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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungsvorrichtung mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne.
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Oftmals wird bei einer Übertragung zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne eine Freiraumübertragung durchgeführt, die allerdings Einbußen bei einer Empfangsleistung aufweist. Sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne müssen zur Sicherstellung eines reibungslosen Ablaufs genau aufeinander ausgerichtet sein und erlauben in ihrer Konzeptionierung nur ein geringes Maß an Freiheitsgraden. Die Empfangsleistung kann daher auch nur durch Antennen mit höherem Gewinn oder durch eine Verringerung einer Entfernung zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne erhöht werden.
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Die Druckschrift
US 4 808 950 A beschreibt eine Übertragungsvorrichtung zur Verzögerung von elektromagnetischen Wellen zwischen zwei Antennen mittels eines dielektrischen Streifens. Aus der Druckschrift
EP 1 944 830 A1 ist eine Antenne mit einem flexiblen Antennenelement auf einem flexiblen Dielektrikum bekannt. Die Druckschrift
EP 1 101 300 B1 zeigt ein Antennenfeld auf einem flexiblen Dielektrikum.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Übertragungsvorrichtung zu entwickeln, die die genannten Nachteile vermeidet, die also eine deutliche Erhöhung einer Empfangsleistung bei gleichbleibender Sendeleistung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Übertragungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine Übertragungsvorrichtung weist eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne auf, wobei zumindest die Sendeantenne oder die Empfangsantenne in oder auf mindestens einem Substrat aus einem dielektrischen Werkstoff angeordnet ist bzw. sind. Die Anordnung ist derart, dass eine Bündelung einer von der Sendeantenne emittierten und von der Empfangsantenne empfangenen elektromagnetischen Strahlung in einer durch das Substrat vorgegebenen Hauptstrahlrichtung erfolgt.
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Dadurch, dass Antennenstrukturen für Sender und Empfänger auf einem dielektrischen Material mit typischerweise niedrigem Verlustfaktor gefertigt sind, kann anstelle einer dielektrikumbasierten Wellenführung eine Bündelung der elektromagnetischen Strahlung zwischen den Antennen durch die Bindung an das Dielektrikum vorgenommen werden. Hierbei wird durch das Substrat lediglich eine Hauptstrahlrichtung vorgegeben und hierdurch eine Bündelung erreicht, ohne dass die elektromagnetische Strahlung durch das als Wellenleiter dienende Substrat geführt wird. Unter einem geringen Verlustfaktor soll hierbei ein Verlustfaktor zwischen 0,001 und 0,02 verstanden werden. Es wird somit breitbandig eine Empfangsleistung gegenüber einer Freiraumübertragung gesteigert.
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Das Substrat kann als ein flexibel verformbares Substrat ausgebildet sein. Aufgrund der Ausgestaltung als flexibel verformbares Substrat, also als ein bei einer Raumtemperatur von 20°C reversibel bieg- und dehnbares Substrat müssen die Sendeantenne und die Empfangsantenne nicht direkt aufeinander ausgerichtet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sendeantenne auf einem ersten Substrat aus einem dielektrischen Werkstoff und die Empfangsantenne auf einem von dem ersten Substrat räumlich getrennten zweiten Substrat aus einem dielektrischen Werkstoff angeordnet sind. Das erste Substrat und das zweite Substrat sind hierbei typischerweise flexibel verformbar. Durch die räumliche Trennung der beiden Substrate ist eine Flexibilität und Variierbarkeit der Übertragungsvorrichtung erhöht, wobei immer noch die Empfangsleistung aufgrund der durch das jeweilige Substrat vorgegebenen Hauptstrahlrichtung beim Senden bzw. Empfangen gegenüber einer Freiraumübertragung gesteigert ist. Vorzugsweise ist der dielektrische Werkstoff des ersten Substrats und des zweiten Substrats identisch, um eine einfache Anpassung der Übertragungseigenschaften vornehmen zu können. Falls die Sendeantenne und die Empfangsantenne räumlich voneinander getrennt auf dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet sind, können allerdings auch verschiedene Werkstoffe für die Substrate verwendet werden.
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Die Sendeantenne und die Empfangsantenne können aber auch gemeinsam auf einem einzigen Substrat aus dem dielektrischen Werkstoff angeordnet sein. Durch die Verwendung eines einzigen flexibel verformbaren Substrats wird die Hauptstrahlrichtung einer Energieausbreitung der elektromagnetischen Strahlung eindeutig vorgegeben.
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Typischerweise weist das flexible verformbare Substrat eine Länge von mindestens einem Eineinhalbfachen einer Wellenlänge der zum Übertragen verwendeten elektromagnetischen Strahlung oder eines ganzzahligen Vielfachens einer halben Wellenlänge der zum Übertragen verwendeten elektromagnetischen Strahlung auf. Beginnend mit einem Eineinhalbfachen der Wellenlänge der zum Übertragen verwendeten elektromagnetischen Strahlung wird durch eine entsprechende Wahl der Länge eine Energieausbreitung der elektromagnetischen Strahlung unterstützt, unabhängig davon, ob die Sendeantenne und die Empfangsantenne auf einem einzigen gemeinsamen Substrat oder räumlich getrennt auf zwei Substraten angeordnet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Substrat als ein flexibel verformbares Substrat ausgeführt ist und gekrümmt ausgeführt ist, also die Sendeantenne und die Empfangsantenne nicht einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dies ermöglicht es, eine Führung der elektromagnetischen Strahlung anhand des Substrats bei zueinander versetzter Sendeantenne und Empfangsantenne vorzunehmen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das flexibel verformbare Substrat um seine Längsachse verdreht ausgeführt sein. Dies erlaubt es, die Übertragungsvorrichtung flexibler auszugestalten, da die Sendeantenne und die Empfangsantenne nicht in einer identischen Ebene liegen müssen.
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Typischerweise ist die Sendeantenne zum Aussenden polarisierter elektromagnetischer Strahlung ausgebildet. Insbesondere im Zusammenhang mit einem um seine Längsachse gedreht ausgeführten, flexibel verformbaren Substrat kann hierdurch eine Polarisationsebene der elektromagnetischen Strahlung durch die Führung und Bündelung entlang des Substrats gezielt gedreht werden.
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Die zum Übertragen verwendete elektromagnetische Strahlung weist typischerweise eine Wellenlänge zwischen 3 mm und 300 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 100 mm, besonders vorzugsweise zwischen 10 mm und 100 mm auf. Die elektromagnetische Strahlung liegt somit im Bereich von Mikrowellen, mm-Wellen bzw. sub-mm-Wellen.
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Das flexibel verformbare Substrat ist vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen oder Polyethylen ausgebildet. Diese Werkstoffe sind mechanisch stabil und dennoch flexibel verformbar und ermöglichen zudem die Bündelung der elektromagnetischen Strahlung.
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Die beschriebene Übertragungsvorrichtung kann auch als Feldsonde mit sehr kleinem Streuquerschnitt und geringer Verkopplung ausgeführt sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne nach dem Stand der Technik, die in Hauptstrahlrichtung zueinander ausgerichtet sind und eine Freiraumausbreitung elektromagnetischer Strahlung zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne ermöglichen;
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2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Übertragungsvorrichtung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne auf einem gemeinsamen dielektrischen Substrat angeordnet sind;
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3 eine 2 entsprechende Darstellung der Übertragungsvorrichtung, bei der das Substrat gekrümmt ausgeführt ist;
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4 eine 2 entsprechende Darstellung der Übertragungsvorrichtung, bei der das Substrat um seine Längsachse gedreht ausgeführt ist, und
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5 eine 2 entsprechende Ansicht der Übertragungsvorrichtung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne jeweils auf einem eigenen dielektrischen Substrat angeordnet sind.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht eine Sendeantenne 1 und eine Empfangsantenne 2 dargestellt. Die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2 sind in Hauptstrahlrichtung zueinander ausgerichtet, das heißt sie sind in einer identischen Ebene gelagert und einander fluchtend gegenüberliegend. Die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2 sind räumlich voneinander beabstandet und es erfolgt eine Freiraumausbreitung einer von der Sendeantenne 1 ausgesandten und von der Empfangsantenne 2 empfangenen elektromagnetischen Strahlung.
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In 2 ist in einer 1 entsprechenden perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in 2 wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2 sind auf einem Substrat 3 mit einer Länge von 250 mm, einer Höhe von 8 mm und einer Dicke von 127 μm angeordnet, wobei die Sendeantenne 1 an einem Ende des Substrats 3 und die Empfangsantenne 2 an dem gegenüberliegenden Ende des Substrats 3 angeordnet ist. Im Ausbreitungsweg zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 befindet sich nun also das Substrat 3 aus einem flexiblen dielektrischen Material, im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Polyethylen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Substrat 3 auch aus Polytetrafluorethylen ausgebildet sein. Das Substrat 3 ist bei Raumtemperatur reversibel verformbar, also biegbar und dehnbar, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch steif ausgeführt sein. Der Verlustfaktor des Substrates 3 beträgt 0,0013.
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Anstelle einer Freiraumausbreitung zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 wird durch ein dielektrischen Medium wie das flexibel verformbare Substrat 3 eine Bündelung einer von der Sendeantenne 1 abgestrahlten Welle der elektromagnetischen Strahlung bewirkt und somit ein wesentlich größerer Teil einer von der Sendeantenne 1 abgestrahlten Energie zur Empfangsantenne 2 transportiert als bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt sind. Durch den Einsatz eines einzigen durchgehenden Substrats 3, in dem oder auf dem die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2 angeordnet sind, wobei eine exakte Ausrichtung aufeinander der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 erfolgt, wird in besonders effizienter Weise eine Energieausbreitung entlang der Hauptstrahlrichtung gewährleistet, indem eine Bündelung der Energie in Hauptstrahlrichtung durch Bindung an das Substrat 3 vorgenommen wird.
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Die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 5 mm, in weiteren Ausführungsbeispielen können aber auch Mikrowellen oder sub-mm-Wellen verwendet werden.
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3 zeigt in einer 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem anstelle eines flachen Substrats 3 ein gekrümmtes Substrat 3 verwendet wird. Die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2 befinden sich nun nicht mehr fluchtend einander gegenüberliegend, sondern sind gegeneinander verkippt. Durch eine Krümmung des Substrats 3 als Trägermaterial ist dennoch eine Hauptstrahlrichtung vorgegeben, entlang derer sich die elektromagnetische Strahlung zur Empfangsantenne 2 gelangt. Das Substratmaterial bewirkt somit eine Führung der elektromagnetischen Welle. Die Krümmung erfolgt hierbei um eine mittig zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 liegende Krümmungsachse.
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Eine Möglichkeit einer Polarisationsdrehung zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 ist in 4 gezeigt. Über eine Länge von mehreren Wellenlängen der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung wird das dielektrische Substrat 3 um einen Winkel von im dargestellten Ausführungsbeispiel 90° verdreht, so dass eine von der Sendeantenne 1 abgestrahlte polarisierte elektromagnetische Strahlung eine Änderung einer Polarisationsebene erfährt. Durch eine Torsion des Substrats 3 als dielektrischen Trägers entlang seiner Längsachse 4 wird aufgrund der Bündelung der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung eine Polarisationsdrehung erreicht.
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5 zeigt in einer 2 entsprechenden perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Übertragungsvorrichtung, bei dem die Sendeantenne 1 auf einem ersten flexibel verformbaren Substrat 31 und die Empfangsantenne 2 auf einem zweiten flexibel verformbaren Substrat 32 angeordnet sind. Das erste Substrat 31 und das zweite Substrat 32 sind in beiden Fällen aus einem identischen dielektrischen Werkstoff, nämlich Polyethylen gefertigt. Eine Länge des ersten Substrats 31 und des zweiten Substrats 32 ist identisch und beträgt ein Zweifaches der Wellenlänge der zur Übertragung verwendeten elektromagnetischen Strahlung, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch nur einem Eineinhalbfachen dieser Wellenlänge entsprechen. Außerdem ist es möglich, dass das erste Substrat 31 und das zweite Substrat 32 unterschiedlich lang sind. Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist insbesondere für eine Überbrückung größerer Entfernungen geeignet, bei denen keine durchgehende Verbindung über das Substrat 3 vorliegen muss, sondern zwei räumlich voneinander getrennte Substrate 31 und 32 verwendet werden. Es ist ausreichend, wenn das dielektrische Material des Substrats 31 einige Wellenlängen nach einer Apertur endet.
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Durch die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Übertragungsvorrichtungen mit drahtloser Wellenführung kann eine Erhöhung einer Empfangsleistung bei gleichbleibender Sendeleistung, sowie eine Steigerung eines Gewinns ohne eine Verwendung großer Antennenarrays erreicht werden.
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Herstellungskosten werden verringert und ein Platzbedarf aufgrund weniger Elemente als bei vergleichbaren Antennenarrays reduziert. Schließlich wird eine bessere Übertragung auch bei Ausrichtungsfehlern zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 erzielt und es besteht die Möglichkeit, eine gezielte Drehung der Polarisation des übertragenen Signals zu erreichen. Zudem ist auch ein Einsatz als Feldsonde mit sehr kleinem Streuquerschnitt und geringer Verkopplung möglich.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
