DE19729664A1 - Planare Breitbandantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine planare Breitbandantenne für Funksignale mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die planare Breitbandantenne eignet sich zum Abstrahlen und zum Empfangen insbesondere sehr hochfrequenter (UHF und darüber hinaus) und extrem breitbandiger Funksignale, wie sie bei zukünftigen mobilen Multi­ media-Anwendungen zunehmend Verwendung finden. Sie eignet sich darüber hinaus zum Vermessen von Funkübertragungsstrecken.

Die zunehmende Beliebtheit mobiler Kommunikationsmittel läßt die zur Verfügung stehenden Frequenzen zu einer knappen Resource werden. Daher ist es überaus wichtig, detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften der Funkübertragungsstrecken zu besitzen, damit ein optimaler Entwurf von Modulations- und Codierverfahren sowie der erforderlichen Übertragungs­ protokolle erfolgen kann. Dies ist im Hinblick auf die kommenden, drahtlosen Multimedia-Anwendungen, die noch größere Signalbandbreiten erfordern, von herausragender Bedeutung.

Antennen, die sich zur Abstrahlung und zum Empfang von Funksignalen über einen weiten Frequenzbereich eignen, sind seit langem bekannt. So werden in "Antennas" von J. D. Kraus (McGraw-Hill Book Company, London, 1988) eine Vielzahl solcher Antennen beschrieben, die nicht nur für eine oder mehrere einzelne Frequenzbereiche, sondern für breite Frequenzbänder geeignet sind.

Ein wichtiger Vertreter dieser Gruppe stellt die logarithmisch-periodische Antenne dar, wie sie beispielsweise von R. H. Du Hamel in "Logarithmically periodic antennas break bandwidth barriers" (Space-Aeronautics, 1963, pp. 141-148) vorgestellt wird. Dieser Antennentyp besteht aus einer Vielzahl einzelner Dipolantennen, deren geometrische Abmessungen jeweils einer halben Wellenlänge in einem jeweils schmalbandigen Frequenzbereich entsprechen, wobei die einzelnen Dipole entlang eines Stabes angeordnet sind.

Dieser Antennentyp ist jedoch generell nur für den Empfang bzw. die Abstrahlung vieler relativ schmalbandiger Funksignale in einem weiten Frequenzbereich geeignet.

Die spezielle Anordnung dieser Einzelantennen entlang eines Stabes führt nämlich dazu, daß die Phasenzentren abhängig von der Frequenz des Funksignals an unterschiedlichen Stellen entlang der Längsstruktur dieser Antennen zu liegen kommen. Der Empfang und die Abstrahlung extrem breitbandiger Funksignale ist somit bei diesem Antennentyp mit Verzerrungen verbunden. Außerdem läßt sich bei einem Breitbandsignal der genaue Empfangsort nicht bestimmen, da die verschiedenen Spektralanteile des Funksignals an unterschiedlichen Orten entlang der Längsstruktur dieser Antenne empfangen bzw. abgestrahlt werden. Dieser Umstand stellt gerade bei meßtechnischen Anwendungen einen bedeutenden Nachteil dar.

Planare Breitbandantennen, die durch eine Metallfilmstruktur gebildet werden, die sich einseitig auf einem dielektrischen Trägersubstrat befinden, sind ebenfalls schon lange bekannt. Sie wurden als Schlitzleitungsstrukturen von S. N. Prasad und S. Mahapatra in "A new MIC slot-line aerial" (IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-31, No. 3, pp. 525-527, Mai 1983) vorgestellt. Dieser Antennentyp ist unter dem Namen Vivaldi-Antenne zum Standart der planaren Breitbandantennen geworden und stellt den Stand der Technik dar. Sie ist von E. Thiele und A. Taflove in "FD-TD analysis of Vivaldi flared horn antennas and arrays" (IEEE Trans. Anterinas Propagat, Vol. 42, No. 5, pp. 633-641, Mai 1994) sehr ausführlich berechnet und beschrieben worden. Dieser Antennentyp stellt das zweidimensionale Analogon des aus der Hohlleitertechnik bekannten Hornstrahlers dar und besteht aus einem sich erweiternden Schlitzleiter, dessen Speisung beispiels­ weise über eine Mikrostreifenleitung erfolgt. Diese Leitungstypen besitzen jedoch stark dispersive Eigenschaften. Die dadurch entstehenden Verzerrungen breitbandiger Funksignale schränken die Verwendbarkeit dieses Antennentyps für diese Anwendung stark ein. Dazu kommt, daß sowohl bei den Horn­ strahlern als auch bei der Vivaldi-Antenne der Wellenwiderstand entlang der Leitungsstruktur nicht konstant gehalten wird. Vielmehr erfolgt ein allmäh­ licher Übergang von dem Wellenwiderstand der zugehörigen Antennen-Speise­ leitung (z. B. 50 Ohm) auf den Feldwellenwiderstand des Freiraums (Z_FO = 377 Ohm).

CPW-ähnliche, planare Leitungen (CPW: coplanar waveguide), die sich trapezförmig erweitern, sind bekannt. J. V. Bellantoni et al. beschreiben in "A New W-Band Coplanar Waveguide Test Fixture" (IEEE MTT-S Digest, Volume III, Long Beach, California, June 1989, pp. 1203-1204) eine CPW-Meßhalterung für Transistoren für Meßfrequenzen von 75 GHz bis 110 GHz. Auch in dieser Vorrichtung erfolgt entlang eines Tapers ein allmählicher Übergang des Wellenwiderstandes der CPW in den Feldwellenwiderstand des angeschlossenen Hohlleiters, mit den bereits oben geschilderten Nachteilen. Dies ist für den dort geschilderten Anwendungsfall nicht störend, da jeder einzelne Frequenzpunkt vor der Messung kalibriert wird. Für die breit­ bandige Vermessung von Funkübertragungsstrecken ist diese Vorrichtung jedoch nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl eine Vielzahl schmal­ bandiger Funksignale mit stark unterschiedlichen Trägerfrequenzen als auch extrem breitbandige Funksignale mit geringen Verlusten und Signalver­ zerrungen empfangen und abstrahlen zu können.

Diese Aufgabe wird bei der planaren Breitbandantenne mit den Merk­ malen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die planare Breitbandantenne auf einfache und kostengünstige Weise, wie eine gedruckte Schaltung, produziert werden kann und daher für den Massen­ markt geeignet ist. Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß die Richtcharakteristik der planaren Breitbandantenne an die jeweiligen spezifischen Erfordernisse unterschiedlicher Anwendungen durch Änderungen der Ätzmaske angepaßt werden kann. Hinzu kommt, daß diese Antenne die Durchführung meßtechnischer Aufgaben stark erleichtert bzw. überhaupt erst möglich macht. So ist beispielsweise die gleichzeitige Auf­ zeichnung der elektromagnetischen Felder in einem weiten Frequenzbereich entlang einer Straße oder in einem Gebäude leicht mit einer einzigen planaren Breitbandantenne möglich. Bisher werden dazu mehrere Antennen benötigt, d. h. die Messung muß bisher jeweils mit jeder einzelnen Antenne durchgeführt werden. Dies ist zeitaufwendig und teuer. Außerdem sind Vergleiche dieser bei stark unterschiedlichen Frequenzen durchgeführten Meßergebnisse von geringer Aussagekraft, da die Messungen zu verschiedenen Zeiten und meist auch an nicht exakt den gleichen Orten aufgezeichnet werden und dadurch bei unterschiedlichen Experimentalbedingungen erfolgen.

Zur erläuternden Beschreibung der planaren Breitbandantenne sind einige Abbildungen gegeben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die typische Ansicht der Metallisierungsebene eines Ausführungsbeispiels der planaren Breitbandantenne auf dem Trägersubstrat (SUB), mit dem Mittelleiter (ML) und den beiden das Gegengewicht bilden­ den Masseflächen (MF),

Fig. 2 beispielhaft einen Querschnitt durch eine CPW zur Erläuterung der geometrischen Abmessungen,

Fig. 3 die zur detaillierten Erläuterung des erfindungsgemäßen Aufbaus der planaren Breitbandantenne beispielhaft eingeteilten topologischen Bereiche mit den jeweils wichtigsten Abmessungen,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der planaren Breitbandantenne mit stärker ausgeprägter Richtcharakteristik,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit rechteckförmigem Abstrahlelement und kreisbogenförmig abgerundeten Masseflächen,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit linienförmig, abrupt beendetem Abstrahlelement und kreisbogenförmig abgerundeten Masseflächen,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit einem am Ende galvanisch kurz­ geschlossenen Abstrahlelement,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit ellipsenförmigem Abstrahlelement und rechteckförmig ausgeführten Abschlußelementen der Masseflächen (MF),

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel mit ellipsenförmigem Abstrahlelement und dreieckförmig ausgeführten Abschlußelementen der Masseflächen (MF) und

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel mit schräg seitlich abstrahlender Richt­ charakteristik.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte typische Ansicht der Metallisierungs­ ebene eines Ausführungsbeispiels der planaren Breitbandantenne auf dem Trägersubstrat (SUB), mit dem Mittelleiter (ML) und den beiden das Gegen­ gewicht bildenden Masseflächen (MF), verdeutlicht das charakteristische Aussehen dieses neuen Antennentyps. Diese Zeichnung dient der an­ schaulichen Erläuterung des physikalischen Grundprinzips dieser Antenne. Der Einspeisepunkt (EP) stellt die galvanische Verbindung zum Sender bzw. zum Empfänger dar. Die planare Breitbandantenne hat an dieser Stelle deutlich erkennbar die Form einer CPW. Somit ist die Kompatibilität zu diesem ohnehin sehr dispersionsarmen planaren Wellenleiter in sehr hohem Maße gegeben. Der Mittelleiter (ML) erweitert sich und endet in einem ellipsenförmigem Abstrahlelement, welches die Wechselwirkung mit dem hochfrequenten Fernfeld maßgeblich beeinflußt.

Die beidseitig angeordneten Masseflächen (MF) sind zunächst in unmittel­ barer Nähe zum Mittelleiter (ML). Dadurch ist die elektromagnetische Feld­ energie zunächst auf die engen Bereiche in den beiden Spalten zwischen dem Mittelleiter (ML) und den Masseflächen (MF) beschränkt. Mit zunehmender Entfernung vom Einspeisepunkt (EP) wird der Abstand zwischen dem Mittel­ leiter (ML) und den Masseflächen (MF) größer. Dadurch vergrößert sich auch das Streufeld zwischen diesen metallischen Leitern zunehmend. Damit nimmt dann auch die angestrebte Wechselwirkung mit dem Fernfeld zu und die Struktur ist mit der elektromagnetischen Feldenergie entfernter Sender oder Empfänger verbunden.

Die gesamte planare Breitbandantenne ist ähnlich wie eine gedruckte Schaltung auf einem dielektrischen Trägersubstrat (SUB) als Metallfilm aufgebracht. Typischerweise werden Schichtdicken der Metallisierung von 35 Mikrometern nicht überschritten.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine CPW zur Erläuterung der geometrischen Abmessungen der planaren Breitbandantenne. Das dielektrische Trägersubstrat (SUB) besitzt die Höhe (H) Diese beträgt in der Regel einige hundert Mikrometer bis hinauf zu einigen Millimetern für spezielle Anwendungen. Das dielektrische Trägersubstrat (SUB) ist typischer­ weise planar, nichtleitend und auch für Mikrowellen verlustarm. Die Linie zwischen den Punkten (A) und (A') ist eine Symmetrielinie. Zu der durch diese Linie gebildeten Achse sei, in diesem der Erläuterung dienenden Ausführungsbeispiel, die gesamte Metallisierung der planaren Breitband­ antenne spiegelsymmetrisch. Ein unsymmetrisches Ausführungsbeispiel der planaren Breitbandantenne wird weiter unten vorgestellt; dieses basiert ebenfalls auf den hier am symmetrischen Ausführungsbeispiel erläuterten Grundprinzipien. Die Metallisierung besteht gewöhnlich aus einem gut leitenden Material wie Kupfer oder Gold. Der Mittelleiter (ML) besitzt die Breite (W). Der Spalt in der Metallisierung zwischen dem Mittelleiter (ML) und den jeweiligen Masseflächen (MF) besitzt die Weite (S). Das Verhältnis der Breite (W) zur Weite (S) bestimmt unter Einbeziehung weiterer Parameter, die durch die charakteristischen Werte des dielektrischen Trägersubstrats vorgegeben werden, den Wellenwiderstand der CPW. Dieser läßt sich durch verfügbare Rechnerprogramme leicht berechnen und wird typischerweise für meßtechnische Anwendungen auf 50 Ohm festgelegt.

Damit ist für das jeweilige Trägersubstrat das Verhältnis von Breite (W) zur Weite (S) festgelegt. Der Absolutwert für die Breite (W) ergibt sich wiederum aus den speziellen Vorgaben durch die geometrischen Verhältnisse des Meßsenders bzw. des Meßempfängers.

Somit ist die Struktur am Einspeisepunkt (EP) eindeutig dimensioniert. Das Problem liegt nun darin, die Struktur sich insgesamt aufweiten zu lassen, um eine Wechselwirkung mit dem Fernfeld zu ermöglichen und dabei gleichzeitig dafür zu sorgen, daß der Wellenwiderstand über der gesamten Struktur bis hin zum Abstrahlelement so lange wie möglich überall gleich und konstant zu halten, um die Dispersion und Signalverzerrungen breit­ bandiger Signale zu vermeiden.

Um dieses Problem zu lösen, ist die komplexe Struktur der planaren Breitbandantenne in verschiedene Flächenelemente mit jeweils unterschied­ licher Funktion aufgeteilt, die sich nahtlos zusammenfügen.

Fig. 3 zeigt die halbseitige Topologie eines spiegelsymmetrischen Aus­ führungsbeispiels. Zur detaillierten Erläuterung des prinzipiellen erfindungs­ gemäßen Aufbaus der planaren Breitbandantenne ist die dort gezeigte Struktur in fünf topologische Teilbereiche mit den wichtigsten Abmessungen eingeteilt.

Die Zahl der Teilbereiche ist dabei kein vorgegebener fester Wert, sondern ergibt sich im Zusammenhang mit der Genauigkeit der Betrachtungsweise der insgesamt komplexen Struktur. Die Einteilung in fünf Teilbereiche erscheint zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus der planaren Breitband­ antenne zweckmäßig. Würde man beispielsweise die teilweise sehr kurzen Teilabschnitte der sich trapezförmig erweiternden CPW im (Bereich 2) detaillierter betrachten wollen, so wäre eine Einteilung in zusätzliche Teil­ bereiche denkbar, ohne dem erfindungsgemäßen Gedanken jedoch wesent­ liches hinzuzufügen. Ebenso könnte bei einer groberen Darstellung der (Bereich 1), der (Bereich 2) und der (Bereich 3) prinzipiell zu einem einzigen Teilbereich verschmelzen.

Die Symmetrieachse liegt in diesem Ausführungsbeispiel auf der von den Punkten (B) und (B') gegebenen Verbindungslinie.

Der erste Teil (Bereich 1) besitzt über die Länge (KL) eine CPW mit einer konstanten Breite (W) des Mittelleiters (ML) und einer konstanten Weite (S) des Spaltes zwischen der Außenkante des Mittelleiters (ML) und den beid­ seitig geführten Masseflächen (MF). Dabei wird das Verhältnis zwischen der Breite (W) und der Weite (S) unter Berücksichtigung der Permittivitätszahl und der Höhe (H) des Trägersubstrates (SUB) so gewählt, daß der Wellenwiderstand dieser CPW über die gesamte Länge (KL) zwischen dem Einspeisepunkt (EP) und der restlichen planaren Breitbandantenne einen konstanten Nominalwert (von z. B. 50 Ohm) besitzt. Dieser Teil dient in erster Linie der Verbindung der eigentlichen Antennenstruktur mit dem jeweils angeschlossenen Gerät wie Sender oder Empfänger.

Während der erste Teil somit eine gerade CPW besitzt, wie sie dem Fach­ mann hinlänglich bekannt ist, so besitzt der sich daran anschließende zweite Teil (Bereich 2) über die Länge (KT) eine Aneinanderreihung einer Vielzahl sich stückweise trapezförmig erweiternder, kurzer, abgeschrägter CPW-ähn­ licher Metallfilmstrukturen, deren geometrische Begrenzungslinien, einen Polygonzug bilden, wodurch diese Linien zwar jeweils leicht geknickt, jedoch ohne abrupte Sprünge in den Abmessungen, also jeweils stetig ineinander übergehen. Dabei wir das Verhältnis der Breite (W) zur Weite (S) an jeder Stelle so gewählt, daß sich der Wellenwiderstand nicht verändert. Die einzelnen Abschnitte können so kurz sein, daß sich im Grenzfall völlig abgerundete, trompetenförmig aufgeweitete Strukturen ergeben. Dies ist ein wichtiger Teil der Antenne. In der schematischen Zeichnung sind zur Ver­ deutlichung nur drei einzelne Segmente zu dargestellt, in denen sich die CPW trapezförmig aufweitet. Typischerweise werden jedoch mehr Segmente verwendet. So werden beispielsweise mit neun Segmenten bereits sehr gute Resultate erzielt. Mit der Erhöhung der Anzahl der Elemente werden die Polygonzüge der Begrenzungslinien der Randstrukturen immer feiner, bis im Grenzfall eine völlig knickfreie, runde Linie entsteht. Alle Segmente sind im Vergleich zur Wellenlänge sehr kurz. Die Aneinanderreihung sehr kurzer CPW-Taper bezweckt eine Öffnung der CPW.

Durch die Wahl der Länge der einzelnen trapezförmigen Leitungssegmente und durch deren Anzahl kann die gewünschte Richtcharakteristik der planaren Breitbandantenne in weiten Bereichen variiert werden.

Zur reflexionsfreien Anpassung der aneinanderstoßenden Leitungselemente müssen die Wellenwiderstände der jeweiligen Leitungen unbedingt weitest­ gehend übereinstimmen, d. h. das Verhältnis von Breite (W) zur Weite (S) muß überall eingehalten werden. Außerdem ist darauf zu achten, daß der Übergang von einem trapezförmigen Leitungsstück zum nächsten keine abrupte Änderung der Feldstruktur bzw. des Feldlinienbildes bewirkt. Die geometrischen Abmessungen des Metallfilms müssen daher stetig ineinander übergehen. Jegliche abrupten Geometrieänderungen sind zu vermeiden.

Dies gilt selbstverständlich auch für den sich daran anschließenden dritten Teil (Bereich 3), der eine weitere, einzelne, sich über die Länge (KK) vorzugsweise konstant trapezförmig erweiternde CPW besitzt, wodurch die endgültige und fernfeldwirksame Öffnung der CPW erzielt wird. Im Gegen­ satz zum zweiten Teil, der eine Vielzahl sich trapezförmig erweiternder CPW-ähnlicher Leitungsstrukturen besitzt, befindet sich in diesem Teil eine einzige, sich trapezförmig erweiternde CPW. Auch hier muß wiederum beachtet werden, daß zur reflexionsfreien Anpassung des Leiterabschnitts die Wellenwiderstände der aneinanderstoßenden Leitungen übereinstimmen müssen.

Sowohl der zweite Teil, als auch der dritte Teil dienen der Öffnung der CPW, damit das durch die Aufweitung der Weite (S) der Spalte zwischen dem Mittelleiter (ML) und den Masseflächen (MF) erheblich vergrößerte Streufeld eine intensive Wechselwirkung mit dem Fernfeld eingehen kann.

Von ganz erheblicher Bedeutung ist dabei, daß die geometrischen Ab­ messungen der sich auf der Gesamtlänge (EKL) erweiternden, CPW-förmigen Metallfilmstruktur so dimensioniert ist, daß der Wellenwiderstand in den konstant gehalten wird, solange die Weite (S) des Spaltes kleiner als der vierte Teil der Wellenlänge des betreffenden Funksignals ist. Dies geschieht dadurch, daß das Verhältnis zwischen der Breite (W) des Mittelleiters und der Weite (S) des Spaltes zwischen dem Mittelleiter (ML) und den jeweiligen Masseflächen (MF) konstant gehalten wird.

Detaillierte Berechnungen zeigen, daß das Verhältnis zwischen den geome­ trischen Abmessungen (W) und (S) nicht exakt konstant ist, da sich die effektive Permittivität durch die zunehmende Aufweitung der CPW gering­ fügig ändert. Hier geht ganz wesentlich die Höhe (H) des dielektrischen Trägersubstrates (SUB) und die untere Grenzfrequenz, bei der die Antenne noch zuverlässig arbeiten soll, in die Berechnung ein. Es ist jedoch für den Fachmann kein Problem, nach den hier offenbarten Grundsätzen, den Wellen­ widerstand insgesamt im (Bereiche 1), im (Bereich 2) und im (Bereich 3) stets gleich und konstant zu halten, und mit Hilfe verfügbarer Rechnerprogramme, die dazu erforderlichen geometrischen Abmessungen in Abhängigkeit des jeweils verwendeten dielektrischen Trägersubstrates zu berechnen, in dem er die einzelnen CPW-Teilstücke an der maximal aufgeweiteten Stelle einzeln betrachtet, denn dort ist das Verhältnis von Weite (S) zur Höhe (H) von maßgeblicher Bedeutung. Grundsätzlich gilt, daß das Verhältnis zwischen der Breite (W) und der Weite (S) um so konstanter ist, je dicker das verwen­ dete dielektrische Trägersubstrat (SUB) ist, d. h. je größer der Wert (H) ist.

Die Grenzfrequenz wird durch die Weite (S) des Spaltes zwischen dem Mittel­ leiter (ML) und den Masseflächen (MF) bestimmt. Sobald dieser Wert für die Weite (S) eine viertel Wellenlänge überschreitet, wird die Berechnung des Wellenwiderstandes problematisch und die planare Breitbandantenne stößt allmählich an ihre Frequenzgrenze. Zwar funktioniert sie immer noch hervorragend als Sende- bzw. Empfangsantenne, jedoch zeigen sich auch bei dieser Antenne zunehmend Verzerrungen der Signale bei Überschreitung dieser Grenzfrequenz.

Der vierte Teil (Bereich 4), besitzt über die Länge (AB) ein Abstrahlelement, welches sich nahtlos an den Mittelleiter (ML) anfügt und dessen gezielte Gestaltung die charakteristischen Eigenschaften der planaren Breitband­ antenne maßgeblich beeinflußt. Das Abstrahlelement sollte vorzugsweise ellipsenförmig sein, jedoch sind zahlreiche Varianten möglich, wie weiter unten demonstriert wird. Die Berechnung der zweckmäßigsten Form des Abstrahlelementes ist sehr aufwendig und keineswegs immer notwendig. Hier helfen dem Fachmann auch experimentelle Erfahrungen und Intuition, wenn keine leistungsfähigen Rechner zur Verfügung stehen. Die hierzu notwendigen Berechnungsprogramme sind zwar prinzipiell verfügbar, doch ist der sachgemäße Umgang damit nur dem Spezialisten vorbehalten, da diese Strukturen - im Gegensatz zur CPW - noch Forschungsgegenstand sind. Prinzipiell gilt, je breiter das Abstrahlelement, desto breiter ist auch die Richtcharakteristik, und je schmaler das Abstrahlelement, desto stärker ist auch die Bündelung der elektromagnetischen Feldenergie. Durch die geeignete Dimensionierung des Abstrahlelementes werden die charakteristischen Eigenschaften der planaren Breitbandantenne, wie die Richtcharakteristik, der Reflexionsfaktor am Einspeisepunkt (EP) der planaren Breitbandantenne sowie die untere Grenzfrequenz maßgeblich determiniert.

Der fünfte Teil (Bereich 5), besitzt die beidseitig gelegenen Abschluß­ elemente der Breite (MFAB), welche die jeweiligen Masseflächen (MF) der planaren Breitbandantenne zur Seite hin abschließt, und deren gezielte Gestaltung ebenfalls die charakteristischen Eigenschaften beeinflußt. Zwar ist der Einfluß der Abschlußelemente nicht so dominant bezüglich der Antennencharakteristiken, wie die Ausbildung des Abstrahlelementes, doch sollte auch hierbei einige Sorgfalt bei der Dimensionierung walten gelassen werden. So hat es sich erwiesen, daß eine kreisbogenförmig abgerundete Gestaltung der Abschlußelemente zu besonders günstigen Eigenschaften führt. Die planare Breitbandantenne besitzt ihre hervorragenden Eigen­ schaften innerhalb eines extrem breiten Frequenzbandes weitestgehend gleichförmig. Andere Formen der Abschlußelemente sind denkbar und werden weiter unten beispielhaft präsentiert. Sie können gewählt werden, wenn weitere zwingende Vorgaben, wie die maximal zur Realisierung zur Verfügung stehende Fläche oder vorgegebene Gehäuseabmessungen, berücksichtigt werden müssen. Es ist dann allerdings damit zu rechnen, daß es innerhalb des Betriebsfrequenzbandes Bereiche gibt, an denen sich die Eigenschaften der Antenne verschlechtern. Dies ist jedoch nicht immer störend und hängt sehr vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Es muß dann ein Kompromiß zwischen den gewünschten Antennencharakteristiken und den technologisch bedingten Vorgaben gefunden werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der planaren Breitband­ antenne mit stärker ausgeprägter Richtcharakteristik gegeben. Dies ist eine weitere, erfindungsgemäße Gestaltungsmöglichkeit der planaren Breitband­ antenne. Der Unterschied dieser Antennenform zu der in Fig. 1 gezeigten Struktur liegt primär in der sich erweiternden CPW (Bereich 2 und Bereich 3) sowie in der Formgebung des Abstrahlelementes. Dadurch wird z. B. für den Sendefall bewirkt, daß die Strahlungsleistung deutlich stärker in eine Richtung gebündelt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist auch, daß sie insgesamt schmaler realisiert werden kann und somit manche räumlich beengte Anforderungen hervorragend erfüllt.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel mit rechteckförmigem Abstrahl­ element und kreisbogenförmig abgerundeten Masseflächen dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine etwas reduzierte Bandbreite, strahlt dafür aber mit einem etwas höheren Gewinn.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel mit linienförmig, abrupt beendetem Abstrahlelement und kreisbogenförmig abgerundeten Masseflächen dargestellt. Diese Antenne besitzt ebenfalls eine geringfügig reduzierte Bandbreite, kann jedoch mit einer relativ kurzen Bauweise auch noch verwendet werden, wenn die zur Verfügung stehenden geometrischen Abmessungen sehr eng vorgegeben sind.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem am Ende galvanisch kurz­ geschlossenen Abstrahlelement gezeigt. Dies ist ein Sonderfall der planaren Breitbandantenne und kann die Wechselwirkung mit dem Fernfeld selbst bei komplizierten Gehäusevorgaben ermöglichen.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit ellipsenförmigem Abstrahl­ element und rechteckförmig ausgeführten Abschlußelementen der Masse­ flächen (MF). Diese Form der Abschlußelemente reduziert zwar ein wenig die Bandbreite der planaren Breitbandantenne; sie erleichtert jedoch die Inte­ gration in weitere Schaltungskomponenten (Frontend, monolithische Integration).

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel mit ellipsenförmigem Abstrahl­ element und dreieckförmig ausgeführten Abschlußelementen der Masse­ flächen (MF) dargestellt. Diese Form der Abschlußelemente ist für bestimmte Entwurfsanforderungen zweckmäßig und verschlechtert die charakteristischen Eigenschaften der planaren Breitbandantenne nur marginal.

In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel mit schräg seitlich abstrahlender Richtcharakteristik dargestellt. Diese Anordnung ist für einige spezielle Anwendungszwecke sinnvoll, die keine gerade Abstrahlcharakteristiken erfordern und läßt sich leicht in seitliche Gehäuseecken einbauen.

Claims (8)

1. Planare Breitbandantenne zum Abstrahlen und zum Empfangen von Funksignalen,

• - wobei die planare Breitbandantenne durch eine Metallfilmstruktur gebildet wird, die auf einem dielektrischen Trägersubstrat (SUB) befestigt ist,
• - wobei die charakteristischen Eigenschaften der planaren Breitband­ antenne und insbesondere die Strahlungscharakteristiken durch eine jeweils modifizierte Formgebung der Metallfilmstruktur entsprechend den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können, dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Metallfilmstruktur wie eine sich fächerartig erweiternde, am Ende leerlaufende oder kurzgeschlossene CPW-ähnliche (CPW: coplanar waveguide), planare Hochfrequenzleitung aufgebaut ist und einen das Funk­ signal führenden Mittelleiter (ML) und als Antennen-Gegengewicht (Erde) zwei auf Massepotential liegende Masseflächen (MF) besitzt,
• - wobei die Metallisierung der planaren Breitbandantenne eine komplexe Struktur aus verschiedenartigen, sich nahtlos zusammenfügenden Flächen­ elementen mit jeweils unterschiedlicher Funktion besitzt, bestehend aus
• - einer Teilfläche (Bereich 1), die über die Länge (KL) eine CPW mit einer konstanten Breite (W) des Mittelleiters (ML) und einer konstanten Weite (S) des Spaltes zwischen der Außenkante des Mittelleiters (ML) und den beid­ seitig geführten Masseflächen (MF) besitzt,
• - wobei das Verhältnis zwischen der Breite (W) und der Weite (S) unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Trägersubstrates (SUB) so gewählt ist, daß der Wellenwiderstand dieser CPW über die gesamte Länge (KL) zwischen dem Einspeisepunkt (EP) und der restlichen planaren Breitband­ antenne einen konstanten Nominalwert (von z. B. 50 Ohm) besitzt,
• - einer weiteren Teilfläche (Bereich 2), die über die Länge (KT) eine Aneinanderreihung einer Vielzahl sich stückweise trapezförmig erweiternder, kürzerer, abgeschrägter CPW- ähnlicher Metallfilmstrukturen besitzt, deren geometrische Begrenzungslinien, die einen Polygonzug bilden, stetig inein­ ander übergehen, wobei sich auch der Mittelleiter (ML) jeweils auch trapez­ förmig erweitert,
• - einer weiteren Teilfläche (Bereich 3), die eine weitere, einzelne, sich über die Länge (KK) konstant trapezförmig erweiternde, längere CPW besitzt, wobei sich auch der Mittelleiter (ML) wiederum trapezförmig erweitert, so daß sich die CPW insgesamt fächerartig aufweitet,
• - wobei die geometrischen Abmessungen der sich über die Gesamtlänge (EKL) erweiternden, CPW-förmigen Metallfilmstruktur so dimensioniert sind, daß der Wellenwiderstand in den jeweiligen Teilflächen (Bereich 1, Bereich 2 und Bereich 3) identisch ist und konstant gehalten wird, solange die Weite (S) des Spaltes kleiner als der vierte Teil der Wellenlänge des betreffenden Funksignals ist,
• - einer weiteren Teilfläche (Bereich 4), die über die Länge (AB) ein Ab­ strahlelement besitzt, welches sich nahtlos an den Mittelleiter (ML) anfügt und dessen gezielte Gestaltung die charakteristischen Eigenschaften der planaren Breitbandantenne maßgeblich beeinflußt,
• - und weitere Teilflächen (Bereich 5), die beidseitig gelegene Abschluß­ elemente der Breite (MFAB) besitzen, welche die jeweiligen Masseflächen (MF) der planaren Breitbandantenne zur Seite hin abschließen und deren gezielte Gestaltung ebenfalls die charakteristischen Eigenschaften beein­ flussen.

2. Planare Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement des Mittelleiters (ML) so ausgebildet ist, daß es eine ellipsenförmige Struktur besitzt, durch die die äußeren Kanten des Mittelleiters (ML) miteinander verbunden werden, wodurch ein abgerundetes Ende der planaren Breitbandantenne entsteht.

3. Planare Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement des Mittelleiters (ML) so ausgebildet ist, daß die äußeren Kanten des Mittelleiters (ML) durch eine gerade Linie miteinander verbunden sind, wodurch ein abruptes Ende der planaren Breitbandantenne entsteht.

4. Planare Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement des Mittelleiters (ML) so ausgebildet ist, daß es eine rechteckförmige Struktur besitzt, durch die die äußeren Kanten des Mittelleiters (ML) miteinander verbunden werden.

5. Planare Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement des Mittelleiters (ML) so ausgebildet ist, daß sowohl die äußeren Kanten des Mittelleiters (ML) als auch die beidseitigen Masseflächen (MF) durch einen Metall streifen auf gerader Linie miteinander verbunden sind, wodurch sich eine am Ende galvanisch kurzgeschlossener Abschluß ergibt.

6. Planare Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Abschlußelemente der Masse­ flächen (MF) kreisbogenförmig ausgebildet sind, wodurch sich ein abge­ rundeter Abschluß ergibt.

7. Planare Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Abschlußelemente der Masseflächen (MF) rechteckförmig ausgebildet sind, wodurch sich ein abrupter Abschluß ergibt.

8. Planare Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Abschlußelemente der Masseflächen (MF) dreieckförmig ausgebildet sind, wodurch sich ein schräg auslaufender Abschluß ergibt.