DE10346847B4

DE10346847B4 - Mikrowellenantenne

Info

Publication number: DE10346847B4
Application number: DE10346847.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Gottwald; Tore Toennesen; Dirk Steinbuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US20050104780A1; DE10346847A1; GB0422423D0; US7019707B2; GB2407915A; FR2861898B1; FR2861898A1; GB2407915B

Abstract

Mikrowellenantenne bestehend aus: – einem dielektrischen Träger (1) mit mindestens einem Streifenleiter (2), – einem über dem dielektrischen Träger (1) auf dessen Streifenleiterseite angeordneten metallischen oder metallisierten Deckel (3) in den mindestens ein insbesondere trichter- oder hornförmiger Hohlleiterstrahler (4) integriert ist, wobei der Grund bzw. das erregerseitige Ende des trichter- oder hornförmigen Hohlleiterstrahlers (4) über einem der Streifenleiter (2) angeordnet ist, – einem Transformationselement (5) über dem Streifenleiter (2) für den Übergang vom Streifenleiter (2) zur Öffnung des Hohlleiterstrahlers (4), – wobei das Transformationselement (5) seitlich neben dem Hohlleiterstrahler (4) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Mikrowellenantenne, die einen dielektrischen Träger mit mindestens einem Streifenleiter aufweist, wobei über dem Streifenleiter ein Hohlleiterstrahler angeordnet ist.
Aus der JP H08-125 432 A ist ein mehrschichtiger dielektrischer Träger mit Streifenleitern bekannt. Ein Hornstrahler ist über einem Schlitz im Träger an einen der Streifenleiter gekoppelt. Die Kopplung über den Schlitz erfordert eine aufwändige Bearbeitung des Streifenleiterträgers. Insbesondere müssen aufwändige und kostenintensive Fräsarbeiten durchgeführt werden, um Leiterplattenmaterial zu entfernen.
Aus JP H07-297 625 A ist eine Mikrowellenantenne bekannt, die einen Träger aufweist, auf dem ein Streifenleiter angeordnet ist. Über dem Streifenleiter ist ein Abschirmdeckel vorgesehen, der einen Hohlleiterstrahler aufweist. Der Hohlleiterstrahler ist über dem Streifenleiter angeordnet.
Aus JP H07-202 524 A ist ein Streifenleiter bekannt, der in einen Hohlleiter übergeht. Der Streifenleiter und der Hohlleiter gehen linear ineinander über. In einem Übergangsbereich ist ein Element vorgesehen.
Aus DE 44 41 073 C1 ist ein Übergang von einer Mikrostrip-Leitung auf einen Hohlleiter bekannt. Zur Anpassung der Impedanz ist der Hohlleiterraum gestuft ausgebildet. Aus DE 196 36 890 C1 ist ebenfalls ein Übergang von einem Hohlleiter auf eine Streifenleitung bekannt, wobei der Hohlleiter abgestuft ausgebildet ist.
Aus US 6,573,803 B1 ist ebenso eine Anordnung bekannt, bei der eine Streifenleitung an einen Hohlleiter angeschlossen ist, wobei der Raum des Hohlleiters angrenzend an den Streifenleiter abgestuft ist oder mit einer Rippe versehen ist.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d. h. einem dielektrischen Träger mit mindestens einem Streifenleiter, einem über den dielektrischen Träger auf dessen Streifenleiterseite angeordneten metallischen Deckel in den mindestens ein insbesondere trichter- oder hornförmiger Hohlleiterstrahler integriert ist, wobei der Grund bzw. das erregerseitige Ende des trichter- oder hornförmigen Hohlleiterstrahlers über einem der Streifenleiter angeordnet ist, einem Transformationselement über dem Streifenleiter und neben dem Hohlleiterstrahler für den Übergang vom Streifenleiter zur Öffnung des Hohlleiterstrahlers, lässt sich ein einfacher Aufbau realisieren, der keine aufwändigen Bearbeitungstechniken erfordert. Da der Grund bzw. das erregerseitige Ende des trichter- oder hornförmigen Hohlleiterstrahlers über einem Streifenleiter angeordnet ist, der insbesondere auf der Vorderseite des dielektrischen Trägers und damit unmittelbar dem Hohlleiterstrahler zugewandt ist, erübrigt sich ein sonst üblicher Koppelschlitz in der HF-Masseebene bei einer schlitzgekoppelten Patchantennen-Anordnung, die in Richtung der Rückseite des dielektrischen HF-Trägers abstrahlt. Der sowieso vorgesehene metallische Deckel für die Abschirmung der Antennenspeiseschaltung mit einer notwendigen Bauhöhe wird direkt als Hohlleiterstrahler benutzt. Es sind in diesen Deckel trichter- oder hornförmige Hohlleiterstrahler unter voller Nutzung von dessen Bauhöhe integriert. Da sich die Hohlleiteröffnung direkt über dem Streifenleiter befindet, ergibt sich ein Aufbau in dem die Streifenleitung in eine Art asymmetrische Triplate-Leitung übergeht, welche schließlich die Öffnung des Hohlleiters (Schlitz) an seinem Grund bzw. erregerseitigen Ende zum Schwingen anregt.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung lassen sich geforderte Bandbreiten von ca. 5 GHz realisieren. Weiterhin lassen sich über die geometrische Ausführung des Horns/Trichters verschiedene Öffnungswinkel in Azimut und Elevation erzielen.
Ein Array von Hornantennen bzw. Hornantennen-Aperturen liefert eine ähnliche Performance wie eine schlitzgekoppelte Patchantennen-Anordnung, die in Richtung der Rückseite der HF-Leiterplatte abstrahlt.
Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
2 eine Patchantennen-Anordnung mit metallischem Gehäuse,
3 eine erfindungsgemäße Antennenanordnung mit Hohlleiterstrahler,
4 ein Antennenarray mit mehreren in den Deckel integrierten Hohlleiterstrahlern,
5 eine Homantenne deren Deckel als SMD-Baustein ausgebildet ist im Querschnitt,
6 eine Homantenne deren Deckel als SMD-Baustein ausgebildet ist im Längsschnitt,
7 ein Antennenarray mit jeweils einer Hornantenne in einem SMD-Baustein,
8 ein Antennenarray mit mehreren Hornantennen in einem SMD-Baustein,
9 eine einzeln bestückbare Patch-Antennenanordnung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor die eigentliche Erfindung beschrieben wird, werden bisherige Lösungen vorgestellt, an denen die Erfindung anknüpft und deren Mängel überwindet. Stand der Technik betrifft eine schlitzgekoppelte Patchanennen-Anordnung. Ein quadratisches Patchelement 31 befindet sich unter einem Schutzdeckel 32 aus Polyamid. Auf seiner Rückseite befindet sich eine Polyesterfolie 33. Der darunter befindliche HF-Träger 34 trägt an seiner Unterseite eine Signalleitung in Form eines Streifenleiters 35. Auf der Oberseite des HF-Trägers befindet sich ein senkrecht zur Signalleitung 35 angeordneter Koppelschlitz 36, der in den Massebelag 37 eingefräst oder eingeätzt ist. Unter dem HF-Träger 34 befindet sich die Gehäuserückwand 38. Der Abstand zwischen Koppelschlitz 36 und Patchelement 31 – Luft – ist geringer als ¼ der Betriebswellenlänge, z. B. 0,9 mm. Der Koppelschlitz 36 regt das Patchelement 31 zum Schwingen an. In Zusammenhang mit diesem Konstruktionsprinzip müssen aufwändige und kostenintensive Fräsarbeiten durchgeführt werden, um das Leiterplattenmaterial zu entfernen. Die Fräsarbeiten lassen sich vermeiden, wenn das Radarsignal von der Vorderseite der Leiterplatte (Seite mit den HF-Bauelementen) abgestrahlt wird. Nachteil beim Einsatz von Patchantennen ist die dann fehlende Bandbreite. Weiterhin stört das metallische Gehäuse/Deckel 3 (2) zur Abschirmung der HF-Schaltung. Das Patch 31 hat einen Abstand zur Leiterplattenoberfläche 1 mit Streifenleiter 2 von ca. 0,8 bis 1 mm und der Abschirmdeckel 3 ist 6 mm hoch (2). Das Antennendiagramm wird, wie 2 bezüglich der Feldlinien zeigt, verbogen und der geforderte große Öffnungswinkel in Azimut von z. B. 90° lässt sich nicht realisieren.
Bei der in 3 im Schnitt dargestellten erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne ist anstelle des Patches ein trichter- oder hornförmiger Hohlleiterstrahler 4 vorgesehen, der in den metallischen oder metallisierten Deckel 3 integriert ist. Der Grund bzw. das erregerseitige Ende des Hohlleiterstrahlers 4 ist unmittelbar über dem Streifenleiter 2 und nur durch einen Luftspalt getrennt angeordnet, d. h. der Streifenleiter 2 befindet sich im Gegensatz zum Patch auf der dem Hohlleiterstrahler 4 zugewandten Seite des dielektrischen Trägers 1. Für den Hohlleiterstrahler 4 bzw. dessen horn- oder trichterförmige Öffnung im Deckel 3 wurde die gesamte Bauhöhe des Deckels 3 von 6 mm ausgenutzt. Der Hohlleiterstrahler 4 weitet sich in Strahlungsrichtung auf. Seitlich neben dem Hohlleiterstrahler 4 ist ein insbesondere dielektrisches Transformationselement 5 vorgesehen, begrenzt bezüglich seiner stirnseitigen Endflächen durch die Außenwand des Hohlleiterstrahlers 4 und die Deckelinnenwand des Deckels 3 für den Übergang des Streifenleiters 2 zur Öffnung des Hohlleiterstrahlers 4, die wie ein Schlitz wirkt. Durch das Transformationselement 5, dessen Unterseite 6 fluchtend über dem Streifenleiter 2 angeordnet ist und dessen Dicke an die Breite des Streifenleiters 2 angepasst ist, wobei der Abstand der Unterseite 6 zum Streifenleiter 2 in Richtung der Öffnung des Hohlleiterstrahlers 4 von der Deckelhöhe aus stetig abnimmt, d. h. das Transformationselement ist kreissegmentförmig, werden die Feldlinien vom Streifenleiter 2 ausgehend in die Öffnung des Hohlleiterstrahlers 4 hereingezogen und bilden zur Mittelachse des Hohlleiterstrahlers 4 gesehen symmetrische Kreisbögen. Das Antennendiagramm ist dadurch im Gegensatz zur 2 symmetrisch und der maximale Öffnungswinkel in Azimut von 90° ist nutzbar. Wie die 4 zeigt, ist der Grund bzw. die erregerseitige Öffnung des Hohlleiterstrahlers 4 rechteckförmig und damit auch sein Querschnitt, wobei die längere Rechteckseite senkrecht über der Streifenleiterlängsausdehnung angeordnet ist. Der Streifenleiter 2 liegt hierbei genau unter der Symmetrieachse des Rechtecks für die längere Rechteckseite.
Durch andere geometrische Ausführungen des Trichters oder Horns lassen sich verschiedene Öffnungswinkel in Azimut in Elevation erzielen.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau geht die Mikrostreifenleitung 2 in eine Art asymmetrische Triplate-Leitung über, welche schließlich die untere Öffnung (Schlitz) des Hohlleiterstrahlers 4 bzw. der Hornantenne zum Schwingen anregt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist ein Array von vier Hohlleiterstrahlern 4 im gleichen Deckel 3 dargestellt. Diese Hohlleiterstrahler 4 können in diesem Array zeilen- und/oder spaltenförmig angeordnet sein. Für Anwendungen beim KFZ-Radar ist dieses Array vorzugsweise spaltenförmig angeordnet, um den vertikalen Öffnungswinkel auf 30° zu begrenzen, d. h. es wird nicht unnötige Energie insbesondere oberhalb der zu erwartenden Höhe von Hindernissen abgestrahlt. Für den Azimut wird der ursprüngliche Öffnungswinkel von 90° beibehalten, um insbesondere benachbarte Fahrspuren und tote Winkel zu erfassen. Es ist natürlich auch möglich jeden Hornstrahler in einem separaten Deckel unterzubringen. Jeweils zwischen Hohlleiterstrahleraußenwand 4 und Deckelinnenseite ist ein Transformationselement 5 vorgesehen.
Die Hohlleiterstrahler 4 können als Sende- und als Empfangsantenne dienen. Es können auch Arrays mit unterschiedlicher Anzahl von Einzelelementen für Sende- und Empfangsrichtung vorgesehen sein, um gezielte Antennencharakteristiken für spezielle Anwendungsfunktionen wie z. B. Stop and Go, Precrash, Tote-Winkel-Detektion, Park-Assistent, Rückfahrhilfe, Keyless Entry, usw. zu erzielen.
Das Transformationselement 5 kann als Finleitung ausgebildet sein oder als Stufentransformator mit Leitungsstücken der Länge λ / 4 .
Neben den Hohlleiterstrahlern 4 können in den Deckel 3 Strukturen 7 insbesondere Stege integriert sein, um Schirmkammern über jedem einzelnen Hohlleiterstrahler 4 insbesondere einem Array zu bilden. Sowohl die Hohlleiterstrahler wie auch die Strukturen 7 können bei der Deckelherstellung, z. B. in Fließpresstechnik, in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
Bei der Ausgestaltung nach den 5 bis 8 sind der oder die Hohlleiterstrahler 4 jeweils getrennt in einem Deckel 3 oder zusammen in einem Deckel 30 untergebracht, welcher als SMD-Baustein ausgebildet ist. Ein solcher Deckel 3 bzw. 30 ist über Klebe-Lötpad und -pfosten direkt mit dem HF-Substrat (dielektrischer Träger) 1 bzw. dessen Leiterbahnen verbindbar. Die Deckel 3 bzw. 30 sind metallisch oder bestehen aus teilmetallisiertem Kunststoff und sind so geformt, dass sie über Klebe- und/oder Steckmontage auf das HF-Substrat gebracht werden können. Vorteil der teilmetallisierten Kunststoff-Antennen sind die nahezu beliebigen Formen, die dargestellt werden können, um den Übergang von der Mikrostreifenleitung auf die Antennenstrahler zu gewährleisten und die Kombination aus Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten. Neben Horn- oder Trichterantennen können auch andere Strahlerformen in den als SMD-Baustein ausgestalteten Deckel 3, 30 integriert sein, z. B. Notch- oder Vivaldi- oder Patchantennen. Die Notch-Antenne stellt eine Sonderform der Hornantenne dar, bei der der vertikale Öffnungswinkel der Verkleinerung der Breite des Horns deutlich erhöht werden kann. Die Patch-Antenne kann gemäß 9 insbesondere als schlitzgekoppelte Antenne ausgebildet sein, wobei die Bestückungsseite hier das HF-Substrat 1 ist. Der Streifenleiter 2 befindet sich auf der Unterseite als leerlaufende Leitung (Stub). Ein Koppelschlitz 52 ist in der Massefläche auf der Oberseite des HF-Substrats 1 vorgesehen. Kostentreibende Ausfräsungen auf dem Trägersubstrat können vermieden werden. Zwischen dem Patch 52 im Patchträger 54 ist ein Rahmen 55 als Schlitz-Patch vorgesehen, der als Abstandshalter zwischen Patchträger 54 und HF-Substrat dient.

Claims

Mikrowellenantenne bestehend aus: – einem dielektrischen Träger (1) mit mindestens einem Streifenleiter (2), – einem über dem dielektrischen Träger (1) auf dessen Streifenleiterseite angeordneten metallischen oder metallisierten Deckel (3) in den mindestens ein insbesondere trichter- oder hornförmiger Hohlleiterstrahler (4) integriert ist, wobei der Grund bzw. das erregerseitige Ende des trichter- oder hornförmigen Hohlleiterstrahlers (4) über einem der Streifenleiter (2) angeordnet ist, – einem Transformationselement (5) über dem Streifenleiter (2) für den Übergang vom Streifenleiter (2) zur Öffnung des Hohlleiterstrahlers (4), – wobei das Transformationselement (5) seitlich neben dem Hohlleiterstrahler (4) angeordnet ist.
Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationselement (5) aus einem insbesondere dielektrischen Körper besteht, dessen Unterseite (6) über dem Streifenleiter (2) angeordnet ist, wobei der Abstand der Unterseite (6) des Körpers zum Streifenleiter (2) in Richtung der Öffnung des Hohlleiterstrahlers (4) abnimmt.
Mikrowellenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationselement (5) kreissegmentförmig oder stufenförmig ausgebildet ist und seine Dicke an die Breite des Streifenleiters (2) angepasst ist.
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationselement (5) mit einer stirnseitigen Endfläche an die Außenwand des Hohlleiterstrahlers (4) grenzt und mit einer weiteren stirnseitigen Endfläche an die Deckelinnenwand des Deckels (3).
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiterstrahler (4) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die längere Rechteckseite senkrecht über der Streifenleiterlängsausdehnung angeordnet ist.
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlleiterstrahler (4) als Array zeilen- und/oder spaltenförmig im Deckel (3) angeordnet sind.
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Hohlleiterstrahler (4) ein separater Deckel (3, 30) vorgesehen, welcher als SMD-Baustein ausgebildet ist, zum Auflöten und/oder Aufkleben auf den dielektrischen Träger (1).
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array mit mehreren Hohlleiterstrahlern (4) im Deckel als SMD-Baustein (32) ausgebildet ist zum Auflöten und/oder Aufkleben auf den dielektrischen Träger (1).
Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) innenseitig Strukturen (7) zur Bildung von Schirmkammern aufweist.