DE102005010895B4 - Aperturgekoppelte Antenne - Google Patents

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Abstract

Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) mit folgenden Merkmalen:
einer ersten flächigen Strahlungselektrode (130), deren geometrische Form ausgelegt ist, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen;
einer Massefläche (110); und einem Wellenleiter (140), der ausgelegt ist, um der Antenne Energie zuzuführen,
wobei der Wellenleiter (140), beabstandet von der Massefläche (110), auf einer ersten Seite der Massefläche (110) angeordnet ist, und wobei die erste Strahlungselektrode (130), beabstandet von der Massefläche (110), auf einer zweiten Seite der Massefläche (110) angeordnet ist;
wobei die Massefläche (110) eine Apertur (120) aufweist, die einen ersten Schlitz (150) in der Massefläche (110), einen zweiten Schlitz (152) in der Massefläche (110) und einen dritten Schlitz (154) in der Massefläche (110) umfasst, wobei der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152) zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden, wobei der dritte Schlitz (154) durch einen Schnittpunkt des...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine aperturgekoppelte Antenne, im Speziellen auf eine aperturgekoppelte zirkular polarisierte Planarantenne.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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. 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.
  • 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.
  • Die EP 1 006 608 B1 beschreib eine mehrlagige Antennenanordnung. Die mehrlagige Antennenanordnung umfasst wenigstens ein in einer ersten leitfähigen Schicht ausgebildetes Patchelement von rechteckiger Form mit in einer ersten sowie in einer dazu orthogonalen, zweiten Richtung verlaufenden äußeren Begrenzung. Dem Patchelement sind in einer zweiten leitfähigen Schicht ein erstes Anregungselement und in einer dritten leitfähigen Schicht ein zweites Anregungselement zugeordnet. Das erste Anregungselement umfasst eine in der erste Richtung orientierte erste Speiseleitung, und das zweite Anregungselement umfasst eine in der zweiten Richtung orientierte zweite Speiseleitung. Jede Speiseleitung ist zum zugehörigen Patchelement ausgerichtet und mit diesem elektromagnetisch gekoppelt. Die erste und die zweite Speiseleitung sind jeweils zu einer Mittellinie eines zugehörigen rechteckigen Patchelements ausgerichtet. Die zweite und die dritte leitfähige Schicht sind hinter der ersten leitfähigen Schicht angeordnet. Die erste, die zweite und die dritte leitfähige Schicht sind ferner vor einer vierten, unstrukturierten leitfähigen Schicht angeordnet, wobei die vierte leitfähige Schicht eine Masseplatte bildet. Die erste leitfähige Schicht umfasst in dem wenigstens einem Patchelement eine Mehrzahl von entlang der ersten Richtung und entlang der zweiten Richtung matrixartig angeordneten Ausnehmungen. Hinter der zweiten und vor der dritten leitfähigen Schicht ist ferner eine fünfte leitfähige Schicht angeordnet, welche in Zuordnung zu jedem des wenigstens einen Patchelements eine im wesentlichen kongruent hinter der ersten Speiseleitung und vor der zweiten Speiseleitung angeordnete Kreuzschlitzöffnung aufweist.
  • Die US 5,633,645 zeigt eine laminare Patchantenne. Die Patchantenne umfasst ein Masseflächenelement mit einer kreuzförmigen Apertur, die zwischen zwei dielektrischen Schichten eingebettet ist. Ein Patch-Strahler ist auf der ersten dielektrischen Schicht angeordnet, und eine Übertragungsleitungsschaltung ist auf der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Übertragungsleitungsschaltung weist lineare Leiter auf, die über zugehörigen Sektoren zwischen den Schlitzen der Apertur liegen. Die Leiter stellen eine Speiseleitung dar. Die Speisestruktur umfasst ferner Stubs, die entgegengesetzte Sektoren des Kreuzes überlappen.
  • Die EP 0 939 975 B1 beschreibt eine flache Antenne. Die Antenne umfasst strahlende Patche, die auf einer ersten Schicht angeordnet sind. Eine zweite Schicht umfasst orthogonale Schlitze. Die Antennenstruktur umfasst ferner Speiseelemente, die in der Nähe der orthogonalen Schlitze angeordnet sind.
  • Die US2004/0239567 A1 beschreibt eine gedruckte Antenne, die durch einen Patch gespeist wird. Die gedruckte Antenne umfasst zumindest eine Masseöffnung. Die strahlende Öffnung ist angeordnet, um in einen Raum oberhalb der Masseebene zu strahlen. Ein leitfähiger Speise-Patch ist unterhalb der strahlenden Öffnung angeordnet und durch eine dielektrische Schicht derart isoliert, dass der Patch mit der strahlenden Öffnung gekoppelt ist, um die strahlende Öffnung ohne die Anregung von parasitärer Strahlung zu speisen.
  • 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.
    •
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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;
  • 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;
  • 5 eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten 511 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Polarisationsentkopplung für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 8,9 dBic und 9,3 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.
  • 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 511. 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. 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.

Claims (18)

  1. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) mit folgenden Merkmalen: einer ersten flächigen Strahlungselektrode (130), deren geometrische Form ausgelegt ist, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen; einer Massefläche (110); und einem Wellenleiter (140), der ausgelegt ist, um der Antenne Energie zuzuführen, wobei der Wellenleiter (140), beabstandet von der Massefläche (110), auf einer ersten Seite der Massefläche (110) angeordnet ist, und wobei die erste Strahlungselektrode (130), beabstandet von der Massefläche (110), auf einer zweiten Seite der Massefläche (110) angeordnet ist; wobei die Massefläche (110) eine Apertur (120) aufweist, die einen ersten Schlitz (150) in der Massefläche (110), einen zweiten Schlitz (152) in der Massefläche (110) und einen dritten Schlitz (154) in der Massefläche (110) umfasst, wobei der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152) zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden, wobei der dritte Schlitz (154) durch einen Schnittpunkt des ersten Schlitzes (150) und des zweiten Schlitzes (152) verläuft; 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; wobei der dritte Schlitz (154) so ausgelegt ist, dass eine Betriebsfrequenz, für die die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, um höchstens 30% von einer Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes (154) abweicht; und wobei sich die Länge des ersten Schlitzes (150) und die Länge des zweiten Schlitzes (152) von der Länge des dritten Schlitzes (154) unterscheiden, um zu ermöglichen, dass der dritte Schlitz (154) bei der Betriebsfrequenz näher an seiner Resonanz betrieben wird als der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152).
  2. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß Anspruch 1, bei dem der dritte Schlitz (154) länger ist als der erste Schlitz (150), und bei der der dritte Schlitz (154) länger ist als der zweite Schlitz (152).
  3. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152) orthogonal zueinander sind und zusammen einen Schlitz von der Form eines rechtwinkligen Kreuzes mit gleichlangen Armen bilden.
  4. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Mittelpunkt des dritten Schlitzes (154) mit einem Mittelpunkt des von dem ersten Schlitz (150) und dem zweiten Schlitz (152) gebildeten kreuzförmigen Schlitzes zusammenfällt.
  5. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein geometrischer Mittelpunkt des ersten Schlitzes (150), ein geometrischer Mittelpunkt des zweiten Schlitzes (152) und ein geometrischer Mittelpunkt des dritten und ein geometrischer Mittelpunkt des dritten Schlitzes (154) zusammenfallen, und bei der die Apertur (120) achsensymmetrisch bezüglich einer Achse (158) des dritten Schlitzes (154) ist, wobei die Achse (158) des dritten Schlitzes (154) entlang einer größten Abmessung des dritten Schlitzes (154) verläuft.
  6. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152) so ausgelegt sind, dass der erste Schlitz (150) und der zweite Schlitz (152) in einem Betriebsfrequenzbereich, für den die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, keine Resonanz aufweisen.
  7. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der dritte Schlitz (154) so ausgelegt ist, dass eine Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes (154) innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs liegt, für den die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist.
  8. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die aperturgekoppelte Antenne eine Planare Antenne ist.
  9. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Wellenleiter (140) eine Mikrostreifenleitung, ein koplanarer Wellenleiter, eine Streifenleitung, ein dielektrischer Wellenleiter oder ein Hohlraumwellenleiter ist.
  10. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Apertur (120) und die erste Strahlungselektrode (130) so ausgelegt sind, dass die aperturgekoppelte Antenne, von parasitären Effekten abgesehen, eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlt.
  11. Aperturgekoppelte Antenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner eine zweite Strahlungselektrode (220) und eine dritte Strahlungselektrode (230) aufweist, wobei die zweite Strahlungselektrode (220) im wesentlichen parallel zu der ersten Strahlungselektrode (130) ist, und so angeordnet ist, dass die erste Strahlungselektrode (130) zwischen der zweiten Strahlungselektrode (220) und der Massefläche (110) gelegen ist, und wobei die dritte Strahlungselektrode (230) in einer Projektion entlang einer Achse normal zu der zweiten Strahlungselektrode (220) die zweite Strahlungselektrode (220) umschließt.
  12. Aperturgekoppelte Antenne (400; 600) gemäß Anspruch 11, wobei die zweite Strahlungselektrode (220) und die dritte Strahlungselektrode (230) in einer Ebene liegen, und wobei die dritte Strahlungselektrode (230) die zweite Strahlungselektrode (220) in der Ebene umschließt.
  13. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die so ausgelegt ist, dass eine Impedanzanpassung mit einem Stehwellenverhältnis von kleiner als 2 in zumindest zwei Frequenzbändern erzielt wird.
  14. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine zweite 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 erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist; wobei eine Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante geringer ist als eine Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht, und wobei die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante geringer ist als eine Dielektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Schicht.
  15. Aperturgekoppelte Antenne (400; 600) gemäß Anspruch 14, die ferner eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine dritte dielektrische Schicht aufweist, wobei die dritte dielektrische Schicht die zweite Strahlungselektrode (220) und die dritte Strahlungselektrode (230) trägt; wobei die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht angeordnet ist; 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 eine Dielektrizitätskonstante der dritten dielektrischen Schicht.
  16. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die erste, zweite oder dritte dielektrische Schicht aus FR4-Material besteht.
  17. Aperturgekoppelte Antenne (100; 300; 400; 500; 600) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der die erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante oder die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Luftschicht ist.
  18. Aperturgekoppelte Antenne (400; 600) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die zweite Strahlungselektrode (220) und die dritte Strahlungselektrode (230) über mindestens einen leitfähigen Verbindungssteg (250, 252, 254, 256) miteinander gekoppelt sind.
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