DE102005010894B4 - Planare Mehrbandantenne - Google Patents

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    • H01Q9/0471—Non-planar, stepped or wedge-shaped patch

Abstract

Planare Mehrbandantenne (400; 600) mit folgenden Merkmalen:
einer Massefläche (110);
einer ersten Strahlungselektrode (130), einer zweiten Strahlungselektrode (220) und einer dritten Strahlungselektrode (230); und
einer Speiseeinrichtung (120, 140), die ausgelegt ist, um die erste Strahlungselektrode (130) zu speisen,
wobei die erste Strahlungselektrode (130) zumindest teilweise zwischen der Massefläche (110) und der zweiten Strahlungselektrode (220) angeordnet ist und nicht über einen äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode (230) vorsteht;
wobei die dritte Strahlungselektrode (230) einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode (220) vollständig umgebend mit einem Spalt (240) dazwischen angeordnet ist;
wobei die dritte Strahlungselektrode auf der von der Masseelektrode abgewandten Seite der ersten Strahlungselektrode angeordnet ist;
wobei eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode (220) sich um höchstens 30% von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode (130) unterscheidet; und
wobei die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode im Wesentlichen parallel zu der...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine planare Mehrbandantenne, im Speziellen auf eine aperturgekoppelte zirkular polarisierte planare Dualbandantenne, die in den ISM-Bändern von 2,40 GHz bis 2,48 GHz und 5,15 GHz bis 5,35 GHz benutzt werden kann.
  • Zur Zeit werden immer öfter drahtlose Systeme entwickelt, die in mehreren Frequenzbändern funktionieren müssen. Dazu sind häufig kompakte Antennen nötig, um das Bauvolumen der Antennen klein zu halten und einen Einsatz in tragbaren Geräten zu ermöglichen.
  • Es ist möglich, für jedes zu verwendende Frequenzband eine separate Antenne vorzusehen. Der Nachteil der Verwendung von separaten Antennen besteht jedoch darin, dass dabei ein Multiplexer eingesetzt werden muss. Ferner vergrößert sich beim Einsatz von separaten Antennen die für die Antennen benötigte Fläche.
  • Der Empfang von mehreren verschiedenen drahtlosen Übertragungssystemen mit einer einzigen breitbandigen Antenne ist problematisch, da breitbandige Antennen herkömmlicherweise nicht in einer kompakten Bauform bei geringen Kosten herstellbar sind. Wollte man also sämtliche relevanten Systeme mit nur einer einzigen breitbandigen Antenne empfangen, so ist dies mit einer kleinen kostengünstigen Antenne nicht möglich.
  • Zum Empfangen mehrerer Frequenzbänder kann eine Multielementantenne verwendet werden, die für jeden Frequenzbereich einen eigenen Strahler besitzt. Die meisten bekannten An tennenkonzepte, die für den Empfang von zwei oder mehr Frequenzbändern geeignet sind (Dualbandkonzepte bzw. Multibandkonzepte), und die zu bzw. bei Patchantennen verwendet werden können, wie z. B. integrierte Invertiertes-F-Antennen (inverted-F Antennas, IFA) und planare Invertiertes-F-Antennen (planar inverted-F antennas, PIFA) weisen lediglich eine lineare Polarisation auf. Derartige bekannte Antennenformen sind beispielsweise in dem Buch „Planar Antennas for Wireless Communications" von Kin-Lu Wong (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003) beschrieben.
  • Gerade für mobile Anwendungen ist es aber wünschenswert, eine zirkulare Polarisation zu verwenden, da in diesem Fall die Ausrichtung von Sende- und Empfangsantenne unkritisch ist, während bei Verwendung von linearer Polarisation die Orientierung der Antennen geeignet gewählt werden muss.
  • Zwar ist eine Reihe von integrierbaren Antennen, die eine zirkulare Polarisation aufweisen, bekannt, jedoch weisen viele der integrierbaren Geometrien für die Erzeugung einer zirkularen Polarisation wesentliche Nachteile auf. So haben beispielsweise fast quadratische Patche (planare leitfähige Flächen) mit Koaxialspeisung eine geringe Impedanzbandbreite, wie beispielsweise in der Diplomarbeit „Untersuchung und Aufbau von Multibandigen Antennen zum Empfang zirkular polarisierter Signale" von U. Wiesman, die im Jahr 2002 am Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen in Erlangen angefertigt wurde, beschrieben ist. Eine weitere Mehrbandantenne mit koaxialer Speisung ist in dem Artikel „A Dual Band Antenna for WLAN Applications by Double Rectangular Patch with 4 Bridges" von Chang Won Jung und Franco De Flaviis beschrieben, der vom Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of California, Irvine, Irvine, CA, 92697, USA, veröffentlicht wurde und im Internet unter der Adresse http://www.ece.uci.edu/rfmems/publications/papers-pdf/C089-APS04.pdf verfügbar ist.
  • Eine der Aufbaumöglichkeiten einer zirkular polarisierten Dualbandantenne besteht in der Nutzung der Aperturkopplung. Eine solche Lösung ist in dem Artikel „A Dual-Band Cirularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite" von D.M. Pozar und S.M. Duffy, beschrieben, der in den IEEE Transactions an Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 11, im November 1997 veröffentlicht wurde. Sie ist allerdings bevorzugt für breitbandige Antennen mit einer Resonanzfrequenz oder für Antennen mit mehreren nahe beieinander liegenden Resonanzfrequenzen einsetzbar, aber nicht gut für den Einsatz mit Mehrbandantennen geeignet.
  • Die europäische Patentschrift EP 1 072 065 B1 zeigt eine Doppelbandantenne für GSM und DCS mit Doppelpolarisierung. Dabei sind übereinander gestapelt angeordnete Antennenelemente durch eine kreuzförmige Öffnung in der Reflektorvorrichtung gespeist. Mikrowellenenergie wird durch ein koppelndes Flächenelement und eine ebenfalls kreuzförmige Öffnung in einem ersten strahlenden Flächenelement zu einem zweiten strahlenden Flächenelement geleitet. Der Nachteil einer derartigen Antennenanordnung besteht darin, dass für die Erzeugung zirkularer Polarisation in dieser Antenne zwei Speisekanäle durch einen Quadratur-Hybrid-Breitband-Zweiganschlussleitungskoppler kombiniert werden müssen. Die europäische Patentschrift macht ferner keine Angaben über die Polarisationsreinheit und die Impedanzbandbreite.
  • In der europäischen Patentanmeldung EP 1 353 405 A1 ist eine Antenne für zwei Frequenzbänder (Dualbandantenne) vorgeschlagen, die sowohl für das GSM-900-Band als auch für das GSM-1800-Band und UMTS-Band geeignet ist, und die auf einem Einzelstrahlertyp basiert. Die Einzelantennen weisen eine nach oben offene metallische Box und eine Speisung durch Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen auf. Die Einzelstrahler sind ferner so ausgebildet, dass sie im Zentrum eine oktaederförmige Öffnung haben, und in Folge dessen übereinander platziert werden können. Der Nachteil der beschriebenen An tenne besteht darin, dass sie eine komplizierte und nicht vollständig planare Struktur aufweist.
  • Die WO 02/50940 A2 zeigt eine Patch-Antenne für den Betrieb in mindestens zwei Frequenzbereichen. Die Patch-Antenne umfasst einen Reflektor, sowie zumindest zwei Patch-Strahlungssysteme, die auf dem Reflektor bzw. vor dem Reflektor angeordnet sind. Ein Patch-Strahlungssystem ist für einen niedrigeren Frequenzbereich ausgelegt, und ein Patch-Strahlungssystem ist für einen höheren Frequenzbereich ausgelegt. Die Patch-Strahlungssysteme sowohl für den niedrigeren als auch für den höheren Frequenzbereich umfassen zumindest einen aktiven Speise-Patch mit einer zugehörigen Schlitzstruktur und einen kapazitiv gekoppelten passiven Abdeckungs-Patch, der darüber angeordnet ist. Die Patch-Strahlungssysteme sowohl für den niedrigeren als auch für den höheren Frequenzbereich sind auf einer Grundplatte angeordnet. Der oberste Abdeckungs-Patch des unteren Patch-Strahlungssystems für den unteren Frequenzbereich bildet gleichzeitig die Grundplatte für ein Patch-Strahlungssystem für den höheren Frequenzbereich, wobei das genannte Patch-Strahlungssystem darauf angeordnet ist. Eine Schlitz-Anordnung, die eine H-fömrige Schlitzstruktur umfasst, ist zumindest in einem Speise-Patch gebildet. Die zumindest zwei Schlitzstrukturen in dem entsprechenden Speise-Patch werden mit einem zugehörigen Speisekabelsystem gespeist.
  • Die DE 100 31 255 A1 zeigt eine Schlitzantenne, die zum Betrieb in mehreren Frequenzbereichen nutzbar ist. Die Schlitzantenne umfasst eine von einer ein Bezugspotential bildenden elektrisch leitfähigen Grundfläche abgesetzte erste elektrisch leitfähige Scheibe, die an ihrem Außenrand über mindestens einen ersten elektrisch leitfähigen Steg mit der Grundfläche verbunden ist. Die erste Scheibe umfasst eine Aussparung. Oberhalb der Aussparung ist eine zweite elektrisch leitfähige Scheibe angeordnet, die an ihrem Außenrand über mindestens einen zweiten elektrisch leitfähigen Steg mit der ersten Scheibe verbunden ist. Der zweiten Scheibe ist ein Antenneleiter zugeführt.
  • Die US 5,633,645 zeigt eine Patch-Antennen-Anordnung. Eine laminare Patch-Antenne umfasst ein Masseflächenelement mit einer kreuzförmigen Apertur, die zwischen zwei dielektrischen Schichten mit einem Patch-Strahler auf einer ersten dielektrischen Schicht und einer Übertragungsleitungsschaltung auf der zweiten dielektrischen Schicht eingebettet ist. Die Übertragungsleitungsschaltung weist Linearleiter auf, die entsprechende Sektoren zwischen den Schlitzen der Apertur überlappen. Die Leiter stellen eine Speiseleitung dar.
  • Die US 2004/0239567 A1 zeigt eine patch-gespeiste gedruckte Antenne. Die gedruckte Antenne umfasst zumindest eine Masse-Öffnung. Diese strahlende Öffnung ist angeordnet, um in den Raum, der oberhalb der Massefläche angeordnet ist, zu strahlen. Ein leitfähiger Speise-Patch ist in der Nähe der Strahlungsöffnung platziert und ist durch eine dielektrische Schicht in einer solchen Weise isoliert, dass der Patch mit der strahlenden Öffnung gekoppelt ist, um die strahlende Öffnung zu speisen, ohne dass parasitäre Strahlung angeregt wird. Die Druckschrift zeigt ferner gedruckte Antennen mit zwei Polarisationsrichtungen sowie entsprechende Antennenfelder.
  • Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass keine technisch einfach und kostengünstig realisierbare Antennenbauform bekannt ist, die bei gutem Wirkungsgrad und ausreichender Bandbreite eine Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle in zwei verschiedenen Frequenzbändern ermöglicht.
  • Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibandantenne (Dualbandantenne) zu schaffen, die die Abstrahlung zirkular polarisierter Wellen in zwei Frequenzbändern mit einer beliebigen Frequenzdifferenz ermöglicht, ohne dass dreidimensionale Strukturen eingesetzt werden müssen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine planare Mehrbandantenne gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine planare Mehrbandantenne mit einer Massefläche, einer ersten Strahlungselektrode, einer zweiten Strahlungselektrode, einer dritten Strahlungselektrode und einer Speiseeinrichtung, die ausgelegt ist, um die erste Strahlungselektrode zu speisen. Dabei ist die erste Strahlungselektrode zumindest teilweise zwischen der Massefläche und der zweiten Strahlungselektrode angeordnet und steht nicht über einen äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode vor. Die dritte Strahlungselektrode ist einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode vollständig umgebend mit einem Spalt dazwischen angeordnet.
  • Mit anderen Worten, in einer Parallelprojektion der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode in eine Bildebene umschließt das Bild der dritten Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode vollständig, wobei ein Spalt zwischen dem Bild der dritten Strahlungselektrode und dem Bild der zweiten Strahlungselektrode besteht. Die erste Strahlungselektrode liegt zumindest teilweise zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche, wobei der Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche dadurch definiert ist, dass Strahlen, die normal zu der Oberfläche der zweiten Strahlungselektrode von der zweiten Strahlungselektrode zu der Massefläche verlaufen, durch den Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche verlaufen. Der Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche ist also ein Bereich, der von der zweiten Strahlungselektrode überstrichen würde, wenn diese in einer Richtung normal zu ihrer Oberfläche zu der Massefläche hin verschoben würde.
  • Somit liegt die erste Strahlungselektrode im Sinne der obigen Definition also zwischen einer Fläche, die durch einen äußeren Umriss der dritten Strahlungselektrode begrenzt ist, und der Massefläche. Das heißt, die erste Strahlungselektrode steht nicht über den äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode hervor.
  • Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass eine planare Mehrbandantenne mit besonders vorteilhaften Eigenschaften dadurch erzielt werden kann, dass die erste Strahlungselektrode zwischen der Massefläche und einer Kombination aus der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode angeordnet wird, wobei die dritte Strahlungselektrode so angeordnet ist, dass sie einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode vollständig umgibt, wobei ein Spalt zwischen einem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und einem inneren Umfang der dritten Strahlungselektrode besteht. Eine maximale Abmessung der ersten Strahlungselektrode ist somit kleiner als eine maximale Abmessung der dritten Strahlungselektrode. Die erste Strahlungselektrode, die zumindest teilweise zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche gelegen ist, kann hierbei als Strahler für einen oberen Frequenzbereich dienen. In einem unteren Frequenzbereich, also beispielsweise in einem Frequenzband, das eine niedrigere Frequenz aufweist als der obere Frequenzbereich, können die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, die weiter von der Massefläche entfernt sind als die erste Strahlungselektrode, zusammen als strahlendes Element wirken. Ein Spalt, der zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode, die die zweite Strahlungselektrode vollständig umschließt, besteht, ermöglicht hierbei, dass die erste Strahlungselektrode bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband elektromagnetische Wellen in den freien Raum strahlen kann. In anderen Worten, der Spalt zwischen dem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und dem inneren Umfang der dritten Strahlungselektrode verhindert, dass die zweite und dritte Strahlungselektrode, die zusammen größer sind als die erste Strahlungselektrode, die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode abschirmen.
  • Im übrigen ist anzumerken, dass die zweite Strahlungselektrode, deren Abmessungen ähnlich sein können wie die der ersten Strahlungselektrode, die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode noch unterstützt. Die Verkoppelung der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode kann hierbei einen positiven Einfluss auf die Bandbreite der Antenne für eine Abstrahlung in dem oberen Frequenzband, in dem die erste Strahlungselektrode als abstrahlendes Element wirksam ist, ausüben.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Strahlungselektrode, die in dem oberen Frequenzband als abstrahlendes Element wirksam ist, einen geringeren Abstand zu der Massefläche aufweist als die zweite und die dritte Strahlungselektrode. Dadurch wird die Entstehung von Oberflächenwellen in dem oberen Frequenzband, die den Antennengewinn bzw. den Wirkungsgrad der Antenne wesentlich beeinträchtigen würde, im Vergleich zu Anordnungen, bei denen eine Strahlungselektrode für das obere von zwei Frequenzbändern entfernt von der Massefläche angeordnet ist, wirksam unterdrückt bzw. minimiert.
  • Weiterhin ist es in einer günstigen Weise möglich, die erfindungsgemäße Antenne anzukoppeln. Es ist ausreichend, eine Speiseeinrichtung vorzusehen, die die erste, kleinere Strahlungselektrode speist. Bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband ist die erste Strahlungselektrode in Resonanz, so dass eine wirksame direkte Ankoppelung der ersten Strahlungselektrode möglich ist. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband hingegen ist die erste Strahlungselektrode nicht in Resonanz und überträgt somit die ihr zugeführte Energie zu der Kombination aus der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode, die bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband als strahlendes Element wirksam ist. Somit kann auf eine getrennte Speisung für das untere Frequenzband und das obere Frequenzband verzichtet werden. Es ist also kein Duplexer nötig, und die Speiseeinrichtung kann entsprechend einfach ausgelegt sein. Auch die Anregung einer zirkular polarisierten Abstrahlung kann bei einer erfindungsgemäßen Antenne in einer vorteilhaften Weise und mit nur einer einzigen Speiseeinrichtung erfolgen. Bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband kann die untere, erste Strahlungselektrode direkt angeregt werden. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband kann die erste Strahlungselektrode angeregt werden, wobei diese wiederum die elektrische Energie zu der zweiten und dritten Strahlungselektrode überträgt.
  • Eine erfindungsgemäße Antennengeometrie ermöglicht auch die Ankoppelung der ersten Strahlungselektrode durch eine Aperturkopplung. Im Vergleich zu einer koaxialen Speisung weist eine aperturgekoppelte Antenne eine besonders große Impedanzbandbreite auf, wodurch sich die erfindungsgemäße Antenne besonders gut für breitbandige Anwendungen eignet. Bei einer Aperturkopplung wird Energie von einem Wellenleiter zunächst zu der ersten Strahlungselektrode gekoppelt, da diese näher an der Massefläche liegt als die zweite und die dritte Strahlungselektrode. Die erste Strahlungselektrode steht also in einer direkten und ungestörten elektromagnetischen Kopplung mit der Apertur in der Massefläche, so dass durch die Ausgestaltung der Apertur und der Anregung die Polarisation einer von der ersten Strahlungselektrode bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband abgestrahlten elektromagnetischen Welle besonders wirkungsvoll festgelegt werden kann. Beispielsweise ist die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle mit einer hohen Polarisationsreinheit möglich. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband wirkt die erste Strahlungselektrode als Koppelelektrode, da sie nicht in Resonanz betrieben wird. Sie überträgt also die durch die Apertur der Massefläche gekoppelte elektrische Leistung auf die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, die zusammen in dem unteren Frequenzband eine Resonanz und damit eine besonders gute Abstrahlung aufweisen. Auch bei der Abstrahlung in dem unteren Frequenzband durch die zweite und dritte Strahlungselektrode kann eine gute Reinheit einer gewünschten Polarisation sichergestellt werden.
  • Die Anordnung der ersten Strahlungselektrode und der zweiten und dritten Strahlungselektrode gewährleistet, dass Oberflächenwellen nur in einem geringen Maße angeregt werden, da bei der Abstrahlung in dem oberen Frequenzband der relevante Abstand zwischen der ersten Strahlungselektrode und der Massefläche geringer ist als der Abstand zwischen der zweiten und dritten Strahlungselektrode und der Massefläche. Somit ist der Abstand zwischen der jeweils aktiven Strahlungselektrode und der Massefläche der Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung angepasst (kleiner Abstand für das obere Frequenzband; großer Abstand für das untere Frequenzband), so dass eine optimale Reduzierung von Oberflächenwellen möglich ist.
  • Im übrigen wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Antenne technologisch sehr vorteilhaft herstellbar ist, da die gesamte Struktur planar ist.
  • Ferner wird auch noch angemerkt, dass sich die erfindungsgemäße Antenne von allen bekannten Strukturen deutlich unterscheidet. Herkömmlicherweise ist nämlich bei planaren Dualbandantennen eine große Strahlungselektrode für ein unteres Frequenzband näher an der Massefläche angeordnet als eine kleine Strahlungselektrode für ein oberes Frequenzband, sofern sich die beiden strahlenden Elemente überlappen. Eine Überlappung aber ist aus Gründen der Platzersparnis wünschenswert. Gemäß herkömmlicher Auffassung ist nämlich eine Anordnung, bei der ein kleinerer Strahler zwischen einem größeren Strahler und der Massefläche angeordnet ist, nicht sinnvoll, da herkömmlicher Weise davon ausgegangen wird, dass der größere Strahler dann eine Abstrahlung des kleineren Strahlers abschirmt. Antennenanordnungen gemäß dem Stand der Technik ermöglichen somit nicht die beschriebene Minimierung von Oberflächenwellen. Ferner ist eine gemeinsame Speisung von Strahlern für verschiedene Frequenzbänder bei herkömmlichen Antennen nicht möglich, wenn auf eine hohe Reinheit der Polarisation Wert gelegt wird. So ist die Erzielung einer zirkularen Polarisation mit hoher Polarisationsreinheit mit einer herkömmlichen Anordnung mit nur einer Speisung nicht möglich.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Antenne ist somit die dritte Strahlungselektrode so ausgelegt, dass in einer Projektion der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode entlang einer Richtung normal zu der zweiten Strahlungselektrode in eine Bildebene ein Bild der dritten Strahlungselektrode ein Bild der zweiten Strahlungselektrode vollständig umschließt.
  • Es wird bevorzugt, dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in einer Ebene liegen, wobei die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode in der Ebene vollständig umschließt. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da in diesem Falle die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode zu sammen in besonders vorteilhafter Weise einen Strahler bilden können, der für das untere von zwei Frequenzbändern eine Resonanz aufweist. Ferner ist die beschriebene Anordnung herstellungstechnisch vorteilhaft, da die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht und strukturiert werden können. Ferner ermöglicht es die beschriebene Anordnung, in technologisch einfacher Weise Verbindungen zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode herzustellen.
  • Weiterhin wird es bevorzugt, dass ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode kleiner ist als ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode und der ersten Strahlungselektrode. Die dritte Strahlungselektrode liegt also näher bei der zweiten Strahlungselektrode als bei der ersten Strahlungselektrode. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Wechselwirkung zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode größer ist als eine Wechselwirkung zwischen der ersten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode. Somit ist gewährleistet, dass die erste Strahlungselektrode in dem oberen Frequenzband eine Resonanz aufweist, die von der dritten Strahlungselektrode nicht wesentlich beeinflusst wird. In dem unteren Frequenzband hingegen können die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in eine starke Wechselwirkung treten, so dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode zusammen als ein großer Strahler angesehen werden können.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode, die dritte Strahlungselektrode und die Speiseeinrichtung so ausgelegt, dass die planare Mehrbandantenne eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlen kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine äußere Form der ersten Strahlungselektrode, der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode so festgelegt werden, dass die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode nahezu quadratisch sind, wobei bevorzugter Weise ein leichter Unterschied in den Abmessungen bzw. Kantenlängen besteht. Ferner ist es möglich, dass die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode rechteckförmig bzw. fast quadratisch sind und weiterhin mindestens eine abgeschrägte Ecke aufweisen. Ebenso ist es möglich, die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode mit mindestens einem Schlitz in der Mitte zu versehen, der die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle begünstigt bzw. ermöglicht. Weiterhin kann durch eine geeignete Speisung sichergestellt werden, dass eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt wird. Beispielsweise kann die erste Strahlungselektrode durch eine Apertur in der Massefläche mit einem Wellenleiter gekoppelt sein, der der ersten Strahlungselektrode elektrische Leistung zuführt, diese also speist. Bei der Apertur kann es sich beispielsweise um eine Kreuzapertur handeln, da diese besonders gut geeignet ist, um eine zirkulare Polarisation zu erzielen. Es ist jedoch auch möglich, die erste Strahlungselektrode über eine Koaxialleitung zu speisen, wobei eine geeignete Auswahl des Speisepunkts eine zirkulare Polarisation sicherstellt. Ferner kann die erste Strahlungselektrode über zwei an verschiedenen Positionen angeordnete Speiseleitungen angeregt werden, wobei sicherzustellen ist, dass die Signale auf den Speiseleitungen einen solchen Phasenversatz aufweisen, das eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt wird. Die Erzeugung einer zirkular polarisierten Abstrahlung ist besonders vorteilhaft, da somit eine Übertragungsstrecke realisiert werden kann, bei der die empfangene Feldstärke unabhängig von einer Drehung der Antenne um eine Achse, die eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne verbindet, ist. Im übrigen wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Antennenstruktur sich besonders gut für die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle eignet, wobei es ausreichend ist, nur die erste Strahlungselektrode zu speisen. Die erste Strahlungselektrode wirkt entweder in dem oberen Frequenzband selbst als strahlendes Element oder gibt in dem unteren Frequenzband die ihr zugeführte elektrische Leistung an die zweite und dritte Strahlungselektrode weiter, ohne die Polarisationseigenschaften in dem unteren Frequenzband nachhaltig zu beeinträchtigen.
  • Eine besonders vorteilhafte Speisung, die eine große Bandbreite ermöglicht, ist gegeben, wenn die Speiseeinrichtung eine Apertur in der Massefläche und einen Wellenleiter auffasst, wobei die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, beabstandet von der Massefläche, auf einer ersten Seite der Massefläche angeordnet sind, und wobei der Wellenleiter auf einer zweiten Seite der Massefläche angeordnet ist. Der Wellenleiter und die erste Strahlungselektrode sind dabei so angeordnet, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der ersten Strahlungselektrode gekoppelt werden kann, um die erste Strahlungselektrode zu speisen. Der Wellenleiter und die Apertur können hierbei in bevorzugter Weise so ausgelegt sein, um die Abstrahlung einer zirkularpolarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen. Als besonders vorteilhaft hat es sich bei einer solchen Aperturkopplung erwiesen, dass die Apertur zumindest einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweist, die zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden.
  • Weiterhin wird es bevorzugt, dass die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode eine gleiche Form aufweisen. Damit ist sichergestellt, dass ein äußerer Umfang der ersten Strahlungselektrode im wesentlichen parallel zu einem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und zu dem Spalt zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode ist. Damit kann die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode besonders effektiv an dem freien Raum abgegeben werden, ohne dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strah lungselektrode eine ausgeprägte abschirmende Wirkung entfalten.
  • Ferner unterscheidet sich eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um höchstens 30 % von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode. Dadurch wird wiederum sichergestellt, dass der äußere Umfang der ersten Strahlungselektrode hinreichend nahe bei dem Spalt zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode gelegen ist. Dies ermöglicht, dass Strahlung von der ersten Strahlungselektrode durch den Spalt zwischen der zweiten und der dritten Strahlungselektrode an den freien Raum abgegeben werden kann.
  • Im übrigen wird es bevorzugt, dass eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode sich um höchstens 10 % von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode unterscheidet, wodurch sich die Resonanzfrequenzen der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode nur geringfügig unterscheiden. Somit kann eine starke Verkoppelung zwischen der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode entstehen, wodurch die zweite Strahlungselektrode die Abstrahlung der ersten Strahlungselektrode noch unterstützt. Im übrigen kann somit die Bandbreite der erfindungsgemäßen Antenne erhöht werden, da zwei verkoppelte resonante Strahler, nämlich die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode, eine höhere Bandbreite aufweisen als ein einzelner Strahler. Auch die Verwendung von gleichen Abmessungen für die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode bringt die genannten Vorteile und wird somit ebenfalls bevorzugt.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die dritte Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode über eine leitfähige Verbindung miteinander gekoppelt. Bei der leitfähigen Verbindung kann es sich beispielsweise um mindestens einen leitfähigen Verbindungssteg handeln. Somit wird gewährleistet, dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in dem unteren Frequenzband als eine gemeinsame große Strahlungselektrode wirksam sind. Dies gilt auch dann, wenn eine feldmäßige Verkoppelung zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode nicht ausreichend stark ist. Die leitfähigen Verbindungsstege können mit der zweiten Strahlungselektrode bevorzugt in der Mitte von äußeren Kanten der zweiten Strahlungselektrode verbunden sein. Die leitfähigen Verbindungsstege können aber auch von der Mitte der Kanten hin zu den Ecken verschoben sein. Weist die zweite Strahlungselektrode abgeschrägte Ecken auf, so ist es besonders vorteilhaft, die Verbindungsstege zu den abgeschrägten Ecken hin zu verschieben. Durch die Lage der Verbindungsstege kann insgesamt eine Resonanzfrequenz und Anpassung der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode beeinflusst werden. Somit stellt die Lage der Verbindungsstege einen weiteren Freiheitsgrad bei einem Entwurf einer erfindungsgemäßen Antenne dar. Es wird bevorzugt, vier leitfähige Verbindungsstege zwischen der dritten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode einzusetzen, da dadurch möglichst gleichförmige Abstrahlungseigenschaften der erfindungsgemäßen Antenne erzielt werden können.
  • Weiterhin wird es bevorzugt, dass eine Ebene, in der die erste Strahlungselektrode gelegen ist, eine Ebene, in der die zweite Strahlungselektrode gelegen ist, und eine Ebene, in der die dritte Strahlungselektrode gelegen ist, mit der Massefläche jeweils einen positiven Winkel von höchstens 20 Grad einfließen. Die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode sind somit im Wesentlichen parallel zu der Massefläche. Durch eine solche Auslegung wird ein planarer Aufbau ermöglicht, und die Abstrahleigenschaften sind wiederum gleichförmig.
  • Bevorzugter Weise wird die erfindungsgemäße Antenne so ausgelegt, dass eine Impedanzanpassung mit einem Stehwellenverhältnis von kleiner als 2 in zumindest zwei Frequenzbändern erreicht wird. Somit ist ein Zweibandbetrieb bzw. Mehrbandbetrieb der erfindungsgemäßen Antenne möglich, wobei eine gute Anpassung erzielt wird. Eine gute Anpassung ermöglicht aber eine effektive Einkoppelung von Energie in die Antenne.
  • Die erfindungsgemäße Antenne kann bevorzugter Weise in mehreren Schichten aufgebaut sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Antenne eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, eine zweite dielektrische Schicht, eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante sowie eine dritte dielektrische Schicht auf. Die erste dielektrische Schicht trägt auf ihrer ersten Oberfläche einen Wellenleiter und auf ihrer zweiten Oberfläche die Massefläche. Die zweite dielektrische Schicht trägt auf einer Seite die erste Strahlungselektrode. Die dritte dielektrische Schicht trägt die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode. Die erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht bei niedriger Dielektrizitätskonstante ist geringer als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht, der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht. Die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist niedriger als die Dielektrizitätskonstante der ersten, zweiten oder dritten dielektrischen Schicht.
  • Eine solche Ausführungsform einer Antenne ermöglicht eine besonders einfache Herstellung, wobei durch die Schichten mit niedriger Dielektrizitätskonstante die Abstrahlungseigenschaften der Antenne verbessert werden. Eine Schicht mit sehr niedriger Dielektrizitätskonstante verringert die dielektrischen Verluste und verringert außerdem das Auftreten von Oberflächenwellen. Ferner ist die Herstellung sehr günstig, da lediglich Strahlungselektroden bearbeitet werden müssen, die durch dielektrische Schichten getragen werden. Somit sind Verfahren einsetzbar, die eine Strukturierung von planaren Schichten auf einem Trägermaterial ermöglichen, beispielsweise photolithographische Verfahren und Ätzverfahren. Solche Verfahren sind sehr kostengünstig und bieten eine sehr hohe Präzision. Im übrigen gewährleisten die dielektrischen Schichten, die die Strahlungselektroden tragen, auch eine gute mechanische Stabilität der Antenne. Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung kann erreicht werden, indem die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht aus FR4 Material (herkömmlichem Leiterplattenmaterial) hergestellt werden. Die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante kann bevorzugterweise durch Luft gebildet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Antenne bei einer entsprechenden Auslegung sehr kostengünstig herzustellen ist, wobei die Strahlungseigenschaften trotz der verwendeten kostengünstigen Materialien nicht in einer negativen Weise beeinflusst werden.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
  • 2 ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
  • 4 ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Fotografie eines Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
  • 6 eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
  • 8 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Polarisationsentkopplung für einen Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist; und
  • 9 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Die Antennenstruktur 100 umfasst eine Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Ferner umfasst die Antennenstruktur eine Strahlungselektrode 130, die oberhalb der Massefläche 110 angeordnet ist. Eine Spei seleitung 140, die hier als leitender Streifen gezeigt ist, ist unterhalb der Massefläche 110 angeordnet. Die Apertur 120 umfasst einen ersten Schlitz 150, einen zweiten Schlitz 152 sowie einen dritten Schlitz 154. Der erste, zweite und dritte Schlitz 150, 152, 154 haben jeweils eine rechteckige Gestalt und stellen eine Öffnung der Massefläche 110 dar. Der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 sind so angeordnet, dass sie ein Kreuz bilden. Die Längen des ersten Schlitzes 150 und des zweiten Schlitzes 152 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleich. Der dritte Schlitz 154 ist länger als der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152, und schneidet den ersten und den zweiten Schlitz 150, 152 in dem Gebiet, in dem sich auch der erste und der zweite Schlitz 150, 152 schneiden, also in dem Zentrum des von dem ersten und dem zweiten Schlitz gebildeten Kreuzes. Weiterhin ist anzumerken, dass der dritte Schlitz 154 in einer Draufsicht, entlang einer durch einen Pfeil 170 gezeigten Richtung, senkrecht zu der Speiseleitung 140 steht. Die Apertur 120 weist ferner eine hohe Symmetrie auf. Der geometrische Mittelpunkt des ersten, zweiten und dritten Schlitzes 150, 152, 154 fallen, von Fertigungstoleranzen abgesehen, zusammen. Ferner besteht eine Achsensymmetrie der Apertur bezüglich einer Achse 158 des dritten Schlitzes 154. Weiterhin ist die Apertur 120 in Bezug auf die Speiseleitung 140 so angeordnet, dass in einer Draufsicht die Speiseleitung 140 durch das Gebiet verläuft, in dem sich der erste, zweite und dritte Schlitz 150, 152, 154 schneiden.
  • Die Strahlungselektrode 130 ist eine planare leitfähige Elektrode, die auch als Patch bezeichnet werden kann. Sie ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb der Apertur 120 angeordnet. Die gezeigte Strahlungselektrode 130 ist im Wesentlichen rechteckförmig. Die Strahlungselektrode 130 ist ausgelegt, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungselektrode nahezu quadratisch. Ebenso ist es aber möglich, eine recht eckige Strahlungselektrode zu verwenden, bei der mindestens eine Ecke abgeschrägt bzw. abgeschnitten ist. Auch eine Strahlungselektrode mit einem Schlitz in der Mitte, der eine zirkulare Polarisation ermöglicht, kann verwendet werden. Schließlich sind auch andere Geometrien verwendbar, solange sichergestellt ist, dass diese eine zirkulare Polarisation ermöglichen. Die Strahlungselektrode 130 ist so angeordnet, dass die Apertur 120 in einer Draufsicht entlang einer Richtung, die durch den Pfeil 170 gekennzeichnet ist, symmetrisch unterhalb der Strahlungselektrode 130 liegt.
  • Ferner ist anzumerken, dass insgesamt der Wellenleiter und die Strahlungselektrode so angeordnet sind, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der Strahlungselektrode (Patch) gekoppelt werden kann.
  • Die Funktionsweise der vorliegenden Antennenstruktur kann einfach beschrieben werden. Die Apertur 120 bildet eine resonante Kreuzapertur. Der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 bilden einen Schlitz von der Form eines Kreuzes. Die Schlitze sind so bemessen, dass in einem Betriebsfrequenzbereich der Antenne keine Resonanz des kreuzförmigen Schlitzes auftritt. Somit wird erreicht, dass auf der Strahlungselektrode eine Schwingung angeregt wird, die die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zur Folge hat. Die kreuzförmige Gestalt des ersten und zweiten Schlitzes 150, 152 der Apertur 120 trägt dazu bei, dass ein geeigneter gemischter Schwingungsmodus angeregt wird, der eine solche zirkulare Polarisation der abgestrahlten Wellen ermöglicht. Der dritte Schlitz 154 wird in der Nähe seiner Resonanz betrieben, sodass er zur Verbesserung der Anpassung der beschriebenen Antenne beiträgt. Wie gezeigt ist der dritte Schlitz 154 typischerweise länger als der erste und zweite Schlitz 150, 152, wodurch der Schlitz 154 näher an einer Resonanz betrieben wird als der erste und der zweite Schlitz. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass es erstaunlich ist, dass der dritte Schlitz 154 nicht die zirkulare Polarisation der abgestrahlten elektromagnetischen Welle stört, wie dies gemäß herkömmlicher Theorien erwartet würde.
  • Die gezeigte Geometrie kann in einem weiten Bereich verändert werden. So können beispielsweise Längen der drei Schlitze 150, 152, 154, die die Apertur 120 bilden, verändert werden. Beispielsweise kann die Länge des dritten Schlitzes 154 vergrößert oder verringert werden. Ebenso ist es nicht notwendig, dass der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 die gleiche Länge aufweisen. Vielmehr kann die Länge der Schlitze 150, 152, 154 gegeneinander verändert werden, um Feinanpassungen der Antennenstruktur zu ermöglichen. Weiterhin ist es möglich, von der strengen Symmetrie der Apertur abzuweichen. Dies kann zum Beispiel dann hilfreich sein, wenn auch die Strahlungselektrode 130 keine vollständige Symmetrie aufweist. Auch bezüglich der Winkel zwischen den Schlitzen sowie zwischen einem Schlitz und der Speiseleitung können Veränderungen vorgenommen werden. Eine Verdrehung der Schlitze um bis zu 20 Grad ist möglich, um einen Feinabgleich der Antennenstruktur zu ermöglichen. So kann der Winkel zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz um bis zu 20 Grad von einem rechten Winkel abweichen. Ähnliches gilt für den Winkel zwischen dem dritten Schlitz und der Speiseleitung.
  • Auch die Strahlungselektrode 130 kann in einem weiten Rahmen verändert werden. Diese kann beispielsweise rechteckig oder nahezu rechteckig sein. Es wird bevorzugt, eine Strahlungselektrode zu verwenden, die fast quadratisch ist, wobei sich die Abmessungen bzw. Kantenlängen leicht unterscheiden. Eine solche Strahlungselektrode ermöglicht die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle. Ebenso ist es bevorzugter Weise möglich, eine Strahlungselektrode zu verwenden, die eine nahezu rechteckige oder quadratische Form aufweist, wobei mindestens eine Ecke abgeschrägt ist. Es wird in diesem Fall aus Symmetriegründen ferner bevorzugt, zwei gegenüberliegende E cken abzuschrägen. Schließlich kann auch eine Strahlungselektrode eingesetzt werden, die einen Schlitz in der Mitte aufweist, wobei der Schlitz dabei so ausgelegt ist, dass eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt werden kann. Gängige Erweiterungen sind möglich, beispielsweise die Ankopplung von zusätzlichen metallischen Elementen an die Strahlungselektrode 130. Auch parasitäre Elemente, beispielsweise kapazitiver, induktiver oder resistiver Natur, können an die Strahlungselektrode 130 angekoppelt werden. Hierdurch kann erzwungen werden, dass sich ein gewünschter Modus ausbildet. Daneben kann weiterhin die Bandbreite der Antenne durch parasitäre Elemente verbessert werden. Schließlich ist es möglich, Ecken der Strahlungselektrode 130 abzuschneiden bzw. abzuschrägen. Dadurch ergibt sich eine Verkoppelung verschiedener Schwingungsmodi, die zwischen der Strahlungselektrode 130 und der Massefläche 110 existieren können. Als Folge wird eine geeignete Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Modi hergestellt, sodass sich eine rechts- oder linksdrehend zirkulare Polarisation einstellen lässt. Im übrigen kann die Strahlungselektrode auch in anderer Form verändert sein, beispielsweise durch das Hinzufügen von Schlitzen in die Strahlungselektrode, die unerwünschte Modi unterdrücken oder für eine geeignete Phasenbeziehung zwischen den gewünschten Modi sorgen.
  • Die Speisung der gezeigten Antennenstruktur kann auf verschiedene Weise erfolgen. Der hier gezeigte metallische Streifenleiter 140 kann durch verschiedene Wellenleiter ersetzt werden. Beispielsweise kann es sich bei diesen Wellenleitern um eine Mikrostreifenleitung handeln. Auch ein koplanarer Wellenleiter kann verwendet werden. Ferner kann die Zuführung der elektrischen Energie durch eine Streifenleitung, einen dielektrischen Wellenleiter oder einen Hohlraum-Wellenleiter erfolgen.
  • Ferner wird darauf hingewiesen, dass die 1 nur eine schematische Darstellung der grundlegenden Struktur einer planaren Antenne darstellt. Merkmale, die für die Antenne nicht wesentlich sind, sind hierbei nicht dargestellt. Es ist daher festzuhalten, dass die gezeigten metallischen Strukturen, insbesondere die Massefläche 110, die Strahlungselektrode 130 sowie die Streifenleitung 140 typischerweise von dielektrischen Materialien getragen werden. Es ist nämlich möglich, in die gezeigte Antennenstruktur 100 beinahe beliebig Schichten oder Strukturen aus dielektrischen Materialien einzubringen. Solche Strukturen können beispielsweise Schichten sein, die parallel zu der Massefläche 110 verlaufen. Die leitenden Strukturen können auf diesen dielektrischen Schichten aufgebracht und durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise ein Ätzverfahren, strukturiert worden sein. Vorausgesetzt wird hierbei lediglich, dass die Dielektrizitätskonstante einer dielektrischen Schicht nicht zu groß ist, da dadurch die in der Antennenstruktur entstehenden Verluste erhöht werden und die Abstrahlung verschlechtert wird. Weiterhin ist bei der Einbringung von dielektrischen Strukturen darauf zu achten, dass keine Oberflächenwellen angeregt werden, da auch diese den Strahlungswirkungsgrad einer Antennenstruktur wesentlich verschlechtern.
  • Eine dielektrische Schicht kann beispielsweise zwischen der Massefläche 110 und dem Streifenleiter 140 vorhanden sein, sodass eine Mikrostreifenleitung entsteht. Eine solche Mikrostreifenleitung ist besonders vorteilhaft für die Ankoppelung einer beschriebenen Antennenstruktur. Im übrigen ist eine Mikrostreifenleitung auch besonders gut mit aktiven und passiven Schaltungsstrukturen kombinierbar.
  • Außer planaren dielektrischen Strukturen sind auch anders geformte dielektrische Strukturen möglich. Beispielsweise kann die Strahlungselektrode 130 durch einen Abstandshalter aus einem dielektrischen Material getragen werden. Eine solche Auslegung verbessert die mechanische Stabilität der Antenne und ermögliche eine kostengünstige Herstellung.
  • Auch die Kombination von dielektrischen Schichten und Schichten mit sehr niedriger Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Luftschichten, ist möglich. Luftschichten verringern die elektrischen Verluste und können gegebenenfalls die Anregung von Oberflächenwellen verringern.
  • 2 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Strahlergeometrie ist in ihrer Gesamtheit mit 200 bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in den 1 und 2 sowie auch in den weiteren Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Einrichtungen bezeichnen. Gezeigt ist hier eine Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Einzelheiten der Apertur sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, die Apertur entspricht aber der anhand der 1 gezeigten und beschriebenen. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Strahlergeometrie 200 eine erste Strahlungselektrode 130. Die Apertur 120 stellt eine Öffnung in der Massefläche 110 dar, die in einer Draufsicht entlang einer Richtung, die durch den Pfeil 210 gekennzeichnet ist, unterhalb der ersten Strahlungselektrode 130 liegt. Oberhalb der ersten Strahlungselektrode liegt eine zweite Strahlungselektrode 220. Diese ist von der dritten Strahlungselektrode 230 umschlossen, wobei zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 ein Spalt 240 besteht. Die zweite Strahlungselektrode 220 ist mit der dritten Strahlungselektrode 230 über vier leitfähige Stege 250, 252, 254, 256 verbunden. Diese Stege sind bei der gezeigten Ausführung etwa in der Mitte der Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220 angeordnet. Die zweite Strahlungselektrode 220 ist somit so angeordnet, dass die erste Strahlungselektrode 130 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der Massefläche 110 liegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen ferner die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 in einer gemeinsamen Ebene. Ferner weichen die Abmessungen der zweiten Strahlungselektrode 220 von den Abmessungen der ersten Strahlungselektrode 130 nur geringfügig ab. Bevorzugterweise beträgt die Abweichung weniger als 20%.
  • Basierend auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass eine solche Geometrie den Aufbau von zirkular polarisierten Dual- bzw. Multibandantennen ermöglicht. Die einzelnen Schichten können von verschiedenen Platinen getragen sein. Beispielsweise kann eine erste Platine aus einem dielektrischen Material die Massefläche 110 tragen, während eine zweite Platine die erste Strahlungselektrode 130 trägt und eine dritte Platine die zweite Strahlungselektrode 220 sowie die dritte Strahlungselektrode 230 trägt. Die Platinen sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt können aber so angeordnet sein, dass die jeweiligen Strahlungselektroden durch eine beliebige Oberfläche der Platine getragen sind. An der Unterseite einer Leiterplatte, die die Massefläche 110 trägt, kann sich eine Mikrostreifenleitung befinden, von der aus Leistung über die Apertur 120 in der Massefläche erst auf einen kleineren Patch, der von der ersten Strahlungselektrode 130 gebildet wird, übertragen werden. Der kleinere Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird, ist für das obere Frequenzband von zwei Frequenzbändern ausgelegt. Die Leistung, die durch die Apertur gekoppelt wird, kann nachfolgend auf einen größeren Patch übergekoppelt werden, der für das untere von zwei Frequenzbändern ausgelegt ist. Der größere Patch besteht effektiv aus zwei Patches, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet sind. Der größere Patch kann hierbei als zwei ineinander liegende Patches mit Kurzschlüssen interpretiert werden. Der innen liegende kleinere Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 gebildet wird, ist näherungsweise genau so groß wie der untere kleinere Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird. Leitfähige Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 verbinden die zweite Strah lungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230. Die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 wirken auf die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode je nach ihrer Lage als kapazitive oder induktive Belastung bzw. Koppelung, wodurch sie einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des oberen Strahlers, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet wird, ausüben. Eine Veränderung der Position eines Verbindungsstegs 250, 252, 254, 256 (in Bezug auf die zweite und dritte Strahlungselektrode 220, 230 sowie in Bezug auf die übrigen Verbindungsstege) kann somit für eine Feinabstimmung der Antennenstruktur genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 von der Mitte der Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220 weg hin zu den Ecken der zweiten Strahlungselektrode 220 zu bewegen. In dem Falle, dass zwei Ecken der zweiten Strahlungselektrode 220 abgeschrägt sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 hin zu diesen abgeschrägten bzw. abgeschnittenen Ecken zu bewegen. In übrigen wird darauf hingewiesen, dass die Verbindungsstege nicht in einer streng symmetrischen Weise angeordnet sein müssen. Vielmehr ist es zweckmäßig, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 an gegenüberliegenden Kanten der zweiten Strahlungselektrode leicht versetzt anzuordnen, so dass eine Verbindungslinie zwischen zwei gegenüberliegenden Verbindungsstegen 250, 252, 254, 256 nicht parallel zu einer kante der zweiten Strahlungselektrode verläuft. Durch eine solche unsymmetrische Anordnung ergibt sich eine besonders große Freiheit bei der Feinabstimmung des oberen Strahlers. Schließlich sollte noch darauf hingewiesen werden, dass die Verbindungsstege auch entfallen können, wenn eine ausreichende Nahfeldkoppelung zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 besteht.
  • Die erfindungsgemäße Struktur umfasst somit effektiv zwei strahlungsfähige Strukturen, nämlich einen so genannten unteren Patch, der von der ersten Strahlungselektrode 130 ge bildet wird, und der bei höheren Frequenzen wirksam ist, und einen oberen, größeren Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet ist.
  • Es sollte weiterhin darauf hingewiesen werden, dass der Abstand zwischen dem kleinen Patch, das durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet ist, und der Massefläche kleiner ist als der Abstand zwischen dem zweiten größeren Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet ist, und der Massefläche 110.
  • Eine erfindungsgemäße Struktur bietet wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Strukturen, wodurch eine zirkular polarisierte Abstrahlung in zwei Frequenzbändern erzielt werden kann, ohne dass die Reinheit der Polarisation wesentlich beeinflusst wird oder dass in größerem Umfang Oberflächenwellen angeregt werden.
  • Es wird hierbei darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen eine Vergrößerung einer elektrischen Substratdicke zu einer Entstehung von Oberflächenwellen höherer Ordnung führt. Entstehen solche Oberflächenwellen, so wird der Antennengewinn stark reduziert. Um die Entstehung von Oberflächenwellen zu vermeiden bzw. gering zu halten, haben die beiden Antennenstrukturen, die in einer erfindungsgemäßen Geometrie enthalten sind, für verschiedene Frequenzbereiche verschiedene wirksame Substratdicken. Bei niedrigen Frequenzen ist der obere größere Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet wird, wirksam. Die effektive Substratdicke ist gleich dem Abstand der zweiten und dritten Strahlungselektrode von der Massefläche 110. Dieser Abstand ist hier mit D bezeichnet. Bei höheren Frequenzen hingegen ist der untere kleine Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird, wirksam. Die wirksame Substratdicke ist gleich dem Abstand zwischen der ersten Strahlungselektrode 130 und der Massefläche 110, der hier mit d bezeichnet ist.
  • Es zeigt sich somit, dass die wirksame Substratdicke für niedrige Frequenzen, die mit D bezeichnet ist, größer ist als die wirksame Substratdicke für hohe Frequenzen, die mit d bezeichnet ist. Dies entspricht der Anforderung, dass Antennen für verschiedene Frequenzen verschiedene Substratdicken aufweisen müssen. Somit kann durch die Tatsache, dass sich die bei verschiedenen Frequenzen wirksamen Strahler in verschiedenen Ebenen und in verschiedener Entfernung von der Massefläche 110 befinden, die Erzeugung von Oberflächenwellen wirksam verringert werden. Es ist nämlich gerade die Anforderung erfüllt, dass die wirksame Substratdicke für hohe Frequenzen geringer sein sollte als für niedrige Frequenzen.
  • Ebenso wird mit der erfindungsgemäßen Geometrie die Anforderung erfüllt, dass die Antenne für das obere Frequenzband (gebildet durch die erste Strahlungselektrode 130) näher an der Massefläche 110 und an der Apertur 120 liegen muss, als die Antenne für das untere Frequenzband (gebildet durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230). Wäre nämlich der größere Patch unten (d.h. in der Nähe der Apertur) und der kleinere Patch oben (d.h. entfernt von der Apertur), so würde dies in schlechten Polarisationseigenschaften in dem oberen Frequenzbereich resultieren, weil die Apertur durch den größeren Patch abgeschirmt würde. In einem solchen Falle wäre eine wirksame Ankopplung des kleinen Patches über die Apertur nicht mehr möglich. Entsprechend könnte ein kleinerer Patch, der durch einen größeren Patch von der Apertur getrennt wäre, keine zirkular polarisierte Welle mit einem geringen Anteil einer orthogonalen Polarisation abstrahlen.
  • Ferner wird durch die erfindungsgemäße Geometrie, bei der der größere Patch aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich aus der zweiten Strahlungselektrode 220 und der drit ten Strahlungselektrode 230, vermieden, dass die Abstrahlung des unten liegenden kleineren Patches durch den oben liegenden größeren Patch zu stark abgeschirmt wird. Es ist nämlich, wenn die Antenne für das obere Frequenzband näher zu der Massefläche 110 als die Antenne für das untere Frequenzband liegt, die starke Abschirmung des kleinen Strahlers mit dem großen zu vermeiden.
  • Eine verringerte Abschirmung der Strahlung des unteren Patches 130 durch den oben liegenden Patch 220, 230 wird durch den Spalt 140 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 erzielt.
  • Auch die erfindungsgemäße Strahlergeometrie 200 kann wesentlich verändert werden. So können auf die einzelnen Strahlungselektroden 130, 220, 230 alle vorher beschriebenen Veränderungen angewendet werden. Beispielsweise ist es vorteilhaft, die Ecken der entsprechenden Strahlungselektroden zu beschneiden. Dadurch können mehrere für eine zirkulare Abstrahlung erforderliche Modi verkoppelt werden, während unerwünschte Modi unterdrückt werden können.
  • 3 zeigt ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 300 bezeichnet. Sie entspricht im Wesentlichen der anhand von 1 gezeigten Antennenstruktur 100, sodass gleiche Einrichtungen und Geometriemerkmale hier mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Unverändert übernommene Merkmale werden hier nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass bei der Antennenanordnung 300 eine erste Ecke 310 sowie eine zweite Ecke 320 der ersten Strahlungselektrode 130 abgeschnitten bzw. abgeschrägt sind. Diese geometrische Veränderung trägt dazu bei, dass eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abgestrahlt werden kann. Ferner weist die Antennenanordnung 300 eine Stichleitung 330 auf, die an der Streifenleitung 140 angebracht ist. Diese Stichleitung 330 dient einer weiteren Impedanzanpassung der vorliegenden Antennenstruktur. Die Dimensionierung einer solchen Stichleitung zur Anpassung ist einem Fachmann wohl bekannt.
  • Ferner zeigt die 3 einen einschließenden Quader 340, der die gesamte Antennenstruktur umschließt. Ein solcher einschließender Quader kann beispielsweise verwendet werden, um bei einer elektromagnetische Simulation einer Antennenstruktur ein Simulationsgebiet zu begrenzen.
  • Die 4 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 400 bezeichnet. Die Antennenstruktur 400 umfasst eine Speiseleitung 140, eine Massefläche 110 mit einer Apertur 120 sowie eine erste Strahlungselektrode 130, eine zweite Strahlungselektrode 220 und eine dritte Strahlungselektrode 230. Die Geometrie der ersten Strahlungselektrode 130 entspricht hierbei im Wesentlichen der Geometrie der in 3 gezeigten ersten Strahlungselektrode 130. Die zweite und die dritte Strahlungselektrode 220, 230 sind im Wesentlichen genauso angeordnet, wie dies anhand von 2 beschrieben ist. Allerdings sind bei der Antennenstruktur 400 zwei gegenüberliegende Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 abgeschrägt. Die dritte Strahlungselektrode 230 umschließt wiederum die zweite Strahlungselektrode 220, wobei zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 ein Schlitz bzw. Spalt 240 vorhanden ist. Im übrigen sei darauf hingewiesen, dass die dritte Strahlungselektrode 230 von ihrer Form her der zweiten Strahlungselektrode 220 angepasst ist. Das heißt, dass die dritte Strahlungselektrode 230 an die abgeschrägten Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 so angepasst ist, dass der Spalt 240 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 auch in dem Bereich der abgeschrägten Ecken 410, 420 im Wesentlichen mit gleich bleibender Breite verläuft. Die inneren Kanten der dritten Strahlungselektrode 230 verlaufen somit im Wesentlichen parallel zu den äußeren Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220. Auch die dritte Strahlungselektrode 230 weist zwei äußere abgeschrägte Ecken 430, 440 auf, die den abgeschrägten Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 benachbart sind. Somit weisen sowohl die erste, die zweite als auch die dritte Strahlungselektrode 130, 220, 230 abgeschrägte Ecken 310, 320, 410, 420, 430, 440 auf, wobei jeweils die benachbarten Ecken der verschiedenen Strahlungselektroden abgeschrägt sind. Die zweite und die dritte Strahlungselektrode 220, 230 sind über Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 gekoppelt, wobei die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 etwa in der Mitte von Kanten eines Rechtecks, das die zweite Strahlungselektrode 220, abgesehen von den abgeschrägten Ecken, beschreibt, angeordnet sind.
  • Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Größe der zweiten Strahlungselektrode 220 bis auf eine Abweichung von höchstens 20% gleich der Größe der ersten Strahlungselektrode 130 ist. Auch von der Form her unterscheiden sich die erste und die zweite Strahlungselektrode 130, 220 nicht wesentlich. Sie sind daher nahezu parallele Elektroden von nahezu gleicher Form und mit nahezu gleichen Abmessungen.
  • Es wird hier auch noch einmal explizit auf die Schichtenreihenfolge hingewiesen. Die Speiseleitung 140 bildet die unterste leitende Schicht. Darüber ist eine Massefläche 110 angeordnet, die eine Apertur 120 aufweist. Wiederum darüber liegt in einer Ebene die erste Strahlungselektrode 130. In einer weiteren, weiter oberhalb liegenden Ebene sind die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 angeordnet. Die jeweiligen Metallisierungen, d. h. die Speiseleitung 140, die Massefläche 110 sowie die erste, zweite und dritte Strahlungselektrode 130, 220, 230 werden jeweils von dielektrischen Schichten getragen.
  • Zu bemerken ist hier weiterhin, dass die Breite der Speiseleitung 140 zu Anpassungszwecken verändert wird. Entfernt von der Apertur weist die Speiseleitung 140 einen breiten Abschnitt 450 auf, während die Speiseleitung 140 in der Nähe der Apertur schmaler ist. Eine schmale Speiseleitung ist vorteilhaft, da diese eine größere Konzentration des elektrischen Feldes bewirkt. Damit kann eine stärkere Koppelung der Strahlungselektroden an die Speiseleitung durch die Apertur 120 erfolgen. Im übrigen dient die Veränderung der Breite der Speiseleitung auch einer Impedanzanpassung, wobei durch eine geeignete Wahl der Länge des dünnen Stücks 460 die Anpassung beeinflusst werden kann.
  • Gezeigt ist im übrigen noch ein einschließendes Rechteck 470, das ein Simulationsgebiet, in dem die Antennenstruktur simuliert wird, begrenzt. Das einschließende Rechteck zeigt auch die Dicke der jeweiligen Schichten an.
  • 5 zeigt eine Fotografie eines Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der eine erfindungsgemäße Antennestruktur ableitbar ist. Gezeigt ist hierbei eine aufgebaute Monobandantenne, die für den Frequenzbereich von 2,40 GHz bis 2,48 GHz ausgelegt ist. Die Antenne ist in ihrer Gesamtheit mit 500 bezeichnet. Sie weist eine erste Platte 510 aus einem dielektrischen Material sowie eine zweite Platte 520 aus einem dielektrischen Material auf. Die beiden Platten sind durch vier Abstandshalter 530 aus einem dielektrischen Material getrennt bzw. fixiert. Die erste dielektrische Platte 510 trägt eine erste Strahlungselektrode 130. Die zweite dielektrische Platte 520 trägt auf einer oberen Fläche die Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Die untere Seite der dielektrischen Platte 530 trägt eine Speiseleitung, über die der Antenne elektrische Energie von einer SMA-Buchse 550 zugeführt wird.
  • Die Antennenanordnung 500 weist eine erste Abmessung 570, die als eine Breite aufgefasst werden kann, von 75 mm auf. Eine zweite Abmessung 572, die auch als Länge aufgefasst werden kann, beträgt ebenfalls 75 mm. Schließlich beträgt eine dritte Abmessung 574, die als Höhe verstanden werden kann, 10 mm. Lediglich zum Größenvergleich ist hier eine Ein-Euro-Münze 576 gezeigt.
  • 6 zeigt eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 600 bezeichnet. Sie umfasst eine erste dielektrische Schicht 610, eine zweite dielektrische Schicht 620 sowie eine dritte dielektrische Schicht 630.
  • Die 3 dielektrischen Schichten bzw. Platten 610, 620, 630 werden durch dielektrische Abstandshalter 640 gehalten. Die erste dielektrische Platte 610 trägt hierbei eine zweite Strahlungselektrode 220 sowie eine dritte Strahlungselektrode 230. Die zweite dielektrische Platte trägt eine erste Strahlungselektrode 130. Die dritte dielektrische Platte 630 trägt auf einer Seite eine Massefläche 110 und auf der anderen Seite eine Speiseleitung 140. Die Speiseleitung ist im Übrigen an eine SMA-Buchse 650 herausgeführt. Die gesamte Antennenstruktur 600 bildet eine Dualbandantenne.
  • Die Antenne 600 weist eine erste Dimension 670 auf, die auch als Länge betrachtet werden kann. Diese erste Dimension beträgt 75 mm. Weiterhin weist die Antenne 600 eine zweite Dimension 672 auf, die als Breite betrachtet werden kann, und die ebenfalls 75 mm beträgt. Eine dritte Dimension 674 der Antenne 600 kann als Höhe aufgefasst werden. Diese Höhe beträgt 10,5 mm.
  • Die gezeigte Dualbandantenne 600 basiert auf der Monobandantenne 500, wobei die Monobandantenne zu einer Dualbandantenne verbessert wurde. Die Antenne 600, die von ihrem prinzipiellen Aufbau her der in 4 gezeigten Antenne 400 entspricht, ist aus mehreren Schichten aufgebaut, die im Folgenden näher erläutert wird. Die unterste Lage der Antenne wird von einer strukturierten leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Metallisierungsschicht bzw. Metallschicht, gebildet, die insgesamt eine Mikrostreifenleitung bildet. Diese Mikrostreifenleitung ist auf der Unterseite eines ersten Substrats vom Typ FR4 aufgebracht, wobei das erste Substrat eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Das erste Substrat entspricht der dritten dielektrischen Schicht 630. Auf der Oberseite des ersten Substrats ist eine Massefläche aufgebracht, die eine gesamte Ausdehnung von 75 mm × 75 mm aufweist. Die Massefläche umfasst ferner eine Apertur 120. Oberhalb der Massefläche befindet sich eine Schicht, die nicht von einem dielektrischen Material gefüllt ist. Entsprechend umfasst die Antenne also eine Luftschicht, die eine Dicke von 5 mm aufweist. Oberhalb dieser Luftschicht befindet sich eine weitere leitfähige Schicht, auf der die erste Strahlungselektrode als Patch gebildet ist. Die weitere leitfähige Schicht wird durch eine zweite dielektrische Schicht aus FR4 getragen, die wiederum eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Die zweite dielektrische FR4-Schicht entspricht der in 6 gezeigten zweiten dielektrischen Schicht 620. Oberhalb der zweiten dielektrischen FR4-Schicht ist wiederum eine Schicht, in der sich kein festes Dielektrikum befindet. Es entsteht somit eine zweite Luftschicht, deren Dicke 4 mm beträgt. Wiederum oberhalb davon befindet sich eine dritte dielektrische FR4-Schicht, die eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Die dritte dielektrische FR4-Schicht trägt eine weitere leitfähige Schicht, auf der durch Strukturierung die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in Form von Patches gebildet sind. Leitende Verbindungsstege zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode weisen eine Breite von 1 mm auf. Die gesamt Antennenstruktur umfasst somit folgende Schichten in der gezeigten Reihenfolge: Mikrostreifenleitung; FR4 (0,5 mm); Massefläche (75 mm × 75 mm, mit Apertur); Luft (5 mm); Patch 1 (erste Strahlungselektrode); FR4 (0,5 mm); Luft (4 mm); FR4 (0,5 mm) und Patch 2 (zweite Strahlungselektrode und dritte Strahlungselektrode). Alle Schichten und Abmessungen können um bis zu 30 % variieren. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Abweichung von den bevorzugten Abmessungen nicht mehr als 15 % beträgt.
  • 7 zeigt eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen 500 einer planaren Antenne, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 700 bezeichnet. Der Eingangsreflexionsfaktor 511 wurde für eine aufgebaute Patchantenne gemessen, die für einen Frequenzbereich von 2,40 bis 2,48 GHz ausgelegt ist. Ein Foto einer derartigen Antenne 500 ist in 5 gezeigt.
  • An der Abszisse 710 ist die Frequenz von 2,15 GHz bis 2,85 GHz angetragen. Die Ordinate 712 zeigt in logarithmierter Form den Betrag des Eingangsreflexionsfaktors S11. Hierbei ist der Eingangsreflexionsfaktor in einem Bereich von –50 dB bis 0 dB angetragen. Eine erste Kurve 720 zeigt einen simulierten Eingangsreflexionsfaktor. Eine zweite Kurve 730 zeigt, den gemessen Wert für dem Eingangsreflexionsfaktor. Gemäß der Messung liegt der Eingangsreflexionsfaktor in dem gesamten gezeigten Frequenzbereich von 2,15 GHz bis 2,85 GHz unter –10 dB. Auch die Simulation zeigt eine ähnliche breitbandige Charakteristik der Antenne.
  • 8 zeigt eine graphische Darstellung der Polarisationsentkopplung für einen Prototypen 500 einer planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 800 bezeichnet. An der Abszisse 810 ist die Frequenz in einem Bereich von 2,3 GHz bis 2,55 GHz angetragen. Die Ordinate 812 zeigt die Polarisationsentkopplung in Dezibel in einem Bereich zwischen 0 und 25 dB. Eine erste Kurve 820 zeigt einen simulierten Verlauf der Polarisationsentkopplung, während eine zweite Kurve 830 gemessene Werte darstellt. In der erforderlichen Bandbreite von 2,40 GHz bis 2,48 GHz wird die Kreuzpolarisation bei einem aus reichenden Anpassungsfaktor um mehr als 15,5 dB unterdrückt.
  • 9 zeigt eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen 600 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 900 bezeichnet. Gezeigt sind hierbei Messergebnisse für den Reflexionskoeffizienten einer erfindungsgemäßen Dualbandantenne, wie sie anhand der 4 und 6 beschrieben wurde. Die Abszisse 910 zeigt hierbei den Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 6 GHz. An der Ordinate 912 ist der Betrag des Eingangsreflexionsfaktors S11 in logarithmischer Form von –40 dB bis +40 dB angetragen. Eine Kurve 920 zeigt den Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors über der Frequenz. Gezeigt sind weiterhin ein erster Marker 930, ein zweiter Marker 932, ein dritter Marker 934 sowie ein vierter Marker 936. Der erste Marker zeigt an, dass der Eingangsreflexionsfaktor bei 2,40 GHz –13,618 dB beträgt. Der zweite Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von –16,147 dB bei 2,48 GHz. Der dritte Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von –9,457 dB bei 5,15 GHz, und der vierte Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von –10,011 dB bei 5,35 GHz. Der fünfte Marker zeigt schließlich einen Eingangsreflexionsfaktor von –0,748 dB bei 4,0008 GHz.
  • Somit zeigt sich, dass der Eingangsreflexionsfaktor in dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz weniger als –13 dB beträgt, und dass der Eingangsreflexionsfaktor in dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz weniger als –9,4 dB beträgt.
  • Neben dem Eingangsreflexionsfaktor wurden auch die Strahlungscharakteristiken der Dualbandantenne vermessen. In dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz beträgt der Antennengewinn eines Prototypen einer Dualbandantenne zwischen 7,9 dBic und 8,3 dBic. Die Halbwertbreite beträgt hierbei 70°, und die Polarisationsentkopplung liegt zwischen 11 dB und 22 dB.
  • In dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz beträgt der Antennengewinn zwischen 5,9 dBic und 7,3 dBic. Die Halbwertsbreite beträgt 35°, die Polarisationsentkopplung zwischen 5 dB und 7 dB.
  • Die erforderlichen Anpassungseigenschaften und Strahlungseigenschaften können somit mit einer erfindungsgemäßen Dualbandantenne erzielt werden. Weiter ist festzuhalten, dass die Polarisationsreinheit für den oberen Frequenzbereich noch optimiert werden kann. Hierzu können beispielsweise geometrische Details verändert werden.
  • Beispielsweise kann eine resonante Gabelförmige Kreuzapertur verwendet werden. Für eine solche Apertur ergeben sich gemäß einer Simulation in dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz ein Antennengewinn bis zu 7,5 dBic, eine Halbwertsbreite von 70° und eine Polarisationsentkopplung bis zu 30 dB. In dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz kann gemäß einer Simulation ein Antennengewinn bis zu 7 dBic, eine Halbwertsbreite von 35° und eine Polarisationsentkopplung bis zu 17 dB erzielt werden.
  • Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass die vorliegende Erfindung eine planare zirkular polarisierte Antenne schafft, die in den ISM-Bändern von 2,40 GHz bis 2,48 GHz und 5,15 GHz bis 5,35 GHz benutzt werden kann. Die vorgeschlagene Form des Schlitzes für eine aperturgekoppelte Patchantenne ermöglicht die Abstrahlung fast rein zirkular polarisierter Wellen bei relativ großer Bandbreite des Reflexionskoeffizienten S11. Dies ist auch für multibandige Antennen möglich. Mit einer erfindungsgemäßen Antenne kann eine Funkverbindung erzielt werden, bei der die Stärke des von einer erfindungsgemäßen Antenne empfangenen Signals bei einer linearen Polarisation eines Senders unabhängig von der Einbaulage der Empfangsantenne ist. Mit anderen Worten, durch eine zirkular polarisierte Antenne kann ein linear polarisiertes Signal unabhängig von der Orientierung der Antenne empfangen werden.
  • Die erfindungsgemäße Antenne wurde in mehreren Schritten entwickelt. Eine erste Teilaufgabe bestand darin, eine aperturgekoppelte Antenne für einen Frequenzbereich von 2,40 bis 2,48 GHz mit rechtshändig zirkularer Polarisation (RHCP) zu entwickeln. Bei der Simulation wurde vor allem darauf geachtet, eine starke Unterdrückung der orthogonalen Polarisation innerhalb der erforderlichen Bandbreite zu erreichen. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei einer Speisung eines Patches über eine nicht-resonante Kreuzapertur die Kreuzpolarisation sehr stark unterdrückt wird. Allerdings ist bei einer solchen nicht-resonanten Kreuzapertur die Bandbreite des Reflexionskoeffizienten schmal. Eine resonante rechteckige Apertur (sog. SSFIP-Prinzip) weist eine größere Bandbreite auf, wobei aber die Polarisationsentkopplung schwächer ist. Schließlich hat sich eine früher unbekannte Kombination der beiden Schlitzgeometrien als vorteilhaft erwiesen, die hier als resonante Kreuzapertur bezeichnet wird. Eine entsprechende Antennengeometrie wurde in den 1, 3 und 5 gezeigt.
  • Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine gezeigte Geometrie der Apertur bzw. des Schlitzes auch den Aufbau zirkular polarisierter Dual- bzw. Multibandantennen ermöglicht. Dazu kann das im Folgenden beschriebene Konzept verwendet werden. Im Fall von zwei Bändern besteht die Antenne aus drei Platinen. Entsprechende Anordnungen sind beispielsweise in den 4 und 6 gezeigt. Auf der Unterseite der unteren Leiterplatte befindet sich eine Mikrostreifenleitung, deren Leistung über eine Apertur in der Massefläche erst auf einen kleines Patch (für das obere Frequenzband) und dann auf einen größeres Patch (für die beiden Frequenzbänder), bestehend aus zwei Patches, überkoppelt. Dabei kann der größere Patch als "zwei ineinanderliegende Patches mit Kurzschlüssen" interpretiert werden. Der innenliegende kleinere Patch ist bevorzugterweise genau so groß wie der untere Patch.
  • Durch eine solche Struktur bzw. ein solches Dualbandkonzept können eine Reihe von Problemen gelöst werden, die bei herkömmlichen Antennen auftreten.
  • Um eine möglichst große Bandbreite zu erzielen, müssen unabhängig voneinander zu betrachtende Strahler für beide Frequenzbereiche relativ dicke Substrate mit einer niedrigen Permittivität haben.
  • Allerdings führt die Vergrößerung der elektrischen Substratdicke herkömmlicherweise zur Entstehung von Oberflächenwellen höherer Ordnung, was sehr stark den Antennengewinn reduziert, wie im folgenden erläutert wird. Herkömmlicherweise können zwei Patche für verschiedene Frequenzbänder ineinander auf einem gemeinsamen Substrat liegen. Die Dicke des Substrats kann als Maximum von berechneten Substratdicken von getrennten Antennen, mit denen die getrennten Antennen die erforderliche Bandbreite aufweisen, bestimmt werden. Ist aber das höhere Frequenzband von dem niedrigeren Frequenzband ungefähr eine Oktave weit getrennt, und ist die minimale Substratdicke für den größeren Patch bei der Nutzung in dem oberen Frequenzbereich so dick, dass dies zu einem hohen Niveau von Oberflächenwellen höherer Ordnung führt, so reduzieren die Oberflächenwellen sehr stark den Antennengewinn für den oberen Frequenzbereich. Daher müssen die beiden Antennen für verschiedene Frequenzbereiche verschiedene Substratdicke haben. Die Antennen für verschiedene Frequenzbereiche müssen sich also in verschiedenen Ebenen befinden. Dies kann mit einer erfindungsgemäßen Antennengeometrie erreicht werden.
  • Eine herkömmliche Variante mit einem größeren Patch unten und einem kleineren Patch oben weist schlechte Polarisationseigenschaften auf, weil die Apertur mit dem größeren Patch abgeschirmt wird. Die Antenne für das obere Frequenz band muss folglich näher zur Masse liegen als die Antenne für das untere Frequenzband, was mit einer erfindungsgemäßen Geometrie erreicht werden kann.
  • Da die Antenne für das obere Frequenzband also näher zu der Massefläche liegen muss als die Antenne für das untere Frequenzband, ist eine starke Abschirmung des kleinen Strahlers für das obere Frequenzband durch den großen Strahler für das untere Frequenzband zu vermeiden. Dies kann erreicht werden, indem der Strahler für das untere Frequenzband durch zwei Strahlungselektroden gebildet wird, zwischen denen ein Spalt besteht.
  • Die Anpassung einer erfindungsgemäßen Antenne kann durch einen Transformator bzw. durch eine Stichleitung erfolgen.
  • Eine erfindungsgemäße Antenne hat gegenüber herkömmlichen Antennen eine Reihe von Vorteilen. Das vorgeschlagene Dualband-Konzept ermöglicht den Aufbau vollständig planarer, in einer Serienproduktion leicht herstellbarer und daher kostengünstiger Antennen. Es können gleichzeitig eine hohe Polarisatiosreinheit sowie eine große Impedanzbandbreite erzielt werden. Auch können planare zirkular polarisierte multibandige Antennen aufgebaut werden. Dabei wird der Flächenbedarf der gesamten Antenne lediglich durch die Größe des Antennenelements für die niedrigste Frequenz bestimmt. Im Vergleich zu breitbandigen Antennen bietet eine erfindungsgemäße Antenne weiterhin eine bessere Vorfilterung.

Claims (17)

  1. Planare Mehrbandantenne (400; 600) mit folgenden Merkmalen: einer Massefläche (110); einer ersten Strahlungselektrode (130), einer zweiten Strahlungselektrode (220) und einer dritten Strahlungselektrode (230); und einer Speiseeinrichtung (120, 140), die ausgelegt ist, um die erste Strahlungselektrode (130) zu speisen, wobei die erste Strahlungselektrode (130) zumindest teilweise zwischen der Massefläche (110) und der zweiten Strahlungselektrode (220) angeordnet ist und nicht über einen äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode (230) vorsteht; wobei die dritte Strahlungselektrode (230) einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode (220) vollständig umgebend mit einem Spalt (240) dazwischen angeordnet ist; wobei die dritte Strahlungselektrode auf der von der Masseelektrode abgewandten Seite der ersten Strahlungselektrode angeordnet ist; wobei eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode (220) sich um höchstens 30% von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode (130) unterscheidet; und wobei die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode im Wesentlichen parallel zu der Massefläche sind.
  2. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 1, bei der die dritte Strahlungselektrode (230) so ausgelegt ist, dass in einer Projektion der zweiten Strahlungselektrode (220) und der dritten Strahlungselektrode (230) entlang einer Richtung normal zu der zweiten Strahlungselektrode (220) in eine Bildebene ein Bild der dritten Strahlungselektrode (230) ein Bild der zweiten Strahlungselektrode (220) vollständig umschließt.
  3. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Strahlungselektrode (220) und die dritte Strahlungselektrode (230) in einer Ebene liegen, wobei die dritte Strahlungselektrode (230) die zweite Strahlungselektrode (220) in der Ebene vollständig umschließt.
  4. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode (230) und der zweiten Strahlungselektrode (220) kleiner ist als ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode (230) und der ersten Strahlungselektrode (130).
  5. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Strahlungselektrode (130), die zweite Strahlungselektrode (220), die dritte Strahlungselektrode (230) und die Speiseeinrichtung (120, 140) so ausgelegt sind, dass die planare Mehrbandantenne (400, 600) eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlen kann.
  6. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Speiseeinrichtung (120, 140) eine Apertur (120) in der Massefläche (110) und einen Wellenleiter (140) umfasst, wobei die erste Strahlungselektrode (130), die zweite Strahlungselekt rode (220) und die dritte Strahlungselektrode (230), beabstandet von der Massefläche (110), auf einer ersten Seite der Massefläche (110) angeordnet sind, und wobei der Wellenleiter (140) auf einer zweiten Seite der Massefläche (110) angeordnet ist; und wobei der Wellenleiter (140) und die erste Strahlungselektrode (130) so angeordnet sind, dass Energie von dem Wellenleiter (140) über die Apertur (120) zu der ersten Strahlungselektrode (130) gekoppelt werden kann, um die erste Strahlungselektrode (130) zu speisen.
  7. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 6, bei der der Wellenleiter (140) und die Apertur (120) ausgelegt sind, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen.
  8. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 7, bei der die Apertur (120) zumindest einen ersten Schlitz (150) und einen zweiten Schlitz (152) aufweist, die zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden.
  9. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste Strahlungselektrode (130) und die zweite Strahlungselektrode (220) eine gleiche Form aufweisen.
  10. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die dritte Strahlungselektrode (230) und die zweite Strahlungselektrode (220) über eine leitfähige Verbindung miteinander gekoppelt sind.
  11. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die dritte Strahlungselektrode (230) und die zweite Strahlungselektrode (220) über mindestens einen leitfähigen Verbindungssteg (250, 252, 254, 256) miteinander gekoppelt sind.
  12. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 11, bei der die dritte Strahlungselektrode (230) und die zweite Strahlungselektrode (220) über vier leitfähige Verbindungsstege miteinander verbunden sind.
  13. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der eine Ebene, in der die erste Strahlungselektrode (130) gelegen ist, mit der Massefläche (110) einen positiven Winkel von höchstens 20 Grad einschließt, bei der eine Ebene, in der die zweite Strahlungselektrode (220) gelegen ist, mit der Massefläche (110) einen positiven Winkel von höchstens 20 Grad einschließt, und bei der eine Ebene, in der die dritte Strahlungselektrode (230) gelegen ist, mit der Massefläche einen positiven Winkel von höchstens 20 Grad einschließt.
  14. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die so ausgelegt ist, dass eine Impedanzanpassung mit einem Stehwellenverhältnis von kleiner als 2 in zumindest zwei Frequenzbändern erzielt wird.
  15. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger Dieletrizitätskonstante, eine zweite dielektrische Schicht, eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine dritte dielektrische Schicht aufweist, wobei die erste dielektrische Schicht auf ihrer ersten Oberfläche den Wellenleiter (140) trägt und auf ihrer zweiten Oberfläche die Massefläche (110) trägt, wobei die zweite dielektrische Schicht auf einer Oberfläche die erste Strahlungselektrode (130) trägt; wobei die dritte dielektrische Schicht die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode trägt; wobei die erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei eine Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante geringer ist als eine Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht, wobei die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante geringer ist, als eine Dielektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Schicht, und wobei die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante niedriger ist als eine Dielektrizitätskonstante der dritten dielektrischen Schicht; und wobei eine Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante niedriger ist als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht, wobei die Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante niedriger ist als die Dielektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Schicht und wobei die Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante niedriger ist als die Dielektrizitätskonstante der dritten dielektrischen Schicht.
  16. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 15, wobei die erste, zweite oder dritte dielektrische Schicht aus FR4-Material besteht.
  17. Planare Mehrbandantenne (400; 600) gemäß Anspruch 15 oder 16, bei der die erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante oder die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Luftschicht ist.
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