DE102008039776A1

DE102008039776A1 - Gestapelte Patchantenne mit Doppelband

Info

Publication number: DE102008039776A1
Application number: DE102008039776A
Authority: DE
Inventors: Kevin Los Angeles Geary; James H. Chatsworth Schaffner; Hui-Pin Northridge Hsu; Joseph S. Malibu Colburn; Hyok J. Camarillo Song
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2009-04-23
Also published as: CN101378146A; US20090058731A1

Abstract

Eine oder mehrere der hierin beschriebenen Ausführungsformen einer gestapelten Patchantenne mit Doppelband verwenden eine integrierte Anordnung einer Antenne für ein globales Positioniersystem (GPS) und einer Antenne für einen digitalen Satelliten-Audio-Radio-Dienst (SDARS). Die Antenne mit Doppelband empfängt rechts zirkular polarisierte GPS-Signale in einem ersten Frequenzband, links zirkular polarisierte SDARS-Signale in einem zweiten Frequenzband und vertikal linear polarisierte SDARS-Signale in dem zweiten Band. Die Antenne mit Doppelband weist ein Grundplattenelement, ein oberes strahlendes Element (das hauptsächlich verwendet wird, um die SDARS-Signale zu empfangen), ein dielektrisches Material zwischen dem Grundplattenelement und dem oberen strahlenden Element und ein unteres strahlendes Element auf (das hauptsächlich verwendet wird, um GPS-Signale zu empfangen), das von dem dielektrischen Material umgeben ist. Die Antenne mit Doppelband verwendet lediglich eine leitende Signalzuführung, um sowohl GPS- als auch SDARS-Signale zu empfangen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Der hierin beschriebene Gegenstand betrifft allgemein Patchantennen und betrifft insbesondere eine integrierte gestapelte Patchantenne mit Doppelband, die zur Verwendung sowohl mit Signalen eines globalen Positioniersystems (GPS-Signalen) als auch mit Signalen eines digitalen Satelliten-Audio-Radio-Dienstes (SDARS-Signalen) geeignet ist.
HINTERGRUND
Der Stand der Technik ist mit Hochfrequenz-(HF-) und Mikrowellenantennenausgestaltungen, -strukturen und -ausbildungen reichlich versehen. Solche Antennen werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen verwendet, um Signale drahtlos zu senden und zu empfangen, die Information oder Daten übermitteln. Beispielsweise können moderne Kraftfahrzeuge (oder andere Fahrzeuge) eine Anzahl von Antennen verwenden, die Signale über das ganze HF-Spektrum hinweg empfangen. Tatsächlich kann ein Fahrzeug eines oder mehrere der folgenden Systeme aufweisen: ein AM/FM-Radio; ein Satellitenradio; ein GPS-basiertes Navigationssystem; und ein mobiles Telekommunikationssystem. Einige Fahrzeuge können Antennen aufweisen, um SDARS-Signale und/oder GPS-Signale zu empfangen. In diesem Zusammenhang werden L1-GPS-Signale für kommerzielle Navigations- und Kartierungsysteme verwendet. Definitionsgemäß sind SDARS-Signale, die von Satelliten stammen, links zirkular polarisierte Signale (LHCP-Signale) in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz, und L1-GPS-Signale, die von Satelliten stammen, sind rechts zirkular polarisierte Signale (RHCP-Signale) in dem Frequenzband von 1,57442 GHz bis 1,57642 GHz. Einige Satellitenradiosysteme verwenden auch terrestrische Repeater, die SDARS-Signale mit vertikaler Linearpolarisation (VLP) in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz senden. Diese Repeater werden verwendet, um den terrestrischen Signalempfang zu verbessern, indem die SDARS-Signale mit niedrigen Elevationswinkeln gesendet werden.
Die herkömmliche Vorgehensweise, um sowohl einen GPS-Empfang als auch einen SDARS-Empfang in einem Fahrzeug zu erreichen, ist das Anordnen von zwei einzelnen Patchantennen auf dem Dach des Fahrzeugs, wobei eine Antenne dem GPS-Band gewidmet ist und die andere Antenne dem SDARS-Band gewidmet ist. Die eigenständige GPS-Antenne ist individuell für eine erhöhte Verstärkung von RHCP-Signalen in dem GPS-Band ausgestaltet, während die separate und eigenständige SDARS-Antenne individuell für eine erhöhte Verstärkung von LHCP-Signalen (und terrestrischen VLP-Signalen) in dem SDARS-Band ausgestaltet ist. Unglücklicherweise tritt oft eine unerwünschte Kopplung zwischen den zwei Antennen auf, wenn sie nahe beieinander angeordnet sind, was oft bei Fahrzeuginstallationen der Fall ist, die anstreben, ein stromlinienförmiges und klares Erscheinungsbild zu erreichen. Eine solche Kopplung vermindert das Gesamtleistungsverhalten jeder Antenne, insbesondere die terrestrische VLP-Verstärkung in dem SDARS-Frequenzband (zusätzlich liefern typische selbstständige bzw. allein operierende SDARS-Patchantennen keine angemessene VLP-Verstärkung für eine zuverlässige Qualität des Dienstes).
Zwei Typen von integrierten GPS/SDARS-Patchantennen sind in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2006/0097924 A1 be schrieben. Eine erste Ausgestaltung verwendet eine Struktur mit einer einzelnen Schicht, wobei sich beide strahlende Elemente auf derselben dielektrischen Schicht befinden. Diese erste Ausgestaltung kann möglicherweise keinen erwünschten Betrag der VLP-Verstärkung für terrestrische SDARS-Signale liefern. Eine zweite Ausgestaltung verwendet eine gestapelte Struktur mit zwei Zuführungen – eine für die GPS-Signale und eine für die SDARS-Signale. Zusätzlich verwendet die zweite Ausgestaltung einen Kurzschlussstift, der zwischen ein strahlendes Element und die Grundplatte geschaltet ist. Diese zweite Ausgestaltung hat den Nachteil, dass sie eine relativ komplexe Ausbildung aufweist, und den weiteren Nachteil, dass sie zwei eigenständige Zuführungselemente erfordert, was die Komplexität und die Kosten der Endmontage auf einem Fahrzeug erhöht.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Eine Patchantenne mit Doppelband wie hierin beschrieben weist eine gestapelte Anordnung von zwei strahlenden Elementen auf, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind. Beide strahlende Elemente teilen sich dieselbe leitende Zuführung, was die Konstruktion vereinfachen kann, die Herstellungskosten verringert und die Zeit der Endmontage verringert. Bei einer Ausführungsform, die zur Verwendung bei Fahrzeugeinsätzen geeignet ist, kann die Patchantenne mit Doppelband ausgebildet und abgestimmt werden, um RHCP-GPS-Signale simultan mit LHCP-SDARS-Signalen zu empfangen. Diese spezielle Patchantenne mit Doppelband ist gleichzeitig auch ausgebildet und abgestimmt, um eine erhöhte Verstärkung für terrestrische VLP-SDARS-Signale zu liefern.
Die obigen und andere Merkmale können durch eine Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband geschaffen werden, die aufweist: eine erste Patchantennenanordnung, die ausgebildet ist, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen; eine zweite Patchantennenanordnung, die mit der ersten Patchantennenanordnung koppelt und auf dieser gestapelt ist, wobei die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um Signale in einem zweiten Frequenzband zu empfangen; und lediglich eine Signalzuführung, die sowohl von der ersten Patchantennenanordnung als auch von der zweiten Patchantennenanordnung gemeinsam genutzt wird.
Die obigen und andere Merkmale können auch durch eine Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband geschaffen werden, die aufweist: eine erste Antennenanordnung, die ein Masse- bzw. Grundplattenelement, ein erstes strahlendes Element und eine erste dielektrische Schicht umfasst, die zwischen dem Grundplattenelement und dem ersten strahlenden Element gekoppelt ist, eine zweite Antennenanordnung, die mit der ersten Antennenanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Antennenanordnung ein zweites strahlendes Element und eine zweite dielektrische Schicht umfasst, die mit dem zweiten strahlenden Element gekoppelt ist, und wobei die zweite Antennenanordnung derart mit der ersten Antennenanordnung gekoppelt ist, dass das erste strahlende Element zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist; und eine Signalzuführung, die sowohl von der ersten Antennenanordnung als auch von der zweiten Antennenanordnung gemeinsam genutzt wird.
Die obigen und andere Merkmale können auch durch eine Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband geschaffen werden, die aufweist: ein Grundplattenelement mit einem darin gebildeten Signalanschluss; ein oberes strahlendes Element; ein dielektrisches Material zwischen dem Grundplattenelement und dem oberen strahlenden Element; ein unteres strahlendes Element, das in dem dielektrischen Material angeordnet ist, wobei das untere strahlende Element eine darin ausgebildete Apertur umfasst; und lediglich eine Signalzuführung für sowohl das obere strahlende Element als auch das untere strahlende Element, wobei die Signalzuführung mit dem oberen strahlenden Element verbunden ist und sich die Signalzuführung durch das dielektrische Material, ohne Kontakt mit dem unteren strahlenden Element durch die Apertur und ohne Kontakt mit dem Grundplattenelement durch den Signalanschluss erstreckt. Das untere strahlende Element, das dielektrische Material und das Grundplattenelement wirken zusammen, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen, während das obere strahlende Element, das dielektrische Material und das Grundplattenelement zusammenwirken, um Signale in einem zweiten Frequenzband zu empfangen.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, die unten in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie dazu gedacht, als eine Hilfe bei der Ermittlung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen und
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband ist;
2 eine Querschnittsansicht einer Patchantenne mit Doppelband ist, betrachtet entlang der Linie 2-2 von 1;
3 eine perspektivische Phantomansicht der in 1 gezeigten Patchantenne mit Doppelband ist;
4 eine Graphik des Reflexionsverlustes über der Frequenz für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband ist;
5 ein Diagramm von LHCP- und RHCP-Verstärkungsmustern für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband für eine einzelne Frequenz in/nahe dem L1-GPS-Frequenzband ist;
6 ein Diagramm von LHCP- und RHCP-Verstärkungsmustern für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband für eine einzelne Frequenz in/nahe dem SDARS-Frequenzband ist;
7 ein Diagramm von LHCP-Verstärkungsmustern für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband und für eine selbstständige SDARS-Einzelpatchantenne bei einer einzelnen Frequenz in/nahe dem SDARS-Frequenzband ist;
8 ein Diagramm von VLP-Verstärkungsmustern für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband und für eine selbstständige SDARS-Einzelpatchantenne bei einer einzelnen Frequenz in/nahe dem SDARS-Frequenzband ist;
9 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband ist; und
10 eine Draufsicht auf eine noch andere Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Einsatzmöglichkeiten und Verwendungen der Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine ausgedrückte oder implizierte Theorie gebunden zu sein, die in den vorstehenden Abschnitten technisches Gebiet, Hintergrund und Kurzzusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist.
Der Kürze halber sollen herkömmliche Techniken und Aspekte, die sich auf GPS-Systeme, SDARS-Systeme, die HF/Mikrowellen-Antennenausgestaltung und die HF/Mikrowellen-Signalausbreitung beziehen, hierin nicht im Detail beschrieben werden. Zusätzlich werden Fachleute einsehen, dass hierin beschriebene Ausführungsformen von Patchantennen mit Doppelband in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Anwendungen und Installationen mit einem beliebigen Satz von zwei oder mehr Frequenzbändern praktiziert werden können und dass der hierin beschriebene Fahrzeugeinsatz nur ein geeignetes Beispiel ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knotenpunkte oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hierin verwendet, bedeutet "verbunden", wenn es nicht ausdrücklich anders dargelegt ist, dass ein Element/Knotenpunkt/Merkmal mit einem anderen Element/Knotenpunkt/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt mit diesem kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet "gekoppelt", wenn es nicht ausdrücklich anders dargelegt ist, dass ein Element/Knotenpunkt/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knotenpunkt/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch.
Eine Patchantenne mit Doppelband, die auf die hierin beschriebene Weise ausgebildet ist, kann verwendet werden, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen und um Signale in einem zweiten Frequenzband zu empfangen. In der Praxis weist die Antenne eine wechselseitige Betriebsnatur auf, und dieselbe Antennenstruktur kann sowohl in einem Empfangsmodus als auch in einem Sendemodus verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen sind das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband nicht überlappend, d. h. es gibt keine gemeinsam genutzten Frequenzen in den zwei Bändern. Der Empfang der verschiedenen Signale kann simultan, gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten erfolgen. Obwohl eine Antenne, wie hierin beschrieben, geeignet ausgebildet und abgestimmt werden kann, um Signale in zwei beliebigen Frequenzbändern zu empfangen (innerhalb praktischer und wirtschaftlicher Grenzen), beziehen sich die folgenden nicht beschränkenden Beispiele auf eine Fahrzeugimplementierung, die dazu gedacht ist, das L1-GPS-Band und das SDARS-Band zu unterstützen, wobei das L1-GPS-Band üblicherweise für Navigationsbenachrichtigungen, Groberfassungsdaten und verschlüsselten Präzisionscode verwendet. Insbesondere sind die hierin beschriebenen Antennenausführungsformen geeignet ausgebildet, um rechts zirkular polarisierte L1-GPS-Signale in dem Frequenzband von 1,57442 GHz bis 1,57642 GHz zu empfangen, um links zirkular polarisierte SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz zu empfangen und um vertikal linear polarisierte SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz zu empfangen. Dies ermöglicht den Antennenausführungsformen, mit gebräuchlichen Satellitenradio- und GPS-basierten fahrzeugeigenen Navigationssystemen verwendet zu werden.
Nochmals, die Doppelband-Fähigkeit der hierin beschriebenen Ausführungsformen ist nicht auf GPS- und SDARS-Frequenzbänder beschränkt. Allgemein können solche Antennenausführungsformen ausgebildet und abgestimmt werden, um zwei beliebige Bänder zu unterstützen, wodurch eine kompakte gestapelte Patchantenne mit niedrigen Kosten, hoher Leistung und einer einzelnen Zuführung geschaffen wird, ungeachtet einer Abhängigkeit von der Polarisation oder dem Verstärkungsmuster.
1 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband 100, 2 ist eine Querschnittsansicht der Patchantenne mit Doppelband 100, betrachtet entlang einer Linie 2-2 von 1, und 3 ist eine perspektivische Phantomansicht der Patchantenne mit Doppelband 100. Die Antenne 100 weist allgemein eine erste Patchantennenanordnung, die ausgebildet ist, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen (z. B. GPS-Signale), und eine zweite Patchantennenanordnung auf, die ausgebildet ist, um Signale in einem zweiten Frequenzband (z. B. SDARS-Signale) zu empfangen, wobei die zweite Patchantennenanordnung mit der ersten Patchantennenanordnung gekoppelt und auf dieser gestapelt ist. Wie unten detaillierter beschrieben wird, kann die erste Patchantennenanordnung als eine separate Komponente gebildet werden (z. B. als ein erstes Keramiksubstrat mit Metallisierungsgebieten oder eine erste Leiterplatte mit Metallisierungsgebieten), und die zweite Patchantennenanordnung kann unabhängig als eine andere separate Komponente gefertigt werden (z. B. als ein zweites Keramiksubstrat mit Metallisierungsgebieten oder als eine zweite Leiterplatte mit Metallisierungsgebieten) und danach an der ersten Patchantennenanordnung befestigt werden.
Im Betrieb wird das strahlende Element für die erste (untere) Patchantennenanordnung einige Auswirkung auf das Leistungsverhalten der zweiten (oberen) Patchantennenanordnung aufweisen, und analog wird das strahlende Element für die zweite (obere) Patchantennenanordnung einigen Einfluss auf das Leistungsverhalten der ersten (unteren) Patchantennenanordnung aufweisen. In der Praxis findet eine komplexe HF-Kopplungswechselwirkung mit der Antenne 100 statt, um das gewünschte Gesamtleistungsverhalten für beide interessierende Frequenzbänder zu erhalten.
Die dargestellte Ausführungsform der Antenne 100 weist ein Grundplattenelement 102, eine erste dielektrische Schicht 104 (in 1 vor der Betrachtung verborgen), ein erstes strahlendes Element 106, eine zweite dielektrische Schicht 108, ein zweites strahlendes Element 110 und eine Signalzuführung 112 auf. Bei bestimmten Ausführungsformen bilden das Grundplattenelement 102, die erste dielektrische Schicht 104, und das erste strahlende Element 106 einen Teil einer ersten Antennenanordnung, die als ein erstes Substrat gefertigt ist, während die zweite dielektrische Schicht 108 und das zweite strahlende Element 110 einen Teil einer zweiten Antennenanordnung bilden, die als ein zweites Substrat gefertigt ist. Diesbezüglich kann die erste dielektrische Schicht 104 ein Substrat sein, das zwischen das Grundplattenelement 102 und das erste strahlende Element 106 gekoppelt ist, und die zweite dielektrische Schicht 108 kann ein anderes Substrat sein, das mit dem zweiten strahlenden Element 110 ge koppelt ist. Obwohl sie als separate Komponenten gefertigt sind, könnten die zwei Substrate während eines nachfolgenden Prozessschritts (unter der Verwendung einer Laminierung, eines Verklebens oder einer beliebigen geeigneten Technik) derart miteinander gekoppelt werden, dass das erste strahlende Element 106 zwischen der ersten dielektrischen Schicht 104 und der zweiten dielektrischen Schicht 108 angeordnet ist, wie in 2 dargestellt.
In der Praxis kann die erste Antennenanordnung gefertigt werden, indem dünne Metallschichten auf der oberen und unteren freiliegenden Oberfläche der dielektrischen Schicht 104 gebildet werden. Die Dicke der Metallschichten wird von dem speziellen dielektrischen Material, dem Typ des verwendeten Metalls, der Substratfertigungstechnik und den gewünschten Leistungscharakteristiken abhängen. Beispielsweise kann die Dicke der Metallschichten bei praktischen Ausführungsformen in dem Bereich von ungefähr 8 bis 35 Mikrometern liegen. Danach können die Metallschichten unter der Verwendung von wohlbekannten Techniken (wie z. B. Maskieren, Photolithographie und Ätzen) selektiv entfernt oder strukturiert werden, um die gewünschte Größe, die gewünschte Gestalt und die gewünschten Merkmale des Grundplattenelements 102, des ersten strahlenden Elements 106 und einer Apertur 120 (unten beschrieben) zu erzeugen. Gleichermaßen kann die zweite Antennenanordnung gefertigt werden, indem eine dünne Metallschicht auf der oberen freiliegenden Oberfläche der dielektrischen Schicht 108 gebildet wird, gefolgt von einem selektiven Entfernen des Metalls, um die gewünschte Größe, die gewünschte Gestalt und die gewünschten Merkmale des zweiten strahlenden Elements 110 zu erzeugen. Die Dicke der Metallschichten für die zweite Antennenanordnung wird von dem speziellen dielektrischen Material, dem Typ des verwendeten Metalls, der Substratfertigungstechnik und den gewünschten Leistungscharakteristiken abhängen. Beispielsweise kann die Dicke der Metallschichten bei praktischen Ausführungsformen in dem Bereich von ungefähr 8 bis 35 Mikrometern liegen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann dasselbe dielektrische Material verwendet werden, um beide dielektrische Schichten 104/108 zu bilden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden die dielektrischen Schichten 104/108 aus einem keramischen Material gebildet, wie z. B. Aluminiumoxid, und die Metallisierung auf den dielektrischen Schichten 104/108 wird mittels einer Kupferplattierung, einer goldbeschichteten Kupferplattierung unter Verwendung von kommerziellen Dünnschichtprozessen, typischerweise mit 2,54–3,81 Mikrometer (100–150 Mikroinch) spezifiziert, oder dergleichen gebildet. Für eine solche Ausführungsform sind die Antennenanordnungen geeignet ausgebildet, um mit der dielektrischen Konstante zusammenzuwirken (ungefähr neunzehn bei dieser speziellen Ausführungsform), die das keramische dielektrische Material zeigt. Bei einer anderen Ausführungsform werden die dielektrischen Schichten 104/108 aus einem dielektrischen Material gebildet, das üblicherweise bei Leiterplatten verwendet wird, wie z. B. FR-4 oder andere Laminate, und die Metallisierung auf den dielektrischen Schichten 104/108 wird aus Kupfer, Aluminium und dergleichen gebildet. Die dielektrischen Schichten können bei einer solchen Ausführungsform aus einer Klasse von Materialien gebildet werden, einschließlich einer Zusammensetzung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit Glas oder Keramik und einer Zusammensetzung aus Kohlenwasserstoff mit Keramik (wie z. B. die TMM-Materialien, angeboten von Rogers Corp.), mit dielektrischen Konstanten in dem Bereich von ungefähr 2,8 bis 10,2. Eine Ausführungsform, die Leiterplattentechniken und -technologien wirkungsvoll einsetzt, stellt eine Alternative mit relativ niedrigen Kosten dar. Bei einer solchen Ausführungsform sind die Antennenanordnungen geeignet ausgebildet, um mit den relativ niedrigen dielektrischen Konstanten zusammenzuwirken (ungefähr zehn oder weniger), die das dielektrische Laminatmaterial zeigt. Natürlich kann die hierin beschriebene Patchantenne mit Doppelband unter der Verwendung von anderen dielektrischen Materialien und Metallisierungsmaterialien realisiert werden.
Das Grundplattenelement 102 fungiert als die Grundplatte sowohl für das erste strahlende Element 106 als auch für das zweite strahlende Element 110. Bei einer typischen Fahrzeuginstallation kann das Grundplattenelement 102 mit einem leitenden Blech oder einer leitenden Komponente des Fahrzeugs elektrisch gekoppelt sein, wie z. B. dem Dach, einem Kotflügel oder dem Kofferraumdeckel. In der Praxis kann das Grundplattenelement 102 an der Begrenzung der dielektrischen Schicht 104 enden, oder es kann sich über die Begrenzung hinaus erstrecken, wie in 1 und 2 dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Grundplattenelement 102 einen darin gebildeten Signalanschluss 114 auf. Der Signalanschluss 114 kann als ein Loch oder eine Apertur realisiert sein, das bzw. die in dem Grundplattenelement 102 gebildet ist, und der Signalanschluss 114 ist ausgebildet, um die Signalzuführung 112 derart aufzunehmen, dass die Signalzuführung 112 das Grundplattenelement 102 nicht kontaktiert.
Der Signalanschluss 114 ermöglicht es, dass die empfangenen GPS- und SDARS-Signale von der Patchantenne mit Doppelband 100 zu dem System oder den Systemen von Interesse weitergeleitet werden. Diesbezüglich kann der Signalanschluss 114 einen geeignet ausgebildeten Verbinder 116 für die Signalzuführung 112 aufweisen, aufnehmen oder mit dieser zusammenwirken. Der Verbinder 116 isoliert die Signalzuführung 112 von dem Grundplattenelement 102 unter Verwendung wohlbekannter Prinzipien. Der Verbinder 116 kann beispielsweise ein männlicher oder weiblicher SMA-Verbinder oder eine beliebige HF/Mikrowellenkomponente sein.
Die Antenne 100 kann auch ein Systemverbindungskabel 118 aufweisen oder mit diesem mittels dem Verbinder 116 gekoppelt sein, wobei das Systemverbindungskabel 118 ausgebildet ist, um Signale mit Frequenzen in einem der zwei Bänder weiterzuleiten, die durch die Antenne 100 unterstützt werden. Insbesondere verwendet die Antenne 100 lediglich einen Verbinder 116 und lediglich ein Systemverbindungskabel 118, um die Doppelbandsignale weiterzuleiten; dies vereinfacht die Installation der Antenne 100 und verringert die Kosten.
Wie in 2 gezeigt, ist die erste dielektrische Schicht 104 zwischen dem Grundplattenelement 102 und dem ersten strahlenden Element 106 angeordnet und separiert diese physikalisch. Auf ähnliche Weise ist die zweite dielektrische Schicht 108 zwischen dem ersten strahlenden Element 106 und dem zweiten strahlenden Element 110 angeordnet und separiert diese physikalisch. Wenn sie eingesetzt werden, wird das zweite strahlende Element 110 das obere strahlende Element der Antenne 100 sein, und das erste strahlende Element 106 wird das untere strahlende Element der Antenne 100 sein. Bei dieser Ausführungsform ist das erste strahlende Element in das dielektrische Material eingelegt, und kein Abschnitt des ersten strahlenden Elements 106 liegt frei. Wie oben erwähnt, werden die erste dielektrische Schicht 104 und die zweite dielektrische Schicht 108 vorzugsweise aus einem gemeinsamen dielektrischen Material gebildet. Insbesondere kann, obwohl diese beispielhafte Ausführungsform hergestellt wird, indem zwei Patchantennenanordnungen zusammengeklebt oder -laminiert werden, eine alternative Ausführungsform stattdessen das erste strahlende Element in das dielektrische Material derart einbetten oder in diesem formen, dass das dielektrische Material keine Fugen, Verbindungsstellen oder Diskontinuitäten enthält.
Die Patchantenne mit Doppelband 100 verwendet lediglich eine Signalzuführung 12, die von beiden Patchantennenanordnungen gemeinsam genutzt wird. Mit anderen Worten wird die Signalzuführung 112 für das erste strahlende Element 106 und für das zweite strahlende Element 110 verwendet. Die Signalzuführung 112 kann als ein fester Leiter, eine leitende Säule oder ein leitender Draht, ein HF-Verbindungsstift mit Standardgröße oder als ein leitendes Rohr realisiert werden. Insbesondere kontaktiert die Signalzuführung 112 lediglich eines der beiden strahlenden Elemente physikalisch; bei der beispielhaften Ausführungsform steht die Signalzuführung 112 mit dem zweiten strahlenden Element 110 in elektrischem Kontakt, und die Signalzuführung 112 hat mit dem ersten strahlenden Element 106 keinen direkten physikalischen Kontakt. Hierbei ist die Signalzuführung 112 mit der unteren Oberfläche des zweiten strahlenden Elements 110 verbunden, die Signalzuführung 112 erstreckt sich durch die dielektrischen Schichten 104/108, und die Signalzuführung 112 erstreckt sich durch den Signalanschluss 114.
Um die Signalzuführung 112 aufzunehmen, weist das erste strahlende Element 106 eine darin gebildete Apertur 120 auf. Die Apertur 120 kann als ein Loch, ein Schlitz oder eine Öffnung realisiert werden, die in dem ersten strahlenden Element 106 gebildet werden, und die Apertur 120 ist ausgebildet, um die Signalzuführung 112 derart aufzunehmen, dass die Signalzuführung 112 das erste strahlende Element 106 nicht kontaktiert. Während der Fertigung kann ein Loch mit passender Größe durch das dielektrische Material gebohrt werden, entweder mit einem Stopp bei dem zweiten strahlenden Element 110 oder durch das zweite strahlende Element 110 hindurch. Dieses gebohrte Loch kann oder kann nicht mit Metall plattiert sein. Danach kann die Signalzuführung 112 (die als ein Standard-SMA-Stift realisiert sein kann) zum Kontaktieren mit dem zweiten strahlenden Element 110 in das Loch eingeführt werden. Nach der Instal lation liegt die Signalzuführung 112 vorzugsweise bündig gegen das dielektrische Material an, obwohl eine kleine Lücke zwischen dem dielektrischen Material und der äußeren Oberfläche der Signalzuführung 112 existieren kann. In der Praxis kann die Signalzuführung 112 gelötet oder auf andere Weise an dem zweiten strahlenden Element 110 befestigt werden.
Die Signalzuführung 112, das dielektrische Material und die Apertur 120 wirken zusammen, um für das erste strahlende Element 106 als ein Aperturkoppler zu fungieren. Mit anderen Worten wird die Signalzuführung 112 mit dem ersten strahlenden Element 106 mittels einer Aperturkopplung und ohne irgendeinen physikalischen Kontakt mit dem ersten strahlenden Element 106 selbst gekoppelt. Für die dargestellte Ausführungsform wird der Durchmesser der Apertur 120 von dem Durchmesser der Signalzuführung 112, dem Typ des dielektrischen Materials, der Ausgangsimpedanz der Antenne 100, dem gewünschten Betrag der Kopplung und den Frequenzen der zu koppelnden Signale beeinflusst. Daher werden die Signale, die von dem ersten strahlenden Element 106 empfangen werden, an die Signalzuführung 112 aperturgekoppelt, während die Signale, die von dem zweiten strahlenden Element 110 empfangen werden, direkt an die Signalzuführung 112 gekoppelt werden. Dementsprechend wirken das erste strahlende Element 106, das dielektrische Material, die Signalzuführung 112 und das Grundplattenelement 102 zusammen, um die Signale in dem L1-GPS-Band zu empfangen, während das zweite strahlende Element 110, das dielektrische Material, die Signalzuführung 112 und das Grundplattenelement 102 zusammenwirken, um die Signale in dem SDARS-Band zu empfangen.
In der Praxis wird der Aperturkopplungsmechanismus angeordnet, um die Empfindlichkeit gegenüber Ungenauigkeiten der Fertigung und Montage zu minimieren. Insbesondere neigen große Aperturdurchmesser dazu, so wohl gegenüber der exakten Anbringung der Zuführung in der Apertur als auch gegenüber Schwankungen in den Abmessungen der Zuführung weniger empfindlich zu sein.
Darüber hinaus fehlen der Antenne 100 jegliche intervenierende Querverbindungen oder Kurzschlussstifte zwischen dem Grundplattenelement 102, dem ersten strahlenden Element 106 und dem zweiten strahlenden Element 110. Wie in 2 dargestellt, ist das Grundplattenelement 102 von dem ersten strahlenden Element 106 und von dem zweiten strahlenden Element 110 physikalisch isoliert, und das erste strahlende Element 106 ist von dem zweiten strahlenden Element 110 physikalisch isoliert. Diese relativ einfache Struktur ist daher leicht herzustellen und zu montieren.
Die tatsächliche Größe, Gestalt und Anordnung der Elemente in der Patchantenne mit Doppelband 100 wird in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung, den Packungsbeschränkungen, den gewünschten Materialien, den Herstellungsüberlegungen und anderen praktischen Einflüssen variieren. Die unten unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebene Ausführungsform ist nur eine geeignete Implementierung.
Auf 1 Bezug nehmend, werden beide dielektrische Schichten 104/108 aus einem keramischen Material wie z. B. Aluminiumoxid gebildet, und beide dielektrische Schichten 104/108 sind ein Quadrat von ungefähr 35 mm mal 35 mm. Die erste dielektrische Schicht ist 4 mm dick, während die zweite dielektrische Schicht 3 mm dick ist. Das zweite strahlende Element 110 ist als ein Quadrat von 13 mm mal 13 mm mit gestutzten entgegengesetzten Ecken gebildet, wie in 1 dargestellt. Die abgeschnittenen Ecken werden verwendet, um einen LHCP-Betrieb für SDARS-Frequenzen zu erreichen. Die Abmessung 122 für diese abgeschnittenen Ecken beträgt bei dieser Ausführungsform 1,75 mm.
1 stellt das erste strahlende Element 106 in gestrichelten Linien dar, da es in Wirklichkeit vor der Betrachtung verborgen und zwischen den dielektrischen Schichten 104/108 eingelegt ist. Das erste strahlende Element 106 ist als ein Quadrat von 17 mm mal 17 mm mit gestutzten entgegengesetzten Ecken gebildet, wie in 1 dargestellt. Insbesondere korrespondieren die gestutzten Ecken des ersten strahlenden Elements 106 mit den nicht gestutzten Ecken des zweiten strahlenden Elements 110. Die abgeschnittenen Ecken des ersten strahlenden Elements 106 werden verwendet, um einen RHCP-Betrieb für L1-GPS-Signale zu erreichen. Die Abmessung 124 für diese abgeschnittenen Ecken beträgt bei dieser Ausführungsform 1,75 mm. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist das erste strahlende Element 106 nicht relativ zu den dielektrischen Schichten 104/108 zentriert. Vielmehr korrespondiert eine Seite des ersten strahlenden Elements 106 einer Seite des zweiten strahlenden Elements 110, was zu einer verschobenen Positionierung des ersten strahlenden Elements 106 führt. Allgemein werden das erste strahlende Element 106 und das zweite strahlende Element 110 bezogen aufeinander oder auf die dielektrischen Substrate nicht zentriert sein. Vielmehr wird ihre Position bezogen auf die Anbringung der Zuführung gewählt, um eine gute Eingangsimpedanzanpassung bei beiden interessierenden Frequenzbändern zu erreichen.
Die Signalzuführung 112 kann ebenso relativ zu dem zweiten strahlenden Element 110 verschoben sein. Diesbezüglich ist die zentrale longitudinale Achse der Signalzuführung 112 ungefähr 3,7 mm von den rechten Rändern des ersten strahlenden Elements 106 und des zweiten strahlenden Elements 110 positioniert. Für diese Ausführungsform hat die Apertur 120, die in dem ersten strahlenden Element 106 gebildet ist und die konzentrisch mit der Signalzuführung 112 ist, einen Radius von ungefähr 1,7 mm.
Mit den gegebenen physikalischen Abmessungen des ersten strahlenden Elements 106 und des zweiten strahlenden Elements 110 wird das dielektrische Material für die dielektrischen Schichten 104/108 gewählt, um die geeigneten zentralen Betriebsfrequenzen zu erhalten. Umgekehrt könnten mit gegebenen dielektrischen Konstanten der gewählten Materialien für die dielektrischen Schichten 104/108 danach die physikalischen Abmessungen ausgewählt werden, um die geeigneten zentralen Betriebsfrequenzen zu erhalten. Wie zuvor erwähnt, kann dasselbe dielektrische Material für beide dielektrische Schichten 104/108 gewählt werden, muss es aber nicht. Die oben beschriebenen physikalischen Abmessungen sind für keramische Substrate geeignet, bei denen die dielektrische Konstante für beide dielektrische Schichten 104/108 19,0 beträgt. Die Auswahl desselben dielektrischen Materials ist wünschenswert, um die Materialkosten zu minimieren und den Herstellungsprozess zu vereinfachen. Diese Ausgestaltung verwendet auch einen besonders breiten Aperturkoppler für den Zuführungsmechanismus zu dem ersten strahlenden Element 106 in dem Bestreben, die Empfindlichkeit der Struktur gegenüber einer Anbringung des Zuführungsstifts zu minimieren. Natürlich kann eine Feinabstimmung der verschiedenen physikalischen Parameter (wie z. B. die Abmessungen der Eckenstutzung, die Gesamtgröße der Metallisierungsgebiete, die Gesamtgröße der dielektrischen Schichten 104/108, die Verschiebung der strahlenden Elemente 106/110 relativ zu der Signalzuführung 112 und die Abmessungen der Apertur 120) verwendet werden, um das gewünschte Leistungsverhalten für die vorgesehenen Frequenzbänder zu erreichen.
Für die hierin beschriebene Fahrzeuganwendung ist die erste Patchantennenanordnung ausgebildet, um Signale in einem GPS-Frequenzband zu empfangen (z. B. dem L1-GPS-Frequenzband von 1,57442 GHz bis 1,57642 GHz), während die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um Signale in dem SDARS-Frequenzband zu empfangen (d. h. in dem Band von 2,320 GHz bis 2,345 GHz). Wie zuvor erwähnt, ist die erste Patchantennenanordnung geeignet ausgebildet, um RHCP-Signale zu empfangen (wie z. B. L1-GPS-Signale), während die zweite Patchantennenanordnung geeignet ausgebildet ist, um LHCP-Signale zu empfangen (wie z. B. SDARS-Signale, die von Satelliten stammen). Insbesondere ist die zweite Patchantennenanordnung auch ausgebildet, um VLP-SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz effektiv zu empfangen – solche Signale stammen von terrestrischen Repeatern, die von einigen Satellitenradioanbietern verwendet werden. Die Anbringung der SDARS-Patchantennenanordnung über der GPS-Patchantennenanordnung führt zu einem verbesserten Leistungsverhalten bei kleinen Winkeln für SDARS-Signale. Darüber hinaus kann die physikalische Ausbildung der Antenne 100 ausgestaltet sein (z. B. der Typ und die Dicke des dielektrischen Materials, der Typ und die Dicke der Metallisierungsschichten), um die Gesamthöhe der SDARS-Patchantenne gemäß den gewünschten Verstärkungscharakteristiken für terrestrische VLP-SDARS-Signale zu erhöhen oder zu verringern.
Machbarkeitsnachweis
Eine gestapelte Patchantenne mit Doppelband, welche die oben beschriebenen Abmessungen und Charakteristiken aufweist, wurde unter Verwendung einer elektromagnetischen Modellanwendung überprüft. Die Simulationen nahmen eine unbegrenzte Grundplatte an. Der Reflexionsverlust (S11) ist in 4 dargestellt, die eine Graphik des Reflexionsverlustes über der Frequenz für die Patchantenne mit Doppelband ist. 4 zeigt, dass der Reflexionsverlust in den zwei Frequenzfenstern nahe dem L1-GPS- und dem SDARS-Frequenzband kleiner als –10 dB ist. 5 ist ein Diagramm der LHCP- und RHCP-Verstärkungsmuster für die Patchantenne mit Doppelband (bei einer Frequenz in/nahe dem L1-GPS-Band), und 6 ist ein Diagramm der LHCP- und RHCP-Verstärkungsmuster bei einer Frequenz in/nahe dem SDARS-Band. In 5 repräsentiert Graph 202 das LHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel (θ) von null Grad, repräsentiert Graph 204 das LHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von neunzig Grad, repräsentiert Graph 206 das RHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von null Grad, und repräsentiert Graph 208 das RHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von neunzig Grad. In 6 repräsentiert Graph 210 das LHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von null Grad, repräsentiert Graph 212 das LHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von neunzig Grad, repräsentiert Graph 214 das RHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von null Grad, und repräsentiert Graph 216 das RHCP-Verstärkungsmuster bei einem Azimuthwinkel von neunzig Grad. In jedem Frequenzfenster wird eine hohe Verstärkung über einen weiten Elevationswinkel erreicht. Eine Verstärkungsunterdrückung von ungefähr 10 dB wird in jedem Frequenzband für die entgegengesetzte Zirkularpolarisation an dem Zenith (θ = null Grad) erreicht. Dies demonstriert, dass eine sehr kleine Kopplung zwischen der oberen und der unteren Patchantennenanordnung erreicht werden kann.
Zum Vergleich ist 7 ein Diagramm der LHCP-Verstärkungsmuster für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband und für eine derzeit bekannte selbstständige SDARS-Einzelpatchantenne. 7 vergleicht die LHCP-Verstärkungsmuster der selbstständigen Einzelband-SDARS-Patchantenne (Graph 218) und der gestapelten Patchantenne mit Doppelband (Graph 220) bei einem Elevationswinkel von sechzig Grad unter dem Zenith, d. h. dreißig Grad über dem Horizont. Hier kann man sehen, dass die gestapelte Patchantenne die selbstständige SDARS-Patchantenne bezüglich der LHCP-Verstärkung in allen Azimuthrichtungen übertrifft. 8 stellt ebenfalls einen Vergleich der selbstständigen SDARS-Antenne mit der gestapelten Patchantenne mit Doppelband dar; 8 ist ein Diagramm der VLP-Verstärkungsmuster für die in 1 gezeigte Patchantenne mit Doppelband und für die selbstständige SDARS-Einzelpatchantenne bei einem Elevationswinkel von neunzig Grad unter dem Zenith, d. h. am Horizont. In 8 repräsentiert Graph 222 das VLP-Verstärkungsmuster am Horizont für die selbstständige SDARS-Patchantenne, während Graph 224 das VLP-Verstärkungsmuster am Horizont für die gestapelte Patchantenne mit Doppelband repräsentiert. Wiederum übertrifft die gestapelte Patchantenne mit Doppelband die isolierte selbstständige SDARS-Patchantenne in allen Richtungen und liefert überall eine VLP-Verstärkung von –2,2 dB bis über 5,0 dB. Das Minimum von –2,2 dB stellt im Vergleich zu der isolierten selbstständigen SDARS-Patchantenne eine Verbesserung von 1,3 dB für die minimale VLP-Verstärkung am Horizont dar. In der Praxis sollte das Gesamtleistungsverhalten des Systems eine noch größere Verbesserung zeigen, da bekannt ist, dass das VLP-Verstärkungsleistungsverhalten der selbstständigen SDARS-Einzelpatchantenne in der Gegenwart von anderen strahlenden Quellen, wie z. B. einer selbstständigen GPS-Einzelpatchantenne, vermindert wird. Diese Ergebnisse heben die Vorteile der hierin dargestellten gestapelten Patchantenne mit doppeltem GPS/SDARS klar hervor.
9 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband 300. Die Antenne 300 ist der Antenne 100 in vielerlei Hinsicht ähnlich, und gemeinsame Merkmale, Elemente und Charakteristiken werden hier im Zusammenhang mit Antenne 300 nicht redundant beschrieben. Antenne 300 weist allgemein ein Grundplattenelement 302, eine erste dielektrische Schicht (vor der Betrachtung verborgen), ein erstes strahlendes Element 304, eine zweite dielektrische Schicht 306, ein zweites strahlendes Element 308 und eine Signalzuführung 310 auf.
Antenne 300 verwendet ein Leiterplattenmaterial mit einer relativ niedrigen dielektrischen Konstante (ungefähr 9,8), beispielsweise TMM10i oder Aluminiumoxid. Diese Materialien sind relativ günstig, und daher stellt die Antenne 300 eine Niedrigkostenrealisierung einer gestapelten Patchausbildung mit Doppelband dar. Die Gesamtabmessungen der ersten dielektrischen Schicht (35 mm mal 35 mm, 4 mm dick) und der zweiten dielektrischen Schicht 306 (35 mm mal 35 mm, 3 mm dick) sind die gleichen wie für die oben beschriebene Antenne 100. Das erste strahlende Element 304 ist als ein Quadrat von 27 mm mal 27 mm mit gestutzten entgegensetzten Ecken gebildet, und das zweite strahlende Element 308 ist als ein Quadrat von 19 mm mal 19 mm mit gestutzten entgegengesetzten Ecken gebildet, die mit den nicht gestutzten Ecken des ersten strahlenden Elements 304 korrespondieren. Wie oben in Verbindung mit Antenne 100 erwähnt, sind beide strahlende Elemente 304/308 gegenüber der Signalzuführung 310 verschoben (von der Achse weg). Im Gegensatz zu der Antenne 100 "teilt" das erste strahlende Element 304 keine Seite mit dem zweiten strahlenden Element 308. Wie in 9 dargestellt, befindet sich die äußere Begrenzung des zweiten strahlenden Elements 308, wenn sie auf das erste strahlende Element 304 projiziert wird, innerhalb der äußeren Begrenzung des ersten strahlenden Elements 304. Mit anderen Worten passt der Umriss des zweiten strahlenden Elements 308 aus der Perspektive von 9 vollständig in den Umriss des ersten strahlenden Elements 304. Simulationen der Antenne 300 zeigen, dass sie im Vergleich zu einer herkömmlichen selbstständigen SDARS-Patchantenne eine Verbesserung von mehr als 3 dB für die minimale VLP-Verstärkung liefert.
10 ist eine Draufsicht auf eine noch andere Ausführungsform einer Patchantenne mit Doppelband 400. Die Antenne 400 ist der Antenne 100 in vielerlei Hinsicht ähnlich, und gemeinsame Merkmale, Elemente und Charakteristiken werden hier im Zusammenhang mit Antenne 400 nicht redundant beschrieben. Antenne 400 weist allgemein ein Grundplattenelement 402, eine erste dielektrische Schicht (vor der Betrachtung verborgen), ein erstes strahlendes Element 404, eine zweite dielektrische Schicht 406, ein zweites strahlendes Element 408 und eine Signalzuführung 410 auf.
Die Antenne 400 verwendet ein Leiterplattenmaterial mit einer noch geringere dielektrischen Konstante (ungefähr 6,0), beispielsweise TMM6 oder andere Duroid-Materialien. Die Gesamtabmessungen der ersten dielektrischen Schicht (35 mm mal 35 mm, 4 mm dick) und der zweiten dielektrischen Schicht 306 (35 mm mal 35 mm, 3 mm dick) sind die gleichen wie für die oben beschriebene Antenne 100. Das erste strahlende Element 404 ist allgemein als ein Quadrat von 33 mm mal 33 mm mit abgeschnittenen entgegengesetzten Ecken gebildet. Insbesondere beinhaltet das erste strahlende Element 404 Schlitze 412, um die Gesamtpackung kompakter zu machen, während es von der sehr geringen dielektrischen Konstante profitiert (ohne die Schlitze 412 würden sich die Abmessungen des ersten strahlenden Elements 404 über die Formfaktorbegrenzung von 35 mm mal 35 mm hinaus erstrecken). Hierbei erstreckt sich jeder Schlitz 412 von der Außenseitenkante des ersten strahlenden Elements 404 um 9,0 mm nach innen, und jeder Schlitz 412 ist 1,0 mm breit. Darüber hinaus erstreckt sich ein Abschnitt jedes Schlitzes 412 unter das zweite strahlende Element 408 (wie in der projizierten Ansicht von 10 gezeigt). Wie in 10 gezeigt, erstreckt sich jeder Schlitz rechtwinklig von der jeweiligen Kante des ersten strahlenden Elements 404, und jeder Schlitz 412 ist entlang der jeweiligen Kante zentral angeordnet. Obwohl Ströme entlang der Kanten des ersten strahlenden Elements 404 existieren (einschließlich entlang der Kanten der Schlitze 412, die sich unter das zweite strahlende Element 408 erstrecken), wird im Betrieb die im Wesentlichen gesamte elektromagnetische Energie immer noch entlang der äußeren Kanten des ersten strahlenden Elements 404 abgestrahlt, die sich jenseits der physikalischen Abmessungen des zweiten strahlenden Elements 408 befinden, das über dem ersten strahlenden Element 404 angeordnet ist. Daher findet eine minimale Interferenz zwischen den strahlenden Elementen 404/408 statt.
Das zweite strahlende Element 408 ist als ein Quadrat von 23 mm mal 23 mm mit gestutzten entgegengesetzten Ecken gebildet, die mit den nicht gestutzten Ecken des ersten strahlenden Elements 404 korrespondieren. Wie in 10 dargestellt, befindet sich die äußere Begrenzung des zweiten strahlenden Elements 408, wenn sie auf das erste strahlende Element 404 projiziert wird, innerhalb der gesamten äußeren Begrenzung des ersten strahlenden Elements 404. Mit anderen Worten passt die Grundfläche des zweiten strahlenden Elements 408 aus der Perspektive von 10 vollständig in die äußere Grundfläche von 33 mm mal 33 mm des ersten strahlenden Elements 404. Wie oben in Verbindung mit der Antenne 100 erwähnt, sind beide strahlende Elemente 404/408 gegenüber der Signalzuführung 410 verschoben (von der Achse weg). Im Gegensatz zu der Antenne 100 "teilt" sich das erste strahlende Element 404 keine Seite mit dem zweiten strahlenden Element 408. Bei einer alternativen Ausführungsform der Antenne 400 kann das zweite strahlende Element 408 Schlitze aufweisen, wie oben für das erste strahlende Element 404 beschrieben, was zu einer kleineren Patch-Grundfläche führt. Darüber hinaus könnten eines oder beide der strahlenden Elemente 404/408 alterna tive kompakte Ausgestaltungsmethodiken verwenden, die derzeit bekannt sind, oder solche, die in der Zukunft entwickelt werden könnten.
Zusammenfassend sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen einer gestapelten Patchantenne mit Doppelband in der Lage, simultan sowohl RHCP-Satellitensignale in dem L1-GPS-Frequenzband und LHCP-Satellitensignale in dem SDARS-Frequenzband zu empfangen. Zusätzlich liefern die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Antenne im Vergleich zu SDARS-Patchantennen des derzeitigen Standes der Technik eine verbesserte Verstärkung der vertikalen Linearpolarisation für SDARS für den terrestrischen Signalempfang bei niedrigen Elevationswinkeln. Diese verbesserte VLP-Verstärkung wird teilweise dadurch erreicht, dass ein SDARS-Patchantennenelement über einem GPS-Patchantennenelements angeordnet ist, wodurch das strahlende SDARS-Element relativ zu herkömmlichen selbstständigen SDARS-Patchantennen weiter über der Grundplatte angehoben wird. Darüber hinaus verringert eine kompakte gestapelte Patchausgestaltung mit niedrigem Profil die Gesamtgröße des Antennenmoduls, was wiederum den Flächeninhalt auf dem Dach verringert, der erforderlich ist, um die Antenne auf einem Fahrzeug zu befestigen. Des Weiteren verwendet die Antenne eine einzelne Zuführung, die verwendet wird, um Signale sowohl in dem GPS-Band als auch in dem SDARS-Band weiterzuleiten. Dieser Ansatz mit einzelner Zuführung verringt die Komplexität der Ausgestaltung, die Herstellungskosten, die Verkabelungskosten und die Montagezeit.
Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, sollte man einsehen, dass eine enorme Anzahl an Abwandlungen existiert. Man sollte auch einsehen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Ausbildung der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. Die vorstehende ausführliche Beschreibung wird Fachleuten vielmehr einen bequemen Fahrplan liefern, um die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen zu implementieren. Es versteht sind, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten dargelegt ist.

Claims

Patchantenne mit Doppelband, umfassend: eine erste Patchantennenanordnung, die ausgebildet ist, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen; eine zweite Patchantennenanordnung, die mit der ersten Patchantennenanordnung gekoppelt und auf dieser gestapelt ist, wobei die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um Signale in einem zweiten Frequenzband zu empfangen; und lediglich eine Signalzuführung, die sowohl von der ersten Patchantennenanordnung als auch von der zweiten Patchantennenanordnung gemeinsam genutzt wird.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 1, wobei: die erste Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzband eines globalen Positioniersystems (GPS) zu empfangen; und die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzband eines digitalen Satelliten-Audio-Radio-Dienstes (SDARS) zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 2, wobei: die erste Patchantennenanordnung ausgebildet ist, rechts zirkular polarisierte L1-GPS-Signale in dem Frequenzband von 1,57442 GHz bis 1,5762 GHz zu empfangen; und die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, links zirkular polarisierte SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 3, wobei die zweite Patchantennenanordnung ausgebildet ist, um vertikal linear polarisierte SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 1, wobei das erste Frequenzband und das zweite Frequenzband nicht überlappend sind.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 1, wobei: die erste Patchantennenanordnung ein erstes strahlendes Element umfasst; die zweite Patchantennenanordnung ein zweites strahlendes Element und eine zweite dielektrische Schicht umfasst, die das zweite strahlende Element von dem ersten strahlenden Element separiert; die Signalzuführung mit dem zweiten strahlenden Element verbunden ist; und die Signalzuführung mit dem ersten strahlenden Element mittels einer Aperturkopplung und ohne physikalischen Kontakt mit dem ersten strahlenden Element gekoppelt ist.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine erste dielektrische Schicht der ersten Patchantennenanordnung; und ein Grundplattenelement, wobei die erste dielektrische Schicht das erste strahlende Element von dem Grundplattenelement separiert.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 7, ferner einen Signalanschluss umfassend, der in dem Grundplattenelement gebildet ist, wobei der Signalanschluss ausgebildet ist, um die Signalzuführung aufzunehmen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 7, wobei die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht aus einem gemeinsamen dielektrischen Material gebildet sind.
Patchantenne mit Doppelband, umfassend: eine erste Antennenanordnung, die ein Grundplattenelement, ein erstes strahlendes Element und eine erste dielektrische Schicht umfasst, die zwischen das Grundplattenelement und das erste strahlende Element gekoppelt ist; eine zweite Antennenanordnung, die mit der ersten Antennenanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Antennenanordnung ein zweites strahlendes Element und eine zweite dielektrische Schicht umfasst, die mit dem zweiten strahlenden Element gekoppelt ist, und wobei die zweite Antennenanordnung mit der ersten Antennenanordnung derart gekoppelt ist, dass das erste strahlende Element zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist; und eine Signalzuführung, die sowohl von der ersten Antennenanordnung als auch von der zweiten Antennenanordnung gemeinsam genutzt wird.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 10, wobei: die erste Antennenanordnung aus einer ersten Leiterplatte gebildet ist; und die zweite Antennenanordnung aus einer zweiten Leiterplatte gebildet ist.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 10, wobei: die erste Antennenanordnung aus einem ersten keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstante gebildet ist; und die zweite Antennenanordnung aus einem zweiten keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstante gebildet ist.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 10, wobei die Signalzuführung nur das erste strahlende Element oder das zweite strahlende Element physikalisch kontaktiert.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 13, wobei: die Signalzuführung das zweite strahlende Element physikalisch kontaktiert; und die Signalzuführung mittels einer Aperturkopplung mit dem ersten strahlenden Element gekoppelt ist.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 10, wobei das erste strahlende Element eine Anzahl von darin gebildeten Schlitzen aufweist, und wobei sich ein Abschnitt jedes Schlitzes unter das zweite strahlende Element erstreckt.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 10, wobei: das erste strahlende Element mit der Signalzuführung und dem Grundplattenelement zusammenwirkt, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen; und das zweite strahlende Element mit der Signalzuführung und dem Grundplattenelement zusammenwirkt, um Signale in einem zweiten Frequenzband zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband, umfassend: ein Grundplattenelement mit einem darin gebildeten Signalanschluss; ein oberes strahlendes Element; ein dielektrisches Material zwischen dem Grundplattenelement und dem oberen strahlenden Element; ein unteres strahlendes Element, das in dem dielektrischen Material angeordnet ist, wobei das untere strahlende Element eine darin gebildete Apertur umfasst; und lediglich eine Signalzuführung sowohl für das obere strahlende Element als auch für das untere strahlende Element, wobei die Signalzuführung mit dem oberen strahlenden Element verbunden ist und wobei sich die Signalzuführung durch das dielektrische Material, ohne Kontakt mit dem unteren strahlenden Element durch die Apertur und ohne Kontakt mit dem Grundplattenelement durch den Signalanschluss erstreckt; wobei das untere strahlende Element, das dielektrische Material, die Signalzuführung und das Grundplattenelement zusammenwirken, um Signale in einem ersten Frequenzband zu empfangen; und das obere strahlende Element, das dielektrische Material, die Signalzuführung und das Grundplattenelement zusammenwirken, um Signal in einem zweiten Frequenzband zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 17, wobei: das untere strahlende Element, das dielektrische Material, die Signalzuführung und das Grundplattenelement ausgebildet sind, um rechts zirkular polarisierte L1-Signale eines globalen Positioniersystems (GPS) in dem Frequenzband von 1,57422 GHz bis 1,5762 GHz zu empfangen; und das obere strahlende Element, das dielektrische Material und das Grundplattenelement ausgebildet sind, um links zirkular polarisierte Signale eines digitalen Satelliten-Audio-Radio-Diensts (SDARS) und vertikal linear polarisierte SDARS-Signale in dem Frequenzband von 2,320 GHz bis 2,345 GHz zu empfangen.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 17, wobei die Signalzuführung mittels einer Aperturkopplung mit dem unteren strahlenden Element gekoppelt ist.
Patchantenne mit Doppelband nach Anspruch 17, ferner umfassend: einen Verbinder für die Signalzuführung; und lediglich ein Systemverbindungskabel, das mit dem Verbinder gekoppelt ist, wobei das Systemverbindungskabel ausgebildet ist, um Signale in dem ersten Frequenzband und Signale in dem zweiten Frequenzband weiterzuleiten.