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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Antennen.
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Genauer
betrifft die vorliegende Erfindung den Bereich der Antennen, die
in einer speziellen Mode arbeiten und die folgendes umfassen:
- – eine
erste elektrisch leitende Fläche,
die im allgemeinen als "kapazitives
Dach" bezeichnet
wird,
- – eine
zweite elektrisch leitende Fläche,
die eine Masseebene bildet, parallel zur ersten Fläche,
- – einen
ersten elektrisch leitenden Versorgungsdraht oder -streifen, der
einen ersten Anschluß eines
Generators/Empfängers
mit der ersten Fläche
verbindet, und einen zweiten Versorgungsdraht oder -streifen, der
einen zweiten Anschluß des
Generators/Empfängers
mit der zweiten Fläche
verbindet, und
- – wenigstens
einen elektrisch leitenden Draht oder Streifen, der die beiden vorgenannten
Flächen
verbindet.
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Beispiele
solcher Antennen werden beispielsweise in den Dokumenten FR-A-2
668 859 und EP-A-667 984 beschrieben.
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So
ist im Dokument FR-A-2 668 859 eine Antenne vom zuvor genannten
Typ beschrieben, die einen einzigen Draht oder Streifen umfaßt, der
die beiden Flächen
verbindet, wobei dieser Draht oder Streifen dafür eingerichtet ist, von einem
Strom mit der Arbeitsfrequenz durchflossen zu werden und über eine induktive
Kopplung an den Versorgungsdraht oder -streifen, der den Generator
mit der ersten Fläche verbindet,
angekoppelt zu werden. Es wurde gezeigt, daß diese Antenne unter bestimmten
Bedingungen der Anordnung der Elemente eine Abstrahlung vom Monopol-Typ
erzeugt, die also eine Keule mit Rotationssymmetrie umfaßt, mit
einer maximalen Abstrahlung parallel zur Masseebene und einer verschwindenden
Abstrahlung senkrecht zur Antenne sowie einer linearen Polarisation
mit einem elektrischen Feld in einer Ebene senkrecht zur Antenne
und einer halbkugelförmigen
Abdeckung außer
in der Achse.
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Das
Dokument EP-A-667 984 beschreibt eine Variante dieser Antenne, die
mehrere parallele Drähte
oder Streifen umfaßt,
die die beiden Flächen verbinden.
Diese Anordnung gestattet es insbesondere, die Anpassung der Antenne
an den Generator zu erleichtern.
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Antennen
vom genannten Typ waren bereits sehr nützlich.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es dagegen, eine neuartige Antenne
vorzuschlagen, die im Vergleich zur Arbeitswellenlänge verringerte
Abmessungen annehmen kann, und dies nicht nur in der horizontalen
Ebene, wie die in den Dokumenten FR-A-2 668 859 und EP-A-667 984
beschriebenen Antennen, sondern auch in der vertikalen Richtung, in
der die Höhe
sehr gering ist, in der Größenordnung von λ/200.
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Dieses
Ziel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine Antenne
vom zuvor genannten Typ erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die
beiden Flächen
und der oder die Verbindungsdrähte
oder Verbindungsstreifen zwischen diesen alle koplanar sind.
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Gegebenenfalls
ist wenigstens der Draht oder Streifen, der die Verbindung zwischen
dem Generator/Empfänger
und der ersten Fläche
bereitstellt, auch koplanar zu den zuvor genannten Elementen.
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Weitere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden
sowie mit Bezug auf die beigefügten
Figuren, die nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, und
in denen:
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1 schematisch
den allgemeinen Aufbau einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
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2 das
Ersatzschaltbild dieser Antenne darstellt,
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3 die
Antwort dieser Antenne in Abhängigkeit
von der Frequenz darstellt und den Arbeitspunkt angibt,
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4 eine
spezielle Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt,
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5 den
Verlauf des Realteils der Eingangsimpedanz in Abhängigkeit
von der Frequenz darstellt, gemessen für eine Antenne entsprechend
der in 4 abgebildeten Ausführungsform,
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6 den
Verlauf des Imaginärteils
der Eingangsimpedanz in Abhängigkeit
von der Frequenz darstellt, gemessen für eine Antenne entsprechend der
in 4 abgebildeten Ausführungsform,
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7 den
Verlauf des sich daraus ergebenden Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit
von der Frequenz darstellt, für
eine Antenne entsprechend der in 4 abgebildeten
Ausführungsform,
(es ist zu bemerken, daß in
den 5, 6, 7 die theoretischen
Werte mit durchgezogenen Linien dargestellt sind, wohingegen die
gemessenen Werte in unterbrochenen Linien dargestellt sind), und
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die 8, 9, 10 den
internen Gewinn der Antenne in dB in verschiedenen Ebenen darstellt.
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In
der beigefügten 1 ist
der allgemeine Aufbau einer Antenne 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
zu sehen, wobei diese folgendes umfaßt:
- – eine erste
elektrisch leitende Fläche 12,
die im allgemeinen als "kapazitives
Dach" bezeichnet wird,
- – eine
zweite elektrisch leitende Fläche 14,
die eine Masseebene bildet, parallel zur ersten Fläche,
- – einen
ersten elektrisch leitenden Versorgungsdraht oder -streifen 16,
der einen ersten Anschluß eines
Generators/Empfängers 20 mit
der ersten Fläche 12 verbindet,
und einen zweiten Versorgungsdraht oder -streifen 17, der
einen zweiten Anschluß des
Generators/Empfängers 20 mit
der zweiten Fläche 14 verbindet,
und
- – wenigstens
zwei elektrisch leitende Drähte
oder Streifen 18, 19, die die beiden vorgenannten
Flächen 12, 14 verbinden,
wobei die beiden Flächen 12, 14 und
die Verbindungsdrähte
oder -streifen 16, 17, 18, 19,
die die Verbindung zwischen den Flächen 12, 14 und
dem Generators/Empfänger 20 einerseits
sowie zwischen diesen Flächen 12, 14 andererseits
bereitstellen, gemäß der wesentlichen
Eigenschaft der vorliegenden Erfindung alle koplanar sind.
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Die
erste Fläche 12 kann
eine beliebige Form haben. Diese Form und die Größe dieser Fläche 12 sind
jedoch für
den Betrieb der Antenne kennzeichnend.
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Die
zweite Fläche 14,
die eine Masseebene bildet, umgibt die erste Fläche 12 teilweise oder
vollständig.
Gemäß der in 1 abgebildeten
schematischen Darstellung hat die Masseebene 14 die Form eines
offenen Rings, der die Fläche 12 fast
vollständig
umgibt. Die in der Masseebene 14 eingerichtete Öffnung 15 dient
als Durchgang für
den Streifen 16.
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Gemäß der in
der beigefügten 1 gegebenen
Darstellung sind zwei Streifen 18 und 19 vorgesehen,
die die Flächen 12 und 14 miteinander
verbinden. Wie im Dokument EP-A-667 984 angegeben, sind die Streifen 18 und 19 in
diesem Fall vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf den Versorgungsstreifen 16 und
beispielsweise parallel zu diesem.
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In
einer Variante kann dagegen ein einziger Streifen vorgesehen sein,
um die Verbindung zwischen den Flächen 12 und 14 bereitzustellen.
Mit Bezug auf 4 wird eine Ausführungsform
beschrieben, die in dieser Weise nur einen einzigen Versorgungsstreifen
umfaßt,
um die Flächen 12 und 14 miteinander
zu verbinden.
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Gemäß noch weiterer
Varianten kann die Antenne entsprechend der Erfindung mehr als zwei Streifen 18, 19 umfassen,
um die Verbindung zwischen den Flächen 12 und 14 herzustellen.
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Eine
solche Antenne kann durch verschiedene Herstellungsprozesse erhalten
werden.
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Beispielhaft
aber nicht einschränkend,
kann diese Antenne 10 aus einer Leiterebene, vorzugsweise
einer metallischen Platte, ausgeschnitten werden, beispielsweise
durch Ätzen
der Metallisierung einer einseitigen gedruckten Schaltung oder auch
durch Siebdruck auf einem elektrisch isolierenden Träger, Abscheidung
auf einem solchen elektrisch isolierenden Träger oder durch Fertigung ausgehend
von einer Metallfolie geeigneter Geometrie.
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Die
Antennen gemäß der vorliegenden
Erfindung können
bei allen Frequenzen arbeiten.
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Die
Abmessungen der Antenne in der metallischen Ebene liegen in der
Größenordnung
von λ/6 bis λ/5, wobei λ die Arbeitswellenlänge darstellt.
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Der
Fachmann versteht, daß die
Dicke der Antenne extrem gering ist. Diese Dicke entspricht der Dicke
der Elemente 12 bis 19 und des Trägers dieser Elemente.
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Die
Antenne ist auf dem Arbeitsfrequenzband auf die Impedanz des Generators 20 abgestimmt
(im allgemeinen 50 Ω),
um einen akzeptablen Stationärwellenfaktor
(T. O. S.) zu erreichen, der vorzugsweise zwischen 1,5 und 2 liegt.
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In 2 ist
das Ersatzschaltbild dieser Antenne dargestellt.
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Dieses
Ersatzschaltbild umfaßt
eine Stufe, die eine Kapa-zität CGrund, eine Induktionsspule LGrund und
einen Widerstand RGrund umfaßt, die
untereinander parallel geschaltet sind und der Grundmode entsprechen,
eine weitere Stufe, die eine Kapazität CDach und
eine Induktionsspule LMasse umfaßt, die
untereinander parallel geschaltet sind, sowie eine Verbindungsinduktionsspule
LVersorgung, die zwischen den beiden zuvor
genannten Stufen eine serielle Verbindung bereitstellt, wobei die
Induktionsspule LVersorgung mit der Induktionsspule
LMasse über
eine gegenseitige Induktivität
M gekoppelt ist.
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CDach stellt die Kapazität zwischen den beiden Flächen 12 und 14 gemessen
im statischen Betrieb dar.
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LMasse stellt die mit dem oder den Streifen 18, 19 verbundene
Induktivität
dar.
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LVersorgung stellt die mit dem Versorgungsstreifen 16 verbundene
Induktivität
dar.
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Die
gegenseitige Induktivität
M ist das Ergebnis der Wechselwirkung der Streifen 16, 18, 19 untereinander.
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Die
Antwortkurve dieser modellierten Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz mit
dem Realteil R(f) und dem Imaginärteil
X(f) ist in 3 dargestellt.
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In
dieser 3 ist zum einen der Verlauf der Antwort für die Grundmode
und zum anderen der Verlauf der Antwort im Bereich der mit dem ursprünglichen
Funktionsprinzip dieser Antennen verbundenen Parallelresonanz angegeben.
Letzterer äußert sich
durch eine Resonanzspitze für
den Realteil R(f) und durch eine Schwingung für den Imaginärteil X(f).
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Die
Resonanzspitze der Eingangsimpedanz der Antenne ergibt sich durch
die kapazitive Wirkung der beiden Platten 12 und 14 und
Effekte der Selbstinduktion und der gegenseitigen Induktion der
Streifen 16, 18 und 19. Der Fachmann
kann diese Elemente durch die Approximation des quasi-statischen Zustands
abschätzen.
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Der
Arbeitsbereich der Antenne liegt um die Auslöschungsfrequenzen des Imaginärteils X(f)
der Eingangsimpedanz herum und entspricht einem Realteil R(f) in
der Nähe
desjenigen des Generators 20.
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Der
Großteil
der von der Antenne ausgesendeten Strahlung stammt von dem oder
den Streifen 18, 19 und entspricht einer Abstrahlung
vom dipolaren Typ, die in der Ebene senkrecht zu den Streifen quasi
omnidirektional ist und deren Polarisation in dieser Ebene parallel
zu den Streifen ist. Dies ist die klassische Abstrahlung eines elektrischen
Dipols in einer zu ihm senkrechten Ebene. Dieser Dipol ist parallel
zu den Drähten 16 und 18.
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Wie
bereits zuvor vorgeschlagen wurde, kann ein dielektrisches Substrat
auf und/oder unter der durch die Elemente 12 bis 19 definierten
metallischen Ebene hinzugefügt
werden, um dem Aufbau eine höhere
Festigkeit zu geben, um die Abmessungen der Antenne im Verhältnis zur
Arbeitswellenlänge
zu verringern, um eine Strahlung im Dielektrikum zu erzeugen, etc.
...
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Außerdem kann
der Antenne ein in der Nähe liegender
Reflektor zugeordnet werden, um die Strahlung anzupassen, beispielsweise
um die Strahlung in eine gewünschte
Richtung zu bündeln.
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Es
wird nun die spezielle in 4 dargestellte
Ausführungsform
beschrieben.
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Die
in dieser 4 abgebildete Antenne 10 ist
durch Ausschneiden aus einer Metallfolie mit einer Dicke von 0,4
mm gebildet.
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Sie
umfaßt
ein Dach 12 mit quadratischer Form von 25 mm × 25 mm,
das heißt
in der Größenordnung
von λ/12 × λ/12.
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Die
Masseebene 14 ist aus einem Streifen mit einer Breite von
6 mm, das heißt
in der Größenordnung
von λ/50,
und quadra tischer Form gebildet, wobei sie das Dach 12 fast
vollständig
umschließt.
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Somit
wird die Masseebene 14 durch vier geradlinige Streifenabschnitte
gebildet, die paarweise parallel und senkrecht zueinander sind und
von denen typischerweise jeder eine Außenlänge von 65 mm besitzt, das
heißt
in der Größenordnung
von λ/5, und
eine Breite von 6 mm, das heißt
in der Größenordnung
von λ/50.
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Das
Dach 12 ist vorzugsweise in der Masseebene 14 zentriert
und seine Seiten sind parallel zu den Streifenabschnitten ausgerichtet,
die diese Masseebene 14 bilden. Somit liegt der Abstand,
der den Innenrand der Masseebene 14 vom Außenrand
des Daches 12 trennt, in der Größenordnung von 14 mm.
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Einer
der zuvor genannten Abschnitte, die die Masseebene 14 bilden,
besitzt einen querverlaufenden Ausschnitt 15 mit einer
Breite in der Größenordnung
von 5 bis 8 mm.
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Dieser
Ausschnitt 15 ist vorzugsweise in einem Abstand von 37
mm vom einen Ende dieses Abschnitts und 23 mm vom anderen Ende desselben Abschnitts
der Masseebene ausgebildet.
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Ein
geradliniger Massestreifen 18 mit einer Breite von 8 mm
und einer Länge
in der Größenordnung
von 14 mm verbindet den Innenrand des Abschnitts 14, der
den Ausschnitt 15 aufweist, und das Dach 12. Dieser
Massestreifen 18 erstreckt sich somit senkrecht zum Abschnitt 14 und
zum Rand des Daches 12. Dieser Massestreifen 18 ist
vorzugsweise an das längere
Element des Streifens 14, der den Ausschnitt 15 aufweist,
angeschlossen und er ist an das Dach vorzugsweise in einem Abstand
in der Größenordnung
von 4 mm von einer seiner Ecken angeschlossen.
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Der
Versorgungsstreifen 16 ist aus einem geradlinigen Streifen
von etwa 3 mm Breite gebildet, der im Ausschnitt 15 zentriert
ist und der senkrecht an eine Seite des Daches 12 angeschlossen
ist, vorzugsweise in einem Abstand in der Größenordnung von 4 mm von einer
seiner Ecken.
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In 4 ist
zu sehen, daß der
Abschnitt des Massestreifens 14, der den Ausschnitt 15 aufweist, mit
einem Anschluß 30 ausgestattet
ist, dessen äußere Abschirmung
elektrisch mit dem Massestreifen 14 verbunden ist und dessen
leitendes zentrales Element durch jedes geeignete Mittel mit dem äußeren Ende
des Versorgungsstreifens 16 verbunden ist.
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5 stellt
den Realteil R(f) der Eingangsimpedanz der in 4 abgebildeten
Antenne 10 in Ω in Abhängigkeit
von der Frequenz dar.
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6 stellt
den Imaginärteil
X(f) der Eingangsimpedanz derselben in 4 abgebildeten
Antenne 10 in Ω in
Abhängigkeit
von der Frequenz dar.
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Und 7 stellt
den daraus resultierenden Reflexionskoeffizienten |S11|
dar.
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Genauer
sind in den 5 bis 7 mit durchgezogenen
Strichen die theoretischen Kurven abgebildet und mit durchbrochenen
Strichen die realen Kurven, die an einer Antenne gemäß 4 gemessen
wurden.
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Der
theoretische Reflexionskoeffizient |S11| ist
bei 1,057 GHz minimal (–28
dB) und der reale gemessene Reflexionskoeffizient |S11|
ist bei 1,07 GHz minimal (–21,3
dB).
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Die
Abmessungen über
alles der Vorrichtung 10 liegen für die Antenne mit der Masseebene
wie in 4 abgebildet in der Größenordnung von λ/6 bis λ/5, wobei λ die Arbeitswellenlänge ist.
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Der
in den 8 bis 10 dargestellte interne Gewinn
bei der Frequenz 1,06 GHz gehört
zu einer quasi omnidirektionalen Abstrahlung in der Ebene senkrecht
zu den Streifen 18, 19, entsprechend der Dipol-Abstrahlcharakteristik.
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8 stellt
den Gewinn in Abhängigkeit
vom Winkel θ zwischen
der Beobachtungsrichtung und einer Senkrechten zur metallischen
Ebene in der Ebene des Streifens 16 (entsprechend φ = 0°) dar.
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9 stellt
den Gewinn in Abhängigkeit
vom Winkel θ zwischen
der Beobachtungsrichtung und einer Senkrechten zur metallischen
Ebene in einer Ebene senkrecht zum Streifen 16 (entsprechend φ = 90°) dar.
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10 stellt
den Gewinn in der Antennenebene (θ = 90°) in Abhängigkeit vom Beobachtungsazimut φ in dieser
Ebene dar.
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Es
existiert eine große
Anzahl bekannter Antennen, darunter auch planare Antennen.
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Beispielhaft
und nicht einschränkend
kann folgendes aufgeführt
werden:
- 1) die planaren Resonanzstrukturen
vom Typ "Mikrostreifen", die aus gestapelten
Elementen zusammengesetzt sind, mit wenigstens zwei Metallisierungsebenen,
beispielsweise eine Masseebene, ein dielektrisches Substrat, das
aus Luft bestehen kann, und ein strahlendes metallisches Element;
zu dieser Familie gehören
beispielsweise
- – abstrahlende "Patch"-Antennen, die auf
dem Prinzip der verlustbehafteten Resonanzhohlräume beruhen und die enge Arbeitsbänder erzeugen
(deren Abmessungen wenigstens in der Größenordnung von λg/2 liegt,
wobei λg
die Wellenlänge
im Dielektrikum darstellt) und
- – "Draht-Platte"-Mikrostreifen-Antennen,
wie sie im Dokument EP-A-667 984 beschrieben sind und mit demselben
Aufbau wie die zuvor genannten "Patch"-Antennen, die jedoch
auf einem anderen Prinzip beruhen und die eine Anpassung an benachbarte
Frequenzen von λ/8
gestatten, und
- 2) die "planaren" Strukturen, die
nur ein metallisches ebenes Element umfassen, das die Antenne bildet
und das im allgemeinen mit einem dielektrischen Substrat verbunden
ist, um der Einheit Steifigkeit zu geben; diese Antennen benötigen erst
einmal keine Masseebene, sie sind jedoch in den meisten Fällen parallel
zu einer solchen Ebene angeordnet, um eine korrekte Versorgung zu gestatten.
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Zu
dieser zweiten Familie gehören
beispielsweise:
- – elektrische und magnetische
Resonanzdipole in ihrer auf Substrat gedruckten Ausführung, die
sich von den "Patch"-Antennen nur durch den Resonanzmodus
unterscheiden, der derjenige einer metallischen Platte und nicht
eines Hohlraums ist,
- – Resonanzschlitzantennen,
und
- – planare
Strukturen mit fortschreitenden Wellen, die aus Abschnitten von
Mikrostreifen- oder koplanaren Leitungen gebildet und an den Enden
angepaßt
sind, wobei die Haupteigenschaft dieser Antennen ihre große Abmessung
in Bezug auf die Wellenlänge
ist, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.
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Damit
ist den Erfindern keine existierende Antenne bekannt, die dem Aufbau
gemäß der vorliegenden
Erfindung entspricht, so wie sie zuvor festgelegt wurde, und die
insbesondere die folgenden Vorteile aufweist:
- – die Antennenabmessungen
sind im Verhältnis zur
Wellenlänge
klein, das heiß in
der Größenordnung
von λ/6
bis λ/5
einschließlich
der Masseebene,
- – planare
Antenne, die nur eine sehr geringe Dicke hat,
- – großes Frequenzband
im Vergleich zu herkömmlichen
Resonanzantennen,
- – Dipol-Abstrahlung
in den Raum,
- – einfache
Verbindung der Masseebene und des Substrats.
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Es
ist außerdem
zu bemerken, daß die
vorliegende Erfindung die Realisierung von Antennen zu sehr geringen
Kosten und mit einer großen
Einfachheit der Realisierung gestattet.
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Die
vorliegende Erfindung kann in sehr vielen Bereichen angewendet werden.
Beispielhaft und nicht einschränkend
seien Antennen für
Automobile, Antennen zur drahtlosen Verbindung, Antennen im Millimeterbereich
zur sektoriellen Verteilung, Quellen für "Linsen"- und "Parabol"-Antennen, Antennen zur drahtlosen Telephonie,
etc. genannt.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die gerade beschriebene spezielle Ausführungsform
eingeschränkt.
Für bestimmte
Anwendungen, bei denen die Abstrahlung in der Ebene φ = 0 gerichtet
anstatt omnidirektional sein soll, kann der Antenne vorteilhafterweise
eine Reflektorebene beigefügt
werden, die parallel zu ihr ist und sich in einem Abstand in der
Größenordnung
von λ/20
befindet.
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Gemäß der in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsform
sind die zwei Streifen 16, 17, die die Verbindung
zwischen dem Generator/Empfänger 20 und
der ersten Fläche 12 beziehungsweise der
zweiten Fläche 14 bereitstellen,
koplanar zu letzteren. Gemäß der in 4 schematisch
dargestellten Ausführungsform
ist nur der Streifen 16, der die Verbindung zwischen dem
Generator/Empfänger 20 und
der ersten Fläche 12 bereitstellt,
koplanar mit den Flächen 12 und 14,
wobei die Verbindung zwischen dem Generator/Empfänger 20 und der zweiten Fläche 14 direkt
mittels der Masse eines Koaxialanschlusses bereitgestellt wird.
In einer Variante kann jedoch vorgesehen werden, daß weder
der Streifen 16 noch der Streifen 17 koplanar
zu den Flächen 12 und 14 sind.
Hierfür
kann beispielsweise eine Versorgung der Flächen 12, 14 von
oben vorgesehen werden.
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Gemäß noch einer
weiteren Variante kann die das Dach bildende Fläche 12 in mehrere
koplanare Elemente aufgetrennt werden, oder sogar, wie im Dokument
EP-A-667 984 beschrieben, gelocht sein.