DE10142965A1 - Antenne mit einer fraktalen Struktur - Google Patents

Abstract

Aus dem Stand der Technik sind zweidimensionale Antennen bekannt, die eine fraktale Struktur, also eine selbstähnliche Struktur aufweisen. Um insbesondere die Richtungscharakteristik zu verbessern, wird vorgeschlagen, dreidimensionale Antennen zu bilden, die aus mindestens zwei gleichartigen fraktalen Teilstrukturen bestehen, die durch Drehung um eine Rotationsachse (5) ineinander überführbar sind und die in der Rotationsachse (5) miteinander verbunden sind. Eine solche Antenne weist nicht nur die große Bandbreite der bisher bekannten fraktalen Antennen auf, sondern darüber hinaus auch eine verbesserte Richtungscharakteristik.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit einer fraktalen Struktur.
• Eine solche Antenne ist in der WO 97/06578 dargestellt. Die einzelnen, dort beschriebenen Antennen besitzen stets eine zweidimensionale Ausdehnung, die entsteht, wenn - ausgehend von einem ebenen Grundmuster - in mehreren Schritten jeweils Abschnitte des Grundmusters durch das gesamte Muster ersetzt werden. Diese Grundmuster werden auch als Generatoren bezeichnet. Ein häufig beschriebener Generator ist der sogenannte Kochgenerator, bei dem das mittlere Drittel einer Strecke zu einem gleichwinkligen Dreieck ausgeformt ist. Der Kochgenerator setzt sich somit zusammen aus den beiden äußeren Dritteln der ursprünglichen Strecke und zwei Schenkeln eines gleichseitigen Dreieckes. Eine fraktale Struktur erhält man nun, wenn in mehreren Generationen jeweils die einzelnen Streckenabschnitte durch den Generator selbst ersetzt werden. Fraktale Strukturen können von nahezu beliebigen Grundmustern ausgehen. Der interessante Aspekt bei einem Fraktal ist einerseits die Selbstähnlichkeit und andererseits, dass die Länge des Fraktals mit jeder Generation wächst und im Prinzip unendlich werden kann, während seine Ausdehnung aber auch bei unendlich vielen Wiederholungen beschränkt bleibt.
• Mitte der 90er Jahre kam die Idee auf, Antennen mit einer fraktalen Struktur zu bauen. Ende der 90er Jahre erschienen die ersten kommerziellen, für Funktelefone nach dem GSM-Standard bzw. DCS-Standard einsetzbaren Antennen. Der Vorteil bei solchen Antennen ist, dass sie elektromagnetische Signale in einem relativ großen Frequenzbereich empfangen oder aussenden können. Dies hängt im Wesentlichen damit zusammen, dass ihre Länge wegen der fraktalen Struktur nicht exakt definiert ist.
• Die in der schon erwähnten WO 97/06578 zweidimensionalen Strukturen haben allerdings den Nachteil, dass sie eine Richtungscharakteristik aufweisen und damit in einer Richtung, nämlich senkrecht zu ihrer zweidimensionalen Ausdehnung die höchste Empfangs- bzw. Sendekapazität aufweisen. In der genannten Schrift wird daher schon vorgeschlagen, mehrere Antennen in verschiedenen Orientierungen vorzusehen, was einen erheblichen Bauaufwand bedeutet. Außerdem müssen die Antennen einzeln verkabelt werden, was eine nicht erwünschte Induktion von Störsignalen begünstigt.
• Vergleichbar nachteilig sind auch Antennen nach WO 99/57784 und WO 01/22528.
• Die Erfindung beruht damit auf der Aufgabe, eine fraktale Antenne so zu verbessern, dass insbesondere ihre Richtungscharakteristik vergleichmäßigt ist.
• Das Problem wird dadurch gelöst, dass die fraktale Struktur aus mindestens zwei gleichartigen fraktalen Teilstrukturen besteht, die durch Drehung um eine Rotationsachse ineinander überführbar und die in der Rotationsachse miteinander verbunden sind.
• Damit erhält man eine einheitliche räumliche Struktur, die in nahezu beliebiger Weise eingesetzt werden kann, da sie Signale aus allen Richtungen gleich gut aufnimmt und die nur mit einem einzigen Antennenkabel mit dem Empfangsgerät verbunden werden braucht.
• Eine solche Struktur ist insbesondere auch für die Automobilindustrie interessant. Fahrzeuge werden heutzutage mit vielfältigen Geräten ausgerüstet, die über eine externe Kommunikationsmöglichkeit verfügen müssen. Hierbei kann es sich um Mobiltelefone handeln, die der Fahrer benutzt, um nach außen kommunizieren zu können, aber auch um Systeme des Fahrzeuges selbst. So z. B. um Leitsysteme, die das Fahrzeug unabhängig von einem Fahrzeug lenken können.
• Da die Antenne eine große Bandweite aufweist, kann sie für mehrere Geräte gleichzeitig eingesetzt werden. Sie kann darüber hinaus an beliebiger Stelle im Fahrzeug integriert werden.
• Prinzipiell kann ein Grundmuster selbst schon dreidimensional und aus Flächenelementen zusammengesetzt sein. Teilstrukturen, die eine zweidimensionale fraktale Struktur aufweisen, lassen sich aber besonders leicht herstellen und erfüllen die geforderten Eigenschaften für eine Antenne in hervorragender Weise. Wenn von zweidimensionalen Strukturen gesprochen wird, sind damit nicht nur flache Gebilde gemeint, sondern auch gekrümmt oder gebogene, die aber auf jeden Fall in eine flache Struktur überführbar sind, also topologisch ähnlich sind.
• Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Empfangs- bzw. Sendeeigenschaften erzielt werden, wenn das Grundmuster einer Teilstruktur mindestens dreimal wiederholt ist.
• Relativ einfach aufgebaute Strukturen erhält man, wenn das Grundmuster einer Teilstruktur ein Linienmuster ist, also aus mehreren, aneinander gehängten Streckenabschnitten besteht, wie das z. B. bei dem eingangs erwähnten Kochgenerator der Fall ist. Bei einem solchen Grundmuster erhält man eine dreidimensionale Struktur, wenn mindestens drei Teilstrukturen sternförmig angeordnet sind und mit ihren jeweils einander zugewandten Enden einen Verbindungsknoten bilden. Im Prinzip können die Strahlen des Sternes beliebige Winkelpositionen einnehmen. Bei einer gleichmäßigen Winkelverteilung wird man allerdings eine entsprechend gleichmäßige Richtungscharakteristik erhalten.
• Bei dem Grundmuster einer Teilstruktur kann es sich aber auch um Linien handeln, die in einem Knoten zusammengeführt sind. Dies ist z. B. bei einer Baumstruktur der Fall. Bei einer solchen Anordnung kann ein Abschnitt der Struktur als Rotationsachse dienen, um die gedreht die einzelnen Teilstrukturen ineinander übergeführt werden. Bei einem solchen Grundmuster wird in jedem Schritt zwar das Grundmuster wiederholt, aber nicht auf jedem Teilabschnitt. Bei einer Baumstruktur werden daher jeweils nur die "Äste" durch den Baum ersetzt, während der "Stamm" unverändert bleibt.
• Im Konkreten kann die fraktale Struktur durch dünne stromleitende Drähte dargestellt werden, die durch bekannte Verfahren auf Trägerstrukturen aufgebracht, aufgesprüht oder in sonstiger Weise erzeugt werden.
• Bei dem Trägermaterial handelt es sich um ein Dielektrikum. Wegen der räumlichen Struktur der Antenne kann es von Vorteil sein, die Drähte in ein dreidimensional ausgedehntes Dielektrikum einzubetten.
• Im Folgenden soll anhand einiger Ausführungsbeispiele die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen
• Fig. 1 eine auf einen Kochgenerator aufgebaute Antenne,
• Fig. 2 eine Antenne mit Baumstruktur,
• Fig. 3 eine Dipol-Antenne basierend auf einer Dipolstruktur,
• Fig. 4 eine Antenne mit einem Peano-Generator,
• Fig. 5 eine Antenne mit einem Sierpinsky-Generator.
• Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Antenne 1 zeigt einen sternförmigen Aufbau, wobei von einem Mittelpunkt 2 sechs Grundlinien 3 ausgehen, die jeweils einen Winkel von 60° einschließen und in einer Ebene liegen. Auf jeder Grundlinie 3 befinden sich hintereinander drei Kochgeneratoren 4, die sich senkrecht aus der Ebene der Grundlinien 3 erheben, wobei der innenliegende Kochgenerator sich in der ersten Generation, der nächste sich in der zweiten Generation und der äußere sich wiederum in der ersten Generation befindet.
• Es können natürlich auch Antennen zum Einsatz kommen, bei denen die einzelnen Generatoren eine höhere Generation aufweisen. Der Generationenabstand zwischen den einzelnen Generatoren kann auch größer als 1 sein. Bei dieser Art von Aufbau kann jeder Generator zum Einsatz kommen, der wie ein Kochgenerator aus aneinander gereihten Abschnitten besteht.
• Man erkennt, dass die einzelnen Strukturen gleichartig sind, also durch Rotation um eine Rotationsachse 5, die durch den Mittelpunkt 2 geht, ineinander überführt werden können.
• Fig. 2 zeigt eine Baumstruktur: Grundmuster ist ein Baum 10 mit einem Stamm 11 und zwei Ästen 12a, 12b, wobei durch eine zweistufige Drehung um jeweils 60° um eine Rotationsachse 5, die mit dem Stamm 11 zusammenfällt, ein sechsarmiger Baum entsteht. Jeder Ast 12a, 12b des Baumes 10 hat eine fraktale Struktur, indem jeder Ast 12a, 12b wiederum durch einen Baum 10' ersetzt wird. Die neuen Äste 12a', 12b' liegen dabei in einer Ebene, in der auch die Rotationsachse 5 verläuft. Die Struktur kann verfeinert werden, indem die Äste einer Generation durch einen Baum ersetzt werden.
• Fig. 3 zeigt eine Struktur in zweidimensionaler Ausdehnung, die als Dipol bezeichnet wird. Eine Antenne erhält man, indem diese Teilstruktur um die Rotationsachse 5 zweimal um 60° gedreht wird. Der Dipol besteht aus einem Dreizack 30, von dessen äußeren Zinken 31a, 31b stufig Linien 32a, 32b ausgehen, wobei mit jeder Generation eine weitere Stufe angesetzt wird.
• Fig. 4 zeigt die zweite Generation eines sogenannten flächigen Peano-Grundmusters 40, das zweifach um die Rotationsachse 5 gedreht eine räumliche Antenne ergibt. Das Peano-Grundmuster hat den Vorteil, dass es schon nach zwei Generationen eine dichte räumliche Belegung erzeugt. Bei der hier nicht gezeigten Vorgängergeneration handelt es sich um ein einfaches Rechteck, das durch eine entsprechende mathematische Operation in die gezeigte Form übergegangen ist.
• Ähnliches gilt für die Ausführungen nach Fig. 5: Diese zeigt eine Antenne aus sechs Teilstrukturen, die um eine Rotationsachse angeordnet sind. Jede Teilstruktur besteht aus einem fraktalen Grundmuster 50 in der zweiten Generation. Ausgangsgrundmuster bei einem Sierpinsky- Grundmuster ist ein Trapez, wobei die Grundlinien der Trapeze die Rotationsachse 5 bilden. Bezugszeichenliste 1 Antenne
  2 Mittelpunkt
  3 Grundlinien
  4 Kochgenerator
  5 Rotationsachse
  10 Baum
  11 Stamm
  12 Ast
  30 Dreizack
  31 Zinken
  32 Linie
  40 Peano-Grundmuster
  50 Fraktales Grundmuster
  

Claims (9)

1. Antenne (1) mit einer fraktalen Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktale Struktur aus mindestens zwei gleichartigen fraktalen Teilstrukturen besteht, die durch Drehung um eine Rotationsachse (5) ineinander überführbar und die in der Rotationsachse (5) miteinander verbunden sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilstruktur eine zweidimensionale fraktale Struktur aufweist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmuster einer Teilstruktur mindestens dreimal wiederholt ist.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmuster ein Linienmuster ist.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Teilstrukturen vorhanden sind, die sternförmig angeordnet sind.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmuster der Teilstruktur Knoten aufweist.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der vom Knoten ausgehenden Abschnitte des Grundmuster in der nächsten Wiederholung durch das Grundmuster ersetzt wird.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktale Struktur durch dünne stromleitende Drähte dargestellt ist.

9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte in ein dreidimensional ausgedehntes Dielektrikum eingebettet sind.