-
Die
Erfindung betrifft eine Dual-Band-Antenne in Mikrostrip-Technologie,
die insbesondere Verwendung in der Satellitennavigation finden soll.
-
Zukünftige
Navigationssysteme erfordern präzisere und zuverlässige
Satellitenempfänger, die kleinformatig sein müssen.
Ferner müssen Satellitenempfänger für
Navigationssysteme zumeist Strahlung mit Frequenzen in zwei Frequenzbändern
empfangen, wobei es sich bei den zu empfangenden elektromagnetischen
Wellen um zirkular polarisierte Wellen handelt. So arbeitet beispielsweise
das europäische Satellitensystem GALILEO auf zwei Frequenzbändern,
nämlich dem E5a–E5b-Frequenzband (1.164 bis 1.215
GHz) und dem L1-Frequenzband (1.559 bis 1.591 GHz), und erfordert
eine hohe Polarisationsreinheit. Hierbei wird zusätzlich
gefordert, dass der Empfang von Wellen, die außerhalb dieser
Frequenzbänder liegen, stark unterdrückt ist.
-
Es
ist bekannt, für zirkular polarisierte elektromagnetische
Strahlung Dual-Band-Antennen in Mikrostrip-Technologie zu verwenden.
Beispiele für derartige Antennen finden sich in "DUAL
APERTURE-COUPLED MICROSTRIP ANTENNA FOR DUAL OR CIRCULAR POLARISATION",
A. Adrian, D. H. Schaubert, ELECTRONIC LETTERS, 5. November 1987,
Vol. 23, No. 23, und "Analysis of an Aperture Coupled
Microstrip Antenna", Peter L. Sullivan, Daniel H. Schaubert,
IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. AP-34, No. 8,
August 1986.
-
Bei
diesen bekannten Antennen-Designs wird das von dem Antennenelement
der Mikrostrip-Antenne empfangene Signal durch eine Aussparung in
der Masseschicht auf eine Leiterbahn gekoppelt. Da die Antenne elektromagnetische
Strahlung in zwei Frequenzbändern empfangen soll, müssen
die Signale der unterschiedlichen Frequenzbänder anschließend über
elektronische Komponenten wie sogenannte Splitter aufgeteilt werden.
Diese zusätzliche Hardware erfordert einen erhöhten
Platzbedarf und verursacht zusätzliches Gewicht, was es
beides zu vermeiden gilt.
-
Aus "A
Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip
Antenna for Global Positioning Satellite", David M. Pozar,
Sean M. Duffy, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol.
45, No. 11, November 1997, und "Dual Circularly-polarized
Stacked Patch Antenna for GPS/SDMB", Jun-Hwa Oh, Young-Pyo
Hong, and Jong-Gwan Yook, proceedings of the 2008 IEEE International
Symposium an Antennas and Propagation, July 2008, sind
Mikrostrip-Antennen-Designs für Satellitensysteme bekannt,
bei denen übereinander angeordnete Antennenelemente zum
Empfang elektromagnetischer Strahlung in jeweils verschiedenen Frequenzbändern
verwendet werden, die über Aussparungen in einer Masseschicht
(elektrisch leitende Schicht) mit verschiedenen Leiterbahnen gekoppelt sind.
Bei diesen bekannten Antennen-Designs hat sich herausgestellt, dass
die Trennung der beiden Kanäle der Antenne für
bestimmte Satellitennavigationsanwendungen nicht ausreichend hoch
ist.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Dual-Band-Antenne, insbesondere für
Satellitennavigationsanwendungen zu schaffen, die auf Grund ihres Designs
und insbesondere ohne elektrische bzw. elektronische Zusatzkomponenten
an getrennten Ausgängen Signale in den beiden Frequenzbändern liefert.
-
Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Dual-Band-Antenne,
insbesondere für Satellitennavigationsanwendungen, mit
einem Mehrschichtenaufbau vorgeschlagen, der versehen ist mit
- – einem oberen ersten Antennenelement
zum Empfang elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz in einem
ersten Frequenzband,
- – einem unterhalb des ersten Antennenelements angeordneten
unteren zweiten Antennenelement zum Empfang elektromagnetischer
Wellen mit einer Frequenz in einem zweiten Frequenzband,
- – zwei übereinander angeordneten ersten und zweiten
elektrisch leitenden Masseschichten, die ihrerseits unterhalb des
unteren zweiten Antennenelements angeordnet sind,
- – einer Leiterbahnschicht mit mindestens einer ersten
Leiterbahn zur elektromagnetischen Kopplung mit dem ersten Antennenelement
und mit mindestens einer zweiten Leiterbahn zur elektromagnetischen
Kopplung mit dem zweiten Antennenelement,
- – wobei die dem unteren zweiten Antennenelement zugewandte
erste Masseschicht eine Aussparung aufweist, unterhalb derer die
mindestens eine zweite Leiterbahn verläuft,
- – wobei die mindestens eine erste Leiterbahn mittels
eines elektrischen Leiters, der sich durch die erste Masseschicht
und das untere zweite Antennenelement hindurch und gegenüber
diesem elektrisch isoliert erstreckt, mit dem oberen ersten Antennenelement
verbunden ist,
- – einem mit der mindestens einen ersten Leiterbahn
gekoppelten ersten Leitungsanpasselement zur Unterdrückung
der Einkopplung von über das untere zweite Antennenelement
empfangenen und in den elektrischen Leiter eingekoppelten elektromagnetischen
Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband in die erste Leiterbahn,
- – einem mit der mindestens einen zweiten Leiterbahn
gekoppelten zweiten Leitungsanpasselement zur Unterdrückung
der Einkopplung von über das obere erste Antennenelement
empfangenen elektromagnetischen Wellen im ersten Frequenzband in
die zweite Leiterbahn und
- – mehreren dielektrischen Schichten, die zwischen den übereinanderliegenden
Antennenelementen, Masseschichten und Leiterbahnschicht angeordnet
sind.
-
Die
erfindungsgemäße Dual-Band-Antenne ist mit zwei
Antennenelementen (englisch: patch) versehen, die für den
Empfang bzw. für das Senden elektromagnetischer Wellen
mit jeweils einer Frequenz in einem von zwei Frequenzbändern
ausgelegt sind. Diese beiden Antennenelemente liegen übereinander
und sind durch ein oder mehrere dielektrische Schichten gegeneinander
isoliert. Grundsätzlich ist die geometrische Form der beiden
Antennenelemente beliebig. Vorzugsweise weist jedes Antennenelement
eine im wesentlichen kreisförmige, im wesentlichen rechteckförmige
bzw. im wesentlichen quadratische geometrische Form auf. Die beiden
Antennenelemente sind zweckmäßigerweise derart übereinander
angeordnet, dass ihre geometrischen Schwerpunkte auf einer Achse
liegen, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Antennenelementen
verläuft. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn das untere zweite
Antennenelement über den Umfangsrand des oberen ersten
Antennenelements übersteht.
-
Unterhalb
der beiden Antennenelemente befinden sich zwei übereinander
angeordnete erste und zweite elektrisch leitende Masseschichten,
zwischen denen eine Leiterbahnschicht angeordnet ist, die ihrerseits
gegenüber beiden Masseschichten durch dielektrisch Schichten
elektrisch isoliert ist. Die erste obere Masseschicht, die dem unteren
zweiten Antennenelement zugewandt ist, ist mit mindestens einer Aussparung
versehen, unterhalb derer sich eine (zweite) Leiterbahn der Leiterbahnschicht
befindet. Über die Aussparung wird also das von dem unteren zweiten
Antennenelement empfangene Signal auf die (zweite) Leiterbahn gekoppelt.
-
Zur
Kopplung des oberen ersten Antennenelements mit einer ersten Leiterbahn
der Leiterbahnschicht dient eine physikalische elektrische Verbindung
in Form eines Leiters, der sich in Richtung der Aufeinanderfolge
der Schichten des Mehrschichtenaufbaus durch diesen zwischen der
Leiterbahnschicht und dem ersten Antennenelement erstreckt. Zu diesem
Zweck weist das untere zweite Antennenelement und die dieser zugewandte
erste Masseschicht jeweils eine Aussparung auf, wobei durch die Aussparungen
unter Beibehaltung eines allseitigen Abstandes zu den Rändern
dieser Aussparungen ein elektrischer Leiter verläuft, der
das obere erste Antennenelement mit der ersten Leiterbahnschicht
verbindet. Damit kann nun das von dem oberen ersten Antennenelement
empfangene Signal leitungsgebunden zur ersten Leiterbahn übertragen
werden. Eine Kopplung des zweiten Antennenelements, durch die sich
der elektrische Leiter durch die Aussparung in dem zweiten Antennenelement
hindurch erstreckt, wird durch entsprechende Leitungsanpasselemente,
die mit der ersten Leiterbahn gekoppelt sind, im wesentlichen unterdrückt.
Hierbei bietet sich ein Leitungsanpasselement zur Reflektion derjenigen elektromagnetischen
Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband an, die über
das untere zweite Antennenelement parasitär eingekoppelt
werden.
-
Wie
bereits oben ausgeführt, erfolgt die Kopplung des unteren
zweiten Antennenelements mit der zweiten Leiterbahn durch die Aussparung
in der ersten Masseschicht und somit wie bei den üblichen
sogenannten Aperture-Coupled Microstrip-Antennendesigns. Über
diese Aussparung in der ersten Masseschicht koppelt nun aber auch
das obere erste Antennenelement parasitär in die erste
Leiterbahn ein. Daher wird zur Unterdrückung dieser parasitär eingekoppelten
Signale mit der zweiten Leiterbahn ein zweites Leitungsanpasselement
gekoppelt, das der Impedanzanpassung der zweiten Leiterbahn an das
untere zweite Antennenelement dient, wodurch Einkopplungen in die
zweite Leiterbahn von dem oberen ersten Antennenelement unterdrückt
werden. Grundsätzlich ist zu sagen, dass jede Art von Leitungsanpasselementen
mit den ersten und zweiten Leiterbahnen gekoppelt werden können.
Entscheidend ist, dass durch das erste Leitungsanpasselement, das
mit der ersten Leiterbahn, an welcher idealerweise ausschließlich
die Signale mit einer Frequenz im ersten Frequenzband anliegen sollten,
die Einkopplung von über das untere zweite Antennenelement
empfangenen und in den elektrischen Leiter eingekoppelten elektromagnetischen
Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband unterdrückt. Genauso
soll das zweite Leitungsanpasselement, das mit der zweiten Leiterbahn,
an der idealerweise ausschließlich das Signal mit einer
Frequenz im zweiten Frequenzband anstehen soll, die Einkopplung
von über das obere erste Antennenelement empfangenen elektromagnetischen
Wellen im ersten Frequenzband in die zweite Leiterbahn unterdrücken.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Antennen-Design ist es möglich,
direkt an den beiden Leiterbahnen die gewünschten Signale
abzugreifen, die somit bereits bezüglich ihrer Frequenz
voneinander getrennt sind. Ein Frequenzsplitter o. dgl., wie er
bei Mikrostrip-Antennen mit lediglich einem Abgriff erforderlich
ist, wird also nicht mehr benötigt. An die Leiterbahnen
lassen sich nunmehr direkt die erforderlichen elektrischen/elektronischen
Komponenten bzw. Bauteile für die auf den Leiterbahnen
anstehenden Signale der im Regelfall polarisierten empfangenen Wellen
anschließen.
-
Die
erfindungsgemäße Dual-Band-Antenne kann als Sende-
und/oder als Empfangsantenne für linear oder zirkular polarisierte
Wellen eingesetzt werden. Das Satellitensystem GALILEO arbeitet
mit rechtsdrehenden zirkular polarisierten Wellen. Die Komponenten
für zirkular polarisierte Wellen weisen zwei Eingangsanschlüsse
auf, weshalb die erfindungsgemäße Dual-Band-Antenne
für diesen Anwendungsfall über zwei erste Leiterbahnen
und zwei zweite Leiterbahnen verfügt, die, wie oben für
die erste und die zweite Leiterbahn beschrieben, mit den beiden
Antennenelementen elektrisch direkt verbunden bzw. elektromagnetisch
gekoppelt sind.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine
schematische Draufsicht auf eine Dual-Band-Antenne gemäß dem
Ausführungsbeispiel,
-
2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II der 1,
-
3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III der 1 und
-
4 eine
perspektivische Darstellung des Schichtenaufbaus der Dual-Band-Antenne
in Explosionsansicht.
-
1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Dual-Band-Antenne 10 für
zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen, wie sie beispielsweise Verwendung
in dem GALILEO-Satellitensystem finden kann. Die Dual-Band-Antenne 10 weist
einen Mehrschichtenaufbau aus elektrisch leitenden Schichten und
aus zwischen diesen angeordneten dielektrischen Schichten auf, wie
es in den Schnittansichten der 2 und 3 und
in der Explosionsdarstellung gemäß 4 näher
gezeigt ist.
-
Die
Dual-Band-Antenne 10 weist ein erstes bzw. oberes Antennenelement 12 auf,
die in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen quadratisch
ist und elektromagnetische Wellen in einem ersten Frequenzband empfängt.
Das obere Antennenelement 12 befindet sich auf einer dielektrischen
Schicht 14, unterhalb derer ein zweites unteres Antennenelement 16 angeordnet
ist. Auch das untere Antennenelement 16 weist eine im wesentlichen
quadratische Form auf. Beide Antennenelemente sind mittenzentriert übereinander
angeordnet.
-
Unterhalb
des unteren Antennenelements 16 befindet sich wiederum
eine dielektrische Schicht 18, die der elektrischen Isolation
des unteren Antennenelements 16 zu einer ersten oberen
elektrisch leitenden Masse- bzw. Erdungsschicht 20 dient.
Unterhalb dieser oberen Masseschicht 20 befindet sich eine
dielektrische Schicht 22, unterhalb derer eine Leiterbahnschicht 24 angeordnet
ist, die über eine weitere dielektrische Schicht 26 elektrisch
isoliert gegenüber einer weiteren unteren Masseschicht 28 ist.
Dieser Mehrschichtenaufbau entspricht grundsätzlich dem bekannten
Dual-Band-Antennen-Design unter Verwendung der Mikrostrip-Technologie.
-
Die
Leiterbahnschicht 24 weist zwei Leiterbahnpaare auf, wobei
das eine Paar zwei erste Leiterbahnen 30, 32 und
das andere Paar zwei zweite Leiterbahnen 34, 36 umfasst.
Diese Leiterbahnen sind in einer gemeinsamen Ebene, nämlich
der Leiterbahnschicht 24 angeordnet.
-
Die
ersten Leiterbahnen 30 und 32 sind mit dem oberen
Antennenelement 12 gekoppelt, während die zweiten
Leiterbahnen 34, 36 mit dem unteren Antennenelement 16 gekoppelt
sind. Damit steht also im Falle der Verwendung der Dual-Band-Antenne 10 als
Empfangsantenne an den ersten Leiterbahnen 30, 32 das
von dem oberen Antennenelement 12 empfangene Signal an,
während an den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 das
von dem unteren Antennenelement 16 empfangene Signal ansteht.
Hauptaspekt des Dual-Band-Anten nen-Designs ist es nun, dass die
beiden Kanäle (nämlich die ersten Leiterbahnen 30, 32 und
die zweiten Leiterbahnen 34, 36) ausreichend stark
gegeneinander getrennt sind und auf den beiden Kanälen
idealerweise ausschließlich die diesen Kanälen
zugeordneten Signale mit ihren Frequenzen anliegen.
-
Die
elektromagnetische Kopplung des unteren Antennenelements 16 mit
den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 erfolgt in
an sich bekannter Weise durch zwei Aussparungen 40, 42 in
der oberen Masseschicht 20, wobei die zweiten Leiterbahnen 34, 36 unterhalb
jeweils einer der beiden Aussparungen 40, 42 verlaufen
und diese durchqueren, wie es in den Figuren dargestellt ist. Damit
entsteht eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem unteren Antennenelement 16 und
den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 durch die Aussparungen 40 und 42 hindurch.
-
Unbeabsichtigerweise
ist aber nun auch das obere Antennenelement 12 durch die
Aussparungen 40 und 42 mit den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 elektromagnetisch
gekoppelt. Durch Leitungsanpasselemente 44, 45 (sogenannte
Impedance Matching Stubs) wird nun die Impedanz der zweiten Leiterbahnen 34, 36 an
die Impedanz des diesen zweiten Leiterbahnen zugeordneten unteren
Antennenelements 16 angepasst, was gewährleistet,
dass im wesentlichen keine von dem oberen Antennenelement 12 empfangenen
Signale in die zweiten Leiterbahnen 34, 36 eingekoppelt
werden.
-
Die
elektromagnetische Kopplung der ersten Leiterbahnen 30, 32 mit
dem ihnen zugeordneten oberen Antennenelement 12 erfolgt
erfindungsgemäß leitungsgebunden, und zwar mit
Hilfe zweier elektrischer Leiter 46, 48, die sich
in Richtung der Aufeinanderfolge der verschiedenen Schichten des Mehrschichtenaufbaus
durch diesen ausgehend von der Leiterbahnschicht 24 bis
zum oberen Antennenelement 12 erstrecken. Dabei sind die
beiden Leiter 46, 48 gegenüber der oberen
Masseschicht 20 und dem unteren Antennenelement 16,
die sie beide durchqueren, elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck
ist das untere Antennenelement 16 mit zwei Aussparungen 50, 52 und
die obere Masseschicht 20 ebenfalls mit zwei weiteren Aussparungen 54, 56 versehen, wobei
die beiden dem Leiter 46 zugeordneten Aussparungen 50, 54 und
die beiden dem Leiter 48 zugeordneten Aussparungen 52, 56 jeweils
miteinander fluchten.
-
In
die beiden elektrischen Leiter 46 und 48 wird
nun parasitär das von dem unteren Antennenelement 16 empfangene
Signal eingekoppelt und damit zu den ersten Leiterbahnen 30 und 32 weitergeleitet.
Diese ersten Leiterbahnen 30 und 32 sind in diesem
Ausführungsbeispiel mit Leitungsanpasselementen 58, 60 in
Form von λ/4 decoupling stub (wobei λ die ”guided
wave length” des zweiten Frequenzbandes ist, auf dem das
untere Antennenelement 16 empfängt) versehen,
so dass von dem unteren Antennenelement 16 eingekoppelte
Signale reflektiert werden und sich nicht über die ersten
Leiterbahnen 30, 32 ausbreiten können.
Zusätzlich weisen die beiden ersten Leiterbahnen 30, 32 weitere
Leitungsanpasselement 62, 64 zur Impedanzanpassung
(sogenannte impedance matching stubs) auf.
-
Das
zuvor beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Dual-Band-Antennen-Design
ermöglicht einen extrem kompakten Aufbau und insbesondere
keine zusätzliche Elektronik für die Aufteilung
der empfangenen Signale auf die beiden Frequenzbänder.
Die Trennung der Kanäle ist extrem gut; durch Simulationen
konnte gezeigt werden, dass die Isolation zwischen beiden Kanälen
bei 30 dB liegt.
-
Wie
in 1 angedeutet ist, können nun an die beiden
ersten Leiterbahnen 30 und 32 bzw. an die beiden
zweiten Leiterbahnen 34 und 36 elektrische bzw.
elektronische Komponenten/Bauteile 66, 68 (sogenannte
90° Hybrids) angeschlossen werden, wie es für
den Empfang (oder das Senden) von zirkular polarisierter elektromagnetischer
Wellen erforderlich ist. An den Ausgängen 70, 72 dieser
Komponenten 66, 68 lassen sich also dann die von
den beiden Antennenelementen 12, 16 empfangenen
Signale getrennt voneinander und schmalbandig zur Weiterverarbeitung
in einem Satellitenempfänger (bzw. Satellitensender) abgreifen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”DUAL
APERTURE-COUPLED MICROSTRIP ANTENNA FOR DUAL OR CIRCULAR POLARISATION”,
A. Adrian, D. H. Schaubert, ELECTRONIC LETTERS, 5. November 1987,
Vol. 23, No. 23 [0003]
- - ”Analysis of an Aperture Coupled Microstrip Antenna”,
Peter L. Sullivan, Daniel H. Schaubert, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS
AND PROPAGATION, Vol. AP-34, No. 8, August 1986. [0003]
- - ”A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupled
Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite”,
David M. Pozar, Sean M. Duffy, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,
Vol. 45, No. 11, November 1997 [0005]
- - ”Dual Circularly-polarized Stacked Patch Antenna
for GPS/SDMB”, Jun-Hwa Oh, Young-Pyo Hong, and Jong-Gwan
Yook, proceedings of the 2008 IEEE International Symposium an Antennas and
Propagation, July 2008 [0005]