DE10008086A1 - Systemintegrierbares Planarstrahlersystem für Mobilfunkanwendungen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung eines extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennensystems mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene vorzugsweise für Mobilfunkanwendungen innerhalb der Spektralbereiche des AMPS- und PCS 1900-Mobilfunknetzes. DOLLAR A Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einem breitbandig angepaßten sowie unsymmetrischen Wellenleiterresonator in Schlitzleitungstechnik. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarantenne, Planarstrahler, Resonanzstrahler, Strahlungsdiagramm, Rundstrahlung, Polarisation, Richtfaktor, Wirkungsgrad, Wellenleitung, Wellenimpedanz, Wellenleiterresonator, Schlitzleitung.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturi­ sierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 824 MHz und 894 MHz sowie zwischen 1850 MHz und 1990 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung vorzugsweise für den Bereich der Fahrzeuganwendungen, die es bei Anbringung des Strahlers an den verglasten Innenflächen des Fahrzeuges oder jeglichen dielektrischen Flächen und Begrenzungen beliebiger Räume oder Objekte ermöglicht, jegliche rundstrahlenden Außenantennen für die Übertragung elektromagnetischer Strah­ lungsfelder vorzugsweise in den genannten Spektralbereichen effektiv zu substi­ tutieren. Die gegenständliche Erfindung verfolgt fernerhin das Ziel, Flächen­ strahlerkomponenten mit der unmittelbaren Möglichkeit der technisch oder desig­ nerisch orientierten Systemintegrierbarkeit sowie der Tarnbarkeit für sowohl stationäre als auch portable oder mobile Objekte bzw. Anwendungen sowie mit der Einsatzmöglichkeit bzw. der speziellen Eignung als Körper- oder Koffer­ antenne zu entwickeln. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittel­ baren Montagemöglichkeit des Flächenstrahlers auf den dielektrischen, vorzugs­ weise verglasten, Flächen und damit vorausgehend der konzeptions- bzw. dimen­ sionierungsseitigen Berücksichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigen­ schaften der dem Antennenmodul räumlich vorgeordneten dielektrischen Schich­ ten oder Räume, vorzugsweise der entsprechenden Verglasungen des Fahrgast- oder Nutzraumes land-, luft- oder seemobiler Objekte.

Das Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Platten, vorzugs­ weise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwen­ dung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abwei­ chenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung mittels verteilter kapazitiver Strukturelemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil­ funkbereich. Hierbei bildet der Flächenstrahler eine optionale Antennenkompo­ nente bzw. Ersatzkomponente der Fahrzeugaußenantenne mit der Montagemög­ lichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwen­ dungsbereich auf allgemeine Innenraumanwendungen, indem die Strahlerkompo­ nente eine räumlich abgesetzte Komponente vom jeweiligen Endgerät bildet und an der betreffenden Raumverglasung bzw. an der dielektrischen Raum- oder Objektwandung innenseitig und flächig montiert wird.

Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen die Bedingung der schnellen und unaufwendigen Montierbarkeit ohne Verwendung von Werkzeugen sowie die Bedingung der sowohl bezüglich des Antennenmo­ duls als auch bezüglich der Montageebene zerstörungsfreien und einschränkungs­ losen Lösbarkeit und damit der Wiederverwendbarkeit zu erfüllen sind bzw. er­ füllt sein sollten. Der weitere Vorteil der Erfindung soll in der externen Aufnah­ mefähigkeit jeglicher lösbar oder unlösbar mit dem Antennenmodul bzw. mit dessen Radom verbundener dielektrischer Folien, Verkleidungen oder Ummante­ lungen beliebiger Strukturierung, vorzugsweise dielektrischer Folien mit belie­ biger Bedruckung und Farbgebung, bestehen, so daß auf dieser Basis das Feld der zweckorientierten Tarnbarkeit sowie der designerischen Gestaltbarkeit bzw. de­ signerischen Integrationsfähigkeit umfassend erschließbar ist.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Ba­ sismodul für Kurz- oder Mittelstreckenübertragungssysteme für kommunikations- sowie sensor- oder sicherheitstechnische Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilfunkanwendungen be­ ruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät ge­ koppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungsgrad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene aus­ schließlich rundstrahlend sind. Bekannte Flachantennenlösungen beruhen auf flächenhaft angeordneten, dipolähnlichen Konfigurationen, deren Richtdiagramm unregelmäßig und in Verbindung mit dem jeweiligen Untergrund die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfelddeformation aufweisen. Die auf den Anwen­ dungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungs­ eigenschaften des Strahlungsdiagrammes nicht nachweisbar. Gleichfalls sind keine Lösungen bekannt, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstrip- oder Microslöttechnik, unter Verwendung selbsttragender leit­ fähiger Folienleiter oder folienähnlicher Leitflächen erzielt werden.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetz­ bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfinderische Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturi­ sierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeug­ barkeit einer linear polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene mit dem Ziel der Erzeugung einer Nutzstrahlung innerhalb jeder der zwei Raumhemi­ sphären des sphärischen Strahlungsraumes vorzugsweise in den Spektralberei­ chen zwischen 824 MHz und 894 MHz bzw. 1850 MHz und 1990 MHz. Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht weiterhin in der Entwicklung einer flächenhaften Strahleranordnung vorzugsweise für den Bereich der Fahrzeugan­ wendungen, die es bei Anbringung der Antenne an den verglasten Innenflächen des Fahrzeuges oder jeglichen dielektrischen Flächen und Begrenzungen belie­ biger Räume oder Objekte ermöglicht, jegliche rundstrahlende, vorzugsweise lineare oder ringförmige oder ringschlitzförmige Außenantennen für die Über­ tragung elektromagnetischer Strahlungsfelder vorzugsweise in den genannten Spektralbereichen effektiv zu substituieren. Fernerhin besteht die erfindungsgemäße Aufgabe in der Konfigurierung einer Flächenstrahlerkomponente mit der unmittel­ baren Möglichkeit der technisch oder designerisch orientierten Systemintegrier­ barkeit sowie der Tarnbarkeit für sowohl stationäre als auch portable oder mobile Objekte bzw. Anwendungen sowie mit der Einsatzmöglichkeit bzw. der spezi­ ellen Eignung als Körper- oder Kofferantenne, wobei in jedem der genannten Fälle die Bedingung der schnellen und unaufwendigen Montierbarkeit ohne Ver­ wendung von Werkzeugen sowie der Bedingung der sowohl bezüglich des An­ tennenmoduls als auch bezüglich der Montageebene zerstörungsfreien und ein­ schränkungslosen Lösbarkeit und damit der Wiederverwendbarkeit zu erfüllen sind und die externe Aufnahmefähigkeit des Antennenmoduls jeglicher lösbar oder unlösbar mit dem Antennenmodul bzw. mit dessen Radom verbundener dielektrischer Verkleidungen oder Ummantelungen beliebiger Strukturierung, vorzugsweise dielektrischer Folien mit beliebiger Bedruckung und Farbgebung, gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit kreisförmiger, elliptischer, dreieckförmiger, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder beliebiger Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, vorzugsweise bestehend aus Messing, Kupfer oder Aluminium, mit einer schlitzförmigen Struktur (3), bestehend aus einem oder mehreren und untereinander verbundenen schlitzförmigen Segmenten (3.n) mit n = 1, 2, 3, 4, . . ., gleicher oder ungleicher Schlitzbreite; vorzugsweise ungleicher Schlitzbreite, die für den Fall mehrerer schlitzförimger Segmente pa­ rallel, rechtwinklig oder in einem beliebigen Winkel zueinander angeordnet sind, versehen wird. Die erfinderische Lösung besteht weiterhin darin, daß unmittelbar über der leitfähigen Platte oder Folie (1) flächenparallel zur leitfähigen Platte oder Folie (1) sowie flächenpartiell bezüglich der Flächenausdehnung der leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Schicht (2) definierter Kontur und Abmes­ sung sowie definierter dielektrischer Suszeptibilitätseigenschaften angeordnet wird, die in ihrer Ausdehnung die schlitzförmige Struktur (3) definiert und orts­ selektiv überdeckt. Auf dieser Basis wird mittels der dielektrischen Scheibe eine komplexe Belastung des Schlitzwellenleiters (3) erzeugt, mittels derer die gezielte Steuerung des elektromagnetischen Streuverhaltens der Strahleranordnung und damit des resultierenden Strahlungsleitwertes des Strahlersystems erfolgt. Hierbei wird mit der Geometrie des dielektrischen Belastungskörpers (2), der Positionie­ rungsbedingung bezüglich der Schlitzwellenleiterstruktur (3) sowie den dielektri­ schen Eigenschaften die komplexe Belastungsbedingung festgelegt bzw. definiert. Der Belastungskörper (2) kann in diesem Zusammenhang in Form einer definier­ ten Stoffkomposition mit homogener oder diskontinuierlicher Versetzung oder in Form eines Schicht- oder Körpersystems mit jeweils definierter Distribution so­ wohl elektrisch leitender als auch nichtleitender Stoffkomponenten ausgeführt werden. Die Aufgabe wird fernerhin dadurch gelöst, indem die schlitzförmige Struktur (3) vorzugsweise mittels eines koaxialen Wellenleiters (4) elektromag­ netisch angeregt wird, indem der Inneneiter (4.1) des koaxialen Wellenleiters (4) in einer definierten Entfernung von den Begrenzungen der schlitzförmigen Struk­ tur (3) bzw. eines Segmentes der schlitzförmigen Struktur rechtwinklig zur Achse der schlitzförmigen Struktur über die schlitzförmige Struktur geführt und endsei­ tig an einer der achsenparallelen Begrenzungen der schlitzförmigen Struktur (3), vorzugsweise im Punkt (5), galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird, wobei der Außenleiter (4.2) des koaxialen Wellenleiters (4) an der gegenüberliegenden achsenparallelen Begrenzung der schlitzförmigen Struk­ tur (3) galvanisch, vorzugsweise mittels einer Lötverbindung, mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird. Die strukturierte leitfähige Platte oder Folie (1) wird erfindungsgemäß mittels einem dielektrischen Gefäßsystem umschlos­ sen, wobei das Gefäßsystem in Form eines Radoms mit beliebiger Kontur, vor­ zugsweise mit einer der Berandung der strukturierten leitfähigen Platte oder Folie (1) angepaßten Kontur und damit einer kreisförmigen Kontur, vorzugsweise be­ stehend aus einem mittels Spritzverfahren oder Tiefziehverfahren erstellten und aus einem oder mehreren Elementen bestehenden Formteil oder in der Folge eines Verschäumungsverfahrens gebildet wird, innerhalb dessen die strukturierte leit­ fähige Platte oder Folie (1) eingefügt wird bzw. integriert ist. Die Positionierung bzw. Befestigung des Gefäßsystems erfolgt vorzugsweise mittels einer doppel­ seitig mit jeweils einer Klebeschicht ausgestatteten dielektrischen Folie beliebiger Dicke und Berandung, vorzugsweise kreisförmiger oder kreisringförmiger Berandung, wobei der doppelklebenden dielektrischen Folie eine weitere, vorzugsweise einseitig mit einer Haftschicht ausgestattete, dielektrische Folie beliebiger Berandung, vorzugsweise kreisförmiger oder kreisringförmiger Berandung, vorgesetzt werden kann, deren Haftschichtebene vorzugsweise mit einer ein- oder mehrfarbigen, vorzugsweise mehrfarbigen, Bedruckung ausge­ bildet ist und für den Fall der Glasmontage ein sichtbares Bild erzeugt. Der er­ findungsgemäße Vorteil besteht insbesondere in der beliebigen Wechselbarkeit des Positionierungsortes der Antennenkomponente und/oder der Bildfolie bei sachlich unbegrenzter Wiederverwendbarkeit des Antennenmoduls.

Die Bemessung der Resonanzbedingung des Strahlersystems bzw. des Eingangs­ impedanz- und Strahlungsleitwertprofils erfolgt hierbei unter Einbeziehung des geometrischen und Suszeptibilitätsprofils des Gefäßsystems sowie der dielek­ trischen Haft- und Bildfolien einschließlich der Montageebene, so daß das An­ tennensystem als Schlitzwellenleiterresonator mit ebenenweise diskontinuierlich partialisierter, unsymmetrischer, dielektrischer Belastung und damit als flächen­ haftes Verbundstrahlersystem zu betrachten ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines praxisrelevanten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich hierbei auf eine miniaturisierte und planare, dualbandige Scheibenantenne für die Glas-Aufsatzmontage bzw. die Fahrzeug- Innenmontage als Mobilfunk-Strahlersystem für die Spektralbereiche 824 MHz bis 894 MHz sowie 1850 MHz bis 1990 MHz, deren Strahlermodul in der Abb. 1 dargestellt ist.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige Platte oder Folie (1), bestehend aus Messing, mit einer schlitzförmigen Struktur (3), bestehend aus den schlitzförmi­ gen Segmenten (3.1) bis (3.5), versehen. Gemäß der Abb. 1 wird die leit­ fähige Platte (1) flächenpartiell sowie flächenparallel mit einer dielektrischen Scheibe (2) mit der in der Abb. 2.2 dargestellten Kontur und Flächenabmes­ sung, bestehend aus Polystyrol bzw. einer Polystyrolkomposition, flächig verbun­ den. Weiterhin wird gemäß der Abb. 1 die schlitzförmige Struktur (3) mit­ tels einem koaxialen Wellenleiter (4) angeregt, indem der Innenleiter (4.1) galva­ nisch im Punkt (5) mit der leitfähigen Platte (1) und der Außenleiter (4.2) galva­ nisch, vorzugsweise mittels einer Lötverbindung, innerhalb des dem Punkt (5) unmittelbar gegenüberliegenden Bereiches der Schlitzwellenleiterkante des Schlitzstruktursegmentes (3.2) mit der leitfähigen Platte (1) verbunden werden. Die strukturierte und leitfähige Platte (1) gemäß der Abb. 1 wird jeweils in ein zylinderförmiges dielektrisches Radom, vorzugsweise bestehend aus einer Polystyrol- oder Polyvinylchlorid-Komposition, eingefügt. Mittels einer doppel­ seitig mit einer Haftschicht versehenen dielektrischen Folie, bestehend aus Poly­ styrolschaum, sowie einer einseitig mit einer Klebeschicht versehenen Bildfolie wird das Antennensystem bzw. dessen Radom auf einer dielektrischen Montage­ ebene, bestehend aus der Fahrzeugverglasung oder einer anderweitigen nicht­ leitenden Raumbegrenzung, positioniert bzw. befestigt.

Claims (2)

1. Systemintegrierbares Planarstrahlersystem für Mobilfunkanwendungen, bestehend aus einer Anordnung geometrisch definierter dielektrischer und leit­ fähiger Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit kreisförmiger, elliptischer, dreieckför­ miger, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder beliebiger Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, mit einer schlitz­ förmigen Struktur (3), bestehend aus einem oder mehreren und untereinander ver­ bundenen schlitzförmigen Segmenten (3.n) mit n = 1, 2, 3, 4, . . ., gleicher oder ungleicher Schlitzbreite, vorzugsweise ungleicher Schlitzbreite, die für den Fall mehrerer schlitzförmiger Segmente (3) parallel, rechtwinklig oder in einem be­ liebigen Winkel zueinander angeordnet sowie deren längssymmetrische Achsen mit einem linearen, zirkularen, elliptischen oder beliebigen Verlauf ausgebildet werden, versehen wird, wobei die Segmente (3.n) für den Fall zweier oder meh­ rerer gekoppelter schlitzförmiger Segmente (3.n) gleicher oder ungleicher Schlitz­ breite sowie parallel, rechtwinklig oder in einem beliebigen Winkel zueinander verlaufender längssymmetrischer Achsen mit zueinander sowohl unversetzt als auch versetzt verlaufenden Achsen in deren Schnitt- bzw. Kopplungsebenen ge­ koppelt werden;
• - flächenparallel zur leitfähigen Platte oder Folie (1) sowie flächenpartiell bezüg­ lich der Flächenausdehnung der leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Schicht (2) definierter Kontur und Abmessung sowie definierter Suszeptibilitäts­ eigenschaften angeordnet wird, die in ihrer Ausdehnung die schlitzförmige Struk­ tur (3) definiert und ortsselektiv überdeckt;
• - die schlitzförmige Struktur (3) vorzugsweise mittels eines koaxialen Wellen­ leiters (4) elektromagnetisch angeregt wird, indem der Innenleiter (4.1) des koaxi­ alen Wellenleiters (4) in einer definierten Entfernung von den Begrenzungen der schlitzförmigen Struktur (3) bzw. eines Segmentes der schlitzförmigen Struktur rechtwinklig zur Achse der schlitzförmigen Struktur (3) über die schlitzförmige Struktur (3) geführt und endseitig an einer der achsenparallelen Begrenzungen der schlitzförmigen Struktur (3) galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird;
• - der Außenleiter (4.2) des koaxialen Wellenleiters (4) an der gegenüberliegenden achsenparallelen Begrenzung der schlitzförmigen Struktur (3) galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird;
• - die strukturierte leitfähige Platte oder Folie (1) mittels einem dielektrischen Gefäßsystem mit beliebiger Kontur, vorzugsweise mit einer der Berandung der strukturierten leitfähigen Platte oder Folie (1) angepaßten und damit kreisförmi­ gen Kontur, umschlossen wird;
• - das Gefäßsystem vorzugsweise mittels einer doppelseitig mit jeweils einer Haft­ schicht, vorzugsweise Klebeschicht, ausgestatteten dielektrischen Folie beliebiger Dicke und Berandung, vorzugsweise kreisförmiger oder kreisringförmiger Beran­ dung, auf der Montagefläche befestigt bzw. positioniert wird;
• - der dielektrischen und haftvermittelnden Folie eine weitere, vorzugsweise ein­ seitig mit einer Haftschicht, vorzugsweise Klebeschicht, ausgestattete dielektri­ sche Folie beliebiger Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, deren Haftschichtebene vorzugsweise mit einer ein- oder mehrfarbigen, vorzugsweise mehrfarbigen Bedruckung, ausgebildet ist, vorgesetzt wird.

2. Systemintegrierbares Planarstrahlersystem für Mobilfunkanwendungen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungskörper (2) in Form einer definierten Stoffkomposition mit homogener oder diskontinuierlicher Ver­ setzung oder in Form eines Schicht- oder Körpersystems mit jeweils definierter Distribution sowohl elektrisch leitender als auch nichtleitender Stoffkomponenten ausgeführt und mittels elektrisch leitender oder nichtleitender ortsselektiver Dis­ tanzierungselemente über der leitfähigen Platte oder Folie (1) positioniert wird.