DE60318725T2

DE60318725T2 - Helixförmige breitbandantenne

Info

Publication number: DE60318725T2
Application number: DE60318725T
Authority: DE
Inventors: Ala Sharaiha; Yoann Letestu; Jean-Christophe Louvigne
Original assignee: Universite de Rennes 1
Current assignee: Universite de Rennes 1
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2023-09-20
Also published as: DE60318725D1; EP1540768A1; US20060125712A1; ATE384346T1; WO2004027930A1; FR2844923B1; FR2844923A1; US7525508B2; AU2003298989A1; EP1540768B1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Antennen mit breitem Durchlassband und kugelförmigem oder nahezu kugelförmigem Strahlungsdiagramm. Genauer betrifft die Erfindung Spiralantennen dieses Typs.
Die Antenne der Erfindung findet insbesondere Anwendungen im Rahmen der mobilen Kommunikationen über Satelliten zwischen feststehenden Benutzern und/oder beweglichen Stationen jeglicher Art, beispielsweise in der Luft, auf dem Wasser oder auf dem Lande. Auf diesem Gebiet sind derzeit mehrere Kommunikationssysteme über Satelliten im Einsatz oder befinden sich in der Entwicklung (beispielsweise die Systeme INMARSAT, INMARSAT-M, GLOBALSTAR (eingetragene Warenzeichen) usw.). Diese Antennen sind ebenfalls von Interesse bei der Ausbreitung persönlicher Kommunikationssysteme (PCS) über geostationäre Satelliten.
Ziel dieser Systeme ist es, den Benutzern an Land neue Kommunikationsdienstleistungen (Multimedia-, Telefondienste) über Satelliten zu bieten. Mit Hilfe von geostationären oder von sich bewegenden Satelliten ermöglichen sie ein globales Abdecken der Erde. Bezüglich der Kosten, der Leistung und der Abmessungen müssen sie den terrestrischen Mobiltelefonsystemen ähnlich sein. So ist die am Terminal des Benutzers befindliche Antenne ein Schlüsselelement bezüglich der Verringerung der Abmessungen.
Derartige Systeme werden insbesondere in den folgenden Dokumenten beschrieben: Howard Feldmann, D. V. Ramana: „An Introduction to Inmarsat's new mobile multimedia service" (Einführung in die neuen Inmarsat Multimediadienste), Sechste Internationale Konferenz über Mobile Satelliten, Ottawa, Juni 1999 und J. V. Evans: „Satellite systems für personal communications" (Satellitensysteme für persönliche Kommunikationen), IEEE A-P Magazine, Band 39, Nr. 3, Juni 1997.
Bei all diesen Systemen, die Verbindungen mit geostationären Satelliten voraussetzen, machen es die sehr verschiedenen Einfälle der verschiedenen empfangenen oder gesendeten Signale zum Zwang für die Antennen, ein Strahlungsdiagramm mit kugelför miger oder nahezu kugelförmiger Abdeckung aufzuweisen. Darüber hinaus ist eine Kreispolarisierung (links oder rechts) mit einem Verhältnis von weniger als 5 dB im Nutzband erforderlich.
Genauer gesagt, kann die Erfindung mit allen Systemen verwendet werden, welche ein breites Band und eine Kreispolarisierung benötigen.
Bei diesen verschiedenen Anwendungsgebieten müssen die Antennen nämlich die vorhergehenden Eigenschaften entweder in einem sehr breiten Durchlassband, in der Größenordnung von 10% oder mehr, oder in zwei, jeweils dem Empfangen und dem Senden entsprechenden, benachbarten Unterbändern, aufweisen.
Aus der von France Telecom (eingetragenes Warenzeichen) angemeldeten Patentschrift FR-89 14952 ist bereits ein Antennentyp mit vier spiralförmig angeordneten Adern bekannt, der derartigen Anwendungen angepasst ist. Eine vieradrige Antenne besteht aus vier abstrahlenden Leitungsgliedern.
Diese vieradrige gedruckte Spiralantenne (HQI) genannte Antenne weist Eigenschaften auf, die den erwähnten Kriterien ähnlich sind, innerhalb eines Bandes, dessen Frequenz im Allgemeinen auf 6 oder 8% begrenzt ist, für ein SWR (Stehwellenverhältnis), das kleiner als zwei ist.
Ein Betrieb über ein breiteres Band kann durch Verwendung zweischichtiger HQI Antennen erreicht werden. Diese Antennen werden durch das konzentrische „Verschachteln" zweier elektromagnetisch gekoppelter, koaxialer, vieradriger Resonanzspiralen gebildet. Die Gruppe funktioniert wie zwei gekoppelte Resonanzschaltkreise, deren Koppelung die Abstände zwischen den Resonanzfrequenzen auseinanderdrängt. Somit erhält man eine zweischichtige, vieradrige mitschwingende Antenne nach der in FR-89 14952 beschriebenen Technik.
Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie nur eine Stromversorgung benötigt und ein Doppelband- bzw. ein Breitbandbetrieb ermöglicht.
Dagegen weist sie den Nachteil auf, die Herstellung zweier gedruckter und ineinander verschachtelter Schaltkreise zu benötigen und, beim Doppelbandbetrieb, nur eine ge ringe Bandbreite in jedem Unterband zu bieten. Beim Breitbandbetrieb bleibt die erzielte Bandbreite beschränkt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird detailliert im Dokument „Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications" (Analyse der vieradrigen, Resonanzspiralantenne für Kommunikationen mit mobilen Stationen) von A. Sharaiha und C. Terret (IEE-Proceedings H, Band 140, Nr. 4, August 1993).
Nach dieser Ausführung werden die abstrahlenden Leitungsglieder auf ein dünnes dielektrisches Substrat gedruckt und dann auf einer radioelektrisch transparenten zylindrischen Stütze aufgerollt. Die vier Leitungsglieder der Spirale sind an einem Ende offen oder kurzgeschlossen und am anderen Ende elektrisch verbunden.
Diese Antenne benötigt einen Versorgungskreislauf, der die Erregung der vier verschiedenen Leitungsglieder der Antenne mit Hilfe von um 90° phasenverschobenen Signalen gleicher Amplitude sicherstellt. Diese Funktion lässt sich mit Hilfe von –90° 3 dB-Kopplern sowie eines Hybrid-Ringkoppler verwirklichen. Die Gruppe kann als gedruckter Schaltkreis realisiert und an der Basis der Antennen angebracht werden. So erzielt man eine einfache aber platzraubende Versorgung.
Wie bereits oben erwähnt, ist es wünschenswert, dass die Antenne (einschließlich der Versorgung) so klein und leicht wie möglich sein soll, und zwar bei möglichst geringen Fertigungskosten.
Es wurden mehrere Ansätze vorgeschlagen, mit dem Ziel der Verringerung der Abmessungen der Antenne und ihrer Versorgung. Es können als Beispiele insbesondere die Lösungen erwähnt werden, die in folgenden Dokumenten vorgeschlagen wurden:

– in der von France Telecom angemeldeten Patentschrift FR-96 03698 (Spiralantenne mit integrierter Breitbandversorgung);
– in der von France Telecom angemeldeten Patentschrift FR-001 1830 (Spiralantenne mit variabler Steigung);
– in der von France Telecom angemeldeten Patentschrift FR-001 1843 (Spiralantenne mit Leitungsgliedern variabler Breite);
– im Artikel von B. Desplanches, A. Sharaiha und C. Terret, mit der Überschrift „Parametrical study of printed quadrifilar helical antennas with central dielectric rods" (Parametrische Untersuchung gedruckter vieradriger Antennen mit zentralen dielektrischen Stäben) (Microwave and Opt. Technol. Letters, Band 20, Nr. 4, 20. Februar 1999).

Diese Antennen bieten jedoch keine besonders große Bandbreite.
Es sind auch nach dem Stand der Technik Spiralantennen mit gefalteten abstrahlenden Leitungsgliedern bekannt, die jeweils in einer Patentschrift US-6,229,499 der Firma XM Satellite Radio (eingetragenes Warenzeichen) und in einer Patentschrift US-6,278,414 der Firma Qualcomm (eingetragenes Warenzeichen) dargestellt sind. Diese Antennen haben abstrahlende Leitungsglieder die teilweise auf sich selbst gefaltet sind, was eine Verringerung der Höhe erlaubt. Diese Antennen weisen jedoch den Nachteil auf, dass ihre Bandbreite gering ist.
Die Erfindung soll insbesondere diesen verschiedenen Nachteilen des Standes der Technik entgegenwirken.
Genauer gesagt, besteht ein Ziel der Erfindung im Bereitstellen einer Resonanzspiralantenne mit breitem Durchlassband, die beispielsweise das Sendeband und das Empfangsband eines Kommunikationssystems abdecken kann.
Insbesondere besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine Spiralantenne bereitzustellen, die eine große Bandbreite (größer als die mit den Antennen nach dem bisherigen Stand der Technik erzielten) in jedem Unterband aufweist, wenn zwei Unterbänder vorgesehen sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen einer Antenne, deren Abmessungen, Leistung und Fertigungskosten für die tragbaren Terminals von terrestrischen Zellensystemen annehmbar sein sollen.
Noch ein Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen einer Antenne geringer Abmessungen, die jedoch eine Breitbandfunktion aufweisen soll.
Ein Ziel der Erfindung besteht ebenfalls im Bereitstellen einer Antenne, die relativ einfach zu fertigen sein und somit geringe Fertigungskosten aufweisen soll.
Noch ein Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen einer technischen Alternative für die Lösungen des bisherigen Standes der Technik.
Diese Ziele sowie andere, die im Nachhinein ersichtlich werden, erreicht man nach der Erfindung mit Hilfe einer Spiralantenne nach Anspruch 1.
Bevorzugterweise zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass jeder der parasitären Leitungsglieder geerdet ist.
So wird die Funktion der Antenne und insbesondere die der parasitären Leitungsglieder optimiert.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass die abstrahlenden Leitungsglieder und die parasitären Leitungsglieder auf ein Substrat aufgedruckt sind.
Dies ermöglicht eine einfache, effektive und preiswerte Fertigung der Spiralantenne.
Die Antenne zeichnet sich dadurch aus, dass jedes der abstrahlenden Leitungsglieder an ein parasitäres Leitungsglied gekoppelt ist, dessen Breite geringer als die des abstrahlenden Leitungsgliedes ist.
So erreicht man ein induktives Verhalten (das einem abstrahlenden Leitungsglied und insbesondere seiner Länge entspricht), welches mit einem insgesamt kapazitiven Verhalten (das der Koppelung eines abstrahlenden Leitungsgliedes und eines parasitären Leitungsgliedes entspricht und von dem Abstand zwischen diesen zwei Leitungsgliedern und vom Verhältnis zwischen ihren Breiten abhängt) zusammenhängt, wobei das parasitäre Leitungsglied bevorzugterweise eine geringe Breite aufweisen soll.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass das Verhältnis zwischen der Breite eines jeden der parasitären Leitungsglieder und der Breite des besagten abstrahlenden Leitungsgliedes, an das es gekoppelt ist, kleiner oder gleich 0,15 ist.
So weist die Antenne eine optimale Leistung auf, insbesondere in den um 1 GHz liegenden Bändern.
Bevorzugterweise zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass jedes der parasitären Leitungsglieder so im Verhältnis zu dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied positioniert ist, dass die Koppelung zwischen dem parasitären Leitungsglied und dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied optimiert wird.
So sind ein parasitäres Leitungsglied und das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied so positioniert, dass das Durchlassband optimiert wird, wobei eine Koppelungsoptimierung, falls es sie gibt, vom Abstand zwischen diesen Leitungsgliedern abhängt.
Somit weist die Antenne eine bessere Anpassung auf.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass der Abstand eines jeden der parasitären Leitungsglieder zu dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied größer ist, als der zu mindestens einem der anderen abstrahlenden Leitungsglieder.
Eine Optimierung der Koppelung zwischen dem parasitären Leitungsglied und dem entsprechenden abstrahlenden Leitungsglied wird oft dadurch erreicht, dass das parasitäre Leitungsglied und das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied voneinander entfernt werden. Je weiter das parasitäre Leitungsglied und das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied voneinander entfernt sind, umso breiter ist das Abstrahlungsband der Antenne.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass ein jedes parasitäres Leitungsglied parallel zu dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied ist.
In diesem Falle sind, wenn ein parasitäres Leitungsglied und das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied geradlinig sind und eine konstante oder variable Breite aufweisen, beide Leitungsglieder parallel zueinander, wenn ihre mittleren, der Länge nach verlaufenden Linien, parallel zueinander sind.
Wenn in diesem Falle ein parasitäres Leitungsglied und/oder das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied eine gebrochene Linie bilden, werden beide Leitungsglieder als zueinander parallel betrachtet, wenn eine der drei nachfolgenden Bedingungen eingehalten wird:

– ihre der Länge nach laufenden Mittellinien sind parallel, oder
– ihre äußeren und/oder inneren, der Länge nach tangenten Linien, sind parallel, oder
– jedes der das parasitäre Leitungsglied bildende Segment ist parallel zu einem entsprechenden Segment des mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied.

So weisen jedes der parasitären Leitungsglieder und der gekoppelten abstrahlenden Leitungsglieder ein kapazitives Verhalten auf.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass jedes der parasitären Leitungsglieder in etwa dieselbe Länge wie das mit ihm gekoppelte abstrahlende Leitungsglied aufweist.
So lässt sich die Antenne relativ einfach realisieren (und insbesondere einfacher, als wenn die Erdverbindung an einem Ende des parasitären Leitungsgliedes beispielsweise in der Mitte des Zylinders erfolgen würde).
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass ein Ende eines jeden der parasitären Leitungsglieder an ein Ende des mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes über eine leitende Verbindung angeschlossen ist.
So können die parasitären Leitungsglieder und die mit ihnen gekoppelten abstrahlenden Leitungsglieder auf dieselbe Fläche des Substrats geätzt werden, wobei die ande re Fläche des Substrats dann für eine andere Verwendung frei bleibt (beispielsweise zum Aufätzen zusätzlicher Leitungsglieder oder einer anderen Spiralantenne).
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass ein Ende eines jeden der abstrahlenden Leitungsglieder durch Koppelung mit einem der Enden des mit dem parasitären Leitungsglied zusammenhängenden abstrahlenden Leitungsgliedes verbunden ist.
Nach einer besonderen Eigenschaft, zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass die abstrahlenden Leitungsglieder auf einer ersten Fläche eines Substrats aufgedruckt werden, während die parasitären Leitungsglieder auf die zweite Fläche des Substrats aufgedruckt werden.
So wird die Fertigung der Antenne vereinfacht, da die (insbesondere mit einem abstrahlenden Leitungsglied verbundene) Versorgung und die Masse (die insbesondere mit einem parasitären Leitungsglied verbunden ist) nicht notwendigerweise auf derselben Seite des Substrats vorhanden sind. Metallisierte Löcher, die den Durchgang der Masse von der Versorgungsseite ermöglichen, sind somit nicht unbedingt erforderlich.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass mindestens ein parasitäres Leitungsglied und ein abstrahlendes Leitungsglied, welches mit dem an das besagte parasitäre Leitungsglied gekoppelte abstrahlende Leitungsglied benachbart ist, sich überlappen.
So ist der Abstand zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten abstrahlenden Leitungsgliedern. Das ermöglicht insbesondere das Erzielen einer größeren Spannweite zum Regeln der Koppelung zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied, so dass ein optimaler Wert zum Verbessern des Durchlassbandes leichter zu finden ist.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass das Ende der abstrahlenden Leitungsglieder, die nicht mit einem parasitären Leitungsglied verbunden sind, mit einer Vorlaufleitung einer Stromversorgungsschaltung verbunden ist.
Somit ist die Funktionsweise der Antenne optimiert.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass mindestens eine der Spiralen eine vieradrige Spirale ist, die vier Leitungsglieder aufweist.
So erzielt man eine gute Reinheit der Kreispolarisierung.
Darüber hinaus ist für einige Fälle die Öffnung der Antenne sehr weit, da das Strahlungsdiagramm nahezu eine Halbkugel bildet.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass die eine Spirale bildenden abstrahlenden Leitungsglieder, alle die gleichen Abmessungen und, dass die besagten parasitären Leitungsglieder alle die gleichen Abmessungen aufweisen.
Somit erhält man eine bessere Kreispolarisierung, da die Leitungsglieder eine gute Symmetrie aufweisen. Darüber hinaus weisen die Leitungsglieder eine gute Verteilung von um 90° phasenverschobenen Strom auf.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass mindestens eines der abstrahlenden und/oder parasitären Leitungsglieder aus mindestens zwei Segmenten gebildet ist bzw. sind, wobei die Aufrollwinkel von mindestens zwei der Segmente verschieden sind und in zufälliger oder pseudozufälliger Weise mit Hilfe von globalen Optimierungsmitteln bestimmt sind.
So ist die von einem jeden der abstrahlenden und/oder parasitären Leitungsglieder gebildete Linie eine gebrochene Linie, was eine Verringerung der Antennengröße ermöglicht, bei gleichzeitigem Erhalt guter Leistungen.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass mindestens eines der abstrahlenden und/oder parasitären Leitungsglieder eine variable Breite aufweist, die gleichmäßig und monoton zwischen einer maximalen Breite und einer minimalen Breite variiert.
Somit wird die Anpassung der Antenne vereinfacht, da ein zusätzlicher Regelungsparameter für diese Einstellung verfügbar ist.
Nach einer besonderen Eigenschaft zeichnet sich die Spiralantenne dadurch aus, dass die abstrahlenden Leitungsglieder eine Länge aufweisen, die merklich von einem Vielfachen der Wellenlänge abweicht, welche der durch 4 geteilten mittleren Frequenz des Sendebandes der besagten Antenne entspricht.
So verfügt man bei der Öffnung der Antenne über eine gewisse Bewegungsfreiheit, im Gegensatz zu den bekannten Antennen des Typs Dipol mit parasitärem Leitungsglied, deren Länge ein Vielfaches von λ/4 beträgt, wobei λ die Sendewellenlänge der Antenne darstellt.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die als veranschaulichendes Beispiel ohne einschränkende Wirkung vorgestellt wird sowie beim Betrachten der beigefügten Zeichnungen, wobei:
die 1 und 2 eine vieradrige Spiralantenne bekannter Art mit klassischen Leitungsgliedern konstanter Breite darstellen, bei entfalteter Spirale (1) bzw. wenn die Spirale auf einer zylindrischen Stütze aufgerollt ist (2);
3 ein Beispiel für eine Spirale nach der Erfindung in der entfalteten Form zeigt;
4 eine Vorderansicht der Spirale der 3 zeigt, wenn diese auf der zylindrischen Stütze aufgewickelt ist;
5 ein Beispiel eines SWR zeigt, welches am Eingang eines Leitungsgliedes für eine Antenne nach der Erfindung gemessen wurde;
6 ein Smith-Diagramm zeigt, das die Eingangsimpedanz einer Antenne nach der Erfindung darstellt;
die 7a und 7b eine Variante der Erfindung darstellen, nach der abstrahlende Leitungsglieder und die zugehörigen parasitären Leitungsglieder dann miteinander gekoppelt werden, wenn sie auf zwei entgegen liegende Flächen eines Substrats gedruckt werden;
8 ein Beispiel einer Antenne nach einer Variante der Erfindung darstellt, bei der abstrahlende Leitungsglieder variable Breiten aufweisen und,
Die 9a und 9b ein Beispiel einer Antenne nach einer anderen Variante der Erfindung zeigen, welche abstrahlende Leitungsglieder aufweisen, die eine gebrochene Linie bilden.
Die 1 und 2 stellen eine klassische vieradrige Spiralantenne dar, von der bereits in der Präambel diskutierten Art. Sie umfasst vier Leitungsglieder 11₁ bis 11₄ , der Länge L2 und der Breite d. Diese abstrahlenden Leitungsglieder werden auf ein dünnes dielektrisches Substrat 12 aufgedruckt, welches danach auf eine radioelektrisch transparente zylindrische Stütze 13 mit Radius r, mit Kreisumfang c und mit axialer Länge L1 aufgewickelt wird, wobei α der Aufrollwinkel ist.
Klassischerweise benötigt die Antenne einen Versorgungsschaltkreis, der die Erregung der verschiedenen Leitungsglieder der Antenne mit Hilfe von um 90° phasenverschobenen Signalen gleicher Amplitude sicherstellt. Diese Funktion lässt sich mit Hilfe von –90° 3 dB-Kopplerstrukturen und eines Hybrid-Ringkopplers verwirklichen, wobei die besagte Funktion als gedruckter Schaltkreis realisiert und an der Basis der Antennen angebracht wird.
3 zeigt ein Beispiel der Spirale 30 der Erfindung in der entfalteten Form. Die HQI Antenne 30 umfasst somit 4 leitende abstrahlende Leitungsglieder 31₁ bis 31₄ , die untereinander gleichmäßige Abstände aufweisen und die auf ein Substrat 32 gedruckt werden, wobei ihre Breite gleich Wa ist. Die vier Leitungsglieder 31₁ bis 31₄ sind an einem Ende, jeweils 36₁ bis 36₄ , auf sich selbst zurückgefaltet, wobei sie jeweils ein parasitäres Leitungsglied 34₁ bis 34₄ bilden und am anderen Ende an die Vorlaufleitungen des Versorgungsschaltkreises 33 angeschlossen sind.
Die parasitären Leitungsglieder 34₁ bis 34₄ weisen eine Breite W_br auf, die kleiner als die Breite W_a der abstrahlenden Leitungsglieder ist, um einen Breitbandbetrieb der Antenne zu gewährleisten. Die parasitären Leitungsglieder 34₁ bis 34₄ sind jeweils mit der Masse 35 verbunden, und zwar an dem jeweils gegenüber dem Ende 36₁ bis 36₄ liegenden Ende. Bei der in 3 beschriebenen Ausführung sind die Breite W_br der parasitären Leitungsglieder und die Breite W_a der abstrahlenden Leitungsglieder konstant.
Die Antenne 30 wird dann auf eine zylindrische Stütze aufgerollt, wie in 4 gezeigt, wobei diese Figur eine vordere Ansicht der auf die zylindrische Stütze aufgewickelten Antenne zeigt.
Es wird nun detailliert eine besondere Ausführung der Erfindung beschrieben. Selbstverständlich handelt es sich dabei nur um ein einfaches Beispiel und es sind, abhängig von den Erfordernissen und von den Anwendungen, viele Varianten und Anpassungen denkbar.
Die realisierte und in den 3 und 4 dargestellte Antenne weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

– Länge der Leitungsglieder: 0,83λ, wobei λ die der mittleren Frequenz des Sendebandes entsprechende Frequenz ist (wobei diese Länge gewählt wurde, um die Antennenöffnung zu optimieren);
– Durchmesser: 0,18λ;
– Abstand d: 9 mm;
– Breite W_br: 1,95 mm
– Breitenverhältnis der Leitungsglieder W_a/W_br: 8;
– Aufrollwinkel, α: 50°.

Im Allgemeinen wird das Durchlassband breiter, wenn der Abstand d zunimmt. Bevorzugterweise liegt das parasitäre Leitungsglied somit dicht am benachbarten abstrahlenden Leitungsglied.
Ganz allgemein gibt es einen Optimalwert für das Durchlassband als Funktion des Abstandes zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied.
5 ermöglicht eine Veranschaulichung des als Funktion der Frequenz 50 (in der Figur in GHz ausgedrückt) gemessenen SWR 52, wobei die Messung am Eingang eines abstrahlenden Leitungsgliedes für die in den 3 und 4 dargestellten Antenne erfolgte, wobei die anderen unterhalb von 50 Ω belastet sind.
Die Antennen werden bei der Zentralfrequenz F1 gemessen, die 1,5 GHz beträgt.
Es wird festgestellt, dass für die HQI Antenne mit gefaltetem Leitungsglied der Erfindung, man eine Anpassung der HQI Antenne erzielt, die über das sich zwischen 1,27 GHz und 1,65 GHz erstreckende Intervall kleiner als –10 dB ist, d. h., ein Durchlassband, welches 26% erreicht. So weist die HQI Antenne eine bedeutende Erweiterung des Durchlassbandes auf. Man geht nämlich von einem Durchlassband in der Größenordnung 6 bis 8% für eine konventionelle HQI Antenne zu einem Durchlassband in der Größenordnung von 26% für eine Antenne von der Art, die in den 3 und 4 dargestellt wird, über.
So ermöglicht die gedruckte vieradrige Faltspiralantenne, bei der jedes parasitäre Leitungsglied geerdet ist, das Senden und/oder Empfangen innerhalb eines breiten Durchlassbandes, oder in zwei verschiedenen Unterbändern, die jeweils ein breites Durchlassband aufweisen.
Die Technik der Erfindung ergibt somit eine nicht vernachlässigbare Erweiterung des Durchlassbandes. So erhält man eine gedruckte vieradrige Spiralantenne, die innerhalb eines breiten Durchlassbandes und/oder in zwei verschiedenen Unterbändern, die jeweils ein breites Durchlassband aufweisen, arbeitet, wobei diese Antenne eine geringe Höhe aufweist. So ermöglicht die gedruckte vieradrige Faltspiralantenne mit geerdeten parasitären Leitungsgliedern eine Erweiterung des Durchlassbandes der Antenne, ohne Verkürzung der Leitungsglieder.
6 zeigt ein Smith-Diagramm, das die auf 50 Ohm normierte Eingangsimpedanz 60 einer Antenne nach der Erfindung darstellt.
Die Schleife 61 der Kurve 60 entstammt der Koppelung und ergibt ein breites Band, da dieses innerhalb eines Kreises 62 liegt, welches einem SWR entspricht, welches kleiner oder gleich 2 ist.
7 stellt ein Beispiel einer Spirale 70 nach einer Variante der Erfindung in ihrer entfalteten Form dar. Die HQI Antenne 70 umfasst 4 gleichmäßig verteilte leitende abstrahlende Leitungsglieder 71₁ bis 71₄ , die auf einer ersten Fläche des Substrats 72 gedruckt sind und eine Breite W_a aufweisen. Die vier Leitungsglieder 71₁ bis 71₄ sind an einem Ende mit den Vorlaufleitungen des Versorgungsschaltkreises 73 verbunden.
Die parasitären Leitungsglieder 74₁ bis 74₄ (gestrichelt dargestellt) sind parallel zu den abstrahlenden Leitungsglieder auf einer zweiten, der ersten Fläche gegenüberliegenden Fläche des Substrats 72 aufgedruckt. Die parasitären Leitungsglieder 74₁ bis 74₄ sind jeweils über eines ihrer Enden 71₁ bis 71₄ mit der Masse 75 verbunden.
Jedes parasitäre Leitungsglied 74₁ bis 74₄ ist jeweils über das nicht mit der Masse 75 verbundene Ende 75₁ bis 75₄ an das nicht mit der Versorgung verbundene Ende des jeweils mit ihm gekoppelten Leitungsgliedes 71₁ bis 71₄ , gekoppelt. Die parasitären Leitungsglieder 74₁ bis 74₄ weisen eine Breite W_br auf, die kleiner oder gleich und bevorzugterweise sehr viel kleiner (wobei das Verhältnis W_br/W_a kleiner als 0.15 sein soll) als die Breite W_a der abstrahlenden Leitungsglieder sein soll, um ein Breitbandbetrieb der Antenne zu gewährleisten. Bei der in den 7a und 7b beschriebenen Ausführung sind die Breite W_br der parasitären Leitungsglieder und die Breite W_a der abstrahlenden Leitungsglieder konstant.
In diesem Falle ist der Abstand zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied nicht durch den Abstand zwischen zwei abstrahlenden Leitungsgliedern eingeschränkt. So kann der Abstand zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem abstrahlenden Leitungsglied größer als der Abstand zwischen zwei abstrahlenden Leitungsgliedern sein. Die Koppelung zwischen einem parasitären Leitungsglied und dem zugehörigen abstrahlenden Leitungsglied, und somit das Durchlassband, können somit verbessert werden. Man hat daher mehr Möglichkeiten beim Suchen der optimalen Koppelung.
7b zeigt eine detaillierte Darstellung des Endes 751 des mit dem parasitären Leitungsglied 741 gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes 711. Ganz allgemein überlappen sich jedes der parasitären Leitungsglieder und das zugehörige abstrahlende Leitungsglied auf beiden Seiten des Substrats 72 über eine Länge E, die zwischen 0 und dem Abstand d zwischen dem parasitären Leitungsglied und dem zugehörigen abstrahlenden Leitungsglied liegt.
Da die anderen Eigenschaften der Antenne 70 (Aufwickeln um eine zylindrische Stütze, Abmessungen der Leitungsglieder der Antenne usw.) ähnlich zu denen der in den 3 und 4 dargestellten Antenne 30 sind, werden sie hier nicht näher beschrieben.
8 zeigt ein Beispiel einer Antenne 80 nach einer Variante der Erfindung, nach der die abstrahlenden Leitungsglieder 81₁ bis 81₄ eine variable Breite aufweisen. Jedes abstrahlende Leitungsglied 81₁ bis 81₄ ist über ein Ende mit einem parasitären Leitungsglied 84₁ bis 84₄ verbunden.
Diese Ausführung hat insbesondere zum Ziel das Erreichen einer HQI Antenne 80, welche eine noch größere Erweiterung des Durchlassbandes und/oder eine bessere Anpassung der Antenne 80 zulässt (wobei die Variation der Bandbreite ein zusätzlicher Parameter ist, der für die Anpassung einsetzbar ist). Dies erreicht man, indem man die Breite der abstrahlenden Leitungsglieder entlang der Spirale variiert. So weisen die Enden der abstrahlenden Leitungsglieder jeweils eine verschiedene Breite W_a1 und W_a2 auf. Die Variation der Breite kann:

– gleichmäßig nach einem linearen Gesetz, exponentiell, doppelt exponentiell, treppenförmig usw. oder
– nicht gleichmäßig sein.

Bevorzugterweise ist die Breite der parasitären Leitungsglieder konstant, wobei jedes der parasitären Leitungsglieder parallel zu einer sich der Länge nach erstreckenden Mittellinie des mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes ist (beispielsweise durch die dem Leitungsglied 81₁ entsprechende Linie 87 dargestellt).
Zur Veranschaulichung weist jedes der abstrahlenden Leitungsglieder der Antenne 80 eine Mindestbreite W_a1 von 2 mm und eine maximale Breite W_a2 von 16 mm auf.
Mit Ausnahme der Breite der abstrahlenden Leitungsglieder werden die Eigenschaften der Antenne 80 nicht weiter beschrieben, da sie denen der in den 3 und 4 dargestellten Antenne 30 ähnlich sind.
Nach einer nicht bildlich dargestellten Variante der Erfindung sind die parasitären Leitungsglieder einer Spiralantenne gekoppelt und nicht direkt mit abstrahlenden Leitungsgliedern variabler Breite verbunden, wobei die letzteren den Leitungsgliedern 81₁ bis 81₄ der Antenne 80 ähnlich sind (nach einer Koppelung, die derjenigen zwischen den abstrahlenden und den parasitären Leitungsglieder der Antenne 70 ähnlich ist).
Nach einer anderen Variante der Erfindung ist die Breite der parasitären Leitungsglieder variabel, wobei die der Länge nach laufenden Mittellinien eines jeden parasitären Leitungsgliedes und des zugehörigen abstrahlenden Leitungsgliedes parallel sind.
Nach noch einer weiteren, nicht dargestellten Variante der Erfindung, liegen die parasitären Leitungsglieder parallel zu einer der Seiten der abstrahlenden Leitungsglieder. Ein zu einem benachbarten abstrahlenden Leitungsglied paralleles parasitäres Leitungsglied ermöglicht insbesondere das Vergrößern des Abstandes zwischen diesem parasitären Leitungsglied und dem mit ihm gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied, wobei es gleichzeitig näher an das benachbarte Leitungsglied gerückt wird, wodurch der kapazitive Effekt und das Durchlassband der Antenne erweitert werden.
Ganz allgemein sind die parasitären und die abstrahlenden Leitungsglieder nur über einen einzigen Verbindungspunkt verbunden.
9a zeigt ein Beispiel einer Antenne 90 nach einer anderen Variante der Erfindung, welche abstrahlende Leitungsglieder 91₁ bis 91₄ aufweist, die eine gebrochene Linie bilden.
Jedes der abstrahlenden Leitungsglieder 91₁ bis 91₄ ist über eines seiner Enden mit einem parasitären Leitungsglied 94₁ bis 94₄ verbunden.
Jedes abstrahlende Leitungsglied 91₁ bis 91₄ (oder zumindest bestimmte Leitungsglieder) der HQI Antenne wird nach einer begrenzten Zahl von Segmenten aufgeteilt. Nach den mathematischen Ausdrücken, welche die geometrischen Parameter einer Spiralantenne miteinander verbinden, stellt man fest, dass eine Änderung des Aufwickelungswinkels einen Einfluss auf die Wicklungssteigung der Antenne, und somit auf ihre axiale Länge ausübt.
So ist es möglich, für jedes Segment einen verschiedenen Aufrollwinkel anzugeben. Die Höhe kann dadurch verringert werden. Das Einführen verschiedener Aufrollwinkel kann einer Änderung der Wicklungssteigung der Antenne gleichgesetzt werden.
Der Aufrollwinkel α ist jedoch auch ein Parameter, der das Strahlungsdiagramm einer HQI Antenne beeinflusst (3 dB Öffnungswinkel, Elliptizitätsverhältnis). Aus diesem Grunde kann ein globales Optimierungsprogramm, wie das simulierte Glühen oder der genetische Algorithmus, verwendet werden, um die verschiedenen passenden Winkel α auszuwählen.
Die Synthese erfolgt auf den Strahlungsdiagrammen bei Hauptpolarisierung und bei orthogonaler Polarisierung, durch Einführung einer von den gewünschten –3 dB Amplitudenniveaus und Öffnungswinkeln bestimmten Schablone.
Das Anbringen dieser Schablone ermöglicht das perfekte Kontrollieren der –3 dB Öffnungswinkel sowie das Unterdrücken der inversen Polarisierung und somit des Elliptizitätsverhältnisses. Die zu optimierenden Variablen sind die verschiedenen Aufrollwinkel der Leitungsglieder der HQI Antenne. Der Algorithmus ergibt die optimalen Winkel α.
Jedes der abstrahlenden Leitungsglieder 91₁ bis 91₄ der in den 9a dargestellten Antenne 90 wird beispielsweise nach acht Segmenten identischer Länge L aufgeteilt. Die jedem der acht Segmente der abstrahlenden Leitungsglieder der Antenne 90 entsprechenden Aufrollwinkel sind:

– α₁ = 30°;
– α₂ = 33°;
– α₃ = 55°;
– α₄ = 34°;
– α₅ = 65°;
– α₆ = 68°;
– α₇ = 54° und
– α₈ = 33°.

Das abstrahlende Leitungsglied 91₁ und das parasitäre Leitungsglied 94₁ sowie insbesondere die das abstrahlende Leitungsglied 91₁ bildenden Segmente sind in 9b detaillierter dargestellt.
So erhält man eine HQI Antenne 90 mit zufällig variabler Steigung und kleinen Abmessungen.
Selbstverständlich können als Funktion der Bedürfnisse verschiedene Zwänge bei der Optimierung berücksichtigt werden.
So ermöglicht eine Änderung der Aufrollwinkel einerseits das Verringern der axialen Länge der HQI Antenne und andererseits das Erzielen des gewünschten Elliptizitätsverhältnisses sowie der gewünschten Abdeckung.
Nach 9b ist das parasitäre Leitungsglied 94₁ parallel zu einer inneren Tangente 97 (d. h., eine Tangente, die zwischen einem abstrahlenden Leitungsglied 91₁ und dem damit gekoppelten parasitären Leitungsglied 94₁ liegt) des abstrahlenden Leitungsgliedes 91₁ .
Nach einer nicht dargestellten Variante sind ein parasitäres Leitungsglied oder mehrere parasitäre Leitungsglieder parallel zu einer äußeren Tangente (d. h., die auf der zum parasitären Leitungsglied entgegen gesetzten Seite liegt) des damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes (was das Annähern zwischen dem parasitären Leitungsglied und einem benachbartes Leitungsglied ermöglicht) oder parallel zu einer Mittellinie des damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes.
Nach einer weiteren nicht dargestellten Variante bilden ein parasitäres Leitungsglied bzw. mehrere parasitäre Leitungsglieder eine gebrochene Linie. Bevorzugterweise weist jedes dieser parasitären Leitungsglieder dieselbe Zahl von Segmenten wie das damit gekoppelte abstrahlende Leitungsglied auf, während jedes Segment des parasitären Leitungsgliedes dieselbe Länge aufweist und parallel zu einem entsprechenden Segment auf dem damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsglied ist (so weisen neben einer verschiedenen Breite, das parasitäre Leitungsglied und das damit gekoppelte abstrahlende Leitungsglied dieselbe Form auf), wodurch es möglich wird, ein parasitäres Leitungsglied sehr nahe an ein abstrahlendes Leitungsglied zu positionieren.
Nach einer noch anderen nicht dargestellten Variante der Erfindung sind die parasitären Leitungsglieder einer Spiralantenne durch Koppelung (und nicht direkt) mit abstrahlenden Leitungsgliedern verbunden, die eine gebrochene Linie bilden, in ähnlicher Weise zu der in den 7a und 7b dargestellten Koppelung.
Es sind viele Varianten der in den 3 bis 9 dargestellten Ausführungen denkbar.
Insbesondere soll darauf hingewiesen werden, dass die Breite der parasitären Leitungsglieder einen beliebigen Wert annehmen kann, der kleiner ist als die Breite eines damit gekoppelten abstrahlenden Leitungsgliedes und bevorzugterweise in der Größenordnung eines Achtels von der des zugehörigen abstrahlenden Leitungsgliedes liegt.
Andererseits ist die Erfindung auf jede Art von Spiralantennen anwendbar und nicht nur auf vieradrige Antennen.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die Leitungsglieder nicht alle identische Abmessungen aufweisen.
Nach der beschriebenen Ausführung wird die Antenne flach gedruckt und dann auf eine Stütze aufgerollt, um die Antenne zu bilden. Nach einer weiteren, schnelleren Ausführung, kann das Substrat, welches die gedruckten Elemente aufnehmen soll, direkt mit der endgültigen zylindrischen Form hergestellt werden. In diesem Falle werden die Leitungsglieder und die Versorgungsstruktur direkt auf den Zylinder aufgedruckt.
Andererseits sei darauf hingewiesen, dass, obwohl sie einheitlich einsetzbar ist, die Antenne der Erfindung bei der Realisierung von Antennennetzwerken einsetzbar ist.
Es ist ebenfalls möglich, zwei (oder mehr) Antennen dieser Art koaxial oder konzentrisch aufzubauen.
Zuletzt ist die Technik der Erfindung mit den Techniken kompatibel, welche die Größe der Antennen verringern sollen, insbesondere die in der Patentschrift für die Patent anmeldung FR-001 1830 der France Telecom beschriebenen (Spiralantenne mit variabler Steigung) oder welche die Bandbreite erweitern sollen, beispielsweise nach einer in der von France Telecom angemeldeten Patentschrift FR-0011843 (Spiralantenne mit Leitungsgliedern variabler Breite) beschriebenen. In diesen verschiedenen Fällen kann das Vorhandensein einer variablen Steigung und/oder die Variation der Breite auf alle Leitungsglieder oder selektiv auf einige von ihnen angewandt werden.

Claims

Spiralantenne (30, 70, 80, 90) die mindestens eine Spirale aufweist, welche von mindestens zwei abstrahlenden Leitungsgliedern (31, 71, 81, 91) gebildet wird, die jeweils an ein entsprechendes parasitäres Leitungsglied (34, 74, 84, 94) über ein erstes Ende gekoppelt sind, wobei die besagten abstrahlenden Leitungsglieder und die besagten parasitären Leitungsglieder (34, 74, 84, 94) zueinander parallel sind und die gleiche Länge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der besagten parasitären Leitungsglieder (34, 74, 84, 94) streng geringer als die Breite der besagten abstrahlenden Leitungsglieder ist sowie dadurch, dass der Abstand zwischen einem parasitären Leitungsglied und das abstrahlende Leitungsglied, an welches es gekoppelt ist, größer ist als der Abstand zwischen dem besagten parasitären Leitungsglied und ein benachbartes abstrahlendes Leitungsglied, an das es nicht gekoppelt ist, wobei die besagten Abstände senkrecht zu den Achsen der besagten Leitungsglieder gemessen werden.
Spiralantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite eines jeden der parasitären Leitungsglieder und der Breite des besagten abstrahlenden Leitungsglied, an das es gekoppelt ist, kleiner oder gleich 0,15 ist.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten abstrahlenden Leitungsglieder und die besagten parasitären Leitungsglieder auf ein Substrat (32, 72, 82, 92) aufgedruckt sind.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der besagten parasitären Leitungsglieder an Masse angeschlossen ist (35, 75, 85, 95).
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der besagten parasitären Leitungsglieder (74) an eines der besagten abstrahlenden Leitungsglieder (31, 71, 81, 91) über eine leitende Verbindung (36, 86, 96) gekoppelt ist.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der besagten parasitären Leitungsglieder (74) an eines der besagten abstrahlenden Leitungsglieder (31, 71, 81, 91) über eine elektromagnetische Verbindung (36, 86, 96) gekoppelt ist.
Spiralantenne nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten abstrahlenden Leitungsglieder auf einer ersten Fläche eines Substrats aufgedruckt sind und, dass die besagten parasitären Leitungsglieder auf der zweiten Fläche des besagten Substrat aufgedruckt sind.
Spiralantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein parasitäres Leitungsglied und ein abstrahlendes Leitungsglied, welches mit dem an das besagte parasitäre Leitungsglied gekoppelte abstrahlende Leitungsglied benachbart ist, sich überlappen.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende der besagten abstrahlenden Leitungsglieder mit einer Vorlaufleitung einer Stromversorgungsschaltung (33, 73, 83, 93) verbunden ist.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der besagten Spiralen eine vieradrige Spirale ist, die vier Leitungsglieder aufweist.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten, eine Spirale bildenden abstrahlenden Leitungsglieder, alle die gleichen Abmessungen aufweisen und, dass die besagten parasitären Leitungsglieder alle die gleichen Abmessungen aufweisen.
Spiralantenne (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der besagten abstrahlenden und/oder parasitären Leitungsglieder aus mindestens zwei Segmenten gebildet ist, wobei mindestens zwei dieser Segmente nach unterschiedlichen Winkeln aufgewickelt sind.
Spiralantenne (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der besagten abstrahlenden und/oder parasitären Leitungsglieder eine variable Breite aufweist, die gleichmäßig und monoton zwischen einer maximalen Breite und einer minimalen Breite variiert.
Spiralantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten abstrahlenden Leitungsglieder eine Länge aufweisen, die merklich von einem Vielfachen der Wellenlänge abweicht, welche der durch 4 geteilten mittleren Frequenz des Sendebandes der besagten Antenne entspricht.