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Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges, äußerlich an eine Patch-Antenne erinnerndes quasi-planares Strahlungselement, welches dafür geeignet ist, in einer größeren Fläche, wie z.B. in die Außenhaut von Luft- und Kraftfahrzeugen oder in Gehäuse elektronischer Geräte oder Gebäudefassaden bündig (nicht aufbauend) eingebaut zu werden und gleichzeitig eine ästhetisch und funktionell vorteilhafte Antennenlösung zu realisieren.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedenster Strahlungselemente (Antennen) bekannt, da es für deren technische Realisierung sehr viele unterschiedliche Wirkprinzipien und diese reflektierende Ausführungsformen gibt. Unterschiedliche Anwendungen setzen sehr verschiedene Prioritäten, so dass je nach Verwendungszweck eine optimal geeignete Antenne sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen muss.
Die konventionelle Lösung wird häufig eine Viertelwellenlängen-Drahtantenne sein, die das Prinzip eines elektrischen Dipols bzw. Monopols über Masse nutzt. Diese ist senkrecht zu einer Massefläche angeordnet und belegt damit ein relativ großes Volumen. Sie erfordert einen häufig ästhetisch unbefriedigenden und gegen Beschädigungen anfälligen Stab oder eine aus einem Bauelement hervorragende Struktur.
Ein elektrischer Halbwellendipol benötigt einen deutlichen Abstand, idealerweise eine Viertelwellenlänge, von der leitenden Fläche ([1] und [2]) und bildet gleichfalls ein hervorspringendes Bauteil.
Die Nachteile eines größeren Volumenbedarfs und der Zwang zur Kontaktierung einer größeren Massefläche gelten auch für die so genannten Inverted-F-Antennen als Mischform elektrischer Halbwellendipole und Patchantennen, die aufgrund ihrer kompakten Bauform oft in Mobiltelefonen verwendet werden.
Eine nahezu vorrichtungskonforme Lösung lässt eine Patch-Antenne zu, die in konventioneller Bauform aus einer flachen Mehrlagenstruktur aufgebaut ist, bestehend aus einem metallischen Patch, welcher durch ein isolierendes Dielektrikum (Substrat) getrennt über einer Massefläche angeordnet ist. Daher wird lediglich ein flaches Volumen mit niedriger Aufbauhöhe benötigt, während als Nachteile eine relativ geringe Frequenzbandbreite und die notwendige galvanische und hochfrequenztechnisch wirksame (keine Potentialänderungen auf der Skala der Wellenlänge) Kontaktierung des metallischen Patchs festzuhalten sind. Die Strahlungseigenschaften von Patch-Antennen resultieren aus der Verteilung der elektrischen Felder entlang der Ränder zwischen Patch und Massefläche.
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In [1], [2] oder [3] werden Antennenlösungen aus zwei differentiell gespeisten Patch-Flächen vorgeschlagen, wobei diese Elemente in der Mitte ihrer Seitenkanten gespeist werden. Dies führt zu einer von der hier vorgeschlagenen Lösung grundsätzlich verschiedenen Verteilung der elektromagnetischen Felder im Patch und aufgrund der physikalischen Wirkprinzipien damit trotz äußerlich ähnlicher geometrischer Anordnung zu einem anderen Strahlungsverhalten der Antenne. Nachteilig wirken sich in diesen Lösungen der große Abstand der Massefläche von den Patch-Elementen und der auf der Skala der Wellenlänge relativ große Abstand zwischen diesen aus.
Aus [4] und [5] sind weitere Patch-Antennen bekannt, ausgeführt als ein gedruckter Dipol über einer Massefläche, der mit zusätzlichen Flächen ergänzt wurde, um eine dahinter angeordnete Massefläche in geringerem Abstand zu tolerieren.
Außerdem wird in
US7868841 B2 eine Patch-Antenne mit einem Paar differentiell gespeister Patch-Elemente beschrieben. Aber auch hier beträgt der Abstand zwischen den Metallflächen eine halbe Wellenlänge der abgestrahlten bzw. empfangenen elektromagnetischen Strahlung, und die Patch-Elemente werden in der Mitte der jeweiligen Kante gespeist. Auch diese Ausführung bedingt einen gegenüber der vorgeschlagenen Lösung grundsätzlich anders angeregten Schwingungsmode und damit eine qualitativ andere Abstrahlung.
Mit
US20060109177A1 ist eine Antenne offenbart, die auf den gegenüber liegenden Seiten eines Würfels gefaltet ist. Dabei ist der Abstand zwischen den Patch-Elementen auch bei dieser Anordnung größer als eine gegenüber der Wellenlänge sehr geringe Spaltbreite. Ebenso erfolgt die Speisung über die Mitte der Patch-Seitenkanten. Zudem ist bei dieser Antenne die Massefläche signifikant größer als die Flächenausdehnung der Patch-Elemente, wodurch die gesamte Antenne mehr Platz für den Einbau benötigt.
Bei der in
US5926137A vorgestellten Antenne werden zwei Paare von Patch-Strahlern symmetrisch gespeist, jedoch liegen die Paare hier diagonal in einer Viereranordnung. Dadurch entsteht eine Antenne nach Art zweier gekreuzter Halbwellendipole. Zudem liegt der Abstand der Patch-Strahler von der Massefläche in der Größenordnung einer Viertelwellenlänge. Diese Ausgestaltungen führen zu einer grundlegend anderen Feldverteilung und damit einem fundamental anderen Abstrahlprinzip als bei der nachfolgend vorgeschlagenen Lösung.
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Die in der
US5955995A beschriebene Antenne umfasst zwei übereinander liegende Metallflächen, die an in verschiedenen Ebenen liegenden Eckpunkten gespeist werden. Damit unterscheidet sie sich grundsätzlich sowohl in ihrem mechanischen Aufbau wie auch in dem resultierenden elektromagnetischen Verhalten (Feldverteilung, Fußpunktimpedanz, Strahlungsdiagramm) von Patch-Antennen mit in der Ebene und über einer elektrisch nicht kontaktierten Massefläche angeordneten, benachbarten Patch-Flächen. Schließlich sind auch noch Ausführungsformen für Patch-Antennen aus
US20100214188A1 und
US20110248899A1 bekannt, bei denen die Patch-Elemente in der Mitte ihrer Seitenkanten gespeist werden. Der Abstand zwischen den Elementen ist wesentlich größer als ein schmaler Spalt, wobei bei der Antenne nach
US20110248899A1 der Abstand zwischen den Patch-Elementen kreisförmig aufgeweitet ist. Sie umfasst keine Massefläche und ein Paar dieser Patch-Elemente ist über einen Kurzschluss verbunden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein der Gruppe der Patch-Antennen zugehöriges, jedoch neuartiges Strahlungselement - eine Di-Patch-Antenne - bereitzustellen, das in einer flachen Aufbauform in unmittelbarer Nähe zu (z.B. über) einer leitfähigen Fläche betrieben werden kann, ohne dass diese leitfähige Fläche mit den Speiseleitungen der Antenne verbunden werden muss.
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Das erfindungsgemäße Strahlungselement soll eine Drahtlosanwendung beispielsweise in der Mobilkommunikation, Funksensorik oder Satellitennavigation bedienen, bei der das Signal mit wenig Richtwirkung in einen Halbraum gesendet oder aus diesem empfangen werden kann, der typisch von einem größeren Einbauteil aus elektromagnetisch wirksamen Materialien begrenzt wird. Diese begrenzende Struktur kann z.B. eine Autokarosserie, eine Leiterplatte, ein Schaltschrank oder eine Hausfassade sein.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlungselements sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter Dipol verliert unmittelbar vor einer leitfähigen Fläche seine Effizienz fast vollständig, weil die Spiegelströme in der Fläche der Anregung entgegenwirken. Erst im Abstand von einer Viertelwellenlänge verschwindet dieser Effekt, was eine physikalisch unvermeidbare entsprechend große Aufbauform (Flächen- oder Volumenbedarf) erfordert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Das wesentliche Element der hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lösung ist eine wesenhaft neuartige Kopplung von zwei in einer Ebene benachbarten und über einer weiteren, jedoch nicht kontaktierten Metallfläche angeordneten Patch-Flächen durch einen sehr schmalen Spalt, der den Strahlungsmodus gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Patch-Antenne grundsätzlich verändert und sich nicht durch Geometrievariationen aus bisherigen Beschreibungen von Patch-Antennen ableiten lässt. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Strahlungselementes ähnelt nur äußerlich einer doppelten Patch-Antenne, wobei in grundlegendem Unterschied jedoch die unter den angeregten Metallflächen liegende leitfähige Ebene nicht kontaktiert ist. Dennoch sorgt diese leitfähige, in der Größe etwa nur der Fläche der angeregten Struktur entsprechende metallische Fläche für eine weitgehende Isolation des darunter liegenden Raumes, in welchem weitere Strukturen, wie z.B. Karosserie, Schaltkreise, Mast, Fassade, positioniert sein können, ohne die Abstrahlung in den oberen Halbraum zu beeinträchtigen.
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Das erfindungsgemäße Strahlungselement umfasst zwei differentiell an nebeneinander liegenden Ecken gespeiste, planare, nur durch einen dünnen Spalt getrennte, metallische Rechtecke (vorzugsweise Quadrate), die oberhalb einer eng benachbarten, etwa gleich großen isolierten Metallplatte positioniert sind.
- 1 zeigt die Grundstruktur einer bevorzugten Ausführungsform, bestehend aus einem rechteckigen Ausschnitt aus einer beidseitig metallisierten Leiterplatte (3) mit den lateralen Abmessungen a und c und einer Dicke t. Dabei ist erfindungsgemäß die Dicke t deutlich kleiner als eine Zehntelwellenlänge der abgestrahlten bzw. empfangenen elektromagnetischen Strahlung. Die optimale Dicke t ermittelt sich je nach Anwendung aus den Anforderungen an die Betriebsbandbreite.
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Die Oberseite der isolierenden Platte (3) trägt zwei gleich große metallische Quadrate (1, 2) mit der Kantenlänge a, welche voneinander durch einen Spalt der Breite g getrennt sind, der erfindungsgemäß im Vergleich zur Dicke t maximal ein Zehntel dieses Maßes beträgt. Die Unterseite der Platte (3) weist eine durchgehende Metallisierung (4) auf, die von den Quadraten (1, 2) elektrisch isoliert bleibt. Für eine Speisung der Struktur werden zwei Kontaktierungen (5, 6) an direkt benachbarten Ecken der quadratischen Metallflächen (1, 2) über elektrisch leitfähige Verbindungen (7, 8) mit einer Signalquelle verbunden.
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Das erfindungsgemäße Strahlungselement (auch bezeichnet als Di-Patch-Antenne) unterscheidet sich in seinem Aufbau und seiner Dimensionierung von allen bekannten klassischen Patch-Antennenvarianten und ist insbesondere grundlegend verschieden von zwei nebeneinander platzierten Patch-Antennen, da sie lediglich an den Ecken der quadratischen Patch-Flächen gespeist wird. Die Kontaktierung erfolgt demnach nicht in der Mitte einer Quadratkante. Zudem verbleiben die Speiseleitungen in der obersten Ebene der Patch-Elemente, so dass keine tiefer liegenden Strukturen durch Durchkontaktierungen oder mit Hilfe weiterer Leitungen verbunden werden müssen.
Das erfindungsgemäße Strahlungselement ermöglicht eine einfachere Montage und größere Betriebsbandbreite als eine Patch-Antenne nach dem bisherigen Stand der Technik. Es wird weniger Aufbauvolumen bzw. Grundfläche benötigt, wodurch eine konforme oder nahezu konforme Integration in vorhandene Bauräume, auch unmittelbar oberhalb von Metallflächen, möglich wird. Die differentielle Speisung der Di-Patch-Antenne kann ohne Symmetrierglieder an moderne differentielle IC-Schaltungstechnik angeschlossen werden, während elektrische Dipol-, Monopol- oder Patch-Antennen eine Wandlung des symmetrischen IC-Ports in eine unsymmetrische Speisung der Antenne notwendig machen und damit unvermeidlich Effizienz und Bandbreite verringern.
Durch ihre flache Bauform kann die vorgestellte Di-Patch-Antenne in nichtmetallische Abdeckungen und Gehäuseteile eingebettet werden, wobei die Abstrahlung automatisch in den Außenraum gerichtet ist und innenliegende Metallteile die Funktion der Antenne nicht beeinträchtigen.
Durch Einbringen von Schlitzen in die metallischen Rechtecke (Quadrate) kann das erfindungsgemäße Strahlungselement mit dem Ergebnis der Abstrahlung einer um 90° gedrehten Polarisation modifiziert werden, ohne dass dessen Lage verändert werden muss.
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Literaturliste
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- [1] - Jeong II Kim; Byung Moo Lee; Young Joong Yoo, „Wideband printed dipole antenna for multiple wireless services".Proceedings RAWCON 2001. 2001 IEEE Radio and Wireless Conference (Cat.No.01 EX514) Year: 2001 Pages: 153 - 156, DOI: 10.1109/ RAWCON.2001.947575
- [2] - Yu-Mei Guo; Ying-Zeng Yin; Jing-Li Guo; Jin-Ping Ma; Hui-Li Zheng, „Wideband patch dipole antenna". IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Year: 2005, Volume: 2A Pages: 561 - 564 vol. 2A, DOI: 10.1109/APS.2005.1551871
- [3] - Wee Kian Toh, Xianming Qing, and Zhi Ning Chen, „A Planar UWB Patch-Dipole Antenna". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 59, NO. 9, September 2011
- [4] - Zhi Ning Chen, Yue Juan, Xianming Qing, and Wenquan Che, „Enhanced Radiation From a Horizontal Dipole Closely Placed Above a PEC Ground Plane Using a Parasitic Strip". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 64, NO. 11, November 2016
- [5] - Steven R. Best, „Improving the Performance Properties of a Dipole Element Closely Spaced to a PEC Ground Plane". IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, VOL. 3, 2004, p. 359ff
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - erstes metallisches Quadrat
- 2
- - zweites metallisches Quadrat
- 3
- - dielektrisches Substrat
- 4
- - Metallisierung auf der Unterseite des Substrates
- 5, 6
- - Kontaktierungen an den Ecken der metallischen Quadrate
- 7, 8
- - elektrisch leitfähige Verbindungen
- a
- - erste laterale Ausdehnung des Substrates; Kantenlänge der metallischen Quadrate
- c
- - zweite laterale Ausdehnung des Substrates (c = 2a + g)
- t
- - Dicke des Substrates
- g
- - Spaltbreite (Abstand der Patches)
