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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen, wie sie beispielsweise bei Navigationssystemen, insbesondere bei Satellitennavigationssystemen wie GPS, GLONASS und Galileo, eingesetzt werden.
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Die Verbreitung von Navigationssystemen hat über die letzten Jahre erheblich zugenommen. Derzeit werden satellitengestützte Navigationssysteme sehr intensiv genutzt und haben bereits den privaten Konsummarkt erschlossen. Beispielsweise das amerikanische Satellitensystem GPS (GPS = Global Posisioning System) oder auch das russische GLONASS (GLONASS = GLobales Navigations-Satelliten-System), was gleichbedeutend mit dem international verwendeten Überbegriff GNSS (GNSS = Global Navigation Satellite System) ist, sind bereits weltweit im Einsatz. Auch das europäische System Gallileo wird im Laufe der nächsten Jahre zum Einsatz kommen. Es wird erwartet, dass das Galileo-System in vier bis fünf Jahren voll nutzbar sein wird.
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Die Satellitennavigationssysteme nutzen vorwiegend einen Frequenzbereich, der zwischen 1 und 2 GHz liegt. Die 9 zeigt den derzeit verwendeten Frequenzplan des sogenannten Lower-L-Bandes, des Upper-L-Bandes und des C-Bandes. Dabei sind die verwendeten Frequenzbereiche über einer Frequenzachse aufgetragen, die in Einheiten von MHz angegeben ist. Im oberen Teil der 9 ist das Lower-L-Band dargestellt, in dem Frequenzen allen drei Navigationssystemen zugeordnet sind. Die einzelnen Frequenzbänder werden dabei zur Verwirklichung von offenen Diensten (OS = Open Services), sowie Notfallapplikationen (SOL = Safety Of Live), kommerziellen Diensten (CS = Commercial Service) und öffentlichen Diensten (PRS = Public Regulated Service) verwendet. Ferner werden den einzelnen Bändern Kennungen zugeordnet, wie beispielsweise in dem Bereich von 1.164 MHz bis 1.188 MHz, der dem GPS-System unter der Kennung L5, sowie dem Gallileo-System mit der Kennung E5A zugeordnet ist. Die 9 zeigt ferner im unteren linken Bereich das Upper-L-Band, das ebenfalls für Navigationssysteme verwendet wird und ähnlich wie das Lower-L-Band unterteilt ist. Die 9 zeigt im unteren Bereich auf der rechten Seite das C-Band, welches in der Aufwärtsstrecke des Gallileo-Systems verwendet wird und das in einem Frequenzbereich um 5 GHz liegt. Dieser Frequenzbereich wird verwendet, um Informationen von einer Bodenstation an einen Satelliten zu senden.
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Um nun in diesen Frequenzbereichen eine Kommunikation aufzubauen, ist es notwendig, Antennen zu verwenden, die eine entsprechend genaue Ortung der Satelliten, und damit des Empfängers zulassen. Für Präzisionsanwendungen, die beispielsweise Genauigkeitsansprüche von weniger als fünf Metern haben, wird versucht Antennen zu entwickeln, die möglichst in allen drei Frequenzbändern betrieben werden können. Diese Antennen werden zur Zeit z. B. vom russischen Unternehmen Javad, www.javad.com, und von nordamerikanischen Unternehmen, www.novatel.com und www.sanav.com, angeboten.
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Zumeist sind Antennen in einbandigen Versionen, z. B. GPS-L1, oder in zweibandigen Variationen, z. B. GPS-L1 + L2, verfügbar. Die derzeitigen Systeme weisen dabei den Nachteil auf, dass sie sehr kostenintensiv sind. Beispielsweise sind mehrbandige Systeme erst ab einem Preisniveau oberhalb von 1.000 Euro erhältlich. Diese Systeme verwenden zumeist planare Strukturen auf sehr teueren Keramiksubstraten, die maßgeblich zu den hohen Kosten beitragen.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner günstigere Antennen bekannt, die jedoch hinsichtlich ihrer Genauigkeit erhebliche Nachteile aufweisen. Günstigere Antennensysteme weisen beispielsweise insbesondere hinsichtlich ihres Phasenzentrums und ihrer Bandbreite erhebliche Einbußen auf. So sind z. B. Schwankungen des Phasenzentrums über dem Einfallswinkel erheblich, beispielsweise umfassen diese mehrere Zentimeter, und erweisen sich damit weit größer als die angestrebte Genauigkeit erlaubt. Ein weiteres Problem manifestiert sich in der kompakten Bauweise solcher Systeme, die deren Bandbreite nachteilig beeinflusst und diese deutlich reduziert. Solche Systeme sind deshalb zumeist einbandig und bieten so lediglich die Möglichkeit des Empfangs eines Frequenzbereiches, beispielsweise wird lediglich der Empfang von GPS-Signalen gewährleistet.
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Stand der Technik
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Zur Steuerung der Keulenbreite im Azimut unter Nutzung parasitärer Elemente offenbart die
US 2004/0257292 A1 eine Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen in einer Anordnung aus einem Strahler und mehreren parasitären Elementen auf einer Massefläche, wobei die parasitären Elemente konzentrisch um den Strahler herum angeordnet sind. Die parasitären Elemente werden über ein Steuernetzwerk je nach gewünschter Strahlformung im Azimut mit der Massefläche elektrisch gekoppelt, bzw. von der Massefläche entkoppelt. Dadurch lassen sich verschiedene Antennencharakteristika, bzw. verschiedene Strahlen, in der Ebene der Massefläche ausprägen.
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Zur Erhöhung der Keulenbreite in der Elevation ist aus der
US 2004/0201524 A1 eine Antennenanordnung bekannt, bei der eine Patch-Antenne auf einem dielektrischen Substrat gebildet ist. In dem dielektrischen Substrat sind die Patch-Antenne umgebend Durchkontaktierungen vorgesehen, wodurch sich eine Erhöhung der Keulenbreite in Elevationsrichtung ergibt. Die gezeigte Ausprägung der Patchantenne ist allerdings schmalbandig.
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Zur Erzeugung von Breitbandigkeit bei planaren Antennen sind gestapelte Patch-Antennen bei D. M. Pozar et al, „A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 11, Nov. 1997, beschrieben.
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Eine Antennenvorrichtung, bei der unter einem Strahler angeordnete Kondensatorelektrodenabschnitte durch aus seiner Masseebene herausgebogene Elemente gebildet sind, ist in der
EP 1536511 A1 beschrieben.
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Die
US 5 200 756 A offenbart eine dreidimensionale Mikrostreifen-Patch-Antenne, die eine Basis, ein auf der Basis angeordnetes dielektrisches Substrat mit einer polyedrischen Konfiguration und ein auf dem Substrat gebildetes Antennenelement aufweist. Das Antennenelement besteht aus einer leitfähigen Schicht, deren Ecken nach unten gebogen sind und das in den Ecken der Oberfläche gespeist wird.
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Die
US 6 181 279 B1 und die
US 6801167 B2 offenbaren dielektrische Antennen, bei denen zur Abschirmung parasitäre Abschirmungselemente um eine planare Patch-Antenne umgebend vorgesehen sind.
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Die
US 4 864 320 A offenbart eine Monopol-Antenne, die L-förmige parasitäre Elemente aufweist, die um einen Monopolstrahler angeordnet sind.
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Es ist deswegen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die breitbandig ist, über den Frequenzbereich einen stabilen Antennengewinn aufweist und effizient und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Abstrahlcharakteristik einer Antenne durch diese umgebende, parasitäre metallische Elemente zu beeinflussen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren deswegen auf der Erkenntnis, dass die Abstrahlcharakteristik, es wird in diesem Zusammenhang auch von Keulenbreite gesprochen, von Antennen durch parasitäre metallische Elemente angepasst werden kann. Dabei werden die parasitären Elemente um einen Strahler herum auf einer Massefläche angeordnet, wodurch die Abstrahlcharakteristik unter anderem so beeinflusst wird, dass im Frequenzbereich der Navigationssysteme eine größere Keulenbreite der Abstrahlcharakteristik bei gleichmäßigem Antennengewinn erzielt werden kann. Dieser Vorteil wird durch die beschriebene geometrische Anordnung einer Massefläche, eines Strahlers und von parasitären Elementen erzielt, so dass diese Antennensysteme sehr kostengünstig realisiert werden können, worin ein weiterer großer Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht.
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Die Erfindung ermöglicht den Aufbau von Antennenvorrichtungen, die breitbandige zirkularpolarisierte Antennen realisieren mit einem stabilen Phasenzentrum, einem fast konstanten Antennengewinn in beispielsweise dem Frequenzbereich der Navigationssysteme und einer großen Keulenbreite auch bei höheren Frequenzen. Vorteilhaft bei diesen Systemen ist ihr geringes Gewicht und die preisgünstige Herstellung. Dieser Vorteil ergibt sich, da auf eine Nutzung von gestapelten Mikrostreifenleitungsstrahlern auf sehr teueren, brüchigen und schweren Keramiksubstraten, verzichtet werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine schematisierte Antennenvorrichtung in der Seitenansicht;
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1b die selbe schematisierte Antennenvorrichtung in der Draufsicht;
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2a ein Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung;
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2b ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung;
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3a ein beispielhaftes Anpass- oder Speisenetzwerk in einem Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung;
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3b eine idealisierte Streumatrix eines Anpass-/Speisenetzwerkes eines Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines Anpass- oder Speisenetzwerkes eines Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung;
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5a eine Tabelle verschiedener Vergleichswerte zwischen einem Ausführungsbeispiel und konventionellen Systemen;
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5b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung;
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5c ein Smith-Diagramm, das den Verlauf des Reflexionskoeffizienten eines Ausführungsbeispiels einer Antennenvorrichtung verdeutlicht;
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6a bis 6e Richtdiagramme von Ausführungsbeispielen von An tennenvorrichtungen;
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7 ein Ausführungsbeispiel einer Massefläche;
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8 ein Ausführungsbeispiel eines Strahlers; und
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9 einen Frequenzplan aus dem Stand der Technik.
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Bevor im Folgenden Beispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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In der 1a ist eine schematisierte Antennenvorrichtung 100 zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen dargestellt. Die Antennenvorrichtung 100 umfasst eine Massefläche 110 und einen Strahler 120, der in einem Strahlerabstand 150 über der Massefläche 110 angeordnet ist. Die Antennenvorrichtung 100 umfasst ferner eine Mehrzahl von parasitären Elementen 130, die auf der Massefläche 110 radialsymmetrisch um den Strahler 120 herum angeordnet sind, wobei die parasitären Elemente 130 elektrisch mit der Massefläche 110 verbunden sind. Die 1a zeigt dabei die Seitenansicht einer Antennenvorrichtung 100.
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Die 1b zeigt die Antennenvorrichtung 100 in der Draufsicht. Die Antennenvorrichtung 100 umfasst die Massefläche 110 und den Strahler 120, der in einem Strahlerabstand 150 über der Massefläche 110 angeordnet ist. Die 1b zeigt ebenfalls die Mehrzahl von parasitären Elementen 130, die auf der Massefläche 110 radialsymmetrisch um den Strahler 120 herum angeordnet sind, wobei die parasitären Elemente 130 elektrisch mit der Massefläche 110 verbunden sind.
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Die Massefläche 110 kann einen Flächeninhalt aufweisen, der das Quadrat einer Wellenlänge der elektromagnetischen Signale unterschreitet. Der Strahler 120 kann einen Strahlerabstand 150 aufweisen, der eine Viertelwellenlänge der elektromagnetischen Signale unterschreitet. Ferner können zwei parasitäre Elemente 130 der Mehrzahl von parasitären Elementen 130 untereinander einen Elementabstand 140 von weniger als einer Wellenlänge der elektromagnetischen Signale aufweisen, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Elementabstand 140 weniger als ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Signale.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich bevorzugt auf Antennenvorrichtungen die in einem Wellenlängenbereich von 0,15–0,3 m liegen, und somit für einen Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 2 GHz ausgelegt sind. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf diese Frequenzbereich beschränkt, denn prinzipiell lassen sich die elektromagnetischen Felder und damit die Antennencharakteristika beliebiger Antennen durch parasitäre Elemente erfindungsgemäß beeinflussen.
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Lediglich vorzugsweise kommen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in dem GPS-, dem Galileo- oder dem GLONASS-System zum Einsatz, und sind deshalb in Ausführungsbeispielen entsprechend ausgelegt.
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Bei Antennenvorrichtungen 100 kann die Massefläche 110 aus metallischem Material gefertigt sein und eine kreisförmige, ovale, quadratische oder auch rechteckige Form aufweisen. Der Strahler 120 ist seinerseits quadratisch ausgebildet. Der Strahler 120 weist eine durch die Massefläche 110 hindurchgeführte Kontaktierung auf.
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Ausführungsbeispiele weisen verschiedenartige parasitäre Elemente 130 auf. Beispielsweise sind stabförmige, rechteckige oder kreisausschnittförmige Elemente denkbar. In einem Ausführungsbeispiel sind beispielsweise parasitäre Elemente 130 als aus der Massefläche 110 teilweise herausgearbeitete Elemente ausgebildet. Dabei ist es beispielsweise denkbar, dass mit einem Laser entsprechende Konturen aus der Massefläche 110 herausgelöst oder herausgearbeitet werden. Die parasitären Elemente 130 sind somit zunächst Bestandteil der Massefläche 110. Nachdem die Konturen aus der Massefläche 110 herausgearbeitet wurden, werden die parasitären Elemente 130 aus der Massefläche 110 herausgebogen bzw. aufgerichtet. In Ausführungsbeispielen weist die Antennenvorrichtung 100 mehr als vier parasitäre Elemente 130 auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Antennenvorrichtung 100 sechs bis zwölf, vorzugsweise acht oder mehr parasitäre Elemente 130.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Antenne ferner folgende Eigenschaften:
- – Frequenzbereich: 1,16–1,3 GHz und 1,56–1,61 GHz
- – Polarisation: zirkular, RHCP (RHCP = Right Handed Circular Polarsation)
- – Antennengewinn größer 3 dBic
- – präzise definiertes und stabiles Phasenzentrum
- – 10 dB-Keulenbreite größer 150°
- – VRV > 10 dB (VRV = Vor-/Rück-Verhältnis)
- – kostengünstige Realisierung
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Im Folgenden werden Simulationsergebnisse vorgestellt, die mit den obigen Eigenschaften bzw. Einstellungen erzielt wurden. Bei der Simulation wurde vor allem darauf geachtet, dass über den gesamten Frequenzbereich eine 10 dB-Keulenbreite von mindestens 150° in der Elevation gewährleistet ist.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine andere mögliche Maßnahme zur Vergrößerung der Keulenbreite die Verwendung eines elektrisch kleinen Strahlers wäre, der allerdings den Nachteil aufweist, dass der Antennengewinn im tieferen Frequenzband sehr stark abnimmt, wenn die gewünschte Keulenbreite erreicht wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch Einbringen der parasitären metallischen Elemente 130 eine Vergrößerung der Keulenbreite bei höheren Frequenzen neben einer Erhöhung des Antennengewinns bei tieferen Frequenzen erreicht.
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Die 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung 100 gemäß Anspruch 1, mit einer Massefläche 110 und einem Strahler 120. Die 2a zeigt ferner die parasitären Elemente 130, die auf der Massefläche 110 radialsymmetrisch um den Strahler 120 herum angeordnet sind und mit der Massefläche 110 elektrisch verbunden sind. Die parasitären Elemente 130 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Parallelogramme oder Laschen realisiert. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Elementabstand 140 zwischen zwei parasitären Elementen 130 weniger als eine Wellenlänge der elektromagnetischen Signale, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Elementabstand 140 weniger als ein Viertel dieser Wellenlänge. Ferner beträgt der Strahlerabstand 150 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weniger als eine Viertelwellenlänge der elektromagnetischen Signale. Die 2a zeigt dabei eine Realisierung der parasitären Elemente 130 als metallische Rippen.
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Die 2b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung 100 nach Anspruch 1 bei der die parasitären Elemente 130 als metallische Stäbe realisiert sind. Gemäß obiger Beschreibung betragen in einem bevorzugten alternativen Ausführungsbeispiel der Elementabstand 140 weniger als ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Signale und der Strahlerabstand 150 weniger als eine Viertelwellenlänge der elektromagnetischen Signale.
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Simulationsergebnisse einer Parameterstudie werden im Folgenden zusammengefasst.
- 1. – Strahler 40 × 40 × 20 mm (Breite × Länge × Höhe) ohne parasitäre Elemente
– VSWR (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio) 1,8:1
– Antennengewinn bei 1,16 GHz = 1 dBic
– 10 dB-Keulenbreite bei 1,61 GHz = 150°
- 2. – Strahler 50 × 50 × 30 mm ohne parasitäre Elemente
– VSWR 1,8:1
– Antennengewinn bei 1,16 GHz = 4 dBic
– 10 dB-Keulenbreite bei 1,61 GHz = 130°
- 3. – Strahler 50 × 50 × 30 mm mit parasitären Elementen
– VSWR 1,5:1
– Antennengewinn bei 1,16 GHz = 4 dBic
– 10 dB-Keulenbreite bei 1,61 GHz = 150°
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In einem Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Antennenvorrichtung 100 ferner zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation verwendet. Für die Erzeugung der zirkularen Polarisation wird der Strahler 120 in vier Punkten von einem Anpass- oder Speisenetzwerk, welches sich in einem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite der Leiterplatte bzw. Massefläche 110 befindet, angeregt. Die 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Anpass- bzw. Speisenetzwerkes 300. Das Anpass-/Speisenetzwerk 300 weist fünf Speisepunkte 301 bis 305 auf. Ein zu sendendes Signal wird dabei im Punkt 301 eingespeist, durch einen Phasenschieber entsprechend manipuliert, und an den Flanken eines Strahlers 120, die mit den Speisepunkten 302 bis 305 verbunden sind, eingespeist. Ein zu empfangendes Signal kann in analoger Weise am Speisepunkt 301 abgegriffen werden.
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Das Anpass-/Speisenetzwerk 300 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ferner einen Phasenschieber und vier Anpassnetzwerke 320. Der Phasenschieber ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Rat-Race-Teiler 312 und zwei Wilkinson-Teiler 314 und 316 realisiert. Der Phasenschieber, der sich aus dem Rat-Race-Teiler 312 und den beiden Wilkinson-Teilern 314 und 316 zusammensetzt, sorgt für eine entsprechende Phasenverschiebung zur Ansteuerung des Strahlers 120, um eine zirkulare Polarisation zu erreichen. Der Rat-Race-Teiler 312 ist in diesem Ausführungsbeispiel oval ausgeprägt, in anderen Ausführungsbeispielen ist er, so wie üblicherweise realisiert, kreisförmig vorzufinden. Die Anpassnetzwerke 320 dienen dazu, in diesem Ausführungsbeispiel die Impedanz der Antenne anzupassen.
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Das Speisenetzwerk 300 der 3a realisiert eine Streumatrix S des Ausführungsbeispiels, die in der 3b abgebildet ist. Die Matrix weist gemäß der fünf Speisepunkte 301 bis 305 des Anpass-/Speisenetzwerkes 300 eine 5×5-Dimension auf. Die zirkulare Polarisierungseigenschaft des Speisenetzwerkes 300 manifestiert sich in der Streumatrix S in den jeweils um 90° verschobenen Streufaktoren zwischen den Speisepunkten 301–305.
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Zur Anpassung der Impedanz der Antennenvorrichtung 100 werden in dem Speisenetzwerk 300 vier identische Anpassnetzwerke 320 gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet. Die 4 zeigt noch einmal das Speisenetzwerk 300 mit den vier Anpassnetzwerken 320. Jedes der vier Anpassnetzwerke 320 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Nicht-Viertel-Wellen-Transformator 322 auf, sowie zwei leer laufende Stichleitungen 324 und 326. Die Antennenvorrichtung 100 und der Strahler 120 lassen sich somit breitbandig anpassen, ohne kurzgeschlossene Stichleitungen zu verwenden, was in Kombination mit einem Transformator ein anderes Verfahren der breitbandigen Anpassung wäre. Mit der Wahl der Strahlerabmessungen, d. h. seiner Breite und seinem Strahlerabstand 150, kann die Lage der Impedanzkurve in einem Smith-Diagramm beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Impedanzkurve so weit optimiert, dass alle Admittanzwerte in einer Umgebung eines Kreises des Leitwertes G = 1 verlaufen. In diesem Ausführungsbeispiel besteht dann die Möglichkeit, durch die richtige Wahl der Parameter der zwei parallel geschlossenen leer laufenden Stichleitungen 324 und 326, sowie durch richtige Wahl des Transformators 322, die Admittanzwerte zum Zentrum des Smith-Diagramms zu bewegen und eine optimale Anpassung zu erreichen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen somit an der gegenüberliegenden Seite der Massefläche 110 ein Anpass- oder Speisenetzwerk 300 auf. Das Anpass-/Speisenetzwerk 300 kann ferner über einen Rat-Race-Teiler 312 oder einen Wilkinson-Teiler 314; 316 verfügen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Anpass-/Speisenetzwerk 300 ferner eine Stichleitung 326, einen Transformator 322 oder eine Transformationsleitung 322 auf. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind demnach auch zum Senden oder Empfangen zirkular polarisierter Signale ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten beispielsweise den Vorteil, dass sie über ein stabiles Phasenzentrum und einen stabilen Antennengewinn verfügen. Ferner verfügen sie über eine größere Bandbreite und eine größere Keulenbreite als herkömmliche Systeme. Sie zeichnen sich ferner durch ihre geringe Masse und ihre geringen Produktionskosten aus, wodurch sie vorteilhaft als GNSS-Antennen einsetzbar sind. Die 5a zeigt eine Tabelle, die einen Vergleich verschiedener Parameter unterschiedlicher Antennensysteme darstellt. Die Parameter eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind in der letzten Zeile dargestellt, und werden mit drei herkömmlichen Systemen der Firma Javad, Novatel und SanJose-Navigation verglichen. Aus der Tabelle in der 5a geht hervor, dass das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in diesem Vergleich über die größte 10 dB-Keulenbreite verfügt, die geringste Masse aufweist, den ganzen Frequenzbereich der Navigationssysteme abdeckt und am preisgünstigsten herzustellen ist.
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Die 5b zeigt eine aufgebaute GNSS-Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für einen Frequenzbereich von 1,16–1,61 GHz. Die zeigt eine Massefläche 110, einen Strahler 120 und parasitäre Elemente 130.
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Die 5c zeigt ein Smith-Diagramm, das den vermessenen Verlauf des Reflexionskoeffizienten S11 der GNSS-Antenne aus der 5b dargestellt. In dem dargestellten Verlauf sind vier Punkte Mkr1–4 bei den Frequenzen 1,16, 1,30, 1,56 und 1,61 GHz markiert, sowie in der Legende die zugehörigen Impedanzen aufgeführt. Es ist aus dem Verlauf deutlich zu erkennen, dass die Antenne derart anpassbar ist, dass alle Admittanzwerte in einer Umgebung des Kreises des Leitwertes G = 1 verlaufen.
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Die 6a–d sowie die Tabelle der 6e führen die vermessenen Strahlungsdiagramme der Antenne aus der 5b auf. Die Anpassung der Antenne im oberen Frequenzbereich kann in Ausführungsbeispielen noch weiter optimiert werden. Die 6a zeigt ein horizontales Antennendiagramm, wobei der äußere Verlauf 600 einer rechtshändigen zirkularen Polarisation entspricht, der innere Verlauf 610 entspricht einer linkshändigen zirkularen Polarisation. Die 6a zeigt den Verlauf bei einem vertikalen Winkels von 0°, d. h. in die direkte horizontale Richtung orthogonal zur Massefläche 110 der Antennenvorrichtung 100, bei einer Frequenz von 1,16 GHz. Mit anderen Worten zeigt 6a ein Diagramm in Elevation (d. h in einer Ebene, die senkrecht auf der Grundfläche steht und durch den Mittelpunkt dieser geht). Es ist deutlich zu erkennen, dass die 10 dB-Keulenbreite deutlich größer als 150° ist. Die 6b zeigt für die gleiche Frequenz ein Antennendiagramm in Azimut (d. h. in einer Ebene, die parallel zur Grundfläche ist) für einen Winkel von 70° Co-Elevation (20° Elevation). Der in 6b dargestellte Verlauf wurde für rechtshändige zirkulare Polarisation ermittelt und zeigt deutlich, dass der Antennengewinn eine gute Einheitlichkeit in alle Richtungen aufweist.
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Die 6c zeigt zwei Diagramme, ein Diagramm 620 für rechtshändige zirkulare Polarisation und ein Diagramm 630 für linkshändige zirkulare Polarisation. Beide Diagramme wurden bei einer Frequenz von 1,61 GHz aufgenommen und in direkter horizontaler Richtung erfasst. Es ist zu erkennen, dass die 10 dB-Keulenbreite größer als 150° ist. Die 6d zeigt wiederum ein Antennendiagramm im Azimut für einen Winkel von 70° Co-Elevation (20° Elevation), bei einer Frequenz von 1,61 GHz. Der Verlauf der 6d wurde für eine rechtshändige zirkulare Polarisation ermittelt und zeigt ebenfalls eine gute Einheitlichkeit des Antennengewinns über alle Einfallsrichtungen.
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Die in der 6e dargestellte Tabelle, umfasst die bei den verschiedenen Frequenzen ermittelten maximalen Antennengewinne und 10 dB-Keulenbreiten zusammen. Auch hier ist zu sehen, dass mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Steigerung der 10 dB-Keulenbreite über einen breiten Frequenzbereich erzielbar ist.
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Es ist möglich, eine Antennenvorrichtung derart herzustellen, dass die parasitären Elemente 130 aus einer Massefläche 110 zunächst teilweise herausgelöst werden. Die 7 zeigt schematisch einen solchen Verfahrensschritt. Die kreisförmige Massefläche 110 wird zunächst beispielsweise mit einem Laser oder einer Säge derart bearbeitet, dass die Konturen der parasitären Elemente 130 herausgelöst werden. Anschließend erfolgt ein Schritt des Aufbiegens der parasitären Elemente, so dass eine Struktur gemäß der in der 5b dargestellten Antennenvorrichtung erreicht wird.
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Ferner kann zur Herstellung eines Strahlers 120 Biegen eines Strahlers 120 aus einer quadratischen Form vorgesehen sein. Die 8 zeigt einen solchen Strahler 120 der zunächst in einer quadratischen oder planquadratischen Form vorliegt. Die Ecken werden nun derart gebogen bzw. angepasst, dass das innere Quadrat entsteht. Die 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung, die eine Massefläche 110 und parasitäre Elemente 130 gemäß der 7 und einen Strahler 120 gemäß der 8 umfasst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten den Vorteil, dass bei Antennenvorrichtungen im Frequenzbereich von Navigationssystemen eine größere Keulenbreite der Abstrahlcharakteristik bei gleichem Antennengewinn und stabilem Phasenzentrum erzielt werden kann. Dieser Vorteil wird durch geometrische Anordnung einer Massefläche, eines Strahlers und von parasitären Elementen erzielt, so dass diese Antennensysteme sehr kostengünstig realisiert werden können, worin ein weiterer großer Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht.
