DE10109343C2 - Antennenanordnung mit mindestens zwei Antennenelementen oder mit einem verformbaren Antennenelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit mindestens zwei Antennenelementen oder mit einem verformbaren Antennen­ element.

Aus Radarsystemen für die Flugsicherung ist eine Antennenan­ ordnung bekannt, deren Antennenelemente mit Hilfe von elekt­ ronischer Phasenverschiebung angesteuert werden, wodurch die Richtcharakteristik der Antennenanordnung beeinflussbar ist. Eine solche Phased-Array-Antennenanordnung ist beispielsweise aus der US 4,275,366 bekannt.

Die Phasenverschiebung wird durch elektronische Phasenschie­ ber in Mikrostrip-Technik erzeugt, die für den Serieneinsatz in Fahrzeugen nicht geeignet sind, da sie sehr teuer sind.

Die DE 196 42 810 C1 beschreibt ein Radarsystem, bei dem drei Antennenelemente auf einer Basisplatte angeordnet sind, die mittels durch Gewindestangen verschiebbarer Keilschieber quer zur Ausbreitungsrichtung der Antennenstahlen ausgelenkt wer­ den kann, um eine Verschwenkung der Antennenkeule zu Erzie­ len. Durch diese Verschiebung aller Antennenelemente um den gleichen Betrag und die gleiche Richtung mittels einer mecha­ nischen Vorrichtung ist jedoch nur eine geringe Flexibilität gegeben. Außerdem ist die dortige Vorrichtung nur zur Justie­ rung geeignet und nicht um schnelle Scans in einem bestimmten Räumwinkel durchzuführen.

Die DE 41 17 538 C1 beschreibt eine Anordnung zum Stützen und Ausrichten von Antennen oder Teleskopen mittels Teleskopbei­ nen, die mittels piezoelektrischer Linearmotoren in ihrer Länge reguliert werden können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanord­ nung bereitzustellen, deren Richtcharakteristik einfach und kostengünstig beeinflussbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unab­ hängigen Patentansprüche gelöst.

Dabei ist eine Antennenanordnung mit mindestens zwei Anten­ nenelementen ausgestattet, die jeweils auf einer separaten oder gemeinsamen Auslenkeinheit angeordnet sind. Die einzel­ nen Antennenelemente werden im Wesentlichen in Ausbreitungs­ richtung ausgelenkt, wobei die jeweilige Auslenkung der ein­ zelnen Antennenelemente von der gewünschten Richtcharakteris­ tik der Antennenanordnung abhängt. Die Richtcharakteristik der Antennenordnung kann so beeinflusst werden, dass bei­ spielsweise der Fokus und damit die Reichweite vergrößert und verkleinert wird oder die Ausstrahlrichtung nach links oder nach rechts verschoben wird. Dadurch sind vorteilhaft bei Einsatz in einem Radarsystem in einem Fahrzeug Anpassungen an die Fahrsituation, z. B. in Kurven, Senken oder ähnliches möglich.

Weiterhin können die Antennenelemente, die vorzugsweise auf einem Piezoelement elektrisch ansteuerbar angeordnet sind, parallel zueinander ausgelenkt werden oder zueinander ver­ kippt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Antennenelement in sich verbiegbar ausgebildet und auf einer Auslenkeinheit an­ geordnet. Durch Verbiegen der Auslenkeinheit verformt sich das Antennenelement, wodurch eine gewünschte Richtcharakte­ ristik einstellbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltungsträger mit einer Antennenanordnung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Antennenanordnung ent­ lang der Schnittlinie I aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Antennenanord­ nung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine dritte Antennenanord­ nung.

In Fig. 1 ist ein Schaltungsträger 1 mit zwei Antennenanord­ nungen 10, 11 dargestellt. Die Antennenanordnungen 10, 11 wei­ sen jeweils sechs Antennenelemente 3 auf, die auf einem ge­ meinsamen Antennen-Träger 2 angeordnet sind. Der Antennenträ­ ger 2 besteht vorzugsweise aus einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und ist auf dem Schaltungsträ­ ger 1 angeordnet. Die Richtcharakteristika der einzelnen An­ tennenelemente 3 verlaufen keulenförmig im Wesentlichen senk­ recht zur Ebene des Schaltungsträgers 1. Durch Überlagern der Richtcharakteristika der einzelnen Antennenelemente 3 wird eine Bündelung erzielt. Die Bündelung bzw. das Gesamtricht­ charakteristikum der Antennenanordnung 10, 11 hängt ab von der Größe der Fläche der einzelnen Antennenelemente 3, den Abständen der einzelnen Antennenelemente 3 zueinander, den Materialeigenschaften der Antennenträger 2 und des Schal­ tungsträgers 1, z. B. der Dielektrizitätskonstante, der Leit­ fähigkeit, usw.., dem Abstand der beiden Antennenanordnungen 10, 11 voneinander und dem Abstand der einzelnen Antennenele­ menten 3 von dem Antennenträger 2 bzw. dem Schaltungsträger 1. Zwischen den Antennenelementen 3 und der ihnen jeweils zu­ geordneten Antennenträgereinheit 2 sind Auslenkeinheiten 6 angeordnet. Durch die Auslenkeinheiten 6, die jeweils einem Antennenelement 3 zugeordnet sind, ist der Abstand zwischen den Antennenelementen 3 und dem Antennenträgers 2 bzw. dem Schaltungsträger 1 einstellbar. Insbesondere sind die Positi­ onen der Abstrahloberflächen der einzelnen Antennenelemente 3 zueinander einstellbar, wodurch unterschiedliche Richtcharak­ teristika einstellbar sind.

Den einzelnen Antennenelementen 3 wird nun hochfrequente E­ nergie, vorzugsweise im Mikrowellenbereich, zugeführt. Die Antennenelemente 3 wirken auch als Empfänger zum Empfang hochfrequenter Strahlung. Dabei ist die Richtwirkung bzw. Richtcharakteristik beim Senden und Empfangen im Wesentlichen gleich.

In den Fig. 2a bis 2d sind die Querschnitte verschiedener Ausführungsbeispiele einer Antennenanordnung dargestellt, wo­ bei als Grundlage der jeweilige Querschnitt die Antennenan­ ordnung aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie I ist.

In Fig. 2a ist der vorzugsweise als Leiterplatte (PCB) aus­ gebildete Schaltungsträger 1 dargestellt, auf dem eine Schicht aufgebracht ist, die den Antennenträger 2 darstellt. Auf dem Antennenträger 2 sind sechs Antennenelemente 3 neben­ einander angeordnet. Zwischen den einzelnen Antennenelementen 3 und dem Antennenträger 2 sind jeweils Auslenkeinheiten 6 angeordnet, durch die die einzelnen Antennenelemente 3 um ei­ ne vorgegebene Auslenkung auslenkbar sind. Die Auslenkeinhei­ ten 6 bestehen vorzugsweise aus elektrisch ansteuerbaren Pie­ zoelementen. Das auf der Auslenkeinheit 6 angeordnete Anten­ nenelement 3 weist eine Dicke D auf. Eine Auslenkeinheit 6 ist senkrecht zu der Ebene der Leiterplatte 1 auslenkbar, wo­ bei die minimale Auslenkung hmin beträgt und die maximale Auslenkung hmax beträgt. In Ruhelage stellt sich eine mittle­ re Auslenkung h0 ein, die der Dicke der Auslenkeinheit ent­ spricht.

Es ergibt sich eine rechts der Fig. 2a dargestellte keulen­ förmige Richtcharakteristik F2 mit einer mittleren Keulen­ breite b2. Dabei liegt die Keulenachse A im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Schaltungsträgers 1. Dabei ist die Leiterplatte 1 und der Antennenträger 2 mit den Antennenele­ menten 3 in ihrer Breite verkürzt dargestellt.

Durch Auslenken der einzelnen Auslenkeinheiten 6 sind unter­ schiedliche Richtcharakteristika F1, F2, F3, F4 einstellbar, wie in den Fig. 2b, 2c, 2d ersichtlich ist.

In Fig. 2b ist eine Antennenordnung aus Fig. 2a darge­ stellt, bei der die einzelnen Antennenelemente 3 aus ihrer Ruhelage mit einer Auslenkung h0 zumindest teilweise ausge­ lenkt sind. Die beiden links und rechts angeordneten, äußeren Antennenelemente 3 sind mit einer maximal Auslenkung hmax ausgelenkt. Die beiden inneren Antennenelemente 3 sind mit einer minimalen Auslenkung hmin ausgelenkt. Die beiden je­ weils zwischen den äußeren und den inneren, mittleren Anten­ nenelementen 3 angeordneten Antennenelemente 3 sind jeweils mit einer mittleren Auslenkung h0 ausgelenkt. Durch die ver­ schiedenen Auslenkungen der Antennenelemente 3 sind die an den der Antennenträger 2 entgegengesetzten Oberflächen der Antennenelemente 3 zu einer konkaven Kurve K1 ergänzbar. Da­ durch tritt ein fokusierender Effekt auf, wie in der daneben stehenden Richtcharakteristik F1 mit einer mittleren Keulen­ breite b1 ersichtlich ist. Die Keulenbreite b1 ist kleiner als die Keulenbreite b2 aus Fig. 2a. Die Keulenachse A ver­ läuft im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Schaltungsträ­ gers 1.

In Fig. 2c ist eine Antennenordnung aus Fig. 2a darge­ stellt, bei der im Unterschied zu der Antennenordnung aus Fig. 2a die beiden inneren Antennenelemente 3 mit einer maxi­ malen Auslenkung hmax ausgelenkt sind. Die beiden äußeren An­ tennenelemente 3 sind mit einer minimalen Auslenkung hmin ausgelenkt. Die beiden zwischen den äußeren und den inneren liegenden mittleren Antennenelemente 3 angeordneten Antennen­ elemente 3 sind mit einer mittleren Auslenkung h0 ausgelenkt. Dadurch ergibt sich eine Oberflächenform der von der Leiter­ platte 1 abgewandten Oberfläche der Antennenelemente 3, die in hinreichender Annäherung zu einer konvexen Kurve K2 er­ gänzbar ist. Durch die konvexe Form ergibt sich eine Richt­ charakteristik F3 mit einer Keulenbreite b3, die kleiner ist als die Keulenbreite b2 aus Fig. 2a. Die Richtcharakteristik F3 weist eine geringere Reichweite und einen breiteren Ab­ strahlkegel auf.

In Fig. 2d ist eine Antennenanordnung dargestellt, die ab­ weichend von der Antennenanordnung aus Fig. 2a unterschied­ liche Auslenkungen aufweist. Das rechtsgelegene Antennenele­ ment 3 weist eine minimale Auslenkung hmin auf, das ganz links gelegene Antennenelement weist eine maximale Auslenkung hmax auf. Die Auslenkungen der zwischen den rechten und den linken Antennenelementen 3 angeordneten Antennenelementen 3 steigen linear von links nach rechts an. Dadurch ergibt sich eine Oberflächenform der von der Leiterplatte 1 abgewandten Oberfläche der Antennenelemente 3, die in hinreichender Annä­ herung zu einer geraden Linie K3 ergänzbar ist, die von rechts nach links ansteigend ist. Dadurch entsteht eine Richtcharakteristik F4, die um einen Winkel γ von der Keulen­ achse A nach rechts abweicht. Die Keulenbreite entspricht da­ bei im Wesentlichen der Keulenbreite b2 aus Fig. 2a. Dadurch ist es beispielsweise in einem Fahrzeug mit einem Radarsystem möglich, in Kurven die Richtcharakteristik des Radarsystems an die Straßenführung anzupassen, beispielsweise um Hinder­ nisse auf der Straße zu erkennen.

In weiteren Ausführungsformen kann die Größe der Auslenkungen h der einzelnen Antennenelemente 3 stufenlos variiert werden. Weiterhin ist die Größe der Auslenkungen h der einzelnen An­ tennenelemente 3 aus den Fig. 2a bis 2d beliebig kombi­ nierbar, so dass die unterschiedlichsten Richtcharakteristika einstellbar sind.

In einer weiteren Ausführungsform werden vorzugsweise die beiden zwischen den inneren und den äußeren Antennenelementen 3 gelegenen mittleren Antennenelemente 3 mit der mittleren Auslenkung h0 fixiert, d. h. ohne Auslenkelemente 6, ausgebil­ det. Dadurch sind vorteilhaft ein oder mehrere Auslenkeinhei­ ten 8 einsparbar. Dadurch ist es möglich, nur mit Hilfe der äußeren und der inneren Antennenelemente 3 die Keulenbreiten b1, b2, b3 und stufenlose Zwischenwerte einzustellen. Dabei verläuft die Keulenachse A im Wesentlichen senkrecht zur Ebe­ ne des Schaltungsträgers 1.

Die Fig. 3a stellt eine Antennenanordnung aus Fig. 2a dar. Die Fig. 3b stellt eine Antennenanordnung dar, bei der im Unterschied zu der Antennenanordnung aus Fig. 3a die Aus­ lenkeinheit 6 die äußeren beiden Antennenelemente 3 in Bezug auf den Antennenträger jeweils um einen Winkel α1 bzw. β1 verkippt sind. So ist die linke Antennenelement 3 um einen Winkel β1 nach rechts verkippt, die beiden inneren Antennen­ elemente sind nicht gekippt und die rechts angeordnete Anten­ neneinheit 3 ist um einen Winkel α1 nach links gekippt. Die dazwischen liegenden Antennenelemente 3 sind jeweils um einen kleineren Winkelbetrag in Richtung. Mitte M des Schaltungsträ­ gers 1 gekippt. Dadurch wird dabei entstehende Keulenbreite b5 der Richtcharakteristik F5 schmaler als die Keulenbreite b6 der Richtcharakteristik F6.

In Fig. 3c ist eine Antennenanordnung aus Fig. 3a darge­ stellt, wobei im Unterschied dazu die Antennenelemente 3 ver­ kippt zueinander angeordnet sind. Die beiden äußeren Anten­ nenelemente 3 sind jeweils um einen Winkel β2 bzw. α2 von der Mitte M der Leiterplatte 1 weggekippt. Die beiden inneren An­ tennenelemente 3 sind ungekippt. Die dazwischen liegenden An­ tennenelemente 3 sind um einen kleineren Betrag im Vergleich zu den äußeren Antennenelementen 3 gekippt. Dadurch entsteht eine konvexe Gesamtoberfläche, wodurch eine Richtcharakteris­ tik F7 entsteht, die eine breitere Keulenbreite b7 im Ver­ gleich zur Keulenbreite b7 aus Fig. 3a aufweist.

Die Antennenelemente 3 sind durch die Auslenkeinheiten 8 im Mikrosekundenbereich verstellbar. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe von vielen verschiedenen, linear ineinander übergehen­ den und zeitlich schnell aufeinanderfolgenden Keulenformen viele Antennen-Richtcharakteristika zu erzielen. Damm ist eine hochauflösende Abbildung des vor einem Fahrzeug liegen­ den Straßenbildes zu erzielbar. Insbesondere mit Hilfe von digitalen Signalverarbeitungsmethoden ist dies günstig reali­ sierbar.

Die beiden inneren Antenneneinheiten 3 der Fig. 3a bis 3c sind in einer weiteren Ausführungsform ohne Auslenkeinheit 6 ausgebildet, wodurch sich die Anzahl der Auslenkeinheiten 6 verringert.

Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform eines Antennen­ elements 3 innerhalb einer Antennenordnung dar. Das Antennen­ element 3 ist auf einer weiteren Auslenkeinheit 8 angeordnet. Die weitere Auslenkeinheit 8 besteht aus zwei piezoaktiven Schichten 5, die durch eine Isolationsschicht 4 voneinander getrennt sind. Die Antenneneinheit 3 ist über eine weitere I­ solationsschicht 4 von dem Piezoelement 5 getrennt. Das Pie­ zoelement ist auf einem Antennenträger oder direkt auf einem Schaltungsträger 1 aufgebracht. Die Auslenkeinheit 8 stellt vorzugsweise ein Piezoelement dar, das auf Biegung verformt wird. Bei Auslenken der Piezoschichten mit Hilfe einer Kon­ trollspannung Ucontrol verformt sich das Piezoelement 8 um einen Faktor V, wodurch das Antennenelement 3 in sich ge­ krümmt wird (Fig. 4b). Abhängig von der Art der Krümmung entsteht eine konkave oder eine konvexe Oberfläche des Anten­ nenelements 3. In Fig. 4b ist beispielsweise eine konkave O­ berfläche des Antennenelements 3 dargestellt, wodurch eine breite Richtwirkung mit einer großen Keulenbreite erzielt wird.

Claims (12)

1. Antennenanordnung mit mindestens zwei Antennenelementen (3), die mindestens einer Auslenkeinheit (6) zugeordnet sind, die die einzelnen Antennenelemente (3) im Wesentlichen in Strahlungsausbreitungsrichtung mit einer jeweils vorgegebenen Auslenkung (h0, Hmax, hmin, h) auslenkt, wobei die jeweilige Auslenkung (h0, Hmax, hmin, h) der einzelnen Antennenelemente (3) von der gewünschten Richtcharakteristik der Antennenanordnung abhängt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige Auslenkung (h0, Hmax, hmin, h) von mindestens zwei Antennenelementen (3) voneinander unterscheidet.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Antennenelement (3) auf einer separaten Auslenkeinheit (6) angeordnet ist.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslenkeinheit (6) als elektrisch ansteuerbares Piezoelement ausgebildet ist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslenkeinheit (6) als elektrisch ansteuerbares Magnetelement ausgebildet ist.

6. Antennenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antennenelement (3), vorzugsweise alle beweglichen Antennenelemente (3), in Ausbreitungsrichtung verschiebbar ist/sind.

7. Antennenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Antennenelemente (3) parallel zueinander verschiebbar sind.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Antennenelement (3) um einen ersten Winkel (alpha 1, alpha 2) und ein zweites Antennenelement um einen zweiten Winkel (beta 1, beta 2) verkippt sind, so dass das erste und das zweite Antennenelement (3) zueinander verkippt sind.

9. Antennenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente (3) nebeneinander angeordnet sind.

10. Antennenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unauslenkbares Antennenelement (3) zwischen zwei auslenkbaren Antennenelementen (3) angeordnet ist.

11. Antennenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente (3) sowohl Strahlen aussenden als auch empfangen können.

12. Antennenanordnung mit einem Antennenelement (3), das einer Auslenkeinheit (6) zugeordnet ist, wobei das Antennenelement (3) durch die Auslenkeinheit (8) in sich verformbar ist, wobei die jeweilige Verformung (V) des Antennenelements (3) von der vorgegebenen/gewünschten Richtcharakteristik der Antennenanordnung abhängt.