DE19908524A1 - Planarantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne.

Eine Antenne ist im allgemeinen eine spezielle elek­ trische Schaltung, die in Verbindung mit einer Hochfrequenz­ schaltung benutzt wird. Eine Sendeantenne wandelt leistungs­ fähig elektrische Energie der Hochfrequenzschaltung in Wel­ lenenergie um und strahlt die umgewandelte Wellenenergie in den freien Raum ab. Eine Empfangsantenne wandelt leistungs­ fähig die Energie einer ankommenden Welle in elektrische Energie um und überträgt diese auf die elektrische Schal­ tung. Eine Antenne arbeitet als Energiewandler zwischen der Schwingung der elektrischen Schaltung und der Funkwelle. Größe und Form von Antennen werden in passender Weise so ausgelegt, daß der Wirkungsgrad dieser Umwandlung möglichst groß ist.

Die Richtcharakteristik einer Antenne ist von großer Bedeutung bei der Bestimmung der Kanalcharakteristik in einem Hochfrequenzfunknachrichtenverbindungssystem. Fig. 1 zeigt die Richtcharakteristik einer Antenne für ein bewegli­ ches Hochgeschwindigkeitsfunkkommunikationssystem im Haus. Eine Grundantenne 100 an einer Decke eines Raumes hat eine große Strahlbreite 110. Eine Antenne 130, die am Benutzer­ terminal 120 angebracht ist, hat eine gerichtete Strahlcha­ rakteristik 140. Antennen für bewegliche Hochgeschwindig­ keitskommunikationssysteme im Haus verwenden eine Kreispola­ risation, um das Mehrwegefading zu verringern.

Eine Antenne mit der gerichteten Strahlcharakteristik, die für eine Empfangsantenne notwendig ist, kann problemlos mittels einer Gruppenantenne verwirklicht werden. Es ist jedoch sehr schwierig eine kreisförmig polarisierte Antenne mit einem breiten Strahlwinkel zu verwirklichen, wie sie für eine Grundantenne benötigt wird. Wenn das Strahlungsmuster oder die Richtcharakteristik einer Grundantenne eine scha­ lenförmige Charakteristik ist, bei der der Antennengewinn in der Mitte niedrig ist, dann ist die Stärke des empfangenen elektrischen Feldes unabhängig von der Position eines Benut­ zers gleichmäßig. Es ist daher möglich, die Beschränkungen hinsichtlich der linearen Charakteristik von HF Sende- und Empfangsstufen merklich aufzuweichen, so daß Hochfrequenzsy­ steme leicht verwirklicht werden können und die Her­ stellungskosten beträchtlich abnehmen.

Eine Planarantenne, die ein Dielektrikum und einen Leiter umfaßt, induziert im allgemeinen einen Strom an der Oberfläche des Leiters, der auf dem Dielektrikum oder einem Schlitz angeordnet ist, und strahlt elektromagnetische Wel­ lenenergie in den freien Raum ab. Eine Planarantenne nimmt nur einen geringen Platz ein, da sie an der Oberfläche eines Terminals oder einer Wand angebracht werden kann. Es ist problemlos möglich eine Gruppenantenne unter Verwendung von Planarantennen aufzubauen. Die Herstellungskosten einer Planarantenne sind darüberhinaus niedrig, da sie einer Mas­ senproduktion zugänglich ist. Da jedoch eine dielektrische Schicht vorgesehen ist, wird neben der Strahlungsmode eine unerwünschte Oberflächenwellenmode erzeugt. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad einer Planarantenne niedrig. Bei Pla­ narantennen wird die Welle in den freien Raum abgestrahlt, wenn der Strom auf der Oberfläche des Leiters fließt und es gibt eine Oberflächenwellenfortpflanzung entlang der Ober­ fläche des Dielektrikums. Die Anzahl der Oberflächenwellen­ moden ist proportional zur Dicke der dielektrischen Schicht. Es besteht ein Minimum von einer Oberflächenwellenmode. Die Stärke der dielektrischen Schicht sollte herabgesetzt wer­ den, um eine große Anzahl von Oberflächenwellenmoden zu vermeiden. Es wird nur eine - unvermeidbare - Mode erzeugt wenn die Stärke des Dielektrikums auf nicht mehr als 1/4 der Funkwellenlänge herabgesetzt wird. Dann ist der Verlust so gering wie möglich. Da in der Praxis jedoch die Wellenlänge einige Millimeter im Millimeterwellenband beträgt, wird die dielektrische Schicht jedoch so dünn, daß sie bei der Her­ stellung leicht bricht.

Fig. 2A zeigt eine Mikrostripantenne, die in weitem Umfang als Planarantenne verwandt wird. Eine Mikrostripan­ tenne besteht aus einem Dielektrikum 20, einem Leiter 24, der unter dem Dielektrikum 20 angeordnet ist, und einem Mi­ krostreifenleiter 22 zum Zuführen des Stromes. Fig. 2B zeigt ein Beispiel einer Planarantenne mit einer mehrfachen di­ elektrischen Schicht, die aus der mehrfachen dielektrischen Schicht 220, einer Leiterplatte 210, die auf der mehrfachen dielektrischen Schicht angeordnet ist und einen Ringschlitz 200 aufweist, einem Dielektrikum 240, das auf der Leiter­ platte 210 angeordnet ist, und einer Stromzuführung 230 zum Zuführen des Stroms zum Ringschlitz 200 aufgebaut ist.

Wenn im allgemeinen eine kreisförmige Polarisation unter Verwendung einer Mikrostripantenne erzielt werden soll, ist es sehr schwierig ein ausgezeichnetes Achsenver­ hältnis bezüglich eines breiten Winkels zu erreichen. Die Kreuzpolarisationscharakteristik ist gleichfalls nicht gün­ stig. Wenn die Frequenz im Millimeterwellenband liegt, wird weiterhin die Planarantenne so klein, daß sie schwierig herzustellen ist und bei einem geringfügigen Stoß leicht bricht.

Eine Planarantenne, die dadurch gebildet ist, daß ver­ schiedene Schichten von Dielektrika mit einer Stärke von 1/4 der Wellenlänge übereinander angeordnet wurden, ist bereits vorgeschlagen worden, um Planarantennen stärker und lei­ stungsfähiger zu machen. Mit einer derartigen Planarantenne ist es möglich, den Antennengewinn zu steigern, wenn die dielektrischen Schichten in einer derartigen Reihenfolge übereinander gestapelt sind, daß die Dielektrizitätskonstan­ ten der jeweiligen Schichten abwechselnd hoch, niedrig und wieder hoch sind. Es ist jedoch nicht einfach, eine mehr­ fache dielektrische Schicht im Millimeterwellenband aus zu­ bilden. Das heißt, daß parasitäre Effekte, die an der Kon­ taktfläche der verschiedenen Materialien erzeugt werden, die Leistung der Antenne beeinträchtigen, wenn die Antenne nicht sehr genau gefertigt ist. Die Leistung kann auch dann nach­ teilig beeinflußt werden, wenn die Antenne aufgrund von Änderungen in der Temperatur oder durch einen anliegenden Druck verdreht wird.

Es ist möglich den Antennengewinn dadurch zu erhöhen, daß eine ovale dielektrische Linse im Millimeterwellenband vorgesehen wird. Dieses Verfahren wird jedoch auf einem extrem spezialisierten Gebiet wie beispielsweise der Radioa­ stronomie auf Grund der hohen Kosten für die genaue Ferti­ gung der Linse und anderer technischer Schwierigkeiten ver­ wandt.

Fig. 3 zeigt eine Ringschlitzantenne, die eine Leiter­ platte 300, ein Dielektrikum 310 unter der Leiterplatte 300 und einen Schlitz 320 zum Abstrahlen der Funkwelle umfaßt. Die Ringschlitzantenne ist eine uniplanare Strahlungsein­ richtung, die die Mikrostripantenne im Millimeterwellenband ersetzt. Sie kann problemlos auch für hohe Frequenzen gefer­ tigt werden. Die Ringschlitzantenne kann verschiedene Strom­ zuführungsverfahren beispielsweise mittels eines Mikrostrei­ fenleiters oder eines koplanaren Wellenleiters CPW verwen­ den. Es ist problemlos möglich, mit Hilfe einer Ringschlitz­ antenne eine Antenne zu verwirklichen, die eine duale Pola­ risation hat. Es ist jedoch nicht einfach, eine kreisförmige Polarisation bei einem breiten Winkel zu erzielen, selbst wenn die obige Antenne verwandt wird. Da eine Bodenfläche in der Ebene der Antenne vorhanden ist tritt oftmals eine un­ erwünschte Rückstrahlung auf. Zur Verwirklichung einer dua­ len Polarisation wird ein Verfahren der Stromzuführung zum Ringschlitz von zwei Stellen mit einem Winkelunterschied von 90° verwandt. In diesem Fall ist die Richtcharakteristik ausgerichtet und asymmetrisch. Es ist gleichfalls schwierig, ein gewünschtes Achsenverhältnis zu erzielen.

Durch die Erfindung soll daher eine Planarantenne ge­ schaffen werden, mit der es möglich ist, eine schalenförmige Strahlcharakteristik und eine kreisförmige Polarisation mit einem breiten Winkel zu erzielen, indem der Strom vier Mi­ krostreifenleitern zugeführt wird und ein Ringschlitz als Strahlungseinrichtung verwandt wird.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine Planarantenne geschaffen werden, die mehrfache dielektrische Schichten verwendet, in die eine Luftschicht mit einer kleinen Dielek­ trizitätskonstanten eingefügt ist, um den Antennengewinn zu erhöhen.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Planarantenne eine Leiterplatte zum Abstrahlen von Funkwellen in den freien Raum, eine obere dielektrische Schicht, die auf der Obersei­ te der Leiterplatte vorgesehen ist, eine Stromzuführungsein­ heit, die auf der oberen Außenfläche der oberen dielektri­ schen Schicht vorgesehen ist, um den Strom für die Wellen­ abstrahlung der Leiterplatte zuzuführen, und mehrere dielek­ trische Schichten, die an der Unterseite der Leiterplatte vorgesehen sind und wenigstens eine Luftschicht einschlie­ ßen.

Die untere dielektrische Schicht hat eine höhere Die­ lektrizitätskonstante als die obere dielektrische Schicht.

Die Luftschicht hat vorzugsweise eine Dielektrizitäts­ konstante, die gleich oder kleiner als die der über und unter der Luftschicht angeordneten dielektrischen Schichten ist. Die Luftschicht kann dadurch gebildet sein, daß Stützen insbesondere säulenartige Stützen zwischen zwei dielektri­ schen Schichten angeordnet sind, aus denen die Vielzahl der unteren dielektrischen Schichten aufgebaut ist. Die Stärke der Luftschicht beträgt vorzugsweise 1/4 der Wellenlänge der Funkwelle, die durch die Luftschicht geht, und die Stärke der beiden dielektrischen Schichten, in die die Luftschicht eingebettet ist, liegt vorzugsweise bei einem Viertel der Wellenlänge im Dielektrikum.

Die Luftschicht ist vorzugsweise dadurch gebildet, daß eine wabenförmige Schicht zwischen zwei der dielektrischen Schichten angeordnet ist, die die Vielzahl der unteren die­ lektrischen Schichten bilden. Die Stärke der wabenförmigen Schicht liegt vorzugsweise bei 1/4 der Wellenlänge der Funk­ welle, die durch die wabenförmige Schicht geht, und die Stärke der beiden dielektrischen Schichten, in die die wa­ benförmige Schicht eingebettet ist, beträgt vorzugsweise 1/4 der Wellenlänge im Dielektrikum.

Eine weitere Planarantenne gemäß der vorliegenden Er­ findung umfaßt eine Leiterplatte, die eine ringschlitzartige Strahlungseinrichtung aufweist, die dadurch gebildet ist, daß ein ringförmiges Loch in die Leiterplatte gebohrt ist, um Funkwellen über die ringschlitzförmige Strahlungseinrich­ tung abzustrahlen, eine obere dielektrische Schicht, die an der Oberseite der Leiterplatte ausgebildet ist und aus einem Dielektrikum besteht, eine Stromzuführungseinheit, die auf der oberen Außenfläche der oberen dielektrischen Schicht angeordnet ist und den Strom für die Wellenabstrahlung der Leiterplatte zuführt, und eine untere dielektrische Schicht, die an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist und aus einem Dielektrikum besteht. Die Stromzuführungseinheit weist vier Mikrostreifenleitungen zum Zuführen des Stromes auf und die vier Zuleitungsstellen sind unter 0°, 45°, 180° und 225° auf der Grundlage der Mittellinie der ringschlitz­ förmigen Strahlungseinrichtung angeordnet während die Phasen des Stromversorgungssignals, das über die Mikrostreifenlei­ tungen kommt, bei 0°, 90°, 0° und 90° liegen, indem die Längen der Mikrostreifenleiter entsprechend gewählt sind.

Die Positionen der vier Zuführungsstellen der Stromzu­ führungseinheit mit den vier Mikrostreifenleitern können unter 0°, -45°, 180° und 135° auf der Grundlage der Mittel­ linie der ringschlitzförmigen Strahlungseinrichtung angeord­ net sein.

Die untere dielektrische Schicht hat vorzugsweise eine höhere Dielektrizitätskonstante als die obere dielektrische Schicht. Die untere dielektrische Schicht besteht aus mehre­ ren dielektrischen Teilschichten. Die dielektrischen Teil­ schichten sind mehrfache dielektrische Schichten, die eine wabenförmige Schicht einschließen.

Die dielektrische Schicht hat vorzugsweise eine Stärke von λd/4 (λd= die Wellenlänge der abgestrahlten Funkwelle, die durch das Dielektrikum geht) und ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der Unterschied in den Dielektrizitätskon­ stanten benachbarter dielektrischer Schichten über einem bestimmten Wert liegt. Die untere dielektrische Schicht kann eine dielektrische Linse sein.

Der Umfang der ringschlitzförmigen Strahlungseinrich­ tung der Leiterplatte ist so bestimmt, daß sich eine Reso­ nanzmode wenigstens zweiter Ordnung ergibt.

Ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Planaran­ tenne umfaßt eine Leiterplatte mit einer ringschlitzförmige Strahlungseinrichtung, die dadurch gebildet ist, daß ein ringförmiges Loch in die Leiterplatte gebohrt ist, um Funk­ wellen durch die ringschlitzförmige Strahlungseinrichtung abzustrahlen, eine obere dielektrische Schicht, die an der Oberseite der Leiterplatte angeordnet ist und aus einem Dielektrikum besteht, eine Stromzuführungseinheit, die an der oberen Außenfläche der oberen dielektrischen Schicht angeordnet ist, um den Strom für die Wellenabstrahlung der Leiterplatte zuzuführen, und eine untere dielektrische Schicht, die an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist und aus einer Vielzahl von dielektrischen Teilschichten besteht, die eine Luftschicht einschließen. Die Stromzufüh­ rungseinheit hat vier Mikrostreifenleiter zum Zuführen des Stromes, wobei die vier Zuführungsstellen bei 0°, 45°, 180° und 225° auf der Grundlage der Mittellinie der ringschlitz­ förmigen Strahlungseinrichtung angeordnet sind und die Pha­ sen des über die jeweiligen Mikrostreifenleiter zugeführten Signals 0°, 90°, 0° und 90° betragen, was dadurch erreicht wird, daß die Längen der Mikrostreifenleiter entsprechend gewählt sind.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Richtcharakteristik einer Antenne für eine bewegliche Hochgeschwindigkeitskommunikation im Haus,

Fig. 2A eine Mikrostripantenne, die in weitem Umfang als Planarantenne benutzt wird,

Fig. 2B ein Beispiel einer Planarantenne mit einer mehrfachen dielektrischen Schicht,

Fig. 3 eine Ringschlitzantenne,

Fig. 4 den Aufbau eines Strahlers für eine Ringschlitz­ antenne gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine Mikrostreifenstromzuführungseinheit, die als Leiterstreifen dargestellt ist, der an der Oberfläche einer oberen dielektrischen Schicht an der Oberseite einer Leiterplatte angeordnet ist, und die Leiterplatte mit einer HF Schaltung verbindet,

Fig. 6 den Aufbau einer Ringschlitzantenne, bei der anstelle der unteren dielektrischen Schicht eine mehrfache dielektrische Schicht an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist,

Fig. 7 den Aufbau einer Ringschlitzantenne, bei der statt der unteren dielektrischen Schicht eine mehrfache dielektrische Schicht und eine dielektrische Linse an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet sind,

Fig. 8 die Strahlungsenergie (oder den Strahlungswider­ stand) in Abhängigkeit vom Radius einer Ringschlitzeinrich­ tung,

Fig. 9 das Ergebnis theoretischer Berechnungen der Strahlungscharakteristik einer Ringschlitzantenne gemäß der Erfindung,

Fig. 10 das Achsenverhältnis, das zur Prüfung einer kreisförmigen Polarisationscharakteristik benutzt wird,

Fig. 11 den Aufbau einer Planarantenne mit einer mehr­ fachen dielektrischen Schicht, die eine Wabenschicht ent­ hält, gemäß eines weiteren Beispiels der Erfindung,

Fig. 12 eine Mikrostripantenne mit einer mehrfachen dielektrischen Schicht,

Fig. 13 eine Ringschlitzantenne mit einer mehrfachen dielektrischen Schicht,

Fig. 14 den Aufbau der mehrfachen dielektrischen Schicht gemäß eines weiteren Beispiels der Erfindung,

Fig. 15 eine Mikrostripantenne mit einer mehrfachen dielektrischen Schicht, in die eine Luftschicht eingebettet ist, und

Fig. 16 eine Schlitzantenne mit einer mehrfachen die­ lektrischen Schicht, in die eine Luftschicht eingebettet ist.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Planarantenne mit einer ringschlitzförmi­ gen Strahlungseinrichtung. Die Planarantenne hat einen mehr­ schichtigen planaren Aufbau. Eine obere dielektrische Schicht 400, eine Leiterplatte 410 und eine untere dielek­ trische Schicht 420 sind von oben nach unten übereinander angeordnet. Eine Ringschlitzeinrichtung 430, die dadurch ausgebildet ist, daß ein ringförmiges Loch in die Leiter­ platte 410 gebohrt ist, arbeitet als Antenne. Die Ring­ schlitzeinrichtung 430 ist so ausgebildet, daß die elektro­ magnetische Strahlung in Vorwärtsrichtung ein schalenförmi­ ger Strahl ist und daß eine Resonanz zweiter Ordnung bei einer gegebenen Frequenz auftritt.

Um das zu erreichen, ist die Ringschlitzeinrichtung so ausgebildet, daß der Außenumfang des Ringschlitzes das 0,9 bis 1,1fache der Wellenlänge im Inneren des Schlitzes be­ trägt. Da die Breite des Schlitzes die Eingangsimpedanz des Schlitzes bestimmt, ist der Schlitz so ausgelegt, daß eine zu einer Antennenversorgungseinheit passende Impedanz pro­ blemlos erzielt werden kann. Die Leistungsfähigkeit ist erhöht, da die Kopplung mit der Versorgungseinheit gut ist, wenn die Breite des Schlitzes zunimmt. Das Strahlungsmuster ist jedoch gestört, da eine höhere Mode in radialer Richtung erzeugt wird, wenn die Breite des Schlitzes zu groß ist. Die Breite des Schlitzes sollte daher in geeigneter Weise fest­ gelegt werden.

Fig. 5 zeigt eine Mikrostreifenstromzuführungseinheit 500, die die obere dielektrische Schicht 400 und die HF Schaltung verbindet, und zwar in Form eines Leiterstreifens, der an der Oberfläche der oberen dielektrischen Schicht 400 an der Oberseite der Leiterplatte 410 angeordnet ist. Die Antennenstromzuführungseinheit 500 ist symmetrisch. Strom wird an vier Stellen so zugeführt, daß eine kreisförmige Polarisationscharakteristik in einem breiten Winkel erhalten werden kann. Die Stromzuführungseinheit ist in diesem Fall so ausgebildet, daß die Stromzuführungsstellen bei 0°, 45°, 180° und 225° (oder 0°, -45°, 180° und 135°) auf der Grund­ lage einer Mittellinie a-a' der ringschlitzförmigen Strah­ lungseinrichtung liegen und daß die Phasen des zugeführten Stromes 0°, 90°, 0° und 90° bezüglich der kreisförmig auf­ einanderfolgenden Stromzuführungsstellen betragen. Dazu wird der Strom gleichmäßig an vier Stellen über einen Teiler von einer Mikrostreifenleitung übertragen, die mit den HF Sende- und Empfangsendstationen verbunden ist. Der Phasenunter­ schied des elektrischen Feldes der Stromzuführungseinheit wird weiterhin dadurch bestimmt, daß die Längen der jeweili­ gen Übertragungsleitungen entsprechend gewählt werden. Die Reflexionsverluste werden dadurch so klein wie möglich gehalten, daß ein Impedanzwandler an jedem Teiler vorgesehen ist. Die Länge und die Breite der Stromzuführungsleitungen sind weiterhin so gewählt, daß die Kopplung zwischen dem Streifenleiter und dem Schlitz am größten ist.

Der Gewinn der Antenne nimmt zu, wenn eine einzige dielektrische Schicht oder mehrfache dielektrische Schichten oder eine ovale dielektrische Linse an der Unterseite der Leiterplatte 410 angeordnet werden. In diesem Fall sollte die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht an der Unterseite höher als die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht an der Oberseite sein. Das dient dazu, das Vorder-Rückseitenverhältnis der Richtcharakteri­ stik der Antenne zu erhöhen.

Da bei einer Schlitzantenne viel Strom zu der Seite mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten abgestrahlt wird, ist die dielektrische Schicht mit der hohen Dielektrizitätskon­ stanten an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet. In diesem Fall wird eine Oberflächenwelle, die sich entlang der dielektrischen Oberfläche fortpflanzt, im Inneren des Die­ lektrikums auf der anderen Seite der in den freien Raum abgestrahlten Welle erzeugt. Die Stärke der dielektrischen Schicht sollte 1/4 der Wellenlänge betragen, um die Erzeu­ gung der Oberflächenwelle zu unterdrücken.

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Ringschlitzantenne, bei der statt einer einzigen unteren dielektrischen Schicht eine mehrfache dielektrische Schicht an der Unterseite der Lei­ terplatte angeordnet ist. Die Stärke der dielektrischen Schicht wird im Millimeterwellenband zu klein, da die Wel­ lenlänge zu klein ist. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, werden daher verschiedene dielektrische Teilschichten mit einer Stärke von 1/4 der Wellenlänge übereinander angeordnet und an der Unterseite der Leiterplatte vorgesehen. Dement­ sprechend ist es möglich eine Herabsetzung des Wirkungsgra­ des selbst dann zu verhindern, wenn die Stärke zunimmt. In diesem Fall ist es möglich, den Antennengewinn dadurch zu erhöhen, daß die mehrfachen dielektrischen Schichten so ausgebildet sind, daß ihre Dielektrizitätskonstanten in Folge hoch, niedrig und wieder hoch sind.

Fig. 7 zeigt den Aufbau einer Ringschlitzantenne, bei der statt einer einzigen unteren dielektrischen Schicht mehrere dielektrische Schichten und eine dielektrische Linse an der Unterseite der Leiterplatte angebracht sind. Die dielektrische Linse 700 ist an der Unterseite der Leiter­ platte angebracht, um eine Strahlcharakteristik mit hohem Gewinn zu erzielen.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemä­ ßen Planarantenne mit einer ringschlitzförmigen Strahlungs­ einrichtung beschrieben. Ein hochfrequentes Signal, das von der Stromzuführungsleitung am Schlitz liegt, induziert ein elektromagnetisches Feld im Ringschlitz. Das im Schlitz induzierte elektromagnetische Feld arbeitet als magnetische und elektrische Stromquelle und strahlt eine elektromagneti­ sche Welle in den freien Raum ab. Wenn der Außenumfang des Ringschlitzes das n-fache der Wellenlänge im Schlitz be­ trägt, wobei n eine ganze Zahl ist, bildet sich eine Reso­ nanzmode. Die Strahlung der Wellenenergie an den freien Raum ist maximal. Es ist möglich, verschiedene Arten von Stromzu­ führungsschaltungen auszubilden, bei denen eine Mikrostrei­ fenleitung verwandt wird. Die obere dielektrische Schicht besteht aus einem Material mit einer niedrigen Dielektrizi­ tätskonstanten, um zu verhindern, daß zuviel elektromagneti­ sche Strahlung in die Richtung der Stromzuführungsschaltung geht.

Fig. 8 zeigt die Strahlungsenergie (oder den Strahlungswiderstand) in Abhängigkeit vom Radius der Ring­ schlitzeinrichtung. In einer Resonanzmode ist die Strahlungsenergie auf Grund der Beziehung zwischen dem Au­ ßenumfang der Ringschlitzeinrichtung und der Wellenform des elektrischen Feldes im Schlitz maximal. Bei der ersten Reso­ nanzmode hat der Strahl eine gerichtete Charakteristik. Bei der zweiten Resonanzmode, nämlich dann, wenn n gleich 2 ist, ist der Strahl konkav und hat der Strahl eine Breite von 3 dB über nicht weniger als 120°. Die Charakteristik einer links- oder rechtskreispolarisierten Welle wird dabei dadurch er­ halten, daß Strom vier Stellen (0°, 45°, 180° und 225°) des Ringschlitzes bei der zweiten Resonanzmode mit verschiedenen Phasen von 0°, 90°, 0° und 90° jeweils zugeführt wird. Es ist auch möglich die Charakteristik einer kreisförmig pola­ risierten Welle dadurch zu erhalten, daß Strom an Stellen 0°, -45°, 180° und 135° zugeführt wird.

Die elektromagnetische Welle wird vom Schlitz in den freien Raum durch die dielektrische Schicht abgestrahlt. Ein größerer Wellenanteil wird zur Unterseite der Leiterplatte mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten abgestrahlt.

Fig. 9 zeigt das Ergebnis einer theoretischen Berech­ nung der Strahlungscharakteristik der erfindungsgemäßen Planarantenne mit einer ringschlitzförmigen Strahlungsein­ richtung. Es wurde ein Vollwellenanalyseverfahren angewandt. In Fig. 9 besteht 0 bei 0° und eine 3 dB Strahlbreite über 120°. Fig. 10 zeigt die Achsenverhältnisse zur Prüfung der Charakteristik der kreisförmig polarisierten Welle. Im Fall einer vollständig kreisförmig polarisierten Welle ist das maximale Verhältnis zwischen dem vertikalen elektromagneti­ schen Feld und dem horizontalen elektromagnetischen Feld gleich 1 und ist der Phasenunterschied gleich 90°. In Fig. 10 ist die Charakteristik der kreisförmig polarisierten Welle in einem breiten Bereich (120°) dargestellt.

Fig. 11 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Planarantenne mit einer mehrfachen dielek­ trischen Schicht, die eine wabenförmige Schicht einschließt, wobei dieses Ausführungsbeispiel eine Planarantennenschicht 30 und eine mehrfache dielektrische Schicht 35 umfaßt.

Die Planarantennenschicht 30 besteht aus einer Leiter­ platte 34 zum Abstrahlen einer Funkwelle an den freien Raum, einer oberen dielektrischen Schicht 32, die an der Oberseite der Leiterplatte 34 vorgesehen ist, und einer Stromzufüh­ rungseinheit 33, die an der oberen Außenfläche der oberen dielektrischen Schicht vorgesehen ist, um Strom zur Wellen­ abstrahlung der Leiterplatte zuzuführen. Die Stromzufüh­ rungseinheit 33 ist so ausgebildet, wie sie für eine übliche Planarantenne vorgesehen ist. Die Form der Stromzuführungs­ einheit 33 kann die gleiche wie bei einer Mikrostripantenne oder einer Ringschlitzantenne sein. Die Planarantennen­ schicht 30 induziert den Strom an der Oberfläche des Leiters auf der oberen dielektrischen Schicht 32 oder der schlitz­ förmigen Stromzuführungseinheit und strahlt elektromagneti­ sche Wellenenergie an den freien Raum ab.

Die mehrfache dielektrische Schicht 35 besteht aus mehreren dielektrischen Teilschichten und schließt eine Wabenschicht 37 ein, die an der Strahlungsrichtungsseite der Planarantennenschicht 30 angebracht ist und den Antennenge­ winn erhöht. Die mehrfache dielektrische Schicht 35 umfaßt die Wabenschicht 37 aus einem Dielektrikum mit einer hexago­ nalen Zellenstruktur, eine untere dielektrische Schicht 38, die an den unteren Teilen der wabenförmigen Schicht 37 an­ geordnet ist und aus einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten besteht, und eine obere dielek­ trische Schicht 36, die an den oberen Teilen der wabenförmi­ gen Schicht 37 angeordnet ist und aus einem Dielektrikum mit der hohen Dielektrizitätskonstanten besteht. Nachdem die Wabenkonstruktion mit einer Stärke von 1/4 der Wellenlänge (Wellenlänge in Luft) auf der dielektrischen Platte mit einer Stärke von 1/4 der Wellenlänge (Wellenlänge im Dielek­ trikum) angeordnet ist, wird die dielektrische Schicht auf die Schicht mit der Wabenstruktur aufgebracht. Es ist mög­ lich, ein mehrschichtiges Dielektrikum mit der gewünschten Anzahl an Schichten nach dem obigen Verfahren herzustellen.

Die Wabenkonstruktion oder -struktur wird dazu benutzt, ein Verdrehen aus äußeren Gründen, wie beispielsweise einem Druck und einer Temperaturänderung, zu vermeiden, während die Anordnung auf einer Maschinenoberfläche angeordnet ist oder auf der Oberfläche einer Einrichtung angeordnet wird. Die mehrfache dielektrische Schicht wird dadurch gebildet, daß die Wabenstruktur und die Dielektrika übereinander an­ geordnet werden, und wird bei der Planarantenne vorgesehen. Die Wabenschicht 27 verhindert eine Veränderung der Form der Antenne auf Grund eines Druckes oder einer Änderung der Temperatur, indem sie die Kontaktfläche zwischen den Dielek­ trika und dadurch einen parasitären Effekt verringert.

Die mehrfache dielektrische Schicht wird an der Strah­ lungsrichtungsseite der herkömmlichen Planarantenne angeord­ net. Die Strahlungseinrichtung der Planarantennenschicht kann irgendeine Ausbildung haben. Fig. 12 zeigt eine Mikro­ stripantenne mit einer mehrfachen dielektrischen Schicht. Fig. 13 zeigt eine Ringschlitzantenne, die eine mehrfache dielektrische Schicht verwendet.

Fig. 14 zeigt den Aufbau einer mehrfachen dielektri­ schen Schicht bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Planarantennenschicht 1450 und eine mehrfache die­ lektrische Schicht 1460 umfaßt.

Die Planarantennenschicht 1450 umfaßt ein Dielektrikum 1400 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten, eine Leiterplatte 1410, die unter dem Dielektrikum 1400 angeord­ net ist, um die Funkwelle in den freien Raum abzustrahlen, und eine Stromzuführung 1440, die am oberen Teil des Dielek­ trikums 1400 angebracht ist, um den Strom zur Wellenabstrah­ lung der Leiterplatte 1410 zuzuführen. Die Stromzuführung 1440 kann so ausgebildet sein, wie sie für eine übliche Planarantenne vorgesehen ist. Die Form der Stromzuführung 1440 kann die gleiche wie bei einer Mikrostripantenne oder bei einer Ringschlitzantenne sein. Die Planarantennenschicht 1450 indiziert einen Strom an der Oberfläche der Leiterplat­ te 1410, die sich unter dem Dielektrikum 1400 oder der schlitzförmigen Stromzuführung befindet, und strahlt elek­ tromagnetische Wellenenergie in den freien Raum ab.

Die mehrfache dielektrische Schicht 1460 besteht aus einer oberen dielektrischen Schicht 1420, die an der Plana­ rantennenschicht 1450 angebracht ist und eine hohe Dielek­ trizitätskonstante hat, einer unteren dielektrischen Schicht 1425, die aus einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektri­ zitätskonstanten besteht, und einer Luftschicht 1430, die zwischen der oberen dielektrischen Schicht 1420 und der unteren dielektrischen Schicht 1425 angeordnet ist und von dielektrischen Stützen gehalten ist. Die obere dielektrische Schicht 1420 und die untere dielektrische Schicht 1425 sind dielektrische Platten mit hohen Dielektrizitätskonstanten und einer Stärke gleich 1/4 der Wellenlänge (Wellenlänge im Dielektrikum). Die dielektrischen Stützen mit einer Länge von 1/4 der Wellenlänge (Wellenlänge in Luft) stehen an einigen Stellen einschließlich der vier Ecken der dielek­ trischen Platte. Die gleiche dielektrische Schicht wird auf jeder Seite der Stützen angeordnet. Es ist möglich, das aus mehreren Schichten bestehende Dielektrikum mit der gewünsch­ ten Anzahl an Schichten nach dem obigen Verfahren zu bilden. Die dielektrischen Stützen können aus dem gleichen Material wie die dielektrische Schicht oder einem Material bestehen, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat.

Das mehrschichtige Dielektrikum wird auf der Strah­ lungsrichtungsseite der herkömmlichen Planarantenne angeord­ net. Die Strahlungseinrichtung kann irgendeinen Aufbau ha­ ben. Fig. 15 zeigt eine Mikrostripantenne mit einem mehr­ schichtigen Dielektrikum, in das eine Luftschicht eingebet­ tet ist, und die eine mehrfache dielektrische Schicht 1500 und eine Mikrostripantenne 1510 umfaßt. In Fig. 15 sind weiterhin eine dielektrische Schicht 1520, eine Stromzufüh­ rungsschicht 1530 und eine Leiterschicht 1540 dargestellt. Fig. 16 zeigt eine Schlitzantenne mit einem mehrschichtigen Dielektrikum, in das eine Luftschicht eingebettet ist und die eine mehrfache dielektrische Schicht 16 und eine Ring­ schlitzantenne 18 umfaßt.

Eine Planarantenne mit einer ringschlitzförmigen Strah­ lungseinrichtung gemäß der Erfindung hat einen sehr einfa­ chen Aufbau und nimmt nur einen geringen Platz ein, da sie einen planaren Aufbau hat und nur eine Strahlungseinrichtung verwendet. Es ist möglich, eine mehrfache Stromzuführungs­ schaltung unter Verwendung von Mikrostreifenleitern als Energieversorgung zu verwirklichen. Da der Strom von einer Stromzuführungsschaltung vier Stellen zugeführt wird, kann die Planarantenne problemlos in Form einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung MMIC ausgebildet werden. Diese Antenne kann daher als Grundantenne für ein Funknach­ richtenverbindungssystem im Hause verwandt werden.

Es wird die Charakteristik eines schalenförmigen Strahls erreicht, die für eine Grundantenne eines Funknach­ richtenverbindungssystems im Hause geeignet ist. Da in die­ sem Fall das empfangene elektromagnetische Feld unabhängig von der Position des Benutzers gleichförmig ist, sind die Beschränkungen in der Auslegung des dynamischen Bereiches des HF Empfängers geringer. Da es bei MMIC Sendern und Emp­ fängern schwierig ist, den gewünschten dynamischen Bereich zu erzielen, ist diese Antenne zur Verwirklichung eines der­ artigen Systems zweckmäßig.

Die Planarantenne hat eine Strahlbreite von 3 dB über 120°, eine symmetrische Richtcharakteristik und die Charak­ teristik einer kreisförmig polarisierten Welle über einen breiten Winkel von 120°. Die Antenne nimmt nur einen gerin­ gen Platz ein und kann leicht hergestellt werden.

Die Antenne kann an der Oberfläche einer Vorrichtung wie beispielsweise an einem Terminal, einem Personal Digital Assistant PDA oder einem Notebook angebracht werden, da sie planar ist. Die Antenne ist mit geringen Herstellungskosten verbunden, da sie einer Massenproduktion zugänglich ist.

Auch bei Millimeterwellen nimmt die Produktivität zu, da parasitäre Effekte während der halbleitertechnischen Ver­ fahren verringert sind.

Wenn ein mehrschichtiges Dielektrikum benutzt wird, ist es möglich, eine dicke planare Antenne ohne Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit herzustellen. Die Planarantenne eig­ net sich daher als Millimeterwellenantenne.

Es ist möglich, die Leistungsfähigkeit und den Gewinn der Antenne dadurch zu erhöhen, daß ein mehrschichtiges Dielektrikum vorgesehen ist, in das eine Luftschicht zwi­ schen den dielektrischen Schichten der Planarantenne einge­ bettet ist. Die Planarantenne kann problemlos selbst im Millimeterwellenband hergestellt werden.

Die Planarantenne mit einer Luftschicht, die unter Verwendung von Stützen gebildet ist, kann problemlos herge­ stellt werden, da es nicht notwendig ist, die gesamte Ober­ fläche jedes Dielektrikums miteinander zu verbinden. Der parasitäre Effekt wird vermindert, da die Kontaktfläche zwischen den Dielektrika in diesem Fall klein ist.

Bei einem mehrschichtigen Dielektrikum wird der Anten­ nengewinn größer mit steigendem Unterschied der Dielektrizi­ tätskonstanten zwischen den jeweiligen dielektrischen Schichten. Da die Dielektrizitätskonstante der Luftschicht gleich 1 ist (kleinste Dielektrizitätskonstante, die erhal­ ten werden kann) ist der Antennengewinn am größten und das Front/Rückseitenstrahlungsverhältnis höher.

Eine Planarantenne mit einer Luftschicht unter Verwen­ dung einer Wabenkonstruktion ist leistungsfähiger als eine herkömmliche Planarantenne. Es ist möglich, einen höheren Gewinn unter Verwendung der erfindungsgemäßen Planarantenne zu erzielen. Die Planarantenne gemäß der Erfindung ist fe­ ster als eine herkömmliche Planarantenne. Der Gewinn wird größer mit steigendem Unterschied der Dielektrizitätskon­ stanten zwischen den jeweiligen dielektrischen Schichten des mehrschichtigen Dielektrikums. Da der größte Teil des Waben­ bereiches Luft ist, liegt die effektive Dielektrizitätskon­ stante in diesem Bereich nahe bei 1. Der Antennengewinn ist daher maximal und das Front/Rückseitenstrahlungsverhältnis ist höher.

Die erfindungsgemäße Planarantenne kann auch für ver­ schiedene andere Zwecke wie beispielsweise für eine Funkver­ bindung, Radar und Einrichtungen verwandt werden, die einen Fahrzeugzusammenstoß verhindern sollen.

Claims (18)

1. Planarantenne mit
einer Leiterplatte (410) zum Abstrahlen von Funkwellen in den freien Raum,
einer oberen dielektrischen Schicht (400), die an der Oberseite der Leiterplatte (410) vorgesehen ist,
einer Stromzuführungseinheit, die an der oberen Außen­ fläche der oberen dielektrischen Schicht (400) angeordnet ist, um den Strom für die Wellenabstrahlung der Leiterplatte (410) zuzuführen, und
mehreren dielektrischen Schichten, die an der Unter­ seite der Leiterplatte (410) angebracht sind und wenigstens eine Luftschicht einschließen.

2. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine untere dielektrische Schicht eine höhere Die­ lektrizitätskonstante als eine obere dielektrische Schicht (400) hat.

3. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftschicht eine Dielektrizitätskonstante hat, die gleich der oder kleiner als die Dielektrizitätskonstante der darüberliegenden und der darunterliegenden dielektri­ schen Schicht ist.

4. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftschicht eine Dielektrizitätskonstante hat, die gleich der oder kleiner als die Dielektrizitätskonstante der darüberliegenden und der darunterliegenden dielektri­ schen Schicht ist.

5. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftschicht dadurch gebildet ist, daß Stützen zwischen zwei der dielektrischen Schichten angeordnet sind, die die Vielzahl an unteren dielektrischen Schichten bilden.

6. Planarantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stärke der Luftschicht 1/4 der Wellenlänge der Funkwelle beträgt, die durch die Luftschicht geht, und daß die Stärke der beiden dielektrischen Schichten, zwischen denen die Luftschicht angeordnet ist, gleich 1/4 der Wellen­ länge im Dielektrikum ist.

7. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftschicht dadurch gebildet ist, daß eine wabenförmige Schicht zwischen zwei der dielektrischen Schichten angeordnet ist, die die Vielzahl an unteren di­ elektrischen Schichten bilden.

8. Planarantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stärke der wabenförmigen Schicht gleich 1/4 der Wellenlänge der Funkwelle ist, die durch die wabenförmige Schicht geht, und daß die Stärke der beiden dielektrischen Schichten, in die die wabenförmige Schicht eingelagert ist, gleich 1/4 der Wellenlänge im Dielektrikum ist.

9. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiterplatte eine ringschlitzförmige Strah­ lungseinrichtung umfaßt.

10. Planarantenne mit
einer Leiterplatte, die eine ringschlitzförmige Strah­ lungseinrichtung aufweist, die dadurch gebildet ist, daß ein ringförmiges Loch in die Leiterplatte gebohrt ist, um Funk­ wellen durch die ringschlitzförmige Strahlungseinrichtung abzustrahlen,
einer oberen dielektrischen Schicht, die an der Ober­ seite der Leiterplatte angeordnet ist und aus einem Dielek­ trikum besteht,
einer Stromzuführungseinheit, die an der oberen Außen­ fläche der oberen dielektrischen Schicht angeordnet ist, um Strom für die Wellenabstrahlung der Leiterplatte zuzuführen, und
einer unteren dielektrischen Schicht, die an der Unter­ seite der Leiterplatte angeordnet ist und aus einem Dielek­ trikum besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungseinheit vier Mikrostreifenleiter zum Zuführen des Stromes aufweist, die vier Stromzuführungsstel­ len bei 0°, 45°, 180° und 225° auf der Grundlage der Mittel­ linie der ringschlitzförmigen Strahlungseinrichtung angeord­ net sind und die Phasen des Stromzuführungssignals, das über die jeweiligen Mikrostreifenleiter kommt, bei 0°, 90°, 0° und 90° liegen, was durch eine entsprechende Auslegung der Länge der Mikrostreifenleiter erreicht ist.

11. Planarantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Positionen der vier Stromzuführungsstellen der Stromzuführungseinheit aus Mikrostreifenleitern bei 0°, 45°, 180° und 135° auf der Grundlage der Mittellinie der ringschlitzförmigen Strahlungseinrichtung angeordnet sind.

12. Planarantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die untere dielektrische Schicht eine höhere Die­ lektrizitätskonstante als die obere dielektrische Schicht hat.

13. Planarantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die untere dielektrische Schicht aus mehreren die­ lektrischen Teilschichten besteht.

14. Planarantenne nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dielektrischen Teilschichten eine Waben­ schicht einschließen.

15. Planarantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht so ausgebildet ist, daß sie eine Stärke von λd/4 (λd ist die Wellenlänge der abgestrahlten Funkwelle, die durch das Dielektrikum geht) hat und daß der Unterschied zwischen den Dielektrizi­ tätskonstanten benachbarter dielektrischer Schichten größer als ein bestimmter Wert ist.

16. Planarantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die untere dielektrische Schicht eine dielektrische Linse ist.

17. Planarantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Außenumfang der ringschlitzförmigen Strahlungs­ einrichtung der Leiterplatte so bestimmt ist, daß eine Reso­ nanzmode wenigstens zweiter Ordnung gebildet wird.

18. Planarantenne mit
einer Leiterplatte, die eine ringschlitzförmige Strah­ lungseinrichtung aufweist, die dadurch gebildet ist, daß ein ringförmiges Loch in die Leiterplatte gebohrt ist, um Funk­ wellen durch die ringschlitzförmige Strahlungseinrichtung abzustrahlen,
einer oberen dielektrischen Schicht, die an der Ober­ seite der Leiterplatte angebracht ist und aus einem Dielek­ trikum besteht,
einer Stromzuführungseinheit, die an der oberen Außen­ fläche der oberen dielektrischen Schicht angebracht ist, um den Strom für die Wellenabstrahlung der Leiterplatte zu zuführen, und
einer unteren dielektrischen Schicht, die an der Unter­ seite der Leiterplatte angebracht ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die untere dielektrische Schicht aus mehreren die­ lektrischen Teilschichten einschließlich einer Luftschicht gebildet ist, die Stromzuführungseinheit vier Mikrostreifen­ leiter aufweist, um den Strom zu zuführen, die vier Stromzu­ führungsstellen bei 0°, 45°, 180° und 225° auf der Grundlage der Mittellinie der ringschlitzförmigen Strahlungseinrich­ tung angeordnet sind und die Phasen des Stromzuführungssi­ gnals, das über die jeweiligen Mikrostreifenleiter kommt, 0°, 90°,0° und 90° betragen, was durch eine entsprechende Wahl der Längen der Mikrostreifenleiter erzielt ist.