DE19947783A1 - Patchantenne - Google Patents

Abstract

Bei einer Patchantenne mit einem auf einer Seite eines Substrats (2) angeordneten Patch (1) und einem Anschluß für eine Speiseleitung (14) an der gegenüberliegenden Seite des Substrats (2) wird vorgeschlagen, den Anschluß als ein Steghohlleitersegment (3) auszubilden. Die Patchantenne eignet sich besonders für Senden und Empfangen von zirkular polarisierter Strahlung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Patchantenne mit einer daran angeschlossenen Speiseleitung, die ein abzustrahlendes Signal zuführt.

Derartige Patchantennen werden häufig zu Antennengrup­ pen zusammengeschaltet eingesetzt, wobei der Abstand der einzelnen Patchantennen innerhalb der Gruppe durch die gewünschte Antennencharakteristik vorgegeben ist und im allgemeinen kleiner als eine Wellenlänge im freien Raum ist. Aus Platzgründen ist es sinnvoll, den Raum unter jeder Patchantenne für ihr zugeordnete Hoch­ frequenzschaltungen zu nutzen, die oft in Microstrip- oder Hohlleitertechnik realisiert werden. Die Wellen­ leiter solcher Schaltungen verlaufen zumeist in Ebenen senkrecht zur Antennenebene, so daß es wünschenswert ist, von der Patchantenne direkt in diese Leiter ein­ koppeln zu können, das heißt eine Hochfrequenzanregung wirksam zwischen einem auf einer Oberfläche eines Sub­ strats angeordneten Patch und einer Hochfrequenzsignal­ leitung zu übertragen, die sich an der gegenüberliegen­ den Oberfläche befindet.

Es ist eine Mehrzahl von Anordnungen bekannt, bei denen eine Patchantenne mit einer senkrecht zur Antennenebene verlaufenden Leitung gekoppelt ist. So sind zum einen koaxial angekoppelte Patchantennen mit Durchkontaktie­ rung bekannt. Diese sind kostspielig in der Fertigung, weil sie einerseits eine aufwendige Durchkontaktierung durch das Substrat hindurch benötigen und darüber hin­ aus ein Übergangsstück zu der Speiseleitung erforder­ lich ist.

Schlitzgekoppelte Patchantennen mit Microstrip- Anschlüssen sind aus D.M. Pozar, Practical Excitations, Workshop on Analytical and Numerical Techniques for Microchip Circuits and Antennas, Montreux 15-18 März 1988 und N.I. Herscovici and D.M. Pozar, Full-Wave So­ lution for an Aperture-Coupled Patch Fed by Perpendicu­ lar Coplanar Strips, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Band 42 Nr. 4, April 1994, Seiten 544 bis 547 bekannt. Die aus der ersten Quelle bekannte Kon­ strüktion benötigt eine "stumpfe" Anlötung von Leiter­ bahn und Massefläche der Speiseleitung an die beiden Ränder des Koppelschlitzes. Diese Konstruktion ist kri­ tisch in der Fertigung und von geringer mechanischer Stabilität. Die bei der zweiten Schrift beschriebene Konstruktion erfordert eine partielle Freiätzung der Metallisierung der Speiseleitung und, wegen der Notwen­ digkeit eines parallel zur Ebene des Patch verlaufenden Speiseleitung, relativ viel Platz.

Patchantennen, die über eine Blende beziehungsweise ei­ nen Schlitz in einer an der Rückseite des Substrats ausgebildeten metallischen Massefläche an eine als Hohlleiter ausgebildete Speiseleitung angekoppelt sind, gehen aus M. Kanda et. al., The Characteristics of Iris-Fed Millimeter-Wave Rectangular Microstrip Patch Antennas, IEEE Transactions on Electromagnetic Compati­ bility, Band EMC-27 Nr. 4, November 1985, Seiten 212 bis 220 und Min-Hua Ho, Wave Guide Excited Microstrip Patch Antenna, Theory and Experiment, IEEE Transactions on Antennas and Propagation Band 42, Nr. 8, August 1994, Seiten 1114 bis 1125 hervor. Derartige Antennen erlauben zwar eine gute Impedanzanpassung des Schlitzes an den Patch, allerdings nur in einem engen Frequenz­ band, und die Gesamttransmission von Hochfrequenzener­ gie vom Hohlleiter zum Patch ist infolge des kleinen Querschnitts des Schlitzes begrenzt. Da der Schlitz un­ terhalb seiner Cutoff-Frequenz betrieben wird, kann er nicht als Anpassungsleitung benutzt werden. Er liefert immer einen induktiven Beitrag zur Eingangsimpedanz der Antenne.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ist bei einer Patchantenne mit einem auf einer Seite eines Substrats angeordneten Patch und einem Anschluß für eine Speiseleitung an der gegenüber­ liegenden Rückseite des Substrats vorgesehen, daß der Anschluß als ein Steghohlleitersegment ausgebildet ist. Da die Zahl der für die Dimensionierung des Innenquer­ schnitts eines solchen Steghohlleitersegments optimier­ baren geometrischen Parameter größer ist als im Falle eines einfachen Schlitzes, ist es möglich, die Abmes­ sungen des Innenquerschnitts so zu wählen, daß sich ei­ ne Impedanzanpassung zwischen dem Hohlleitersegment und dem Patch ergibt, ohne daß hierfür noch eine Blende er­ forderlich ist, deren Gestalt von der des Hohlleiters abweicht.

Die herkömmliche Massefläche mit Koppelschlitz an der Rückseite des Substrats wird durch die Verwendung des Steghohlleitersegments somit überflüssig. Der Stegab­ schnitt des Steghohlleiters ersetzt den herkömmlichen Koppelschlitz und stellt gleichzeitig eine elektrische Anpassungsleitung an das Impedanzniveau der Patchanten­ ne dar.

Dies erlaubt es, für gewünschte Abstrahlungseigenschaf­ ten der Patchantenne zunächst die Gestalt des Patches und dann unabhängig davon die Abmessungen des Steghohl­ leitersegments zu optimieren. So kann zum Beispiel zu­ nächst eine für zirkular polarisierte Abstrahlung in einem vorgegebenen Frequenzbereich geeignete Form und Bemessung des Patches ermittelt und dann die Form des Steghohlleitersegments mit dem Ziel einer guten Impe­ danzanpassung an den Patch für diesen Frequenzbereich optimiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist als Speise­ leitung ein Hohlleiter an das Steghohlleitersegment an­ gekoppelt. Ein solcher Hohlleiter kann senkrecht zur Oberfläche der Patchantenne verlaufen und so die Mög­ lichkeit liefern, Schaltkreise, die das Hochfrequenzsi­ gnal liefern oder verarbeiten, in unmittelbarer Nach­ barschaft der Antenne, vorzugsweise hinter dieser, an­ zuordnen.

Zwischen der Speiseleitung und dem Hohlleitersegment können eine oder mehrere Transformationsstufen in (Steg-)Hohlleitertechnik vorgesehen sein.

Es kann auch eine Microstripleitung als Speiseleitung in den Stegabschnitt des Steghohlleitersegments einge­ führt sein. Bei einer solchen Gestaltung der Patchan­ tenne haben die einander gegenüberliegenden Seitenwände des Stegabschnitts elektrischen Kontakt zur Leiterbahn und beziehungsweise Massefläche der Microstripleitung. Sie sorgen für eine sichere Fixierung der Speiseleitung in der Mitte des Hohlleiters und senkrecht zum Anten­ nensubstrat.

Um Reflexionen bei der Kopplung gering zu halten, sind die Abmessungen des Stegabschnitts vorzugsweise so ge­ wählt, daß das Impedanzniveau des Hohlleiterabschnitts an die des Patchs angepaßt ist.

Der Patch weist zweckmäßigerweise Kanten auf, die unter Winkeln von +/-45° zu den Kanten eines Stegabschnitts verlaufen. Diese Orientierung der Kanten erlaubt es, durch ein in einer einheitlichen Richtung orientiertes, in dem Hohlleiterabschnitt angeregtes elektrisches Feld Kanten des Patch zum Strahlen anzuregen, die im rechten Winkel zueinander orientiert sind.

Um mit Hilfe eines solchen Patches zirkular polarisiert abstrahlen zu können, ist es erforderlich, daß die Re­ sonanzfrequenzen von jeweils orthogonal zueinander ori­ entierten Kanten sich geringfügig unterscheiden, so daß im Frequenzbereich zwischen den zwei Resonanzfrequenzen jeweils die eine Gruppe von Kanten eine induktive und die andere eine kapazitive Last für das Hochfrequenzsi­ gnal darstellt. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem der Patch rechtwinklig mit unterschiedlichen Kan­ tenlängen ausgebildet ist, oder indem ein quadratischer Patch verwendet wird, bei dem zwei gegenüberliegende Kanten Aussparungen aufweisen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Patchantenne mit daran an­ geschlossenem Hohlleiter gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in einem Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Steghohlleitersegments der Patchanten­ ne aus Fig. 1; und

Fig. 3 zeigt das Steghohlleitersegment einer Patchantenne gemäß einer zweiten Aus­ gestaltung der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsge­ mäßen Patchantenne. Der eigentliche metallische Patch 1 ist auf einem dielektrischem Substrat 2 aufgebracht. Die dem Patch gegenüberliegende Rückseite des Substrats 2 ist nicht metallisiert. Dies vereinfacht die Herstel­ lung des Substrats; Probleme bei der Ausrichtung von sonst erforderlichen metallischen Strukturen auf der Rückseite des Substrats im Bezug auf den Patch 1 ent­ fallen. Die Rückseite des Substrats 2 befindet sich in unmittelbarem Kontakt mit einem Steghohlleitersegment 3. Substrat 2 und Steghohlleitersegment 3 sind durch eine Klebung der einander berührenden Flächen großflä­ chig und belastbar verbunden. Das Steghohlleitersegment 3 weist im wesentlichen die Form einer Platte der Dicke L mit einem in etwa H-förmigen Hohlleiterausschnitt 5 auf (siehe auch Fig. 2). An die Rückseite des Steg­ hohlleitersegments 3 schließt ein weiterer Hohlleiter­ abschnitt 4 an, bei dem es sich um eine Speiseleitung, die den Patch an hinter dem Substrat angeordnete, in der Figur nicht dargestellte Schaltungselemente kop­ pelt, oder um eine Transformatorstufe handeln kann, die für eine Impedanzanpassung beim Übergang des Hochfre­ quenzsignals von der Speiseleitung auf das Steghohllei­ tersegment 3 sorgt.

Die Dicke L kann so gewählt werden, daß an Ein- und Austrittsfläche des Steghohlleitersegments auftretende Restreflexionen destruktiv interferieren, um so die Ef­ fizienz der Kopplung zwischen Patch und Speiseleitung zu verbessern.

Die dreidimensionale Gestaltung der Komponenten wird deutlicher aus Fig. 2, die das Steghohlleitersegment 3 in einer perspektivischen Ansicht zeigt. Das Substrat 2 ist in Fig. 2 fortgelassen, allein der auf diesem Sub­ strat angeordnete Patch 1 ist als gestrichelter Umriß dargestellt. Die Patchantenne ist vorgesehen, um in ei­ ner Anordnung zusammen mit einer Mehrzahl gleichartiger Antennen, zum Beispiel in einem Satelliten, betrieben zu werden, wobei der Abstand der einzelnen Patchanten­ nen voneinander durch die seitlichen Abmessungen des Steghohlleitersegments 3 gegeben ist. Der Hohlleiter­ ausschnitt 5 hat die Grundform eines Rechtecks mit ei­ ner Breite a und einer Höhe b, wobei jeweils von den Mitten der Längsseiten des Rechtecks Vorsprünge 6 mit einer Breite w in den Ausschnitt eingreifen und ihn in der Mitte auf einen spaltförmigen Stegabschnitt 7 der Breite s verengen. Die Abmessungen a, b und w bestimmen die Grenzfrequenz und damit die frequenzabhängige Impe­ danz des Steghohlleitersegments 3.

Der Patch 1 hat hier die Gestalt eines Quadrats mit zu den Kanten des Hohlleiterausschnitts 5 um 45° verdreh­ ten Kanten. Zwei gegenüberliegende Kanten 8 des Pätch I weisen jeweils eine mittige Aussparung 9 auf. Die Aus­ sparungen 9 bewirken eine Verschiebung der Resonanzfre­ quenz der unterbrochenen Kanten 8 gegenüber der der je­ weils im rechten Winkel dazu liegenden durchgehenden Kanten 10 des Patches 1. Bei Anregung mit einem Hoch­ frequenzsignal, dessen Frequenz in der Mitte zwischen den zwei Resonanzfrequenzen liegt, werden die Kanten 8, 10 jeweils zum Strahlen mit einer Phasenverschiebung von 90° angeregt, wodurch sich die Beiträge der ver­ schiedenen Kanten zur Abstrahlung der Antenne zu einem zirkular polarisierten Strahl überlagern.

Bei den herkömmlichen Bauarten von Patchantennen ist es äußerst schwierig, Abmessungen des Patch 1 einerseits und des Hohlleiters andererseits zu finden, die eine gute Impedanzanpassung aufweisen und damit eine effizi­ ente Anregung des Patch bei der Frequenz beziehungswei­ se in dem Frequenzbereich ermöglichen, in dem dieser zirkular polarisiert abstrahlen kann. Bei der hier dar­ gestellten Antenne ist eine solche Anpassung durch Op­ timierung der Abmessungen der Vorsprünge 6 zu errei­ chen.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Patchantenne, die sich von der mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschriebenen durch die Art und Weise der Ein­ kopplung des Hochfrequenzsignals unterscheidet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Hohlleiterabschnitt 4 er­ setzt durch eine Microstripleitung 14, das heißt ein dielektrisches Substrat, das auf einer Oberfläche eine Leiterbahn 15 und auf der gegenüberliegenden (in der Figur verdeckten) Oberfläche eine metallische Masseflä­ che trägt. Die Microstripleitung ist in Fig. 3 mit der gleichen Breite w wie die Vorsprünge 6 des Steghohllei­ tersegments dargestellt, sie kann aber auch breiter sein, zum Beispiel sich über die gesamte Breite a des Hohlleiterausschnitts 5 erstrecken. Lediglich die Brei­ te der rückwärtigen Metallisierung, die die Massefläche bildet, sollte nicht größer sein als die Breite w der Vorsprünge 6.

Durch die mechanische Einfügung der Microstripleitung 14 in den Stegabschnitt 7 ergibt sich auf einfache Wei­ se eine mechanisch belastbare Verankerung. So läßt sich auf diese Weise eine sehr kompakte Anordnung aus einer Patchantenne mit einer Hochfrequenzschaltung realisie­ ren, wobei die Hochfrequenzschaltung auf einer Leiter­ platte aufgebaut ist, die einstückig in die in den Stegabschnitt eingefügte Microstripleitung 14 übergeht. Die Breite S des Stegabschnitts ist um die doppelte Breite eines Lötspalts größer als die Stärke der Microstripleitung 14, so daß die Microstripleitung 14 bequem in den Stegabschnitt 7 einschiebbar und an den Stirnseiten der den Stegabschnitt begrenzenden Vor­ sprünge 6 verlötbar ist. So wird auf einfache Weise ei­ ne robuste Verbindung zwischen der Patchantenne und der Microstripleitung 14 geschaffen, die exakt senkrecht zur Oberfläche des Patches 1 ausgerichtet ist.

Durch ihren Kontakt mit den Stirnflächen der Vorsprünge 6 des Steghohlleitersegments werden die Leiterbahn 15 und die Massefläche der Microstripleitung 14 kurzge­ schlossen. So führt über die Microstripleitung 14 zuge­ führte Hochfrequenzleistung zur Anregung von Hohllei- terschwingungsmoden, die nicht auf den Stegabschnitt 7 beschränkt sind, sondern den gesamten Querschnitt des Hohlleiterausschnitts 5 erfassen können.

Die Form des Patches 1 ist die gleiche wie bei der Antenne aus Fig. 1 und 2. Infolge der dielektrischen Belastung des Stegabschnitts 7 durch das eingefügte Substrat 14 der Microstripleitung 15 können sich die Abmessungen w und s des Spalts, die für eine gute Impedanzanpassung in dem Frequenzbereich, in dem die Antenne zirkular polarisiert strahlen kann, erforderlich sind, von denen des vorherigen Ausführungsbeispiels abweichen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier beispielhaft dargestellte Form des Patches beschränkt. Entscheidend für die Möglichkeit, zirkular polarisiert abzustrahlen, ist einerseits, daß der Patch zu zwei orthogonal polarisierten Resonanzschwingungen mit nicht zu stark unterschiedlichen Frequenzen in der Lage ist, und daß eine gute Impedanzanpassung zur Speiseleitung für einen Frequenzbereich zwischen den zwei Resonanzfrequenzen gegeben ist. Ein solcher Patch könnte zum Beispiel auch die Form eines Rechtecks mit unterschiedlichen Kantenlängen oder die eines Quadrates haben, bei dem zwei gegenüberliegende Ecken abgeschnitten sind.

Claims (9)

1. Patchantenne mit einem auf einer Seite eines Sub­ strats (2) angeordneten Patch (1) und einem Anschluß für eine Speiseleitung (4; 14) an einer gegenüberliegen­ den Seite des Substrats (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß als ein Steghohlleitersegment (3) aus­ gebildet ist.

2. Patchantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Microstripleitung (14) als Speiseleitung in den Stegabschnitt (7) des Steghohlleitersegments (3) eingefügt ist.

3. Patchantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Hohlleiter (4) als Speiseleitung an das Steghohlleitersegment (3) angekoppelt ist.

4. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Steghohlleiterseg­ ment (3) an der vom Patch (1) abgewandten Seite des Substrats (2) verklebt ist.

5. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Patchs (1) so gewählt ist, daß ein Frequenzbereich existiert, in dem der Patch (1) in der Lage ist, zirkular polari­ siert abzustrahlen, und daß die Abmessungen (w, s) des Stegabschnitts (7) so gewählt sind, daß das Impedanzni­ veau des Steghohlleitersegments (3) an das des Patches (1) und das der Hochfrequenzleitung (4, 14) für den Fre­ quenzbereich angepaßt ist.

6. Patchantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge (L) des Steghohlleitersegments (3) so gewählt ist, daß Reflexionen eines Hochfrequenzsi­ gnals an entgegengesetzten Enden des Steghohlleiterseg­ ments (3) destruktiv interferieren.

7. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Patch (1) Kanten (8, 10) aufweist, die unter Winkeln von +/-45° zu den Kanten des Hohlleiterausschnitts (5) des Steghohllei­ tersegments (3) verlaufen.

8. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Patch (1) rechtec­ kig mit unterschiedlichen Kantenlängen ist.

9. Patchantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Patch (1) quadratisch ist, wobei zwei ge­ genüberliegende Kanten (8) Aussparungen (9) aufweisen.