EP1842262B1 - Aperture-coupled antenna - Google Patents

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EP1842262B1
EP1842262B1 EP06706706A EP06706706A EP1842262B1 EP 1842262 B1 EP1842262 B1 EP 1842262B1 EP 06706706 A EP06706706 A EP 06706706A EP 06706706 A EP06706706 A EP 06706706A EP 1842262 B1 EP1842262 B1 EP 1842262B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
slot
radiation electrode
aperture
layer
antenna
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP06706706A
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German (de)
French (fr)
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EP1842262A1 (en
Inventor
Alexander Popugaev
Rainer Wansch
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1842262A1 publication Critical patent/EP1842262A1/en
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Publication of EP1842262B1 publication Critical patent/EP1842262B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/378Combination of fed elements with parasitic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0428Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave

Definitions

  • the present invention generally relates to an aperture-coupled antenna, more particularly to an aperture-coupled circularly polarized planar antenna.
  • a multi-element antenna For receiving a plurality of frequency bands, a multi-element antenna may be used which has its own radiator for each frequency range.
  • Most known antenna concepts that are suitable for receiving two or more frequency bands such as As integrated inverted-F antennas (inverted-F antennas, IFA) and planar inverted-F antennas (planar inverted-F antennas, PIFA) have only a linear polarization.
  • IFA integrated inverted-F antennas
  • PIFA planar inverted-F antennas
  • aperture-coupled microstrip antennas An overview of aperture-coupled microstrip antennas can be found in the article " A review of aperture coupled microstrip antennas: history, operation, developement and applications ", by DM Pozar, published in May 1996 at the University of Massachusetts at Amherst and available on the Internet at www.ecs.umass.edu/ece/pozar/aperture.pdf . Further information on broadband patch antennas can also be found in the book “Broadband Patch Antennas” by J.-F. Zuercher, which was published in 1995 by Artech-House Verlag.
  • the present invention provides an aperture-coupled antenna having a first radiation electrode, a ground plane, and a waveguide configured to energize the antenna.
  • the waveguide is spaced from the ground plane on a first side of the ground plane and the radiation electrode is, spaced from the ground plane, disposed on a second side of the ground plane.
  • the ground plane has an aperture comprising a first slot in the ground plane, a second slot in the ground plane, and a third slot in the ground plane, wherein the first slot and the second slot together form a slot of the shape of a cross, and wherein the third slot extends through an intersection of the first slot and the second slot.
  • the geometrical shape of the radiation electrode is designed to allow radiation of a circularly polarized electromagnetic wave.
  • the radiation electrode preferably has a faulty geometry.
  • the radiation electrode can be almost square with slightly different dimensions or edge lengths.
  • the radiation electrode may be rectangular or almost square, wherein at least one corner is chamfered.
  • the radiation electrode may also have slots designed to allow the radiation of a circularly polarized wave.
  • any other geometry of the radiation electrode is possible as long as it allows a circular polarization.
  • the waveguide and the radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide can be coupled via the aperture to the radiation electrode.
  • an aperture-coupled antenna having particularly advantageous properties by coupling energy from a waveguide through an aperture to a radiation electrode, the aperture having a combination of three slits.
  • a circularity of a radiated electromagnetic wave can be improved (ie, a suppression of an undesired orthogonal polarization in the emission of a circularly polarized wave can be improved) by two of the slits forming the aperture together form a slit of the shape of a cross.
  • the radiation electrode is in this case designed so that it allows the emission of a circularly polarized wave.
  • the radiation electrode may have a rectangular or square shape, wherein at least one of the corners is chamfered.
  • An almost square radiation electrode with slightly different dimensions or edge lengths can also be used.
  • the radiation electrode may have one or more slots, which are preferably arranged in the middle of the radiation electrode.
  • any type of radiation electrode is suitable, which allows the emission of a circularly polarized wave.
  • the impedance bandwidth of the antenna according to the invention may be increased by providing a third slot passing through an intersection in which the first and second slots form the center of a cross in which the first and second slots intersect ,
  • Impedance bandwidth here is to be understood as a bandwidth within which the adaptation of the antenna is so good that a predefined standing wave ratio (SWR) is not exceeded.
  • the advantage of the present invention is thus that a planar antenna is provided which has a circular polarization, provides a good suppression of orthogonal polarization and at the same time has a large impedance bandwidth. Furthermore, the antenna according to the invention can be constructed in a completely planar manner, which results in a design that is smaller in comparison with conventional antennas and lower costs.
  • the structure of the antenna can be made by conventional techniques, wherein only electrically conductive layers forming a radiation electrode and a ground plane have to be produced. These conductive structures may, for example, be arranged on dielectric carrier materials, wherein a structuring of metallizations by means of conventional etching technologies is offered.
  • the supply of energy to the antenna can be done with any waveguide structure capable of coupling electromagnetic energy through the aperture to the radiation electrode.
  • a very flexible power supply of the antenna according to the invention is possible.
  • Another advantage of an antenna structure according to the invention is that dual-band and multi-band concepts are implemented where a circularly polarized electromagnetic wave can be generated in multiple frequency bands, and the overall size does not exceed the size of the antenna structure needed for the lowest operating frequency. This is made possible by the fact that the electromagnetic energy from the back of the antenna is coupled via an aperture.
  • the size of the radiation electrode is determined by the operating frequency. Feed structures and other active and passive elements (eg, amplifiers, phase shifters or mixers) can be placed behind the aperture-coupled antenna and do not increase the area requirement of the overall arrangement.
  • the antenna structure according to the invention makes it possible to minimize losses by using dielectric materials only to a limited extent. It is sufficient to mechanically support the radiation electrode, the ground plane and optionally the waveguide with dielectric support materials. Furthermore, in the case of an antenna structure according to the invention, there are no very long and narrow conductor structures, as are usual, for example, in spiral antennas. This also reduces the losses of an antenna according to the invention.
  • the radiation electrode is preferably a planar structure, as is customary in aperture-coupled antennas.
  • a radiation electrode is typically referred to in the relevant literature as a "patch".
  • the overall structure of the aperture-coupled antenna according to the invention thus represents a special case of a patch antenna.
  • the ground plane is preferably parallel or approximately parallel to the radiation electrode, wherein a deviation from a parallelism up to about 20 degrees may occur.
  • a Aperture-coupled antenna is preferably constructed as a planar antenna, wherein both the radiation electrode and the ground plane are flat.
  • the waveguide is preferably flat. However, a curvature of the radiation electrode and the ground plane is possible.
  • the third slot is longer than the first slot and also longer than the second slot. This is particularly advantageous because the bandwidth of the antenna can be increased by a third slot that is longer than the first and second slots. This is understandable, since the third slot can then particularly effectively improve the bandwidth of the antenna if it influences the electromagnetic field distribution as much as possible without causing a deterioration in the separation of mutually orthogonal polarizations.
  • first slot and the second slot are orthogonal to each other and together form a slot of the shape of a right-angled cross with equal length arms.
  • the lengths of the two slots are the same, and the slots are arranged so that they intersect orthogonally in the middle.
  • An orthogonal arrangement of the first and second slot is particularly advantageous, since an optimal excitation of a circular polarization can be achieved thereby.
  • An orthogonal arrangement of the slots thus results in that only one right-handed or one left-handed circularly polarized wave is excited by the first and the second slot.
  • the acute angle between the first and the second slot can be varied between 70 ° and 90 °.
  • an optimization of the antenna structure in the presence of the third slot is possible.
  • the center of the third slot coincides with a center of the cross-shaped slot formed by the first and second slots.
  • the first, second and third slots intersect in a common space area. There is thus only one area in the center of the aperture in which the three slots intersect.
  • the three slots thus form the shape of a star.
  • the third slot is arranged symmetrically, in the sense that the length of the third slot on both sides of the intersection with the first and the second slot is the same. This prevents asymmetries in the emission of the antenna according to the invention from arising.
  • a highly symmetrical arrangement is preferred in which a geometric center of the first slot, a geometric center of the second slot and a geometric center of the third slot coincide, and wherein the aperture is axisymmetric with respect to an axis of the third slot.
  • the axis of the third slot is defined along a largest dimension of the third slot.
  • the axis is defined as a centerline of the rectangle that is parallel to the two longer edges of the rectangle.
  • the third slot is orthogonal to the feed line. This arrangement leads to a further increase in the symmetry, which in turn can improve the radiation properties and the polarization purity.
  • the first slot and the second slot are configured such that the first slot and the second slot are not resonated in an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed.
  • This can be achieved for example by a suitable choice of the length of the first and the second slot.
  • they are preferably designed shorter than a predetermined length, wherein the predetermined length is of the order of a half free-space wavelength at an operating frequency.
  • the first slot and the second slot essentially serve to enable the excitation of the radiation electrode in such a way that a radiated wave has a circular polarization. Therefore, it is not desirable for the first and second slots to be operated close to resonance.
  • a resonance that would occur in the first and second slots would involve steep changes in phase, which would greatly change the polarization over the frequency.
  • a resonance of the first and the second slot also causes a strong radiation to the rear, d. H. from the ground plane in the direction in which the feed line is located takes place. This should be avoided.
  • the third slot is designed such that an operating frequency for which the aperture-coupled antenna is designed deviates by at most 30% from a resonance frequency of the third slot. It is therefore required that the resonance frequency of the slot differs at most by 30% from a permissible operating frequency. Thus, at least one operating frequency for which the antenna is designed, the third slot is operated near the resonance. But just a resonance-like behavior of the third slot leads to the fact that the impedance bandwidth of the invention Antenna improved. Namely, when the third slot is resonated, a large amount of electromagnetic energy is stored in the space surrounding the third slot, thereby creating an energy reservoir by which reactive impedance components of the input impedance of the antenna of the present invention can be compensated. Therefore, operation of the third slot in the vicinity of its resonance provides improved impedance matching of the entire aperture-coupled antenna structure of the present invention.
  • the third slot is configured so that a resonant frequency of the third slot is within an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed.
  • a maximum improvement of the bandwidth of the antenna according to the invention can be achieved.
  • the area around the third slot stores maximum electromagnetic energy and thus can maximize the impedance impact.
  • the waveguide through which the antenna is fed is a microstrip line, a coplanar waveguide, a stripline, a dielectric waveguide or a cavity waveguide.
  • a microstrip line is particularly advantageous, since this is easy to implement and can be combined well with active circuits.
  • a coplanar waveguide offers the advantage that no connection (vias) is necessary for coupling to a reference potential.
  • a stripline that is completely embedded in a dielectric offers a particularly advantageous dispersion behavior. The use of a dielectric waveguide is recommended, for example, at very high frequencies, as in a dielectric waveguide metallic losses are avoided.
  • a cavity waveguide can also serve as a low-loss feed line.
  • the aperture and the radiation electrode are designed so that the aperture-coupled antenna, apart from parasitic effects, radiates a circularly polarized electromagnetic wave.
  • the design of the radiation electrode it is preferred to use a rectangular patch. A particularly good circular radiation results when the patch is almost square, ie the lengths of the longer and shorter sides differ by a maximum of 20%.
  • the purity of the polarization can be influenced by changing the geometrical details of the slit aperture while maintaining the principal shape of the aperture, which has three slits.
  • the antenna according to the invention further comprises a second planar radiation electrode and a third planar radiation electrode.
  • the second planar radiation electrode is arranged substantially parallel to the first radiation electrode, wherein the first radiation electrode is located between the second radiation electrode and the ground plane.
  • a substantially parallel arrangement here means that a maximum tilt between the second planar radiation electrode and the first radiation electrode does not exceed 20 degrees.
  • the geometric arrangement is such that in a sequence from bottom to top first the waveguide, then the ground plane, then the first radiation electrode and then the second radiation electrode are arranged. The first radiation electrode thus lies in the order of the layers between the second radiation electrode and the ground surface.
  • the term "between" is not a restriction for planar electrodes, the spatial arrangement is to be understood such that a plane in which the first radiation electrode lies lies between a plane in which the second radiation electrode lies and a plane in which the ground surface lies. is arranged. If the electrodes are not completely flat, the corresponding definition should be applied mutatis mutandis, where instead of the planes sufficiently smooth surfaces occur, in which the respective electrodes are located.
  • the third radiation electrode is arranged such that in a projection along an axis normal to the second radiation electrode, the third radiation electrode encloses the second radiation electrode.
  • a corresponding definition is analogously applicable to cases in which the second and the third radiation electrode are not completely flat but have a slight curvature. It should be defined here that in a plan view, in which the viewing direction corresponds to a mean surface normal of the second radiation electrode, the third radiation electrode encloses the second radiation electrode.
  • Such an arrangement which thus has a first radiation electrode and a second and a third radiation electrode, is suitable for enabling a multi-band operation of the antenna according to the invention. At very high frequencies, the first radiation electrode acts as an essential radiating element.
  • the third radiation electrode encloses the second radiation electrode, there is a slot or gap between the two, through which a radiation can take place starting from the first radiation electrode.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode together are typically larger than the first radiation electrode and lie in the direction of the main radiation in front of the first radiation electrode. Therefore, it is by a The arrangement according to the invention, in which a second radiation electrode and a third radiation electrode are separated, allows the first radiation electrode to still radiate effectively, despite the presence of a second or third radiation electrode.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode lie in one plane, wherein in turn the third radiation electrode encloses the second radiation electrode.
  • This arrangement enables a particularly advantageous joint production of the second and the third radiation electrode, which can be carried, for example, by a common substrate.
  • the second and the third radiation electrode can strongly interact with each other, thereby effectively forming a radiation electrode having approximately the size of the third radiation electrode.
  • the inventive antenna is designed so that an impedance matching is achieved with a VSWR of less than 2 in at least two frequency bands.
  • a dual band operation or multi-band operation of the antenna according to the invention is possible, with a good adaptation is achieved.
  • a good adaptation enables an effective coupling of energy into the antenna.
  • the antenna according to the invention can preferably be constructed in several layers.
  • the antenna according to the invention comprises a first dielectric layer, a first low-dielectric constant layer, and a second dielectric layer.
  • the first dielectric layer carries on its first surface the waveguide and on its second surface the ground plane.
  • the second dielectric layer carries on one side the first radiation electrode.
  • the low-dielectric-constant layer is disposed between the first dielectric layer and the second dielectric layer.
  • the dielectric constant of the first low-dielectric-constant layer is lower than the dielectric constant of the first dielectric layer and lower than the dielectric constant of the second dielectric layer.
  • a multi-band structure may preferably be achieved by further introducing a second low-dielectric-constant layer and a third dielectric layer.
  • the third dielectric layer in this case carries the second radiation electrode and the third radiation electrode.
  • the second low-dielectric-constant layer is disposed between the second dielectric layer and the third dielectric layer.
  • the dielectric constant of the second low-dielectric-constant layer is lower than the dielectric constant of the first, second and third dielectric layers.
  • a particularly simple and inexpensive production can be achieved by the first, second and third dielectric layer of FR4 material (conventional printed circuit board material) are produced.
  • the low-dielectric-constant layer may preferably be formed by air. It has been found that an antenna according to the invention can be produced very inexpensively with a corresponding design, wherein the radiation properties are not influenced in a negative manner despite the inexpensive materials used.
  • Fig. 1 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a first embodiment of the present invention.
  • the antenna structure is designated 100 in its entirety.
  • the antenna structure 100 includes a ground plane 110 having an aperture 120.
  • the antenna structure according to the invention comprises a radiation electrode 130, which is arranged above the ground surface 110.
  • a feed line 140 shown here as a conductive strip, is disposed below the ground plane 110.
  • the aperture 120 includes a first slot 150, a second slot 152 and a third slot 154.
  • the first, second and third slots 150, 152, 154 each have a rectangular shape and constitute an opening of the ground plane 110.
  • the first slot 150 and the second slot 152 are arranged so as to form a cross.
  • the lengths of the first slot 150 and the second slot 152 are the same in the embodiment shown.
  • the third slot 154 is longer than the first slot 150 and the second slot 152, and intersects the first and second slots 150, 152 in the area where the first and second slots 150, 152 also intersect, that is in the area Center of the cross formed by the first and the second slot.
  • the third slot 154 is perpendicular to the feed line 140 in a plan view, along a direction indicated by an arrow 170.
  • the aperture 120 also has a high symmetry.
  • the geometric center of the first, second and third slot 150, 152, 154 coincide, apart from manufacturing tolerances together.
  • the aperture 120 is arranged with respect to the feed line 140 such that in a plan view the feed line 140 passes through the area where the first, second and third slots 150, 152, 154 intersect.
  • the radiation electrode 130 is a planar conductive electrode, which may also be referred to as a patch. It is arranged above the aperture 120 in the embodiment shown.
  • the radiation electrode 130 shown is substantially rectangular.
  • the radiation electrode 130 is designed to allow the radiation of a circularly polarized electromagnetic wave. In the embodiment shown, the radiation electrode is nearly square. However, it is also possible to use a rectangular radiation electrode in which at least one corner is beveled or cut off. Also, a radiation electrode having a slit in the center which allows circular polarization can be used. Finally, other geometries can be used as long as it is ensured that they allow a circular polarization.
  • the radiation electrode 130 is arranged so that the aperture 120 is symmetrically located below the radiation electrode 130 in a plan view along a direction indicated by the arrow 170.
  • the waveguide and the radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide can be coupled via the aperture to the radiation electrode (patch).
  • the aperture 120 forms a resonant cross aperture according to the invention.
  • the first slot 150 and the second slot 152 form a slot of the shape of a cross.
  • the slots are sized so that no resonance of the cross-shaped slot occurs in an operating frequency range of the antenna.
  • the cross-shaped configuration of the first and second slots 150, 152 of the aperture 120 assists in exciting a suitable mixed mode of vibration which enables such circular polarization of the radiated waves.
  • the third slot 154 is operated in the vicinity of its resonance, so that it contributes to improving the adaptation of the antenna according to the invention.
  • the third slot 154 is typically longer than the first and second slots 150, 152, which drives the slot 154 closer to resonance than the first and second slots. It is further noted that it is surprising that the third slot 154 does not interfere with the circular polarization of the radiated electromagnetic wave as would be expected according to conventional theories.
  • the geometry shown can be varied in a wide range without departing from the spirit of the present invention.
  • lengths of the three slots 150, 152, 154 that form the aperture 120 may be changed.
  • the length of the third slot 154 may be increased or decreased.
  • angle between the slots and between a slot and the feed line changes can be made. Twisting the slots by up to 20 degrees is possible to allow fine tuning of the antenna structure.
  • the angle between the first slot and the second slot may deviate from a right angle by up to 20 degrees. The same applies to the angle between the third slot and the feed line.
  • the radiation electrode 130 can be changed in a wide range. This can for example be rectangular or almost rectangular. It is preferable to use a radiation electrode which is almost square, with the dimensions or edge lengths slightly different. Such a radiation electrode allows the radiation of a circularly polarized electromagnetic wave. Likewise, it is preferably possible to use a radiation electrode having a nearly rectangular or square shape, wherein at least one corner is chamfered. It is further preferred in this case for symmetry reasons, to skew two opposite corners. Finally, a radiation electrode can be used which has a slot in the middle, wherein the slot is designed so that a circularly polarized wave can be radiated. Common extensions are possible, for example, the coupling of additional metallic elements to the radiation electrode 130.
  • parasitic elements for example, capacitive, inductive or resistive nature, can be coupled to the radiation electrode 130. This can be forced to form a desired mode. In addition, the bandwidth of the antenna can be further improved by parasitic elements. Finally, it is possible to cut corners of the radiation electrode 130 or beveled. This results in a coupling of different vibration modes that may exist between the radiation electrode 130 and the ground plane 110. As a result, a proper phase relationship is established between the various modes so that right-handed or left-handed circular polarization can be set. Moreover, the radiation electrode can also be changed in another form, for example by adding slots into the radiation electrode, suppress the unwanted modes or provide a suitable phase relationship between the desired modes.
  • the feeding of the antenna structure shown can be done in various ways.
  • the metallic stripline 140 shown here may be replaced by various waveguides.
  • these waveguides may be a microstrip line.
  • a coplanar waveguide can also be used.
  • the supply of electrical energy can be effected by a stripline, a dielectric waveguide or a cavity waveguide.
  • Fig. 1 only represents a schematic representation of the basic structure of an antenna according to the invention. Features that are not essential to the antenna are not shown here. It is therefore to be noted that the illustrated metallic structures, in particular the ground plane 110, the radiation electrode 130 and the stripline 140 are typically supported by dielectric materials. Namely, it is possible to incorporate into the illustrated antenna structure 100 almost arbitrarily layers or structures of dielectric materials. Such structures may be, for example, layers that run parallel to the ground plane 110.
  • the conductive structures may be deposited on these dielectric layers and patterned by a suitable method, such as an etching process. All that is required here is that the dielectric constant of a dielectric layer is not too large, since this increases the losses occurring in the antenna structure and worsens the radiation. Furthermore, care must be taken when introducing dielectric structures that no surface waves are excited, since these also significantly impair the radiation efficiency of an antenna structure.
  • a dielectric layer may be present between ground plane 110 and stripline 140 to form a microstrip line.
  • a microstrip line is particularly advantageous for the coupling of an antenna structure according to the invention.
  • a microstrip line can also be combined particularly well with active and passive circuit structures.
  • the radiation electrode 130 may be supported by a spacer made of a dielectric material. Such a design improves the mechanical stability of the antenna according to the invention and enables a cost-effective production.
  • Air layers reduce the electrical losses and may possibly reduce the excitation of surface waves.
  • Fig. 2 shows an oblique view of a radiator geometry according to the invention according to a second embodiment of the present invention.
  • the radiator geometry is designated in its entirety by 200. It should be noted that in the Fig. 1 and 2 as well as in the other figures, like reference numerals designate like devices. Shown here is a ground plane 110 having an aperture 120. Details of the aperture are not shown for reasons of clarity, but the aperture corresponds to the basis of the Fig. 1 shown and described.
  • the radiator geometry 200 according to the invention comprises a first radiation electrode 130.
  • the aperture 120 represents an opening in the ground plane 110 which lies below the first radiation electrode 130 in a plan view along a direction which is indicated by the arrow 210. Above the first radiation electrode is a second radiation electrode 220.
  • the third radiation electrode 230 wherein a gap 240 exists between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • the second radiation electrode 220 is connected to the third radiation electrode 230 via four conductive bars 250, 252, 254, 256. In the embodiment shown, these webs are arranged approximately in the middle of the edges of the second radiation electrode 220.
  • the second radiation electrode 220 is thus arranged such that the first radiation electrode 130 lies between the second radiation electrode 220 and the ground surface 110.
  • the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 lie in a common plane.
  • the dimensions of the second radiation electrode 220 deviate only slightly from the dimensions of the first radiation electrode 130. Preferably, the deviation is less than 20%.
  • a radiator geometry enables the construction of circularly polarized dual or multi-band antennas.
  • the individual layers can be carried by different boards.
  • a first board made of a dielectric material may carry the ground plane 110, while a second board carries the first radiation electrode 130 and a third board carries the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • the boards are not shown here for the sake of clarity but can be arranged so that the respective radiation electrodes are supported by any surface of the board.
  • a microstrip line from which power is transmitted via the aperture 120 in the ground plane only to a smaller patch, which is formed by the first radiation electrode 130 become.
  • the smaller patch formed by the first radiation electrode 130 is designed for the upper frequency band of two frequency bands.
  • the power coupled through the aperture may subsequently be overcoupled to a larger patch designed for the lower of two frequency bands.
  • the larger patch effectively consists of two patches, which in the embodiment shown are formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • the larger patch can be interpreted as two nested patches with a short key.
  • the inner minor patch formed by the second radiation electrode 220 is approximately the same size as the lower minor patch formed by the first radiation electrode 130.
  • Conductive connecting webs 250, 252, 254, 256 connect the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • the connecting webs 250, 252, 254, 256 act on the second radiation electrode and the third radiation electrode depending on their position as a capacitive or inductive load or coupling whereby exerting an influence on the resonant frequency of the upper radiator formed by the second radiating electrode 220 and the third radiating electrode 230.
  • a change in the position of a connecting web 250, 252, 254, 256 (with respect to the second and third radiation electrodes 220, 230 and with respect to the remaining connecting webs) can thus be used for a fine tuning of the antenna structure.
  • connecting webs 250, 252, 254, 256 it is possible to move the connecting webs 250, 252, 254, 256 away from the center of the edges of the second radiation electrode 220 toward the corners of the second radiation electrode 220.
  • the connecting webs 250, 252, 254, 256 it has been found advantageous to move the connecting webs 250, 252, 254, 256 towards these chamfered corners.
  • the connecting webs need not be arranged in a strictly symmetrical manner. Rather, it is appropriate the connecting webs 250, 252, 254, 256 to be arranged slightly offset at opposite edges of the second radiation electrode, so that a connecting line between two opposite connecting webs 250, 252, 254, 256 is not parallel to an edge of the second radiation electrode.
  • the structure according to the invention thus effectively comprises two radiation-capable structures, namely a so-called lower patch, which is formed by the first radiation electrode 130, and which is effective in particular at higher frequencies, and an upper, larger patch, which by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 is formed.
  • the distance between the small patch formed by the first radiation electrode 130 and the ground surface is smaller than the distance between the second larger patch formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 and the ground plane 110.
  • a structure according to the invention offers significant advantages over known structures, whereby a circularly polarized radiation in two frequency bands can be achieved without substantially influencing the purity of the polarization or by exciting surface waves to a greater extent.
  • the two antenna structures which are contained in a geometry according to the invention, have different effective substrate thicknesses for different frequency ranges.
  • the upper major patch formed by second radiation electrode 220 and third radiation electrode 230 is effective.
  • the effective substrate thickness is equal to the distance of the second and third radiation electrodes from the ground plane 110. This distance is denoted by D here.
  • the lower small patch formed by the first radiation electrode 130 is effective.
  • the effective substrate thickness is equal to the distance between the first radiation electrode 130 and the ground plane 110, which is designated here by d.
  • the effective substrate thickness for low frequencies is greater than the effective substrate thickness for high frequencies, denoted by d.
  • the geometry according to the invention satisfies the requirement that the antenna for the upper frequency band (formed by the first radiation electrode 130) must be closer to the ground plane 110 and to the aperture 120 than the antenna for the lower frequency band (formed by the second Radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230). That is, if the larger patch down (ie near the aperture) and the smaller patch at the top (away from the aperture) would result in poor polarization characteristics in the upper frequency range because the aperture would be shielded by the larger patch. In such a case, an effective coupling of the small patch over the aperture would no longer be possible. Similarly, a smaller patch that would be separated from the aperture by a larger patch could not radiate a circularly polarized wave with a small amount of orthogonal polarization.
  • the geometry according to the invention in which the larger patch is composed of two parts, namely the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230, avoids that the radiation of the lower patch lying below is too much shielded by the larger patch lying on top , Namely, if the antenna for the upper frequency band is closer to the ground plane 110 than the antenna for the lower frequency band, the strong shielding of the small radiator with the large one is to be avoided.
  • Reduced shielding of the radiation of the lower patch 130 by the overhead patch 220, 230 is achieved by the gap 140 between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • the radiator geometry 200 according to the invention can also be substantially changed.
  • all the previously described changes can be applied to the individual radiation electrodes 130, 220, 230.
  • several modes required for circular emission can be coupled, while undesired modes can be suppressed.
  • Fig. 3 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a third embodiment of the present invention.
  • the antenna structure is designated in its entirety by 300. It essentially corresponds to the basis of Fig. 1 shown antenna structure 100, so that the same facilities and geometry features are provided here with the same reference numerals. Unchanged features will not be described separately here. It should be noted, however, that in the antenna arrangement 300, a first corner 310 and a second corner 320 of the first radiation electrode 130 are cut off or bevelled. This geometric change helps to radiate a circularly polarized electromagnetic wave. Furthermore, the antenna arrangement 300 has a stub 330, which is attached to the strip line 140. This stub 330 is for further impedance matching of the present antenna structure. The dimensioning of such a stub for adaptation is well known to a person skilled in the art.
  • the shows Fig. 3 an enclosing box 340 that encloses the entire antenna structure.
  • Such an enclosing cuboid can be used, for example, to limit a simulation area in an electromagnetic simulation of an antenna structure.
  • the Fig. 4 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the antenna structure is designated 400 in its entirety.
  • the antenna structure 400 comprises a feed line 140, a ground plane 110 with an aperture 120 and a first radiation electrode 130, a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 230.
  • the geometry of the first radiation electrode 130 corresponds substantially to the geometry of FIG Fig. 3
  • the first and second radiation electrodes 220, 230 are arranged in much the same way as they are based on Fig. 2 is described. However, in the antenna structure 400, two opposite corners 410, 420 of the second radiation electrode 220 are chamfered.
  • the third radiation electrode 230 in turn encloses the second radiation electrode 220, wherein between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230, a slot or gap 240 is present. It should also be noted that the third radiation electrode 230 is adapted in shape to the second radiation electrode 220. That is, the third radiation electrode 230 is fitted to the chamfered corners 410, 420 of the second radiation electrode 220 such that the gap 240 between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 substantially coincides also in the region of the chamfered corners 410, 420 remains constant width. The inner edges of the third radiation electrode 230 are thus substantially parallel to the outer edges of the second radiation electrode 220.
  • the third radiation electrode 230 has two outer bevelled corners 430, 440 adjacent the chamfered corners 410, 420 of the second radiation electrode 220.
  • each of the first, second, and third radiation electrodes 130, 220, 230 has beveled corners 310, 320, 410, 420, 430, 440, with each of the adjacent corners of the various radiation electrodes being chamfered.
  • the second and third radiation electrodes 220, 230 are coupled via connecting webs 250, 252, 254, 256, wherein the connecting webs 250, 252, 254, 256 approximately in the middle of edges of a rectangle, the second radiation electrode 220, apart from the bevelled Corners, describes, are arranged.
  • the size of the second radiation electrode 220 is equal to the size of the first radiation electrode 130, except for a deviation of at most 20%. Also differ in the shape of the first and second radiation electrodes 130, 220 are not essential. They are therefore almost parallel electrodes of almost the same shape and with almost the same dimensions.
  • the feed line 140 forms the lowermost conductive layer.
  • a ground plane 110 is arranged, which has an aperture 120.
  • the first radiation electrode 130 lies in one plane.
  • the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 are arranged.
  • the respective metallizations, d. H. the feed line 140, the ground plane 110 and the first, second and third radiation electrodes 130, 220, 230 are each supported by dielectric layers.
  • the width of the feed line 140 is changed for adaptation purposes. Remote from the aperture, the feedline 140 has a wide section 450 while the feedline 140 is narrower near the aperture. A narrow feed line is advantageous because it causes a greater concentration of the electric field. This allows a stronger coupling of the radiation electrodes to the feed line through the aperture 120.
  • the change in the width of the feed line also serves to match the impedance, and the adaptation can be influenced by a suitable choice of the length of the thin piece 460.
  • an enclosing rectangle 470 is shown, which delimits a simulation area in which the antenna structure is simulated.
  • the enclosing rectangle also indicates the thickness of the respective layers.
  • Fig. 5 shows a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the third embodiment of the present invention. Shown here is a constructed monoband antenna, the frequency range from 2.40GHz to 2.48GHz.
  • the antenna is designated 500 in its entirety. It has a first plate 510 of a dielectric material and a second plate 520 of a dielectric material. The two plates are separated or fixed by four spacers 530 made of a dielectric material.
  • the first dielectric plate 510 carries a first radiation electrode 130.
  • the second dielectric plate 520 carries on a top surface the ground plane 110 having an aperture 120.
  • the lower side of the dielectric plate 530 carries a feed line through which electrical power is supplied to the antenna from an SMA jack 550.
  • the antenna assembly 500 has a first dimension 570, which can be considered as a width, of 75 mm.
  • Fig. 6 shows a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the antenna structure is designated in its entirety by 600. It comprises a first dielectric layer 610, a second dielectric layer 620 and a third dielectric layer 630.
  • the 3 dielectric layers or plates 610, 620, 630 are held by dielectric spacers 640.
  • the first dielectric plate 610 carries here a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 30.
  • the second dielectric plate carries a first radiation electrode 130.
  • the third dielectric plate 630 carries on one side a ground plane 110 and on the other side a feed line 140.
  • the feed line is incidentally, led out to an SMA socket 650.
  • the entire antenna structure 600 forms a dual band antenna.
  • the antenna 600 has a first dimension 670, which may also be considered as a length. This first dimension is 75 mm. Furthermore, the antenna 600 has a second dimension 672, which can be considered as a width, and which is also 75 mm. A third dimension 674 of the antenna 600 may be considered as a height. This height is 10.5 mm.
  • the dual-band antenna 600 shown is based on the monoband antenna 500, whereby the monoband antenna has been improved into a dual-band antenna.
  • the antenna 600, the in its basic structure of the in Fig. 4 shown antenna 400 is constructed of several layers, which will be explained in more detail below.
  • the lowermost position of the antenna is formed by a structured conductive layer, for example a metallization layer or metal layer, which as a whole forms a microstrip line.
  • This microstrip line is deposited on the underside of a first FR4 type substrate, with the first substrate having a thickness of 0.5 mm.
  • the first substrate corresponds to the third dielectric layer 630.
  • On top of the first substrate is applied a ground plane having a total extension of 75 mm x 75 mm.
  • the ground plane further includes an aperture 120.
  • a layer that is not filled with a dielectric material Above the ground plane is a layer that is not filled with a dielectric material. Accordingly, the antenna thus comprises an air layer having a thickness of 5 mm. Above this layer of air is another conductive layer on which the first radiation electrode is formed as a patch. The further conductive layer is supported by a second dielectric layer of FR4, again having a thickness of 0.5 mm.
  • the second dielectric FR4 layer is the same as in FIG Fig. 6 shown second dielectric layer 620. Above the second dielectric FR4 layer is again a layer in which there is no solid dielectric. This creates a second layer of air whose thickness is 4 mm. Again above it is a third dielectric FR4 layer having a thickness of 0.5 mm.
  • the third FR4 dielectric layer carries another conductive layer on which the second radiation electrode and the third radiation electrode are formed in the form of patches by structuring. Conductive connecting webs between the second radiation electrode and the third radiation electrode have a width of 1 mm.
  • the entire antenna structure thus comprises the following layers in the order shown: microstrip line; FR4 (0.5 mm); Ground area (75 mm x 75 mm, with aperture); Air (5 mm); Patch 1 (first radiation electrode); FR4 (0.5 mm); Air (4 mm); FR4 (0.5 mm) and patch 2 (second radiation electrode and third radiation electrode). All layers and dimensions can vary by up to 30%. However, it is preferred that the deviation from the preferred dimensions is not more than 15%.
  • FIG. 12 is a graph showing the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 500 of an antenna according to the third embodiment of the present invention.
  • the graphical representation is designated in its entirety by 700.
  • the input reflection factor S11 was measured for a patch antenna designed for a frequency range of 2.40 to 2.48 GHz.
  • a photograph of such an antenna 500 is shown in FIG Fig. 5 shown.
  • the abscissa 710 has the frequency of 2.15 GHz to 2.85 GHz.
  • the ordinate 712 shows in logarithm form the amount of the input reflection factor S11.
  • the input reflection factor is plotted in a range of -50 dB to 0 dB.
  • a first curve 720 shows a simulated input reflection factor.
  • a second curve 730 shows the measured value for the input reflection factor.
  • the input reflection factor is below -10 dB in the entire frequency range shown from 2.15 GHz to 2.85 GHz.
  • the simulation also shows a similar broadband characteristic of the antenna.
  • Fig. 8 shows a graphical representation of the polarization decoupling for a prototype 500 of an antenna according to the invention according to the third embodiment of the present invention.
  • the graphical representation is designated in its entirety by 800.
  • abscissa 810 the frequency is plotted in a range of 2.3 GHz to 2.55 GHz.
  • the ordinate 812 shows the polarization decoupling in decibels in a range between 0 and 25 dB.
  • a first curve 820 shows a simulated history of polarization decoupling, while a second curve 830 represents measured values.
  • the cross polarization is suppressed by more than 15.5 dB with a sufficient matching factor.
  • FIG. 12 is a graph showing the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 600 of an antenna according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the graph is designated 900 in its entirety. Shown here are measurement results for the reflection coefficient of a dual-band antenna according to the invention, as described on the basis of FIG Fig. 4 and 6 has been described.
  • the abscissa 910 shows the frequency range between 2 GHz and 6 GHz.
  • the amount of the input reflection factor S11 is plotted in logarithmic form from -40 dB to + 40 dB.
  • a curve 920 shows the variation of the input reflection factor versus frequency.
  • the first marker indicates that the input reflection factor at 2.40 GHz is -13.618 dB.
  • the second marker shows an input reflection factor of -16.147 dB at 2.48 GHz.
  • the third Marker shows an input reflection factor of -9.457 dB at 5.15 GHz, and the fourth marker shows an input reflection factor of -10.011 dB at 5.35 GHz.
  • the fifth marker shows an input reflection factor of -0.748 dB at 4.0008 GHz.
  • the input reflection factor in the ISM band between 2.40 GHz and 2.48 GHz is less than -13 dB
  • the input reflection factor in the ISM band between 5.15 GHz and 5.35 GHz is less than -13 dB -9.4 dB.
  • the radiation characteristics of the dual-band antenna were also measured.
  • the antenna gain of a prototype dual band antenna is between 8.9 dBic and 9.3 dBic.
  • the half-value width is 70 °, and the polarization decoupling is between 11 dB and 22 dB.
  • the antenna gain is between 5.9 dBic and 7.3 dBic.
  • the half width is 35 °, the polarization decoupling between 5 dB and 7 dB.
  • the required matching properties and radiation properties can thus be achieved with a dual-band antenna according to the invention. It should also be noted that the polarization purity for the upper frequency range can still be optimized. For this example, geometric details can be changed.
  • the present invention provides a planar circularly polarized antenna that can be used in the ISM bands from 2.40 GHz to 2.48 GHz and 5.15 GHz to 5.35 GHz.
  • the proposed shape of the slot for an aperture-coupled patch antenna allows the radiation almost purely circular polarized waves at a relatively large bandwidth of the reflection coefficient S11. This is especially possible for multiband antennas.
  • a radio link can be achieved in which the strength of the signal received by an antenna according to the invention in a linear polarization of a transmitter is independent of the installation position of the receiving antenna. In other words, by a circularly polarized antenna, a linearly polarized signal can be received regardless of the orientation of the antenna.
  • the antenna according to the invention was developed in several steps.
  • a first sub-task was to develop an aperture-coupled antenna for a frequency range of 2.40 to 2.48 GHz with right-handed circular polarization (RHCP).
  • RHCP right-handed circular polarization
  • particular care was taken to achieve a strong suppression of the orthogonal polarization within the required bandwidth.
  • RHCP right-handed circular polarization
  • SSFIP principle resonant rectangular aperture
  • SSFIP principle a larger bandwidth, but the polarization decoupling is weaker.
  • an earlier unknown combination of the two slot geometries has proven to be advantageous, which is referred to here as a resonant cross aperture.
  • a corresponding antenna geometry was in the Fig. 1 . 3 and 5 shown.
  • the antenna In the case of two bands, the antenna consists of three boards. Corresponding arrangements are for example in the Fig. 4 and 6 shown. On the bottom On the lower circuit board there is a microstrip line whose power is coupled via an aperture in the ground plane first to a small patch (for the upper frequency band) and then to a larger patch (for the lower frequency band), consisting of two patches.
  • the larger patch can be interpreted as "nested patches with short circuits".
  • the inner smaller patch is preferably the same size as the lower patch.
  • the two antennas must have different substrate thicknesses for different frequency ranges.
  • the antennas must therefore be in different planes. This can be achieved with an antenna geometry according to the invention.
  • a conventional variant with a larger patch at the bottom and a smaller patch at the top has poor polarization properties because the aperture is shielded with the larger patch.
  • the antenna for the upper frequency band must therefore be closer to ground than the antenna for the lower frequency band, which can be achieved with a geometry according to the invention.
  • the antenna for the upper frequency band must therefore be closer to the ground plane than the antenna for the lower frequency band, a strong shielding of the small radiator for the upper frequency band by the large radiator for the lower frequency band is to be avoided. This can be achieved by forming the radiator for the lower frequency band by two radiation electrodes between which there is a gap.
  • the adaptation of an antenna according to the invention can be done by a transformer or by a stub.
  • An antenna according to the invention has a number of advantages over conventional antennas.
  • the feeding of an antenna via a resonant Phillips allows the construction of completely planar relatively small and inexpensive antennas. At the same time, high polarization purity and a large impedance bandwidth can be achieved. It is also possible to construct planar circularly polarized multiband antennas. In this case, the area requirement of the entire antenna is determined only by the size of the antenna element for the lowest frequency.
  • an antenna according to the invention furthermore offers a better prefiltering.

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Abstract

An aperture-coupled antenna has a first radiation electrode, a ground area and a wave guide which is implemented to supply energy to the antenna. The wave guide is arranged spaced apart from the ground area on a first side of the ground area, and the first radiation electrode is arranged spaced apart from the ground area on a second side of the ground area. The ground area has an aperture including a first slot in the ground area, a second slot in the ground area and a third slot in the ground area. The first slot and the second slot together form a slot in the shape of a cross. The third slot passes through an intersection of the first slot and the second slot. The wave guide and the radiation electrode are arranged such that energy can be coupled from the wave guide through the aperture to the patch.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine aperturgekoppelte Antenne, im Speziellen auf eine aperturgekoppelte zirkular polarisierte Planarantenne.The present invention generally relates to an aperture-coupled antenna, more particularly to an aperture-coupled circularly polarized planar antenna.

Zur Zeit werden immer öfter drahtlose Systeme entwickelt, die in mehreren Frequenzbändern funktionieren müssen. Dazu sind häufig kompakte Antennen nötig, um das Bauvolumen der Antennen klein zu halten und einen Einsatz in tragbaren Geräten zu ermöglichen.Currently, more and more wireless systems are being developed that need to work in multiple frequency bands. For this purpose, compact antennas are often necessary to keep the volume of the antennas small and to allow use in portable devices.

Es ist möglich, für jedes zu verwendende Frequenzband eine separate Antenne vorzusehen. Der Nachteil der Verwendung von separaten Antennen besteht jedoch darin, dass dabei ein Multiplexer eingesetzt werden muss. Ferner vergrößert sich beim Einsatz von separaten Antennen die für die Antennen benötigte Fläche.It is possible to provide a separate antenna for each frequency band to be used. The disadvantage of using separate antennas, however, is that a multiplexer must be used. Furthermore, when using separate antennas, the area required for the antennas increases.

Der Empfang von mehreren verschiedenen drahtlosen Übertragungssystemen mit einer einzigen breitbandigen Antenne ist problematisch, da breitbandige Antennen herkömmlicherweise nicht in einer kleinen Bauform bei geringen Kosten herstellbar sind. Wollte man also sämtliche relevanten Systeme mit nur einer einzigen breitbandigen Antenne empfangen, so ist dies mit einer kleinen kostengünstigen Antenne nicht möglich.The reception of a plurality of different wireless transmission systems with a single broadband antenna is problematic, since broadband antennas are conventionally not produced in a small design at low cost. So if you wanted to receive all relevant systems with only a single broadband antenna, so this is not possible with a small low-cost antenna.

Zum Empfangen mehrerer Frequenzbänder kann eine Multielementantenne verwendet werden, die für jeden Frequenzbereich einen eigenen Strahler besitzt. Die meisten bekannten Antennenkonzepte, die für den Empfang von zwei oder mehr Frequenzbändern geeignet sind (Dualbandkonzepte bzw. Multibandkonzepte), wie z. B. integrierte Invertiertes-F-Antennen (inverted-F Antennas, IFA) und planare Invertiertes-F-Antennen (planar inverted-F antennas, PIFA) weisen lediglich eine lineare Polarisation auf. Derartige bekannte Antennenformen sind beispielsweise in dem Buch " Planar Antennas for Wireless Communications" von Kin-Lu Wong (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003 ) beschrieben.For receiving a plurality of frequency bands, a multi-element antenna may be used which has its own radiator for each frequency range. Most known antenna concepts that are suitable for receiving two or more frequency bands (dual band concepts or multiband concepts), such as As integrated inverted-F antennas (inverted-F antennas, IFA) and planar inverted-F antennas (planar inverted-F antennas, PIFA) have only a linear polarization. Such known antenna forms are described, for example, in the book " Planar Antennas for Wireless Communications "by Kin-Lu Wong (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003 ).

Gerade für mobile Anwendungen ist es aber wünschenswert, eine zirkulare Polarisation zu verwenden, da in diesem Fall die Ausrichtung von Sende- und Empfangsantenne unkritisch ist, während bei Verwendung von linearer Polarisation die Orientierung der Antennen geeignet gewählt werden muss.Especially for mobile applications, it is desirable to use a circular polarization, since in this case the alignment of the transmitting and receiving antenna is not critical, while using linear polarization, the orientation of the antennas must be selected appropriately.

Zwar ist eine Reihe von integrierbaren Antennen, die eine zirkulare Polarisation aufweisen, bekannt, jedoch weisen viele der integrierbaren Geometrien für die Erzeugung einer zirkularen Polarisation wesentliche Nachteile auf. So haben beispielsweise fast quadratische Patche (planare leitfähige Flächen) mit Koaxialspeisung eine geringe Impedanzbandbreite, wie beispielsweise in der Diplomarbeit " Untersuchung und Aufbau von Multibandigen Antennen zum Empfang zirkular polarisierter Signale" von U. Wiesman, die im Jahr 2002 am Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen in Erlangen angefertigt wurde, beschrieben ist. Das gleiche gilt auch für aperturgekoppelte Patchantennen mit einem Kreuzschlitz, die in der am Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen in Erlangen von A. Popugaev im Jahr 2004 angefertigten Masterarbeit mit dem Titel "Untersuchung zirkular polarisierter Patchantenne mit Aperturkopplung" beschrieben sind. Insgesamt lässt sich festhalten, dass die Polarisationsreinheit bei bekannten breitbandigen zirkular polarisierten Patchantennen mit nur einem Speisepunkt gering ist. Auf der anderen Seite weisen Spiralantennen große Verluste auf.While a number of integrable antennas having circular polarization are known, many of the integrable geometries for generating circular polarization have significant disadvantages. For example, almost square patches (planar conductive surfaces) with coaxial feed have a low impedance bandwidth, as for example in the thesis " Investigation and construction of multiband antennas for the reception of circularly polarized signals "by U. Wiesman, published in 2002 at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuits in Erlangen. The same applies to aperture-locked patch antennas with a cross-slit, which are described in the master's thesis "Investigation of circularly polarized patch antenna with aperture coupling" produced in 2004 at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuits in Erlangen by A. Popugaev. Overall, it can be said that the polarization purity in known broadband circularly polarized patch antennas with only one feed point is low. On the other hand, spiral antennas have great losses.

Ein Überblick über aperturgekoppelte Mikrostreifenantennen findet sich in dem Artikel " A review of aperture coupled microstrip antennas: history, operation, developement and applications", von D.M. Pozar, der im Mai 1996 an der University of Massachusetts at Amherst veröffentlicht wurde und der im Internet unter www.ecs.umass.edu/ece/pozar/aperture.pdf verfügbar ist. Weitere Informationen zum Thema Breitband-Patchantennen finden sich auch in dem Buch "Broadband Patch Antennas" von J.-F. Zuercher, das im Jahr 1995 im Artech-House Verlag erschienen ist.An overview of aperture-coupled microstrip antennas can be found in the article " A review of aperture coupled microstrip antennas: history, operation, developement and applications ", by DM Pozar, published in May 1996 at the University of Massachusetts at Amherst and available on the Internet at www.ecs.umass.edu/ece/pozar/aperture.pdf . Further information on broadband patch antennas can also be found in the book "Broadband Patch Antennas" by J.-F. Zuercher, which was published in 1995 by Artech-House Verlag.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass sich im Stand der Technik keine technisch vorteilhafte Bauform einer Antenne findet, die bei gutem Strahlungswirkungsgrad und ausreichender Impedanzbandbreite eine Abstrahlung von zirkular polarisierten Wellen mit hoher Unterdrückung einer orthogonalen Polarisation ermöglicht. Ferner ist keine technisch einfach und kostengünstig realisierbare Antennenbauform bekannt, die bei gutem Wirkungsgrad und ausreichender Bandbreite eine Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle in zwei verschiedenen Frequenzbändern ermöglicht.In summary, it can be stated that no technically advantageous design of an antenna is found in the prior art which, with good radiation efficiency and sufficient impedance bandwidth, enables radiation of circularly polarized waves with high suppression of orthogonal polarization. Furthermore, no technically simple and inexpensive realizable antenna design is known, which allows for good efficiency and sufficient bandwidth radiation of a circularly polarized electromagnetic wave in two different frequency bands.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aperturgekoppelte Patchantenne zu schaffen, die die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle ermöglicht, und die sowohl eine gute Unterdrückung einer orthogonalen Polarisation aufweist als auch eine im Vergleich zu herkömmlichen Antennen große Impedanzbandbreite aufweist.It is thus the object of the present invention to provide an aperture-coupled patch antenna which enables the radiation of a circularly polarized electromagnetic wave and which has both a good suppression of orthogonal polarization and a large impedance bandwidth compared to conventional antennas.

Diese Aufgabe wird durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by an antenna according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung schafft eine aperturgekoppelte Antenne mit einer ersten Strahlungselektrode, einer Massefläche und einem Wellenleiter, der ausgelegt ist, um der Antenne Energie zuzuführen. Der Wellenleiter ist beabstandet von der Massefläche auf einer ersten Seite der Massefläche angeordnet, und die Strahlungselektrode ist, beabstandet von der Massefläche, auf einer zweiten Seite der Massefläche angeordnet. Die Massefläche weist eine Apertur auf, die einen ersten Schlitz in der Massefläche, einen zweiten Schlitz in der Massefläche und einen dritten Schlitz in der Massefläche umfasst, wobei der erste Schlitz und der zweite Schlitz zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden, und wobei der dritte Schlitz durch einen Schnittpunkt des ersten Schlitzes und des zweiten Schlitzes verläuft. Die geometrische Form der Strahlungselektrode ist ausgelegt, um eine Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen. Zu diesem Zweck weist die Strahlungselektrode bevorzugt eine gestörte Geometrie auf. Beispielsweise kann die Strahlungselektrode fast quadratisch mit leicht unterschiedlichen Abmessungen bzw. Kantenlängen sein. Ebenso kann die Strahlungselektrode rechteckig bzw. fast quadratisch sein, wobei mindestens eine Ecke abgeschrägt ist. Schließlich kann die Strahlungselektrode auch Schlitze aufweisen, die ausgelegt sind, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle zu ermöglichen. Es ist jedoch auch jede andere Geometrie der Strahlungselektrode möglich, solange diese eine zirkulare Polarisation ermöglicht. Ferner sind bei einer erfindungsgemäßen Antenne der Wellenleiter und die Strahlungselektrode so angeordnet, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der Strahlungselektrode gekoppelt werden kann.The present invention provides an aperture-coupled antenna having a first radiation electrode, a ground plane, and a waveguide configured to energize the antenna. The waveguide is spaced from the ground plane on a first side of the ground plane and the radiation electrode is, spaced from the ground plane, disposed on a second side of the ground plane. The ground plane has an aperture comprising a first slot in the ground plane, a second slot in the ground plane, and a third slot in the ground plane, wherein the first slot and the second slot together form a slot of the shape of a cross, and wherein the third slot extends through an intersection of the first slot and the second slot. The geometrical shape of the radiation electrode is designed to allow radiation of a circularly polarized electromagnetic wave. For this purpose, the radiation electrode preferably has a faulty geometry. For example, the radiation electrode can be almost square with slightly different dimensions or edge lengths. Likewise, the radiation electrode may be rectangular or almost square, wherein at least one corner is chamfered. Finally, the radiation electrode may also have slots designed to allow the radiation of a circularly polarized wave. However, any other geometry of the radiation electrode is possible as long as it allows a circular polarization. Furthermore, in an antenna according to the invention, the waveguide and the radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide can be coupled via the aperture to the radiation electrode.

Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass es möglich ist, eine aperturgekoppelte Antenne mit besonders vorteilhaften Eigenschaften zu schaffen, indem Energie von einem Wellenleiter durch eine Apertur zu einer Strahlungselektrode gekoppelt wird, wobei die Apertur eine Kombination von drei Schlitzen aufweist. Hierbei kann in Verbindung mit einer geeignet ausgelegten Strahlungselektrode eine Zirkularität einer abgestrahlten elektromagnetischen Welle verbessert werden (d.h. eine Unterdrückung einer unerwünschten orthogonalen Polarisation bei der Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle verbessert werden), indem zwei der Schlitze, die die Apertur bilden, zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden. Die Strahlungselektrode ist hierbei so auszulegen, dass sie die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle ermöglich. Beispielsweise kann die Strahlungselektrode eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen, wobei mindestens eine der Ecken abgeschrägt ist. Auch eine fast quadratische Strahlungselektrode mit leicht unterschiedlichen Abmessungen bzw. Kantenlängen kann verwendet werden. Ferner kann die Strahlungselektrode einen oder mehrere Schlitze aufweisen, die bevorzugt in der Mitte der Strahlungselektrode angeordnet sind. Neben den genannten Ausführungsformen ist jedoch jede Art einer Strahlungselektrode verwendbar, die die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle ermöglicht. Zusätzlich kann die Impedanzbandbreite der erfindungsgemäßen Antenne vergrößert werden, indem ein dritter Schlitz vorgesehen wird, der durch einen Schnittpunkt verläuft, in dem der erste und der zweite Schlitz das Zentrum eines Kreuzes bilden, in dem sich der erste und der zweite Schlitz schneiden bzw. überlappen.It is the gist of the present invention that it is possible to provide an aperture-coupled antenna having particularly advantageous properties by coupling energy from a waveguide through an aperture to a radiation electrode, the aperture having a combination of three slits. In this case, in conjunction with a suitably designed radiation electrode, a circularity of a radiated electromagnetic wave can be improved (ie, a suppression of an undesired orthogonal polarization in the emission of a circularly polarized wave can be improved) by two of the slits forming the aperture together form a slit of the shape of a cross. The radiation electrode is in this case designed so that it allows the emission of a circularly polarized wave. For example, the radiation electrode may have a rectangular or square shape, wherein at least one of the corners is chamfered. An almost square radiation electrode with slightly different dimensions or edge lengths can also be used. Furthermore, the radiation electrode may have one or more slots, which are preferably arranged in the middle of the radiation electrode. In addition to the aforementioned embodiments, however, any type of radiation electrode is suitable, which allows the emission of a circularly polarized wave. In addition, the impedance bandwidth of the antenna according to the invention may be increased by providing a third slot passing through an intersection in which the first and second slots form the center of a cross in which the first and second slots intersect ,

Durch die Einführung eines dritten Schlitzes wurde hierbei ein neuer Freiheitsgrad beim Entwurf geschaffen, der es ermöglicht, die Antenne so zu entwerfen, dass eine möglichst große Impedanzbandbreite erreicht werden kann. Unter Impedanzbandbreite ist hierbei eine Bandbreite zu verstehen, innerhalb derer die Anpassung der Antenne so gut ist, dass ein vorgegebenes Stehwellenverhältnis (SWR) nicht überschritten wird.The introduction of a third slot has created a new degree of design freedom that allows the antenna to be designed so that the widest possible impedance bandwidth can be achieved. Impedance bandwidth here is to be understood as a bandwidth within which the adaptation of the antenna is so good that a predefined standing wave ratio (SWR) is not exceeded.

Es ist hierbei besonders erstaunlich, dass die Einführung eines dritten Schlitzes die Polarisationseigenschaften der aperturgekoppelten Antenne nicht wesentlich verschlechtert. Gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Ergebnissen wäre zu nämlich zu erwarten, dass eine zirkulare Polarisation, die aufgrund des Vorhandenseins zweier Schlitze, die zusammen von der Form her ein Kreuz bilden, angeregt wird, durch das Hinzufügen eines weiteren Schlitzes stark beeinträchtigt wird, sodass die dazu orthogonale Polarisation stark zunimmt. Anders als aus der Kenntnis des Stands der Technik zu erwarten hat sich aber gezeigt, dass selbst bei Verwendung von drei Schlitzen eine sehr hohe Unterdrückung einer unerwünschten Polarisation erzielt werden kann. Dies ist um so mehr überraschend, als gemäß herkömmlicher Vorstellung zwei zueinander orthogonale Moden mit geeigneter Phasenverschiebung angeregt werden müssen, um eine zirkulare Polarisation mit einem geringen Anteil einer dazu orthogonalen Polarisation zu erzielen. Es ist somit für den Fachmann überraschend, dass bei Vorhandensein von drei Schlitzen, die eine Apertur bilden, aber selbstverständlich nicht alle zueinander orthogonal sein können, dennoch eine zirkulare Polarisation mit einem geringen Anteil einer dazu orthogonalen Polarisation erzielt werden kann.It is particularly surprising that the introduction of a third slot does not significantly degrade the polarization characteristics of the aperture-coupled antenna. Namely, according to the results known from the prior art, it would be expected that a circular polarization excited by the presence of two slots, which together form a cross shape, would be greatly affected by the addition of another slot becomes so that the orthogonal polarization increases strongly. However, unlike the knowledge of the prior art, it has been found that even with the use of three slots, a very high suppression of undesired polarization can be achieved. This is all the more surprising since, according to the conventional conception, two mutually orthogonal modes with suitable phase shift must be excited in order to achieve a circular polarization with a small proportion of orthogonal polarization. Thus, it is surprising to those skilled in the art that in the presence of three slots forming an aperture, but of course not all may be orthogonal to one another, a circular polarization can still be achieved with a small amount of orthogonal polarization.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass eine Planarantenne geschaffen wird, die eine zirkulare Polarisation aufweist, eine gute Unterdrückung einer dazu orthogonalen Polarisation bietet und gleichzeitig eine große Impedanzbandbreite aufweist. Ferner kann die erfindungsgemäße Antenne vollständig planar aufgebaut werden, was in einer im Vergleich mit herkömmlichen Antennen geringen Bauform sowie geringeren Kosten resultiert. Der Aufbau der Antenne kann mit herkömmlichen Techniken erfolgen, wobei lediglich elektrisch leitfähige Schichten, die eine Strahlungselektrode und eine Massefläche bilden, hergestellt werden müssen. Diese leitfähigen Strukturen können beispielsweise auf dielektrischen Trägermaterialien angeordnet sein, wobei sich eine Strukturierung von Metallisierungen mit Hilfe von herkömmlichen Ätztechnologien anbietet. Die Zuführung von Energie zu der Antenne kann mit jeder Wellenleiterstruktur erfolgen, die in der Lage ist, elektromagnetische Energie durch die Apertur zu der Strahlungselektrode zu koppeln. Somit ist eine sehr flexible Speisung der erfindungsgemäßen Antenne möglich. Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur besteht darin, dass Zweiband (Dualband) und Mehrband (Multiband)-Konzepte implementiert werden können, wobei eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle in mehreren Frequenzbändern erzeugt werden kann, und wobei die Gesamtgröße die Größe der Antennenstruktur, die für die niedrigste Arbeitsfrequenz benötigt wird, nicht übersteigt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die elektromagnetische Energie von der Rückseite der Antenne her über eine Apertur eingekoppelt wird. Die Größe der Strahlungselektrode wird dabei von der Arbeitsfrequenz bestimmt. Speisestrukturen und andere aktive und passive Elemente (z. B. Verstärker, Phasenschieber oder Mischer) können hinter der aperturgekoppelten Antenne angeordnet werden und vergrößern den Flächenbedarf der Gesamtanordnung nicht. Weiterhin ist festzuhalten, dass es die erfindungsgemäße Antennenstruktur ermöglicht, Verluste dadurch gering zu halten, dass dielektrische Materialien nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden. Es ist ausreichend, die Strahlungselektrode, die Massefläche und gegebenenfalls den Wellenleiter mit dielektrischen Trägermaterialien mechanisch zu stützen. Weiterhin treten bei einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur keine sehr langen und schmalen Leiterstrukturen auf, wie sie beispielsweise bei Spiralantennen üblich sind. Auch dadurch werden die Verluste einer erfindungsgemäßen Antenne reduziert.The advantage of the present invention is thus that a planar antenna is provided which has a circular polarization, provides a good suppression of orthogonal polarization and at the same time has a large impedance bandwidth. Furthermore, the antenna according to the invention can be constructed in a completely planar manner, which results in a design that is smaller in comparison with conventional antennas and lower costs. The structure of the antenna can be made by conventional techniques, wherein only electrically conductive layers forming a radiation electrode and a ground plane have to be produced. These conductive structures may, for example, be arranged on dielectric carrier materials, wherein a structuring of metallizations by means of conventional etching technologies is offered. The supply of energy to the antenna can be done with any waveguide structure capable of coupling electromagnetic energy through the aperture to the radiation electrode. Thus, a very flexible power supply of the antenna according to the invention is possible. Another advantage of an antenna structure according to the invention is that dual-band and multi-band concepts are implemented where a circularly polarized electromagnetic wave can be generated in multiple frequency bands, and the overall size does not exceed the size of the antenna structure needed for the lowest operating frequency. This is made possible by the fact that the electromagnetic energy from the back of the antenna is coupled via an aperture. The size of the radiation electrode is determined by the operating frequency. Feed structures and other active and passive elements (eg, amplifiers, phase shifters or mixers) can be placed behind the aperture-coupled antenna and do not increase the area requirement of the overall arrangement. It should also be noted that the antenna structure according to the invention makes it possible to minimize losses by using dielectric materials only to a limited extent. It is sufficient to mechanically support the radiation electrode, the ground plane and optionally the waveguide with dielectric support materials. Furthermore, in the case of an antenna structure according to the invention, there are no very long and narrow conductor structures, as are usual, for example, in spiral antennas. This also reduces the losses of an antenna according to the invention.

Zur Klarheit sei hier im übrigen darauf hingewiesen, dass es sich bei der Strahlungselektrode bevorzugterweise um eine flächige Struktur handelt, wie dies bei aperturgekoppelten Antennen üblich ist. Eine solche Strahlungselektrode wird in der einschlägigen Fachliteratur typischerweise als "Patch" bezeichnet. Die Gesamtstruktur der erfindungsgemäßen aperturgekoppelten Antenne stellt somit einen Spezialfall einer Patch-Antenne dar.For the sake of clarity, it should also be pointed out here that the radiation electrode is preferably a planar structure, as is customary in aperture-coupled antennas. Such a radiation electrode is typically referred to in the relevant literature as a "patch". The overall structure of the aperture-coupled antenna according to the invention thus represents a special case of a patch antenna.

Im übrigen sei darauf hingewiesen, dass bei aperturgekoppelten Antennen die Massefläche bevorzugterweise parallel oder in etwa parallel zu der Strahlungselektrode ist, wobei eine Abweichung von einer Parallelität bis zu ca. 20 Grad auftreten kann. Ferner wird darauf hingewiesen, dass eine aperturgekoppelte Antenne bevorzugt als Planarantenne aufgebaut wird, wobei sowohl die Strahlungselektrode als auch die Massefläche eben sind. In ähnlicher Weise ist der Wellenleiter bevorzugterweise eben. Auch eine Wölbung der Strahlungselektrode und der Massefläche ist allerdings möglich.It should also be noted that in the aperture-coupled antennas, the ground plane is preferably parallel or approximately parallel to the radiation electrode, wherein a deviation from a parallelism up to about 20 degrees may occur. It should also be noted that a Aperture-coupled antenna is preferably constructed as a planar antenna, wherein both the radiation electrode and the ground plane are flat. Similarly, the waveguide is preferably flat. However, a curvature of the radiation electrode and the ground plane is possible.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der dritte Schlitz länger als der erste Schlitz und ebenso länger als der zweite Schlitz. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Bandbreite der Antenne durch einen dritten Schlitz, der länger ist als der erste und zweite Schlitz, erhöht werden kann. Dies ist verständlich, da der dritte Schlitz dann besonders wirksam die Bandbreite der Antenne verbessern kann, wenn er die elektromagnetische Feldverteilung möglichst stark beeinflusst, ohne eine Verschlechterung der Trennung von zueinander orthogonalen Polarisationen zu bewirken.In a preferred embodiment of the present invention, the third slot is longer than the first slot and also longer than the second slot. This is particularly advantageous because the bandwidth of the antenna can be increased by a third slot that is longer than the first and second slots. This is understandable, since the third slot can then particularly effectively improve the bandwidth of the antenna if it influences the electromagnetic field distribution as much as possible without causing a deterioration in the separation of mutually orthogonal polarizations.

Es wird weiterhin bevorzugt, dass der erste Schlitz und der zweite Schlitz orthogonal zueinander sind und zusammen einen Schlitz von der Form eines rechtwinkligen Kreuzes mit gleich langen Armen bilden. In diesem Fall sind also die Längen der beiden Schlitze gleich, und die Schlitze sind so angeordnet, dass sie sich in der Mitte orthogonal schneiden. Eine orthogonale Anordnung des ersten und zweiten Schlitzes ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine optimale Anregung einer zirkularen Polarisation erreicht werden kann. Eine orthogonale Anordnung der Schlitze führt somit dazu, dass durch den ersten und den zweiten Schlitz nur entweder eine rechtsdrehend oder eine linksdrehend zirkular polarisierte Welle angeregt wird. Um eine optimal reine Polarisation zu erzeugen kann allerdings der spitze Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Schlitz zwischen 70° und 90° variiert werden. Somit ist eine Optimierung der Antennenstruktur in Anwesenheit des dritten Schlitzes möglich.It is further preferred that the first slot and the second slot are orthogonal to each other and together form a slot of the shape of a right-angled cross with equal length arms. In this case, therefore, the lengths of the two slots are the same, and the slots are arranged so that they intersect orthogonally in the middle. An orthogonal arrangement of the first and second slot is particularly advantageous, since an optimal excitation of a circular polarization can be achieved thereby. An orthogonal arrangement of the slots thus results in that only one right-handed or one left-handed circularly polarized wave is excited by the first and the second slot. In order to produce an optimally pure polarization, however, the acute angle between the first and the second slot can be varied between 70 ° and 90 °. Thus, an optimization of the antenna structure in the presence of the third slot is possible.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass der Mittelpunkt des dritten Schlitzes mit einem Mittelpunkt des von dem ersten und dem zweiten Schlitz gebildeten kreuzförmigen Schlitzes zusammenfällt. In anderen Worten, der erste, zweite und dritte Schlitz schneiden sich in einem gemeinsamen Raumgebiet. Es gibt somit nur ein Gebiet in dem Zentrum der Apertur, in dem sich die drei Schlitze schneiden. Die drei Schlitze bilden somit die Form eines Sterns. Im übrigen wird durch die beschriebene Anordnung in vorteilhafter Weise erreicht, dass der dritte Schlitz symmetrisch angeordnet ist, in dem Sinne, dass die Länge des dritten Schlitzes auf beiden Seiten des Schnittpunktes mit dem ersten und dem zweiten Schlitz gleich ist. Dadurch wird verhindert, dass Asymmetrien in der Abstrahlung der erfindungsgemäßen Antenne entstehen.Furthermore, it is preferable that the center of the third slot coincides with a center of the cross-shaped slot formed by the first and second slots. In other words, the first, second and third slots intersect in a common space area. There is thus only one area in the center of the aperture in which the three slots intersect. The three slots thus form the shape of a star. Moreover, it is achieved by the described arrangement in an advantageous manner that the third slot is arranged symmetrically, in the sense that the length of the third slot on both sides of the intersection with the first and the second slot is the same. This prevents asymmetries in the emission of the antenna according to the invention from arising.

Weiterhin wird eine hoch symmetrische Anordnung bevorzugt, bei der ein geometrischer Mittelpunkt des ersten Schlitzes, ein geometrischer Mittelpunkt des zweiten Schlitzes und ein geometrischer Mittelpunkt des dritten Schlitzes zusammenfallen, und bei der die Apertur achsensymmetrisch bezüglich einer Achse des dritten Schlitzes ist. Die Achse des dritten Schlitzes ist hierbei entlang einer größten Abmessung des dritten Schlitzes definiert. Bei dem rechteckigen dritten Schlitz sei die Achse als eine Mittellinie des Rechtecks definiert, die parallel zu den beiden längeren Kanten des Rechtecks verläuft. Eine derartige Geometrie erlaubt eine sehr hohe Symmetrie, die sich in dem Abstrahlungsverhalten der Antenne, insbesondere in der Reinheit der Polarisation widerspiegelt.Furthermore, a highly symmetrical arrangement is preferred in which a geometric center of the first slot, a geometric center of the second slot and a geometric center of the third slot coincide, and wherein the aperture is axisymmetric with respect to an axis of the third slot. The axis of the third slot is defined along a largest dimension of the third slot. For the rectangular third slot, the axis is defined as a centerline of the rectangle that is parallel to the two longer edges of the rectangle. Such a geometry allows a very high symmetry, which is reflected in the radiation behavior of the antenna, in particular in the purity of the polarization.

Ferner wird es bevorzugt, dass der dritte Schlitz orthogonal zu der Speiseleitung verläuft. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Erhöhung der Symmetrie, wodurch wiederum die Abstrahlungseigenschaften und die Polarisationsreinheit verbessert werden können.Further, it is preferred that the third slot is orthogonal to the feed line. This arrangement leads to a further increase in the symmetry, which in turn can improve the radiation properties and the polarization purity.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der erste Schlitz und der zweite Schlitz so ausgelegt, dass der erste Schlitz und der zweite Schlitz in einem Betriebsfrequenzbereich, für den die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, nicht bei einer Resonanz betrieben werden. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl der Länge des ersten und des zweiten Schlitzes erreicht werden. Zur Vermeidung eines Resonanzverhaltens des ersten und zweiten Schlitzes werden diese bevorzugt kürzer als eine vorbestimmte Länge ausgelegt, wobei die vorbestimmte Länge in der Größenordnung einer halben Freiraumwellenlänge bei einer Betriebsfrequenz ist. Eine solche Maßnahme ist vorteilhaft, da der erste Schlitz und der zweite Schlitz im Wesentlichen dazu dienen, die Anregung der Strahlungselektrode in einer solchen Weise zu ermöglichen, dass eine abgestrahlte Welle eine zirkulare Polarisation aufweist. Daher ist es nicht wünschenswert, dass der erste und der zweite Schlitz nahe bei der Resonanz betrieben werden. Eine Resonanz, die in dem ersten und dem zweiten Schlitz auftreten würde, würde nämlich steile Veränderungen der Phase mit sich bringen, wodurch sich die Polarisation über der Frequenz stark verändern würde. Im übrigen führt eine Resonanz des ersten und des zweiten Schlitzes auch dazu, dass eine starke Abstrahlung nach hinten, d. h. von der Massefläche aus in die Richtung, in der die Speiseleitung liegt, erfolgt. Dies ist zu vermeiden.In another preferred embodiment, the first slot and the second slot are configured such that the first slot and the second slot are not resonated in an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed. This can be achieved for example by a suitable choice of the length of the first and the second slot. To avoid a resonance behavior of the first and second slots, they are preferably designed shorter than a predetermined length, wherein the predetermined length is of the order of a half free-space wavelength at an operating frequency. Such a measure is advantageous because the first slot and the second slot essentially serve to enable the excitation of the radiation electrode in such a way that a radiated wave has a circular polarization. Therefore, it is not desirable for the first and second slots to be operated close to resonance. Namely, a resonance that would occur in the first and second slots would involve steep changes in phase, which would greatly change the polarization over the frequency. Moreover, a resonance of the first and the second slot also causes a strong radiation to the rear, d. H. from the ground plane in the direction in which the feed line is located takes place. This should be avoided.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass der dritte Schlitz so ausgelegt ist, dass eine Betriebsfrequenz, für die die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, um höchstens 30% von einer Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes abweicht. Es wird also gefordert, dass die Resonanzfrequenz des Schlitzes sich höchstens um 30% von einer zulässigen Betriebsfrequenz unterscheidet. Somit wird der dritte Schlitz bei mindestens einer Betriebsfrequenz, für die die Antenne ausgelegt ist, in der Nähe der Resonanz betrieben. Gerade ein resonanzartiges Verhalten des dritten Schlitzes führt aber dazu, dass sich die Impedanzbandbreite der erfindungsgemäßen Antenne verbessert. Wenn der dritte Schlitz in Resonanz betrieben wird, ist nämlich eine große elektromagnetische Energie in dem Raumgebiet, das den dritten Schlitz umgibt, gespeichert, wodurch ein Energiereservoir entsteht, durch das reaktive Impedanzanteile der Eingangsimpedanz der erfindungsgemäßen Antenne kompensiert werden können. Daher liefert ein Betrieb des dritten Schlitzes in der Nähe seiner Resonanz eine verbesserte Impedanzanpassung der gesamten erfindungsgemäßen aperturgekoppelten Antennenstruktur.Furthermore, it is preferred that the third slot is designed such that an operating frequency for which the aperture-coupled antenna is designed deviates by at most 30% from a resonance frequency of the third slot. It is therefore required that the resonance frequency of the slot differs at most by 30% from a permissible operating frequency. Thus, at least one operating frequency for which the antenna is designed, the third slot is operated near the resonance. But just a resonance-like behavior of the third slot leads to the fact that the impedance bandwidth of the invention Antenna improved. Namely, when the third slot is resonated, a large amount of electromagnetic energy is stored in the space surrounding the third slot, thereby creating an energy reservoir by which reactive impedance components of the input impedance of the antenna of the present invention can be compensated. Therefore, operation of the third slot in the vicinity of its resonance provides improved impedance matching of the entire aperture-coupled antenna structure of the present invention.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der dritte Schlitz so ausgelegt, dass eine Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs liegt, für die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist. Bei einer derartigen Auslegung kann eine maximale Verbesserung der Bandbreite der erfindungsgemäßen Antenne erzielt werden. Bei der Resonanzfrequenz speichert das Gebiet um den dritten Schlitz eine maximale elektromagnetische Energie und kann somit einen maximalen Einfluss auf die Impedanz erzielen.In another preferred embodiment, the third slot is configured so that a resonant frequency of the third slot is within an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed. With such a design, a maximum improvement of the bandwidth of the antenna according to the invention can be achieved. At the resonant frequency, the area around the third slot stores maximum electromagnetic energy and thus can maximize the impedance impact.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass der Wellenleiter, über den die Antenne gespeist wird, eine Mikrostreifenleitung, ein koplanarer Wellenleiter, eine Streifenleitung, ein dielektrischer Wellenleiter oder ein Hohlraumwellenleiter ist. Eine Mikrostreifenleitung ist hierbei besonders vorteilhaft, da diese einfach zu realisieren und gut mit aktiven Schaltungen kombinierbar ist. Ein koplanarer Wellenleiter bietet den Vorteil, dass zur Koppelung mit einem Bezugspotenzial keine Durchkontaktierung (Vias) nötig sind. Eine Streifenleitung, die vollständig in ein Dielektrikum eingebettet ist, bietet ein besonders vorteilhaftes Dispersionsverhalten. Die Verwendung eines dielektrischen Wellenleiters empfiehlt sich beispielsweise bei sehr hohen Frequenzen, da bei einem dielektrischen Wellenleiter metallische Verluste vermieden werden. Auch ein Hohlraumwellenleiter kann als verlustarme Speiseleitung dienen.Furthermore, it is preferred that the waveguide through which the antenna is fed is a microstrip line, a coplanar waveguide, a stripline, a dielectric waveguide or a cavity waveguide. A microstrip line is particularly advantageous, since this is easy to implement and can be combined well with active circuits. A coplanar waveguide offers the advantage that no connection (vias) is necessary for coupling to a reference potential. A stripline that is completely embedded in a dielectric offers a particularly advantageous dispersion behavior. The use of a dielectric waveguide is recommended, for example, at very high frequencies, as in a dielectric waveguide metallic losses are avoided. A cavity waveguide can also serve as a low-loss feed line.

Bevorzugterweise sind die Apertur und die Strahlungselektrode so ausgelegt, dass die aperturgekoppelte Antenne, von parasitären Effekten abgesehen, eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlt. Hinsichtlich der Auslegung der Strahlungselektrode wird es dabei bevorzugt, einen rechteckförmigen Patch zu verwenden. Eine besonders gute zirkulare Abstrahlung ergibt sich, wenn der Patch nahezu quadratisch ist, sich also die Längen der längeren und der kürzeren Seite um maximal 20% unterscheiden. Im übrigen ist es vorteilhaft, Ecken des rechteckförmigen bzw. nahezu quadratischen Patches abzuschneiden, da dadurch die Polarisation festgelegt werden kann. Es wird ein geeigneter Modus angeregt, der die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle ermöglicht. Hierbei wird es bevorzugt, zwei gegenüberliegende Ecken abzuschneiden. Die Reinheit der Polarisation kann durch die Veränderung von geometrischen Details der Schlitz-Apertur beeinflusst werden, wobei die prinzipielle Gestalt der Apertur, die drei Schlitze aufweist, beibehalten wird.Preferably, the aperture and the radiation electrode are designed so that the aperture-coupled antenna, apart from parasitic effects, radiates a circularly polarized electromagnetic wave. With regard to the design of the radiation electrode, it is preferred to use a rectangular patch. A particularly good circular radiation results when the patch is almost square, ie the lengths of the longer and shorter sides differ by a maximum of 20%. Moreover, it is advantageous to cut off corners of the rectangular or almost square patch, as this allows the polarization can be determined. It is excited a suitable mode that allows the emission of a circularly polarized electromagnetic wave. In this case, it is preferable to cut off two opposite corners. The purity of the polarization can be influenced by changing the geometrical details of the slit aperture while maintaining the principal shape of the aperture, which has three slits.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Antenne ferner eine zweite planare Strahlungselektrode und eine dritte planare Strahlungselektrode. Die zweite planare Strahlungselektrode ist im Wesentlichen parallel zu der ersten Strahlungselektrode angeordnet, wobei die erste Strahlungselektrode zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche gelegen ist. Eine im Wesentlichen parallele Anordnung bedeutet hierbei, dass eine maximale Verkippung zwischen der zweiten planaren Strahlungselektrode und der ersten Strahlungselektrode 20 Grad nicht überschreitet. Die geometrische Anordnung ist derart, dass in einer Reihenfolge von unten nach oben erst der Wellenleiter, dann die Massefläche, dann die erste Strahlungselektrode und dann die zweite Strahlungselektrode angeordnet sind. Die erste Strahlungselektrode liegt somit in der Reihenfolge der Schichten zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche. Der Ausdruck "zwischen" stellt hierbei allerdings keine Einschränkung für die Größe der Elektroden dar. Für planare Elektroden ist die räumliche Anordnung so zu verstehen, dass eine Ebene, in der die erste Strahlungselektrode liegt, zwischen einer Ebene, in der die zweite Strahlungselektrode liegt, und eine Eben, in der die Massefläche liegt, angeordnet ist. Sollten die Elektroden nicht vollständig eben sein, so ist die entsprechende Definition sinngemäß anzuwenden, wobei an die Stelle der Ebenen hinreichend glatte Flächen treten, in denen die jeweiligen Elektroden gelegen sind.In a further preferred embodiment, the antenna according to the invention further comprises a second planar radiation electrode and a third planar radiation electrode. The second planar radiation electrode is arranged substantially parallel to the first radiation electrode, wherein the first radiation electrode is located between the second radiation electrode and the ground plane. A substantially parallel arrangement here means that a maximum tilt between the second planar radiation electrode and the first radiation electrode does not exceed 20 degrees. The geometric arrangement is such that in a sequence from bottom to top first the waveguide, then the ground plane, then the first radiation electrode and then the second radiation electrode are arranged. The first radiation electrode thus lies in the order of the layers between the second radiation electrode and the ground surface. However, the term "between" is not a restriction for planar electrodes, the spatial arrangement is to be understood such that a plane in which the first radiation electrode lies lies between a plane in which the second radiation electrode lies and a plane in which the ground surface lies. is arranged. If the electrodes are not completely flat, the corresponding definition should be applied mutatis mutandis, where instead of the planes sufficiently smooth surfaces occur, in which the respective electrodes are located.

Ferner ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die dritte Strahlungselektrode so angeordnet, dass in einer Projektion entlang einer Achse normal zu der zweiten Strahlungselektrode die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode umschließt. Eine entsprechende Definition ist sinngemäß auf Fälle übertragbar, in denen die zweite und die dritte Strahlungselektrode nicht vollständig eben sind sondern eine leichte Krümmung aufweisen. Definiert sei hiermit, dass in einer Draufsicht, bei der die Blickrichtung einer mittleren Flächennormale der zweiten Strahlungselektrode entspricht, die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode umschließt. Eine solche Anordnung, die also eine erste Strahlungselektrode sowie eine zweite und eine dritte Strahlungselektrode aufweist, ist geeignet, um einen Mehrbandbetrieb der erfindungsgemäßen Antenne zu ermöglichen. Bei sehr hohen Frequenzen wirkt die erste Strahlungselektrode als wesentliches abstrahlendes Element. Die dritte Strahlungselektrode umschließt zwar die zweite Strahlungselektrode, es besteht jedoch ein Schlitz bzw. Spalt zwischen den beiden, durch den eine Abstrahlung ausgehend von der ersten Strahlungselektrode erfolgen kann. Zum besseren Verständnis sei hierbei noch einmal darauf hingewiesen, dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode zusammen typischerweise größer als die erste Strahlungselektrode sind und in Richtung der Hauptabstrahlung vor der ersten Strahlungselektrode liegen. Daher wird es durch eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der eine zweite Strahlungselektrode und eine dritte Strahlungselektrode getrennt sind, ermöglicht, dass trotz des Vorhandenseins einer zweiten oder dritten Strahlungselektrode die erste Strahlungselektrode noch effektiv abstrahlen kann.Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, the third radiation electrode is arranged such that in a projection along an axis normal to the second radiation electrode, the third radiation electrode encloses the second radiation electrode. A corresponding definition is analogously applicable to cases in which the second and the third radiation electrode are not completely flat but have a slight curvature. It should be defined here that in a plan view, in which the viewing direction corresponds to a mean surface normal of the second radiation electrode, the third radiation electrode encloses the second radiation electrode. Such an arrangement, which thus has a first radiation electrode and a second and a third radiation electrode, is suitable for enabling a multi-band operation of the antenna according to the invention. At very high frequencies, the first radiation electrode acts as an essential radiating element. Although the third radiation electrode encloses the second radiation electrode, there is a slot or gap between the two, through which a radiation can take place starting from the first radiation electrode. For a better understanding, it should be pointed out once again that the second radiation electrode and the third radiation electrode together are typically larger than the first radiation electrode and lie in the direction of the main radiation in front of the first radiation electrode. Therefore, it is by a The arrangement according to the invention, in which a second radiation electrode and a third radiation electrode are separated, allows the first radiation electrode to still radiate effectively, despite the presence of a second or third radiation electrode.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in einer Ebene, wobei wiederum die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode umschließt. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders vorteilhafte gemeinsame Herstellung der zweiten und der dritten Strahlungselektrode, die beispielsweise von einem gemeinsamen Substrat getragen werden können. Im übrigen können somit die zweite und die dritte Strahlungselektrode stark miteinander wechselwirken, wodurch sich effektiv eine Strahlungselektrode ausbildet, die näherungsweise die Größe der dritten Strahlungselektrode aufweist.In a further preferred embodiment, the second radiation electrode and the third radiation electrode lie in one plane, wherein in turn the third radiation electrode encloses the second radiation electrode. This arrangement enables a particularly advantageous joint production of the second and the third radiation electrode, which can be carried, for example, by a common substrate. Incidentally, therefore, the second and the third radiation electrode can strongly interact with each other, thereby effectively forming a radiation electrode having approximately the size of the third radiation electrode.

Bevorzugterweise wird die erfindungsgemäße Antenne so ausgelegt, dass eine Impedanzanpassung mit einem Stehwellenverhältnis von kleiner als 2 in zumindest zwei Frequenzbändern erreicht wird. Somit ist ein Zweibandbetrieb bzw. Mehrbandbetrieb der erfindungsgemäßen Antenne möglich, wobei eine gute Anpassung erzielt wird. Eine gute Anpassung ermöglicht aber eine effektive Einkopplung von Energie in die Antenne.Preferably, the inventive antenna is designed so that an impedance matching is achieved with a VSWR of less than 2 in at least two frequency bands. Thus, a dual band operation or multi-band operation of the antenna according to the invention is possible, with a good adaptation is achieved. However, a good adaptation enables an effective coupling of energy into the antenna.

Die erfindungsgemäße Antenne kann bevorzugterweise in mehreren Schichten aufgebaut sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Antenne eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante sowie eine zweite dielektrische Schicht auf. Die erste dielektrische Schicht trägt auf ihrer ersten Oberfläche den Wellenleiter und auf ihrer zweiten Oberfläche die Massefläche. Die zweite dielektrische Schicht trägt auf einer Seite die erste Strahlungselektrode. Die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist geringer als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht und niedriger als die Dielektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Schicht. Eine solche Ausführungsform einer Antenne ermöglicht eine besonders einfache Herstellung, wobei durch die Schichten mit niedriger Dielektrizitätskonstante die Abstrahlungseigenschaften der Antenne verbessert werden. Eine Schicht mit sehr niedriger Dielektrizitätskonstante verringert die dielektrischen Verluste und verringert außerdem das Auftreten von Oberflächenwellen.The antenna according to the invention can preferably be constructed in several layers. In a preferred embodiment, the antenna according to the invention comprises a first dielectric layer, a first low-dielectric constant layer, and a second dielectric layer. The first dielectric layer carries on its first surface the waveguide and on its second surface the ground plane. The second dielectric layer carries on one side the first radiation electrode. The low-dielectric-constant layer is disposed between the first dielectric layer and the second dielectric layer. The dielectric constant of the first low-dielectric-constant layer is lower than the dielectric constant of the first dielectric layer and lower than the dielectric constant of the second dielectric layer. Such an embodiment of an antenna enables a particularly simple production, whereby the radiation properties of the antenna are improved by the layers with a low dielectric constant. A layer with a very low dielectric constant reduces the dielectric losses and also reduces the occurrence of surface waves.

Eine Mehrbandstruktur kann bevorzugterweise erreicht werden, indem ferner eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine dritte dielektrische Schicht eingeführt werden. Die dritte dielektrische Schicht trägt hierbei die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode. Die zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist zwischen der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der zweiten Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist niedriger als die Dielektrizitätskonstanten der ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schichten.A multi-band structure may preferably be achieved by further introducing a second low-dielectric-constant layer and a third dielectric layer. The third dielectric layer in this case carries the second radiation electrode and the third radiation electrode. The second low-dielectric-constant layer is disposed between the second dielectric layer and the third dielectric layer. The dielectric constant of the second low-dielectric-constant layer is lower than the dielectric constant of the first, second and third dielectric layers.

Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung kann erreicht werden, indem die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht aus FR4 Material (herkömmlichem Leiterplattenmaterial) hergestellt werden. Die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante kann bevorzugterweise durch Luft gebildet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Antenne bei einer entsprechenden Auslegung sehr kostengünstig herzustellen ist, wobei die Strahlungseigenschaften trotz der verwendeten kostengünstigen Materialien nicht in einer negativen Weise beeinflusst werden.A particularly simple and inexpensive production can be achieved by the first, second and third dielectric layer of FR4 material (conventional printed circuit board material) are produced. The low-dielectric-constant layer may preferably be formed by air. It has been found that an antenna according to the invention can be produced very inexpensively with a corresponding design, wherein the radiation properties are not influenced in a negative manner despite the inexpensive materials used.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5
eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6
eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7
eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8
eine grafische Darstellung des Verlaufs der Pola-risationsentkopplung für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9
eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1
an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a first embodiment of the present invention;
Fig. 2
an oblique view of a radiator geometry according to the invention according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 3
an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a third embodiment of the present invention;
Fig. 4
an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention;
Fig. 5
a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the third embodiment of the present invention;
Fig. 6
a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the fourth embodiment of the present invention;
Fig. 7
a graphical representation of the course of the reflection coefficient S11 for a prototype of an antenna according to the invention according to the third embodiment of the present invention;
Fig. 8
a graphical representation of the course of polarization decoupling for a prototype of an antenna according to the invention according to the third embodiment of the present invention; and
Fig. 9
a graphical representation of the course of the reflection coefficient S11 for a prototype of an antenna according to the invention according to the fourth embodiment of the present invention.

Fig. 1 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Die Antennenstruktur 100 umfasst eine Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Antennenstruktur eine Strahlungselektrode 130, die oberhalb der Massefläche 110 angeordnet ist. Eine Speiseleitung 140, die hier als leitender Streifen gezeigt ist, ist unterhalb der Massefläche 110 angeordnet. Die Apertur 120 umfasst einen ersten Schlitz 150, einen zweiten Schlitz 152 sowie einen dritten Schlitz 154. Der erste, zweite und dritte Schlitz 150, 152, 154 haben jeweils eine rechteckige Gestalt und stellen eine Öffnung der Massefläche 110 dar. Der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 sind so angeordnet, dass sie ein Kreuz bilden. Die Längen des ersten Schlitzes 150 und des zweiten Schlitzes 152 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleich. Der dritte Schlitz 154 ist länger als der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152, und schneidet den ersten und den zweiten Schlitz 150, 152 in dem Gebiet, in dem sich auch der erste und der zweite Schlitz 150, 152 schneiden, also in dem Zentrum des von dem ersten und dem zweiten Schlitz gebildeten Kreuzes. Weiterhin ist anzumerken, dass der dritte Schlitz 154 in einer Draufsicht, entlang einer durch einen Pfeil 170 gezeigten Richtung, senkrecht zu der Speiseleitung 140 steht. Die Apertur 120 weist ferner eine hohe Symmetrie auf. Der geometrische Mittelpunkt des ersten, zweiten und dritten Schlitzes 150, 152, 154 fallen, von Fertigungstoleranzen abgesehen, zusammen. Ferner besteht eine Achsensymmetrie der Apertur bezüglich einer Achse 158 des dritten Schlitzes 154. Weiterhin ist die Apertur 120 in Bezug auf die Speiseleitung 140 so angeordnet, dass in einer Draufsicht die Speiseleitung 140 durch das Gebiet verläuft, in dem sich der erste, zweite und dritte Schlitz 150, 152, 154 schneiden. Fig. 1 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a first embodiment of the present invention. The antenna structure is designated 100 in its entirety. The antenna structure 100 includes a ground plane 110 having an aperture 120. Furthermore, the antenna structure according to the invention comprises a radiation electrode 130, which is arranged above the ground surface 110. A feed line 140, shown here as a conductive strip, is disposed below the ground plane 110. The aperture 120 includes a first slot 150, a second slot 152 and a third slot 154. The first, second and third slots 150, 152, 154 each have a rectangular shape and constitute an opening of the ground plane 110. The first slot 150 and the second slot 152 are arranged so as to form a cross. The lengths of the first slot 150 and the second slot 152 are the same in the embodiment shown. The third slot 154 is longer than the first slot 150 and the second slot 152, and intersects the first and second slots 150, 152 in the area where the first and second slots 150, 152 also intersect, that is in the area Center of the cross formed by the first and the second slot. It should also be noted that the third slot 154 is perpendicular to the feed line 140 in a plan view, along a direction indicated by an arrow 170. The aperture 120 also has a high symmetry. The geometric center of the first, second and third slot 150, 152, 154 coincide, apart from manufacturing tolerances together. Furthermore, there is an axial symmetry of the aperture with respect to an axis 158 of the third slot 154. Furthermore, the aperture 120 is arranged with respect to the feed line 140 such that in a plan view the feed line 140 passes through the area where the first, second and third slots 150, 152, 154 intersect.

Die Strahlungselektrode 130 ist eine planare leitfähige Elektrode, die auch als Patch bezeichnet werden kann. Sie ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb der Apertur 120 angeordnet. Die gezeigte Strahlungselektrode 130 ist im Wesentlichen rechteckförmig. Die Strahlungselektrode 130 ist ausgelegt, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungselektrode nahezu quadratisch. Ebenso ist es aber möglich, eine rechteckige Strahlungselektrode zu verwenden, bei der mindestens eine Ecke abgeschrägt bzw. abgeschnitten ist. Auch eine Strahlungselektrode mit einem Schlitz in der Mitte, der eine zirkulare Polarisation ermöglicht, kann verwendet werden. Schließlich sind auch andere Geometrien verwendbar, solange sichergestellt ist, dass diese eine zirkulare Polarisation ermöglichen. Die Strahlungselektrode 130 ist so angeordnet, dass die Apertur 120 in einer Draufsicht entlang einer Richtung, die durch den Pfeil 170 gekennzeichnet ist, symmetrisch unterhalb der Strahlungselektrode 130 liegt.The radiation electrode 130 is a planar conductive electrode, which may also be referred to as a patch. It is arranged above the aperture 120 in the embodiment shown. The radiation electrode 130 shown is substantially rectangular. The radiation electrode 130 is designed to allow the radiation of a circularly polarized electromagnetic wave. In the embodiment shown, the radiation electrode is nearly square. However, it is also possible to use a rectangular radiation electrode in which at least one corner is beveled or cut off. Also, a radiation electrode having a slit in the center which allows circular polarization can be used. Finally, other geometries can be used as long as it is ensured that they allow a circular polarization. The radiation electrode 130 is arranged so that the aperture 120 is symmetrically located below the radiation electrode 130 in a plan view along a direction indicated by the arrow 170.

Ferner ist anzumerken, dass insgesamt der Wellenleiter und die Strahlungselektrode so angeordnet sind, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der Strahlungselektrode (Patch) gekoppelt werden kann.It should also be noted that overall, the waveguide and the radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide can be coupled via the aperture to the radiation electrode (patch).

Die Funktionsweise der vorliegenden Antennenstruktur kann einfach beschrieben werden. Die Apertur 120 bildet eine erfindungsgemäße resonante Kreuzapertur. Der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 bilden einen Schlitz von der Form eines Kreuzes. Die Schlitze sind so bemessen, dass in einem Betriebsfrequenzbereich der Antenne keine Resonanz des kreuzförmigen Schlitzes auftritt. Somit wird erreicht, dass auf der Strahlungselektrode eine Schwingung angeregt wird, die die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zur Folge hat. Die kreuzförmige Gestalt des ersten und zweiten Schlitzes 150, 152 der Apertur 120 trägt dazu bei, dass ein geeigneter gemischter Schwingungsmodus angeregt wird, der eine solche zirkulare Polarisation der abgestrahlten Wellen ermöglicht. Der dritte Schlitz 154 wird in der Nähe seiner Resonanz betrieben, sodass er zur Verbesserung der Anpassung der erfindungsgemäßen Antenne beiträgt. Wie gezeigt ist der dritte Schlitz 154 typischerweise länger als der erste und zweite Schlitz 150, 152, wodurch der Schlitz 154 näher an einer Resonanz betrieben wird als der erste und der zweite Schlitz. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass es erstaunlich ist, dass der dritte Schlitz 154 nicht die zirkulare Polarisation der abgestrahlten elektromagnetischen Welle stört, wie dies gemäß herkömmlicher Theorien erwartet würde.The operation of the present antenna structure can be easily described. The aperture 120 forms a resonant cross aperture according to the invention. The first slot 150 and the second slot 152 form a slot of the shape of a cross. The slots are sized so that no resonance of the cross-shaped slot occurs in an operating frequency range of the antenna. Thus it is achieved that on the radiation electrode, a vibration is excited, the radiation of a circularly polarized electromagnetic Wave entails. The cross-shaped configuration of the first and second slots 150, 152 of the aperture 120 assists in exciting a suitable mixed mode of vibration which enables such circular polarization of the radiated waves. The third slot 154 is operated in the vicinity of its resonance, so that it contributes to improving the adaptation of the antenna according to the invention. As shown, the third slot 154 is typically longer than the first and second slots 150, 152, which drives the slot 154 closer to resonance than the first and second slots. It is further noted that it is surprising that the third slot 154 does not interfere with the circular polarization of the radiated electromagnetic wave as would be expected according to conventional theories.

Die gezeigte Geometrie kann in einem weiten Bereich verändert werden, ohne von dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise Längen der drei Schlitze 150, 152, 154, die die Apertur 120 bilden, verändert werden. Beispielsweise kann die Länge des dritten Schlitzes 154 vergrößert oder verringert werden. Ebenso ist es nicht notwendig, dass der erste Schlitz 150 und der zweite Schlitz 152 die gleiche Länge aufweisen. Vielmehr kann die Länge der Schlitze 150, 152, 154 gegeneinander verändert werden, um Feinanpassungen der erfindungsgemäßen Antennenstruktur zu ermöglichen. Weiterhin ist es möglich, von der strengen Symmetrie der Apertur abzuweichen. Dies kann zum Beispiel dann hilfreich sein, wenn auch die Strahlungselektrode 130 keine vollständige Symmetrie aufweist. Auch bezüglich der Winkel zwischen den Schlitzen sowie zwischen einem Schlitz und der Speiseleitung können Veränderungen vorgenommen werden. Eine Verdrehung der Schlitze um bis zu 20 Grad ist möglich, um einen Feinabgleich der Antennenstruktur zu ermöglichen. So kann der Winkel zwischen dem ersten Schlitz und dem zweiten Schlitz um bis zu 20 Grad von einem rechten Winkel abweichen. Ähnliches gilt für den Winkel zwischen dem dritten Schlitz und der Speiseleitung.The geometry shown can be varied in a wide range without departing from the spirit of the present invention. For example, lengths of the three slots 150, 152, 154 that form the aperture 120 may be changed. For example, the length of the third slot 154 may be increased or decreased. Likewise, it is not necessary that the first slot 150 and the second slot 152 have the same length. Rather, the length of the slots 150, 152, 154 can be changed from each other to allow fine adjustments of the antenna structure according to the invention. Furthermore, it is possible to deviate from the strict symmetry of the aperture. This may be helpful, for example, even if the radiation electrode 130 does not have complete symmetry. Also with regard to the angle between the slots and between a slot and the feed line changes can be made. Twisting the slots by up to 20 degrees is possible to allow fine tuning of the antenna structure. Thus, the angle between the first slot and the second slot may deviate from a right angle by up to 20 degrees. The same applies to the angle between the third slot and the feed line.

Auch die Strahlungselektrode 130 kann in einem weiten Rahmen verändert werden. Diese kann beispielsweise rechteckig oder nahezu rechteckig sein. Es wird bevorzugt, eine Strahlungselektrode zu verwenden, die fast quadratisch ist, wobei sich die Abmessungen bzw. Kantenlängen leicht unterscheiden. Eine solche Strahlungselektrode ermöglicht die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle. Ebenso ist es bevorzugter Weise möglich, eine Strahlungselektrode zu verwenden, die eine nahezu rechteckige oder quadratische Form aufweist, wobei mindestens eine Ecke abgeschrägt ist. Es wird in diesem Fall aus Symmetriegründen ferner bevorzugt, zwei gegenüberliegende Ecken abzuschrägen. Schließlich kann auch eine Strahlungselektrode eingesetzt werden, die einen Schlitz in der Mitte aufweist, wobei der Schlitz dabei so ausgelegt ist, dass eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt werden kann. Gängige Erweiterungen sind möglich, beispielsweise die Ankopplung von zusätzlichen metallischen Elementen an die Strahlungselektrode 130. Auch parasitäre Elemente, beispielsweise kapazitiver, induktiver oder resistiver Natur, können an die Strahlungselektrode 130 angekoppelt werden. Hierdurch kann erzwungen werden, dass sich ein gewünschter Modus ausbildet. Daneben kann weiterhin die Bandbreite der Antenne durch parasitäre Elemente verbessert werden. Schließlich ist es möglich, Ecken der Strahlungselektrode 130 abzuschneiden bzw. abzuschrägen. Dadurch ergibt sich eine Verkoppelung verschiedener Schwingungsmodi, die zwischen der Strahlungselektrode 130 und der Massefläche 110 existieren können. Als Folge wird eine geeignete Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Modi hergestellt, sodass sich eine rechts- oder linksdrehend zirkulare Polarisation einstellen lässt. Im übrigen kann die Strahlungselektrode auch in anderer Form verändert sein, beispielsweise durch das Hinzufügen von Schlitzen in die Strahlungselektrode, die unerwünschte Modi unterdrücken oder für eine geeignete Phasenbeziehung zwischen den gewünschten Modi sorgen.Also, the radiation electrode 130 can be changed in a wide range. This can for example be rectangular or almost rectangular. It is preferable to use a radiation electrode which is almost square, with the dimensions or edge lengths slightly different. Such a radiation electrode allows the radiation of a circularly polarized electromagnetic wave. Likewise, it is preferably possible to use a radiation electrode having a nearly rectangular or square shape, wherein at least one corner is chamfered. It is further preferred in this case for symmetry reasons, to skew two opposite corners. Finally, a radiation electrode can be used which has a slot in the middle, wherein the slot is designed so that a circularly polarized wave can be radiated. Common extensions are possible, for example, the coupling of additional metallic elements to the radiation electrode 130. Also parasitic elements, for example, capacitive, inductive or resistive nature, can be coupled to the radiation electrode 130. This can be forced to form a desired mode. In addition, the bandwidth of the antenna can be further improved by parasitic elements. Finally, it is possible to cut corners of the radiation electrode 130 or beveled. This results in a coupling of different vibration modes that may exist between the radiation electrode 130 and the ground plane 110. As a result, a proper phase relationship is established between the various modes so that right-handed or left-handed circular polarization can be set. Moreover, the radiation electrode can also be changed in another form, for example by adding slots into the radiation electrode, suppress the unwanted modes or provide a suitable phase relationship between the desired modes.

Die Speisung der gezeigten Antennenstruktur kann auf verschiedene Weise erfolgen. Der hier gezeigte metallische Streifenleiter 140 kann durch verschiedene Wellenleiter ersetzt werden. Beispielsweise kann es sich bei diesen Wellenleitern um eine Mikrostreifenleitung handeln. Auch ein koplanarer Wellenleiter kann verwendet werden. Ferner kann die Zuführung der elektrischen Energie durch eine Streifenleitung, einen dielektrischen Wellenleiter oder einen Hohlraum-Wellenleiter erfolgen.The feeding of the antenna structure shown can be done in various ways. The metallic stripline 140 shown here may be replaced by various waveguides. For example, these waveguides may be a microstrip line. A coplanar waveguide can also be used. Furthermore, the supply of electrical energy can be effected by a stripline, a dielectric waveguide or a cavity waveguide.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Fig. 1 nur eine schematische Darstellung der grundlegenden Struktur einer erfindungsgemäßen Antenne darstellt. Merkmale, die für die Antenne nicht wesentlich sind, sind hierbei nicht dargestellt. Es ist daher festzuhalten, dass die gezeigten metallischen Strukturen, insbesondere die Massefläche 110, die Strahlungselektrode 130 sowie die Streifenleitung 140 typischerweise von dielektrischen Materialien getragen werden. Es ist nämlich möglich, in die gezeigte Antennenstruktur 100 beinahe beliebig Schichten oder Strukturen aus dielektrischen Materialien einzubringen. Solche Strukturen können beispielsweise Schichten sein, die parallel zu der Massefläche 110 verlaufen. Die leitenden Strukturen können auf diesen dielektrischen Schichten aufgebracht und durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise ein Ätzverfahren, strukturiert worden sein. Vorausgesetzt wird hierbei lediglich, dass die Dielektrizitätskonstante einer dielektrischen Schicht nicht zu groß ist, da dadurch die in der Antennenstruktur entstehenden Verluste erhöht werden und die Abstrahlung verschlechtert wird. Weiterhin ist bei der Einbringung von dielektrischen Strukturen darauf zu achten, dass keine Oberflächenwellen angeregt werden, da auch diese den Strahlungswirkungsgrad einer Antennenstruktur wesentlich verschlechtern.It should also be noted that the Fig. 1 only represents a schematic representation of the basic structure of an antenna according to the invention. Features that are not essential to the antenna are not shown here. It is therefore to be noted that the illustrated metallic structures, in particular the ground plane 110, the radiation electrode 130 and the stripline 140 are typically supported by dielectric materials. Namely, it is possible to incorporate into the illustrated antenna structure 100 almost arbitrarily layers or structures of dielectric materials. Such structures may be, for example, layers that run parallel to the ground plane 110. The conductive structures may be deposited on these dielectric layers and patterned by a suitable method, such as an etching process. All that is required here is that the dielectric constant of a dielectric layer is not too large, since this increases the losses occurring in the antenna structure and worsens the radiation. Furthermore, care must be taken when introducing dielectric structures that no surface waves are excited, since these also significantly impair the radiation efficiency of an antenna structure.

Eine dielektrische Schicht kann beispielsweise zwischen der Massefläche 110 und dem Streifenleiter 140 vorhanden sein, sodass eine Mikrostreifenleitung entsteht. Eine solche Mikrostreifenleitung ist besonders vorteilhaft für die Ankoppelung einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur. Im übrigen ist eine Mikrostreifenleitung auch besonders gut mit aktiven und passiven Schaltungsstrukturen kombinierbar.For example, a dielectric layer may be present between ground plane 110 and stripline 140 to form a microstrip line. Such a microstrip line is particularly advantageous for the coupling of an antenna structure according to the invention. Moreover, a microstrip line can also be combined particularly well with active and passive circuit structures.

Außer planaren dielektrischen Strukturen sind auch anders geformte dielektrische Strukturen möglich. Beispielsweise kann die Strahlungselektrode 130 durch einen Abstandshalter aus einem dielektrischen Material getragen werden. Eine solche Auslegung verbessert die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Antenne und ermögliche eine kostengünstige Herstellung.In addition to planar dielectric structures, differently shaped dielectric structures are also possible. For example, the radiation electrode 130 may be supported by a spacer made of a dielectric material. Such a design improves the mechanical stability of the antenna according to the invention and enables a cost-effective production.

Auch die Kombination von dielektrischen Schichten und Schichten mit sehr niedriger Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Luftschichten, ist möglich. Luftschichten verringern die elektrischen Verluste und können gegebenenfalls die Anregung von Oberflächenwellen verringern.The combination of dielectric layers and layers with very low dielectric constant, such as air layers, is also possible. Air layers reduce the electrical losses and may possibly reduce the excitation of surface waves.

Fig. 2 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Strahlergeometrie ist in ihrer Gesamtheit mit 200 bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in den Fig. 1 und 2 sowie auch in den weiteren Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Einrichtungen bezeichnen. Gezeigt ist hier eine Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Einzelheiten der Apertur sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, die Apertur entspricht aber der anhand der Fig. 1 gezeigten und beschriebenen. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Strahlergeometrie 200 eine erste Strahlungselektrode 130. Die Apertur 120 stellt eine Öffnung in der Massefläche 110 dar, die in einer Draufsicht entlang einer Richtung, die durch den Pfeil 210 gekennzeichnet ist, unterhalb der ersten Strahlungselektrode 130 liegt. Oberhalb der ersten Strahlungselektrode liegt eine zweite Strahlungselektrode 220. Diese ist von der dritten Strahlungselektrode 230 umschlossen, wobei zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 ein Spalt 240 besteht. Die zweite Strahlungselektrode 220 ist mit der dritten Strahlungselektrode 230 über vier leitfähige Stege 250, 252, 254, 256 verbunden. Diese Stege sind bei der gezeigten Ausführung etwa in der Mitte der Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220 angeordnet. Die zweite Strahlungselektrode 220 ist somit so angeordnet, dass die erste Strahlungselektrode 130 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der Massefläche 110 liegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen ferner die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 in einer gemeinsamen Ebene. Ferner weichen die Abmessungen der zweiten Strahlungselektrode 220 von den Abmessungen der ersten Strahlungselektrode 130 nur geringfügig ab. Bevorzugterweise beträgt die Abweichung weniger als 20%. Fig. 2 shows an oblique view of a radiator geometry according to the invention according to a second embodiment of the present invention. The radiator geometry is designated in its entirety by 200. It should be noted that in the Fig. 1 and 2 as well as in the other figures, like reference numerals designate like devices. Shown here is a ground plane 110 having an aperture 120. Details of the aperture are not shown for reasons of clarity, but the aperture corresponds to the basis of the Fig. 1 shown and described. Furthermore, the radiator geometry 200 according to the invention comprises a first radiation electrode 130. The aperture 120 represents an opening in the ground plane 110 which lies below the first radiation electrode 130 in a plan view along a direction which is indicated by the arrow 210. Above the first radiation electrode is a second radiation electrode 220. It is enclosed by the third radiation electrode 230, wherein a gap 240 exists between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230. The second radiation electrode 220 is connected to the third radiation electrode 230 via four conductive bars 250, 252, 254, 256. In the embodiment shown, these webs are arranged approximately in the middle of the edges of the second radiation electrode 220. The second radiation electrode 220 is thus arranged such that the first radiation electrode 130 lies between the second radiation electrode 220 and the ground surface 110. Furthermore, in the embodiment shown, the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 lie in a common plane. Furthermore, the dimensions of the second radiation electrode 220 deviate only slightly from the dimensions of the first radiation electrode 130. Preferably, the deviation is less than 20%.

Basierend auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass eine solche Geometrie den Aufbau von zirkular polarisierten Dual- bzw. Multibandantennen ermöglicht. Die einzelnen Schichten können von verschiedenen Platinen getragen sein. Beispielsweise kann eine erste Platine aus einem dielektrischen Material die Massefläche 110 tragen, während eine zweite Platine die erste Strahlungselektrode 130 trägt und eine dritte Platine die zweite Strahlungselektrode 220 sowie die dritte Strahlungselektrode 230 trägt. Die Platinen sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt können aber so angeordnet sein, dass die jeweiligen Strahlungselektroden durch eine beliebige Oberfläche der Platine getragen sind. An der Unterseite einer Leiterplatte, die die Massefläche 110 trägt, kann sich eine Mikrostreifenleitung befinden, von der aus Leistung über die Apertur 120 in der Massefläche erst auf einen kleineren Patch, der von der ersten Strahlungselektrode 130 gebildet wird, übertragen werden. Der kleinere Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird, ist für das obere Frequenzband von zwei Frequenzbändern ausgelegt. Die Leistung, die durch die Apertur gekoppelt wird, kann nachfolgend auf einen größeren Patch übergekoppelt werden, der für das untere von zwei Frequenzbändern ausgelegt ist. Der größere Patch besteht effektiv aus zwei Patches, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet sind. Der größere Patch kann hierbei als zwei ineinander liegende Patches mit Kurzschlüssel interpretiert werden. Der innen liegende kleinere Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 gebildet wird, ist näherungsweise genau so groß wie der untere kleinere Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird. Leitfähige Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 verbinden die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230. Die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 wirken auf die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode je nach ihrer Lage als kapazitive oder induktive Belastung bzw. Koppelung, wodurch sie einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des oberen Strahlers, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet wird, ausüben. Eine Veränderung der Position eines Verbindungsstegs 250, 252, 254, 256 (in Bezug auf die zweite und dritte Strahlungselektrode 220, 230 sowie in Bezug auf die übrigen Verbindungsstege) kann somit für eine Feinabstimmung der Antennenstruktur genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 von der Mitte der Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220 weg hin zu den Ecken der zweiten Strahlungselektrode 220 zu bewegen. In dem Falle, dass zwei Ecken der zweiten Strahlungselektrode 220 abgeschrägt sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 hin zu diesen abgeschrägten bzw. abgeschnittenen Ecken zu bewegen. In übrigen wird darauf hingewiesen, dass die Verbindungsstege nicht in einer streng symmetrischen Weise angeordnet sein müssen. Vielmehr ist es zweckmäßig, die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 an gegenüberliegenden Kanten der zweiten Strahlungselektrode leicht versetzt anzuordnen, so dass eine Verbindungslinie zwischen zwei gegenüberliegenden Verbindungsstegen 250, 252, 254, 256 nicht parallel zu einer kante der zweiten Strahlungselektrode verläuft. Durch eine solche unsymmetrische Anordnung ergibt sich eine besonders große Freiheit bei der Feinabstimmung des oberen Strahlers. Schließlich sollte noch darauf hingewiesen werden, dass die Verbindungsstege auch entfallen können, wenn eine ausreichende Nahfeldkoppelung zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 besteht.Based on the structural description, the operation of a radiator geometry according to the invention will be described in more detail below. It should be noted that such a geometry enables the construction of circularly polarized dual or multi-band antennas. The individual layers can be carried by different boards. For example, a first board made of a dielectric material may carry the ground plane 110, while a second board carries the first radiation electrode 130 and a third board carries the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230. The boards are not shown here for the sake of clarity but can be arranged so that the respective radiation electrodes are supported by any surface of the board. On the underside of a circuit board, which carries the ground plane 110, there may be a microstrip line, from which power is transmitted via the aperture 120 in the ground plane only to a smaller patch, which is formed by the first radiation electrode 130 become. The smaller patch formed by the first radiation electrode 130 is designed for the upper frequency band of two frequency bands. The power coupled through the aperture may subsequently be overcoupled to a larger patch designed for the lower of two frequency bands. The larger patch effectively consists of two patches, which in the embodiment shown are formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230. The larger patch can be interpreted as two nested patches with a short key. The inner minor patch formed by the second radiation electrode 220 is approximately the same size as the lower minor patch formed by the first radiation electrode 130. Conductive connecting webs 250, 252, 254, 256 connect the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230. The connecting webs 250, 252, 254, 256 act on the second radiation electrode and the third radiation electrode depending on their position as a capacitive or inductive load or coupling whereby exerting an influence on the resonant frequency of the upper radiator formed by the second radiating electrode 220 and the third radiating electrode 230. A change in the position of a connecting web 250, 252, 254, 256 (with respect to the second and third radiation electrodes 220, 230 and with respect to the remaining connecting webs) can thus be used for a fine tuning of the antenna structure. For example, it is possible to move the connecting webs 250, 252, 254, 256 away from the center of the edges of the second radiation electrode 220 toward the corners of the second radiation electrode 220. In the case where two corners of the second radiation electrode 220 are chamfered, it has been found advantageous to move the connecting webs 250, 252, 254, 256 towards these chamfered corners. For the rest, it should be noted that the connecting webs need not be arranged in a strictly symmetrical manner. Rather, it is appropriate the connecting webs 250, 252, 254, 256 to be arranged slightly offset at opposite edges of the second radiation electrode, so that a connecting line between two opposite connecting webs 250, 252, 254, 256 is not parallel to an edge of the second radiation electrode. Such an asymmetrical arrangement results in a particularly large freedom in the fine tuning of the upper radiator. Finally, it should also be pointed out that the connecting webs can also be omitted if there is sufficient near-field coupling between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.

Die erfindungsgemäße Struktur umfasst somit effektiv zwei strahlungsfähige Strukturen, nämlich einen so genannten unteren Patch, der von der ersten Strahlungselektrode 130 gebildet wird, und der insbesondere bei höheren Frequenzen wirksam ist, und einen oberen, größeren Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet ist.The structure according to the invention thus effectively comprises two radiation-capable structures, namely a so-called lower patch, which is formed by the first radiation electrode 130, and which is effective in particular at higher frequencies, and an upper, larger patch, which by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 is formed.

Es sollte weiterhin darauf hingewiesen werden, dass der Abstand zwischen dem kleinen Patch, das durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet ist, und der Massefläche kleiner ist als der Abstand zwischen dem zweiten größeren Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet ist, und der Massefläche 110.It should further be noted that the distance between the small patch formed by the first radiation electrode 130 and the ground surface is smaller than the distance between the second larger patch formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 and the ground plane 110.

Eine erfindungsgemäße Struktur bietet wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Strukturen, wodurch eine zirkular polarisierte Abstrahlung in zwei Frequenzbändern erzielt werden kann, ohne dass die Reinheit der Polarisation wesentlich beeinflusst wird oder dass in größerem Umfang Oberflächenwellen angeregt werden.A structure according to the invention offers significant advantages over known structures, whereby a circularly polarized radiation in two frequency bands can be achieved without substantially influencing the purity of the polarization or by exciting surface waves to a greater extent.

Es wird hierbei darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen eine Vergrößerung einer elektrischen Substratdicke zu einer Entstehung von Oberflächenwellen höherer Ordnung führt. Entstehen solche Oberflächenwellen, so wird der Antennengewinn stark reduziert. Um die Entstehung von Oberflächenwellen zu vermeiden bzw. gering zu halten, haben die beiden Antennenstrukturen, die in einer erfindungsgemäßen Geometrie enthalten sind, für verschiedene Frequenzbereiche verschiedene wirksame Substratdicken. Bei niedrigen Frequenzen ist der obere größere Patch, der durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 gebildet wird, wirksam. Die effektive Substratdicke ist gleich dem Abstand der zweiten und dritten Strahlungselektrode von der Massefläche 110. Dieser Abstand ist hier mit D bezeichnet. Bei höheren Frequenzen hingegen ist der untere kleine Patch, der durch die erste Strahlungselektrode 130 gebildet wird, wirksam. Die wirksame Substratdicke ist gleich dem Abstand zwischen der ersten Strahlungselektrode 130 und der Massefläche 110, der hier mit d bezeichnet ist.It should be noted that in general an increase of an electrical substrate thickness to a Formation of surface waves of higher order leads. If such surface waves occur, the antenna gain is greatly reduced. In order to avoid or minimize the formation of surface waves, the two antenna structures, which are contained in a geometry according to the invention, have different effective substrate thicknesses for different frequency ranges. At low frequencies, the upper major patch formed by second radiation electrode 220 and third radiation electrode 230 is effective. The effective substrate thickness is equal to the distance of the second and third radiation electrodes from the ground plane 110. This distance is denoted by D here. At higher frequencies, on the other hand, the lower small patch formed by the first radiation electrode 130 is effective. The effective substrate thickness is equal to the distance between the first radiation electrode 130 and the ground plane 110, which is designated here by d.

Es zeigt sich somit, dass die wirksame Substratdicke für niedrige Frequenzen, die mit D bezeichnet ist, größer ist als die wirksame Substratdicke für hohe Frequenzen, die mit d bezeichnet ist. Dies entspricht der Anforderung, dass Antennen für verschiedene Frequenzen verschiedene Substratdicken aufweisen müssen. Somit kann durch die Tatsache, dass sich die bei verschiedenen Frequenzen wirksamen Strahler in verschiedenen Ebenen und in verschiedener Entfernung von der Massefläche 110 befinden, die Erzeugung von Oberflächenwellen wirksam verringert werden. Es ist nämlich gerade die Anforderung erfüllt, dass die wirksame Substratdicke für hohe Frequenzen geringer sein sollte als für niedrige Frequenzen.Thus, it can be seen that the effective substrate thickness for low frequencies, denoted by D, is greater than the effective substrate thickness for high frequencies, denoted by d. This corresponds to the requirement that antennas for different frequencies must have different substrate thicknesses. Thus, by having the radiators operating at different frequencies at different planes and at different distances from the ground plane 110, the generation of surface waves can be effectively reduced. In fact, it is precisely the requirement that the effective substrate thickness should be lower for high frequencies than for low frequencies.

Ebenso wird mit der erfindungsgemäßen Geometrie die Anforderung erfüllt, dass die Antenne für das obere Frequenzband (gebildet durch die erste Strahlungselektrode 130) näher an der Massefläche 110 und an der Apertur 120 liegen muss, als die Antenne für das untere Frequenzband (gebildet durch die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230). Wäre nämlich der größere Patch unten (d.h. in der Nähe der Apertur) und der kleinere Patch oben (d.h.entfernt von der Apertur), so würde dies in schlechten Polarisationseigenschaften in dem oberen Frequenzbereich resultieren, weil die Apertur durch den größeren Patch abgeschirmt würde. In einem solchen Falle wäre eine wirksame Ankopplung des kleinen Patches über die Apertur nicht mehr möglich. Entsprechend könnte ein kleinerer Patch, der durch einen größeren Patch von der Apertur getrennt wäre, keine zirkular polarisierte Welle mit einem geringen Anteil einer orthogonalen Polarisation abstrahlen.Likewise, the geometry according to the invention satisfies the requirement that the antenna for the upper frequency band (formed by the first radiation electrode 130) must be closer to the ground plane 110 and to the aperture 120 than the antenna for the lower frequency band (formed by the second Radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230). That is, if the larger patch down (ie near the aperture) and the smaller patch at the top (away from the aperture) would result in poor polarization characteristics in the upper frequency range because the aperture would be shielded by the larger patch. In such a case, an effective coupling of the small patch over the aperture would no longer be possible. Similarly, a smaller patch that would be separated from the aperture by a larger patch could not radiate a circularly polarized wave with a small amount of orthogonal polarization.

Ferner wird durch die erfindungsgemäße Geometrie, bei der der größere Patch aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich aus der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230, vermieden, dass die Abstrahlung des unten liegenden kleineren Patches durch den oben liegenden größeren Patch zu stark abgeschirmt wird. Es ist nämlich, wenn die Antenne für das obere Frequenzband näher zu der Massefläche 110 als die Antenne für das untere Frequenzband liegt, die starke Abschirmung des kleinen Strahlers mit dem großen zu vermeiden.Furthermore, the geometry according to the invention, in which the larger patch is composed of two parts, namely the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230, avoids that the radiation of the lower patch lying below is too much shielded by the larger patch lying on top , Namely, if the antenna for the upper frequency band is closer to the ground plane 110 than the antenna for the lower frequency band, the strong shielding of the small radiator with the large one is to be avoided.

Eine verringerte Abschirmung der Strahlung des unteren Patches 130 durch den oben liegenden Patch 220, 230 wird durch den Spalt 140 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 erzielt.Reduced shielding of the radiation of the lower patch 130 by the overhead patch 220, 230 is achieved by the gap 140 between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.

Auch die erfindungsgemäße Strahlergeometrie 200 kann wesentlich verändert werden. So können auf die einzelnen Strahlungselektroden 130, 220, 230 alle vorher beschriebenen Veränderungen angewendet werden. Beispielsweise ist es vorteilhaft, die Ecken der entsprechenden Strahlungselektroden zu beschneiden. Dadurch können mehrere für eine zirkulare Abstrahlung erforderliche Modi verkoppelt werden, während unerwünschte Modi unterdrückt werden können.The radiator geometry 200 according to the invention can also be substantially changed. Thus, all the previously described changes can be applied to the individual radiation electrodes 130, 220, 230. For example, it is advantageous to trim the corners of the corresponding radiation electrodes. As a result, several modes required for circular emission can be coupled, while undesired modes can be suppressed.

Fig. 3 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 300 bezeichnet. Sie entspricht im Wesentlichen der anhand von Fig. 1 gezeigten Antennenstruktur 100, sodass gleiche Einrichtungen und Geometriemerkmale hier mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Unverändert übernommene Merkmale werden hier nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass bei der Antennenanordnung 300 eine erste Ecke 310 sowie eine zweite Ecke 320 der ersten Strahlungselektrode 130 abgeschnitten bzw. abgeschrägt sind. Diese geometrische Veränderung trägt dazu bei, dass eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abgestrahlt werden kann. Ferner weist die Antennenanordnung 300 eine Stichleitung 330 auf, die an der Streifenleitung 140 angebracht ist. Diese Stichleitung 330 dient einer weiteren Impedanzanpassung der vorliegenden Antennenstruktur. Die Dimensionierung einer solchen Stichleitung zur Anpassung ist einem Fachmann wohl bekannt. Fig. 3 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a third embodiment of the present invention. The antenna structure is designated in its entirety by 300. It essentially corresponds to the basis of Fig. 1 shown antenna structure 100, so that the same facilities and geometry features are provided here with the same reference numerals. Unchanged features will not be described separately here. It should be noted, however, that in the antenna arrangement 300, a first corner 310 and a second corner 320 of the first radiation electrode 130 are cut off or bevelled. This geometric change helps to radiate a circularly polarized electromagnetic wave. Furthermore, the antenna arrangement 300 has a stub 330, which is attached to the strip line 140. This stub 330 is for further impedance matching of the present antenna structure. The dimensioning of such a stub for adaptation is well known to a person skilled in the art.

Ferner zeigt die Fig. 3 einen einschließenden Quader 340, der die gesamte Antennenstruktur umschließt. Ein solcher einschließender Quader kann beispielsweise verwendet werden, um bei einer elektromagnetische Simulation einer Antennenstruktur ein Simulationsgebiet zu begrenzen.Furthermore, the shows Fig. 3 an enclosing box 340 that encloses the entire antenna structure. Such an enclosing cuboid can be used, for example, to limit a simulation area in an electromagnetic simulation of an antenna structure.

Die Fig. 4 zeigt ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 400 bezeichnet. Die Antennenstruktur 400 umfasst eine Speiseleitung 140, eine Massefläche 110 mit einer Apertur 120 sowie eine erste Strahlungselektrode 130, eine zweite Strahlungselektrode 220 und eine dritte Strahlungselektrode 230. Die Geometrie der ersten Strahlungselektrode 130 entspricht hierbei im Wesentlichen der Geometrie der in Fig. 3 gezeigten ersten Strahlungselektrode 130. Die zweite und die dritte Strahlungselektrode 220, 230 sind im Wesentlichen genauso angeordnet, wie dies anhand von Fig. 2 beschrieben ist. Allerdings sind bei der Antennenstruktur 400 zwei gegenüberliegende Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 abgeschrägt. Die dritte Strahlungselektrode 230 umschließt wiederum die zweite Strahlungselektrode 220, wobei zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 ein Schlitz bzw. Spalt 240 vorhanden ist. Im übrigen sei darauf hingewiesen, dass die dritte Strahlungselektrode 230 von ihrer Form her der zweiten Strahlungselektrode 220 angepasst ist. Das heißt, dass die dritte Strahlungselektrode 230 an die abgeschrägten Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 so angepasst ist, dass der Spalt 240 zwischen der zweiten Strahlungselektrode 220 und der dritten Strahlungselektrode 230 auch in dem Bereich der abgeschrägten Ecken 410, 420 im Wesentlichen mit gleich bleibender Breite verläuft. Die inneren Kanten der dritten Strahlungselektrode 230 verlaufen somit im Wesentlichen parallel zu den äußeren Kanten der zweiten Strahlungselektrode 220. Auch die dritte Strahlungselektrode 230 weist zwei äußere abgeschrägte Ecken 430, 440 auf, die den abgeschrägten Ecken 410, 420 der zweiten Strahlungselektrode 220 benachbart sind. Somit weisen sowohl die erste, die zweite als auch die dritte Strahlungselektrode 130, 220, 230 abgeschrägte Ecken 310, 320, 410, 420, 430, 440 auf, wobei jeweils die benachbarten Ecken der verschiedenen Strahlungselektroden abgeschrägt sind. Die zweite und die dritte Strahlungselektrode 220, 230 sind über Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 gekoppelt, wobei die Verbindungsstege 250, 252, 254, 256 etwa in der Mitte von Kanten eines Rechtecks, das die zweite Strahlungselektrode 220, abgesehen von den abgeschrägten Ecken, beschreibt, angeordnet sind.The Fig. 4 shows an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention. The antenna structure is designated 400 in its entirety. The antenna structure 400 comprises a feed line 140, a ground plane 110 with an aperture 120 and a first radiation electrode 130, a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 230. The geometry of the first radiation electrode 130 corresponds substantially to the geometry of FIG Fig. 3 The first and second radiation electrodes 220, 230 are arranged in much the same way as they are based on Fig. 2 is described. However, in the antenna structure 400, two opposite corners 410, 420 of the second radiation electrode 220 are chamfered. The third radiation electrode 230 in turn encloses the second radiation electrode 220, wherein between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230, a slot or gap 240 is present. It should also be noted that the third radiation electrode 230 is adapted in shape to the second radiation electrode 220. That is, the third radiation electrode 230 is fitted to the chamfered corners 410, 420 of the second radiation electrode 220 such that the gap 240 between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 substantially coincides also in the region of the chamfered corners 410, 420 remains constant width. The inner edges of the third radiation electrode 230 are thus substantially parallel to the outer edges of the second radiation electrode 220. Also, the third radiation electrode 230 has two outer bevelled corners 430, 440 adjacent the chamfered corners 410, 420 of the second radiation electrode 220. Thus, each of the first, second, and third radiation electrodes 130, 220, 230 has beveled corners 310, 320, 410, 420, 430, 440, with each of the adjacent corners of the various radiation electrodes being chamfered. The second and third radiation electrodes 220, 230 are coupled via connecting webs 250, 252, 254, 256, wherein the connecting webs 250, 252, 254, 256 approximately in the middle of edges of a rectangle, the second radiation electrode 220, apart from the bevelled Corners, describes, are arranged.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Größe der zweiten Strahlungselektrode 220 bis auf eine Abweichung von höchstens 20% gleich der Größe der ersten Strahlungselektrode 130 ist. Auch von der Form her unterscheiden sich die erste und die zweite Strahlungselektrode 130, 220 nicht wesentlich. Sie sind daher nahezu parallele Elektroden von nahezu gleicher Form und mit nahezu gleichen Abmessungen.It should also be noted that the size of the second radiation electrode 220 is equal to the size of the first radiation electrode 130, except for a deviation of at most 20%. Also differ in the shape of the first and second radiation electrodes 130, 220 are not essential. They are therefore almost parallel electrodes of almost the same shape and with almost the same dimensions.

Es wird hier auch noch einmal explizit auf die Schichtenreihenfolge hingewiesen. Die Speiseleitung 140 bildet die unterste leitende Schicht. Darüber ist eine Massefläche 110 angeordnet, die eine Apertur 120 aufweist. Wiederum darüber liegt in einer Ebene die erste Strahlungselektrode 130. In einer weiteren, weiter oberhalb liegenden Ebene sind die zweite Strahlungselektrode 220 und die dritte Strahlungselektrode 230 angeordnet. Die jeweiligen Metallisierungen, d. h. die Speiseleitung 140, die Massefläche 110 sowie die erste, zweite und dritte Strahlungselektrode 130, 220, 230 werden jeweils von dielektrischen Schichten getragen.It is also referred to here again explicitly on the layer order. The feed line 140 forms the lowermost conductive layer. In addition, a ground plane 110 is arranged, which has an aperture 120. Once again, the first radiation electrode 130 lies in one plane. In a further, further above, plane, the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230 are arranged. The respective metallizations, d. H. the feed line 140, the ground plane 110 and the first, second and third radiation electrodes 130, 220, 230 are each supported by dielectric layers.

Zu bemerken ist hier weiterhin, dass die Breite der Speiseleitung 140 zu Anpassungszwecken verändert wird. Entfernt von der Apertur weist die Speiseleitung 140 einen breiten Abschnitt 450 auf, während die Speiseleitung 140 in der Nähe der Apertur schmaler ist. Eine schmale Speiseleitung ist vorteilhaft, da diese eine größere Konzentration des elektrischen Feldes bewirkt. Damit kann eine stärkere Koppelung der Strahlungselektroden an die Speiseleitung durch die Apertur 120 erfolgen. Im übrigen dient die Veränderung der Breite der Speiseleitung auch einer Impedanzanpassung, wobei durch eine geeignete Wahl der Länge des dünnen Stücks 460 die Anpassung beeinflusst werden kann.It should also be noted here that the width of the feed line 140 is changed for adaptation purposes. Remote from the aperture, the feedline 140 has a wide section 450 while the feedline 140 is narrower near the aperture. A narrow feed line is advantageous because it causes a greater concentration of the electric field. This allows a stronger coupling of the radiation electrodes to the feed line through the aperture 120. Incidentally, the change in the width of the feed line also serves to match the impedance, and the adaptation can be influenced by a suitable choice of the length of the thin piece 460.

Gezeigt ist im übrigen noch ein einschließendes Rechteck 470, das ein Simulationsgebiet, in dem die Antennenstruktur simuliert wird, begrenzt. Das einschließende Rechteck zeigt auch die Dicke der jeweiligen Schichten an.In addition, an enclosing rectangle 470 is shown, which delimits a simulation area in which the antenna structure is simulated. The enclosing rectangle also indicates the thickness of the respective layers.

Fig. 5 zeigt eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist hierbei eine aufgebaute Monobandantenne, die für den Frequenzbereich von 2,40GHz bis 2,48 GHz ausgelegt ist. Die Antenne ist in ihrer Gesamtheit mit 500 bezeichnet. Sie weist eine erste Platte 510 aus einem dielektrischen Material sowie eine zweite Platte 520 aus einem dielektrischen Material auf. Die beiden Platten sind durch vier Abstandshalter 530 aus einem dielektrischen Material getrennt bzw. fixiert. Die erste dielektrische Platte 510 trägt eine erste Strahlungselektrode 130. Die zweite dielektrische Platte 520 trägt auf einer oberen Fläche die Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Die untere Seite der dielektrischen Platte 530 trägt eine Speiseleitung, über die der Antenne elektrische Energie von einer SMA-Buchse 550 zugeführt wird. Fig. 5 shows a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the third embodiment of the present invention. Shown here is a constructed monoband antenna, the frequency range from 2.40GHz to 2.48GHz. The antenna is designated 500 in its entirety. It has a first plate 510 of a dielectric material and a second plate 520 of a dielectric material. The two plates are separated or fixed by four spacers 530 made of a dielectric material. The first dielectric plate 510 carries a first radiation electrode 130. The second dielectric plate 520 carries on a top surface the ground plane 110 having an aperture 120. The lower side of the dielectric plate 530 carries a feed line through which electrical power is supplied to the antenna from an SMA jack 550.

Die Antennenanordnung 500 weist eine erste Abmessung 570, die als eine Breite aufgefasst werden kann, von 75 mm auf. Eine zweite Abmessung 572, die auch als Länge aufgefasst werden kann, beträgt ebenfalls 75 mm. Schließlich beträgt eine dritte Abmessung 574, die als Höhe verstanden werden kann, 10 mm. Lediglich zum Größenvergleich ist hier eine Ein-Euro-Münze 576 gezeigt.The antenna assembly 500 has a first dimension 570, which can be considered as a width, of 75 mm. A second dimension 572, which can also be considered as a length, is also 75 mm. Finally, a third dimension 574, which can be understood as height, is 10 mm. Only for size comparison here is a one-euro coin 576 shown.

Fig. 6 zeigt eine Fotografie eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 600 bezeichnet. Sie umfasst eine erste dielektrische Schicht 610, eine zweite dielektrische Schicht 620 sowie eine dritte dielektrische Schicht 630. Fig. 6 shows a photograph of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the fourth embodiment of the present invention. The antenna structure is designated in its entirety by 600. It comprises a first dielectric layer 610, a second dielectric layer 620 and a third dielectric layer 630.

Die 3 dielektrischen Schichten bzw. Platten 610, 620, 630 werden durch dielektrische Abstandshalter 640 gehalten. Die erste dielektrische Platte 610 trägt hierbei eine zweite Strahlungselektrode 220 sowie eine dritte Strahlungselektrode 30. Die zweite dielektrische Platte trägt eine erste Strahlungselektrode 130. Die dritte dielektrische Platte 630 trägt auf einer Seite eine Massefläche 110 und auf der anderen Seite eine Speiseleitung 140. Die Speiseleitung ist im Übrigen an eine SMA-Buchse 650 herausgeführt. Die gesamte Antennenstruktur 600 bildet eine Dualbandantenne.The 3 dielectric layers or plates 610, 620, 630 are held by dielectric spacers 640. The first dielectric plate 610 carries here a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 30. The second dielectric plate carries a first radiation electrode 130. The third dielectric plate 630 carries on one side a ground plane 110 and on the other side a feed line 140. The feed line is incidentally, led out to an SMA socket 650. The entire antenna structure 600 forms a dual band antenna.

Die Antenne 600 weist eine erste Dimension 670 auf, die auch als Länge betrachtet werden kann. Diese erste Dimension beträgt 75 mm. Weiterhin weist die Antenne 600 eine zweite Dimension 672 auf, die als Breite betrachtet werden kann, und die ebenfalls 75 mm beträgt. Eine dritte Dimension 674 der Antenne 600 kann als Höhe aufgefasst werden. Diese Höhe beträgt 10,5 mm.The antenna 600 has a first dimension 670, which may also be considered as a length. This first dimension is 75 mm. Furthermore, the antenna 600 has a second dimension 672, which can be considered as a width, and which is also 75 mm. A third dimension 674 of the antenna 600 may be considered as a height. This height is 10.5 mm.

Die gezeigte Dualbandantenne 600 basiert auf der Monobandantenne 500, wobei die Monobandantenne zu einer Dualbandantenne verbessert wurde. Die Antenne 600, die von ihrem prinzipiellen Aufbau her der in Fig. 4 gezeigten Antenne 400 entspricht, ist aus mehreren Schichten aufgebaut, die im Folgenden näher erläutert wird. Die unterste Lage der Antenne wird von einer strukturierten leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Metallisierungsschicht bzw. Metallschicht, gebildet, die insgesamt eine Mikrostreifenleitung bildet. Diese Mikrostreifenleitung ist auf der Unterseite eines ersten Substrats vom Typ FR4 aufgebracht, wobei das erste Substrat eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Das erste Substrat entspricht der dritten dielektrischen Schicht 630. Auf der Oberseite des ersten Substrats ist eine Massefläche aufgebracht, die eine gesamte Ausdehnung von 75 mm x 75 mm aufweist. Die Massefläche umfasst ferner eine Apertur 120. Oberhalb der Massefläche befindet sich eine Schicht, die nicht von einem dielektrischen Material gefüllt ist. Entsprechend umfasst die Antenne also eine Luftschicht, die eine Dicke von 5 mm aufweist. Oberhalb dieser Luftschicht befindet sich eine weitere leitfähige Schicht, auf der die erste Strahlungselektrode als Patch gebildet ist. Die weitere leitfähige Schicht wird durch eine zweite dielektrische Schicht aus FR4 getragen, die wiederum eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Die zweite dielektrische FR4-Schicht entspricht der in Fig. 6 gezeigten zweiten dielektrischen Schicht 620. Oberhalb der zweiten dielektrischen FR4-Schicht ist wiederum eine Schicht, in der sich kein festes Dielektrikum befindet. Es entsteht somit eine zweite Luftschicht, deren Dicke 4 mm beträgt. Wiederum oberhalb davon befindet sich eine dritte dielektrische FR4-Schicht, die eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Die dritte dielektrische FR4-Schicht trägt eine weitere leitfähige Schicht, auf der durch Strukturierung die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in Form von Patches gebildet sind. Leitende Verbindungsstege zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode weisen eine Breite von 1 mm auf. Die gesamt Antennenstruktur umfasst somit folgende Schichten in der gezeigten Reihenfolge: Mikrostreifenleitung; FR4 (0,5 mm); Massefläche (75 mm x 75 mm, mit Apertur); Luft (5 mm); Patch 1 (erste Strahlungselektrode); FR4 (0,5 mm); Luft (4 mm); FR4 (0,5 mm) und Patch 2 (zweite Strahlungselektrode und dritte Strahlungselektrode). Alle Schichten und Abmessungen können um bis zu 30 % variieren. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Abweichung von den bevorzugten Abmessungen nicht mehr als 15 % beträgt.The dual-band antenna 600 shown is based on the monoband antenna 500, whereby the monoband antenna has been improved into a dual-band antenna. The antenna 600, the in its basic structure of the in Fig. 4 shown antenna 400 is constructed of several layers, which will be explained in more detail below. The lowermost position of the antenna is formed by a structured conductive layer, for example a metallization layer or metal layer, which as a whole forms a microstrip line. This microstrip line is deposited on the underside of a first FR4 type substrate, with the first substrate having a thickness of 0.5 mm. The first substrate corresponds to the third dielectric layer 630. On top of the first substrate is applied a ground plane having a total extension of 75 mm x 75 mm. The ground plane further includes an aperture 120. Above the ground plane is a layer that is not filled with a dielectric material. Accordingly, the antenna thus comprises an air layer having a thickness of 5 mm. Above this layer of air is another conductive layer on which the first radiation electrode is formed as a patch. The further conductive layer is supported by a second dielectric layer of FR4, again having a thickness of 0.5 mm. The second dielectric FR4 layer is the same as in FIG Fig. 6 shown second dielectric layer 620. Above the second dielectric FR4 layer is again a layer in which there is no solid dielectric. This creates a second layer of air whose thickness is 4 mm. Again above it is a third dielectric FR4 layer having a thickness of 0.5 mm. The third FR4 dielectric layer carries another conductive layer on which the second radiation electrode and the third radiation electrode are formed in the form of patches by structuring. Conductive connecting webs between the second radiation electrode and the third radiation electrode have a width of 1 mm. The entire antenna structure thus comprises the following layers in the order shown: microstrip line; FR4 (0.5 mm); Ground area (75 mm x 75 mm, with aperture); Air (5 mm); Patch 1 (first radiation electrode); FR4 (0.5 mm); Air (4 mm); FR4 (0.5 mm) and patch 2 (second radiation electrode and third radiation electrode). All layers and dimensions can vary by up to 30%. However, it is preferred that the deviation from the preferred dimensions is not more than 15%.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen 500 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 700 bezeichnet. Der Eingangsreflexionsfaktor S11 wurde für eine aufgebaute Patchantenne gemessen, die für einen Frequenzbereich von 2,40 bis 2,48 GHz ausgelegt ist. Ein Foto einer derartigen Antenne 500 ist in Fig. 5 gezeigt. Fig. 7 FIG. 12 is a graph showing the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 500 of an antenna according to the third embodiment of the present invention. The graphical representation is designated in its entirety by 700. The input reflection factor S11 was measured for a patch antenna designed for a frequency range of 2.40 to 2.48 GHz. A photograph of such an antenna 500 is shown in FIG Fig. 5 shown.

An der Abszisse 710 ist die Frequenz von 2,15 GHz bis 2,85 GHz angetragen. Die Ordinate 712 zeigt in logarithmierter Form den Betrag des Eingangsreflexionsfaktors S11. Hierbei ist der Eingangsreflexionsfaktor in einem Bereich von -50 dB bis 0 dB angetragen. Eine erste Kurve 720 zeigt einen simulierten Eingangsreflexionsfaktor. Eine zweite Kurve 730 zeigt den gemessen Wert für dem Eingangsreflexionsfaktor.The abscissa 710 has the frequency of 2.15 GHz to 2.85 GHz. The ordinate 712 shows in logarithm form the amount of the input reflection factor S11. Here, the input reflection factor is plotted in a range of -50 dB to 0 dB. A first curve 720 shows a simulated input reflection factor. A second curve 730 shows the measured value for the input reflection factor.

Gemäß der Messung liegt der Eingangsreflexionsfaktor in dem gesamten gezeigten Frequenzbereich von 2,15 GHz bis 2,85 GHz unter -10 dB. Auch die Simulation zeigt eine ähnliche breitbandige Charakteristik der Antenne.According to the measurement, the input reflection factor is below -10 dB in the entire frequency range shown from 2.15 GHz to 2.85 GHz. The simulation also shows a similar broadband characteristic of the antenna.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Polarisationsentkopplung für einen Prototypen 500 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 800 bezeichnet. An der Abszisse 810 ist die Frequenz in einem Bereich von 2,3 GHz bis 2,55 GHz angetragen. Die Ordinate 812 zeigt die Polarisationsentkopplung in Dezibel in einem Bereich zwischen 0 und 25 dB. Eine erste Kurve 820 zeigt einen simulierten Verlauf der Polarisationsentkopplung, während eine zweite Kurve 830 gemessene Werte darstellt. In der erforderlichen Bandbreite von 2,40 GHz bis 2,48 GHz wird die Kreuzpolarisation bei einem ausreichenden Anpassungsfaktor um mehr als 15,5 dB unterdrückt. Fig. 8 shows a graphical representation of the polarization decoupling for a prototype 500 of an antenna according to the invention according to the third embodiment of the present invention. The graphical representation is designated in its entirety by 800. At abscissa 810, the frequency is plotted in a range of 2.3 GHz to 2.55 GHz. The ordinate 812 shows the polarization decoupling in decibels in a range between 0 and 25 dB. A first curve 820 shows a simulated history of polarization decoupling, while a second curve 830 represents measured values. In the required bandwidth from 2.40 GHz to 2.48 GHz, the cross polarization is suppressed by more than 15.5 dB with a sufficient matching factor.

Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen 600 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die graphische Darstellung ist in ihrer Gesamtheit mit 900 bezeichnet. Gezeigt sind hierbei Messergebnisse für den Reflexionskoeffizienten einer erfindungsgemäßen Dualbandantenne, wie sie anhand der Fig. 4 und 6 beschrieben wurde. Die Abszisse 910 zeigt hierbei den Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 6 GHz. An der Ordinate 912 ist der Betrag des Eingangsreflexionsfaktors S11 in logarithmischer Form von -40 dB bis + 40 dB angetragen. Eine Kurve 920 zeigt den Verlauf des Eingangsreflexionsfaktors über der Frequenz. Gezeigt sind weiterhin ein erster Marker 930, ein zweiter Marker 932, ein dritter Marker 934 sowie ein vierter Marker 936. Der erste Marker zeigt an, dass der Eingangsreflexionsfaktor bei 2,40 GHz -13,618 dB beträgt. Der zweite Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von -16,147 dB bei 2,48 GHz. Der dritte Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von -9,457 dB bei 5,15 GHz, und der vierte Marker zeigt einen Eingangsreflexionsfaktor von -10,011 dB bei 5,35 GHz. Der fünfte Marker zeigt schließlich einen Eingangsreflexionsfaktor von -0,748 dB bei 4,0008 GHz. Fig. 9 FIG. 12 is a graph showing the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 600 of an antenna according to the fourth embodiment of the present invention. The graph is designated 900 in its entirety. Shown here are measurement results for the reflection coefficient of a dual-band antenna according to the invention, as described on the basis of FIG Fig. 4 and 6 has been described. The abscissa 910 shows the frequency range between 2 GHz and 6 GHz. At the ordinate 912, the amount of the input reflection factor S11 is plotted in logarithmic form from -40 dB to + 40 dB. A curve 920 shows the variation of the input reflection factor versus frequency. Also shown are a first marker 930, a second marker 932, a third marker 934 and a fourth marker 936. The first marker indicates that the input reflection factor at 2.40 GHz is -13.618 dB. The second marker shows an input reflection factor of -16.147 dB at 2.48 GHz. The third Marker shows an input reflection factor of -9.457 dB at 5.15 GHz, and the fourth marker shows an input reflection factor of -10.011 dB at 5.35 GHz. Finally, the fifth marker shows an input reflection factor of -0.748 dB at 4.0008 GHz.

Somit zeigt sich, dass der Eingangsreflexionsfaktor in dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz weniger als -13 dB beträgt, und dass der Eingangsreflexionsfaktor in dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz weniger als -9,4 dB beträgt.Thus, it can be seen that the input reflection factor in the ISM band between 2.40 GHz and 2.48 GHz is less than -13 dB, and that the input reflection factor in the ISM band between 5.15 GHz and 5.35 GHz is less than -13 dB -9.4 dB.

Neben dem Eingangsreflexionsfaktor wurden auch die Strahlungscharakteristiken der Dualbandantenne vermessen. In dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz beträgt der Antennengewinn eines Prototypen einer Dualbandantenne zwischen 8,9 dBic und 9,3 dBic. Die Halbwertbreite beträgt hierbei 70°, und die Polarisationsentkopplung liegt zwischen 11 dB und 22 dB.In addition to the input reflection factor, the radiation characteristics of the dual-band antenna were also measured. In the ISM band between 2.40 GHz and 2.48 GHz, the antenna gain of a prototype dual band antenna is between 8.9 dBic and 9.3 dBic. The half-value width is 70 °, and the polarization decoupling is between 11 dB and 22 dB.

In dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz beträgt der Antennengewinn zwischen 5,9 dBic und 7,3 dBic. Die Halbwertsbreite beträgt 35°, die Polarisationsentkopplung zwischen 5 dB und 7 dB.In the ISM band between 5.15 GHz and 5.35 GHz, the antenna gain is between 5.9 dBic and 7.3 dBic. The half width is 35 °, the polarization decoupling between 5 dB and 7 dB.

Die erforderlichen Anpassungseigenschaften und Strahlungseigenschaften können somit mit einer erfindungsgemäßen Dualbandantenne erzielt werden. Weiter ist festzuhalten, dass die Polarisationsreinheit für den oberen Frequenzbereich noch optimiert werden kann. Hierzu können beispielsweise geometrische Details verändert werden.The required matching properties and radiation properties can thus be achieved with a dual-band antenna according to the invention. It should also be noted that the polarization purity for the upper frequency range can still be optimized. For this example, geometric details can be changed.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass die vorliegende Erfindung eine planare zirkular polarisierte Antenne schafft, die in den ISM-Bändern von 2,40 GHz bis 2,48 GHz und 5,15 GHz bis 5,35 GHz benutzt werden kann. Die vorgeschlagene Form des Schlitzes für eine aperturgekoppelte Patchantenne ermöglicht die Abstrahlung fast rein zirkular polarisierter Wellen bei relativ großer Bandbreite des Reflexionskoeffizienten S11. Dies ist insbesondere auch für multibandige Antennen möglich. Mit einer erfindungsgemäßen Antenne kann eine Funkverbindung erzielt werden, bei der die Stärke des von einer erfindungsgemäßen Antenne empfangenen Signals bei einer linearen Polarisation eines Senders unabhängig von der Einbaulage der Empfangsantenne ist. Mit anderen Worten, durch eine zirkular polarisierte Antenne kann ein linear polarisiertes Signal unabhängig von der Orientierung der Antenne empfangen werden.In summary, therefore, the present invention provides a planar circularly polarized antenna that can be used in the ISM bands from 2.40 GHz to 2.48 GHz and 5.15 GHz to 5.35 GHz. The proposed shape of the slot for an aperture-coupled patch antenna allows the radiation almost purely circular polarized waves at a relatively large bandwidth of the reflection coefficient S11. This is especially possible for multiband antennas. With an antenna according to the invention, a radio link can be achieved in which the strength of the signal received by an antenna according to the invention in a linear polarization of a transmitter is independent of the installation position of the receiving antenna. In other words, by a circularly polarized antenna, a linearly polarized signal can be received regardless of the orientation of the antenna.

Die erfindungsgemäße Antenne wurde in mehreren Schritten entwickelt. Eine erste Teilaufgabe bestand darin, eine aperturgekoppelte Antenne für einen Frequenzbereich von 2,40 bis 2,48 GHz mit rechtshändig zirkularer Polarisation (RHCP) zu entwickeln. Bei der Simulation wurde vor allem darauf geachtet, eine starke Unterdrückung der orthogonalen Polarisation innerhalb der erforderlichen Bandbreite zu erreichen. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei einer Speisung eines Patches über eine nicht-resonante Kreuzapertur die Kreuzpolarisation sehr stark unterdrückt wird. Allerdings ist bei einer solchen nicht-resonanten Kreuzapertur die Bandbreite des Reflexionskoeffizienten schmal. Eine resonante rechteckige Apertur (sog. SSFIP-Prinzip) weist eine größere Bandbreite auf, wobei aber die Polarisationsentkopplung schwächer ist. Schließlich hat sich eine früher unbekannte Kombination der beiden Schlitzgeometrien als vorteilhaft erwiesen, die hier als resonante Kreuzapertur bezeichnet wird. Eine entsprechende Antennengeometrie wurde in den Fig. 1, 3 und 5 gezeigt.The antenna according to the invention was developed in several steps. A first sub-task was to develop an aperture-coupled antenna for a frequency range of 2.40 to 2.48 GHz with right-handed circular polarization (RHCP). In the simulation, particular care was taken to achieve a strong suppression of the orthogonal polarization within the required bandwidth. It has been found that when a patch is fed via a non-resonant cross-aperture, the cross-polarization is very strongly suppressed. However, in such a non-resonant cross-aperture, the bandwidth of the reflection coefficient is narrow. A resonant rectangular aperture (so-called SSFIP principle) has a larger bandwidth, but the polarization decoupling is weaker. Finally, an earlier unknown combination of the two slot geometries has proven to be advantageous, which is referred to here as a resonant cross aperture. A corresponding antenna geometry was in the Fig. 1 . 3 and 5 shown.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Geometrie der Apertur bzw. des Schlitzes auch den Aufbau zirkular polarisierter Dual- bzw. Multibandantennen ermöglicht. Dazu kann das im Folgenden beschriebene Konzept verwendet werden. Im Fall von zwei Bändern besteht die Antenne aus drei Platinen. Entsprechende Anordnungen sind beispielsweise in den Fig. 4 und 6 gezeigt. Auf der Unterseite der unteren Leiterplatte befindet sich eine Mikrostreifenleitung, deren Leistung über eine Apertur in der Massefläche erst auf einen kleines Patch (für das obere Frequenzband) und dann auf einen größeres Patch (für das untere Frequenzband), bestehend aus zwei Patches, überkoppelt. Dabei kann der größere Patch als "ineinanderliegende Patches mit Kurzschlüssen" interpretiert werden. Der innenliegende kleinere Patch ist bevorzugterweise genau so groß wie der untere Patch.Furthermore, it has been shown that a geometry of the aperture or slot according to the invention also enables the construction of circularly polarized dual or multi-band antennas. For this purpose, the concept described below can be used. In the case of two bands, the antenna consists of three boards. Corresponding arrangements are for example in the Fig. 4 and 6 shown. On the bottom On the lower circuit board there is a microstrip line whose power is coupled via an aperture in the ground plane first to a small patch (for the upper frequency band) and then to a larger patch (for the lower frequency band), consisting of two patches. The larger patch can be interpreted as "nested patches with short circuits". The inner smaller patch is preferably the same size as the lower patch.

Durch eine solche Struktur bzw. ein solches Dualbandkonzept können eine Reihe von Problemen gelöst werden, die bei herkömmlichen Antennen auftreten. So führt die Vergrößerung der elektrischen Substratdicke herkömmlicherweise zur Entstehung von Oberflächenwellen höherer Ordnung, was sehr stark den Antennengewinn reduziert. Daher müssen die beiden Antennen für verschiedene Frequenzbereiche verschiedene Substratdicke haben. Die Antennen müssen sich also in verschiedenen Ebenen befinden. Dies kann mit einer erfindungsgemäßen Antennengeometrie erreicht werden.By such a structure or such a dual-band concept, a number of problems that occur in conventional antennas can be solved. Thus, the increase in the electrical substrate thickness conventionally leads to the formation of surface waves of higher order, which greatly reduces the antenna gain. Therefore, the two antennas must have different substrate thicknesses for different frequency ranges. The antennas must therefore be in different planes. This can be achieved with an antenna geometry according to the invention.

Eine herkömmliche Variante mit einem größeren Patch unten und einem kleineren Patch oben weist schlechte Polarisationseigenschaften auf, weil die Apertur mit dem größeren Patch abgeschirmt wird. Die Antenne für das obere Frequenzband muss folglich näher zur Masse liegen als die Antenne für das untere Frequenzband, was mit einer erfindungsgemäßen Geometrie erreicht werden kann.A conventional variant with a larger patch at the bottom and a smaller patch at the top has poor polarization properties because the aperture is shielded with the larger patch. The antenna for the upper frequency band must therefore be closer to ground than the antenna for the lower frequency band, which can be achieved with a geometry according to the invention.

Da die Antenne für das obere Frequenzband also näher zu der Massefläche liegen muss als die Antenne für das untere Frequenzband, ist eine starke Abschirmung des kleinen Strahlers für das obere Frequenzband durch den großen Strahler für das untere Frequenzband zu vermeiden. Dies kann erreicht werden, indem der Strahler für das untere Frequenzband durch zwei Strahlungselektroden gebildet wird, zwischen denen ein Spalt besteht.Since the antenna for the upper frequency band must therefore be closer to the ground plane than the antenna for the lower frequency band, a strong shielding of the small radiator for the upper frequency band by the large radiator for the lower frequency band is to be avoided. This can be achieved by forming the radiator for the lower frequency band by two radiation electrodes between which there is a gap.

Die Anpassung einer erfindungsgemäßen Antenne kann durch einen Transformator bzw. durch eine Stichleitung erfolgen.The adaptation of an antenna according to the invention can be done by a transformer or by a stub.

Eine erfindungsgemäße Antenne hat gegenüber herkömmlichen Antennen eine Reihe von Vorteilen. Die Speisung einer Antenne über einen resonanten Kreuzschlitz ermöglicht den Aufbau vollständig planarer relativ kleiner und kostengünstiger Antennen. Es können gleichzeitig eine hohe Polarisatiosreinheit sowie eine große Impedanzbandbreite erzielt werden. Auch können planare zirkular polarisierte multibandige Antennen aufgebaut werden. Dabei wird der Flächenbedarf der gesamten Antenne lediglich durch die Größe des Antennenelements für die niedrigste Frequenz bestimmt. Im Vergleich zu breitbandigen Antennen bietet eine erfindungsgemäße Antenne weiterhin eine bessere Vorfilterung.An antenna according to the invention has a number of advantages over conventional antennas. The feeding of an antenna via a resonant Phillips allows the construction of completely planar relatively small and inexpensive antennas. At the same time, high polarization purity and a large impedance bandwidth can be achieved. It is also possible to construct planar circularly polarized multiband antennas. In this case, the area requirement of the entire antenna is determined only by the size of the antenna element for the lowest frequency. In comparison to broadband antennas, an antenna according to the invention furthermore offers a better prefiltering.

Claims (19)

  1. An aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) comprising:
    a first radiation electrode (130) the geometrical shape of which is implemented to allow radiation of a circularly polarized electromagnetic wave;
    a ground area (110); and
    a wave guide (140) which is implemented to supply energy to the antenna,
    wherein the wave guide (140) is arranged spaced apart from the ground area (110) on a first side of the ground area (110), and wherein the first radiation electrode (130) is arranged spaced apart from the ground area (110) on a second side of the ground area (110);
    wherein the ground area (110) comprises an aperture (120) including a first slot (150) in the ground area (110), a second slot (152) in the ground area (110) and a third slot (154) in the ground area (110), wherein the first slot (150) and the second slot (152) together form a slot in the shape of a cross, wherein the third slot (154) passes through the intersection of the first slot (150) and the second slot (152);
    wherein additionally the wave guide (140) and the first radiation electrode (130) are arranged such that energy can be coupled from the wave guide (140) through the aperture (120) to the first radiation electrode (130); characterized in that
    the third slot (154) is implemented such that an operating frequency for which the aperture-coupled antenna is designed deviates by at most 30% from the resonant frequency of the third slot (154); and that
    the length of the first slot (150) and the length of the second slot (152) differ from the length of the third slot (154) so that the third slot (154) at the operating frequency is operated nearer to its resonance than the first slot (150) and the second slot (152).
  2. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to claim 1, wherein the third slot (154) is longer than the first slot (150), and wherein the third slot (154) is longer than the second slot (152).
  3. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to claim 1 or 2, wherein the first slot (150) and the second slot (152) are orthogonal to each other and together form a slot in the shape of a rectangular cross having arms of equal lengths.
  4. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 3, wherein a midpoint of the third slot (154) coincides with a midpoint of the cross-shaped slot formed by the first slot (150) and the second slot (152).
  5. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 4, wherein a geometrical midpoint of the first slot (150), a geometrical midpoint of the second slot (152) and a geometrical midpoint of the third slot (154) coincide, and wherein the aperture (120) is axisymmetrical relative to an axis (158) of the third slot (154), wherein the axis (158) of the third slot (154) passes along a greatest dimension of the third slot (154).
  6. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 5, wherein the first slot (150) and the second slot (152) are implemented such that the first slot (150) and the second slot (152) do not comprise resonance in an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed.
  7. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 6, wherein the third slot (154) is implemented such that a resonant frequency of the third slot (154) is within an operating frequency range for which the aperture-coupled antenna is designed.
  8. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 7, wherein the aperture-coupled antenna is a planar antenna.
  9. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 8, wherein the wave guide (140) is a microstrip line, a coplanar wave guide, a strip line, a dielectric wave guide or a cavity wave guide.
  10. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 9, wherein the aperture (120) and the first radiation electrode (130) are implemented such that the aperture-coupled antenna, except for parasitic effects, radiates a circularly polarized electromagnetic wave.
  11. The aperture-coupled antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 10, further comprising a second radiation electrode (220) and a third radiation electrode (230), wherein the second radiation electrode (220) is basically parallel to the first radiation electrode (130) and arranged such that the first radiation electrode (130) is arranged between the second radiation electrode (220) and the ground area (110), and wherein the third radiation electrode (230) encloses the second radiation electrode (220) in a projection along an axis normal to the second radiation electrode (220).
  12. The aperture-coupled antenna (400; 600) according to claim 11, wherein the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230) are in one plane, and wherein the third radiation electrode (230) encloses the second radiation electrode (220) in the plane.
  13. The aperture-coupled antenna (400; 600) according to claim 11 or 12, wherein the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230) are coupled to each other via at least one conductive connective land (250, 252, 254, 256).
  14. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 10, comprising a first dielectric layer, a first layer of low dielectric constant, and a second dielectric layer,
    wherein the first dielectric layer supports the wave guide (140) on its first surface and supports the ground area (110) on its second surface,
    wherein the second dielectric layer supports the first radiation electrode (130) on a surface;
    wherein the second layer of low dielectric constant is arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer;
    wherein a dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the first dielectric layer, and wherein the dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the second dielectric layer.
  15. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 11 to 13, comprising a first dielectric layer, a first layer of low dielectric constant, and a second dielectric layer,
    wherein the first dielectric layer supports the wave guide (140) on its first surface and supports the ground area (110) on its second surface,
    wherein the second dielectric layer supports the first radiation electrode (130) on a surface;
    wherein the first layer of low dielectric constant is arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer;
    wherein a dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the first dielectric layer, and wherein the dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the second dielectric layer.
  16. The aperture-coupled antenna (400; 600) according to claim 15, further comprising a second layer of low dielectric constant and a third dielectric layer,
    wherein the third dielectric layer supports the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230);
    wherein the second layer of low dielectric constant is arranged between the second dielectric layer and the third dielectric layer;
    wherein a dielectric constant of the second layer of low dielectric constant is smaller than the dielectric constant of the first dielectric layer, wherein the dielectric constant of the second layer of low dielectric constant is smaller than the dielectric constant of the second dielectric layer, and wherein the dielectric constant of the second layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the third dielectric layer.
  17. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to claim 14, 15 or 16, wherein the first, the second or the third dielectric layer is made of FR4 material.
  18. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 14 to 17, wherein the first layer of low dielectric constant or the second layer of low dielectric constant is an air layer.
  19. The aperture-coupled antenna (100; 300; 400; 500; 600) according to one of claims 1 to 18, which is implemented such that impedance matching can be achieved with a standing wave ratio of smaller than 2 in at least two frequency bands.
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