Die Erfindung betrifft einen Patch-Strahler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a patch radiator according to the preamble of claim 1.
Patch-Strahler sind grundsätzlich hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2004 016 158 A1 .Patch radiators are basically well known, for example from the 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.Such patch emitters are known to comprise a dielectric substrate having an upper side, a lower side and peripheral wall sections, that is to say side surfaces. It is so far a three-dimensional body, which is square shaped in most applications in plan view. In this case, a closed, also square radiator surface is formed on the upper side, which is fed via a feed line extending perpendicularly thereto through the entire substrate and supplied from the underside.
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.On the underside of a possibly also on the outer contour of the substrate protruding ground surface is provided, wherein the ground surface is provided with a corresponding hole-shaped recess through which the said feed line extends to the bottom of the ground surface through which the feed of the radiator surface is effected.
Patch-Strahler werden häufig als zirkular polarisierte Strahler und Antenneneinrichtungen verwendet.Patch emitters are often used as circularly polarized emitters and antenna devices.
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.In order to be able to receive (or also to be able to transmit) circular electromagnetic waves, in particular when the patch antenna is to be used, for example, for receiving satellite signals (for example as a GPS antenna, etc.), the surface area which is generally square in design is square provided with in the corner areas incorporated discontinuities, so-called chamfers. They represent themselves as, for example, at two opposite corners incorporated triangular flats or recesses, over which the circularity of the patch antenna is formed.
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.Finally, it is also known to achieve a circularity, for example, by two offset by 90 ° and provided outside the central center axis of the patch antenna feed points at which end two staggered feeder lines. For by a corresponding phase shift in the feed can be ensured that circularly polarized electromagnetic waves (as mentioned usually emitted by satellite) can be received.
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..Such circularly polarized patch antennas are often - as mentioned - used as GPS antennas, especially in motor vehicle antennas, in addition to a number of other antenna devices, such as for the implementation of mobile services, receiving radio programs, 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 εr aufweisen sollte.Basically, there is interest in GPS antennas that require the smallest possible space. However, a reduction in the size of conventional patch antennas can only be achieved by appropriate choice of a particularly suitable substrate. As a rule, the substrate used is ceramic, which should have the largest possible value for ε r .
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.A generic patch emitter is for example from US 2011/0 148 715 A1 known. It comprises a square substrate (dielectric), on the upper side of which an electrically conductive emitter surface is formed. The radiator surface is provided centrally with an annular recess. The radiator surface is fed via a feed line running past the dielectric at the outer edge of the radiator surface.
Ein insoweit vergleichbarer Stand der Technik ist auch aus einem Ausführungsbeispiel der 5 in der FR 2 869 726 A1 als bekannt zu entnehmen.An extent comparable prior art is also from an embodiment of the 5 in the FR 2 869 726 A1 to be known as known.
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.Patch emitters, which have different geometries, are also from the WO 2006/036 116 A1 to be known as known. These are predominantly square or the square shape of approximated radiator surfaces, which are provided in the interior with variously shaped recesses, for example in an H-shape, in a double-trapezoidal shape, etc .. Is fed via a feed line from the outer The peripheral edge of the radiator surface is offset as well as from the inner boundary edge of the recess incorporated in the radiator surface.
Daneben sind auch andere Patch-Strahler und Patch-Strahler-Anordnungen bekannt geworden, die aber einen völlig unterschiedlichen Aufbau aufweisen.In addition, other patch emitters and patch emitter arrays have become known, but have a completely different structure.
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.For example, describes the US 2011/0 012 788 A1 a circularly polarized patch radiating arrangement, which has no ring and / or frame-shaped radiator surface, but a square of the basic structure radiator surface, which is provided with a plurality of slots. In each case, a slot extends from the outer corner of the radiator surface in the direction of the center. In addition, slot-shaped recesses are incorporated on the longitudinal sides, which lead to larger recesses lying offset to it. At long last this is a folded patch antenna with slots, which serves to reduce the antenna size. The circularity is accomplished as in a patch antenna by the mentioned discontinuities on the outer contour. Through the mentioned slots, the patch antenna but overall very narrowband.
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.The WO 02/063 714 A1 shows in contrast so-called fractal antennas. These fractal antenna structures can have a closed radiator surface. It is also shown that the fractal structure can not only be formed on the outer circumference of the patch antenna, but also in a central recess area.
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.In contrast, the object of the present invention is to provide a patch antenna and, in particular, a circularly polarized patch antenna which, based on its broadband capability, should have the lowest possible antenna volume.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the features specified in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
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.It must be described as quite surprising that in the context of the present invention it has become possible to reduce the required antenna volume of the patch antenna according to the invention over conventional standard patch solutions by up to 50% (or even more). Conversely, with a constant size of the patch antenna according to the invention (compared to a conventional standard patch antenna), the broadband of the antenna increased by about 50% and thus significantly improved.
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.This is in the context of the invention u.a. possible because the outer side or wall surfaces of the support body, so the substrate, are also exploited for the design of the antenna. In other words, the radiator structure located on the substrate top side is widened in the form of a ring-shaped or frame-shaped radiator onto the side or outer surfaces of the three-dimensional substrate, as a result of which the volume of the carrier body can be optimally utilized. This makes it possible to realize a very compact design of the antenna. In the interior of the ring-shaped or frame-shaped radiator structure on the upper side of the substrate, a specific feed structure is additionally provided, with which the antenna can be operated as a circularly polarized antenna.
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..According to the invention, it is provided that the radiator surface located on the upper side of the substrate is designed to be ring-shaped and / or frame-shaped in principle, to form a recess region surrounding this annular and / or frame-shaped radiator surface structure. The term "annular radiator structure" is understood to mean any circumferential or frame-shaped radiator structure, that is to say also structures which, when viewed from above, do not necessarily have to be circular but, for example, can also form a square or regular n-polygonal frame 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.Inside this annular and / or frame-shaped electrically conductive radiator surface, a specific Anspeisungsstruktur is provided which has at least two feed points, which are connected off-center at the transition or connection points electrically connected to the ring and / or frame-shaped radiator surface structure, under training two phase shifter lines.
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.By preferably eccentric arrangement, the principle of a "phase shifter" is simulated, over what a different transit time from the feed point to the respective sections (connection points) is provided on the ring and / or frame-shaped stripline structure, whereby the circularity of the patch antenna generates becomes.
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.The additionally provided extension of the radiation design from the substrate upper side to the side walls, that is to say the side surfaces of the substrate, can be realized and structured in different ways.
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.In a preferred embodiment, the radiator structure provided on the side or wall surfaces of the substrate comprises a plurality of radiating sections extending from top to bottom and offset in the circumferential direction of the side or wall surfaces. These radiation sections formed or extending from top to bottom on the side walls are electrically-galvanically connected to the radiation surface located on the upper side of the substrate. Generally speaking, therefore, the radiation surface located on the upper side of the substrate on the peripheral side walls of the substrate down in the direction of the ground surface extending, for example finger-shaped radiation sections, which are arranged spaced apart in the circumferential direction of the substrate by interposed electrically non-electrically conductive portions , These, for example, finger-shaped radiation sections connected to the radiator surface provided on the upper side of the substrate and extending downwards preferably extend in a partial height of the substrate and thus in a partial height of the side walls.
Die erwähnten Seitenstrahlerflächen-Abschnitte, die in die auf der Oberseite der Patch-Antenne befindliche Strahlerfläche übergehen, können für sich unterschiedlichste Formen aufweisen.The mentioned side emitter surface sections which are in the on the top of the patch Passing antenna located radiator surface can have different shapes for themselves.
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.It is possible that the electrically conductive portions extending from top to bottom are designed strip-shaped when viewed from the side and, for example, are spaced apart from one another by strip-shaped electrically non-conductive sections. This results in a meandering or similar rectangular structure.
Möglich ist auch eine wellenförmige umlaufende Struktur, wodurch nach unten vorstehende, bergförmige Erhebungen oder Vorsprünge und dazwischen obenragende Täler gebildet sind.Also possible is a wave-shaped circumferential structure, whereby downwardly projecting, mountain-shaped elevations or projections and formed therebetween above valleys are formed.
Diese Strukturen können bei Seitenbetrachtung aber auch beispielsweise dreieckförmig, trapezförmig etc. sein. Beschränkungen gibt es insoweit nicht.These structures may also be, for example, triangular, trapezoidal, etc. when viewed from the side. There are no restrictions in this respect.
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.An essential reason for the compact design of the antenna according to the invention, however, lies in the utilization of the outer surfaces of the support body, so the dielectric or the substrate. Because the emitter surface of the patch antenna is quasi expanded from the top of the substrate in the direction of the circumferential side surfaces out and thereby increased. How this expansion is done and structured can be done in a variety of ways.
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.In the context of the invention, the broadbandity of the patch antenna according to the invention is also significantly improved compared to conventional solutions, namely by the formation of a multiplicity of additional side radiation surface sections, by means of which a boundary line is formed for the electrically conductive radiator structure whose circumferential length is significantly greater. as the actual circumferential length of the structure of the substrate. In addition, this also enhances the vertically polarized portion of the electromagnetic field (terrestrial gain), since the radiant surface portions (hereinafter also partially referred to as finger-shaped portions) communicating with the radiating surface and extending sideways downwardly are comb-like are formed or can be, these protruding portions then act as small vertical radiator elements.
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.By means of these measures, it is therefore possible to form a significantly smaller patch antenna in terms of volume (compared with conventional solutions) and / or a patch antenna with significantly improved broadband capability. Thus, in the context of the invention, the patch antenna can also be reduced in size compared to conventional patch antennas, and this with simultaneously improved broadband.
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.In a preferred embodiment of the invention, the side-surface radiator structure emanating from the radiator surface (provided on the upper side of the substrate) is in the form of a metallization, which is formed or provided directly on the side surfaces or sidewalls of the substrate. Alternatively, however, it is also possible to provide and position this side surface radiator structure at a distance from the side surfaces or side walls of the substrate, for example by using a separate support structure for this side surface radiator structure or preferably a side surface radiator structure in the form of a metal sheet or the like becomes. Preferably, the entire radiator is formed from such a metal sheet and can be positioned, for example, on the top of the substrate or z. B. glued or pressed. This side surface radiator structure can then project beyond the edge or over the side walls or side surfaces at a distance and even protrude at an angle to the optionally right-angled side surface sections, be angled at the lower end opposite to the radiator surface etc. Various modifications are possible here. For example, with multiple outwardly different extent protruding folded or curved or folded side surface radiator structure sections. In this case, even the feed line punched out of the metal sheet and be angled perpendicular to the radiator surface down through the substrate, whereby manufacturing advantages can be realized.
Im Rahmen der Erfindung wird zudem eine verbesserte Einspeisung vorgenommen.In the context of the invention, an improved feed is also made.
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.In the context of the invention, feed structures of the most varied design and provided with very different geometries can be used, which are based on the principle of galvanic or else on the principle of a capacitive feed.
Dabei ist es ebenso möglich, eine Anspeisung der Patch-Antenne nur über eine Speiseleitung oder beispielsweise über zwei um 180° versetzt liegende Speiseleitungen durchzuführen.It is also possible to carry out a feed of the patch antenna only via a feed line or for example via two feed lines offset by 180 °.
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 summary, the antenna provided with a ring or frame structure according to the invention thus has the following advantages: - - By the antenna according to the invention, the dimension of the carrier body, so the substrate can be reduced (miniaturization of the antennas).
- - By means of the illustrated ring and / or frame structure is also possible to switch to other substrate materials having a lower dielectric constant. For example, plastics can be used. Plastic materials are generally cheaper than ceramic materials. This leads to a desired cost reduction and cost savings.
- In addition, the use of plastics offers a further advantage insofar as they have good electrical properties with a low loss factor. In addition, plastics with these properties can be used. This can improve the performance, the bandwidth and the gain of the antenna according to the invention, whereby a significant increase in performance can be achieved.
- - Finally, the antenna according to the invention is overall easy to handle despite the reduced dimensions. The frequency can be easily adjusted by machining the outer surfaces, for example, by shortening the outer surfaces or introducing slits extending from the outside into the radiator surface. Overall, this leads to good handling.
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.In a further embodiment of the invention, it is also possible to make the substrate at least partially box-shaped, namely to form an accessible from below interior. This interior space can be dimensioned so large that there may be provided, for example, a printed circuit board with corresponding electrical or electronic components, in any height of the free space thus formed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments. Show
1: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Patch-Antenne; 1 a schematic three-dimensional representation of a patch antenna according to the invention;
2: eine vertikale Schnittdarstellung parallel zu einer Seitenwand der in 1 gezeigten Patch-Antenne; 2 : a vertical sectional view parallel to a side wall of the in 1 shown patch antenna;
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; 2a : a corresponding representation to 2 in which it is illustrated that the ground plane can be formed on the upper side of a printed circuit board and the feed line for the patch antenna can be guided through a recess in the ground plane and a hole in the printed circuit board to the printed circuit board underside, where it is electrically connected;
3a–3d: vier schematische Seitenansichten der Seitenwände des Substrats mit der darauf ausgebildeten unterschiedlichen Strahlungsstruktur; 3a - 3d four schematic side views of the side walls of the substrate with the different radiation structure formed thereon;
4: eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der erfindungsgemäßen Patch-Antenne; 4 a schematic representation of an equivalent circuit diagram of the patch antenna according to the invention;
5a–5j: acht unterschiedliche Darstellungen einer möglichen Anspeisestruktur für die erfindungsgemäße zirkular polarisierte Patch-Antenne; 5a - 5y : eight different representations of a possible feed structure for the circularly polarized patch antenna according to the invention;
6: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine Patch-Antenne mit einem zylinderförmigen Substrat und einer darauf befindlichen ringförmigen Strahlerfläche; 6 a modified embodiment of a patch antenna with a cylindrical substrate and an annular radiator surface located thereon;
7: ein zu 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer veränderten, verdoppelten Speisestruktur; 7 : one too 1 modified embodiment with a modified, doubled dining structure;
8: ein Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel gemäß 7; 8th an equivalent circuit diagram for the embodiment according to 7 ;
9: eine zu 2 abgewandelte Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Patch-Antenne mit auf der Zentralachse 7 in Strahlrichtung zugewandt verlaufenden Seitenflächen; 9 : one too 2 modified cross-sectional view through a patch antenna according to the invention with on the central axis 7 facing in the beam direction extending side surfaces;
10: ein zu 9 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei welcher die Seitenflächen des Substrats in Strahlrichtung von der Zentralachse 7 weg verlaufend gerichtet sind; 10 : one too 9 modified embodiment in which the side surfaces of the substrate in the beam direction from the central axis 7 directed away;
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; 11 : one too 1 and 2 modified embodiment in a vertical cross-sectional view comparable to 2 in which the side surface radiator structure is spaced from the surface of the side wall of the substrate;
12: ein nochmals zu 11 abgewandeltes Ausführungsbeispiel im Vertikalquerschnitt; 12 : one more 11 modified embodiment in vertical cross section;
13: eine weitere Abwandlung zu 11 und 12 in einem vereinfachten Vertikalquerschnitt; 13 : another variation too 11 and 12 in a simplified vertical cross section;
14: eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer aus einem Metallblech bestehenden Strahlerstruktur; 14 a spatial representation of an embodiment with an existing of a metal sheet radiator structure;
15: eine Querschnittsdarstellung durch die Ausführungsform gemäß 14; 15 : A cross-sectional view through the embodiment according to 14 ;
16: eine räumliche Schnittdarstellung eines weiter abgewandelten Ausführungsbeispiels mit einem boxenförmig umgebenen Hohlraum innerhalb des Substrates; 16 FIG. 2: a spatial sectional illustration of a further modified exemplary embodiment with a box-shaped cavity inside the substrate; FIG.
17: eine Querschnittsdarstellung mit in dem Hohlraum integriert untergebrachter Leiterplatine in einer mittleren Höhe; und 17 FIG. 2 is a cross-sectional view with the printed circuit board housed in the cavity at a mid-height; FIG. and
18: eine Abwandlung aus 17, bei der eine Leiterplatine mit elektronischen Baugruppen an der oben liegenden Unterseite der Tragwand des Substrats angeordnet ist. 18 : a modification 17 in which a printed circuit board with electronic components is arranged on the upper underside of the support wall of the substrate.
In 1 ist eine Patch-Antenne 1 von ihrem prinzipiellen Aufbau her gezeigt, und zwar in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung. In 1 is a patch antenna 1 shown in their basic structure, in a schematic three-dimensional representation.
Es handelt sich dabei bevorzugt um eine zirkular polarisierte Patch-Antenne.It is preferably a circularly polarized patch antenna.
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.The patch antenna comprises - as well as from the cross-sectional view according to 2 gives - a dielectric body 3 hereinafter also referred to as a substrate.
Dieses dreidimensionale Substrat umfasst eine Oberseite 3a, eine Unterseite 3b und umlaufende Seitenwände 3c, die teilweise nachfolgend auch als Seitenflächen 3c bezeichnet werden.This three-dimensional substrate comprises an upper side 3a , a bottom 3b and surrounding sidewalls 3c , which are partly also referred to as side surfaces 3c be designated.
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.The side walls or side surfaces 3c are in the embodiment shown perpendicular to the top or bottom 3a . 3b of the substrate aligned and thus parallel to the central axis 7 , which passes through the top and bottom of the substrate vertically and centrally.
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.Instead of the terms "sidewalls" or "sidewalls" 3c The term side surface space S is also sometimes used below, because, as will be shown later, the further structure structure is no longer directly on the surface of the side walls 3c but can also be provided at a distance.
Das Substrat kann aus einem geeigneten Material bestehen. Bevorzugt wird Keramik mit einem vergleichsweise niedrigen Wert für die Permittivität, das heißt die dielektrische Leitfähigkeit εr 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 εr können beispielsweise bevorzugt zwischen 2 bis 20 variieren.The substrate may be made of a suitable material. Preferably, ceramic with a comparatively low value for the permittivity, that is to say the dielectric conductivity ε r, is used. This also opens up the possibility of using as a substrate not only mandatory ceramic, but also preferably plastic, for example, especially when the patch antenna for receiving via SDARS programs broadcast (especially in North America) or to receive GPS data transmitted position data should. This minimizes losses. For example, the values for ε r may preferably vary between 2 to 20.
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.In the embodiment shown is on the top 3a of the substrate (or generally above the top 3a ) an electrically conductive radiator surface 11 formed, for example in the form of an on the top 3a provided metallization. If the metallization is designed in the form of a metal sheet, then this can be glued or pressed on the top of the substrate, for example, whereby a good fixation can be achieved.
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.In addition, the radiator surface 11 not formed as a closed radiator surface, but designed annular or frame-shaped, that is in the form of a circumferential (closed) radiator surface to form at least one of the rotating closed radiator surface 11 surrounding recess 13 within which is a subsequent feed structure, which will be discussed in more detail below 15 for the radiator surface 11 is provided.
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.In other words, the ring and / or frame-shaped radiator surface 11 formed so that they are centered about a patch antenna usually centrally passing through 7 is arranged circumferentially, in a plane that is usually perpendicular to the central axis 7 is aligned.
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.On the bottom 3b of the substrate 3 or below this base 3b is a - as usual in patch antennas usually - ground plane 17 formed, which may also be provided in the form of a metallization. In the embodiment shown, the ground plane 17 dimensioned in the longitudinal and transverse directions greater than the longitudinal and transverse directions of the substrate, so that the ground plane 17 over the side walls 3c the substrate survives. The ground surface can consist of a metal sheet. Likewise it is possible that the mass surface 17 is also formed as a metallization, preferably on the patch antenna 1 facing the upper side is provided, wherein the patch antenna 1 then positioned with the bottom of its substrate on this formed on the printed circuit board LP metallization, for example, can be glued. The use of a corresponding circuit board is exemplary in the cross-sectional view according to 2 and 2a to see. The ground plane 17 but may also be a structural part on which the previously described patch antenna without separate own ground surface is placed, for example, the fact that the patch antenna positioned with its substrate on the body panel of a motor vehicle, for example, is glued.
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.From the illustration according to 1 It can already be seen that the patch antenna according to the invention 1 on their circumferential side walls or side surfaces 3c also with a side surface radiator structure 18 is provided with the radiator surface 11 on the top 3a of the substrate 3 electrically-galvanically connected, in the embodiment shown in this radiator surface 11 passes.
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.In the embodiment shown, the side surface radiator structure 18 thereby from a multiplicity of side radiator surface sections 19 that with their the emitter surface 11 facing ends 19a with the radiator surface 11 electrically-galvanically connected or in the radiator surface 11 pass. The opposite end 19a So it runs from the radiator surface 11 away in Towards ground plane 17 and ends at a distance to free, that is generally without galvanic contact with the ground plane 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.As a result, between two adjacent side emitter surface sections 19 electrically non-conductive recessed areas 20 formed, which is at least in a partial height of the respective side wall 3c extend.
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.As a result, ultimately a total radiator surface or overall radiator structure 25 created that both on the top 3a of the substrate 3 located radiator surface 11 as well as those on the side walls or side surfaces 3c located additional side surface radiator structure 18 with the associated multiple side emitter surface sections 19 includes. Taking advantage of these outer side surfaces 3c of the substrate 3 Thus, the total area for the radiator structure can be increased, without the dimensions of the patch antenna must be increased. At the same time, however, not only the entire emitter surface is enlarged by this extension on the side walls, but also increases the entire boundary or outline above all 23 that surrounds the total emitter area and is defined by the boundary line that the side emitter area sections 19 from the recessed areas 20 separates.
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.Based on the embodiment described so far, it follows that the side surface radiator structure 18 directly on the surface of the circumferential side surfaces or side walls 3c the substrate is provided, which is particularly suitable if the corresponding overall radiator structure is formed in the form of a metallized surface on the corresponding surface areas, thus providing the radiator surface above 11 and in the peripheral area provided side radiator surface section 19 be formed. However, it is already noted at this point that in particular the side emitter surface section 19 also in a lateral distance to the respective surface of the side walls 3a may be provided, for. B. when, for example, one on the side walls laterally projecting support structure is used, which is placed for example in the manner of a downwardly open box on the substrate, so that circumferentially comparatively thin flange portions are formed at a distance from the mentioned side walls 3c lie of the substrate, so that on these flange portions, the mentioned side surface radiator structure 18 can be trained. Likewise, for example, preferably the entire radiator structure can be made of a metal sheet, folded, bent, etc., so that the radiator surface lying on top of the substrate 11 in a side surface radiator structure 18 passes, whose side radiating surface section 19 at a distance to the surface of the side walls 3c to come to rest. Therefore, it is also generally spoken that the side radiator surface sections 19 not just on the sides or side walls 3c of the substrate are formed directly, but are provided in the side surface or side wall region S, that is, at a distance in front of the side surfaces or side walls 3c lie. Therefore, as already mentioned, part of the side surface space S is spoken, in which the side surface radiator structure 18 is provided and / or designed. This will be explained later with reference to further embodiments.
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.In the illustrated embodiment according to 1 The side radiator surface sections extend 19 in a partial height 19 ' the total height H of the substrate 3 , so they end at a distance 27 in front of the bottom 3b of the substrate.
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.Likewise, the recessed areas extend 20 between two side radiator surface sections 19 in a partial height 20 ' of the substrate 3 and end at a distance 29 below the top 3a of the substrate 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.In 2 is a cross-sectional view reproduced, in which on the left side of the patch antenna, the section through a downwardly extending side radiator surface section 19 runs, namely in a partial height 19 ' starting from the upper radiator surface 11 , whereas on the right side of the sectional view, a section is represented by a recess area 20 passes through, which is in a partial height 20 ' from the ground plane 17 extends upward so that the recessed area at a distance 29 in front of the top 3a of the substrate 3 ends.
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.Due to the design, the side emitter surface sections 19 at her the radiator surface 11 facing end virtually via an electrically conductive strip 29 on the sidewall 3c connected with each other. Likewise, the electrically nonconductive recessed areas 20 over a strip below 33 connected to each other, in front of the downwardly projecting portion of the Seitenstrahlerflächen sections 19 ends.
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.Therefore, there is an overlap area 35 , In the embodiment shown with a partial height 35a in which the electrically conductive side radiator surface sections 19 and the recessed areas 20 are formed adjacent to each other.
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.The height 20 ' these recesses areas 20 like the height 19 ' the sidelight sections 19 and the height 35 ' of the overlap area 35 can be chosen differently in many areas become. They can extend over the entire height of the side walls or only over a partial height. There are no restrictions in this respect. In addition, the heights and part heights for the side emitter surface sections 19 as well as the recessed areas 20 In different places also be dimensioned differently, so that the remaining sections 27 . 29 . 31 . 33 in different places of the circumferential side wall 3c may have different values. Possibly, the slot-shaped recesses formed in this way 20 also up to the top 3a of the substrate 3 range, as well as the height or length of the Seitenstrahlerflächen sections 19 at least almost to the plane of the mass surface 17 can reach.
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.The width of the plurality of side radiator sections 19 as well as the width of the recessed areas 20 can be chosen freely within wide ranges. These widths may also vary in a single embodiment. The smaller the widths become, the larger and thus the longer the boundary / outline becomes 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.For example, on the entire peripheral surface 3c or in the side surface space S preferably 4 to 16 side radiator sections 19 and thus also recess areas 20 successively, ie be arranged side by side. Preferred numbers may be between 10 to 50 or 20 to 40. There are no real restrictions, with a higher number as mentioned to an enlargement of the boundary / outline 23 leads, which is advantageous. Therefore, the above values are to be understood as exemplary only, ie without limitation.
Ebenso können die Formen für die Seitenstrahlerflächen-Abschnitte 19 sowie die Ausnehmungsbereiche 20 unterschiedlich gewählt werden.Likewise, the shapes for the side emitter surface sections 19 as well as the recessed areas 20 be chosen differently.
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.By describing the structure of the patch antenna according to the invention, it follows that the main reason for the compact design of the antenna is the utilization of the outer side surfaces or side walls 3c of the supporting body 3 is. Because on the top 3a the substrate located radiator surface 11 thus goes in radiator surface sections on the side walls 3c over, whereby the total radiator area is increased.
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.In addition, the vertically polarized portion of the electromagnetic field (terrestrial gain) is amplified by the explained patch antenna, since the finger-shaped side radiator surface sections in the exemplary embodiment shown 19 a comb-like side surface radiator structure 18 is created, in which the side emitter surface sections 19 act as small vertical radiator elements.
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.For this purpose, in the embodiment shown after 1 . 2 or the detailed representation according to 3a mentioned side surface radiator structure 18 with rectangular side radiator surface sections 19 and formed therebetween rectangular recessed areas, so that a meandering structure, that is a meandering boundary and / or outline 23 yields what the rectangular side radiator surface sections 19 from the circumferentially offset recessed areas 20 are separated.
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).Based on 3b is shown only schematically that the total emitter area 25 belonging sections 19 and the recess sections 20 also by a wave structure, that is by a wavy boundary or outline 23 can be separated (this wavy line may be sinusoidal or cosine shaped, or follow another waveform).
Anhand von 3c ist gezeigt, dass die Begrenzungslinie 23 zwischen beiden Abschnitten auch zickzack-förmig gestaltet sein kann.Based on 3c is shown that the boundary line 23 between the two sections can also be designed zigzag-shaped.
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.Based on 3d should only be shown that the boundary line 23 in principle can take any form, for example, can follow a fractal structure.
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. 3d shows as another possible embodiment that the side radiator surface sections 19 and / or the recessed areas between them 20 may have a fractal structure such that one of these fractal structure has the following bounding / contour line 23 between the sections 19 and the recessed areas 20 is created. In that regard, the design options for the side emitter surface sections 19 and the recessed areas 20 varied and unlimited.
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.From the only exemplary reproduced drawings shows that the side surface radiator structure 18 a plurality of side radiator sections 19 and / or electrically non-conductive recessed areas 20 may be that of the radiator surface 11 towards the ground plane 17 finger, tongue, rectangular, triangular, trapezoidal, comb or wavy or similar or formed, for example, in the nature of fractal structures. Accordingly, the boundary and outline become 23 larger by this embodiment, that is larger than the pure circumference of the substrate 3 over its sidewalls.
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.The illustrated embodiment thus shows that the ring or radiator-shaped radiator surface 11 ultimately on the outer surfaces of the substrate 3 that is on the surrounding side or wall surfaces 3c can expand, reducing the volume of the substrate 3 optimally utilized. As a result, the total radiator area can be achieved without increasing the volume 25 enlarge. Through the additionally selected recesses or slots 20 between two corresponding towards ground plane 17 projecting side radiator surface sections 19 Ultimately, the scope of the ring-shaped or frame-shaped overall radiator structure, especially the entire length of the boundary and outline 23 be further increased, so that thereby reduce the bulk material of the substrate by up to 50% and / or can increase the broadband by up to 50%.
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.Based on 1 to 3d It has been shown that the compact design of the antenna according to the invention not only by utilizing the outer side surface 3c the supporting body or substrate 3 can be improved, but in general the enlargement of the overall radiator structure by a variety of measures and geometries on the side surfaces or side walls 3c can be done. In addition, can be in the variants according to 3a to 3d (shown only by way of example) the vertically polarized portion of the electromagnetic field (terrestrial gain), since the finger-like side radiator surface portions 19 in their entirety, they act comb-like, ie how small vertical radiator elements act.
Nachfolgend wird noch auf die erfindungsgemäße Speisestruktur der erläuterten Patch-Antenne eingegangen.Below will be discussed on the inventive feed structure of the illustrated patch antenna.
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.As in particular from 1 can be seen, there is the dining structure 15 from a quarter circle perimeter strip 51 , where here off-center the feed point 53 it is shown at which the antenna feed line 42 (Inner conductor) ends, the corresponding hole 3d in the substrate 3 and a corresponding hole 17a in the ground plane 17 interspersed. The feed line 42 can be the extension of an inner conductor 43 ' a coaxial feed line 43 its outer conductor 43 '' with the ground plane 17 electrically-galvanically connected. The mentioned quarter circle perimeter strip 51 generally represents a phase shifter device in the form of a phase shifter line 47 represents.
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.Preferably, however, the embodiment is such that the patch antenna described and shown is positioned and connected to a printed circuit board LP, on the top side (ie the underside 3b of the substrate 3 ) lying facing a metallized surface is provided or formed, which serves as a ground plane 17 acts. Therefore, the in 1 shown mass surface 17 be provided as a corresponding metallized surface on top of a possibly even larger sized printed circuit board. In the area of the feed line 42 this metallized surface is provided with a recess in the region of which the printed circuit board is provided with a bore, through which the feed line 42 led to the bottom of the circuit board and electrically connected there, in particular soldered. The corresponding hole in the printed circuit board can also be formed as a through-hole, it being merely necessary to ensure that no connection to the ground surface is produced here. In this case, there is no coaxial connection cable.
In 2a ist insoweit eine zu 2 entsprechende Darstellung wiedergegeben, in der auch die Leiterplatine LP mit dargestellt ist.In 2a is one too 2 corresponding representation reproduced, in which the printed circuit board LP is shown with.
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.Due to the off-center arrangement of the entry point 53 arise in the phase shifter line 47 two different lengths of coupling lines 47 ' and 47 '' in the embodiment shown, the center of the inner edge 11a the annular or frame-shaped, so circumferentially closed radiator surface 11 ends and here preferably at central contact points 48 into the radiator surface 11 preferably pass over (with the central connection of the coupling lines 47 ' . 47 '' is related to the relevant length of the respective inside 11a , the square-shaped recess in this embodiment). Due to the different lengths of the so-formed coupling lines 47 ' . 47 '' may be due to the different transit time length in the phase shifter line thus formed 47 the desired phase shift can be set, for example, of 90 °. This makes it possible to achieve the circular polarization for the patch antenna.
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.By the described construction with the present ring or frame structure for the radiator surface 11 is over the explained entry point 53 unlike standard patch antennas, it does not generate the desired circularity via the discontinuities (chamfers) but through the generated phase shifter line 47 , This circumstance brings with it, among other things, the advantage that, as a result, the ring-shaped and / or frame-shaped radiator surface 11 on the outside surfaces or sidewalls 3c expand, whereby the volume of the carrier body, that is the substrate 3 , can be optimally exploited. By the mentioned side surface radiator structure 18 with the side emitter surface sections 19 and the recessed areas 20 may be the scope of the ring and / or frame-shaped overall radiator surface 25 be further increased, whereby the volume of the carrier material - as already mentioned - can be reduced by up to 50%.
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. The illustrated food structure 15 with the phase shifter line 47 that is the coupling lines 47 ' . 47 '' are (as in the following embodiments) on the top 3a of the substrate 3 provided or formed, or above it, so usually on the same plane in which the ring and / or frame-shaped radiator surface 11 lies or is arranged.
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.Based on 4 In addition, an equivalent circuit diagram is additionally reproduced, showing the ring-shaped or frame-shaped structure of the total radiator surface 25 indicates, being characterized by the on the side walls 3c trained and alternately successive side emitter surfaces sections 19 and the recessed areas 20 a ring or frame-shaped radiator structure results, by alternately successive series inductances 39 and serial capacities 41 is defined.
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 εr = 3,2
tan(δ) = 0,0007A patch antenna constructed in accordance with the invention can be appropriately dimensioned by selecting suitable materials. By way of example, the patch antenna may be defined by the following materials and measures:
External dimensions: 25 mm × 25 mm × 6 mm
Slot or recess width (for the sections 20 ): 1.5 mm
Height of overlap area 35 : 3.6 mm
Width of the side radiator sections 19 : 2 mm
Distance central axis 7 to the entry point 53 : 4 mm
Width of the phase shifter line 47 or the coupling lines 47 ' . 47 '' : 2 mm
Side length of the recess 13 : 14 mm × 14 mm
Material Substrate: Plastic 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.Of course, these values can be deviated widely. Thus, deviations of preferably less than 50%, in particular less than 40%, less than 30%, less than 20% and in particular less than 10% can likewise lead to advantageous embodiments. The above-mentioned values may, however, be arbitrarily greater at the top, so that deviations of the order of preferably less than 60%, less than 70%,..., Less than 90% and in particular less than 100% (below more ) are also possible.
Bezüglich des εr-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 εr 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 εr, 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.With regard to the ε r value for the plastic, these deviations can have a multiple value, in particular upwards (restrictions do not basically exist in this respect). For example, the values for ε r may preferably be between 2 and 20. Particularly when the patch antenna according to the invention is to be used for receiving programs broadcast via SDARS, values for ε r lying between 2 and 10 are particularly suitable, and the substrate or the patch antenna and thus the surrounding radiator surface have a dimension from 15 mm × 15 mm to 30 mm × 30 mm.
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 εr 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.In the event that the antenna according to the invention is to be used, for example, to receive GPS signals, it is possible to use a substrate with a material which preferably has values of ε r between 10 and 20. This results in suitable patch antenna sizes, ie dimensions for the substrate in plan view, which may for example be between 15 mm × 15 mm to 25 mm × 25 mm. Any number of orders of magnitude in each of 1 mm increments are equally possible and feasible between these values.
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.Based on the following 5a to 5h are now different food structures 15 reproduced in a schematic plan view, as for example for the in 1 shown (in plan view) square formed patch antenna ( 1 ) can be used.
Bei der Variante gemäß 5a ist schematisch jene Speisestruktur 15 wiedergegeben, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zu ersehen ist.In the variant according to 5a is schematically that feed structure 15 reproduced, as in the embodiment according to 1 can be seen.
Anhand der weiteren Darstellung gemäß 5b bis 5j folgend, sind hierzu Abwandlungen gezeigt, die allesamt nur verdeutlichen, dass vielfach andere Strukturen ebenso möglich sind.Based on the further illustration according to 5b to 5y Following this, modifications are shown, all of which only clarify that many other structures are equally possible.
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.In the variant according to 5b is used instead of a quarter pitch for the phase shift line 47 with the two coupling lines 47 ' . 47 '' proposed a right-angled line structure, wherein said feed point 53 not in the corner area (the one from the central axis 7 is penetrated), ie at the transition region of the line legs, but offset to the corner region is arranged in a line legs, which again different lengths of coupling lines 47 ' . 47 '' to the central feed point 53 on the inner edge 11a the radiator surface 11 result.
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.In the variant according to 5c is a 270 ° enclosing electrically conductive feed ring as a phase shifter line 47 chosen, from the entry point 53 ultimately outgoing coupling lines 47 ' . 47 '' at two contact points offset by 90 ° 48 on the inside 11a the annular or frame-shaped radiator surface 11 end and over here with the radiator surface 11 are connected. The feed takes place from the entry point 53 (which is centrally located and through which the central axis 7 runs) over a first common radial feed leg 57 then from one to the branch point 57 ' in the two mentioned opposing coupling lines 47 passes.
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.In the variant according to 5d are rectangular extending coupling lines 47 ' . 47 '' shown with multiple bends, the width of the coupling line and the length are again chosen so different that a phase offset of 90 ° with respect to the feed can be achieved.
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.In the variant according to 5e a more complex structure is shown, with branched coupling lines 47 ' . 47 '' , being from the entry point 53 the two coupling lines 47 ' . 47 '' in a known manner over several bends to the joints 48 on the inside 11a the radiator surface 11 to lead. About two additionally perpendicular to each other connecting sections 47a . 47b are the connection points 48 again galvanically connected to each other, as from 5e can be seen directly.
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.Based on 5f is reproduced that, in contrast to the representation according to 5e Also, a capacitive feed is possible by the two coupling lines 47 ' . 47 '' the phase shifter line 47 from the radiator surface 11 are galvanically isolated. The two perpendicular to each other and perpendicular to the side boundaries of the substrate 3 like the radiator surface 11 extending coupling line 47 ' . 47 '' are parallel to two connecting lines 47a . 47b aligned, which are also perpendicular and parallel to the coupling lines 47 ' . 47 '' are arranged, and in each case at a junction 48 with the radiator surface 48 and are connected together at its opposite end. Due to the parallel arrangement of these connecting lines 47a . 47b the capacitive coupling to the actual coupling lines takes place 47 ' . 47 '' the phase shifter line formed thereby 47 , The entry point 53 is here again related to the total length of the phase shifter line 47 arranged eccentrically, in turn, in this arrangement, a 90 ° phase shift at the feed points 48 to achieve, lying offset by 90 ° on the inside 11a the radiator surface 11 is provided, as in the previous embodiments also. The explained capacitive connection to the ring and / or frame-shaped radiator surface 11 or the annular and / or frame-shaped overall radiator surface 25 also causes a slope of the profit lobe by about 9 ° to 11 °. This can be of advantage, in particular in the case of inclined vehicle roofs, in order to compensate for a constructional imbalance in which the antenna is located.
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).The same applies in principle to the illustration according to 5g Here, the feed structure reproduces a closed rectangular frame, wherein from the feed point 53 again two coupling lines 47 ' . 47 '' to two contact points offset by 90 ° 48 lead, about which the electrical connection with the radiator surface 11 given is. The two contact points 48 are doing over another connection line 47a . 47b again connected to each other (similar to the embodiment according to 5e , where the additional connecting lines 47a . 47b quasi with their corner inwards compared to the embodiment according to 5g are allocated).
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.The embodiment according to 5h builds on the variant according to 5g on and is characterized by two centrally and cross-running additional connecting lines 47a . 47b from what about the coupling lines 47 ' and 47 '' in addition to each other and with the contact points 48 are connected.
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.Based on 5y and 5g is shown only schematically that the contour of the substrate and the radiator surface 11 does not have to match the inside contour of the recess 13 , For example, in 5i in plan view a square patch 11 with square substrate 3 shown, which has a circular boundary edge for the recess 13 having. The phase shifter cables 47 are reproduced at right angles with two offset by 90 ° ends thighs.
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.In the presentation according to 5y is the patch and the radiator surface 11 circular shaped, whereas the boundary edge of the recess 13 is formed square. In this case, the phase shifter line is formed part-circular (in the manner of a 90 ° sub-circle). This is just to show that the most diverse combinations and variants are possible here.
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.Based on 6 should be reproduced only schematically that the geometry of the patch antenna and the substrate with the radiator surface (in plan view) does not necessarily have to be square, but may also have different shapes. Generally, a regular polygonal is preferred.
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.Based on 6 is shown that the substrate 3 for example, cylindrical and the radiator surface located thereon 11 as well as the internal circular recess 13 can be formed circular. Again, from an off-center feeder 42 - at the entry point 53 the phase shifter line 47 ends - starting with a 90 ° offset, two coupling lines 47 ' . 47 '' provided with the annular (generally frame-shaped) circumferential strips of the radiator surface 11 at the connection points 48 are galvanically connected to produce a 90 ° phase shift and thus also to be able to operate the patch antenna as a circularly polarized patch antenna as shown in the other embodiments.
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.In this case is still a third of the connection and coupling serving radial arm 47c formed, that is, an electrically conductive strip portion 47c , which is symmetrical to the two coupling lines with the radiator surface 11 is connected and in a preferred small distance 47c to the one, in this embodiment, longer coupling line 47 '' ends up to the entry point 53 leads (that has two mutually perpendicular coupling sections), wherein the second coupling line 47 ' again radially extending to the junction of the annular radiator surface 11 leads.
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 εr = 2,5
tan(δ) = 0,0001A patch antenna formed in this way can have the following values, for example:
Outer radius of the substrate / radiator surface 11 (from the central axis 7 measured): 15 mm
inner radius 11a for the recess 13 : 8.2 mm
Total height of the substrate 6.4 mm
Distance of the entry point 53 to the central axis 7 : 4.5 mm
Height of the side radiator sections 19 in the overlap area 35 : 4.6 mm
Width of the recess 20 : 2 mm
slot width 47'c between the third strip portion 47c and the first coupling line 47 ' : 7.2 mm
Width of the coupling line 47 ' . 47 '' : 2 mm
Material of the substrate: Plastic PS with a value 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 εr. Anstelle der weiter oben genannten Bemaßungen der quadratischen Grundform gelten diese Maßangaben für das vorliegende Ausführungsbeispiel für den Durchmessen.Here, too, corresponding deviations may be provided, as already described, for example, above with respect to a square-shaped substrate in the basic form or a patch antenna which is square in plan view. The same applies to the values of ε r . Instead of the dimensions of the square basic form mentioned above, these dimensions for the present embodiment apply to the measuring.
Nachfolgend wird auf 7 Bezug genommen, in welcher in Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 bis 6 eine veränderte Speisestruktur gezeigt ist.The following will be on 7 Reference is made in which, in a modification to the embodiment according to 1 to 6 an altered food structure is shown.
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 this embodiment, in addition to a phase shifter line 47 with the two coupling lines 47 ' and 47 '' also starting from the entry point 53 still a second phase shifter line 147 provided with a second entry point 153 , resulting in two more coupling lines 147 ' . 147 '' are formed, this phase shifter line 147 with the entry point 153 in the sense of a 180 ° rotational symmetry symmetrical to the central axis 7 with respect to the first phase shift line 47 with the local food 53 arranged and at the connection points 148 to the radiator surface 11 is connected.
In 8 ist dazu wiederum das Ersatzschaltbild gezeigt.In 8th In turn, the equivalent circuit is shown.
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.In the embodiment according to 7 and 8th become the two entry points 53 and 153 over a 180 ° hybrid phase shifter 253 fed. Through this type of feed, the bandwidth can be further increased. Furthermore, the directional characteristic of the antenna becomes symmetrical. It comes here no longer to a lopsidedness of the profit lobe. The total feed of the 180 ° hybrid phase shifter 253 takes place via an inner conductor 43 ''' a corresponding feed line 43 , The principle is comparable to the equivalent circuit diagram according to 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.In the variant described, therefore, the feed takes place with respect to each feed point with the associated phase shift line 47 respectively. 147 offset by 90 ° with respect to the rotating radiator surface 11 , Both in the variant according to 4 as well as in the embodiment according to 8th need the over a feed-in point 53 respectively. 153 outgoing coupling lines 47 ' . 47 '' respectively. 147 ' . 147 '' forming the respective phase shifter line 47 respectively. 147 not offset by 90 ° to each of a pair of entry points 48 respectively. 148 to lead. Here, instead of a 90 ° angle offset relative to the vertical or symmetry axis 7 or also a 45 ° angular offset, a 30 ° angular offset or, for example, a 67.5 ° angular offset possible if a corresponding phase shift via the respectively associated coupling lines 47 ' . 47 '' respectively. 147 ' . 147 '' is selected. In each of these cases, basically, a circularly polarized wave can be transmitted or received.
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.Based on 9 is contrary to 2 a cross-sectional view of a modified embodiment, for example, for a square or cylindrical in plan view patch radiator 1 reproduced, which is frustoconical or truncated pyramid shaped of the overall shape, ie with side walls 3c that are not perpendicular to the top or bottom 3a . 3b of the substrate 3 and thus perpendicular to the radiator surface 11 but inclined to do so. In the embodiment shown, the side walls are at an angle α with respect to the central axis 7 inclined (where the angle α between the base surface or underside 3b of the substrate 3 and the vertical through the symmetry or central axis 7 leading cutting plane through the side walls or side surfaces 3c is formed. On these now inclined side surfaces 3c are the correspondingly discussed side radiator surface sections 19 and the recessed areas between them 20 which are alternately arranged in the circumferential direction.
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°.The angle α can differ within wide ranges. However, it should be greater than 0 °, since otherwise there is virtually no three-dimensional substrate, but the total radiator surface structure would lie only in one plane. Values for α of more than 10 °, in particular more than 20 °, more than 30 °, more than 40 °, more than 50 °, more than 60 °, more than 70 ° and more than 80 ° are therefore desirable. This angle is preferably 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.The values could theoretically also increase by more than 90 °, as shown schematically by the slightly modified cross-sectional representation according to FIG 10 is reproduced. The structure of the substrate is in accordance with the 9 formed virtually standing upside down, but nevertheless the radiator surface 11 on the top 3a is provided. The side walls 3c are then reversed inclined to the embodiment according to 9 , Also in this case, the angle α should preferably be smaller than 180 ° to actually form a three-dimensional substrate. Values of less than 170 °, in particular less than 160 °, 150 °, 140 °, 130 °, 120 °, 110 ° and in particular 100 ° are preferred.
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.Below is still based on three schematic vertical cross-sectional views comparable to those after 2 respectively. 2a shown that the radiator structure can be formed in total, for example, using a metal sheet whose side radiator surface portion 19 in the distance in front of the surfaces of the side walls 3c lie.
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.It is in accordance with the variant 11 a sheet has been used which has been correspondingly punched so that the top portion of the radiator surface 11 for example, using an adhesive layer or a double-sided adhesive tape on the surface 3a of the substrate can be adhered. At a circumferential edge 61 are then the corresponding pre-punched side emitters section 19 then bent down so that these side emitter areas sections 19 come to lie in the Seitenflächen- or sidewalls areas S, but not directly on the surface of the side walls 3c are formed or positioned.
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.The in 11 shown side distance A can be chosen arbitrarily in a wide range. In this case, the angling of the side emitter surface sections 19 also different, so that these sections are not necessarily at a 90 ° angle to the upper radiator surface portion 11 must be aligned, as indicated by 11 is shown by dashed lines for two other examples, by the side wall sections are formed obliquely, namely at an angle α comparable to the embodiment according to 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.In its variant according to 12 is only shown that the side emitter areas sections 19 in the side surface or side walls space S also with at least one further, for example, with respect to the ground surfaces underlying bend 19b may be provided, which is parallel or at an angle to the ground plane and with its free end on or at a distance from the side walls or side surfaces 3c end up.
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.Based on 13 is shown in comparable vertical cross-section, that in the Seitenflächen- or sidewalls space at a distance from the side walls 3c provided side radiator surface sections 19 also with multiple bends 161 may be provided, resulting in, for example, a kind of circumferential stair structure, in which at least predominantly more vertically oriented sections are formed with more horizontally oriented sections consecutively.
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 particular, when a total of one as described bendable and cantilevered electrically conductive sheet is used as a radiator or radiator structure, especially in the upper recessed area by punching the corresponding recess 13 are produced, wherein the punching process can be carried out so that at the same time the required phase shift lines when punching 47 are left behind, which are then formed in a punching process as part of the entire radiator structure cohesively connected to the rest of the radiator surface.
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.In the illustrated embodiments, the side-emitter surface portions are 19 circumferentially formed electrically galvanic closed. If appropriate, only punctiform connections between the circumferentially offset side radiator surface sections can also be provided in the corner regions 19 be provided.
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.In particular, when the patch antenna is manufactured using a edged and stampable metal sheet, which can be at the edge lines 61 folded side radiator surface sections 19 especially in their corner areas to an adjacent side emitter surface section 19 be separated by punching or creasing lines.
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.Hereinafter is still a further variant of the invention according to 14 in which the patch antenna is shown using a folded metal sheet. The on the side surfaces 3c lapping or spaced apart side radiator surface sections 19 are by edges in the upper corner area 61 emerged from a common stamped sheet metal. This embodiment is also the phase shifter line 47 with the two coupling lines 47 ' . 47 '' adjacent to the entry point 53 Part of a stamped metal sheet.
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.Furthermore, in this variant, even the feed line 42 As part of the stamped and folded metal sheet, which forms the entire radiator structure, be made to produce a corresponding length of the feed line results from the punching an exception area 149 in the upper radiator surface 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.In this embodiment, four Justierzapfen are on the upper side of the substrate further 97 provided, which preferably at the appropriate location in the upper radiator surface 11 introduced holes 97 ' in the mounted position and thereby the adjustment of the radiator surface 11 serve.
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).According to the cross-sectional view according to 15 It can then be seen that the thus formed in the manner of a metal strip and formed by edges downwardly extending feed line 42 to a food or solder joint 83 leads where it can be galvanically connected to a printed circuit board LP ( 2 and 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.In the 14 and 15 visible recesses 98 have only a production-related importance to the substrate - if it is made for example of plastic - to produce as possible without shrinkage.
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.Based on 16 . 17 and 18 is further shown that the substrate 3 a cavity 103 may have, which from the bottom 3b over an opening formed there 103a is accessible. This results in a box-shaped substrate from overhead ceiling 3d and the surrounding sidewalls 3c , In the interior thus formed 103 can, such as in 17 and 18 shown is an additional printed circuit board 107 be accommodated on which electrical or electronic components or assemblies 109 can be positioned. The mentioned circuit board 107 can be at any height in this cavity 103 be accommodated, such as in 17 about mid-height and in 18 directly on the underside of the upper cover wall 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.The entire interior or cavity 103 is on the bottom of the so-called ceiling 3d as well as on the inside walls 3 'c lined or clad with a metallizing layer, eliminating the entire interior 103 to the side and to the top with respect to the substrate 3 is shielded. Likewise theoretically could be an electrically conductive or metallized or consisting of a metal sheet box of appropriate size in this cavity 103 be inserted.
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.at 18 is also still shown that over two spring devices 115 the thus formed patch antenna via holes 117 in the printed circuit board LP can be inserted through until the spring arms 117 ' the opening 117 the printed circuit board LP engage behind and thereby the substrate 3 Already pre-adjusted on the PCB LP holds.
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.The described antenna can in principle serve for transmitting as well as for receiving electromagnetic waves and in particular circularly polarized electromagnetic waves. It can also be used for simultaneous transmission and reception, in particular when, as usual, the transmission and reception range is frequency-wise offset, albeit small, from one another. When receiving the corresponding signals are then forwarded via the so-called feed line for further processing to the electronics located on the printed circuit board and / or other subsequent modules.
