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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine aperturgekoppelte
Antenne, im Speziellen auf eine aperturgekoppelte zirkular polarisierte
Planarantenne.
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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.
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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.
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Der
Empfang von mehreren verschiedenen drahtlosen Übertragungssystemen mit einer
einzigen breitbandigen Antenne ist problematisch, da breitbandige
Antennen herkömmlicherweise
nicht in einer kleinen 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.
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Zum
Empfangen mehrerer Frequenzbänder kann
eine Multielementantenne verwendet werden, die für jeden Frequenzbereich einen
eigenen Strahler besitzt. Die meisten bekannten Antennenkonzepte, die
für den
Empfang von zwei oder mehr Frequenzbändern geeignet sind (Dualbandkonzepte
bzw. Multi bandkonzepte), 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.
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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.
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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. Das
gleiche gilt auch für aperturgekoppelte
Patchantennen mit einem Kreuzschlitz, die in der am Fraunhofer Institut
für integrierte Schaltungen
in Erlangen von A. Popugaev im Jahr 2004 angefertigten Masterarbeit
mit dem Titel „Untersuchung
zirkular polarisierter Patchantenne mit Aperturkopplung" beschrieben sind.
Insgesamt lässt
sich festhalten, dass die Polarisationsreinheit bei bekannten breitbandigen
zirkular polarisierten Patchantennen mit nur einem Speisepunkt gering
ist. Auf der anderen Seite weisen Spiralantennen große Verluste auf.
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Ein Überblick über aperturgekoppelte
Mikrostreifenantennen findet sich in dem Artikel „A review of
aperture coupled microstrip antennas: history, operation, developement
and applications",
von D.M. Pozar, der im Mai 1996 an der University of Massachusetts
at Amherst veröffentlicht
wurde und der im Internet unter www.ecs.umass.edu/ece/pozar/aperture.pdf
verfügbar
ist. Weitere Informationen zum Thema Breitband-Patchantennen finden
sich auch in dem Buch „Broadband
Patch Antennas" von
J.-F. Zuercher, das im Jahr 1995 im Artech-House Verlag erschienen
ist.
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Zusammenfassend
kann festgehalten werden, dass sich im Stand der Technik keine technisch vorteilhafte
Bauform einer Antenne findet, die bei gutem Strahlungswirkungsgrad
und ausreichender Impedanzbandbreite eine Abstrahlung von zirkular
polarisierten Wellen mit hoher Unterdrückung einer orthogonalen Polarisation
ermöglicht.
Ferner ist keine technisch einfach und kostengünstig realisierbare Antennenbauform
bekannt, die bei gutem Wirkungsgrad und ausreichender Bandbreite
eine Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen
Welle in zwei verschiedenen Frequenzbändern ermöglicht.
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Es
ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aperturgekoppelte
Patchantenne zu schaffen, die die Abstrahlung einer zirkular polarisierten
elektromagnetischen Welle ermöglicht,
und die sowohl eine gute Unterdrückung
einer orthogonalen Polarisation aufweist als auch eine im Vergleich
zu herkömmlichen
Antennen große
Impedanzbandbreite aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine aperturgekoppelte Antenne mit
einer ersten Strahlungselektrode, einer Massefläche und einem Wellenleiter, der
ausgelegt ist, um der Antenne Energie zuzuführen. Der Wellenleiter ist
beabstandet von der Massefläche
auf einer ersten Seite der Massefläche angeordnet, und die Strahlungselektrode
ist, beabstandet von der Massefläche,
auf einer zweiten Seite der Massefläche angeordnet. Die Massefläche weist eine
Apertur auf, die einen ersten Schlitz in der Massefläche, einen
zweiten Schlitz in der Massefläche und
einen dritten Schlitz in der Massefläche umfasst, wobei der erste
Schlitz und der zweite Schlitz zusammen einen Schlitz von der Form
eines Kreuzes bilden, und wobei der dritte Schlitz durch einen Schnittpunkt
des ersten Schlitzes und des zweiten Schlitzes verläuft. Die
geometrische Form der Strahlungselektrode ist ausgelegt, um eine
Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle
zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck weist die Strahlungselektrode bevorzugt eine gestörte Geometrie
auf. Beispielsweise kann die Strahlungselektrode fast quadratisch
mit leicht unterschiedlichen Abmessungen bzw. Kantenlängen sein.
Ebenso kann die Strahlungselektrode rechteckig bzw. fast quadratisch
sein, wobei mindestens eine Ecke abgeschrägt ist. Schließlich kann
die Strahlungselektrode auch Schlitze aufweisen, die ausgelegt sind,
um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle zu ermöglichen.
Es ist jedoch auch jede andere Geometrie der Strahlungselektrode
möglich,
solange diese eine zirkulare Polarisation ermöglicht. Ferner sind bei einer
erfindungsgemäßen Antenne
der Wellenleiter und die Strahlungselektrode so angeordnet, dass
Energie von dem Wellenleiter über
die Apertur zu der Strahlungselektrode gekoppelt werden kann.
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Es
ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass es möglich ist,
eine aperturgekoppelte Antenne mit besonders vorteilhaften Eigenschaften zu
schaffen, indem Energie von einem Wellenleiter durch eine Apertur
zu einer Strahlungselektrode gekoppelt wird, wobei die Apertur eine
Kombination von drei Schlitzen aufweist. Hierbei kann in Verbindung mit
einer geeignet ausgelegten Strahlungselektrode eine Zirkularität einer
abgestrahlten elektromagnetischen Welle verbessert werden (d.h.
eine Unterdrückung
einer unerwünschten
orthogonalen Polarisation bei der Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle
verbessert werden), indem zwei der Schlitze, die die Apertur bilden,
zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden. Die Strahlungselektrode
ist hierbei so auszulegen, dass sie die Abstrahlung einer zirkular
polarisierten Welle ermöglich.
Beispielsweise kann die Strahlungselektrode eine rechteckige oder
quadratische Form aufweisen, wobei mindestens eine der Ecken abgeschrägt ist.
Auch eine fast quadratische Strahlungselektrode mit leicht unterschiedlichen
Abmessungen bzw. Kantenlängen kann
verwendet werden. Ferner kann die Strahlungselektrode einen oder
mehrere Schlitze aufweisen, die bevorzugt in der Mitte der Strahlungselektrode
angeordnet sind. Neben den genannten Ausführungsformen ist jedoch jede
Art einer Strahlungselektrode verwendbar, die die Abstrahlung einer
zirkular polarisierten Welle ermöglicht.
Zusätzlich
kann die Impedanzbandbreite der erfindungsgemäßen Antenne vergrößert werden,
indem ein dritter Schlitz vorgesehen wird, der durch einen Schnittpunkt
verläuft,
in dem der erste und der zweite Schlitz das Zentrum eines Kreuzes
bilden, in dem sich der erste und der zweite Schlitz schneiden bzw. überlappen.
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Durch
die Einführung
eines dritten Schlitzes wurde hierbei ein neuer Freiheitsgrad beim
Entwurf geschaffen, der es ermöglicht,
die Antenne so zu entwerfen, dass eine möglichst große Impedanzbandbreite erreicht
werden kann. Unter Impedanzbandbreite ist hierbei eine Bandbreite
zu verstehen, innerhalb derer die Anpassung der Antenne so gut ist, dass
ein vorgegebenes Stehwellenverhältnis
(SWR) nicht überschritten
wird.
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Es
ist hierbei besonders erstaunlich, dass die Einführung eines dritten Schlitzes
die Polarisationseigenschaften der aperturgekoppelten Antenne nicht wesentlich
verschlechtert. Gemäß den aus
dem Stand der Technik bekannten Ergebnissen wäre zu nämlich zu erwarten, dass eine
zirkulare Polarisation, die aufgrund des Vorhandenseins zweier Schlitze, die
zusammen von der Form her ein Kreuz bilden, angeregt wird, durch
das Hinzufügen
eines weiteren Schlitzes stark beein trächtigt wird, sodass die dazu orthogonale
Polarisation stark zunimmt. Anders als aus der Kenntnis des Stands
der Technik zu erwarten hat sich aber gezeigt, dass selbst bei Verwendung von
drei Schlitzen eine sehr hohe Unterdrückung einer unerwünschten
Polarisation erzielt werden kann. Dies ist um so mehr überraschend,
als gemäß herkömmlicher
Vorstellung zwei zueinander orthogonale Moden mit geeigneter Phasenverschiebung
angeregt werden müssen,
um eine zirkulare Polarisation mit einem geringen Anteil einer dazu
orthogonalen Polarisation zu erzielen. Es ist somit für den Fachmann überraschend,
dass bei Vorhandensein von drei Schlitzen, die eine Apertur bilden,
aber selbstverständlich
nicht alle zueinander orthogonal sein können, dennoch eine zirkulare
Polarisation mit einem geringen Anteil einer dazu orthogonalen Polarisation erzielt
werden kann.
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Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass eine
Planarantenne geschaffen wird, die eine zirkulare Polarisation aufweist,
eine gute Unterdrückung
einer dazu orthogonalen Polarisation bietet und gleichzeitig eine
große
Impedanzbandbreite aufweist. Ferner kann die erfindungsgemäße Antenne
vollständig
planar aufgebaut werden, was in einer im Vergleich mit herkömmlichen
Antennen geringen Bauform sowie geringeren Kosten resultiert. Der
Aufbau der Antenne kann mit herkömmlichen
Techniken erfolgen, wobei lediglich elektrisch leitfähige Schichten,
die eine Strahlungselektrode und eine Massefläche bilden, hergestellt werden müssen. Diese
leitfähigen
Strukturen können
beispielsweise auf dielektrischen Trägermaterialien angeordnet sein,
wobei sich eine Strukturierung von Metallisierungen mit Hilfe von
herkömmlichen Ätztechnologien
anbietet. Die Zuführung
von Energie zu der Antenne kann mit jeder Wellenleiterstruktur erfolgen,
die in der Lage ist, elektromagnetische Energie durch die Apertur
zu der Strahlungselektrode zu koppeln. Somit ist eine sehr flexible
Speisung der erfindungsgemäßen Antenne
möglich.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur besteht darin,
dass Zweiband (Dualband) und Mehrband (Multiband)-Konzepte imp lementiert
werden können, wobei
eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle in mehreren
Frequenzbändern
erzeugt werden kann, und wobei die Gesamtgröße die Größe der Antennenstruktur, die
für die
niedrigste Arbeitsfrequenz benötigt
wird, nicht übersteigt.
Dies wird dadurch ermöglicht,
dass die elektromagnetische Energie von der Rückseite der Antenne her über eine
Apertur eingekoppelt wird. Die Größe der Strahlungselektrode wird
dabei von der Arbeitsfrequenz bestimmt. Speisestrukturen und andere
aktive und passive Elemente (z. B. Verstärker, Phasenschieber oder Mischer) können hinter
der aperturgekoppelten Antenne angeordnet werden und vergrößern den
Flächenbedarf der
Gesamtanordnung nicht. Weiterhin ist festzuhalten, dass es die erfindungsgemäße Antennenstruktur ermöglicht,
Verluste dadurch gering zu halten, dass dielektrische Materialien
nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden. Es ist ausreichend,
die Strahlungselektrode, die Massefläche und gegebenenfalls den
Wellenleiter mit dielektrischen Trägermaterialien mechanisch zu
stützen.
Weiterhin treten bei einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur keine
sehr langen und schmalen Leiterstrukturen auf, wie sie beispielsweise
bei Spiralantennen üblich
sind. Auch dadurch werden die Verluste einer erfindungsgemäßen Antenne
reduziert.
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Zur
Klarheit sei hier im übrigen
darauf hingewiesen, dass es sich bei der Strahlungselektrode bevorzugterweise
um eine flächige
Struktur handelt, wie dies bei aperturgekoppelten Antennen üblich ist. Eine
solche Strahlungselektrode wird in der einschlägigen Fachliteratur typischerweise
als „Patch" bezeichnet. Die
Gesamtstruktur der erfindungsgemäßen aperturgekoppelten
Antenne stellt somit einen Spezialfall einer Patch-Antenne dar.
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Im übrigen sei
darauf hingewiesen, dass bei aperturgekoppelten Antennen die Massefläche bevorzugterweise
parallel oder in etwa parallel zu der Strahlungselektrode ist, wobei
eine Abweichung von einer Parallelität bis zu ca. 20 Grad auftreten
kann. Ferner wird darauf hingewiesen, dass eine aperturgekoppelte
Antenne bevorzugt als Planarantenne aufgebaut wird, wobei sowohl
die Strahlungselektrode als auch die Massefläche eben sind. In ähnlicher Weise
ist der Wellenleiter bevorzugterweise eben. Auch eine Wölbung der
Strahlungselektrode und der Massefläche ist allerdings möglich.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der dritte Schlitz länger als der erste Schlitz
und ebenso länger
als der zweite Schlitz. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Bandbreite
der Antenne durch einen dritten Schlitz, der länger ist als der erste und
zweite Schlitz, erhöht werden
kann. Dies ist verständlich,
da der dritte Schlitz dann besonders wirksam die Bandbreite der Antenne
verbessern kann, wenn er die elektromagnetische Feldverteilung möglichst
stark beeinflusst, ohne eine Verschlechterung der Trennung von zueinander
orthogonalen Polarisationen zu bewirken.
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Es
wird weiterhin bevorzugt, dass der erste Schlitz und der zweite
Schlitz orthogonal zueinander sind und zusammen einen Schlitz von
der Form eines rechtwinkligen Kreuzes mit gleich langen Armen bilden.
In diesem Fall sind also die Längen
der beiden Schlitze gleich, und die Schlitze sind so angeordnet, dass
sie sich in der Mitte orthogonal schneiden. Eine orthogonale Anordnung
des ersten und zweiten Schlitzes ist besonders vorteilhaft, da dadurch
eine optimale Anregung einer zirkularen Polarisation erreicht werden
kann. Eine orthogonale Anordnung der Schlitze führt somit dazu, dass durch
den ersten und den zweiten Schlitz nur entweder eine rechtsdrehend oder
eine linksdrehend zirkular polarisierte Welle angeregt wird. Um
eine optimal reine Polarisation zu erzeugen kann allerdings der
spitze Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Schlitz zwischen
70° und
90° variiert
werden. Somit ist eine Optimierung der Antennenstruktur in Anwesenheit
des dritten Schlitzes möglich.
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Weiterhin
wird es bevorzugt, dass der Mittelpunkt des dritten Schlitzes mit
einem Mittelpunkt des von dem ersten und dem zweiten Schlitz gebildeten kreuzförmigen Schlitzes
zusammenfällt.
In anderen Worten, der erste, zweite und dritte Schlitz schneiden sich
in einem gemeinsamen Raumgebiet. Es gibt somit nur ein Gebiet in
dem Zentrum der Apertur, in dem sich die drei Schlitze schneiden.
Die drei Schlitze bilden somit die Form eines Sterns. Im übrigen wird
durch die beschriebene Anordnung in vorteilhafter Weise erreicht,
dass der dritte Schlitz symmetrisch angeordnet ist, in dem Sinne,
dass die Länge des
dritten Schlitzes auf beiden Seiten des Schnittpunktes mit dem ersten
und dem zweiten Schlitz gleich ist. Dadurch wird verhindert, dass
Asymmetrien in der Abstrahlung der erfindungsgemäßen Antenne entstehen.
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Weiterhin
wird eine hoch symmetrische Anordnung bevorzugt, bei der ein geometrischer
Mittelpunkt des ersten Schlitzes, ein geometrischer Mittelpunkt
des zweiten Schlitzes und ein geometrischer Mittelpunkt des dritten
Schlitzes zusammenfallen, und bei der die Apertur achsensymmetrisch
bezüglich
einer Achse des dritten Schlitzes ist. Die Achse des dritten Schlitzes
ist hierbei entlang einer größten Abmessung
des dritten Schlitzes definiert. Bei dem rechteckigen dritten Schlitz
sei die Achse als eine Mittellinie des Rechtecks definiert, die
parallel zu den beiden längeren
Kanten des Rechtecks verläuft.
Eine derartige Geometrie erlaubt eine sehr hohe Symmetrie, die sich
in dem Abstrahlungsverhalten der Antenne, insbesondere in der Reinheit
der Polarisation widerspiegelt.
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Ferner
wird es bevorzugt, dass der dritte Schlitz orthogonal zu der Speiseleitung
verläuft.
Diese Anordnung führt
zu einer weiteren Erhöhung
der Symmetrie, wodurch wiederum die Abstrahlungseigenschaften und
die Polarisationsreinheit verbessert werden können.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind der erste Schlitz und der zweite Schlitz so ausgelegt, dass
der erste Schlitz und der zweite Schlitz in einem Betriebsfrequenzbereich,
für den
die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, nicht bei einer Resonanz
betrieben werden. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete
Wahl der Länge
des ersten und des zweiten Schlitzes erreicht werden. Zur Vermeidung
eines Resonanzverhaltens des ersten und zweiten Schlitzes werden
diese bevorzugt kürzer
als eine vorbestimmte Länge
ausgelegt, wobei die vorbestimmte Länge in der Größenordnung
einer halben Freiraumwellenlänge
bei einer Betriebsfrequenz ist. Eine solche Maßnahme ist vorteilhaft, da
der erste Schlitz und der zweite Schlitz im Wesentlichen dazu dienen,
die Anregung der Strahlungselektrode in einer solchen Weise zu ermöglichen,
dass eine abgestrahlte Welle eine zirkulare Polarisation aufweist.
Daher ist es nicht wünschenswert,
dass der erste und der zweite Schlitz nahe bei der Resonanz betrieben
werden. Eine Resonanz, die in dem ersten und dem zweiten Schlitz
auftreten würde,
würde nämlich steile
Veränderungen
der Phase mit sich bringen, wodurch sich die Polarisation über der
Frequenz stark verändern
würde.
Im übrigen
führt eine
Resonanz des ersten und des zweiten Schlitzes auch dazu, dass eine
starke Abstrahlung nach hinten, d. h. von der Massefläche aus
in die Richtung, in der die Speiseleitung liegt, erfolgt. Dies ist
zu vermeiden.
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Weiterhin
wird es bevorzugt, dass der dritte Schlitz so ausgelegt ist, dass
eine Betriebsfrequenz, für
die die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, um höchstens
30% von einer Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes abweicht. Es
wird also gefordert, dass die Resonanzfrequenz des Schlitzes sich höchstens
um 30% von einer zulässigen
Betriebsfrequenz unterscheidet. Somit wird der dritte Schlitz bei mindestens
einer Betriebsfrequenz, für
die die Antenne ausgelegt ist, in der Nähe der Resonanz betrieben.
Gerade ein resonanzartiges Verhalten des dritten Schlitzes führt aber
dazu, dass sich die Impedanzbandbreite der erfindungs gemäßen Antenne verbessert.
Wenn der dritte Schlitz in Resonanz betrieben wird, ist nämlich eine
große
elektromagnetische Energie in dem Raumgebiet, das den dritten Schlitz
umgibt, gespeichert, wodurch ein Energiereservoir entsteht, durch
das reaktive Impedanzanteile der Eingangsimpedanz der erfindungsgemäßen Antenne
kompensiert werden können.
Daher liefert ein Betrieb des dritten Schlitzes in der Nähe seiner
Resonanz eine verbesserte Impedanzanpassung der gesamten erfindungsgemäßen aperturgekoppelten Antennenstruktur.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der dritte Schlitz so ausgelegt, dass eine Resonanzfrequenz
des dritten Schlitzes innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs liegt,
für die aperturgekoppelte
Antenne ausgelegt ist. Bei einer derartigen Auslegung kann eine
maximale Verbesserung der Bandbreite der erfindungsgemäßen Antenne
erzielt werden. Bei der Resonanzfrequenz speichert das Gebiet um
den dritten Schlitz eine maximale elektromagnetische Energie und
kann somit einen maximalen Einfluss auf die Impedanz erzielen.
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Weiterhin
wird es bevorzugt, dass der Wellenleiter, über den die Antenne gespeist
wird, eine Mikrostreifenleitung, ein koplanarer Wellenleiter, eine Streifenleitung,
ein dielektrischer Wellenleiter oder ein Hohlraumwellenleiter ist.
Eine Mikrostreifenleitung ist hierbei besonders vorteilhaft, da
diese einfach zu realisieren und gut mit aktiven Schaltungen kombinierbar
ist. Ein koplanarer Wellenleiter bietet den Vorteil, dass zur Koppelung
mit einem Bezugspotenzial keine Durchkontaktierung (Vias) nötig sind.
Eine Streifenleitung, die vollständig
in ein Dielektrikum eingebettet ist, bietet ein besonders vorteilhaftes
Dispersionsverhalten. Die Verwendung eines dielektrischen Wellenleiters
empfiehlt sich beispielsweise bei sehr hohen Frequenzen, da bei
einem dielektrischen Wellenleiter metallische Verluste vermieden
werden. Auch ein Hohlraumwellenleiter kann als verlustarme Speiseleitung
dienen.
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Bevorzugterweise
sind die Apertur und die Strahlungselektrode so ausgelegt, dass
die aperturgekoppelte Antenne, von parasitären Effekten abgesehen, eine
zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlt. Hinsichtlich
der Auslegung der Strahlungselektrode wird es dabei bevorzugt, einen
rechteckförmigen
Patch zu verwenden. Eine besonders gute zirkulare Abstrahlung ergibt
sich, wenn der Patch nahezu quadratisch ist, sich also die Längen der
längeren
und der kürzeren
Seite um maximal 20% unterscheiden. Im übrigen ist es vorteilhaft, Ecken
des rechteckförmigen
bzw. nahezu quadratischen Patches abzuschneiden, da dadurch die
Polarisation festgelegt werden kann. Es wird ein geeigneter Modus
angeregt, der die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen
Welle ermöglicht.
Hierbei wird es bevorzugt, zwei gegenüberliegende Ecken abzuschneiden.
Die Reinheit der Polarisation kann durch die Veränderung von geometrischen Details
der Schlitz-Apertur beeinflusst werden, wobei die prinzipielle Gestalt
der Apertur, die drei Schlitze aufweist, beibehalten wird.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst die erfindungsgemäße Antenne
ferner eine zweite planare Strahlungselektrode und eine dritte planare
Strahlungselektrode. Die zweite planare Strahlungselektrode ist
im Wesentlichen parallel zu der ersten Strahlungselektrode angeordnet,
wobei die erste Strahlungselektrode zwischen der zweiten Strahlungselektrode
und der Massefläche
gelegen ist. Eine im Wesentlichen parallele Anordnung bedeutet hierbei,
dass eine maximale Verkippung zwischen der zweiten planaren Strahlungselektrode
und der ersten Strahlungselektrode 20 Grad nicht überschreitet.
Die geometrische Anordnung ist derart, dass in einer Reihenfolge
von unten nach oben erst der Wellenleiter, dann die Massefläche, dann
die erste Strahlungselektrode und dann die zweite Strahlungselektrode
angeordnet sind. Die erste Strahlungselektrode liegt somit in der
Reihenfolge der Schichten zwischen der zweiten Strahlungselektrode
und der Massefläche.
Der Ausdruck „zwischen" stellt hierbei allerdings
keine Ein schränkung
für die
Größe der Elektroden
dar. Für
planare Elektroden ist die räumliche
Anordnung so zu verstehen, dass eine Ebene, in der die erste Strahlungselektrode
liegt, zwischen einer Ebene, in der die zweite Strahlungselektrode
liegt, und eine Eben, in der die Massefläche liegt, angeordnet ist.
Sollten die Elektroden nicht vollständig eben sein, so ist die
entsprechende Definition sinngemäß anzuwenden,
wobei an die Stelle der Ebenen hinreichend glatte Flächen treten,
in denen die jeweiligen Elektroden gelegen sind.
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Ferner
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die dritte Strahlungselektrode so angeordnet,
dass in einer Projektion entlang einer Achse normal zu der zweiten Strahlungselektrode
die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode umschließt. Eine
entsprechende Definition ist sinngemäß auf Fälle übertragbar, in denen die zweite
und die dritte Strahlungselektrode nicht vollständig eben sind sondern eine leichte
Krümmung
aufweisen. Definiert sei hiermit, dass in einer Draufsicht, bei
der die Blickrichtung einer mittleren Flächennormale der zweiten Strahlungselektrode
entspricht, die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode
umschließt.
Eine solche Anordnung, die also eine erste Strahlungselektrode sowie
eine zweite und eine dritte Strahlungselektrode aufweist, ist geeignet,
um einen Mehrbandbetrieb der erfindungsgemäßen Antenne zu ermöglichen.
Bei sehr hohen Frequenzen wirkt die erste Strahlungselektrode als
wesentliches abstrahlendes Element. Die dritte Strahlungselektrode
umschließt zwar
die zweite Strahlungselektrode, es besteht jedoch ein Schlitz bzw.
Spalt zwischen den beiden, durch den eine Abstrahlung ausgehend
von der ersten Strahlungselektrode erfolgen kann. Zum besseren Verständnis sei
hierbei noch einmal darauf hingewiesen, dass die zweite Strahlungselektrode
und die dritte Strahlungselektrode zusammen typischerweise größer als
die erste Strahlungselektrode sind und in Richtung der Hauptabstrahlung
vor der ersten Strahlungselektrode liegen. Daher wird es durch eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei der eine zweite Strahlungselektrode und eine dritte Strahlungselektrode getrennt
sind, ermöglicht,
dass trotz des Vorhandenseins einer zweiten oder dritten Strahlungselektrode
die erste Strahlungselektrode noch effektiv abstrahlen kann.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
liegen die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode
in einer Ebene, wobei wiederum die dritte Strahlungselektrode die zweite
Strahlungselektrode umschließt.
Diese Anordnung ermöglicht
eine besonders vorteilhafte gemeinsame Herstellung der zweiten und
der dritten Strahlungselektrode, die beispielsweise von einem gemeinsamen
Substrat getragen werden können.
Im übrigen
können
somit die zweite und die dritte Strahlungselektrode stark miteinander
wechselwirken, wodurch sich effektiv eine Strahlungselektrode ausbildet,
die näherungsweise
die Größe der dritten
Strahlungselektrode aufweist.
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Bevorzugterweise
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 Einkopplung von Energie in die Antenne.
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Die
erfindungsgemäße Antenne
kann bevorzugterweise in mehreren Schichten aufgebaut sein. Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die erfindungsgemäße Antenne
eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger
Dielektrizitätskonstante
sowie eine zweite dielektrische Schicht auf. Die erste dielektrische
Schicht trägt
auf ihrer ersten Oberfläche
den Wellenleiter und auf ihrer zweiten Oberfläche die Massefläche. Die
zweite dielektrische Schicht trägt
auf einer Seite die erste Strahlungselektrode. Die Schicht mit niedriger
Dielektrizi tätskonstante
ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen
Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
ist geringer als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen
Schicht und niedriger als die Dielektrizitätskonstante der zweiten 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.
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Eine
Mehrbandstruktur kann bevorzugterweise erreicht werden, indem ferner
eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine dritte
dielektrische Schicht eingeführt
werden. Die dritte dielektrische Schicht trägt hierbei die zweite Strahlungselektrode
und die dritte Strahlungselektrode. 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 Dielektrizitätskonstanten
der ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schichten.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein
Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
4 ein
Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11
für einen
Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
grafische Darstellung des Verlaufs der Polarisationsentkopplung
für einen
Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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9 eine
grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11
für einen
Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne
gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
ein Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit
mit 100 bezeichnet. Die Antennenstruktur 100 umfasst
eine Massefläche 110,
die eine Apertur 120 aufweist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Antennenstruktur eine
Strahlungselektrode 130, die oberhalb der Massefläche 110 angeordnet
ist. Eine Speiseleitung 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.
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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 rechteckige 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.
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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.
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Die
Funktionsweise der vorliegenden Antennenstruktur kann einfach beschrieben
werden. Die Apertur 120 bildet eine erfindungsgemäße 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 e lektromagnetischen 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 erfindungsgemäßen 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.
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Die
gezeigte Geometrie kann in einem weiten Bereich verändert werden,
ohne von dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. 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 erfindungsgemäßen 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.
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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
Ecken 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.
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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.
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Ferner
wird darauf hingewiesen, dass die 1 nur eine
schematische Darstellung der grundlegenden Struktur einer erfindungsgemäßen 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.
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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 erfindungsgemäßen Antennenstruktur.
Im übrigen
ist eine Mikrostreifenleitung auch besonders gut mit aktiven und
passiven Schaltungsstrukturen kombinierbar.
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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 erfindungsgemäßen Antenne
und ermögliche
eine kostengünstige
Herstellung.
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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.
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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%.
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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 Kurzschlüssel 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 Strahlungselektrode 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 zweck mäßig, 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.
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Die
erfindungsgemäße Struktur
umfasst somit effektiv zwei strahlungsfähige Strukturen, nämlich einen
so genannten unteren Patch, der von der ersten Strahlungselektrode 130 gebildet
wird, und der insbesondere bei höheren
Frequenzen wirksam ist, und einen oberen, größeren Patch, der durch die zweite
Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Strahlungs elektrode 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.
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Ferner
wird durch die erfindungsgemäße Geometrie,
bei der der größere Patch
aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich aus der zweiten Strahlungselektrode 220 und
der dritten 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.
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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.
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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.
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3 zeigt
ein Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 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.
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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.
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Die 4 zeigt
ein Schrägbild
einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß einem
vierten 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 zeigt
eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist hierbei eine aufgebaute
Monobandantenne, die für
den Frequenz bereich 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.
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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.
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6 zeigt
eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur
gemäß dem vierten
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.
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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 30. 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.
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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.
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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.
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7 zeigt
eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten
S11 für
einen Prototypen 500 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung ist in ihrer
Gesamtheit mit 700 bezeichnet. Der Eingangsreflexionsfaktor
S11 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.
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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 511. 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.
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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.
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8 zeigt
eine graphische Darstellung der Polarisationsentkopplung für einen
Prototypen 500 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 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 ausreichenden Anpassungsfaktor um mehr als 15,5 dB unterdrückt.
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9 zeigt
eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten
S11 für
einen Prototypen 600 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem vierten
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.
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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.
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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
8,9 dBic und 9,3 dBic. Die Halbwertbreite beträgt hierbei 70°, und die
Polarisationsentkopplung liegt zwischen 11 dB und 22 dB.
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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.
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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.
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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 insbesondere 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.
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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.
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Weiterhin
hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße 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 das untere
Frequenzband), bestehend aus zwei Patches, überkoppelt. Dabei kann der
größere Patch
als "ineinanderliegende
Patches mit Kurzschlüssen" interpretiert werden.
Der innenliegende kleinere Patch ist bevorzugterweise genau so groß wie der
untere Patch.
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Durch
eine solche Struktur bzw. ein solches Dualbandkonzept können eine
Reihe von Problemen gelöst
werden, die bei herkömmlichen
Antennen auftreten. So führt
die Vergrößerung der
elektrischen Substratdicke herkömmlicherweise
zur Entstehung von Oberflächenwellen
höherer
Ordnung, was sehr stark den Antennengewinn reduziert. Daher müssen die
beiden Antennen für
verschiedene Frequenzbereiche verschiedene Substratdicke haben.
Die Antennen müssen
sich also in verschiedenen Ebenen befinden. Dies kann mit einer
erfindungsgemäßen Antennengeometrie
erreicht werden.
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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 Frequenzband muss folglich näher zur Masse liegen als die
Antenne für das
untere Frequenzband, was mit einer erfindungsgemäßen Geometrie erreicht werden
kann.
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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.
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Die
Anpassung einer erfindungsgemäßen Antenne
kann durch einen Transformator bzw. durch eine Stichleitung erfolgen.
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Eine
erfindungsgemäße Antenne
hat gegenüber
herkömmlichen
Antennen eine Reihe von Vorteilen. Die Speisung einer Antenne über einen
resonanten Kreuzschlitz ermöglicht
den Aufbau vollständig
planarer relativ kleiner und 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.