DE102005014164A1

DE102005014164A1 - Antennenarray mit in Serie geschalteten Patches

Info

Publication number: DE102005014164A1
Application number: DE200510014164
Authority: DE
Inventors: Christof Ziegler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Um die Nebenkeulendämpfung einer Patchantenne zu erhöhen, wird ein Antennenarray vorgestellt, welches zwei Patches (21) in Serie über eine Verbindungsleitung (26) miteinander verbindet. Die Patches (21) sind versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die Verbindungsleitung (26) aufgespannten Gerade angeordnet. Im Verbund können solche in Serie geschalteten Patchpaare in einem Speisenetzwerk mit Speiseleitungen (13) und Zuführleitungen (16) zu leistungsfähigen dicht gepackten Patchantennen zusammengefasst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenarray nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der HF-Technik werden oft Patchantennen eingesetzt. Dies sind Antennen, die meist mit photolithographischen Verfahren direkt auf eine Printplatte gefertigt werden. Die einzelnen Patches sind meist quadratisch oder rechteckig und in einem Array auf der Platte angeordnet und über Streifenleiter verbunden. Für einen rechteckigen Patch bestimmt die Breite die Wellenlänge der Eigenresonanz des Patches, während die Länge des Patches die Impedanz des Patches maßgeblich beeinflusst. Die Abstrahlungsrichtung der Gesamtantenne wird durch die Phasenlage, mit der die einzelnen Patches betrieben werden, bestimmt. Schwingen die E-Felder aller einzelnen Patches in Phase, so ergibt sich beispielsweise eine Abstrahlung mit einer Hauptkeule, die senkrecht zu der Printplatte steht.

Für manche Anwendungen wird eine Verkippung der Hauptstrahlrichtung einer Antenne angestrebt. Der Nachteil einer Verkippung der Hauptkeule liegt in einer reduzierten Nebenkeulendämpfung. Neben der amplituden- und phasenrichtigen Ansteuerung der einzelnen Patches besitzt der Abstand zwischen den Patches einen wesentlichen Einfluss auf das Niveau der Nebenkeulen. Ein kleiner Abstand von Patch zu Patch reduziert die Niveaus der Nebenkeulen und führt zu einer erhöhten Nebenkeulendämpfung. Eine erhöhte Packungsdichte der Patches weist somit den Vorteil auf, dass die Abstrahlung der Antenne stärker gerichtet werden kann.

Um Platz zu sparen sind für manche von Anwendungen kleine Antennen von grundsätzlichem Interesse. Um eine hohe Nebenkeulendämpfung und somit eine stark gerichtete Abstrahlung zu erreichen sind dicht gepackte Patches für eine Vielzahl von Anwendungen, die von einer gezielten Ausleuchtung eines räumlichen Sektors in der Mobilkommunikation bis hin zu der Abstandmessung mittels HF-Strahlung bei Fahrerassistenzsystemen in Kraftfahrzeugen reichen, von Interesse.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich der Abstand zwischen den Patches mittels Mehrlagenaufbautechnik reduzieren lässt. Das Speisenetzwerk der Antennen befindet sich auf einer inneren Lage oder auf der Rückseite der Leiterplatte. Über Durchkontaktierungen oder Feldankopplungen werden die Antennenpatches angeregt. Diese Lösung ermöglicht einen sehr engen Patchabstand, da zwischen den Patches keine Leitungen geführt werden müssen. Ein kleiner Spalt zwischen den Patches ist notwendig, um Verkopplungen zwischen den Patches zu vermeiden. Die Mehrlagenaufbautechnik ist in ihrer praktischen Anwendung aufwändiger und teurer als die einlagige Aufbautechnik. Auch hat sie den Nachteil, dass im Bereich der Patches die Rückseite der Leiterplatte für das Speisenetzwerk zur Verfügung stehen muss. Die HF-Schaltung lässt sich nicht in diesem Bereich unterbringen.

In 1 sind Ausführungsformen von bekannten Patches 21 abgebildet. Am gebräuchlichsten sind die Patches 21 in den 1a) und 1b) mit einem rechteckigen Patch 21. Für diese Patchstrukturen gibt es Näherungsgleichungen zur analytischen Berechnung der Antennenparameter. Die Seitenlängen α und b legen die Mittenfrequenz der Antenne, die Fußpunktimpedanz und die Antenneneffizienz fest. Komplexere geometrische Strukturen wie die Patches 21 in 1c) und 1d) müssen meist über Feldsimulationen entworfen werden. Den Patches 21 in 1a) und 1c) ist eine Ankopplung in der Mitte einer Seite gemein. Eine Ausnahme bildet die in 1e) dargestellte Struktur, in welcher der Patch 21 an einer Ecke angekoppelt ist.

In 2 ist eine herkömmliche Patchantenne abgebildet. Die Abstände dx und dy der Patches 21, sowie die Anzahl der Patches 21 beeinflussen die Charakteristik der Gesamtantenne. Der Nachteil dieser Realisierungsform liegt in dem hohen Platzbedarf, der durch die Struktur des Speisenetzwerkes 22 bedingt ist, da jeder Patch 21 über eine eigene Abzweigung 23 verfügt. Um eine vorgegebene Richtcharakteristik zu erhalten, müssen die Patches 21 jeweils mit einer bestimmten Phase angesteuert werden. Die Phasenlage zwischen den Patches 21 wird durch die Länge dl der Verbindungsleitung zwischen den Patches 21 festgelegt. Für eine senkrecht zur Antennenebene liegende Antennencharakteristik, ist zwischen den Patches 21 ein Phasenversatz von Δϕ = n·360° (wobei n = 0, 1, 2, ...)notwendig. Für eine Wellenlänge λ darf unter dieser Vorgabe dl nur die Längen von dl = n·λannehmen, wodurch aufgrund der in 2 vorliegenden Anordnung die Möglichkeiten einer Erhöhung der Packungsdichte beschränkt sind, da sich eine minimale Länge von dl = λ ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenarray anzugeben, mit welcher sich die Nebenkeulendämpfung erhöhen lässt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Dadurch dass die zwei Patches in Serie über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei die Patches je in einem Eckbereich an die Verbindungsleitung angeschlossen sind und versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die Verbindungsleitung aufgespannten Gerade angeordnet sind, lassen sich die Patches dichter packen, wodurch die Nebenkeulendämpfung erhöht werden kann. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten bekannten Anordnung benötigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform keine Abzweigungen 23, um einen Patch an das Speisenetzwerk 22 anzuschließen, sondern ein Patch ist direkt in Serie an einen vorgeschalteten weiteren Patch angeschlossen.

Auch lassen sich die Patches im Antennenverbund verschachtelt anordnen. Eine elektrische Leitung ist nur zwischen den Patches, die in Serie verbunden sind notwendig, hingegen nicht seitlich zwischen zwei in Serie geschalteten Reihen. Dadurch lässt sich das Array dichter mit Patches bepacken und die Nebenkeulendämpfung erhöhen.

Zudem nimmt durch die Schaltung der Patches in Serie der Weg der HF-Wellen in den Patches die Funktion eines Phasenschiebers ein, wodurch bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen den zwei Patches die Verbindungsleitung entsprechend verkürzt werden kann.

Durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der einzelnen Patches, sowie des Abstandes der Verbindungsleitung, lässt sich eine beliebige Phasenbeziehung zwischen den zwei in Serie geschalteten Patches einstellen, wodurch eine gewünschte Antennencharakteristik eingestellt werden kann.

Die folgenden Vorteile können sich zusätzlich ergeben:

i) Dadurch, dass einer der Patches an eine Speiseleitung angeschlossen ist, welche auf derselben Linie liegt, wie die Verbindungsleitung, lässt sich ein Array höher integrieren. Insbesondere können auf diese Weise mehrere Reihen von in Serie geschalteten Patches ineinander verschachtelt werden, wodurch eine besonders hohe Packungsdichte erreicht wird.
ii) Durch den Einbau eines Phasenschiebers in die Speiseleitung kann der Abstand zwischen den Patches für eine vorgegebene Abstrahlungsrichtung verringert werden.
iii) Dadurch, dass die Speiseleitung die zwei gegenüberliegenden Seiten der Patches auf dem kürzest möglichen Weg verbindet, kann das Risiko von unerwünschten Kopplungen zwischen den Patches und dem Speiseleiter auf ein Minimum reduziert werden. Gleichzeitig steht zwischen den Patches mehr Platz für als Schlaufen ausgebildete Phasenschieber zur Verfügung.
iv) Dadurch, dass die Verbindungsleitung je an einer Ecke an die zwei Patches angeschlossen ist, kann bei einer Verschachtelung von mehreren Patchpaaren die Packungsdichte maximiert werden.
v) Dadurch, dass die Länge der Verbindungsleitung zusammen mit der Länge der Strecke, die ein HF-Signal in einem Patch zurücklegt, die Hälfte der Wellenlänge beträgt, welche der Resonanzfrequenz der Patches entspricht, oder ein natürliches Vielfaches davon, wird die Phasendifferenz zwischen den zwei Patches so angepasst, dass sich im Falle eines ungeraden natürlichen Vielfachen eine konstruktive Interferenz ergibt und im Falle eines geraden natürlichen Vielfachen eine destruktive Interferenz.
vi) Dadurch, dass zwei weitere zu den zwei Patches kongruente Patches vorhanden sind, wobei die zwei weiteren Patches in Serie über eine weitere Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei die zwei weiteren Patches je in einem Eckbereich an die weitere Verbindungsleitung angeschlossen sind und die zwei weiteren Patches versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die weitere Verbindungsleitung aufgespannten Linie angeordnet sind, kann die Anordnung beliebig erweitert werden, was eine stärkere Abstrahlung der Antenne und/oder eine weitere Formung der Antennencharakteristik ermöglicht.
vii) Dadurch, dass die zwei Patches rechteckig sind, lässt sich die dem Antennenarray zur Verfügung stehende Fläche besonders effizient ausnutzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:

1a–e Patches nach dem Stand der Technik;

2 Patchantenne nach dem Stand der Technik;

3 Eine erste Ausführungsform der Erfindung;

4 Eine zweite Ausführungsform der Erfindung;

5 Richtdiagramm einer Antenne mit dem in 4 vorgestellten Antennenarray und

6 Polardarstellung des Richtdiagrams von 5.

1a–e zeigt verschiedene bekannte Patches 21. Die in 1a und 1b abgebildeten Patches 21 sind im Wesentlichen rechteckig mit den Seitenlängen a, b. Die 1c–1e zeigen weitere Patches 21.

2 zeigt ein bekanntes und oft verwendetes Patcharray. Die einzelnen Patches 21 sind reihenweise je über eine Abzweigung 23 an die im Speisenetzwerk Netzwerk 22 eine Stufe übergeordnete Leitung angeschlossen. Der Abstand zwischen den Patches beträgt in x-Richtung dx, welcher dem Wegunterschied dl von Signalen zu zwei in x-Richtung benachbarten Patches entspricht. Der Abstand dy zwischen den Patches in y-Richtung wird durch die Notwendigkeit der zwischen den Patches 21 vorhandenen Streifenleiter begrenzt.
3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit sechs kongruenten rechteckigen Patches 21. Je zwei Patches 21 bilden ein Patchpaar, welches in Serie über eine Verbindungsleitung 26 miteinander verbunden ist, wobei die Patches 21 an einer Ecke an die Verbindungsleitung 26 angeschlossen sind und versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die Verbindungsleitung 26 aufgespannten Gerade angeordnet sind. Die Verbindungsleitungen 26 verbinden die gegenüber liegenden Seiten eines Patchpaares auf dem kürzest möglichen Weg. Je einer der Patches 21 eines Patchpaares ist an eine Speiseleitung 13 angeschlossen, welche auf derselben Linie liegt, wie die Verbindungsleitung 26. Über die Länge dl der Verbindungsleitung 26 kann die Phasenbeziehung zwischen zwei in Serie geschalteten Patches eingestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die elektrischen Feldvektoren E → zweier in Serie geschalteter Patches um 180° phasenverschoben. Die Länge dl der Verbindungsleitung 26 zusammen mit der Länge der Strecke, die ein HF-Signal in einem Patch 21 zurücklegt beträgt in diesem Fall ein natürliches Vielfaches der Wellenlänge, welche der Resonanzfrequenz der Patches entspricht.
In einer zweiten nicht dargestellten Ausführungsform schwingen die elektrischen Feldvektoren E → von zwei in Serie geschalteten Patches 21 in Phase. Die Länge dl der Verbindungsleitung 26 zusammen mit der Länge der Strecke, die ein HF-Signal in einem Patch 21 zurücklegt beträgt in diesem Fall ein ungerades natürliches Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge, welche der Resonanzfrequenz der Patches entspricht.
4 zeigt ein Antennenarray in einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit 16 kongruenten rechteckigen Patches 21. Je zwei Patches 21 bilden ein Patchpaar, welches in Serie über eine Verbindungsleitung 26 miteinander verbunden ist, wobei die Patches 21 an einer Ecke an die Verbindungsleitung 26 angeschlossen sind und versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die Verbindungsleitung 26 aufgespannten Gerade angeordnet sind. Die Verbindungsleitungen 26 verbinden die gegenüber liegenden Seiten eines Patchpaares auf dem kürzest möglichen Weg. Je einer der Patches 21 eines Patchpaares ist an eine Speiseleitung 13 angeschlossen, welche auf derselben Linie liegt, wie die Verbindungsleitung 26. Die Speiseleitungen 13 sind an eine in der Netzwerkhierarchie eine Ebene höher liegende Zuführleitung 16 angeschlossen. Um die gewünschte Abstrahlcharakteristik zu erreichen, ist in dieser Ausführungsform in eine Zuführleitung 16 ein Phasenschieber 24 geschaltet.
Der Platzbedarf der in 4 realisierten Antenne ist mit 25mm × 27mm für eine Antenne bei 24GHz wesentlich geringer als bei herkömmlichen Antennenstrukturen mit entsprechender Patchzahl.
5 zeigt ein gemessenes Richtdiagramm, welches von einer realisierten Antenne mit dem in 4 vorgestellten Antennenarray stammt. Die Messungen wurden im Fernfeld der Spiegelsymmetrieebene des in 4 dargestellten Antennenarrays bei einer Frequenz von 24 GHz aufgenommen und veranschaulichen die Verkippung der Hauptkeule zur Antennenebene, sowie die ausgeprägte Nebenkeulendämpfung. Bei einer Keulenbreite von ca. 40° und einem Kippwinkel von 30° ist die Nebenkeulendämpfung größer als 24 dB.
6 zeigt das in 5 dargestellte Richtdiagramm in Polar-Darstellung.

Claims

Antennenarray, umfassend zwei kongruente Patches (21), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Patches (21) in Serie über eine Verbindungsleitung (26) miteinander verbunden sind, wobei die Patches (21) je in einem Eckbereich an die Verbindungsleitung (26) angeschlossen sind und versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die Verbindungsleitung (26) aufgespannten Gerade angeordnet sind.
Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Patches (21) an eine Speiseleitung (13) angeschlossen ist, welche auf derselben Linie liegt, wie die Verbindungsleitung (26).
Antennenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenschieber (24) in die Verbindungsleitung (26) geschaltet ist.
Antennenarray nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (26) die zwei gegenüberliegenden Seiten der Patches (21) auf dem kürzest möglichen Weg verbindet.
Antennenarray nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (26) je an einer Ecke an die zwei Patches (21) angeschlossen ist.
Antennenarray nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Verbindungsleitung (26) zusammen mit der Länge der Strecke, die ein HF-Signal in einem Patch (21) zurücklegt, die Hälfte der Wellenlänge beträgt, welche der Resonanzfrequenz der Patches (21) entspricht, oder ein natürliches Vielfaches davon.
Antennenarray nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zu den zwei Patches (21) kongruente weitere Patches (21) vorhanden sind, wobei die zwei weiteren Patches (21) in Serie über eine weitere Verbindungsleitung (26) miteinander verbunden sind, wobei die zwei weiteren Patches (21) je in einem Eckbereich an die weitere Verbindungsleitung (26) angeschlossen sind und die zwei weiteren Patches (21) versetzt auf unterschiedlichen Seiten der durch die weitere Verbindungsleitung (26) aufgespannten Linie angeordnet sind.
Antennenarray nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Patches (21) rechteckig sind.