im Betriebsfall das Antennensystem normalerweise durch das sie umgebende Gehäuse in seinem Fre quenzverhalten gegenüber dem Zustand bei der Messung, in dem das umgebende Gehäuse teilweise fehlt, spürbar verändert. Hierdurch tritt eine Verschiebung bestimmter Kennlinien im Frequenzbereich ein, die durch eine geeignete Gestaltung und Dimensionierung der erfindungsgemäßen Koppelstruktur leicht kompensiert werden kann. Das bedeutet, dass die Koppelstruktur während der Messung insofern in gleicher oder ähnlicher Weise wirkt wie die fehlenden Gehäuseteile. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die Koppelstruktur so auszuführen, dass die belastete Struktur verlängernd für das Antennenelement wirkt, die Resonanzfrequenz also sinkt.

[0013] Die vorliegende Erfindung eignet sich nicht nur für Anwendungen im zellularen Mobilfunk, sondern grundsätzlich für Sender- und/oder Empfängersysteme aller Art, insbesondere im Bereich der Medizintechnik oder im ISM-Band (Bluetooth) oder in anderen Anwendungsfällen. Der Fachmann ist anhand der in dieser Beschreibung gegebenen Hinweise leicht in der Lage, die Erfindung auf diese jeweiligen Anwendungsfälle zu übertragen. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei der Messung die tatsächlich von der Antenne abgestrahlte Leistung gemessen wird, so dass Funktionstests bezüglich des Funkverhaltens in der Serie entfallen können.

[0014] Es ist möglich, die erfindungsgemäße Koppelstruktur auf der selben Baugruppe wie die Antenne selbst unterzubringen; in manchen Fällen kann es aber auch vorteilhaft sein, dass die Koppelstruktur und die Antennenstruktur auf verschiedenen Baugruppen untergebracht sind. Im letzten Fall ist natürlich darauf zu achten, dass eine genau definierte und exakt reproduzierbare Relativposition der Koppelstruktur zur Antennenstruktur eingehalten wird. Als Aufbautechnologien eignen sich grundsätzlich u.a. geätzte oder gedruckte Strukturen, die sogenannte Stanz-Biegetechnik, die sogenannte MID-Technik ( MID = "molded interconnect devices", direkte Verbindung von mechanischen und elektronischen Funktionen auf spritzgegossenen Teilen oder Folien ) oder Kombinationen aus den genannten Techniken.

[0015] Erfindungsgemäße Koppelstrukturen sind mit einem oder mehreren Kontaktelementen zum Anschluss von 50-Ω-Messgeräten ausführbar. Kontaktpunkte für einen Kopplerport können eventuell in eine Massefläche eingebettet sein. Die erfindungsgemäße Koppelstruktur kann einen oder mehrere Massekontaktierungen aufweisen.

[0016] Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gerät im Zustand der Messung. Auf der Baugruppe des Gerätes (FG) ist hierbei eine Antennenstruktur (AS) und eine Koppelstruktur (KS) vorgesehen. Die Antennenstruktur (AS) strahlt dabei eine elektromagnetische Strahlung (RAD) ab. Die Kopplung zwischen der Antennenstruktur (AS) und der Koppelstruktur (KS) ist hierbei stark, das heißt die Koppeldämpfung (CD) ist klein, typisch kleiner als 2dB. In den Einspeisepunkt (SP) wird die Hochfrequenzleistung (PHF)eingespeist. An dem Messpunkt (MP), auch Kontaktierungspunkt genannt, wird ein Messgerät angeschlossen, typischer Weise ein sogenanntes 50-Ω-Messgerät.

[0017] Figur 2 zeigt das gleiche System im Betriebszustand. In den Einspeisepunkt (SP) des Antennensystems (AS) wird die Hochfrequenzleistung (PHF) eingespeist. Infolge dessen strahlt das Antennensystem die Strahlung RAD ab. Im Betriebszustand ist die Koppeldämpfung (CD) groß, das heißt die Kopplung zwischen Antennenstruktur (AS) und Koppelstruktur (KS) ist klein. In diesem Zustand ist der Messpunkt (MP) nicht kontaktiert, was zur Folge hat, dass die Impedanz hier gegen unendlich geht.

[0018] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Fall einer planaren sogenannten Inverted-F-Antenne. In diesem Beispiel ist die Koppelstruktur als im Wesentlichen lineare λ/4-Struktur ausgeführt, deren Hauptschenkel nahe und parallel zur Antennenstruktur (AS) ausgerichtet ist. In diesem Fall kann die Koppelstruktur im Wesentlichen als eine in äußerster Nähe zur Hauptantennenstruktur, auf dem selben Träger untergebrachte Hilfsantennenstruktur aufgefasst werden. Die Hochfrequenzleistung wird am Einspeisepunkt (SP) in die Antennenstruktur eingespeist. Zur Messung dient der Messpunkt (MP) am Ende der Koppelstruktur (KS).

[0019] Figur 4 zeigt den Verlauf der wichtigsten Messgrößen als Funktion der Frequenz in MHz im Messbetrieb einer Anordnung gemäß Figur 3. Dabei werden die Anpassungen (AS22 und AS11) am Messpunkt (MP) beziehungsweise am Einspeisepunkt (SP) gemessen. Am Verlauf der Koppeldämpfung (CD) ist leicht zu erkennen, dass deren Maximum (ungefähr bei 2000 MHz) unter 2,7db liegt.

[0020] Figur 5 zeigt zum Vergleich eine Anordnung, bei der die Koppelstruktur (KS) in größerer Entfernung von der eigentlichen Antennenstruktur (AS) angeordnet ist. Hierdurch wird eine wesentlich schwächere Kopplung der Koppelstruktur an die Antennenstruktur bewirkt. Die Koppelstruktur wurde in diesem Beispiel mäanderförmig ausgestaltet.

[0021] Figur 6 zeigt die entsprechenden Kurvenverläufe wie in Figur 4, nur hier für die Anordnung in Figur 5. Man sieht, dass die Koppeldämpfung im relevanten Bereich ungefähr 12 dB beträgt.

[0022] Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Antennenstruktur und die Koppelstruktur auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Dieser Träger (TAS) ist seinerseits auf einer Baugruppe des Sende- und/oder Empfangsgerätes angebracht, so dass die Kontaktelemente für die Antenne (SP) in diesem Fall zumindest teilweise vertikal verlaufen, um eine Kontaktierung der Antenne mit der restlichen Baugruppe zu ermöglichen. Der Messpunkt (MP) der Koppelstruktur (KS) befindet sich in unmittelbarer Nähe der Koppelstruktur auf dem Träger (TAS).

[0023] Figur 8 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Koppelstruktur (KS) auf der Baugruppe angeordnet ist, auf der einerseits die Massefläche des Antennensystems, aber auch der Träger (TAS) für die Antennenstruktur AS angeordnet ist. Im Bereich der Koppelstruktur (KS) ist die Massefläche (MF) ausgespart (AM). Die eigentliche Antennenstruktur (AS) befindet sich auf dem Träger (TAS), so dass trotz der Trennung von Koppelstruktur (KS) und Antennenstruktur (AS) eine definierte relative Positionierung von Koppelstruktur und Antennenstruktur gewährleistet ist. Durch die eng benachbarte räumliche Anordnung der Koppelstruktur zur Antennenstruktur kann auch in diesem Fall eine elektromagnetisch starke Kopplung beider Strukturen gewährleistet werden.

[0024] Figur 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Koppelstruktur (KS) nur im Zustand der Messung an der Baugruppe fixiert wird, auf der die Antennenstruktur (AS) untergebracht ist. In diesem Fall befindet sich die Koppelstruktur (KS) auf einem eigenen Träger (TKS), der eine Einrichtung zum Anschluss eines Messkabels (K) umfasst. Der Träger (TKS) umfasst ferner Positionierstifte (PS), die seine exakt definierte und genau reproduzierbare Positionierung relativ zur Antennenstruktur (AS) ermöglichen. Zur Messung wird der Träger (TKS) der Koppelstruktur (KS) mit Hilfe der Positionierstifte (PS) in definierter Weise relativ und eng benachbart zur Antennenstruktur (AS) positioniert. Die Antennenstruktur (AS) ist hierbei in einer Aussparung (AM) der Massenfläche (MF) untergebracht, wobei die Massenfläche (MF) ihrerseits auf der Baugruppe des Gerätes untergebracht ist.

[0025] Figur 10 zeigt eine Grundform einer erfindungsgemäßen Kopplungsstruktur (KS). Dabei bezeichnet (MP) den Messpunkt, (SP) den Speisepunkt und (MF) eine Massefläche. Eine typische Dicke dieser Struktur liegt bei ca. 0,5 mm. Der Abstand (d) zur Antennenstruktur beträgt typisch ca. 1 mm. Die Länge der Koppelstruktur (KS) entspricht typisch einer λ/4-Struktur, also ca. 31 mm bei einer Frequenz von 2,45 GHz (ISM-Band). Die Verkopplung wird ähnlich wie bei einem Streifenleitungskoppler (Rückwärtskoppler) über magnetische (H) und elektrische (E) Felder bewirkt. Wenngleich diese Struktur für den Betrieb in einem Frequenzband optimiert ist, ist ihre Verwendung auch für mehrere Bänder möglich.

[0026] Figur 11 zeigt eine Koppelstruktur mit vorwiegend induktiver Ankopplung. Diesem Prinzip entspricht eine Schleifenstruktur zur Auskopplung. Die Länge der Koppelstruktur kann hier auch deutlich kleiner als λ/4 sein. Die gezeigte Koppelstruktur ist einseitig mit der Masse (MF) verbunden. Die Verkopplung erfolgt vorwiegend über magnetische (H) Felder. Die sonstigen Abmessungen sind ähnlich wie in Figur 10. Auch hier ist ein Mehrfrequenzbetrieb möglich.

[0027] Figur 12 zeigt eine vorwärtskoppelnde Koppelstruktur (KS), deren Länge wieder ca. λ/4 der Betriebsfrequenz betragen sollte. Die Breite liegt hier vorzugsweise zwischen ca. 0,5 mm und 2 mm, der Abstand zur Antennenstruktur beträgt typisch ca. 0, 5 mm bis 1,0 mm. Die Verkopplung erfolgt hier über magnetische und elektrische Felder aber vorwiegend induktiv. Der Messpunkt (MP) ist in die Massefläche (MF) eingebettet.

[0028] Figur 13 zeigt eine Koppelstruktur mit vorwiegend kapazitiver Verkoppelung. Die Länge der Koppelstruktur (KS) ist hier eher klein gegen λ/4 ; dafür ist die Breite der Koppelstruktur mit typischen Werten zwischen ca. 1 und 5 mm eher groß. Der Abstand der Koppelstruktur (KS) zu dem Antennenelement (AntE) wird typisch zwischen 0,5 und 2 mm liegen. Die Koppelstruktur (KS) sollte möglichst so angeordnet werden, dass sie sich in möglichst geringem Abstand zum Ort größter elektrischer Feldstärke entlang des Antennenelements (AntE) befindet. Die Form der Koppelfläche (Breite und Länge) kann im Einzelfall durch Versuche optimiert werden. Es sind auch mehrere solcher kapazitiven Koppelstrukturen nebeneinander denkbar. Besonders vorteilhaft ist dies im Zusammenhang mit Mehrbandantennen.

[0029] Figur 14 zeigt eine Koppelstruktur, die die Prinzipien der Strukturen aus den Figuren 10 und 13 miteinander kombiniert. Die Verkopplung geschieht also sowohl induktiv (über magnetische (H) Felder längs den eher dünnen Streifenleiter-Elementen) als auch kapazitiv (über elektrische (E) Felder an den Stellen, wo sich die eher flächenhaften Strukturelemente befinden. Die Gesamtlänge der Koppelstruktur (KS) wird dabei typisch ca. λ/4 oder kleiner sein; die Breite der Strukturen wird - je nach Ort entlang der Struktur - typisch zwischen ca. 0,5 und 5 mm variieren. Der Abstand zwischen der Koppelstruktur und dem Antennenelement (AntE) wird dabei typisch zwischen ca. 0,2 und 0,5 mm liegen. Die flächenhaften Strukturelemente werden zweckmäßig an den Orten maximaler elektrischer Feldstärke platziert.

[0030] Figur 15 zeigt eine andere Variante der erfindungsgemäßen Koppelstrukturen, bei der die Prinzipien der Strukturen aus den Figuren 10, 11 und 14 in gewisser Weise miteinander kombiniert werden. Die Verkoppelung wird hier ebenfalls durch eine Kombination aus induktiven und kapazitiven Kopplungen bewirkt, wobei die jeweiligen Anteile für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedlich hoch sein können. Außerdem weist diese Struktur einen Verlängerungsstrukturbereich (VSB) auf, welcher zwei induktive Kopplungsstrukturabschnitte miteinander verbindet. Der Messpunkt (MP) ist zwischen zwei Teilstrukturen angeordnet, die jeweils nach den Prinzipien der in den Figuren 11 bzw. 14 dargestellten Strukturen ausgestaltet sind. Hinweise zur vorteilhaften Dimensionierung ergeben sich für den Fachmann daher aus den Hinweisen zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.

[0031] Figur 16 zeigt eine Koppelstruktur mit zwei Koppelelementen (KS1 bzw. KS2), die jeweils wie Vorwärtskoppler wirken. Jedes Koppelelement hat einen eigenen Messpunkt (MP1 bzw. MP2). Die Verkopplung erfolgt sowohl kapazitiv als auch induktiv. Die Längen der Koppelelemente können dabei zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 angepasst werden, so dass sie typisch ca. (λ1) /4 bzw. (λ2) /4 betragen werden.

[0032] Figur 17 zeigt eine Koppelstruktur mit zwei Kontaktpunkten (MP1 bzw. MP2). Die Gesamtlänge dieser Struktur wählt man mit Vorteil als λ/4 entsprechend der kleinsten benutzten Frequenz. Den geeignetsten Ort für den zweiten Kontaktpunkt ermittelt man durch Optimierung der Verkopplung für den zweiten Frequenzbereich.

[0033] Wie in Figur 18 schematisch dargestellt, eignet sich die erfinderische Koppelstruktur grundsätzlich auch für Antennenelemente (AntE), die als helixförmige oder als mänderförmige Leiteranordnungen ausgebildet sind. Die Koppelstruktur kann dabei auch selbst gewendelt, also in das Antennenelement integriert sein. Auch die anderen in dieser Beschreibung gezeigten Koppelstrukturen eignen sich grundsätzlich für eine Verwendung im Zusammenhang mit derartigen Antennenelementen.

Ansprüche

1. Antennensystem für elektromagnetische Sender und/oder Empfänger, insbesondere für Funkgeräte,
das eine Anordnung von elektrischen Leiterstrukturen, und zwar mindestens eine Antennenstruktur und mindestens eine Koppelstruktur für die Messung von Kenngrößen der elektromagnetischen Eigenschaften des Antennensystems und anderer Hochfrequenzparameter des Funkgeräts umfasst, wobei diese Koppelstruktur

a) auch nach der letzten Messung vor der Auslieferung des Funkgeräts in diesem verbleibt und

b) derart gestaltet ist, dass sie elektromagnetisch möglichst stark an die Antennenstruktur gekoppelt und so dimensioniert ist,

   dass sie im Zustand der Messung eine zuverlässige Messung der Kenngrößen erlaubt und gleichzeitig im Betriebszustand die Funktion der Antennenstruktur nicht stört oder als funktioneller Bestandteil der Antennenstruktur wirkt.

2. Antennensystem nach Anspruch 1,
bei dem die Koppelstruktur nicht seriell in den Hochfrequenzpfad zwischen Sender und/oder Empfänger einerseits und Antennenstruktur andererseits geschaltet ist.

3. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem, sofern die Koppelstruktur mit der Antennenstruktur galvanisch verbunden ist, solcher Verbindungen unabhängig davon, ob sich das System im Betriebszustand oder im Zustand der Messung befindet, bestehen bleiben.

4. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kopplung der Koppelstruktur an die Antennenstruktur durch mindestens eine λ/4-Struktur bewirkt wird.

5. Antennensystem nach Anspruch 4,
bei dem die λ/4-Struktur parallel zur Antennenstruktur angeordnet ist.

6. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koppelstruktur derart gestaltet und dimensioniert ist, dass sie im Zustand der Messung die Wirkungen fehlender Gehäuseteile ausgleicht, die erst nach Abschluss der Messung montiert werden.

7. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koppelstruktur aus mehreren separaten Teilstrukturen besteht oder bei der mehrere voneinander unabhängige Koppelstrukturen vorgesehen sind.

8. Funkgerät, insbesondere Mobiltelefon, mit einem Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung