EP1842263B1 - Planar multiband antenna - Google Patents

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EP1842263B1
EP1842263B1 EP06707213A EP06707213A EP1842263B1 EP 1842263 B1 EP1842263 B1 EP 1842263B1 EP 06707213 A EP06707213 A EP 06707213A EP 06707213 A EP06707213 A EP 06707213A EP 1842263 B1 EP1842263 B1 EP 1842263B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation electrode
dielectric constant
layer
radiation
antenna
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP06707213A
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German (de)
French (fr)
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EP1842263A1 (en
Inventor
Alexander Popugaev
Rainer Wansch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1842263A1 publication Critical patent/EP1842263A1/en
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Publication of EP1842263B1 publication Critical patent/EP1842263B1/en
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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
    • H01Q9/0414Substantially 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
    • 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
    • H01Q5/307Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/342Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes
    • H01Q5/357Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes using a single feed point
    • H01Q5/364Creating multiple current paths
    • 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
    • H01Q5/392Combination of fed elements with parasitic elements the parasitic elements having dual-band or multi-band characteristics
    • 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
    • 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
    • H01Q9/0471Non-planar, stepped or wedge-shaped patch

Definitions

  • the present invention relates generally to a multi-band planar antenna, more particularly to an aperture-coupled circularly polarized planar dual band antenna used in the ISM bands from 2.40 GHz to 2.48 GHz and 5.15 GHz to 5.35 GHz can.
  • 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 which are suitable for the reception of two or more frequency bands (dual band concepts or multiband concepts), and which can be used for or in patch antennas, such.
  • integrated inverted-F antennas inverted-F antennas, IFA
  • planar inverted-F antennas planar inverted-F antennas, PIFA
  • 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 ).
  • the European patent EP 1 072 065 B1 shows a dual band antenna for GSM and DCS with dual polarization.
  • stacked antenna elements are fed through a cross-shaped opening in the reflector device.
  • Microwave energy is conducted through a coupling surface element and also a cross-shaped opening in a first radiating surface element to a second radiating surface element.
  • the disadvantage of such an antenna arrangement is that for the generation of circular polarization in this antenna two feed channels must be combined by a quadrature hybrid broadband branch line coupler.
  • the European patent also makes no information about the polarization purity and the impedance bandwidth.
  • an antenna for two frequency bands suitable for both the GSM 900 band and the GSM 1800 band and UMTS band, and which is based on a single radiator type.
  • the individual antennas have an upwardly open metallic box and a feed through conductor tracks or conductor structures.
  • the individual radiators are further designed so that they have an octahedral opening in the center, and as a result can be placed one above the other.
  • the disadvantage of the described antenna is that it has a complicated and not completely planar structure.
  • US-A-5 952 971 describes an antenna according to the preamble of claim 1. It is the object of the present invention to provide a dual-band antenna, which allows the most uniform radiation of circularly polarized waves in two frequency bands with an arbitrary frequency difference, without the need to use three-dimensional structures ,
  • the present invention provides a multi-band planar antenna having a ground plane, a first radiation electrode, a second radiation electrode, a third radiation electrode, and a feeder configured to feed the first radiation electrode.
  • the first radiation electrode is at least partially disposed between the ground plane and the second radiation electrode and does not protrude beyond an outer circumference of the third radiation electrode.
  • the third radiation electrode is disposed circumferentially around an outer circumference of the second radiation electrode with a gap therebetween.
  • the image of the third radiation electrode completely encloses the second radiation electrode, with a gap between the image of the third radiation electrode and the image of the second radiation electrode.
  • the first radiation electrode is at least partially interposed between the second radiation electrode and the ground surface, the region between the second radiation electrode and the ground surface being defined by rays normal to the surface of the second radiation electrode from the second radiation electrode to the ground surface passing through the second radiation electrode Range between the second radiation electrode and the ground plane.
  • the area between the second radiation electrode and the ground plane is an area that would be swept by the second radiation electrode if it were displaced in a direction normal to its surface toward the ground plane.
  • the first radiation electrode is within the meaning of the above definition between a surface which is bounded by an outer contour of the third radiation electrode, and the ground surface. That is, the first radiation electrode does not project beyond the outer circumference of the third radiation electrode.
  • a multi-band planar antenna having particularly advantageous characteristics can be obtained by disposing the first radiation electrode between the ground plane and a combination of the second radiation electrode and the third radiation electrode, the third radiation electrode being arranged. that it completely surrounds an outer circumference of the second radiation electrode, with a gap between an outer periphery of the second radiation electrode and an inner circumference of the third radiation electrode.
  • a maximum dimension of the first radiation electrode is thus smaller than a maximum dimension of the third radiation electrode.
  • the first radiation electrode which is located at least partially between the second radiation electrode and the ground surface, can hereby serve as a radiator for an upper Frequency range serve.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode which are farther from the ground surface than the first radiation electrode, can act together as a radiating element.
  • a gap existing between the second radiation electrode and the third radiation electrode completely enclosing the second radiation electrode thereby enables the first radiation electrode to radiate electromagnetic waves into free space when operating in the upper frequency band.
  • the gap between the outer periphery of the second radiation electrode and the inner periphery of the third radiation electrode prevents the second and third radiation electrodes, which together are larger than the first radiation electrode, from shielding the radiation from the first radiation electrode.
  • the second radiation electrode whose dimensions may be similar to those of the first radiation electrode, still supports the radiation from the first radiation electrode.
  • the coupling of the first radiation electrode and the second radiation electrode can in this case exert a positive influence on the bandwidth of the antenna for radiation in the upper frequency band in which the first radiation electrode acts as a radiating element.
  • the first radiation electrode which functions as a radiating element in the upper frequency band has a smaller distance to the ground surface than the second and third radiation electrodes. This will result in the generation of surface waves in the upper frequency band which would significantly affect the antenna gain or efficiency compared to arrangements in which a radiation electrode for the upper of two frequency bands is removed is arranged from the ground surface, effectively suppressed or minimized.
  • the antenna according to the invention it is possible in a favorable manner to couple the antenna according to the invention. It is sufficient to provide a feeder which feeds the first, smaller radiation electrode. When operating in the upper frequency band, the first radiation electrode is in resonance, so that an effective direct coupling of the first radiation electrode is possible. On the other hand, when operating in the lower frequency band, the first radiation electrode is out of resonance and thus transmits the energy supplied to it to the combination of the second radiation electrode and the third radiation electrode acting as a radiating element when operating in the lower frequency band. Thus, a separate supply for the lower frequency band and the upper frequency band can be dispensed with. So it is not necessary duplexer, and the feed can be designed accordingly simple.
  • the excitation of a circularly polarized radiation can also take place in an antenna according to the invention in an advantageous manner and with only a single feed device.
  • the lower, first radiation electrode When operating in the upper frequency band, the lower, first radiation electrode can be directly excited.
  • the first radiation electrode When operating in the lower frequency band, the first radiation electrode can be excited, which in turn transmits the electrical energy to the second and third radiation electrodes.
  • An antenna geometry according to the invention also enables the coupling of the first radiation electrode by an aperture coupling.
  • an aperture-coupled antenna has a particularly large impedance bandwidth, as a result of which the antenna according to the invention is particularly well suited for broadband applications.
  • energy from a waveguide is first coupled to the first radiation electrode because it is closer to the ground plane than the second and the third radiation electrode.
  • the first radiation electrode is in a direct and undisturbed electromagnetic coupling with the aperture in the ground plane, so that the polarization of an electromagnetic wave emitted by the first radiation electrode during operation in the upper frequency band is determined particularly effectively by the configuration of the aperture and the excitation can.
  • the radiation of a circularly polarized wave with a high polarization purity is possible.
  • the first radiation electrode acts as a coupling electrode because it is not operated in resonance. It thus transmits the electric power coupled through the aperture of the ground plane to the second radiation electrode and the third radiation electrode, which together in the lower frequency band have a resonance and thus a particularly good radiation. Even with the radiation in the lower frequency band by the second and third radiation electrode, a good purity of a desired polarization can be ensured.
  • the arrangement of the first radiation electrode and the second and third radiation electrode ensures that surface waves are excited only to a small extent, since in the radiation in the upper frequency band, the relevant distance between the first radiation electrode and the ground plane is less than the distance between the second and third third radiation electrode and the ground plane.
  • the distance between the respective active radiation electrode and the ground plane is adapted to the wavelength of the radiated radiation (small distance for the upper frequency band, long distance for the lower frequency band), so that an optimal reduction of surface waves is possible.
  • the antenna according to the invention can be produced very technologically very advantageously, since the entire structure is planar.
  • the antenna according to the invention clearly differs from all known structures.
  • a large radiation electrode for a lower frequency band is located closer to the ground plane than a small radiation electrode for an upper frequency band, as long as the two radiating elements overlap.
  • an overlap is desirable for reasons of space savings.
  • an arrangement in which a smaller radiator is arranged between a larger radiator and the ground surface does not make sense, since it is conventionally assumed that the larger radiator then shields a radiation of the smaller radiator.
  • Antenna arrangements according to the prior art thus do not allow the described minimization of surface waves.
  • the third radiation electrode is thus designed so that in a projection of the second radiation electrode and the third radiation electrode along a direction normal to the second radiation electrode in an image plane an image of the third radiation electrode completely surrounds an image of the second radiation electrode.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode lie in one plane, wherein the third radiation electrode completely encloses the second radiation electrode in the plane.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode together in a particularly advantageous manner can form a radiator, which has a resonance for the lower of two frequency bands.
  • the arrangement described is advantageous in terms of manufacture since the second radiation electrode and the third radiation electrode can be applied and structured on a common substrate. Furthermore, the arrangement described makes it possible to produce connections between the second radiation electrode and the third radiation electrode in a technologically simple manner.
  • a distance between the third radiation electrode and the second radiation electrode is smaller than a distance between the third radiation electrode and the first radiation electrode.
  • the third radiation electrode thus lies closer to the second radiation electrode than to the first radiation electrode. This ensures that an interaction between the second radiation electrode and the third radiation electrode is greater than an interaction between the first radiation electrode and the third radiation electrode.
  • the first radiation electrode in the upper frequency band has a resonance which is not significantly influenced by the third radiation electrode.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode can strongly interact, so that the second radiation electrode and the third radiation electrode together can be regarded as a large radiator.
  • the first radiation electrode, the second radiation electrode, the third radiation electrode and the feed device are designed so that the planar multi-band antenna can emit a circularly polarized electromagnetic wave.
  • an outer shape of the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are set so that the first radiation electrode, the second radiation electrode, and the third radiation electrode are nearly square, and there is preferably a slight difference in the dimensions or edge lengths.
  • the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are rectangular or almost square and furthermore have at least one bevelled corner.
  • the first radiation electrode and the second radiation electrode with at least one slot in the middle, which promotes or enables the emission of a circularly polarized wave. Furthermore, it can be ensured by a suitable feed that a circularly polarized wave is emitted.
  • the first radiation electrode can be coupled by an aperture in the ground plane to a waveguide, which supplies electric power to the first radiation electrode, ie, feeds it.
  • the aperture may, for example, be a cross-aperture, since this is particularly well suited for achieving a circular polarization.
  • the first radiation electrode can be excited via two supply lines arranged at different positions, wherein it is to be ensured that the signals on the supply lines have such a phase offset that a circularly polarized wave is emitted.
  • the generation of a circularly polarized radiation is particularly advantageous since a transmission path can thus be realized in which the received field strength is independent of a rotation of the antenna about an axis connecting a transmitting antenna and a receiving antenna.
  • the antenna structure according to the invention is particularly well suited for the radiation of a circularly polarized wave, it being sufficient, only the first To feed radiation electrode.
  • the first radiation electrode acts either as a radiating element in the upper frequency band itself or, in the lower frequency band, passes the electrical power supplied thereto to the second and third radiation electrodes without permanently impairing the polarization properties in the lower frequency band.
  • a particularly advantageous feed which allows a large bandwidth, is given when the feed means an aperture in the ground plane and a waveguide, wherein the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode, spaced from the ground surface, on a first side of the Ground surface are arranged, and wherein the waveguide is disposed on a second side of the ground surface.
  • the waveguide and the first radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide via the aperture to the first radiation electrode can be coupled to feed the first radiation electrode.
  • the waveguide and the aperture may in this case preferably be designed so as to enable the emission of a circularly polarized electromagnetic wave. It has proved to be particularly advantageous in such an aperture coupling that the aperture has at least one first slot and one second slot, which together form a slot of the shape of a cross.
  • the first radiation electrode and the second radiation electrode have a same shape. This ensures that an outer circumference of the first radiation electrode is substantially parallel to an outer circumference of the second radiation electrode and to the gap between the second radiation electrode and the third radiation electrode.
  • the radiation from the first radiation electrode can be delivered to the free space particularly effectively without the second radiation electrode and the third radiation electrode develop a pronounced shielding effect.
  • a maximum dimension of the second radiation electrode differs by at most 30% from a maximum dimension of the first radiation electrode. This in turn ensures that the outer circumference of the first radiation electrode is located sufficiently close to the gap between the second radiation electrode and the third radiation electrode. This allows radiation from the first radiation electrode to be released through the gap between the second and third radiation electrodes to the free space.
  • a maximum dimension of the second radiation electrode differs by at most 10% from a maximum dimension of the first radiation electrode, whereby the resonance frequencies of the first radiation electrode and the second radiation electrode differ only slightly.
  • a strong coupling between the first radiation electrode and the second radiation electrode arise, whereby the second radiation electrode still supports the radiation of the first radiation electrode.
  • the bandwidth of the antenna according to the invention can thus be increased, since two coupled resonant radiators, namely the first radiation electrode and the second radiation electrode, have a higher bandwidth than a single radiator.
  • the use of the same dimensions for the first radiation electrode and the second radiation electrode brings the stated advantages and is thus also preferred.
  • the third radiation electrode and the second radiation electrode are coupled together via four conductive connections.
  • the second radiation electrode and the third radiation electrode are effective in the lower frequency band as a common large radiation electrode. This is true even if a field coupling between the second radiation electrode and the third radiation electrode is not sufficiently strong.
  • the conductive connecting webs may be connected to the second radiation electrode, preferably in the middle of outer edges of the second radiation electrode. However, the conductive connecting webs may also be shifted from the middle of the edges towards the corners. If the second radiation electrode has bevelled corners, it is particularly advantageous to displace the connecting webs towards the bevelled corners. Due to the position of the connecting webs, a resonance frequency and adaptation of the second radiation electrode and the third radiation electrode can be influenced overall.
  • the position of the connecting webs represents a further degree of freedom in a design of an antenna according to the invention.
  • Four conductive connecting webs are used between the third radiation electrode and the second radiant electrode, since as uniform as possible radiation characteristics of the antenna according to the invention can be achieved.
  • a plane in which the first radiation electrode is located, a plane in which the second radiation electrode is located, and a plane in which the third radiation electrode is located with the ground plane each have a positive angle of at most 20 Degree inflow.
  • the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are thus substantially parallel to the ground plane.
  • 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 match allows an effective coupling of energy into the antenna.
  • the antenna according to the invention may preferably be constructed in several layers.
  • the inventive antenna comprises a first dielectric layer, a first low dielectric constant layer, a second dielectric layer, a second low dielectric constant layer, and a third dielectric layer.
  • the first dielectric layer carries a waveguide on its first surface and the ground surface on its second surface.
  • the second dielectric layer carries on one side the first radiation electrode.
  • the third dielectric layer carries the second radiation electrode and the third radiation electrode.
  • the first 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 less than the dielectric constant of the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer.
  • 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 or third dielectric layer.
  • Such an embodiment of an antenna enables a particularly simple production, wherein through the layers low dielectric constant, the radiation characteristics of the antenna can be improved.
  • a layer with a very low dielectric constant reduces the dielectric losses and also reduces the occurrence of surface waves.
  • the production is very favorable, since only radiation electrodes must be processed, which are supported by dielectric layers.
  • methods can be used which enable a structuring of planar layers on a carrier material, for example photolithographic methods and etching methods. Such methods are very inexpensive and offer very high precision.
  • the dielectric layers carrying the radiation electrodes also ensure good mechanical stability of the antenna.
  • 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
  • Fig. 1 shows an oblique image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived.
  • 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 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 positioned with respect to the feedline 140 such that in a plan view the feedline 140 passes through the region where the first, second and third Slit 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.
  • a radiation electrode having a slit in the center which allows circular polarization can be used.
  • 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.
  • 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. It is thus achieved that a vibration is excited on the radiation electrode, which results in the emission of a circularly polarized electromagnetic wave.
  • 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 the improvement of the adaptation of the described antenna.
  • 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 amazing 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 changed in a wide range. 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. 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.
  • 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, two opposite corners chamfer. 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.
  • the radiation electrode may be changed in another form, for example, by adding slits to the radiation electrode, suppressing unwanted modes, or providing a proper 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 just a schematic representation of the basic structure of a planar antenna.
  • the illustrated metallic structures in particular the ground plane 110, the radiation electrode 130 and the stripline 140 are typically supported by dielectric materials.
  • dielectric materials 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 a described antenna structure.
  • 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 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 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 only differ from the dimensions of the first radiation electrode 130 slightly off. 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 formed by the first radiation electrode 130.
  • 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 short circuits.
  • 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, thereby influencing the resonance frequency of the upper radiator is formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation 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 expedient to arrange the connecting webs 250, 252, 254, 256 slightly offset at opposite edges of the second radiation electrode so that a connecting line between two opposite connecting webs 250, 252, 254, 256 does not run 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 which is effective at higher frequencies and an upper, larger patch formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.
  • 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 third radiation electrode 230). If the larger patch were at the bottom (i.e., near the aperture) and the smaller patch at the top (i.e., away from the aperture), this 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, avoided that the radiation of the underlying smaller patch is too much shielded by the larger patch above. 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 image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived.
  • 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 used a 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 second 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 second and the third radiation electrode 220, 230 are arranged substantially the same as described with reference to FIG 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 thus extend substantially parallel to the outer edges of the second radiation electrode 220.
  • the third radiation electrode 230 has two outer chamfered corners 430, 440 adjacent to 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, in shape, the first and second radiation electrodes 130, 220 do not differ significantly. 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, ie 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 an image of a prototype of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived. Shown here is a constructed mono-band antenna, which is designed for the frequency range from 2.40 GHz to 2.48 GHz.
  • 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.
  • a second dimension 572, which is also considered as a length is also 75 mm.
  • 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 shows an image of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the second 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 in this case carries a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 230.
  • 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 Incidentally, it is 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 lowest position of the The antenna is formed by a structured conductive layer, for example a metallization 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 Again, above the second dielectric FR4 layer is 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 order vary up to 30%. However, it is preferred that the deviation from the preferred dimensions is not more than 15%.
  • Fig. 7 shows a graphical representation of the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 500 of a planar antenna, from which the antenna structure according to the invention is derivable.
  • 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. 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 shows a graphical representation of the polarization decoupling for a prototype 500 of a planar antenna structure, from which the antenna structure according to the invention can be derived.
  • 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. In the required bandwidth from 2.40 GHz to 2.48 GHz, cross-polarization becomes sufficient Adjustment factor suppressed by more than 15.5 dB.
  • FIG. 12 is a graph showing the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 600 of an antenna according to the present invention according to the second 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 7.9 dBic and 8.3 dBic.
  • the half width is here 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.
  • a resonant fork-shaped cross aperture can be used.
  • an antenna gain of up to 7.5 dBic, a half-value width of 70 ° and a polarization decoupling of up to 30 dB result for such an aperture.
  • an antenna gain up to 7dBic, a half width of 35 ° and a polarization decoupling up to 17 dB can be achieved.
  • 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 emission of almost purely circularly polarized waves at a relatively large bandwidth of the reflection coefficient S11. This is also 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 underside of the lower circuit board 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 two frequency bands), consisting of two patches.
  • the larger patch can be interpreted as "two nested patches with short circuits".
  • the inside smaller Patch is preferably the same size as the bottom patch.
  • radiators that are to be considered independently of one another must have relatively thick substrates with low permittivity for both frequency ranges.
  • the thickness of the substrate may be determined as a maximum of calculated substrate thicknesses of separate antennas with which the separate antennas have the required bandwidth.
  • the surface waves will reduce very strong the antenna gain for the upper frequency range. Therefore, the two antennas must have different substrate thicknesses for different frequency ranges. The antennas for different frequency ranges must therefore be in different levels. 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 proposed dual-band concept allows the construction of completely planar antennas that are easy to produce in mass production and therefore cost-effective. 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.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

The present invention provides a planar multiband antenna having a ground area, a first radiation electrode, a second radiation electrode, a third radiation electrode and a feeder. The feeder is implemented to feed the first radiation electrode. The first radiation electrode is arranged at least partly between the ground area and the second radiation electrode and does not protrude from an external periphery of the third radiation electrode. The third radiation electrode is arranged such that it completely surrounds an external periphery of the second radiation electrode, wherein there is a gap between the second radiation electrode and the third radiation electrode.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine planare Mehrbandantenne, im Speziellen auf eine aperturgekoppelte zirkular polarisierte planare Dualbandantenne, die in den ISM-Bändern von 2,40 GHz bis 2,48 GHz und 5,15 GHz bis 5,35 GHz benutzt werden kann.The present invention relates generally to a multi-band planar antenna, more particularly to an aperture-coupled circularly polarized planar dual band antenna used in the ISM bands from 2.40 GHz to 2.48 GHz and 5.15 GHz to 5.35 GHz can.

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 kompakten 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 compact 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), und die zu bzw. bei Patchantennen verwendet werden können, 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, which are suitable for the reception of two or more frequency bands (dual band concepts or multiband concepts), and which can be used for or in patch antennas, such. 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. Eine weitere Mehrbandantenne mit koaxialer Speisung ist in dem Artikel "A Dual Band Antenna for WLAN Applications by Double Rectangular Patch with 4 Bridges" von Chang Won Jung und Franco De Flaviis beschrieben, der vom Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of California, Irvine, Irvine, CA, 92697, USA, veröffentlicht wurde und im Internet unter der Adresse http://www.ece.uci.edu/rfmems/publications/papers-pdf/C089-APS04.pdf verfügbar ist.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 diploma thesis "Investigation and construction of multiband antennas for receiving circularly polarized signals" by U. Wiesman, which in 2002 at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuits in Erlangen was made. Another coaxial feed multiband antenna is described in the article "A Dual Band Antenna for WLAN Applications by Double Rectangular Patch with 4 Bridges" by Chang Won Jung and Franco De Flaviis, of the Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of California. Irvine, Irvine, CA, 92697, USA and available on the Internet at http://www.ece.uci.edu/rfmems/publications/papers-pdf/C089-APS04.pdf.

Eine der Aufbaumöglichkeiten einer zirkular polarisierten Dualbandantenne besteht in der Nutzung der Aperturkopplung. Eine solche Lösung ist in dem Artikel " A Dual-Band Cirularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite" von D.M. Pozar und S.M. Duffy, beschrieben, der in den IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 11, im November 1997 veröffentlicht wurde. Sie ist allerdings bevorzugt für breitbandige Antennen mit einer Resonanzfrequenz oder für Antennen mit mehreren nahe beieinander liegenden Resonanzfrequenzen einsetzbar, aber nicht gut für den Einsatz mit Mehrbandantennen geeignet.One of the design possibilities of a circularly polarized dual-band antenna is the use of the aperture coupling. Such a solution is in the article " A Dual-Band Cirularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satellite "by DM Pozar and SM Duffy, described in the IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 11, November 1997 has been published. However, it is preferably used for broadband antennas with a resonant frequency or for antennas with several resonant frequencies close to each other, but not well suited for use with multiband antennas.

Die europäische Patentschrift EP 1 072 065 B1 zeigt eine Doppelbandantenne für GSM und DCS mit Doppelpolarisierung. Dabei sind übereinander gestapelt angeordnete Antennenelemente durch eine kreuzförmige Öffnung in der Reflektorvorrichtung gespeist. Mikrowellenenergie wird durch ein koppelndes Flächenelement und eine ebenfalls kreuzförmige Öffnung in einem ersten strahlenden Flächenelement zu einem zweiten strahlenden Flächenelement geleitet. Der Nachteil einer derartigen Antennenanordnung besteht darin, dass für die Erzeugung zirkularer Polarisation in dieser Antenne zwei Speisekanäle durch einen Quadratur-Hybrid-Breitband-Zweiganschlussleitungskoppler kombiniert werden müssen. Die europäische Patentschrift macht ferner keine Angaben über die Polarisationsreinheit und die Impedanzbandbreite.The European patent EP 1 072 065 B1 shows a dual band antenna for GSM and DCS with dual polarization. In this case stacked antenna elements are fed through a cross-shaped opening in the reflector device. Microwave energy is conducted through a coupling surface element and also a cross-shaped opening in a first radiating surface element to a second radiating surface element. The disadvantage of such an antenna arrangement is that for the generation of circular polarization in this antenna two feed channels must be combined by a quadrature hybrid broadband branch line coupler. The European patent also makes no information about the polarization purity and the impedance bandwidth.

In der europäischen Patentanmeldung EP 1 353 405 A1 ist eine Antenne für zwei Frequenzbänder (Dualbandantenne) vorgeschlagen, die sowohl für das GSM-900-Band als auch für das GSM-1800-Band und UMTS-Band geeignet ist, und die auf einem Einzelstrahlertyp basiert. Die Einzelantennen weisen eine nach oben offene metallische Box und eine Speisung durch Leiterbahnen bzw. Leiterstrukturen auf. Die Einzelstrahler sind ferner so ausgebildet, dass sie im Zentrum eine oktaederförmige Öffnung haben, und in Folge dessen übereinander platziert werden können. Der Nachteil der beschriebenen Antenne besteht darin, dass sie eine komplizierte und nicht vollständig planare Struktur aufweist.In the European patent application EP 1 353 405 A1 For example, there is proposed an antenna for two frequency bands (dual band antenna) suitable for both the GSM 900 band and the GSM 1800 band and UMTS band, and which is based on a single radiator type. The individual antennas have an upwardly open metallic box and a feed through conductor tracks or conductor structures. The individual radiators are further designed so that they have an octahedral opening in the center, and as a result can be placed one above the other. The disadvantage of the described antenna is that it has a complicated and not completely planar structure.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass aus den genannten Stand der Technik keine technisch einfach und kostengünstig realisierbare Antennenbauform bekannt ist, 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 simple and inexpensive realizable antenna design is known from the cited prior art, which allows for a good efficiency and sufficient bandwidth radiation of a circularly polarized electromagnetic wave in two different frequency bands.

US-A-5 952 971 beschreibt eine Antenne gemäß der Präambel von Anspruch 1. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zweibandantenne (Dualbandantenne) zu schaffen, die die möglichst gleichförmige Abstrahlung zirkular polarisierter Wellen in zwei Frequenzbändern mit einer beliebigen Frequenzdifferenz ermöglicht, ohne dass dreidimensionale Strukturen eingesetzt werden müssen. US-A-5 952 971 describes an antenna according to the preamble of claim 1. It is the object of the present invention to provide a dual-band antenna, which allows the most uniform radiation of circularly polarized waves in two frequency bands with an arbitrary frequency difference, without the need to use three-dimensional structures ,

Diese Aufgabe wird durch eine planare Mehrbandantenne gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a planar multi-band antenna according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung schafft eine planare Mehrbandantenne mit einer Massefläche, einer ersten Strahlungselektrode, einer zweiten Strahlungselektrode, einer dritten Strahlungselektrode und einer Speiseeinrichtung, die ausgelegt ist, um die erste Strahlungselektrode zu speisen. Dabei ist die erste Strahlungselektrode zumindest teilweise zwischen der Massefläche und der zweiten Strahlungselektrode angeordnet und steht nicht über einen äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode vor. Die dritte Strahlungselektrode ist einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode vollständig umgebend mit einem Spalt dazwischen angeordnet.The present invention provides a multi-band planar antenna having a ground plane, a first radiation electrode, a second radiation electrode, a third radiation electrode, and a feeder configured to feed the first radiation electrode. In this case, the first radiation electrode is at least partially disposed between the ground plane and the second radiation electrode and does not protrude beyond an outer circumference of the third radiation electrode. The third radiation electrode is disposed circumferentially around an outer circumference of the second radiation electrode with a gap therebetween.

Mit anderen Worten, in einer Parallelprojektion der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode in eine Bildebene umschließt das Bild der dritten Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode vollständig, wobei ein Spalt zwischen dem Bild der dritten Strahlungselektrode und dem Bild der zweiten Strahlungselektrode besteht. Die erste Strahlungselektrode liegt zumindest teilweise zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche, wobei der Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche dadurch definiert ist, dass Strahlen, die normal zu der Oberfläche der zweiten Strahlungselektrode von der zweiten Strahlungselektrode zu der Massefläche verlaufen, durch den Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche verlaufen. Der Bereich zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche ist also ein Bereich, der von der zweiten Strahlungselektrode überstrichen würde, wenn diese in einer Richtung normal zu ihrer Oberfläche zu der Massefläche hin verschoben würde.In other words, in a parallel projection of the second radiation electrode and the third radiation electrode into an image plane, the image of the third radiation electrode completely encloses the second radiation electrode, with a gap between the image of the third radiation electrode and the image of the second radiation electrode. The first radiation electrode is at least partially interposed between the second radiation electrode and the ground surface, the region between the second radiation electrode and the ground surface being defined by rays normal to the surface of the second radiation electrode from the second radiation electrode to the ground surface passing through the second radiation electrode Range between the second radiation electrode and the ground plane. Thus, the area between the second radiation electrode and the ground plane is an area that would be swept by the second radiation electrode if it were displaced in a direction normal to its surface toward the ground plane.

Somit liegt die erste Strahlungselektrode im Sinne der obigen Definition also zwischen einer Fläche, die durch einen äußeren Umriss der dritten Strahlungselektrode begrenzt ist, und der Massefläche. Das heißt, die erste Strahlungselektrode steht nicht über den äußeren Umfang der dritten Strahlungselektrode hervor.Thus, the first radiation electrode is within the meaning of the above definition between a surface which is bounded by an outer contour of the third radiation electrode, and the ground surface. That is, the first radiation electrode does not project beyond the outer circumference of the third radiation electrode.

Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass eine planare Mehrbandantenne mit besonders vorteilhaften Eigenschaften dadurch erzielt werden kann, dass die erste Strahlungselektrode zwischen der Massefläche und einer Kombination aus der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode angeordnet wird, wobei die dritte Strahlungselektrode so angeordnet ist, dass sie einen äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode vollständig umgibt, wobei ein Spalt zwischen einem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und einem inneren Umfang der dritten Strahlungselektrode besteht. Eine maximale Abmessung der ersten Strahlungselektrode ist somit kleiner als eine maximale Abmessung der dritten Strahlungselektrode. Die erste Strahlungselektrode, die zumindest teilweise zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der Massefläche gelegen ist, kann hierbei als Strahler für einen oberen Frequenzbereich dienen. In einem unteren Frequenzbereich, also beispielsweise in einem Frequenzband, das eine niedrigere Frequenz aufweist als der obere Frequenzbereich, können die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, die weiter von der Massefläche entfernt sind als die erste Strahlungselektrode, zusammen als strahlendes Element wirken. Ein Spalt, der zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode, die die zweite Strahlungselektrode vollständig umschließt, besteht, ermöglicht hierbei, dass die erste Strahlungselektrode bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband elektromagnetische Wellen in den freien Raum strahlen kann. In anderen Worten, der Spalt zwischen dem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und dem inneren Umfang der dritten Strahlungselektrode verhindert, dass die zweite und dritte Strahlungselektrode, die zusammen größer sind als die erste Strahlungselektrode, die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode abschirmen.It is the gist of the present invention that a multi-band planar antenna having particularly advantageous characteristics can be obtained by disposing the first radiation electrode between the ground plane and a combination of the second radiation electrode and the third radiation electrode, the third radiation electrode being arranged. that it completely surrounds an outer circumference of the second radiation electrode, with a gap between an outer periphery of the second radiation electrode and an inner circumference of the third radiation electrode. A maximum dimension of the first radiation electrode is thus smaller than a maximum dimension of the third radiation electrode. The first radiation electrode, which is located at least partially between the second radiation electrode and the ground surface, can hereby serve as a radiator for an upper Frequency range serve. In a lower frequency range, for example in a frequency band which has a lower frequency than the upper frequency range, the second radiation electrode and the third radiation electrode, which are farther from the ground surface than the first radiation electrode, can act together as a radiating element. A gap existing between the second radiation electrode and the third radiation electrode completely enclosing the second radiation electrode thereby enables the first radiation electrode to radiate electromagnetic waves into free space when operating in the upper frequency band. In other words, the gap between the outer periphery of the second radiation electrode and the inner periphery of the third radiation electrode prevents the second and third radiation electrodes, which together are larger than the first radiation electrode, from shielding the radiation from the first radiation electrode.

Im übrigen ist anzumerken, dass die zweite Strahlungselektrode, deren Abmessungen ähnlich sein können wie die der ersten Strahlungselektrode, die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode noch unterstützt. Die Verkoppelung der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode kann hierbei einen positiven Einfluss auf die Bandbreite der Antenne für eine Abstrahlung in dem oberen Frequenzband, in dem die erste Strahlungselektrode als abstrahlendes Element wirksam ist, ausüben.Incidentally, it should be noted that the second radiation electrode, whose dimensions may be similar to those of the first radiation electrode, still supports the radiation from the first radiation electrode. The coupling of the first radiation electrode and the second radiation electrode can in this case exert a positive influence on the bandwidth of the antenna for radiation in the upper frequency band in which the first radiation electrode acts as a radiating element.

Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Strahlungselektrode, die in dem oberen Frequenzband als abstrahlendes Element wirksam ist, einen geringeren Abstand zu der Massefläche aufweist als die zweite und die dritte Strahlungselektrode. Dadurch wird die Entstehung von Oberflächenwellen in dem oberen Frequenzband, die den Antennengewinn bzw. den Wirkungsgrad der Antenne wesentlich beeinträchtigen würde, im Vergleich zu Anordnungen, bei denen eine Strahlungselektrode für das obere von zwei Frequenzbändern entfernt von der Massefläche angeordnet ist, wirksam unterdrückt bzw. minimiert.It should be noted that the first radiation electrode which functions as a radiating element in the upper frequency band has a smaller distance to the ground surface than the second and third radiation electrodes. This will result in the generation of surface waves in the upper frequency band which would significantly affect the antenna gain or efficiency compared to arrangements in which a radiation electrode for the upper of two frequency bands is removed is arranged from the ground surface, effectively suppressed or minimized.

Weiterhin ist es in einer günstigen Weise möglich, die erfindungsgemäße Antenne anzukoppeln. Es ist ausreichend, eine Speiseeinrichtung vorzusehen, die die erste, kleinere Strahlungselektrode speist. Bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband ist die erste Strahlungselektrode in Resonanz, so dass eine wirksame direkte Ankoppelung der ersten Strahlungselektrode möglich ist. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband hingegen ist die erste Strahlungselektrode nicht in Resonanz und überträgt somit die ihr zugeführte Energie zu der Kombination aus der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode, die bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband als strahlendes Element wirksam ist. Somit kann auf eine getrennte Speisung für das untere Frequenzband und das obere Frequenzband verzichtet werden. Es ist also kein Duplexer nötig, und die Speiseeinrichtung kann entsprechend einfach ausgelegt sein. Auch die Anregung einer zirkular polarisierten Abstrahlung kann bei einer erfindungsgemäßen Antenne in einer vorteilhaften Weise und mit nur einer einzigen Speiseeinrichtung erfolgen. Bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband kann die untere, erste Strahlungselektrode direkt angeregt werden. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband kann die erste Strahlungselektrode angeregt werden, wobei diese wiederum die elektrische Energie zu der zweiten und dritten Strahlungselektrode überträgt.Furthermore, it is possible in a favorable manner to couple the antenna according to the invention. It is sufficient to provide a feeder which feeds the first, smaller radiation electrode. When operating in the upper frequency band, the first radiation electrode is in resonance, so that an effective direct coupling of the first radiation electrode is possible. On the other hand, when operating in the lower frequency band, the first radiation electrode is out of resonance and thus transmits the energy supplied to it to the combination of the second radiation electrode and the third radiation electrode acting as a radiating element when operating in the lower frequency band. Thus, a separate supply for the lower frequency band and the upper frequency band can be dispensed with. So it is not necessary duplexer, and the feed can be designed accordingly simple. The excitation of a circularly polarized radiation can also take place in an antenna according to the invention in an advantageous manner and with only a single feed device. When operating in the upper frequency band, the lower, first radiation electrode can be directly excited. When operating in the lower frequency band, the first radiation electrode can be excited, which in turn transmits the electrical energy to the second and third radiation electrodes.

Eine erfindungsgemäße Antennengeometrie ermöglicht auch die Ankoppelung der ersten Strahlungselektrode durch eine Aperturkopplung. Im Vergleich zu einer koaxialen Speisung weist eine aperturgekoppelte Antenne eine besonders große Impedanzbandbreite auf, wodurch sich die erfindungsgemäße Antenne besonders gut für breitbandige Anwendungen eignet. Bei einer Aperturkopplung wird Energie von einem Wellenleiter zunächst zu der ersten Strahlungselektrode gekoppelt, da diese näher an der Massefläche liegt als die zweite und die dritte Strahlungselektrode. Die erste Strahlungselektrode steht also in einer direkten und ungestörten elektromagnetischen Kopplung mit der Apertur in der Massefläche, so dass durch die Ausgestaltung der Apertur und der Anregung die Polarisation einer von der ersten Strahlungselektrode bei einem Betrieb in dem oberen Frequenzband abgestrahlten elektromagnetischen Welle besonders wirkungsvoll festgelegt werden kann. Beispielsweise ist die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle mit einer hohen Polarisationsreinheit möglich. Bei einem Betrieb in dem unteren Frequenzband wirkt die erste Strahlungselektrode als Koppelelektrode, da sie nicht in Resonanz betrieben wird. Sie überträgt also die durch die Apertur der Massefläche gekoppelte elektrische Leistung auf die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, die zusammen in dem unteren Frequenzband eine Resonanz und damit eine besonders gute Abstrahlung aufweisen. Auch bei der Abstrahlung in dem unteren Frequenzband durch die zweite und dritte Strahlungselektrode kann eine gute Reinheit einer gewünschten Polarisation sichergestellt werden.An antenna geometry according to the invention also enables the coupling of the first radiation electrode by an aperture coupling. In comparison with a coaxial feed, an aperture-coupled antenna has a particularly large impedance bandwidth, as a result of which the antenna according to the invention is particularly well suited for broadband applications. In an aperture coupling, energy from a waveguide is first coupled to the first radiation electrode because it is closer to the ground plane than the second and the third radiation electrode. Thus, the first radiation electrode is in a direct and undisturbed electromagnetic coupling with the aperture in the ground plane, so that the polarization of an electromagnetic wave emitted by the first radiation electrode during operation in the upper frequency band is determined particularly effectively by the configuration of the aperture and the excitation can. For example, the radiation of a circularly polarized wave with a high polarization purity is possible. When operating in the lower frequency band, the first radiation electrode acts as a coupling electrode because it is not operated in resonance. It thus transmits the electric power coupled through the aperture of the ground plane to the second radiation electrode and the third radiation electrode, which together in the lower frequency band have a resonance and thus a particularly good radiation. Even with the radiation in the lower frequency band by the second and third radiation electrode, a good purity of a desired polarization can be ensured.

Die Anordnung der ersten Strahlungselektrode und der zweiten und dritten Strahlungselektrode gewährleistet, dass Oberflächenwellen nur in einem geringen Maße angeregt werden, da bei der Abstrahlung in dem oberen Frequenzband der relevante Abstand zwischen der ersten Strahlungselektrode und der Massefläche geringer ist als der Abstand zwischen der zweiten und dritten Strahlungselektrode und der Massefläche. Somit ist der Abstand zwischen der jeweils aktiven Strahlungselektrode und der Massefläche der Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung angepasst (kleiner Abstand für das obere Frequenzband; großer Abstand für das untere Frequenzband), so dass eine optimale Reduzierung von Oberflächenwellen möglich ist.The arrangement of the first radiation electrode and the second and third radiation electrode ensures that surface waves are excited only to a small extent, since in the radiation in the upper frequency band, the relevant distance between the first radiation electrode and the ground plane is less than the distance between the second and third third radiation electrode and the ground plane. Thus, the distance between the respective active radiation electrode and the ground plane is adapted to the wavelength of the radiated radiation (small distance for the upper frequency band, long distance for the lower frequency band), so that an optimal reduction of surface waves is possible.

Im übrigen wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Antenne technologisch sehr vorteilhaft herstellbar ist, da die gesamte Struktur planar ist.Moreover, it is pointed out that the antenna according to the invention can be produced very technologically very advantageously, since the entire structure is planar.

Ferner wird auch noch angemerkt, dass sich die erfindungsgemäße Antenne von allen bekannten Strukturen deutlich unterscheidet. Herkömmlicherweise ist nämlich bei planaren Dualbandantennen eine große Strahlungselektrode für ein unteres Frequenzband näher an der Massefläche angeordnet als eine kleine Strahlungselektrode für ein oberes Frequenzband, sofern sich die beiden strahlenden Elemente überlappen. Eine Überlappung aber ist aus Gründen der Platzersparnis wünschenswert. Gemäß herkömmlicher Auffassung ist nämlich eine Anordnung, bei der ein kleinerer Strahler zwischen einem größeren Strahler und der Massefläche angeordnet ist, nicht sinnvoll, da herkömmlicher Weise davon ausgegangen wird, dass der größere Strahler dann eine Abstrahlung des kleineren Strahlers abschirmt. Antennenanordnungen gemäß dem Stand der Technik ermöglichen somit nicht die beschriebene Minimierung von Oberflächenwellen. Ferner ist eine gemeinsame Speisung von Strahlern für verschiedene Frequenzbänder bei herkömmlichen Antennen nicht möglich, wenn auf eine hohe Reinheit der Polarisation Wert gelegt wird. So ist die Erzielung einer zirkularen Polarisation mit hoher Polarisationsreinheit mit einer herkömmlichen Anordnung mit nur einer Speisung nicht möglich.Furthermore, it is also noted that the antenna according to the invention clearly differs from all known structures. Conventionally, in planar dual band antennas, a large radiation electrode for a lower frequency band is located closer to the ground plane than a small radiation electrode for an upper frequency band, as long as the two radiating elements overlap. However, an overlap is desirable for reasons of space savings. Namely, according to the conventional view, an arrangement in which a smaller radiator is arranged between a larger radiator and the ground surface, does not make sense, since it is conventionally assumed that the larger radiator then shields a radiation of the smaller radiator. Antenna arrangements according to the prior art thus do not allow the described minimization of surface waves. Furthermore, a common feed of radiators for different frequency bands in conventional antennas is not possible if a high degree of polarization is emphasized. Thus, the achievement of a circular polarization with high polarization purity with a conventional arrangement with only one feed is not possible.

Bei einer erfindungsgemäßen Antenne ist somit die dritte Strahlungselektrode so ausgelegt, dass in einer Projektion der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode entlang einer Richtung normal zu der zweiten Strahlungselektrode in eine Bildebene ein Bild der dritten Strahlungselektrode ein Bild der zweiten Strahlungselektrode vollständig umschließt.In an antenna according to the invention, the third radiation electrode is thus designed so that in a projection of the second radiation electrode and the third radiation electrode along a direction normal to the second radiation electrode in an image plane an image of the third radiation electrode completely surrounds an image of the second radiation electrode.

Es wird bevorzugt, dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in einer Ebene liegen, wobei die dritte Strahlungselektrode die zweite Strahlungselektrode in der Ebene vollständig umschließt. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da in diesem Falle die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode zusammen in besonders vorteilhafter Weise einen Strahler bilden können, der für das untere von zwei Frequenzbändern eine Resonanz aufweist. Ferner ist die beschriebene Anordnung herstellungstechnisch vorteilhaft, da die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht und strukturiert werden können. Ferner ermöglicht es die beschriebene Anordnung, in technologisch einfacher Weise Verbindungen zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode herzustellen.It is preferred that the second radiation electrode and the third radiation electrode lie in one plane, wherein the third radiation electrode completely encloses the second radiation electrode in the plane. Such an arrangement is advantageous, since in this case the second radiation electrode and the third radiation electrode together in a particularly advantageous manner can form a radiator, which has a resonance for the lower of two frequency bands. Furthermore, the arrangement described is advantageous in terms of manufacture since the second radiation electrode and the third radiation electrode can be applied and structured on a common substrate. Furthermore, the arrangement described makes it possible to produce connections between the second radiation electrode and the third radiation electrode in a technologically simple manner.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode kleiner ist als ein Abstand zwischen der dritten Strahlungselektrode und der ersten Strahlungselektrode. Die dritte Strahlungselektrode liegt also näher bei der zweiten Strahlungselektrode als bei der ersten Strahlungselektrode. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Wechselwirkung zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode größer ist als eine Wechselwirkung zwischen der ersten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode. Somit ist gewährleistet, dass die erste Strahlungselektrode in dem oberen Frequenzband eine Resonanz aufweist, die von der dritten Strahlungselektrode nicht wesentlich beeinflusst wird. In dem unteren Frequenzband hingegen können die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in eine starke Wechselwirkung treten, so dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode zusammen als ein großer Strahler angesehen werden können.Furthermore, it is preferable that a distance between the third radiation electrode and the second radiation electrode is smaller than a distance between the third radiation electrode and the first radiation electrode. The third radiation electrode thus lies closer to the second radiation electrode than to the first radiation electrode. This ensures that an interaction between the second radiation electrode and the third radiation electrode is greater than an interaction between the first radiation electrode and the third radiation electrode. Thus, it is ensured that the first radiation electrode in the upper frequency band has a resonance which is not significantly influenced by the third radiation electrode. In the lower frequency band, on the other hand, the second radiation electrode and the third radiation electrode can strongly interact, so that the second radiation electrode and the third radiation electrode together can be regarded as a large radiator.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode, die dritte Strahlungselektrode und die Speiseeinrichtung so ausgelegt, dass die planare Mehrbandantenne eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle abstrahlen kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine äußere Form der ersten Strahlungselektrode, der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode so festgelegt werden, dass die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode nahezu quadratisch sind, wobei bevorzugter Weise ein leichter Unterschied in den Abmessungen bzw. Kantenlängen besteht. Ferner ist es möglich, dass die- erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode rechteckförmig bzw. fast quadratisch sind und weiterhin mindestens eine abgeschrägte Ecke aufweisen. Ebenso ist es möglich, die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode mit mindestens einem Schlitz in der Mitte zu versehen, der die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle begünstigt bzw. ermöglicht. Weiterhin kann durch eine geeignete Speisung sichergestellt werden, dass eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt wird. Beispielsweise kann die erste Strahlungselektrode durch eine Apertur in der Massefläche mit einem Wellenleiter gekoppelt sein, der der ersten Strahlungselektrode elektrische Leistung zuführt, diese also speist. Bei der Apertur kann es sich beispielsweise um eine Kreuzapertur handeln, da diese besonders gut geeignet ist, um eine zirkulare Polarisation zu erzielen. Es ist jedoch auch möglich, die erste Strahlungselektrode über eine Koaxialleitung zu speisen, wobei eine geeignete Auswahl des Speisepunkts eine zirkulare Polarisation sicherstellt. Ferner kann die erste Strahlungselektrode über zwei an verschiedenen Positionen angeordnete Speiseleitungen angeregt werden, wobei sicherzustellen ist, dass die Signale auf den Speiseleitungen einen solchen Phasenversatz aufweisen, das eine zirkular polarisierte Welle abgestrahlt wird. Die Erzeugung einer zirkular polarisierten Abstrahlung ist besonders vorteilhaft, da somit eine Übertragungsstrecke realisiert werden kann, bei der die empfangene Feldstärke unabhängig von einer Drehung der Antenne um eine Achse, die eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne verbindet, ist. Im übrigen wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Antennenstruktur sich besonders gut für die Abstrahlung einer zirkular polarisierten Welle eignet, wobei es ausreichend ist, nur die erste Strahlungselektrode zu speisen. Die erste Strahlungselektrode wirkt entweder in dem oberen Frequenzband selbst als strahlendes Element oder gibt in dem unteren Frequenzband die ihr zugeführte elektrische Leistung an die zweite und dritte Strahlungselektrode weiter, ohne die Polarisationseigenschaften in dem unteren Frequenzband nachhaltig zu beeinträchtigen.In a further preferred embodiment, the first radiation electrode, the second radiation electrode, the third radiation electrode and the feed device are designed so that the planar multi-band antenna can emit a circularly polarized electromagnetic wave. For this purpose, for example, an outer shape of the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are set so that the first radiation electrode, the second radiation electrode, and the third radiation electrode are nearly square, and there is preferably a slight difference in the dimensions or edge lengths. Furthermore, it is possible that the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are rectangular or almost square and furthermore have at least one bevelled corner. It is likewise possible to provide the first radiation electrode and the second radiation electrode with at least one slot in the middle, which promotes or enables the emission of a circularly polarized wave. Furthermore, it can be ensured by a suitable feed that a circularly polarized wave is emitted. By way of example, the first radiation electrode can be coupled by an aperture in the ground plane to a waveguide, which supplies electric power to the first radiation electrode, ie, feeds it. The aperture may, for example, be a cross-aperture, since this is particularly well suited for achieving a circular polarization. However, it is also possible to feed the first radiation electrode via a coaxial line, wherein a suitable selection of the feed point ensures a circular polarization. Furthermore, the first radiation electrode can be excited via two supply lines arranged at different positions, wherein it is to be ensured that the signals on the supply lines have such a phase offset that a circularly polarized wave is emitted. The generation of a circularly polarized radiation is particularly advantageous since a transmission path can thus be realized in which the received field strength is independent of a rotation of the antenna about an axis connecting a transmitting antenna and a receiving antenna. Moreover, it should be noted that the antenna structure according to the invention is particularly well suited for the radiation of a circularly polarized wave, it being sufficient, only the first To feed radiation electrode. The first radiation electrode acts either as a radiating element in the upper frequency band itself or, in the lower frequency band, passes the electrical power supplied thereto to the second and third radiation electrodes without permanently impairing the polarization properties in the lower frequency band.

Eine besonders vorteilhafte Speisung, die eine große Bandbreite ermöglicht, ist gegeben, wenn die Speiseeinrichtung eine Apertur in der Massefläche und einen Wellenleiter auffasst, wobei die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode, beabstandet von der Massefläche, auf einer ersten Seite der Massefläche angeordnet sind, und wobei der Wellenleiter auf einer zweiten Seite der Massefläche angeordnet ist. Der Wellenleiter und die erste Strahlungselektrode sind dabei so angeordnet, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der ersten Strahlungselektrode gekoppelt werden kann, um die erste Strahlungselektrode zu speisen. Der Wellenleiter und die Apertur können hierbei in bevorzugter Weise so ausgelegt sein, um die Abstrahlung einer zirkularpolarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen. Als besonders vorteilhaft hat es sich bei einer solchen Aperturkopplung erwiesen, dass die Apertur zumindest einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweist, die zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes bilden.A particularly advantageous feed, which allows a large bandwidth, is given when the feed means an aperture in the ground plane and a waveguide, wherein the first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode, spaced from the ground surface, on a first side of the Ground surface are arranged, and wherein the waveguide is disposed on a second side of the ground surface. The waveguide and the first radiation electrode are arranged so that energy from the waveguide via the aperture to the first radiation electrode can be coupled to feed the first radiation electrode. The waveguide and the aperture may in this case preferably be designed so as to enable the emission of a circularly polarized electromagnetic wave. It has proved to be particularly advantageous in such an aperture coupling that the aperture has at least one first slot and one second slot, which together form a slot of the shape of a cross.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode eine gleiche Form aufweisen. Damit ist sichergestellt, dass ein äußerer Umfang der ersten Strahlungselektrode im wesentlichen parallel zu einem äußeren Umfang der zweiten Strahlungselektrode und zu dem Spalt zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode ist. Damit kann die Abstrahlung von der ersten Strahlungselektrode besonders effektiv an dem freien Raum abgegeben werden, ohne dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode eine ausgeprägte abschirmende Wirkung entfalten.Furthermore, it is preferred that the first radiation electrode and the second radiation electrode have a same shape. This ensures that an outer circumference of the first radiation electrode is substantially parallel to an outer circumference of the second radiation electrode and to the gap between the second radiation electrode and the third radiation electrode. Thus, the radiation from the first radiation electrode can be delivered to the free space particularly effectively without the second radiation electrode and the third radiation electrode develop a pronounced shielding effect.

Ferner unterscheidet sich eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um höchstens 30 % von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode. Dadurch wird wiederum sichergestellt, dass der äußere Umfang der ersten Strahlungselektrode hinreichend nahe bei dem Spalt zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode gelegen ist. Dies ermöglicht, dass Strahlung von der ersten Strahlungselektrode durch den Spalt zwischen der zweiten und der dritten Strahlungselektrode an den freien Raum abgegeben werden kann.Furthermore, in a preferred embodiment, a maximum dimension of the second radiation electrode differs by at most 30% from a maximum dimension of the first radiation electrode. This in turn ensures that the outer circumference of the first radiation electrode is located sufficiently close to the gap between the second radiation electrode and the third radiation electrode. This allows radiation from the first radiation electrode to be released through the gap between the second and third radiation electrodes to the free space.

Im übrigen wird es bevorzugt, dass eine maximale Abmessung der zweiten Strahlungselektrode sich um höchstens 10 % von einer maximalen Abmessung der ersten Strahlungselektrode unterscheidet, wodurch sich die Resonanzfrequenzen der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode nur geringfügig unterscheiden. Somit kann eine starke Verkoppelung zwischen der ersten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode entstehen, wodurch die zweite Strahlungselektrode die Abstrahlung der ersten Strahlungselektrode noch unterstützt. Im übrigen kann somit die Bandbreite der erfindungsgemäßen Antenne erhöht werden, da zwei verkoppelte resonante Strahler, nämlich die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode, eine höhere Bandbreite aufweisen als ein einzelner Strahler. Auch die Verwendung von gleichen Abmessungen für die erste Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode bringt die genannten Vorteile und wird somit ebenfalls bevorzugt.Incidentally, it is preferable that a maximum dimension of the second radiation electrode differs by at most 10% from a maximum dimension of the first radiation electrode, whereby the resonance frequencies of the first radiation electrode and the second radiation electrode differ only slightly. Thus, a strong coupling between the first radiation electrode and the second radiation electrode arise, whereby the second radiation electrode still supports the radiation of the first radiation electrode. Moreover, the bandwidth of the antenna according to the invention can thus be increased, since two coupled resonant radiators, namely the first radiation electrode and the second radiation electrode, have a higher bandwidth than a single radiator. The use of the same dimensions for the first radiation electrode and the second radiation electrode brings the stated advantages and is thus also preferred.

Gemäß der Erfindung sind die dritte Strahlungselektrode und die zweite Strahlungselektrode über vier leitfähige Verbindungen miteinander gekoppelt.According to the invention, the third radiation electrode and the second radiation electrode are coupled together via four conductive connections.

Somit wird gewährleistet, dass die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode in dem unteren Frequenzband als eine gemeinsame große Strahlungselektrode wirksam sind. Dies gilt auch dann, wenn eine feldmäßige Verkoppelung zwischen der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode nicht ausreichend stark ist. Die leitfähigen Verbindungsstege können mit der zweiten Strahlungselektrode bevorzugt in der Mitte von äußeren Kanten der zweiten Strahlungselektrode verbunden sein. Die leitfähigen Verbindungsstege können aber auch von der Mitte der Kanten hin zu den Ecken verschoben sein. Weist die zweite Strahlungselektrode abgeschrägte Ecken auf, so ist es besonders vorteilhaft, die Verbindungsstege zu den abgeschrägten Ecken hin zu verschieben. Durch die Lage der Verbindungsstege kann insgesamt eine Resonanzfrequenz und Anpassung der zweiten Strahlungselektrode und der dritten Strahlungselektrode beeinflusst werden. Somit stellt die Lage der Verbindungsstege einen weiteren Freiheitsgrad bei einem Entwurf einer erfindungsgemäßen Antenne dar. Es werden vier leitfähige Verbindungsstege zwischen der dritten Strahlungselektrode und der zweiten Strahlungselektrode eingesetzt, da dadurch möglichst gleichförmige Abstrahlungseigenschaften der erfindungsgemäßen Antenne erzielt werden können.Thus, it is ensured that the second radiation electrode and the third radiation electrode are effective in the lower frequency band as a common large radiation electrode. This is true even if a field coupling between the second radiation electrode and the third radiation electrode is not sufficiently strong. The conductive connecting webs may be connected to the second radiation electrode, preferably in the middle of outer edges of the second radiation electrode. However, the conductive connecting webs may also be shifted from the middle of the edges towards the corners. If the second radiation electrode has bevelled corners, it is particularly advantageous to displace the connecting webs towards the bevelled corners. Due to the position of the connecting webs, a resonance frequency and adaptation of the second radiation electrode and the third radiation electrode can be influenced overall. Thus, the position of the connecting webs represents a further degree of freedom in a design of an antenna according to the invention. Four conductive connecting webs are used between the third radiation electrode and the second radiant electrode, since as uniform as possible radiation characteristics of the antenna according to the invention can be achieved.

Weiterhin wird es bevorzugt, dass eine Ebene, in der die erste Strahlungselektrode gelegen ist, eine Ebene, in der die zweite Strahlungselektrode gelegen ist, und eine Ebene, in der die dritte Strahlungselektrode gelegen ist, mit der Massefläche jeweils einen positiven Winkel von höchstens 20 Grad einfließen. Die erste Strahlungselektrode, die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode sind somit im Wesentlichen parallel zu der Massefläche. Durch eine solche Auslegung wird ein planarer Aufbau ermöglicht, und die Abstrahleigenschaften sind wiederum gleichförmig.Furthermore, it is preferable that a plane in which the first radiation electrode is located, a plane in which the second radiation electrode is located, and a plane in which the third radiation electrode is located with the ground plane each have a positive angle of at most 20 Degree inflow. The first radiation electrode, the second radiation electrode and the third radiation electrode are thus substantially parallel to the ground plane. Such a design enables a planar construction, and the emission properties are again uniform.

Bevorzugter Weise 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 Einkoppelung 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 match allows an effective coupling of energy into the antenna.

Die erfindungsgemäße Antenne kann bevorzugter Weise in mehreren Schichten aufgebaut sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Antenne eine erste dielektrische Schicht, eine erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, eine zweite dielektrische Schicht, eine zweite Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante sowie eine dritte dielektrische Schicht auf. Die erste dielektrische Schicht trägt auf ihrer ersten Oberfläche einen Wellenleiter und auf ihrer zweiten Oberfläche die Massefläche. Die zweite dielektrische Schicht trägt auf einer Seite die erste Strahlungselektrode. Die dritte dielektrische Schicht trägt die zweite Strahlungselektrode und die dritte Strahlungselektrode. Die erste Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die Dielektrizitätskonstante der ersten Schicht bei niedriger Dielektrizitätskonstante ist geringer als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht, der zweiten dielektrischen Schicht und der dritten dielektrischen Schicht. 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 Dielektrizitätskonstante der ersten, zweiten oder dritten dielektrischen Schicht.The antenna according to the invention may preferably be constructed in several layers. In a preferred embodiment, the inventive antenna comprises a first dielectric layer, a first low dielectric constant layer, a second dielectric layer, a second low dielectric constant layer, and a third dielectric layer. The first dielectric layer carries a waveguide on its first surface and the ground surface on its second surface. The second dielectric layer carries on one side the first radiation electrode. The third dielectric layer carries the second radiation electrode and the third radiation electrode. The first 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 less than the dielectric constant of the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer. 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 or third dielectric layer.

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. Ferner ist die Herstellung sehr günstig, da lediglich Strahlungselektroden bearbeitet werden müssen, die durch dielektrische Schichten getragen werden. Somit sind Verfahren einsetzbar, die eine Strukturierung von planaren Schichten auf einem Trägermaterial ermöglichen, beispielsweise photolithographische Verfahren und Ätzverfahren. Solche Verfahren sind sehr kostengünstig und bieten eine sehr hohe Präzision. Im übrigen gewährleisten die dielektrischen Schichten, die die Strahlungselektroden tragen, auch eine gute mechanische Stabilität der Antenne. 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.Such an embodiment of an antenna enables a particularly simple production, wherein through the layers low dielectric constant, the radiation characteristics of the antenna can be improved. A layer with a very low dielectric constant reduces the dielectric losses and also reduces the occurrence of surface waves. Furthermore, the production is very favorable, since only radiation electrodes must be processed, which are supported by dielectric layers. Thus, methods can be used which enable a structuring of planar layers on a carrier material, for example photolithographic methods and etching methods. Such methods are very inexpensive and offer very high precision. Moreover, the dielectric layers carrying the radiation electrodes also ensure good mechanical stability of the antenna. 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 planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
Fig. 2
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Strahlergeometrie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3
ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
Fig. 4
ein Schrägbild einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5
ein Bild eines Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
Fig. 6
ein Bild eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7
eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist;
Fig. 8
eine grafische Darstellung des Verlaufs der Polarisationsentkopplung für einen Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist; und
Fig. 9
eine grafische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten 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 image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived;
Fig. 2
an oblique view of a radiator geometry according to the invention according to a first embodiment of the present invention;
Fig. 3
an oblique image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived;
Fig. 4
an oblique view of an antenna structure according to the invention according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 5
an image of a prototype of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived;
Fig. 6
an image of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the second embodiment of the present invention;
Fig. 7
a graphical representation of the course of the reflection coefficient S11 for a prototype of a planar antenna structure, from which the antenna structure according to the invention can be derived;
Fig. 8
a graphical representation of the course of the polarization decoupling for a prototype of a planar antenna structure, from which the antenna structure according to the invention can be derived; 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 second embodiment of the present invention.

Fig. 1 zeigt ein Schrägbild einer planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist. Die Antennenstruktur ist in ihrer Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Die Antennenstruktur 100 umfasst eine Massefläche 110, die eine Apertur 120 aufweist. Ferner umfasst die 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 image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived. 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 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. Further, there is axial symmetry of the aperture with respect to an axis 158 of the third slot 154. Further, the aperture 120 is positioned with respect to the feedline 140 such that in a plan view the feedline 140 passes through the region where the first, second and third Slit 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. Likewise, it is possible to have a rectangular one Radiation electrode to use 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 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 beschriebenen 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. 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. It is thus achieved that a vibration is excited on the radiation electrode, which results in the emission of a circularly polarized electromagnetic wave. 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 the improvement of the adaptation of the described antenna. 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 amazing 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. 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 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 changed in a wide range. 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. 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, two opposite corners chamfer. 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. Incidentally, the radiation electrode may be changed in another form, for example, by adding slits to the radiation electrode, suppressing unwanted modes, or providing a proper 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 planaren 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 just a schematic representation of the basic structure of a planar antenna. Features relevant to the antenna are not essential, 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 beschriebenen 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 a described antenna structure. 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 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 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. This is surrounded by the third radiation electrode 230, wherein between the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230, a gap 240 is made. 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 only differ from the dimensions of the first radiation electrode 130 slightly off. 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 Kurzschlüssen 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. At the bottom of a printed 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 formed by the first radiation electrode 130. 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 short circuits. 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, thereby influencing the resonance frequency of the upper radiator is formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation 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 expedient to arrange the connecting webs 250, 252, 254, 256 slightly offset at opposite edges of the second radiation electrode so that a connecting line between two opposite connecting webs 250, 252, 254, 256 does not run 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 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 which is effective at higher frequencies and an upper, larger patch formed by the second radiation electrode 220 and the third radiation electrode 230.

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 in an electrical substrate thickness leads to the formation of higher-order surface waves. 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 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 third radiation electrode 230). If the larger patch were at the bottom (i.e., near the aperture) and the smaller patch at the top (i.e., away from the aperture), this 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, by 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, avoided that the radiation of the underlying smaller patch is too much shielded by the larger patch above. 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 planaren Antennenstruktur, von der eine erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist. 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 image of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived. 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 used a 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 zweiten 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 second 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 second and the third radiation electrode 220, 230 are arranged substantially the same as described with reference to FIG 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 thus extend substantially parallel to the outer edges of the second radiation electrode 220. Also, the third radiation electrode 230 has two outer chamfered corners 430, 440 adjacent to 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, in shape, the first and second radiation electrodes 130, 220 do not differ significantly. 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, ie 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 ein Bild eines Prototypen einer planaren Antennenstruktur, aus der eine erfindungsgemäße Antennestruktur ableitbar ist. 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 an image of a prototype of a planar antenna structure, from which an antenna structure according to the invention can be derived. Shown here is a constructed mono-band antenna, which is designed for the frequency range from 2.40 GHz to 2.48 GHz. 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 is also 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 ein Bild eines Prototypen einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gemäß dem zweiten 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 an image of a prototype of an antenna structure according to the invention according to the second 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 230. 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 in this case carries a second radiation electrode 220 and a third radiation electrode 230. 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 Incidentally, it is 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 lowest position of the The antenna is formed by a structured conductive layer, for example a metallization 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 Again, above the second dielectric FR4 layer is 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 order vary 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 planaren Antenne, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur ableitbar ist. 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 shows a graphical representation of the course of the reflection coefficient S11 for a prototype 500 of a planar antenna, from which the antenna structure according to the invention is derivable. 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. 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.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. 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 planaren Antennenstruktur, aus der die erfindungsgemäße Antennenstruktur herleitbar ist. 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 a planar antenna structure, from which the antenna structure according to the invention can be derived. 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, cross-polarization becomes sufficient Adjustment factor suppressed by more than 15.5 dB.

Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Verlaufs des Reflexionskoeffizienten S11 für einen Prototypen 600 einer erfindungsgemäßen Antenne gemäß dem zweiten 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 present invention according to the second 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 7,9 dBic und 8,3 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 7.9 dBic and 8.3 dBic. The half width is here 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.

Beispielsweise kann eine resonante Gabelförmige Kreuzapertur verwendet werden. Für eine solche Apertur ergeben sich gemäß einer Simulation in dem ISM-Band zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz ein Antennengewinn bis zu 7,5dBic, eine Halbwertsbreite von 70° und eine Polarisationsentkopplung bis zu 30dB. In dem ISM-Band zwischen 5,15 GHz und 5,35 GHz kann gemäß einer Simulation ein Antennengewinn bis zu 7dBic, eine Halbwertsbreite von 35° und eine Polarisationsentkopplung bis zu 17 dB erzielt werden.For example, a resonant fork-shaped cross aperture can be used. According to a simulation in the ISM band between 2.40 GHz and 2.48 GHz, an antenna gain of up to 7.5 dBic, a half-value width of 70 ° and a polarization decoupling of up to 30 dB result for such an aperture. In the ISM band between 5.15 GHz and 5.35 GHz, according to a simulation, an antenna gain up to 7dBic, a half width of 35 ° and a polarization decoupling up to 17 dB can be achieved.

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 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 emission of almost purely circularly polarized waves at a relatively large bandwidth of the reflection coefficient S11. This is also 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 gezeigte 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 die beiden Frequenzbänder), bestehend aus zwei Patches, überkoppelt. Dabei kann der größere Patch als "zwei 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 shown geometry of the aperture or the slot also allows 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 underside of the lower circuit board 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 two frequency bands), consisting of two patches. The larger patch can be interpreted as "two nested patches with short circuits". The inside smaller Patch is preferably the same size as the bottom patch.

Durch eine solche Struktur bzw. ein solches Dualbandkonzept können eine Reihe von Problemen gelöst werden, die bei herkömmlichen Antennen auftreten.By such a structure or such a dual-band concept, a number of problems that occur in conventional antennas can be solved.

Um eine möglichst große Bandbreite zu erzielen, müssen unabhängig voneinander zu betrachtende Strahler für beide Frequenzbereiche relativ dicke Substrate mit einer niedrigen Permittivität haben.In order to achieve the widest possible bandwidth, radiators that are to be considered independently of one another must have relatively thick substrates with low permittivity for both frequency ranges.

Allerdings führt die Vergrößerung der elektrischen Substratdicke herkömmlicherweise zur Entstehung von Oberflächenwellen höherer Ordnung, was sehr stark den Antennengewinn reduziert, wie im folgenden erläutert wird. Herkömmlicherweise können zwei Patche für verschiedene Frequenzbänder ineinander auf einem gemeinsamen Substrat liegen. Die Dicke des Substrats kann als Maximum von berechneten Substratdicken von getrennten Antennen, mit denen die getrennten Antennen die erforderliche Bandbreite aufweisen, bestimmt werden. Ist aber das höhere Frequenzband von dem niedrigeren Frequenzband ungefähr eine Oktave weit getrennt, und ist die minimale Substratdicke für den größeren Patch bei der Nutzung in dem oberen Frequenzbereich so dick, dass dies zu einem hohen Niveau von Oberflächenwellen höherer Ordnung führt, so reduzieren die Oberflächenwellen sehr stark den Antennengewinn für den oberen Frequenzbereich. Daher müssen die beiden Antennen für verschiedene Frequenzbereiche verschiedene Substratdicke haben. Die Antennen für verschiedene Frequenzbereiche müssen sich also in verschiedenen Ebenen befinden. Dies kann mit einer erfindungsgemäßen Antennengeometrie erreicht werden.However, increasing the electrical substrate thickness conventionally results in the formation of higher order surface waves, which greatly reduces antenna gain, as will be explained below. Conventionally, two patches for different frequency bands can be placed inside each other on a common substrate. The thickness of the substrate may be determined as a maximum of calculated substrate thicknesses of separate antennas with which the separate antennas have the required bandwidth. However, if the higher frequency band is separated from the lower frequency band by about one octave, and the minimum substrate thickness for the larger patch is so thick in use in the upper frequency range that this results in a high level of higher order surface waves, the surface waves will reduce very strong the antenna gain for the upper frequency range. Therefore, the two antennas must have different substrate thicknesses for different frequency ranges. The antennas for different frequency ranges must therefore be in different levels. 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. Das vorgeschlagene Dual-band-Konzept ermöglicht den Aufbau vollständig planarer, in einer Serienproduktion leicht herstellbarer und daher 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 proposed dual-band concept allows the construction of completely planar antennas that are easy to produce in mass production and therefore cost-effective. 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 (15)

  1. A planar multiband antenna (400; 600), comprising:
    a ground area (110);
    a first radiation electrode (130), a second radiation electrode (220) and a third radiation electrode (230); and
    feeding means (120, 140) which is implemented to feed the first radiation electrode (130),
    wherein the first radiation electrode (130) is arranged at least partly between the ground area (110) and the second radiation electrode (220) and does not protrude from an external periphery of the third radiation electrode (230);
    wherein the third radiation electrode (230) is arranged to completely surround an external periphery of the second radiation electrode (220) with a gap (240) therebetween; and
    wherein the third radiation electrode is arranged on that side of the first radiation electrode facing away from the ground electrode; characterized in that
    the third radiation electrode (230) and the second radiation electrode (220) are connected to each other via four conductive connection lands.
  2. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 1, wherein the third radiation electrode (230) is implemented such that, in a projection of the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230) along a direction normal to the second radiation electrode (220) in an image plane, an image of the third radiation electrode (230) completely encloses an image of the second radiation electrode (220).
  3. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 1 or 2, wherein the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230) are in one plane, wherein the third radiation electrode (230) completely encloses the second radiation electrode (220) in the plane.
  4. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 3, wherein a distance between the third radiation electrode (230) and the second radiation electrode (220) is smaller than a distance between the third radiation electrode (230) and the first radiation electrode (130).
  5. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 4, wherein the first radiation electrode (130), the second radiation electrode (220), the third radiation electrode (230) and the feeding means (120, 140) are implemented such that the planar multiband antenna (400, 600) is able to radiate a circularly polarized electromagnetic wave.
  6. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 5, wherein the feeding means (120, 140) includes an aperture (120) in the ground area (110) and a wave guide (140), wherein the first radiation electrode (130), the second radiation electrode (220) and the third radiation electrode (230) are arranged spaced apart from the ground area (110) on a first side of the ground area (110), and
    wherein the wave guide (140) is arranged on a second side of the ground area (110); and
    wherein the wave guide (140) and the first radiation electrode (130) are arranged such that energy from the wave guide (140) can be coupled through the aperture (120) to the first radiation electrode (130) to feed the first radiation electrode (130).
  7. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 6, wherein the wave guide (140) and the aperture (120) are implemented to allow radiation of a circularly polarized electromagnetic wave.
  8. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 7, wherein the aperture (120) comprises at least a first slot (150) and a second slot (152) which together form a slot in the shape of a cross.
  9. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 8, wherein the first radiation electrode (130) and the second radiation electrode (220) comprise equal shapes.
  10. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 9, wherein a maximum dimension of the second radiation electrode (220) differs by at most 30% from a maximum dimension of the first radiation electrode (130).
  11. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 10, wherein a plane in which the first radiation electrode (130) is arranged forms a positive angle of at most 20 degrees with the ground area (110), wherein a plane in which the second radiation electrode (220) is arranged forms a positive angle of at most 20 degrees with the ground area (110), and wherein a plane in which the third radiation electrode (230) is arranged forms a positive angle of at most 20 degrees with the ground area.
  12. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 11, which is implemented such that impedance matching of a standing wave ratio of less than 2 is achieved in at least two frequency bands.
  13. The planar multiband antenna (400; 600) according to one of claims 1 to 12, comprising a first dielectric layer, a first layer of low dielectric constant, a second dielectric layer, a second layer of low dielectric constant, and a third 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 third dielectric layer supports the second radiation electrode and the third radiation electrode;
    wherein the first layer of low dielectric constant is arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer;
    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 first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the first dielectric layer, wherein the dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the second dielectric layer, and wherein the dielectric constant of the first layer of low dielectric constant is smaller than a dielectric constant of the third dielectric layer; and
    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 the dielectric constant of the third dielectric layer.
  14. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 13, wherein the first, second or third dielectric layer consists of FR4 material.
  15. The planar multiband antenna (400; 600) according to claim 13 or 14, wherein the first layer of low dielectric constant or the second layer of low dielectric constant is an air layer.
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