DE19911999A1

DE19911999A1 - Modulares Dualbandstrahlersystem

Info

Publication number: DE19911999A1
Application number: DE19911999A
Authority: DE
Inventors: Lutz Rothe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugung einer vertikal polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene innerhalb des für die Bündelfunkdienste reservierten Frequenzbereiches zwischen 410 MHz und 430 MHz bzw. innerhalb des für die C-Netz-Mobilfunkdienste reservierten Frequenzbereiches zwischen 450 MHz und 465.80 MHz sowie dem Merkmal der Erzeugung einer Zirkularpolarisation des Strahlungsfeldes mit dem Strahlungsmaximum der zirkular polarisierten Sektorstrahlung in Richtung der Flächennormalen des Flächenstrahlers innerhalb des Spektralbereiches der empfangbaren GPS-Signale. Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einer unsymmetrischen Wellenleiterresonatorkonzeption mit spektral selektiver Modenanregung. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Bündelfunk, Mobilfunk, Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Rundstrahlung, Sektorstrahlung, Spektrum, Polarisation, Vertikalpolarisation, Zirkularpolarisation, Wellenleiter, Wellenleiterresonator, 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 vertikal polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene vorzugsweise innerhalb des für die Bündelfunkdienste reser vierten Spektralbereiches zwischen 410 MHz und 430 MHz und der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer rechtsdrehend zirkular polarisierten und koordinaten seitig breiten Sektorstrahlung mit der Hauptstrahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Anordnung oder der Erzeugbarkeit einer linear vertikal polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene vorzugsweise innerhalb des für die C-Netz-Mobilfunkdienste reservierten Spektralbereiches zwischen 450 MHz und 465,80 MHz und der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer rechtsdrehend zirkular polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung mit der Hauptstrahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Anordnung.

Das Ziel der Erfindung besteht insbesondere darin, die beiden Strahlungsfunktio nen - Bündelfunk/GPS oder C-Netz/GPS - einer hybriden bzw. Kombinationsan ordnung zuzuordnen und die GPS-Antennenkomponente mit einem innerhalb des Antennencontainments integrierten rauschangepaßten Signalverstärker zu koppeln.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil funkbereich sowie den Bereich der Mobilnavigation mittels des Empfangs bzw. der Bewertung der GPS-Signale. Hierbei bildet der Planarstrahler eine Antennen komponente für die Außenmontage bzw. für Außenbordanwendungen sowohl für landmobile und Luftfahrzeuge als auch für maritime Bewegungs- und Verkehrs mittel, mittels dessen vorzugsweise die Kommunikationsanwendungen bzw. die Kommunikationsdienste des 70 cm - Sprechfunk-Bandes unterstützt werden.

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. Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elektrischen Feldvektors sowie der Rundstrahlcharakteristik in der Azimutalebene beruhen auf der Ring-Schlitz-Konzeption.

Bekannte Antennenlösungen für den Empfang der GPS-Signale basieren auf Wendelantennenkonzeptionen sowie Resonatorantennenkonzeptionen in Micro striptechnik, wobei hierbei sowohl niederdielektrische Strukturträger in Form von Polytetrafluorethylen-Kompositionen als auch hochdielektrische Strukturträger in Form elektrisch hochgütiger Keramiken als Strukturträger Anwendung finden.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer vertikal polarisierten Rundstrahlung in der Azimutalebene des flächig auf einer dielektrischen oder leitfähigen Grundebene montierbaren Strahlers sowie einer gegenüber dem Frequenzbereich der Rundstrahlung spektral versetzten zirkular polarisierten Sektorstrahlung mit dem Strahlungsmaximum in Richtung der Flächennormalen des Strahlers bzw. der Strahlerachse.

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) mit einer kreisringförmigen Berandung ausgebildet werden, wobei die Platten oder Folien (1, 2) mit glei chem oder unterschiedlichem, vorzugsweise unterschiedlichem, Außendurch messer ausgeführt werden und die Platte oder Folie (2) mit einem kleineren Außendurchmesser als der Durchmesser der Platte oder Folie (1) bemessen wird. Die erfindungsgemäß planparallel und achsensymmetrisch zur leitfähigen Platte oder Folie (1) angeordnete kreisringförmige und leitfähige Platte oder Folie (2) wird mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt, indem der Innenleiter (10) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisringförmigen Platte oder Folie (2) und der Außenleiter (11) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden werden, wobei der Außenleiter (11) durch die Blende (12) der Platte oder Folie (1) hindurchgehend in den Raum (13) zwischen der kreis ringförmigen Platte oder Folie (2) und der Platte oder Folie (1) in der Weise ver längert wird, daß das in den Zwischenraum der Platten oder Folien (2) und (1) eingeführte Außenleitersegment die Platte oder Folie (2) nicht berührt und be züglich des Innen- und Außendurchmessers identisch der Geometrie des Außen leiters (11) ausgeführt oder bezüglich des Innen- oder Außendurchmessers oder des Innen- und Außendurchmessers kontinuierlich oder diskontinuierlich getapert wird. Weiterhin wird die kreisringförmige Platte oder Folie (2) über einen oder ein- oder mehrpaarige, vorzugsweise einpaarig, bemessene ohmsche Widerstände (14) definierter Impedanz, vorzugsweise niederohmiger Impedanz, sowie für den Fall ein- oder mehrpaariger ohmscher Widerstände in einem definierten Winkel abstand zueinander und in gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem, Winkelabstand zum Kopplungspunkt des Innenleiters (10) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) in der Weise gekoppelt, daß jeweils die beiden Kopplungs punkte des bzw. der ohmschen Widerstände auf einer parallel zur Flächennor malen der beiden Flächen verlaufenden Achse positioniert sind, wobei der bzw. die Kopplungspunkte des bzw. der ohmschen Widerstände (14) bezüglich der radialen Positionierung vorzugsweise an der Außenberandung der kreisringför migen Platte oder Folie (2) angeordnet werden. Über die quantitative Bemessung der Kopplungsimpedanz bzw. der Kopplungsimpedanzen (14) in Verbindung mit der radialen sowie azimutalen Positionierung des bzw. der Kopplungspunkte der ohmschen Widerstände mit der kreisringförmigen Platte oder Folie (2) erfolgt die Festlegung der geometrischen Verteilungsfunktion der elektrischen bzw. magne tischen Quellgrößen sowie der elektrischen bzw. magnetischen Feldkomponenten und damit verbunden die definierte Bedämpfung des Resonanzkreises und damit die Steuerung des spektralen Torverhaltens des elektromagnetischen Zweitores. Erfindungsgemäß kann die kreisringförmige Platte oder Folie (2) in einem definierten Winkelabstand oder in definierten Winkelabständen bezüglich des Kopplungspunktes des Innenleiters (10) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2), vorzugsweise in 2n (n = 1, 2, . . .) Kopplungspunkten der kreisringförmigen und leitfähigen Platte oder Folie (2) sowie 2n (n = 1, 2, . . .) Kopplungspunkten der kreisförmigen und leitfähigen Platte oder Folie (1), über jeweils ein leitfähiges Kopplungselement (19) bzw. über mehrere leitfähige Kopplungselemente (19), vorzugsweise über 2n (n = 1, 2, . . .) leitfähige Kopplungselemente (19) beliebiger Kontur, vorzugsweise zylinderförmige Kopplungselemente, mit der kreisförmigen und leitfähigen Platte oder Folie (1) gekoppelt werden, indem die jeweils zu einem Kopplungselement (19) gehörigen Kopplungspunkte auf einer parallel zur Flächennormalen der beiden Plattenflächen (1, 2) verlaufenden Achse positio niert werden. Hierbei läßt sich die Impedanz der jeweiligen Kopplungselemente (19) über die definierte Bemessung des Materials sowie der Geometrie und damit der daraus resultierenden Blindkomponenten bzw. der resultierenden Verlust winkel gezielt synthetisieren. In Abhängigkeit von der ortsabhängigen Einfügung der Kopplungselemente (19) innerhalb des elektromagnetisch schwingungs fähigen Systems lassen sich der Frequenzgang der Eingangsimpedanz sowie der Frequenzgang des Strahlungsleitwertes bzw. der Strahlungsgüte gezielt bemessen bzw. steuern.

Die mechanische Positionierung der leitfähigen und kreisringförmigen Platte oder Folie (2) gegenüber der kreisförmigen Platte oder Folie (1) erfolgt mittels dielek trischer Distanzelemente (4) mit vorzugsweise zylindrischer Geometrie und vor zugsweise gleichem Winkelversatz zueinander.

Erfindungsgemäß wird planparallel sowie axialsymmetrisch zur leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Platte (3) mit hexagonaler Berandung, deren der Platte oder Folie (1) zugewandte Fläche (5) leitfähig beschichtet und deren der leitfähigen Platte oder Folie (1) abgewandte Fläche (6) derartig mittels leitfähiger Flächenelemente strukturiert ist, daß die dielektrische Platte (3) sowohl Träger als auch Funktionskomponente eines Flächenresonators in Microstriptechnik (7) mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie eines rauschangepaßten einstufigen Signalverstärkers (8) in geschirmter Microstriptech nik bzw. unsymmetrischer Triplatetechnik bildet, in gleicher oder ungleicher, vor zugsweise gleicher, Höhe bezüglich der leitfähigen kreisringförmigen Platte oder Folie (2) mittels dielektrischer Distanzelemente beliebiger Kontur, vorzugsweise zylinderförmiger Distanzelemente (18), bestehend aus Polyvinylchlorid, angeord net, wobei der Radius des das Hexagon (3) umfassenden Kreises kleiner als der Innenradius der kreisringförmigen leitfähigen Platte oder Folie (2) bemessen und die Schirmung (9) galvanisch mit der leitfähigen Beschichtung (5) der dielek trischen Platte (3) gekoppelt werden.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels praxisrelevanter Ausführungsbei spiele näher erläutert werden. Hierbei wird mittels der gegenständlichen Anord nungen der Ausführungsbeispiele 1 und 3 innerhalb des Frequenzbandes zwischen 410 MHz und 430 MHz bzw. mittels der gegenständlichen Anord nungen der Ausführungsbeispiele 2 und 4 innerhalb des Frequenzbereiches zwischen 450 MHz und 465.80 MHz ein linear polarisiertes Strahlungsfeld mit azimutaler Rundstrahlungscharakteristik bezüglich der Flächennormalen der Strahleranordnung sowie für die Frequenz 1575 MHz ein zirkular polarisiertes und sektorförmiges Strahlungsfeld mit der Hauptstrahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Strahleranordnung erzeugt.

Planparallel zu einer leitfähigen metallischen Platte (1), vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, wird gemäß der Abb. 1 in einer Höhe von 16 mm gegenüber der Platte (1) eine kreisringförmige Platte (2), vorzugswei se bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, angeordnet, deren konstruk tiver Mittelpunkt bzw. Ausgangspunkt der Radiusvektoren identisch dem Punkt (15) ist, wobei die Distanzierung der kreisringförmigen Platte (2) gegenüber der leitfähigen und kreisförmigen Platte (1) mittels vier, vorzugsweise gleichwinklig zueinander angeordneter, zylinderförmiger Distanzelemente (4), vorzugsweise bestehend aus Polyvinylchlorid, erfolgt. Die kreisringförmige Platte (2) wird mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt, indem der Innenleiter (10) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (2) und der Außenleiter (11) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (1) verbunden werden. Der Außenleiter (11) wird mittels einer leitfähigen Buchse (16), vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, der geometrischen Länge von 13 mm gemäß der Abb. 1.4, 2.4, 3.4, 4.4, die leitfähig mit der Blendenberandung (12) der Platte (1) verbunden ist, verlängert, wobei die Zentrierung der Buchse (16) mittels einer dielektrischen Buchse (17), vorzugsweise bestehend aus Polytetra fluorethylen, in der Weise erfolgt, daß das Durchmesserverhältnis in Verbindung mit der effektiven dielektrischen Suszeptibilität des Polytetrafluorethylens die Wellenimpedanz des koaxialen Wellenleiters erzeugt.

Ausführungsbeispiel 1 gemäß der Abb. 1.1-1.3 basiert darauf, daß die kreisringförmige Platte (2) in einem Winkelabstand von ± 45 Winkelgrad be züglich des Kopplungspunktes des Innenleiters (10) mit der Platte (2) über je weils einen ohmschen Widerstand (14.1) von 2,2 Ohm bzw. (14.2) von 2,2 Ohm mit der Platte (1) gekoppelt wird, indem jeweils die beiden Kopplungspunkte auf einer parallel zur Flächennormalen der beiden Plattenflächen (1, 2) verlaufenden Achse positioniert werden.

Ausführungsbeispiel 2 gemäß der Abb. 2.1-2.3 beruht darauf, daß die kreisringförmige Platte (2) in einem Winkelabstand von ± 60 Winkelgrad be züglich des Kopplungspunktes des Innenleiters (10) mit der Platte (2) über je weils einen ohmschen Widerstand (14.1) von 2,2 Ohm bzw. (14.2) von 2,2 Ohm mit der Platte (1) gekoppelt wird, indem jeweils die beiden Kopplungspunkte auf einer parallel zur Flächennormalen der beiden Plattenflächen (1, 2) verlaufenden Achse positioniert werden.

Ausführungsbeispiel 3 gemäß der Abb. 3.1-3.3 basiert darauf, daß die kreisringförmige Platte (2) in einem Winkelabstand von ± 45 Winkelgrad be züglich des Kopplungspunktes des Innenleiters (10) mit der Platte (2) über je weils ein leitfähiges Kopplungselement (19), bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einem Durchmesser von 2 mm mit der Platte (1) gekoppelt wird, indem die Achsen der Kopplungselemente (19.1, 19.2) parallel zur Flächennor malen der beiden Plattenflächen (1, 2) verlaufen.

Ausführungsbeispiel 4 gemäß der Abb. 4.1-4.3 beruht darauf, daß die kreisringförmige Platte (2) in einem Winkelabstand von ± 60 Winkelgrad be züglich des Kopplungspunktes des Innenleiters (10) mit der Platte (2) über je weils ein leitfähiges Kopplungselement (19), bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einem Durchmesser von 2 mm mit der Platte (1) gekoppelt wird, indem die Achsen der Kopplungselemente (19.1, 19.2) parallel zur Flächennor malen der beiden Plattenflächen (1, 2) verlaufen.

Die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 werden weiterhin in der Weise ergänzt, indem planparallel zur leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Platte (3) mit kreisförmiger, quadratischer oder hexagonaler, vorzugsweise hexagonaler, Beran dung, deren der leitfähigen Platte oder Folie (1) zugewandte Fläche (5) leitfähig, vorzugsweise mittels einer dickenhomogenen Kupferschicht, beschichtet und deren der leitfähigen Platte oder Folie (1) abgewandte Fläche (6) derartig mittels leitfähiger, vorzugsweise aus Kupfer bestehender, Flächenelemente strukturiert ist, daß die dielektrische Platte (3) sowohl den Strukturträger als auch die Funkti onskomponente eines Flächenresonators in Microstriptechnik (7) mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie eines rauschan gepaßten einstufigen Signalverstärkers (8) in geschirmter Microstriptechnik bildet, in gleicher Höhe bezüglich der leitfähigen kreisringförmigen Platte oder Folie (2) gemäß der Abb. 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 angeordnet wird, wobei die Schirmung (9) galvanisch mittels punktueller Durchkontaktierungen mit der leit fähigen Beschichtung (5) der dielektrischen Platte (3) gekoppelt wird.

Claims

1. Modulares Dualbandstrahlersystem, bestehend aus einer Anordnung geome trisch definierter leitfähiger sowie dielektrischer Ebenen, dadurch gekennzeich net, 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) mit einer kreisringförmigen Berandung ausgebildet werden, wobei die Platten oder Folien (1, 2) mit einem unterschiedlichen Außendurchmesser bemessen werden und die kreisringförmige Platte oder Folie (2) mit einem kleineren Außendurch messer als der Durchmesser der Platte oder Folie (1) ausgeführt wird;
- die kreisringförmige Platte oder Folie (2) mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt wird, indem der Innenleiter (10) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisringförmigen Platte oder Folie (2) und der Außenleiter (11) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden werden, wobei der Außenleiter (11) durch die Blende (12) der Platte oder Folie (1) hin durchgehend in den Raum (13) zwischen der kreisringförmigen Platte oder Folie (2) und der Platte oder Folie (1) in der Weise verlängert wird, daß das in den Zwischenraum der Platten oder Folien (2) und (1) eingeführte Außenleiter segment die Platte oder Folie (2) nicht berührt und bezüglich des Innen- und Außendurchmessers kontinuierlich oder diskontinuierlich getapert wird;
- die kreisringförmige Platte oder Folie (2) über einen oder ein- oder mehrpaarige ohmsche Widerstände (14) definierter Impedanz, vorzugsweise niederohmiger Impedanz, sowie für den Fall ein- oder mehrpaariger ohmscher Widerstände in einem definierten Winkelabstand zueinander und in gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem, Winkelabstand zum Kopplungspunkt des Innenleiters (10) mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) in der Weise gekoppelt wird, daß jeweils die beiden Kopplungspunkte des bzw. der ohmschen Widerstände auf einer parallel zur Flächennormalen der beiden Flächen verlaufenden Achse posi tioniert sind, wobei der bzw. die Kopplungspunkte des bzw. der ohmschen Widerstände (2) bezüglich der radialen Positionierung vorzugsweise an der Außenberandung der kreisringförmigen Platte oder Folie (2) angeordnet werden;
- planparallel sowie axialsymmetrisch zur leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Platte oder Folie (3) mit kreisförmiger, quadratischer, hexagonaler oder octagonaler Berandung, vorzugsweise hexagonaler Berandung, deren der Platte oder Folie (1) zugewandte Fläche (5) leitfähig beschichtet und deren der leitfähigen Platte oder Folie (1) abgewandte Fläche (6) derartig mittels leitfähiger Flächenelemente strukturiert ist, daß die dielektrische Platte oder Folie (3) sowohl Träger als auch Funktionskomponente eines Flächenresonators (7) in Schlitzlei tungs- oder Microstriptechnik, vorzugsweise Microstriptechnik, mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie eines rauschan gepaßten ein- oder mehrstufigen, vorzugsweise einstufigen, Signalverstärkers (8) in geschirmter Microstriptechnik oder symmetrischer oder unsymmetrischer Triplatetechnik, vorzugsweise geschirmter Microstriptechnik, bildet, in gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, Höhe bezüglich der leitfähigen kreisring förmigen Platte oder Folie (2) angeordnet wird, wobei der Radius der dielek trischen Platte oder Folie (3) oder der Radius des das Quadrat (3) oder des das Hexagon (3) oder des das Octagon (3) umfassenden Kreises kleiner als der Innenradius der kreisringförmigen leitfähigen Platte oder Folie (2) bemessen und die Schirmung (9) galvanisch mit der leitfähigen Beschichtung (5) der dielek trischen Platte (3) gekoppelt werden.

2. Modulares Dualbandstrahlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände (14) definierter Impedanz, vorzugsweise nieder ohmiger Impedanz, durch leitfähige verlustfreie oder definiert verlustbehaftete Verbindungselemente definierter Geometrie, vorzugsweise Kurzschlußelemente (17) mit vorzugsweise zylindrischer Geometrie, ersetzt werden, indem diese am jeweiligen identischen geometrischen Ort der zu substituierenden Widerstände bzw. des zu substituierenden Widerstandes oder an nichtidentischen Positionen bzw. an einer nichtidentischen Position eingefügt werden.