DE19827966A1 - Dualband-Planarstrahler - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten spektral dualbandigen Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugung einer linear polarisierten Sektorstrahlung innerhalb einer Raumhemisphäre für allgemeine Innenraumanwendungen bzw. Fahrzeug-Innenraumanwendungen vorrangig im Spektralbereich der GSM- bzw. DCS-Mobilfunknetze. DOLLAR A Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einer unsymmetrischen Wellenleiterresonatorkonzeption mit spektral selektiver Modenanregung. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Sektorstrahlung, Mobilfunk, Spektrum, Dualband, Polarisation, Vertikalpolarisation, Wellenleiter, Wellenleiterresonator, Blende, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturi­ sierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung sowohl in der Horizontal- als auch in der Vertikalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektralbereiche, vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1890 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rückstrahlungs­ dämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raum­ hemisphäre, so daß insbesondere für den Bereich der Fahrzeuganwendungen eine Antennenkomponente entsteht, die es bei Montage der Antenne auf den ver­ glasten Innenflächen des Fahrzeuges ermöglicht, den Fahrgastraum aus dem Strahlungsraum des Strahlers auszublenden und somit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers gegenüber bekannten Antennenlösungen für diesen Bereich zu minimieren. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglichkeit des Planarstrahlers auf den verglasten Flächen und damit vorausgehend der konzeptions- bzw. dimensionierungsseitigen Berück­ sichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigenschaften der dem Antennen­ modul räumlich vorgeordneten dielektrischen Schichten oder Räume, vorzugs­ weise der entsprechenden Verglasungen des Fahrgastraumes. Das Ziel der Erfindung besteht fernerhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Schichten bzw. Platten, vorzugs­ weise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwen­ dung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abweichen­ den Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung erfindungsgemäß mittels verteilter kapazitiver Strukturelemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergrundig auf den Mobil­ funkbereich innerhalb des Mobilfunk-GSM-Netzes sowie des Mobil­ funk-DCS-Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente mit Dualbandcharakter mit der Montagemöglichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraum­ anwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Kompo­ nente vom jeweiligen Endgerät bildet und an der betreffenden Raumverglasung innenseitig und flächig montiert wird. Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen der rückwärtig zur Antennenapertur gelegene Raum strahlungsfrei bzw. strahlungsarm zu halten und damit die elektromagne­ tische Strahlungsbelastung des Nutzers zu minimieren ist.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- und Mittelstreckenübertragungssysteme innerhalb kommu­ nikations-, sensor- oder sicherheitstechnischer Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilkommunikation beruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungs­ grad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene ausschließlich rundstrahlende Strahlungseigenschaften aufweisen. Bekannte Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elektrischen Feldvektors sowie der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutalebene beruhen auf der Ring-Schlitz-Konzeption oder auf flächenhaft angeordneten Dipolmodifikationen, deren Richt­ diagramm unregelmäßig und in Abhängigkeit von der Struktur bzw. Geometrie des jeweiligen Untergrundes die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfeld­ deformation aufweisen. Die auf den Anwendungsbereich bezogenen Strahlungs­ eigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungseigenschaften des Strahlungsdiagrammes nicht nachweisbar.

Lösungen, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstrip­ technik, unter Verwendung selbsttragender leitfähiger Folienleiter oder folienähn­ licher Leitflächen erzielt werden, sind nicht bekannt.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetz­ bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektor­ strahlung sowohl in der Horizontal- als auch Vertikalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektralbereiche bzw. im Dualbandmodus, wobei der Poynting'sche Vektor des Strahlungsfeldes parallel zur Richtung der Flächen­ normalen des Strahlersystems und der Polarisationsvektor des linear polarisierten Strahlungsfeldes räumlich orthogonal zur Richtung der Flächennormalen ver­ laufen soll. Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Aufgabe in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rückstrahlungs­ dämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raum­ hemisphäre.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander an­ geordnet werden und die Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet sowie die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreis­ förmigen Berandung ausgebildet werden, wobei die Platten oder Folien (1), (2) mit gleichem oder unterschiedlichem, vorzugsweise unterschiedlichem Durch­ messer, ausgeführt werden und die Platte oder Folie (2) einen kleineren Durch­ messer als die Platte oder Folie (1) aufweist.

Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß die beiden Platten oder Folien (1), (2) mittensymmetrisch sowie planparallel übereinander angeordnet und im Mittelpunkt (3) leitfähig, vorzugsweise mittels eines leitfähigen Zylinders oder Zylindermantels, vorzugsweise Zylinders (4), verbunden werden, wobei die leitfähigen Verbindungen zwischen der Platte oder Folie (1) und dem leitfähigen Zylinder (4) sowie zwischen der Platte oder Folie (2) und dem leitfähigen Zylin­ der (4) vorzugsweise als Schraub-, Niet- oder Lötverbindung ausgeführt werden. Erfindungsgemäß werden zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) dielektrische Belastungselemente (5) mit kreisförmiger, elliptischer, quadra­ tischer, rechteckiger, pentagonaler oder hexagonaler Auflagefläche, vorzugsweise axialsymmetrischer und kreisförmiger Auflagefläche, in der Weise angeordnet, daß die Achsen der dielektrischen Belastungskörper (5) parallel zu den Flächen­ normalen der leitfähigen Ebenen (1), (2) verlaufen, wobei die Positionen der dielektrischen Belastungskörper (5) zueinander gleicher oder ungleicher Auflageflächen bzw. gleicher oder ungleicher Geometrie, vorzugsweise un­ gleicher Auflageflächen bzw. Geometrie, auf einem identischen oder nichtiden­ tischen Teilkreis, vorzugsweise identischen Teilkreis, mit einem gegenseitigen Winkelversatz von 90 Winkelgrad angeordnet werden.

Hierbei können die dielektrischen Belastungselemente (5) durch konzentrierte, komplex wirkende Schaltelemente ersetzt werden, indem in einem gegenseitigen Winkelabstand von 90 Winkelgrad sowie auf einem identischen oder nichtiden­ tischen Teilkreis, vorzugsweise identischen Teilkreis, jeweils ein konzentriertes, komplex wirkendes Schaltelement zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (2) angeordnet wird, wobei für den Fall der Verwendung von konzen­ trierten Ersatzschaltelementen die radiale Distanz zwischen den Kopplungs­ positionen der konzentrierten Ersatzschaltelemente identisch bemessen wird, sofern die komplexen Belastungen (5) mit zueinander gleicher Impedanz aus­ zulegen sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird mit einem koaxialen Wellenleiter ge­ koppelt, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellen­ leiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden werden, wobei der Außen­ leiter (7) in der Blendenebene der Blende (8) mit der Blendenberandung der leit­ fähigen Platte oder Folie (1) endgekoppelt wird oder durch die Blende (8) der Platte oder Folie (1) hindurchgehend in den Raum (9) zwischen den Platten oder Folien (1) und (2) in der Weise definiert geführt wird, daß das in den Zwischen­ raum der Platten oder Folien (1) und (2) eingeführte Außenleitersegment (11) mit der Platte oder Folie (2) ein reaktives Kopplungselement bildet, indem das Außenleitersegment (11) einseitig an dem in Richtung der leitfähigen Platte oder Folie (2) führenden offenen Ende bezüglich des Außendurchmessers definiert und bundartig erweitert sowie bezüglich der Länge derartig bemessen wird, daß das distanzbezogene Komplement zur Distanz zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) die Breite des reaktanzerzeugenden Kopplungsspaltes (10) ergibt. Über die definierte Bemessung der Längen- und Durchmesserverhältnisse des Außenleitersegmentes (11) besteht überdies die Möglichkeit der gezielten Fest­ legung bzw. Beeinflussung des Eingangsimpedanzprofils des Strahlers.

Der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) bzw. der Mittelpunkt der Blende (8) innerhalb der leitfähigen Platte oder Folie (1) wird auf einer vom Mittelpunkt (3) der Platte oder Folie (1) bzw. der Platte oder Folie (2) ausgehenden Radiallinie, die zu den sowohl in positiver als auch nega­ tiver Umlaufrichtung auf dem Teilkreis folgenden Radiallinien, denen Positionen dielektrischer Belastungselemente (5) zugeordnet sind, jeweils einen Winkelver­ satz von 90 Winkelgrad aufweisen, positioniert und bezüglich der radialen Positionierung derartig bemessen, daß eine der Wellenimpedanz des anregenden koaxialen Wellenleiters identische Eingangsimpedanz innerhalb der beiden Strah­ lungsspektralbereiche der Strahleranordnung erzeugt wird.

Die bezüglich der dielektrischen Belastungselemente (5) elektromagnetisch be­ stimmenden Größen sind hierbei neben der stofflichen Zusammensetzung bzw. dem Suszeptibilitätsprofil des oder der Diskontinuitäten (5) die Kontur und Größe der auf den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) aufliegenden Flachen, die durch die gegenseitige Distanz der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) primär festgelegte geometrische Höhe des dielektrischen Belastungselementes (5) sowie die jeweilige Position des bzw. der dielektrischen Belastungselemente (5).

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Mittels des Beispiels wird eine Dualbandversion für die spektralen Bänder 890 MHz-960 MHz bzw. 1710 MHz-1890 MHz für den Fall der Glasmon­ tage mit sektorieller Strahlungscharakteristik und Strahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Strahleranordnung sowie linearer Polarisation dargelegt. Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreisför­ miger Berandung und dem Durchmesser von 87 mm, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, über eine leitfähige Buchse (4), vorzugs­ weise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einer zweiten leit­ fähigen metallischen Platte (2) mit kreisförmiger Berandung und dem Durch­ messer von 76 mm in der Weise verbunden, daß die leitfähige Buchse (4) jeweils im Mittelpunkt (3) der Platten (1), (2) positioniert wird und damit die Platten (1) und (2) symmetrisch und planparallel zueinander sowie mit einer gegenseitigen Distanz von 6.8 mm angeordnet sind. Zwischen den leitfähigen metallischen Platten (1), (2) werden axialsymmetrisch bzw. auf einem identischen Teilkreis sowie in einem gegenseitigen Winkelabstand von 90 Winkelgrad die dielek­ trischen Belastungselemente (5.1), (5.2), (5.3) mit Gleichheit der Belastungs­ elemente (5.1) und (5.3) in zylindrischer Form, bestehend aus Polyvinylchlorid, mit parallel zu den Flächennormalen der leitfähigen Platten (1), (2) verlaufender Achsenrichtung angeordnet. Die Anordnung wird mit einem koaxialen Wellen­ leiter gekoppelt, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (2) und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (1) verbunden wird, wobei der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leitfähigen Platte (2) auf einer Radiallinie positioniert wird, die einen gegen­ seitigen Winkelversatz von jeweils 90 Winkelgrad zu den Achsenpositionen der Belastungselemente (5.1) und (5.3) aufweist. Der Außenleiter (7) wird mittels eines leitfähigen Außenleitersegmentes (11) gemäß der Abb. 3, vorzugs­ weise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, das einseitig in der Blendenebene der Blende (8) leitfähig mit der Blendenberandung (8) der Platte (1) verbunden wird, über einer geometrischen Distanz von 6.55 mm mit orthogo­ nal zur Fläche der Platten (1), (2) geführter Achse verlängert, wobei die Zen­ trierung des Außenleitersegmentes (11) mittels einer dielektrischen Buchse (12), vorzugsweise bestehend aus Polytetrafluorethylen, in der Weise erfolgt, daß das Durchmesserverhältnis in Verbindung mit der effektiven dielektrischen Suszepti­ bilität des Polytetrafluorethylens die Wellenimpedanz des Wellenleiters erzeugt.

Claims (2)

1. Dualband-Planarstrahler, bestehend aus einer Anordnung geometrisch defi­ nierter und leitfähiger Ebenen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächen­ parallel zueinander angeordnet werden, indem die Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet wird, wobei die Platten oder Folien (1), (2) mit einem unterschiedlichen Durchmesser bemessen werden und die Platte oder Folie (2) einen kleineren Durchmesser als die Platte oder Folie (1) aufweist;
• - die beiden leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) mittensymmetrisch überein­ ander angeordnet und im Mittelpunkt (3) leitfähig, vorzugsweise mittels eines leitfähigen Zylinders (4), verbunden werden, wobei die leitfähigen Verbindungen zwischen der Platte oder Folie (1) und dem leitfähigen Zylinder (4) sowie zwischen der Platte oder Folie (2) und dem leitfähigen Zylinder (4) vorzugsweise als Schraub-, Niet- oder Lötverbindung ausgeführt werden;
• - die Platten oder Folien (1), (2) mittels dielektrischer Belastungselemente (5) gleicher oder ungleicher Geometrie, vorzugsweise ungleicher Geometrie, sowie gleicher oder ungleicher stofflicher Zusammensetzung, vorzugsweise gleicher Istofflicher Zusammensetzung, verbunden werden, deren Positionen auf iden­ tischen oder nichtidentischen Teilkreisen, vorzugsweise auf einem identischen Teilkreis sowie mit gleicher oder ungleicher radialer Distanz zum Mittelpunkt (3) der leitfähigen Platten (1), (2), vorzugsweise gleicher radialer Distanz, angeordnet sind;
• - die Anordnung mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt wird, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellenleiters mit gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem Innendurchmesser sowie mit oder ohne kontinuierlicher oder diskontinuierlicher, vorzugsweise ohne, Innendurchmesser­ taperung leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden sowie mittels eines leitfähigen Außenleitersegmentes (11) definierter geometrischer Länge sowie definierter geometrischer Kontur, das einseitig in der Blendenebene der Blende (8) leitfähig mit der Blendenberandung der Blende (8) der Platte (1) gekoppelt und mit orthogonal zur Fläche der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) verlau­ fender Achse ohne galvanische Verbindung mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) in den Feldraum (9) zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) geführt bzw. verlängert wird;
• - der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) bzw. der Mittelpunkt der Blende (8) innerhalb der leitfähigen Platte oder Folie (1) auf einer vom Mittelpunkt der Platte oder Folie (1) bzw. Platte oder Folie (2) ausgehenden Radiallinie angeordnet wird, die zu den sowohl im positiven als auch negativen Umlaufsinn auf dem Teilkreis folgenden Radiallinien, denen die Achsenpositionen der Belastungselemente (5) zugeordnet sind, den gleichen Winkelversatz, vorzugsweise einen Winkelversatz von 90 Winkelgrad, aufweist;
• - die dielektrischen Belastungselemente (5) mit zwei planparallel zueinander verlaufenden Grundflächen mit quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, kreisförmiger oder elliptischer, vorzugsweise kreisförmiger Kontur ausgebildet werden;
• - die Radiallinien mit jeweils einem oder mehreren, vorzugsweise einem, dielek­ trischen Belastungselement (5) besetzt werden und die radiale Distanz der dielektrischen Belastungselemente (5) zum Mittelpunkt (3) der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) gleich oder ungleich, vorzugsweise gleich, bemessen wird.

2. Dualband-Planarstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des leitfähigen Außenleitersegmentes (11) einseitig an dem der leitfähigen Verbindung zwischen dem leitfähigen Außenleitersegment (11) und der leitfähigen Platte (1) gegenüberliegenden offenen Ende kontinuierlich oder diskontinuierlich, vorzugsweise diskontinuierlich und bundartig, erweitert wird.