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Stand der
Technik
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Bekannt
sind verschiedene planare Antennenanordnungen als Antennenstrahlelemente
mit einem oder mehreren leitfähigen
abstrahlfähigen
Flächen
(Singlepatch oder Patcharray) auf dielektrischen Substratmaterialien
(Patchantennen, Microstripantennen). Gespeist sind diese Patches
entweder direkt über
kontaktierte Leitungen, z.B. am Rand Mikrostreifenleitungen oder
durch das Substrat über Durchkontaktierungen
in die Patchfläche
oder innerhalb des mehrlagigen Substrates mit geeignetem Layout über Feldkopplung.
Zur Erzielung einer schmäleren
Antennenkeulencharakteristik gibt es den Einsatz zusätzlicher
Elemente wie „Superstrat" (planare dielektrische
Platte in bestimmtem Abstand zu den Patches) oder „Polyrod".
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Als
mechanischer Schutz gegen die Umwelt (Regen, Schnee, Dreck, Steinschlag,
...) sind die Antennen mit einem Radom abgedeckt. In speziellen Fällen ist
die Funktion des Superstrat in das Radom durch geeignete Geometrie
und Stoffauswahl integriert.
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Bekannt
sind auch die komplementären
Anordnungen, bei denen im Layout die Patches metallfrei sind und
die Umgebung leitfähig
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
den Maßnahmen
des Anspruchs 1, d.h. mit einem Antennenspeisesubstrat, mit Leiterstrukturen
für eine
Feldkopplung zu einem oder mehreren planaren Antennenstrahlelementen,
einem gegen das Antennenspeisesubstrat fixierbaren Aufnahmeteil
für das/die
planare/n Antennenstrahlelement/e, wobei das Aufnahmeteil selbst
oder ein mit ihm insbesondere formschlüssig verbindbares Gehäuseteil zur
HF-Schirmung des
Antennenspeisesubstrats vorgesehen ist und wobei das Aufnahmeteil
und/oder das Gehäuseteil
derart strukturiert ist/sind, das von dem/den planaren Antennenstrahlelement/en
aus in Abstrahlrichtung gesehen eine Wellenführung zustande kommt, lässt sich
eine Antennenanordnung erzielen, die aufwandsarm ist, eine günstige Entkopplung
gewährleistet,
Fertigungstoleranzen auffängt,
geringe Verluste und eine große
Bandbreite aufweist. Der Montageaufwand des Gesamtsystems in das
das Antennensystem integriert ist, lässt sich mit den Maßnahmen
der Erfindung minimieren.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen aufgezeigt.
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In
das Gehäuseteil
lassen sich auf einfache Weise Stege integrieren, die geeignet sind
HF-Kammern über dem
Antennenspeisesubstrat zu bilden. Dies dient zur gegenseitigen Entkopplung
der planaren Antennenstrahlelemente (Patches) bzw. deren Signalzuführung und
sonstiger HF-Schaltungen auf dem gleichen Substrat.
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Das/die
planare/n Antennenstrahlelemende kann können ein- oder beidseitig auf
einem dielektrischen Substrat aufgebracht sein. Somit entfällt eine Einzelmontage
der Antennenstrahlelemente. Das Substrat bzw. die einzelnen Antennenstrahlelemente lassen
sich vorteilhaft in Durchbrüchen
des Aufnahmeteils einbringen, so dass ein definierter Abstand zum
Antennenspeisesubstrat auch bei Fertigungstoleranzen gewährleistet
ist. Die Durchbrüche
lassen sich vorteilhaft auch zur Bildung von komplementären planaren
Antennenstrahlelementen (Schlitzstrahlern) benutzen. Die Feldkopplung
zwischen Antennenspeisesubstrat und den Strahlelementen lässt sich
optimieren, wenn der Abstand kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge gewählt wird,
vorzugsweise 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge. Wird
das Gehäuseteil
in Richtung des Antennenspeisesubstrats mit mindestens einer Ausnehmung
versehen, deren Grund vorzugsweise planar ausgebildet ist, lassen
sich die Antennenstrahlelemente bzw. das dielektrische Substrat
einfach montieren und fixieren. Wird der Übergang vom Grund/Ende der
Ausnehmung zur Außenseite
des Aufnahmeteils horn- oder trichterförmig ausgebildet, lässt sich
eine optimale Wellenführung
für die
Abstrahlung sowie eine optimale Wellenwiderstandstransformation
vom Abstrahlelement zum Freiraum erreichen.
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Ein
insbesondere metallisches Aufnahmeteil selbst oder ein Gehäuseteil
kann eine Abdeckung aus dielektrischem Material aufweisen, die so
geformt und dimensioniert ist, dass sie als Radom oder Superstrat
dienen kann. Diese äußere Abdeckung kann
im Bereich der Ausnehmungen Ansätze
aufweisen, die formschlüssig
in die Ausnehmungen eingreifen bzw. im Falle von komplementären planaren
Antennenstrahlelementen (Schlitzstrahler) letztere durchdringen.
Diese Maßnahme
führt zu
einem gegenüber
herkömmlichen
Patchantennen reduzierten Volumen, bzw. Baulänge, was insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen
im Bereich der Stoßstange
Vorteile bringt.
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Wenn
das Aufnahmeteil aus einem dielektrischen Material besteht, kann
es so geformt und dimensioniert sein, dass es selbst als Radom oder
Superstrat dienen kann.
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Das/die
planare/n Antennenstrahlelement/e kann können in das dielektrische Aufnahmeteil
eingelagert bzw. eingespritzt sein. Alternativ hierzu kann können das/die
planare/n Antennenstrahlelemende in ein dielektrisches Funktionsteil
eingelagert sein, welches formschlüssig in das Aufnahmeteil und/oder das
Gehäuseteil,
insbesondere in dessen Ausnehmung einsetzbar ist.
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Das
Aufnahmeteil kann mit Rastelementen zum Einbringen und Fixieren
der Antennenstrahlelemente ausgestattet sein. Dies erleichtert die
Montage und das Auswechseln von Antennenstrahlelementen.
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Über unterschiedliche
Anzahlen von Antennenstrahlelementen gegenüber zugehörigen Koppelschlitzen im Antennenspeisesubstrat
sowie unterschiedlichen Abständen
lassen sich gewünschte
Antennenkeulen einstellen, bzw. unerwünschte Nebenkeulen unterdrücken.
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Eine
Stack-Anordnung (Stapelung), d.h. Anbringen mehrerer Antennenstrahlelemente übereinander,
lässt sich
durch Einlagern in das dielektrische Funktionsteil oder das Radom
einfach realisieren.
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Durch
Neigung der Flächennormalen
mindestens zweier Antennenstrahlelemente bzw. inverser planarer
Antennenstrahlelemente gegeneinander lassen sich die Abstrahlkeulen
ebenfalls auf gewünschte
Antennenanwendungen optimieren.
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Es
können
auch normale planare Antennenstrahlelemente (metallische Plättchen)
mit inversen planaren Abstrahlelementen (Schlitzstrahlern) kombiniert
werden, wobei jeweils eine Art von planaren Antennenstrahlelementen
in einer anderen Struktur (Aufnahmeteil, Abdeckung) untergebracht
wird. Auch hier kann eine Variation der Anzahl und des Abstandes
vorgesehen sein.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch eine Antennenanordnung mit Patches in einem dielektrischen
Aufnahmeteil,
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2 einen
Schnitt durch eine Antennenanordnung mit Patches in einem dielektrischen
Funktionsteil,
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3 eine
Explosionszeichnung einer Antennenanordnung von oben,
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4 eine
Explosionszeichnung einer Antennenanordnung von unten,
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5 eine
Antennenanordnung mit in den Radom eingespritzten bzw. eingeklipsten
Patches,
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6 bis 9 eine Antennenanordnung mit
Patches in einem Substrat für
Außenmontage,
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10 bis 14 eine
Antennenanordnung mit Patches in einem Substrat für Innenmontage,
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15 bis 17 eine
Antennenanordnung mit inversen Patches,
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18 bis 19 eine
Antennenanordnung mit dielektrischer Füllung der inversen Patches,
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20 bis 22 eine
Antennenanordnung mit zusätzlichen
Stackpatches im Radom,
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23 bis 25 eine
Antennenanordnung mit mittig angeordneten Patches über Koppelschlitzen,
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26 bis 28 eine
Antennenanordnung mit unterschiedlichen Abständen zwischen Koppelschlitzen
einerseits und Patches andererseits,
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29 bis 31 eine
Antennenanordnung mit verschiedenen Abständen zwischen den Koppelschlitzen
und zwischen den Patches,
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32 bis 34 eine
Antennenanordnung mit bezüglich
der Symmetrieebenen geneigten Patches,
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35 bis 37 eine
Antennenanordnung mit gegeneinander geneigten inversen Patches und normalen
Patches im Radom.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Die
Erfindung geht aus von bekannten gegeneinander isolierten planaren
metallischen Antennenstrahlelementen (Patches), die in einem definierten
Abstand über
einem Antennenspeisesubstrat positioniert und feldgekoppelt gespeist
werden. Dabei kann der Zwischenraum entweder aus Luft bestehen, wobei
die Antennenstrahlelemente außerhalb
des Patchbereichs mechanisch gehalten werden oder aus einem Kunststoff
mit kleiner Dielektrizitätszahl (nahe 1),
der geschäumt
sein kann.
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1 zeigt
eine erste erfindungsgemäße Ausbildung
einer Antennenanordnung im Schnitt. Ein Antennenspeisesubstrat 1 ist
mit geeigneten Leiterstrukturen für eine Feldkopplung über Luft
zu einem oder mehreren planaren darüber angeordneten metallischen
Patches (Antennenstrahlelementen) 2 versehen. Die Patches 2 sind
in einem Aufnahmeteil 3 vorgesehen, welches aus Kunststoff
besteht. Der Abstand zwischen dem Speisesubstrat 1 und
einem Patch 2 wird kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge, vorzugsweise
0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge gewählt. Vorzugsweise werden die
Patches 2 gleich bei der Spritzgussherstellung des Kunststoffteils 3 unverlierbar
mit eingespritzt. Entweder so, dass die Metallplättchen komplett umspritzt werden,
oder auch so, dass sie nur partiell oben, unten oder am Rand vom
Kunststoff umgeben sind. Die Dicke der Blättchen haben mindestens eine
solche Dicke wie sie für
die Herstellung des Verbundes Kunststoff/Metall notwendig ist. Einfach
fertigbar ist auch die Stapelung von Patches vorzugsweise mit zwei übereinanderliegenden
Patches im Abstand bis ca. 1/10 der Wellenlänge des dazwischen liegenden Mediums.
Die gestapelten Patches können
dabei gleiche oder unterschiedliche Größen und Geometrien aufweisen.
In 1 ist ein Gehäuseteil 5 vorgesehen,
welches zwischen dem Antennenspeisesubstrat 1 und dem Aufnahmeteil 3 gelegen
ist. Im Bereich eines Patches 2 weist das Gehäuseteil 5 eine
Ausnehmung 6 auf, in die das Aufnahmeteil 3 mit
Patch 2 ragt. Das Ende der Ausnehmung 6 ist in
dieser Ausführungsvariante
offen – stellt
also einen Antennendurchbruch dar – um die Feldkopplung zwischen Patch 2 und
Antennenspeisesubstrat 1 zu erreichen. Der Übergang
der Ausnehmung 6 vom Ende zur Außenseite des Gehäuseteils 5 ist
horn- oder trichterförmig
ausgestaltet, um eine gezielte Wellenführung in Abstrahlrichtung und
gleichzeitig eine optimale Wellenwiderstandstransformation vom Patch 2 zum
Freiraum zu erreichen. Das Gehäuseteil 5 ist
leitfähig ausgebildet,
z.B. aus AL-Druck- oder metallisiertem Kunststoffspritzguss. Es
kann damit als eine HF-Schirmung für das darunter gelegene Antennenspeisesubstrat 1 dienen.
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Zur
besseren Entkopplung der Signalzuführung zu den einzelnen Patches 2 ist
das Gehäuseteil 5 mit
Stegen 7 versehen. Dadurch entstehen über den Leitungsstrukturen
des Antennenspeisesubstrats 1 HF-Kammern, die ein Signalübersprechen
zu einer Anordnung in einer Nachbarkammer verhindern. Unter dem
Antennenspeisesubstrat 1 befindet sich ein Gehäuseboden 8.
Aufnahmeteil 3 und Gehäuseboden 8 sind
formschlüssig
mit dem Gehäuseteil 5 beispielsweise
durch Schrauben, Klemmen, Kleben, etc. verbunden. Das Aufnahmeteil 3 weist eine
entsprechende Geometrie zur Aufnahme des Antennenspeisesubstrats
und des Aufnahmeteils 3 auf. Bei asymmetrischem Kunststoffpatchteil
kann die Ober- oder Unterseite dem Antennenspeisesubstrat 1 zugewandt
sein. Das Gehäuse
ist so gestaltet, dass der Abstand zwischen Antennenspeisesubstrat 1 und
Patch 2 über
den ganzen Umfang des Aufnahmeteils 3 definiert ist. Bei
entsprechend dichter Ausführung
kann das Kunststoffteil gleichzeitig die Funktion des Radoms mit übernehmen,
so dass ein zusätzlicher
Deckel entfällt.
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Alternativ
ist das leitende Gehäuseteil 5 nicht Aufnahme
des kompletten Antennenspeisesubstrats sondern ist seinerseits nur
partiell auf dem Antennenspeisesubstrat 1 positioniert
aufgebracht. In diesem Fall ist ein weiteres Teil als Gehäuse notwendig.
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Bei
der Ausgestaltung nach 2 sind die Patches in ein zusätzliches
Funktionsteil 4, z.B. aus Kunststoff, eingelagert/eingespritzt,
welches in das Gehäuseteil 5,
insbesondere in dessen trichter- oder hornförmige Ausnehmung 6 formschlüssig eingelegt ist.
Das Aufnahmeteil 3 überdeckt
dieses Funktionsteil 4 und bildet mit diesem eine Einheit.
Es kann gleichzeitig als Radom dienen. Vorzugsweise weist das Aufnahmeteil
eine Nut 8 auf, in die das Funktionsteil 4 einpressbar
oder einklebbar ist. 3 zeigt die beiden Alternativen
der 1 und 2 in einer perspektivischen
Ansicht von oben und 4 von unten, wobei links die
Alternative der 1 und rechts die Alternative
der 2 in einer gemeinsamen Einheit dargestellt ist.
Diese gemeinsame Einheit mit den beiden Alternativen ist z.B. dann
von Vorteil, wenn die eine Alternative als Sendeantenne und die
andere Alternative als Empfangsantenne dient. Dann können die
Alternativen z.B. genau auf gewünschte
unterschiedliche Antennencharakteristiken optimiert werden, z.B.
schmale Sendecharakteristik und breite Empfangscharakteristik oder
umgekehrt.
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5 zeigt
eine Alternative zur Einlagerung der Patches 2 in das Aufnahmeteil 3 auf.
Das Aufnahmeteil 3 weist an seiner Unterseite Rastelemente 19 auf,
zum Einbringen und Fixieren/Einklipsen der Antennenstrahlelemente
(Patches) 2. Diese Rastelemente 19 ragen mit den
Patches 2 durch die Antennendurchbrüche des Gehäuseteils 5 und sind
nach Fixierung des Antennenspeisesubstrats 1 und des Aufnahmeteils 3 am
Gehäuseteil 5 unverlierbar über dem
Antennenspeisesubstrat 1 positioniert.
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6a zeigt
in einer perspektivischen Aufsicht und 6b in
einer Untersicht ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Antennenstrahlelemente, hier drei Patches in einer Spalte,
auf einem dielektrischen Leiterplattensubstrat 9 auf einer
oder auf beiden Substratseiten aufgebracht sind. Sind Patches 2 auf
beiden Seiten aufgebracht, können
diese auch unterschiedliche Geometrien aufweisen (Patch-O und Patch-U).
Das Antennenspeisesubstrat 1 liegt wie zuvor im Abstand
von 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge zu den Patches 2.
Das Aufnahmeteil 3 für
das dielektrische Substrat 9 mit den Patches 2 ist wie
bei den vorherigen Ausführungsbeispielen
leitfähig,
z.B. aus AL-Druck- oder metallisiertem Kunststoffspritzguss.
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Das
Aufnahmeteil 3 dient hier selbst als Gehäuseteil,
wie dies bei anderen Ausführungsvarianten
auch der Fall sein kann, und ist topfförmig ausgebildet mit einer
oberen Deckelseite 10 und einem Gehäuserahmen 11. Das
Aufnahmeteil 3 weist im Bereich des Substrats 9 in
Richtung auf das Antennenspeisesubstrat 1 zu, eine Ausnehmung 6 auf,
wobei das Ende dieser Ausnehmung in einen Durchbruch für die Feldkopplung
des Antennenspeisesubstrats 1 mit dem Substrat 9 bzw.
dessen Patches 2 übergeht. Der Übergang
vom Ende/Grund der Ausnehmung 6 zur Deckelseite 10 hin
ist trichter- oder hornförmig
zur Wellenführung
in Strahlrichtung ausgebildet. Das Substrat 9 wird beim
Ausführungsbeispiel
von 6 von außen montiert, d.h. in die Ausnehmung 6 bis
zu ihrem planaren Grund eingebracht und dort fixiert, bevor dieser
in den Durchbruch übergeht.
Um HF-Kammern zur Schirmung des Antennenspeisesubstrats 1 zu
bilden, weist das Aufnahmeteil 3 Stege 7 auf,
die beispielsweise jeweils vom Gehäuserahmen 11 bis zu
der Ausnehmung 6 reichen. Die Patchseite des Substrats 9 ist
dem Antennenspeisesubstrat 1 definiert zu- oder abgewandt
eingesetzt, in 6 zugewandt. Bei entsprechend
dichter Ausführung
kann das Substrat 9 gleichzeitig die Funktion des Radoms
mit übernehmen,
so dass ein zusätzlicher
Deckel entfällt.
Alternativ ist das leitende Aufnahmeteil 3 nicht Aufnahme
des kompletten Antennenleitersubstrats 1, sondern ist seinerseits
nur partiell auf dem Antennenspeisesubstrat 1 positioniert aufgebracht.
In diesem Fall ist ein weiteres Teil als Gehäuse notwendig.
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Die 7, 8 und 9 zeigen
in einer Aufsicht und im Schnitt die Außenmontage detailliert. Das
Substrat 9 mit den Patches 2 liegt am Ende der Ausnehmung 6 auf
einem Wulst 12 auf, der es in definiertem Abstand zum Antennenspeisesubstrat 1 hält. Bei
der Innenmontage gemäß den 10 bis 14 wird
das Substrat 9 von unten gegen den Anschlag 13 des
Aufnahmeteils 3 im Bereich der Ausnehmung 6 fixiert,
damit es auch bei dieser Ausführungsform
einen definierten Abstand zum Antennenspeisesubstrat 1 aufweist.
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Nachfolgend
wird eine komplementäre
(inverse) planare Antennenstruktur beschrieben, die gegenüber komplementären Patchantennen
mit Luftabstand kein besonderes Teil mit den inversen Strukturen
benötigt,
da diese in ein schon vorhandenes Teil mit integriert sind. Dies
führt zu
einer Kostenreduzierung durch weniger Teile und geringerer Toleranzstreuung
(Extrateile die nicht vorhanden sind haben auch keine Toleranz).
Die Antennenanordnung mit komplementären Strukturen besteht gemäß 15 bis 17 aus
einem Antennenspeisesubstrat 1 mit geeigneten Leiterstrukturen
für Feldkopplung über Luft
zu einem oder mehreren komplementären Patches. Der Abstand der
Patches zu dem Antennenspeisesubstrat 1 ist kleiner als
ein Viertel der Betriebswellenlänge.
Praktische Werte sind 0,02 bis ca. 0,1 der Wellenlänge. Weiter
ist ein leitfähiges
Gehäuse/Aufnahmeteil 3 mit
entsprechender Geometrie zur Aufnahme des Antennenspeisesubstrats 1 vorgesehen.
Im Speisebereich über
dem Substrat 1 in der Fortsetzung des Strahlenganges sind
entsprechende Patchdurchbrüche 14 vorgesehen,
die als Schlitzstrahler wirken. Die Durchbrüche 14 weisen bekannte
Patchformen auf, wie die dargestellte Rechteckform. Unterhalb der
Patches kann bei Patcharrays jede Speisung wie zuvor realisiert über die
Stege 7 gekammert sein. Diese Kammergeometrie wird so gewählt, dass
sich für
die Antenne bei den Betriebsfrequenzen sehr gute Anpassungen ergeben.
Die Befestigung des Antennenspeisesubstrates 1 an das Gehäuse erfolgt
nach den zuvor geschilderten Methoden wie Schrauben, Kleben, Klemmen...
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Nachfolgend
werden Varianten und Erweiterungen beschrieben:
Die vorhandene
Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung aus einem geeigneten
dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder Keramik ist im Antennenbereich
so geformt und dimensioniert, dass Radom-Eigenschaften gewährleistet
sind. Vorzugsweise ist die spezielle Formgebung in das Gehäuse gerichtet.
Dadurch ergibt sich für
das Gerät
das kleinstmögliche
Volumen. Dies ist dadurch möglich,
da Kammern für
HF-Schaltungen örtlich
neben den Antennen eine gewissen Höhe benötigen, die dann im Antennenbereich
den Antennen selbst als nutzbares Volumen zur Verfügung steht.
Die vorhandene Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung aus einem
geeigneten dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder Keramik, ist
im Antennenbereich so geformt und dimensioniert, dass Radomeigenschaften
gewährleistet
sind. Vorzugsweise ist die spezielle Formgebung in das Gehäuse gerichtet. Dadurch
ergibt sich für
das Gerät
das kleinstmögliche Volumen.
Dies ist dadurch möglich,
da Kammern für HF-Schaltungen örtlich neben
den Antennen eine gewisse Höhe
benötigen,
die dann im Antennenbereich der Antennen selbst als nutzbares Volumen
zur Verfügung
steht. Die vorhandene Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung
aus einem geeigneten dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder
Keramik, ist im Antennenbereich so ins Geräteinnere, d.h. in die Ausnehmungen 6 geformt,
d.h. weist mindestens einen Ansatz 51 auf (18 und 19),
dass der Luftraum bis an die Patchaußenoberfläche reicht, bzw. sogar durch den
Patchdurchbruch hindurch ragt. Weiter verbesserte Antenneneigenschaften
sind mit geringem Mehraufwand zu erzielen. Gestackte (gestapelte) Patchantennen
können
in Kombination mit den oben angeführten inversen Patchanordnungen
und der zuvor beschriebenen Metallpatchbefestigung (Stackpatches 21 in
den Deckel 15 einspritzen bzw. einklipsen) leicht realisiert
werden (20 bis 22). Die Dimensionen
und Formen der gestapelten Patches können gleich oder unterschiedlich
sein.
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Die
Durchbrüche 6 im
Aufnahme/-Gehäuseteil 3 können im
weiteren Verlauf der Antennenachse wieder bekannte Trichter- oder
Hornantennenformen aufweisen. Alternativ ist das leitende Gehäuse nicht Aufnahme
des kompletten Leitersubstrates, sondern ist seinerseits nur partiell
auf dem Substrat positioniert aufgebracht. In diesem Fall ist ein
weiteres Teil als Gehäuse
notwendig.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante
ist eine Anordnung von N Schlitzstrukturen auf der Oberfläche der
Keramik, ersatzweise Leiterplatte oder Mehrschicht-Verbundmaterialien
vorzusehen, die ein Array von M Patches speisen, die an einem Deckelgehäuse befestigt
sind. Beispielsweise sind vier Patchmetallplättchen in konstanter Höhe mittig über den
vier Koppelschlitzen in LTCC-Substrat oder organischem Mehrlagensubstrat
angeordnet.
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Der
erste Vorteil liegt darin, dass ein enges Koppelnetzwerk auf einem
planaren Substrat erstellt werden kann, das eine Anordnung räumlich entfernter
Strukturen speist, die eine größere Apertur
besitzen.
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Durch
gezieltes Ausnutzen von einer ungeradzahligen Anordnung von Speiseelementen
mit einer größeren ungeradzahligen
Zahl von Patches lässt
sich die gewünschte
Richtcharakteristik mit einer breiteren Keule und einem Maximum
senkrecht zur Fläche
darstellen, wenn keine Phasenverschiebung zwischen den Elementströmen eingestellt
wird. Eine Anordnung mit geradzahliger Anzahl von Speiseelementen
und einer größeren geraden
Anzahl von Patches führt
auf eine noch breitere Keule, jedoch mit einem leichten Minimum
in senkrechter Richtung zu Oberfläche. Wählt man diesen Einzug zu maximal
3 dB lässt
sich der Öffnungswinkel
gegenüber
der letzten Lösung
bis zu 20% verbreitern.
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Gezielt
kann man durch die Anordnung von gerader/ungerader bzw. ungerader/gerader
Zahl von Speiseelementen/Patches die Nebenkeulenunterdrückung verbessern.
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Bislang
wurde immer ein konstanter Abstand der Patches und Koppelelemente
(Koppelschlitze) vorausgesetzt. Dieser lässt sich aber auch symmetrisch
zunehmend oder abnehmend, jeweils getrennt für Speiseelemente oder Patches
wählen.
Damit können
die Verkopplungsfaktoren feiner eingestellt werden und zusätzliche
Richtdiagrammeigenschaften wie verbesserte Nebenkeulenunterdrückung oder Strahlverbreiterung
durch kleine Einzüge
erzielt werden.
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Ebenfalls
lässt sich
eine vordefinierte Leistungsverteilung (Taperung) auf die Speiseelemente und
Patches durch Veränderung
der Koppelkoeffizienten erreichen.
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Wenn
mechanische Gründe
oder Fertigungsgründe
dafür sprechen,
können
Koppelnetzwerke dicht gepackt werden und dazu weniger Patches verwendet
werden (N>M); Beispiel
zu große Patches
im Radom durch klein strukturierte Schlitze gespeist.
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Die 23 bis 25 zeigen
eine Anordnung mit vier mittig angeordneten Patches über entsprechenden
Koppelschlitzen 22 auf dem Antennenspeisesubstrat 1.
Bei der Variante gemäß den 26 bis 28 werden über N Koppelschlitzen
22 M Patches 2 angeordnet, wobei gleiche Abstände zwischen
den Koppelschlitzen und andere oder gleiche Abstände bei den Patches 2 eingehalten
werden. Bei der dargestellten Variante sind N = 5 äquidistante Patches 2 im
Radom über
M = 4 äquidistanten
Koppelschlitzen 22 auf dem Antennenspeisesubstrat 1 dargestellt.
Mit erhöhter
Anzahl von Sendepatches 2 erhält man maßlich längere Antennen mit größerer Reichweite,
wie es sonst allein durch das Substratmaß nicht möglich ist, bzw. das Substratmaß kann kleiner
als üblich
gewählt
werden. Bei der Variante nach den 29 bis 31 werden
die Abstände, getrennt
für Koppelschlitze 22 und
Patches 2 gegenüber
der ersten Variante sich verändernd
symmetrisch nach außen
zunehmend oder abnehmend eingestellt. M und N sind natürliche Zahlen
mit vorzugsweise M>N.
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Bei
den bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen
wie z.B. vier Patches 2 jeweils in konstanter Höhe über den
Koppelschlitzen 22 des Antennenspeisesubstrats 1 (LTCC-Schaltung oder organisches
Mehrlagensubstrat) und Speisung mit gleicher Leistung und Phase
kann sich eine unnötig
hohe Nebenzipfelabstrahlung und ein nicht optimales Antennendiagramm
ergeben. Dieser Nachteil lässt
sich unterdrücken,
wenn mindestens zwei planare Antennenstrahlelemente 2 und/oder
inverse planare Antennenstrahlelemente bezüglich ihrer Flächennormalen
gegeneinander geneigt sind. Die 32 und 33 zeigen
eine diesbezügliche
Variante mit beispielsweise 3 komplementären (inversen)
Patches 2 (Schlitzstrahler), die nach innen geneigt sind.
Der Grund der Einwölbung 6 des
Aufnahmeteils 3 ist hierzu in drei zueinander geneigte
Flächen
aufgeteilt, in denen jeweils Schlitze vorgesehen sind. Durch die verschiedenen
Koppelkoeffizienten, bedingt durch unterschiedliche Höhen in Z-Richtung,
lässt sich
eine höhere
Nebenkeulenunterdrückung
erzeugen. Für eine
breite Keule können
dagegen die Patches 2 divergent nach außen geneigt werden. Eine Drehung der
Flächennormale
um die Y-Achse bewegt
eine Strahlschwenkung, weg von der Normalen. Die Drehung kann für die einzelnen
Patches 2 auch ungleich sein. Die obere Abdeckung 23 dient
als Radom und hat keine elektrische Funktion.
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Zur
Erhöhung
der Bandbreite und zum Ausnutzen einer größeren Apertur (höherer Antennengewinn)
ist es vorteilhaft dem Radom 23 eine elektrische Fokussierung
zu geben, ähnlich
bekannter dielektrischer Linsen. Die Wirkung wird noch verstärkt, wenn
zusätzlich
elektrische Strahlerstrukturen am Radom befestigt werden. Es kann
durch Einspritzen, Einpressen oder Galvanisieren geschehen.
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Werden
auf dem Radom mehr Patches wie Koppelschlitze angebracht, kann eine
klein zu bemessende Speiseschaltung eine viel größere Fläche ausleuchten (vgl. hierzu
die Ausführungsvarianten gemäß den 29 bis 31).
Die zusätzlichen Vorteile
wie zuvor geschildert, z.B. Ausnutzen einer ungeradzahligen Anordnung
von Speiseelementen mit einer größeren ungeradzahligen
Zahl von Patches sowie der Abstandsvariation in Z-Richtung, können ebenfalls
erreicht werden. Zusätzlich
können
zur Strahlablenkung die Patches noch um die Y-Achse gekippt werden.
Eine gezackte oder stufige Form des Radoms ist ebenfalls darstellbar.
Aus fertigungstechnischen Gründen
wird oft eine stetige Kontur gefordert. Ebenfalls kann eine Taperung
vorgesehen sein. Anordnungen wie ungleichmäßige Abstände der Koppelschlitze, ungleichmäßige Abstände der
Patches, Anordnung von mehreren Spalten mit in sich optimierten
Elementen auf stetigen oder gezackten Konturen, sowie N Speiseelemente
mit M Koppelschlitzen und der Tatsache einer gekippten Radom-Anordnung
lassen sich selbstverständlich
einzeln oder in Kombination von diesen ebenfalls im Sinne dieser
Erfindung darstellen.
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Nachfolgend
werden einige der zuvor aufgezeigten Varianten anhand von Zeichnungen
erläutert.
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Die 32, 33 und 34 zeigen
eine Anordnung mit inversen Patches 2, bei denen die Flächennormalen
nach innen gedreht sind. Selbstverständlich lassen sich auch nach
außen
gedrehte Anordnungen darstellen. Die Höhen können auch positive oder negative
Stufen enthalten. Zur Einstellung einer gewissen Vorzugsrichtung
können
die inversen Patches auch um die Y-Achse gedreht werden (34 links
oben). Die Darstellung geht von einer Spalte mit 3, 4 oder 5 Patches
aus, jedoch können auch
Patcharrays mit einer von 1 verschiedenen Anzahl von Spalten aufgebaut
werden, z.B. 6×4
Elemente mit einer stetigen innenliegenden gekrümmten Fläche. In Erweiterung zum Vorherigen
sind in den 35 bis 37 neben
den inversen Patches weitere normale Patches 2 im Radom-Material gehaltert. Dies
führt zu
einer breitbandigeren Antennenanordnung. Zudem ist die Anzahl der
Schlitze (inverse Patches) und normalen Patches verschieden.
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Wie
zuvor werden die M Patches nun durch N Koppelschlitze auf einer
ebenen HF-geeigneten Leiterplatte
aus z.B. organischem Material oder keramischem Stoff wie LTCC (Antennenspeisesubstrat 1) gespeist.
Die Z-Abstände
der Patches 2 nehmen symmetrisch nach außen zu.
Die Patches können auch
auf einer gezackten Berandungskurve sitzen und in X- und/oder Y-Richtung
verkippt sein. Selbstverständlich lässt sich
die Anordnung auch in mehreren, verschiedenen Spalten durchführen. Je
nach gewünschter
Strahlformung können
auch die z-Abstände
symmetrisch nach außen
abnehmen. Aus Fertigungsgründen
werden oft stetige Konturen bevorzugt.
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Einsatzmöglichkeiten
für die
zuvor vorgestellten Ausführungsbeispiele
ergeben sich vorzugsweise in der Kraftfahrzeugtechnik wie Radar-Abstandsmessung,
ACC (Automatic Cruise Control), Einparkhilfen, Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation, Reifendruckübertragung,
Motordatenübertragung. Ein
Einsatz in Elektrowerkzeugen, z.B. zur Detektion von Leitungen,
ist ebenfalls möglich.
Der Einsatz ist üblicherweise
auf Frequenzen oberhalb von 1 GHz beschränkt.