EP1346434A2 - Patch-antenne für den betrieb in mindestens zwei frequenzbereichen - Google Patents

Patch-antenne für den betrieb in mindestens zwei frequenzbereichen

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EP1346434A2
EP1346434A2 EP01986872A EP01986872A EP1346434A2 EP 1346434 A2 EP1346434 A2 EP 1346434A2 EP 01986872 A EP01986872 A EP 01986872A EP 01986872 A EP01986872 A EP 01986872A EP 1346434 A2 EP1346434 A2 EP 1346434A2
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EP
European Patent Office
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patch
feed
frequency range
antenna according
patch antenna
Prior art date
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EP01986872A
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English (en)
French (fr)
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EP1346434B1 (de
Inventor
Roland Gabriel
Carsten Schultheiss
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Kathrein SE
Original Assignee
Kathrein Werke KG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1346434B1 publication Critical patent/EP1346434B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/378—Combination of fed elements with parasitic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • 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
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration

Definitions

  • the invention relates to a patch antenna for operation in at least two frequency ranges according to the preamble of claim 1.
  • a patch antenna has also become known from EP 0 999 608 AI which, as a multifunction antenna, comprises a plurality of patch radiators arranged via a ground or a reflector and which is designed to receive corresponding electromagnetic waves for position data acquisition from geostationary satellites (GPS).
  • GPS geostationary satellites
  • the patch heaters are built up over a common mass.
  • a generic patch antenna has become known from US-A- ⁇ , 054, 953. It includes a base plate. A patch for the transmission of the lower frequency range and a further patch for the transmission in the higher transmission range are arranged above the base plate. The patch for the transmission in the lower frequency band also serves as an active feed patch for the patch above for the transmission of the higher frequency band. Power is supplied via a common cross-slot structure in the base plate. In order to improve the coupling, a passive coupling patch is arranged between the feed point in the base plate and the patch for transmitting the lower frequency band.
  • patch antennas are basically also from the document "SONG, HJ et al .: Ku-Band 16 x 16 Planar Array with Aperture-Coupled Microstrip-Patch Elements.
  • RATHI, V. et al . I proved Coupling for Aperture Coupled Microstrip Antennas.
  • the Schiitzausström serve the aperture coupling between the feed line and patch.
  • the object of the present invention is to provide a patch antenna for operation in at least two frequency ranges, which is constructed as flat as possible, has a very large bandwidth and at the same time has the best possible radiation characteristic.
  • the patch antenna according to the invention can in principle be operated in at least two frequency ranges.
  • the design principle is equally suitable to be further expanded to include the antenna in more than two frequency ranges, e.g. to be able to operate in three frequency ranges.
  • the overall structure is kept extremely flat, the antenna according to the invention nevertheless having an excellent antenna characteristic.
  • each patch emitter arrangement is arranged on top of one another on a reflector, each patch emitter arrangement comprising at least one active feed patch and, above it, a capacitively coupled passive cover patch.
  • An upper deck patch for each the lower frequency range serves as the base plate for the feed patch of the higher frequency range. It is also provided that there is a separate feed for each frequency range.
  • the patch radiators have an at least approximately H-shaped slot structure or comprise at least one H-shaped slot structure. It has been shown that this can improve the radiation characteristics and increase the bandwidth.
  • the cable feed to each active radiator patch is preferably carried out in the center, the cable being routed to the bottom in front of the feed point, that is to say preferably in the center of the feed patch, i.e. down over the edge of the respective food patch onto the reflector plate.
  • a rectangular bracket is provided in the area of the central slot recess of the H-shaped slot in order to improve the adaptation (VSWR) or to increase the bandwidth on at least one of the patch radiators, preferably on the feed patch area located at the top ,
  • the a leg covers at least a partial length at a distance from the central slot of the H-shaped slot structure in parallel with it, the vertical leg being returned perpendicularly to the patch and fastened there, specifically at the edge region of the central slot.
  • a solution has been found in a completely surprising manner that makes it possible to further reduce the water sensitivity of the antenna.
  • part of the surface is cut out in the top patch patch of the system, which is tuned to the highest frequency.
  • a frame-shaped cover patch structure is thus preferred.
  • the deck patch of a lower frequency in the form of a trough, in which case the feed patch of the higher-frequency system can then be used in this trough-shaped design.
  • the feed systems are fed separately with one feed cable each, so that each of the two systems has a separate connection.
  • the separate power cables can also be used a duplexer integrated in the antenna or a cable network so that the entire antenna is provided with a single connection.
  • the frequency ratio of the patch radiators can be 1: 2, for example.
  • the base plate of the patch antenna element arrangement is formed of the lowest frequency range by the reflector.
  • a base plate sitting on the reflector or in front of the reflector can also be provided here, which then also acts again as a species reflector.
  • Figure 1 A schematic perspective view of a patch antenna according to the invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view through the embodiment of Figure 1 in the area of the individual support elements; 3a shows a plan view of the active feed patch of the patch radiator provided for the lower frequency range;
  • Figure 3b a corresponding bottom view of the in
  • Figure 4 is a plan view of the deck patch of the lower patch emitter
  • FIG. 5a a top view of the feed patch of the patch radiator arrangement provided for the higher frequency range
  • FIG. 5b a bottom view of the feed patch shown in FIG. 5a.
  • Figure 6 a vertical sectional view through 90 ° to Figure 2 through the upper food patch.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of the overall structure of the antenna with a reflector plate, that is to say a reflector 1 which, in the exemplary embodiment shown, is provided with an edge strip 1 'which is formed on two opposite longitudinal edges and extends essentially transversely or perpendicularly to the plane of the reflector plate is.
  • a first patch radiator arrangement 5 for the lower frequency range for example for the GSM -Frequency range (870 - 960 MHz)
  • a further, even smaller dimensioned patch emitter arrangement 7 for a higher frequency range for example for the PCN and UMTS frequency range (1710 MHz, 2170 MHz etc.).
  • Each of the two patch radiator arrangements 5 and 7 is constructed as a double patch radiator arrangement, specifically with an active feed patch 5a or 7a and an overlying only capacitively coupled and thus passive cover patch 5b or 7b.
  • FIGS. 3a and 3b show the larger feed patch 5a which is intended for the lower frequency range.
  • the food patch is designed as a rectangular sheet in which an H-shaped slot structure 11 is incorporated.
  • the center slot 11a extends in the transverse direction of the reflector 1, that is to say in the exemplary embodiment shown transversely to the edge strip 1 'of the reflector 1.
  • parallel parallel slots 11b are worked in transversely thereto on both sides.
  • the cable feed for this feed patch 5a takes place separately via a coaxial feed cable 15a which is connected to the reflector 1, ie in particular along its edge strip 1 'and then centrally to the edge of the feed patch 5a from there is laid in the direction of the H-shaped slot structure 11.
  • the cable is preferably at least approximately in a coaxial extension to the center slot 11a on the underside in the direction of the center slot 11a and then in a V-shaped or U-shaped loop 15'a around one end of the initially the parallel slot 11b.
  • the coaxial cable then preferably ends in the middle of the center slot 11a on one side of the slot recess where the outer conductor 115a is electrically contacted.
  • the inner conductor 115b is guided transversely to the longitudinal extent of the center slot 11a and electrically contacted with the feed patch on the opposite side of the center slot.
  • each of the two stub lines is arranged parallel at least to the end section of the feed cable 15a in such a way that the respective inner conductor 215 "a bridges the middle slot 11a parallel to the inner conductor 115" a of the feed cable 15a and is electrically contacted with the patch on the opposite side of the slot 11a , in front of the slot of the outer conductor 215 'a of the respective stub 215a being electrically contacted with the patch.
  • the feed patch 5a is mounted on the reflector 1 and the cover patch 5b located above it, the transverse dimensions of which are approximately the same, the longitudinal dimensions typically being shorter.
  • the further patch emitter arrangement 7 is now placed on this cover patch 5 b of the lower patch emitter arrangement 5. builds, which is also designed as a double patch arrangement with a feed patch 7a and a covering patch 7b covering this.
  • the cover patch of the respective lower patch radiator arrangement 5 for the lower frequency range simultaneously forms the base plate for the patch radiator arrangement 7 based thereon for the higher frequency range.
  • the patch radiator arrangement 7 includes in detail with the patch radiator arrangement 5 a significantly smaller-sized rectangular feed patch 7a, which likewise again has an H-shaped slit structure 13 with a central slit 13a and two parallel slits 13b at the end thereof, which extend beyond the central slit on both sides is so that the center slot 13a comes to lie parallel to and above the center slot 11a of the lower patch radiator arrangement 5.
  • the feed is also carried out as in the lower patch radiator arrangement 5, namely via a separate feed cable 15b, which, in the same way, coming from the central section of the center slot 13a, is V-shaped or U-shaped (bend 15 'b) around one end of the parallel slot 11b to the center of the feed patch 13a and from there in extension of the center slot 13a to the edge of the feed patch 7a as symmetrically as possible and from there to the bottom, ie is guided on the reflector plate 1.
  • the cable is fed to the feed patch from the opposite side of the reflector 1, that is to say from the opposite side compared to the feed cable 15a.
  • a spur line 215b also starts here at the bend 15 'b parallel to the feed cable 15b is arranged, the inner conductor 215 "b parallel to the inner conductor 115" b of the feed cable 15b bridges the slot 13a and is contacted on the opposite side of the feed patch, whereas the outer conductor 215 'b on the stub 215b on the same side as the outer conductor 115' b of the feed cable 15b is contacted with the patch.
  • the illustrated feed patch 7a is held and anchored on the cover patch 5b via two column-like spacers 23 which are offset and preferably also lie in the vertical plane formed by the center slots.
  • cover patch 7b is again formed, which is held by further spacers 24 relative to the food patch 7a carrying it.
  • the cover patch 7b is frame-shaped with the formation of a central opening 27 and is held by two tabs 29 projecting laterally from the frame 28 in a parallel direction to the central slots 11a, 13a located below, which are supported on the spacers 24.
  • This rectangular design of the ceiling patch 7b on top results in the completely surprising effect of a significant improvement in the adaptation (VSWR) and a significantly lower sensitivity to water and rain, so that there is a housing cover (plastic housing, etc.) Covering the entire antenna arrangement .) results in a significantly reduced water dependency of the antenna.
  • the two supply cables 15a, 15b are guided in the longitudinal direction of the reflector 1 to a connection end at which two connections 35a, 35b are provided for the electrical supply to the two patch radiator arrangements.
  • this can be on the right in the illustration according to FIG. 1, it being possible for the corresponding feeder cables 15a and 15b to end in corresponding plug-in connections on an end plate which closes the reflector plate on the right and projects vertically upward to the reflector plane, for example adjacent to the two reflector edges 1 '.
  • both feed cables 15a, 15b can be brought together via a duplexer, so that only a single connection is necessary.
  • a housing cover is mounted over the entire arrangement as a protective device.
  • an electrically conductive bracket 37 with a rectangular cross-section is provided on the feed patch 7a at the top parallel to the associated center slot 13a whose parallel web 37a, which is arranged parallel to the reflector plane, covers the central slot 13a parallel to it at a distance and whose vertical leg 37b carrying it is anchored and mechanically contacted on the associated feed patch 7a parallel to the central slot 13a on one edge side thereof.

Description

Patch-Antenne für den Betrieb in mindestens zwei Frequenzbereichen
Die Erfindung betrifft eine Patch-Antenne für den Betrieb in mindestens zwei Frequenzbereichen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist hinlänglich bekannt, dass zur Übertragung von Informationen im Mobilfunkbereich verschiedene Frequenzbereiche zur Verfügung stehen, nämlich z.B. im europäischen Bereich das 900 MHz Band wie aber auch das 1800 MHz Band. Insbesondere im USA-Bereich erfolgt die Mobilfunk-Übertragung im sogenannten 1900 MHz Band. Für den zukünftig geplanten UMTS-Standard steht das 2000 MHz Band bereit.
Abgesehen von in zwei Frequenzbereichen betreibbaren bekannten Dipolantennen sind grundsätzlich auch Antennen in planarer Ausführung, nämlich sogenannte Patch-Antennen bekannt. Grundsätzlich ist auch aus der EP 0 999 608 AI eine Patch- Antenne bekannt geworden, die als Multifunktionsantenne mehrere über eine Masse oder einen Reflektor angeordnete Patchstrahler umfasst, die zum Empfang entsprechender elektromagnetischer Wellen für Positionsdatenerfassung von geostationären Satelliten (GPS) ausgelegt ist. Die Patchstrahler sind dabei über einer gemeinsamen Masse aufgebaut.
Eine gattungsbildende Patchantenne ist aus der Patentschrift US-A-β, 054, 953 bekannt geworden. Sie umfasst eine Grundplatte. Über der Grundplatte ist ein Patch für die Übertragung des niederen Frequenzbereiches und darüber ein weiteres Patch für die Übertragung im höheren Sendebereich angeordnet. Das Patch für die Übertragung im niederen Frequenzband dient gleichzeitig als aktives Speisepatch für das darüber befindliche Patch für die Übertragung des höheren Frequenzbandes. Die Speisung erfolgt über eine gemeinsame Kreuzschlitzstruktur in der Grundplatte. Um die Kopplung zu verbessern ist zwischen der Einspeisstelle in der Grundplatte und dem Patch zur Übertragung des niedrigeren Frequenzbandes noch ein passives Kopplungspatch angeordnet.
Die elektrischen Eigenschaften einer derartigen Antenne weisen aber auch noch Nachteile auf, da die gewünschte Bandbreite sich nicht realisieren lässt.
Patchantennen sind ansonsten grundsätzlich auch noch aus der Entgegenhaltung "SONG, H.J. et al.: Ku-Band 16 x 16 Planar Array with Apertüre-Coupled Microstrip-Patch Elements. In: IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 40, No. 5, October 1998, S. 25 bis 29" und aus der Ent- gegenhaltung "RATHI, V. et al.: I proved Coupling for Aperture Coupled Microstrip Antennas. In: IEEE Transac- tions on Antennas and Propagation, Vol. 44, No. 8, August 1996, S. 1196 bis 1198" bekannt, die unterschiedlichen Schlitzausnehmungen zum Einspeisen beschreiben. Die Schiitzausnehmungen dienen hierbei jedoch der Aperturkopplung zwischen Anspeiseleitung und Patch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Patch- Antenne für den Betrieb in zumindest zwei Frequenzbereichen zu schaffen, die möglichst flach aufgebaut ist, eine sehr große Bandbreite aufweist und gleichzeitig eine möglichst gute Strahlungscharakteristik aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Patch-Antenne kann grundsätzlich in zumindest zwei Frequenzbereichen betrieben werden. Das Konstruktionsprinzip ist gleichermaßen auch geeignet weiter ausgebaut zu werden, um die Antenne in mehr als zwei Frequenzbereichen, z.B. in drei Frequenzbereichen betreiben zu können. Dabei ist der Gesamtaufbau höchst flach gehalten, wobei die erfindungsgemäße Antenne gleichwohl eine hervorragende Antennencharakteristik aufweist.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass auf einem Reflektor die zumindest beiden Patch-Strahleranordnungen aufeinander aufbauend angeordnet sind, wobei jede Patch- Strahleranordnung zumindest ein aktives Speisepatch- und darüber befindlich ein kapazitiv gekoppeltes passives Deckpatch umfasst. Ein jeweils oberes Deckpatch für den jeweils unteren Frequenzbereich dient gleichzeitig als Grundplatte für das Speisepatch des jeweils höheren Frequenzbereiches. Zudem ist vorgesehen, dass für jeden Frequenzbereich eine separate Anspeisung erfolgt.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, eine Anspeisung in einem Speisepatch an einem rechteckförmigen Schlitz vorzunehmen, wobei an der einen Seite des Schlitzes der Außenleiter des koaxialen Kabels elektrisch kontaktiert ist und der Innenleiter mittig und quer zur Schlitzanordnung über diesen hinweg geführt und an der gegenüberliegenden Randseite des Schlitzes am Patch kontaktiert ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Patchstrahler eine zumindest annäherungsweise H-förmige Schlitzstruktur auf- weisen oder zumindest eine H-förmige Schlitzstruktur umfassen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Strahlencharakteristik verbessert sowie die Bandbreite vergrößert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kabelanspeisung zu jedem aktiven Strahlerpatch bevorzugt mittig erfolgt, wobei das Kabel vor der Anspeisestelle, also bevorzugt mittig vom Speisepatch auf Grund geführt wird, d.h. mittig über den Rand des jeweiligen Speisepatches herunter auf das Reflektorblech.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Verbesserung der Anpassung (VSWR) bzw. der Erhöhung der Bandbreite an zumindest einem der Patchstrahler, vorzugsweise an dem zuoberst liegenden Speisepatchbereich, im Bereich der mittleren Schlitzausnehmung des H-förmigen Schlitzes ein rechtwinkeliger Bügel vorgesehen ist. Der eine Schenkel überdeckt zumindest in einer Teillänge im Abstand den mittleren Schlitz der H-förmigen Schlitzstruktur in Parallellage zu diesem, wobei der vertikale Schenkel senkrecht auf das Speisepatch rückgeführt und dort befestigt ist, und zwar am Randbereich der mittleren Schiitzausnehmung.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bzw. in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist in völlig überraschender Weise eine Lösung gefunden worden, die es ermöglicht die Wasserempfindlichkeit der Antenne weiter zu reduzieren. Dazu ist in dem zuoberst liegenden Deckpatch des Systems, welches auf die höchste Frequenz abgestimmt ist, ein Teil der Fläche herausgeschnitten. Bevorzugt wird dadurch also eine rahmenförmige Deckpatch-Struktur üblich.
Schließlich kann eine weitere Minimierung der Bauhöhe dadurch gewährleistet werden, dass das Speisepatch des jeweils höher frequenten Systems in das Deckpatch des unteren Systems integriert ist. Dazu kann ein Teil des Deckpatches der unteren Frequenz ausgeschnitten und das Speisepatch in diesen Ausschnitt eingefügt sein.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, das Deckpatch einer unteren Frequenz wannenförmig zu gestalten, wobei in dieser wannenförmigen Gestaltung dann das Speisepatch des höher frequenten Systems eingesetzt werden kann.
Wie bereits ausgeführt wurde, werden die Speisesysteme getrennt mit je einem Speisekabel angespeist, so dass jedes der beiden Systeme einen separaten Anschluss besitzt. Die getrennten Speisekabel können aber auch über einen in die Antenne integrierten Duplexer oder ein Kabelnetzwerk zusammengefügt sein, so dass die Gesamtantenne mit einem einzigen Anschluss versehen ist.
In Abhängigkeit des gewünschten Frequenzbereiches für die Antenne kann das Frequenzverhältnis der Patchstrahler beispielsweise 1:2 betragen.
Bevorzugt ist vorgesehen, ' dass die Grundplatte der Patch- Strahleranordnung für den niedrigsten Frequenzbereich durch den Reflektor gebildet ist. Es kann aber auch hier eine auf dem Reflektor oder vor dem Reflektor sitzende Grundplatte vorgesehen sein, die dann aber ebenfalls wieder als Artreflektor wirkt.
Schließlich können ergänzende Maßnahmen zur Erzielung einer besseren Entkopplung der auf verschiedene Bereiche abgestimmten Patchstrahler vorgesehen sein, und zwar unter Verwendung von Stichleitungen, die parallel zur jeweiligen Anschlussleitung angeschlossen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:
Figur 1 : Eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Patch-Antenne;
Figur 2 : eine Querschnittsdarstellung durch das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 im Bereich der einzelnen Abstützelemente; Figur 3a : eine Draufsicht auf das aktive Speisepatch des für den niedrigeren Frequenzbereich vorgesehenen Patchstrahlers;
Figur 3b : eine entsprechende Unteransicht auf das in
Figur 3a wiedergegebene Speisepatch;
Figur 4 : eine Draufsicht auf das Deckpatch des unteren Patchstrahlers;
Figur 5a: eine Draufsicht auf das Speisepatch der für den höheren Frequenzbereich vorgesehenen Patch-Strahleranordnung;
Figur 5b : eine Unteransicht auf das in Figur 5a wiedergegebene Speisepatch; und
Figur 6 : eine zu Figur 2 um 90° verdrehte Vertikalschnittdarstellung durch das obere Speise- patch.
In Figur 1 ist in schematischer perspektivischer Darstellung der Gesamtaufbau der Antenne mit einem Reflektorblech gezeigt, also einem Reflektor 1, der im gezeigten Aus- führungsbeispiel mit einem an zwei gegenüberliegenden Längsrändern ausgebildeten, sich im wesentlichen quer bzw. senkrecht zur Reflektorblechebene erstreckenden Randstreifen 1' versehen ist.
Auf diesem Reflektor 1 aufbauend sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Patchstrahleranordnungen vorgesehen, nämlich eine erste Patchstrahleranordnung 5 für den unteren Frequenzbereich, beispielsweise für den GSM- -Frequenzbereich (870 - 960 MHz), und eine darauf aufbauende nochmals kleiner dimensionierte weitere Patchstrahleranordnung 7 für einen höheren Frequenzbereich, beispielsweise für den PCN und UMTS Frequenzbereich (1710 MHz, 2170 MHz etc. ) .
Jede der beiden Patchstrahleranordnungen 5 bzw. 7 ist als Doppelpatch-Strahleranordnung aufgebaut, und zwar jeweils mit einem aktiven Speisepatch 5a bzw. 7a und einem darüber befindlichen nur kapazitiv gekoppelten und damit passiven Deckpatch 5b bzw. 7b.
Aus den Figuren 3a und 3b geht das größer dimensionierte und für den unteren Frequenzbereich vorgesehene Speise- patch 5a hervor. Daraus ist zu ersehen, dass das Speisepatch als rechteckförmiges Blech gestaltet ist, in welchem eine H-förmige Schlitzstruktur 11 eingearbeitet ist. Der Mittenschlitz 11a erstreckt sich dabei in Querrichtung des Reflektors 1, im gezeigten Ausführungsbeispiel also quer zu dem Randstreifen 1' des Reflektors 1. An den Enden dieses Mittenschlitzes 11a sind quer dazu an beiden Seiten durchgehend verlaufende Parallelschlitze 11b eingearbeitet. Wie insbesondere in der Unteransicht gemäß Figur 3b zu ersehen ist, erfolgt die Kabeleinspeisung für dieses Speisepatch 5a separat über ein koaxiales Speisekabel 15a, welches auf dem Reflektor 1, d.h. insbesondere längs dessen Randstreifen 1' und dann mittig auf den Rand des Speisepatches 5a zu und von dort in Richtung H-förmige Schlitzstruktur 11 verlaufend verlegt ist. Dabei ist das Kabel bevorzugt zumindest näherungsweise in koaxialer Verlängerung zu dem Mittenschlitz 11a auf der Unterseite in Richtung Mittenschlitz 11a und dann in einer V- oder U- förmigen Schleife 15 'a um das eine Ende des zunächst lie- genden Parallelschlitzes 11b verlegt. Das Koaxialkabel endet dann bevorzugt in der Mitte des Mittenschlitzes 11a auf einer Seite der Schlitzausnehmung, wo der Außenleiter 115a elektrisch kontaktiert ist. Der Innenleiter 115b ist quer zur Längserstreckung des Mittenschlitzes 11a über diesen hinweg geführt und auf der gegenüberliegenden Seite des Mittenschlitzes mit dem Speisepatch elektrisch kontaktiert.
Aus der Skizze gemäß Figuren 3a und 3b ist zu erkennen, dass neben dem eigentlichen Speisekabel 15a noch zwei weitere Stichleitungen 215a vorgesehen sind, nämlich links und rechts in einer Teillänge von dem eigentlichen Speisekabel 15a, wobei die Stichleitungen 215ä unterschiedliche Länge aufweisen. Jede der beiden Stichleitungen ist so parallel zumindest zum Endabschnitt des Speisekabels 15a angeordnet, dass der jeweilige Innenleiter 215"a parallel zum Innenleiter 115"a des Speisekabels 15a den mittleren Schlitz 11a überbrückt und auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes 11a elektrisch mit dem Patch kontaktiert ist, wobei vor dem Schlitz der Außenleiter 215 'a der jeweiligen Stichleitung 215a mit dem Patch elektrisch kontaktiert ist.
Mittels zweier seitlicher nicht leitender säulenförmiger Distanzhalter 21 ist auf dem Reflektor 1 das Speisepatch 5a und über axiale Distanzhalter 22 das darüber befindliche Deckpatch 5b montiert, dessen Querabmessungen näherungsweise gleich sind, wobei die Längsmaße typischerweise kürzer sind.
Auf diesem Deckpatch 5b der unteren Patchstrahleranordnung 5 ist nunmehr die weitere Patchstrahleranordnung 7 aufge- baut, die ebenfalls als Doppelpatch-Anorndung mit einem Speisepatch 7a und einem dieses überdeckenden Deckpatch 7b ausgebildet ist. Dabei bildet das Deckpatch der jeweils unteren Patchstrahleranordnung 5 für den niedrigeren Fre- quenzbereich gleichzeitig die Grundplatte für die darauf aufbauende Patchstrahleranordnung 7 für den höheren Frequenzbereich.
Die Patchstrahleranordnung 7 umfasst eingehend mit der Patchstrahleranordnung 5 ein deutlich kleiner dimensioniertes rechteckförmiges Speisepatch 7a, welches ebenfalls wieder mit einer H-förmigen Schlitzstruktur 13 mit einem Mittenschlitz 13a und zwei am Ende davon über den Mittenschlitz jeweils nach beiden Seiten hinaus gehenden Par- allelschlitzen 13b versehen ist, so dass der Mittenschlitz 13a parallel zu und oberhalb von dem Mittenschlitz 11a der unteren Patchstrahleranordnung 5 zu liegen kommt. Die Einspeisung erfolgt ebenfalls wie bei der unteren Patchstrahleranordnung 5, nämlich über ein separates Speise- kabel 15b, welches in gleicher Weise vom mittleren Abschnitt des Mittenschlitzes 13a kommend V- oder U-förmig (Bogen 15 'b) um das eine Ende des Parallelschlitzes 11b zur Mitte des Speisepatches 13a und von dort in Verlängerung des Mittenschlitzes 13a zum Rand des Speisepatches 7a möglichst symmetrisch verlegt und von dort auf Grund, d.h. auf das Reflektorblech 1 geführt ist. Dabei wird das Kabel von der gegenüberliegenden Seite des Reflektors 1 dem Speisepatch zugeführt, also von der gegenüberliegenden Seite verglichen mit dem Speisekabel 15a.
Aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5b ist auch zu ersehen, dass hier bereits am Bogen 15 'b beginnend parallel zum Speisekabel 15b ebenfalls eine Stichleitung 215b angeordnet ist, deren Innenleiter 215"b parallel zum Innenleiter 115"b des Speisekabels 15b den Schlitz 13a überbrückt und an der gegenüberliegenden Seite des Speisepatches kontaktiert ist, wohingegen der Außenleiter 215 ' b auf der Stichleitung 215b auf der gleicher Seite wie der Außenleiter 115' b des Speisekabels 15b mit dem Patch kontaktiert ist.
Das erläuterte Speisepatch 7a ist über zwei versetzt lie- gende und bevorzugt ebenfalls in der durch die Mittenschlitze gebildeten Vertikalebene liegenden säulenartigen Distanzhalter 23 auf dem Deckpatch 5b gehalten und verankert.
Auf dem erwähnten Speisepatch 7a aufbauend ist ebenfalls wieder ein nochmals kleiner dimensioniertes Deckpatch 7b ausgebildet, welcher über weitere Distanzhalter 24 gegenüber den ihn tragenden Speisepatch 7a gehalten ist. Das Deckpatch 7b ist dabei rahmenförmig unter Ausbildung einer Mittenöffnung 27 gestaltet und wird über zwei seitlich vom Rahmen 28 in Parallelrichtung zu den darunter befindlichen Mittenschlitzen 11a, 13a vorstehende Laschen 29 gehalten, die sich an den Distanzhaltern 24 abstützen. Durch diese rechteckförmige Gestaltung des zuoberst liegenden Decken- patches 7b ergibt sich der völlig überraschende Effekt einer deutlichen Verbesserung der Anpassung (VSWR) und einer deutlich geringeren Empfindlichkeit gegenüber Wasser und Regen, so dass sich bei einer die gesamte Antennenanordnung überdeckenden Gehäuseabdeckung (Kunststoffgehäu- se etc.) eine deutlich reduzierte Wasserabhängigkeit der Antenne ergibt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Speisekabel 15a, 15b in Längsrichtung des Reflektors 1 zu einem Anschlussende geführt, an welchem zwei Anschlüsse 35a, 35b zur elektrischen Speisung der beiden Patchstrahleranord- nungen vorgesehen sind. Dies kann beispielsweise bei der Darstellung gemäß Figur 1 rechtsliegend sein, wobei an einer das Reflektorblech rechts abschließenden und zur Reflektorebene vertikal nach oben vorstehenden Abschlussplatte beispielsweise benachbart zu den beiden Reflektor- rändern 1' die entsprechenden Speisekabel 15a und 15b in entsprechenden Steckanschlüssen enden können. Genauso können aber beide Speisekabel 15a, 15b über einen Duplexer zusammengeführt werden, so das nur ein einziger Anschluss notwendig ist. Über die gesamte Anordnung wird, wie üblich und nicht näher gezeigt, eine Gehäuseabdeckung als Schutzeinrichtung montiert.
Zur Vervollständigung wird ferner noch darauf hingewiesen, dass - wie sich insbesondere aus der Darstellung gemäß Figur 5a aber auch in der Querschnittsdarstellung gemäß Figur 6 ergibt, auf dem zuoberst liegenden Speisepatch 7a parallel zu dem zugehörigen Mittenschlitz 13a ein im Querschnitt rechtwinkelige elektrisch leitender Bügel 37 vorgesehen ist, dessen Parallelsteg 37a, der parallel zur Reflektorebene angeordnet ist, den Mittenschlitz 13a parallel zu diesem verlaufen im Abstand überdeckt und dessen ihn tragende Vertikalschenkel 37b parallel zum Mittenschlitz 13a an einer Randseite dazu auf dem zugehörigen Speisepatch 7a verankert und mechanisch kontaktiert ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Patch-Antenne für den Betrieb in zumindest zwei Fre- quenzbereichen, mit den folgenden Merkmalen:
- mit einem Reflektor (1),
- auf dem Reflektor (1) aufbauend und/oder vor dem Reflektor (1) angeordnet sind zumindest zwei Patchstrahleranordnungen (5, 7) vorgesehen, nämlich eine Patch- Strahleranordnung (5) für einen niedrigeren Frequenzbereich und eine Patchstrahleranordnung (7) für einen höheren Frequenzbereich, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale:
- die Patchstrahleranordnungen (5, 7) für den niedrigeren sowie für den höheren Frequenzbereich umfassen jeweils zumindest ein aktives Speisepatch (5a, 7a) mit einer zugehörigen Schlitzstruktur (11, 13) und ein darüber angeordnetes, kapazitiv gekoppeltes passives Deckpatch (5b, 7b), - die Patchstrahleranordnungen (5, 7) für den niedrigeren wie den höheren Frequenzbereich stehen auf einer Grundplatte,
- das oberste Deckpatch (5b) der unteren Patchstrahleranordnung (5) für den niedrigeren Frequenzbereich bildet dabei gleichzeitig die Grundplatte für eine darauf aufbauende Patchstrahleranordnung (7) für den höheren Frequenzbereich,
- in zumindest einem Speisepatch (5a, 7a) ist eine Schlitzanordnung ausgebildet, die eine H-förmige
Schlitzstruktur (11,13) umfasst, und
- die zumindest beiden Schlitzstrukturen (11, 13) in dem jeweiligen Speisepatch (5a, 7a) werden jeweils über eine zugeordnete Speisekabelanordnung (15a, 15b) ge- speist.
2. Patch-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Speisekabel (15a, 15b) zumindest näherungsweise in Verlängerung eines Mittenschlitzes (11a, 13a) vom Rand des Speisepatches (5a, 7a) kommend auf den jeweiligen Mittenschlitz (11a, 13a) zuläuft und dann um den jeweiligen Endabschnitt des näherliegenden der beiden Parallelschlitze (11b, 13b) herum zum zugehörigen Mittenschlitz (11a, 13a) verlegt ist.
3. Patch-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspeisung des jeweiligen Speisepatches (5a, 7a) vorzugsweise zumindest annähernd mittig bzw. symmetrisch erfolgt.
4. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisekabel (15a, 15b) von dem betreffenden Speisepatch (5a, 7a) kommend zumindest näherungsweise mittig über den Rand des jeweiligen Speise- patches (5a, 7a) herunter auf den Reflektor (1) geführt sind.
5. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Speisepatch (5a,
7a) ; vorzugsweise an dem Speisepatch (7a) für den höchsten
Frequenzbereich; parallel zu dem Mittenschlitz (13a) ein im Querschnitt rechtwinkeliger leitender Bügel (37) vor- gesehen ist, dessen Parallelsteg (37a) den Mittenschlitz
(13a) parallel zu diesem verlaufend im Abstand überdeckt und dessen ihn tragender Vertikalschenkel (37b) parallel zum Mittenschlitz (13a) an einer Randseite dazu auf den zugehörigen Speisepatch (7a) mechanisch verankert und elektrisch kontaktiert ist.
6. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zuoberst liegende Deckpatch (7b) rahmenförmig unter Ausbildung einer Mittenöffnung (27) gebildet ist, vorzugsweise unter Ausbildung eines recht- eckförmigen Rahmens (28) .
7. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckpatch (5b) einer Patchstrah- leranordnung (5) für einen unteren Frequenzbereich, welcher gleichzeitig die Grundplatte für eine Patchstrahleranordnung für einen demgegenüber höheren Frequenzbereich darstellt, im mittleren Bereich eine Ausnehmung aufweist, in welcher vorzugsweise das Speisepatch (7a) der für den höheren Frequenzbereich vorgesehen Patchstrahleranordnung (7) integriert zu liegen kommt.
8. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckpatch (5b) einer Patchstrah- leranordnung (5) für einen unteren Frequenzbereich, welcher gleichzeitig die Grundplatte für eine Patchstrahleranordnung für einen demgegenüber höheren Frequenzbereich darstellt, im mittleren Bereich eine wannenförmige Vertie- fung aufweist, in welcher vorzugsweise das Speisepatch (7a) der für den höheren Frequenzbereich vorgesehen Patchstrahleranordnung (7) integriert zu liegen kommt.
9. Patch-Antenne nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisepatch (7a) der für den höheren Frequenzbereich vorgesehenen Patchstrahleranordnung (7) auf gleicher Höhe wie das Deckpatch (5b) für den unteren Frequenzbereich angeordnet ist.
10. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzverhältnis der Patchstrahleranordnung (5, 7) für den Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen etwa 1:2 beträgt.
11. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer verbesserten Entkopplung der auf verschiedene Frequenzbereiche abgestimmten Patchstrahleranordnung (5, 7) Stichleitungen (215a, 215b) vorgesehen sind, die in einer Teillänge zur jeweiligen Speiseleitung (15a, 15b) parallel zu dieser vorgesehen bzw. angeschlossen sind.
12. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da- durch gekennzeichnet, dass zumindest eine oder mehrere oder alle Patchstrahleranordnungen (5, 7) mehr als zwei Patches je Frequenzbereich aufweisen.
13. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da- durch gekennzeichnet, dass zum Halten der Patches (5a, 5b,
7a, 7b) Stützen oder Distanzhalter aus nicht leitendem und/oder dielektrischem Material vorgesehen sind.
14. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalter, Stützen oder Halteelemente (21, 22, 23, 24) der Patches bezogen auf deren Längs- oder Querseite mittig angeordnet und leitend ausgebildet sind.
15. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisekabel (15a, 15b) für die Patches mittels Duplexfilter zu einem resultierenden Eingang verschaltet sind.
16. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Strahleranordnung zu einem Array zusammengefasst sind, wobei jeweils mittig zwischen zwei Patchstrahlern weitere Strahlerelemente für den oberen Frequenzbereich angeordnet und/oder verschaltet sind.
17. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da- durch gekennzeichnet, dass die Speisekabel (15a, 15b) zumindest in ihrem Endbereich mit parallel verlegten Stichleitungen (215a, 215b) versehen sind, deren Innenleiter (215a, 215b) den Mittenschlitz (11a, 13a) überbrücken und auf der gegenüberliegenden Seite zu ihrem Außenleiter (215a, 215b) mit dem Patch kontaktiert sind.
18. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte der zuunterst angeordneten Strahleranordnung (5) für den tiefsten über- tragenen Frequenzbereich durch den Reflektor (1) gebildet ist.
19. Patch-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da- durch gekennzeichnet, dass die Grundplatte der zuunterst angeordneten Strahleranordnung (5) für den tiefsten übertragenen Frequenzbereich vor dem Reflektor (1) angeordnet ist .
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