EP2384523A2 - Dual-band-antenne, insbesondere für satellitennavigationsanwendungen - Google Patents

Dual-band-antenne, insbesondere für satellitennavigationsanwendungen

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EP2384523A2
EP2384523A2 EP10701376A EP10701376A EP2384523A2 EP 2384523 A2 EP2384523 A2 EP 2384523A2 EP 10701376 A EP10701376 A EP 10701376A EP 10701376 A EP10701376 A EP 10701376A EP 2384523 A2 EP2384523 A2 EP 2384523A2
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EP
European Patent Office
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antenna element
antenna
frequency
conductor
band
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EP10701376A
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English (en)
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Marcos Vinicio Thomas Heckler
Enrique Nova Lavado
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • the invention relates to a dual-band antenna in microstrip technology, which should find particular use in satellite navigation.
  • Satellite receivers for navigation systems generally have to receive radiation with frequencies in two frequency bands, the electromagnetic waves to be received being circularly polarized waves.
  • the European satellite system GALILEO operates on two frequency bands, namely the E5a - E5b frequency band (1, 164 to 1,215 GHz) and the Ll frequency band (1,559 to 1,591 GHz), and requires high polarization purity. In this case, it is additionally required that the reception of waves which lie outside of these frequency bands is strongly suppressed.
  • the signal received by the antenna element of the microstrip antenna is coupled to a conductor track through a recess in the mass layer. Since the antenna is to receive electromagnetic radiation in two frequency bands, the signals of the different frequency bands are then divided over electronic components such as so-called splitter. This extra hardware requires more space and adds weight, which is something both should avoid.
  • the object of the invention is to provide a DuaS band antenna, in particular for satellite navigation applications, which delivers signals in the two frequency bands at separate outputs due to their design and in particular without additional electrical or electronic components.
  • the invention proposes a dual-band antenna, in particular for satellite navigation applications, with a multi-layer structure which is provided with an upper first antenna element for receiving electromagnetic waves having a frequency in a first frequency band, one below the first Antenneneiements arranged lower second antenna element for receiving electromagnetic waves having a frequency in a second frequency band, two superimposed first and second electrically conductive ground layers, which in turn are arranged below the lower second antenna element, a conductor layer having at least one first conductor for the electromagnetic coupling with the first Antenneneiement and at least one second conductor for the electromagnetic coupling with the second antenna element, wherein the first ground layer facing the lower second antenna element has a recess below which the at least one second track runs, wherein the at least one first track is electrically insulated by means of an electrical conductor passing through the first ground layer and the lower second antenna element extends, is connected to the upper first antenna element, - a coupled to the at least one first conductor track first
  • Line adaption element for suppressing the coupling of electromagnetic waves received via the lower second antenna element and coupled into the electrical conductor at a frequency in the second frequency band into the first conductor track
  • a second line adaptation element coupled to the at least one second conductor track for suppressing the coupling in via the upper conductor first antenna element received electromagnetic waves in the first frequency band in the second conductor track and a plurality of dielectric layers, which are arranged between the superposed antenna elements, ground layers and conductor track layer.
  • the dual-band antenna according to the invention is provided with two antenna elements (patch), which are designed to receive or transmit electromagnetic waves each having a frequency in one of two frequency bands. These two antenna elements are superposed and insulated from each other by one or more dielectric layers. Basically, the geometric shape of the two A ⁇ tennenimplantation any. Preferably, each antenna element has a substantially circular, substantially rectangular or substantially square geometric shape.
  • the two antenna elements are expediently arranged one above the other in such a way that their geometrical centers of gravity on an axis which runs essentially at right angles to the antenna elements. It is also advantageous if the lower second antenna element projects beyond the peripheral edge of the upper first antenna element.
  • first and second electrically conductive ground layers between which a conductor track layer is arranged, which in turn is electrically insulated from both ground layers by dielectric layers.
  • the first upper ground layer which faces the lower second antenna element, is provided with at least one recess, below which a
  • a physical electrical connection in the form of a conductor which extends in the direction of the succession of the layers of the multilayer structure through the latter between the conductor track layer and the first antenna element, serves to couple the upper first antenna element to a first conductor track of the conductor track layer.
  • the lower second antenna element and the first ground layer facing it each have a recess, wherein an electrical conductor runs through the recesses while maintaining an all-round distance to the edges of these recesses, which connects the upper first antenna element to the first conductor layer , In this way, the signal received by the upper first antenna element can now be transmitted in a line-connected manner to the first printed conductor.
  • a coupling of the second antenna element, through which the electrical conductor extends through the recess in the second antenna element, is achieved by means of corresponding line adjustment elements, which with the first interconnect are coupled, substantially suppressed.
  • a line adaptation element is suitable for reflecting those electromagnetic waves having a frequency in the second frequency band, which are parasitically coupled in via the lower second antenna element,
  • the coupling of the lower second antenna element with the second printed conductor takes place through the recess In the first ground layer and thus as in the conventional so-called Aperture-Coupied Microstrip antenna designs.
  • a second line matching element is coupled to the second trace, which serves to match the impedance of the second trace to the lower second antenna element, thereby suppressing couplings in the second trace from the upper first antenna element.
  • any type of line matching element can be coupled to the first and second tracks.
  • the second line adaptation element which is to be present with the second interconnect, at which ideally only the signal with a frequency in the second frequency band, should suppress the coupling of electromagnetic waves received in the first frequency band into the second interconnect via the upper first antenna element.
  • the dual-band antenna according to the invention can be used as a transmitting and / or as a receiving antenna for linearly or circularly polarized waves.
  • the satellite system GALILEO operates with right-handed circularly polarized waves, the components for circularly polarized waves have two thingssanschSadore, which is why the inventive dual-band antenna for this fürsfali has two first tracks and two second tracks, as above for the first and described the second conductor, electrically connected directly to the two antenna elements or are coupled electromagnetically.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a dual-band A ⁇ ten ⁇ e according to thewhosbeispiei,
  • Fig. 3 is a sectional view taken along the line III-III of Fig. 1 and
  • Fig. 4 is a perspective view of the layer structure of the dual-band antenna in exploded view.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a dual-band antenna 10 for circularly polarized electromagnetic waves, as can be found, for example, in the GALILEO satellite system.
  • the dual band antenna 10 has a multilayer structure of electrically conductive layers and dielectric layers disposed therebetween, as shown in FIGS Sectional views of FIGS. 2 and 3 and in the exploded view according to FIG. 4 is shown in more detail.
  • the duai-band antenna 10 has a first or upper antenna element 12, which in this exemplary embodiment is substantially square and receives electromagnetic waves in a first frequency band.
  • the upper antenna element 12 is located on a dielectric layer 14, below which a second lower antenna element 16 is arranged.
  • the lower antenna element 16 has a substantially square shape. Both antenna elements are arranged center-centered one above the other.
  • a dielectric layer 18 which serves to electrically insulate the lower antenna element 16 to form a first upper electrically conductive ground layer 20.
  • a dielectric layer 22 below which a conductor track layer 24 is arranged, which is electrically insulated via a further dielectric layer 26 with respect to a further lower ground layer 28.
  • This multi-layer structure basically corresponds to the known dual-band antenna design using microstrip technology.
  • the conductor layer 24 has two conductor pairs, wherein the one pair comprises two first conductor tracks 30, 32 and the other pair comprises two second conductor tracks 34, 36. These interconnects are arranged in a common plane, namely the interconnect layer 24.
  • the first interconnects 30 and 32 are coupled to the upper antenna element 12, while the second interconnects 34, 36 are coupled to the lower antenna element 16.
  • the dual-band antenna 10 as a receiving antenna on the first interconnects
  • the electromagnetic coupling of the lower antenna element 16 with the second interconnects 34 and 36 takes place in a manner known per se by two recesses 40, 42 in the upper mass layer 20, the second interconnects 34, 36 extending below each of the two recesses 40, 42. fen and cross them, as shown in the figures. This results in an electromagnetic coupling between the lower antenna element 16 and the second interconnects 34 and 36 through the recesses 40 and 42,
  • the upper antenna element 12 is now also electromagnetically coupled through the recesses 40 and 42 to the second interconnects 34 and 36.
  • line adjustment elements 44,45 so-called impedance matching stubs
  • the impedance of the second interconnects 34,36 is now adapted to the impedance of the lower antenna element 16 associated with these second interconnects, which ensures that substantially no signals received from the upper antenna element 12 in the second interconnects 34,36 are coupled.
  • the electromagnetic coupling of the first interconnects 30, 32 with the upper antenna element 12 assigned to them takes place in accordance with the invention by means of two electrical conductors 46, 48 which extend in the direction of the succession of the various layers of the multilayer structure starting from the polyester layer 24 extend to the upper antenna element 12.
  • the two conductors 46, 48 are electrically insulated from the upper ground layer 20 and the lower antenna element 16, which both pass through.
  • the lower antenna element 16 is provided with two recesses 50, 52 and the upper mass layer 20 is likewise provided with two further recesses 54, 56. wherein the two recesses 50,54 associated with the letter 46 and the two recesses 52,56 associated with the conductor 48 are each aligned with one another.
  • the signal received from the lower antenna element 16 is parasitically coupled and thus forwarded to the first interconnects 30 and 32.
  • These first tracks 30 and 32 are in this Ausbowungsbeispiei with line adjustment elements 58,60 in the form of ⁇ / 4 decoupiing stub (where ⁇ is the "guided wave length" of the second frequency band on which the lower antenna element 16 receives), so that from the signals coupled to the lower antenna element 16 are reflected and can not propagate via the first interconnects 30, 32.
  • the two first interconnects 30, 32 have further line adaptation elements 62, 64 for impedance matching (so-called impedance matching stubs).
  • the dual-band antenna design described above and shown in the drawing enables an extremely compact design and in particular no additional electronics for the distribution of the received signals on the two frequency bands.
  • the separation of the channels is extremely good; Simulations have shown that the isolation between both channels is 30 dB.
  • electrical and / or electronic components / components 66, 68 can now be connected to the two first printed conductors 30 and 32 or to the two second printed conductors 34 and 36, as it is for the reception (or transmission) of circularly polarized electromagnetic worlds is required.
  • the signals received by the two antenna elements 12, 16 can then be picked up separately from each other and in a narrow-band fashion for further processing in a satellite receiver (or satellite transmitter).

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Abstract

Die Dual-Band-Antenne, insbesondere für Satellitennavigationsanwendungen, weist einen Mehrschichtenaufbau auf, der versehen ist mit einem oberen ersten Antennenelement (12) zum Empfang elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz In einem ersten Frequenzband, einem unterhalb des ersten Antennenelements (12) angeordneten unteren zweiten Antennenelement (16) zum Empfang elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz in einem zweiten Frequenzband, zwei übereinander angeordneten ersten und zweiten elektrisch leitenden Masseschichten (20,28), die ihrerseits unterhalb des unteren zweiten Antennenelements (16) angeordnet sind, und einer Leiterbahnschicht (24) mit mindestens einer ersten Leiterbahn (30,32) zur elektromagnetischen Kopplung mit dem ersten Antennenelement (12) und mit mindestens einer zweiten Leiterbahn (34,36) zur elektromagnetischen Kopplung mit dem zweiten Antennenelement (16). Die dem unteren zweiten Antennenelement (16) zugewandte erste Masseschicht (20) weist eine Aussparung (40,42) auf, unterhalb derer die mindestens eine zweite Leiterbahn (34,36) verläuft. Die mindestens eine erste Leiterbahn (30,32) ist mittels eines elektrischen Leiters (46,48), der sich durch die erste Masseschicht (20) und das untere zweite Antennenelement (16) hindurch und gegenüber diesen elektrisch isoliert erstreckt, mit dem oberen ersten Antennenelement (12) verbunden. Ferner ist der Mehrschichtenaufbau mit einem mit der mindestens einen ersten Leiterbahn (30,32) gekoppelten ersten Leitungsanpasselement (58,60,62,64) zur Unterdrückung der Einkopplung von über das untere zweite Antennenelement (16) empfangenen und in den elektrischen Leiter (46,48) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband in die erste Leiterbahn (30,32), einem mit der mindestens einen zweiten Leiterbahn (34,36) gekoppelten zweiten Leitungsanpasselement (44) zur Unterdrückung der Einkopplung von über das obere erste Antennenelement (12) empfangenen elektromagnetischen Wellen im ersten Frequenzband in die zweite Leiterbahn (34,36) und mehreren dielektrischen Schichten ( 14,18,22,26), die zwischen den übereinanderliegenden Antennenelementen (12,16), Masseschichten (20,28) und Leiterbahnschicht (24) angeordnet sind, versehen.

Description

Dual~Band-Antenner insbesondere für Satellitennavigationsanwendunqen
Die Erfindung betrifft eine Dual-Band-Antenne in Mikrostrip-Technologie, die insbesondere Verwendung in der Satellitennavigation finden soll.
Zukunftige Navigationssysteme erfordern präzisere und zuverlässige Satellitenempfänger, die kleinformatig sein müssen. Ferner müssen Sateilitenemp- fänger für Navigationssysteme zumeist Strahlung mit Frequenzen in zwei Frequenzbändern empfangen, wobei es sich bei den zu empfangenden elektromagnetischen Wellen um zirkulär polarisierte Wellen handelt. So arbeitet beispielsweise das europäische Satellitensystern GALILEO auf zwei Frequenzbändern, nämlich dem E5a - E5b-Frequenzband (1, 164 bis 1.215 GHz) und dem Ll-Frequenzband (1.559 bis 1.591 GHz), und erfordert eine hohe Polarisationsreinheit. Hierbei wird zusätzlich gefordert, dass der Empfang von Wellen, die außerhalb dieser Frequenzbänder liegen, stark unterdrückt ist.
Es ist bekannt, für zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung Dual- Band-Antennen in Mikrostrip-Technologie zu verwenden. Beispiele für derartige Antennen finden sich in "DUAL APERTURE-COUPLED MICROSTRIP ANTENNA FOR DUAL OR CIRCULAR POLARISATION", A. Adrian, D.H. Schau- bert, ELECTRONIC LETTERS, 5. November 1987, Vol. 23, No. 23, und "Analysis of an Aperture Coupled Microstrip Antenna", Peter L. Sullivan, Daniel H. Schaubert, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. AP- 34, No. 8, August 1986.
Bei diesen bekannten Antennen-Designs wird das von dem Antennenelement der Mikrostrip-Antenne empfangene Signal durch eine Aussparung in der Mas- seschicht auf eine Leiterbahn gekoppelt. Da die Antenne elektromagnetische Strahlung in zwei Frequenzbändern empfangen soll, müssen die Signale der unterschiedlichen Frequenzbänder anschließend über elektronische Komponenten wie sogenannte Splitter aufgeteilt werden. Diese zusätzliche Hardware erfordert einen erhöhten Platzbedarf und verursacht zusätzliches Gewicht, was es beides zu vermeiden gilt.
Aus "A Dual-Band Circularly Polarized Aperture-Coupled Stacked Microstrip Antenna for Global Positioning Satelüte", David M. Pozar, Sean M. Duffy, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOI. 45, No. 11, November 1997, und "Dual Circularly-polarized Stacked Patch Antenna for GPS/ SDMB", Jun-Hwa Oh, Young-Pyo Hong, and Jong-Gwan Yook, proceedings of the 2008 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, JuIy 2008, sind Mikrostrip-Anteπnen-Designs für Satellitensysteme bekannt, bei denen übereinander angeordnete Antennenelemente zum Empfang elektromagnetischer Strahlung in jeweils verschiedenen Frequenzbändern verwendet werden, die über Aussparungen in einer Masseschicht (elektrisch leitende
Schicht) mit verschiedenen Leiterbahnen gekoppelt sind. Bei diesen bekannten Antennen-Designs hat sich herausgestellt, dass die Trennung der beiden Kanäle der Antenne für bestimmte Satellitennavigationsanwendungen nicht ausreichend hoch ist,
Aufgabe der Erfindung ist es, eine DuaS-Band-Antenne, insbesondere für Satellitennavigationsanwendungen zu schaffen, die auf Grund ihres Designs und insbesondere ohne elektrische bzw. elektronische Zusatzkomponenten an getrennten Ausgängen Signale in den beiden Frequenzbändern liefert,
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Dual-Band-Antenne, insbesondere für Satellitenπavigationsanwendungen, mit einem Mehrschichtenaufbau vorgeschlagen, der versehen ist mit einem oberen ersten Antennenelement zum Empfang eiektromagneti- scher Wellen mit einer Frequenz in einem ersten Frequenzband, einem unterhalb des ersten Antenneneiements angeordneten unteren zweiten Antennenelement zum Empfang elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz in einem zweiten Frequenzband, zwei übereinander angeordneten ersten und zweiten elektrisch leitenden Masseschichten, die Ihrerseits unterhalb des unteren zweiten Antennenelements angeordnet sind, einer Leiterbahnschicht mit mindestens einer ersten Leiterbahn zur elek- tromagnetischen Kopplung mit dem ersten Antenneneiement und mit mindestens einer zweiten Leiterbahn zur elektromagnetischen Kopplung mit dem zweiten Antennenelement, wobei die dem unteren zweiten Antennenelement zugewandte erste Masseschicht eine Aussparung aufweist, unterhalb derer die mindestens eine zweite Leiterbahn verläuft, wobei die mindestens eine erste Leiterbahn mittels eines elektrischen Leiters, der sich durch die erste Masseschicht und das untere zweite Antennenelement hindurch und gegenüber diesem elektrisch isoliert erstreckt, mit dem oberen ersten Antennenelement verbunden ist, - einem mit der mindestens einen ersten Leiterbahn gekoppelten ersten
Leitungsanpasselement zur Unterdrückung der Eϊnkopplung von über das untere zweite Antennenelement empfangenen und in den elektrischen Leiter eingekuppelten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband in die erste Leiterbahn, - einem mit der mindestens einen zweiten Leiterbahn gekoppelten zweiten Leitungsanpasselement zur Unterdrückung der Einkopplung von über das obere erste Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Wellen im ersten Frequenzband in die zweite Leiterbahn und mehreren dielektrischen Schichten, die zwischen den ubereinanderiiegen- den Antennenelementen, Masseschichten und Leiterbahnschicht angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Dual-Band-Antenne ist mit zwei Antennenefementen (englisch: patch) versehen, die für den Empfang bzw. für das Senden elektro- magnetischer Wellen mit jeweils einer Frequenz in einem von zwei Frequenzbändern ausgelegt sind. Diese beiden Antennenelemente liegen übereinander und sind durch ein oder mehrere dielektrische Schichten gegeneinander isoliert. Grundsätzlich ist die geometrische Form der beiden Aπtennenelemente beliebig. Vorzugsweise weist jedes Antenπenelement eine im wesentlichen kreisförmige, im wesentlichen rechteckförrnige bzw. im wesentlichen quadratische geometrische Form auf. Die beiden Antenneπelemente sind zweckmäßi- gerweise derart übereinander angeordnet, dass ihre geometrischen Schwer- punkte auf einer Achse Siegen, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Antennenelementen verläuft. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn das untere zweite Antennenelement über den Umfangsrand des oberen ersten Antennenelements übersteht.
Unterhalb der beiden Aπtennenetemente befinden sich zwei übereinander angeordnete erste und zweite elektrisch leitende Masseschichten, zwischen denen eine Leiterbahnschicht angeordnet ist, die ihrerseits gegenüber beiden Masseschichten durch dielektrisch Schichten elektrisch isoliert ist. Die erste obere Masseschicht, die dem unteren zweiten Antennenelement zugewandt ist, ist mit mindestens einer Aussparung versehen, unterhalb derer sich eine
(zweite) Leiterbahn der Leiterbahnschicht befindet. Über die Aussparung wird also das von dem unteren zweiten Antennenelement empfangene Signal auf die (zweite) Leiterbahn gekoppelt.
Zur Kopplung des oberen ersten Antennenelements mit einer ersten Leiterbahn der Leiterbahnschicht dient eine physikalische elektrische Verbindung in Form eines Leiters, der sich in Richtung der Aufeinanderfolge der Schichten des Mehrschichtenaufbaus durch diesen zwischen der Leiterbahnschicht und dem ersten Antennenelement erstreckt. Zu diesem Zweck weist das untere zweite Antennenelement und die dieser zugewandte erste Masseschicht jeweils eine Aussparung auf, wobei durch die Aussparungen unter Beibehaltung eines allseitigen Abstandes zu den Rändern dieser Aussparungen ein elektrischer Leiter verläuft, der das obere erste Antennenelement mit der ersten Leiter- bahπschicht verbindet. Damit kann nun das von dem oberen ersten Anteπnen- element empfangene Signal leitungsgebunden zur ersten Leiterbahn übertragen werden. Eine Kopplung des zweiten Antennenelements, durch die sich der elektrische Leiter durch die Aussparung in dem zweiten Antennenelement hindurch erstreckt, wird durch entsprechende Leitungsanpasselemente, die mit der ersten Leiterbahn gekoppelt sind, im wesentlichen unterdrückt. Hierbei bietet sich ein Leitungsanpasselement zur Reflektion derjenigen elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband an, die über das untere zweite Antenneπelement parasitär eingekoppeit werden,
Wie bereits oben ausgeführt, erfolgt die Kopplung des unteren zweiten Antennenelements mit der zweiten Leiterbahn durch die Aussparung In der ersten Masseschicht und somit wie bei den üblichen sogenannten Aperture-Coupied Microstrip-Antennendesigns. Über diese Aussparung in der ersten Masseschicht koppelt nun aber auch das obere erste Antennenelement parasitär in die erste Leiterbahn ein. Daher wird zur Unterdrückung dieser parasitär eingekoppelten Signale mit der zweiten Leiterbahn ein zweites Leitungsanpasselement gekoppelt, das der Impedanzanpassung der zweiten Leiterbahn an das untere zweite Antenneneiement dient, wodurch Einkopplungen in die zweite Leiterbahn von dem oberen ersten Antennenelement unterdrückt werden. Grundsätzlich ist zu sagen, dass jede Art von Leitungsanpasselementen mit den ersten und zweiten Leiterbahnen gekoppelt werden können. Entscheidend ist, dass durch das erste Leitungsanpasselement, das mit der ersten Leiterbahn, an welcher idealerweise ausschließlich die Signale mit einer Frequenz im ersten Frequenz- band anliegen sollten, die Einkopplung von über das untere zweite Antennenelement empfangenen und in den elektrischen Leiter eingekoppelten elektromagnetischen Weilen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband unterdrückt. Genauso soll das zweite Leitungsanpasselement, das mit der zweiten Leiterbahn, an der idealerweise ausschließlich das Signal mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband anstehen soll, die Einkoppiung von über das obere erste Antennenelement empfangenen elektromagnetischen Wellen im ersten Frequenzband in die zweite Leiterbahn unterdrücken.
Mit dem erfindungsgemäßen Antennen-Design ist es möglich, direkt an den beiden Leiterbahnen die gewünschten Signale abzugreifen, die somit bereits bezuglich ihrer Frequenz voneinander getrennt sind. Ein Frequenzsplitter o.dgl., wie er bei Mikrostrip-Aπtennen mit lediglich einem Abgriff erforderlich ist, wird also nicht mehr benötigt. An die Leiterbahnen lassen sich nunmehr direkt die erforderlichen elektrischen/elektronischen Komponenten bzw. Bauteile für die auf den Leiterbahnen anstehenden Signale der im Regelfall polarisierten empfangenen Wellen anschließen.
Die erfindungsgemäße Dual-Band-Antenne kann als Sende- und/oder als Empfangsantenne für linear oder zirkulär polarisierte Wellen eingesetzt werden. Das Satellitensystem GALILEO arbeitet mit rechtsdrehenden zirkulär polarisierten Wellen, Die Komponenten für zirkulär polarisierte Wellen weisen zwei EingangsanschSüsse auf, weshalb die erfindungsgemäße Dual-Band- Antenne für diesen Anwendungsfali über zwei erste Leiterbahnen und zwei zweite Leiterbahnen verfügt, die, wie oben für die erste und die zweite Leiterbahn beschrieben, mit den beiden Antennenelementen elektrisch direkt verbunden bzw. elektromagnetisch gekoppelt sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Dual-Band-Aπtenπe gemäß dem Ausführungsbeispiei,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der Fig. 1 und
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Schichtenaufbaus der Dual- Band-Antenne in Explosionsansicht.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Dual-Band-Antenne 10 für zirkulär polarisierte elektromagnetische Wellen, wie sie beispielsweise Verwen- düng in dem GALILEO-Satellitensystem finden kann. Die Dual-Band-Antenne 10 weist einen Mehrschichtenaufbau aus elektrisch leitenden Schichten und aus zwischen diesen angeordneten dielektrischen Schichten auf, wie es in den Schnittansichten der Fign. 2 und 3 und in der Explosionsdarstellung gernäß Fig. 4 näher gezeigt ist.
Die Duai-Band-Antenne 10 weist ein erstes bzw. oberes Antennenelement 12 auf, die in diesem Ausfuhrungsbeispiel im wesentlichen quadratisch ist und elektromagnetische Wellen in einem ersten Frequenzband empfängt. Das obere Antennenelement 12 befindet sich auf einer dielektrischen Schicht 14, unterhalb derer ein zweites unteres Antenneneiernent 16 angeordnet ist. Auch das untere Antennenelement 16 weist eine im wesentlichen quadratische Form auf. Beide Antennenelemente sind mittenzentriert übereinander angeordnet.
Unterhalb des unteren Antennenelements 16 befindet sich wiederum eine dielektrische Schicht 18, die der elektrischen Isolation des unteren Antennenelements 16 zu einer ersten oberen elektrisch leitenden Masse- bzw. Erdungs- schicht 20 dient. Unterhalb dieser oberen Masseschicht 20 befindet sich eine dielektrische Schicht 22, unterhalb derer eine Leiterbahnschicht 24 angeordnet ist, die über eine weitere dielektrische Schicht 26 elektrisch isoliert gegenüber einer weiteren unteren Masseschicht 28 ist. Dieser Mehrschichtenaufbau entspricht grundsätzlich dem bekannten Dual-Band-Antennen-Design unter Ver- wendung der Mikrostrip-Technologie.
Die Leiterbahnschicht 24 weist zwei Leiterbahnpaare auf, wobei das eine Paar zwei erste Leiterbahnen 30,32 und das andere Paar zwei zweite Leiterbahnen 34,36 umfasst. Diese Leiterbahnen sind in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der Leiterbahnschicht 24 angeordnet.
Die ersten Leiterbahnen 30 und 32 sind mit dem oberen Antennenelement 12 gekoppelt, während die zweiten Leiterbahnen 34,36 mit dem unteren Anten- nenetement 16 gekoppelt sind. Damit steht also im Faiie der Verwendung der Dual-Band-Antenne 10 als Empfangsantenne an den ersten Leiterbahnen
30,32 das von dem oberen Antennenelement 12 empfangene Signal an, während an den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 das von dem unteren Antennenelement 16 empfangene Signa! ansteht. Hauptaspekt des Dual-Band-Anten- πen-Designs ist es nun, dass die beiden Kanäle (nämlich die ersten Leiterbahnen 30,32 und die zweiten Leiterbahnen 34,36) ausreichend stark gegeneinander getrennt sind und auf den beiden Kanälen idealerweise ausschließlich die diesen Kanälen zugeordneten Signale mit ihren Frequenzen anliegen.
Die eiektromagnetische Kopplung des unteren Antennenelements 16 mit den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 erfolgt in an sich bekannter Weise durch zwei Aussparungen 40,42 in der oberen Masseschicht 20, wobei die zweiten Leiterbahnen 34,36 unterhalb jeweils einer der beiden Aussparungen 40,42 verlau- fen und diese durchqueren, wie es in den Figuren dargestellt ist. Damit entsteht eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem unteren Antennenelement 16 und den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 durch die Aussparungen 40 und 42 hindurch,
Unbeabsichtigerweise ist aber nun auch das obere Antennenelement 12 durch die Aussparungen 40 und 42 mit den zweiten Leiterbahnen 34 und 36 elektromagnetisch gekoppelt. Durch Leitungsanpasselemente 44,45 (sogenannte Impedance Matching Stubs) wird nun die Impedanz der zweiten Leiterbahnen 34,36 an die Impedanz des diesen zweiten Leiterbahnen zugeordneten unteren Antennenelements 16 angepasst, was gewährleistet, dass im wesentlichen keine von dem oberen Antennenelement 12 empfangenen Signale in die zweiten Leiterbahnen 34,36 eingekoppeit werden.
Die elektromagnetische Kopplung der ersten Leiterbahnen 30,32 mit dem ihnen zugeordneten oberen Antennenelement 12 erfolgt erfindungsgemäß leitungsgebunden, und zwar mit Hilfe zweier elektrischer Leiter 46,48, die sich in Richtung der Aufeinanderfolge der verschiedenen Schichten des Mehr- schichtenaufbaus durch diesen ausgehend von der Leϊterbahnschicht 24 bis zum oberen Antennenelement 12 erstrecken. Dabei sind die beiden Leiter 46,48 gegenüber der oberen Masseschicht 20 und dem unteren Antennenelement 16, die sie beide durchqueren, elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck ist das untere Antennenelement 16 mit zwei Aussparungen 50,52 und die obere Masseschicht 20 ebenfalls mit zwei weiteren Aussparungen 54,56 versehen, wobei die beiden dem Letter 46 zugeordneten Aussparungen 50,54 und die beiden dem Leiter 48 zugeordneten Aussparungen 52,56 jeweils miteinander fluchten.
In die beiden elektrischen Leiter 46 und 48 wird nun parasitär das von dem unteren Antennenelement 16 empfangene Signal eingekoppelt und damit zu den ersten Leiterbahnen 30 und 32 weitergeleitet. Diese ersten Leiterbahnen 30 und 32 sind in diesem Ausfuhrungsbeispiei mit Leitungsanpasselementen 58,60 in Form von λ/4 decoupiing stub (wobei λ die "guided wave length" des zweiten Frequenzbandes ist, auf dem das untere Antennenelement 16 empfängt) versehen, so dass von dem unteren Antenneneiement 16 eingekoppelte Signale reflektiert werden und sich nicht über die ersten Leiterbahnen 30,32 ausbreiten können. Zusätzlich weisen die beiden ersten Leiterbahnen 30,32 weitere Leitungsanpasselement 62,64 zur Impedanzanpassung (sogenannte impedance matching stubs) auf.
Das zuvor beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Dual-Band-Antennen-Design ermöglicht einen extrem kompakten Aufbau und insbesondere keine zusätzliche Elektronik für die Aufteilung der empfangenen Signale auf die beiden Frequenzbänder. Die Trennung der Kanäle ist extrem gut; durch Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Isolation zwischen beiden Kanälen bei 30 dB liegt.
Wie in Fig. 1 angedeutet ist, können nun an die beiden ersten Leiterbahnen 30 und 32 bzw. an die beiden zweiten Leiterbahnen 34 und 36 elektrische bzw. elektronische Komponenten/Bauteile 66,68 (sogenannte 90° Hybrids) angeschlossen werden, wie es für den Empfang (oder das Senden) von zirkulär polarisierter elektromagnetischer Welten erforderlich ist. An den Ausgängen 70,72 dieser Komponenten 66,68 lassen sich also dann die von den beiden Antennenelementen 12,16 empfangenen Signale getrennt voneinander und schmaibandig zur Weiterverarbeitung in einem Satellitenempfänger (bzw, Satellitensender) abgreifen.

Claims

ANSPRÜCHE
Dual-Band-Antenne, insbesondere für Satellitennavigationsaπwendungen, mit einem Mehrschichtenaufbau, der versehen ist mit - einem oberen ersten Antennenelement (12) zum Empfang elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz in einem ersten Frequenzband, einem unterhalb des ersten Antennenelements ( 12) angeordneten unteren zweiten Antennenelement (16) zum Empfang elektromagne- tischer Wellen mit einer Frequenz in einem zweiten Frequenzband, zwei übereinander angeordneten ersten und zweiten elektrisch leitenden Masseschichten (20,28), die ihrerseits unterhalb des unteren zweiten Antennenelements (16) angeordnet sind, und einer Leiterbahnschicht (24) mit mindestens einer ersten Leiterbahn (30,32) zur elektromagnetischen Kopplung mit dem ersten Anteπnen- element ( 12) und mit mindestens einer zweiten Leiterbahn (34,36) zur elektromagnetischen Kopplung mit dem zweiten Antenneneiement (16), wobei die dem unteren zweiten Antenneneiement (16) zugewandte erste Masseschicht (20) eine Aussparung (40,42) aufweist, unterhalb derer die mindestens eine zweite Leiterbahn (34,36) verläuft, wobei die mindestens eine erste Leiterbahn (30,32) mittels eines elektrischen Leiters (46,48), der sich durch die erste Masseschicht (20) und das untere zweite Antennenelement (16) hindurch und gegenüber diesen elektrisch isoliert erstreckt, mit dem oberen ersten
Antennenelement (12) verbunden ist, einem mit der mindestens einen ersten Leiterbahn (30,32) gekoppelten ersten Leituπgsanpaεselement (58,60,62,64) zur Unterdrückung der Einkopplung von über das untere zweite Antennenelement (16) empfangenen und in den elektrischen Leiter (46,48) eingekoppeiten elektromagnetischen Weüen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband in die erste Leiterbahn (30,32), einem mit der mindestens einen zweiten Leiterbahn (34,36) gekoppelten zweiten Leitungsanpasselement (44) zur Unterdrückung der Einkoppiung von über das obere erste Antennenelernent ( 12) empfangenen elektromagnetischen Wellen im ersten Frequenzband in die zweite Leiterbahn (34,36) und mehreren dielektrische Schichten ( 14, 18/22,26), die zwischen den ubereinanderliegenden Antennenelementen (12, 16), Masseschichten (20,28) und Leiterbahnschicht (24) angeordnet sind.
2. Dual-Band-Aπtenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Aπtennenelemente (12,16) im wesentlichen rechteckig und insbesondere im wesentlichen quadratisch sind.
3, Dual-Band-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antenneneiemente ( 12,16) bezuglich ihrer geometrischen
Schwerpunkte zueinander ausgerichtet und übereinander angeordnet sind, wobei das untere zweite Antennenelement (16) insbesondere allseitig über den Rand des oberen ersten Antennenelements (12) überseht.
4. Duai-Band-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei erste und zwei zweite Leiterbahnen (34,36) vorgesehen sind, dass beide erste Leiterbahnen (30,32) durch jeweils einen eiektri- sehen Leiter, der sich durch die erste Masseschicht und das untere zweite Antenπenelement (16) hindurch und gegenüber diesen elektrisch isoliert erstreckt, mit dem oberen ersten Antennenelement (12) verbunden sind, dass beide erste Leiterbahnen (30,32) mit jeweils einem ersten Lei- tungsanpasselement und die beiden zweiten Leiterbahnen (34,36) mit jeweils einem zweiten Leitungsanpasselement verbunden sind, und dass an die beiden ersten Leiterbahnen eine erste Komponente für zirkulär polarisierte Wellen mit einer Frequenz im ersten Frequenz- band und an die beiden zweiten Letterbahnen (34,36) eine zweite Komponente für zirkulär polarisierte Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzbereich anschließbar ist.
5. Duai-Band-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes erste Lettungsanpasselement zur Reflektton von über das untere zweite Antenneneiement (16) in den elektrischen Leiter (46,48) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband und/oder das oder jedes zweite Lei- tungsanpasseSernent zur Anpassung der Impedanz der zweiten Leiterbahn
(34,36) an das untere zweite Antennenelement (16) zwecks Einkopplung von im wesentlichen nur elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz im zweiten Frequenzband in die zweite Leiterbahn (34,36) ausgebildet ist.
6. Verwendung einer Dual-Band-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüchen als Sende- oder Empfangsantenne insbesondere für die Satellitennavigation und vorzugsweise das GALILEO-Satellitensystem,
7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Dual-Band-Antenne zum Senden und/oder Empfangen von linear oder zirkulär polarisierten Wellen eingesetzt wird.
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