DE102004036001A1 - Breitbandige Antenne mit geringer Bauhöhe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antenne, umfassend eine Abstrahlfläche (1) und eine Grundfläche (2). Gemäß der Erfindung sind zwischen der Abstrahlfläche (1) und der Grundfläche (2) ein oder mehrere diskrete Bauelemente (3) angeordnet, wobei die Abstrahlfläche (1) bezüglich ihrer Breite B und bezüglich ihrer Höhe H zur Grundfläche (2) eine Taperung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antenne umfassend eine Abstrahlfläche und eine Grundfläche.
  • Streifenantennen, auch als Patch-Antennen bezeichnet, zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und einen geringen Querschnitt aus, was Ihnen eine leichte Handhabung und ein breites Anwendungsfeld verschafft.
  • Bekannte Streifenantennen bestehen aus einem Metallstreifen, der in einem vorgebbaren Abstand parallel zu einer metallischen Grundfläche angeordnet ist. Zwischen dem Streifen und der Grundfläche befindet sich meist ein homogenes Dielektrikum. Die Länge des Metallstreifens ist so gewählt, dass die elektrische Länge der Leitung, die der Streifen mit der Grundfläche bildet, ungefähr eine halbe Wellenlänge (im Dielektrikum) lang ist. Die Breite der Metallfläche bestimmt im Wesentlichen die Impedanz der Antenne, der Abstand des Streifens zur Grundfläche bestimmt im Wesentlichen die Bandbreite. Dieser Abstand ist gleichzeitig die Bauhöhe der Streifenantenne. Üblicherweise liegt die Bauhöhe zwischen einem Zwanzigstel und einem Fünftel der Freiraumwellenlänge bei Bandmitte, wobei eine größere Bauhöhe eine höhere Bandbreite zur Folge hat.
  • Ein Nachteil der Streifenantennen ist die geringe Bandbreite. Zur Vergrößerung der Bandbreite wird z.B. die Form des Metallstreifens derart gewählt, dass die Resonanzfrequenzen von zwei oder mehr Schwingungsmoden der Antenne einen relativ geringen Frequenzabstand besitzen. Dadurch lassen sich Bandbreiteverhältnisse von bis zu 1,6:1 erreichen. Das Bandbreiteverhältnis ist definiert als das Verhältnis der obe ren Frequenzgrenze zur unteren Frequenzgrenze. Solche Streifenantennen sind z.B. aus EP 0 989 628 B1 und WO 2004/021514 A1 bekannt.
  • Bei der Streifenantenne aus EP 0 989 628 B1 ist die Grundfläche dabei mittels eines Koaxialkabels mit der Abstrahlfläche verbunden, wobei das Koaxialkabel der Zuführung von Signalen an die Abstrahlfläche dient. Die Grundfläche weist in diesem Fall einen senkrechten Rand auf, welcher sich senkrecht von der Grundfläche erstreckt, so dass sich ein "L"- oder "U"-förmiger Querschnitt ergibt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die für bestimme Anwendungsgebiete zu geringe Bandbreite.
  • Für bestimmte kommerzielle und militärische Anwendungsgebiete, z.B. dem Hopping Betrieb bei militärischen Kommunikationsdiensten, bei Kampffeldüberwachungssystemen, bei Sendesystemen, bei denen mehrere Sender, die auf verschiedenen Frequenzen arbeiten, gleichzeitig an die gleiche Antenne angeschlossen sind sowie bei entsprechenden Empfangssystemen benötigt man Antennen, die zwar die geringe Bauhöhe und Baugröße aber eine beträchtlich größere Bandbreite besitzen, als sie sich mit Streifenantennen erzielen lassen. Es gibt natürlich andere Antennentypen, die das geforderte Bandbreiteverhältnis besitzen. Diese besitzen jedoch in vielen Fällen wesentlich größere Abmessungen.
    •
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Antenne anzugeben, mit welcher die Bandbreite wesentlich erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit der Antenne gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Antenne sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Antenne sind zwischen der Abstrahlfläche und der Grundfläche ein oder mehrere diskrete Bauelemente angeordnet, wobei die Abstrahlfläche bezüglich ihrer Breite B und bezüglich ihrer Höhe H zur Grundfläche eine Taperung aufweist. Mit dem Begriff Taperung ist hierbei gemeint, dass entlang der Längsausdehnung L der Abstrahlfläche die Breite B sowie die Höhe H der Abstrahlfläche über der Grundfläche variieren.
  • Die Abstrahlfläche weist vorteilhaft eine maximale Länge Lmax ≤ 0,6 λmax, eine maximale Breite Bmax ≤ λmax und eine bezüglich der Grundfläche maximale Höhe Hmax ≤ 0,4 λmax auf, wobei λmax die Freiraumwellenlänge an der unteren Frequenzgrenze fu des Frequenzbandes der Antenne ist. Für das Stehwellenverhältnis VSWR gilt in einem Frequenzbereich [fu, fo] mit fu und fo als untere und obere Frequenzgrenze des Frequenzbandes der Antenne bevorzugt VSWR ≤ 3, wobei für die Bandbreite fo/fu ≥ 1,4 gilt.
  • Die Abstrahlfläche weist vorteilhaft eine konstante Taperung auf. In diesem Fall weist die Abstrahlfläche die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf. Dabei bildet die Abstrahlfläche zusammen mit der Grundfläche einen TEM-Wellenleiter mit konstantem Wellenwiderstand.
  • Die Mittel zur Einspeisung elektromagnetischer Energie auf die Antenne sind bevorzugt im Bereich des geringsten Abstandes zwischen Abstrahlfläche und Grundfläche angeordnet. Bei einer dreieckförmigen Abstrahlfläche kann dies zweckmäßig eine Ecke der Abstrahlfläche sein.
  • Die Einspeisung ist bevorzugt eine koaxiale Einspeisung. Dabei wird der koaxiale Innenleiter galvanisch mit der Abstrahlfläche verbunden, während der Außenleiter galvanisch mit der Grundfläche der Antenne verbunden ist. Die Taperung der Breite der Abstrahlfläche und der Höhe der Abstrahlfläche über der Grundfläche wird dabei zweckmäßig passend zur Impedanz des angeschlossenen Speisekabels gewählt, da dann die an der Speisestelle entstehenden höheren Schwingungsmoden der Antenne nur mit geringer Amplitude angeregt werden.
  • Die diskreten Bauelemente, die unterhalb der Abstrahlfläche an vorgebbaren Orten mit vorgebbaren Werten verteilt sind, dienen zur Verbesserung der Anpassung für den unteren Teil des Frequenzbereichs. Werte und Orte lassen sich entsprechend den jeweiligen Forderungen an die Anpassung und an das Strahlungsdiagramm der Antenne wählen. Die diskreten Bauelemente können insbesondere Induktivitäten und/oder Kapazitäten sein.
  • Selbstverständlich sind aber auch andere als dreieckförmige Formen und nichtkonstante Höhen- und Breitentaperung der Abstrahlfläche der Antenne im speziellen Fall sinnvoll. Dadurch sind weitere Verbesserungen der Anpassung und der Form des Strahlungsdiagramms möglich.
  • Der Begriff "diskretes Bauelement" ist funktionell zu verstehen. Hier kann natürlich statt einer diskreten Induktivität oder Kapazität auch eine Ausführung aus einer auf einem Substrat (nicht dargestellt) gedruckten Leitung verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Antenne ermöglicht ein sehr breitbandiges Funkverfahren, z.B. Hoppingbetrieb. Außerdem ist eine gleichzeitige Speisung der Antenne mit mehreren Sendelinien, die in einem breiten Frequenzbereich verteilt sind, möglich. Darüber hinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Antenne möglich, mehrere in einem breiten Frequenzband liegende Empfangssignale gleichzeitig zu empfangen.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne ist die Möglichkeit, diese breitbandige Antenne direkt vor einer metallischen oder nichtmetallischen Wand zu verwenden, ohne dass sich ihre Anpassung oder ihr Strahlungsdiagramm verschlechtert Dies ist auch möglich bei konformer Anpassung der Abstrahlfläche an eine eventuell gekrümmte Form der metallischen Wand. Bei einer metallischen Wand kann die Wand selbst als Grundfläche verwendet werden. Die Wand könnte z.B. ein Teil der Oberfläche eines Fahrzeugs, eines Schiffs oder eines Flugzeugs sein. Durch die geringe Bauhöhe der Antenne überragt die Antenne die Fahrzeugoberfläche nur wenig. Dies gilt sowohl für Ausführungen für den VHF-, den UHF und natürlich für den Mikrowellenbereich.
    •
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine erste Ausführungsform eines Antennenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung,
  • 2 den Antennenaufbau von 1 in Seitenansicht,
  • 3 den Antennenaufbau von 1 in Draufsicht,
  • 4 eine zweite Ausführungsform eines Antennenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung,
  • 5 den Kurvenverlauf des Stehwellenverhältnisses an der Speisestelle der in 4 dargestellten Ausführung als Funktion der Frequenz,
  • 6 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne mit einer zweiten Abstrahlfläche.
  • 7 eine beispielhafte Ausführungsform einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Antenne einer ersten oder zweiten Ausführungsform.
  • Das Antennenelement in einem Aufbau in einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 bis 3 umfasst eine Abstrahlfläche 1 und eine metallische Grundfläche 2. Zweckmäßig ist an der Speisestelle ein Anschluss 7 – im Weiteren als Signalanschluss bezeichnet –, insbesondere in Form eines Koaxialkabels (nicht dargestellt), zum Zuführen von Signalen an die Abstrahlfläche 1 vorhanden. Der Signalanschluss 7 mittels eines Koaxialkabels kann dabei mittels einem Fachmann bekannter Maßahmen erfolgen, wobei der Innenleiter des Koaxialkabels mit der Abstrahlfläche 1 und der Außenleiter des Koaxialkabels mit der Grundfläche 2 leitend verbunden ist. Zweckmäßig kann das Antennenelement in einem Gehäuse (nicht dargestellt) untergebracht sein.
  • Im Bereich 5 des Signalanschlusses 7 können bevorzugt Mittel, z.B. Stifte (nicht dargestellt) vorhanden sein, welche ein sicheres Halten der Abstrahlfläche 1 in einer festen, von der Grundfläche 2 getrennten Position ermöglichen. Diese Stifte bestehen zweckmäßig aus elektrisch nicht leitenden Material, z.B. Kunststoff. Selbstverständlich sind auch andere dem Fachmann bekannte Halterungen möglich, z. B. die Füllung des Raumbereichs zwischen der Grundfläche 2 und der Abstrahlfläche 1 mit dielektrischen Material passender Dielektrizitätskonstante.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne. Bei dieser Ausführungsform sind die Teile der Abstrahlfläche 1 im Bereich 4 der diskreten Bauelemente 3 und/oder im Bereich 5 des Signalanschlusses (nicht dargestellt) parallel zur Grundfläche 2 ausgeführt. Dadurch lässt sich die Handhabung der Abstrahl fläche 1 und insbesondere die Befestigung der diskreten Bauelemente 3 und des Signalanschlusses an die Abstrahlfläche 1 verbessern.
  • Die Abstrahlfläche 1 weist im Bereich 4 der diskreten Bauelemente 3 beispielhaft einen Abstandswert Hmax von 0,13μλmax zur Grundfläche 2 auf, wobei λmax dabei die Freiraumwellenlänge an der unteren Frequenzgrenze fu des Frequenzbandes der Antenne ist. Der Abstand Hmax wird hierbei zweckmäßig als Lot auf die Grundfläche 2 bestimmt. Die Größe Lmax beträgt beispielhaft 0,25·λmax, die Größe Bmax beträgt beispielhaft ebenfalls 0,25·λmax. Ort und Wert der diskreten Bauelemente werden in Abhängigkeit von Hmax, Lmax und Bmax gewählt. Selbstverständlich kann der Abstand Hmax zwischen der Abstrahlfläche 1 und der Grundfläche 2 in dem Bereich 4 der diskreten Bauelemente 3 aus Gründen einer verbesserten Anpassung verändert werden.
  • Vorteilhaft weist die Abstrahlfläche 1 einen senkrecht zur ihrer Längenausdehnung L ausgeführten Schlitz 11 auf. Dadurch wird die Abstrahlfläche 1 in einen hinteren Teil HT und einen vorderen Teil VT aufgespaltet. Vorteilhaft wird dieser Schlitz 11 durch diskrete Blindelemente (nicht dargestellt), z.B. Induktivitäten überbrückt. Neben der großen Breitbandigkeit, die die Beschattung mit geeigneten Blindelementen bewirkt, lässt sich durch den Wert und den Ort der Blindelemente auch das Strahlungsdiagramm der Antenne beeinflussen.
  • Der Begriff "diskretes Blindelement" ist funktionell zu verstehen. Hier kann natürlich statt einer diskreten Induktivität auch eine Ausführung aus einer auf einem Substrat (nicht dargestellt) gedruckten Leitung verwendet werden.
  • Die Grundfläche 2 kann bei der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft eben, einfach- oder doppeltgekrümmt und die Abstrahlfläche 1 zu der Krümmung der Grundfläche 2 konform ausgeführt. Dadurch ist es möglich, den Antennenaufbau auch auf beliebig geformten Trägerstrukturen mit geringem Raumbedarf anzubringen.
  • 5 zeigt den Kurvenverlauf des Stehwellenverhältnisses VSWR an der Speisestelle des Signalanschlusses der in 4 dargestellten Ausführung als Funktion der Frequenz. Das zugrunde liegende Verhältnis stehender Wellen wird basierend auf der Streuung der Spannung berechnet, welche am Eingang des Anschlusses der Speisemittel an der Abstrahlfläche 1 gemessen werden.
  • Im Frequenzbereich von 220-450 MHz beträgt das Stehwellenverhältnis VSWR weniger als 2. Im gesamten Frequenzband von 200-1050 MHz beträgt das Stehwellenverhältnis weniger als 3.
  • 6 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne. Bei dieser Ausführungsform ist die Grundfläche durch eine zweite Abstrahlfläche 1a ersetzt, wobei die zweite Abstrahlfläche 1a an der durch die Grundfläche aufgespannten Ebene (nicht dargestellt) gespiegelt ist.
  • Die Teile der Abstrahlfläche 1, 1a im Bereich 4 der diskreten Bauelemente 3 und/oder im Bereich 5 des Anschlusses 7 sind parallel zur Grundfläche ausgeführt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Abstrahlflächen 1, 1a eine in 1 und 2 dargestellte Form aufweisen.
  • In 7 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Antenne dargestellt. Mehrere Antennen 9 sind am Umfang eines Zylinders 8 angeordnet. Die Form des Zylinders 8 kann dabei zweckmäßig die einem Schiffsmast ähneln. Die Antennen 9 sind auf die Außenfläche des Zylinders 8 gesetzt und werden als Sendeantennen für verschiedene Frequenzbereiche verwendet. Mögliche Sende- bzw. Empfangsbereiche sind dabei z.B. 30-100 MHz, 100-200 MHz und 200-600 MHz.
  • Die Zylinderarrays werden im Sendefall für Kommunikation und elektronische Gegenmaßnahmen zur Störung gegnerischer Kommunikationseinrichtungen verwendet. Im Empfangsfall werden die Arrays für Kommunikation und für elektronische Unterstützungsmaßnahmen, d.h. Auffassung, Peilung und Klassifikation fremder Kommunikationseinrichtungen verwendet. Zweckmäßig werden die Antennen 9 dabei über so genannte Strahlformungsnetzwerke 10 (beamforming) sowohl in Summendiagramme als auch in Einzelstrahlerdiagramme auf die Endgeräte, also Sender und Empfänger verteilt.

Claims (15)

  1. Antenne umfassend eine Abstrahlfläche (1) und einer Grundfläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abstrahlfläche (1) und der Grundfläche (2) ein oder mehrere diskrete Bauelemente (3) angeordnet sind, wobei die Abstrahlfläche (1) bezüglich ihrer Breite B und bezüglich ihrer Höhe H zur Grundfläche (2) eine Taperung aufweist.
  2. Antenne gemäß Anspruch 1, wobei die Abstrahlfläche (1) eine maximale Länge Lmax ≤ 0,6 λmax, eine maximale Breite Bmax ≤ λmax und eine bezüglich der Grundfläche (2) maximale Höhe Hmax ≤ 0,4 λmax aufweist, wobei λmax die Freiraumwellenlänge an der unteren Frequenzgrenze fu des Frequenzbandes der Antenne ist
  3. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem Frequenzbereich [fu, fo] mit fu: untere Frequenzgrenze des Frequenzbandes der Antenne und fo: oberen Frequenzgrenze des Frequenzbandes der Antenne das Stehwellenverhältnis VSWR ≤ 3 ist, wobei für die Bandbreite fo/fu ≥ 1,4 gilt.
  4. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zwischen der Grundfläche (2) und der Abstrahlfläche (1) angeordneten ein oder mehreren diskreten Bauelemente (3) Induktivitäten und/oder Kapazitäten sind.
  5. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstrahlfläche (1) bezüglich der Höhe H und der Breite B eine konstante Taperung aufweist.
  6. Antenne gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Abstrahlfläche (1) bezüglich der Höhe H und der Breite B eine inkonstante Taperung aufweist.
  7. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstrahlfläche (1) einen senkrecht zu ihrer Längsausdehnung L ausgeführten Schlitz (11) aufweist.
  8. Antenne gemäß Anspruch 7, wobei der Schlitz (11) durch ein oder mehrere diskrete Blindelemente überbrückt ist.
  9. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel zum Halten der Abstrahlfläche (1) vorhanden sind, welche die Abstrahlfläche (1) in fester, von der Grundfläche (2) getrennten Position halten.
  10. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel (7) zur Einspeisung elektromagnetischer Energie auf die Antenne vorhanden sind, welche im Bereich (5) des geringsten Abstandes zwischen Abstrahlfläche (1) und Grundfläche (2) angeordnet sind.
  11. Antenne gemäß Anspruch 10, wobei der Teil der Abstrahlfläche (1) im Bereich (4) der diskreten Bauelemente (3) und/oder im Bereich (5) der Einspeisemittel (7) parallel zur Grundfläche (2) ist.
  12. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grundfläche (2) eben, einfach- oder doppeltgekrümmt ist und die Abstrahlfläche (1) zu der Krümmung der Grundfläche (2) konform ausgeführt ist.
  13. Antenne gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grundfläche (2) durch eine zweite Abstrahlfläche (1a) ersetzt ist, wobei die zweite Abstrahlfläche (1a) an der durch die Grundfläche (2) aufgespannten Ebene gespiegelt ist.
  14. Anordnung aus mehreren Antennen gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennen entlang des Umfangs einer zylinderförmigen Trägerstruktur (8) angeordnet sind.
  15. Anordnung gemäß Anspruch 14, wobei die Antennen über Strahlformungsnetzwerke (10) miteinander verschaltet sind.
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