DE69626565T2

DE69626565T2 - Dielektrische Antenne

Info

Publication number: DE69626565T2
Application number: DE69626565T
Authority: DE
Inventors: Seiichi Arai; Kazunari Kawahata; Nobuaki Tanaka
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: EP0743697B1; DE69626565D1; CA2177050A1; EP0743697A1; US5883601A; CA2177050C; JPH08316727A; JP3042364B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Antenne unter Verwendung einer strahlungslosen dielektrischen Wellenführungseinrichtung (einer NRD-Führungseinrichtung) zur Verwendung bei z. B. einem Hindernisdetektor zum Vermeiden von Autounfällen in einem Radiosender oder in einer anderen Sende- oder Empfangsvorrichtung.

Beschreibung der verwandten Technik:

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das japanische Patent JP 8-191211 A, das sich mit diesem Typ dielektrischer Antenne befaßt, eingereicht. In der folgenden Beschreibung wird ein XYZ-Koordinatensystem verwendet, in dem der Schwerpunkt eines dielektrischen Resonators 14 der Ursprungspunkt ist, die Ausbreitungsrichtung eines dielektrischen Streifens 13 die X-Richtung ist und die Richtung vertikal zu der Hauptebene eines Leiters 12 die Z-Richtung ist.
Eine herkömmliche dielektrische Antenne, die in den Fig. 7 -9 gezeigt ist, weist einen ersten planaren Leiter 11 und einen zweiten planaren Leiter 12 auf. Zwischen dem ersten planaren Leiter 11 und dem zweiten planaren Leiter 12 angeordnet sind ein dielektrischer Streifen 13 und ein dielektrischer Resonator 14, die voneinander entlang der X- Achse beabstandet sind. Ein Ende 13a des dielektrischen Streifens 13 ist mit einem Wellenleiter und einer Sendeschaltung (nicht gezeigt) verbunden und das andere Ende 13b ist ein offenes Ende. In dem zweiten planaren Leiter 12 oberhalb des dielektrischen Resonators 14 vorgesehen ist ein einzelner Schlitz 12a, der im wesentlichen parallel zu der X-Achse ist. Auf diese Weise ist der dielektrische Streifen 13 zwischen dem ersten planaren Leiter 11 und dem zweiten planaren Leiter 12 plaziert und bildet so eine NRD- Führungseinrichtung.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist eine dielektrische Linse 15 oberhalb des Schlitzes 12a angeordnet und so ist eine dielektrische Linsenantenne gebildet. Die elektromagnetischen Wellen, die von dem Wellenleiter und der Sendeschaltung an den dielektrischen Streifen 13 übertragen werden, breiten sich in dem dielektrischen Streifen 13 in einer LSM- (Längsschnitt-Magnet-) Mode aus, wobei ihr elektrisches Feld Komponenten in der YZ-Ebene aufweist und ihr Magnetfeld Komponenten in der XZ-Ebene aufweist. Der dielektrische Streifen 13 und der dielektrische Resonator 14 sind elektromagnetisch gekoppelt, so daß eine elektromagnetische Welle einer HE111-Mode, die Komponenten eines elektrischen Feldes in der X-Richtung aufweist, innerhalb des dielektrischen Resonators 14 auftritt. Die elektromagnetische Welle, die in dem dielektrischen Resonator 14 erzeugt wird, wird durch den Schlitz 12a und die dielektrische Linse 15 ausgestrahlt.
Wenn jedoch die Breitseitenrichtungsachse, die durch den Schlitz 12a bereitgestellt wird, die Z-Achse ist, ist die Strahlung innerhalb der XZ-Ebene ("H-Ebene") entlang der Länge des Schlitzes 12a innerhalb eines Bereichs von in etwa ±45º mit der Z-Achse als der Mitte. Der Strahlungswinkel innerhalb der YZ-Ebene ("E-Ebene") wird jedoch ±90º oder mehr, einschließlich Komponenten eines elektromagnetischen Feldes, die nicht an die dielektrische Linse 15 ausgestrahlt werden ("Überlaufverlust").

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dielektrische Antenne zu schaffen, die in der Lage ist, die Strahlung der elektromagnetischen Welle, die außerhalb der dielektrischen Antenne ausgestrahlt wird, auf einen erwünschten Winkel einzustellen, und die in der Lage ist, den Überlaufverlust zu reduzieren.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine dielektrische Antenne bereitgestellt, die eine strahlungslose dielektrische Führungseinrichtung umfaßt, die einen dielektrischen Streifen aufweist, der zwischen einem ersten planaren Leiter und einem zweiten planaren Leiter angeordnet ist, wobei zumindest ein dielektrischer Resonator entlang einer Verlängerungslinie des dielektrischen Streifens angeordnet ist, und wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen innerhalb des zweiten planaren Leiters in einer Punktsymmetrie hinsichtlich des dielektrischen Resonators und im wesentlichen oberhalb des dielektrischen Resonators angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische Antenne bereitgestellt, die eine strahlungslose dielektrische Führungseinrichtung umfaßt, die einen dielektrischen Streifen aufweist, der zwischen einem ersten planaren Leiter und einem zweiten planaren Leiter angeordnet ist, wobei zumindest ein dielektrischer Resonator entlang der Verlängerungslinie des dielektrischen Streifens angeordnet ist, und wobei eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen in dem zweiten planaren Leiter in einer Liniensymmetrie hinsichtlich des dielektrischen Streifens oberhalb und in der Nähe des dielektrischen Resonators angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Linse oberhalb eines Schlitzes angeordnet, der in dem zweiten planaren Leiter vorgesehen ist.
Allgemein ist in einer Lineararrayantenne die Strahlungsrichtungsstruktur der Antenne entlang der Ebene, in der mehrere Schlitze ausgerichtet sind, durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
E(ω) = sin(Nu/2)/sin(u/2) (1)
u = kd(cosθ - cosθ&sub0;) (2)
wobei k die Phasenkonstante ist, d die Strecke zwischen jeweiligen Schlitzen, N die Anzahl von Schlitzen und θ&sub0; die Strahlungsrichtung eines Hauptstrahls ist.
Gemäß der obigen Gleichung ist klar verständlich, daß, wenn N konstant ist, der Strahlungswinkel, an dem eine Leistung des Hauptstrahls auf ein Zehntel seiner maximalen Leistung gedämpft wird, umgekehrt proportional zu der Strecke d ist.
Und der Öffnungsbereich S hängt von der Strecke d ab. Der Antennengewinn G ist durch den Öffnungsbereich S, die Wellenlänge λ und den Öffnungswirkungsgrad η charakterisiert. Diese Parameter erfüllen die folgende Gleichung:
G = 4 Sη/λ (3)
Wenn der Öffnungswirkungsgrad konstant gehalten wird, ist der Öffnungsbereich S um so größer, je größer der Gewinn G ist.
Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung, da eine Mehrzahl von Schlitzen in dem zweiten planaren Leiter oberhalb eines dielektrischen Resonators vorgesehen ist, der wirksame Öffnungsbereich entlang der E-Ebene der Schlitze breiter als bei der herkömmlichen dielektrischen Antenne und der Strahlungswinkel wird schmaler und so wird der Antennengewinn verbessert. Ferner wird, da die Kopplung zwischen den Schlitzen und dem dielektrischen Resonator stark ist (obwohl der theoretische Hintergrund für diese Tatsache noch zu klären ist), der Antennengewinn verbessert.
Ferner ist bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein weiterer dielektrischer Resonator, der ein Durchlaßband aufweist, das im allgemeinen schmaler als das der Antenne ist, zwischen dem dielektrischen Streifen und dem dielektrischen Resonator angeordnet. So wird das Durchlaßband der Antenne schmaler und ihre Störabweisfähigkeit wird verbessert. Andererseits wird nahe der Spitze des Durchlaßbandes die Durchlaßbandbreite breiter als die der ursprünglichen Antenne, so daß ihre Signaldurchlaßcharakteristik in der Umgebung einer beabsichtigten Frequenz verbessert ist.
Zusätzlich kann eine dielektrische Antenne, die einen hohen Gewinn aufweist, durch ein Bereitstellen einer dielektrischen Linse oberhalb des Schlitzes, um so die elektromagnetische Welle nahe des Schlitzes zu konzentrieren, realisiert werden.
Die obigen und weitere Aufgaben, Aspekte und neuartige Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer dielektrischen Antenne eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht der dielektrischen Antenne des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht der dielektrischen Antenne des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A aus Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Draufsicht einer dielektrischen Antenne eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer dielektrischen Antenne eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6A und 6B zeigen Schlitze, die in anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind;
Fig. 7 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer herkömmlichen dielektrischen Antenne;
Fig. 8 ist eine Draufsicht der herkömmlichen dielektrischen Antenne;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht der herkömmlichen dielektrischen Antenne entlang der Linie B-B aus Fig. 8;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht der herkömmlichen dielektrischen Antenne, in der eine dielektrische Linse befestigt ist;
Fig. 11 ist ein Strahlungsrichtungsstrukturdiagramm, das eine Strahlung entlang der E-Ebene von den Schlitzen in der dielektrischen Antenne eines Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 12 ist ein Strahlungsrichtungsstrukturdiagramm einer Strahlung entlang der E-Ebene von dem Schlitz in der herkömmlichen dielektrischen Antenne.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind unten Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine dielektrische Antenne, die in den Fig. 1-3 gezeigt ist, umfaßt einen ersten planaren Leiter (eine rückseitige Leiterplatte) 1 und einen zweiten planaren Leiter (eine vorderseitige Leiterplatte) 2. Zwischen dem ersten planaren Leiter 1 und dem zweiten planaren Leiter 2 angeordnet sind ein dielektrischer Streifen 3 und ein dielektrischer Resonator 4, die voneinander entlang der X-Achse beabstandet sind. Zwei rechteckige Schlitze 2a und 2b sind parallel und in gleichen Entfernungen von der Mittellinie des dielektrischen Streifens 3 innerhalb des zweiten planaren Leiters 2 und oberhalb des dielektrischen Resonators 4 vorgesehen. Die Mittellinien entlang der Länge der Schlitze 2a und 2b sind Tangenten zu dem äußeren Umfang des dielektrischen Resonators 4.
Ein Endabschnitt 3a des dielektrischen Streifens 3 ist mit einem Wellenleiter und einer Sendeschaltung (nicht gezeigt) verbunden und der andere Endabschnitt 3b ist ein offenes Ende. Der Aufbau, bei dem der dielektrische Streifen 3 zwischen dem ersten planaren Leiter 1 und dem zweiten planaren Leiter 2 angeordnet ist, bildet eine NRD-Führungseinrichtung.
Als nächstes ist die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. Die elektromagnetischen Wellen, die von dem Wellenleiter, der Sendeschaltung und dergleichen zu dem dielektrischen Streifen 3 übertragen werden, breiten sich innerhalb des dielektrischen Streifens 3 in einer LSM- (Längsschnitt-Magnet-) Mode aus, was ein elektrisches Feld, das Komponenten in der YZ-Ebene aufweist, und ein Magnetfeld, das Komponenten in der XZ-Ebene aufweist, bewirkt. Der dielektrische Streifen 3 und der dielektrische Resonator 4 sind elektromagnetisch gekoppelt, wodurch eine elektromagnetische Welle einer HE111-Mode, die Komponenten eines elektrischen Feldes in der gleichen Richtung wie der die LSM-Mode des dielektrischen Streifens 3 aufweist, innerhalb des dielektrischen Resonators 4 auftritt. Die elektromagnetische Welle wird durch den dielektrischen Resonator 4 über die Schlitze 2a und 2b ausgestrahlt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, da die beiden Schlitze 2a und 2b in dem zweiten planaren Leiter 2 parallel zu der Mittellinie des zweiten planaren Leiters 2 und in einer Liniensymmetrie hinsichtlich der Mittellinie des dielektrischen Streifens 3 vorgesehen sind, der wirksame Öffnungsbereich der E-Ebene (der YZ-Ebene aus Fig. 1) breit und der Strahlungswinkel wird scharf.
Als nächstes ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf Fig. 4 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu den Elementen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel enthalten sind, ein zweiter dielektrischer Resonator 4a zwischen dem dielektrischen Streifen 3 und dem dielektrischen Resonator 4 angeordnet. Da die anderen Komponenten dieses Ausführungsbeispiels die gleichen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels sind, sind den Komponenten die gleichen Bezugszeichen gegeben und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, da der zweite dielektrische Resonator 4a hinzugefügt ist, die Filterwirkung verbessert, was es möglich macht, Harmonische auszuschließen oder eine größere Bandbreite in der Umgebung des Durchlaßbandes des Filters zu erzielen.
Als nächstes ist ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf Fig. 5 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Antenne des ersten Ausführungsbeispiels in einem Gehäuse 6 untergebracht und eine dielektrische Linse 5 ist oberhalb der Schlitze 2a und 2b angeordnet, wodurch die Richtwirkung und der Gewinn der Strahlung der elektromagnetischen Welle verbessert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde basierend auf den Gleichungen (1) und (2) die Beabstandung zwischen den Schlitzen auf 0,45-0,5 λ eingestellt, um den Strahlungswinkel ±(45º-60º) zu realisieren, wodurch ein Großteil der elektromagnetischen Wellen, die von den Schlitzen 2a und 2b ausgestrahlt werden, auf die dielektrische Linse 5 aufgebracht wird.
Obwohl die oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele einen Fall beschreiben, in dem die Schlitze 2a und 2b parallel zu der Mittellinie des dielektrischen Resonators 4 angeordnet sind, können die Schlitze auch nichtparallel zu der Mittellinie des dielektrischen Streifens 3 sein, wie durch Schlitze 2c und 2d in Fig. 6A dargestellt ist. Dies hat seine Ursache darin, daß die Kopplung der Schlitze und die HE111-Mode zu einem gewissen Maß selbst in einer derartigen Anordnung erzielt werden. Eine derartige Anordnung von Schlitzen kann, falls erwünscht, zur Bequemlichkeit bei der Herstellung der Antennen verwendet werden. Allgemein ausgedrückt ist es erlaubt, daß eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen an Positionen angeordnet ist, die im wesentlichen in einer Punktsymmetrie hinsichtlich des dielektrischen Resonators 4 liegen.
Fig. 6B zeigt einen Fall, in dem andere Schlitze 2e und 2f, die im wesentlichen parallel zu den Schlitzen 2a und 2b sind, an der Außenseite der Schlitze 2a und 2b angeordnet sind. Wenn, wie oben beschrieben ist, die Anzahl von Schlitzen vier beträgt, wird der wirksame Öffnungsbereich entlang der E-Ebene breiter und so kann die Strahlbreite schmaler gemacht werden.
Als nächstes ist ein spezifisches Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Aus Vergleichsgründen ist auch ein Fall des Stands der Technik gezeigt. Die Bedingungen sind so, wie in der Tabelle unten gezeigt ist. Tabelle 1
Die Strahlungsrichtungsstruktur entlang der E-Ebene des Primärstrahlers, bei dem obigen spezifischen Beispiel gemessen, ist in Fig. 11 (die vorliegende Erfindung) und Fig. 12 (Stand der Technik) gezeigt. Es ist aus diesen Fig. 11 und 12 ersichtlich, daß die Richtwirkung entlang der E- Ebene der vorliegenden Erfindung, die zwei Schlitze aufweist, schärfer als die des Stands der Technik ist, der einen Schlitz aufweist. Dies bedeutet, daß in Fig. 11 der vorliegenden Erfindung der Strahlungswinkel eines 10-dB- Abfalls des Hauptstrahls in der E-Ebene ±45º von der Mitte des Hauptstrahls beträgt, während in Fig. 12 des Stands der Technik der Strahlungswinkel ±110º beträgt. Ferner beträgt, während der Antennenwirkungsgrad des Beispiels der vorliegenden Erfindung 44% beträgt, der Antennenwirkungsgrad des Beispiels des Stands der Technik 30%. Der Antennenwirkungsgrad der vorliegenden Erfindung ist gegenüber dem des Stands der Technik um in etwa 10% verbessert. Der Antennenwirkungsgrad wird durch das Verhältnis des experimentell erzielten Gewinns zu dem theoretisch aus der Richtungsstruktur berechneten Richtungsgewinn ausgedrückt.

Claims

1. Eine dielektrische Antenne mit folgenden Merkmalen:

einer strahlungslosen dielektrischen Führungseinrichtung, die einen dielektrischen Streifen (3) aufweist, der zwischen einem ersten planaren Leiter (1) und einem zweiten planaren Leiter (2) angeordnet ist;

einem dielektrischen Resonator (4), der zwischen dem ersten planaren Leiter (1) und dem zweiten planaren Leiter (2) entlang einer Verlängerungslinie des dielektrischen Streifens (3) angeordnet ist; und

einer Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen (2a-2f), die symmetrisch hinsichtlich des dielektrischen Resonators (4) in dem zweiten planaren Leiter (2) oberhalb und in der Umgebung des dielektrischen Resonators (4) angeordnet sind.

2. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen (2a, 2b) in einer Liniensymmetrie hinsichtlich der Mittellinie des dielektrischen Streifens (3) angeordnet ist.

3. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen (2a-2f) in einer Punktsymmetrie hinsichtlich des dielektrischen Resonators (4) angeordnet ist.

4. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 3, bei der die parallelen Schlitze (2a, 2b; 2e, 2f) parallel hinsichtlich der Mittellinie des dielektrischen Streifens (3) angeordnet sind.

5. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 3, bei der die parallelen Schlitze (2d, 2d) mit einem spitzen Winkel hinsichtlich der Mittellinie des dielektrischen Streifens (3) angeordnet sind.

6. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen (2a, 2b; 2c, 2d) ein Paar von Schlitzen ist.

7. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Schlitzen (2a, 2b, 2e, 2f) vier Schlitze sind, von denen zwei auf jeder Seite des dielektrischen Resonators (4) angeordnet sind.

8. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, die ferner einen zweiten dielektrischen Resonator aufweist, der zwischen dem zuerst genannten dielektrischen Resonator (4) und dem dielektrischen Streifen (3) entlang der Verlängerungslinie des dielektrischen Streifens (3) angeordnet ist.

9. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 1, bei der eine dielektrische Linse (5) oberhalb der Schlitze (2a -2f) in dem zweiten planaren Leiter (2) angeordnet ist.

10. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 2, bei der eine dielektrische Linse (5) oberhalb der Schlitze in dem zweiten planaren Leiter (2) angeordnet ist.

11. Eine dielektrische Antenne gemäß Anspruch 3, bei der eine dielektrische Linse (5) oberhalb der Schlitze in dem zweiten planaren Leiter (2) angeordnet ist.