CH690808A5 - Schlitzantenne. - Google Patents

Description

  
 


 Stand der Technik 
 



  Für manche Applikationen sind Antennen gefragt, die sehr flach sind und möglichst in der Horizontalebene strahlen. Ein Beispiel dafür sind Wireless Local Area Networks (WLANs), z.B. für die Bildung eines LANs zwischen Computern im Inhouse-Bereich (die Geräte befinden sich meist auf Tischen und daher alle auf etwa der gleichen Höhe). 


 Darstellung der Erfindung 
 



  Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schlitzantenne anzugeben, die flach und platzsparend aufgebaut ist, kostengünstig herstellbar und namentlich für den Einsatz in WLANs und bei Frequenzen oberhalb von 1 Ghz geeignet ist. 



  Die erfindungsgemässe Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die Schlitzantenne besteht also im Wesentlichen aus einer Metallfläche mit mehreren Schlitzen, welche als  lambda /2-Resonatoren ausgebildet sind. Durch rotationssymmetrische Positionierung und entsprechende Ansteuerung der  lambda /2-Resonatoren ist es möglich, die Abstrahlcharakteristik der Gesamtantenne in gewünschter Weise zu beeinflussen. 



  Jeweils zwei Zuleitungsschlitze verbinden die  lambda /2-Resonatoren mit dem geometrischen Zentrum der Antenne. 



  Vorzugsweise ist die Metallfläche auf einem dielektrischen Substrat mit  epsilon r > 1 angebracht. Je grösser die Dielektrizitätskonstante  epsilon r, desto geringer die Abmessungen der Antenne bei einer vorgegebenen Resonanzfrequenz. Es ist jedoch zu beachten, dass ein allzugrosses  epsilon r die Bandbreite und die Effizienz der Antenne reduziert. Als Substrat eignet sich z.B. eine Epoxidharzplatte mit einer Dielektrizitätskonstante  epsilon r zwischen 4 und 5 (z.B.  epsilon r = 4.3). 



  Vorzugsweise sind vier Elemente vorgesehen, die jeweils aus einem  lambda /2-Resonatorschlitz und den beiden Zuleitungsschlitzen, die in ihrer Mitte eine Koplanarleitung bilden, bestehen. Bei einem weiteren bevorzugten Beispiel sind drei  lambda /2-Resonatorschlitze vorgesehen, bei welchen die Koplanarleitungsabschnitte im 120 DEG -Winkel zueinander stehen. Indem nur drei  lambda /2-Resonatoren vorhanden sind, steht mehr Platz auf dem Substrat für eine zentrale Einspeisung der Gesamtantenne über koplanare Mikrostreifenleiter zur Verfügung. Abstrahlungstechnisch hat sich jedoch ein Koaxial -Anschluss als besonders günstig erwiesen (praktisch keine resonanzstörende Wechselwirkung mit den Schlitzen). 



  Die beiden Schlitzhälften jeweils eines  lambda /2-Resonators sind mit Vorteil durch einen Kopplungsschlitz verbunden. Dieser vermeidet den Kurzschluss des tangentialen elektrischen Feldes. Die Breite des Kopplungsschlitzes kann variiert werden zum Abstimmen der Resonanzfrequenz und zur Anpassung der Eingangsimpedanz der Antenne. 



  Mit Vorteil haben die vom geometrischen Zentrum weglaufenden Koplanarzuleitungen und damit die Zuleitungsschlitze eine sich ändernde Breite. Das heisst, die Schlitze sind gegen das geometrische Zentrum hin z.B. keilförmig verbreitert (engl. "tapered"). Durch geeignete Wahl des Keilwinkels kann die Resonanzfrequenz eingestellt und die Antenne angepasst werden. 



  Zur gleichphasigen Anregung der Schlitze sind im Bereich des geometrischen Zentrums elektrische Anschlüsse vorgesehen. Die Kontaktanordnung ist ebenfalls rotationssymmetrisch und ist z.B. auf den Winkelhalbierenden zwischen den Zuleitungsschlitzen zweier  lambda /2-Resonatoren nahe dem Schnittpunkt platziert. Die Kontakte führen durch das Substrat auf die Masse, z.B. den Mantel eines koaxialen Anschlusses. Im geometrischen Zentrum befindet sich ein Kontaktpunkt für die Antennenspeisung (feed), z.B. für den Innenleiter eines koaxialen Anschlusses. 



  Um ungerade Resonanzwellen zu unterdrücken, können vor den  lambda /2-Resonatorschlitzen elektrische Brücken angeordnet sein. Der Kontakt kann jeweils über eine rückseitig des Substrates angeordnete planare Leitung geschaffen werden, wobei der Kontakt zur Metallfläche über durchgehende Stifte hergestellt werden kann. 



  Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüche. 


 Kurze Beschreibung der Zeichnungen 
 



  Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vierfach-Schlitzantenne in der Draufsicht; 
   Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vierfach-Schlitzantenne in der Seitenansicht; 
   Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Dreifach-Schlitzantenne in der Draufsicht; 
   Fig. 4 Eine schematische Darstellung einer elektrischen Brücke im Querschnitt. 
 



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


 Wege zur Ausführung der Erfindung 
 



  Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer sog. Vierfach-Schlitzantenne in der Draufsicht und in der Seitenansicht. Die Antenne wird im Wesentlichen durch eine Metallfläche 1 mit  lambda /2-Resonatorschlitzen auf einem Substrat 2 gebildet. Die genannten Resonatorschlitze werden jeweils durch zwei Schlitzhälften 3.1 und 3.2, 4.1 und 4.2, 5.1 und 5.2 sowie 6.1 und 6.2 gebildet, welche paarweise durch Kopplungsschlitze 3.3, 4.3, 5.3 und 6.3 und Zuleitungsschlitze 3.4 und 3.5, 4.4 und 4.5, 5.4 und 5.5, 6.4 und 6.5, die in ihrer Mitte jeweils eine koplanare Leitung 3.6, 4.6, 5.6 und 6.6 bilden, verbunden sind. Metallfläche 1 und Substrat 2 sind in der Draufsicht  quadratisch. Das Substrat 2 ist z.B. eine handelsübliche Epoxidharzplatte mit einer Dielektrizitätskonstanten  epsilon r = 4.3 und einer Dicke von z.B. h = 0.5 mm. 



  Die als  lambda /2-Resonatoren wirkenden Schlitze sind in rotationssymmetrischer Anordnung angebracht und identisch gestaltet. Sie haben jeweils zwei gerade Abschnitte (Schlitzhälften 3.1 und 3.2, 4.1 und 4.2, 5.1 und 5.2 sowie 6.1 und 6.2), die paarweise im rechten Winkel auf den Zuleitungsschlitzen 3.4 und 3.5, 4.4 und 4.5, 5.4 und 5.5, 6.4 und 6.5 stehen. Durch jeweils zwei  lambda /2-Resonatorschlitzhälften (z.B. 3.1 und 4.1) sowie dazugehörige Zuleitungsschlitze (z.B. 3.4, 4.4) wird eine quadratische Innenfläche gebildet, also insgesamt vier Innenflächen 7, 8, 9 und 10. Zwischen den Schlitzhälften 3.1 und 4.1 resp. 4.2 und 5.1 etc. von zwei  lambda /2-Resonatoren besteht ein gewisser Abstand. Die quadratischen Innenflächen 7, 8, 9 und 10 sind also mit einem gemeinsamen Randbereich elektrisch verbunden. 



  Die Zuleitungsschlitze 3.4 und 3.5, 4.4 und 4.5, 5.4 und 5.5, 6.4 und 6.5 bilden paarweise in ihrer Mitte jeweils eine koplanare Leitung 3.6, 4.6, 5.6 und 6.6, die vom geometrischen Zentrum (Kontaktpunkt 16) jeweils im rechten Winkel zu den  lambda /2-Resonatoren nach aussen verlaufen. Dadurch wird eine kreuzförmige Zwischenfläche 11 abgegrenzt. 



  Zur gleichphasigen Anregung sind im vorliegenden Beispiel fünf Kontaktpunkte 12-16 vorgesehen. Der Kontaktpunkt 16 ist zugleich das geometrische Zentrum der Antennenanordnung. Die Kontaktpunkte 12-15 sind im Bereich der zum geometrischen Zentrum hin zeigenden Ecken der quadratischen Innenflächen 7-10 platziert. 



  Die Kontaktpunkte 12-15 sind mit Masse (z.B. dem Mantel eines Koaxialanschlusses) verbunden, z.B. über Stifte (in Fig. 2 sind 2 Stifte 19, 20 sichtbar). Der Kontaktpunkt 16 ist ebenfalls durch das Dielektrikum hindurchgeführt und über einen Stift 21 mit der Antennenspeisung verbunden (z.B. dem Innenleiter eines Koaxialanschlusses). 



  Aufgrund der quadratischen Anordnung und der gleichphasigen Anregung der  lambda /2-Resonatorschlitze erreicht man in der horizontalen Ebene ein annähernd omnidirektionales Strahlungsdiagramm. In der Elevation senkrecht zur Metallfläche 1 hat die Abstrahlung eine Nullstelle (wegen der gleichphasigen Abstrahlung der einzelnen Schlitze und der destruktiven Interferenz der abgestrahlten Wellen). Die Rückseite des Substrats 2 kann mit einer Metallisierung 22 versehen sein. Je nach Antennenkonstruktion wird sie aber besser weggelassen, da die koplanaren Leitungen 3.6, 4.6, 5.6 und 6.6 und die Metallisierung 22 zusammen Mikrostreifenleitungen mit dominanten Leitungswellen bilden können, die das gewünschte Resonanzverhalten u.U. stark beeinträchtigen bzw. stören. 



  Durch die Kopplungsschlitze 3.3, 4.3, 5.3 und 6.3 kann das elektrische Feld zwischen den beiden Schlitzhälften 3.1 und 3.2 resp. 4.1 und 4.2 etc. der  lambda /2-Resonatoren überkoppeln. Durch Veränderung der Schlitzform, durch Variation des Wellenwiderstandes der koplanaren Leitungen 3.6, 4.6, 5.6 und 6.6 und durch Änderung der Substratdicke kann die in Fig. 1 gezeigte Antenne angepasst werden. Die Anpassung erfolgt z.B. dadurch, dass die Zuleitungsschlitze 3.4 und 3.5, 4.4 und 4.5, 5.4 und 5.5, 6.4 und 6.5 keilförmig ausgebildet werden. Die Breite nimmt jeweils vom geometrischen Zentrum (Kontaktpunkt 16) gegen den Rand der Metallfläche 1 hin ab. Dies führt bei der Zwischenfläche 11 zu einer umgekehrt verlaufenden Breite (von innen gegen aussen zunehmend). 



  Es wurden Versuche mit verschiedenen Breiten der  lambda /2-Resonatorschlitze (Schlitzhälften 3.1, 3.2 etc.) für eine Anordnung mit einer Resonanzfrequenz von etwas mehr als 1 GHz unternommen. Die Breite wurde zwischen 1 mm und 6 mm variiert. Dabei verschob sich die Resonanzfrequenz kontinuierlich von 1.36 GHz (bei 1 mm) auf 1.2 GHz (bei 6 mm). Umgekehrt nahm die Bandbreite von 4.1% (bei 1 mm) auf 6.2% (bei 6 mm) zu (die Bandbreite ist auf eine Anpassung der Internal-reflection-loss S11 = -10 dB bezogen). Als Substrat wurde bei diesen Versuchen Plexiglas mit  epsilon r = 3 und einer Dicke von h = 4 mm verwendet. Zu beachten ist, dass eine Abnahme der Resonanzfrequenz gleichbedeutend mit einer Verkleinerung der Antenne der entsprechenden Resonanzfrequenz ist. 



  Auf dem gleichen Substrat wurden auch Versuche mit keilförmig ausgebildeten  lambda /2-Resonatorschlitzen mit verschiedenen Keilwinkel (nach aussen hin verbreitert) durchgeführt. Je grösser der Keilwinkel gewählt wurde, desto kleiner wurde die Resonanzfrequenz. Im konkreten Beispiel nahm sie - ausgehend von einem Keilwinkel von 0 DEG  (Schlitze konstanter Breite) - von etwa 1.36 GHz auf 1.12 GHz bei einem Gesamtöffnungswinkel des Keils von 18 DEG  ab. Im gleichen Zug nahm die Bandbreite von 5% auf 6.7% zu. 



  Die Breite der Kopplungsschlitze 3.3, 4.3, 5.3 und 6.3 hat ebenfalls einen markanten Einfluss auf die Resonanzfrequenz. Durch eine Verkleinerung der Kopplungsschlitzbreite von 7 mm auf 0.5 mm konnte die Resonanzfrequenz um fast 20% nach unten verschoben werden. 



  Die Versuchsreihen geben qualitative und quantitative Hinweise in Bezug auf die Anpassungsmöglichkeiten bei einer erfindungsgemässen Antenne. Die Erfindung ist aber in keiner Weise auf diese Zahlenbeispiele beschränkt. 



  Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei statt vier  lambda /2-Resonatorschlitzen 23, 24 und 25. Die Zuleitungsschlitze 23.3, 24.3, 25.3 stehen im Winkel von 120 DEG  zueinander und rechtwinklig zu den  lambda /2-Resonatorschlitzen 23, 24 sowie 25. 



  Die in Fig. 3 gezeigte Antenne ist auf einem dreieckigen Substrat 26 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Schlitzstruktur, sondern auch das Substrat und die Metallisierung eine 120 DEG -Symmetrie haben. Das Abstrahlungsdiagramm wird auf diese Weise gleichmässiger und damit besser, als wenn die Dreifachschlitzantenne auf einem quadratischen oder rechteckigen Substrat implementiert ist. 



  In Fig. 3 sind auch der zentrale Kontaktpunkt 27 (geometrisches Zentrum) und die drei umliegenden Kontaktpunkte 28, 29 und 30 dargestellt. 



  Aus dem Vorangegangenen ergibt sich, dass auch fünf und mehr Resonatorschlitze in entsprechender Drehsymmetrie realisierbar sind. 



  Bei Asymmetrien im Antennenaufbau (wie sie z.B. beim Löten entstehen können) treten ungerade Ausbreitungsmoden der  lambda /2-Resonatoren auf. Diese haben zur Folge, dass eine Ausbreitung senkrecht zur Metallfläche (d.h. zur Substratebene) auftritt. Wenn es dies zu verhindern gilt, dann kann vor dem jeweiligen  lambda /2-Resonatorschlitz eine Brücke, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, angebracht werden. 



  Fig. 4 zeigt als Beispiel eine Brücke 33 an den Zuleitungsschlitzen 5.4, 5.5. Sie befindet sich dabei auf der Rückseite des Substrats 2 direkt vor dem  lambda /2-Resonator (Schlitzhälften 5.1, 5.2) und ist z.B. über Stifte 31, 32 mit den Kontakten 34, 35 an den Innenflächen 9 und 10 verbunden. 



  Die erfindungsgemässe Antenne kann in diversen Aspekten angepasst bzw. geändert werden. So können die Schlitzbreiten, Schlitzformen und Längen der diversen Schlitzabschnitte und die Abstände im Koplanarleitungsbereich variiert werden. Ganz allgemein kann die Form der Schlitze oder des Substrats bzw. der Metallfläche nach den jeweiligen Erfordernissen abgeändert werden. Zu beachten ist, dass die Antenne einer gewissen Freistellung bedarf, da z.B. nahe metallische Streuer die Abstrahlung und die Impedanz verändern könnten. 



  Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die erfindungsgemässen Schlitzantennen eine flache Bauweise haben, aber trotzdem in der Planarebene abstrahlen und nicht senkrecht dazu. Mit 6-7% Bandbreite sind sie breitbandiger als konventionelle gedruckte Antennen. Sie sind konstruktiv sehr einfach und können leicht in einen Print integriert werden. Sie können durch Variation der verschiedenen geometrischen Parameter an die jeweiligen Vorgaben angepasst werden. Sie sind sehr kompakt (z.B. Patchgrösse bei 5.2 GHz ca. 2.7 x 2.7 cm<2>) und eignen sich damit z.B. vorzüglich für die Realisierung von WLANs. 

Claims (10)

1. Schlitzantenne, bei welcher eine Metallfläche (1) mehrere als lambda /2-Resonatoren ausgebildete Schlitze (3.1/3.2, 4.1/4.2, 5.1/5.2, 6.1/6.2) aufweist, wobei die mindestens drei Schlitze (3.1/3.2, 4.1/4.2, 5.1/5.2, 6.1/6.2; 23, 24, 25) rotationssymmetrisch bezüglich eines geometrischen Zentrums (16; 27) angeordnet sind.

2. Schlitzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zuleitungsschlitze (3.4, 3.5, 4.4, 4.5, 5.4, 5.5, 6.4, 6.5) zu den als lambda /2-Resonatoren ausgebildeten Schlitzen (3.1/3.2, 4.1/4.2, 5.1/5.2, 6.1/6.2) vorgesehen sind, die paarweise Koplanarleitungsabschnitte bilden.

3. Schlitzantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfläche (1) auf einem dielektrischen Substrat (2) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante epsilon r > 1 ausgebildet ist.

4.

Schlitzantenne nach eine der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Schlitze (23, 24, 25) vorgesehen sind, die paarweise in einem 120 DEG -Winkel zueinander angeordnet sind.

5. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Schlitze (3.1/3.2, 4.1/4.2, 5.1/5.2, 6.1/6.2) vorgesehen sind, die quadratähnlich angeordnet sind.

6. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze aus je zwei Schlitzhälften (3.1, 3.2, 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) bestehen, die durch Kopplungsschlitze (3.3, 4.3, 5.3, 6.3) verbunden sind.

7. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom geometrischen Zentrum (16) weglaufenden Zuleitungsschlitze (3.4, 3.5, 4.4, 4.5, 5.4, 5.5, 6.4, 6.5) jeweils eine sich ändernde Schlitzbreite haben.

8.

Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichphasigen Anregung der Schlitze eine entsprechende Zahl von Kontaktpunkten (12, 13, 14, 15, 16) im Bereich des geometrischen Zentrums (16) angeordnet ist.

9. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Schlitzen (3.1/3.2, 4.1/4.2, 5.1/5.2, 6.1/6.2) zum Unterdrücken von ungeraden Ausbreitungsmoden elektrische Brücken (33) an den Zuleitungsschlitzen (3.4, 3,5, 6.4, 6.5) vorgesehen sind.

10. Schlitzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung ein koaxialer Anschluss vorgesehen ist.