DE2633757C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Streifenleitungsantenne gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2.

Aus den IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Januar 1975, S. 90-93 ist eine Mikrostrip-Antenne bekannt, bei der ein resonant dimensioniertes Antennenelement auf einem Dielektrikum liegt, das wiederum auf einer leitenden Bezugsfläche angeordnet ist. Eine derartige Antenne ist maximal für zwei Arbeitsfrequenzen geeignet. Sollen mehr als zwei Arbeitsfrequenzen eingerichtet werden, so müßten unterschiedlich große Antennenelemente auf ein und dasselbe Dielektrikum aufgebracht, also unterschiedlich große Antennenelemente in einer Ebene angeordnet werden. Dies wurde in der Praxis auch getan, was zu Antennen führte, deren Längen- und Breitenabmessungen ausreichen mußten, um alle Antennenelemente aufzunehmen und wobei außerdem sämtliche Antennenelemente auf dem Dielektrikum mit HF-Speiseleitungen versehen waren.

Aus der US-PS 26 84 444 ist ein Schlitzstrahler mit übereinanderliegenden Antennenelementen bekannt, die durch Kondensatoren oder unterschiedliche Abmessungen auf verschiedene Arbeitsfrequenzen abgestimmt sind. Jedes Antennenelement ist dabei an die HF-Quelle angeschlossen. Schlitzstrahler-Antennen sind jedoch allgemein größer als Streifenleitungsantennen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Streifenleitungsantenne der bekannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei einfachster Signaleinspeisung mit mehreren Arbeitsfrequenzen betreibbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Ausführungsform nach Fig. 1 mit ent­ sprechend einer Anwendungsform angedeutete Wirkungsweise;

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 für eine andere Wirkungsweise bei gegebener Aus­ führungsform;

Fig. 4 einen perspektivischen Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform; und

Fig. 5 einen schematisierten Querschnitt der ersten Ausführungsform mit mehreren Antennenelementen.

Die Streifenleitungsantenne 10 gemäß Fig. 1 setzt sich zusammen aus einer Bezugsfläche 12 aus leitendem Material, einer elektrisch leitenden Fläche 14, bzw. einem sogenannten Antennen­ element, welches im Abstand über der Bezugsfläche 12 in der dargestellten Weise angeordnet ist, und schließlich einem ersten elektrisch leitenden Antennenelement 16, welches wiederum über der Fläche 14 und im Abstand zu dieser liegt. Hierfür sind die Empfangs- oder Sende-Antennenelemente 14 und 16 wie auch die Bezugsfläche 12 mittels eines Dielektrikums 18 zu einer Einheit zusammengefügt, und zwar so, daß die genannten Flächen parallel zueinander liegend mit ihren Zwischenräumen vollständig von dem di­ elektrischen Material ausgefüllt sind. Herstellbar ist eine Anordnung gemäß Fig. 1 etwa so, daß beispielsweise zunächst die Grund- oder Bezugsfläche 12 und das Antennenelement 14 in herkömmlicher Weise ausgebildet, dann mittels des Dielektrikums 18 zu einer Schichtanordnung zusammen­ gefaßt werden, und schließlich eine Basisschicht ohne Grund­ platte mit dem zweiten Antennenelement 16 aufgeschichtet wird. Die in Fig. 1 gezeigte Schichtanordnung ist eine der denkbar einfachsten, da wie nachfolgend noch verdeutlicht werden wird, der wesentliche Vorteil in einer möglichst vielschichtigen Anordnung entsprechend der Zahl der gewünschten Resonanzfrequenzen des Antennenaufbaus zu finden ist.

In einer Ausführungsform ist das oberste Antennen­ element 16 mit einem herkömmlichen Mikrostreifenleiter 20 versehen.

Selbstverständlich ist es möglich, je nach Anwendungsfall auch die eine oder andere Zwischenverbindungsleitung vorzu­ geben. In einer Ausführungsform sind die Antennenelemente, die zwischen dem obersten Antennenelement 14 und der Bezugsfläche 12 liegen, passive Elemente, d. h., daß an sie keine Speiseleitungen entsprechend der Leitung 20 angeschlossen sind. Wie später noch näher erläutert werden wird, können jedoch bei anderen Ausführungsformen geeignete Zuführungs­ leitungen oder andere zwischengeschaltete Elemente vorgesehen werden.

Die Antennenelemente in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 stehen galvanisch nicht miteinander in Verbindung, d. h. es sind keine elektrischen Verbindungsleitungen vorgesehen, obwohl gegenseitige Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen und zwischen der Bezugsfläche zufolge des dichten Abstandes der einzelnen Antennenelemente zueinander durchaus gegeben sind, und zwar infolge der elektromagnetischen Felder, die sich zwischen ihnen und/oder dem untersten Antennenelement und der Bezugsfläche 12 ausbilden. Die Hoch­ frequenzsignale werden je nachdem, ob die Anordnung als Sende- oder Empfangsantenne verwendet wird, über den Mikro­ streifenleiter 20 der Antenne zugeführt oder von ihr abgenommen.

Wenn die Frequenz der Signalfolge der Resonanzfrequenz eines der Antennenelemente entspricht, dann wird diese wiederum jenachdem ob es sich um eine Sende- oder Empfangs­ antenne handelt, von diesem Element empfangen oder ausge­ strahlt. Gleichzeitig bestellen elektromagnetische Kopplungen zu den nicht sich in Resonanz befindenden Antennenelementen. Die nicht in Resonanz befindlichen Elemente sind mit dem Resonanzelement induktiv bei Frequenzen gekoppelt, die unter der Resonanzfrequenz liegen, während eine kapazitive Kopplung bei Frequenzen oberhalb ihrer betreffenden Resonanzfrequenz besteht. Die Verhältnisse der induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen den einzelnen Antennenelementen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 werden später in Verbindung mit Fig. 2 und 3 noch näher beschrieben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anwendungsmöglich­ keiten von Mikrostreifenantennen irgendwelcher Formgebung, wo­ bei zur Vereinfachung der vorliegenden Aufgabenlösung von rechtwinkligen Antennenformen ausgegangen wird. Entsprechend können die Antennenelemente 14 und 16 in Fig. 1 unterschied­ liche Resonanzfrequenzen aufweisen gemäß ihrer unterschiedlichen Dimensionierung, wobei das oberste Antennenelement dasjenige der höchsten Resonanzfrequenz ist und über allen anderen Antennenelementen liegt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Mikrostreifenzuleitung 20 mit der Längsseite des Antennenelements 16 in der dar­ gestellten Weise verbunden. Die Resonanzlänge 22 kann entweder der ganzen Wellenlänge oder einer Halbwelle der Resonanzfrequenz oder auch einer Viertelwelle derselben entsprechen, wobei im letzteren Fall die einzelnen Antennen­ elemente entlang einer Kante, d. h. an einem Ende der Resonanzlänge, geerdet sind.

Auch soll hervorgehoben werden, daß wie in Fig. 1 nicht gezeigt andere Zuführungsleitungen im Bereich der kürzeren Kantenlänge des rechteckigen Antennenelements 16 möglich sind, etwa zur Ein­ speisung einer niedrigeren Frequenz, die dieser oder einem ganzzahligen Vielfachen der Länge entspricht. Auch ist es möglich, die Resonanzlängen 22 und 24 gleich zu wählen oder annähernd gleich lang zu machen, so daß sich mit einer derartig quadratischen Ausbildungsform der Antennenelemente zirkular polari­ sierte Abstrahlungsverhältnisse vorgeben lassen. Auch ist eine zirkular polarisierte Strahlung aussendende Antennenanordnung mit einer Zuführungsleitung an einer der Ecken als mögliche Aus­ führung denkbar. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung jeder der genannten Antennenarten an sich, obwohl in Fig. 1 nur die rechteckige Ausführungs­ form gezeigt ist.

Das Antennenelement 14 in Fig. 1 ist entsprechend dem Antennen­ element 16 ausgebildet nur mit proportional größerer Dimensionierung, so daß sich bestimmte korrespondierende graduelle Resonanzfrequenzen ergeben. Das größere Antennenelement 14 liegt unmittelbar über der Bezugsfläche 12, während ge­ gebenenfalls andere schichtweise darüber angeordnete Antennenelemente entsprechend ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz in das Dielektrikum 18 eingebettet bzw. auf dieses aufgebracht sein können. In einer Ausführung ist das kleinste und in der Anordnung oberste Antennenelement 16 mit dem Mikro­ streifenleiter 20 versehen.

Bei symmetrischer Anordnung der aufeinanderliegenden Antennen­ elemente liegt das Phasenzentrum des Gesamtantennenaufbaus für alle Einzelelemente an übereinstimmenden Punkten für jede Resonanzfrequenz. Derartig symmetrische Anordnungen eliminieren aus dem Aufbaumuster der Antenne ergebende Störungen. Dennoch sollte Erwähnung finden, daß die derart zentriert ausgerichteten Strukturen aus anderen Gründen nicht ganz unbedenklich sein könnten, und daß sie unter bestimmten Bedingungen durchaus nicht zwangsläufig einer asymmetrischen Anordnung vorgezogen werden müssen.

In den Fig. 2 und 3 wird von einer Anordnung ausgegangen, die als Halbwellenresonator bezeichnet werden kann, d. h., daß die Kantenlänge des Antennenelements im Resonanzfall der halben Wellenlänge der Sende- bzw. Empfangsfrequenz entspricht. Die Antennenelemente 14 und 16 liegen gewissermaßen in Reihe durch das sich zwischen ihnen ausbildende elektro­ magnetische Feld. Das Antennenelement 14 ist in Fig. 2 dasjenige mit der zugeführten niedrigen Resonanzfrequenz. Damit arbeitet das Antennenelement 16 unter der gegebenen Resonanzfrequenz, wobei es über das eingezeichnete elektromagnetische Feld mit dem Antennenelement 14 bei geringem induktiven Blindwiderstand 26 ge­ koppelt ist. Diese Kopplung ist damit Teil der Hochfrequenz­ speisung für das Antennenelement 14 über den Mikrostreifenleiter 20. Die Strahlungsfelder 28 und 30 entstehen wie an sich bekannt zwischen dem Antennenelement 14 und der Bezugsfläche 12.

Wenn hingegen die hohe Resonanzfrequenz des Antennenelementes 16 an den Antennenaufbau angelegt wird, dann entsprechen die Kopplungsbedingungen zwischen den einzelnen Elementen der in Fig. 3 gezeigten Darstellung. Hierbei arbeitet das Antennen­ element 14 oberhalb seiner Resonanzfrequenz, so daß eine kapazitive Kopplung mit der Bezugsfläche 12 über die Konden­ satoranordnung 32 besteht. Damit wirkt nunmehr das Antennenelement 14 als Erweiterung der Bezugsfläche 12 und die Strahlungsfelder 34 und 36 liegen zwischen dem Antennenelement 16 mit dem Mikrostreifenleiter 20 und dem Antennenelement 14. Bei dieser Wirkungsweise ergibt sich für das nicht in Resonanz schwingende Antennenelement 14 wiederum, daß es Teil der Speisungsanordnung, und zwar infolge des Vorhandenseins der Strahlungsfelder 34 und 36 ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 entspricht im wesentlichen der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die Resonanzlänge 38 eine Viertelwellenlänge ist und daß eine Erdungsverbindung bzw. ein Kurzschlußstreifen 40 zwischen dem oberen Antennenelement 42 und dem unteren Antennenelement 44 sowie der Basisplatte oder Bezugsfläche 46 vorgesehen ist. Auch besteht eine weitere Abwandlung gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform darin, daß die einzelnen Antennenelemente gegenein­ ander verschoben sind, so daß sich nicht mehr eine zentrische Symmetrie, wie in Fig. 1, ergibt, sondern vielmehr eine solche, bei der eine Seitenkante, nämlich die mit der Kurz­ schlußverbindung 40 zusammenfallende, in einer gemeinsamen Ebene liegt.

Die Querschnittdarstellung gemäß Fig. 5 deutet einen allge­ meineren Aufbau der Antennenanordnung an, die hier aus N Antennenelementen besteht. Diese Antennenelemente sind nicht entlang einer Seitenkante geerdet, wobei die Resonanzlänge 48 einer halben oder einer ganzen Wellenlänge der Sende- bzw. Empfangsfrequenz beträgt. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist eine solche mit einer Mehrzahl von Zuleitungen zu den einzelnen Antennenelementen, nämlich 1-N Zuleitungen. Für die zuvor beschriebene Ausführungsform wäre von diesen nur die oberste Zuleitung wünschenswert und erforderlich.

Der Abstand zwischen den Antennenelementen ist nicht kritisch, solange er wesentlich geringer als eine Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist. Vorteilhaft sind etwa Flächenabstände von ca. 1,6 bis 3,2 mm. In der vorteilhaften Ausbildungsform gemäß den Beispielen bleibt der Abstand zwischen den Elementen konstant, so daß sich eine parallele Schichtanordnung in der dargestellten Weise ergibt. Der Schichtaufbau läßt sich aus verschiedenen, einander entsprechenden einzelnen Tafeln aus dielektrischem Material mit den auf ihrer Oberfläche befindlichen Antennenelementen zusammensetzen. Antennenanordnungen mit ungleichen Abstandsverhältnissen sind darüber hinaus jedoch durchaus denkbar.

Claims (6)

1. Streifenleitungsantenne mit einer leitenden Bezugsfläche (12), einem auf der Bezugsfläche (12) angeordneten Dielektrikum (18), einem auf dem Dielektrikum (18) liegenden ersten gespeisten, rechteckigen Antennenelement (16), dessen wenigstens eine Seitenkante für eine erste Resonanzfrequenz die Länge von λ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches davon hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bezugsfläche (12) und dem ersten Antennenelement (16) mindestens eine weitere leitende rechteckige Fläche (14) in das Dielektrikum (18) eingebettet ist, deren Seitenkanten parallel zu den Seitenkanten des ersten Antennenelementes (16) angeordnet sind und die größer als das darüberliegende erste Antennen­ element (16) ist.

2. Streifenleitungsantenne mit einer leitenden Bezugsfläche (46), einem auf der Bezugsfläche (46) angeordneten Dielektrikum (18), einer auf dem Dielektrikum (18) liegenden ersten gespeisten, rechteckigen, leitenden Fläche (42), welche an einer ersten Seitenkante mit der leitenden Bezugsfläche (42) über einen Kurzschlußstreifen (40) verbunden ist und dessen daran anschließende zweite Seitenkante für eine erste Resonanzfrequenz die Länge von λ/4 oder ein ganzzahliges Vielfaches davon hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bezugsfläche (46) und der ersten leitenden Fläche (42) mindestens eine weitere leitende rechteckige Fläche (44) in das Dielektrikum (18) eingebettet ist, deren Seitenkanten parallel zu den Seitenkanten der ersten leitenden Fläche (42) angeordnet sind, die größer als die darüberliegende erste leitende Fläche (42) ist und die an der einen Seitenkante mit dem Kurzschluß­ streifen (40) verbunden ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß weitere nachfolgende Antennenelemente in Richtung Bezugsfläche (12; 46) größer als das jeweils darüberliegende Antennenelement sind.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (14, 16) im wesentlichen symmetrisch in bezug auf mindestens eine Längskante angeordnet sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrostreifenleiter (20) als Signalanschluß für mindestens eines der Antennen­ elemente vorgesehen ist.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an mehrere, jedoch nicht an alle Antennenelemente Streifenleiter (20) für Signalanschlüsse angeschlossen sind.