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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenarray nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Planare
Antennen werden in der der HF-Technik oft in Form von 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 Resonanzfrequenz
und damit die Betriebsfrequenz, während die Länge des Patches die Impedanz
des Patches maßgeblich
beeinflusst. Die Abstrahlungsrichtung des Antennenarrays wird durch
die Phasenlage der Spannungen und Ströme, mit der die einzelnen Patches
gespeist 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.
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Eine
hohe Packungsdichte der einzelnen Patches in einem Patcharray ist
wünschenswert,
da dadurch die Patchantennen von HF-Geräten
verkleinert werden können.
Darüber
hinaus weist eine erhöhte
Packungsdichte der Patches den Vorteil auf, dass die Abstrahlung
der Antenne stärker
gerichtet werden kann, da sich aufgrund der höheren Packungsdichte die Nebenkeulendämpfung erhöht.
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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.
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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.
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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 a 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.
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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 = λergibt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Antennenarray
anzugeben, das eine höhere
Packungsdichte der Patches ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Dadurch
dass die Speiseleitung die zwei gegenüberliegenden Seiten der Patches
verbindet und die Speiseleitung an eine Zuführleitung angeschlossen ist,
kann eine höhere
Packungsdichte erreicht werden, da eine solche Anordnung der Patches
keine zusätzlichen
Abzweigungen des Speisenetzwerkes zu den Patches benötigt, wie
dies bei einem herkömmlichen
Antennenarray, wie dem in 2 dargestellten
der Fall ist.
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Die
folgenden Vorteile können
sich zusätzlich
ergeben:
- i) Durch den Einbau eines Phasenschiebers
in die Speiseleitung kann der Abstand zwischen den Patches erheblich
verringert werden. Der minimal mögliche
Abstand zwischen zwei Patches von einer halben Wellenlänge, der
sich beispielsweise bei einer angestrebten konstruktiven Interferenz ohne
Verwendung eines Phasenschiebers ergibt, kann mithilfe eines Phasenschiebers
erheblich verringert werden.
- ii) Dadurch, dass die Speiseleitung die zwei gegenüberliegenden
Seiten der Patches auf dem kürzest
möglichen
Weg verbindet – im
Normalfall rechtwinklig zu den gegenüberliegenden Seiten der beiden
Patches – kann
das Risiko von unerwünschten
Kopplungen zwischen den Patches und der Speiseleitung auf ein Minimum
reduziert werden. Gleichzeitig steht zwischen den Patches mehr Platz
für als
Schlaufen ausgebildete Phasenschieber zur Verfügung.
- iii) Dadurch, dass die Speiseleitung T-artig an die Zuführleitung
angeschlossen ist, kann eine Array dichter mit Patches bestückt werden,
da bei einem 2-dimensionalen Array zwischen einzelnen Patchreihen,
respektive Spalten keine Leiter geführt werden müssen.
- iv) Dadurch, dass einer der Patches an einer Ecke an die Speiseleitung
angeschlossen ist, steht zwischen den Patches mehr Platz für als Schleifen ausgebildete
Phasenschieber zur Verfügung.
- v) Dadurch, dass die zwei Patches je an einer Ecke an die Speiseleitung
angeschlossen sind, steht zwischen den Patches mehr Platz für als Schleifen
ausgebildete Phasenschieber zur Verfügung.
- vi) Dadurch, dass die Differenz der Längen der beiden Teilstücke der
Speiseleitung, welche durch die Ankopplung der Zuführleitung
an die Speiseleitung gebildet werden, 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 – in diesem
Fall spricht man auch von einer differentiellen Speisung der Patches – eine konstruktive
Interferenz ergibt und im Falle eines geraden natürlichen
Vielfachen der Wellenlänge
eine destruktive Interferenz ergibt.
- vii) Dadurch, dass die Zuführleitung
im Bereich der Ankopplung der Speiseleitung an einen der Patches
an die Speiseleitung angekoppelt ist, kann bei einem vorgegebenen
Phasenunterschied an den zwei Patches – und damit einer vorgegebenen
Differenz der Längen
der beiden Teilstücke
der Speiseleitung, welche durch die Ankopplung der Zuführleitung
an die Speiseleitung gebildet werden – die Länge der Speiseleitung minimal
gehalten werden. Die Länge
eines Teilstücks
strebt in diesem Fall gegen null.
- viii) Dadurch, dass die Länge
der Speiseleitung die Hälfte
der Wellenlänge
beträgt,
welche der Resonanzfrequenz der Patches entspricht – in diesem
Fall spricht man auch von einer differen tiellen Speisung der Patches – und die
Zuführleitung
im Bereich der Ankopplung der Speiseleitung an einen der Patches
an die Speiseleitung angekoppelt ist, ergibt sich für die zwei
Patches eine konstruktive Interferenz bei einem kürzest möglichen
Abstand zwischen den Patches, ohne dass ein Phasenschieber verwendet
werden muss.
- ix) Dadurch, dass die zwei Patches rechteckig sind, lässt sich
die dem Antennenarray zur Verfügung
stehende Fläche
besonders effizient ausnutzen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1a–e Patches
nach dem Stand der Technik;
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2 Patchantenne
nach dem Stand der Technik;
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3a–f Antennenarrays
in mehreren Ausführungsformen
der Erfindung;
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4 Antennenarray
in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung und
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5 Antennenarray
in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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Die 1a–e zeigen
verschiedene bekannte Patches 21, die an eine Speiseleitung 13 angeschlossen
sind. Die in 1a und 1b abgebildeten
Patches 21 sind im Wesentlichen rechteckig mit den Seitenlängen a,
b. Die 1c–1e zeigen weitere
Patches 21.
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2 zeigt
eine bekannte und oft verwendete 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.
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3a zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Antennenarrays aus zwei gegenüberliegend angeordneten kongruenten
Patches 21. Die Patches 21 sind an eine Speiseleitung 13,
welche die zwei gegenüberliegenden
Seiten der Patches auf dem kürzest
möglichen
Weg verbindet, angeschlossen. Die Speiseleitung 13 ist
T-artig und spiegelsymmetrisch an das Speisenetzwerk 22 angeschlossen.
Aufgrund des spiegelsymmetrischen Anschlusses kommt es aufgrund
der entgegengesetzten Ausrichtung der elektrischen Feldvektoren E → zu
einer destruktiven Interferenz und damit zu einer Nullstelle im
Richtdiagramm der Antennenarray. Eine solches Antennenarray kann
verwendet werden, wenn man eine starke Verkippung der Hauptkeule
zu der Antennenebene erreichen will.
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3b zeigt
eine zweite Ausführungsform eines
Antennenarrays. Um eine gewünschte
Abstrahlcharakteristik zu erreichen, wird die Phase am Ort der Patches 21 angepasst,
indem die Speiseleitung 13 an einer Stelle, die von der
Mitte der Speiseleitung versetzt ist, an das Speisenetzwerk 22 angeschlossen
wird. Eine weitere Möglichkeit,
die Phase am Ort eines Patches anzupassen bietet ein in die Speiseleitung
geschalteter Phasenschieber 24. Der Einbau von Phasenschiebern 24 hat
den zusätzlichen
Vorteil, dass der Abstand zwischen den Patches 21 erheblich
verringert werden kann. Der minimal mögliche Abstand zwischen zwei
Patches 21 von einer halben Wellenlänge, der sich beispielsweise
bei einer angestrebten konstruktiven Interferenz ohne Verwendung
eines Phasenschiebers 24 ergibt, kann mithilfe eines Phasenschiebers 24 erheblich
verringert werden. In der dargestellten Ausführungsform schwingen die elektrischen
Feldvektoren E → der Patches in Phase.
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3c zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Antennenarrays aus zwei Patches 21. Der Phasenschieber 24 ist
als Wegverlängerung
in Form einer Schlaufe des Streifenleiters ausgebildet und in die
Speiseleitung 13 integriert. Mit dieser Bauweise, kann
der Abstand zwischen den Patches 21 erheblich reduziert
werden. In der dargestellten Ausführungsform schwingen die elektrischen
Feldvektoren E → der Patches in Phase.
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3d zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines Antennenarrays bei welchem die zwei Patches 21 an
einer Ecke an die Speiseleitung 13 angeschlossen sind.
Im Verbund mit weiteren Patch-Paaren,
lassen sich mit Hilfe einer solchen Anordnung besonders dicht gepackte
Antennenarrays herstellen.
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3e zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
eines Antennenarrays, bei welchem die zwei Patches 21 je
an einer Ecke an die Speiseleitung 13 angeschlossen sind,
mit einem Phasenschieber 24, welcher als Schlaufe ausgebildet
ist.
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3f zeigt
eine sechste Ausführungsform eines
Antennenarrays, bei welchem die zwei Patches 21 je an einer
Ecke an die Speiseleitung 13 angeschlossen sind.
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4 zeigt
eine siebte Ausführungsform
eines Antennenarrays aus 32 Patches 21. Die Patches 21 sind
je paarweise an einer Ecke über
eine Speiseleitung 13, welche die zwei gegenüberliegenden
Seiten der Patches 21 verbindet, an das Netzwerk angeschlossen.
Eine Zuführleitung 16 ist
jeweils im Bereich der Ankopplung der Speiseleitung 13 an
einen der Patches 21 an die Speiseleitung 13 angekoppelt. Die
Antennenarray dieser Ausführungsform
ist aus insgesamt 16 in 3f dargestellten
elementaren Antennenarrays 3f aufgebaut.
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5 zeigt
eine achte Ausführungsform
eines Antennenarrays aus 32 Patches 21. Die Patches 21 sind
je paarweise über
eine Speiseleitung 13, welche die zwei gegenüberliegenden
Seiten der Patches 21 verbindet, an eine Zuführleitung 16 angeschlossen.
In dieser Ausführungsform
sind die Patches 21 jeweils an einer Ecke an die Speiseleitungen 13 angekoppelt.