EP3440738B1

EP3440738B1 - Antennenvorrichtung

Info

Publication number: EP3440738B1
Application number: EP17716202.1A
Authority: EP
Inventors: Mario Schühler; Lars Weisgerber; Mengistu TESSEMA; Rainer Wansch; Michael Schlicht
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: US11223131B2; WO2017174736A1; DE102016207434B4; JP6795614B2; DE102016207434A1; JP2019514285A; EP3440738A1; US20190044238A1; CN109219906B; CN109219906A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung dient insbesondere dem Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Signalen.
Die stetige Verkleinerung bzw. Miniaturisierung von elektronischen und elektromechanischen Systemen bedingt letztendlich auch die entsprechende Verkleinerung der erforderlichen Komponenten, ohne dabei an Performance zu verlieren. Im Gegenteil, die Steigerung der Leistungsfähigkeit dieser Baugruppen wird dabei angestrebt.
Zusätzlich steigt der Bedarf an drahtlos kommunizierenden Komponenten und demnach auch die Anforderung an die Verkleinerung der Antennen als Kernstück dieser Baugruppen. Hierin liegt eines der grundlegenden Probleme der Miniaturisierung von Systemen, denn die Entwicklung und letztendlich die Abmessungen der benötigten Antennenelemente unterliegen gewissen physikalischen Grenzen.
Antennen prägen, abhängig von ihrer Form, Größe und Speisung, verschiedene Richtcharakteristiken mit verschiedenen Eigenschaften aus. Es gibt eine Vielzahl von Antennenformen, um der Menge an den für die Anwendung gewünschten Anforderungen zu genügen. Hierbei spielt auch die Speisung bzw. Ankopplung der Signalquelle an das Strahlerelement eine entscheidende Rolle, denn neben der Form und Größe werden dadurch maßgeblich die Eigenschaften der abgestrahlten Welle und die Fußpunktimpedanz der Antenne bestimmt. Solche Eigenschaften können z. B. Form der Strahlungskeule, aber auch besonders die Polarisation (linear, zirkular, elliptisch), die Polarisationsreinheit (Polarisationsentkopplung) und die Omnidirektionalität der abgestrahlten Freiraumwelle sein. Auch die Impedanzbandbreite und die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik sind maßgebliche Faktoren einer Antenne für breitbandige drahtlose Kommunikation. Um beispielsweise für das Keulenformen (sog. Beamforming) mit Gruppenantennen möglichst gleichmäßige und äußerst ähnliche Strahlungskeulen in verschiedene Raumrichtungen zu generieren, ist eine hohe Polarisationsreinheit sowie Omnidirektionalität der Richtcharakteristik des Einzelelements erforderlich.
Für viele Anwendungen, z. B. bei UHF-RFID-(Ultra-High-Frequency-radio-frequency identification-)Lesetoren, werden in der Regel zirkular polarisierte Antennen verwendet, um die zumeist linear polarisierten passiven Transponder auch bei sehr unterschiedlichen Orientierungen im Raum sicher zu erfassen. Hierfür werden zunehmend Mehrkeulenantennen eingesetzt, um durch eine Vielzahl von Keulenausprägungen (Beams) einen größeren Winkelbereich bzw. Raum abzudecken. Dies erlaubt es, eine Vielzahl von häufig im Pulk angeordneten Transpondern sicher zu identifizieren. Zudem ermöglicht solch eine Mehrkeulenantenne die Bestimmung der Position der Transponder im Raum (Lokalisierung). Dafür sind sehr gleichmäßige und symmetrische Beams erforderlich, deren Erzeugung nur durch die genannten Strahlungseigenschaften des Einzelelements der Gruppenantennen möglich ist.
Für viele Anwendungen müssen die Antennen preiswert sein. Um z. B. eine zirkular polarisierte Richtcharakteristik kostengünstig zu erzeugen, wird häufig ein Strahlerelement (meist in Form einer Patch-Antenne) an zwei um 90° versetzten Speisepunkten angekoppelt (siehe z. B. "Patch Antenna (Circular), 860 - 930 MHz" von Poynting Antennas (Pty.) Ltd.). Dies geschieht beispielsweise galvanisch durch Drahtleitungen unterhalb vom Patch. Hier wird meist ein Speisenetzwerk (zumeist in Mikrostreifenleitungstechnologie) benötigt, welches die Phasenverschiebung der zugeführten Leistung von 90° ermöglicht. Allerdings besitzt hierbei die Richtcharakteristik eine schlechte Polarisationsreinheit bzw. Kreuzpolarisationsunterdrückung (cross-polarisation discrimination, XPD), was asymmetrische Keulen beim Beamforming zur Folge hat. Ebenso bedingt dieser Aufbau, dass der Patch-Durchmesser in der Größenordnung einer halben Wellenlänge liegen muss und eine große Massefläche oder ein Reflektor erforderlich sind um die Rückstrahlung (Kreuz-Polarisation) gering zu halten. Auch die Bandbreite eines solchen Aufbaus ist sehr gering.
Um Antennen mit kleinen Abmessungen entwickeln zu können und dabei eine Richtcharakteristik mit hoher Polarisationsreinheit und Omnidirektionalität zu erzeugen, können Keramikantennen eingesetzt werden. Diese sind allerdings sehr teuer und im Allgemeinen sehr schmalbandig. Eine günstigere Methode ist, das Strahlerelement an vier um jeweils 90° versetzten Speisepunkten anzuregen [1]. Dabei ist es vorteilhaft, einen Strahler als Blechelement mit an den vier Seiten um 90° gebogenen Anschlusssegmenten zu verwenden und direkt mit der Platine zu verlöten; auch die Speisung durch Drahtelemente ist denkbar [2]. Dies benötigt ein kompaktes und entkoppeltes Speisenetzwerk [1], welches die vier um jeweils 90° versetzten Phasen bereitstellt. Durch die Vierpunktspeisung kann der Durchmesser des Strahlerelements auf deutlich unter eine halbe Wellenlänge reduziert und gleichzeitig eine hohe Bandbreite erreicht werden. Die Bandbreite ist etwas größer gegenüber der zweipunkt-gespeisten Lösung. Allerdings sind verlustbehaftete Stichleitungen erforderlich, um den Strahler anzupassen und dessen Bandbreite zu erhöhen. Weiterhin ist eine sehr große Massefläche gegenüber den Abmessungen des Strahlerelements erforderlich, um die Rückstrahlung (Kreuz-Polarisation) gering zu halten. Ebenso besitzt das Strahlerelement gegenüber der beschriebenen Idee eine deutlich größere elektrische Bauhöhe.
Eine weitere Möglichkeit, das Patch-Element anzukoppeln, besteht darin, die leitungsgeführte Welle über Schlitze in der Massefläche auszukoppeln (siehe [3]). Dabei kreuzt eine Mikrostreifenleitung (meist orthogonal) den Schlitz in der Masseleitung. Um eine zirkulare Polarisation der Welle zu ermöglichen, kann auch hier die Methode der Zwei- bzw. Vier-Punkte-Speisung angewendet werden. Dafür ist nicht zwingend ein Patch erforderlich, allerdings in beiden Fällen ein Reflektor, um die Rückstrahlung zu verringern und somit auch den Gewinn zu erhöhen. Nachteilig ist, dass die Abmessungen der gegenüberliegenden Speisestellen (Schlitze) sowie der Durchmesser des Patches etwa die halbe Wellenlänge der Signale, die ausgestrahlt bzw. empfangen werden, betragen.
Bei den beschriebenen Methoden liegen die Abmessungen des Strahlerelements bzw. die Abstände der Speisepunkte in der Größenordnung einer halben Wellenlänge. Würden diese Abmessungen verkleinert werden, so würden sich die Fußpunktimpedanzen des Strahlerelements betragsmäßig deutlich erhöhen: desto kleiner das Strahlerelement, desto größer der Betrag der Fußpunktimpedanz. Dies erschwert die Impedanzanpassung auf 50 Ohm oder auch 100 Ohm und ist im Allgemeinen mit hohen Leistungsverlusten durch die Anpasselemente und einer Verringerung der Bandbreite verbunden. Dies macht eine verlustarme Anpassung von Strahlerelementen bzw. bei Speisepunktabständen deutlich kleiner der halben Wellenlänge (z. B. ein Viertel der Wellenlänge) nahezu unmöglich.
Eine Patch-Antenne, bei der eine Strahlungsfläche auf einem dielektrischen Substrat beabstandet von einer Masseebene angeordnet ist und über leitfähige Stifte, die sich durch das dielektrische Substrat erstrecken, gespeist wird, ist aus der US 2014/0266963 A1 bekannt.
Die US 2015/0042513 A1 offenbart eine Patchantenne, bei der ein Strahlungspatch über Sonden, die sich von Ecken des Strahlungspatches mit zunehmender Breite zur Mitte des Strahlungspatches hin erstrecken, elektromagnetisch gespeist wird.
Die US 2015/0214592 A1 offenbart eine Antennenanordnung, bei der vier Säulen vorgesehen sind, um eine horizontale Strahlungseinheit mit Ausgangstoren eines Speisenetzwerks koppeln.
HU FUGUO ET AL, "Ultra-Wideband Dual-Polarized Patch Antenna With Four Capacitively Coupled Feeds", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 62, no. 5, pages 2440 - 2449, 5. Mai 2014, offenbaren eine breitbandige Patchantenne, die an vier Seiten kapazitiv gespeist wird.
SOORYA R ET AL, "UWB microstrip patch antenna with flower shaped patch and cavity structure", 2016 INTERNATIONAL CONFERENCE ON WIRELESS COMMUNICATIONS, SIGNAL PROCESSING AND NETWORKING (WISPNET), IEEE, (23. März 2016), pages 2080 - 2084, offenbaren eine Mikrostreifen-Patchantenne mit einem Strahler, der über vier kapazitiv gekoppelte Zuführungen gespeist wird.
Die US 2015/0015447 A1 offenbart eine Antenne, bei der ein konisches Strahlungselement über vier leitfähige Elemente mit einer Massefläche galvanisch verbunden ist.
Die US 2003/174098 A1 offenbart eine Schleifenantenne, die an vier Seiten kapazitiv gespeist wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antennenvorrichtung vorzuschlagen, die eine Miniaturisierung erlaubt, ohne dass sich signifikante Einbußen der Strahlungseigenschaften ergeben.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1.
Die Antennenvorrichtung weist ein Strahlerelement zum Abstrahlen und/oder Empfangen von elektromagnetischen Signalen auf. Dabei weist das Strahlerelement mindestens eine Koppelstelle auf. Die Koppelstelle ist mit einer Seite des Strahlerelements verbunden. Zudem ist die Koppelstelle zur kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung von elektromagnetischen Signalen ausgestaltet. In einigen der folgenden Ausgestaltungen ist direkt an einer Seite des Strahlerelements die Koppelstelle vorhanden. Die Seite bezieht sich dabei je nach Ausgestaltung auf die Außenfläche oder Außenumrandung des Strahlerelements. In alternativen Ausgestaltungen wird das Strahlerelement an der mindestens einen Seite gleichsam durch ein Element - ein Flügelelement - erweitert, das die Koppelstelle trägt. Je nach Ausgestaltung befindet sich somit unmittelbar oder mittelbar - insbesondere über ein Flügelelement - die mindestens eine Koppelstelle an einer Seite des Strahlerelements. Die Koppelstelle ist dabei ein Bereich, über den elektromagnetische Signale zum Ausstrahlen in das Strahlerelement eingekoppelt oder über den von dem Strahlelement empfangene Signale aus dem Strahlerelement ausgekoppelt werden.
Die Antennenvorrichtung ist dabei eine einzelne Antenne oder ist ein Teil von mehreren Einzelstrahlern bzw. einer Gruppenantenne.
Das Strahlerelement ist das Teil der Antennenvorrichtung, das der eigentlichen Abstrahlung bzw. dem eigentlichen Empfang der elektromagnetischen Signale dient.
Verfügt das Strahlerelement unmittelbar an seiner Seite über die Koppelstelle, so mündest in einer Ausgestaltung ein Stegelement für die kapazitive Kopplung auf der Höhe der Seite des Strahlerelements.
In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung eine Leiterstruktur zum Leiten von elektromagnetischen Signalen auf. Dabei sind die Leiterstruktur und das Strahlerelement über die Koppelstelle kapazitiv miteinander gekoppelt. Die Leiterstruktur wird je nach Ausgestaltung z. B. aus elektrischen Leitungen oder aus Leiterbahnen auf einem Halbleitersubstrat gebildet. Die Verbindung zwischen dem Strahlerelement und der Leiterstruktur zum Übertragen der elektromagnetischen Signale erfolgt dabei kapazitiv und insbesondere frei von einer galvanischen Kopplung.
In einer Ausgestaltung weist das Strahlerelement mindestens ein Flügelelement auf. Dabei sind das Strahlerelement und das Flügelelement galvanisch miteinander gekoppelt. Weiterhin ist das Flügelelement an der Seite des Strahlerelements angeordnet. Zudem bilden das Strahlerelement und das Flügelelement einen Winkel miteinander und das Flügelelement weist die Koppelstelle auf. In dieser Ausgestaltung befindet sich somit die Koppelstelle mittelbar über das Flügelelement an der Seite des Strahlerelements. Je nach Ausgestaltung sind Strahlerelement und Flügelelement oder ggf. Flügelelemente einteilig ausgeführt oder das Flügelelement bzw. die Flügelelemente sind mit dem Strahlerelement verbunden.
Das Flügelelement ist in einer Ausgestaltung aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall gefertigt.
In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung ein Trägerelement auf. Dabei ist in einer Ausgestaltung die Leiterstruktur auf dem Trägerelement zumindest teilweise aufgebracht. Besteht in einer Ausgestaltung die Leiterstruktur zumindest teilweise aus Leiterbahnen, so sind in einer ergänzenden Ausgestaltung diese Leiterbahnen auf dem Trägerelement aufgebracht bzw. erzeugt worden. In einer Ausgestaltung ist das Trägerelement beispielsweise ein Substrat, auf dem die Leiterstruktur - z. B. mit Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren - aufgebracht worden ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Flügelelement in Richtung des Trägerelements von dem Strahlerelement abgewinkelt. Das Flügelelement verläuft somit von der Seite des Strahlerelements in Richtung des Trägerelements. Weiterhin befindet sich die Koppelstelle an einem freien Ende des Flügelelements. Das freie Ende ist dabei das Ende des Flügelelements, das von der Seite des Strahlerelements und daher auch vom Strahlerelement abgewandt ist. Das freie Ende ist also ein Ende, das nicht mit dem Strahlerelement verbunden ist.
Dabei ist in einer Ausgestaltung das Strahlerelement nur kapazitiv mit der Leiterstruktur oder mit anderen Strukturen verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung weist das Strahlerelement zusätzlich zu der mindestens einen kapazitiven Kopplung mindestens eine galvanische Kopplung auf.
In einer Ausgestaltung ist im Bereich der Koppelstelle ein Zwischenmedium vorhanden, wobei die kapazitive Kopplung über das Zwischenmedium erfolgt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Zwischenmedium um ein Dielektrikum und alternativ zumindest um einen Nichtleiter bzw. um einen Isolator. Das Zwischenmedium beeinflusst dabei die Art der Kopplung und daher auch die weiteren elektrischen Eigenschaften der Antennenvorrichtung. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Zwischenmedium zwischen zwei elektrisch leitfähigen Einheiten angebracht, so dass sich die kapazitive Kopplung ergibt. Diese beiden zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Einheiten werden in einer Ausgestaltung von einem Flügelelement und einem Stegelement gebildet.
In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement beabstandet von dem Trägerelement befestigt. Das Strahlerelement befindet sich in dieser Ausgestaltung z. B. oberhalb des Trägerelements. Dabei hat in einer Ausgestaltung der Abstand auch eine Auswirkung auf die Strahlungseigenschaften der Antennenvorrichtung. In einer Ausgestaltung werden die mechanische Befestigung und die elektrische Ankopplung des Strahlerelements über die gleichen Bauteile (z. B. Flügelelement und/oder Stegelement) realisiert.
In einer Ausgestaltung ist ein Abstand zwischen dem Strahlerelement und dem Trägerelement mindestens abhängig von dem Flügelelement. In dieser Ausgestaltung ist somit der Abstand zwischen Strahlerelement und Trägerelement zumindest abhängig von der Ausgestaltung des Flügelelements und insbesondere von dessen geometrischer Ausgestaltung. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist das Flügelelement zumindest ein Teil einer Trägerstruktur, die das Stahlerelement trägt und damit auch im Abstand von dem Trägerelement hält.
In einer Ausgestaltung ist die Leiterstruktur auf dem Trägerelement aufgebracht, so dass in einer Ausgestaltung in Verbindung mit der vorgenannten Ausgestaltung sich das Strahlerelement in einem Abstand oberhalb zumindest eines Teils der Leiterstruktur befindet. Die Leiterstruktur wird somit in dieser Ausgestaltung zumindest teilweise durch das Strahlerelement verdeckt bzw. geschützt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung mindestens ein Stegelement auf. Das Stegelement ist dabei galvanisch oder kapazitiv mit einer Speisestelle der Leiterstruktur gekoppelt. Weiterhin sind das Stegelement und das Strahlerelement über die Koppelstelle kapazitiv miteinander gekoppelt. In dieser Ausgestaltung verfügt die Leiterstruktur über eine Speisestelle, an der somit elektromagnetische Signale aus der Leiterstruktur aus- bzw. in die Leiterstruktur eingekoppelt werden. Mit dieser mindestens einen Speisestelle ist ein Stegelement galvanisch oder kapazitiv gekoppelt. Schließlich sind das Stegelement und das Strahlerelement über die Koppelstelle kapazitiv miteinander gekoppelt. In einer Ausgestaltung koppeln das Stegelement und das Flügelelement kapazitiv miteinander. In einer Ausgestaltung erfolgt daher die Kopplung zwischen Leiterstruktur und Strahlerelement mittelbar über das Stegelement und das Flügelelement.
In einer Ausgestaltung hängt ein Abstand zwischen dem Strahlerelement und dem Trägerelement zumindest von dem Stegelement ab. In dieser Ausgestaltung dient das Stegelement somit zumindest teilweise auch als Trägerelement für das Strahlerelement. In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement über das Flügelelement oder über das Flügelelement und ein Stegelement relativ zu dem Trägerelement befestigt. Das Flügelelement bzw. das Stegelement erlauben die elektrische - und speziell kapazitive - Verbindung zwischen dem Strahlerelement und der Leiterstruktur. In dieser Ausgestaltung wird dies erweitert um entsprechende mechanische Eigenschaften, die es dem Flügelelement und/oder dem Stegelement erlauben, das Strahlerelement zu tragen und es damit in einem vorgebbaren Abstand zum Trägerelement zu halten. Über das Flügel- oder das Stegoder über das Flügel- und das Stegelement lässt sich daher der Abstand zwischen dem Strahlerelement und der Leiterstruktur bzw. speziell dem Trägerelement - und ggf. darauf befindlichen weiteren Komponenten - gezielt einstellen, um bestimmte Effekte oder Eigenschaften der Strahlungseigenschaften der Antennenvorrichtung zu erzielen.
Gemäß der Erfindung ist das Strahlerelement als Flächenstrahler ausgeführt. Ein Flächenstrahler unterscheidet sich von den sog. linearen Strahlern (oder auch linearen Antennen) dadurch, dass leitungsgeführte Wellen an einer Flächenausdehnung in Freiraumwellen umgewandelt werden und umgekehrt. Flächenstrahler finden beispielsweise als Richtstrahler Verwendung. Die Flächenstrahler sind somit durch eine Fläche bestimmt, die sie aufspannen bzw. überdecken.
In einer Variante ist das Strahlerelement als Flächenstrahler mit einer Außenkontur in Form eines n-Ecks ausgestaltet. Dabei ist n eine natürliche Zahl größer oder gleich drei. Der Flächenstrahler hat daher in dieser Ausgestaltung die Außenkontur eines Dreiecks, eines Vierecks oder eines anderen beliebigen n-Ecks. Die Außenkontur bezieht sich dabei in einer Ausgestaltung auf die Projektion des Strahlerelements auf das Trägerelement und daher in einer Ausgestaltung auf die Fläche, die von dem Strahlerelement überdeckt wird. An den Seiten der Außenkontur befindet sich daher zwischen den Ecken in einer Ausgestaltung jeweils mindestens ein Flügelelement. In einer alternativen Ausgestaltung befindet sich an mindestens einer Seite das Flügelelement zwischen zwei Ecken. Die Anordnung der mindestens einen Koppelstelle bzw. je nach Ausgestaltung des mindestens einen Flügelelements erfolgt in einer Ausgestaltung mittig auf der zugeordneten Seite.
In einer Variante ist das Strahlerelement als trichterförmiger Flächenstrahler mit mittiger Absenkung ausgestaltet. Das Strahlerelement ist daher in dieser Ausgestaltung nicht flach, sondern verfügt über eine Absenkung, die es trichterförmig werden lässt. In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement im Sinne einer Hornantenne ausgestaltet. In einer weiteren Ausgestaltung verfügt das Strahlerelement innerhalb ihrer Außenkontur über mindestens eine Aussparung.
Ist das Strahlerelement als n-Eck mit n Seiten zwischen den Ecken ausgestaltet, so sieht es eine Ausgestaltung vor, dass die mindestens eine Koppelstelle im Bereich einer Seite des n-Ecks des Strahlerelements angeordnet ist. In einer Ausgestaltung ist die Koppelstelle mittig an einer Seite des n-Ecks angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung sind passend zum n-eckigen Strahlerelement n Koppelstellen vorhanden, die jeweils auf einer Seite des Flächenstrahlers angeordnet sind.
In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement als Blech ausgestaltet. Ein Blech hat dabei eine deutlich größere Flächen- als Höhenausdehnung. Weiterhin besteht das Blech vorzugweise aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder Metallgemisch.
In einer Variante ist das Strahlerelement als Monopol ausgestaltet. Ein Monopol bzw. eine Monopolantenne ist ein Teil einer Dipolantenne (bzw. Halbwellendipolantenne) als einer linearen Antenne. Solche Antennen weisen eine linienhafte Stromverteilung in der Antennenstruktur auf. In der Umsetzung handelt es sich beispielweise um einen gegenüber der Wellenlänge dünnen elektrischen Leiter aus einem metallischen Draht oder aus einem metallischen Stab. Eine Monopolantenne (auch Viertelwellenstrahler oder Groundplane-Antenne) ist beispielweise ein Antennenstab, der beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Oberfläche gespiegelt wird und dadurch einen Halbwellendipol ergibt. In einer alternativen Ausgestaltung wird der Monopol durch ein planes Blech gebildet, wobei sich die Koppelstelle dann ober- oder unterhalb der Fläche des Monopols befindet.
In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement als stabförmiger Monopol ausgestaltet. Dabei befindet sich die Koppelstelle entlang einer Längsachse des stabförmigen Monopols. ,
In einer Ausgestaltung weist die Antennenvorrichtung eine Massefläche auf, die sich in einer weiteren Ausgestaltung auf dem Trägerelement befindet. Die Massefläche ist dabei mit einer elektrischen Masse verbunden.
In einer Ausgestaltung weist das Strahlerelement an mehreren Seiten Koppelstellen auf. Dabei ist das Strahlerelement über mindestens eine Koppelstelle kapazitiv mit der Leiterstruktur gekoppelt. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strahlerelement über mehr als eine Koppelstelle kapazitiv mit der Leiterstruktur gekoppelt. In einer Ausgestaltung befinden sich die Koppelstellen bzw. die Koppelstellen aufweisenden Flügelelemente jeweils an den Seiten eines eine n-eckige Außenkontur aufweisenden Strahlerelements.
In einer Ausgestaltung weist das Strahlerelement vier Koppelstellen auf. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist das Strahlerelement über alle vier Koppelstellen kapazitiv mit der Leiterstruktur gekoppelt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Koppelstellen symmetrisch um das Strahlerelement herum angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist das Strahlerelement über mindestens eine Koppelstelle mit einer Signalquelle (z. B. in Form einer Spannungsquelle) verbunden ist. Die Signalquelle dient dabei in einer Ausgestaltung als Signalquelle für ein elektromagnetisches Signal, das über das Strahlerelement ausgestrahlt wird.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist das Strahlerelement über mindestens eine Koppelstelle mit einem Leerlauf verbunden. Die Kopplung über die Koppelstelle erfolgt dabei jeweils kapazitiv. Im Fall des Leerlaufs ist daher über die Koppelstelle keine Kopplung mit einem Verbraucher oder einem elektrischen Widerstand vorgesehen. Es liegt somit ein offenes Ende vor.
In einer weiteren alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist das Strahlerelement über mindestens eine Koppelstelle mit einem Kurzschluss verbunden.
In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Strahlerelemente vorhanden. Diese mindestens zwei Strahlerelemente sind dabei in einer weiteren Ausgestaltung miteinander - insbesondere kapazitiv oder über einen Kurzschluss, also galvanisch - miteinander gekoppelt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Strahlerelemente unterschiedliche Abstände zum Trägerelement aufweisen. Die Strahlerelemente sind auf unterschiedlichen Höhen aufgebracht. In einer Ausgestaltung überlappen sich die Strahlerelemente - z. B. in der Projektion senkrecht auf das Trägerelement - und sind in einer alternativen Ausgestaltung frei von einer Überlappung.
In einer Ausgestaltung weist eines der zwei Strahlerelemente eine Aussparung auf, die sich beispielsweise mittig in dem als Flächenstrahler ausgestalteten Strahlerelement befindet. In einer weiteren Ausgestaltung ist das andere Strahlerelement im Bereich der Aussparung angeordnet. In einer Ausgestaltung entspricht ein Strahlerelement der Aussparung des anderen Strahlerelements und ist in einer Ausgestaltung ergänzend dazu auf einer anderen Höhe als die entsprechend zugehörige Aussparung befindlich. In der letztgenannten Ausgestaltung ist also gleichsam ein Teil eines Strahlerelements in der Höhe versetzt worden. Dabei sind vorzugweise die beiden Strahlerelemente kapazitiv miteinander gekoppelt.
In einer weiteren Ausgestaltung verfügt das Strahlerelement über mindestens einen Abwinklung. In dieser Ausgestaltung ist das Strahlerelement z. B. eher stabförmig oder eher als flächiges Element ausgestaltet und weist an wenigstens einer Stelle einen abgewinkelten oder abgeknickten Verlauf auf.
Durch die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung ergeben sich daher die Vorteile, die Abmessungen der Antennenvorrichtung zu verringern und dabei nicht bzw. nur geringfügig an Performance, wie Strahlungsverhalten bei gleichzeitiger Impedanz-Anpassung, zu verlieren. Über die Art der kapazitiven Kopplung und der daran beteiligten Bauteile lassen sich insbesondere auch Strahlungseigenschaften und eine Impedanzanpassung gezielt vorgeben bzw. einstellen.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1: eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer ersten Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig. 2: einen vergrößerten Ausschnitt der Antennenvorrichtung der Fig. 1,
Fig. 3: einen Schnitt durch die Antennenvorrichtung der Fig. 1
Fig. 4: eine weitere räumliche und teilweise transparente Darstellungen der ersten Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig. 5: mehrere Prinzip-Skizzen zur Verdeutlichung der Ansteuerung der Antennenvorrichtung,
Fig. 6: mehrere Prinzip-Skizzen zur Verdeutlichung der Geometrie des Strahlerelements,
Fig. 7: mehrere Prinzip-Skizzen zur Verdeutlichung der kapazitiven Ankopplung eines Strahlerelements,
Fig. 8: mehrere Prinzip-Skizzen zur Verdeutlichung der Geometrie der Flügelelemente,
Fig. 9: einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig. 10: einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig.11: eine räumliche und teilweise transparente Darstellungen einer vierten Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig. 12: eine weitere räumliche und teilweise transparente Darstellungen der vierten Ausgestaltung einer Antennenvorrichtung,
Fig. 13: einen vergrößerten Ausschnitt der Antennenvorrichtung der Fig. 11 und Fig. 12 und
Fig. 14: einen Schnitt durch die Antennenvorrichtung der Fig. 11 bzw. Fig. 12.

Die vorliegende Erfindung umfasst im Wesentlichen ein Antennenelement - speziell ein Strahlerelement - als Teil der Antennenvorrichtung 1, das über eine neuartige kapazitive Ankopplung gespeist wird. Dadurch kann der Durchmesser auf deutlich unter eine halbe Wellenlänge der auszustrahlenden bzw. zu empfangenen elektromagnetischen Signale reduziert werden und ermöglicht dabei eine verlustfreie bzw. verlustarme Impedanzanpassung an deutlich kleiner 100 Ohm, z. B. 50 Ohm. Dies gelingt je nach Ausgestaltung bis auf ein Viertel der Wellenlänge und darunter. Dabei ist es auch möglich, auf die im Stand der Technik für die Anpassung von Strahlern kleiner einer halben Wellenlänge erforderlichen verlustbehafteten Anpassungselemente zu verzichten. Zudem ist für die Unterdrückung der Rückstrahlung keine große Massefläche oder ein Reflektor erforderlich. Dadurch sinkt insgesamt im Stand der Technik der Wirkungsgrad des Strahlerelements 4 deutlich.
Die Antennenvorrichtung 1 ist beispielhaft für den Betrieb bei 910 MHz ausgestaltet. Mit beispielhaften Abmessungen (quadratisches Trägerelement mit 175 mm Kantenlänge und quadratisches Strahlerelement mit 75 mm Kantenlänge) und einer Höhe von 30 mm beläuft sich der Realteil der Fußpunktimpedanz bei einer rein galvanischen Kopplung auf ca. 200 Ohm.
Die Fig. 1 zeigt eine räumliche Darstellung einer Antennenvorrichtung 1 mit einem Trägerelement 2 und einem Strahlerelement 4. Auf dem Trägerelement 2 befindet sich hier noch eine Massefläche 10. Zu erkennen ist, dass das Strahlerelement 4 eine viereckige Außenkontur aufweist und sich trichterförmig absenkt. Dabei ist das Strahlerelement 4 insgesamt von dem Trägerelement 2 beabstandet und wird hier durch die vier Koppelstellen bzw. durch die vier Flügelelemente 6 gehalten bzw. getragen.
Der in der Fig. 1 umkreiste Bereich ist in der Fig. 2 größer dargestellt. Zu erkennen sind die vier Flügelelemente 6, die sich an den Seiten 40 des hier viereckigen Strahlerelements 4 befinden und an ihren freien Enden 60 Koppelstellen 5 für die kapazitive Kopplung aufweisen. Von dem Trägerelement 2 gehen an den vier Speisestellen 8 vier Stegelemente 7 aus. Die Stegelemente 7 und die Flügelelemente 6 treffen sich an den Koppelstellen 5 und bewirken dort die kapazitive Kopplung.
Im Schnitt der Fig. 3 ist ebenfalls zu erkennen, wie sich das Strahlerelement 4 mittig zum Trägerelement 2 hin absenkt. Weiterhin ist zu erkennen, dass sich die Flügelelemente 6 und dadurch die Koppelstellen 5 an den Seiten 40 des hier viereckigen Strahlerelements 4 befinden. Die Flügelelemente 6 sind hier wie das Strahlerelement 4 als Bleche ausgestaltet und sind insbesondere galvanisch mit dem Strahlerelement 4 gekoppelt. Zwischen den Flügelelementen 6 und den Stegelementen 7 befindet sich im Koppelbereich 5 jeweils ein Zwischenmedium 9, das hier als Dielektrikum ausgestaltet ist und das damit auch Auswirkungen auf die kapazitive Kopplung hat und welches eine Fixierung des Strahlerelements 4 mit definiertem Abstand zwischen Flügelelement 6 und Stegelement 7 ermöglicht. Weiterhin sind hier die Stegelemente 7 an den Speisestellen 8 galvanisch mit der Leiterstruktur auf dem Trägerelement 2 gekoppelt. Die Flügelelemente 6 und das Strahlerelement 4 bzw. dessen Außenumrandung bilden einen Winkel 14, bei dem es sich hier um einen 90°-Winkel handelt. Die Flügelelemente 6 sind hier dem Trägerelement 2 zugewandt und dabei auch von der Oberseite des Strahlerelements 4 abgewandt.
Die Leiterstruktur 3 in Form von Leiterbahnen auf dem Trägerelement 2 zeigt die Fig. 4. Die Leiterstruktur 3 befindet sich dabei unterhalb des Strahlerelements 4 und auf der gegenüberliegenden Seite der Massefläche 10, also unterhalb des Trägerelements 2. In einer alternativen Ausgestaltung befindet sich die Massefläche 10 unter- und die Leiterstruktur 3 oberhalb des Trägerelements 2. Bei einem mehrlagigen Aufbau befinden sich die Massefläche 10 oder die Leiterstruktur 3 innerhalb einer beliebigen Anzahl von geschichteten Trägerelementen 2. Die Stegelemente 7 oder ggf. vorhandene Elemente, die die Leiterstruktur 3 mit den Stegelementen 7 verbinden, ragen daher je nach Ausgestaltung durch das Trägerelement 2 hindurch.
Die Abbildungen Fig. 1 bis 4 zeigen somit die neuartige kapazitive Ankopplung des Strahlerelements 4 am Beispiel eines Patch mit vier Speisepunkten. Durch die Kombination einer kapazitiven Kopplung und der Speisung an vier geeignet gewählten Punkten des Strahlerelements 4 ist es möglich, dass das Strahlerelement 4 ohne eine große Massefläche 10 bzw. ohne Reflektor leicht an eine gewünschte Impedanz, häufig 50 Ohm, angepasst werden kann.
Die Koppelstellen 5 befinden sich an den Seiten 40 des Strahlerelements 4. Dazu sind an den Seiten des Strahlerelements 4 die Flügel (bzw. Flügelelemente 6) angebracht und nach unten gebogen. Von der Trägerplatine 2 ragen vier Stege hervor - ein Steg (bzw. Stegelement 7) je Speisepunkte 8 - und koppeln über ein Zwischenmedium 9 kapazitiv mit den Flügeln 7. Dadurch kann die Breite des Koppelspalts zwischen Steg 7 und Flügel 6 reduziert werden und ermöglicht außerdem einen definierten Abstand zwischen Steg 7 und Flügel 6. Dabei kann alternativ zu dem dielektrischen Material zwischen Steg 7 und Flügel 6 auch ein Luftspalt vorgesehen sein. Das Strahlerelement 4 bzw. die Flügelelemente 6 können ergänzend an den Stegen 7 befestigt werden, z. B. angeschraubt, gesteckt, verklebt oder an das Zwischenmedium zwischen Steg 7 und Flügel 6 gelötet. Durch die Breite, Höhe und den Abstand der Koppelstelle 5 ist eine nahezu beliebige Impedanzanpassung möglich, was die Entwicklung des Antennenelements 1 deutlich vereinfacht, da kein verlustbehaftetes Anpassnetzwerk benötigt wird.
Die Form des Strahlerelements 4 sowie die kapazitiven Koppelstellen 5 erzeugen an den Koppelstellen 5 hohe Feldstärken, in denen der Großteil der eingespeisten Energie konzentriert wird. Dies zwingt dem Strahler 4 eine breite elektrische Apertur auf, wodurch die lateralen Abmessungen des Strahlers 4 deutlich reduziert werden können.
Die Ankopplung über die Koppelstellen 5 an den Seiten des jeweiligen Strahlerelements 4 kann unterschiedlich gestaltet sein. Fig. 5 zeigt exemplarisch einige Varianten.
Gezeigt sind unterschiedliche Ausführungen der Architektur, wobei die Beschreibung von links nach rechts erfolgt:

a) Unterschiedliche Anzahl von Speise- bzw. Koppelstellen 5:
Es kann nur eine Koppelstelle 5, mehrere oder hier beispielhaft bis zu vier Koppelstellen 5 geben. Die Anzahl der Koppelstellen 5 kann auch größer als vier sein. Dies ist abhängig von der Geometrie des Strahlerelements 4. Bei den hier gezeigten Ausgestaltungen findet über alle Koppelstellen 5 eine kapazitive Kopplung statt.
b) Mit gegenüberliegenden Leerlauf (LL, 12) oder Kurzschluss (KK, 13) und einer Verbindung mit einer Spannungsquelle 11, die hier auch als Signalquelle für die abzustrahlenden elektromagnetischen Signale dienen soll.
Die Kontaktierungen liegen alternativ an benachbarten Seiten 40 vor. Die hier gezeigten Verbindungen mit einem Leerlauf 12 bzw. einem Kurzschluss 13 erfolgen alternativ mit einer kapazitiver Kopplung bzw. Kondensator (konzentriertes Bauelement).
c) Beispiele für eine lineare Polarisation.
Die Varianten sind (von links nach rechts):
- Eine lineare Polarisation des Strahlerelements 4 über zwei einander gegenüberliegende kapazitive Koppelstellen 5 und der Verbindung mit einer Signalquelle 11.
- Eine duale lineare Polarisation mit vier Koppelstellen 5 und zwei Signalquellen 11. Eine duale lineare Polarisation mit Kurzschluss 13 an einer Seite des Strahlerelements 4, die der Koppelstelle 5 für die Kopplung mit einer Signalquelle 11 gegenüberliegt.
- Alternativ wird ebenfalls eine kapazitiver Kopplung bzw. ein Kondensator (konzentriertes Bauelement) verwendet.
- Eine duale lineare Polarisation mit Leerlauf 11.
d) Eine zirkulare Polarisation mit vier Koppelstellen 5 und vier Signalquellen 11.
e) Eine duale zirkulare Polarisation mit vier Koppelstellen 5 und zwei Signalquellen 11, die jeweils zwei Speisestellen 8 aufweisen. Die Speisestellen 8 einer Signalquelle 11 sind dabei jeweils mit benachbarten Koppelstellen 5 kontaktiert.
f) Eine elliptische Polarisation mit drei kapazitiven Koppelstellen 5 und drei Signalquellen 11.

Das Strahlerelement 4 kann unterschiedlich geformt oder ausgestaltet sein. Fig. 6 zeigt exemplarisch einige Varianten. Gezeigt ist jeweils ein n-eckiges Strahlerelement 4, dessen Außenkontur durch das n-Eck gebildet wird. Dabei ist n eine natürliche Zahl größer als drei.
Die Fig. 7 zeigt Varianten mit einem Monopol als Ausführung des Strahlerelements 4. Weiterhin sind unterschiedliche Varianten für die Kopplung mit Stegelementen 7 dargestellt. Teilweise sind in den Ausgestaltungen keine Flügelelemente vorhanden, so dass das Strahlerelement 4 die mindestens eine Koppelstelle direkt an einer Seite 40 aufweist. Die Varianten der Fig. 7 a) bis e) und l) weisen nur das Strahlerelement 4 und das Stegelement 7 auf. Die Varianten der Fig. 7 f) bis k) verfügen über das Strahlerelment 4, mindestens ein Flügelelement 5 und mindestens ein Stegelement 7.
Dargestellt sind in der Fig. 7 folgende Ausgestaltungen:

a) einfacher Monopol 4 bei Kopplung am Speisesubstrat,
b) Monopol 4 mit kapazitiver Kopplung mit dem Stegelement 7 von links,
c) Monopol 4 mit kapazitiver Kopplung von rechts,
d) zwei Monopole 4, die einen Dipol bilden und zweifach kapazitiv gekoppelt sind,
e) zwei Monopole 4, die an den Monopolenden miteinander kapazitiv gekoppelt sind und über die Koppelstellen 5 kapazitiv mit den Stegelementen 6 gekoppelt sind und
f) Kurzschluss zweier kapazitiv gekoppelter Monopole 4, woraus sich ein Dipol oder Patch ergibt. Die seitlich angebrachten Flügelelemente 6, sind unter einem Winkel 14 von 90° in Richtung der Stegelemente 7 abgewinkelt.
g) gewinkelter Monopol 4 (also mit einer Abwinklung 14) mit kapazitiver Kopplung von rechts mit einem Stegelement 6,
h) gewinkelter Monopol 4 mit kapazitiver Kopplung von links,
i) zweifach kapazitiv gekoppelter Monopol 4 (=Dipol),
j) dualer kapazitiv gekoppelter Monopol 4 (=Dipol) mit kapazitiver Kopplung der Strahlerelemente,
k) dualer kapazitiv gekoppelter Monopol 4 (=Dipol) mit Kondensator (konzentriertes Bauelement) zwischen den Strahlerelementen 4.

Anstelle von Monopolen in Form von Drähten oder z. B. Koaxialkabeln handelt es sich in alternativen Ausgestaltungen bei den Strahlerlementen 4 um Flächenstrahler, z. B. in Form von breiten Blechelementen. Dies zeigt die Fig. 7 I), die einen um 90° gedrehten Blick auf die Ausgestaltung der Fig. 7 b) erlaubt. Die Seite 40 des Strahlerelements 4 ist hier durch die Grundfläche gegeben. Das hier als Streifen ausgeführte Stegelement 7 befindet sich auf dieser Seite 40 durch die Koppelstelle 5 in kapazitiver Verbindung mit dem Strahlerelement 4.
Auch die Flügelelemente 6 am Strahlerelement 4 können unterschiedlich gestaltet sein. Fig. 8 zeigt exemplarisch einige Varianten (Beschreibung jeweils wieder von links nach rechts):

a) dreieckförmiges Flügelelement 6 mit beliebigen Innenwinkeln < 180°;
b) n-Eck mit n ≥ 3 bis hin zu einem kreisförmigen oder elliptischen Flügelelement 6 oder einer Form ähnlich einem T-Stück (ganz rechts);
c) beliebig abgewinkelte Flügelelemente 6, deren Anbindung an das - hier nicht dargestellte - Strahlerelement jeweils am rechten Ende erfolgen würde. Auf den freien Enden 60 befinden sich jeweils die Koppelstellen und mit den - je nach Ausgestaltung den freien Enden gegenüberliegenden - Enden sind die Flügelelemente 6 mit dem jeweiligen Strahlerelement verbunden.

Ebenso wie die Flügel 6 am Strahlerelement 4 können auch die Stege 7 unterschiedlich gestaltet sein. Diese können in Breite, Höhe, Dicke und Form variieren. Außerdem können diese gerade oder abgewinkelt sein. Zwischen Strahlerelement 4 und Speiseplatine 2 kann neben Luft ein Zwischenmedium 9 eingefügt sein, z. B. Dielektrika, Ferrite, Ferroelektrika und weitere. Die Befestigung der Stegelemente 7 auf der Speiseplatine als ein Beispiel für das Trägerelement 2 kann wie die Befestigung des Strahlerelements 4 an den Stegelementen 7 unterschiedlich realisiert sein, z. B. angeschraubt, gesteckt, verklebt oder gelötet.
Die Abbildungen Fig. 9 und Fig. 10 zeigen zwei weitere Ausführungsformen mit vier Punkten zur kapazitiven Kopplung zwischen der Leiterstruktur auf dem Trägerelement 2 und dem Strahlerelement 4.
Dabei besteht jeweils eine kapazitive Kopplung zwischen der Leiterstruktur auf dem Trägerelement 2 und den Stegelementen 7 an den Speisestellen 8. Die Flügelelemente 6 befinden sich an den Seiten des n-eckigen Strahlerelements 4 und sind in Richtung des Trägerelements 2 gebogen.
In der Ausgestaltung der Fig. 9 besteht eine galvanische Kopplung zwischen den Stegelementen 7 und den Flügelelementen 6 in den hier mit Kreisen und Pfeilen hervorgehobenen Bereichen. Die Koppelstellen 5 für die kapazitive Kopplung befinden sich daher in dieser Variante im Bereich der Speisestellen 8. Die Flügelelemente 6 und die Stegelemente 7 sind dabei je nach Ausgestaltung galvanisch miteinander gekoppelt oder sind einteilig ausgeführt. In der letzten Variante münden daher quasi die Flügelelemente 6 mit ihren Koppelstellen 5 auf den freien Enden 60 auf dem Trägerelement 2.
In der Ausgestaltung der Fig. 10 besteht eine kapazitive Kopplung - hier insbesondere über einen Luftspalt - zwischen Stegelement 7 und Flügelelement 6, so dass sich zwischen beiden auch die kapazitive Koppelstelle 5 befindet. Dabei besteht weiterhin eine kapazitive Kopplung zwischen dem Stegelement 7 und der Speisestelle 8. Dies im Gegensatz zur galvanischen Kopplung zwischen den Flügelelementen 6 und dem Strahlerelement 4. Die Flügelelemente 6 sind hier auch als Blechstreifen zu erkennen, die an den Seiten des Strahlerelements 4 befestigt und nach unten umgebogen sind. Auch ist zu erkennen, dass über die Ausgestaltungen von Flügelelementen 6 und Stegelementen 7 der Abstand zwischen dem Strahlerelement 6 und dem Trägerelement 2 oder z. B. einer Massefläche auf dem Trägerelement 2 einstellbar sind.
In einer Ausgestaltung ist das mindestens eine Strahlerelement 4 aus einem Blech gefertigt, wobei die Flügelelemente 6 und die Stegelemente 7 ebenfalls aus Blech bestehen.
Die Abbildungen Fig. 11 bis Fig. 14 zeigen eine weitere Ausgestaltung der Antennenvorrichtung 1 mit zwei Strahlerelementen 4, 4'. Dies ist beispielweise ein "Stacked Patch", z. B. für Dual-Band-Design oder erweitertes breitbandiges Design.
Die Fig. 11 zeigt die zwei unterschiedlich ausgestaltete Strahlerelemente 4, 4', die beide von dem Trägerelement 2 beabstandet sind. Das höher befindliche Strahlerelement 4 (auch erstes Strahlerelement) weist eine viereckige Außenkontur und eine mittige viereckige Aussparung 21 auf. Andere Außenkonturen sind ebenfalls möglich. Das zweite Strahlerelement 4' befindet sich innerhalb der Aussparung 21 und näher am Trägerelement 2. Dabei ist das zweite Strahlerelement 4' in der dargestellten Ausgestaltung ebenfalls viereckig ausgestaltet. Beide Strahlerelemente 4, 4' sind hier plan ausgestaltet und befinden sich hier im Wesentlichen parallel zum Trägerelement 2. Zu erkennen ist die Leiterstruktur 3 in Form von Leiterbahnen auf dem Trägerelement 2 mit den vier Speisestellen 8, mit denen jeweils ein Stegelement 7 verbunden ist. Dies erfolgt hier passend zu den vier Koppelstellen 5 an den Flügelelementen 6 an den vier Außenseiten 40 des oberen Strahlerelements 4.
Die Fig. 12 lässt die unterschiedliche Ausgestaltung der zwei Strahlerelemente 4, 4' und deren Anordnung zueinander erkennen. Zu sehen ist auch, dass sich die Flügelelemente 6 an den Seiten 40 des oberen bzw. ersten viereckigen Strahlerelements 4 befinden und von dort in Richtung des Trägerelements 2 ragen. Die kapazitiven Koppelstellen 5 befinden sich daher ebenfalls auf den Seiten. Zu erkennen ist auch der flächige Verlauf der Flügelelement, die von den Seiten des oberen Strahlerelements 4 ausgehen und hier in Richtung des Trägerelements 2 abgewinkelt sind.
Die Fig. 13 zeigt den vergrößerten Ausschnitt des Teils der Antennenvorrichtung 1 der Fig. 12. Von den Koppelstellen 5 ragen Zungenelemente 15 zu dem weiter in Richtung des Trägerelements 2 befindlichen Strahlerelement 4' und erzeugen daher auch eine elektrische - hier insbesondere kapazitive - Kopplung zu diesem - zweiten - Strahlerelement 4'. Insgesamt sind also die zwei Strahlelemente 4, 4' miteinander kapazitiv gekoppelt und ist eines der zwei Strahlerelemente 4 über die Flügelelemente 6 kapazitiv mit der Leiterstruktur 3 gekoppelt.
Der Schnitt der Fig. 14 zeigt noch einmal, dass das obere - erste - Strahlerelement 4 über die Verbindung aus seitlich befindlichen Flügelelementen 6 und Stegelementen 7 auf dem Trägerelement 2 ruht und kapazitiv - über die Koppelstellen 5 - mit den Speisestellen 8 gekoppelt ist. Dabei befindet sich zwischen den Stegelementen 7 und den Flügelelementen 6 ein Dielektrikum als Zwischenmedium 9. In Richtung des unteren - zweiten - Strahlerelements 4' verlaufen die Zungenelemente 15, die ebenfalls eine elektrische und hier kapazitive Kontaktierung bewirken.
Zusätzlich ist noch aufgetragen, dass das Trägerelement 2 eine Breite von 175 mm und das obere Strahlerelement 4 eine Seitenlänge von 75 mm aufweist. Dabei befindet sich die - hier insbesondere viereckige - Außenkontur des oberen Strahlerelements 4 ungefähr 25 mm oberhalb des Trägerelements 2.
Die kapazitive Ankopplung mindestens eines Strahlerelements an - vorzugsweise vier - Stellen bietet folgende Vorteile:

a) Die lateralen Abmessungen des Strahlerelements können deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz sein. So sind Abmessungen von einem Viertel der Wellenlänge oder weniger möglich.
b) Die wirksame Apertur des Strahlerelements ist größer als die laterale Ausdehnung, da die Form des Strahlers und die damit verbundene Position der Koppelstellen eine hohe Konzentration der Energie bzw. Feldstärke an den Koppelstellen hervorruft.
c) Es ist eine einfache, verlustarme Impedanzanpassung möglich.
d) Es ermöglicht trotz der geringen Volumenabmessungen eine hohe relative Bandbreite, sowohl für die Impedanzanpassung als auch für die Richtcharakteristik.
e) Es bedarf keiner großen Massefläche und/oder Reflektors, um die Rückstrahlung zu reduzieren. Der Durchmesser der Massefläche kann beispielsweise eine halbe Wellenlänge oder kleiner sein.
f) Das Strahlerelement kann sehr kostengünstig aufgebaut werden, da keine teuren Substrate, wie Keramiken, erforderlich sind. Im einfachsten Fall sind bereits Stanzund Biegeteile aus Blech (z. B. Aluminium) ausreichend.
g) Sehr geringe Bauhöhe, was dem Einsatz für flache Antennen entgegenkommt, z.B. für UHF-RFID-Anwendungen.

Ein technisches Anwendungsgebiet bieten beispielsweise UHF-RFID-Antennen für den Einsatz in Logistik, Produktion oder Automatisierung. Dazu gehören beispielsweise Tordurchfahrten u. a. mit Pulklesung (Erfassung vieler Transponder in kurzer Zeit), automatisierte Inventur oder Personenkontrollen (z. B. Healthcare). Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bieten mobile Terminals für die Satelliten- oder die terrestrische Mobilkommunikation. Weitere Anwendungen liegen im Automotiv-Bereich bzw. im Bereich der Vernetzung von Fahrzeugen oder Verkehrsteilnehmern (sog. Car2X).
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Referenzen:

[1] A. E. Popugaev and R. Wansch, "A novel miniaturization technique in microstrip feed network design," in Proc. of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2009, Berlin, Mar. 2009, pp. 2309 - 2313.
[2] A. E. Popugaev, R. Wansch, S. Urquijo, "A NOVEL HIGH PERFORMANCE ANTENNA FOR GNSS APPLICATIONS," in Proc. of the 2nd Second European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Edinburgh, UK, Nov. 11-16, 2007.
[3] L. Weisgerber and A. E. Popugaev, "Multibeam antenna array for RFID applications," in Proc. of the 2013 European Microwave Conference (EuMC), Nuremberg, Oct. 2013, pp. 84 - 87.

Claims

Antennenvorrichtung (1)
mit einem Strahlerelement (4) zum Abstrahlen und/oder Empfangen von elektromagnetischen Signalen,
wobei das Strahlerelement (4) mindestens eine Koppelstelle (5) aufweist, wobei die Koppelstelle (5) mit einer Seite (40) des Strahlerelements (4) verbunden ist, und
wobei die Koppelstelle (5) zur kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung von elektromagnetischen Signalen ausgestaltet ist,
wobei die Antennenvorrichtung (1) eine Leiterstruktur (3) zum Leiten von elektromagnetischen Signalen aufweist, und
wobei die Leiterstruktur (3) und das Strahlerelement (4) über die Koppelstelle (5) kapazitiv miteinander gekoppelt sind,
wobei das Strahlerelement (4) mindestens ein Flügelelement (6) aufweist, wobei das Strahlerelement (4) und das Flügelelement (6) galvanisch miteinander gekoppelt sind,
wobei das Flügelelement (6) an der Seite (40) des Strahlerelements (4) angeordnet ist,
wobei das Strahlerelement (4) und das Flügelelement (6) einen Winkel (14) miteinander bilden,
wobei das Flügelelement (6) die Koppelstelle (5) aufweist,
wobei die Antennenvorrichtung (1) mindestens ein Stegelement (7) aufweist, wobei das Stegelement (7) galvanisch oder kapazitiv mit einer Speisestelle (8) der Leiterstruktur (3) gekoppelt ist, und
wobei das Stegelement (7) und das Strahlerelement (4) über die Koppelstelle (5) kapazitiv miteinander gekoppelt sind,
wobei die Antennenvorrichtung (1) ein Trägerelement (2) aufweist,
wobei das Flügelelement (6) in Richtung des Trägerelements (2) von dem Strahlerelement (4) abgewinkelt ist, und sich die Koppelstelle (5) an einem freien Ende (60) des Flügelelements (6) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (4) als Flächenstrahler ausgestaltet ist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
wobei im Bereich der Koppelstelle (5) ein Zwischenmedium (9) vorhanden ist und wobei die kapazitive Kopplung über das Zwischenmedium (9) erfolgt.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Strahlerelement (4) beabstandet von dem Trägerelement (2) befestigt ist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Strahlerelement (4) als Flächenstrahler mit einer Außenkontur in Form eines n-Ecks ausgestaltet ist und
wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich drei ist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 4, wobei das Strahlerelement (4) als trichterförmiger Flächenstrahler mit einer mittigen Absenkung ausgestaltet ist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Koppelstelle (5) mittig im Bereich einer Seite des n-Ecks des Strahlerelements (4) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Strahlerelement (4) als Blech ausgestaltet ist.
Antennenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strahlerelement (4) an mehreren Seiten (40) Koppelstellen (5) aufweist und
wobei das Strahlerelement (4) über mindestens eine Koppelstelle (5) kapazitiv mit der Leiterstruktur (3) gekoppelt ist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das Strahlerelement (4) über mindestens eine Koppelstelle (5) mit einem Leerlauf (12) verbunden ist, sodass ein offenes Ende vorliegt.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das Strahlerelement (4) über mindestens eine Koppelstelle (5) mit einem Kurzschluss (13) verbunden ist.
Antennenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Antennenvorrichtung (1) mindestens zwei Strahlerelemente (4, 4') aufweist.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die zwei Strahlerelemente (4, 4') - insbesondere kapazitiv oder galvanisch - miteinander gekoppelt sind.
Antennenvorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die zwei Strahlerelemente (4, 4') unterschiedliche Abstände zum Trägerelement (2) aufweisen.
Antennenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein Strahlerelement (4) der zwei Strahlerelemente (4, 4') eine Aussparung (21) aufweist und wobei ein anderes Strahlerelement (4') der zwei Strahlerelemente (4, 4') im Bereich der Aussparung (21) angeordnet ist.