EP2027626B1

EP2027626B1 - Mehrschichtige antenne planarer bauart

Info

Publication number: EP2027626B1
Application number: EP07725883A
Authority: EP
Inventors: Frank Mierke; Gerald Schillmeier
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: CN101467304A; DE502007002430D1; ATE453227T1; WO2007144104A1; KR20090014277A; ES2337098T3; RU2424605C2; EP2027626A1; DE102006027694B3; CN101467304B; JP2009540708A; PL2027626T3; RU2008145907A; KR101011310B1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Antenne planarer Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Patchantennen bzw. sogenannte Microstrip-Antennen sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen üblicherweise eine elektrisch leitfähige Grundfläche, ein darüber angeordnetes dielektrisches Trägermaterial und eine auf der Oberseite des dielektrischen Trägermaterials vorgesehene elektrisch leitfähige Strahlungsfläche. Die obere Strahlungsfläche wird in der Regel durch eine quer zu den vorstehend genannten Ebenen und Schichten verlaufende Speiseleitung angeregt. Als Anschlusskabel dient vor allem ein Koaxialkabel, dessen Außenleiter an einem Anschluss mit dem Masseleiter elektrisch verbunden ist, wohingegen der Innenleiter des Koaxialkabels mit der oben liegenden Strahlungsfläche elektrisch verbunden ist.
Mehrschichtige Antennen planarer Bauart sind beispielsweise als sogenannte "stacked"-Patchantennen bekannt geworden. Mittels eines derartigen Antennentyps besteht die Möglichkeit die Bandbreite einer derartigen Antenne zu erhöhen bzw. Resonanzen in zwei oder mehreren Frequenzbereichen zu gewährleisten. Durch derartige Antennen kann auch der Antennengewinn verbessert werden.
Gemäß der Vorveröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. AP-27, NO. 2, MARCH 1979, Seite 270 - 273 ist eine mehrschichtige Patchantenne beschrieben, die eine Resonanz in zwei Frequenzbereichen ermöglicht. Dazu weist die Patchantenne z.B. neben der unten liegenden Massefläche und der dazu versetzt angeordneten und über eine Speiseleitung angeregten Strahlungsfläche eine oberhalb der Strahlungsfläche mit Seitenversatz dazu angeordnete Patchfläche. Das Trägermaterial zwischen der Masse- und der Strahlungsfläche sowie zwischen der Strahlungsfläche und der darüber befindlichen Patchfläche besteht jeweils aus einem Substrat mit gleicher Dielektrizitätskonstante.
Eine Patchantenne mit Trägerschichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ist beispielsweise aus der Veröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS'AND PROPAGATION, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999, Seiten 1780 - 1784 bekannt geworden. Als obere Trägerschicht für die obere metallische Fläche (Patchfläche) dient Schaum. Der Abstand zwischen der oberen Patchfläche zu der darunter befindlichen Strahlungsfläche entspricht dem Abstand zwischen der Strahlungsfläche zur unteren Massefläche.
Dass sich mittels mehrschichtiger Patchantennen der Antennengewinn erhöhen lässt, ist unter anderem aus der Vorveröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999, Seiten 1767 - 1771 als bekannt zu entnehmen.
Zudem ist eine weitere Antenne mit mehrschichtigem Aufbau beispielsweise aus der US 5,880,694 A bekannt geworden. Sie umfasst eine untere Massefläche, einen darauf sitzenden dielektrischen Tragkörper mit einer auf der Oberseite befindlichen Strahlerfläche. Oberhalb der Strahlerfläche ist ein weiterer dielektrischer Körper angeordnet, auf dem auf der zu der unteren Massefläche entfernt liegenden Seite eine elektrisch leitfähige Patchfläche vorgesehen ist.
Eine Streifenleiterantenne mit einer Anpassungsanordnung ist zudem aus der EP 1 376 758 A1 bekannt geworden. Diese Vorveröffentlichung beschreibt unterschiedlichste Ausführungsbeispiele für Streifenleiterantennen-Anordnungen. In einem Ausführungsbeispiel ist eine Streifenleiter-Antenne beschrieben, welche über eine Massefläche ein abgestuftes Substrat mit mindestens einem nach oben überstehenden tableauförmigen Vorsprung aufweist. Unterhalb dieses tableauförmigen Vorsprunges ist benachbart zur Massefläche eine Aussparung in dem Schaumstoff-Substrat vorgesehen, an deren oben liegender Begrenzungsfläche ein Streifenleiter 6 vorgesehen ist. Durch den in der Mitte gegebenen stufenförmigen erhabenen Vorsprung ergeben sich an zwei gegenüberliegenden Seiten tieferliegende Treppen und damit der Massefläche näher liegende treppenförmige Absätze, die mit dem oben liegenden Vorsprung gemeinsam mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind.
Nachteilig ist bei allen derartigen vorbekannten Antennenanordnungen der vergleichsweise aufwendige Aufbau. Denn bei Verwendung handelsüblicher Patchantennen mit einer Massefläche, einem darauf befindlichen elektrischen Tragkörper (Substrat) und einer darüber befindlichen Strahlungsfläche ist es stets aufwendig, eine derartige Antenne zu einer mehrschichtigen Antenne zu komplementieren. In Abhängigkeit von der Verwendung handelsüblicher Patchantennen, die zumindest eine untere Massefläche, ein Substrat bestehend aus einem dielektrischen Material, beispielsweise Keramik, und eine darauf befindliche Strahlungsfläche umfassen, müsste dann jeweils eine gegebenenfalls unterschiedlich dicke dielektrische Trägerschicht hergestellt und beispielsweise auf der Strahlungsfläche der handelsüblichen Patchantenne positioniert und verankert werden, um auf der Oberseite dieser zusätzlichen dielektrischen Tragschicht dann die elektrisch leitfähige Patchfläche anzuordnen. Eine davon abweichende aber ebenfalls sehr aufwendige Konstruktion wäre es, beispielsweise ein Antennengehäuse, unterhalb dessen eine handelsübliche Patchantenne eingebaut ist, mit einer zusätzlichen elektrisch leitfähigen Patchfläche auszustatten, was aber ebenfalls aufwendige zusätzliche bauliche Maßnahmen erfordern würde.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte mehrschichtige Antenne planarer Bauart zu schaffen, insbesondere Patchantenne, die zur Erzielung der an sich bekannten elektrischen Eigenschaften mit einem oberhalb der Strahlungsfläche vorgesehenen Patchstrahler versehen ist, und die dabei insgesamt einfacher aufgebaut is't und/oder verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich zahlreiche Vorteile realisieren.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich - was durchaus überraschend ist - dass die erfindungsgemäße Antenne eine deutliche Verbesserung der Antenneneigenschaften aufweist, verglichen mit einfachen normalen Patchantennen. Dies ist umso überraschender, als die zuoberst auf der Patchantenne vorgesehene Strahlungsstruktur in extrem geringen Abstand oberhalb der Strahlungsfläche der Patchantenne angeordnet ist und dabei in einer bevorzugten Ausführungsform sogar eine Längs- und Quererstreckung aufweisen kann, die größer ist als die darunter befindliche Strahlungsfläche. Zu erwarten wäre nämlich in einem derartigen Fall, dass die zu oberst befindliche Patchfläche das Strahlungsdiagramm nachteilig beeinflusst.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne ist, dass problemlos handelsübliche Patchantennen mit einer Massefläche und einer Strahlungsfläche und einem dazwischen befindlichen Dielektrikum, bevorzugt beispielsweise sogenannte Keramik-Patchantennen, verwendet werden können, die baulich nicht verändert werden müssen. Es ist lediglich erforderlich mittels einer geeigneten Haft- und/ oder Befestigungsschicht die erfindungsgemäße dreidimensionale elektrisch leitfähige Struktur der zuoberst befindlichen Patchfläche auf einer handelsüblichen Patchantenne zu befestigen.
Mit anderen Worten ist keine zusätzliche Trägerstruktur oder Haube erforderlich, um diese Patchfläche zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Haftstruktur zwischen einer handelsüblichen Patchantenne und dem zuoberst befindlichen leitenden dreidimensionalen Patchelement eine Haftschicht in Form eines doppelseitig klebenden Klebebandes oder in Form einer vergleichbaren Klebe- oder Hefteinrichtung verwendet, wodurch eine problemlose Befestigung des zuoberst liegenden Patchelementes auf einer herkömmlichen Patchantenne möglich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Abstand zwischen dem dreidimensionalen Patchelement und der Strahlungsfläche einer Patchantenne einen Abstand auf, der größer als 0,5 mm, insbesondere größer als 1 mm, beispielswiese um 1,5 mm ist. Obgleich der Abstand auch noch größer sein kann, ist grundsätzlich ein derartig gering dimensionierter Abstand zwischen dem dreidimensionalen Patchelement und der Strahlungsfläche einer mehrschichtigen Patchantenne voll ausreichend.
Die dreidimensionale Struktur des Patchelementes kann beispielsweise durch einen sogenannten Volumenkörper realisiert werden, der neben seiner flächigen Erstreckung (beispielsweise vergleichbar mit herkömmlichen Metallplättchen oder Metallschichten) zusätzlich eine deutlich größere Höhe oder Dicke von einem oder mehreren Millimetern aufweist.
Alternativ ist es aber ebenso möglich, dass beispielsweise ein derartiges dreidimensionales, oberhalb der Strahlungsfläche angeordnetes Patchelement mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Rand oder Stegrand ausgestattet ist, wodurch quasi eine dreidimensionale Struktur realisiert wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass das mit einer dreidimensionalen Struktur versehene Patchelement durch ein Blech oder Stanzteil gebildet sein kann, in dem aus einem flächigen Element umlaufende Randabschnitte nach oben aufgestellt werden, die quer und vorzugsweise senkrecht zur Ebene des Patchelementes ausgerichtet sind. In den Ecken müssen die einzelnen Flansch- oder Randabschnitte nicht miteinander zwingend elektrisch oder elektrisch-galvanisch verbunden sein. Die gegebene elektrische Verbildung von einem aufgestellten Randelement zu einem benachbarten Randelement erfolgt über den im Wesentlichen parallel zu der darunter befindlichen Strahlungs- und Massefläche ausgerichteten Zentralabschnitt des Patchelementes.
Die erwähnte dreidimensionale Struktur (die deshalb "dreidimensionale" Struktur genannt wird, weil sie gegenüber nach dem Stand der Technik verwendeten Metallplättchen oder Metallfolien eine deutlich größere Materialdicke oder Materialhöhe aufweist) erfordert nicht zwingend, dass der gesamte Körper als sogenannter Volumenkörper ausgebildet ist oder der erwähnte umlaufende Rand zwingend im gesamten Randabschnitt der Pätchstruktur umlaufend ausgebildet sein muss. Auch abschnittweise Rand- oder Stegelemente sind ausreichend. Ebenso können in der Patchfläche selbst auch Ausnehmungen oder sogar z.B. eine der darunter befindlichen Strahlungsfläche zugewandt liegende konkave Verformung der Patchfläche vorgesehen sein. Ebenso können aber auch Ausnehmungen in der Patchfläche eingearbeitet sein, die beispielsweise vom umlaufenden Rand aus in die Patchfläche hineinragen. Ebenso möglich ist die Verwendung beispielsweise eines aus Kunststoff bestehenden dielektrischen Körpers, welcher mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogen ist. Bei' Verwendung eines derartigen "Volumenkörpers" mit einer Dicke oder Höhe von beispielsweise mehr als vorzugsweise 0,5 mm oder 1 mm, insbesondere mehr als 1, 5 mm, sollte dieser zumindest auf einer parallel zur Strahlungsfläche befindlichen Seite, vorzugsweise auf der zu der Strahlungsfläche benachbart liegenden Seite und an seinen umlaufenden Wand- oder Randabschnitten mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein. Bei Bedarf kann auch die zur Strahlungsfläche der Patchantenne abgewandelte obere Seite des elektrisch nicht leitfähigen Körpers mit einer elektrisch leitfähigen Schicht ausgestattet sein.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:

Figur 1 :: eine schematische axiale Querschnittsdarstellung durch eine handelsübliche Patchantenne nach dem Stand der Technik;
Figur 2 :: eine schematische Draufsicht auf die nach dem Stand der Technik bekannte Patchantenne gemäß Figur 1;
Figur 3 :: eine schematische Quer- oder Seitendarstellung einer erfindungsgemäßen Stacked-Patchantenne;
Figur 4 :: eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3;

Figur 5 :: eine Figur 4 entsprechende Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Patchantenne mit einer abweichenden Ausführungsform für das oben aufsitzende Patchelement;
Figur 6 :: eine Figur 3 entsprechende Seiten- oder Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Patchantenne unter Wiedergabe einer verwendeten Trageinrichtung für das obere Patchelement;
Figur 7 :: ein zu Figur 6 abweichendes Ausführungsbeispiel in schematischer Seiten- und/oder Querschnittsdarstellung;
Figur 8 :: eine schematische Draufsicht auf ein Patchelement, wie es bei weiterer Verarbeitung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 zur Anwendung gelangt;
Figur 9a :: ein zu Figur 7 abweichendes Ausführungsbeispiel;
Figur 9b :: eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9a;
Figur 10 :: ein zu den Figuren 7, 9a und 9b nochmals abweichendes Ausführungsbeispiel;
Figur 11 :: ein zu den Figuren 7, 9a, 9b und 10 nochmals abweichendes Ausführungsbeispiel; und
Figur 12 :: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit deutlich größerer Höhe oder Dicke des Patchelementes.

In Figur 1 ist in schematischer Seitendarstellung und in Figur 2 in schematischer Draufsicht der Grundaufbau eines handelsüblichen Patchstrahlers A (Patchantenne) gezeigt, der anhand der Figuren 4.3 ff. zu einer mehrschichtigen Patchantenne (stacked-patch-antenna) erweitert wird.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Patchantenne umfasst mehrere längs einer axialen Achse Z übereinander angeordnete Flächen und Schichten, auf die nachfolgend eingegangen wird.
Aus der schematischen Querschnittsdarstellung gemäß Figur 1 ist zu ersehen, dass die Patchantenne A auf ihrer sogenannten Unter- oder Anbauseite 1 eine elektrisch leitfähige Massefläche 3 aufweist. Auf der Massefläche 3 bzw. mit Seitenversatz dazu angeordnet ist ein dielektrischer Träger 5, der üblicherweise in Draufsicht eine Außenkontur 5' aufweist, die der Außenkontur 3' der Massefläche 3 entspricht. Dieser dielektrische Träger 5 kann aber auch größer oder kleiner dimensioniert und/oder mit zur Außenkontur 3' der Massefläche 3 abweichender Außenkontur 5' versehen sein. Allgemein kann die Außenkontur 3' der Massefläche n-polygonal sein und/oder sogar mit kurvigen Abschnitten versehen oder kurvig gestaltet sein, obgleich dies unüblich ist.
Der dielektrische Träger 5 weist eine ausreichende Höhe oder Dicke auf, die in der Regel einem Vielfachen der Dicke der Massenfläche 3 entspricht, also im Gegensatz zur Massefläche 3, die näherungsweise lediglich aus einer zweidimensionalen Fläche besteht, ist der dielektrische Träger 5 als dreidimensionaler Körper mit ausreichender Höhe und Dicke gestaltet.
Auf der Oberseite 5a gegenüberliegend zur Unterseite 5b (die benachbart zur Massefläche 3 zu liegen kommt) ist eine elektrisch leitfähige Strahlungsfläche 7 ausgebildet, die ebenfalls wieder näherungsweise als zweidimensionale Fläche verstanden werden kann. Diese Strahlungsfläche 7 wird über eine Speiseleitung 9 elektrisch gespeist und angeregt, die bevorzugt in Querrichtung, insbesondere senkrecht zur Strahlungsfläche 7 von unten her durch den dielektrischen Träger 5 in einer entsprechenden Bohrung oder einem entsprechenden Kanal 5c verläuft.
Von einer in der Regel unten liegenden Anschlussstelle 11, an welcher ein nicht näher gezeigtes Koaxialkabel angeschlossen werden kann, ist dann der Innenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels mit der Speiseleitung 9 elektrisch-galvanisch und damit mit der Strahlungsfläche 7 verbunden. Der Außenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels ist dann mit der unten liegenden Massefläche 3 elektrisch-galvanisch verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ff ist eine Patchantenne beschrieben, die ein Dielektrikum 5 und eine in Draufsicht quadratische Form aufweist. Diese Form oder die entsprechende Kontur oder Umrisslinie 5' kann aber auch von der quadratischen Form abweichen und allgemein eine n-polygonale Form aufweisen. Obgleich unüblich, können sogar kurvige Aüßenbegrenzungen vorgesehen sein.
Die auf dem Dielektrikum 5 sitzende Strahlungsfläche 7 kann eine gleiche Kontur oder Umrisslinie 7' aufweisen wie das darunter befindliche Dielektrikum 5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Grundform ebenfalls der Umrisslinie 5' des Dielektrikums 5 angepasst quadratisch gebildet, weist aber an zwei gegenüberliegenden Enden Abflachungen 7" auf, die quasi durch Weglassen eines gleichschenklig rechtwinkligen Dreiecks gebildet sind. Allgemein kann also auch die Umrisslinie 7' eine n-polygonale Umrisslinie oder Kontur darstellen oder sogar mit einer kurvigen Außenbegrenzung 7' versehen sein.
Die erwähnte Massefläche 3 wie aber auch die Strahlungsfläche 7 werden teilweise als "zweidimensionale" Fläche bezeichnet, da deren Dicke so gering ist, dass sie quasi nicht als "Volumenkörper" bezeichnet werden können. Die Dicke der Massefläche und der Strahlungsfläche 3, 7 bewegt sich üblicherweise unter 1 mm, d.h. in der Regel unter 0,5 mm, insbesondere unter 0,25 mm, 0,20 mm, 0,10 mm.
Oberhalb der so gebildeten Patchantenne A, die beispielsweise aus einer handelsüblichen Patchantenne A bestenen kann, vorzugsweise aus einer sogenannten Keramik-Patchantenne (bei der also die dielektrische Trägerschicht 5 aus einem Keramikmaterial besteht), ist nunmehr bei einer erfindungsgemäßen Stacked-Patchantenne gemäß Figur 3 und 4 im Höhenversatz zur oberen Strahlungsfläche 7 zusätzlich ein Patchelement 13 angeordnet (Figur 3), welches gegenüber der erwähnten Massefläche 3 und der Strahlungsfläche 7 eine dreidimensionale Struktur mit deutlich unterschiedlicher, d.h. größerer Höhe oder Dicke aufweist.
Die so geschilderte stacked-Patchantenne ist beispielsweise auf einem in Figur 3 lediglich als Linie angedeuteten Chassis B positioniert, welches beispielsweise das Basis-Chassis für eine Kraftfahrzeug-Antenne darstellen kann, in welchem die erfindungsgemäße Antenne gegebenenfalls neben weiteren Antennen für andere Dienste eingebaut sein kann. Die erfindungsgemäße Stacked-Patchantenne kann beispielsweise insbesondere als Antenne für die geostationäre Positionierung und/oder für den Empfang von Satelliten- oder terrestrischen Signalen, beispielsweise des sogenannten SDARS-Dienstes, verwendet werden. Einschränkungen für die Verwendung auch für andere Dienste sind jedoch nicht gegeben.
Das Patchelement 13 kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Metallkörper, also beispielsweise einem Quader mit entsprechender Längs- und Quererstreckung und ausreichender Höhe oder Dicke bestehen.
Wie aus der Draufsicht gemäß Figur 4 ersichtlich ist, kann dieses Patchelement 13 aber auch einen von einer rechteckförmigen oder quadratischen Struktur abweichenden Umriss 13' aufweisen. Wie nämlich bekannt ist, kann durch Abarbeiten von Randbereichen 14, beispielsweise von in Figur 4 ersichtlichen Eckbereichen 13a noch eine gewisse Anpassung der Patchantenne vorgenommen werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Patchelement 13 eine Längserstreckung und eine Quererstreckung auf, die zum einen größer ist als die Längs- und Quererstreckung der Strahlungsfläche 7 und/oder zum anderen auch größer ist als die Längs- und Querstreckung des dielektrischen Trägers 5 und/oder der darunter befindlichen Massefläche 3. Ganz allgemein kann das Patchelement 13 ganz oder teilweise auch konvexe oder konkave und/oder sonstige kurvige Umrisslinien oder einen n-polygonalen Umriss aufweisen oder Mischformen von beiden, wie dies nur schematisch für ein abweichendes Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 in Draufsicht gezeigt ist, wobei das Patchelement 13 in diesem Fall eine unregelmäßige Außenkontur oder einen unregelmäßigen Umriss 13' aufweist.
Die Dicke des Patchelementes 13 weist ein Maß auf, welches nicht nur das Doppelte, das 3-, 4- oder 5 -face usw., sondern vor allem das 10-fache, 20-, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- und/oder 100-fache und mehr der Dicke der Massefläche 3 und/oder der Dicke der Strahlungsfläche 7 beträgt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dicke oder Höhe 114 des Patchelementes 13 gleich oder größer als ein Abstand 17, der durch die Unterseite 13b des Patchelementes 13 und der Oberseite 7a der Strahlungsfläche 7 gebildet ist.
Andererseits sollte dieser Abstand 17 auch nicht kleiner als 0,5 mm sein, vorzugsweise mehr als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder gleich oder mehr als 1 mm betragen. Werte um 1,5 mm, also allgemein zwischen 1 mm bis 2 mm oder 1 mm bis 3 mm, 4 mm oder bis 5 mm sind voll ausreichend.
Andererseits ist auch zu ersehen, dass die Höhe oder Dicke 114 des dreidimensionalen Patchelementes 13 bevorzugt kleiner ist als die Höhe oder Dicke 15 des dielektrischen Trägers 5. Bevorzugt weist die Dicke oder Höhe 114 des zuoberst liegenden Patchelementes 13 ein Maß auf, welches weniger als 90%, insbesondere weniger als 80%, 70%, 60%, 50% oder sogar weniger als 40% und gegebenenfalls 30% oder weniger als 20% der Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 entspricht.
Andererseits ist eine Vorbeschränkung auf die vorstehend genannte Höhe nicht zwingend notwendig. Von daher kann die Höhe oder Dicke 114 des dreidimensionalen Patchelementes 13 auch eine größere und vor allem deutlich größere Höhe oder Dicke aufweisen als die Dicke des dielektrischen Trägers 5. Mit anderen Worten kann diese Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 beispielsweise auch ein Maß aufweisen, welches bis zum 1,5-fachen, 2-fachen, 4-, 5-; 6-, 7-, 8-, 9- und/oder dem 10-fachen und mehr der Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 entspricht.
Andererseits soll die Dicke oder Höhe 114 des Patchelementes 13 bevorzugt größer sein als das Abstandsmaß 17 zwi-schen der Strahlungsfläche 7 und der Unterseite 13b des Patchelementes 13.
Bevorzugt wird zwischen der Strahlungsfläche 7 und der Unterseite 13b des Patchelementes 13 (also für das Abstandsmaß 17) eine Trageinrichtung 19, insbesondere eine dielektrische Trageinrichtung 19 mit einer Höhe 17 eingesetzt, worüber das Patchelement 13 gehalten und getragen wird. Diese dielektrische Trageinrichtung 19 besteht bevorzugt aus einer Haft- oder Montageschicht 19' (Figur 6), die beispielsweise als sogenannte doppelseitig klebende Haft- und Montageschicht 19' ausgebildet sein kann. Es können hierzu handelsübliche doppelseitig klebende Klebebänder oder doppelseitig klebende Schaumbänder, Klebepads oder dergleichen verwendet werden, die eine entsprechende, vorstehend genannte Dicke aufweisen. Dies eröffnet die einfache Möglichkeit, hierüber das erwähnte Patchelement i3 auf der Oberseite einer handelsüblichen Patchantenne, insbesondere einer handelsüblichen Keramik-Patchantenne zu befestigen und zu montieren.
Anstelle des elektrisch voll leitfähigen Metallkörpers als Patchelement 13 kann aber auch beispielsweise ein Kunststoffkörper verwendet werden, der beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Unterseite 13b und elektrisch leitfähigen umlaufenden Seitenbegrenzungen 13c versehen ist, beispielsweise durch Auftragen einer elektrisch leitfähigen Außenschicht. Die Oberseite 13d muss nicht zwingend elektrisch leitfähig sein, obgleich die gesamte Oberfläche des so gebildeten an sich nicht leitfähigen Patchelementes 13 mit einer umlaufenden elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein kann.
Anhand von Figur 7 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der das dreidimensionale Patchelement 13 nicht als Volumenkörper, sondern als mit einem umlaufenden Seiten- oder Randsteg 14 versehenes plattenförmiges Patchelement 13 ausgestaltet ist.
Ein derartiges Patchelement 13 kann beispielsweise aus einem Metallblech durch Stanzen und Kanten hergestellt werden, wie es in Draufsicht beispielsweise in Figur 8 dargestellt ist.
Figur 8 zeigt die Umrisslinien eines Metallteiles beispielsweise in annähernd quadratischer Form, wobei in den Eckbereichen Ecken 25 ausgestanzt werden. Anschließend können längs der Kantlinien 27 die so gebildeten Randbereiche oder -stege 14 gegenüber der Basisfläche 113 des Patchelementes 13 aufgestellt werden, so dass diese Randbereiche oder -stege 14 quer zur Basisfläche 113 des Patchelementes 13 und vorzugsweise senkrecht dazu verlaufen. Die so gebildeten Schnittlinien zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbart zueinander liegenden und im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander verlaufenden Randstegen 14 müssen an ihren Schnitt- und/oder Berührungslinien nicht miteinander elektrisch-galvanisch verbunden sein, beispielsweise durch Löten. Die elektrische Verbindung über den flächigen Zentralabschnitt 113 des Patchelementes 13 ist ausreichend.
Auch in diesem Falle wird das so gebildete Patchelement 13 mit seiner Unterseite 13b mittels einer Trageinrichtung, beispielsweise mittels einer schichtförmigen dielektrischen Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form eines Haft- oder Montageträgers 19' auf der Oberseite einer beispielsweise handelsüblichen Patchäntenne A befestigt, wobei eine handelsübliche Patchantenne A auf der Oberseite ihrer Strahlungsfläche 7 noch mit einer dielektrischen Schicht überzogen sein kann aber nicht sein muss.
Anhand von Figur 9a ist im schematischen Querschnitt und anhand von Figur 9b in schematischer Draufsicht gezeigt, dass das beispielsweise anhand der Figuren 7 und 8 beschriebene Patchelement 13 in seiner flächigen Unterseite 13b mit einer Ausnehmung oder einem Loch 29 versehen sein kann. Diese Ausnehmung oder dieses Loch 29 ist bevorzugt in jenem Bereich vorgesehen, in welchem die Speiseleitung 9 mit der Strahlungsfläche 7 in der Regel durch Löten verbunden ist. Denn an dieser Stelle ist üblicherweise eine über die Oberfläche der Strahlungsfläche 7 überstehende Löterhebung 31 ausgebildet. Selbst wenn nur eine sehr dünne Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form eines Haft- oder Montageträgers 19' verwendet wird, wird dadurch gewährleistet, dass an dieser Stelle zum einen eine gute mechanische Haftverbindung zwischen dem Patchelement 13 über die Trageinrichtung 19, bevorzugt in Form der Haft- und Montageschicht 19', mit der darunter befindlichen in der Regel handelsüblichen Patchantenne hergestellt werden kann und zum anderen eine elektrische Kontaktierung zwischen der Löterhebung 31 und dem Patchelement 13 sicher vermieden werden kann. Der besseren Darstellbarkeit ist in Figur 9a (wie aber auch in den nachfolgend noch diskutierten Figuren 10 und 11) die Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form einer Haft- und/oder Montageschicht 19' nicht eingezeichnet worden. Der besseren Darstellung dienend ist dabei in Figur 9b das obere Patch 13 quasi "durchsichtig" dargestellt worden, so dass die erwähnte Ausnehmung oder das Loch 29 nur durch eine entsprechende Umrisslinie gekennzeichnet ist.
Ähnliche Vorteile können auch gemäß einer Ausbildung entsprechend Figur 10 erzielt werden. Bei Figur 10 ist in der elektrisch leitfähigen unteren Ebene 13b des Patchelementes 13 eine nach oben konvex vorstehende Verformung 33 eingearbeitet, die bevorzugt oberhalb der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Speiseleitung 9 und der Speisefläche 7 zu liegen kommt, also in der Regel dort, wo eine Löterhebung 31 ausgebildet ist.
Schließlich ist anhand von Figur 11 lediglich gezeigt, dass die erwähnten Randabschnitte 14, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils am umlaufenden Außenrand 113' der Patchfläche des Patchelementes 13 vorgesehen sind, nicht senkrecht zur Basisfläche 113 des Patchelementes 13 ausgerichtet sein müssen, sondern beispielsweise wie anhand von Figur 11 gezeigt ist, in einem gegenüber der Senkrechten abweichenden Winkelausrichtung vorgesehen sein können. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 sind die Randseitenbegrenzungen 14 längs der axialen Anbaurichtung A (in Figur 1) divergierend, also von der Basis- oder Zentralfläche 113 in Strahlungsrichtung voneinander weg verlaufend ausgerichtet. Genauso können die Randseitenabschnitte aber auch aufeinander zuweisend ausgerichtet sein. Genauso können an einer Seite die Seitenbegrenzungen 14 beispielsweise in anderer Richtung A mehr auf den Zentralabschnitt 113 des Patches 13 zu gebogen sein und an einer anderen Seite von der Zentralfläche 113 weglaufend ausgerichtet sein. Schließlich müssen diese Stege oder Randabschnitte 14 nicht zwingend an der äußersten Umrisskante oder Umrissrand 113' vorgesehen sein, sondern können dazu weiter nach innen versetzt liegend ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in Figur 11 für quer zur Basisfläche 113 verlaufende Stege oder andersartige Erhebungen 14' in strichlierter Darstellung gezeigt ist, die zur Außenbegrenzung 113' weiter nach innen versetzt liegend auf dem Patchelement angeordnet sind. Diese in Figur 11 gezeigten Stege oder Erhebungen 14' können aber auch wieder von einer Senkrechten abweichend eher nach außen oder eher nach innen geneigt verlaufend ausgerichtet sein. Im übrigen müssen sie auch im Querschnitt nicht steg- oder bandförmig ausgestaltet sein, sondern können in einem dreieckförmigen Querschnitt volumige Querschnitte oder beliebig geformte Querschnittsformen aufweisen.
Schließlich wird auch angemerkt, dass auch bei Verwendung eines Volumenkörpers, beispielsweise vergleichbar der Ausführungsform nach Figur 3 oder 6, die umlaufenden Begrenzungsflächen 13' (Seitenbegrenzungen 13c) nicht senkrecht zur Unter- oder Oberseite 13b, 13d des Patchelementes 13 ausgerichtet sein müssen, sondern ebenfalls mit schräg verlaufenden Seitenflächen ausgestaltet sein können, vergleichbar den geneigt verlaufenden Rändern oder Stegen 14 in Figur 11.
Die erfindungsgemäße Stacked-Patchantenne kann bevorzugt als Antenne im Rahmen einer Kfz-Antenne neben weiteren Antennen für andere Dienste eingesetzt werden. Eine Beschränkung hierauf ist jedoch nicht gegeben. Die dabei im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Stacked-Patchantenne verwendete handelsübliche Patchantenne A besteht vorzugsweise - wie erläutert - aus einem dielektrischen Träger 5, dessen Ober- bzw. Unterseite aus einer metallischen oder elektrisch-leitfähigen Schicht 7 bzw. 3 ausgebildet und auf dem Träger 5 fixiert ist.
Schließlich wird noch auf Figur 12 verwiesen, in der ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein oben liegendes Patchelement 13 verwendet, welches - wie aus der Figur ersichtlich ist - eine Dicke oder Höhe 114, die sogar größer ist als die Dicke oder Höhe des dielektrischen Trägers 5. Trotz dieser vergleichsweise großen Höhe oder der größeren Erstreckung senkrecht zur Substratfläche weist auch die so gebildete Patchantenne verbesserte elektrische Eigenschaften auf.
Anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist verdeutlicht worden, dass das Patchelement 13 größer als oder gleich wie oder dielektrische Träger 5 ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Patchelement 13 auch größer als die Massefläche 3 und größer als die Strahlungsfläche 7.
Nachfolgend werden noch Größenangaben bezüglich des Patchelementes 13 im Verhältnis zum dielektrischen Träger 5, zur Massefläche 3 bzw. zur Strahlungsfläche 7 angegeben, wobei sich die nachfolgenden Größenangaben und Größenverhältnisse jeweils auf eine Erstreckungsrichtung in Längs- und/oder Querrichtung des Patchelementes 13, des Trägers 5, der Massefläche 3 sowie der Strahlungsfläche 7 (insbesondere parallel zu den beiden senkrecht aufeinander stehenden Kantenlänge der genannten Teile) beziehen, also lineare Größenverhältnisse und keine flächigen Größenverhältnisse wiedergeben.
Bevorzugt sollte die Anordnung so gewählt werden, dass das Patchelement 13 bis zu 100 % größer als der dielektrische Träger 5 und/oder bis zu 200 % größer als die Massefläche 3 und/oder bis zu 200 % größer als die Strahlungsfläche 7 ist.
Die Größenordnungen können in einer weiteren bevorzugten Variante alternativ oder ergänzend auch so gewählt werden, dass das Patchelement (welches in der Regel größer ist als der dielektrische Träger 5), eine minimale Größe aufweisen soll, die 20 % kleiner ist als der dielektrische Träger 5 und/oder bis zu 5 % kleiner ist als die Massefläche 3 und/oder bis zu 5 % kleiner ist als die Strahlungsfläche 7. Üblicherweise sind die entsprechenden Größenordnungen jedoch größer als die vorstehend genannten untersten Werte.
Bevorzugte Werte liegen beispielsweise so, dass das Patchelement 13 um 4 % bis 16 %, insbesondere um 6 % bis 12 % und insbesondere um 8 % größer ist als der elektrische Träger 5 und/oder dass das Patchelement 13 um 8 % bis 34 % und insbesondere um 12 % bis 28 %, nämlich um 17 % größer als die Massefläche 3 ist und/oder um 21 % bis 84 %, insbesondere um 30 % bis 60 %, vor allem um 42 % größer ist als die Strahlungsfläche 7.

Claims

Mehrschichtige Antenne planarer Bauart, insbesondere Patchantenne, mit mehreren entlang einer axialen Achse (Z) mit oder ohne Seitenversatz zueinander angeordneten Flächen und/oder Schichten mit folgenden Merkmalen:
- es ist eine elektrisch leitende Massefläche (3) vorgesehen,

- es ist eine leitende Strahlungsfläche (7) vorgesehen, die im Abstand über der Massefläche (3) angeordnet ist und im Wesentlichen parallel dazu verläuft,

- es ist ein dielektrischer Träger (5) vorgesehen, der zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist,

- die Strahlungsfläche (7) ist mit einer elektrisch leitenden Speiseleitung (9) elektrisch verbunden,

- mit einer Trageinrichtung (19), die auf der zur Massefläche (3) gegenüberliegenden Seite der Strahlungsfläche (7) vorgesehen ist, und

- mit einem elektrisch leitfähigen Patchelement (13), welches auf der zur Strahlungsfläche (7) gegenüberliegenden Seite der Trageinrichtung (19) vorgesehen ist,
gekennzeichnet durch das folgende weitere Merkmal:

- das Patchelement (13) mit seinen Randbereichen (14) oder seinen umlaufend oder abschnittsweise ausgebildeten Rand- oder Wandabschnitten (14) ist mit Höhenversatz oberhalb der Strahlungsfläche (7) angeordnet, und

- das Patchelement (13) weist dabei eine Dicke oder Höhe (114) derart auf, dass der zwischen der Strahlungsfläche (7) und der Unterseite (13b) des Patchelementes (13) gebildete Abstand (17) oder die Höhe (17) der Trageinrichtung (19) kleiner ist als die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13).
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) kleiner ist als die Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5), wobei die Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5) dem Abstand zwischen der Massefläche (3) und der Strählungsfläche (7) entspricht.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (114) des Patchelementes (13) größer ist als die Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5), wobei die Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5) dem Abstand zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7) entspricht, und dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) bis zum 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-fachen und mehr der Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5) entspricht.
Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) zumindest im Wesentlichen eine Längs- oder Quererstreckung der Strahlungsfläche (7) aufweist, die größer oder gleich ist als die Längs- bzw. Quererstreckung des dielektrischen Trägers (5) oder größer ist als die Längs- oder Quererstreckung der Massefläche (3).
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (113) mehr als das Doppelte, mehr als das 3-, 4- oder 5-fache, insbesondere mehr als das 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-fache und insbesondere mehr als das 20-, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- oder 100-fache und mehr der Dicke der Massefläche (3) und/oder der Dicke der Strahlungsfläche (7) beträgt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (17) der dielektrischen Trageinrichtung (19) größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder vorzugsweise größer als 1 mm ist.
Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Höhe (17) der dielektrischen Trageinrichtung (19) weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 4 mm, 3 mm oder weniger als 2 mm beträgt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Trageinrichtung (19) aus einer Haft- oder Montageschicht (19') besteht.
Antenne nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Trageinrichtung (19) aus einer doppelseitig klebenden Haft- oder Montageinrichtung (19'), insbesondere einem doppelseitig klebenden Klebeband, Schaumband, Acryl-klebeband oder Klebepad besteht.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem dreidimensionalen Volumenkörper besteht.
Antennen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) einen metallplattförmigen, folienförmigen oder schichtförmigen Zentral- oder Basisabschnitt (113) umfasst, wobei auf dem Zentral- oder Basisabschnitt (113) die quer zu dessen Fläche wegstehende Wand- oder Randbereiche in Form von Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) ausgebildet sind.
Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekenntzeichnet, dass die Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) am umlaufenden Rand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgebildet sind.
Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekenntzeichnet, dass die Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) an dem Außenrand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13') weiter nach innen versetzt liegend vorgesehen sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem Metallblech besteht, dessen Stege oder Ränder (14) durch Schneiden oder Stanzen und anschließendes Kanten gebildet sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder oder Stege (14) senkrecht zur Fläche des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgerichtet sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder oder Stege (14) in einem zur Senkrechten abweichenden Winkel zur Fläche des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgerichtet sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Patchelement (13) eine Ausnehmung oder ein Loch (29) oder eine Vertiefung (33) vorgesehen ist, welche sich über der unteren Ebene (13b) des Patchelementes (13) von der darunter befindlichen Strahlungsfläche (7) weg erstreckt.
Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch oder die Ausnehmung (29) oder die Vertiefung (33) in dem Bereich vorgesehen ist, bei dem in Draufsicht die Speiseleitung (9) mit der Strahlungsfläche (7) kontaktiert ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus Metall besteht.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) einen elektrisch nicht leitfähigen Körper umfasst, der mit einer elektrisch leitfähigen Schicht ganz oder teilweise überzogen ist, wobei zumindest der Zentral- oder Basisabschnitt (113) und die umlaufenden Seitenbegrenzungen (13') oder die vorgesehenen Ränder oder Stege (14) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) bis zu 100 % länger oder breiter ist als der dielektrische Träger (5) oder bis zu 200 % länger oder breiter ist als die Massefläche (3) oder bis zu 200 % länger oder breite ist als die Strahlungsfläche (7).
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) eine Länge oder Breite aufweist, die gleich oder größer als ein Minimalwert ist, wobei der Minimalwert bezüglich der Länge bzw. oder Breite des Patchelementes (13) 80 % der Länge Breite des dielektrischen Trägers (5) oder 95 % der Länge bzw. Breite der Massefläche (3) der 95% der Länge bzw. Breite der Strahlungsfläche (7) entspricht.