DE10209996A1

DE10209996A1 - Kombi-Antennenanordnung zum Empfang terrestrischer sowie Satelliten-Signale

Info

Publication number: DE10209996A1
Application number: DE10209996A
Authority: DE
Inventors: Marco Vothknecht; Peter Prasmayer
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-10-09
Also published as: WO2003075394A2; WO2003075394A3; EP1393405A2; US20040140940A1; PL368348A1; US6909400B2; AU2003208774A1; AU2003208774A8; MXPA03010485A; BR0303337A; JP2005519508A; DE20221946U1

Abstract

Eine verbesserte Kombinationsantenne zum Empfang terrestrischer, insbesondere vertikal polarisierter Signale und zum Empfang von insbesondere zirkular polarisierten Satellitensignalen, gemäß den SDARS-Diensten, vorzugsweise in einem 2,3 GHz-Bereich, mit den folgenden Merkmalen: DOLLAR A - es ist eine Monopolanordnung (7) zum Empfang der terrestrischen Signale vorgesehen, DOLLAR A - es ist eine Satellitenempfangsantenne zum Empfang der zirkular polarisierten Satellitensignale vorgesehen, DOLLAR A - es ist lediglich ein einziger Monopol (7) vorgesehen, DOLLAR A und DOLLAR A - die Satellitenempfangsantenne besteht aus einer Patchantenne (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombinationsantenne zum Empfang terrestrischer sowie von Satelliten-Signalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Speziell in den USA ist ein satellitengestütztes Radiosystem im Einsatz, welches nur mit wenig verteilten Satelliten im Orbit arbeitet. Für dieses satellitengestützte Radiosystem sollen Antennen angeboten werden, die bereits bei niedrigen Elevationswinkeln von 25° bis auf 90°-Elevation den gleichen Mindestgewinn einhalten müssen.

Gleichzeitig sollen die Kombiantennen auch zum Empfang terrestrischer Signale geeignet sein.

Die entsprechenden Systeme sind in der Fachwelt auch unter dem Begriff SDARS-Dienste bekannt, die im 2,3 GHz-Bereich senden. Die Satellitensignale werden dabei zirkular polarisiert übertragen.

Um diesen extremen Bedingungen Rechnung zu tragen und bereits bei niedrigen Elevationen von 25° und mehr einen hohen Antennengewinn zu realisieren, ist stets versucht worden durch besonders ausgefeilte Antennenkonstruktionen diesen extremen Anforderungen Rechnung zu tragen.

So ist auf dem USA-Markt ein spezielles Antennensystem bekannt geworden, welches einen Kreuzdipol enthält, der aus einem Flächenmaterial gebildet ist und dadurch vier Quadranten bildet, die durch die Dipolwände voneinander getrennt sind. In jedem Quadranten ist dann ein separater, sich vertikal erstreckender Monopol angeordnet, worüber die terrestrisch ausgestrahlten vertikal polarisierten Signale empfangen werden können. Der Gesamtaufwand der Antenne ist allerdings beachtlich, da vor allem noch entsprechende Speisenetzwerke zum Speisen des Kreuzdipols und der vier Monopole benötigt werden.

Die Veröffentlichung "A Combination Monopole/Quadrifilar Helix Antenna For S-Band Terrestrial/Satellite Applications" im Microwave Journal Mai 2001 beschreibt ebenfalls eine Kombiantenne, die für den Satellitenempfang gemäß den SDARS-Diensten in den USA geeignet sein soll. Diese Antenne soll ebenfalls bereits bei Winkeln von um 25°- Elevation einen guten Antennengewinn und ein ausreichend gutes Achsverhältnis aufweisen. Diese Antennen umfassen einen stabförmigen sich vertikal erstreckenden Monopol, um welchen herum eine Helix angeordnet ist.

Schließlich ist aber auch aus der EP 1 100 148 A1 eine entsprechend zirkular polarisierte Cross-Dipolantenne bekannt geworden, die zwei Paare von invertierten V-förmigen Dipolantennenelementen aufweist. Diese Antennendipolelemente sind wie ein umgekehrtes "V" gebogen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für die SDARS-Dienste in den USA, ein verbessertes Antennensystem zu schaffen, das neben dem Empfang terrestrischer, vor allem vertikal polarisierter Signale auch den Empfang von insbesondere zirkular polarisierten Satellitensignalen ermöglicht, wobei die Satelliten nicht nur im Elevationswinkelbereich von 90° positioniert sind, sondern teilweise auch niedrig über dem Horizont bei einer Elevation um 25°.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Berücksichtigt man für derart schwierige Empfangsbedingungen die üblichen Lastenhefte der Systembetreiber, so ergibt sich daraus unmittelbar, dass nach Meinung der gesamten Fachwelt nur speziell entwickelte Kombinations- Antennen den gewünschten Anforderungen Rechnung tragen können.

Umso mehr muss überraschen, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung die geforderten Randbedingungen nicht nur eingehalten, sondern übertroffen werden konnten.

Die erfindungsgemäße Kombinationsantenne umfasst zum einen zum Empfang der terrestrischen, vor allem vertikal polarisierten Signale einen Monopol. Dieser kann unterschiedlichst ausgebildet sein. Vor allem aber umfasst die erfindungsgemäße Antenne eine an sich bekannte Patchantenne.

Allerdings ist der Fachwelt hinlänglich bekannt, dass Patchantennen ihre optimale Funktion im Zenit erreichen, d. h. bei 90°-Elevation. Der Antennengewinn erreicht dann sein Maximum, wobei das Achsverhältnis zirkular polarisierter Patchantennen umgekehrt ein Minimum erreicht.

In Richtung zu niedrigeren Elevationsgraden hin verschlechtern sich jedoch die Parameter Antennengewinn und Achsverhältnis kontinuierlich.

So wurde stets erwartet, dass Patchantennen insbesondere zum Empfang von Satellitensignalen entsprechend dem SDARS- Dienst in den USA völlig ungeeignet sind. Entsprechende Vorschläge unter Verwendung von Patchantennen sind deshalb nicht bekannt geworden.

Es muss also als ausgesprochen überraschend bezeichnet werden, dass mit der erfindungsgemäßen Kombinationsantenne einschließlich eines Patchstrahlers optimale Werte bzgl. Antennengewinn zum einen und Achsverhältnis zum anderen bereits bei niedrigen Elevationsgraden von 25° erreicht werden können, die vergleichbar sind mit den Werten für Antennengewinn und Achsverhältnis, wie sie bei einer Elevation von 90° zu erwarten sind!

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dabei neben der Patchantenne als Strahler für dem Empfang terrestrischer Signale ein sich in Form eines vertikalen Stabes erstreckender Monopol verwendet, wie er an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Um niedriger bauen zu können wird bevorzugt auch eine inverted F-Antenne beispielsweise aus Draht oder dergleichen eingesetzt, die auf einem Substrat, beispielsweise einer Leiterplatine angeordnet sein kann.

Als Monopol kann aber genauso eine gedruckte Schaltung beispielsweise auf einer Leiterplatine verwendet werden, die auf einem Substrat in Form einer weiteren Leiterplatine vertikal aufbauend angeordnet sein kann. Auf dieser für den Monopol vorgesehenen zusätzlichen sich vertikal erstreckenden Leiterplatine kann für den Monopol ein Streifenleiter ausgebildet sein, der zur Verringerung der Bauhöhe auch S- oder meanderförmig nach Art eines Rechteckimpulses verlaufen kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform jedoch wird eine Antennenanordnung mit einer Kavität verwendet, in deren Deckseite, beispielsweise in Form einer Metallplatte ein Ringschlitz vorgesehen ist. Der Ringschlitz wirkt dabei wie ein Monopol.

Um die Bauhöhe insgesamt zu verringern wird die Kavität, d. h. der sich unterhalb des Schlitzes befindliche Hohlraum, bevorzugt mit einem Dielektrikum ausgefüllt, beispielsweise Glas, Keramik oder dergleichen. Da die Dielektrizitätskonstante ER von Glas beispielsweise einen Wert um 9 und diejenige von Keramik einen Wert um 20 bis 30 aufweist, führt dies zu einer Hohlraumerniedrigung auf ein Drittel bei Verwendung von Glas bzw. ein Fünftel bei Verwendung von Keramik. Dadurch können also sehr niedrig bauende Kombinationsantennen zum Empfang der SDARS-Dienste realisiert werden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten oder Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen:

Dabei zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenne;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das in Fig. 1 wiedergegebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne;
Fig. 3 eine zu Fig. 2 vergleichbare Draufsicht bzgl. eines geringfügig abgewandelten Ausführungsbeispieles;
Fig. 4 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel bzgl. einer inverted F-Antenne als Monopol;
Fig. 5 eine Streifenleiter-Monopolantenne bei einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel bzgl. eines Monopols;
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Kombinationsantenne mit einem Ringschlitz anstelle eines Monopol-Strahlers; und
Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung bzgl. des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.
In Fig. 1 ist auf einem Substrat 1 vorzugsweise in Form einer Leiterplatine 1' eine Kombinationsantenne 5 für den Empfang von SDARS-Diensten in den USA aufgebaut, die üblicherweise im 2,3 GHz-Bereich strahlt.
Auf dem Substrat 1 aufbauend ist ein Monopol 7, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel ein stabförmiger Monopol 7a vorgesehen. Seitlich daneben ist eine Patchantenne 9 auf dem Substrat 1 aufgebaut. Beide Strahler 7 und 9 werden in bekannter Weise angespeist.
Die Patchantenne 9 besteht bevorzugt aus einer Keramik- Patchantenne 9'. Da die mechanische Größe der Patchantenne 9 abhängig ist von der Resonanzfrequenz zum einen und von der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials zum anderen, wobei in der Regel eine Mikrowellenkeramik verwendet wird. Da mittels der Patchantenne zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen im 2,3 GHz-Bereich empfangen werden sollen und die mechanische Baugröße der Patchantenne dabei wie erwähnt von der Resonanzfrequenz abhängt, ergibt sich eine vergleichsweise klein bauende Patchantenne 9 und überraschend ist dabei, dass mittels einer derartigen Patchantenne 9 die hohen Forderungen entsprechend den üblichen System-Lastenheften der Dienstebetreiber eingehalten werden können, wonach der Antennengewinn größer als 3 dBic in dem Elevationsbereich von 25° bis 90° sein soll.
In Fig. 2 ist die Draufsicht auf die Antennenanordnung gemäß Fig. 1 wiedergegeben. Dabei ist ersichtlich, dass der Monopol auf einer vertikalen Mittellängsebene 13 angeordnet ist, die zu den Seitenbegrenzungen 14 der in Draufsicht quadratischen Patchantenne 9 parallel bzw. senkrecht verläuft.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist nur schematisch gezeigt, dass die Patchantenne gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 auch um 45° gedreht angeordnet werden kann, so dass der im gezeigten Ausführungsbeispiel zum Beispiel stabförmige und sich vertikal erstreckende Monopol 7 auf einer vertikalen Mittelsymmetrieebene 13 liegt, die diagonal durch die Patchantenne 9 verläuft.
Anhand von Fig. 4 ist nur in schematischer Seitenansicht wiedergegeben, dass anstelle eines stabförmigen Monopols 7 auch eine inverted F-Antenne 7b verwendet werden kann, deren einer Schenkel 14 auf dem Substrat 1, 1' auf Masse gesetzt ist, wohingegen über eine versetzt liegende Einspeisleitung 15 die Einspeisung am Monopol hochohmig erfolgt.
Anstelle des Monopols 7a oder 7b kann aber auch gemäß Fig. 5 ein Monopol 7c nach Art eines Streifenleiters verwendet werden, der auf einem Substrat, beispielsweise einer weiteren separaten Leiterplatine 19 aufgebracht ist. Zur Verringerung der Bauhöhe kann dabei der Streifenleiter 21 meanderförmig oder nach Art eines Rechteckimpulses verlaufend auf dem Substrat oder der Leiterplatine 19 angeordnet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird ein Monopol 7d verwendet, bei dem der stabförmige Monopol an dem der Leiterplatine 1' abgewandt liegenden Ende als ein Spulenkörper 23 ausgebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 wird eine Kombinationsantenne verwendet, die eine Kavität 27 aufweist, die durch ein die Kavität 27 begrenzendes Gehäuse 29 gebildet ist. Das Gehäuse 29 kann bevorzugt mit einer metallischen Oberfläche versehen sein.
Auf der Oberseite 31 ist ein Ringschlitz 33 in der entsprechenden Gehäusewand 29' eingebracht.
Im Inneren des Ringschlitzes 33 ist die Patchantenne 9 auf der Oberseite 31, d. h. auf der oberen Gehäusewand 29' positioniert und wird dabei in bekannter Weise gespeist. Um die Patchantenne 9 herum verläuft der Ringschlitz 33 in der oberen Gehäusewand 29', der von seinem Strahlungsbild einem Monopol vergleichbar ist.
Wie in Fig. 8 angedeutet ist entspricht die Bauhöhe λ/4 der Betriebsmittenfrequenz. Wird die Antenne also im 2,3 GHz- Bereich betrieben, so ergibt dies eine Bauhöhe von ungefähr 5 cm.
Diese Bauhöhe kann aber wirksam dadurch erniedrigt werden, dass die Kavität 27 mittels eines Dielektrikums ausgefüllt wird. Als geeignetes Dielektrikum kommen beispielsweise Glas oder Keramik in Frage. Dadurch können die mechanischen Abmessungen deutlich reduziert werden.
Da Glas beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante um 9 herum aufweist, führt dies zu einer Verringerung der Bauhöhe um den Faktor 3. Wird als Dielektrikum Keramik verwendet, welches beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante von 20 bis 30 aufweist, so führt dies zu einer Bauhöhenreduzierung um den Faktor 5.

Claims

1. Kombinationsantenne zum Empfang terrestrischer, insbesondere vertikal polarisierter Signale und zum Empfang von insbesondere zirkular polarisierten Satellitensignalen gemäß den SDARS-Diensten, vorzugsweise in einem 2,3 GHz- Bereich, mit den folgenden Merkmalen:

- es ist eine Monopolanordnung (7) zum Empfang der terrestrischen Signale vorgesehen,

- es ist eine Satellitenempfangsantenne zum Empfang der zirkular polarisierten Satellitensignale vorgesehen,

gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale:

- es ist lediglich ein einziger Monopol (7) vorgesehen, und

- die Satellitenempfangsantenne besteht aus einer Patchantenne (9).

2. Kombinationsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Monopol (7) wie auch die Patchantenne (9) auf einem Substrat (1), vorzugsweise in Form einer Leiterplatine (1') aufgebaut und angeschlossen sind.

3. Kombinationsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (7) aus einem stabförmigen Monopol (7a) gebildet ist.

4. Kombinationsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (7) aus einer inverted F- Antenne (7b) besteht.

5. Kombinationsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (7, 7c) aus einem Streifenleiter (21) oder einer gedruckten Struktur besteht, der bzw. die vorzugsweise auf einem weiteren Substrat (19), insbesondere in Form einer Leiterplatine ausgebildet ist.

6. Kombinationsantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifenleiter (21) meanderförmig auf dem Substrat (19) verlaufend vorgesehen ist.

7. Kombinationsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige Monopol (7, 7d) an dem dem Substrat (1) gegenüberliegenden Ende mit einem Spulenkörper (23) versehen ist.

8. Kombinationsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringschlitz (33) in einer Gehäusewand (29') eines eine Kavität (27) umgebenden Gehäuses (29) ausgebildet ist.

9. Kombinationsantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Patchantenne (9) innerhalb des Ringschlitzes (33) angeordnet ist.

10. Kombinationsantenne nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (27) mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist.

11. Kombinationsantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus Glas oder Keramik besteht.

12. Kombinationsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (7) auf einer vertikalen Mittellängsebene (13), die die Patchantenne (9) durchsetzt, angeordnet ist, wobei die vertikale Mittellängsebene (13) senkrecht bzw. parallel zu den Seitenbegrenzungskanten (14) der Patchantenne (9) ausgerichtet ist.

13. Kombinationsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Monopol (7) auf einer vertikalen Mittellängsebene (13) angeordnet ist, die durch die Diagonale der Patchantenne (9) gelegt ist.