EP1851823B1

EP1851823B1 - Doppelspiralantenne

Info

Publication number: EP1851823B1
Application number: EP06706941A
Authority: EP
Inventors: Hans Adel; Rainer Wansch; Josef Bernhard; Thomas Fischer
Original assignee: Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: WO2006089666A1; ATE413698T1; DK1851823T3; EP1851823A1; DE102005008063B4; DE102005008063A1; US7646356B2; DE502006002001D1; US20080272980A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Antenne, im Speziellen auf eine Antenne für eine drahtlose Datenübertragung zu einem Hörgerät.
Gegenwärtig existiert eine Vielzahl von tragbaren Geräten, von denen und zu denen auf drahtlosem Wege Daten übertragen werden sollen. Hierbei bietet es sich an, die Datenübertragung durch eine elektromagnetische Koppelung zu realisieren. Besondere Schwierigkeiten entstehen dabei, wenn die verwendeten Geräte sehr klein sind, da es in einem solchen Fall problematisch ist, eine Antennenstruktur in ein betreffendes Gerät zu integrieren. Ein wichtiges Beispiel für ein sehr kleines Gerät, bei dem eine drahtlose Datenübertragung erforderlich ist, ist ein Hörgerät.
Gemäß dem Stand der Technik werden für eine Datenübertragung zu einem Hörgerät in der Praxis häufig induktive Übertragungsstrecken realisiert. Hierzu ist in das Hörgerät eine Induktionsschleife integriert. Allerdings erfordert eine derartige induktive Übertragung von Sprache bzw. von Daten zu dem Hörgerät spezielle Installationen in dem entsprechenden Raum, in dem die drahtlose Sprach- oder Datenübertragung stattfinden soll.
Bei einer anderen Ausführungsform von drahtlosen Funkübertragungssystemen werden in den Hörgeräten magnetische Antennen verwendet. Solche koppeln im Wesentlichen mit den magnetischen Komponenten eines elektromagnetischen Feldes und sind meist als Leiterschleifen ausgeführt. Derartige Funkübertragungssysteme arbeiten meist bei Frequenzen, die deutlich niedriger als die im Mobilfunk verwendeten Frequenzen sind, z.B. im VHF-Band bei 174 MHz.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 326 302 A2 beschreibt eine fraktale Antennenstruktur, die auf einer integrierten Schaltung realisiert ist, und die in einem Hörgerät eingesetzt werden kann. Allerdings kommen die in der genannten Druckschrift beschriebenen fraktalen Antennen nur für deutlich höhere Frequenzen in Frage.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antenne zu schaffen, die in ein tragbares Gerät integrierbar ist, und die kleinere maximale geometrische Abmessungen aufweist als eine Dipolantenne für eine entsprechende Frequenz.
Diese Aufgabe wird durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Antenne mit einem ersten Strahler, der eine erste Spirale aufweist, und einem zweiten Strahler, der eine zweite Spirale aufweist, wobei der erste Strahler an einem äußeren Ende der ersten Spirale einen ersten Speisepunkt aufweist und an einem inneren Ende der ersten Spirale ein offenes Ende aufweist, und wobei der zweite Strahler an einem äußeren Ende der zweiten Spirale einen zweiten Speisepunkt aufweist und an einem inneren Ende der zweiten Spirale ein offenes Ende aufweist.
Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass eine lineare Antenne dadurch in ihren maximalen Abmessungen verkleinert werden kann, dass die beiden Strahler in der Form einer Spirale ausgeführt werden. Hierbei weisen die beiden Strahler je einen Speisepunkt auf, der an dem äußeren Ende der jeweiligen Spirale gelegen ist. Die inneren Enden der beiden Spiralen laufen hingegen leer. Ein Aufwickeln der beiden Strahler resultiert im Gegensatz zu einem bloßen Verkürzen der beiden Strahler in einer Antenne, deren Speisepunkt-Impedanz problemlos an praktisch verwendete Übertragungsleitungen bzw. Sende- oder Empfangsstufen anpassbar ist.
Eine erfindungsgemäße Auslegung einer Antenne ermöglicht es somit, dieselbe vollständig in ein mobiles Gerät, das eine drahtlose Informationsübertragung aufweist, zu integrieren. Die erfindungsgemäße Antennenstruktur kann dabei aufgrund der geringen Abmessungen und der Flexibilität bei der geometrischen Auslegung in ein Kunststoffgehäuse integriert werden. Somit kann eine Antenne entworfen werden, die von außen völlig unsichtbar ist. Weiterhin ist festzuhalten, dass eine erfindungsgemäße Antenne an ihren Speisepunkten ein im Wesentlichen symmetrisches elektrisches Verhalten, bezogen auf ein festes äußeres Bezugspotential, aufweist. Die Speisung der Antenne kann symmetrisch ausgelegt werden, wodurch Störungen in einem Empfangsteil verringert werden können. Ebenso ermöglicht es eine erfindungsgemäße Antennenauslegung, eine Antennenstruktur als Schlitzantenne in einer Metalloberfläche zu realisieren. Dies ist aufgrund des Dualitätsprinzips möglich und erlaubt eine größtmögliche Flexibilität bei dem Entwurf einer Antenne.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne beträgt ein Abstand zwischen dem ersten Speisepunkt und dem zweiten Speisepunkt mindestens das 0,005-fache der Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz, für die die Antenne ausgelegt ist. Ein derartiger Abstand der Speisepunkte stellt sicher, dass die Eingangsimpedanz der Antenne in einem technisch vorteilhaften Bereich liegt, so dass eine Impedanzanpassung mit einfachen Mitteln möglich ist. Weiterhin gewährleistet ein Abstand der Speisepunkte von mehr als 5*10^-3 mal der Freiraumwellenlänge eine gute Reproduzierbarkeit der Antennenstruktur.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen einem Schwerpunkt der ersten Spirale und einem Schwerpunkt der zweiten Spirale größer als die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, dessen erste Kathete eine Länge aufweist, die gleich dem halben Durchmesser der ersten Spirale ist, und dessen zweite Kathete eine Länge aufweist, die gleich dem halben Durchmesser der zweiten Spirale ist. Hierbei ist der Schwerpunkt einer Spirale definiert als ein geometrischer Schwerpunkt einer Linie, die den Verlauf der Spirale beschreibt. Der Durchmesser einer Spirale ist definiert als der maximale Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten, die Teil der Spirale sind. Eine entsprechende Auslegung der Antenne stellt sicher, dass die erste Spirale und die zweite Spirale einen ausreichenden Abstand haben, und dass keine zu starke direkte Koppelung zwischen den beiden Spiralen besteht. Eine starke Koppelung der beiden Spiralen verringert nämlich gerade bei sehr kleinen Geometrien die Effektivität der Abstrahlung und führt zu einer ungünstigen Speisepunktimpedanz.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Antenne so ausgelegt, dass eine Parallelprojektion einer ersten Spulenträgerfläche in Richtung einer ersten Spulenachse eine zweite Spulenträgerfläche meidet, und dass eine Parallelprojektion der zweiten Spulenträgerfläche in Richtung einer zweiten Spiralenachse die erste Spiralenträgerfläche meidet. Eine Spiralenträgerfläche ist hierbei definiert als eine Fläche, die durch die äußerste Spiralenwindung einer Spirale begrenzt ist und unter Minimierung der Oberfläche eine einfach zusammmenhängende Fläche bildet, in der die Spirale enthalten ist. Mit anderen Worten, eine Spiralenträgerfläche ist eine Fläche von näherungsweise kreisförmiger Gestalt, die geeignet ist, eine Spirale zu tragen. Eine Spiralenachse kann konstruiert werden, indem die Spirale abschnittsweise durch einen Kreis angenähert wird, und indem ein Normalenvektor gebildet wird, der senkrecht auf der Ebene steht, in der der Näherungskreis liegt. Eine Mittelung der Normalenvektoren für verschiedene Abschnitte der Spirale ergibt dann die Richtung der Spiralenachse. Falls die Spirale in einer Ebene liegt, so hat die Spiralenachse einfach die Richtung einer Normale zu dieser Ebene. Liegt die Spirale hingegen auf einer gekrümmten Oberfläche, so ist die Spiralenachse näherungsweise gleich der gemittelten Oberflächennormale über den Bereich, in dem sich die Spirale befindet. Eine derartige Auslegung der Antenne stellt sicher, dass die Antenne als strahlungsfähiger elektrischer Dipol wirkt, und dass die beiden Spiralen nicht näherungsweise parallel angeordnet sind.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der erste Strahler und der zweite Strahler elektrisch leitfähige Strukturen. Genauso ist es allerdings möglich, dass der erste Strahler und der zweite Strahler strahlende Schlitze sind, die von einer leitfähigen Struktur umgeben sind. Somit ist es möglich, eine erfindungsgemäße Antennenanordnung entsprechend dem Grundsatz der Dualität auch als Schlitzantenne auszuführen.
Erfindungsgemäßer Weise werden also die Strahler einer Antenne dadurch gebildet, dass die beiden Arme eines gestreckten linearen Strahlers zu einer ersten Spirale und einer zweiten Spirale aufgewickelt werden. Das Aufwickeln ist hierbei allerdings nicht in einem physikalischen Sinne als eine Materialbearbeitung anzusehen, sondern als ein Vorgehen bei dem Entwurf der Antenne, sodass definitionsgemäß auch eine Metallisierungsschicht, eine flache Metallfolie, ein Draht oder ein vergleichbares leitendes Material als aufgewickelt betrachtet werden kann. Das gleiche gilt für einen Schlitz in einer leitenden Struktur. Eine fertigungstechnische Bearbeitung kann beispielsweise durch ein Beschichten in Verbindung mit einem photolithographischem Strukturieren, ein Schneiden, ein Stanzen oder ein anderes Herstellungsverfahren erfolgen. Weiterhin ist festzuhalten, dass das Aufwickeln der beiden Arme des gestreckten linearen Strahlers nicht gemeinsam, sondern getrennt voneinander erfolgt. Somit sind die beiden Spiralen, die den ersten Strahler und den zweiten Strahler bilden, nicht gemeinsam bzw. ineinander gewickelt, sondern liegen als getrennte Spiralen vor. Sie sind also räumlich beabstandet.
Die erste Spirale und die zweite Spirale weisen bevorzugterweise einen gleichen Wickelsinn bzw. Umlaufsinn bzw. Drehsinn auf. Dies resultiert, zumindest näherungsweise, in einer Punktsymmetrie der Anordnung und führt zu besonders vorteilhaften Abstrahleigenschaften der Antenne. Zur Bestimmung des Umlaufsinns werden zwei Spiralen, die nicht in einer Ebene liegen, durch eine Parallelprojektion in eine Ebene abgebildet, wobei die parallelen Projektionsstrahlen stets in die gleiche Richtung verlaufen und die gleiche Orientierung aufweisen. Der Umlaufsinn der Projektion repräsentiert dann den Umlaufsinn der beiden Spiralen. Zwei Spiralen in einer Ebene haben dann den gleichen Umlaufsinn, wenn beide Spiralen von ihrem inneren Ende zu ihrem äußeren Ende mit dem gleichen qualitativen Krümmungsverhalten (link-gekrümmt oder rechts-gekrümmt) durchlaufen werden.
Weiterhin wird es bevorzugt, die Antenne so auszulegen, dass sie an dem ersten Speisepunkt und dem zweiten Speisepunkt ein bezüglich eines Bezugspotentials im Wesentlichen symmetrisches elektrisches Verhalten aufweist. Dies ermöglicht eine symmetrische Speisung der Antenne und macht im Vergleich zu unsymmetrischen Antennen eine großflächige Bezugspotentialfläche überflüssig. Die Vermeidung einer ausgedehnten Bezugspotentialfläche ist gerade bei sehr kleinen Geräten vorteilhaft, da diese bezüglich ihrer Abmessungen kleiner sind als die Wellenlänge der verwendeten Sendefrequenzen, und da solche Geräte oft keine größeren metallischen oder metallisierten Gehäuseteile aufweisen.
Weiterhin wird es bevorzugt, dass der erste Strahler und der zweite Strahler auf einer Oberfläche eines dielektrischen Materials gebildet sind. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Anbringung einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur auf einem dielektrischen Trägermaterial die Antenneneigenschaften nicht wesentlich verschlechtert. Die Verwendung eines Trägermaterials ist vorteilhaft, da dies sowohl die mechanische Stabilität der Antenne gegenüber einer freitragenden Metallisierungsstruktur verbessert, als auch die Herstellung erleichtert. So können nämlich beispielsweise die metallischen Strukturen durch ein Beschichtungsverfahren (z.B. Aufdampfen, Laminieren, Kleben) auf die Oberfläche des dielektrischen Materials aufgebracht und anschließend strukturiert werden. Es ist also nicht die separate Herstellung einer Metallisierungsstruktur erforderlich, die sehr schwer zu handhaben und mechanisch instabil wäre.
Weiterhin wird es bevorzugt, dass die Oberfläche des dielektrischen Materials, auf dem der erste Strahler und der zweite Strahler gebildet sind, gewölbt ist. Somit kann die erfindungsgemäße Antennenstruktur ohne Probleme an die Topologie einer bestehenden Oberfläche angepasst werden. Dies ist besonders wichtig bei der Realisierung einer Antenne auf oder in dem Gehäuse eines Geräts, wobei die Formgebung des Gehäuses meist einer Vielzahl von Kriterien gehorchen muss.
Daneben ist es vorteilhaft, den ersten Strahler und den zweiten Strahler in einem Gehäuse eines elektronischen Geräts zu integrieren, das aus einem dielektrischen Material gebildet ist, und das eine elektrische Schaltung häust. Es ist nämlich nicht nur möglich, die erfindungsgemäße Antennenstruktur an der Oberfläche eines dielektrischen Trägermaterials anzubringen, sondern es ist auch möglich, diese in das Trägermaterial, also in das Gehäuse, zu integrieren. Eine solche Auslegung kann bei manchen Anwendungen sehr große Vorteile bringen, da die Antenne hierbei erstens gegenüber äußeren Einflüssen und Beschädigungen geschützt ist und da die Antenne zweitens von außen nicht mehr sichtbar ist. Die Abstrahlungseigenschaften der Antenne werden nicht wesentlich verschlechtert, wenn das Gehäuse hinreichend dünn ist.
Ferner hat es sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Antenne vorteilhaft an der Oberfläche eines Gehäuses, das Teil einer Hinterohr-Hörhilfe ist, angeordnet werden kann. Eine solche Hinterohr-Hörhilfe ist typischerweise ausgelegt, um hinter einer Ohrmuschel eines Menschen getragen zu werden. Es hat sich gezeigt, dass die Anpassungs- und Abstrahlungseigenschaften einer erfindungsgemäßen Antenne auch in diesem schwierigen Betriebsumfeld gut sind.
Schließlich wird es bevorzugt, dass die Arbeitsfrequenz einer erfindungsgemäßen Antenne zwischen 500 MHz und 6 GHz liegt. Weiterhin wird es bevorzugt, dass die Antenne eine maximale Abmessung von weniger als 10 cm aufweist. Damit kann die erfindungsgemäße Antenne in portablen Geräten eingesetzt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Antenne eine maximale Abmessung von weniger als einem Fünftel einer Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz, bei der die Antenne betrieben wird, aufweist. In diesem Fall ist die Spirale eng genug gewickelt, um eine geeignete Feldverteilung zu erzielen. Im übrigen tritt der Größenvorteil einer erfindungsgemäßen Antenne im Vergleich zu einer herkömmlichen Dipolantenne am stärksten in den Vordergrund, wenn die Antenne klein gegenüber der Freiraumwellenlänge ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, angeordnet auf dem Gehäuse eines Hörgeräts;
Fig. 3: eine fotografische Abbildung eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, angeordnet auf dem Gehäuse eines Hörgeräts;
Fig. 4a: ein Blockschaltbild eines elektrischen Messaufbaus zur Bestimmung des Eingangsreflexionsfaktors einer erfindungsgemäßen Antenne; und
Fig. 4b: eine grafische Darstellung des Eingangsreflexionsfaktors in logarithmierter Form über der Frequenz für eine erfindungsgemäße Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antenne ist in ihrer Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Sie weist einen ersten Strahler 110 sowie einen zweiten Strahler 112 auf. Der erste Strahler 110 weist eine erste Spirale 120 sowie einen ersten Speisepunkt 122 auf. Der erste Speisepunkt 122 ist an dem äußeren Ende 124 der ersten Spirale 120 gelegen. Das innere Ende 126 der ersten Spirale 120 hingegen ist offen. Der zweite Strahler 112 ist ähnlich dem ersten Strahler 110 aufgebaut und weist eine zweite Spirale 130 sowie einen zweiten Speisepunkt 132 auf. Der zweite Speisepunkt 132 ist an dem äußeren Ende 134 der zweiten Spirale 130 angeordnet. Das innere Ende 136 der zweiten Spirale 130,ist offen.
Bei dem ersten Strahler 110 sowie dem zweiten Strahler 112 handelt es sich bevorzugt um eine elektrisch leitende Anordnung. Es kann aber auch ein strahlender Schlitz, der von einer leitenden Struktur, beispielsweise einer Metallisierung, umgeben ist, verwendet werden. Ist der Strahler durch eine leitende Struktur gebildet, so kann diese in einer Vielzahl von Technologien hergestellt sein. Beispielsweise können die Spiralen 110, 112 durch einen entsprechend geformten Draht gebildet sein. Genauso gut kann eine bearbeitete Folie aus einem leitfähigen Material (z.B. Kupferfolie) verwendet werden, um die leitfähigen Spiralen herzustellen. Weiterhin kann die Strahlerstruktur durch eine dünne leitende Schicht gebildet sein, die bei der Herstellung auf ein Trägermaterial aufgebracht und dann strukturiert worden ist.
Die leitfähige Struktur kann entweder freitragend (d.h. nur an einem oder wenigen Befestigungspunkten festgemacht) sein oder auf ein Trägermaterial aufgebracht sein. Es ist im Übrigen nicht nötig, dass die beiden Strahler 110, 112 in einer Ebene liegen. Vielmehr können diese gegeneinander geneigt sein oder dem Verlauf einer gekrümmten Oberfläche angepasst sein, solange sich der Verlauf der elektrischen und magnetischen Feldlinien nicht grundsätzlich gegenüber dem gezeigten Ausführungsbeispiel verändert.
Die Ankoppelung der beiden Strahler 110, 112 an eine Übertragungsleitung oder eine zugehörige Schaltungsanordnung kann an den Speisepunkten 122, 132 erfolgen. Diese liegen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel an dem äußeren Ende 124 der ersten Spirale 120 sowie an dem äußeren Ende 134 der zweiten Spirale 130. Die Ankoppelung kann beispielsweise über ein Paar von Leitungen erfolgen, das in der gleichen Ebene bzw. auf der gleichen Materialoberfläche liegt wie die beiden Strahler 112,112 selbst. Daneben ist es aber auch möglich, dass die Zuführung senkrecht zu der Ebene bzw. Fläche, in der die beiden Strahler 110, 112 liegen, erfolgt. Zu diesem Zweck können beispielsweise Durchkontaktierungen an den äußeren Enden 124, 134 der beiden Spiralen 120, 130 vorhanden sein. Auch gemischte Lösungen, bei denen ein Teil der Speisestruktur in einer Strahlerebene liegt und ein anderer Teil der Speisestruktur außerhalb dieser Ebene oder Fläche angeordnet ist, sind möglich. Auch Speiseleitungen, die Schräg zu der Antennenebene verlaufen, sind durchaus möglich. Im übrigen kann die Speisestruktur Anpassschaltungen (z.B. Leitungen mit veränderlicher Breite, Stichleitungen oder konzentrierte Elemente) umfassen. Daneben ist es möglich, dass eine Ankopplung der Spiralen nicht an dem äußersten Ende erfolgt, sondern beabstandet von dem Ende. Dadurch kann gegebenenfalls eine Impedanzanpassung erfolgen, wenn diese nicht schon durch die Geometrie der Strahler gewährleistet ist. Im Hinblick auf eine solche Ausführungsform ist das äußere Ende der Spirale nicht in einem engen geometrischen Sinne als ein Punkt anzusehen, sondern als eine Region, die sich von dem äußersten Ende der Spirale etwa 1/10 der Freiraumwellenlänge, gemessen entlang dem Verlauf der Spirale, zu dem inneren Ende der Spirale hin erstreckt.
Ist der Strahler durch einen strahlenden Schlitz gebildet, so erfolgt die Ankoppelung über eine beliebige Anordnung, die zur Anregung einer Schlitzantenne geeignet ist, wobei die Speisestruktur an die Speisepunktimpedanz der Schlitzantenne angepasst ist, oder ausgelegt ist, um eine Impedanztransformation auf eine bevorzugte Impedanz zu erreichen.
Weiterhin ist es möglich, dass die Breite der Spiralen von dem äußeren Ende zu dem inneren Ende hin variiert. Insbesondere ist es je nach Anwendungsfall möglich, dass die Breite der Spiralen (d.h. die Breite der leitenden Struktur oder des strahlenden Schlitzes) an den inneren Enden 126, 136 größer oder kleiner ist, als die Breite der Spiralen an den äußeren Enden 124, 134. Durch eine solche Maßnahme kann beispielsweise ein Impedanzverlauf oder die Bandbreite der Antenne verbessert werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 100 einer erfindungsgemäßen Antenne weisen die beiden Spiralen 120, 130 einen gleichen Umlaufsinn auf. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass der Umlaufsinn einer Spirale verändert ist, dass also die beiden Spiralen 120,130, die die Antenne bilden, entgegengesetzten Umlaufsinn aufweisen.
Basierend auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Antenne beschrieben.
Die erfindungsgemäße Antenne basiert auf einer Dipolantenne, wobei die Arme einer linearen Dipolantenne zu Spiralen 120, 130 aufgewickelt sind. Dadurch wird die maximale Abmessung der Antenne gegenüber einer gestreckten Dipolantenne verkleinert. Da die erfindungsgemäße Antenne im Wesentlichen auf einer Dipolantenne basiert, handelt es sich um eine symmetrische Antenne. Das elektrische Verhalten an den Speisepunkten 122, 132 ist also im Wesentlichen symmetrisch bezüglich eines Bezugspotentials, wobei eventuelle geometrische Asymmetrien sich freilich auf die elektrischen Eigenschaften auswirken.
Die Funktionsweise der vorliegenden Antenne kann ansatzweise verstanden werden, indem von einer herkömmlichen Dipolantenne mit Verkürzungsspulen ausgegangen wird. Bei einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung ist allerdings der gesamte Dipol aufgewickelt. Die Wickelachse ist hierbei näherungsweise senkrecht zu der Ebene bzw. Fläche, in der die jeweilige Spirale gelegen ist. Herkömmliche Verkürzungsspulen hingegen sind entweder als konzentrierte Elemente oder als eine Mehrzahl von Windungen ausgeführt und meist in der Nähe des Speisepunktes angeordnet, wobei die Abstrahlung im wesentlichen von dem verbleibenden gestreckten Dipol ausgeht.
Bei einer erfindungsgemäßen Antenne hingegen ist die Trennung zwischen einem der geometrischen Verkürzung dienenden aufgewickelten Bereich und einem gestreckten Strahler aufgehoben. Vielmehr ist ein gesamter Dipol aufgewickelt. Bei Verwendung einer Antennengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit aufgrund der besonders günstigen Feldverteilung ein Effekt erzielt, der von seiner Wirkung her eine Anpassung der Antenne an übliche Wellenleiterimpedanzen mit sich bringt.
Dadurch kann trotz geringer geometrischer Abmessungen der Antenne ein ausreichender Strahlungswirkungsgrad erreicht werden. Es kann weiterhin vermieden werden, dass ein großer Teil der Sendeleistung in einem Anpassnetzwerk verloren geht.
Die erfindungsgemäße Antenne kann freitragend verwendet, auf ein Substrat aufgebracht oder in ein Kunststoffgehäuse integriert werden. Es hat sich hierbei gezeigt, dass eine Montage der erfindungsgemäßen Antenne in einem Kunststoffgehäuse oder auf einem Kunststoffgehäuse keine unakzeptable Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften mit sich bringt. Somit ist die erfindungsgemäße Antenne beispielsweise für den Einsatz in kleinen portablen Geräten wie Hörgeräten, Pagern und Mobiltelefonen gut geeignet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, angeordnet auf dem Gehäuse eines Hörgeräts. Die Anordnung ist in ihrer Gesamtheit mit 200 bezeichnet.
Die gezeigt Anordnung 200 umfasst eine Spiralantenne 210, die auf dem Hörgerätekörper 220 eines Hörgeräts 240 angebracht ist. Der Hörgerätekörper 220 bildet zusammen mit dem Ohrpass-Stück 230 und der Spiralantenne 210 das Hörgerät 240.
Die Spiralantenne 210 besteht aus zwei Strahlern 110, 112. Da die Spiralantenne 210 der anhand von Fig. 1 beschriebenen Spiralantenne 100 von ihren Bestandteilen her entspricht, sind gleiche Einrichtungen in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht mehr näher erläutert.
Die Anordnung 200 zeigt also, wie eine erfindungsgemäße Spiralantenne 210 auf einem Hörgerät 240 aufgebaut werden kann. Bemerkenswert ist hierbei, dass die beiden Spiralen 120, 130 an die Form des Hörgerätekörpers 220 angepasst sein können.
Bei der gezeigten Realisierung ist die Spiralantenne 210 auf der Außenseite des Hörgerätekörpers 220 aufgebracht. Es ist aber genauso gut möglich, dass die Antenne auf der Innenseite des Hörgerätegehäuses ausgebildet ist. Ebenso ist es denkbar, dass die Spiralantenne 210 zwischen mehreren Schichten des Hörgerätegehäuses eingebettet ist, so dass beispielsweise eine Schutzschicht die Spiralenantenne 210 schützt. Die Schutzschicht kann gleichzeitig dazu dienen, das Aussehen des Hörgeräts 240 den Wünschen der Benutzer anzupassen.
Die Spiralantenne 210 ist in Verbindung mit dem Hörgerät 240 bevorzugterweise ausgelegt, um ein Sprach- oder Datensignal, das drahtlos übertragen wird, zu empfangen und an eine Elektronik in dem Hörgerät weiterzuleiten. Ein empfangenes Sprachsignal kann hierbei über das Ohrpass-Stück 230 an den Gehörgang eines Benutzers des Hörgeräts 240 ausgegeben werden. Drahtlos übertragene Datensignale können ferner verwendet werden, um Einstellungen des Hörgeräts 240 zu beeinflussen und beispielsweise entsprechend den Wünschen des Benutzers anzupassen.
Die Spiralantenne 210 kann sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, Statusinformationen von dem Hörgerät zu einem Empfänger zu übertragen. Aufgrund der Reziprozität kann die Spiralantenne 210 sowohl als Sendeantenne als auch als Empfangsantenne genutzt werden, wobei Senden und Empfangen gleichzeitig oder im Zeitmultiplex erfolgen können.
Für entsprechende Anwendungen wird es bevorzugt, die Spiralantenne für eine Betriebsfrequenz auszulegen, die zwischen 500 MHz und 6 GHz liegt. Beispielsweise ist es vorteilhaft, das ISM-Band bei 868 MHz zu benützen. Auch können beispielsweise Frequenzbänder benutzt werden, die für medizinische Anwendungen reserviert sind.
Bei einem Einsatz einer erfindungsgemäßen Spiralantenne 210 in Verbindung mit einem Hörgerät 240 oder mit anderen mobilen Sende- und/oder Empfangsgeräten wie Pagern und Mobiltelefonen ist die Größe der gesamten Spiralantennenstruktur auf weniger als 10 cm beschränkt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die erfindungsgemäße Antennenstruktur trotz der geringen Abmessungen hinreichend gute Eigenschaften aufweist. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass die Gesamtgröße der Antennenstruktur bei einem Einsatz in Verbindung mit einem Hörgerät 1/16 der Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz der Antenne nicht unterschreiten sollte, sofern 1/16 der Freiraumwellenlänge kleiner als 2cm ist. Sofern bei niedrigen Frequenzen 1/16 der Freiraumwellenlänge größer ist als 2cm (die Freiraumwellenlänge also größer als 32cm ist), so beträgt die Gesamtgröße der Antennenstruktur bevorzugterweise mindestens 2cm. Die Antenne muss also in jedem Falle, auch bei niedrigen Frequenzen unter 1 GHz, kleiner als das Hörgerät sein. Eine Gesamtgröße der Antennenstruktur von etwa λ/5 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da hierbei ein bestmöglicher Kompromiss zwischen Platzbedarf der Antenne und Abstrahleigenschaften besteht.
Fig. 3 zeigt eine fotografische Abbildung eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, angeordnet auf dem Gehäuse eines Hörgeräts. Die Anordnung ist in ihrer Gesamtheit mit 300 bezeichnet. Da die Anordnung im Wesentlichen mit den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnungen 100, 200 übereinstimmt, sind gleiche Elemente hier mit gleichen Bezugszeichen versehen wie bei den oben beschriebenen Anordnungen 100,200 und werden hier nicht noch einmal erläutert.
Die gezeigte Anordnung 300 stellt einen Prototypen eines Hörgeräts mit einer daran angebrachten Spiralantenne 210 dar. Der Prototyp wurde mit einem elektromagnetischen Feldsimulator simuliert und aus einer selbstklebenden Kupferfolie ausgeschnitten und auf ein Hörgerät geklebt. Bemerkenswert ist hierbei die Speisung der beiden Strahler 110, 112. Die beiden Speisepunkte 122, 132 weisen Durchführungen auf, bei denen elektrische Verbindungen von den äußeren Enden 124, 134 der beiden Spiralen 120, 130 in das Innere des Hörgeräts geführt sind. Der Abstand d der beiden Speisepunkte beträgt etwa die Hälfte des Durchmessers der beiden Spiralen. Der Abstand der beiden Speisepunkte ist somit größer als dies bei einer herkömmlichen Dipolanordnung zu erwarten ist. Im Übrigen ist anzumerken, dass der minimale Abstand zwischen der ersten Spirale 120 und der zweiten Spirale 130 bevorzugterweise zwischen dem 0,3-fachen des Durchmesser einer Spirale und dem 0,5-fachen des Durchmessers einer Spirale liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass eine geeignete Verkoppelung zwischen den Spiralen gewährleistet ist, die eine optimale Abstrahlung ermöglicht.
Ein Abstand d der beiden Speisepunkte 122, 132 ist typischerweise kleiner als ein Durchmesser der ersten Spirale 110 und ferner kleiner als ein Durchmesser der zweiten Spirale 112. Es wird beispielsweise bevorzugt, dass der Abstand d der beiden Speisepunkte 122, 132 in einem Bereich zwischen 0,25 x dMIN und 0,75 x dMIN ist, wobei dMIN einen Durchmesser der kleineren der beiden Spiralen 110, 112 beschreibt, oder gleich dem Durchmesser der beiden Spiralen ist, falls die beiden Spiralen 110, 112 gleichen Durchmesser aufweisen.
Ferner wird es bevorzugt, dass die beiden Spiralen 110, 112 derart ausgelegt sind, dass eine Tangentialrichtung der ersten Spirale 120 an dem ersten Ende 124, also eine Richtung, die den Verlauf der Spirale an dem ersten Ende 124 beschreibt, mit einer Tangentialrichtung der zweiten Spirale 130 an dem zweiten Ende 134 einen spitzen Winkel einschließt, der nicht größer als 30° ist. In anderen Worten, die beiden Spiralen 110, 112 weisen an den äußeren Enden 124, 134, bzw. in einer Umgebung der Speisepunkte 122, 132 näherungsweise gleiche Richtungen auf. Somit fließen in den beiden Spiralen 110, 112 in der Umgebung der Speisepunkte 122, 132 die Ströme in näherungsweise gleiche Richtungen, wodurch eine Abstrahlung der beiden Spiralen 110, 112 in der Umgebung der Speisepunkte 122, 132 maximiert ist.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstand der beiden Speisepunkte 122, 132 in dem Bereich zwischen dem 0,4-fachen des Durchmessers einer der beiden Spiralen 110, 112 und dem 0,6-fachen des Durchmessers der entsprechenden Spirale 110, 112.
Durch die entsprechende Ausgestaltung wird im übrigen sichergestellt, dass die beiden Spiralen 110, 112 als zwei Arme einer Dipolantenne wirken.
Fig. 4a zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Messaufbaus zur Bestimmung des Eingangsreflexionsfaktors einer erfindungsgemäßen Antenne. Der Messaufbau ist in seiner Gesamtheit mit 400 bezeichnet.
Der Messaufbau umfasst eine erfindungsgemäße Antenne 410. Diese weist an ihren Speisepunkten 412, 414 ein näherungsweise symmetrisches elektrisches Verhalten auf. Daher ist die Antenne über einen Balun 420 mit einem Netzwerkanalysator 430 gekoppelt. Der Balun 420 umfasst hierbei beispielsweise einen Balun-Transformator, so dass auf seiten des Netzwerkanalysators ein unsymmetrisches Signal 434 zur Verfügung steht. Bei dem Netzwerkanalysator 430 kann es sich je nach den erforderlichen Messdaten um einen skalaren Netzwerkanalysator oder einen vektoriellen Netzwerkanalysator handeln.
Fig. 4b zeigt eine grafische Darstellung des Eingangsreflexionsfaktors (bzw. der Rückflussdämpfung) in logarithmierter Form über der Frequenz für eine erfindungsgemäße Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der vermessene Prototypen der erfindungsgemäßen Antenne wurde bei der Herstellung aus einer selbstklebenden Kupferfolie ausgeschnitten und auf ein Hörgerät geklebt. Ein Beispiel eines derartigen Prototypen ist in der Fig. 3 gezeigt. Für die Messung der Rückflussdämpfung, d.h. des Eingangsreflexionsfaktors in logarithmierter Form, wurde die Antenne 410 gemäß dem Messaufbau 400 über einen diskreten Balun 420 an den Netzwerkanalysator 430 angeschlossen (vgl. Fig. 4a). Ferner wurde das Hörgerät 240 mit der aufgeklebten Antenne 210 während der Messung an dem Ohr eines Probanden getragen, um die Auswirkungen des menschlichen Kopfes bzw. Ohres auf die Eigenschaften der Antenne mit zu berücksichtigen. Das Ergebnis der Messung ist in der grafischen Darstellung 510 gezeigt. An der Abszisse 520 ist hierbei die Frequenz in einem Bereich von 500MHz bis 1200MHz angetragen. Die Ordinate 522 zeigt die Rückflussdämpfung in einem Bereich von -80 dB bis +20 dB. Die gemessene Rückflussdämpfung ist als Funktion der Frequenz aus der Kurve 530 ersichtlich. Die Rückflussdämpfung zeigt hierbei ein deutliches Maximum bei etwa 860 MHz, wobei eine -10-dB-Bandbreite der Rückflussdämpfung etwa 35MHz beträgt. Die maximal erzielbare Rückflussdämpfung beträgt etwa 12 dB. Abseits der Nutzfrequenz geht die Rückflussdämpfung auf etwa 2 bis 3 dB zurück. Dies deutet auf eine geringe Abstrahlung der Antenne 410 hin.
Wie erwartet strahlt die Antenne also nur in einem Frequenzintervall um die Entwurfsfrequenz herum effektiv Leistung ab. Die -10dB-Bandbreite von etwa 35 MHz entspricht einer relativen nutzbaren Bandbreite von etwa 4 Prozent.
Die vorliegende Erfindung beschreibt also eine neuartige Antenne zur drahtlosen Sprach- und Datenübertragung. Die erfindungsgemäße Antenne wurde insbesondere für sehr kleine Geräte, wie z.B. Hörgeräte, die hinter dem Ohr getragen werden, konzipiert. Sie eignet sich besonders gut zum mobilen Senden und Empfangen. Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen symmetrischen Spiralantenne besteht darin, dass sie auf vergleichsweise einfache Weise in ein bestehendes System, beispielsweise ein Hörgerät, integriert werden kann. Dadurch, dass die Antenne in ein Kunststoffgehäuse integriert werden kann, kann diese so ausgeführt werden, dass sie von außen völlig unsichtbar ist. Weiterhin ist die Antenne vergleichsweise klein realisierbar und ermöglicht eine symmetrische Speisung. Daneben ist die erfindungsgemäße Antennenstruktur auch als Schlitzantenne in einer Metalloberfläche integrierbar.
Die erfindungsgemäße Antenne ist besonders gut dafür geeignet, in ein Hörgerät integriert zu werden. Aufgrund der geringen Baugröße und der Integrierbarkeit in ein Kunststoffgehäuse sind für eine erfindungsgemäße Antenne aber auch andere Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Pager und Mobiltelefone, denkbar.

Claims

Antenne (100; 210) mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Strahler (110), der eine erste Spirale (120) aufweist; und

einem zweiten Strahler (112), der eine zweite Spirale (130) aufweist,
wobei der erste Strahler (110) an einem äußeren Ende (124) der ersten Spirale (120) einen ersten Speisepunkt (122) aufweist und an einem inneren Ende (126) der ersten Spirale (120) ein offenes Ende aufweist;
wobei der zweite Strahler (112) an einem äußeren Ende (134) der zweiten Spirale (130) einen zweiten Speisepunkt (132) aufweist, und an einem inneren Ende (136) der zweiten Spirale (130) ein offenes Ende aufweist,
wobei die erste Spirale (120) und die zweite Spirale (130) räumlich beabstandet sind,
wobei die erste Spirale (120) und die zweite Spirale (130) einen gleichen Wickelsinn aufweisen, und
bei der der erste Strahler (110) und der zweite Strahler (112) derart ausgebildet sind, dass der erste Strahler als ein erster Arm einer Dipolantenne wirkt, während der zweite Strahler (112) als ein zweiter Arm der Dipolantenne wirkt;
wobei der erste Strahler und der zweite Strahler in einer gleichen Ebene oder auf einer gleichen Materialoberfläche liegen;
dadurch gekennzeichnet daß ein Abstand zwischen dem ersten Speisepunkt (122) und dem zweiten Speisepunkt (132) mindestens das 5*10^-3-fache einer Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz, für die die Antenne ausgelegt ist, beträgt; und
wobei ein minimaler Abstand zwischen der ersten Spirale und der zweiten Spirale zwischen einem 0,3-fachen des Durchmessers einer Spirale und einem 0,5-fachen des Durchmessers einer Spirale liegt.
Antenne (100; 210) gemäß Anspruch 1, wobei ein Abstand der Speisepunkte zwischen einem 0,4-fachen eines Durchmessers einer der beiden Spiralen und einem 0,6-fachen eines Durchmessers einer der beiden Spiralen liegt.
Antenne (100; 210) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der ein Abstand zwischen einem Schwerpunkt der ersten Spirale (120), der als ein geometrischer Schwerpunkt einer Linie, die den Verlauf der ersten Spirale (120) beschreibt, definiert ist, und einem Schwerpunkt der zweiten Spirale (130), der als ein geometrischer Schwerpunkt einer Linie, die den Verlauf der zweiten Spirale (130) beschreibt, definiert ist, größer ist als die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, dessen erste Kathete eine Länge aufweist, die gleich einem halben Durchmesser der ersten Spirale (120) ist, und dessen zweite Kathete eine Länge aufweist, die gleich einem halben Durchmesser der zweiten Spirale (130) ist.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die erste Spirale (120) eine erste Spiralenträgerfläche und eine erste Spiralenachse aufweist, und bei der die zweite Spirale (130) eine zweite Spiralenträgerfläche und eine zweite Spiralenachse aufweist, wobei eine Parallelprojektion der ersten Spiralenträgerfläche in Richtung der ersten Spiralenachse die zweite Spiralenträgerfläche nicht schneidet, und wobei eine Parallelprojektion der zweiten Spiralenträgerfläche in Richtung der zweiten Spiralenachse die erste Spiralenträgerfläche meidet.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der erste Strahler (110) und der zweite Strahler (112) elektrisch leitfähige Strukturen sind.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der erste Strahler (110) und der zweite Strahler (112) strahlende Schlitze sind.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Antenne so ausgelegt ist, dass sie an dem ersten Speisepunkt und dem zweiten Speisepunkt ein bezüglich eines Bezugspotentials im Wesentlichen symmetrisches elektrisches Verhalten aufweist.
Antenne (210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der erste Strahler (110) und der zweite Strahler (112) auf einer Oberfläche eines dielektrischen Materials (220) gebildet sind.
Antenne (210) gemäß Anspruch 8, wobei die Oberfläche des dielektrischen Materials (220) gewölbt ist.
Antenne (210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der erste Strahler (110) und der zweite Strahler (112) in ein Gehäuse (220) integriert sind, das aus einem dielektrischen Material gebildet ist und das eine elektronische Schaltung häust.
Antenne (210) gemäß Anspruch 10, bei der das Gehäuse Teil einer Hinterohr-Hörhilfe ist, die ausgelegt ist, um hinter einer Ohrmuschel eines Menschen getragen zu werden.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, die für eine Arbeitsfrequenz in einem Bereich zwischen 500 MHz und 6 GHz ausgelegt ist.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine maximale Abmessung von höchstens 10 cm aufweist.
Antenne (100; 210) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der eine maximale Abmessung der Antenne weniger als ein Fünftel einer Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz, für die die Antenne (100; 210) ausgelegt ist, beträgt.