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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine dielektrische Patch-, Antenne, die insbesondere geeignet für den Empfang
von Satellitennavigation ausgestaltet werden kann.
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Das GPS (global positioning system)
ist dafür
vorgesehen, die Position eines damit ausgestatteten Empfängers mittels
von Satelliten ausgestrahlter Signale zu bestimmen. Eine hierzu übliche Sendefrequenz
liegt bei 1575,42 MHz. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen
sind zirkular polarisiert. Für den
Empfang werden üblicherweise
näherungsweise quadratische
Patch-Antennen mit Leiterflächen
verwendet, die typische Abmessungen von etwa 18 mm × 18 mm × 4, 5 mm
aufweisen. In R. Garg, P. Bhartia, Inder Bahl und A. Ittipiboon "Microstrip Antenna
Design Handbook",
ISBN 0-89006-513-6 875, Artech House, ist in Kapitel 2 die Berechnung
analytischer Modelle für
Mikrostreifenantennen beschrieben.
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Bei Handys mit GSM-1800-Übertragung werden
Sende- und Empfangsfrequenzen von etwa 1800 MHz verwendet. In einem
Handy sind ebenfalls Patch-Antennen verwendbar. Eine für GPS-Übertragung vorgesehene Patch-Antenne
besitzt wegen des Unterschieds in der Frequenz nicht die geeigneten Abmessungen
für GSM-1800-Übertragung.
Falls die gleichzeitige Verwendung von GPS und GSM-1800 in einem
Gerät vorgesehen
ist, sind daher zwei Antennen erforderlich. Außerdem muss schaltungstechnisch
eine ausreichende Isolation zwischen den Antennen vorhanden sein.
Das wird üblicherweise durch
eine Filterung mittels eines SAW-Bauelementes (surface acoustic
wave, Oberflächenwellenfilter) erreicht.
Ein solches Bauelement benötigt
Platz in dem Gerät
und ist zudem teuer. Die Bedingungen für ein Übersprechen zwischen den Signalwegen
sind schwer kontrollierbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur gleichzeitigen
Verwendung von GPS und GSM-1800 anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit der Patch-Antenne mit
den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Die Patch-Antenne ist auf einem Substrat
angeordnet, das eine Trägerschicht
aus einem dielektrischen Material besitzt, die auf zwei einander
gegenüberliegenden
Hauptseiten mit Leiterflächen,
vorzugsweise aus Metall, beschichtet ist. Die erste Leiterfläche ist
vorzugsweise ganzflächig
auf der betreffenden Hauptseite der dielektrischen Trägerschicht vorhanden
und als Erdungsplatte (ground plane) vorgesehen. Die zweite Leiterfläche auf
der gegenüberliegenden
Hauptseite der dielektrischen Trägerschicht
bildet die eigentliche Antenne und besitzt die dafür vorgesehenen
Abmessungen.
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Die zweite Leiterfläche besitzt
in ihrer flächigen
Ausdehnung in zwei verschiedenen, vorzugsweise zueinander senkrechten
Hauptrichtungen unterschiedliche Abmessungen und ist auf diese Weise
für zwei
unterschiedliche Frequenzen beziehungsweise Frequenzbereiche geeignet
ausgebildet. Die zweite Leiterfläche
kann zum Beispiel rechteckig sein mit unterschiedlicher Länge und
Breite; sie kann zum Beispiel auch elliptisch sein, wobei die beiden
Hauptachsen der Ellipse die besagten beiden Hauptrichtungen darstellen.
Die zweite Leiterfläche
besitzt in den Hauptrichtungen Abmessungen, deren Werte bis auf
eine wegen des Substrates erforderliche Korrektur jeweils gleich
sind der halben zu einer vorgesehenen Frequenz gehörenden Wellenlänge in Materie der
relativen Dielektrizitätszahl
der Trägerschicht
und insbesondere bei dünnen
Substraten zumindest näherungsweise
gleich sind der Differenz aus der so bestimmten halben Wellenlänge und
der Dicke des Substrates.
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Wenn die relative Dielektrizitätszahl der
Trägerschicht
mit er, die Signalfrequenz mit f und die Vakuumlichtgeschwindigkeit
wie üblich
mit c bezeichnet wird, ist die halbe Wellenlänge in dem Material der Trägerschicht
c/(2f√ε
r). Außerdem
ist zu berücksichtigen,
ob εr von der Frequenz f abhängt. Um zu der für die Signalfrequenz
f erforderlichen Abmessung der zweiten Leiterfläche zu gelangen, muss die so
errechnete Wellenlänge
mit einer Korrektur für
das Substrat versehen werden. Bei einem relativ dünnen Substrat,
zum Beispiel einem 1,5 mm-FR4-Substrat, wie es zur Herstellung von
Leiterplatten (Platinen) verwendet wird, ist es näherungsweise
richtig, wie oben angegeben die Dicke des Substrates (in diesem Beispiel
1,5 mm) von dem besagten Wert der Wellenlänge zu subtrahieren. Bei dickeren
Substraten lässt sich
eine entsprechende Korrektur des Wertes mit den dem Fachmann geläufigen Mitteln
bestimmen, die unter anderem in dem eingangs zitierten Buch beschrieben
sind.
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Die Abmessungen der Antenne sind
daher so gewählt,
dass in den beiden Hauptrichtungen, zum Beispiel den durch den Rand
einer rechteckigen Leiterfläche
gegebenen zueinander senkrechten Richtungen, ein Empfang und/oder
Senden jeweils einer der vorgesehenen Frequenzen bevorzugt möglich ist.
Eine Abweichung von den dafür
erforderlichen bevorzugten Werten der Abmessungen in den Hauptrichtungen
um maximal 5% wird zugestanden. Die Abmessungen sind hier als Mittelwerte
zu verstehen, falls zum Beispiel zum Zweck der Erhöhung der Bandbreite
der Übertragung
eine ausgefranste oder gewellte Randstruktur der zweiten Leiterfläche vorgesehen
wird.
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Als Frequenzen können zum Beispiel eine GPS-Frequenz
und eine GSM-Frequenz vorgesehen sein. Um zu dieser Ausgestaltung
zu gelangen, bedurfte es der Erkenntnis, dass ein GPS-Empfang ausreichender
Empfangsleistung möglich
ist, wenn aus der zirkular polarisierten Trägerwelle nur eine lineare Polarisationsrichtung
längs einer
ersten Hauptrichtung der Antenne mit einer hierfür geeigneten ersten Abmessung
der zweiten Leiter fläche
empfangen wird (zum Beispiel längs
der Längenausdehnung
oder der Breitenausdehnung einer rechteckigen Antenne). Die zweite
Abmessung der zweiten Leiterfläche
längs der
zweiten Hauptrichtung kann daher für das Senden und Empfangen
einer GSM-Frequenz optimiert werden.
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Die zweite Leiterfläche besitzt
gesonderte Anschlüsse
von zwei Zuleitungen, die jeweils für die Signalübertragung
einer der beiden unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen sind. Zumindest
der für
das Abgreifen eines empfangenen Signals, insbesondere eines GPS-Signals,
vorgesehene Anschluss befindet sich vorzugsweise auf einer Symmetrieachse
der zweiten Leiterfläche.
Die Länge
dieser Symmetrieachse in der zweiten Leiterfläche ist gleich derjenigen Längenabmessung
der zweiten Leiterfläche, die
für den
Empfang dieser Frequenz vorgesehen ist. Der betreffende Anschluss
befindet sich vorzugsweise höchstens
31% der Länge
dieser Symmetrieachse von einem senkrecht zu der besagte Längenabmessung
verlaufenden Rand der zweiten Leiterfläche entfernt. Dieser Abstand
hängt jedoch
von der Impedanz der Zuleitung ab. Je höher die Impedanz ist, um so
näher wird
der Anschluss der Zuleitung zum Rand der zweiten Leiterfläche hin
angeordnet. Beide Anschlüsse
der Zuleitungen können
auf je einer der beiden Symmetrieachsen der zweiten Leiterfläche liegen.
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Die Zuleitungen können gedruckte Leitungen, wie
zum Beispiel (Mikro-)Streifenleitungen ([micro-]strip lines) oder
coplanare Wellenleiter (waveguides), sein und können insbesondere in einer
entsprechend strukturierten dritten Leiterfläche ausgebildet sein, die auf
der von der zweiten Leiterfläche
abgewandten Seite der ersten Leiterfläche angeordnet und von der
ersten Leiterfläche
durch eine dielektrische Schicht oder ein weiteres Substrat getrennt
ist. Ein solches Substrat kann insbesondere Bauelemente einer mit
der Antenne versehenen gedruckten Schaltung (zum Beispiel des Senders
oder Empfängers)
aufweisen. Die Zuleitungen zu der zweiten Leiterfläche sind
vorzugsweise durch Öffnungen
in der ersten Leiterschicht und in den dielektrischen Schichten
geführt,
wobei die erste Leiterschicht von der jeweiligen Zuleitung elektrisch
isoliert und vorzugsweise mit einem Erdungsanschluss der Schaltung
verbunden ist.
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Die Zuleitungen können auch Koaxialkabel sein,
deren zentraler Leiter an der zweiten Leiterfläche an den vorgesehenen Punkten
angebracht wird. Vorzugsweise wird das Substrat zu diesem Zweck durchbohrt,
so dass der zentrale Leiter des Koaxialkabels jeweils durch einen
dünnen
Kanal in der Trägerschicht
hindurchgeführt
werden kann. Eine elektrisch leitende Abschirmung oder Ummantelung,
die den zentralen Leiter des Koaxialkabels koaxial umgibt, ist in
dieser Ausführungsform
vorzugsweise mit der als Erdungsplatte vorgesehenen ganzflächigen ersten
Leiterfläche
elektrisch leitend verbunden.
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Es folgt eine genauere Beschreibung
von Beispielen der Patch-Antenne
anhand der 1 bis 3.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Patch-Antenne in einer schrägen
Aufsicht.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer schrägen Untersicht.
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Die 3 zeigt
die als eigentliche Antenne fungierende zweite Leiterfläche des
Substrates in einer Aufsicht.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Patch-Antenne in einer schrägen
Aufsicht. Das Substrat 1 ist vorzugsweise ein für herkömmliche Patch-Antennen
gebräuchliches
Substrat, kann aber auch ein 1,5 mm-FR4-Substrat oder dergleichen sein.
Es besitzt eine erste Leiterfläche 2,
eine Trägerschicht 3 aus
einem dielektrischen Material und auf der gegenüberliegenden Hauptseite der
Trägerschicht
eine zweite Leiterfläche 4,
die vorzugsweise in den Abmessungen gegenüber der ersten Leiterfläche reduziert
ist und in diesem Ausführungsbeispiel rechteckig
ist. Das Substrat 1 ist von der Rückseite her, d. h. von der
Hauptseite, die mit der ersten Leiterfläche 2 bedeckt ist,
mit Bohrungen versehen, durch die die Zuleitungen 5 geführt sind,
die an Anschlüssen 6 auf
der der Trägerschicht 3 zugewandten
Seite der zweiten Leiterfläche 4 befestigt
sind.
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Die Zuleitungen 5 sind in
dem in der 1 dargestellten
Beispiel Koaxialkabel. Ein Koaxialkabel besitzt als zentralen Leiter
eine metallische Ader oder einen Draht, der von einem isolierenden
Mantel umgeben ist. Koaxial zu dem zentralen Leiter befindet sich
außerhalb
des isolierenden Mantels ein elektrisch leitender, üblicherweise
metallischer Zylinder oder ein zylindrisches Drahtgeflecht, das
auch als Abschirmung fungiert und ebenfalls von einer Isolation
umgeben ist. Ein Koaxialkabel hat üblicherweise eine Impedanz
von 50 Ω bis
100 Ω.
Der zentrale Leiter ist an jeweiligen Anschlüssen 6 mit der zweiten Leiterfläche 4 verbunden.
Die Abschirmung ist als Erdung an der ersten Leiterfläche 2 elektrisch
leitend angebracht.
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Statt der Koaxialkabel können grundsätzlich alle
sonstigen für
Zuleitungen von Antennen an sich bekannten oder bei herkömmlichen
GPS-Antennen bereits verwendeten Zuleitungen eingesetzt werden. Bevorzugt
sind gedruckte Zuleitungen, die in einer weiteren Leiterfläche auf
der Unterseite des Substrates angeordnet sind.
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In der 2 ist
eine solche Anordnung für ein
weiteres Ausführungsbeispiel
in einem Schnitt durch das Substrat dargestellt. In einer schrägen Untersicht
sind die Ränder
der ersten Leiterfläche 2,
der Trägerschicht 3 und
der zweiten Leiterfläche 4 erkennbar.
Auf der von der zweiten Leiterfläche 4 abgewandten
Seite der ersten Leiterfläche 2 befindet
sich eine dielektrische Schicht 7, auf der die gedruckten Zuleitungen 8 aufgebracht
sind. Bauelemente einer Schaltung, die hier nicht eingezeichnet
sind, können ebenfalls
auf der dielektrischen Schicht 7 angeordnet sein.
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In der 3 ist
die zweite Leiterfläche 4 in
einer Aufsicht dargestellt. Die Abmessung der Länge a und die Abmessung der
Breite b dieser zweiten Leiterfläche 4 sind
an den Seiten eingezeichnet. Außerdem
sind mit gestrichelten Linien die Symmetrieachsen eingezeichnet.
Der erste Anschluss 61 bezeichnet die Stelle, an der die
für das
Abgreifen des ersten Signals, zum Beispiel eines GPS-Signals, vorgesehene
Zuleitung angebracht ist. Der zweite Anschluss 62 bezeichnet
die Stelle, an der die weitere Zuleitung für das zweite Signal, zum Beispiel
ein GSM-Signal, angebracht ist. Die jeweiligen Abstände c, d
dieser Anschlüsse
von dem nächstgelegenen
Rand der zweiten Leiterfläche 4 sind
ebenfalls eingezeichnet.
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Um die Längenabmessung bzw. Breitenabmessung
der Patch-Antenne zu erhalten, wird die berechnete halbe Wellenlänge in dem
Material der Trägerschicht
mit einer Korrektur für
das Substrat versehen, das in dem beschriebenen und getesteten Ausführungsbeispiel
ein 1,5 mm-FR4-Substrat ist. Da das Substrat vergleichsweise dünn ist,
besteht diese Korrektur darin, von dem jeweils nach c/(2f√ε
r) berechneten Wert die Dicke des Substrates
zu subtrahieren. Bei den Frequenzen f = 1575,42 MHz (GPS) und 1800
MHz (GSM) ist die relative Dielektrizitätszahl ungefähr 4,1.
Ein für
diese Frequenzen geeignetes Ausführungsbeispiel
besitzt eine Längenabmessung
a = 45,9 mm und eine Breitenabmessung b = 39,5 mm.
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Wenn für die Zuleitungen Koaxialkabel
einer Impedanz von 50 Ω verwendet
werden, befindet sich der erste Anschluss 61 für die Übertragung
der GPS-Signale vorzugsweise in einem Abstand c = 13,3 mm von dem
schmaleren Rand der Leiterfläche und
der zweite Anschluss 62 für die Übertragung der GSM-Signale
in einem Abstand d = 11 mm von dem längeren Rand der Leiterfläche.
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Durch die Anordnung zumindest des
ersten Anschlusses 61, der für das GPS-Signal vorgesehen ist,
auf der betreffenden Symmetrieachse der zweiten Leiterfläche 4 wird
erreicht, dass möglichst
wenig von dem abgestrahlten GSM-Signal in den ersten Anschluss 61 für das GPS-Signal überspricht.
Den zweiten Anschluss 62 auf die andere Symmetrieachse
zu legen, ist eine bevorzugte Ausgestaltung, wobei der erreichte
Vorteil geringer ist als im Fall einer entsprechenden Anordnung
des ersten Anschlusses 61.
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Die in der 3 eingezeichneten Abstände c, d
reduzieren sich mit steigender Impedanz der angeschlossenen Zuleitungen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
mit 50 Ω-Koaxialkabel
wird mit den angegebenen Abmessungen eine maximale Unterdrückung des
GSM-1800-Signals am GPS-Eingang erzielt. Es wird keine Leistung
in den jeweils anderen Anschluss absorbiert.
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Bei einem getesteten und durch Messungen erfassten
Ausführungsbeispiel
ergab sich, dass der nach der Substitutionsmethode in der Hauptpolarisationsrichtung
gemessene Antennengewinn im Zenit ca. 3 dBi beträgt, was herkömmlichen,
kommerziellen GPS-Antennen vergleichbar ist. Wegen des linear polarisierten
Empfanges im Unterschied zu dem herkömmlichen zirkular polarisierten
Empfang ist allerdings ein geringer Verlust von ca. 1,5 dB in der
Empfindlichkeit gegenüber
einem kommerziellen Antennendesign hinzunehmen.
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Ein Vorteil ergibt sich jedoch bei
der erfindungsgemäßen Antenne
dadurch, dass keine Filterung erforderlich ist, so dass auch keine
Filterverluste auftreten. Die Empfindlichkeit der Antenne dürfte daher
in etwa der Kombination zweier herkömmlicher Antennen unter Verwendung
eines SAW-Bauelementes entsprechen. Zudem sind Kosten und Platzbedarf
geringer.
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- 1
- Substrat
- 2
- erste
Leiterfläche
- 3
- Trägerschicht
- 4
- zweite
Leiterfläche
- 5
- Zuleitung
- 6
- Anschluss
- 7
- dielektrische
Schicht
- 8
- gedruckte
Zuleitung
- 61
- erster
Anschluss
- 62
- zweiter
Anschluss
- a
- Länge
- b
- Breite
- c
- Abstand
- d
- Abstand