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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1.
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Antenne, und genauer auf eine Streifenantenne (patch
antenna), welche typischerweise für Mobilkommunikationsequipment
verwendet wird.
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2. Beschreibung zum Stand
der Technik
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Eine Streifenantenne hat ein geringes
Gewicht und einen dünnen
Querschnitt, so daß sie
einfach auf dem Dach oder Fenster eines Fahrzeugs oder der Wand
eines Gebäudes
angebracht werden kann. Somit wird die Streifenantenne bevorzugt
für breite
Funkanwendungen, inkl. zu militärischen
Zwecken und kommerziellen Zwecken, beispielsweise Raketen, Kampffeldüberwachungssystemen,
Telemetriesystemen und Luftfahrt- oder Satellitenkommunikationen
verwendet. Jedoch hat die Streifenantenne dahingehend einen Nachteil,
als daß sie
eine schmale Bandbreite aufzeigt, welche sich typischerweise im
Bereich von 1 und 2% bewegt. Demgemäß wurde gefordert, eine Antenne
zu entwikkeln, welche eine breite Bandbreite zeigt, während sie
ihre kleine Größe aufrechterhält.
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Es wurden mehrfach Versuche unternommen,
um die Bandbreite der Streifenantenne zu erhöhen, jedoch kann jeder Versuch
einige neue Nachteile einführen.
Beispielsweise erhöht
ein Vergrößern der
Höhe von
einer Abstrahlfläche
mit Bezug auf eine Grundfläche
die Bandbreite, jedoch erhöht
sie auch die Erregung von Oberflächenwellen
und eine Abstrahlung von einer Zuleitung, beide sind ungewünschte Nebeneffekte.
Ein weiterer Versuch verwendet mehrere Streifen, welche auf unterschiedliche
Pegel in Bezug auf ein Substrat vertikal geschichtet sind. Dieser
auf die Multischicht-Streifen-Konfiguration gerichtete Versuch erhöht Fabrikationsschwierigkeiten
und somit die Kosten der Antenne. Ebenfalls wird bei beiden obigen
Versuchen die Gesamtdicke der Antenne erhöht, welches deren Anwendbarkeit
in Fällen
reduziert, bei denen ein kleines Profil gefordert wird. Noch ein
anderer Versuch zur Erhöhung
der Bandbreite der Streifenantenne bezieht den Entwurf einer Impedanzanpassungsschaltung
für die
Streifenantenne ein. Bei einem solchen Versuch wird die Impedanzanpassungsschaltung derart
entworfen, daß sie
die Blindwiderstandskomponente der Eingangsimpedanz von der Antenne
reduziert. Jedoch erhöht
ein solcher Versuch die Antennengröße und reduziert die Abstrahlungseffizienz.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Streifenantenne bereitzustellen, welche eine große Bandbreite
zeigt und eine hohe Abstrahlungseffizienz aufrechterhält, ohne
daß die
Ausmaße
erhöht
wird.
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Die Streifenantenne zur Erreichung
obigen Ziels umfaßt
eine Abstrahlfläche,
eine Grundfläche und
Mittel zum Zuführen
der Abstrahlfläche.
Die Grundfläche
hat eine Basisebene und mindestens einen vertikalen Rand, welcher
sich senkrecht von der Basisebene erstreckt, so daß sich ein "L"- oder "U"-förmiger Querschnitt
ergibt. Bei einem solchen Aufbau wird eine kapazitive Kopplung in
dem Bereich zwischen der Abstrahlfläche und der Grundfläche in der
Nähe des
vertikalen Rands induziert, so daß eine Breitband Impedanzanpassung
und ein vergrößertes Forwardto-Back
Verhältnis
erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen Ziele und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden deutlicher, indem bevorzugte Ausführungsformen
davon detailliert beschrieben werden, mit Bezug auf die anhängenden
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Streifenantennen-Aufbaus
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang Linie A-A des Streifenantennen-Aufbaus
von 1 darstellt;
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3 ein
Kurvenverlauf ist, welcher die experimentelle Messung eines Verhältnisses
einer stehenden Wellen für
den Streifenantennen-Aufbau von 1 und 2 zeigt;
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4 ein
E-Ebene Abstrahlungsmuster des Streifenantennen-Aufbaus von 1 und 2 zeigt;
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5 ein
H-Ebene Abstrahlungsmuster des Streifenantennen-Aufbaus von 1 und 2 zeigt;
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6 eine
andere Ausführungsform
eines Streifenantennen-Aufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt; und
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7 eine
Querschnittansicht entlang Linie B-B der Streifenantenne von 6 darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend auf 1 und 2 enthält ein Streifenantennen-Aufbau
in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Streifenantennen-Element und ein Gehäuse zum Unterbringen des Streifenantennen-Elements.
Das Streifenantennen- Element
enthält
eine Abstrahlfläche 10,
eine Grundfläche 20 und ein
Koaxialkabel 30 zum Zuführen
von Signalen an die Abstrahlfläche 10.
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Das Gehäuse besteht aus einem Obergehäuse 50 und
einem Untergehäuse 60.
Das Untergehäuse 60 enthält an seiner
oberen Oberfläche
eine Außenwand 62,
Vorsprünge 64,
welche sich von der Außenwand 62 ausgehend
nach innen erstrecken, um die Grundfläche 20 zu halten,
und Finger 66 zum sicheren Halten der Abstrahlfläche 10.
Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, sind vier Vorsprünge auf
der Innenoberfläche
der Wand des Obergehäuses 50 ausgebildet,
und vier Vertiefungen sind entsprechend auf der Außenfläche der
Außenwand 62 des
Untergehäuses 60 ausgebildet,
so daß das
Obergehäuse 50 sicher
auf dem Untergehäuse 60 gehalten
werden kann. Das Gehäuse
ist vorzugsweise aus dielektrischem Kunststoffmaterial, welches
ausreichende physikalische Stärke
hat und dennoch die Reflektion der elektromagnetischen Welle, welche
durch das Streifenantennen-Element übertragen oder empfangen wird,
minimiert.
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Die Abstrahlfläche 10 und die Grundfläche 20 können aus
leitfähigem
Material sein, wie beispielsweise Kupfer- oder Aluminiumblech. Die Abstrahlfläche 10 ist
rechteckig geformt und hat einen Schlitz 12, welcher eine "U"-Form hat und sie ganz durchschneidet.
Die Abstrahlfläche 10 hat
in ihrem Zentrum ein Loch zum Aufnehmen einer Tastspitze (probe) 39,
d. h. das Ende des Mittenleiters des Koaxialkabels 30,
und nahe an ihren Ecken angeordnete Löcher, um die oberen Enden der
Finger 66 aufzunehmen. Derweil hat die Grundfläche 20 eine
Basisebene 22 und einen vertikalen Rand 24, welcher
sich senkrecht von einer Kante der Basisebene 22 aus erstreckt,
so daß sich
ein "L"-förmiger
Querschnitt bildet. Auch die Grundfläche 20 hat Löcher, so
daß die Finger 66 die
Fläche
durchdringen.
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Das Koaxialkabel 30 enthält einen
Mittenleiter 32, eine Isolierschicht 34, welche
den Mittenleiter 32 umgibt, und einen Außenleiter 36,
welcher die Isolierschicht 34 umgibt. Das Koaxialkabel 30 ist
nicht abgeschirmt und somit an seiner Außenoberfläche nicht isoliert, so daß der Außenleiter 36 des
Kabels 30 direkt die Grundfläche 30 kontaktiert.
Derweil ist an einem Ende des Koaxialkabels 30 ein Koaxialstecker 38 zum
Verbinden der Streifenantennen-Anordnung
an einer externen Schaltung angeordnet. Das andere Ende des Kabels 30 ist
um 90° nach
oben umgebogen. Hier ist der Außenleiter 36 an
dem vertikalen Abschnitt des nach oben umgebogenen Kabels 30 entfernt.
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Die Streifenantennen-Anordnung wird
wie folgt zusammengebaut. Die Grundfläche 20 wird auf den
Vorsprüngen 64 angeordnet,
während
die Finger 66 in den Löchern
der Grundfläche 20 eingesetzt werden.
Als nächstes
wird der Einbauabschnitt des Koaxialsteckers 38 in einer
passenden Nut 62 des Untergehäuses 60 angeordnet,
und der Außenleiter 36 des
Koaxialkabels 30 wird vorzugsweise durch Löten auf
der Grundfläche 20 fixiert.
Darauffolgend wird die Abstrahlfläche 10 auf dem oberen
Ende der Finger 66 angeordnet, während die Tastspitze 39 des Koaxialkabels 30 in
das zentrale Loch der Abstrahlfläche 10 eingesetzt
wird. Die Tastspitze 39 wird in dem Mittenloch der Abstrahlfläche 10 verlötet, so
daß die
Abstrahlfläche 10 elektrisch
mit dem Mittenleiter 32 des Koaxialkabels 30 verbunden
wird, während
es gleichzeitig an der Grundfläche 20 sicher
gehalten wird. Schließlich
wird das Obergehäuse 50 auf
dem Untergehäuse 60 sicher
gehalten, indem vier nicht gezeigte Vorsprünge auf der Innenoberfläche der Wand
des Obergehäuses 50 und
vier nicht gezeigte Vertiefungen auf der Außenoberfläche des Untergehäuses 60 in
Eingriff gebracht werden.
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Bei der Streifenantennen-Anordnung
von 1 und 2 verläuft die Abstrahlfläche 10 parallel
zu der Grundfläche 20,
jedoch von dieser getrennt durch das Koaxialkabel 30 und
die Finger 66. Ebenfalls schließt der Außenleiter 36 des Koaxialkabels 30 auf der
Grundfläche 20 ab,
und der Mittenleiter 32 schließt auf der Abstrahlfläche 10 ab.
Somit wird die Abstrahlfläche 10 mit
Hilfe des Mittenleiters 32 des Koaxialkabels 30 von
hinten her zugeführt.
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Derweil ändert der vertikale Rand 24,
welcher sich von der Kante der Basisebene 22 aus erstreckt,
die elektromagnetische Feldverteilung in dem Raum zwischen der Abstrahlfläche 10 und
der Grundfläche 20 in
der Nähe
des vertikalen Rands 24. Eine solche Änderung in der elektromagnetischen Feldverteilung
vergrößert eine
verteilte Kapazität zwischen
der Abstrahlfläche 10 und
der Grundfläche 20.
Die vergrößerte verteilte
Kapazität
gleicht den Blindwiderstand aus, welcher in dem Koaxialkabel 30 induziert
wird, welches eine Breitband Impedanzanpassung ermöglicht und
die Strahlweite der Hauptkeule von der ausgestrahlten Welle aufweitet.
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Ebenfalls kann die Größe der induzierten
Kapazität
eingestellt werden, indem die Höhe
des vertikalen Rands 24 und der Abstand zwischen der Kante der
Abstrahlfläche 10 und
dem vertikalen Rand 24 verändert wird. Das heißt, wenn
der Abstand zwischen der Kante der Abstrahlfläche 10 und dem vertikalen
Rand 24 kleiner wird, wird die induzierte Kapazität größer und
die Resonanzfrequenz bewegt sich zu einem niedrigeren Band hin.
Somit ist es möglich,
die Abmessung der Abstrahlfläche 10 und die
Gesamtgröße der Antenne
zu reduzieren. Beispielsweise kann die Länge der Abstrahlfläche 10 auf kleiner
als λ/2
bestimmt werden, wobei λ die
Betriebswellenlänge
des Antennenaufbaus ist.
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Andererseits ist es beim Stand der
Technik bekannt, daß eine
größere Grundfläche bei
einer direktionalen Antenne vorteilhaft ist, um das Front-to-Back-Verhältnis der
Antenne zu steigern. Die größere Grundfläche zeigt
sich jedoch als nachteilig, da sie ebenfalls die Abmessung und das
Gewicht der Antenne vergrößert. Bei
der Streifenantenne gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
reduziert der vertikale Rand 24 der Grundfläche 20 den Abschnitt der
Welle, welcher von der Abstrahlfläche 10 ausgehend rückwärts abstrahlt.
Demgemäß ist es möglich, das
Front-to-Back-Verhältnis zu
steigern, während
die horizontale Abmessung der Grundfläche 20, verglichen
mit der des Standes der Technik, reduziert wird.
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Zusätzlich können die Höhe des vertikalen Rands 24 und
der Abstand zwischen der Abstrahlfläche 10 und dem vertikalen
Rand 24 auf eine solche Weise bestimmt werden, daß eine gewünschte Strahlweite
erhalten wird.
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3 zeigt
die experimentelle Messung eines Verhältnisses (SWR) einer stehenden
Welle beim Streifenantennen-Aufbau
von 1 und 2. Verhältnisse stehender Wellen werden
basierend auf Streuung (S) Parameter berechnet, welche am Eingangsanschluß des Koaxialsteckers 40 gemessen werden.
Verhältnisse
von stehender Welle betragen bei 824, 849, 869 und 894 MHz jeweils
1,23, 1,15, 1,26 und 1,18. Wie in 3 gezeigt,
hält das
Verhältnis
der stehenden Welle der Streifenantennen-Anordnung von 1 und 2 einen niedrigen Wert bei, und zwar über ein
breites Band, welches sich über mehr
als 100 MHz erstreckt.
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4 und 5 zeigen jeweils E-Ebene
und H-Ebene Abstrahlmuster bei 849 MHz für die Streifenantennen-Anordnung
von 1 und 2. Die Antennenabstrahlungsmuster
zeigen, daß die
meiste Energie in die vordere Richtung der Abstrahlfläche abgestrahlt
wird, und spiegeln das hohe Front-to-Back-Verhältnis der Streifenantenne gemäß der vorliegenden
Erfindung wieder. Wie in 4 und 5 gezeigt, beträgt der maximale
E-Ebene Gewinn 7,54 dB und der maximale H-Ebene Gewinn 7,80 dB. Die
Strahlweite bei 3dB Halbierung beträgt 82,32 Grad in der E-Ebene
und 84,05 Grad in der H-Ebene.
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6 und 7 stellen eine andere Ausführungsform
einer Streifenantennen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
dar. Bei der in 6 und 7 gezeigten Streifenan tennen-Anordnung
ist die Grundfläche 70 an
zwei gegenüberliegenden
Kanten nach oben gebogen, wodurch sich ein "U"-förmiger Querschnitt
ergibt. Entsprechend enthält
die Grundfläche 70 eine
Basisebene 72 und einen ersten vertikalen Rand 74,
welcher sich senkrecht von einer Kante der Basisebene 72 aus
erstreckt, und einen zweiten vertikalen Rand 76, welcher
sich senkrecht von einer anderen Kante der Basisebene 72 aus
erstreckt und parallel zu dem ersten vertikalen Rand 74 verläuft. Die
anderen Merkmale der Streifenantennen-Anordnung von 6 und 7 sind ähnlich zu
denen der Streifenantennen-Anordnung von 1 und 2,
und somit kann eine detaillierte Beschreibung derer ausgelassen
werden.
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Der Fachmann wird erkennen, daß viele
offensichtliche Modifikationen zu der Erfindung gemacht werden können, ohne
von deren Geist oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Obwohl beispielsweise
in den bevorzugten Ausführungsformen
kein anderes, von Luft verschiedenes, dielektrisches Material zwischen
der Abstrahlfläche
und der Grundfläche
eingefüllt
ist, kann alternativ eine dielektrische Schicht, wie beispielsweise
eine Teflon-Fiberglasschicht
und eine Keramikschicht, zwischen die Abstrahlfläche und die Grundfläche eingesetzt
werden.