DE19603803A1 - Quad-Antenne, gefertigt auf einem isolierenden Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quad-Antenne, die vorzugsweise ab einer Frequenz von f 600 MHz (λ 50 cm) betrieben wird und für portablen Einsatz, als auch am Feststandort verwendet werden kann.

Quad-Antennen sind seit 1942 im Kurzwellenbereich bekannt, hinreichend erprobt und modifi­ ziert worden (Orr, William; "Cubical Quad Antennas" Radio Amateur Callbook Third Edi­ tion 1993). Im UKW-Frequenzbereich erlangen Quad-Antennen und gestockte Quad-Anten­ nen, sogenannte Doppelquads oder Hybrid-Quads, einen sehr hohen Bekanntheitsgrad (Weiner, Karl; "UHF-Unterlage" Band 1/2 Fachbuchverlag Weiner).

Alle bislang bekannten Quad-Bauformen haben die Gemeinsamkeit, daß sie aus Draht oder Litze gefertigt werden. Bekannte Modifikationen sind z. B.: Montage der Quad vor einem Re­ flektor und / oder Hinzufügen von strahlungsgekoppelten Elementen als Direktoren, sowie mehrfaches Überkreuzen des Drahtes zur Ausformung mehrerer Quadflächen.

Nachteile der Bauform aus Draht sind zum einem, daß bei großen Quad-Antennen der Draht oder die Litze nur mit viel Aufwand in Position gehalten werden kann (DE 24 39 708 C2), zum anderen ist das Zuschneiden und Biegen der Drähte schwierig, da bei großen Wellenlängen entsprechender Raum zur Verfügung stehen muß und bei kleinen Wellenlängen die engen Maßtoleranzen schwer eingehalten werden können.

Weiterer Nachteil einer Quad-Antenne aus Draht ist, daß durch das Überkreuzen des Drahtes zur Ausformung mehrerer Quadflächen, beispielsweise bei der Doppelacht (Weiner, Karl "UHF-Unterlage" Band 4 Fachbuchverlag Weiner) eine Verdrehung der Quadflächen entsteht und die Antenne besitzt kein optimales Richtdiagramm mehr. Zudem eignen sich bisherige Quad-Antennen nur bedingt zum Portabeleinsatz. Beim eventuellen Transport ist darauf zu achten, daß sich die Drahtstrukur nicht verbiegt, denn ein Ändern der Geometrie des Drahtes verschlechtert sowohl die Anpassung, als auch das Richtdiagramm erheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Quad-Antenne zu schaffen, die folgende Verbesserungen zu den bereits bekannten Quad-Antennen aufweist:

• - exellentes, von Einzügen und Nullstellen freies, Richtdiagramm in der E- und H-Ebene
• - höherer Antennengewinn gegenüber den bekannten Quad-Antennen aus Draht
• - geringstmögliche Verluste
• - gute Anpassung an 50 Ohm
• - leichte, robuste Antenne, die sich sowohl für Portabeleinsatz- als auch zur Festmontage eig­ net
• - einfache und präzise Herstellung der Antenne

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterentwicklungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Mit der Erschließung der Gigahertzfrequenzbänder werden zunehmend Antennen auf Leiter­ plattenmaterial gefertigt (z. B. Streifenleitungs- oder Patch-Antennen, Fig. 12 und 13) Patch-Antennen liegen meist in einer Ebene und sind über das verwendete Basismaterial bie­ gesteif. Der Nachteil von Patch-Antennen ist, daß das Richtdiagramm viele Einzüge und Null­ stellen in Hauptstrahlungsrichtnng aufweist. Ein Ausrichten nach einem Empfangspegelmaxi­ mum ist schwierig, weshalb Patch-Antennen dann verwendet werden, wenn breitstrahlende Diagramme gewünscht sind und eine starke Auffächerung des Richtdiagramms unbedeutend ist.

Die Herstellung von solchen Antennen ist recht einfach, da sie mit Hilfe von photolithographi­ schen Mitteln und ätztechnischen Verfahren sehr genau und in hoher Stückzahl erzeugt werden können. Nähere Ausführungen zu den Herstellungsmethoden sind in Druckschrift EP 0 325 702 AI ausgeführt.

Yagi-Antennen sind in allen elektrischen Details bekannt und können hinreichend genau am privaten Personal-Computer simuliert werden. Daher sind Yagi-Antennen in allen Bereichen sehr beliebt und oft verwendet.

Im Amateurfunkbereich werden fast ausschließlich kurze Yagi-Antennen für portable Amateur­ funkstationen eingesetzt, wie die Druckschrift Rothammel, Karl; "Antennenbuch" Franckh- Kosmos Verlag Stuttgart; 11. Auflage 1995 und andere eindrucksvoll zeigen. Trotz ihrer gu­ ten Handhabbarkeit weisen diese Antennen einige Mängel auf ein Nachteil der Yagi-Antenne ist, daß der Längenzuschnitt der strahlungsgekoppelten Elemente (Direktoren) sehr präzise ge­ schehen muß, wie auch das Positionieren der Direktoren vor dem Dipol. Eine weitere Schwachstelle ist die Notwendigkeit des exakten Einhaltens der Elementstrukturen, d. h. ein Verbiegen eines Direktors kann zur Fehlanpassung der Antenne und / oder zur Ausbildung von Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm führen.

Das Richtdiagramm der Yagi-Antenne verschmählert sich mit Zunahme der Direktorenanzahl sowohl in E-Ebene, als auch in H-Ebene gleichermaßen. Dieser Effekt hat den Nachteil, daß die Positionierungszeit für das Ausrichten der Yagi-Antenne auf ein Empfangsfeldstärkemaxi­ mum erheblich wird.

Kern der Erfindung ist das Ersetzten der Quad-Drahtstruktur durch ein leitendes Substrat (Leiterbahn) auf einem isolierenden Material (Basismaterial). Das Ziel dieser Maßnahme ist, die Quadstruktur in eine Ebene zu lege und dabei die mechanischen sowie elektrischen Eigen­ schaften des verwendeten Basismaterials auszunutzen. Als isolierendes Material kann jedes be­ liebige Material zum Einsatz kommen, das den gewünschten Anforderungen entspricht, bei­ spielsweise Kunststoff- oder keramisches Material, sowie Verbundmaterialien.

Die Dielektrizitätszahl des verwendeten isolierenden Materials verkürzt die Leiterstruktur. Dies hat zur Folge, daß sich die Antennenmaße verkleinern und somit eine Material- und Gewichts­ ersparnis den Einsatz im portablen Betrieb begunstigt.

Abweichend von Patch-Antennen mit geschlossener, leitender Rechtecksfläche wird in dieser Erfindung ein Leiterzug so ausgeformt, daß der Leiter eine Quadstruktur annimmt. Das von Nullstellen und Einzügen freie Richtdiagramm von Quad-Antennen wird damit beibehalten. Das Richtdiagramm von Doppelacht-Quad-Antennen kann somit auch verbessert werden. Als leitendes Substrat kann jedes elektrisch leitende Material verwendet werden.

Die Erfindung erlaubt, durch Verändern der Substratdicke und Substratbreite, die Bandbreite der Antenne zu beeinflussen. Je größer die Leiteroberfläche, desto breitbandiger wird die An­ tenne.

Ferner gestattet die Erfindung, eine beliebige Stockungszahl mit den Quadgrundelementen (Fig. 7 bzw. 8) durchzuführen, ohne die bei Zusammenschaltung von Einzelantennen notwendi­ gen Leistungsteiler und Widerstandstransformatoren einzusetzen. Mit Hilfe der Stockungszahl, der Verwendung eines Reflektors und /oder strahlungsgekoppelter Elemente, kann das gewün­ schte Antennendiagramm sowie der gewünschte Gewinn realisiert werden.

Die Herstellung der erfundenen Quad-Antenne auf einem isolierenden Material kann wie bei der Fertigung von Antennen auf Dielektrika z. B. Patch- oder Streifenleitungsantennen erfolgen und erlaubt somit eine hohe Produktivität.

Die Handhabbarkeit der erfundenen Antenne ist durch die steifen Materialien verbessert und kann über die Wahl der Materialien als leichte Portabelantenne, als auch zur Festmontage ein­ gesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 die Erfindung in der Vorderansicht und Seitenansicht von links.

Fig. 2-6 verdeutlichen die Funktionsweise der Erfindung und

Fig. 7-11 bekannte Quadbauformen aus Draht, sowie

Fig. 12 bzw. 13 jeweils eine typische Patch-Antenne im Stand der Technik.

Zur Beschreibung der Erfindung (Fig. 1) soll exemplarisch eine aus Kupfer-Substrat 2 be­ stehende Quad-Antenne auf einem isolierenden Material 1 aus glasfaserverstärktem Epoxyd­ harz dienen, die aus acht übereinanderliegenden Quadelementen besteht, d. h. dreifach vertikal gestockt ist und horizontale Polarisation aufweist. Diese Antenne ist vor einem Reflektor 11 montiert und besitzt keine Direktoren.

Der Einspeisepunkt 3 liegt bei der Anke in der Mitte der Quad-Struktur.

Speziell bei der Herstellung des Exemplars wird die erste Leiterbahn auf der Oberseite des Ba­ sismaterials und die zweite Leiterbahn auf die gegenüberliegende Materialseite gefertigt. Das hat den Vorteil, daß an den Kreuzungspunkten 5 die beiden Leiterbahnen durch das Basisma­ terial elektrisch isoliert sind.

Die Enden der beiden Leitungen sind elektrisch mit einer Durchkontaktierung 7 als Kurzschluß 6 verbunden. Die Einspeisung erfolgt elektrisch unsymmetrisch, wobei der Speisekabelinnenlei­ ter 13 an den vorderen Leiterzug, der Mantel des Speisekabels 14 an den hinteren Leiterzug elektrisch und mechanisch durch Lötstellen 12 fest verbunden ist. Die unsymmetrische Einspei­ sung mit einem Festmantel-Koaxkabel an die symmetrische Quad-Antenne erfordert, entste­ hende Mantelwellen zu reduzieren. Dies kann mit Hilfe eines Symmetriergliedes oder durch Kontaktieren 12 des Kabelaußenleiters 14 mit dem Reflektor 11 geschehen. Auf dem Lei­ tungsstück zwischen Quad und Reflektor fließen Ausgleichsströme, diese werden aber am Re­ flektor auf eine große Massefläche abgeleitet.

Die Wahl der einzelnen Materialien für das Fertigen der Quad-Struktur und des Reflektors bestimmen die elektrischen Eigenschaften, das Gewicht, die Handhabbarkeit und die Kosten der Antenne.

Bei der Herstellung einer solchen Anordnung auf Leiterplattenmaterial ergeben sich z. B. für eine Resonanzfrequenz von 2,3 GHz folgende Werte:

Öffnungswinkel E-Ebene: 52°
Öffnungswinkel H-Ebene: 11°
gemessener Gewinn: ≈ 16 dB über Dipol
errechneter Gewinn über Kraus-Formel (Meinke, (Grundlach "Taschenbuch der Hochfre­ quenztechnik" Springer Verlag 4. Auflage 1986) ergibt 17,0 dB über Dipol.
Impedanz: 50 Ohm
Stehwellenverhältnis SWR: besser 1 : 1, 1
Außen-Maße (BxHxT): 150 × 400 × 30 mm
Gesamtgewicht: etwa 400 g.

Die Wirkungsweise der erfundenen Antenne kann anhand des Ausführungsbeispiels wie folgt erklärt werden:
Ausgehend von einer Bandleitung (Fig. 2) mit einer Länge von 4*λ, die nach 2*λ gespeist und an beiden Enden kurzgeschlossen (6) ist, bildet sich ein typisches Interferenzmuster aus hinlau­ fender Welle und total reflektierter rücklaufender Welle aus. Die Summe aller Spannungs- bzw. Stromwerte ergibt Null, das heißt, die Bandleitung verliert keine Energie in den Raum, nur die Kabeldämpfung reduziert die Energie. Eine Antenne soll aber Energie in den Raum abgeben, daher müssen alle Spannungsbäuche (8), bei gewünschter horizontaler Polarisation der Anten­ ne, in gleiche Richtung weisen, indem man an den Spannungsnullpunkten (9) die Bandleitung kreuzt (Fig. 3). Durch Auseinanderziehen der gekreuzten Bandleitung an den Spannungsmaxi­ mas (8) erhält man die typische Form einer Quadstruktur (Fig. 4).

Elektrisch gesehen werden mehrere Effekte ausgenutzt, um an diesen Stellen eine Wellenablö­ sung in den Raum zu begünstigen.

Zum einem bildet sich an den aufgeweiteten Leitungspunkten ein größeres elektrisches Feld aus, welches nicht nur das zwischenliegende Dielektrikum durchdringt, sondern auch den um­ liegenden Raum. Gleichzeitig fließt Strom und es entsteht ein magnetisches Feld um die Leiter mit einer Verstärkung, da die beiden Magnetfelder in gleiche Richtung wirken. Das elektrische Feld und das magnetische Feld stehen vektoriell senkrecht zueinander (Fig. 6).

Ein weiterer Effekt durch Auseinanderziehen der gekreuzten Bandleitung ist die kontinuierliche Transformation. Der Wellenwiderstand einer Bandleitung steigt mit zunehmendem Abstand. (Zinke, Brunswick; "Hochfrequenztechnik" Band 1; Springer Verlag 5. Auflage 1995) Dies bedeutet jedoch, daß sich die Spannung an den weitest auseinander gezogenen Punkten der Leiterstruktur erhöht. Die Folge ist ein verstärktes elektrisches Feld zwischen den Leitern, im Dielektrikum und im Raum.

Als dritten Effekt begünstigen die Störstellen die Energieabgabe in den Raum. Nach der Lei­ tungstheorie, neigt eine Bandleitung an Stör- und Knickstellen Energie in den Raum abzuge­ ben. Die Bindung der Welle an die Bandleitung fällt zudem mit steigender Frequenz (Meinke, Grundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" Springer Verlag 4. Auflage 1986). Die scharfen Knicke in der Leiterstruktur begünstigen die Wellenablösung.

Aus dem Zusammenspiel der Effekte tritt an den aufgeweiteten Stellen der gekreuzten Bandlei­ tung eine Wellenablösung bzw. eine Strahlungsdämpfung ein. Die bleibende Restenergie läuft als TEM-Welle weiter, bis sie wieder zu einem auseinandergezogen Leiterstück gelangt. Hier treten die gleichen Effekte auf. Am kurzgeschlossenen Punkt wird die Welle total reflektiert und durchläuft die Prozedur erneut in umgekehrter Richtung, sofern nicht bereits ihre gesamte Energie durch Strahlungs- und Leitungsdämpfung umgewandelt wurde.

Somit können folgende Sachverhalte erklärt werden:
Der Antennengewinn der Erfindung steigt mit der Frequenz bei gleicher Quadelementzahl und gleicher Verlustleistung durch begünstigte Wellenablösung an den künstlich erzeugten Störstel­ len, ferner ist aus diesem Grund der Gewinn gegenüber den aus Draht gebogenen Quad-An­ tennen höher, da die Leiterbahnen viel scharfkantiger und geradliniger hergestellt werden kön­ nen.

Der Gesamtgewinn steigt mit zunehmender Anzahl von Quadelementen, jedoch nicht propor­ tional. Ein Quasi-Optimum des Gewinns liegt bei 8 bis 10 Quadelementen aufgrund der Strah­ lungs- und Leitungsdämpfung und Streuverlusten.

Als Ersatzmodell kann ein Dipol (10) für eine Quadfläche (4) angesehen werden (Fig. 5). Die Stockung der Dipole zu einer Zeile ergibt nahezu gleichen Gewinn und das annähernd gleiche Antennendiagramm.

Durch Verwendung eines Reflektors (11) und/oder strahlungsgekoppelten Elementen kann die Richtwirkung gesteigert werden. Große Reflektoren begünstigen die Rückkeulendämpfung der Antenne.

Speziell am Einspeisepunkt ergibt sich eine interne Transformation aus entstehenden und re­ flektieren Streufeldern, so daß sich durch Verändern des Abstandes zwischen Quad-Erreger und Reflektor der Fußpunktwiderstand in weiten Bereichen einstellen läßt, standardmäßig 50 Ω reell.

Die Quad-Antenne ist eine symmetrische Antenne. Es kann eine Symmetrierung am koaxialge­ speisten Anschluß notwendig sein, wenn man einen Diagrammverzug der Hauptstrahlungsrich­ tung von 1-5° vermeiden will. Eine Symmetrierung bei hohen Frequenzen kann jedoch unvor­ teilhaft sein, da die Symmetrierungsleitungen gegebenenfalls mehr Dämpfung hervorrufen als die geringe Unsymmetrie der Richtcharackteristik der Antenne.

Da es sich bei der Quad-Antenne um eine modifizierte Bandleitung handelt, können die Effekte der kurzgeschlossenen Leitung, als auch die Effekte der offenen Bandleitung ausgenutzt wer­ den. Die Folge ist, daß nicht nur ganze, geschlossene Quadflächen (4) an den Leitungsenden gefertigt werden müssen, sondern es können auch halbe Quadflächen an den Leitungsenden be­ nutzt werden. Das hat den Vorteil, daß das isolierende Material, auf dem die Antenne gefertigt ist, im Zuschnitt besser räumlich ausgenutzt werden kann und somit die Produktivität steigt.

Zusammenfassend ergeben sich durch die Verwendung eines isolierten Materials mit leitfähi­ gem Substrat, das als Quad-Struktur ausgeformt ist, sowie die Wahl der konstruktiven Mittel erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen Quad-Antennen aus Draht. Die Forderungen der Aufgabenstellung können bei der Erfindung alle erfüllt werden. Durch gezieltes Zusammen­ schalten der so gefertigten Quad-Antennen sind verschiedenste Applikationen möglich. Zum Beispiel:
Zusammenschalten der Quad-Antennen zu Zeilen, Spalten oder Wänden, im Winkel als Sekto­ ren- oder Rundstrahlantenne, als zirkular (rechts- oder links drehend) polarisierte Antenne durch Zusammenschalten von 4 Endgespeisten Quad-Antennen, Fertigung als Portabelantenne durch Auswahl leichter Materialien, als Stationär-Antenne eventuell mit einem Radom (Abdeckhaube) geschützt usw.

Bezugszeichenliste

1 isolierendes Material
2 leitendes Substrat
3 Einspeisepunkte
4 Quadfläche
5 isolierte Kreuzungspunkte
6 elektrischer Kurzschluß
7 Durchkontaktierung
8 Spannungsmaxima
9 Spannungsnullpunkt
10 Dipol als Ersatzschaltung einer Quadfläche
11 Reflektor
12 Kontaktierung
13 Innenleiter des Einspeisekabels
14 Außenleiter des Einspeisekabels
15 Kabelanschluß
16 Isolationsstück zwischen den Kreuzungspunkten

Claims (15)

1. Quad-Antenne, die vorzugsweise ab einer Frequenz von f 600 MHz (λ 50 cm) be­ trieben wird und für portablen Einsatz als auch am Feststandort verwendet werden kann, bei der eine beliebige Quad-Drahtstruktur durch ein leitendes Substrat (2) auf einem isolierenden Material (1) nachgebildet wird.

2. Quad-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beliebig viele Einspeise­ punkte (3) vorhanden sein können.

3. Quad-Antenne nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisepunkte (3) an jeder beliebigen Stelle auf dem isolierenden Material (1) liegen können.

4. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß an den Einspeisepunkten (3) die elektrische Einspeisung sowohl symmetriert, als auch unsymme­ triert erfolgen kann.

5. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (1) aus einem beliebigen elektrisch nichtleitenden Material besteht.

6. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (1) aus einem Werkstoff mit geringem Verlustfaktor besteht, bei­ spielsweise keramische Materialien, faserverstärktes Duro- oder Thermoplast.

7. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Substrat (2) aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material besteht, vorzugs­ weise einem mit geringem ohm′schen Verlust, beispielsweise Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Aluminium (Al) oder Legierungen.

8. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Substrat (2) aus einem beliebigen Supraleiter bestehen kann.

9. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Antenne sowohl mit, als auch ohne Reflektor (11) betrieben werden kann.

10. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zwischen dem gespeisten Element und dem eventuell vorhandenem Reflektor Luft oder ein beliebiges anderes Material enthalten kann, beispielsweise PUR-Schaum, PTFE, FEP, PFA o. ä.

11. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Antenne sowohl mit, als auch ohne Verwendung von strahlungsgekoppelten Elementen be­ trieben werden kann.

12. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zwischen dem gespeisten Element und dem eventuell vorhandenen strahlungsge­ koppelten Elementen Luft oder ein beliebig anderes Material, beispielsweise PUR-Schaum, PTFE, FEP, PFA enthalten kann.

13. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Substrat (2) sowohl einen elektrischen Kurzschluß (6), als auch keinen elektri­ schen Kurzschluß an den Strukturenden bilden kann.

14. Verfahren zur Herstellung der Leiterstruktur auf dem isolierenden Material nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstruktur aus Verfahren der chemischen oder physikalischen Beschichtung und/oder Abtragung entstanden ist, insbe­ sondere durch photolithographische Verfahren, durch Naß- oder Trockenätzverfahren oder Abhebetechniken.

15. Verfahren zur Kontaktierung (12) der Leiterstruktur für den elektrischen Kurzschluß (6) auf einem isolierenden Material (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch ge­ kennzeichnet, daß Drahtbrücken, Durchkontaktierungsstellen oder sonstige elektrisch leitende Materialien zum Verbinden von Leiterzügen Verwendung finden können.