EP0502818A1 - Planare Antenne - Google Patents

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EP0502818A1
EP0502818A1 EP92810116A EP92810116A EP0502818A1 EP 0502818 A1 EP0502818 A1 EP 0502818A1 EP 92810116 A EP92810116 A EP 92810116A EP 92810116 A EP92810116 A EP 92810116A EP 0502818 A1 EP0502818 A1 EP 0502818A1
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EP
European Patent Office
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antenna
antenna according
network
coupling
radiation
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EP92810116A
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Richard C. Hall
John R. Sanford
Kuno Wettstein
Jean-Francois Zürcher
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Huber and Suhner AG
Original Assignee
Huber and Suhner AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • the present invention relates to a planar antenna according to the preamble of independent claim 1.
  • microstrip directional antennae In addition to significant advantages in terms of dimensions, simplicity of manufacture and compatibility with printed circuit circuits, microstrip directional antennae also have a number of disadvantages, e.g. narrow bandwidth and low efficiency. The manufacturing technology used often did not meet the required environmental specifications, so that this type of antenna has so far been used only to a limited extent.
  • EP-AO 253'128 describes a planar hanging conductor antenna arrangement which comprises superimposed substrates between a pair of conductive plates. Each plate has spaced openings that define radiation elements. A number of openings have at least one pathogen probe on the substrate. The signals received with these excitation probes are conducted in phase to a hanging conductor by means of conductor foils. Holders for the substrate are arranged around the openings. This supports the substrate evenly and cannot deform. A wide section of grooves is located on the printed circuit boards between adjacent openings, in which a number of hanging conductors are formed parallel to one another.
  • This type of antenna is intended for high-frequency satellite broadcasts. Due to the simple structure, manufacturing costs can be reduced with high performance values.
  • the radiation characteristic is only lobe-like, as is known, for example, from parabolic antennas from radar technology.
  • S-strip microstrip
  • S quarter-wave stub
  • S base with slots
  • F Foam
  • IP inverted radiating antenna element
  • the foam layer prevents surface wave propagation and increases the bandwidth.
  • the object of the invention is to improve such an SSFIP antenna in such a way that the assembly allows a simpler and cheaper choice of material and the radiation characteristics can be adapted to the respective need.
  • the antenna comprises four elements, namely a carrier plate 1, preferably made of glass or a fiber composite material, on which radiation elements 11 are vapor-deposited as inverted radiating antenna elements or can be applied by a printing process.
  • planar radiation elements 11 are also called spots or patches.
  • a foam insert lies behind these inverted radiation spots.
  • the surface wave propagation does not occur to the extent expected, which means that this layer can be omitted. By omitting this layer, the subsequent slit radiation layer can be placed closer to the level of the inverted radiation spots.
  • the embodiment according to the invention now provides for a foam layer 23, 24 to be introduced between the metallic layer 2 with radiation openings 21 and the stripline network 22 on the one hand and between the latter and a base plate 3 made of metal or a metal layer applied to a carrier.
  • a foam layer 23, 24 to be introduced between the metallic layer 2 with radiation openings 21 and the stripline network 22 on the one hand and between the latter and a base plate 3 made of metal or a metal layer applied to a carrier.
  • Polystyrene, polypropylene or polyamide is suitable as the foamed material.
  • the foam layer should not only have a low density, but also a low dielectric constant.
  • the two foam layers 23, 24 are preferably of unequal thickness.
  • the respectively thinner layer 23 is on the coupling side and the thicker layer 24 is arranged between the stripline network 22 and the base plate 3.
  • the carrier plate 1 is, on the one hand, a seal against the environment and bears the electrically conductive spots on the inside, which according to FIG. square and can be arranged at regular intervals from each other. These electrically conductive spots can consist of evaporated, laminated or printed metal.
  • the coupling network 2 has a slot-like opening (coupling slot) (FIG. 8) in the metallic layer opposite each spot 11. This layer 2 lies on the foam layer 23. On the back of this layer 23 is the distribution network 22 (FIG. 9) with which the radiopacity of the coupling slots 21 is controlled. The electrical lines 22 required for this are located on the back of the foam layer 23.
  • the base plate 3 forms a seal against the environment. It consists of metal or is designed as a metallic reflector.
  • Layer 1 consists, for example, of easily disposable glass.
  • the glass as a seal against the environment has the great advantage that it is resistant to all harmful environmental influences and can be easily cleaned if necessary.
  • An antenna built in this way can also be easily and simply integrated into facades of high-rise buildings.
  • the coupling network lies between foamed material and air and is held in this case with spacers in relation to layer 1.
  • the antenna can be constructed from one or more elements (spots, patches). Several elements can be arranged either in one column or in several columns lying side by side.
  • the proposed structure of the antenna now allows the main radiation direction to be aligned electrically at least in a limited area, so that the antenna plane can be set up independently of the main radiation direction, as FIG. 6 clearly shows.
  • This enables the antenna to be mounted on the vertical walls of buildings.
  • a side lobe 45 could be directed and reinforced in such a way that a remote area that was not irradiated by the main lobe 44 could be illuminated.
  • the horizontal direction of radiation is generated at an angle of approximately +/- 30 ° with respect to the perpendicular to the antenna plane. Likewise, more than one desired direction of radiation is also possible in the horizontal plane.
  • the patches are drawn square.
  • geometrical shapes other than spots are also possible, such as, for example, circular surfaces, ellipses or rectangles or adjacent strips.

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Abstract

Die Flachantenne besteht aus einem Substrat (1). Dieses trägt ein elektrisch leitfähiges Muster mit Flecken (11) sowie ein Schlitzmuster (2), dessen Schlitze (21) auf die Flecken (11) ausgerichtet sind, und ein Verteilnetzwerk (22), die auf je einer Seite einer Schaumstoffschicht (23) angeordnet sind. Ein Reflektor (3) besteht aus einer Metallplatte. Zwischen dem Verteilnetzwerk (22) und der Metallplatte (3) befindet sich eine zweite Schaumstoffschicht (24). Die Aussenfläche der Antenne, die durch die Substratfläche (1) aus Glas gebildet ist, lässt sich leicht reinigen. Durch die Verwendung von Glas und Schaumstoff lässt sich eine solche Antenne kostengünstig herstellen. Die verschiedenen Muster (11,2,22) lassen sich durch Siebdruck oder durch Aufdampfen bilden. Bei einer solchen Antenne lässt sich die Ausbreitungscharakteristik in beliebiger Weise ausbilden. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine planare Antenne gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Mikrostrip-Richtstrahlantennen haben neben wesentlichen Vorteilen bezüglich Abmessungen, Einfachheit in der Herstellung und Kompatibilität mit gedruckten Schaltungskreisen, auch eine Anzahl von Nachteilen, wie z.B. schmale Bandbreite und niedriger Wirkungsgrad. Die verwendete Herstellungstechnologie genügte vielfach den erforderlichen Umweltspezifikationen nicht, so dass diese Antennenart bisher nur in beschränktem Rahmen eingesetzt wurde.
  • In der EP-A-O 253′128 ist eine planare Hängeleiter-Antennenanordnung beschrieben, die aufeinanderliegende Substrate zwischen einem Paar leitender Platten umfasst. Jede Platte weist beabstandete Oeffnungen auf, die Strahlungselemente definieren. Eine Anzahl Oeffnungen besitzen wenigstens eine Erregersonde auf dem Substrat. Mittels Leiterfolien werden die mit diesen Erregersonden empfangenen Signale phasengleich auf einen Hängeleiter geführt. Um die Oeffnungen herum sind Halter für das Substrat angeordnet. Damit wird das Substrat gleichmässig gestützt und kann sich nicht verformen. Eine breite Nutenpartie befindet sich auf den Leiterplatten zwischen jeweils benachbarten Oeffnungen, in der eine Anzahl Hängeleiter parallel zueinander angeformt sind.
  • Diese Antennenart ist für Hochfrequenz-Satellitensendungen vorgesehen. Durch den einfachen Aufbau bedingt,können Herstellungskosten bei hohen Leistungskennwerten gesenkt werden.
  • Bei einer derart aufgebauten Antenne ist die Strahlungscharakteristik nur keulenartig, wie es beispielsweise bei Parabolantennen aus der Radartechnik bekannt ist.
  • Auf ähnlichen Wegen steht ein Aufsatz in "Electromagnetics" 1989 Vol. 9, Seiten 385-393. Darin wird eine weitergehende Entwicklung beschrieben, nämlich eine Antenne, die als Streifen-Schlitz-Schaumeinlage mit invertierten Flecken aufgebaut ist (im englischen Sprachgebiet "Strip-slot-foam-inverted patch" genannt, mit der Abkürzung SSFIP).
  • Diese SSFIP-Antenne besteht auch aus aufeinandergelegten Schichten, nämlich ein Mikrostrip (S-Strip) mit Viertelwellenstichleitung, eine Grundfläche mit Schlitzen (S=Slot), eine Schaumstoffschicht (F=Foam) mit geringer Dämpfung und niedriger Dielektrizitätskonstanten, und schliesslich ein invertiertes strahlendes Antennenelement, (IP=inverted patch) als auf eine Abdeckung gedruckte Flecke. Ein Vorteil dieser Antennenart ist die einfache Realisation von zirkularer Polarisation oder die Möglichkeit,zwei Polarisationen gleichzeitig zu betreiben.
  • Bei diesem Aufbau verhindert die Schaumstoffschicht eine Oberflächen-Wellenausbreitung und vergrössert die Bandbreite.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine solche SSFIP-Antenne in der Weise zu verbessern, dass der Zusammenbau eine einfachere und billigere Materialwahl erlaubt und die Strahlungscharakteristik dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann.
  • Erfindungsgemäss wird dies mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Querschnittzeichnung durch eine Antenne nach der Erfindung,
    • Fig. 2 eine Draufsicht auf das Fleckenmuster,
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung eines schmetterlingsförmigen Koppelschlitzes,
    • Fig. 4 zwei Beispiele von Impedanzanpassungen des Streifenleiternetzwerkes an die Koppelschlitze,
    • Fig. 5 eine typische Form eines breitbandig angepassten, geschlitzten Fleckens,
    • Fig. 6 die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei unkorrigierter Abstrahlung,
    • Fig. 7 die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei korrigierter Abstrahlung,
    • Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Koppelnetzwerkes mit schlitzartigen Oeffnungen, und
    • Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Verteilnetzwerkes.
  • Die Antenne umfasst gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vier Elemente, nämlich eine Trägerplatte 1, vorzugsweise aus Glas oder einem Faserverbundwerkstoff, auf der Strahlungselemente 11 als invertierte strahlende Antennenelemente aufgedampft oder durch ein Druckverfahren aufgebracht sein können. Derartige planare Strahlungselemente 11 werden auch Flecken oder Patchs genannt. Bei der bekannten Anordnung gemäss dem vorgenannten Aufsatz in "Electromagnetics" 1989, Vol. 9, Seiten 385-393, liegt hinter diesen invertierten Strahlungsflecken eine Schaumstoffeinlage. Es hat sich aber gezeigt, dass die Oberflächen-Wellenausbreitung nicht in dem erwarteten Mass auftritt, wodurch diese Schicht weggelassen werden kann. Durch das Weglassen dieser Schicht kann die nachfolgende Schlitzstrahlungsschicht näher zur Ebene der invertierten Strahlungsflecken gelegt werden. Dagegen sieht nun die Ausführungsform nach der Erfindung vor, zwischen der metallischen Schicht 2 mit Strahlungsöffnungen 21 und dem Streifenleiternetzwerk 22 einerseits und zwischen letzterem und einer aus Metall oder aus auf einen Träger aufgebrachter Metallschicht bestehenden Grundplatte 3 je eine Schaumschicht 23, 24 einzubringen. Als geschäumtes Material eignet sich Polystyrol, Polypropylen oder Polyamid.
  • Jedenfalls soll die Schaumschicht nicht nur eine niedrige Dichte, sondern auch eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben.
  • Die beiden Schaumstoffschichten 23, 24 sind vorzugsweise ungleich dick. Die jeweils dünnere Schicht 23 ist dabei koppelseitig und die dickere Schicht 24 ist zwischen dem Streifenleiternetzwerk 22 und der Grundplatte 3 angeordnet.
  • Die Trägerplatte 1 ist einerseits Abschluss gegen die Umwelt und trägt auf der Innenseite die elektrisch leitenden Flecken, die gemäss Fig. 2 z.B. quadratisch ausgebildet und mit regelmässigen Abständen voneinander angeordnet sein können. Diese elektrisch leitenden Flecken können aus aufgedampftem, auflaminiertem oder aufgedrucktem Metall bestehen. Das Koppelnetzwerk 2 hat jedem Flecken 11 gegenüberliegend eine schlitzartige Oeffnung (Koppelschlitz)(Fig. 8) in der metallischen Schicht. Diese Schicht 2 liegt auf der Schaumstoffschicht 23. Auf der Rückseite dieser Schicht 23 befindet sich das Verteilnetzwerk 22 (Fig. 9), mit dem die Durchstrahlungsfähigkeit der Koppelschlitze 21 gesteuert wird. Die dazu benötigten elektrischen Leitungen 22 befinden sich rückseitig der Schaumstoffschicht 23. Die Grundplatte 3 bildet einen Abschluss gegen die Umwelt. Sie besteht aus Metall oder ist als metallischer Reflektor ausgebildet.
  • Die Erfindung kann drei weitere Modifikationen gegenüber der SSFIP-Technologie aufweisen, welche hauptsächlich zur Vergrösserung der Bandbreite bzw. zur Verkleinerung des Reflexionsfaktors beitragen:
    • A. Die Oeffnungen 21 in der Strahlungsplatte 2 können nicht nur schlitzförmig, sondern auch H- und schmetterlingsförmig (Fig. 3) sein.
    • B. Die Stichleitungen (unter den Oeffnungen 21) im Verteilnetzwerk 22 sind impedanzmässig angepasst. Zwei Formen von solchen integral angepassten Streifenleiternetzwerken sind in Fig. 4 dargestellt.
    • C. Die Form der Strahlungselemente (Flecken 11) kann quadratisch, rund, rechteckig, kreuzförmig sein oder eine Reihe .von gleich- oder ungleichlangen Streifen verschiedener Breite aufweisen. Ein typischer Flecken 11 in Streifenform ist in Fig. 5 dargestellt. Die Länge der verschiedenen Segmente eines Fleckens ist so abgestimmt, dass jedes Segment ein Teil des gewünschten Bundes überdeckt.
  • Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Veröffentlichung "Electromagnetics" bestehen die Substrate nicht mehr ausschliesslich aus Teflon oder Keramik, sondern aus kostengünstigeren Materialien. Die Schicht 1 besteht z.B. aus einfach entsorgbarem Glas. Das Glas als Abschluss gegen die Umwelt hat den grossen Vorteil, dass es widerstandsfähig gegen sämtliche schädlichen Umwelteinflüsse ist und sich, wenn nötig, leicht reinigen lässt. Auch liesse sich eine solcherart gebaute Antenne leicht und einfach in Fassaden von Hochbauten integrieren. Das Koppelnetzwerk liegt zwischen geschäumtem Material und Luft und wird in diesem Fall mit Abstandhaltern gegenüber der Schicht 1 in Position gehalten.
  • Die Antenne kann aus einem oder mehreren Elementen (Flecken, Patches) aufgebaut sein. Mehrere Elemente können entweder in einer Kolonne oder in mehreren nebeneinanderliegenden Kolonnen angeordnet sein.
  • Die übliche vertikale Abstrahlungscharakteristik gemäss Fig. 6 zeigt zwischen den einzelnen Keulen 40, 42 ausgeprägte Nullstellen 41. Die Ansteuerung der Koppelschlitze 21 durch das Verteilnetzwerk 22 erlaubt eine homogene Ausleuchtung des zu bestrahlenden Gebietes. Mit der bisherigen Antennentechnik war es auch bei den eingangs erläuterten Beispielen üblich, dass die Hauptstrahlungsrichtung senkrecht auf der Antennenebene stand, so dass für eine Ausleuchtung gemäss Fig. 6 diese Antennenebene geneigt montiert werden musste.
  • Der vorgeschlagene Aufbau der Antenne erlaubt nun, die Hauptstrahlungsrichtung elektrisch wenigstens in einem beschränkten Bereich auszurichten, so dass die Antennenebene unabhängig von der Hauptstrahlungsrichtung aufgestellt werden kann, wie Fig. 6 deutlich zeigt. Damit kann die Antenne auf senkrechte Mauern von Hochbauten montiert werden. Neben der zweckmässig geformten Hauptkeule 44 (Fig. 7) könnte beispielsweise ein Nebenzipfel 45 derart gerichtet und verstärkt werden, dass so ein abgelegenes Gebiet, das von der Hauptkeule 44 nicht bestrahlt ist, ausgeleuchtet werden könnte. Neben der Erzeugung einer optimierten vertikalen Abstrahlcharakteristik kann auch die horizontale Abstrahlungsrichtung in einem ca. +/- 30° beliebigen Winkel gegenüber der Senkrechten der Antennenebene erzeugt werden. Ebenfalls ist auch in der horizontalen Ebene mehr als eine gewollte Abstrahlungsrichtung möglich.
  • Während bisher Antennen mit einer Fläche bis etwa 30 cm auf 30 cm infolge der Beschränkung durch Kosten, Technologie und Herstellungsverfahren gebaut wurden, die sich vor allem für den Empfang mit Satelliten für Musikübertragung eigneten, können mit der vorgeschlagenen Bauart flache Antennen von 3 - 4 cm Dicke mit fast jeder beliebigen Dimension gebaut werden. Die einzigen Beschränkungen liegen einerseits in der erhältlichen Glasfläche und andererseits in der durch Siebdruck bedruckbaren Fläche.
  • Im Beispiel gemäss Fig. 2 sind die Flecken (Patch) quadratisch gezeichnet. Es ist aber für jeden Fachmann klar, dass auch andere geometrische Formen als Flecken möglich sind, wie beispielsweise Kreisflächen, Ellipsen oder Rechtecke oder nebeneinanderliegende Streifen.

Claims (11)

  1. Planare Antenne mit einstellbarer Richtcharakteristik mittels Korrekturanspeisung über passives Netzwerk, gekennzeichnet durch ein flächenhaftes Trägerelement (1) für Strahlungselemente (11), ein planares Koppelnetzwerk (2) mit Koppelöffnungen (21), ein Anspeisenetzwerk (22) und eine Grundplatte (3).
  2. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) aus Glas besteht.
  3. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
  4. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (3) ein Metallblech ist.
  5. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundplatte (3) eine metallische Schicht auf einem Reflektor-Trägerelement (3) ist.
  6. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnungen (21) schmetterlingsförmig ausgebildet sind.
  7. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnungen (21) H-förmig ausgebildet sind.
  8. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement (11) geschlitzt ist.
  9. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Koppelnetzwerk (2) mit den Koppelöffnungen (21) und dem Anspeisenetzwerk (22) einerseits und/oder zwischen dem Anspeisenetzwerk (22) und der Grundplatte (3) andererseits eine Einlage (23,24) mit niedriger Dielektrizitätskonstanten vorhanden ist.
  10. Antenne nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einlagen (23,24) aus Schaumstoff bestehen.
  11. Antenne nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (23,24) unterschiedlich dick sind, derart, dass die Einlage (23) zwischen dem Koppelnetzwerk (21) und dem Anspeisenetzwerk (22) die dünnere Einlage ist.
EP92810116A 1991-03-06 1992-02-19 Planare Antenne Expired - Lifetime EP0502818B1 (de)

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CH680/91 1991-03-06
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EP (1) EP0502818B1 (de)
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