DE19603803C2 - Quad-Antenne, auf einem isolierenden Material und Verfahren zu deren Fertigung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Quad-Antenne, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist, und auf ein Verfahren zu deren Fertigung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegeben ist.

Quad-Antennen sind seit 1942 im Kurzwellenbereich bekannt, hinreichend erprobt und modifiziert worden (Orr. William: "Cubical Quad Antennas"; Radio Amateur Callbook; Third Edition 1993). Aus US 44 79 127 als Gattung ist eine Antenne bekannt, die zwei Leiter in Form eines auf der Spitze stehenden Quadrates haben und auf einer Seite eines isolierenden Material als Substrat aufgebracht sind. Zusätzlich befinden sich kurze Leitungsstücke zur Wellenwiderstandsanpassung und zur Symmetrierung der Antenne auf dem Substrat. Jedoch besitzt diese Antenne einen geringen Gewinn von etwa 1,6 dBd und ein Zusammenschalten der Antenne zu einer Antennengruppe ist ohne externe Transformationsnetzwerke nicht möglich.

Im UKW-Frequenzbereich erlangen Quad-Antennen und gestockte Quad-Antennen, soge­ nannte Doppelquads oder Hybrid-Quads, einen sehr hohen Bekanntheitsgrad (Weiner, Karl; "UHF-Unterlage" Band 1/2; Fachbuchverlag Weiner).

Sehr viele bekannte Quad-Bauformen haben die Gemeinsamkeit, daß sie aus Draht oder Litze gefertigt werden. Bekannte Modifikationen sind z. B.: Montage der Quad vor einem Reflektor 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 andren 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 kein optimales Richtdiagramm mehr besitzt. Zudem eignen sich bisherige Quad-Antennen nur bedingt zum Portabeleinsatz. Beim eventuellen Transport ist darauf zu achten, daß sich die Drahtstruktur nicht verbiegt, denn ein Ändern der Geometrie des Drahtes verschlechtert sowohl die Anpassung, als auch das Richtdiagramm erheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, eine Quad-Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9 zu schaffen, die ohne Transformationsnetzwerke eine Stockung zuläßt und ohne Symmetrierung ein exellentes, von Einzügen und Nullstellen freies Richtdiagramm in der E- und H-Ebene aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und die im Anspruch 9 angegebenen Verfahrensschitte gelöst.

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 Hauptstrahlungsrichtung 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 photolithographischen Mitteln und ätztechnischen Verfahren sehr genau und in hoher Stückzahl erzeugt werden können. Nähere Ausführungen zu den Herstellungsmethoden sind in Druckschrift EP 03 25 702 A1 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 Amateurfunkstationen eingesetzt, wie die Druckschrift, Rothammel, Karl; "Antennenbuch"; Franckh-Kosmos Verlag Stuttgart; 11. Auflage 1995, und andere eindrucksvoll zeigen. Trotz ihrer guten Handhabbarkeit weisen diese Antennen einige Mängel auf. Ein Nachteil der Yagi- Antenne ist, daß der Längenzuschnitt der strahlungsgekoppelten Elemente (Direktoren) sehr präzise geschehen 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.

Ein Vorteil der Erfindung ist das Ersetzten bekannter Quad-Drahtstrukturen durch ein leitendes Substrat (Leiterbahn) auf einem isolierenden Material (Basismaterial). Das Ziel dieser Maßnahme ist, die Quadstruktur in eine Ebene zu legen und dabei die mechanischen sowie elektrischen Eigenschatten des verwendeten Basismaterials auszunutzen. Als isolierendes Material kann jedes beliebige Material zum Einsatz kommen, das den gewünschten Anforderungen entspricht, beispielsweise 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 Ge­ wichtsersparnis den Einsatz im portablen Betrieb begünstigt.

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.

Bei der US-Patentschrift US 44 79 127 besteht jedoch noch der Nachteil, daß der Antennen­ gewinn sehr gering ist. Er beträgt lallt Angabe etwa 1,6 dBd. Eine Erhöhung des Gewinns kann nur durch Zusammenschalten (Stocken) von solchen Einzelantennen erfolgen, wobei externe Anpassungsschaltungen zur Widerstandstransformation der zusammengeschalteten Einzelantennen benötigt werden. Desweiteren geht die US-Patentschrift von einer symmetrierten Antenne aus und es werden daher große Anstrengungen unternommen, eine Symmetrierungsschaltung zu realisieren.

Die Erfindung behebt diese Mängel und gestattet ferner, eine beliebige Stockungszahl mit den Quadgrundelementen (Fig. 7 bzw. 8) durchzuführen, ohne die bei Zusammenschaltung von Einzelantennen notwendigen Leistungsteiler und Widerstandstransformatoren einzusetzen. Mit Hilfe der Stockungszahl, der Verwendung eines Reflektors und/oder strahlungsgekoppelter Elemente, kann das gewünschte Antennendiagramm sowie der gewünschte Gewinn realisiert werden. Auch eine Symmetrierungsschaltung ist mit diesen Maßnahmen nicht zwingend erforderlich und stellt daher eine wesentliche Vereinfachung zur bezugnehmenden Gattung dar. Trotzalledem wird eine gute Anpassung der Antenne an den Fußpunktwellenwiderstand von 50 Ω in einem weiten Bereich erreicht, so daß auch die relative Breitbandigkeit der Antenne hoch ist. Je nach gewünschtem Antennengewinn kann die Bandbreite verändert werden, so daß für alle diesbezüglich möglichen Applikationen eine geeignete Umsetzung der Antenne realisiert werden kann.

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, aber auch zur Festmontage ein­ gesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. 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) beste­ hende Quad-Antenne auf einem isolierenden Material (1) aus glasfaserverstärktem Epoxyd­ harz dienen, die aus acht übereinanderliegenden Quadelementen besteht. d. h. dreifach vertikal gestockt ist, eine Leiterlänge von 4λ entspricht, und horizontale Polarisation aufweist. Das isolierende Material (1) kann auch aus keramischen Material oder faserverstärkten Duro- oder Thermoplast bestehen. Diese Antenne ist vor einem Reflektor (11) montiert und besitzt in die­ ser Ausführung keine Direktoren. Zwischen Reflektor (11) und dem gespeisten Element kann sich ein weiteres Material wie beispielsweise PUR-Schaum, PTFE, FEP oder PFA befinden. Der Einspeisepunkt (3) heut bei dieser Antennenausführung in der Mitte der gesamten Quad- Struktur.

Speziell bei der Herstellung des Exemplars wird die erste Leiterbahn auf der Oberseite des Basismaterials und die zweite Leiterbahn auf die gegenüberliegende Materialseite gefertigt. Das hat den Vorteil, daß an den Kreuzungspunkten (5) die beiden Leiterzüge durch das Basis­ material elektrisch isoliert sind.

Die Enden der beiden Leiterzüge sind elektrisch mit einer Durchkontaktierung (7) als Kurz­ schluß (6) verbunden. Die Einspeisung erfolgt elektrisch unsymmetrisch, wobei der Speise­ kabelinnenleiter (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 Einspeisung mit einem Festmantel-Koaxkabel an die symmetrische Quad- Antenne erfordert, entstehende Mantelwellen zu reduzieren. Dies kann mit Hilfe eines Sym­ metriergliedes oder durch Kontaktieren (12) des Kabelaußenleiters (14) mit dem Reflektor (11) geschehen. Auf dem Leitungsstück zwischen Quad und Reflektor, fließen Ausgleichsströme, welche aber am Reflektor auf eine große Massefläche abgeleitet werden.

Die Wahl der einzelnen Materialien für das Fertigen der Quad-Struktur und des Reflektors be­ stimmen 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 (B × H × T): 150 × 400 × 30 mm
Gesamtgewicht: etwa 400 g je nach Materialauswahl
Optional kann die Antenne auch mit einem Wetterschutz (Radom) ausgestattet werden, so daß sie sich auch zur festen Montage an Standorten mit starken Witterungseinflüssen eignet.

Die Wirkungsweise der erfundenen Antenne kann anhand des Ausführungsbeispiels wie folgt erklärt werden:

Ausgehend von einer Bandleitung (Fig. 2) mit einer Länge von 4λ, die nach 2λ gespeist und an beiden Enden kurzgeschlossen (6) ist, bildet sich ein typisches Interferenzmuster aus hinlaufender Welle und total reflektierter rücklaufender Welle aus. Die Summe aller Span­ nungs- bzw. Stromwerte ergibt Null, das heißt, die Bandleitung verliert keine Energie in den Raunt nur die Leiterdämpfung reduziert die Energie. Eine Antenne soll aber Energie in den Raum abgeben; daher müssen alle Spannungsbäuche (8) bei gewünschter horizontaler Polarisation der Antenne, in gleiche Richtung weisen. Dies erreicht man, indem man an den Spannungs­ nullpunkten (9) die Bandleitung kreuzt (Fig. 3). Durch Auseinanderziehen der gekreuzten Bandleitung an den Spannungsmaximas (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 kontinuier­ liche Transformation. Der Wellenwiderstand einer Bandleitung steigt mit zunehmendem Ab­ stand. (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 dazu, 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 Bandleitung 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 Störstellen. Ferner ist aus diesem Grund der Gewinn gegenüber den aus Draht gebogenen Quad-Antennen höher, da die Leiterbahnen viel scharfkantiger und geradliniger hergestellt werden können.

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. Daher ist ein wesentlich größerer Antennengewinn gegenüber der bezugnehmenden Gattung in der US-Patentschrift zu verzeichnen.

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. Eine zusätzliche Widerstandstransformation ist daher nicht erforderlich.

Die Quad-Antenne ist eine symmetrische Antenne. Es kann eine Symmetrierung am koaxialgespeisten Anschluß notwendig sein, wenn man einen Diagrammverzug der Haupt­ strahlungsrichtung von 1-5° vermeiden will. Eine Symmetrierung bei hohen Frequenzen kann jedoch unvorteilhaft sein, da die Symmetrierungsleitungen gegebenenfalls mehr Dämpfung hervorrufen als die geringe Unsymmetrie der Richtcharackteristik der Antenne. Zudem gestaltet sich die Unterbringung der Symmetrierung bei den geringen Baumaßen als schwierig. Es wurde daher auf eine Symmetrierung verzichtet. Wie sich in vielfachen Versuchen gezeigt hat, ist der Diagrammverzug in Relation zum Öffnungswinkel der Strahlungskeule so gering, daß sich eine Symmetrierung nicht lohnt.

Da es sich bei der Quad-Antenne um eine modifizierte Bandleitung handelt, können die Effekte der kurzgeschlossenen Leitung, wie auch die Effekte der offenen Bandleitung ausgenutzt werden. 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 benutzt 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. Die Forderungen der Aufgabenstellung können beider Erfindung alle er­ füllt werden. Durch gezieltes Zusammenschalten der so gefertigten Quad-Antennen sind ver­ schiedenste Applikationen möglich. Zum Beispiel:
Zusammenschalten der Quad-Antennen zu Zeilen. Spalten oder Wänden, im Winkel als Sektoren- oder Rundstrahlantenne, als zirkular (rechts- oder links drehend) polarisierte Antenne durch Zusammenschalten von z. B. 4 Endgespeisten Quad-Antennen, Fertigung als Portabelantenne durch Auswahl leichter Materialien, als Stationär-Antenne eventuell mit einem Radom (Abdeckhaube) geschützt.

Bezeichnungslegende

1

isolierendes Material

2

leitendes Substrat (Leiterzug)

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 (9)

1. Quad-Antenne, in Form von n/2 . λ (n ∈ N) langen Leiterzügen (2), die so ausgeformt sind, daß sich mindestens zwei identische Quadrate ergeben, wobei die Leiterzüge (2) als Leiterbahnen auf einem isolierenden Material (1) ausgebildet sind dadurch gekennzeichnet daß,

• a) die beiden Leiterzüge (2) bei geradzahligem n an ihren beiden Endpunkten jeweils eine elektrische Verbindung miteinander besitzen oder die beiden Leiterzüge (2) bei ungeradzahligem n keine elektrische Verbindung miteinander haben
• b) die beiden Leiterzüge (2) an den damit entstandenen Spannungsnullpunkten (Strommaximas) miteinander isoliert gekreuzt sind und an den entstandenen Spannungsmaximas einen maximalen Abstand zueinander aufweisen
• c) ein Leiterzug (2) auf der Vorderseite, der andere Leiterzug (2) auf der Rückseite des isolierenden Materials (1) aufgebracht ist.

2. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (1) aus einem Werkstoff mit geringem Verlustfaktor besteht.

3. Quad-Antenne nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge (2) geringe ohm'sche Verluste besitzen.

4. Quad-Antenne nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterrüge (2) aus einem Supraleiter bestehen.

5. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mit einem Reflektor (11) betrieben wird.

6. Quad-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zwischen dem gespeisten Element und dem vorhandenen Reflektor Luft oder ein anderes dielektrisches Material enthält.

7. Quad-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mit strahlungsgekoppelten Elementen betrieben wird.

8. Quad-Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zwischen dem gespeisten Element und dem vorhandenen strahlungsgekoppelten Elementen Luft oder ein anderes dielektrisches Material enthält.

9. Verfahren zur Herstellung der Quad-Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstruktur aus Verfahren der chemischen oder physika­ lischen Beschichtung und/oder Abtragung entstanden ist, insbesondere durch photolithogra­ phische Verfähren, durch Naß- oder Trockenätzverfahren oder Abhebetechniken.