DE102017010514A1 - Reception antenna for satellite navigation on a vehicle - Google Patents
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Abstract
Antenne (1) für den Empfang zirkular polarisierter Satellitenfunksignale, umfassend wenigstens eine horizontal orientierte, über einer leitenden Grundfläche (6) angeordnete Leiterschleife, mit einer mit einer Antennenanschlussstelle (5) verbundenen Anordnung zur elektromagnetischen Erregung (3) der Leiterschleife, umfassend die folgenden Merkmale:
- die Leiterschleife ist als Ringleitungsstrahler (2) durch eine polygonale oder kreisförmige geschlossene Ringleitung (14) in einer horizontalen Ebene mit der Höhe h < 0,15 der Freiraumwellenlänge λ über der leitenden Grundfläche (6) verlaufend gestaltet,
- der Ringleitungsstrahler (2) bildet eine Resonanzstruktur und ist durch elektromagnetische Erregung in der Weise erregbar, dass sich auf der Ringleitung (14) die Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung einstellt, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt
- es sind am Umfang des Ringleitungsstrahlers (2) verteilt, an Ringleitungs-Koppelpunkten (7) mit dem Ringleitungsstrahler (2) galvanisch verkoppelte, vertikale und zur leitenden Grundfläche (6) hin verlaufende vertikale Strahler (4) vorhanden
- es ist ein Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (8) mit einem eingangsseitig mit der Antennenanschlussstelle (5) verkoppeltem Tor T1 und mit zwei Toren T2, T3 vorhanden, deren Transmissionskoeffizienten S12 und S13 sich voneinander um einen Phasenwinkel ΔΦ unterscheiden
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale
- der Ringleitungsstrahler (2) ist als kurze Ringleitung (14) ausgeführt, dessen Umfang (L) kürzer ist als die Freiraum-Wellenlänge λ.
- es sind mindestens drei vertikale Strahler (4) als vertikale Resonanzstrahler (4, 4a, 4b, 4c,...) vorhanden, welche über Blindwiderstandsschaltungen (13) mit kapazitiver Reaktanz X mit der Grundfläche (6) verkoppelt sind, durch welche die Resonanz der kurzen Ringleitung (14) hergestellt ist.
- der Eingangswiderstand jedes der Tore T2, T3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks (8) zur elektromagnetischen Erregung der Leitungswelle auf der Ringleitung (14) ist jeweils ein im Wesentlichen reeller Widerstand.
- dem Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (8) sind zwei der Ringleitungskoppelpunkte (7a, 7b) in der Weise zugeordnet, dass jedes der Tore T2, T3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks (8) jeweils mit dem ihm zugeordneten Ringleitungskoppelpunkt (7a, 7b) verkoppelt ist.
An antenna (1) for receiving circularly polarized satellite radio signals, comprising at least one horizontally oriented conductor loop arranged above a conductive base (6), with an arrangement for electromagnetic excitation (3) of the conductor loop connected to an antenna connection point (5), comprising the following features :
the conductor loop is designed as a ring line radiator (2) running through a polygonal or circular closed ring line (14) in a horizontal plane with the height h <0.15 of the free space wavelength λ over the conductive base surface (6),
- The ring line radiator (2) forms a resonant structure and is excitable by electromagnetic excitation in such a way that adjusts the current distribution of a current line wave in a single direction of rotation on the ring line (14), the phase difference over a cycle is just 2π
- There are distributed on the circumference of the ring line radiator (2), at ring line crosspoints (7) with the ring line radiator (2) galvanically coupled, vertical and the conductive base (6) extending vertical radiator (4) available
there is a distribution and phase shifting network (8) with a gate T1 coupled on the input side with the antenna connection point (5) and with two ports T2, T3 whose transmission coefficients S 12 and S 13 differ from each other by a phase angle ΔΦ
characterized by the following features
- The ring line radiator (2) is designed as a short ring line (14) whose circumference (L) is shorter than the free space wavelength λ.
there are at least three vertical radiators (4) as vertical resonance radiators (4, 4a, 4b, 4c,...), which are coupled via reactance circuits (13) with capacitive reactance X to the base (6), through which the Resonance of the short loop (14) is made.
- The input resistance of each of the ports T2, T3 of the distribution and phase shifter network (8) for electromagnetic excitation of the line shaft on the ring line (14) is in each case a substantially real resistance.
- The distribution and phase shifter network (8) two of the ring line coupling points (7a, 7b) are assigned in such a way that each of the gates T2, T3 of the distribution and phase shifter network (8) coupled to its associated ring line cross-point (7a, 7b) is.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antenne
Satellitenfunksignale werden aufgrund von Polarisationsdrehungen auf dem Übertragungsweg in der Regel mit zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen übertragen und werden in allen bekannten Satelliten-Navigationssystemen angewandt. Moderne Navigationssysteme sehen insbesondere für die globale Erreichbarkeit in Verbindung mit einer hohen Navigationsgenauigkeit bei der mobilen Navigation vor, die gleichzeitig empfangenen Funksignale mehrerer Satelliten-Navigationssysteme auszuwerten. Solche im Verbund empfangenden Systeme sind unter dem Begriff GNSS (Global Navigation Satellite System) zusammengefasst und beinhalten bekannte Systeme, wie zum Beispiel GPS (Global Positioning System, GLONASS, Galileo und Beidou etc. Satellitenantennen für die Navigation auf Fahrzeugen werden in der Regel auf der elektrisch leitenden Außenhaut der Fahrzeugkarosserie aufgebaut. Es kommen zirkular polarisierte SatellitenEmpfangsantennen zur Anwendung, wie sie zum Beispiel aus der DE102009040910.6, der
Als weitere Empfangsantennen für die Satelliten-Navigation auf Fahrzeugen sind nach dem Stand der Technik Patch-Antennen
Für die Anwendung auf Fahrzeugen eignen sich insbesondere Satellitenempfangsantennen mit kleinem Bauvolumen. Antennen dieser Art nach dem Stand der Technik sind als Patch-Antennen bekannt. Diese sind jedoch bezüglich des Empfangs unter niedrigem Elevationswinkel weniger leistungsfähig und im Aufbau aufwändiger. Dieser Nachteil wird zum Teil behoben durch Ringleitungsantennen, wie sie zum Beispiel in der DE 102009040910 beschrieben sind. Jedoch auch für solche Antennen ist es wünschenswert den Kreuzpolarisationsabstand über die volle Bandbreite der oben beschriebenen Frequenzbänder
Mit der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Aufgabe verbunden, eine Antenne für den Empfang zirkular polarisierter Satelliten-Funksignale für die Satelliten-Navigation anzugeben, welche bei geringem Bauvolumen einen ausreichendem Gewinn und über einen großen Frequenzbereich eine hohen Kreuzpolarisationsabstand aufweist und somit für die Gewinnung besonders genauer Ortungsergebnisse in einem Fahrzeug geeignet ist.The object of the present invention is therefore to provide an antenna for the reception of circularly polarized satellite radio signals for satellite navigation, which has a sufficient gain with a small volume and a high gain over a large frequency range Having cross polarization distance and thus is suitable for obtaining particularly accurate detection results in a vehicle.
Diese Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die in den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst:
- Antenne (
1 ) für den Empfang zirkular polarisierter Satellitenfunksignale, umfassend wenigstens eine horizontal orientierte, über einer leitenden Grundfläche (6 ) angeordnete Leiterschleife, mit einer mit einer Antennenanschlussstelle (5 ) verbundenen Anordnung zur elektromagnetischen Erregung (3 ) der Leiterschleife, umfassend die folgenden Merkmale:- - die Leiterschleife ist als Ringleitungsstrahler (
2 ) durch eine polygonale oder kreisförmige geschlossene Ringleitung (14 ) in einer horizontalen Ebene mit der Höhe h < 0,15 der Freiraumwellenlänge λ über der leitenden Grundfläche (6 ) verlaufend gestaltet, - - der Ringleitungsstrahler (
2 ) bildet eine Resonanzstruktur und ist durch elektromagnetische Erregung in der Weise erregbar, dass sich auf der Ringleitung (14 ) die Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung einstellt, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt - - es sind am Umfang des Ringleitungsstrahlers (
2 ) verteilt, an Ringleitungs-Koppelpunkten (7 ) mit dem Ringleitungsstrahler (2 ) galvanisch verkoppelte, vertikale und zur leitenden Grundfläche (6 ) hin verlaufende vertikale Strahler (4 ) vorhanden - - es ist ein Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (
8 ) mit einem eingangsseitig mit der Antennenanschlussstelle (5 ) verkoppeltem TorT1 und mit zwei TorenT2 ,T3 vorhanden, deren Transmissionskoeffizienten S12 und S13 sich voneinander um einen PhasenwinkelΔΦ unterscheiden gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale- - der Ringleitungsstrahler (
2 ) ist als kurze Ringleitung (14 ) ausgeführt, dessen Umfang (L ) kürzer ist als die Freiraum-Wellenlänge λ. - - es sind mindestens drei vertikale Strahler (
4 ) als vertikale Resonanzstrahler (4 ,4a ,4b ,4c ,...) vorhanden, welche über Blindwiderstandsschaltungen (13 ) mit kapazitiver ReaktanzX mit der Grundfläche (6 ) verkoppelt sind, durch welche die Resonanz der kurzen Ringleitung (14 ) hergestellt ist. - - der Eingangswiderstand jedes der Tore
T2 ,T3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks (8 ) zur elektromagnetischen Erregung der Leitungswelle auf der Ringleitung (14 ) ist jeweils ein im Wesentlichen reeller Widerstand. - - dem Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (
8 ) sind zwei der Ringleitungskoppelpunkte (7a ,7b) in der Weise zugeordnet, dass jedes der ToreT2 ,T3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks (8 ) jeweils mit dem ihm zugeordneten Ringleitungskoppelpunkt (7a ,7b) verkoppelt ist.
- - der Ringleitungsstrahler (
- - die Leiterschleife ist als Ringleitungsstrahler (
- Antenna (
1 ) for receiving circularly polarized satellite radio signals, comprising at least one horizontally oriented, over a conductive base (6 ) arranged conductor loop, with one with an antenna connection point (5 ) associated arrangement for electromagnetic excitation (3 ) of the conductor loop, comprising the following features:- - the conductor loop is used as a ring line radiator (
2 ) by a polygonal or circular closed loop (14 ) in a horizontal plane with the height h <0.15 of the free space wavelength λ over the conductive base (6 ) running, - - the ring tube emitter (
2 ) forms a resonant structure and is excitable by electromagnetic excitation in such a way that on the loop (14 ) adjusts the current distribution of a current line wave in a single direction of rotation, whose phase difference over a cycle is just 2π - - it is on the circumference of the ring line radiator (
2 ), at ring line crosspoints (7 ) with the ring line emitter (2 ) galvanically coupled, vertical and conductive base (6 ) extending vertical radiator (4 ) available - it is a distribution and phase shifting network (
8th ) with an input side with the antenna connection point (5 ) coupled gateT1 and with two goalsT2 .T3 present whose transmission coefficients S 12 and S 13 from each other by a phase angleΔΦ distinguished by the following features- - the ring tube emitter (
2 ) is a short loop (14 ) whose scope (L ) is shorter than the free space wavelength λ. - - there are at least three vertical emitters (
4 ) as vertical resonance radiators (4 .4a .4b .4c , ...), which are connected via reactance circuits (13 ) with capacitive reactanceX with the base area (6 ) are coupled by which the resonance of the short loop (14 ) is made. - - the input resistance of each of the gates
T2 .T3 of the distribution and phase shifting network (8th ) for the electromagnetic excitation of the line shaft on the loop (14 ) is in each case a substantially real resistance. - - the distribution and phase-shifting network (
8th ) are two of the loop coupling points (7a .7b) assigned in the way that each of the gatesT2 .T3 of the distribution and phase shifting network (8th ) in each case with its associated ring line cross point (7a .7b) is coupled.
- - the ring tube emitter (
- - the conductor loop is used as a ring line radiator (
Der besondere Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die strenge Forderung der Frequenzbandbreite des Kreuzpolarisationsabstands in Verbindung mit einem geringem Bauvolumen der Antenne
Der erfinderische Gedanke besteht hierfür unter anderen darin, die Antenne
Der Ringleitungsstrahler
Erfindungsgemäß kann die große Frequenzbandbreite des Kreuzpolarisationsabstands in der Umgebung der Resonanzfrequenz des Ringleitungsstrahlers erreicht werden, wenn die kapazitive und die induktive Blindleistung des Ringleitungsstrahlers ohne einen Beitrag der Einrichtung zur Erregung
- - diesen Phasenunterschied einer Stromwelle auf der
Ringleitung 14 desRingleitungsstrahlers 2 repräsentierenden - vertikalen Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b in der Weise erregen, dass über diese Tore bei Resonanz kein Blindleistungsaustausch erfolgt. Dies ist durch die Forderung nach dem reellen Eingangswiderstand der ToreT2 ,T3 des Verteil-undPhasenschiebernetzwerks 8 erreicht. Hierbei zeigt sich, dass die erreichbare Frequenzbandbreite des Kreuzpolarisationsabstands besonders groß ist, wenn dieser reelle Eingangswiderstand der Tore, etwa dem großen Resonanzwiderstand des Ringleitungsstrahlers bei der Frequenzf0 von bis zu 500 Ohm entspricht.
- - This phase difference of a current wave on the
loop 14 of thering line radiator 2 representative - verticalresonance excitation emitter 10a .10b in such a way that no reactive power exchange takes place over these gates at resonance. This is due to the demand for the real input resistance of the gatesT2 .T3 of the distribution and phase shifter network8th reached. This shows that the achievable frequency bandwidth of the cross-polarization distance is particularly large if this real input resistance of the gates, such as the large resonance resistance of the loop emitter at the frequencyf0 of up to 500 ohms.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments:
Dem Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (
Jedes der Tore
Durch die Wirkung der mit der Blindwiderstandsschaltung
Die Blindwiderstandsschaltung
Die Blindwiderstandsschaltung
Die Blindwiderstandsschaltung
Die Blindwiderstandsschaltungen
Es kann sein, dass jedoch zwischen der Kapazität
Die erste Kapazität
Die vertikalen Strahler können zur kapazitiven Ankopplung an ihrem unteren Ende zu individuell gestalteten flächigen Kapazitätselektroden
Es kann die leitende Struktur, bestehend aus der Ringleitung
Es können insgesamt drei vertikale Resonanzstrahler
Es kann eine Vielzahl von N>4 vertikalen Resonanzstrahlern
Es können vier vertikale Resonanzstrahler
Es kann die Ringleitung jedoch rechteckförmig mit vier Ringleitungs-Koppelpunkten
Es kann ein Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
Es kann das Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
Es können ein erstes und ein zweites Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
Es kann die verlustfreie Anpassungsschaltung
Es können alle vertikalen Resonanzstrahler (
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 :Antenne 1 nach der Erfindung, bestehend im Beispielaus dem Ringleitungsstrahler 2 mit dem Ringleiter 14 in der Höhe h < 0,15λ über der leitenden Grundfläche6 mit N = 3vertikalen Resonanzstrahlern 4a ,4b ,4c an azimutal gleich verteilten Ringleitungs-Koppelpunkten 7a ,7b ,7c und der elektromagnetischen Erregung3 durch das Verteil-und Phasenschiebernetzwerk 8 .Die vertikalen Resonanzstrahler 4a ,4b ,4c sind jeweils über eine kapazitiv wirkende Blindwiderstandsschaltung13a ,13b,13c über den Masse-Anschlusspunkt 11 mit der leitenden Grundfläche6 verkoppelt.Die elektromagnetische Erregung 3 erfolgt über das Verteil-und Phasenschiebernetzwerk 8 , welches eingangsseitig mit seinem TorT1 mit dem Antennenanschluss 5 verbunden ist und dessen ToreT2 undT3 mit zwei vonden vertikalen Resonanzstrahlern 4a ,4b ,4c als vertikale Resonanz-Erregungsstrahler 10a und10b in der Weise verbunden sind, dass die zugehörigen Ringleitungs-Koppelpunkte 7a ,7b direkt mitden im Verteilnetzwerk 16 und im Phasendrehglied 17 bewirkten Ausgangssignalen an den TorenT2 undT3 mit Phasenwinkelunterschied ΔΦ = 360°/N = 120° angesteuert sind, sodass sich aufdem Ringleiter 14 die laufende Leitungswelle einstellt. Hierbei ist erfindungsgemäß vorausgesetzt, dass die ToreT2 undT3 jeweils einen reellen Eingangswiderstand43 besitzen, sodass die Resonanz desRingleitungsstrahlers 2 durch Anschluss der elektromagnetischen Erregung3 nicht beeinflusst ist. Zur Impedanzanpassung zwischen dem Verteil-und Phasenschiebenetzwerk 8 an den TorenT2 ,T3 und der hochohmigen Antennenimpedanz42 bei der Resonanzfrequenzf0 des Ringleitungsstrahlers2 (sh.2b) an den Ringleitung-Koppelpunkten 7a und7b ist das Verteil-und Phasenschiebenetzwerk 8 hochohmig gestaltet und befindet sich auf einem Impedanzniveau von etwa 300 - 500 Ohm. -
2 : Figur a)zeigt den Ringleitungsstrahler 2 nach der Erfindung mit drei azimutal gleich verteilten vertikalen Resonanzstrahlern4a -4c als Resonanzstruktur.Die Erregung 3 ist nicht dargestellt.Die Blindwiderstandsschaltungen 13 a-13c sind durch dieKapazitäten 28a ,28b ,28c realisiert. Bei Rotationssymmetrie der Anordnung sind alle Kapazitäten gleich groß. BeiAbstimmung des Ringleitungsstrahlers 2 auf eine Resonanzfrequenz- zum Beispiel f0= 1392 MHz - stellt sich anden vertikalen Resonanzstrahlern 4a -4c jeweils ander mit 42 bezeichneten Messstrecke der in Figur b) dargestellte Verlauf der Antennenimpedanz mit ihrem durch die Strahlung bedingten reellen Resonanzwiderstand von ca. 340 Ohm ein. Bei Anschluss der Erregung andie Resonanzstrahler 4a und4b - wie in1 - wird das Resonanzverhalten der Struktur in der Frequenz nicht verändert.Im Beispiel der 3 azimutal gleich verteilten vertikalen Resonanzstrahler4a ,4b ,4c beträgt der Phasendrehwinkel des Phasendrehglieds ΔΦ= 120°. -
3 :Antenne 1 nach der Erfindung wie in1 jedochmit einem Verteilnetzwerk 16 und einem Phasendrehglied17 auf dem ImpedanzniveauZ0 üblicher koaxialer Leitungen (Z0 = 50 Ohm). Zur Anpassung an das hochohmige Impedanzniveau der Antennenimpedanz42 (sh.2b) sinddem Phasendrehglied 17 und einem Arm des Verteilnetzwerks16 jeweils ein Anpassnetzwerk 18 nachgeschaltet.Der Eingangswiderstand 43 an den TorenT2 undT3 ist - ebenso wie in1 - bei der Resonanzfrequenz desRingleitungsstrahlers 2 hochohmig und reell. -
3a : Verteil-und Phasenschiebernetzwerk 8 wie in3 mit beispielhafter Ausführung der Anpassnetzwerke18 an den beiden Ausgängen. Die Anpassung bei Resonanz desRingleitungsstrahlers 2 ist durch die λ/4-Transformationsleitungen 12a ,12b , durch welche die Transformation von dem niederohmigen ImpedanzniveauZ0 zu dem hochohmigen Impedanzniveau der Antennenimpedanz42 gegeben ist, bewirkt. Die Serienresonanzkreise, bestehend ausden Kapazitäten 28a ,28b undden Induktivitäten 12a und12b ermöglichen eine Feinkorrektur der Anpassung über einen erweitertenFrequenzbereich. -
4 : Antenne nach der Erfindung wie in3 jedoch mit besonderer Gestaltung der Blindwiderstandsschaltungen13a und13b in den beiden vertikalen Resonanz-Erregungsstrahlern 10a ,10b jeweils unterteilt in eine erste Blindwiderstandsschaltung20a ,20b und eine zweite Blindwiderstandsschaltung21a ,21b mit einem dazwischen liegenden Verknüpfungspunkt19a ,19b zum Anschluss der ToreT2 undT3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 . -
5 : Erfindungsgemäße Ausführungsformen der insgesamt kapazitiv wirkenden Blindwiderstandsschaltungen13 zur Ankopplung der der vertikalen Resonanzstrahler andie leitende Grundfläche 6 in4 - a)
Blindwiderstandsschaltung 13a bzw.13b der beiden vertikalen aktiven Resonanz-Erregungsstrahler 10a bzw.10b, unterteilt in die ersteBlindwiderstandsschaltung 20a bzw.20b und dieüber den Verknüpfungspunkt 19a bzw.19b verbundene zweite Blindwiderstandsschaltung 21a bzw.21b , jeweils realisiert durch eine erste Kapazität22a bzw.22b und entsprechend durch diezweite Kapazität 23a bzw.23b . - b)
Blindwiderstandsschaltung 13c des übrigen passiven vertikalen Resonanzstrahlers4c , realisiert durch eine Kapazität28 . Die beiden aktiven Resonanz-Erregungsstrahler sind wie in Figur a) beschaltet. - c)
Blindwiderstandsschaltung 13a bzw.13b der beiden vertikalen aktiven Resonanz-Erregungsstrahler 10a bzw.10b wie unter Figur a) jedoch mit einem Parallelresonanzkreis, bestehend aus der Parallelinduktivität46a bzw.46b und der Parallelkapazität23a bzw.23b in der zweiten Blindwiderstandsschaltung21a bzw.21b zur Erweiterung der Frequenzbandbreite der Antenne. - d)
Blindwiderstandsschaltung 13c des übrigen passiven vertikalen Resonanzstrahlers4c , realisiert, wie unter Figur b) jedoch mit einem seriellen Parallelresonanzkreis25c ,25d bestehend aus der Parallelinduktivität46c ,46d und der Parallelkapazität45c ,45d inSerienschaltung zur Kapazität 28 zur Erweiterung der Frequenzbandbreite der Antenne in Entsprechung der Gestaltung der Blindwiderstandsschaltung13a bzw.13b der beiden vertikalen aktiven Resonanz-Erregungsstrahler 4a bzw.4b wie unter c). Die beiden aktiven Resonanz-Erregungsstrahler sind wie in Figur c) beschaltet. - e) Darstellung der Frequenzbänder
L1 undL2 für die Satelliten-Navigation mit den Mittenfrequenzenfm1 undfm2 und den unteren und oberen Grenzfrequenzenfu1 ,fo1 bzw.fu2 ,fo2 . Die Frequenz fm beschreibt die Mittenfrequenz zwischenfu1 undfo2 . - f)
Blindwiderstandsschaltung 13a bzw.13b der beiden vertikalen aktiven Resonanz-Erregungsstrahler 10a bzw.10b wie unter Figur c) jedoch mit einem weiteren Parallelresonanzkreis44a bzw 44b in Serienschaltung zur ersten Kapazität22a bzw.22b hin zum Verknüpfungspunkt19 zur gesonderten Optimierung der Schaltung für jeweils einen der beiden FrequenzbereicheL1 undL2 zur Gestaltung einer Zweibandantenne. - g)
Blindwiderstandsschaltung 13c des übrigen passiven vertikalen Resonanzstrahlers4c , realisiert wie unter Figur d), jedoch mit einem weiteren Parallelresonanzkreis44c inSerienschaltung zur Kapazität 28 inder Blindwiderstandsschaltung 13c . Die beiden aktiven Resonanz-Erregungsstrahler sind wie in Figur f) beschaltet zur Gestaltung einer Zweibandantenne. - h) Blindwiderstandsschaltung
13a bzw.13b der beiden vertikalen aktiven Resonanz-Erregungsstrahler 10a bzw.10b wie unter Figur f) jedoch mit einer Zusatz-Parallelkapazität 47 , gebildet durch die, die isolierte Gegenelektrode34 überkragende Fläche der Kapazitätselektrode32a ,32b inden 13c und13d mit der elektrisch leitenden beschichteten Leiterplatte35 . Die Zusatz-Parallelkapazität 47 ermöglicht die Erweiterung des Bereichs der Impedanzanpassung jeweilsam Verknüpfungspunkt 19a ,19b bei ebenso gegebener Einhaltung der Resonanzbedingung fürden Ringleitungsstrahler 2 . Die Resonanzbedingung und die Impedanzanpassung werden durch Abstimmung der Größen der Kapazitätselektroden32a ,32b und der isolierten Gegenelektroden34 aufeinander hergestellt.
- a)
-
6 : Anpassungsverhältnisse bei der Resonanzfrequenzf0 in Abhängigkeit vom Maß „t“ für die Unterteilung in die ersteKapazität 22a ,22 b und diezweite Kapazität 23a ,23c am Beispiel des Ringleitungsstrahlers2 in4 .- a) Reflexionsfaktor an
der Antennenanschlusstelle 5 als EingangstorT1 eines verlustfreien Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 der Antenne 1 in Abhängigkeit vom Teilungsmaßt . Anpassung ist mit topt = 0,13 erreicht. - b) Transformationsfaktor bei der Resonanzfrequenz
f0 zwischen dem Eingangswiderstand 43 mitZ0 = 50 Ohm desPhasendrehglieds 17 und dem Resonanzwiderstand 42 beif0 am Ringleitungsstrahler-Koppelpunkt 7 in Abhängigkeit vom Teilungsmaßt . - c) Relative Leistung P/Pmax bei
f0 in Abhängigkeit vom Teilungsmaßt .
- a) Reflexionsfaktor an
-
7 :- Antenne nach der Erfindung mit Widerstands-Anpassung durch kapazitive Unterteilung wie
im Beispiel der 4 jedoch mit insgesamt 6 azimutal um jeweils 60° gegeneinander versetzt verteilten vertikalen Resonanzstrahlern4a .. 4f, von denen 4 als vertikalepassive Resonanzstrahler 9a ..9d gestaltet sind. Die Erregung 3 erfolgt beispielhaft an den beiden um 120° azimutal gegeneinander versetzten und um den Differenzwinkel ΔΦ= 120° erregten vertikalen Resonanz-Erregungsstrahlern 10a ,10b .
- Antenne nach der Erfindung mit Widerstands-Anpassung durch kapazitive Unterteilung wie
-
8 : Antenne nach der Erfindung wie in7 ,jedoch mit insgesamt 8 azimutal um jeweils 45° gegeneinander versetzt verteilten vertikalen Resonanzstrahlern4a ..4h.Die Erregung 3 erfolgt beispielhaft an den beiden um 90° azimutal gegeneinander versetzten und um den Differenzwinkel ΔΦ= 90° erregten vertikalen Resonanz-Erregungsstrahlern 10a ,10b . -
9 : Antenne nach der Erfindung mit rechteckig ausgeführter Ringleitung14 mit vier vertikalen Resonanzstrahler4a bis 4d im Bereich der Ringleitungs-Ecken. Zwei der vertikalen Resonanzstrahler sind als vertikale Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b und die beiden übrigen Strahler als passive vertikale Resonanzstrahler9a ,9b ausgeführt. Impedanzanpassung an das niederohmig (Z= 50 Ohm) ausgeführte Verteil-und Phasenschiebernetzwerk 8 ist durch kapazitive Unterteilung, ähnlich wie inden 4 ,7 und8 erreicht.Die Ringleitung 14 ist vorzugsweise quadratisch gestaltet mit gleichen Ringleiterbreiten15a ,15b und gleichen Ringleitungs-Abschnitten 30a ,30b .Sowohl die Ringleiterbreite 15a ,15b als auch die Ringleitungs-Abschnitte 30a ,30b können jedoch abgestimmt aufeinander in Grenzen unterschiedlich gewählt sein. -
10 :Rechteckförmiger Ringleitungsstrahler 2 einerAntenne 1 nach der Erfindung ohne Darstellung der elektromagnetischen Erregung3 zur Erläuterung der Resonanzstruktur desRingleitungsstrahlers 2 .- a) geometrischer Aufbau des
Ringleitungsstrahlers 2 mit großen unterschiedlich wählbaren Ringleiterbreiten15a und15b sowie den unterschiedlich wählbaren Ringleitungs-Abschnitten 30a und30b .Die vertikalen Resonanzstrahler 4a -4d sind mit ihren Ringleitungs-Koppelpunkten 7a -7d im weiten Bereich der Ecken des rechteckförmigen Ringleiters14 vorgesehen. Die unterbrochene Linie kennzeichnet etwa denVerlauf der Schwerlinie 24 der Stromdichteverteilung der Leitungswelle bei Erregung desRingleitungsstrahlers 2 . Aufgrund der Stromverdrängung verdichtet sich die Stromverteilung hin zum Rand desRingleiters 14 . Der für die Funktion bei der Erregung desRingleitungsstrahlers 2 relevante Strom der Leitungswelle fließt demnach - gekennzeichnet durch die als unterbrochene Linie gezeichnete Schwerlinie der Stromverteilung24 - auch bei großen Leiterbreiten15a ,15b mehr zum Rand hin gedrängt. Dies gilt insbesondere für sehr große Ringleiterbreiten15a ,15b bis hin zur vollkommenen Schließung der inneren Öffnung zum Zentrum hin, welches praktisch stromlos ist, wenn die Ringleitung14 als eine geschlossene leitende Fläche realisiert ist. - b) gemäß dem durch die Schwerlinie der Stromdichteverteilung
24 repräsentierten Strom kann die Resonanzstruktur desRingleitungsstrahlers 2 durch ein grob angenähertes Ersatzschaltbild allgemein wiedergegeben werden. Die einzelnen Ringleitungs-Abschnitte 30a -30d sind jeweils durch die induktive und kapazitive Wirkung des zugehörigen Abschnitts der Ringleitung14 unter Einbeziehung der kapazitiven Wirkung der Blindwiderstandsschaltung13 als konzentrierte induktive Elemente (Ln) und kapazitive Elemente (Cn) dargestellt. Jeder n-te Ringleitungsabschnitt 30a -30b ist durch eine π-Struktur gemäß Figur c), bestehend aus einer Längsinduktivität 2*Ln und jeweils einer Querkapazität Cn an deren beiden Enden, dargestellt. Die Strahlungsdämpfung jedeshorizontal orientierten Ringleitungsabschnitt 30a -30b ist durch den Dämpfungsfaktor d der konzentrierten Induktivität einbezogen. Die Aneinanderreihung einander benachbarter Ringleitungs-Abschnitte 30a -30d erfolgt jeweils über einen gemeinsamen vertikalen Resonanzstrahler4a ..4d unter Zusammenziehung der Querkapazitäten Cn der benachbarten Ringleitungs-Abschnitte, wie in Figur c) dargestellt. Die geringfügige induktive Wirkung der vertikalen Resonanzstrahler ist bei dieser Grundsatzbetrachtung aufgrund der geringen Antennenhöhe h vernachlässigt. Erfindungsgemäß vorteilhafte Voraussetzungen fürden Ringleitungsstrahler 2 sind für die Resonanzfrequenz f0=ωo/2π dann erreicht, wenn jeweils alle Wellenwiderstände
Bei rotationssymmetrischen Ringleitungsstrahlern 2 ist dies stets gegeben. Andernfalls kann diese Voraussetzung zum Beispiel bei einer rechteckförmigen Struktur desRingleitungsstrahlers 2 durch individuelle Gestaltung derRingleiterbreiten 15a -15d in den einzelnen Ringleitungs-Abschnitten 30a -30b erreicht werden. - a) geometrischer Aufbau des
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11 :- a) Gestaltung des Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
8 - zum Beispiel wie inden 7 und8 - jedoch als auf die Resonanzfrequenzf0 abgestimmten Hybridring 3 , durch welchen sowohl die Leistungsteilung als auch die Phasenverschiebung erfolgt. Bei Einspeisung am TorT1 wird der Ringleitungsstrahler2 über die ToreT2 undT3 mit dem Phasenunterschied von 90° erregt. Der Abschluss von TorT4 mitdem ohmschen Abschlusswiderstand 40 bewirkt bei Abweichung der Frequenz von der Resonanzfrequenzf0 breitbandig die teilweise Absorption der Leistung der unerwünschten Polarisation bei Einspeisung am TorT1 . - b) Idealisierte Streumatrix zur Beschreibung des allgemein bekannten grundsätzlichen Wellenverhaltens eines Hybridrings
38 in Figur a) an den TorenT1 bisT4 . Die wichtige Entkopplung der ToreT1 undT4 voneinander ist durch die Streuparameter S14 = 0, S41= 0 in der Matrix fett gekennzeichnet. - c) Gestaltung des Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
8 - zum Beispiel wie inden 7 und8 - jedoch als auf die Resonanzfrequenzf0 abgestimmten Wilkinson-Teilers 16 mit nachgeschaltetem λ/4 Leitungs-Phasenschieber 17 an einem TorT3* zur Erzeugung des Phasenunterschieds von 90°. Der ohmsche Symmetrierungswiderstand40 absorbiert bei unsymmetrischer Belastung des Wilkinson-Teilers 16 bei Abweichung von der Resonanzfrequenzf0 teilweise die Ströme, welche die unerwünschte Polarisation aufdem Ringleitungsstrahler 2 hervorrufen.
- a) Gestaltung des Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
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12 : Antenne nach der Erfindung z. B. wie in9 mit rechteckig geformter Ringleitung14 .Die Kapazitäten 22a ,22b und28 sind in der Weise gebildet, dass die vertikalen Resonanzstrahler4a -4d an ihrem unteren Ende zu individuell gestalteten flächigen Kapazitätselektroden32a ,32b ,32c ,32d ausgeformt sind. Durch Zwischenlage zwischen diesen und die als elektrisch leitend beschichtete Leiterplatte ausgeführte elektrisch leitende Grundfläche6 befindliche dielektrischePlatte 33 sind dieKapazitäten 28 zur Ankopplung der passiven vertikalen Resonanzstrahler4c ,4d an die elektrisch leitende Grundfläche6 gestaltet. Zur kapazitiven Ankopplung der aktiven vertikalen Resonanzstrahler10a ,10b an die ToreT2 undT3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 ist dieser Anschluss als jeweils eine von der leitenden Schicht isolierte, flächige Gegenelektrode34 gestaltet.Die Gegenelektroden 34 könnensomit als Verknüpfungspunkte 19 der Antenne in9 ausgeführt sein und können als Anschlusspunkte für die ToreT2 undT3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 , wie in13 angedeutet, dienen. -
13 :Antenne 1 ähnlich wie in11 , jedoch ist die dielektrische Wirkung der dielektrischenPlatte 33 durch einen Luftspalt realisiert. TypischeAbmessungen eines Ringleitungsstrahlers 2 für den FrequenzbereichL1 sind für quadratische Antennen ein Abmessung von 30mm bis 40mm und für die Höhe h = 8mm. Zur Widerstandsanpassung des vorzugsweise auf niedrigem Impedanzniveau (Z0 ) ausgeführten Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 ist die kapazitive Unterteilung wie in9 vorgesehen.- a) Die beispielhaft zugehörigen Blindwiderstands-schaltungen
13a ,13b und13c sind in den5a und5b dargestellt.Die Kapazität 28 der Kapazitätselektrode 32b ,32c gegen die elektrisch leitende Grundfläche6 bzw. dieKapazität 22a ,22b gegen die isolierte Gegenelektrode34a ,34b beträgt jeweils ca. 0.3pF. Die ToreT2 undT3 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 mit ihrem reellen Eingangswiderstand43 sind jeweils aneine Gegenelektrode 34a ,34b als Verknüpfungspunkt 19a ,19b angeschlossen. Die Kapazitive Unterteilung zur Impedanzanpassung ist jeweils durch dieKapazität 22a ,22b und der Kapazität23a ,23b gegeben. Diese zwischendem Verknüpfungspunkt 19a ,19b und dem Massepunkt 11 eingebrachte Kapazität 23a ,23b ist auf der Rückseite der beschichteten Leiterplatte35 als SMD-Bauteil angebracht. Hierzu sind auf der Rückseite der Leiterplatte isoliertePads 29 als Kontaktstützpunkte gestaltet, welche jeweils über eine Durchkontaktierung26 mit der Gegenelektrode 34 einerseits und andererseits z.B. über dieKapazität 23a ,23b (sh.4 u . 5a) mit Masse verbunden sind. - b) die
Blindwiderstandsschaltungen 13a ,13b der beiden Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b sind wie in Figur a) gemäß5a bzw. wie in 5c gestaltet. Bei Gestaltung nach5c ist der auf der Rückseite der beschichteten Leiterplatte35 eingebrachten Kapazität23a ,23b eine Induktivität 46a ,46b als SMD-Bauteil parallel geschaltet. Im Gegensatz zur Figur a) sind zur Bildung der Blindwiderstandsschaltungen der beiden passiven Resonanzstrahler9a ,9b den Kapazitätselektroden 32b ,32c auf der beschichteten Leiterplatte35 isolierte Gegenelektroden 34 gegenübergestellt. Ausgehendvon der Gegenelektrode 34 als Kontaktstützpunkt sind auf der Rückseite der Leiterplatte35 die Parallelinduktivität46 und dieParallelkapazität 45 zum Massepunkt 11 auf der Leiterplatte35 geschaltet, sodass dieBlindwiderstandsschaltung 13 in5d realisiert ist. BeiAusgestaltung aller Blindwiderstandsschaltungen 13 aller vertikalen Resonanzstrahler mit jeweils einer Kapazitätselektrode32 und einer gegenüberliegenden isolierten Gegenelektrode34 können alle Schaltungen in den5c und5f für die Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b durch Einsatz von SMD-Bauteilen auf der Rückseite der Leiterplatte35 realisiert werden. Auf gleiche Weise können die Blindwiderstandsschaltungen für die passiven Resonanzstrahler9a ,9b durch Beschaltung der isolierten Gegenelektroden34 mit SMD-Bauteilen auf der Rückseite der Leiterplatte35 gemäß den in den5d und5g angegebenen Schaltungen realisiert werden. - c) Wie unter
5h beschrieben dient die Zusatz-Parallelkapazität 47 zur freien Gestaltung der Impedanzanpassung bei Beibehaltung der Resonanzeigenschaften desRingleitungsstrahlers 2 . Die Figur zeigt die großflächige Überdeckung der isolierten Gegenelektrode34a ,34b mit der Kapazitätselektrode 32a ,32b der Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b . Der in der vertikalen Projektion der Kapazitätselektrode32a ,32b gegenüber der isolierten Gegenelektrode34 bestehende flächige Überstand bildet mit der elektrisch leitenden Schicht der beschichteten Leiterplatte35 die Zusatz-Parallelkapazität 47 . Die Blindwiderstandsschaltung der beiden passiven Resonanzstrahler9a ,9b sind wie in Figur a) gestaltet. - d) die
Blindwiderstandsschaltungen 13 der beiden Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10b sind wie in Figur c) mit einer Zusatz-Parallelkapazität 47 gestaltet. Die beispielhaft möglichen Blindwiderstandsschaltungen13 der beiden passiven Resonanzstrahler9a ,9b können wie in Figur b) beschrieben, gestaltet werden.
- a) Die beispielhaft zugehörigen Blindwiderstands-schaltungen
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14 : Im Bild ist dieOberseite der Leiterplatte 35 einerAntenne 1 nach der Erfindung dargestellt, auf welche der elektrische Ringleitungsstrahler2 aufgesetzt wird. Für die breitbandige Gestaltung einerAntenne 1 nach der Erfindung - welche zum Beispiel beide FrequenzbereicheL1 undL2 mit einer zwischen den beiden Frequenzbereichen liegenden Mittenfrequenz fm (sh.5e) -ist die Blindwiderstandsschaltung 13 , wie in den5c bzw.5d gestaltet. Hierfür ist für die Blindwiderstandsschaltung in den beiden aktiven vertikalen Resonanz-Erregungsstrahlern 10a ,10b jeweils dieBlindwiderstandsschaltung 13a ,13b in5c und für die beiden passiven vertikalen Resonanzstrahler9a ,9b dieBlindwiderstandsschaltung 13c in5d vorgesehen. Dies ist beidem Beispiel im 13a dadurch erreicht, dass für alle Kapazitätselektroden32 jeweils eine Gegenelektrode34 vorhanden ist und, dass der durch die Kapazitätselektroden32 bewirkten Kapazität22a ,22b bzw.28 anallen vertikalen Resonanzstrahlern 4a -4d eine Parallelschaltung aus einer Parallelkapazität23a ,23b bzw.45 und einer Parallelinduktivität46a ,46b , bzw.46 - dargestellt als SMD- Bauteile - zwischen der Gegenelektrode34 und der elektrisch leitenden Grundfläche6 in Serie geschaltet ist.13a zeigt dieOberseite der Leiterplatte 35 mit Durchkontaktierungen 26 aufden Gegenelektroden 34 unter den Kapazitätselektroden32 . In14b ist dieUnterseite der Leiterplatte 35 mit den Pads 29 dargestellt, welche mitden isolierten Gegenelektroden 34 über dieDurchkontaktierungen 26 verbunden sind,. Die Blindelemente sind als SMD-Bauelemente gemäß den5c und5d angebracht. Zusätzlich sind die beiden Verknüpfungspunkte19 mit der jeweils daran angeschlossenen Serienschaltung aus der Kapazität28a ,28b und der Induktivität27a ,27b als Teile der in3a enthaltenenAnpassungsschaltung 18 des Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 zur Bildung der ToreT2 undT3 dargestellt. -
15 Zeigt eine Antenne nach der Erfindung mit vier azimutal amUmfang der Ringleitung 14 gleich verteilten Resonanz-Erregungsstrahlern 10a bis10d . Alle Strahler werden entsprechend einer umlaufenden Welle mit jeweils 90°-Phasenunterschied zwischen benachbarten Strahlern erregt. Hierzu sind ein erstes und ein zweites Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (8 ) mit Phasenwinkel ΔΦ = 90° vorhanden, wobei das erste Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (8 ) mit seinen TorenT2 ,T3 mit einem ersten Paar der Resonanz-Erregerstrahler 10a ,10b verkoppelt ist und das zweite Verteil-und Phasenschiebernetzwerk (8 ) mit seinen TorenT2a ,T3a mit einem dem ersten Paar gegenüberliegendem zweiten Paar derErregerstrahler 10c ,10d verkoppelt ist. Zur Anregung einer laufenden Welle werden einander gegenüberliegende Resonanz-Erregungsstrahler 10a ,10c bzw.10b ,10d jeweils mit einem Phasenunterschied von ΔΦ = 180° erregt. Hierzu ist ein weiteres Verteil-und Phasenschiebernetzwerk31 ,39 mit einer Phasenverschiebung von ΔΦ = 180° vorhanden, welches mit seinem TorT2c mit dem TorT1 des ersten Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 ,36 und mit seinem TorT3c mit dem TorT1b des weiteren Verteil-und Phasenschiebernetzwerks 8 ,38b verbunden ist. Auch hier kommt erfindungsgemäß vorzugsweise jeweils ein Hybridring38 zum Einsatz. Das 180° Phasennetzwerk31 kann beispielhaft als Wilkinson-Teiler39 mit einer λ/2-langen Verzögerungsleitung17 (sh.11c) eingesetzt werden. Alle Anschlüsse sind in der Weise gewählt, dass sich auf der Ringleitung die leitende Welle in der gewünschten Umlaufrichtung einstellt. Mit dieser Anordnung ist der besondere Vorteil der azimutal symmetrischen Anregung verbunden, sodass der Abgleich der Anordnung besonders problemfrei erfolgen kann. Als Einschränkung ist jedoch der erhöhte Aufwand anzumerken.
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1 :Antenna 1 according to the invention, consisting in the example of thering line emitter 2 with thering conductor 14 in height h <0.15λ above theconductive base 6 with N = 3vertical resonance radiators 4a .4b .4c at azimuthal equally distributedloop coupling points 7a .7b .7c and theelectromagnetic excitement 3 through the distribution and phase shifting network8th , Thevertical resonance emitters 4a .4b .4c each have acapacitive reactance circuit 13a , 13b, 13c via theground connection point 11 with theconductive base 6 coupled. Theelectromagnetic excitation 3 takes place via the distribution and phase shift network8th , which on the input side with his gateT1 with theantenna connection 5 is connected and its gatesT2 andT3 with two of thevertical resonance radiators 4a .4b .4c as verticalresonance excitation emitters 10a and10b are connected in such a way that the associatedloop coupling points 7a .7b directly with thedistribution network 16 and in thephase shifter 17 caused output signals at the gatesT2 andT3 are controlled with phase angle difference ΔΦ = 360 ° / N = 120 °, so that on thering conductor 14 sets the current line wave. In this case, the invention assumes that the gatesT2 andT3 in each case areal input resistance 43 own, so that the resonance of thering line radiator 2 by connection of theelectromagnetic excitation 3 is not affected. For impedance matching between the distribution and phase shift network8th at the gatesT2 .T3 and the highimpedance antenna impedance 42 at the resonant frequencyf0 of the ring line radiator2 (Sh.2 B) at thering line crosspoints 7a and7b is the distribution and phase-shifting network8th designed with high impedance and is at an impedance level of about 300 - 500 ohms. -
2 Figure a) shows thering line emitter 2 according to the invention with three azimuthally evenly distributedvertical resonance radiators 4a -4c as a resonance structure. Theexcitement 3 is not shown. Thereactance circuits 13 a-13c are through thecapacities 28a .28b .28c realized. With rotational symmetry of the arrangement, all capacities are equal. When tuning thering line radiator 2 to a resonant frequency - for example f0 = 1392 MHz - arises at the verticalresonant radiators 4a -4c in each case at the measuring path labeled 42 the course of the movement shown in FIG Antenna impedance with their caused by the radiation real resonance resistance of about 340 ohms. When connecting the excitation to theresonant radiator 4a and4b - as in1 - The resonance behavior of the structure is not changed in frequency. In the example of the 3 azimuthally uniformly distributedvertical resonance radiators 4a .4b .4c is the phase angle of rotation of the phase shifter ΔΦ = 120 °. -
3 :Antenna 1 according to the invention as in1 however with adistribution network 16 and aphase shifter 17 at the impedance levelZ0 conventional coaxial cables (Z0 = 50 ohms). To adapt to the high impedance impedance level of the antenna impedance42 (Sh.2 B) are thephase shifter 17 and one arm of thedistribution network 16 each amatching network 18 downstream. Theinput resistance 43 at the gatesT2 andT3 is - as well as in1 - At the resonance frequency of thering line radiator 2 high impedance and real. -
3a : Distribution and Phase Shift Network8th as in3 with exemplary implementation ofmatching networks 18 at the two exits. The adaptation at resonance of thering line radiator 2 is through the λ / 4transformation lines 12a .12b through which the transformation from the low impedance levelZ0 to the high impedance impedance level of theantenna impedance 42 is given causes. The series resonant circuits, consisting of thecapacities 28a .28b and theinductors 12a and12b allow a fine adjustment of the adaptation over an extended frequency range. -
4 : Antenna according to the invention as in3 but with special design ofreactance circuits 13a and13b in the two verticalresonance excitation emitters 10a .10b each divided into afirst reactance circuit 20a .20b and a secondreactance resistor circuit 21a .21b with an intermediate point ofconnection 19a .19b to connect the gatesT2 andT3 of the distribution and phase shifter network8th , -
5 Inventive embodiments of the totalcapacitive reactance circuits 13 for coupling the vertical resonance radiator to theconductive base 6 in4 - a)
reactance circuit 13a or.13b the two vertical activeresonance excitation emitters 10a or 10b, divided into thefirst reactance circuit 20a or.20b and those about thenode 19a or.19b connectedsecond reactance circuit 21a or.21b , each realized by afirst capacity 22a or.22b and accordingly by thesecond capacity 23a or.23b , - b)
reactance circuit 13c of the remaining passivevertical resonance radiator 4c , realized by acapacity 28 , The two active resonance excitation emitters are connected as in FIG. - c)
reactance circuit 13a or.13b the two vertical activeresonance excitation emitters 10a or.10b as in figure a) but with a parallel resonant circuit consisting of theparallel inductance 46a or.46b and theparallel capacity 23a or.23b in the secondreactance resistor circuit 21a or.21b for expanding the frequency bandwidth of the antenna. - d)
reactance circuit 13c of the remaining passivevertical resonance radiator 4c , realized as in Figure b) but with a serial parallel resonant circuit25c , 25d consisting of the parallel inductance46c .46d and the parallel capacity45c .45d in series with thecapacity 28 for expanding the frequency bandwidth of the antenna in accordance with the design of thereactance circuit 13a or 13b of the two vertical activeresonance excitation emitters 4a or.4b as under c). The two active resonance excitation emitters are connected as in FIG. - e) representation of the frequency bands
L1 andL2 for the satellite navigation with the center frequenciesfm1 andfm 2fu1 .fo1 or.fu2 .fo2 , The frequency fm describes the center frequency betweenfu1 andfo2 , - f)
reactance circuit 13a or.13b the two vertical activeresonance excitation emitters 10a or.10b as in Figure c) but with a further parallelresonant circuit 44a or44b in series with thefirst capacity 22a or.22b towards the point ofconnection 19 for separately optimizing the circuit for one of the two frequency rangesL1 andL2 for designing a dual band antenna. - g)
reactance circuit 13c of the remaining passivevertical resonance radiator 4c , realized as in figure d), but with a further parallelresonant circuit 44c in series with thecapacity 28 in thereactance circuit 13c , The two active resonance excitation emitters are connected as in FIG. 1f to form a dual-band antenna. - h)
reactance circuit 13a or 13b of the two vertical activeresonance excitation emitters 10a bzw.10b as in Figure f) but with an additionalparallel capacity 47 , formed by the, theisolated counter electrode 34 overhanging surface of thecapacitance electrode 32a .32b in the13c and13d with the electrically conductive coated printedcircuit board 35 , The additionalparallel capacity 47 allows the extension of the range of impedance matching at eachnode 19a .19b at the same given compliance with the resonance condition for thering line radiator 2 , The resonance condition and the impedance matching are made by tuning the sizes of thecapacitance electrodes 32a .32b and theisolated counter electrodes 34 made to each other.
- a)
-
6 : Adaptation ratios at the resonance frequencyf0 depending on the measure "t" for the division into thefirst capacity 22a .22 b and thesecond capacity 23a .23c the example of thering line radiator 2 in4 ,- a) Reflection factor at the
antenna connection point 5 as an entrance gateT1 a lossless distribution and phase shifting network8th theantenna 1 depending on the degree of divisiont , Adjustment is achieved with topt = 0.13. - b) transformation factor at the resonant frequency
f0 between theinput resistance 43 WithZ0 = 50 ohms of thephase shifter 17 and theresonance resistance 42 atf0 at the ringline radiator crosspoint 7 depending on the degree of divisiont , - c) relative power P / Pmax at
f0 depending on the degree of divisiont ,
- a) Reflection factor at the
-
7 :- Antenna according to the invention with resistance adaptation by capacitive division as in the example of
4 However, with a total of 6 azimuthally offset by 60 ° to each other distributedvertical resonance radiators 4a .. 4f, of which 4 as a vertical passiveresonant radiator 9a ..9d are designed. - The
excitement 3 takes place, for example, at the two by 120 ° azimuthal staggered and excited by the difference angle ΔΦ = 120 ° verticalresonance excitation emitters 10a .10b ,
- Antenna according to the invention with resistance adaptation by capacitive division as in the example of
-
8th : Antenna according to the invention as in7 , but with a total of8th azimuthally by 45 ° offset from each other distributedvertical resonance radiators 4a ..4h. Theexcitement 3 takes place, for example, at the two by 90 ° azimuthal staggered and excited by the difference angle ΔΦ = 90 ° verticalresonance excitation emitters 10a .10b , -
9 : Antenna according to the invention with rectangular executedring line 14 with fourvertical resonance emitters 4a to4d in the area of the ring line corners. Two of the vertical resonance radiators are called verticalresonance excitation radiators 10a .10b and the other two radiators as passivevertical resonance radiators 9a .9b executed. Impedance matching to the low impedance (Z = 50 ohm) distributed and phase shift network8th is by capacitive subdivision, similar in the4 .7 and8th reached. Thering line 14 is preferably square designed with the samering conductor widths 15a .15b andsame loop sections 30a .30b , Both thering conductor width 15a .15b as well as theloop sections 30a .30b however, they can be chosen differently within limits. -
10 : Rectangular ring line emitter2 an antenna1 according to the invention without representation of the electromagnetic excitation3 to explain the resonant structure of the ring line radiator2 ,- a) geometric structure of the ring line radiator
2 with large differently selectable ring conductor widths15a and15b and the different selectable loop sections30a and30b , The vertical resonance emitters4a -4d are with their loop crosspoints7a -7d in the wide area of the corners of the rectangular ring conductor14 intended. The broken line indicates approximately the course of the heavy line24 the current density distribution of the line shaft upon excitation of the ring line radiator2 , Due to the current displacement, the current distribution condenses towards the edge of the ring conductor14 , The for the function in the excitation of the loop emitter2 relevant current of the line shaft flows accordingly - characterized by the drawn as a broken line line of gravity of the power distribution24 - even with large ladder widths15a .15b pushed more to the edge. This is especially true for very large ring conductor widths15a .15b up to the complete closure of the inner opening towards the center, which is virtually de-energized when the loop14 is realized as a closed conductive surface. - b) according to the line of gravity of the current density distribution
24 Current represented can be the resonant structure of the loop emitter2 are generally represented by a roughly approximated equivalent circuit diagram. The individual loop sections30a -30d are each due to the inductive and capacitive effect of the associated section of the loop14 including the capacitive effect of the reactance circuit13 shown as concentrated inductive elements (Ln) and capacitive elements (Cn). Every nth loop section30a -30b is by a π-structure according to FIG c), consisting of a longitudinal inductance 2 * Ln and in each case a transverse capacitance Cn at the two ends thereof. The radiation damping of each horizontally oriented loop section30a -30b is included by the attenuation factor d of the concentrated inductance. The juxtaposition of adjacent ring line sections30a -30d takes place in each case via a common vertical resonant radiator4a ..4d with contraction of the transverse capacitances Cn of the adjacent loop portions, as shown in Figure c). The slight inductive effect of the vertical resonance radiators is neglected in this basic consideration due to the small antenna height h. According to the invention advantageous conditions for the ring line radiator2 are then reached for the resonant frequency f0 = ωo / 2π, if in each case all characteristic impedances
ring line radiators 2 This is always the case. Otherwise, this condition may be met, for example, by a rectangular structure of theloop emitter 2 by individual design of thering conductor widths 15a -15d in theindividual loop sections 30a -30b be achieved. - a) geometric structure of the ring line radiator
-
11 :- a) Design of the distribution and phase shifter network
8th - for example, as in the7 and8th - but as to the resonant frequencyf0 coordinatedhybrid ring 3 through which both the power division and the phase shift takes place. When feeding at the gateT1 becomes thering tube radiator 2 over the gatesT2 andT3 excited with the phase difference of 90 °. The conclusion of TorT4 with theohmic terminator 40 causes at deviation of the frequency of the resonance frequencyf0 broad band the partial absorption of the power of the unwanted polarization when fed to the gateT1 , - b) Idealized scattering matrix to describe the well-known fundamental wave behavior of a hybrid ring
38 in figure a) at the gatesT1 toT4 , The important decoupling of the gatesT1 andT4 from each other is indicated in bold by the scattering parameters S14 = 0, S41 = 0 in the matrix. - c) Design of the distribution and phase shift network
8th - for example, as in the7 and8th - but as to the resonant frequencyf0 coordinatedWilkinson divider 16 with downstream λ / 4line phase shifter 17 at a gateT3 * for generating the phase difference of 90 °. Theohmic balancing resistor 40 Absorbs in the case of asymmetrical loading of theWilkinson divider 16 at deviation from the resonance frequencyf0 partly the currents which the unwanted polarization on theloop emitter 2 cause.
- a) Design of the distribution and phase shifter network
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12 : Antenna according to the invention z. B. as in9 with rectangular shapedloop 14 , Thecapacities 22a .22b and28 are formed in such a way that thevertical resonance emitters 4a -4d at its lower end to individually designed capacitivecapacitive electrodes 32a .32b .32c .32d are formed. By interposition between these and the electrically conductive coated circuit board designed as an electricallyconductive base 6 locateddielectric plate 33 are thecapacities 28 for coupling the passivevertical resonance radiators 4c .4d to the electricallyconductive base 6 designed. For the capacitive coupling of the activevertical resonance radiators 10a .10b to the gatesT2 andT3 of the distribution and phase shifter network8th this connection is in each case one of the conductive layer insulated,flat counter electrode 34 designed. Thecounter electrodes 34 can thus be used as connection points19 the antenna in9 be executed and can serve as connection points for the gatesT2 andT3 of the distribution and phase shifter network8th , as in13 indicated, serve. -
13 :Antenna 1 similar to in11 However, the dielectric effect of thedielectric plate 33 realized by an air gap. Typical dimensions of aloop emitter 2 for the frequency rangeL1 are for square antennas a dimension of 30mm to 40mm and for the height h = 8mm. For resistance adaptation of the preferably at a low impedance level (Z0 ) carried out distribution and phase shifter network8th is the capacitive subdivision as in9 intended.- a) The exemplary associated
reactance circuits 13a .13b and13c are in the5a and5b shown. Thecapacity 28 thecapacitance electrode 32b .32c against the electricallyconductive base 6 or thecapacity 22a .22b against theisolated counter electrode 34a .34b is about 0.3pF each. The gatesT2 andT3 of the distribution and phase shifter network8th with itsreal input resistance 43 are each at acounter electrode 34a .34b as alink point 19a .19b connected. The capacitive subdivision for impedance matching is in each case by thecapacity 22a .22b and thecapacity 23a .23b given. This between theconnection point 19a .19b and theearth point 11 introducedcapacity 23a .23b is on the back of thecoated circuit board 35 attached as an SMD component. For this purpose, on the back of the circuit board insulatedpads 29 designed as contact bases, each via a via26 with thecounter electrode 34 on the one hand and on the other hand, for example, aboutcapacity 23a .23b (Sh.4 and , 5a) are connected to ground. - b) the
reactance circuits 13a .13b the tworesonance excitation emitters 10a .10b are as in Figure a) according to5a or as in 5c designed. When designing after5c is the one on the back of thecoated circuit board 35 introducedcapacity 23a .23b aninductance 46a .46b connected in parallel as an SMD component. In contrast to Figure a) are to form the reactance circuits of the two passiveresonant radiator 9a .9b thecapacitance electrodes 32b .32c on thecoated circuit board 35 isolated counterelectrodes 34 compared. Starting from thecounter electrode 34 as a contact base are on the back of thecircuit board 35 theparallel inductance 46 and theparallel capacity 45 to theearth point 11 on thecircuit board 35 switched so that thereactance circuit 13 in5d is realized. In embodiment of allreactance circuits 13 all vertical resonant radiators, each with a capacitance electrode32 and an opposingisolated counter electrode 34 can all circuits in the5c and5f for theresonance excitation emitter 10a .10b by using SMD components on the back of thePCB 35 will be realized. Similarly, the reactance circuits for the passiveresonant radiators 9a .9b by wiring of theisolated counterelectrodes 34 with SMD components on the back of thePCB 35 according to the in the5d and5g specified circuits can be realized. - c) As under
5h described describes the additionalparallel capacity 47 for free design of the impedance matching while retaining the resonant properties of thering line radiator 2 , The figure shows the large area coverage of theisolated counter electrode 34a .34b with thecapacitance electrode 32a .32b theresonance excitation emitter 10a .10b , The one in the vertical projection of thecapacitance electrode 32a .32b opposite theisolated counter electrode 34 existing planar projection forms with the electrically conductive layer of the coated printedcircuit board 35 the additionalparallel capacity 47 , The reactance circuit of the two passiveresonant radiators 9a .9b are designed as in Figure a). - d) the
reactance circuits 13 the tworesonance excitation emitters 10a .10b are as in Figure c) with an additionalparallel capacity 47 designed. The exemplarypossible reactance circuits 13 the two passiveresonant radiators 9a .9b can be designed as described in FIG.
- a) The exemplary associated
-
14 : In the picture is the top of thecircuit board 35 anantenna 1 illustrated according to the invention, to which theelectrical loop emitter 2 is put on. For the broadband design of anantenna 1 according to the invention - which, for example, both frequency rangesL1 andL2 with a center frequency fm (sh.5e) - is thereactance circuit 13 as in the5c or.5d designed. This is for the reactance circuit in the two active verticalresonance excitation emitters 10a .10b each thereactance circuit 13a .13b in5c and for the two passivevertical resonance radiators 9a .9b thereactance circuit 13c in5d intended. This is the example in13a achieved by that for all capacitance electrodes32 one counterelectrode each34 is present and that through the capacitance electrodes32 causedcapacity 22a .22b or.28 on allvertical resonance radiators 4a -4d a parallel connection from aparallel capacity 23a .23b or.45 and aparallel inductance 46a .46b , or.46 - shown as SMD components - between thecounter electrode 34 and the electricallyconductive base 6 connected in series.13a shows the top of thePCB 35 withvias 26 on thecounter electrodes 34 under the capacitance electrodes32 , In14b is the bottom of thecircuit board 35 with thepads 29 shown, which with theisolated counter electrodes 34 over thevias 26 are connected,. The dummy elements are as SMD components according to the5c and5d appropriate. In addition, the twojoin points 19 with the respective connected series circuit of thecapacity 28a .28b and theinductance 27a .27b as parts of in3a included matchingcircuit 18 of the distribution and phase shifter network8th to form the gatesT2 andT3 shown. -
15 Shows an antenna according to the invention with four azimuthally on the circumference of theloop 14 equally distributedresonant excitation emitters 10a to10d , All radiators are excited in accordance with a rotating wave, each with 90 ° phase difference between adjacent radiators. For this purpose, a first and a second distribution and phase shifter network (8th ) with phase angle ΔΦ = 90 °, the first distribution and phase shifting network (8th ) with his gatesT2 .T3 with a first pair ofresonance excitation emitters 10a .10b is coupled and the second distribution and phase shifting network (8th ) with his gatesT2a .T3a with a second pair of exciter radiators opposite thefirst pair 10c .10d is coupled. To stimulate a current wave are each other oppositeresonance excitation emitters 10a .10c or.10b .10d each excited with a phase difference of ΔΦ = 180 °. For this purpose is another distribution and phase shift network31 .39 with a phase shift of ΔΦ = 180 °, which coincides with its gateT 2c with the gateT1 of the first distribution and phase shifter network8th .36 and with his gatet3c with the gateT1b further distribution and phase shifting network8th .38b connected is. Again, preferably according to the invention each a hybrid ring38 for use. The 180 ° phase network31 can be exemplified as a Wilkinson divider39 with a λ / 2-long delay line17 (Sh.11c) be used. All connections are selected in such a way that sets the conductive wave in the desired direction of rotation on the loop. With this arrangement, the particular advantage of the azimuthally symmetrical excitation is connected, so that the adjustment of the arrangement can be carried out particularly problem-free. As a limitation, however, the increased effort is noted.
Für die Gestaltung einer zweibandfähigen Multibandantenne nach der Erfindung - zum Beispiel für die Frequenzbereiche
Im Folgenden wird die Erfindung noch einmal im Zusammenhang mit ihren vorteilhaften Ausführungsformen beschrieben.In the following, the invention will be described again in connection with its advantageous embodiments.
In einer Grundform enthält eine Antenne
Erfindungsgemäß ist diese Resonanzstruktur bei der Eigenresonanzfrequenz
Naturgemäß kann die Bedingung für die Erregung einer Laufrichtung exakt nur bei der Resonanzfrequenz
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, den Ringleitungsstrahler
Hierbei ergibt sich für insgesamt N > 3 vertikale Resonanzstrahler
Für rotationsymmetrische Anordnungen mit hoher Anzahl von insgesamt N Ringleitungs-Abschnitten kann vorteilhaft eine große Frequenzbandbreite für die Unterdrückung der Kreuzpolarisation erreicht werden.For rotationally symmetric arrangements with a high number of N ring line sections in total, it is advantageously possible to achieve a large frequency bandwidth for the suppression of the cross polarization.
Für besondere Anwendungen, wie zum Beispiel für die Überlagerung von zirkular polarisierter Strahlung mit azimutaler Phasenverteilung von 2π und einer zirkular polarisierten Strahlung mit azimutaler Phasenverteilung von 4π in einem Antennendiversity-System mit zwei Antennen kann die Erfindung in vorteilhafter Weise ebenso auf einen Ringleitungsstrahler
In vorteilhafter Weise erfolgt die Erregung der Ringleitung
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Impedanzanpassung zwischen den niederohmig - auf dem Impedanzniveau
Hierfür eignet sich erfindungsgemäß die im Beispiel der
Es ist jedoch andererseits mit einer hier beschriebenen kleinen Antenne kaum möglich, das gesamte Frequenzband beider Frequenzbereiche
Erfindungsgemäß ermöglicht die Gestaltung der Blindwiderstandsschaltung
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sowohl in der zweiten Blindwiderstandsschaltungen
This is inventively achieved in that both in the
Eine vorteilhaften Weiterführung der Erfindung gemäß der obigen Gestaltung der Blindwiderstandsschaltungen erfolgt in der Gestaltung einer Zweibandantenne in der Weise, dass sowohl der ersten Kapazität
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die breitbandige Unterdrückung der unerwünschten Polarisationsrichtung LHCP einer für RHCP vorgesehenen Antenne mit einem Hybridring
Ein Hybridring
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kommt als Verteil-und Phasenschiebernetzwerk
Zur Erfüllung besonders hoher Forderungen an die Unterdrückung der Kreuzpolarisation in den beiden Frequenzbändern
Eine derartig konzentrische Anordnung der Ringleitungsstrahler
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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