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Die
Erfindung betrifft eine Patch-Antenne mit einem einzelnen oder geschichteten
Mikrostreifen-Patch, das eine Speisestelle aufweist und oberflächenkonform
auf einem geometrisch gekrümmten dielektrischen
Substratkörper
aufgebracht ist, mit dem ein elektrisch leitender Grundkörper überzogen ist.
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Bei
einer Patch-Antenne handelt es sich um eine Antennenform, die besonders
gut zur Integration auf Leiterplatten geeignet ist. Die Patch-Antenne
besteht gewöhnlich
aus einer rechteckförmigen
Mikrostreifen-Metallisierung, deren Längsseitenlänge etwa der halben Betriebswellenlänge entspricht.
Die Metallisierung kann somit als Resonator wirken. Eine auf einer
ebenen Leiterplatte konform aufgebrachte Patch-Antenne kann eine
starke Richtwirkung erzeugen, insbesondere wenn sie mit einer zweiten
Reflektormetallisierung oder parasitären Metallisierungsschichten
versehen ist. Die Dicke des dielektrischen Substrats, aber auch
die Bemessung der Patch-Breite beeinflussen die Breitbandigkeit
der Patch-Antenne.
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Es
sind auch oberflächenkonforme Patch-Antennen
auf einer gekrümmten
Oberfläche bekannt,
vgl. z. B.
US-A-4 816
836 und
US-A-5
155 493 . Auch mit diesen bekannten Antennen ergibt sich jedoch
eine ziemlich starke Strahlungrichtwirkung, die in manchen Anwendungsfällen nicht
erwünscht ist.
So wird insbesondere bei mobilen Funk-Navigations- und/oder Funk-Kommunikationsanwendungen gewöhnlich eine
Rundstrahl- oder Quasi-Rundstrahlcharakteristik
der Mikrowellenantenne der Funkgeräte gefordert.
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Aus
dem Artikel von J. Bartolic, Z. Sipus, R. Zentner und D. Bonefacic: "Design of Planar
and Cylindrical Microstrip Patch Antennas and Arrays for Wireless
Applications", AP
2000, Millenium Conference an Antenna & Propagation, Davos, Schweiz, 9.–14. April
2000, ist eine geschichtete Mikrowellen-Patch-Antenne bekannt, bei
welcher das zylinderförmige
Patch um eine zylindrische, mit einem dielektrischen Substrat belegten
Metallgrundkörper
koaxial nahezu um dessen ganzen Umfang herumgelegt ist, so dass
nur ein schmaler Spalt frei bleibt. Gespeist wird diese bekannte
Antenne an einer Speisestelle, deren Position die Polarisation der
Antenne bestimmt, die linear oder zirkular sein kann. In der Diagrammdarstellung
zu dieser Antenne zeigt sich, dass eine derart ausgeführte Antenne
zwar in der H-Ebene ein einigermaßen zufriedenstellendes Rundstrahlungsdiagramm
aufweist, jedoch in der E-Ebene im Hinblick auf eine geforderte
Rundstrahlcharakteristik völlig
ungenügend
ist.
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Aus
US 4 323 900 ist eine Rundstrahlantenne
mit einem Mikrostreifen-Patch bekannt, das oberflächenkonform
auf einem geometrisch gekrümmten dielektrischen
Subkörper
aufgebracht ist, der wiederum auf einem elektrisch leitenden zylindrischen Grundkörper angebracht
ist. Die Mantelfläche
des zylindrischen Grundkörpers
ist – abgesehen
von einer schmalen Lücke
entlang des Längsverlaufs
des zylindrischen Grundkörpers – beinahe
vollständig von
dem Mikrostreifen-Patch bedeckt.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass sich gegenwärtig das Auffinden von derartigen
rundstrahlenden Antennen mit guter Strahlungscharakteristik für Navigations-
und Kommunikationsanwendungen als sehr schwierig darstellt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Patch-Antenne zu schaffen,
die eine im Hinblick auf Rundumstrahlung verbesserte Strahlungscharakteristik
aufweist und dabei bei kleiner physikalischer Größe auch noch sehr gute Strahlungseigenschaften erreicht.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
ist wesentlich, dass der elektrisch leitende Grundkörper und
damit auch der gekrümmte
dielektrische Substratkörper
die geometrische Gestalt eines Torusabschnitts aufweisen, und dass
die Mantelfläche
dieses Torusabschnitts vom Patch annäherungsweise vollständig bedeckt und
im wesentlichen lediglich eine schmale Lücke entlang dem Längsverlauf
des Torusabschnitts davon freigehalten ist.
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Im
Vergleich zu Mikrostreifenantennen für einen gleichen Frequenzbereich
liegt der Hauptvorteil des Aufbaus einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung
im breiten Strahlungsdiagramm, also einer Quasi-Rundstahlcharakteristik
in allen Ebenen, und in den geringen erreichbaren physikalischen
Antennenabmessungen.
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Die
Patch-Antenne nach der vorliegenden Erfindung ist oberflächenkonform
zu einer Torusabschnittgeometrie, wobei die Mantelfläche des
Torusabschnitts fast ganz bedeckt wird. Im Gegensatz dazu sind andere,
bereits bekannte Antennen zumeist planar oder konform zu anderen
Geometrien, üblicherweise
einem Zylinder oder auch einer Kugel, ausgeführt.
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Neben
der geringen Größe bietet
die Patch-Antenne gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vorteile, die sich durch das breite Antennendiagramm
ergeben. Bisher bekannt gewordene Antennen erlauben häufig nur
die gleichmäßige Ausleuchtung
eines Halbraumes oder erfordern komplizierte Antennenkonfiguration en .
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Die
Unteransprüche
geben Ausführungsorten
der Erfindung an.
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Bei
der Patch-Antenne nach der vorliegenden Erfindung verläuft die
schmale Patch-Lücke
in vorteilhafter Weise entlang der äußersten Umfangslinie des Torusabschnitts.
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Bei
einem Betrieb mit zirkularer Polarisation, der vor allem durch geeignete
Speisestellenpositionierung erreicht werden kann, verfügt die Patch-Antenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung über
ein besseres Achsenverhältnis über den
gesamten Raum im Vergleich zu anderen Antennen mit einer einzigen
Einspeisestelle.
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Durch
die jeweilige Bemessung der Antennenparameter, insbesondere der
Substratdicke, der Substratdielektrizitätskonstante sowie des Innen- und
Außenradius
des dem Torusabschnitt zu Grunde liegenden Torus, sind die resultierenden
elektrischen Antenneneigenschaften in vorteilhafter Weise einstellbar
und veränderbar.
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Die
Speisestelle/n kann/können
insbesondere für
eine Koaxialleitungseinspeisung, für eine Mikrostreifenleitungseinspeisung
oder für
eine Koppelleitungseinspeisung ausgestaltet werden.
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Zweckmäßige Verwendungsmöglichkeiten der
erfindungsgemäßen Patch-Antenne
bestehen insbesondere bei mobilen Funkgeräten für Navigations- und Kommunikationsanwendungen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 in
Schrägansicht
ein Ausführungsbeispiel
einer zu einer Torusabschnittgeometrie konformen Patch-Antenne nach
der Erfindung;
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2 in
einer Schrägansicht
die abgewandte Seite des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels;
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3 in
einer im Wesentlichen der 2 entsprechenden
Ansicht verschiedene Abmessungen der Antenne;
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4 in
einer Querschnittsansicht weitere Abmessungen der Antenne;
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5 in
einer im Wesentlichen der 1 entsprechenden
Ansicht noch weitere Abmessungen der Antenne;
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6 in
einem Diagramm für
das Ausführungsbeispiel
die Rückflussdämpfung [dB]
in Abhängigkeit
von der Frequenz [GHz];
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7 ein
normiertes Strahlungsdiagramm für
dieses Ausführungsbeispiel
in der Elevationsebene bei 1,575 GHz;
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8 ein
normiertes Strahlungsdiagramm für
dieses Ausführungsbeispiel
in der Azimutebene bei 1,575 GHz,
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9 in
einem Diagramm für
das Ausführungsbeispiel
das Achsenverhältnis
[dB] in einem Halbraum in der Elevationsebene in Abhängigkeit vom
Abtastwinkel [°]
bei 1,575 GHz, und
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10 in
einem Diagramm für
das Ausführungsbeispiel
das Achsenverhältnis
[dB] in einem Halbraum in der Azimutebene in Abhängigkeit vom Abtastwinkel [°] bei 1,575
GHz.
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Das
in 1 und 2 in zwei verschiedenen perspektivischen
Ansichten gezeigte Ausführungsbeispiel
einer Mikrostreifen-Patch-Antenne nach
der vorliegenden Erfindung weist ein einziges oder mehrschichtiges
Patch 1 auf, das oberflächenkon form
auf einem dielektrischen Substratkörper 2 aufgebracht
ist, mit dem ein elektrisch leitender torusabschnittförmiger Grundkörper 3 überzogen
ist. Somit weisen der dielektrische Substratkörper 2 und das Mikrostreifen-Patch 1 ebenfalls
eine Torusabschnittgeometrie auf. Die Mantelfläche des torusabschnittförmigen Substratkörpers 2 ist
nahezu vollständig
vom Patch 1 bedeckt. Lediglich eine kleine längsverlaufende
Lücke 4 am äußersten
Umfang des Torusabschnitts ist vom Patch 1 freigehalten.
Die Einspeisung der Patch-Antenne wird im dargestellten Ausführungsbeispiel
an einer Einspeisestelle 5 mittels einer Koaxialleitung
vorgenommen.
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Grundsätzlich können auch
mehrere Einspeisestellen vorgesehen werden und die Einspeisung lässt sich
auch mittels Mikrostreifen- oder Koppelleitungen durchführen. Die
im Ausführungsbeispiel
dargestellte Mikrostreifen-Patch-Antenne wird in zirkularer Polarisation
betrieben, die insbesondere durch geeignete Wahl des Ortes der Einspeisestelle 5 bewirkt
werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den
beiden Enden des Torusabschnitts schmale Bereiche 6 und 7 vom
Patch 1 freigehalten.
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Im
Bereich der Funkkommunikation und Funknavigation sind zahlreiche
Anwendungen einer derartigen Patch-Antenne möglich, wie z. B. in Galileo/GPS-Empfängersystemen
bei terrestrischen Stationen oder auf verschiedenen mobilen Plattformen.
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Die
Antennenabmessungen des in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels
sind nachfolgend angegeben, wobei zur Feststellung der Definitionen
der einzelnen geometrischen Parameter 3, 4 und 5 heranzuziehen
sind. Im Einzelnen betragen:
L = 9,2921 cm;
W = 7,1294
cm;
α =
32,872° (0,6024
cm);
φ =
21° (1,4478
cm);
Θ =
54° (0,9896
cm);
R = 5 cm;
a = 1,05 cm;
b = 0,65 cm;
h =
0,4 cm.
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Die
Rückflussdämpfung [dB]
des anhand von 1 bis 5 erläuterten
Ausführungsbeispiels
einer Patch-Antenne nach der Erfindung ist in 6 in
Abhängigkeit
von der Frequenz [GHz] dargestellt. In diesem Fall beträgt die relative
Bandbreite der Eingangsimpedanz fast 13%. Durch Variation der Antennenparameter,
wie beispielsweise der Substratdicke oder Substratdielektrizitätskonstante
und des Innen- und Außendurchmessers
des dem Torusabschnitt zu Grunde liegenden Torus, ist es möglich, die
resultierenden elektrischen Eigenschaften der Patch-Antenne zu verändern.
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7 und 8 zeigen
für das
vorstehend erläuterte
Ausführungsbeispiel
das normierte Strahlungsdiagramm (E-Feld) [dB] in der Elevations-
bzw. Azimutebene für
eine Betriebsfrequenz von 1,575 GHz. Aus den beiden Figuren ist
ersichtlich, dass näherungsweise
eine Rundstrahlcharakteristik erreicht wird. Die Welligkeit beträgt rund
5 dB in der Azimutebene und lediglich 1 dB in der Elevationsebene.
Die betrachtete Elevationsebene steht dabei senkrecht auf der Zentralachse
des dem Torusabschnitt zu Grunde liegenden Torus und schneidet diesen
quer entlang seines Umfangs. Die Azimutebene liegt in der Ebene
der Zentralachse des dem Torusabschnitt zu Grunde liegenden Torus
und bildet demnach einen Längsschnitt.
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In 9 und 10 ist
für das
vorher erläuterte
Ausführungsbeispiel
jeweils in einem Diagramm das Achsenverhältnis [dB] in einem Halbraum
für die Elevationsebene
bzw. die Azimutebene in Abhängigkeit
vom Abtastwinkel [°]
bei 1,575 GHz dargestellt. Unter Verwendung einer auf einer Koaxialleitung
beruhenden Einspeisung kann demnach mit dem erläuterten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäß ausgebildeten
Patch-Antenne ein Achsenverhältnis von
weniger als 3 dB über
einen Schwenkbereich von 90° erreicht
werden.
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- 1
- Mikrostreifen-Patch
- 2
- Dielektrischer
Substratkörper
- 3
- Grundkörper
- 4
- Lücke
- 5
- Einspeisestelle
- 6,
7
- Freigehaltene
Bereiche