Die vorliegende Erfindung betrifft ein tragbares Telefon zum Betrieb bei Frequenzen über 200 MHz, insbesondere ein tragbares Telefon, das eine Antenne mit einer dreidimensionalen Antennenelementstruktur aufweist.

Das britische Patent 2258776 beschreibt eine Antenne mit einer dreidimensionalen Antennen-Elementstruktur, bestehend aus einer Vielzahl von schraubenförmigen Elementen, die um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind. Eine solche Antenne eignet sich besonders für den Empfang von Satellitensignalen, beispielsweise in einer GPS-Empfängereinheit (Global Positioning System). Die Antenne kann zirkular polarisierte Signale von Quellen empfangen, die sich direkt über der Antenne, d.h. auf ihrer Achse, oder in einer Position einige Grad oberhalb einer senkrecht zur Antennenachse und durch die Antenne verlaufenden Ebene befinden können, oder von Quellen, die sich irgendwo in dem Raumwinkel zwischen diesen Extremen befinden. Das Dokument EP 021511 offenbart eine Backfire-Wendelantenne zur Verwendung in einem Navigationssystem wie GPS, bei der aus einem Isolatoren und einem Teil der koaxialen Speiseleitung am oberen Teil der Antenne ein Impedanzwandler gebildet wird.

Obwohl hauptsächlich für den Empfang von zirkular polarisierten Signalen gedacht, ist eine solche Antenne aufgrund ihres dreidimensionalen Aufbaus auch als Rundstrahlantenne für den Empfang vertikal und horizontal polarisierter Signale geeignet.

Einer der Nachteile einer solchen Antenne ist der, dass sie für bestimmte Anwendungen nicht robust genug ist und sich nicht ohne weiteres ohne Leistungseinbußen modifizieren lässt, um diese Problematik zu beseitigen. Daher handelt es sich bei Antennen zum Empfang von Signalen aus dem Weltraum unter rauen Umgebungsbedingungen, z.B. an der Außenseite eines Flugzeugrumpfs, oft um Flachantennen in Form einfacher Platten (im Allgemeinen beschichtete rechteckige Metallplatten) aus einem leitenden Material, die bündig auf einer isolierten Oberfläche befestigt sind, die Teil des Flugzeugrumpfs sein kann. Flachantennen weisen jedoch bei geringen Elevationswinkeln meist eine schlechte Verstärkung (Antennengewinn) auf. Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde unter anderem versucht, eine Vielzahl von unterschiedlich ausgerichteten Flachantennen zu verwenden, die einen einzigen Empfänger speisen. Dieses Verfahren ist aufwendig, nicht nur wegen der Anzahl der erforderlichen Elemente, sondern auch wegen der Schwierigkeit, die empfangenen Signale zusammenzuführen.

Erfindungsgemäß ist ein tragbares Telefon zum Handgebrauch bei Frequenzen größer als 200 MHz durch eine Vierdraht-Wendelantenne gekennzeichnet, welche umfasst:

• – einen zylindrischen elektrisch isolierenden Kern aus einem massiven Material mit einer Dielektrizitätszahl größer als fünf, wobei der Kern eine axiale Ausdehnung hat, die mindestens so groß wie sein Durchmesser ist, und wobei die diametrale Ausdehnung des massiven Materials mindestens 50% des äußeren Durchmessers beträgt,
• – eine dreidimensionale Antennenelementstruktur, die an der oder benachbart zur äußeren Oberfläche des Kerns angebracht ist und ein inneres Volumen begrenzt und eine im Wesentlichen axial gelegene Speisestruktur, die mit der Antennenelementstruktur verbunden ist, wobei das Material des Kerns den größten Teil des inneren Volumens einnimmt.

Die Elementstruktur besteht typischerweise aus mehreren Antennenelementen, die eine um eine auf einer zentralen Längsachse liegende Einspeisestruktur zentrierte Umhüllung bestimmen. Die bevorzugte Einspeisestruktur ist an die Antennenelementstruktur angeschlossen und durchsetzt den Kern. Die Antennenelemente begrenzen bevorzugt eine mit dem Kern koaxiale zylindrische Umhüllung. Der Kern kann ein bis auf einen schmalen axialen Kanal zur Aufnahme der Einspeisestruktur massiver zylindrischer Körper sein. Das Volumen des Festmaterials des Kerns macht vorzugsweise wenigstens 50 Prozent des internen Volumens der durch die Elemente festgelegten Hülle aus, wobei die Elemente auf einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Kerns liegen. Die Elemente können metallische Leiterbahnen aufweisen, die z.B. durch Aufdampfen oder Wegätzen einer zuvor aufgebrachten metallischen Beschichtung auf der Außenfläche des Kerns angebracht werden.

Aus Gründen der physikalischen und elektrischen Stabilität kann der Kern aus einem Keramikmaterial bestehen, z.B. einer Mikrowellenkeramik wie etwa einem Material auf Zirconiumtitanatbasis, Magnesiumcalciumtitanat, Bariumzirconiumtantalat und Bariumneodymtitanat, oder einer Kombination dieser Werkstoffe. Die Dielektrizitätszahl ist vorzugsweise größer als 10 oder sogar 20, wobei ein Wert von 36 mit einem Material auf Zirconiumtitanatbasis erzielt werden kann. Solche Materialien weisen einen so weit vernachlässigbaren dielektrischen Verlust auf, dass die Antennengüte (Q-Faktor) mehr durch den elektrischen Widerstand der Antennenelemente als durch den Kernverlust bestimmt wird.

Bei einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform hat der Antennenkern die Form eines Rohrs mit einem vergleichsweise engen axialen Kanal, dessen Durchmesser höchstens die Hälfte des Gesamtdurchmessers des Kerns beträgt. Der innere Kanal kann mit einer leitfähigen Auskleidung versehen sein, die einen Teil der Einspeisestruktur oder eine Schirmung für die Einspeisestruktur bildet und dadurch sehr genau den radialen Abstand zwischen der Einspeisestruktur und den Antennenelementen bestimmt. Dies trägt zu einer guten Wiederholbarkeit bei der Herstellung bei. Diese bevorzugte Ausführungsform besitzt eine Vielzahl von im Allgemeinen schraubenförmigen Antennenelementen, die als metallische Leiterbahnen an der äußeren Oberfläche des Kerns ausgebildet sind und sich im Allgemeinen gemeinsam in axialer Richtung erstrecken. Jedes Element ist an einem seiner Enden mit der Einspeisestruktur und an seinem anderen Ende mit einem Masse- oder virtuellen Masseleiter verbunden, wobei die Verbindungen mit der Einspeisestruktur durch im Allgemeinen radiale leitfähige Elemente bewirkt werden und der Masseleiter allen schraubenförmigen Elementen gemeinsam ist.

In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform hat die Antenne eine Hauptresonanzfrequenz oberhalb von 50 MHz und die Antennenelementstruktur umfasst mehrere Antennenelemente, die mit der Speisestruktur an einem Ende des Kerns verbunden sind und sich in Richtung zum anderen Ende des Kerns und zu einem gemeinsamen verbindenden Leiter erstrecken. Der Kern besitzt vorzugsweise einen konstanten Außenquerschnitt in axialer Richtung, wobei die Antennenelemente durch auf die Oberfläche des Kerns plattierte Leiter gebildet werden. Die Antennenelemente können eine Vielzahl von Leiterelementen umfassen, die sich längs über den Abschnitt des Kerns mit konstantem Außenquerschnitt erstrecken, wobei die sich längs erstreckenden Elemente an dem einen Ende des Kerns durch eine Vielzahl von radialen Leiterelementen mit der Einspeisestruktur verbunden sind. Der Begriff „Strahlungselementstruktur" wird in dem Sinne verwendet, wie ihn der Fachmann versteht, d.h. er bedeutet Elemente, die nicht zwangsläufig Energie abstrahlen, wie sie dies bei Anschluss an einen Sender tun würden, weshalb man darunter Elemente versteht, die elektromagnetische Strahlungsenergie entweder sammeln oder abstrahlen. Folglich können die erfindungsgemäßen Antennen sowohl in Vorrichtungen eingesetzt werden, die nur Signale empfangen, als auch in Vorrichtungen, die Signale senden und empfangen.

Die Antenne umfasst vorteilhafterweise einen integralen Balun, der durch eine leitfähige Hülse gebildet wird, die sich über einen Teil der Länge des Kerns von einer Verbindung mit der Einspeisestruktur an dem oben erwähnten gegenüberliegenden Ende des Kerns erstreckt. Die Balunhülse kann somit auch den Masseleiter für die sich längs erstreckende Leiterelemente bilden. Falls die Einspeisestruktur eine koaxiale Leitung mit einem inneren Leiter und einem äußeren Schirmleiter umfasst, ist die leitfähige Hülse des Baluns an dem gegenüberliegenden Ende des Kerns mit dem äußeren Schirmleiter der Einspeisestruktur verbunden.

Die bevorzugte Antenne mit einem als massiver Zylinder ausgebildeten Kern umfasst eine Antennenelementstruktur mit wenigstens vier sich an der zylinderförmigen äußeren Oberfläche des Kerns längs erstreckenden Elementen und entsprechende radiale Elemente an einer distalen Stirnfläche des Kerns, welche die sich längs erstreckenden Elemente mit den Leitern der Einspeisestruktur verbinden. Diese sich längs erstreckenden Antennenelemente weisen vorzugsweise verschiedene Längen auf. Insbesondere weisen bei einer Antenne mit vier sich längs erstreckenden Elementen zwei der Elemente eine größere Länge als die beiden anderen auf, indem sie gewundenen Pfaden an der äußeren Oberfläche des Kerns folgen. Im Falle einer Antenne für zirkular polarisierte Signale folgen alle vier Elemente einem im Allgemeinen schraubenförmigen Pfad, wobei die längeren zwei Elemente jeweils einer entsprechend gewundenen Bahn folgen, die vorzugsweise sinusförmig zu beiden Seiten von einer schraubenförmigen Mittellinie abweicht. Die Leiterelemente, die die sich längs erstreckenden Elemente am distalen Ende des Kerns mit der Einspeisestruktur verbinden, sind vorzugsweise einfache radiale Leiterbahnen, die sich nach innen verjüngen können.

Unter Nutzung der oben beschriebenen Merkmale ist es möglich, eine Antenne herzustellen, die aufgrund ihrer kompakten Abmessungen und wegen der Tatsache, dass die Elemente von einem massiven Kern aus einem Festmaterial gestützt werden, sehr robust ist. Eine solche Antenne kann so angeordnet werden, dass sie die gleiche omnidirektionale Charakteristik bei geringen Elevationswinkeln wie Antennen nach dem Stand der Technik, die überwiegend einen Luftkern besitzen, aufweist, jedoch robust genug ist, um Flachantennen in bestimmten Anwendungen ersetzen zu können. Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen und Robustheit eignet sie sich auch für die unauffällige Montage an Fahrzeugen sowie für den Einsatz in Handgeräten. Unter bestimmten Umständen kann sie auch direkt auf einer gedruckten Leiterplatte montiert werden. Die Antenne ist nicht nur für den Empfang zirkular polarisierter Signale, sondern auch vertikal oder horizontal polarisierter Signale geeignet. In Anbetracht der unberechenbaren Art der Empfangssignale, sowohl was deren Empfangsrichtung als auch die durch Reflexion bedingten Polarisationswechsel angeht, ist sie für die Anwendung in Mobiltelefonen besonders geeignet.

Ausgedrückt als Betriebswellenlänge in Luft, &lgr;, liegt die Längsausdehnung der Antennenelemente, d.h. in axialer Richtung, typischerweise im Bereich von 0,03 &lgr; bis 0,06 &lgr;, wobei der Kerndurchmesser typischerweise 0,02 &lgr; bis 0,03 &lgr; beträgt. Die Leiterbahnbreite der Elemente liegt typischerweise zwischen 0,0015 &lgr; und 0,0025 &lgr;, während die Abweichung der gewundenen Bahnen von einem wendelförmigen Mittelpfad, gemessen von der Mittellinie der gewundenen Bahn, auf jeder Seite des Mittelpfads 0,0035 &lgr; bis 0,0065 &lgr; beträgt. Die Länge der Balunhülse liegt typischerweise im Bereich von 0,03 &lgr; bis 0,06 &lgr;.

Die Antenne kann eine Antennenelementstruktur in Form von mindestens zwei Paaren von Wendelelementen umfassen, die als Helices mit einer gemeinsamen Mittelachse ausgebildet sind, eine im Wesentlichen axial angebrachte Speisestruktur mit einem inneren Speiseleiter und einen äußeren Schirmleiter, wobei jedes Wendelelement mit einem Ende an das distale Ende der Speisestruktur und mit dem anderen Ende an einen gemeinsamen Masse- oder virtuellen Masseleiter verbunden ist, und einen Balun mit einer koaxial um die Speisestruktur angebrachten leitenden Hülse, wobei die Hülse vom äußeren Schirmleiter der Speisestruktur durch das isolierende dielektrische Material beabstandet ist und das proximale Ende der Hülse mit dem äußeren Schirmleiter der Speisestruktur verbunden ist. Die axiale Länge der Wendelelemente ist vorzugsweise größer als die Länge der Balunhülse. Der Hülsenleiter des Baluns kann auch den Masseleiter bilden, wobei jedes schraubenförmige Element an einer distalen Kante der Hülse endet. In einer alternativen Ausführungsform ist die distale Kante der Hülse eine offene Leitung (open circuit) und der gemeinsame Leiter der äußere Schirm der Einspeisestruktur.

Die Antenne kann hergestellt werden, indem der Antennenkern aus dem dielektrischen Material gebildet wird und die äußere Oberfläche des Kerns nach einem vorbestimmten Muster metallisiert wird. Das Metallisieren kann das Beschichten der äußeren Oberflächen des Kerns mit einem metallischen Material und anschließendes Entfernen von Teilen der Beschichtung umfassen, um das vorbestimmte Muster zu hinterlassen; alternativ kann das Metallisieren durch Bilden einer Maske mit einem Negativ des vorbestimmten Musters und anschließendes Abscheiden des metallischen Materials an der äußeren Oberfläche des Kerns erfolgen, wobei die Maske Teile des Kerns abdeckt, so dass das metallische Material entsprechend dem vorbestimmten Muster aufgebracht wird. Andere Methoden zur Aufbringung eines leitfähigen Musters in der erforderlichen Form können ebenfalls verwendet werden.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Antenne mit einer Balunhülse und einer Vielzahl von Antennenelementen, die Teil einer Strahlungselementstruktur sind, umfasst die Schritte der Bereitstellung einer Charge des dielektrischen Materials, der Herstellung mindestens eines Testantennenkerns aus der Charge und der anschließenden Bildung einer Balunstruktur, vorzugsweise ohne Strahlungselementstruktur, durch Metallisieren einer Balunhülse auf dem Kern, wobei die Balunhülse eine vorbestimmte Soll-Abmessung aufweist, welche die Resonanzfrequenz der Balunstruktur beeinflusst. Die Resonanzfrequenz dieses Testresonators wird dann gemessen, und der gemessene Frequenzwert wird verwendet, um einen angepassten Wert der Abmessung der Balunhülse zur Erzielung einer gewünschten Resonanzfrequenz der Balunstruktur abzuleiten. Derselbe gemessene Frequenzwert kann auch verwendet werden, um wenigstens eine Abmessung für die Antennenelemente der Strahlungselementstruktur zur Erzielung einer gewünschten Frequenzkennlinie der Antennenelemente abzuleiten. Danach werden aus derselben Charge von Material Antennen mit einer Balunhülse und Antennenelementen mit den abgeleiteten Abmessungen hergestellt.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Antenne für ein tragbares Telefon,

2 ein axiales Querschnittsdiagramm der Antenne,

3 eine perspektivische Teilansicht der Antenne,

4 eine perspektivische Schnittansicht eines Testresonators,

5 ein Diagramm einer Prüfvorrichtung mit dem Resonator aus 4 und

6 ein Diagramm einer alternativen Prüfvorrichtung.

Bezug nehmend auf die Zeichnungen besitzt eine Vierdrahtantenne eine Antennenelementstruktur mit vier sich längs erstreckenden Antennenelementen 10A, 10B, 10C und 10D, die als metallische Leiterbahnen auf der zylinderförmigen äußeren Oberfläche eines Keramikkerns 12 ausgebildet sind. Der Kern weist einen axialen Kanal 14 mit einer inneren metallischen Auskleidung 16 auf, wobei der Kanal zur Aufnahme eines axialen Einspeiseleiters 18 dient. Der innere Leiter 18 und die Auskleidung 16 bilden in diesem Fall eine Einspeisestruktur zur Verbindung einer Einspeiseleitung mit den Antennenelementen 10A bis 10D. Die Antennenelementstruktur umfasst auch entsprechende radiale Antennenelemente 10AR, 10BR, 10CR und 10DR, die als metallische Leiterbahnen auf einer distalen Stirnfläche 12D des Kerns 12 ausgebildet sind und die zugehörigen sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D mit der Einspeisestruktur verbinden. Die anderen Enden der Antennenelemente 10A bis 10D sind mit einem gemeinsamen virtuellen Masseleiter 20 in Form einer plattierten Hülse verbunden, die einen proximalen Endteil des Kerns 12 umgibt. Diese Hülse 20 wiederum ist durch die Plattierung 22 auf der proximalen Stirnfläche 12P des Kerns 12 mit der Auskleidung 16 des axialen Kanals 14 verbunden.

Wie in 1 zu sehen, weisen die vier sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D verschiedene Längen auf, wobei die beiden Elemente 10B und 10D länger als die beiden Elemente 10A und 10C sind, weil sie einem gewundenen Pfad folgen. Bei dieser Ausführungsform für zirkular polarisierte Signale sind die kürzeren sich längs erstreckenden Elemente 10A und 10C einfache Schraubenlinien, die jeweils eine halbe Drehung um die Achse des Kerns 12 beschreiben. Im Gegensatz dazu folgen die längeren Elemente 10B und 10D jeweils einer entsprechend gewundenen Bahn, die sinusförmig zu beiden Seiten von einer schraubenförmigen Mittellinie abweicht. Jedes Paar aus einem sich längs erstreckenden und einem entsprechenden radialen Element (zum Beispiel 10A, 10AR) bildet einen Leiter mit einer vorbestimmten elektrischen Länge. In dieser Ausführungsform ist er so beschaffen, dass die Gesamtlänge jedes der kürzeren Elementpaare 10A, 10AR und 10C, 10CR einer Durchlauf zeit von etwa 135 Grad bei der Betriebswellenlänge entspricht, während jedes der Elementpaare 10B, 10BR und 10D, 10DR eine längere Laufzeit von im Wesentlichen 225 Grad erzeugt. Damit beträgt die durchschnittliche Laufzeit 180 Grad, was einer elektrischen Länge von &lgr;/2 bei der Betriebswellenlänge entspricht. Die unterschiedlichen Längen erzeugen die erforderlichen Phasenverschiebungsverhältnisse für eine Vierfach-Wendelantenne für zirkular polarisierte Signale, die in Kilgus, „Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dezember 1970, Seiten 49 bis 54, beschrieben ist. Zwei Elementpaare 10C, 10CR und 10D, 10DR (d.h. ein langes Elementpaar und ein kurzes Elementpaar) sind an den inneren Enden der radialen Elemente 10CR und 10DR mit dem inneren Leiter 18 der Einspeisestruktur am distalen Ende des Kerns 12 verbunden, während die radialen Elemente der beiden anderen Elementpaare 10A, 10AR und 10B, 10BR mit dem durch die metallische Auskleidung 16 gebildeten Einspeiseschirm verbunden sind. Am distalen Ende der Einspeisestruktur sind die am inneren Leiter 18 und am Einspeiseschirm 16 anstehenden Signale in etwa symmetrisch, so dass die Antennenelemente mit einer ungefähr symmetrischen Quelle oder Last verbunden sind, was nachstehend erläutert wird.

Die Auswirkung des Mäanderns, d.h. des Folgens gewundener Pfade, der Elemente 10B und 10D besteht darin, dass die Ausbreitung eines zirkular polarisierten Signals entlang der Elemente in der Wendelrichtung im Vergleich zur Ausbreitungsgeschwindigkeit in den einfachen Spiralen 10A und 10C verlangsamt wird. Der Skalierungsfaktor, um den die Pfadlänge durch das Mäandern verlängert wird, lässt sich anhand der folgenden Formel abschätzen:

ϕ

die Strecke entlang der Mittellinie des gewundenen Pfads in Radian,

a

die Amplitude des gewundenen Pfads in Radian und

n

die Anzahl der Mäanderwindungen ist.

Wegen der Linksdrehung der schraubenförmigen Pfade der sich längs erstreckenden Elemente 10A bis 10D weist die Antenne ihre höchste Verstärkung (Antennengewinn) für rechtsläufig zirkular polarisierte Signale auf.

Soll die Antenne stattdessen für linksläufig zirkular polarisierte Signale verwendet werden, wird die Drehrichtung der Wendel umgekehrt und das Verbindungsmuster der radialen Elemente um 90 Grad gedreht. Bei einer für den Empfang von sowohl linksläufig als auch rechtsläufig zirkular polarisierten Signalen geeigneten Antenne, wenn auch mit geringerer Verstärkung, können die sich längs erstreckenden Elemente so angeordnet werden, dass sie im Wesentlichen parallel zur Achse verlaufenden Pfaden folgen. Eine solche Antenne ist auch für den Empfang vertikal und horizontal polarisierter Signale geeignet.

In der bevorzugten Ausführungsform bedeckt die leitfähige Hülse 20 einen proximalen Teil des Antennenkerns 12 und umgibt damit die Einspeisestruktur 16, 18, wobei das Material des Kerns 12 den gesamten Raum zwischen der Hülse 20 und der metallischen Auskleidung 16 des axialen Kanals 14 ausfüllt. Die Hülse 20 bildet einen Zylinder mit einer axialen Länge 1_B wie in 2 gezeigt und ist durch die Plattierung 22 der proximalen Stirnfläche 12P des Kerns 12 mit der Auskleidung 16 verbunden. Die Kombination aus Hülse 20 und Plattierung 22bildet einen Balun, so dass die Signale in der durch die Einspeisestruktur 16, 18 gebildeten Übertragungsleitung von einem unsymmetrischen Zustand am proximalen Ende der Antenne in einen symmetrischen Zustand an einer axialen Position etwa in der Ebene der Oberkante 20U der Hülse 20 umgewandelt werden. Um diese Wirkung zu erzielen, ist die Länge 1_B so gewählt, dass der Balun bei Vorhandensein eines darunter liegenden Kernmaterials mit einer relativ hohen relativen Dielektrizitätskonstante eine elektrische Länge von &lgr;/4 bei der Betriebsfrequenz der Antenne aufweist. Da das Kernmaterial der Antenne einen verkürzenden Effekt hat und der den inneren Leiter 18 umgebende ringförmige Bereich mit einem nicht leitenden dielektrischen Material 17 mit einer relativ niedrigen Dielektrizitätskonstante ausgefüllt ist, hat die Einspeisestruktur distal der Hülse 20 eine kurze elektrische Länge. Folglich sind Signale am distalen Ende der Einspeisestruktur 16, 18 wenigstens ungefähr symmetrisch. (Die Dielektrizitätskonstante der Isolierung in einem halbstarren Kabel ist typischerweise sehr viel niedriger als die des oben genannten keramischen Kernmaterials. PTFE hat z.B. eine Dielektrizitätszahl &egr;_r von etwa 2,2.)

Die Antenne hat eine Hauptresonanzfrequenz von 500 MHz oder höher, wobei die Resonanzfrequenz durch die effektiven elektrischen Längen der Antennenelemente und in geringerem Maße durch deren Breite bestimmt wird. Die Längen der Elemente für eine bestimmte Resonanzfrequenz hängen auch von der relativen Dielektrizitätskonstante des Kernmaterials ab, wobei die Abmessungen der Antenne im Vergleich zu einer ähnlich aufgebauten Antenne mit Luftkern deutlich verringert sind.

Das bevorzugte Material für den Kern 12 ist ein Material auf der Basis von Zirconiumtitanat. Dieses Material hat, wie bereits erwähnt, eine Dielektrizitätszahl von 36 und ist außerdem für seine Maßhaltigkeit und elektrische Stabilität bei schwankenden Temperaturen bekannt. Der dielektrische Verlust ist vernachlässigbar. Der Kern kann durch ein Extrusions- oder Pressverfahren hergestellt werden.

Die Antennenelemente 10A bis 10D und 10AR bis 10DR sind metallische Leiterbahnen, die auf die äußeren zylinderförmigen Flächen und die Endflächen des Kerns 12 aufgebracht sind, wobei jede Leiterbahn eine Breite von mindestens dem Vierfachen ihrer Dicke über die ihre Nutzlänge aufweist. Die Leiterbahnen können durch Plattieren der Oberflächen des Kerns 12 mit einer metallischen Schicht und anschließendes selektives Wegätzen der Schicht gebildet werden, um den Kern gemäß einem Muster freizulegen, das in einer fotografischen Schicht ähnlich wie bei der Herstellung gedruckter Leiterplatten aufgebracht wird. Alternativ kann das metallische Material durch selektive Abscheidung oder mittels Druckverfahren aufgebracht werden. Auf jeden Fall wird durch Ausbildung der Leiterbahnen als integrale Schicht auf der Außenseite eines maßhaltigen Kerns eine Antenne mit maßhaltigen Antennenelementen erhalten.

Bei Verwendung eines Kernmaterials, das eine deutlich höhere Dielektrizitätszahl als Luft aufweist, z.B. &egr;_r = 36, weist eine Antenne für den L-Band-GPS-Empfang bei 1.575 MHz, wie oben beschrieben, typischerweise einen Kerndurchmesser von etwa 5 mm auf, und die sich längs erstreckenden Antennenelemente 10A bis 10D besitzen eine Längsausdehnung (d.h. parallel zur Mittelachse) von etwa 8 mm. Die Breite der Elemente 10A bis 10D beträgt etwa 0,3 mm, und die mäanderförmigen Elemente 10B und 10D weichen, gemessen von der Mittellinie des gewundenen Pfads, von einem wendelförmigen Mittelpfad auf jeder Seite des Mittelpfads um etwa 0,9 mm ab. Typischerweise weist jedes Element 10B, 10D fünf vollständige sinusförmige Mäanderwindungen auf, um die erforderliche Phasendifferenz von 90 Grad zwischen den längeren und den kürzeren der Elemente 10A bis 10D zu bewirken. Bei einer Frequenz von 1.575 MHz liegt die Länge der Balunhülse 22 typischerweise im Bereich von 8 mm oder weniger. Ausgedrückt als Betriebswellenlänge in Luft, &lgr;, ergeben sich folgende Abmessungen: für die Längs-(Axial-) Ausdehnung der Elemente 10A bis 10D: 0,042 &lgr;; für den Kerndurchmesser: 0,026 &lgr;; für die Balunhülse: 0,042 &lgr; oder weniger; für die Leiterbahnbreite: 0,002 &lgr; und für die Abweichung der gewundenen Bahnen: bis zu 0,005 &lgr;. Die genauen Abmessungen der Antennenelemente 10A bis 10D können in der Konstruktionsphase experimentell mit Hilfe von Eigenwert-Laufzeitmessungen bis zum Erhalt der gewünschten Phasendifferenz bestimmt werden.

Im Allgemeinen beträgt jedoch die Längsausdehnung der Elemente 10A bis 10D zwischen 0,03 &lgr; und 0,06 &lgr;, der Kerndurchmesser zwischen 0,02 &lgr; und 0,03 &lgr;, die Länge der Balunhülse zwischen 0,03 &lgr; und 0,06 &lgr;, die Leiterbahnbreite zwischen 0,0015 &lgr; und 0,0025 &lgr; und die Abweichung der gewundenen Bahnen bis zu 0, 0065 &lgr;.

Aufgrund der sehr kompakten Abmessungen der Antenne können Fertigungstoleranzen dazu führen, dass die Präzision, mit der die Resonanzfrequenz der Antenne konstant gehalten werden kann, für bestimmte Anwendungen nicht ausreicht. Unter diesen Umständen kann eine Abstimmung der Resonanzfrequenz erreicht werden, indem man plattiertes metallisches Material von der Oberfläche des Kerns entfernt, z.B. durch Lasererosion von Teilen der Balunhülse 20 an den Stellen, wo sie wie in 3 gezeigt eines oder mehrere der Antennenelemente 10A bis 10D berührt. Hier ist die Hülse 20 zur Erzeugung von Einkerbungen 28 auf beiden Seiten des Berührungspunktes mit dem Antennenelement 10A durch Erosion abgetragen worden, um das Element zu verlängern und dadurch seine Resonanzfrequenz zu verringern. Alternativ kann das metallische Material auch chemisch durch Ätzen entfernt werden, z.B. unter Verwendung einer Resistbeschichtung mit einer oder mehreren Aussparungen entsprechend dem zu entfernenden Material. Ein Kugelstrahl-Erosionsverfahren kann ebenfalls verwendet werden, wobei kleine Partikel eines abrasiven Materials aus einer feinen Düse auf die zu erodierenden metallischen Teile geschossen werden. Zum Schutz des umgebenden Materials kann eine Lochmaske verwendet werden.

Eine wesentliche Ursache von produktionsbedingten Abweichungen der Resonanzfrequenz ist die von Charge zu Charge des Kernmaterials auftretende Schwankung der relativen Dielektrizitätskonstante. In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Antenne wird aus jeder neuen Charge des Keramikmaterials eine kleine Probe von Testresonatoren hergestellt, wobei diese Proberesonatoren vorzugsweise jeweils einen Antennenkern aufweisen, der so bemessen ist, dass er der Nennabmessung des Antennenkerns entspricht und nur mit dem Balun plattiert ist (siehe 4). Bezogen auf 4 weist der Testkern 12T neben einer plattierten Balunhülse 20T auch eine plattierte proximale Fläche 12PT auf. Der innere Kanal 14T des Kerns 12T kann zwischen der proximalen Fläche 12PT und der Höhe der Oberkante 20UT der Balunhülse 12T plattiert sein; er kann jedoch auch, wie in 4 gezeigt, über seine gesamte Länge mit einer metallischen Auskleidung 16T versehen sein. Die Außenflächen des Kerns 12T distal der Balunhülse 20T werden vorzugsweise nicht plattiert.

Der Kern 12T wird durch Pressen oder Extrudieren aus der Keramikmaterial-Charge auf seine Nennabmessungen hergestellt, und die Balunhülse wird in einer nominellen axialen Länge plattiert. Diese Struktur bildet einen Viertelwellen-Resonator, der mit einer Wellenlänge &lgr; entsprechend etwa dem Vierfachen der elektrischen Länge der Hülse 20T schwingt, wenn die Einspeisung am proximalen Ende des Kanals 14T erfolgt, wo er auf die proximale Endfläche 12PT des Kerns trifft.

Als nächstes wird die Resonanzfrequenz des Testresonators gemessen. Dies kann gemäß dem Diagramm in 5 erfolgen, indem die Wobbelfrequenzquelle 30S eines Netzwerk-Analysators 30 an den Resonator, hier angegeben durch die Bezugszahl 32T, angeschlossen wird, z.B. mit einem Koaxialkabel 34, dessen äußere Schirmung über die Länge des kurzen Endstücks 34E entfernt worden ist. Das Endstück 34E wird in das proximale Ende des Kanals 14T (siehe 4) eingesteckt, wobei die äußere Schirmung des Kabels 34 mit der metallisierten Schicht 16T neben der proximalen Fläche 12PT des Kerns 12T verbunden wird und der innere Leiter des Kabels 34 ungefähr mittig in dem Kanal 14T liegt, um eine kapazitive Kopplung der Wobbelfrequenzquelle im Inneren des Kanals 14T zu bewirken. Ein weiteres Kabel 36, an dessen Endteil die äußere Schirmung in gleicher Weise entfernt worden ist, wird an die Signalrückleitung 30R des Netzwerk-Analysators 30 angeschlossen und in das distale Ende des Kanals 14T des Kerns 12T eingesteckt. Der Netzwerk-Analysator 30 wird auf Messung der Signalübertragung zwischen der Quelle 30S und der Rückleitung 30R eingestellt, und bei der Viertelwellen-Resonanzfrequenz wird ein charakteristischer Sprung beobachtet. Alternativ kann der Netzwerk-Analysator auch auf Messung des reflektierten Signals an der Wobbelfrequenzquelle 30S unter Verwendung des in 6 gezeigten Aufbaus mit einem Kabel eingestellt werden. Auch in diesem Fall kann eine Resonanzfrequenz gemessen werden.

Die tatsächliche Resonanzfrequenz des Testresonators hängt von der Dielektrizitätszahl des Keramikmaterials ab, aus dem der Kern 12T besteht. Eine experimentell hergeleitete oder berechnete Beziehung zwischen einer Abmessung der Balunhülse 20T, z.B. ihrer axialen Länge, auf der einen Seite und der Resonanzfrequenz auf der anderen kann verwendet werden, um festzustellen, wie die betreffende Abmessung für eine bestimmte Charge Keramikmaterial geändert werden muss, um die gewünschte Resonanzfrequenz zu erhalten. Somit kann die gemessene Frequenz zur Berechnung der erforderlichen Balunhülsen-Abmessung für alle aus der betreffenden Charge herzustellenden Antennen herangezogen werden.

Diese an dem einfachen Testresonator gemessene Frequenz kann auch verwendet werden, um die Abmessungen der Strahlungselementstruktur der Antenne zu korrigieren, insbesondere die axiale Länge der distal der Hülse 20 (Bezugszahlen aus 1 und 2) auf die zylinderförmige Außenfläche des Kerns plattierten Antennenelemente 10A bis 10D. Eine solche Kompensation der von Charge zu Charge schwankenden relativen Dielektrizitätskonstante lässt sich erreichen, indem man die Gesamtlänge des Kerns in Abhängigkeit von der für den Testresonator ermittelten Resonanzfrequenz korrigiert.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann je nach der Genauigkeit, mit der die Frequenzkennlinie der Antenne einzustellen ist, eventuell auf das vorstehend mit Bezugnahme auf 3 beschriebene Laser-Trimmverfahren verzichtet werden. Obwohl es möglich ist, eine komplette Antenne als Prüfmuster zu verwenden, bietet die Verwendung eines Resonators gemäß der vorstehenden Beschreibung mit Bezugnahme auf 4, d.h. ohne eine Strahlungselementstruktur, den Vorteil, dass wegen des Fehlens von Störresonanzen aufgrund der Strahlungsstruktur eine einfache Resonanz ermittelt und gemessen werden kann.

Die vorstehend beschriebene Balun-Anordnung der Antenne, die auf denselben Kern wie die Antennenelemente plattiert ist, wird gleichzeitig mit den Antennenelementen gebildet und weist, da sie integraler Bestandteil des Rests der Antenne ist, deren Robustheit und elektrische Stabilität auf. Weil sie eine plattierte äußere Hülle für den proximalen Teil des Kerns 12 bildet, kann sie zur direkten Montage der Antenne auf einer gedruckten Leiterplatte wie in 2 gezeigt verwendet werden. Soll die Antenne z.B. am Ende angebracht werden, kann die proximale Stirnfläche 12P direkt auf eine Masseebene an der Oberseite einer gedruckten Leiterplatte 24 (in 2 gestrichelt dargestellt) aufgelötet werden. Der innere Einspeiseleiter 18 wird direkt durch ein plattiertes Loch 26 in der Leiterplatte geführt und an einer Leiterbahn auf der Unterseite angelötet. Da die Leiterhülse 20 auf einem massiven Kern aus einem Material mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante gebildet wird, sind die Abmessungen der Hülse zur Erzielung der erforderlichen Phasenverschiebung von 90 Grad deutlich kleiner als bei einem entsprechenden Balun-Glied in Luft. Der elektrische Abstand zwischen dem Einspeiseschirm 16 am proximalen Ende des Kerns 12 und der Oberkante 20U beträgt &lgr;/4. Folglich ist die Kante 20U elektrisch gegen Masse isoliert. Die Ströme in den wendelförmigen Elementen 10A bis 10D fließen ringförmig an der Oberkante 20U und summieren sich zu null.

Erfindungsgemäß können alternative Balun- und Einspeisestrukturen verwendet werden. Beispielsweise kann die Speisestruktur mit einem zumindest teilweise außerhalb des Antennenkerns 12 montierten Balun verbunden sein. Daher kann ein Balun durch Aufteilen des koaxialen Speisekabels in zwei koaxiale Übertragungsleitungen, die parallel wirken, verwirklicht werden, von denen eine um eine elektrische Länge von &lgr;/2 länger ist und wobei die anderen Enden dieser parallel angeschlossenen koaxialen Übertragungsleitungen mit ihren Innenleitern an zwei Innenleiter angeschlossen sind, welche durch den Kanal 14 im Kern 12 zum Anschluss der entsprechenden Paare der radialen Antennenelemente 10AR, 10DR, 10BR, 10CR hindurchtreten.

Als weitere Alternative können die Antennenelemente 10A bis 10D direkt an einem Ringleiter an der proximalen Kante der zylinderförmigen Oberfläche des Kerns 12 geerdet werden, wobei ein Balun durch eine Verlängerung der Einspeisestruktur mit einem Koaxialkabel gebildet wird, das z.B. zu einer Spirale an der proximalen Endfläche 12P des Kerns geformt ist, so dass das Kabel spiralförmig nach außen vom inneren Kanal 14 des Kerns weg verläuft und mit dem Ringleiter an der Außenkante der Endfläche 12P zusammentrifft, wo die Schirmung des Kabels mit dem Ringleiter verbunden ist. Die Länge des Kabels zwischen dem inneren Kanal 14 des Kerns 12 und der Verbindung zu dem Ring ist so gestaltet, dass sie bei der Betriebsfrequenz &lgr;/4 (elektrische Länge) beträgt.

Mit allen diesen Anordnungen wird die Antenne für zirkular polarisierte Signale konfiguriert. Eine solche Antenne kann auch vertikal und horizontal polarisierte Signale empfangen. Die Antenne kann direkt an eine einfache Koaxial-Einspeisestruktur angeschlossen werden, wobei der innere Leiter der Einspeisestruktur an der oberen Fläche des Kerns 12 mit allen vier radialen Antennenelementen 10AR bis 10DR verbunden ist und die Koaxial-Einspeiseschirmung über radiale Leiter auf der proximalen Fläche 12P des Kerns 12 mit allen vier sich längs erstreckenden Elementen 10A bis 10D verbunden ist. Bei weniger kritischen Anwendungen brauchen die Elemente 10A bis 10D in der Tat nicht wendelförmig ausgeführt zu sein, sondern es reicht aus, dass die Antennen-Elementstruktur als Ganzes, bestehend aus den Elementen und deren Verbindungen zu der Einspeisestruktur, eine dreidimensionale Struktur aufweist, um auch vertikal und horizontal polarisierte Signale empfangen zu können. So ist es z.B. möglich, eine Antennen-Elementstruktur zu verwenden, die aus zwei oder mehr Antennenelementen besteht, die jeweils einen oberen radialen Verbindungsteil wie bei der gezeigten Ausführungsform aufweisen, aber auch einen ähnlichen unteren radialen Verbindungsteil und einen geraden, zur Mittelachse parallelen Abschnitt, der die radialen Teile miteinander verbindet. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich. Diese vereinfachte Struktur ist besonders für die Mobilfunktelefonie geeignet. Ein bemerkenswerter Vorteil der Antenne bei Mobiltelefonen besteht darin, dass der dielektrische Kern ein Verstimmen weitgehend verhindert, wenn die Antenne nahe an den Kopf des Benutzers gebracht wird. Dies ist ein weiterer Vorteil neben den kompakten Abmessungen und der Robustheit der Antenne.

Was die Einspeisestruktur im Kern 12 angeht, so kann es in bestimmten Situationen sinnvoll sein, ein vorgeformtes Koaxialkabel zu verwenden, das in den Kanal 14 eingesteckt wird, wobei mit dem an dem den radialen Elementen 10AR bis 10DR gegenüberliegenden Ende austretenden Kabel eine Verbindung z.B. zu einer Empfängerschaltung hergestellt werden kann, und zwar auf andere Weise als durch den direkten Anschluss an eine gedruckte Leiterplatte wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In diesem Fall sollte der äußere Schirm des Kabels an zwei, vorzugsweise mehreren, voneinander beabstandeten Stellen mit der Kanalauskleidung 16 verbunden werden.

Bei den meisten Anwendungen ist die Antenne von einer Schutzhülle umgeben, bei der es sich typischerweise um eine dünne Kunststoffabdeckung mit oder ohne dazwischen liegenden Freiraum handelt, die die Antenne umgibt.