CH690945A5

CH690945A5 - Planar patch antenna operating e.g. between computer networks at GHz frequencies, includes resonator plate on base, connected to it on one side, with feed point on opposite side

Info

Publication number: CH690945A5
Application number: CH118496A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Dr. Dersch; Matthias Liebendoerfer; Franz Rothlauf
Original assignee: Ascom Systec Ag
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1996-05-09
Publication date: 2001-02-28

Abstract

The resonator plate (2) mounted over the base (1) is short-circuited to it one side (2.1). An opposite side (2.3) includes a cut-out, for feeding (6) at a current antinode.

Description

Stand der Technik State of the art

Zur Realisierung drahtloser lokaler Netzwerke (wie sie z.B. im Rahmen des European Telecommunications Standard HIPERLAN definiert sind) werden flache Antennen benötigt, die wenn möglich in einer horizontalen Ebene omnidirektional abstrahlen. Auf diese Weise können Peer-to-Peer-Netzwerke aufgebaut werden, in welchen mehrere Computer (PCs, Laptops) direkt miteinander Daten austauschen können. Flat antennas are required to implement wireless local networks (as defined e.g. in the framework of the European Telecommunications Standard HIPERLAN) that radiate omnidirectionally in a horizontal plane if possible. In this way, peer-to-peer networks can be set up, in which several computers (PCs, laptops) can exchange data directly with one another.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Patch-Antenne anzugeben, die möglichst klein und insbesondere sehr flach ist, eine relativ grosse Bandbreite und eine gute Abstrahlung in der horizontalen Ebene hat. Im Übrigen sollte die Antenne für die Massenherstellung geeignet sein. The object of the invention is to provide a patch antenna which is as small as possible and in particular very flat, has a relatively large bandwidth and good radiation in the horizontal plane. The antenna should also be suitable for mass production.

Die erfindungsgemässe Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. The solution according to the invention is defined by the features of claim 1.

Demzufolge hat die Patch-Antenne eine Grundplatte und eine darüber angeordnete Resonatorplatte. Die Resonatorplatte ist an einer ersten Seite mit der Grundplatte kurzgeschlossen. An einer gegenüberliegenden zweiten Seite ist ein Einschnitt zur Speisung der Antenne in einem Punkt hoher Ströme platziert. Der Kurzschluss verkürzt die Länge der Antenne, während durch das Vorhandensein einer Grundplatte die Beeinflussung der Resonanzfrequenz durch benachbarte Gegenstände minimiert wird. Durch Variieren der Tiefe des Einschnitts (Notch) wird die Eingangsimpedanz der Antenne angepasst. As a result, the patch antenna has a base plate and a resonator plate arranged above it. The resonator plate is short-circuited to the base plate on a first side. On an opposite second side, an incision for feeding the antenna is placed in a point of high currents. The short circuit shortens the length of the antenna, while the presence of a base plate minimizes the influence of the resonance frequency by neighboring objects. The input impedance of the antenna is adjusted by varying the depth of the notch.

Vorzugsweise hat die Grundplatte eine Fläche in derselben Grössenordnung wie die Aussenabmessungen der Resonatorplatte. Es wird also bewusst nicht von einer unendlich grossen (z.B. zehnmal grösseren) Grundplatte ausgegangen. Auf diese Weise wird nicht nur der Platzbedarf kleiner, sondern auch die Abstrahlcharakteristik omnidirektionaler. Die Grundplatte ist z.B. weniger als dreimal so gross wie die (Aussenabmessungen der) Resonatorplatte. The base plate preferably has a surface area of the same order of magnitude as the outer dimensions of the resonator plate. It is therefore deliberately not assumed that the base plate is infinitely large (e.g. ten times larger). In this way, not only the space requirement becomes smaller, but also the radiation characteristics are omnidirectional. The base plate is e.g. less than three times the size of the (outer dimensions of) the resonator plate.

Zum Kurzschliessen der Resonatorplatte können an der entsprechenden Seite z.B. drei symmetrisch verteilte Stifte vorgesehen sein. Es ist aber auch denkbar, die ganze Seite über eine rechtwinklig abgekrümmte Lasche kurzzuschliessen. To short-circuit the resonator plate, e.g. three symmetrically distributed pins can be provided. However, it is also conceivable to short-circuit the entire side using a right-angled tab.

Im Hinblick auf die Integration der Antenne sowie herstellungstechnisch ist es von Vorteil, wenn die Resonatorplatte durch einen Mikrostreifenleiter gespeist ist. Dieser kann z.B. zusammen mit der Resonatorplatte als gedruckte Leiterbahn (bzw. Metallisierung) auf ein Substrat aufgebracht sein. Hat das Substrat eine relative Dielektrizitätskonstante epsilon r > 1, dann wird die ganze Antennenanordnung bei vorgegebener Frequenz noch kompakter. Elektrisch unproblematisch ist zweifellos die Speisung mittels eines durch die Grundplatte hindurchgeführten Koaxialleiters. Allerdings ist eine solche Konstruktion herstellungstechnisch aufwändiger. With regard to the integration of the antenna and in terms of production technology, it is advantageous if the resonator plate is fed by a microstrip line. This can e.g. be applied to a substrate together with the resonator plate as a printed conductor (or metallization). If the substrate has a relative dielectric constant epsilon r> 1, then the entire antenna arrangement becomes even more compact at a predetermined frequency. The supply by means of a coaxial conductor led through the base plate is undoubtedly electrically unproblematic. However, such a construction is more complex to manufacture.

Die kurze Seite der im Umriss rechteckigen Resonatorplatte hat eine Länge von lambda /4 oder kleiner. lambda bezeichnet dabei die Wellenlänge in Luft oder - falls ein Substrat vorhanden ist - im dielektrischen Medium. Die Breite des Resonators ist im Prinzip undefiniert, das heisst sie kann innerhalb eines grossen Bereichs variiert werden. Der Einschnitt kann symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet bzw. angeordnet sein und kann in seiner Abmessung variiert werden, um die Antenne anzupassen. The short side of the rectangular resonator plate has a length of lambda / 4 or less. Lambda denotes the wavelength in air or - if a substrate is present - in the dielectric medium. The width of the resonator is in principle undefined, which means that it can be varied within a wide range. The incision can be designed or arranged symmetrically or asymmetrically and its size can be varied in order to adapt the antenna.

Im Hinblick auf eine erhöhte Bandbreite ist es von Vorteil, neben den Einschnitten gebildete Flügel asymmetrisch auszubilden, wobei letztere vorzugsweise gegen aussen abgeschrägte Enden haben. With regard to an increased bandwidth, it is advantageous to form wings formed asymmetrically in addition to the incisions, the latter preferably having ends which are bevelled towards the outside.

Die erfindungsgemässe Antenne eignet sich vorzüglich zur Realisierung eines Diversity-Empfängers. Die Antennen werden z.B. an drei Seiten einer gemeinsamen rechteckigen Grundplatte angeordnet ("Kleeblattanordnung"). The antenna according to the invention is particularly suitable for implementing a diversity receiver. The antennas are e.g. arranged on three sides of a common rectangular base plate ("cloverleaf arrangement").

Aus der Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung. Further advantageous embodiments and combinations of features of the invention result from the detailed description and the entirety of the claims.

Kuze Beschreibung der Zeichnungen Kuze description of the drawings

Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen: The drawings used to explain the exemplary embodiments show:

Fig. 1a-d eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Antenne in perspektivischer Ansicht bzw. in der Draufsicht-, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bezüglich der Bandbreite optimierten Antenne, Fig. 3 eine Anordnung von drei Antennen zur Realisierung eines Diversity-Empfängers. 1a-d is a schematic representation of an antenna according to the invention in perspective view or in plan view, 2 shows a schematic illustration of an antenna optimized with regard to the bandwidth, Fig. 3 shows an arrangement of three antennas for implementing a diversity receiver.

Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Masse sind jeweils in mm angegeben. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the drawings. The dimensions are given in mm.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention

Fig. 1a zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemässen Patch-Antenne. Über einer Grundplatte 1 ist eine Resonatorplatte 2 angeordnet. Dazwischen kann bei Bedarf ein dielektrisches Substrat 3 vorgesehen sein. Die Resonatorplatte 2 ist dann eine selektiv aufgedruckte Metallisierung auf der Oberseite des Substrats 3, während die Grundplatte 1 eine ganzflächige Metallisierung der Unterseite des Substrats 3 ist. 1a shows an example of a patch antenna according to the invention. A resonator plate 2 is arranged above a base plate 1. A dielectric substrate 3 can be provided in between if necessary. The resonator plate 2 is then a selectively printed metallization on the top of the substrate 3, while the base plate 1 is a full-surface metallization of the underside of the substrate 3.

An einer Seite 2.1 sind drei Stifte 4.1, 4.2, 4.3 für den Kurzschluss zwischen Resonatorplatte 2 und Grundplatte 1 vorgesehen. Anstelle von drei Stiften 4.1, 4.2, 4.3 kann im Prinzip auch eine durchgehende Platte (abgewinkelte Lasche) verwendet werden. On one side 2.1, three pins 4.1, 4.2, 4.3 are provided for the short circuit between resonator plate 2 and base plate 1. Instead of three pins 4.1, 4.2, 4.3, a continuous plate (angled tab) can in principle also be used.

An einer gegenüberliegenden Seite 2.3 der Resonatorplatte 2 sind Einschnitte 5.1, 5.2 ausgebildet. Ein Mikrostreifenleiter 6 kontaktiert die Resonatorplatte 2 an einem Ort hoher Ströme. D.h. die Resonatorplatte 2 ist in einem inneren Bereich (engl. Notch) angeschlossen. Incisions 5.1, 5.2 are formed on an opposite side 2.3 of the resonator plate 2. A microstrip line 6 contacts the resonator plate 2 at a location with high currents. I.e. the resonator plate 2 is connected in an inner region (notch).

Anhand der Fig. 1b-d soll beispielhaft eine konkret implementierte Dimensionierung erläutert werden. Ausgangspunkt war eine Resonanzfrequenz f0 = 5.12 GHz, eine relative Dielektrizitätskonstante epsilon r = 2.5 und tan delta = -0.001. Die Abmessung der Grundplatte 1 betrug etwas mehr als 22 mm in der Breite und ca. 15 mm in der Länge. Die Resonatorplatte 2 war mit ihrer Seite 2.1 parallel zur Breitseite der Grundplatte 1 in einem Abstand von ca. 1.6 mm angeordnet. Die Seiten 2.2 resp. 2.4 hatten zur Längsseite des Substrats 1 einen Abstand von ebenfalls 1.6 mm. A specifically implemented dimensioning will be explained by way of example with reference to FIGS. 1b-d. The starting point was a resonance frequency f0 = 5.12 GHz, a relative dielectric constant epsilon r = 2.5 and tan delta = -0.001. The dimension of the base plate 1 was slightly more than 22 mm in width and about 15 mm in length. The side of the resonator plate 2 was arranged parallel to the broad side of the base plate 1 at a distance of approximately 1.6 mm. Pages 2.2 resp. 2.4 had a distance of 1.6 mm from the long side of the substrate 1.

Die Seite 2.1 der Resonatorplatte 2 hatte eine Länge von knapp 19 mm, die Seite 2.2 eine Länge von etwas mehr als 7.8 mm. Die Tiefe eines Einschnitts 5.1 bzw. 5.2 betrug etwa 7.25 mm und die Breite etwa 3.1 mm. Durch Variieren dieser Grössen kann - wie bereits erwähnt - die Anpassung der Antenne durchgeführt werden. The side 2.1 of the resonator plate 2 had a length of almost 19 mm, the side 2.2 had a length of slightly more than 7.8 mm. The depth of an incision 5.1 or 5.2 was approximately 7.25 mm and the width was approximately 3.1 mm. By varying these sizes, as already mentioned, the antenna can be adapted.

Der Mikrostreifenleiter 6 hatte vom Rand der Grundplatte 1 bis zur Resonatorplatte gerechnet eine Länge von 5.6 mm. Seine Breite betrug 4.5 mm. Die Breite des Mikrostreifenleiters 6 wurde so gewählt, dass eine Eingangsimpedanz von 50 OMEGA entstand. The microstrip line 6 had a length of 5.6 mm calculated from the edge of the base plate 1 to the resonator plate. Its width was 4.5 mm. The width of the microstrip line 6 was chosen so that an input impedance of 50 OMEGA was created.

Die drei Stifte 4.1, 4.2, 4.3 waren zylindrisch ausgebildet ( DIAMETER ca. 0.53 mm) und tangierten die Seite 2.1. Von der Seite 2.4 hatte der Stift 4.1 einen Abstand von etwa 0.53 mm. Der Stift 4.3 war spiegelsymmetrisch bzgl. der Mittelachse der Anordnung platziert. Der Abstand der Resonatorplatte 2 von der Grundplatte 1 betrug 1.59 mm. The three pins 4.1, 4.2, 4.3 were cylindrical (DIAMETER approx. 0.53 mm) and affected side 2.1. The pin 4.1 was at a distance of about 0.53 mm from the side 2.4. The pin 4.3 was placed mirror-symmetrically with respect to the central axis of the arrangement. The distance of the resonator plate 2 from the base plate 1 was 1.59 mm.

Die Bandbreite bei einem Referenzlevel von -10 dB Reflexionsverlusten (reflection loss) betrug etwa 1.6% (Frequenzbereich z.B. 5.08-5.16 GHz). The bandwidth at a reference level of -10 dB reflection loss was about 1.6% (frequency range e.g. 5.08-5.16 GHz).

Durch Abändern der Geometrie und der Masse der Resonatorplatte lässt sich die Bandbreite erhöhen. Fig. 2 zeigt eine Antennenanordnung mit einer Bandbreite von 3.4%. Dies wurde durch eine asymmetrische Gestaltung der beiden Flügel 14.1, 14.2 und der Einschnitte 5.1, 5.2 erreicht. Während die Gesamtlänge der Flügel 14.1, 14.2 nach wie vor jeweils 7.8 mm beträgt, sind nun die äusseren Seiten 2.2 und 2.4 unterschiedlich lang, nämlich 7.1 mm bzw. 5.6 mm. Somit haben die Flügel gegen aussen abgeschrägte Enden 2.31, 2.32. Der Einschnitt 5.1 zum Flügel 14.1 hat eine Tiefe von 7.27 mm und derjenige (5.2) zum Flügel 14.2 eine solche von 5.17 mm. Die übrigen Masse waren dieselben wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a-d. The bandwidth can be increased by changing the geometry and the mass of the resonator plate. 2 shows an antenna arrangement with a bandwidth of 3.4%. This was achieved by an asymmetrical design of the two wings 14.1, 14.2 and the incisions 5.1, 5.2. While the overall length of the wings 14.1, 14.2 is still 7.8 mm each, the outer sides 2.2 and 2.4 are now of different lengths, namely 7.1 mm and 5.6 mm. Thus the wings have bevelled ends 2.31, 2.32. The incision 5.1 for wing 14.1 has a depth of 7.27 mm and that (5.2) for wing 14.2 has a depth of 5.17 mm. The remaining dimensions were the same as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 a-d.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von drei Patch-Antennen zur Realisierung einer Empfänger-Diversity. Dadurch, dass die drei Patch-Antennen so nahe beieinander angeordnet sind, entwickelt jede einzelne davon eine besondere Winkel- bzw. Raumselektivität. Die Distanz zwischen den strahlenden Kanten der einzelnen Antennen beträgt etwa lambda /2. Dies genügt, um eine Raumdiversity zu erhalten. Beim Aussenden von Signalen (transmission) wird nur die mittlere Patch-Antenne 9 angesteuert. 3 shows an arrangement of three patch antennas for realizing receiver diversity. Because the three patch antennas are so close together, each of them develops a special angular or spatial selectivity. The distance between the radiating edges of the individual antennas is approximately lambda / 2. This is enough to maintain space diversity. When transmitting signals (transmission) only the middle patch antenna 9 is activated.

Diese Antennenanordnung muss als Ganzes bzgl. Eingangsimpedanz und Abstrahlungscharakteristik optimiert werden. Bei der beispielhaft gezeigten Anordnung sind also drei Patch-Antennen 8, 9, 10 in einer "Kleeblattanordnung" platziert. Das heisst, jede Patch-Antenne 8, 9, 10 steht mit ihrer "Kurzschlusskante" (vgl. Seite 2.1 in Fig. 1a) an einer Randseite 7.1, 7.2, 7.3 der gemeinsamen Grundplatte 7. Die Speisung erfolgt von der nicht benutzten vierten Seite der Grundplatte 7 her. This antenna arrangement as a whole must be optimized with regard to input impedance and radiation characteristics. In the arrangement shown by way of example, three patch antennas 8, 9, 10 are thus placed in a "cloverleaf arrangement". This means that each patch antenna 8, 9, 10 stands with its "short-circuit edge" (cf. page 2.1 in FIG. 1a) on an edge side 7.1, 7.2, 7.3 of the common base plate 7. The power is supplied from the fourth side which is not used the base plate 7 ago.

Die Patch-Antennen 8, 9, 10 haben eine T-Form (vgl. Notch-Anschluss in Fig. 1a-d). Die Mikrostreifenleiter 11, 13 verlaufen zunächst etwa auf der Achse der Seitenarme 9.1, 9.2 der Patch-Antenne 9, biegen dann aber rechtwinklig nach aussen weg. The patch antennas 8, 9, 10 have a T-shape (cf. Notch connection in FIGS. 1a-d). The microstrip conductors 11, 13 initially run approximately on the axis of the side arms 9.1, 9.2 of the patch antenna 9, but then bend outwards at right angles.

Aus der bisherigen Beschreibung wird klar, dass sowohl eine einzelne Patch-Antenne als auch eine Diversity-Anordnung problemlos in einem Volumen von 54 mm x 30 mm x 5 mm untergebracht werden kann. Die starke Abstrahlung in horizontaler Richtung erlaubt es, eine erfindungsgemässe Antenne auf einer PCMCIA-Karte zu integrieren, welche in einem horizontalen Schlitz in den Computer einzuschieben ist. Die Antenne ragt dabei nur verhältnismässig wenig aus dem Computer heraus. Als Einzelelement lässt sich die Antenne sogar in einem Volumen von 19 x 8 x 1.5 mm<3> bei 5.2 GHz unterbringen. Aus herstellungstechnischer Sicht ist es von Vorteil, dass die Antenne auf einem dielektrischen Substrat in der Art einer gedruckten Schaltung realisiert werden kann. Schliesslich seien auch noch einmal die grosse Bandbreite von deutlich über 10% und die gute Effizienz erwähnt. From the previous description it is clear that both a single patch antenna and a diversity arrangement can easily be accommodated in a volume of 54 mm x 30 mm x 5 mm. The strong radiation in the horizontal direction allows an antenna according to the invention to be integrated on a PCMCIA card which is to be inserted into the computer in a horizontal slot. The antenna only protrudes relatively little from the computer. As a single element, the antenna can even be accommodated in a volume of 19 x 8 x 1.5 mm <3> at 5.2 GHz. From a manufacturing point of view, it is advantageous that the antenna can be implemented on a dielectric substrate in the manner of a printed circuit. Finally, the wide range of well over 10% and the good efficiency should also be mentioned.

Claims

1. Patch antenna with a base plate (1) and a resonator plate (2) arranged above it, which is short-circuited on a first side (2.1) with the base plate (1) and on an opposite second side (2.3) an incision for a feed has high currents at a point.

2. Patch antenna according to claim 1, characterized in that the base plate (1) has outer dimensions which are of the same order of magnitude as the outer dimensions of the resonator plate (2).

3. Patch antenna according to claim 2, characterized in that the outline of the base plate (1) is less than three times as large as the outline of the resonator plate (2).

4. Patch antenna according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resonator plate (2) is short-circuited to the base plate (1) via three pins (4.1, 4.2, 4.3).

5. Patch antenna according to one of claims 1 to 4, characterized in that the resonator plate (2) is fed by a microstrip line (6).

6. Patch antenna according to one of claims 1 to 5, characterized in that the input impedance can be adjusted by varying the depth of the incision (5.1 or 5.2).

7. Patch antenna according to one of claims 1 to 6, characterized in that in addition to the incisions (5.1, 5.2) formed wings (14.1, 14.2) are asymmetrical, in particular they have bevelled ends towards the outside.

8. Patch antenna according to one of claims 1 to 7, characterized in that the resonator plate (2) in outline a width of max. lambda / 2 and a length of max. lambda / 4 has.

9. Patch antenna according to one of claims 5 to 8, characterized in that a dielectric substrate (3) is provided between the base plate (1) and resonator plate (2) and that the resonator plate (2) and the microstrip line (6) by a printed metallization are formed.

10. Antenna arrangement with three patch antennas (8, 9, 10) according to one of claims 1 to 9, wherein the short-circuited sides of the patch antennas (8, 9, 10) on three sides (7.1, 7.2, 7.3) of a common Base plate (7) are arranged and the feed is preferably carried out from the fourth side of the base plate (7).