DE102011117690B3

DE102011117690B3 - Patch-Strahler

Info

Publication number: DE102011117690B3
Application number: DE102011117690A
Authority: DE
Inventors: Nikola Dobric
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Continental Advanced Antenna GmbH
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-11-05

Abstract

Ein verbesserter Patch-Strahler zeichnet sich durch folgende zusätzliche Merkmale aus: – die Strahlerfläche (11) ist als ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche (11) ausgebildet, die um einen Ausnehmungsbereich (13) herum verläuft, die Strahlerfläche (11) ist auf die Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) übergehend verlängert, und – auf den Seitenflächen bzw. Seitenwänden (3c) ist eine mit der Strahlerfläche (11) galvanisch verbundene Seitenflächen-Strahlerstruktur (18) ausgebildet, die in Umfangsrichtung der Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) umfasst, zwischen denen elektrisch nicht-leitfähige Ausnehmungsbereiche (20) vorgesehen sind. – die Speisestruktur (15) ist im Bereich der Ausnehmung (13) der Strahlerfläche (11) vorgesehen, und (48) mit der Strahlerfläche (11) unter Bewirkung einer Phasenverschiebung verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Patch-Strahler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Patch-Strahler sind grundsätzlich hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2004 016 158 A1 .
Derartige Patch-Strahler umfassen bekanntermaßen ein dielektrisches Substrat mit einer Oberseite, einer Unterseite sowie umlaufenden Wandabschnitten, das heißt also Seitenflächen. Es handelt sich insoweit um einen dreidimensionalen Körper, der in den meisten Anwendungsfällen in Draufsicht quadratisch geformt ist. In diesem Fall ist auf der Oberseite eine geschlossene, ebenfalls quadratische Strahlerfläche ausgebildet, die über eine senkrecht dazu durch das gesamte Substrat verlaufende und von der Unterseite her zugeführte Speiseleitung gespeist wird.
Auf der Unterseite ist eine gegebenenfalls auch über die Außenkontur des Substrates überstehende Massefläche vorgesehen, wobei die Massefläche mit einer entsprechenden lochförmigen Ausnehmung versehen ist, durch die die erwähnte Speiseleitung bis auf die Unterseite der Massefläche hindurch verläuft, worüber die Speisung der Strahlerfläche erfolgt.
Patch-Strahler werden häufig als zirkular polarisierte Strahler und Antenneneinrichtungen verwendet.
Um zirkulare elektromagnetische Wellen empfangen zu können (oder auch senden zu können), insbesondere dann, wenn die Patch-Antenne beispielsweise zum Empfang von Satellitensignalen eingesetzt werden soll (beispielsweise als GPS-Antenne etc.), ist die in der Regel in Draufsicht quadratische Strahlerfläche mit in den Eckbereichen eingearbeiteten Diskontinuitäten versehen, sogenannten Fasen. Sie stellen sich als beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Ecken eingearbeitete dreieckförmige Abflachungen oder Ausnehmungen dar, worüber die Zirkularität der Patch-Antenne gebildet ist.
Schließlich ist es auch bekannt, eine Zirkularität beispielsweise durch zwei um 90° versetzt liegende und außerhalb der zentralen Mittelachse der Patch-Antenne vorgesehene Speisepunkte zu erzielen, an denen zwei versetzt zueinanderliegende Speiseleitungen enden. Denn durch eine entsprechende Phasenverschiebung bei der Einspeisung kann sichergestellt werden, dass zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen (wie erwähnt in der Regel durch Satellit ausgestrahlt) empfangen werden können.
Derartige zirkular polarisierte Patch-Antennen werden häufig – wie erwähnt – als GPS-Antennen eingesetzt, vor allem auch in Kraftfahrzeug-Antennen, neben einer Reihe weiterer Antenneneinrichtungen, beispielsweise zur Durchführung von Mobilfunkdiensten, Empfangen von Radioprogrammen etc..
Grundsätzlich besteht Interesse an GPS-Antennen, die einen möglichst kleinen Bauraum beanspruchen. Eine Verringerung der Größe herkömmlicher Patch-Antennen lässt sich aber nur durch entsprechende Wahl eines besonders geeigneten Substrats erzielen. In der Regel wird als Substrat Keramik verwendet, welches einen möglichst großen Wert für ε_r aufweisen sollte.
Ein gattungsbildender Patch-Strahler ist beispielsweise aus der US 2011/0 148 715 A1 bekannt geworden. Er umfasst ein quadratisches Substrat (Dielektrikum), auf dessen Oberseite eine elektrisch leitfähige Strahlerfläche ausgebildet ist. Die Strahlerfläche ist mittig mit einer ringförmigen Ausnehmung versehen. Gespeist wird die Strahlerfläche über eine am Außenrand der Strahlerfläche am Dielektrikum vorbeilaufende Speiseleitung.
Ein insoweit vergleichbarer Stand der Technik ist auch aus einem Ausführungsbeispiel der 5 in der FR 2 869 726 A1 als bekannt zu entnehmen.
Patch-Strahler, die verschiedene Geometrien aufweisen, sind auch aus der WO 2006/036 116 A1 als bekannt zu entnehmen. Es handelt sich dabei überwiegend um quadratische oder der quadratischen Form angenäherte Strahlerflächen, die im Inneren mit unterschiedlichst geformten Ausnehmungen versehen sind, beispielsweise in einer H-Form, in einer Doppel-Trapez-Form etc.. Gespeist wird über eine Speiseleitung, die vom äußeren Umfangsrand der Strahlerfläche ebenso wie von dem inneren Begrenzungsrand der in der Strahlerfläche eingearbeiteten Ausnehmung versetzt liegt.
Daneben sind auch andere Patch-Strahler und Patch-Strahler-Anordnungen bekannt geworden, die aber einen völlig unterschiedlichen Aufbau aufweisen.
So beschreibt beispielsweise die US 2011/0 012 788 A1 eine zirkular polarisierte Patch-Strahler-Anordnung, der keine ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche, sondern eine vom Grundaufbau quadratische Strahlerfläche aufweist, die mit einer Vielzahl von Schlitzen versehen ist. Jeweils ein Schlitz verläuft von der außen liegenden Ecke der Strahlerfläche in Richtung Zentrum. Daneben sind auf den Längsseiten schlitzförmige Ausnehmungen eingearbeitet, die zu größeren dazu versetzt liegenden Ausnehmungen führen. Letztendlich handelt es sich dabei um eine gefaltete Patch-Antenne mit Schlitzen, die dazu dient, die Antennegröße zu verringern. Die Zirkularität wird wie bei einer Patch-Antenne durch die erwähnten Diskontinuitäten an der Außenkontur bewerkstelligt. Durch die erwähnten Schlitze wird die Patch-Antenne aber insgesamt sehr schmalbandig.
Die WO 02/063 714 A1 zeigt demgegenüber sogenannte fraktale Antennen. Diese fraktalen Antennenstrukturen können eine geschlossene Strahlerfläche aufweisen. Gezeigt ist auch, dass die fraktale Struktur nicht nur am Außenumfang der Patch-Antenne, sondern auch in einem mittleren Ausnehmungsbereich ausgebildet sein kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Patch-Antenne und insbesondere eine zirkular polarisierte Patch-Antenne zu schaffen, die bezogen auf ihre Breitbandigkeit ein möglichst geringes Antennenvolumen aufweisen soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es muss als durchaus überraschend bezeichnet werden, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung es möglich geworden ist, das benötigte Antennenvolumen der erfindungsgemäßen Patch-Antenne gegenüber herkömmlichen Standard-Patch-Lösungen um bis zum 50% (oder sogar noch mehr) zu reduzieren. Umgekehrt kann bei gleichbleibender Größe der erfindungsgemäßen Patch-Antenne (verglichen mit einer herkömmlichen Standard-Patch-Antenne) die Breitbandigkeit der Antenne um etwa 50% erhöht und damit deutlich verbessert werden.
Dies wird im Rahmen der Erfindung u.a. dadurch möglich, dass die äußeren Seiten- oder Wandflächen des Tragkörpers, also des Substrats, ebenfalls für das Design der Antenne ausgenutzt werden. Mit anderen Worten wird die auf der Substrat-Oberseite befindliche Strahlerstruktur in Form eines ring- oder rahmenförmigen Strahlers auf die Seiten- oder Außenflächen des dreidimensionalen Substrates erweitert, wodurch sich das Volumen des Tragkörpers optimal ausnutzen lässt. Dadurch lässt sich ein sehr kompaktes Design der Antenne realisieren. Im Inneren der ring- oder rahmenförmigen Strahlerstruktur auf der Oberseite des Substrates ist dabei zudem eine spezifische Einspeisestruktur vorgesehen, mit der die Antenne als zirkular polarisierte Antenne betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Oberseite des Substrats befindliche Strahlerfläche vom Grundsatz her ring- und/oder rahmenförmig gestaltet ist, und zwar unter Bildung eines von diesem ring- und/oder rahmenförmigen Strahlerflächen-Struktur umgebenden Ausnehmungsbereichs. Unter dem Begriff ”ringförmige Strahlerstruktur” wird jede umlaufende oder rahmenförmige Strahlerstruktur verstanden, also auch Strukturen, die bei Draufsicht nicht zwangsläufig kreisförmig sein müssen, sondern beispielsweise auch einen quadratischen oder regelmäßigen n-polygonalen Rahmen bilden können etc..
Im Inneren dieser ring- und/oder rahmenförmigen elektrisch leitfähigen Strahlerfläche ist eine spezifische Anspeisungsstruktur vorgesehen, die zumindest zwei Einspeisepunkte aufweist, die außermittig am Übergangs- oder Verbindungsstellen elektrisch mit der ring- und/oder rahmenförmigen Strahlerflächen-Struktur verbunden sind, und zwar unter Ausbildung zweier Phasenschieberleitungen.
Durch die bevorzugt außermittige Anordnung wird das Prinzip eines ”Phasenschiebers” nachgebildet, worüber nämlich eine unterschiedliche Laufzeit vom Speisepunkt zu den jeweiligen Abschnitten (Anbindungsstellen) an der ring- und/oder rahmenförmigen Streifenleiter-Struktur geschaffen wird, wodurch die Zirkularität der Patch-Antenne erzeugt wird.
Die zudem vorgesehene Erweiterung des Strahlungsdesigns von der Substrat-Oberseite auf die Seitenwände, das heißt die Seitenflächen des Substrats, kann auf unterschiedliche Weise realisiert und strukturiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die auf den Seiten- oder Wandflächen des Substrats vorgesehene Strahlerstruktur eine Vielzahl von oben nach unten verlaufenden und in Umfangsrichtung der Seiten- oder Wandflächen versetzt zueinander liegende Strahlungsabschnitte. Diese von oben nach unten auf den Seitenwänden ausgebildeten oder verlaufenden Strahlungsabschnitte sind mit der auf der Oberseite des Substrats befindlichen Strahlungsfläche elektrisch-galvanisch verbunden. Allgemein gesprochen geht also die auf der Oberseite des Substrates befindliche Strahlungsfläche an den umlaufenden Seitenwänden des Substrats in nach unten in Richtung Massefläche verlaufende, beispielsweise fingerförmige Strahlungsabschnitte über, die in Umfangsrichtung des Substrats durch dazwischen befindliche elektrisch-galvanisch nicht-leitfähige Abschnitte zueinander beabstandet angeordnet sind. Diese mit der auf der Oberseite des Substrats vorgesehenen Strahlerfläche verbundenen und nach unten verlaufenden beispielsweise fingerförmigen Strahlungsabschnitte erstrecken sich bevorzugt in einer Teilhöhe des Substrats und damit in einer Teilhöhe der Seitenwände.
Die erwähnten Seitenstrahlerflächen-Abschnitte, die in die auf der Oberseite der Patch-Antenne befindliche Strahlerfläche übergehen, können für sich unterschiedlichste Formen aufweisen.
Möglich ist, dass die sich von oben nach unten erstreckenden elektrisch leitfähigen Abschnitte bei Seitenbetrachtung streifenförmig gestaltet sind und beispielsweise durch streifenförmige elektrisch nicht-leitfähige Abschnitte voneinander beabstandet sind. Dadurch ergibt sich eine meanderförmige oder ähnliche rechteckförmige Struktur.
Möglich ist auch eine wellenförmige umlaufende Struktur, wodurch nach unten vorstehende, bergförmige Erhebungen oder Vorsprünge und dazwischen obenragende Täler gebildet sind.
Diese Strukturen können bei Seitenbetrachtung aber auch beispielsweise dreieckförmig, trapezförmig etc. sein. Beschränkungen gibt es insoweit nicht.
Ein wesentlicher Grund für das erfindungsgemäße kompakte Design der Antenne liegt aber in der Ausnutzung der äußeren Flächen des Tragkörpers, also des Dielektrikums oder des Substrats. Denn die Strahlerfläche der Patch-Antenne wird quasi von der Oberseite des Substrates ausgehend in Richtung der umlaufenden Seitenflächen hin erweitert und dadurch vergrößert. Wie diese Erweiterung erfolgt und strukturiert ist, kann auf unterschiedlichste Arten und Weisen erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung wird dabei auch die Breitbandigkeit der erfindungsgemäßen Patch-Antenne gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verbessert, nämlich durch die Ausbildung einer Vielzahl von zusätzlichen Seitenstrahlungsflächen-Abschnitten, durch welche eine Begrenzungslinie für die elektrisch leitfähige Strahlerstruktur gebildet wird, deren Umfangslänge deutlich größer ist, als die eigentliche Umfangslänge der Struktur des Substrates. Zudem wird hierdurch auch der vertikal polarisierte Anteil des elektromagnetischen Feldes (terrestrischer Gewinn) verstärkt, da die mit der Strahlungsfläche in Verbindung stehenden und auf den Seitenwänden sich nach unten erstreckenden Seitenstrahlungsflächen-Abschnitte (die nachfolgend teilweise auch als fingerförmige Abschnitte bezeichnet werden) Kamm-ähnlich ausgebildet sind oder sein können, wobei diese vorstehenden Abschnitte dann wie kleine vertikale Strahlerelemente fungieren.
Durch diese Maßnahmen lässt sich also eine volumenmäßig deutlich kleinere Patch-Antenne bilden (verglichen mit herkömmlichen Lösungen) und/oder eine Patch-Antenne mit deutlich verbesserter Breitbandigkeit. So kann im Rahmen der Erfindung die Patch-Antenne auch gegenüber herkömmlichen Patch-Antennen in ihrer Größe verringert werden, und dies bei gleichzeitig verbesserter Breitbandigkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die von der (auf der Oberseite des Substrates vorgesehenen) Strahlerfläche ausgehende Seitenflächen-Strahlerstruktur in Form einer Metallisierung ausgebildet, die direkt auf den Seitenflächen bzw. Seitenwänden des Substrates ausgebildet bzw. vorgesehen ist. Alternativ ist es allerdings auch möglich, diese Seitenflächen-Strahlerstruktur im Abstand zu den Seitenflächen oder Seitenwänden des Substrates vorzusehen und zu positionieren, beispielsweise dadurch, dass eine separate Tragstruktur für diese Seitenflächen-Strahlerstruktur oder bevorzugt eine Seitenflächen-Strahlerstruktur in Form eines Metallblechs oder dergleichen verwendet wird. Bevorzugt ist dabei der gesamte Strahler aus einem derartigen Metallblech gebildet und kann beispielsweise auf der Oberseite des Substrates positioniert oder z. B. aufgeklebt oder aufgepresst werden. Diese Seitenflächen-Strahlerstruktur kann dann über den Rand bzw. über die Seitenwände oder Seitenflächen im Abstand überstehen und sogar im Gegensatz zu den gegebenenfalls rechtwinklig verlaufenden Seitenflächenabschnitten winklig dazu vorstehen, am unteren Ende gegenüberliegend zur Strahlerfläche abgewinkelt sein etc.. Vielfältige Abwandlung sind hier möglich. Beispielsweise auch mit mehrfach nach außen unterschiedlich weit vorstehenden gefalteten oder gebogenen oder gekanteten Seitenflächen-Strahlerstruktur-Abschnitten. In diesem Falle kann sogar die Speiseleitung aus dem Metallblech mit ausgestanzt und zur Strahlerfläche rechtwinklig nach unten durch das Substrat hindurch verlaufend abgewinkelt sein, wodurch Fertigungsvorteile realisierbar sind.
Im Rahmen der Erfindung wird zudem eine verbesserte Einspeisung vorgenommen.
Im Rahmen der Erfindung können dabei verschiedenst ausgebildete und mit unterschiedlichsten Geometrien versehene Anspeisestrukturen verwendet werden, die auf dem Prinzip der galvanischen oder aber auch auf dem Prinzip einer kapazitiven Einspeisung basieren.
Dabei ist es ebenso möglich, eine Anspeisung der Patch-Antenne nur über eine Speiseleitung oder beispielsweise über zwei um 180° versetzt liegende Speiseleitungen durchzuführen.
Zusammenfassend zeichnet sich also die erfindungsgemäße mit einer Ring- oder Rahmenstruktur versehene Antenne durch folgende Vorteile aus:

– Durch die erfindungsgemäße Antenne lässt sich die Abmessung des Trägerkörpers, also des Substrats reduzieren (Miniaturisierung der Antennen).
– Mittels der erläuterten Ring- und/oder Rahmenstruktur besteht zudem die Möglichkeit, auf andere Substrat-Materialien auszuweichen, die eine niedrigere Dielektrizitätskonstante besitzen. So können beispielsweise Kunststoffe verwendet werden. Kunststoff-Materialien sind in der Regel günstiger als Keramik-Materialien. Dies führt zu einer gewünschten Kostensenkung und Kostenersparnis.
– Zudem bietet der Einsatz von Kunststoffen einen weiteren Vorteil insoweit, als sie gute elektrische Eigenschaften mit einem niedrigen Verlustfaktor aufweisen. Zudem können Kunststoffe mit diesen Eigenschaften verwendet werden. Dadurch lässt sich die Leistung, die Bandbreite und der Gewinn der erfindungsgemäßen Antenne verbessern, wodurch eine deutliche Leistungssteigerung erzielbar ist.
– Schließlich ist die erfindungsgemäße Antenne trotz der verringerten Abmaße insgesamt gut handhabbar. Die Frequenz lässt sich durch die Bearbeitung der Außenflächen leicht einstellen, indem beispielsweise die Außenflächen gekürzt oder von außen in die Strahlerfläche verlaufende Schlitze eingebracht werden. Dies führt insgesamt zu einer guten Handhabung.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zudem möglich das Substrat zumindest teilweise boxenförmig zu gestalten, nämlich unter Ausbildung eines von unten her zugänglichen Innenraum. Dieser Innenraum kann dabei so groß dimensioniert sein, dass dort beispielsweise eine Leiterplatine mit entsprechenden elektrischen oder elektronischen Bauteilen vorgesehen sein kann, und zwar in beliebiger Höhe des so gebildeten Freiraums.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
1: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Patch-Antenne;
2: eine vertikale Schnittdarstellung parallel zu einer Seitenwand der in 1 gezeigten Patch-Antenne;
2a: eine entsprechende Darstellung zu 2, in der verdeutlicht ist, dass die Massefläche auf der Oberseite einer Leiterplatine ausgebildet und die Speiseleitung für die Patch-Antenne durch eine Ausnehmung in der Massefläche und eine Bohrung in der Leiterplatine bis zur Leiterplatinenunterseite geführt sein kann, wo sie elektrisch angeschlossen ist;
3a–3d: vier schematische Seitenansichten der Seitenwände des Substrats mit der darauf ausgebildeten unterschiedlichen Strahlungsstruktur;
4: eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der erfindungsgemäßen Patch-Antenne;
5a–5j: acht unterschiedliche Darstellungen einer möglichen Anspeisestruktur für die erfindungsgemäße zirkular polarisierte Patch-Antenne;
6: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine Patch-Antenne mit einem zylinderförmigen Substrat und einer darauf befindlichen ringförmigen Strahlerfläche;
7: ein zu 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer veränderten, verdoppelten Speisestruktur;
8: ein Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel gemäß 7;
9: eine zu 2 abgewandelte Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Patch-Antenne mit auf der Zentralachse 7 in Strahlrichtung zugewandt verlaufenden Seitenflächen;
10: ein zu 9 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei welcher die Seitenflächen des Substrats in Strahlrichtung von der Zentralachse 7 weg verlaufend gerichtet sind;
11: ein zu 1 und 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel in einer Vertikalquerschnittsdarstellung vergleichbar zu 2, bei welchem die Seitenflächen-Strahlerstruktur im Abstand zur Oberfläche der Seitenwand des Substrats vorgesehen ist;
12: ein nochmals zu 11 abgewandeltes Ausführungsbeispiel im Vertikalquerschnitt;
13: eine weitere Abwandlung zu 11 und 12 in einem vereinfachten Vertikalquerschnitt;
14: eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer aus einem Metallblech bestehenden Strahlerstruktur;
15: eine Querschnittsdarstellung durch die Ausführungsform gemäß 14;
16: eine räumliche Schnittdarstellung eines weiter abgewandelten Ausführungsbeispiels mit einem boxenförmig umgebenen Hohlraum innerhalb des Substrates;
17: eine Querschnittsdarstellung mit in dem Hohlraum integriert untergebrachter Leiterplatine in einer mittleren Höhe; und
18: eine Abwandlung aus 17, bei der eine Leiterplatine mit elektronischen Baugruppen an der oben liegenden Unterseite der Tragwand des Substrats angeordnet ist.
In 1 ist eine Patch-Antenne 1 von ihrem prinzipiellen Aufbau her gezeigt, und zwar in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung.
Es handelt sich dabei bevorzugt um eine zirkular polarisierte Patch-Antenne.
Die Patch-Antenne umfasst – wie sich auch aus der Querschnittsdarstellung gemäß 2 ergibt – einen dielektrischen Körper 3, der nachfolgend teilweise auch als Substrat bezeichnet wird.
Dieses dreidimensionale Substrat umfasst eine Oberseite 3a, eine Unterseite 3b und umlaufende Seitenwände 3c, die teilweise nachfolgend auch als Seitenflächen 3c bezeichnet werden.
Die Seitenwände bzw. Seitenflächen 3c sind im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Ober- bzw. Unterseite 3a, 3b des Substrats verlaufend ausgerichtet und damit parallel zur Zentralachse 7, die die Ober- und Unterseite des Substrates senkrecht und mittig durchsetzt.
Anstelle der Begriffe ”Seitenwände” bzw. ”Seitenwände” 3c wird zum Teil nachfolgend auch der Begriff Seitenflächen-Raum S verwendet, da – wie sich später noch zeigen wird – der weitere Strukturaufbau nicht mehr unmittelbar auf der Oberfläche der Seitenwände 3c, sondern auch im Abstand dazu vorgesehen sein kann.
Das Substrat kann aus einem geeigneten Material bestehen. Bevorzugt wird Keramik mit einem vergleichsweise niedrigen Wert für die Permittivität, das heißt die dielektrische Leitfähigkeit ε_r verwendet. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, als Substrat nicht nur zwingend Keramik, sondern auch bevorzugt Kunststoff zu verwenden, beispielsweise vor allem dann, wenn die Patchantenne zum Empfang von über SDARS ausgestrahlte Programme (insbesondere im nordamerikanischen Raum) oder zum Empfang von über GPS ausgestrahlte Positionsdaten dienen soll. Hierdurch lassen sich die Verluste minimieren. Die Werte für ε_r können beispielsweise bevorzugt zwischen 2 bis 20 variieren.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Oberseite 3a des Substrats (oder allgemein oberhalb der Oberseite 3a) eine elektrisch leitfähige Strahlerfläche 11 ausgebildet, beispielsweise in Form einer auf der Oberseite 3a vorgesehenen Metallisierung. Sollte die Metallisierung in Form eines Metallbleches ausgestaltet sein, so kann dieses auf der Oberseite des Substrats beispielsweise aufgeklebt oder aufgepresst werden, wodurch eine gute Fixierung erzielbar ist.
Zudem ist die Strahlerfläche 11 nicht als geschlossene Strahlerfläche ausgebildet, sondern ring- oder rahmenförmig gestaltet, das heißt in Form einer umlaufenden (geschlossenen) Strahlerfläche unter Ausbildung zumindest einer von der umlaufenden geschlossenen Strahlerfläche 11 umgebenden Ausnehmung 13, innerhalb derer eine nachfolgende, noch im weiteren Detail erörterten Anspeisestruktur 15 für die Strahlerfläche 11 vorgesehen ist.
Mit anderen Worten ist die ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche 11 so gebildet, dass sie um eine die Patch-Antenne in der Regel mittig durchsetzenden Zentralachse 7 umlaufend angeordnet ist, und zwar in einer Ebene, die in der Regel senkrecht zur Zentralachse 7 ausgerichtet ist.
Auf der Unterseite 3b des Substrats 3 oder unterhalb dieser Unterseite 3b ist eine – wie bei Patch-Antennen in der Regel üblich – Massefläche 17 ausgebildet, die ebenfalls in Form einer Metallisierung vorgesehen sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Massefläche 17 in Längs- und Querrichtung größer dimensioniert, als die Längs- und Querrichtung des Substrats, so dass die Massefläche 17 über die Seitenwände 3c des Substrats übersteht. Die Massefläche kann dabei aus einem Metallblech bestehen. Ebenso ist es möglich, dass die Massefläche 17 auch als Metallisierung ausgebildet ist, die bevorzugt auf der der Patch-Antenne 1 zugewandt liegenden Oberseite vorgesehen ist, wobei die Patch-Antenne 1 dann mit der Unterseite ihres Subtrates auf dieser auf der Leiterplatine LP ausgebildeten Metallisierung positioniert, beispielsweise aufgeklebt werden kann. Die Verwendung einer entsprechenden Leiterplatte ist beispielhaft in der Querschnittsdarstellung gemäß 2 und 2a zu ersehen. Die Massefläche 17 kann dabei aber auch ein Konstruktionsteil sein, auf welchem die bisher geschilderte Patch-Antenne ohne separate eigene Massefläche aufgesetzt wird, beispielsweise dadurch, dass die Patch-Antenne mit ihrem Substrat auf dem Karosserieblech eines Kraftfahrzeuges positioniert, beispielsweise aufgeklebt wird.
Aus der Darstellung gemäß 1 ist bereits zu ersehen, dass die erfindungsgemäße Patch-Antenne 1 an ihren umlaufenden Seitenwänden oder Seitenflächen 3c ebenfalls mit einer Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 versehen ist, die mit der Strahlerfläche 11 auf der Oberseite 3a des Substrats 3 elektrisch-galvanisch verbunden ist, im gezeigten Ausführungsbeispiel in diese Strahlerfläche 11 übergeht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 dabei aus einer Vielzahl von Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19, die mit ihren der Strahlerfläche 11 zugewandt liegenden Enden 19a mit der Strahlerfläche 11 elektrisch-galvanisch verbunden sind bzw. in die Strahlerfläche 11 übergehen. Das dazu gegenüberliegende Ende 19a läuft also von der Strahlerfläche 11 weg in Richtung Massefläche 17 und endet im Abstand dazu frei, das heißt allgemein ohne galvanische Kontaktierung mit der Massefläche 17.
Dadurch werden zwischen zwei benachbarten Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 elektrisch nicht leitende Ausnehmungsbereiche 20 gebildet, die sich zumindest in einer Teilhöhe der jeweiligen Seitenwand 3c erstrecken.
Hierdurch wird letztlich eine Gesamt-Strahlerfläche bzw. Gesamt-Strahlerstruktur 25 geschaffen, die sowohl die auf der Oberseite 3a des Substrats 3 befindliche Strahlerfläche 11 als auch die an den Seitenwänden oder Seitenflächen 3c befindliche zusätzliche Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 mit den zugehörigen mehreren Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19 umfasst. Unter Ausnutzung dieser äußeren Seitenflächen 3c des Substrates 3 lässt sich also die Gesamtfläche für die Strahlerstruktur vergrößern, ohne dass die Abmessungen der Patch-Antenne vergrößert werden müssen. Gleichzeitig wird aber nicht nur die gesamte Strahlerfläche durch diese Erweiterung auf den Seitenwänden vergrößert, sondern vergrößert wird vor allem auch die gesamte Begrenzungs- oder Umrisslinie 23, die die Gesamt-Strahlerfläche umgibt und durch die Grenzlinie definiert ist, die die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 von den Ausnehmungsbereichen 20 trennt.
Anhand des bis hierher beschriebenen Ausführungsbeispiels ergibt sich, dass die Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 unmittelbar auf der Oberfläche der umlaufenden Seitenflächen bzw. Seitenwände 3c des Substrats vorgesehen ist, was sich insbesondere dann anbietet, wenn die entsprechende Gesamt-Strahlerstruktur in Form einer metallisierten Fläche auf den entsprechenden Oberflächenbereichen ausgebildet ist, wodurch also die oben liegende Strahlerfläche 11 und die im umlaufende Bereich vorgesehenen Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 gebildet werden. Es wird aber bereits an dieser Stelle angemerkt, dass insbesondere die Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 auch in einem seitlichen Abstand zur jeweiligen Oberfläche der Seitenwände 3a vorgesehen sein kann, z. B. dann, wenn beispielsweise eins über die Seitenwände seitlich überstehende Tragkonstruktion verwendet wird, die beispielsweise nach Art einer nach unten hin offenen Box auf das Substrat aufgesetzt ist, so dass umlaufend vergleichsweise dünne Flanschabschnitte gebildet sind, die im Abstand zu den erwähnten Seitenwänden 3c des Substrates liegen, so dass auf diesen Flanschabschnitten die erwähnte Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 ausgebildet sein kann. Ebenso kann beispielsweise bevorzugt die gesamte Strahlerstruktur aus einem Metallblech hergestellt, gekantet, gebogen etc. sein, so dass die auf dem Substrat oben liegende Strahlerfläche 11 in eine Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 übergeht, deren Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 im Abstand zu der Oberfläche der Seitenwände 3c zu liegen kommen. Von daher wird allgemein auch davon gesprochen, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 nicht nur auf den Seitenflächen oder Seitenwänden 3c des Substrates direkt gebildet, sondern in dem Seitenflächen- bzw. Seitenwand-Bereich S vorgesehen sind, die also im Abstand vor den Seitenflächen oder Seitenwänden 3c liegen. Von daher wird, wie bereits erwähnt, teilweise auch vom Seitenflächen-Raum S gesprochen, in welchem die Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 vorgesehen und/oder ausgebildet ist. Dies wird später noch anhand weiterer Ausführungsbeispiele erläutert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1 erstrecken sich die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 in einer Teilhöhe 19' der Gesamthöhe H des Substrats 3, enden also in einem Abstand 27 vor der Unterseite 3b des Substrats.
Ebenso erstrecken sich die Ausnehmungsbereiche 20 zwischen zwei Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 in einer Teilhöhe 20' des Substrats 3 und enden in einem Abstand 29 unterhalb der Oberseite 3a des Substrats 3.
In 2 ist eine Querschnittsdarstellung wiedergegeben, bei welcher auf der linken Seite der Patch-Antenne der Schnitt durch einen nach unten verlaufenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 verläuft, nämlich in einer Teilhöhe 19' ausgehend von der oberen Strahlerfläche 11, wohingegen auf der rechten Seite der Schnittdarstellung ein Schnitt wiedergegeben ist, der durch einen Ausnehmungsbereich 20 hindurch verläuft, der sich in einer Teilhöhe 20' von der Massefläche 17 nach oben hin erstreckt, so dass der Ausnehmungsbereich in einem Abstand 29 vor der Oberseite 3a des Substrats 3 endet.
Durch die Gestaltung sind die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 an ihrem der Strahlerfläche 11 zugewandt liegenden Ende quasi über einen elektrisch leitfähigen Streifen 29 auf der Seitenwand 3c miteinander verbunden. Gleichermaßen sind die elektrisch nicht leitfähigen Ausnehmungsbereiche 20 über einen unten liegenden Streifen 33 miteinander verbunden, vor dem der nach unten vorstehende Bereich der Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 endet.
Von daher ergibt sich ein Überlappungsbereich 35, im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Teilhöhe 35a, in welchem die elektrisch leitfähigen Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und die Ausnehmungsbereiche 20 nebeneinander liegend ausgebildet sind.
Die Höhe 20' dieser Ausnehmungsbereiche 20 wie die Höhe 19' der Seitenstrahler-Abschnitte 19 und die Höhe 35' des Überlappungsbereiches 35 kann in weiten Bereichen unterschiedlich gewählt werden. Sie können sich über die gesamte Höhe der Seitenwände erstrecken oder nur über eine Teilhöhe. Beschränkungen bestehen insoweit nicht. Zudem können die Höhen und Teilhöhen für die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 sowie die Ausnehmungsbereiche 20 an verschiedenen Stellen auch unterschiedlich dimensioniert sein, so dass auch die verbleibenden Abschnitte 27, 29, 31, 33 an verschiedenen Stellen der umlaufenden Seitenwand 3c unterschiedliche Werte aufweisen können. Eventuell können die so gebildeten schlitzförmigen Ausnehmungen 20 auch bis zur Oberseite 3a des Substrats 3 reichen, ebenso wie die Höhe oder Länge der Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 zumindest bis fast zur Ebene der Massefläche 17 reichen können.
Die Breite der Vielzahl von Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19 wie auch die Breite der Ausnehmungsbereiche 20 kann in weiten Bereichen beliebig gewählt werden. Diese Breiten können auch in einem einzigen Ausführungsbeispiel variieren. Je geringer die Breiten werden, umso größer und damit länger wird die Begrenzungs-/Umrisslinie 23.
So können beispielsweise auf der gesamten Umfangsfläche 3c bzw. im Seitenflächen-Raum S bevorzugt 4 bis 16 Seitenstrahler-Abschnitte 19 und damit auch Ausnehmungsbereiche 20 aufeinanderfolgend, d. h. nebeneinander angeordnet sein. Bevorzugte Zahlen können zwischen 10 bis 50 oder 20 bis 40 liegen. Echte Einschränkungen gibt es nicht, wobei eine höhere Anzahl wie erwähnt zu einer Vergrößerung der Begrenzungs-/Umrisslinie 23 führt, was vorteilhaft ist. Von daher sind die vorstehend genannten Werte auch nur beispielhaft zu verstehen, d. h. ohne Einschränkung.
Ebenso können die Formen für die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 sowie die Ausnehmungsbereiche 20 unterschiedlich gewählt werden.
Durch die Schilderung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Patch-Antenne ergibt sich, dass der Hauptgrund für das kompakte Design der Antenne die Ausnutzung der äußeren Seitenflächen oder Seitenwände 3c des Tragkörpers 3 ist. Denn die auf der Oberseite 3a des Substrats befindliche Strahlerfläche 11 geht somit in Strahlerflächen-Abschnitte auf den Seitenwänden 3c über, wodurch die Gesamt-Strahlerfläche vergrößert wird.
Zudem wird durch die erläuterte Patch-Antenne der vertikal polarisierte Anteil des elektromagnetischen Feldes (terrestrischer Gewinn) verstärkt, da durch die im gezeigten Ausführungsbeispiel fingerförmigen Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 eine Kamm-ähnliche Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 geschaffen wird, bei der die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 als kleine vertikale Strahlerelemente fungieren.
Dazu ist die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1, 2 bzw. der Detaildarstellung gemäß 3a erwähnte Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 mit rechteckförmigen Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19 und dazwischen liegenden rechteckförmigen Ausnehmungsbereichen gestaltet, so dass sich eine meanderförmige Struktur, das heißt eine meanderförmige Begrenzungs- und/oder Umrisslinie 23 ergibt, worüber die rechteckförmigen Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 von den im Umfangsrichtung versetzt liegenden Ausnehmungsbereichen 20 getrennt sind.
Anhand von 3b ist nur schematisch gezeigt, dass die zur Gesamt-Strahlerfläche 25 gehörenden Abschnitte 19 und die Ausnehmungsabschnitte 20 auch durch eine Wellenstruktur, das heißt durch eine wellenförmig verlaufende Begrenzungs- oder Umrisslinie 23 voneinander getrennt sein können (diese Wellenlinie kann sinus- oder kosinus-förmig sein, oder einer anderen Wellenform folgen).
Anhand von 3c ist gezeigt, dass die Begrenzungslinie 23 zwischen beiden Abschnitten auch zickzack-förmig gestaltet sein kann.
Anhand von 3d soll nur gezeigt werden, dass die Begrenzungslinie 23 vom Grundsatz her jegliche Form annehmen kann, beispielsweise auch einer fraktalen Struktur folgen kann.
3d zeigt als weitere mögliche Ausführungsform, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und/oder die dazwischen befindlichen Ausnehmungsbereiche 20 eine fraktale Struktur aufweisen können, so dass eine dieser fraktalen Struktur folgende Begrenzungs-/Umrisslinie 23 zwischen den Abschnitten 19 und den Ausnehmungsbereichen 20 geschaffen wird. Insoweit sind die Gestaltungsmöglichkeiten für die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und die Ausnehmungsbereiche 20 vielfältig und unbegrenzt.
Aus den nur beispielhaft wiedergegebenen Zeichnungen ergibt sich, dass die Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 eine Vielzahl von Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und/oder elektrisch nicht-leitfähige Ausnehmungsbereiche 20 aufweisen kann, die von der Strahlerfläche 11 in Richtung Massefläche 17 finger-, zungen-, rechteck-, dreieck-, trapez-, kamm- oder wellenförmig oder -ähnlich verlaufen oder beispielsweise nach Art von fraktalen Strukturen gebildet sind. Entsprechend wird die Begrenzungs- und Umrisslinie 23 durch diese Ausgestaltung größer, das heißt größer als der reine Umfang des Substrates 3 über seine Seitenwände hinweg.
Das erläuterte Ausführungsbeispiel zeigt also, dass sich die ring- oder strahlerförmige Strahlerfläche 11 letztlich auf die Außenflächen des Substrates 3, das heißt auf die umlaufenden Seiten- oder Wandflächen 3c erweitern lässt, wodurch das Volumen des Substrates 3 optimal ausgenutzt wird. Dadurch lässt sich ohne Volumenvergrößerung die Gesamt-Strahlerfläche 25 vergrößern. Durch die zusätzlich gewählten Ausnehmungen oder Schlitze 20 zwischen zwei entsprechenden in Richtung Massefläche 17 vorstehenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 kann letztlich der Umfang der ring- oder rahmenförmigen Gesamt-Strahlerstruktur, vor allem auch die gesamte Länge der Begrenzungs- und Umrisslinie 23 weiter vergrößert werden, so dass sich dadurch das Volumenmaterial des Substrates um bis 50% reduzieren und/oder die Breitbandigkeit um bis zu 50% erhöhen lässt.
Anhand der 1 bis 3d ist gezeigt worden, dass das kompakte Design der erfindungsgemäßen Antenne nicht nur durch Ausnutzung der äußeren Seitenfläche 3c des Tragkörpers oder Substrates 3 verbessert werden kann, sondern allgemein die Vergrößerung der Gesamt-Strahlerstruktur durch unterschiedlichste Maßnahmen und Geometrien an den Seitenflächen oder Seitenwänden 3c erfolgen kann. Zudem lässt sich bei den Varianten gemäß 3a bis 3d (die nur beispielhaft gezeigt sind) der vertikal polarisierte Anteil des elektromagnetischen Feldes (terrestrischer Gewinn) verstärken, da die fingerähnlichen Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 in ihrer Gesamtheit Kamm-ähnlich wirken, also wie kleine vertikale Strahlerelemente fungieren.
Nachfolgend wird noch auf die erfindungsgemäße Speisestruktur der erläuterten Patch-Antenne eingegangen.
Wie insbesondere aus 1 zu ersehen ist, besteht die Speisestruktur 15 aus einem Viertelkreis-Umfangsstreifen 51, wobei hier außermittig der Einspeisungspunkt 53 gezeigt ist, an welchem die Antennenspeiseleitung 42 (Innenleiter) endet, die eine entsprechende Bohrung 3d im Substrat 3 sowie eine entsprechende Bohrung 17a in der Massefläche 17 durchsetzt. Die Speiseleitung 42 kann dabei die Verlängerung eines Innenleiters 43' einer koaxialen Speiseleitung 43 sein, deren Außenleiter 43'' mit der Massefläche 17 elektrisch-galvanisch verbunden ist. Der erwähnte Viertelkreis-Umfangsstreifen 51 stellt dabei allgemein eine Phasenschieber-Einrichtung in Form einer Phasenschieber-Leitung 47 dar.
Bevorzugt ist die Ausführungsform jedoch so, dass die beschriebene und gezeigte Patchantenne auf einer Leiterplatine LP positioniert und angeschlossen wird, auf deren Oberseite (also der Unterseite 3b des Substrates 3) zugewandt liegend eine metallisierte Fläche vorgesehen bzw. ausgebildet ist, die als Massefläche 17 wirkt. Von daher kann die in 1 gezeigte Massefläche 17 als eine entsprechend metallisierte Fläche auf der Oberseite einer gegebenenfalls noch größer dimensionierten Leiterplatine vorgesehen sein. Im Bereich der Speiseleitung 42 ist diese metallisierte Fläche mit einer Ausnehmung versehen, in deren Bereich die Leiterplatine mit einer Bohrung ausgestattet ist, durch die hindurch die Speiseleitung 42 bis zur Unterseite der Leiterplatine geführt und dort elektrisch angeschlossen, insbesondere verlötet ist. Die entsprechende Bohrung in der Leiterplatine kann insoweit auch als Durchkontaktierung ausgebildet sein, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass hier keine Verbindung mit der Massefläche hergestellt wird. In diesem Fall liegt also keine koaxiale Anschlussleitung vor.
In 2a ist insoweit eine zu 2 entsprechende Darstellung wiedergegeben, in der auch die Leiterplatine LP mit dargestellt ist.
Durch die außermittige Anordnung des Einspeisepunkts 53 ergeben sich in der Phasenschieberleitung 47 zwei unterschiedlich lange Koppelleitungen 47' und 47'', die im gezeigten Ausführungsbeispiel mittig am Innenrand 11a der ring- oder rahmenförmigen, also umlaufend geschlossenen Strahlerfläche 11 enden und hier bevorzugt an mittigen Kontaktstellen 48 in die Strahlerfläche 11 bevorzugt übergehen (wobei die mittige Anbindung der Koppelleitungen 47', 47'' bezogen ist auf die betreffende Länge der jeweiligen Innenseite 11a, der in diesem Ausführungsbeispiel quadratisch geformten Ausnehmung). Durch die unterschiedlichen Längen der sogebildeten Koppelleitungen 47', 47'' kann durch die unterschiedliche Laufzeitlänge in der so gebildeten Phasenschieber-Leitung 47 die gewünschte Phasenverschiebung eingestellt werden, beispielsweise von 90°. Dadurch lässt sich die zirkulare Polarisation für die Patch-Antenne erzielen.
Durch die beschriebene Konstruktion mit der vorliegenden Ring- oder Rahmenstruktur für die Strahlerfläche 11 wird über den erläuterten Einspeisepunkt 53 in Abweichung zu Standard-Patch-Antennen die erwünschte Zirkularität nicht über Diskontunitäten (Fasen) erzeugt, sondern durch die erzeugte Phasenschieber-Leitung 47. Dieser Umstand bringt unter anderem den Vorteil mit sich, dass sich dadurch die ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche 11 auf die Außenflächen oder Seitenwände 3c erweitern lässt, wodurch das Volumen des Trägerkörpers, das heißt des Substrats 3, optimal ausgenutzt werden kann. Durch die erwähnte Seitenflächen-Strahlerstruktur 18 mit den Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19 und den Ausnehmungsflächen 20 kann der Umfang der ring- und/oder rahmenförmigen Gesamt-Strahlerfläche 25 nochmals weiter vergrößert werden, wodurch das Volumen des Trägermaterials – wie bereits erwähnt – um bis zu 50% reduziert werden kann.
Die erläuterte Speisestruktur 15 mit der Phasenschieberleitung 47, das heißt den Koppelleitungen 47', 47'' sind (ebenso wie bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen) auf der Oberseite 3a des Substrates 3 vorgesehen oder ausgebildet, oder oberhalb davon, in der Regel also auf der gleichen Ebene, in der auch die ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche 11 liegt oder angeordnet ist.
Anhand von 4 ist zudem noch ein Ersatzschaltbild ergänzend wiedergegeben, welches die ring- oder rahmenförmige Struktur der Gesamt-Strahlerfläche 25 andeutet, wobei sich durch die auf den Seitenwänden 3c ausgebildeten und abwechselnd aufeinander folgenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und den Ausnehmungsbereichen 20 eine ring- oder rahmenförmige Strahlerstruktur ergibt, die durch abwechselnd aufeinander folgende Serieninduktivitäten 39 und Serienkapazitäten 41 definiert ist.
Eine so aufgebaute erfindungsgemäße Patch-Antenne kann unter Auswahl geeigneter Materialien entsprechend dimensioniert werden. Beispielhaft kann die Patch-Antenne durch folgende Materialien und Maße definiert sein:
Außenabmaße: 25 mm × 25 mm × 6 mm
Schlitz- oder Ausnehmungsbreite (für die Abschnitte 20): 1,5 mm
Höhe des Überlappungsbereiches 35: 3,6 mm
Breite der Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19: 2 mm
Abstand Zentralachse 7 zum Einspeisepunkt 53: 4 mm
Breite der Phasenschieberleitung 47 bzw. der Koppelleitungen 47', 47'': 2 mm
Seitenlänge der Ausnehmung 13: 14 mm × 14 mm
Material Substrat: Kunststoff PPS ε_r = 3,2
tan(δ) = 0,0007
Natürlich kann von diesen Werten in weiten Bereichen abgewichen werden. So können Abweichungen von vorzugsweise weniger als 50%, insbesondere weniger als 40%, weniger als 30%, weniger als 20% und insbesondere weniger als 10% ebenfalls zu vorteilhaften Ausführungsformen führen. Die entsprechenden vorstehend genannten Werte können aber nach oben hin noch beliebig größer sein, so dass Abweichungen in einer Größenordnung von bevorzugt weniger als 60%, weniger als 70%, ..., weniger als 90% und insbesondere weniger als 100% (unter mehr) ebenso möglich sind.
Bezüglich des ε_r-Wertes für den Kunststoff können diese Abweichungen insbesondere nach oben hin einen vielfachen Wert aufweisen (Beschränkungen bestehen insoweit grundsätzlich nicht). So können die Werte für ε_r beispielsweise bevorzugt zwischen 2 und 20 liegen. Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Patch-Antenne zum Empfang über SDARS ausgestrahlte Programme verwendet werden soll, eigenen sich besonders Werte für ε_r, die zwischen 2 und 10 liegen und dabei das Substrat bzw. die Patch-Antenne und damit die umliegenden Strahlerfläche eine Abmessung von 15 mm × 15 mm bis 30 mm × 30 mm aufweist.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Antenne beispielsweise zum Empfang von GPS-Signalen eingesetzt werden soll, kann ein Substrat mit einem Material verwendet werden, welches bevorzugt Werte für ε_r zwischen 10 und 20 aufweist. Hier ergeben sich geeignete Patch-Antennen-Größen, d. h. Abmessungen für das Substrat in Draufsicht, welche beispielsweise zwischen 15 mm × 15 mm bis 25 mm × 25 mm liegen können. Zwischen diesen Werten sind beliebige unterschiedliche Größenordnungen in jeweils 1 mm-Schritten ebenso möglich und umsetzbar.
Anhand der nachfolgenden 5a bis 5h sind nunmehr unterschiedliche Speisestrukturen 15 in schematischer Draufsicht wiedergegeben, wie sie beispielsweise für die in 1 gezeigte (in Draufsicht) quadratisch gebildete Patch-Antenne (1) verwendet werden können.
Bei der Variante gemäß 5a ist schematisch jene Speisestruktur 15 wiedergegeben, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zu ersehen ist.
Anhand der weiteren Darstellung gemäß 5b bis 5j folgend, sind hierzu Abwandlungen gezeigt, die allesamt nur verdeutlichen, dass vielfach andere Strukturen ebenso möglich sind.
Bei der Variante gemäß 5b wird anstelle eines Viertelteilkreises für die Phasenschieberleitung 47 mit den beiden Koppelleitungen 47', 47'' eine rechtwinklige Leitungsstruktur vorgeschlagen, wobei der erwähnte Einspeisungspunkt 53 nicht im Eckbereich (der von der Zentralachse 7 durchsetzt wird), also am Übergangsbereich der Leitungsschenkel, sondern versetzt zum Eckbereich in einem Leitungsschenkel angeordnet ist, wodurch sich wieder unterschiedlich lange Koppelleitungen 47', 47'' zu dem mittigen Einspeisungspunkt 53 am Innenrand 11a der Strahlerfläche 11 ergeben.
Bei der Variante gemäß 5c ist ein 270° umschließender elektrisch leitfähiger Speisering als Phasenschieberleitung 47 gewählt, dessen vom Einspeisepunkt 53 letztlich ausgehenden Koppelleitungen 47', 47'' an zwei um 90° versetzt liegende Kontaktstellen 48 an der Innenseite 11a der ring- oder rahmenförmigen Strahlerfläche 11 enden und hierüber mit der Strahlerfläche 11 verbunden sind. Die Einspeisung erfolgt dabei vom Einspeisepunkt 53 (der zentral angeordnet ist und durch den hindurch die Zentralachse 7 verläuft) über einen ersten gemeinsamen radialen Einspeiseschenkel 57, der dann von einer zur Zweigungsstelle 57' in die beiden erwähnten gegensinnig verlaufenden Koppelleitungen 47 übergeht.
Bei der Variante gemäß 5d sind rechteckig verlaufende Koppelleitungen 47', 47'' mit mehreren Abwinkelungen gezeigt, wobei die Breite der Koppelleitung und die Länge wieder so unterschiedlich gewählt sind, dass ein Phasenversatz von 90° bezüglich der Speisung erzielbar ist.
Bei der Variante gemäß 5e ist ein komplexerer Aufbau gezeigt, und zwar mit in sich verzweigten Koppelleitungen 47', 47'', wobei vom Einspeisepunkt 53 die beiden Koppelleitungen 47', 47'' in bekannter Weise über mehrere Abwinklungen zu den Verbindungsstellen 48 an der Innenseite 11a der Strahlerfläche 11 führen. Über zwei zusätzlich senkrecht zueinander stehenden Verbindungsabschnitte 47a, 47b sind die Verbindungsstellen 48 nochmals miteinander galvanisch verbunden, wie aus 5e unmittelbar zu entnehmen ist.
Anhand von 5f ist wiedergegeben, dass im Gegensatz zu der Darstellung gemäß 5e auch eine kapazitive Anspeisung möglich ist, indem die beiden Koppelleitungen 47', 47'' der Phasenschieberleitung 47 von der Strahlerfläche 11 galvanisch getrennt sind. Die beiden senkrecht zueinander und senkrecht zu den Seitenbegrenzungen des Substrates 3 wie der Strahlerfläche 11 verlaufenden Koppelleitung 47', 47'' sind dabei parallel zu zwei Verbindungsleitungen 47a, 47b ausgerichtet, die ebenfalls senkrecht und parallel zu den Koppelleitungen 47', 47'' angeordnet sind, und dabei jeweils an einer Verbindungsstelle 48 mit der Strahlerfläche 48 und an ihrem gegenüberliegenden Ende miteinander verbunden sind. Durch die parallele Anordnung dieser Verbindungsleitungen 47a, 47b erfolgt die kapazitive Kopplung zu den eigentlichen Koppelleitungen 47', 47'' der dadurch gebildeten Phasenschieberleitung 47. Der Einspeisepunkt 53 ist hier ebenfalls wieder bezogen auf die Gesamtlänge der Phasenschieberleitung 47 außermittig angeordnet, um bei dieser Anordnung wiederum eine 90° Phasenverschiebung an den Einspeisestellen 48 zu erzielen, die um 90° versetzt liegend an der Innenseite 11a der Strahlerfläche 11 vorgesehen ist, wie bei den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen auch. Die erläuterte kapazitive Anbindung an die ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche 11 bzw. die ring- und/oder rahmenförmige Gesamt-Strahlerfläche 25 bewirkt zudem eine Neigung der Gewinnkeule um etwa 9° bis 11°. Insbesondere bei geneigten Fahrzeugdächern kann dies von Vorteil sein, um eine konstruktive Schieflage, in der sich die Antenne befindet, auszugleichen.
Das gleiche gilt grundsätzlich für die Darstellung gemäß 5g, wobei hier die Anspeisestruktur einen geschlossenen rechteckförmigen Rahmen wiedergibt, wobei vom Einspeisepunkt 53 wiederum zwei Koppelleitungen 47', 47'' zu zwei um 90° versetzt liegenden Kontaktstellen 48 führen, worüber die elektrische Verbindung mit der Strahlerfläche 11 gegeben ist. Die beiden Kontaktstellen 48 sind dabei über eine weitere Verbindungsleitung 47a, 47b nochmals miteinander verbunden (ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 5e, wobei die zusätzlichen Verbindungsleitungen 47a, 47b quasi mit ihrer Ecke nach innen gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 5g umgelegt sind).
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5h baut auf der Variante gemäß 5g auf und zeichnet sich über zwei mittig und über Kreuz verlaufende zusätzliche Verbindungsleitungen 47a, 47b aus, worüber die Koppelleitungen 47' und 47'' zusätzlich miteinander und mit den Kontaktstellen 48 verbunden sind.
Anhand von 5j und 5g ist nur schematisch gezeigt, dass die Kontur des Substrates sowie der Strahlerfläche 11 nicht übereinstimmen muss mit der innenliegenden Kontur der Ausnehmung 13. So ist beispielsweise in 5i in Draufsicht ein quadratisches Patch 11 mit quadratischem Substrat 3 gezeigt, welches eine kreisförmige Begrenzungskante für die Ausnehmung 13 aufweist. Die Phasenschieberleitungen 47 sind dabei rechtwinklig mit zwei um 90° versetzt endenden Schenkeln wiedergegeben.
Bei der Darstellung gemäß 5j ist das Patch und die Strahlerfläche 11 kreisförmig gestaltet, wohingegen die Begrenzungskante der Ausnehmung 13 quadratisch gebildet ist. In diesem Falle ist die Phasenschieberleitung teilkreisförmig (nach Art eines 90°-Teilkreises) gebildet. Dies soll nur zeigen, dass hier die unterschiedlichsten Kombinationen und Varianten möglich sind.
Anhand von 6 soll nur schematisch wiedergegeben werden, dass auch die Geometrie der Patch-Antenne und des Substrates mit der Strahlerfläche (in Draufsicht) nicht zwangsläufig quadratisch sein muss, sondern auch abweichende Formen aufweisen kann. Allgemein wird ein regelmäßiges Polygonal bevorzugt.
Anhand von 6 ist gezeigt, dass das Substrat 3 beispielsweise zylinderförmig und die darauf befindliche Strahlerfläche 11 sowie die innenliegende kreisförmige Ausnehmung 13 kreisförmig gebildet sein können. Auch hier sind von einer außermittigen Speiseleitung 42 – die an dem Einspeisepunkt 53 der Phasenschieberleitung 47 endet – ausgehend mit 90°-Versatz zwei Koppelleitungen 47', 47'' vorgesehen, die mit den ringförmigen (allgemein rahmenförmigen) umlaufenden Streifen der Strahlerfläche 11 an den Anbindungsstellen 48 galvanisch verbunden sind, um eine 90° Phasenverschiebung zu erzeugen und damit die Patch-Antenne ebenfalls, wie in den anderen Ausführungsbeispielen gezeigt, als zirkular polarisierte Patch-Antenne betreiben zu können.
In diesem Falle ist noch ein dritter der Anbindung und Kopplung dienender Radialarm 47c ausgebildet, das heißt ein elektrisch leitfähiger Streifenabschnitt 47c, der symmetrisch zu den beiden Koppelleitungen mit der Strahlerfläche 11 verbunden ist und in einem bevorzugt geringen Abstand 47c zu der einen, in diesem Ausführungsbeispiel längeren Koppelleitung 47'' endet, die bis zum Einspeisepunkt 53 führt (also zwei rechtwinklig zueinander stehende Koppelabschnitte aufweist), wobei die zweite Koppelleitung 47' wiederum radial verlaufend bis zur Verbindungsstelle der ringförmigen Strahlerfläche 11 führt.
Eine so gebildete Patch-Antenne kann beispielsweise folgende Werte aufweisen:
Außenradius des Substrates/der Strahlerfläche 11 (von der Zentralachse 7 gemessen): 15 mm
Innenradius 11a für die Ausnehmung 13: 8,2 mm
Gesamthöhe des Substrates 6,4 mm
Abstand des Einspeisepunktes 53 bis zur Zentralachse 7: 4,5 mm
Höhe der Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 im Überlappungsbereich 35: 4,6 mm
Breite der Ausnehmung 20: 2 mm
Schlitzbreite 47'c zwischen dem dritten Streifenabschnitt 47c und der ersten Koppelleitung 47': 7,2 mm
Breite der Koppelleitung 47', 47'': 2 mm
Material des Substrates: Kunststoff PS mit einem Wert ε_r = 2,5
tan(δ) = 0,0001
Auch hier können entsprechende Abweichungen vorgesehen sein, wie sie beispielsweise bereits weiter oben hinsichtlich eines in der Grundform quadratischen Substrates oder einer in der Draufsicht quadratischen Patch-Antenne beschrieben sind. Das Gleiche gilt für die Werte von ε_r. Anstelle der weiter oben genannten Bemaßungen der quadratischen Grundform gelten diese Maßangaben für das vorliegende Ausführungsbeispiel für den Durchmessen.
Nachfolgend wird auf 7 Bezug genommen, in welcher in Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 bis 6 eine veränderte Speisestruktur gezeigt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist neben einer Phasenschieberleitung 47 mit den beiden Koppelleitungen 47' und 47'' auch ausgehend vom Einspeisepunkt 53 noch eine zweite Phasenschieberleitung 147 vorgesehen, und zwar mit einem zweiten Einspeisepunkt 153, wodurch zwei weitere Koppelleitungen 147', 147'' gebildet sind, wobei diese Phasenschieberleitung 147 mit dem Einspeisepunkt 153 im Sinne einer 180° Rotationssymmetrie symmetrisch zur Zentralachse 7 bezüglich der ersten Phasenschieberleitung 47 mit dem dortigen Speisepunkt 53 angeordnet und an den Verbindungsstellen 148 an die Strahlerfläche 11 angebunden ist.
In 8 ist dazu wiederum das Ersatzschaltbild gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 und 8 werden die beiden Einspeisepunkte 53 und 153 über einen 180°-Hybrid-Phasenschieber 253 gespeist. Durch diese Art der Einspeisung kann die Bandbreite zusätzlich gesteigert werden. Des weiteren wird die Richtcharakteristik der Antenne symmetrisch. Es kommt hierbei nicht mehr zu einer Schieflage der Gewinnkeule. Die Gesamtspeisung des 180°-Hybrid-Phasenschiebers 253 erfolgt dabei über einen Innenleiter 43''' einer entsprechenden Speiseleitung 43. Das Prinzip ist dabei vergleichbar zu dem Ersatzschaltbild gemäß 4.
Bei der erläuterten Variante erfolgt also die Einspeisung bzgl. jedes Einspeisepunktes mit der zugehörigen Phaseschieberleitung 47 bzw. 147 um 90° versetzt liegend bzgl. der umlaufenden Strahlerfläche 11. Sowohl bei der Variante gemäß 4 wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 müssen die über einen Einspeisepunkt 53 bzw. 153 ausgehenden Koppelleitungen 47', 47'' bzw. 147', 147'' unter Bildung der jeweiligen Phasenschieberleitung 47 bzw. 147 nicht um 90° versetzt liegend zu jeweils einem Paar Einspeisepunkten 48 bzw. 148 führen. Hier ist anstelle eines 90°-Winkelversatzes bezogen auf die Vertikal- oder Symmetrieachse 7 bzw. auch ein 45°-Winkelversatz, eine 30°-Winkelversatz oder beispielsweise eine 67,5°-Winkelversatz möglich, wenn eine entsprechende Phasenverschiebung über die jeweils zugehörigen Koppelleitungen 47', 47'' bzw. 147', 147'' gewählt wird. In jedem dieser Fälle kann grundsätzlich eine zirkular polarisierte Welle gesendet oder empfangen werden.
Anhand von 9 ist in Abweichung zur 2 eine Querschnittsdarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels beispielsweise für einen in Draufsicht quadratischen oder zylinderförmigen Patch-Strahler 1 wiedergegeben, der von der Gesamtform her kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig gestaltet ist, also mit Seitenwänden 3c, die nicht senkrecht zur Ober- bzw. Unterseite 3a, 3b des Substrates 3 und damit senkrecht zur Strahlerfläche 11, sondern geneigt dazu verlaufen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Seitenwände in einem Winkel α gegenüber der Zentralachse 7 geneigt (wobei der Winkel α zwischen der Basisfläche oder Unterseite 3b des Substrats 3 und der vertikalen durch die Symmetrie- oder Zentralachse 7 führende Schnittebene durch die Seitenwände oder Seitenflächen 3c gebildet ist. Auf diesen nunmehr geneigten Seitenflächen 3c sind die entsprechend vielfach erörterten Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 und die dazwischen befindlichen Ausnehmungsbereiche 20, die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.
Der Winkel α kann in weiten Bereichen differieren. Er sollte allerdings größer als 0° sein, da ansonsten quasi kein dreidimensionales Substrat vorliegt, sondern die Gesamt-Strahlerflächenstruktur nur in einer Ebene liegen würde. Werte für α von mehr als 10°, insbesondere mehr als 20°, mehr als 30°, mehr als 40°, mehr als 50°, mehr als 60°, mehr als 70° und mehr als 80° sind von daher wünschenswert. Bevorzugt beträgt dieser Winkel α 90°.
Die Werte könnten theoretisch auch um über 90° ansteigen, wie dies schematisch anhand der leicht abgewandelten Querschnittsdarstellung gemäß 10 wiedergegeben ist. Die Struktur des Substrates ist dabei zu der gemäß 9 quasi auf dem Kopf stehend ausgebildet, wobei gleichwohl die Strahlerfläche 11 auf der Oberseite 3a vorgesehen ist. Die Seitenwände 3c sind dann umgekehrt geneigt zu dem Ausführungsbeispiel nach 9. Auch in diesem Fall sollte der Winkel α bevorzugt kleiner als 180° sein, um tatsächlich ein dreidimensionales Substrat zu bilden. Werte von kleiner als 170°, insbesondere kleiner als 160°, 150°, 140°, 130°, 120°, 110° und insbesondere 100° sind bevorzugt.
Nachfolgend wird noch anhand dreier schematischer vertikaler Querschnittdarstellungen vergleichbar jener nach 2 bzw. 2a gezeigt, dass die Strahlerstruktur insgesamt beispielsweise auch unter Verwendung eines Metallbleches gebildet sein kann, deren Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 im Abstand vor den Oberflächen der Seitenwände 3c liegen.
Dabei ist bei der Variante gemäß 11 ein Blech verwendet worden, das entsprechend gestanzt wurde, so dass der oben liegende Abschnitt der Strahlerfläche 11 beispielsweise unter Verwendung einer Klebeschicht oder eines doppelseitig klebenden Klebebandes auf der Oberfläche 3a des Substrats aufgeklebt werden kann. An einer umlaufenden Kante 61 sind dann die entsprechenden vorher ausgestanzten Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 dann nach unten umgebogen worden, so dass diese Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 in den Seitenflächen- bzw. Seitenwänden-Bereichen S zu liegen kommen, nicht aber unmittelbar auf der Oberfläche der Seitenwände 3c ausgebildet oder positioniert sind.
Der in 11 gezeigte Seitenabstand A kann in weiten Bereichen beliebig gewählt werden. Dabei kann die Abwinklung der Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 auch unterschiedlich erfolgen, so dass diese Abschnitte nicht zwingend in einem 90°-Winkel zu dem oberen Strahlerflächenabschnitt 11 ausgerichtet sein müssen, wie dies anhand von 11 für zwei weitere Bespiele strichliert dargestellt ist, indem die Seitenwandabschnitte schräg verlaufend ausgebildet sind, nämlich in einem Winkel α vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach 9.
In derer Variante gemäß 12 ist nur gezeigt, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 in den Seitenflächen- bzw. Seitenwänden-Raum S auch noch mit zumindest einer weiteren beispielsweise gegenüber der Masseflächen unten liegenden Abwinklung 19b versehen sein können, die parallel oder schiefwinklig zur Massefläche verläuft und mit ihrem freien Ende auf oder im Abstand zu den Seitenwänden bzw. Seitenflächen 3c enden.
Anhand von 13 ist im vergleichbaren vertikalen Querschnitt dargestellt, dass die in dem Seitenflächen- bzw. Seitenwänden-Raum im Abstand zu den Seitenwänden 3c vorgesehenen Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 auch mit mehrfachen Abwinklungen 161 versehen sein können, wodurch sich beispielsweise eine Art umlaufende Treppenstruktur ergibt, in welcher zumindest überwiegend eher vertikal ausgerichtete Abschnitte mit eher horizontal ausgerichteten Abschnitten aufeinander folgend ausgebildet sind.
Insbesondere dann, wenn als Strahler oder Strahlerstruktur insgesamt ein wie erläutert bieg- und kantbares elektrisch leitfähiges Blech verwendet wird, kann vor allem auch in dem oben liegenden Ausnehmungsbereich durch Stanzen die entsprechende Ausnehmung 13 hergestellt werden, wobei der Stanzvorgang so erfolgen kann, dass beim Stanzen gleichzeitig die benötigten Phasenschieberleitungen 47 zurückbelassen werden, die dann in einem Stanzvorgang als Teil der gesamten Strahlerstruktur stoffschlüssig verbunden mit dem Rest der Strahlerfläche gebildet werden.
In den erläuterten Ausführungsbeispielen sind die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 umlaufend elektrischgalvanisch geschlossen ausgebildet. In den Eckbereichen können gegebenenfalls auch nur punktförmige Verbindungen zwischen den in Umfangsrichtung versetzt liegenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitten 19 vorgesehen sein.
Insbesondere dann, wenn die Patch-Antenne unter Verwendung eines kant- und stanzbaren Metallbleches hergestellt wird, können die an den Kantlinien 61 umgelegten Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 vor allem in ihren Eckbereichen zur einem benachbarten Seitenstrahlerflächen-Abschnitt 19 durch Stanz- oder Kantlinien getrennt sein.
Nachfolgend wird noch auf eine weitere Variante der Erfindung gemäß 14 verwiesen, in der die Patch-Antennte unter Verwendung eines gekanteten Metallbleches gezeigt ist. Die an den Seitenflächen 3c verlafenden oder im Abstand dazu verlaufenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 sind durch Kanten im oberen Eckbereich 61 aus einem gemeinsam gestanzten Metallblech hervorgegangen. Diesem Ausführungsbeispiel ist auch die Phasenschieber-Leitung 47 mit den beiden Koppelleitungen 47', 47'' benachbart zum Einspeisepunkt 53 Teil eines gestanzten Metallbleches.
Ferner kann bei dieser Variante sogar die Speiseleitung 42 als Teil des gestanzten und gekanteten Metallbleches, welches die gesamte Strahlerstruktur bildet, hergestellt sein, um eine entsprechende Länge der Speiseleitung zu erzeugen ergibt sich durch die Stanzung ein Ausnahmebereich 149 in der oberen Strahlerfläche 11.
In diesem Ausführungsbeispiel sind an der Oberseite des Substrats ferner vier Justierzapfen 97 vorgesehen, die bevorzugt an entsprechender Stelle in der oberen Strahlerfläche 11 eingebrachten Bohrungen 97' in montierter Position durchgreifen und dadurch die Justierung der Strahlerfläche 11 dienen.
Gemäß der Querschnittsdarstellung nach 15 ist dann zu ersehen, dass die so gebildeten nach Art eines Metallstreifens gebildete und durch Kanten nach unten verlaufende Speiseleitung 42 bis zu einer Speise- oder Lötverbindungsstelle 83 führt, wo sie an einer Leiterplatine LP galvanisch angeschlossen werden kann (2 und 2a).
Die in 14 und 15 sichtbaren Ausnehmungen 98 haben lediglich eine herstellungstechnisch bedingte Bedeutung, um das Substrat – wenn es beispielsweise aus Kunststoff besteht – möglichst schwundfrei herstellen zu können.
Anhand der 16, 17 und 18 ist ferner gezeigt, dass das Substrat 3 einen Hohlraum 103 aufweisen kann, welcher von der Unterseite 3b her über eine dort ausgebildete Öffnung 103a zugängig ist. Dadurch ergibt sich ein boxenförmiges Substrat aus oben liegender Decke 3d und den umlaufenden Seitenwänden 3c. In dem so gebildeten Innenraum 103 können, wie beispielsweise in 17 und 18 dargestellt ist eine zusätzliche Leiterplatine 107 untergebracht sein, auf welcher elektrische oder elektronische Komponenten oder Baugruppen 109 positioniert werden können. Die erwähnte Leiterplatine 107 kann dabei in einer beliebigen Höhe in diesem Hohlraum 103 untergebracht werden, wie beispielsweise in 17 etwa in mittlerer Höhe und in 18 unmittelbar auf der Unterseite der oberen Deckwand 3d.
Der gesamte Innen- oder Hohlraum 103 ist auf der Unterseite der sogenannten Decke 3d sowie auf den Innenseitenwänden 3'c mit einer metallisierenden Schicht ausgekleidet oder verkleidet, wodurch der gesamte Innenraum 103 zur Seite und nach oben hin bzgl. des Substrats 3 geschirmt ist. Ebenso könnte theoretisch eine elektrisch leitfähige oder metallisierte oder aus einem Metallblech bestehende Box mit entsprechender Größe in diesen Hohlraum 103 eingefügt werden.
Bei 18 ist ferner noch gezeigt, dass sich über zwei Federeinrichtungen 115 die so gebildete Patch-Antenne über Bohrungen 117 in der Leiterplatine LP hindurch gesteckt werden kann, bis die Federarme 117' die Öffnung 117 der Leiterplatine LP hintergreifen und dadurch das Substrat 3 bereits vorjustiert an der Leiterplatine LP hält.
Die beschriebene Antenne kann grundsätzlich zum Senden wie aber auch zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen und insbesondere zirkularpolarisierten elektromagnetischen Wellen dienen. Sie kann auch zum gleichzeitigen Senden und Empfangen verwendet werden, insbesondere dann, wenn wie üblich der Sende- und Empfangsbereich frequenzmäßig – wenn auch gering – voneinander abgesetzt ist. Beim Empfang werden die entsprechenden Signale dann über die so genannte Speiseleitung zur weiteren Verarbeitung an die auf der Leiterplatine befindliche Elektronik und/oder andere nachfolgende Baugruppen weitergeleitet.

Claims

Patch-Strahler mit folgenden Merkmalen: – mit einem dielektrischen Substrat (3) mit einer Oberseite (3a), einer dazu beabstandeten Unterseite (3b) und zwischen der Oberseite (3a) und der Unterseite (3b) umlaufenden Seitenflächen oder Seitenwänden (3c), – auf der Oberseite (3a) oder oberhalb der Oberseite (3a) des Substrats (3) ist eine elektrisch leitende Strahlerfläche (11) angeordnet, – das Substrat (3) ist auf seiner Unterseite (3b) oder unterhalb seiner Unterseite (3b) mit einer Massefläche (17) versehen oder auf einer Massefläche (17) positionierbar, – mit einer Speisestruktur (15) zur Speisung der Strahlerfläche (11), – die Strahlerfläche (11) ist als ring- und/oder rahmenförmige Strahlerfläche (11) ausgebildet, die um einen Ausnehmungsbereich (13) herum verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: – die Strahlerfläche (11) ist auf die Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) und/oder um den Strahlerflächen- oder Seitenflächen-Raum (S) übergehend verlängert, – auf den Seitenflächen bzw. Seitenwänden (3c) oder in dem Strahlerflächen- bzw. Seitenflächen-Raum (S) im Abstand zu den Seitenflächen oder Seitenwänden (3c) ist eine mit der Strahlerfläche (11) galvanisch verbundene Seitenflächen-Strahlerstruktur (18) ausgebildet, die in Umfangsrichtung der Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) umfasst, zwischen denen elektrisch nicht-leitfähige Ausnehmungsbereiche (20) vorgesehen sind, – die Speisestruktur (15) ist im Bereich der Ausnehmung (13) der Strahlerfläche (11) vorgesehen, und – die Speisestruktur (15) umfasst eine Phasenschieber-Anordnung oder besteht aus einer Phasenschieber-Anordnung, die an zwei Verbindungsstellen (48) mit der Strahlerfläche (11) unter Bewirkung einer Phasenverschiebung verbunden ist.
Patch-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur (15) in Form einer Phaseschieber-Anordnung mit der Strahlerfläche (11) galvanisch oder kapazitiv verbunden ist.
Patch-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisestruktur (15) mit der Strahlerfläche (11) an deren Innenbegrenzung (11a) verbunden ist, wobei die Verbindungsstellen (48) bezüglich der die Patch-Antenne verzugsweise mittig oder senkrecht zur Strahlerfläche (11) durchsetzenden Zentralachse um 90° versetzt liegend angeordnet sind.
Patch-Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen-Strahlerstruktur (18) eine Vielzahl von Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) und/oder Ausnehmungsbereiche (20) umfasst, die von der Strahlerfläche (11) in Richtung Massefläche (17) finger-, zungen-, rechteck-, dreieck-, trapez- oder wellenförmig oder -ähnlich oder nach Art eines fraktalen Musters gestaltet sind.
Patch-Antenne nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) in einer gegenüber der Gesamthöhe (H) des Substrats (3) kleineren Teilhöhe (19') erstrecken, die in einem Abstand (27) vor der Unterseite (3b) des Substrats (3) enden und/oder dass sich die elektrisch nicht-leitfähigen Ausnehmungsbereiche (20) in einer Höhe (H) des Substrats (3) oder in einer Teilhöhe (20') davon erstrecken, die in einem Abstand (29) unterhalb der Oberseite (3a) des Substrats (3) und/oder unterhalb der Strahlerfläche (11) enden.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf den Seitenflächen bzw. Seitenwänden (3c) ein Überlappungsbereich (35) ergibt, in welchem sich umlaufend Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) und Ausnehmungsbereiche (20) abwechseln.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Seitenflächen bzw. Wandflächen (3c) durch die ineinandergreifenden Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) und die elektrisch nicht-leitfähigen Ausnehmungsbereiche (20) eine zwischen beiden Bereichen verlaufende Begrenzungs- und/oder Umrisslinie (23) gebildet ist, die größer ist als die Umfangslänge des Substrats (3).
Patch-Antenne nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phasenschieberleitung (47) die Einspeisestelle (53) für die Speiseleitung (42) so angeordnet ist, dass hierüber eine 90° Phasenverschiebung an den Verbindungsstellen (48) der ring- oder rahmenförmigen Strahlerfläche (11) erzeugt wird.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenschieberleitung (47) in Draufsicht teilkreisförmig, rechtwinklig, mehrfach abgewinkelt oder bogenförmig verläuft, wobei von der Einspeisestelle (53) ausgehend zu den Verbindungsstellen (48) an der Strahlerfläche (11) zwei Koppelleitungen (47', 47''; 147', 147'') gebildet sind, worüber eine Laufzeit- und damit eine Phasenverschiebung von 90° bezogen auf die Einspeisestelle (48) an der Strahlerfläche (11) erzeugbar ist.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Phasenschieberleitungen (47, 147) vorgesehen sind, die um 180° rotationsversetzt angeordnet und/oder um 180° rotationsverdreht mit einem weiteren Paar Verbindungsstellen (148) verbunden sind, wobei die beiden in den so gebildeten Phasenschieberleitungen (47, 147) vorgesehenen Speisestellen (53, 153) mit einer 180° Phasenverschiebung gespeist werden.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (13) eine kapazitive Ankopplung zwischen der Phasenschieberleitung (47) und den Koppelleitungen (47a, 47b) besteht, die parallel zu den Koppelleitungen (47', 47'') der Phasenschieberleitung (47) verlaufen.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) in Draufsicht eine quadratische Form mit einer quadratischen ring- und/oder rahmenförmigen Strahlerfläche (11) oder eine zylindrische Form mit einer darauf ausgebildeten ringförmigen Strahlerfläche (11) oder eine nach Art eines regelmäßigen n-Polygonals gebildeten Außenkontur mit entsprechend geformter Strahlerfläche (11) aufweist.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) senkrecht zur Strahlerfläche (11) und/oder senkrecht zur Oberseite (3a) und/oder Unterseite (3b) des Substrats (3) und/oder parallel zur Zentralachse (7) der Patch-Antenne verlaufen.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen bzw. Seitenwände (3c) winklig zur Strahlerfläche (11) und/oder senkrecht zur Oberseite (3a) und/oder Unterseite (3b) des Substrats (3) und/oder parallel zur Zentralachse (7) der Patch-Antenne verlaufen, wobei der zwischen der Unterseite (3b) des Substrats (3) und damit der eine senkrecht zur Zentralachse (7) verlaufenden Ebene und einer die Zentralachse (7) aufnehmenden dazu senkrecht verlaufenden Schnittebene gebildeter Winkel (α) größer als 10°, insbesondere größer als 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70° und insbesondere größer als 80° ist, und dass dieser Winkel (α) kleiner als 170°, insbesondere als 160°, 150°, 140°, 130°, 120°, 110° und insbesondere kleiner als 100° ist.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Patch-Antenne als zirkular polarisierte Patch-Antenne ausgebildet ist.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) unmittelbar auf der Oberfläche der Seitenwände bzw. Seitenflächen (3c) des Substrats (3) vorgesehen oder ausgebildet sind, insbesondere in Form einer metallisierten Fläche, vorzugsweise zusammen mit einer auf der Oberseite (3a) des Substrats (3) ausgebildeten metallisierten Fläche, wodurch die Strahlerfläche (11) gebildet ist.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) in einem Seitenabstand (A) zu den Seitenwänden oder Seitenflächen (3c) des Substrats (3) angeordnet sind und vorzugsweise senkrecht oder winklig zur Strahlerfläche (11) verlaufen.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächenstrahler (18) und insbesondere die Gesamt-Strahlerstruktur (25) mit der Strahlerfläche (11) und der Seitenflächenstrahler-Struktur (18) und vorzugsweise der Phasenschieberleitung (47) und vorzugsweise mit der Speiseleitung (42) aus einem elektrisch leitfähigen Metallblech besteht, bei welchem die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) und/oder die Speiseleitung (42) durch Biegen oder Kanten gegenüber der Strahlerfläche (11) bzw. der Phasenschieberleitung (47) abgewinkelt sind.
Patch-Antenne nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte (19) mehrfache Abwinklungen aufweisen.
Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat ein Hohlraum (103) ausgebildet ist, der von zumindest einer Seite aus zugänglich ist, wodurch das Substrat (3) boxenförmig gestaltet ist.
Patch-Antenne nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (103) im Substrat (3) zumindest eine weitere elektrische Baugruppe oder Komponente (109) untergebracht ist, vorzugsweise zusammen mit einer dort positionierten Leiterplatine (107).