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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für eine Patch-Antenne für einen Navigationssatellitensystemempfänger, einen sogenannten GNSS-Empfänger, insbesondere mit einer eine zweifachen Signalzuführung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung.
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Hintergrund
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Navigationssatelliten, sogenannte GNSS-Satelliten, übertragen zirkuläre, polarisierte (CP) Signale, um ein Absinken der Lokalisierungsleistung oder Lokalisierungsqualität, insbesondere durch Interferenzen von reflektierten Signalen, zu verhindern. GNSS (Global Navigation Satellite System) ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten. Eine GNSS-Antenne kann in vielen Fällen als eine sog. „Single-Band Patch-Antenne“ ausgeführt sein, um einen zirkulären Empfang in der Bandmitte der Antenne zu erhalten. Allerdings kann der zirkuläre Empfang in Bereichen außerhalb der Bandmitte eingeschränkt sein, so dass für eine „breitbandige“ Nutzung - beispielsweise über die gesamte Bandbreite der betreffenden Dienste eines Navigationssatelliten - die nutzbare Signalqualität eingeschränkt sein kann. Weiterhin kann eine derartige „breitbandige“ Charakteristik beispielsweise sinnvoll sein, um nicht nur die Signale eines einzigen Typs bzw. Dienstes von Navigationssatelliten, z.B. von GPS-Satelliten, nutzen zu können, sondern um zur Verbesserung der Lokalisierungsqualität auch Signale von weiteren Navigationssatelliten, wie z.B. Galileo, GLONASS, Beidou und/oder weiteren Typen von Navigationssatelliten oder Diensten, nutzen zu können. Die „breitbandige“ Charakteristik kann z.B. für eine Signalkorrektur und/oder eine Erhöhung der lokalen Auflösung benötigt werden.
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Zusammenfassung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für eine Patch-Antenne für einen Navigationssatellitensystemempfänger, einen GNSS-Empfänger. Die Antennenanordnung weist eine isolierende Trägerschicht auf. Die isolierende Trägerschicht kann z.B. als ein Keramikträger realisiert sein. Es können auch andere HF-taugliche Materialien mit geringen HF-Verlusten (geringen dielektrischen Verlusten), wie z.B. Teflon, verwendet werden. Viele dieser Materialien weisen nicht nur gute elektrische Isolationseigenschaften auf, sondern können auch gegenüber Feuchtigkeit unempfindlich sein.
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Weiterhin weist die Antennenanordnung eine Metalllage auf, die auf der isolierenden Trägerschicht angeordnet ist und die eine zweifache Signalzuführung, über einen ersten Signalport und einen zweiten Signalport, aufweist. Derartige Antennen werden häufig als „Dual-Port Antennen“ (dual feed patch antenna) bezeichnet. Der erste Signalport der Signalzuführung ist für ein Signal mit einer ersten Phase eingerichtet, und der zweite Signalport der Signalzuführung ist für ein Signal mit einer zweiten Phase eingerichtet. Dabei ist die zweite Phase um 90° zu der ersten Phase versetzt. Die Antennenanordnung kann darüber hinaus noch weitere Metalllagen aufweisen, z.B. als Resonator auf einer Oberseite (top layer) der isolierenden Trägerschicht. Die Metalllage kann planar sein. Die Metalllage kann eine Realisierung eines Coplanar Wave Guide With Ground (CPWG) darstellen.
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Mit dieser Lösung werden vorteilhafterweise zwei HF-Signale (HF: Hochfrequenz, z.B. im Frequenzband eines GNSS-Empfängers) in 0° und 90° Phasenlage kombiniert, um eine hohe Qualität für den Empfang von zirkulären, polarisierten Signalen bei einer Dual-Port Antenne zu erreichen. Die Realisierung eines (integrierten) 0°/90°-Dual-Port-Kopplers in einer Metalllage, die auf der isolierenden Trägerschicht angeordnet ist, kann als ein planarer Wellenleiter ausgeführt sein. Die gewünschte Funktion der Signalteilung mit 0°/90° Phasenversatz kann beispielsweise als Coplanar Wave Guide With Ground (CPWG) oder auch als sog. Offset Line Coupler realisiert werden. Der integrierte 0°/90°-Dual-Port-Koppler kann nicht nur die Verwendung von zusätzlichen diskreten Komponenten einsparen, sondern in vielen Fällen den Einsatz von sog. „Multi-Band GNSS-Lösungen“ überflüssig machen. Insbesondere die „dual feed“-Speisung kann gute CP Empfangseigenschaften bzw. ein gutes Achsenverhältnis der Polarisationsvektoren („axial ratio“, AR), z.B. über das gesamte Band des betreffendes Satelliten GNSS-Dienstes ergeben. Beispielsweise kann dadurch in vielen Fällen eine zweite oder weitere Antenne entfallen, mit den entsprechenden Vorteilen für Kosten, Platzbedarf und/oder Gesamtkomplexität. Insgesamt können diese Faktoren nicht nur zu einer günstigeren Antennenanordnung führen, sondern auch zu einer Verkleinerung und/oder zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit derartiger Vorrichtungen.
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In einigen Ausführungsformen kann eine dielektrische Schicht für die CPWG als eine Klebeschicht oder eine klebende Folie realisiert sein. Eine derartige klebende Folie kann bereits in einigen Antennenanordnungen verwendet werden, z.B. um eine Patch-Antenne an eine Leiterplatte zu fixieren. Dabei kann die eine leitfähige Lager der Leiterplatte als Masseelement für die CPWG fungieren. Dies kann zu einer besonders kostengünstigen Herstellung führen, weil nicht nur vorhandene Materialien genutzt werden können, sondern auch, weil damit keine zusätzlichen Prozessschritte anfallen. Weiterhin kann in einer Ausführungsform in der Klebefolie der Bereich der Signalleitungen im Kopplerbereich freigehalten werden, beispielsweise zur weiteren Verbesserung der Empfangsgüte.
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Erfindungsgemäß weist die Metalllage eine zweite, halbquadratische Struktur auf, welche in einer ersten Hälfte der zweiten Struktur eine vierte Leiterbahn mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 · √2 aufweist, wobei ein erstes Ende der vierten Leiterbahn mit dem ersten Signalport verbunden ist, und in einer zweiten Hälfte der zweiten Struktur eine weitere vierte Leiterbahn mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 · √2 aufweist. Dabei ist ein erstes Ende der weiteren vierten Leiterbahn über eine fünfte Zuführungsimpedanz mit dem zweiten Signalport verbunden, eine weitere Impedanz mit einem Impedanzwert von 2 · Z0 zwischen dem ersten Ende der vierten Leiterbahn und dem ersten Ende der weiteren vierten Leiterbahn angeordnet ist, und eine Überkreuzung eines zweiten Endes der vierten Leiterbahn mit dem zweiten Ende der weiteren vierten Leiterbahn über eine sechste Zuführungsimpedanz mit einem vierten Signalport verbunden ist. Die Überkreuzung ist wie oben definiert. Die weitere Impedanz mit einem Impedanzwert von 2 · Z0 kann beispielsweise in Dickschicht- oder Dünnschicht-Technologie und/oder mittels einer anderen Technologie realisiert sein. In einer Variante kann die weitere Impedanz weggelassen sein.
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Diese Ausführungsformen ermöglichen eine einfache Realisierung eines integrierten 0°/90°-Dual-Port-Kopplers. Dabei ist der erste Signalport der Signalzuführung für ein Signal mit einer ersten Phase eingerichtet und der zweite Signalport der Signalzuführung ist für ein Signal mit einer zweiten Phase eingerichtet, wobei die zweite Phase um 90° zu der ersten Phase versetzt ist. Der erste Signalport und der zweite Signalport können beispielsweise über einen Via in der isolierenden Trägerschicht an einer Oberseite der isolierenden Trägerschicht geführt werden. Weiterhin kann der dritte Signalport z.B. an eine Seite der isolierenden Trägerschicht geführt werden. Dies kann einen einfachen Anschluss an das System, beispielsweise an einen HF-Verstärker (z.B. einen LNA) ermöglichen. Der Anschluss kann z.B. als ein Lötanschluss, zum Beispiel in Form eines Pins, einer Lasche, etc. realisiert sein.
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In einigen Ausführungsformen weist die Antennenanordnung weiterhin eine Resonator-Metallisierung auf der isolierenden Trägerschicht auf. Dies kann vorteilhafterweise zu einer günstigen Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere der HF-Eigenschaften, der Antennenanordnung beitragen.
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In einigen Ausführungsformen weist die Antennenanordnung weiterhin ein erstes Via in der isolierenden Trägerschicht auf, das mit dem ersten Signalport verbunden ist, und ein zweites Via in der isolierenden Trägerschicht, das mit dem zweiten Signalport verbunden ist. Damit wird vorteilhafterweise eine kompakte, gegebenenfalls auch mit existierenden Systemen kompatible Einordnung in das Gesamtsystem eines Lokalisierungssystems ermöglicht.
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In einigen Ausführungsformen weist die Antennenanordnung weiterhin eine Leiterplatte auf, mit einer ersten leitenden Beschichtung auf einer ersten Seite der Leiterplatte, auf die eine isolierende Beschichtung aufgetragen ist, wobei die isolierende Beschichtung zwischen der ersten leitenden Beschichtung und der Metalllage angeordnet ist. Dabei kann die leitende Beschichtung z.B. als eine Kupferlage realisiert sein. Die isolierende Beschichtung kann z.B. als eine Lackierung realisiert sein. Diese Ausführungsformen können in vorteilhafter Weise das Gesamtverhalten der Antennenanordnung bestimmen, beispielsweise dadurch, dass die erste leitende Beschichtung eine elektrische Masse (Ground-Ebene) darstellt und dadurch die räumlichen Strahlungseigenschaften des Antennensystems mit definiert. Damit kann die Wirkung der Antenne weiter verbessert werden, z.B. deren Effizienz erhöht werden. Weiterhin kann durch diese Gesamtanordnung die Permittivität der Leiterplatte genutzt werden und auf dieser Weise ein sehr gut elektrisch angepasstes System liefern.
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In einigen Ausführungsformen weist die Antennenanordnung weiterhin eine zweite leitende Beschichtung auf einer zweiten Seite der Leiterplatte auf, wobei auf und/oder in der zweiten leitenden Beschichtung mindestens ein Bauteil angeordnet ist. Auf der Leiterplatte angeordnete Bauteil werden in vielen Fällen auch SMDs (SMD: Surface-Mounted Device) genannt.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Stapelantennenanordnung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben, wobei die Stapelantennenanordnung eine Vielzahl von Metalllagen aufweist, die auf je einer isolierenden Trägerschicht angeordnet sind. Dabei kann die Vielzahl von Antennenanordnung (und/oder Metalllagen) gestapelt, nebeneinander, verschränkt, und/oder auf andere Weise angeordnet sein. Mit einer derartigen Stapelantennenanordnung können beispielsweise mehrere GNSS-Satellitendienste genutzt werden und dadurch kann beispielsweise die Signalqualität weiter erhöht werden und/oder es können Anwendungen mit erhöhten Lokalisierungsanforderungen realisiert werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit einer Stapelantennenanordnung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben oder einer Antennenanordnung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Fahrzeug mit vollautomatisierten, hoch automatisierten, teilautomatisierten und/oder assistierten Funktionen handeln. Derartige Fahrzeuge können in hohem Maße von der verbesserten Lokalisierung profitieren.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Verwendung einer Antennenanordnung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben als eine breitbandige GNSS Patch-Antenne, beispielsweise zum Einsatz in Fahrzeugen, die vollautomatisierte, hoch automatisierte, teilautomatisierte und/oder assistierte Funktionen aufweisen.
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Eine breitbandige GNSS Patch-Antenne kann beispielsweise über einen gesamten Arbeitsfrequenzbereich eines Satelliten eine niedrige Degradation der sog. „axial ratio, AR“ (Achsenverhältnis der Polarisationsvektoren) aufweisen.
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Diese AR kann z.B. besser als < 6 dB, beispielsweise besser als < 3 dB, insbesondere < 2 dB, über den gesamten Arbeitsfrequenzbereich sein. Der Arbeitsfrequenzbereich hängt von dem verwendeten Satellitensystem ab, d.h. der Arbeitsfrequenzbereich kann an den Frequenzbereich von GPS, Galileo, GLONASS, Beidou und/oder weiteren Typen von Navigationssatelliten angepasst sein bzw. sich über diesen Frequenzbereich erstrecken. Besonders vorteilhaft ist, dass in zumindest einigen Ausführungsformen dafür keine Multiband-Lösung für eine darauf abgestimmte Lokalisierungsantenne mehr erforderlich ist.
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Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt:
- 1 einen schematischen Querschnitt gemäß einer Ausführungsform;
- 2a bis 2e schematische Darstellungen eines Keramiksubstrats gemäß einer Ausführungsform;
- 3 einen schematischen Querschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 4a und 4b eine schematische Darstellung einer Metalllage gemäß einer Ausführungsform;
- 5a und 5b eine schematische Darstellung einer Metalllage gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 6a und 6b eine schematische Darstellung einer Metalllage in einem Keramiksubstrat gemäß je einer Ausführungsform;
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Antennenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform. Die Antennenanordnung 10 weist eine isolierende Trägerschicht 20, z.B. eine Keramikträger, auf. Ferner wobei die Antennenanordnung 10 eine Metalllage 30, die auf - in der Darstellung von 1 unterhalb - der isolierenden Trägerschicht 20 angeordnet ist. Ferner weist die isolierende Trägerschicht 20 auf ihrer Oberseite eine Resonator-Metallisierung 28 auf. Die Ports der Metalllage 30 sind mittels eines ersten Vias 22 und eines zweiten Vias 23 zu den ersten bzw. zweite Signalports, P2 bzw. P3, geführt. Der zweite Signalport P3 der Signalzuführung ist für ein Signal mit einer Phase eingerichtet, die um 90° zu der Phase des ersten Signalports P2 versetzt ist.
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Die Antennenanordnung 10 weist weiterhin eine Leiterplatte 50 auf. In manchen Ausführungsformen ist die Permittivität der Leiterplatte 50 und/oder der isolierenden Trägerschicht auf die planare Kopplerstruktur in der Metalllage 30 abgestimmt. Die Leiterplatte 50 weist auf einer ersten Seite der Leiterplatte 50 eine isolierende Beschichtung 40 auf; diese kann z.B. als eine Lackierung realisiert sein. Die isolierende Beschichtung 40 trennt elektrisch die Metalllage 30 von einer ersten leitenden Beschichtung 51 der ersten Seite der Leiterplatte 50. Diese kann z.B. als eine Kupferlage realisiert sein. Die erste leitende Beschichtung 51 kann in vorteilhafter Weise als Bezugsmasseebene der Antennenanordnung 10 fungieren. Die erste leitende Beschichtung 51 kann elektrisch als Masse (Ground, GND) ausgelegt sein. Diese kann durch eine oder mehrere Lötverbindungen mit den seitlichen GND-Kontakten der Patchantenne verbunden sein. Die Leiterplatte 50 weist in 1 ferner, auf einer zweiten Seite der Leiterplatte 50, eine zweite leitende Beschichtung 52 auf. Diese kann z.B. über einen oder mehrere Vias 55 mit der ersten leitenden Beschichtung 51 elektrisch verbunden sein.
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2a zeigt eine schematische Darstellung einer isolierenden Trägerschicht 20, z.B. eines Keramikträgers oder eines Keramiksubstrats, gemäß einer Ausführungsform in einer Aufsicht. Im Folgenden wird „Keramiksubstrat“ als Synonym zu „isolierender Trägerschicht“ verwendet. Die Oberseite des Keramiksubstrats kann eine weitere Metalllage (z.B. eine Resonator-Metallisierung 28, siehe 1) aufweisen und so die elektrischen Eigenschaften der Antenne mitbestimmen. Die Oberseite des Keramiksubstrats 20 weist an bestimmten Positionen die Signalports P2 und P3 auf. 2b zeigt eine Unterseite des Keramiksubstrats, mit den Verbindungspunkten für die Signalports P2 und P3 zu der Metalllage 30. Die Verbindung kann z.B. mittels Löten, Schweißen, etc. hergestellt sein. Die Vias 22 und 23 können „gefüllt“ ausgeführt sein, wie z.B. in 2c, oder auch als „klassische“ Vias, wie z.B. in 2d gezeigt. 2e zeigt eine schematische Gesamtsicht des Keramiksubstrats, mit den herausgeführten Signalports P2 und P3.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Antennenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform. Gegenüber der 1 ist noch ein Anschluss 30a gezeigt, der beispielsweise mit einem vierten Signalport P1 verbunden sein kann. Ferner ist mindestens ein Bauteil 60 (z.B. ein elektrisches Bauteil) auf oder in der zweiten Seite der Leiterplatte 50, angeordnet. Beispiele für Bauteil 60 können HF-Kabelanschlüsse (lösbar oder fixiert), Verstärker (z.B. LNA), Prozessoren, usw. für die Erfassung, Aufbereitung und/oder die Weiterleitung der Signale von der Antennenanordnung 10 sein.
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4a zeigt eine schematische Darstellung einer Metalllage 30 gemäß einer Ausführungsform. Die Metalllage 30 weist eine erste, quadratische Struktur 31 auf, welche durch je eine erste Leiterbahn 32 mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 links und rechts einer quadratischen Aussparung 35 und durch je eine zweite Leiterbahn 34 mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 / √2 oben und unten der Aussparung 35 gebildet wird. Damit wird an jeder Überkreuzung jeweils einer der ersten Leiterbahnen 32 mit jeweils einer der zweiten Leiterbahnen 34 ein Eckbereich 39 gebildet. Die Leiterbahnen weisen auch in den Bereichen der Überkreuzung eine einfache Dicke auf. Ein erster Eckbereich 39a ist über eine erste Zuführungsimpedanz 38a mit dem ersten Signalport P2 verbunden, ein zweiter Eckbereich 39b ist über eine zweite Zuführungsimpedanz 38b mit dem zweiten Signalport P3 verbunden, ein dritter Eckbereich 39c ist über eine dritte Zuführungsimpedanz 38c mit einem dritten Signalport P4 verbunden, und ein vierter Eckbereich 39d ist über eine vierte Zuführungsimpedanz 38d mit einem vierten Signalport P1 verbunden. Die Signale werden über den ersten Signalport P2 eingespeist, und über den zweiten Signalport P3, mit einer Phase, die um 90° gegenüber der Phase von P2 verschoben ist. P1 kann z.B. an einen Eingang eines LNA weitergeleitet werden. P4 kann gegen GND, gegebenenfalls mit einer Anpassungs-Impedanz, geführt werden oder frei gelassen werden. 4b zeigt ein Beispiel für eine Anordnung der Metalllage , mit einer quadratischen Struktur 31, in einem Keramiksubstrat. Die geometrische Form kann an die mechanischen Randbedingungen des Patches (Fläche, Form) angepasst sein. Dabei kann eine Berücksichtigung von wesentlichen Wellenleitereigenschaften (z.B. Impedanzen, Phasenverhältnisse) eine Rolle spielen.
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5a zeigt eine schematische Darstellung einer Metalllage in einem Keramiksubstrat gemäß einer Ausführungsform. Dabei weist die Metalllage eine zweite, halbquadratische Struktur auf, welche in einer ersten Hälfte der zweiten Struktur eine vierte Leiterbahn 36a mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 · √2 aufweist, wobei ein erstes Ende der vierten Leiterbahn 36a mit dem ersten Signalport P2 verbunden ist. In einer zweiten Hälfte der zweiten Strukturist eine weitere vierte Leiterbahn 36b mit einer Länge λ/4 und einer Impedanz Z0 · √2, wobei ein erstes Ende der weiteren vierten Leiterbahn 36b über eine fünfte Zuführungsimpedanz 38e mit dem zweiten Signalport P3 verbunden ist. Eine weitere Impedanz 33 mit einem Impedanzwert von ist 2 · Z0 zwischen dem ersten Ende der vierten Leiterbahn 36a und dem ersten Ende der weiteren vierten Leiterbahn 36b angeordnet. Die weitere Impedanz mit einem Impedanzwert von 2 · Z0 kann beispielsweise in Dickschicht- oder Dünnschicht-Technologie und/oder mittels einer anderen Technologie realisiert sein. Eine Überkreuzung 39e eines zweiten Endes der vierten Leiterbahn 36a ist mit dem zweiten Ende der weiteren vierten Leiterbahn 36b über eine sechste Zuführungsimpedanz 38f mit einem vierten Signalport P1 verbunden. Diese Ausführungsform hat eine ähnliche Wirkung wie die in 4a und 4b gezeigten Ausführungsformen. Die Wahl der Ausführungsform kann z.B. von Überlegungen wie Kosten, Platzbedarf, usw. geleitet sein. 5b zeigt zur weiteren Verdeutlichung ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der 5a.
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6a entspricht im Wesentlichen der 4b, um hier verschiedene Ausführungsformen gegenüberzustellen. 6b zeigt eine schematische Darstellung einer Metalllage 30 in einem Keramiksubstrat 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die im Wesentlichen der Ausführungsform von 5a und 5b ähnelt. Die Wahl der Ausführungsform kann z.B. von Überlegungen wie Kosten, Platzbedarf, usw. geleitet sein.
