DE10027508A1

DE10027508A1 - Systemintegrierbarer Dualbandsektorstrahler für Mobilfunkanwendungen

Info

Publication number: DE10027508A1
Application number: DE10027508A
Authority: DE
Inventors: Lutz Rothe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-12-13

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung eines extrem miniaturisierten und planaren Strahlersystems mit hohem Wirkungsgrad sowie der Möglichkeit der Integrationsfähigkeit bzw. Implementierbarkeit innerhalb beliebig gestalteter, sowohl ein- als auch mehrschichtig ausgebildeter, dielektrischer Containments. Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf der Konfigurierung eines reaktiv belasteten, unsymmetrischen planaren Wellenleiterresonatorsystems. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Sektorstrahlung, Mobilfunk, Spektrum, Dualband, Polarisation, Linearpolarisation, Reaktanz, Wellenleiter, Wellenleiterresonator, Microslottechnik, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisier ten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit eines linear polarisierten und sektorförmigen Strahlungsfeldes in der Horizontalebene sowie einer koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung in der Vertikalebene innerhalb zweier getrennter Spektralberei che, vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1880 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfin dung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit hohem Miniaturi sierungsgrad sowie ausgeprägter Rückstrahlungsdämpfung in der Azimutalebene, so daß insbesondere für den Bereich der Fahrzeuganwendungen ein miniaturisier tes und systemintegrierbares Antennensystem entsteht, das es bei Montage der Antenne auf den verglasten Innenflächen des Fahrzeuges ermöglicht, eine sektor förmige Ausleuchtung des Fahrzeugumfeldes in Verbindung mit einer hohen Strahlungsfelddämpfung in Richtung des Fahrgastinnenraumes zu gewährleisten. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglich keit des Planarstrahlers auf beliebigen dielektrischen Montage- oder Contain mentebenen offener oder partiell geschirmter beweglicher oder unbeweglicher Objekte, vorzugsweise auf den verglasten Flächen eines Fahrzeuges, und damit vorausgehend der konzeptions- bzw. dimensionierungsseitigen Berücksichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigenschaften der dem Antennenmodul räum lich sowie strahlungstechnisch vorgeordneten dielektrischen Schichten oder Räume, vorzugsweise der entsprechenden Verglasungen des Fahrgastraumes eines Personen- oder Nutzfahrzeuges. Das Ziel der Erfindung besteht fernerhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbst tragender dünner Schichten bzw. Folien, vorzugsweise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwendung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abweichenden Dielektrizitätszahl bedingte geo metrische Verkürzung erfindungsgemäß mittels verteilter reaktiver Strukturele mente bzw. mittels definierter induktiver, kapazitiver oder komplexer Belastungs elemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil funkbereich innerhalb des Mobilfunk-GSM-Netzes sowie des Mobilfunk-DCS- Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente mit Dualbandcharakter mit der Montagemöglichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraum anwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Kompo nente vom jeweiligen Endgerät bildet und an der betreffenden dielektrischen Raumbegrenzung, vorzugsweise der Raumverglasung, innenseitig und flächig montiert wird. Weitere vorteilhafte Anwendungsmerkmale insbesondere für den Bereich der fahrzeuggestützten Kommunikation, vorzugsweise der land-, luft- und seemobilen Kommunikation, ergeben sich aus der Möglichkeit der modularen Er zeugbarkeit der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutalebene.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- und Mittelstreckenübertragungssysteme auf dem Sektor kommunikations-, sensor- oder sicherheitstechnischer Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilkommunikation beruhen 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 gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungs grad behaftet.

Bekannte Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elek trischen Feldvektors sowie der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutal ebene beruhen auf der Ring-Schlitz-Konzeption oder auf flächenhaft angeordne ten Dipolmodifikationen, deren Richtdiagramm unregelmäßig und in Abhängig keit von der Struktur bzw. Geometrie des jeweiligen Untergrundes die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfelddeformation aufweisen. Die auf den Anwen dungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungs- und/oder Betonungseigenschaften definierter Diagrammsektoren des Strahlungs diagrammes nicht nachweisbar.

Lösungen, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstrip- oder Microslottechnik, unter Verwendung selbsttragender leitfähiger Folienleiter oder folienähnlicher Leitflächen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Mini aturisierungsgrad erzielt werden, sind nicht bekannt.

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 Anwendunsgfelder einsetz bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und sektorförmigen Strahlungscharak teristik in der Horizontalebene sowie einer koordinatenseitig breiten Sektor strahlung in der Vertikalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektral bereiche bzw. im Dualbandmodus. Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Auf gabe in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit der Eigenschaft der Montierbarkeit auf einem definierten dielektrischen Untergrund, dessen re sultierendes komplexes Suszeptibilitätsprofil als integraler Bestandteil des Strah lersystems aufzufassen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit dreieckförmiger, kreis- oder kreisringförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder ander weitiger definierter bzw. definierbarer Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, mit einer einseitig offenen Schlitzstruktur (2) mit dreieckförmigem, kreisförmigem, elliptischem, quadratischem, rechteckigem, pentagonalem, hexa gonalem, octagonalem oder anderweitig definiertem bzw. definierbarem Achsen verlauf, vorzugsweise kreisförmigem Achsenverlauf mit einem dem Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (1) identischen Ausgangspunkt des Radiusvek tors, versehen wird.

Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß die vorzugsweise kreisförmig ausgelegte Schlitzstruktur (2) aus unterschiedlichen Kreissegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . . ., deren zugehörige Achsen in zueinander gleicher oder ungleicher radialer Distanz zum Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (1) geführt werden, zusammengefügt wird oder daß die Schlitzstruktur (2) aus Strukturseg menten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . . ., gleicher oder unterschiedlicher Strukturlänge, gleicher oder unterschiedlicher Strukturbreite und/oder unterschiedlicher Achsen führung, vorzugsweise unterschiedlicher Strukturlänge, unterschiedlicher Struk turbreite sowie unterschiedlicher Achsenführung, synthetisiert wird.

Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Lösung in der Kopplung der Schlitz struktur (2) mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3) oder mehreren leit fähigen Platten oder Folien (3.1), (3.2), . . . . dreieckförmiger, kreis- oder kreis ringförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger, pentago naler, hexagonaler, octagonaler oder aus den vorgenannten Elementen definiert gekoppelter Kontur und untereinander gleicher oder ungleicher Abmessungen sowie untereinander gleicher oder ungleicher Distanzierungen gegenüber der leit fähigen Platte oder Folie (1), vorzugsweise mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3.1) hybrider Kontur und ungleicher, vorzugsweise kleinerer, Abmes sung sowie einer dritten leitfähigen Platte oder Folie (3.2) kreisringförmiger Kon tur mit den radialen Außenabmessungen der leitfähigen Platte oder Folie (1), wo bei die Kopplung vorzugsweise durch die flächenparallele Anordnung der leitfähi gen Platten oder Folien (3) in einer jeweils zueinander ungleichen definierten Dis tanz über der Schlitzstruktur (2) sowie in einer jeweils definierten Entfernung zu den Segmentgrenzen der Schlitzstruktur (2) erzeugt wird und die mechanische Distanzierung der leitfähigen Planen oder Folien (1) und (3) ausschließlich über dielektrische Distanzierungselemente erfolgt.

Erfindungsgemäß kann die Kopplung von n mit n < 1, leitfähigen Platten oder Folien (3) gleicher oder ungleicher Berandung und Flächenabmessung, sowohl durch die flächenparallele oder ortsabhängig distanzveränderliche Anordnung mindestens zweier leitfähiger Platten oder Folien (3.1), (3.2) übereinander bzw. entlang der Flächennormale der leitfähigen Platte oder Folie (1) in gleicher oder ungleicher Distanz zueinander als auch durch die flächenparallele oder ortsab hängig distanzveränderliche Anordnung mindestens zweier leitfähiger Platten oder Folien (3.1), (3.2) nebeneinander in gleicher oder ungleicher Distanz zuein ander sowie bezüglich der leitfähigen Platte oder Folie (1) erzeugt werden. Die Distanzierung zwischen den leitfähigen Planen oder Folien (1) und (3) bzw. zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (3) untereinander erfolgt mittels dielektrischer Distanzierungselemente (4) definierter Materialparameter sowie definierter Höhe und Flächenabmessung, vorzugsweise mittels dielektrischer Folien oder dielektrischer Schaumkörper mit oder ohne ein- oder doppelseitiger Haftbeschichtung.

Durch die homogene oder ortsselektive Versetzung bzw. Komposition der Dis tanzierungselemente (4) mittels dielektrischer oder leitfähiger Dotierungen lassen sich die Distanzierungselemente als ergänzende komplexe Steuerungselemente ausführen und innerhalb des Resonanzkreises mit verteilten Parametern einfügen. Die leitfähigen Platten oder Folien (3) definierter Berandung und Flächenabmes sung stellen in der dargestellten Kopplungsweise jeweils reaktive Belastungsele mente dar, über deren reaktive Eigenschaften, die mittels der Geometrie der leit fähigen Platte oder Folie (3), der Materialstruktur der leitfähigen Platte oder Folie (3), der Positionierungshöhe über der leitfähigen Platte oder Folie (1), der Platten- oder Folienlage, der Struktur und Geometrie des jeweiligen Distanzierungsele mentes zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) sowie der Positi onierungsebene festgelegt werden, die resultierende Schwingungsbedingung des Planarstrahlersystems und damit das komplexe elektromagnetische Streuverhalten des Strahlersystems gesteuert wird.

Die elektromagnetische Anregung des Strahlersystems erfolgt über ein koaxiales Wellenleitersystem (6), indem der Innenleiter (6.1) des koaxialen Wellenleiters in einer definierten Entfernung zur Kurzschlußebene bzw. zur Leerlaufebene des Schlitzwellenleiters (2) vorzugsweise transversal über ein definiertes Struktursegment (2) geführt sowie unmittelbar im Bereich der Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Plane oder Folie (1) verbunden wird und der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) gekoppelt wird. Die Positionierung der orthogonal zur Achse der Schlitzstruktur (2) verlau fenden Kopplungsebene des Kopplungspunktes (5) erfolgt in Abhängigkeit vom resultierenden elektromagnetischen Eingangstorverhalten der Anordnung in der Weise, daß die Anpassungsbedingung zwischen dem anregenden bzw. signal koppelnden Wellenleitersystem (6) und der Eingangsimpedanz erzielt wird.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Mittels des gegenständlichen Beispiels wird eine Dualbandver sion für die spektralen Bänder 890 MHz-960 MHz/1710 MHz-1880 MHz für den Fall der Glasmontage mit azimutaler Sektorstrahlungscharakteristik sowie linearer Polarisation dargelegt.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreisför miger Berandung, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einer Schlitzstruktur (2), bestehend aus den Struktursegmenten (2.1), (2.2), (2.3) und (2.4), versehen und gemäß den Angaben der Abb. 2.1 geometrisch bemessen. Im Übergangsbereich zwischen den Struktursegmenten (2.2 und (2.3) wird flächenparallel zur metallischen Platte (1) eine gemäß der Abb. 2.2 be messene und berandete metallische Platte (3.1) mittels dem gemäß der Abb. 2.3 bemessenen Distanzierungselement (4), bestehend aus einer mit einer doppel seitig ausgebildeten Haftbeschichtung versehenen Polyethylenfolie, positioniert. Gemäß der Abb. 3 wird flächenparallel zu den metallischen Platten oder Fo lien (1) und (3.1) eine leitfähige und kreisringförmige Platte oder Folie (3.2) ge mäß den Abmessungen der Abb. 2.4, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, angeordnet, wobei die geometrischen Mittelpunkte der leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3.2) auf einer zu den Flächennormalen der beiden leitfähigen Platten oder Folien parallel verlaufenden und zueinander identi schen Achse positioniert werden. Die mechanische Distanzierung der leitfähigen Plane oder Folie (3.2) gegenüber den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3.1) erfolgt mittels dielektrischer Schaumkörper, vorzugsweise bestehend aus Poly styrol- oder Polypropylenschaum mit doppelseitiger Haftbeschichtung.

Der Innenleiter (6.1) des signalkoppelnden koaxialen Wellenleiters (6) wird in der Übergangsebene zwischen den Schlitzstruktursegmenten (2.3) und (2.4) transversal bezüglich der Schlitzstrukturachsen über die Schlitzstruktur geführt und im Punkt (5) galvanisch, vorzugsweise mittels Lötverbindung, mit der me tallischen Platte (1) verbunden. Der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) wird unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante galvanisch, vorzugsweise mittels Lötverbindung des zweifach aufgespreizten und flexiblen Außenleiters, mit der metallischen Platte (1) verbunden.

Die Montage der Anordnung erfolgt durch Aufbringung der metallischen Platte (1) mit der dem metallischen Element (3) gegenüberliegenden Strukturfläche auf einer ein- oder mehrschichtig ausgebildeten dielektrischen, vorzugsweise nieder dielektrischen und verlustminimalen, Montageebene.

Claims

1. Systemintegrierbarer Dualbandsektorstrahler für Mobilfunkanwendungen, be stehend aus einer Anordnung geometrisch definiert strukturierter leitfähiger Ebe nen, dadurch gekennzeichnet, daß
eine leitfähige Plane oder Folie (1) mit kreisförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder anderweitiger definier ter bzw. definierbarer Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, mit einer einseitig offenen Schlitzstruktur (2) mit dreieckförmigem, kreisförmigem, elliptischem, quadratischem, rechteckigem, pentagonalem, hexagonalem, octago nalem oder anderweitig definiertem bzw. definierbarem Achsenverlauf, vorzugs weise kreisförmigem Achsenverlauf mit einem dem Mittelpunkt der leitfähigen Plane oder Folie (1) identischen Ausgangspunkt des Radiusvektors, versehen wird;
die vorzugsweise kreisförmig ausgelegte Schlitzstruktur (2) aus unterschied lichen Kreissegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., deren zugehörige Achsen in zueinander gleicher oder ungleicher radialer Distanz zum Mittelpunkt der leit fähigen Plane oder Folie (1) geführt werden, zusammengefügt wird oder die Schlitzstruktur (2) aus Struktursegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., gleicher oder unterschiedlicher Strukturbreite und/oder unterschiedlicher Achsenführung, vorzugsweise unterschiedlicher Strukturlänge, unterschiedlicher Strukturbreite sowie unterschiedlicher Achsenführung, synthetisiert wird;
die leitfähige Platte oder Folie (1) ganzflächig oder ortsselektiv im Bereich der Schlitzstruktur (2) mit einer zweiten leitfähigen Plane oder Folie (3) oder mehre ren leitfähigen Planen oder Folien (3) dreieckförmiger, kreis- oder kreisringför miger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder aus den vorgenannten Elementen definiert gekop pelter Kontur und untereinander gleicher oder ungleicher Abmessungen, vorzugs weise mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3.1) ungleicher Abmessung sowie ungleicher Kontur und einer dritten leitfähigen Plane oder Folie (3.2) glei cher Abmessung sowie gleicher Außenkontur gekoppelt wird;
die Kopplung zwischen den leitfähigen Planen oder Folien (1) und (3) durch die flächenparallele oder ortsabhängig kontinuierlich oder diskontinuierlich distanz veränderliche, vorzugsweise durch die flächenparallele Anordnung der leitfähigen Platten oder Folien (3) in einer jeweils zueinander gleichen oder ungleichen defi nierten Distanz über leitfähigen Platte oder Folie (1) bzw. der Schlitzstruktur (2) sowie in einer jeweils definierten Entfernung zu den Segmentgrenzen der Schlitzstruktur (2) erzeugt wird;
die leitfähigen Platten oder Folien (1), (3.1) und (3.2) für den Fall der kreisför migen Außenberandung der leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3.2) flächen parallel oder radialabhängig kontinuierlich oder diskontinuierlich distanzveränder lich, vorzugsweise flächenparallel, gekoppelt werden, indem die Ausgangspunkte der Radialvektoren der leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3.2) auf einer zu einander identischen oder nichtidentischen Achse, vorzugsweise zueinander iden tischen Achse, angeordnet werden;
die Distanzierung zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) bzw. zwischen den leitfähigen Planen oder Folien (3) untereinander mittels dielektri scher Distanzierungselemente (4) definierter Materialparameter sowie definierter Höhen- und Flächenabmessungen, vorzugsweise mittels dielektrischer Folien oder dielektrischer Schaumkörper mit ein- oder doppelseitiger Haftbeschichtung, erfolgt;
die Distanzierugselemente (4) mittels dielektrischer oder leitfähiger Dotie rungen homogen oder ortsselektiv versetzt werden;
das Strahlersystem vorzugsweise über ein koaxiales Wellenleitersystem (6) er regt wird, indem der Innenleiter (6.1) des koaxialen Wellenleiters in einer defi nierten Entfernung zur Kurzschluß- bzw. Leerlaufebene des Schlitzwellenleiters (2) vorzugsweise transversal über ein definiertes Struktursegment (2.n) geführt wird sowie unmittelbar im Bereich der Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird und der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) gekop pelt wird.

2. Systemintegrierbarer Dualbandsektorstrahler für Mobilfunkanwendungen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Plane oder Folie (1) mit n (n < 1) leitfähigen Platten oder Folien (3) gleicher oder ungleicher Berandung und Flächenabmessung, vorzugsweise gleicher Berandung und Flächenabmes sung, gekoppelt wird, indem mindestens zwei leitfähigen Platten oder Folien (3) oberhalb der Schlitzstruktur (2) übereinander bzw. entlang der Flächennormale der leitfähigen Platte oder Folie (1) in gleicher oder ungleicher gegenseitiger Distanz angeordnet und unter Einfügung der Distanzierungselemente (4) zuein ander distanziert werden.