DE69212127T2

DE69212127T2 - Ebene Antenne

Info

Publication number: DE69212127T2
Application number: DE69212127T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Saito; Katsuya Tsukamoto
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-11-25
Also published as: JPH05167340A; ES2092018T3; KR960016369B1; EP0546601B1; DE69212127D1; JPH0744380B2; KR930015183A; US5502453A; EP0546601A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft planare Antennen und insbesondere eine planare Antenne, die einen hohen Strahlungswirkungsgrad und kreuzpolarisierte Wellenkennlinien über einen breiten Bandbereich erreicht.
Die planare Antenne der erwähnten Art kann in bezug auf einen Rundfunk- oder Nachrichtensatelliten wirksam eingesetzt werden.

Stand der Technik

Allgemein ist anstelle von herkömmlichen Parabolantennen, die beschwerliche Einbauarbeiten erfordern und ein fragwürdiges äußeres Aussehen aufweisen, eine solche planare Antenne vorgeschlagen worden, wie sie z.B. in U.S.-Patent Nr. 4,475,107 (entspricht der deutschen Anmeldung P 31 49 200.2) offenbart worden ist. Auf alle Fälle wurde für die planare Antenne dieser Art gefordert, daß sie eine höhere Empfangsverstärkung erreicht, wozu eine Vielzahl von Versuchen zur Verringerung der Einfügungsdämpfung unternommen worden sind. In U.S.-Patent Nr. 4,851,855 (entspricht dem deutschen Patent Nr. 37 06 051) haben die gegenwärtigen Erfinder K. Tsukamoto et al. eine planare Antenne vorgeschlagen, bei der Stromversorgungs- und Strahlungsleiterbahnen und Erdungsleiter durch eine Abstandhalteeinrichtung voneinander getrennt gehalten werden, während die Stromversorgungs- und Strahlungsleiterbahnen für eine Stromversorgung elektromagnetisch gekoppelt werden, anstatt anstatt direkt miteinander verbunden zu sein. Mit dieser Anordnung können die Stromversorgungsleiterbahnen zur wirksamen Verringerung der Einfügungsdämpfung innerhalb der Antenne angeordnet werden.
Ferner sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,929,959 und 5,005,019 von A.I. Zaghloul et al. weitere planare Antennen vorgeschlagen worden, in denen die Strahlungsleiterbahnen mit vielen ringförmigen Schlitzen in jedem ihrer Mittelabschnitte mit einem Korrekturelement gebildet sind, wobei die Korrekturelemente einzeln elektromagnetisch an die Stromversorgungssonden der Stromversorgungsleiterbahnen gekoppelt werden, so daß die Einfügungsdämpfung verringert und die Montagefähigkeit verbessert werden kann.
Gemäß diesen U.S.-Patenten von Tsukamoto et al. und Zaghloul et al. ist es möglich, im Gegensatz zu jeder anderen bekannten planaren Antenne eine Verringerung der Einfügungsdämpfung und eine Verbesserung der Montagefähigkeit zu erreichen. Andererseits weisen die Strahlungsleiterbahnen auch bei diesen U.S.-Patenten Schlitze mit einer rechteckigen, kreisförmigen oder anderen Form und Korrekturelemente auf, die in jedem der Schlitze jeweils zentral angeordnet sind, so daß dafür ein hochgenauer Ätzvorgang erforderlich ist, wobei das erforderliches Atzmuster der Strahlungsplatte viel komplizierter wird, und das Problem entstand, daß eine Fertigungsschwankung aufgrund einer Unebenheit der gedruckten Leiterplatte o.ä. groß wird, die Menge der entstehenden Erzeugnisse sinkt und die erforderlichen Fertigungskosten allgemein höher sind.
Ferner haben die gegenwärtigen Erfinder K. Tsukamoto et al. in einer früheren Erfindung, die in U.S.-Patentanmeldung Nr. 07/509,820 (entspricht der deutschen Patentanmeldung P. 40 14 133.0) offenbart wurde, eine planare Antenne vorgeschlagen, in der die Strahlungs-Leiterplatte nur vollständig offene Öffnungen aufweist, die elektromagnetisch an die Stromversorgungssonden der Stromversorgungs-Leiterplatte gekoppelt werden, so daß die Funktion des Strahlungselements allein durch die Öffnungen ohne Hilfe des in den obenerwähnten U.S.-Patenten offenbarten Korrekturelements erreicht werden kann.
Gemäß dieser früheren Erfindung ist keine hochgenaue Fertigung mehr erforderlich, so daß die Fertigung einfacher wird, die Strahlungsleiterbahnen einfach durch Stanzen o.ä. einer Metallplatte anstatt durch den Atzvorgang der gedruckten Leiterplatte gebildet werden können und die Produktivität wirksam verbessert werden kann.
Beim Empfangen der zirkulär polarisierten Welle mit der Antenne der früheren Erfindung ist jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads durch ein Austreten der elektrischen Welle der zur Platte parallelen Mode zwischen der Strahlungs- Leiterplatte und der geerdeten Leiterplatte infolge der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Stromversorgungssonden und den Strahlungselementen, die nur durch die Öffnungen mit einer besonderen Kontur gebildet werden, aufgetreten. Ferner besteht bei diesem Austreten die Gefahr, daß die durch irgend- eine der Öffnungen austretende elektrische Welle an eine andere Öffnung gekoppelt wird, so daß die Kreuzpolarisationskennlinie verschlechtert wird.
Dies waren Hindernisse beim Erreichen eines höheren Wirkungsgrades als bei der Parabolantenne und einer hervorragenden Kreuzpolarisationskennlinie über einen breiten Bandbereich.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung einer planaren Antenne mit einem hervorragenden Antennenwirkungsgrad über einen breiten Bandbereich und einer hervorragenden Kreuzplolarisationskennlinie.
Erfindungsgemäß kann diese Aufgabe, wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt, gelöst werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung mit ausführlichem Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Teilansicht die zerlegte planare Antenne in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 zeigt in einem schematischen Teilgrundriß eine vergrößerte Positionsbeziehung zwischen jedem Öffnungspaar in der Strahlungs-Leiterplatte und jeder Stromversorgungssonde in der Stromversorgungs-Leiterplatte in der planaren Antenne der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine erläuternde Ansicht der Anordnung der Öffnungen der Strahlungs-Leiterplatte in der planaren Antenne der Fig. 1;
Fig. 4 ist eine schematische Schnitt-Teilansicht der planaren Antenne der Fig. 1;
Fig. 5 ist ein schematischer Teilgrundriß der Polarisiereinrichtung in der planaren Antenne von Fig 1;
Fig. 6 ist ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Verstärkungskennlinien der planaren Antenne der Fig. 1 und einer herkömmlichen planaren Antenne;
Fig. 7 zeigt in einem schematischen Teilgrundriß die Polarisiereinrichtung in einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
Fig. 8 zeigt in einem schematischen Teilgrundriß eine vergrößerte Positionsbeziehung zwischen jedem Öffnungspaar der Strahlungs-Leiterplatte und jeder Stromversorgungssonde der Stromversorgungs-Leiterplatte in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die vorliegende Erfindung nun mit Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben wird, sollte beachtet werden, daß nicht beabsichtigt ist, die Erfindung nur auf diese gezeigten Ausführungsformen zu beschränken, sondern daß alle Änderungen, Modifikationen und äquivalenten Anordnungen, die im Rahmen der beigefügten Ansprüche möglich sind, eingeschlossen sein sollen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In den Figuren 1 bis 5 wird eine planare Antenne 10 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt, wobei die Antenne 10 eine geerdete Leiterplatte 11, eine Stromversorgungs- Leiterplatte 12 und eine Strahlungs-Leiterplatte 13 aufweist und die Platten 11-13 nacheinander angeordnet sind, so daß sie einander in der erwähnten Reihenfolge flach gegenüberliegen, und voneinander getrennt sind durch Abstandhalter 15a und 15b aus einem solchen Kunststoffmaterial wie einer Schaumfolie, die jeweils zwischen den Platten 11-13 angeordnet ist, um sie durch die Dicke dieser Abstandhalter voneinander zu trennen. Ferner ist vor der Strahlungs-Leiterplatte 13 eine Polarisiereinrichtung 14 angeordnet, die eine linear polarisierte Welle in eine zirkulär polarisierte Welle umwandeln kann.
Für die geerdete Leiterplatte 11 kann z.B. eine im Handel erhältliche Aluminiumplatte von 2 mm Dicke verwendet werden, aber auch eine Platte aus anderem elektrisch leitenden Material wie Kupfer, Silber, Astatin, Eisen, Gold u.ä. Die Stromversorgungs-Leiterplatte 12 ist in einem vorbestimmten Abstand zur geerdeten Leiterplatte 11 positioniert, wobei der Abstandhalter 15a aus der Kunststoffschaumfolie o.ä. dazwischen angeordnet ist. Diese Stromversorgungs-Leiterplatte 12 weist vorzugsweise ein Polyestersubstrat von 50 µm Dicke und Stromversorgungs-Leiterbahnen 12a auf, die auf dem Substrat gebildet sind, wobei eine Kupferfolie darauflaminiert und für die Leiterbahnen 12a einschließlich der Stromversorgungssonden 12b, die jeweils für elektromagnetische Kopplung mit den Strahlungselementen in der Strahlungs-Leiterplatte 13 angeordnet sind, einem Ätzvorgang ausgesetzt wird. Ferner wird für die Strahlungs-Leiterplatte 13 eine Aluminiumplatte von vorzugsweise 0,4 mm Dicke benutzt und die Platte mit rechteckigen Öffnungen von jeweils 13 mm Länge und 2 mm Breite in Paaren 13a und 13b, die in Breitenrichtung um 9 mm voneinander getrennt sind, versehen. In einer optimalen Erscheinungsform werden die rechteckigen Öffnungspaare 13a und 13b durch Stanzen der Aluminiumplatte in 16 Zeilen und 16 Spalten im Abstand von 20 mm gebildet. Ferner wird die Strahlungs-Leiterplatte 13 in einem gewünschten Abstand zur Stromversorgungs-Leiterplatte 12 angeordnet, wobei der aus Kunststoffschaum gebildete Abstandhalter 15b nach Bedarf dazwischen angeordnet ist.
Die Stromversorgungssonden 12b der Stromversorgungs-Leiterplatte 12 und die Öffnungspaare 13a und 13b der Strahlungs- Leiterplatte 13 sollten vorzugsweise wirksam elektromagnetisch miteinander gekoppelt sein, insbesondere dadurch, daß jeder Stromversorgungsanschluß 12b so angeordnet wird, daß er eine Öffnung 13b der Öffnungspaare 13a und 13b schneidet und das Spitzenende des Anschlusses zwischen den Öffnungspaaren 13a und 13b positioniert wird, wie in dem Grundriß der Fig. 2 zu sehen.
Durch die elektromagnetische Kopplung zwischen den Stromversorgungssonden 12b der Stromversorgungsplatte 12 und den Öffnungspaaren 13a und 13b der Strahlungs-Leiterplatte 13 tritt eine elektrische Welle der zur Platte parallelen Mode, wie teilweise mit Bezug auf verwandten Stand der Technik bereits beschrieben, zwischen der Strahlungs-Leiterplatte 13 und der geerdeten Leiterplatte 11 auf, doch breitet sich diese elektrische Welle der zur Platte parallelen Mode in linearer Richtung aus, da die Öffnungspaare 13a und 13b für eine lineare polarisierte Welle ausgebildet sind. In diesem Fall sind die jeweiligen Öffnungspaare 13a und 13b vorzugsweise in der Ausbreitungsrichtung der zur Platte parallelen Mode angeordnet, so daß die Welle der zur Platte parallelen Mode eine Phase von im wesentlichen 1 Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon, wie in Fig. 3 dargestellt, aufweist.
Durch obige Anordnung wird die austretende elektrische Welle, die zwischen der Strahlungs-Leiterplatte 13 und der geerdeten Leiterpiatte 11 mit zur Platte paralleler Mode auftritt, wieder aus anderen benachbarten Öffnungen 13a und 13b gestrahlt, als auch in derselben Phase abgestimmt. Das heißt, es kann ein planarer Antennenaufbau erreicht werden, durch den die austretende elektrische Welle wiederverwendt werden kann, und der Austritt kann als Ganzes scheinbar beseitigt werden. Dementsprechend ist es möglich, eine äußerst leistungsfähige planare Antenne zu verwirklichen.
Um die Phase der obigen elektrischen Welle der zur Platte parallelen Mode zu einem ganzzahligen Vielfachen der einfachen Wellenlänge zu machen, ist es in bezug auf die Anordnung der Öffnungspaare 13a und 13b natürlich nicht immer erforderlich, daß die jeweiligen Öffnungspaare 13a und 13b physikalisch um eine Wellenlänge beabstandet sind. Ferner erfüllt es den Zweck, wenn der Abstand der Öffnungspaare 13a und 13b in Übereinstimmung mit den Konstruktionsanforderungen optimal festgelegt wird, obwohl sich der effektive Wert der Wellenlänge in Übereinstimmung mit der Dielektrizitätskonstante des benutzten dielektrischen Abstandhalters 15b oder der Dimensionierung der Öffnungen 13a und 13b ändert.
Ferner weist die vor der Strahlungs-Leiterplatte 13 angeordnete Polarisiereinrichtung 14 eine elastische gedruckte Leiterpiatte auf, auf der durch einen Ätzvorgang Leiterbahnen 14a aus sogenannten mäanderförmigen Leiterbahnen gebildet sind, wie besonders in den Figuren 1 und 5 zu sehen ist. Hier kann die Polarisiereinrichtung 14 z.B. aus drei der elastischen gedruckten Leiterplatten gebildet sein, die jeweils Muster 14a aus mäanderförmigen Leiterbahnen haben, und aus einer Isolierschicht, die durch eine optimale Kunststoffschaumfolie gebildet ist, die zwischen den jeweiligen gedruckten Leiterplatten angeordnet ist. Demgemäß kann eine Polarisiereinrichtungsanordnung verwirklicht werden, die die linear polarisierte Welle der Antenne für linear polarisierte Wellen über einen breiten Bandbereich sehr wirkungsvoll in die zirkulär polarisierte Welle umwandeln kann, und die austretende elektrische Welle der zur Platte parallelen Mode sehr wirkungsvoll wiederverwendet.
Bezüglich der planaren Antenne 10 in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform hat die Messung von Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR), Verstärkung und kreuzpolarisierter Wellenkennlinie daher bewiesen, daß, wie in Fig. 6 graphisch dargestellt, ein Wirkungsgrad von über 80% und eine kreuzpolarisierte Wellenkennlinie von mehr als ungefähr 32 dBi, wie durch die ununterbrochene Linienkurve PRET dargestellt, erzielt werden konnten. In diesem Fall ist bestätigt worden, daß der maximale Wirkungsgrad mehr als 96% beträgt, und es ist festgestellt worden, daß die Antenne 10 im Gegensatz zu einer herkömmlichen planaren Antenne des zirkulär polarisierten Wellentyps, die durch eine Kurve PRIR aus gepunkteten Linien in Fig. 6 dargestellt wird, bezüglich der Antennenkennlinie bemerkenswert verbessert ist.
Es ist ferner zu beachten, daß die Öffnungen 13a und 13b, die die strahlenden Elemente der Strahlungsplatte 13 bilden, insbesondere völlig offene Löcher oder vollständige Durchgangslöcher sind, die durch Stanzen der Metallplatte entstanden sind, ohne daß solche Korrekturelemente in den Öffnungen, wie z.B. in dem obigen U.S.-Patent 4,929,959 von A.I. Zaghloul et al. gezeigt wird, vorgesehen sind, und daß sie immer noch wirkungsvoll den hohen Wirkungsgrad mit der elektromagnetischen Kopplung der Stromversorgungssonden 12b zu den Öffnungen 13a und 13b aufrechterhalten, und die Produktivität durch die sehr vereinfachte Anordnung bemerkenswert verbessern und auch die erforderlichen Fertigungskosten ausreichend verringern.
Während in der obigen, in den figuren 1-5 gezeigten Ausführungsform die Polarisiereinrichtung 14 mit den mäanderförmigen Leiterbahnen gezeigt wird, ist es ebenso möglich, eine andere Polarisiereinrichtung 14A zu benutzen, die vorzugsweise einen Stapel aus drei Kunststoffschaumfolien aufweist, auf den die in Fig. 7 gezeigten Gitterleiterbahnen 14Aa mit leitender Tinte gedruckt werden.
Während in der obigen, in den Figuren 1-5 gezeigten Ausführungsform eine Aluminiumplatte als Strahlungs-Leiterplatte 13 benutzt ist, ist es ferner auch möglich, jede im Handel erhältliche elastische gedruckte Leiterplatte zu verwenden, wie in Fig. 8 gezeigt ist, wo eine Kupferfolie einem Ätzverfahren ausgesetzt wird, um die strahlenden Elemente zu bilden. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, im wesentlichen dieselbe Funktion und Wirkung zu erzielen wie in der obigen Ausführungsform.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, kann erfindungsgemäß, die austretende elektrische Welle der zur Platte parallelen Mode, die bisher die Antennenkennlinie nur verschlechterte, wirksam wiederverwendet werden, wodurch eine bemerkenswert hoher Wirkungsgrad erreicht und die hervorragende kreuzpolarisierte Breitband-Wellenkennlinie durch die Kombination von Antennenelementen mit der Polarisiereinrichtung sichergestellt werden kann.

Claims

1. Planare Antenne in einer Vielschichtstruktur mit einer geerdeten Leiterplatte (11), einer Stromversorgungs- Leiterplatte (12) und einer Strahlungs-Leiterplatte (13), wobei die Platten (11, 12, 13) in der angegebenen Reihenfolge übereinander gestapelt angeordnet sind und jeweils durch eine dielektrische Schicht (15a, 15b) voneinander getrennt sind, die zwischen ihnen (11-13) angeordnet ist, und die Strahlungs-Leiterplatte (13) aus einer Metallplatte hergestellt ist, die eine Vielzahl strahlender Elemente zur Abgabe linear polarisierter Wellen aufweist, die mit Stromversorgungssonden (12b) der Stromversorgungsplatte (12) elektromagnetisch in mechanisch sich nicht berührender Beziehung gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisiereinrichtung (14) auf dem Stapel und vor der Strahlungsplatte (13) so angeordnet ist, daß sie die linear polarisierten Wellen in zirkulär polarisierte Wellen umwandelt, und dadurch, daß die Strahlungselemente der Strahlungsleiterplatte (13) in der Metallplatte in der Form einer Vielzahl von Paaren rechteckiger Öffnungen (13a, 13b) hergestellt sind, die in der Breitenrichtung voneinander entfernt sind, wobei die Paare der rechteckigen Öffnungen (13a, 13b) jeweils in Abständen von ungefähr einer Wellenlänge der linear polarisierten Wellen zueinander angeordnet sind.

2. Planare Antenne nach Anspruch 1, bei der die Polarisiereinrichtung einen Stapel bedruckter Leiterplatten, von denen jede aufgedruckte Leiterbahnen hat, und jeweils zwischen den Platten angeordnete Isolierfolien aufweist.

3. Planare Antenne nach Anspruch 3, bei der die Polarisiereinrichtung eine Isolierfohe aufweist, die Leiterbahnen hat.

4. Planare Antenne nach Anspruch 2, bei der die Leiterbahnen der Polarisiereinrichtung mäanderförmige Leiterbahnen sind.

5. Planare Antenne nach Anspruch 3, bei der die Leiterbahnen der Polarisiereinrichtung mäanderförmige Leiterbahnen sind.

6. Planare Antenne nach Anspruch 2, bei der die Leiterbahnen der Polarisiereinrichtung ein Gitter aus Leiterbahnen bilden.

7. Planare Antenne nach Anspruch 3, bei der die Leiterbahnen der Polarisiereinrichtung ein Gitter aus Leiterbahnen bilden.