EP3671951A1 - Antenna device - Google Patents
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- EP3671951A1 EP3671951A1 EP18215599.4A EP18215599A EP3671951A1 EP 3671951 A1 EP3671951 A1 EP 3671951A1 EP 18215599 A EP18215599 A EP 18215599A EP 3671951 A1 EP3671951 A1 EP 3671951A1
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
- H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
- H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
- H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
- H01Q5/50—Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
Definitions
- Embodiments of the present invention relate to an antenna device and to a GNSS antenna.
- Preferred exemplary embodiments relate to a broadband antenna device with limited dimensions.
- GNSS Global satellite navigation systems
- the American GPS the Russian GLONASS
- the Chinese BeiDou the Chinese BeiDou or the European Galileo
- the Galileo system offers the Public Regulated Service (PRS) for sovereign purposes.
- PRS Public Regulated Service
- the bandwidth of the crypted PRS signals E1 and E6 is specified with at least 40 MHz (slightly larger than in Fig. 1 shown). It is planned to equip military and BOS vehicles (authorities and organizations with security tasks) of the participating EU member states with PRS receiver modules in the near future.
- the basis for robust position determination is the highest possible signal-to-noise power density ratio (C / N0), which is proportional to the passive antenna gain.
- Fig. 2 shown S67-1575-86 from Sensor Systems.
- Fig. 3 shows a compatible antenna from AntCom.
- the antenna elements are galvanically connected to the ground (DC grounded).
- DC grounded ground
- Such behavior is characterized, for example, by ceramic antennas with two planar antenna elements (resonators) arranged one above the other (cf. Fig. 4 ).
- a larger bandwidth (approx. 30%) with regard to all antenna parameters can be achieved using a parallel four-point feed network.
- Fig. 6 the structure and miniaturization of the parallel four-point feed network of a circularly polarized antenna is illustrated.
- Each feed point of the miniaturized variant is adapted to broadband using a line transformer and an empty stub.
- each of the four elements is separated by an arc segment, e.g. B. Shaped a 90 ° arc segment.
- the four circular arc segments in the quadrature arrangement thus form a kind of full circle, the elements being each spaced apart from the next element by a gap.
- the column forms a kind of cross slot.
- This shape advantageously makes it possible for a maximum area to be taken up, in particular under the constraint of a limited diameter (e.g. 100 or 90 mm).
- the above design also enables a flat shape to be achieved (e.g. ⁇ 30mm), which enables installation flush with the vehicle.
- Embodiments of the present invention are based on the knowledge that the layered arrangement of the feed network and antenna radiator enables an optimal use of space by a housing, the radiation pattern being good due to the quadrature arrangement or cross recess arrangement. Since each of the four elements has a single feed that is connected to the partial feed network directly underneath, the beam arrangement can be operated very efficiently. This promotes the resulting antenna gain. The fact that each radiator element is centered over the foot element that the Feeding point is excited, there is a symmetrical excitation, which is particularly important for broadband operation.
- the arrangement outlined above achieves an antenna device with a high bandwidth and good antenna gain over the entire bandwidth, with boundary conditions such as the small installation space being achieved.
- a dielectric element such as, for example, is located between the feed network and the individual antenna elements.
- a Teflon body is provided. On the one hand, this enables a sufficient distance to be formed between the feed network and the radiating elements, this distance being filled in in order to achieve increased mechanical stability (kick protection) here.
- the four elements are identical or essentially identical and can comprise, for example, circular elements, 90 ° circular segments, triangles or polygons.
- the arrangement is at least two mirror-symmetrical and also point-symmetrical in some areas.
- This middle pitch circle segment is achieved if the individual circular arc segment is subdivided into three equally large pitch circle segments (e.g. 33 ° pitch circle segments) and here the coupling is made in the middle element (if possible far outwards or in the outer third.
- a correspondingly further one Embodiments of optimal coupling are achieved if the coupling point is present exactly along the center line with respect to the angle of the circle segment, which would then be a 45 ° angle for a 90 ° circle segment, with a coupling here again as far as possible outside, ie in the area of the outer third would be desirable.
- each of the elements of the radiation elements can be formed by metal sheets or foils, for example because the foil is applied to the dielectric body as a carrier. Even if any conductive elements are suitable, the base element with the feed point can be realized at the same time by an unfolded nose in the production of sheets and foils. This nose extends, for example, on the outer edge of the main plane in the direction of the feed network (for example, angles in the range from 35 to 80 °).
- each feed network has a section for the individual of the at least four elements of the radiator arrangement.
- a spur line or spur line short-circuited to ground can be provided for each feed point (per radiating element) according to exemplary embodiments.
- the feed network can also comprise at least one of the following elements: power transformer, Wilkinson coupler and / or delay line.
- Another embodiment provides a GNSS antenna with a housing and a corresponding antenna device.
- this GNSS antenna is round and has a maximum diameter of 90 mm.
- Fig. 7a the basic embodiment is illustrated using Fig. 7a explained while optional aspects related to the Fig. 7b , 7c and 7d to be discussed.
- 7e and 7f show optional aspects of the dining network according to extended embodiments.
- Fig. 7a it should be noted that all basic elements are shown here, although additional elements may also be included in the figure representation, but which are not absolutely necessary for the antenna device.
- FIG. 8a and 8b the efficiency is then explained using diagrams to illustrate the radiation characteristics. After discussing these diagrams, possible variations for the individual features, in particular the features of the basic exemplary embodiment, are then discussed.
- Fig. 7a shows an antenna device 10 with the two basic features radiator arrangement 12 and feed network 14.
- the feed network is for example applied to a single-layer or multi-layer circuit board and is located in a lower level, for. B. at the bottom of the antenna device, while the radiator arrangement is in an upper level. Both levels can be essentially parallel to one another, with the feed network 14 and the radiator arrangement optionally being in alignment with one another. According to an optional aspect, as shown here, these are spaced apart from one another in the radiation direction 12r.
- the radiation direction 12r of the antenna device 10 is identified by an arrow.
- the radiator arrangement 12 comprises four individual elements 12a to 12d (12d being covered by an optional component).
- the four elements 12a to 12c are each, for example, semicircular elements which are arranged in a quadrant.
- the individual elements 12a to 12d are formed by 90 ° circle segments, so that a two-way mirror-symmetrical and one-dimensional point-symmetrical structure is obtained. All elements 12a to 12d are arranged in a common plane, namely the upper plane. All radiator elements 12a to 12d arranged in the four quadrants are separated by gaps 12s. Starting from the 90 ° circular segments, these can have a constant thickness of 1 to 3 mm, but of course also any other shape with a variable cross section would be conceivable.
- Each radiator element 12a to 12c is connected to the associated feed point of the feed network 14 via its own feed point.
- the feed points associated with the radiators 12a to 12d are identified by the reference symbols 12as, 12bs, 12cs and 12ds.
- these feed points 12as to 12ds are formed by foot elements or noses or folded noses which are arranged on the circular line. These tabs are folded down (that is, they extend out of the upper level towards the lower level and thus enable a connection to the associated feed points 14as to 14ds.
- this is a so-called acts as a central feed, which, when you look at the respective segment of the circle, attacks in the middle with respect to the angle.
- the respective nose 12as to 14ds is arranged in a middle angle range.
- This middle angle range is identified here by the reference symbol ⁇ and corresponds essentially to the middle segment of the circle if the individual circle segment is divided into three circle segments of the same size.
- the feed point can be arranged as desired.
- a preferred attachment is as central as possible, ie on the bisector of the 90 ° circle segment (or another circle segments) must be provided, while also arranging in the area of the edge line if possible (cf. Circular line) would be preferable.
- Fig. 7b shows a further antenna device 10 '.
- the device 10 ′ essentially corresponds to the antenna device 10, the space between the radiator arrangement 12 comprising the four radiating quadrants 12a, 12b and 12c and the feed network 14 being filled with a material, here a dielectric body 16.
- the dielectric carrier can be formed, for example, from a plastic volume or a polyimide film. This film can be coated with an additional metallization (flexible printed circuit board), which then forms the radiating elements 12. Assuming a round body 16, the four circular segments are applied to the surface with a kind of cross-slit shape in order to form the four radiator elements 12a to 12d.
- a recess can be provided both centrally at the cross recess and at the end of the slots 12s, in order to create the necessary installation space for screws or other fastening means, for example.
- the body 16 can also have a cutout in the region of the lugs 12as to 12ds, so that they can be bent toward the feed network 14 corresponding to the printed circuit board.
- the antenna device 10 is also in one Embedded housing, which consists of the base plate 18g and the cover 18d.
- the floor has a receptacle for the single or multi-layer circuit board that houses the dining network.
- the dielectric body 16 with the radiating elements 12a to 12d is then applied to the feed network before the housing is then closed from above with the cover 18d.
- a seal can optionally be provided between the housing base 18g and the housing cover 18d.
- the individual components can be connected to each other using the screws.
- the central block screw to secure the dielectric block with the radiating elements together with the printed circuit board 14 on the base plate 18g, while the cover 18d and thus the housing can be closed by the four decentralized screws. With these screws, the entire antenna is on another component, such as. B. applicable to a vehicle.
- the locked position is in Fig. 7c shown while Fig. 7d shows the decentralized bores in the sectional view (cf. reference symbol 18s).
- This is provided with the reference numeral 20 and protrudes on the underside of the bottom 18g.
- the plug 20 protrudes through the bottom 18g and contacts the circuit board, which houses the feed network 14, from below. Due to the fact that the plug 20 protrudes on the underside, the antenna device can be contacted from below and at the same time the cable can be sunk when the antenna device is attached.
- the connector shown here can be, for example, an F connector or a similar connector.
- the thickness of the base plate 18g enables components, such as. B. filters or the like can be provided on the circuit board.
- FIG 7e and 7f The embedding of the printed circuit board that houses the feed network 14 is shown in FIG 7e and 7f shown. Both figures show the embedding of the printed circuit board 14l in the housing base 18g, the bores 18s again being recognizable here. Optionally, the printed circuit board 14l can be left free in the area of these bores.
- the printed circuit board 14l with the switching network 14 is round and can be roughly divided into four sectors / circle segments, as shown by the dashed lines. Each sector comprises a part of the dining network that is assigned to one of the four elements.
- each nose 12as to 12ds is connected to the respective feed point 14as to 14ds, e.g. B. by a pure clamping force or by a mechanical-electrical connection, such as. B. based on a solder.
- a corresponding feed network section is arranged around each feed point, which serves to feed the individual element.
- each section can comprise a short-circuited stub line 15sd, the short-circuit point being identified by the reference symbol 15sdk. This short-circuit point is realized, for example, by a via which connects the stub line to a ground position arranged in a lower level.
- a line transformer can be provided for each feed point.
- This line transformer is provided with the reference symbol 15lt.
- the individual feed points 14as to 14ds are connected to one another by so-called delay lines 15vl (e.g. two pairs, each with a 90 ° (quarter wavelength) length difference at the center frequency), which in total then make it possible to operate the antenna as a RHCP antenna.
- the feed network 14, in particular in the central section 14z, also comprises further components which are implemented here in the feed network position, such as a 180 ° hybrid, one or more Wilkinson couplers and / or line transformers.
- the feed network 14 shown here can be used as a conventional feed network (cf. Fig. 6a ) or as a miniaturized dining network, e.g. based on meandering shapes (cf. 6b and 6c ) be implemented, the basic idea of which is based on the fact that ring lines make it possible to miniaturize a topology well (cf. [8]).
- a free area is provided in a further central area 14n, in which the position of the feed network can be connected to the antenna connection.
- This antenna connection is, as in 7c and 7d visible, provided from the rear for contacting.
- the feed network 14 shown here is implemented on a multi-layer circuit board which, for. B. in a top layer (layer facing the radiating elements 12) houses the dining network, while in a lower layer the RF front end implemented with filters, LNAs or other electronic components.
- the use of this lowermost layer is advantageous because these components can be accommodated in the housing base 18g and can thus be shielded.
- an additional ground position is provided between this RF front-end position and the feed network position, against which, for example, the short circuit of the stub line 15sd (cf. 15sdk) can be bound.
- two ground layers can also be provided, which are easy to implement in terms of production technology, if one starts from two stacked printed circuit boards.
- this double ground layer between the RF front-end layer and the feed network layer also offers shielding advantages.
- the feed point per radiator element is arranged centrally, for. B. at the outer end of the circle segment. It would of course also be a central arrangement, e.g. B. in the pitch circle segment ⁇ possible, which can be realized in terms of production technology by an attached via or a differently soldered leg.
- 8a and 8b illustrate the antenna gain for two different bands.
- Fig. 8a the antenna gain in dBic for 1.16 to 1.30 GHz
- 8b shows the antenna gain in dBic in the range of 1.52 to 1.61 GHz.
- the RHCP component is illustrated by solid lines
- the LHCP component is illustrated by dashed lines. Good antenna efficiency is achieved if, among other things, there is a sufficient distance between the RHCP and LHCP components.
- a symmetrical reception gain is formed which, depending on the angle, is generally between 0 and +5 dBiC, at least between -60 and + 60 °.
- the antenna gain in free space (without ground plane) in the lower frequency range is -3.5 dBic at 10 ° elevation and +2.5 dBic in the zenith; in the upper frequency range the values are between -3.5 and +5 dBic.
- the cross polarization suppression is better than 15.5 dB (AR ⁇ 3 dB) in the entire frequency range.
- StdT Sensor Systems S67-575-86
- StdT AntCom G5Ant-3A4T1-SS Dimensions (without TNC socket), mm ⁇ 89, H25 ⁇ 89, H18 ⁇ 89, H22 Passive antenna gain in dBic @ elevation 10 ... 90 ° L5 & E5 ⁇ -3.5 k.
- such antennas are particularly limited in terms of their diameter ( ⁇ 100 or ⁇ 90 mm).
- Fig. 7g shows an implementation of the referential Fig. 7a explained antenna device 10 ".
- the radiating elements 12a" -12d are formed by printed circuit boards.
- Each radiating elements 12a" -12d has essentially a triangular shape or a triangular shape with flattened corners, so that through the radiator arrangement 12" Rectangle or octagon is formed.
- the foot elements 12af "-12df” are positioned vertically (generally: angled) along the hypotenuses.
- foot elements 12af “-12df” extend over the entire side and are triangular, so that in the central angular region (here at 45 ° between the two cathets) the feeding point is formed by the tip of the dirt / triangular foot element 12af “-12df” that is then connected to the feed point of the feed network 14 ".
- the antenna arrangement essentially forms a circular segment with four 90 ° segments
- the segments are also ⁇ (for example 75 °) or generally in the range from 30 to 90 ° can be, in which case either additional elements are provided or the columns 12s are dimensioned larger.
- An angular boundary line in the sense of a polygon would also be conceivable. In general, it should be noted that any free form would be possible.
- each individual element can be bent at the edge area, so that the antenna arrangement as a whole forms a mushroom-shaped structure, for example.
- this has the purpose that good reception properties can also be made possible on the sides and, on the other hand, is also due to the fact that the desired housing shape causes such a bending of the radiating elements.
- the elements of the radiator arrangement can be shaped / bent as desired.
- the feed network 14 can be implemented on a single-layer or multi-layer printed circuit board or a discrete structure (cf. Fig. 6a ) exhibit.
- the dielectric body 16k is present as an element to which, for example, the radiating elements 12a to 12d are applied as foils, it should be noted at this point that this can of course also be formed by a plastic cage or the like to achieve the desired dielectric properties. Perforation of the body would also be conceivable. Alternatively, the entire housing could be encapsulated when closing, so that the body is formed later. Possible materials for this carrier are ceramic, PTFE or other non-conductive polymers or generally non-conductive elements.
- Antenna devices explained above are suitable for possible use in military and BOS vehicles (possibly slightly modified), which are to be equipped with PRS modules in the near future.
- the technical field of application of the invention includes positioning and surveying in agriculture and forestry, cadastral surveying, vehicle and machine controls in construction and agriculture, GNSS monitoring systems, aerospace applications.
- One aspect relates to an antenna device with a centrally placed radiator, which according to a further embodiment on a dielectric carrier, such as. B. a polyimide film can be applied.
- a dielectric carrier such as. B. a polyimide film
- its metallization is divided into four equal elements, e.g. B. by a cross-shaped prism.
- each metallization has its own feed point, which is broadband-adapted using a line transformer and at least one short-circuited stub line.
- the short-circuited stub line in particular forms an integrated protection against static charge.
- a line transformer and at least the current stub line with at least one parallel inductor can be provided, which also enables integrated protection.
- the dielectric carrier is optional, with this dielectric filling between the radiator and a circuit board arranged under the radiator serving for increased mechanical stability (kick protection).
- the printed circuit board is made of multiple layers, for example a feed network on the top and an RF front end (e.g. comprising filters, LNAs, etc.) on the bottom.
- RF front end e.g. comprising filters, LNAs, etc.
- One or more inner layers can be provided between these two layers, forming the mass.
- a GNSS antenna with the above antenna device and a corresponding housing is thus created.
Landscapes
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- Computer Security & Cryptography (AREA)
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Abstract
Antennenvorrichtung mit einer Strahleranordnung in einer in Abstrahl-/Empfangsrichtung oberen Ebene; und in einer in der Abstrahl-/Empfangsrichtung unteren Ebene; wobei die Strahleranordnung zumindest vier Elemente umfasst, die durch Spalte voneinander beabstandet in der oberen Ebene zu einer Quadrantenstruktur angeordnet sind, wobei jedes der vier Elemente in einem zentralen Winkelbereich einen Speisepunkt aufweist, über den jedes Element mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks verbunden ist.Antenna device with a radiator arrangement in an upper plane in the direction of radiation / reception; and in a lower plane in the radiation / reception direction; wherein the radiator arrangement comprises at least four elements which are spaced apart by gaps in the upper level to form a quadrant structure, each of the four elements having a feed point in a central angular range, via which each element is connected to a corresponding feed point of the feed network.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenvorrichtung sowie auf eine GNSS-Antenne. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine breitbandige Antennenvorrichtung mit limitierten Abmessungen.Embodiments of the present invention relate to an antenna device and to a GNSS antenna. Preferred exemplary embodiments relate to a broadband antenna device with limited dimensions.
Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS), wie das amerikanische GPS, das russische GLONASS, das chinesische BeiDou oder das europäische Galileo, sind zu einem elementaren Bestandteil von Navigationsanwendungen geworden, welche stetig steigende Anforderungen an eine genaue, verlässliche und möglichst immer verfügbare Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitinformation haben.Global satellite navigation systems (GNSS), such as the American GPS, the Russian GLONASS, the Chinese BeiDou or the European Galileo, have become an elementary part of navigation applications, which constantly increasing requirements for an accurate, reliable and always available position, speed and have time information.
Je größer jedoch die Abhängigkeit von GNSS ist, desto größer wird auch die Gefahr von Störungen und Täuschungen. Um einen möglichst manipulationssicheren Betrieb von GNSS zu ermöglichen, wurden und werden für autorisierte Nutzer verschiedene Sicherheitsmechanismen entwickelt.However, the greater the dependency on GNSS, the greater the risk of interference and deception. Various security mechanisms have been and are being developed for authorized users in order to enable the most tamper-proof operation of GNSS.
Im Falle von GPS wird neben dem zivilen C/A-Code (Coarse/Acquisition) im L1-Band (siehe
Das Galileo-System bietet für hoheitliche Zwecke den öffentlich regulierten Dienst (Public Regulated Service - PRS). Die Bandbreite der kryptierten PRS-Signale E1 und E6 wird jeweils mit mindestens 40 MHz spezifiziert (etwas größer als in
Bereits im Stand der Technik gibt es schon einige Ansätze, wie ausgehend von limitierten Platzverhältnissen ein oder mehrere Bänder des oben erläuterten L-Bandes empfangen werden können.Already in the state of the art there are already some approaches as to how one or more bands of the L band explained above can be received on the basis of limited space.
Die Grundlage für robuste Positionsbestimmungen ist ein möglichst hohes Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis (C/N0), welches dem passiven Antennengewinn proportional ist.The basis for robust position determination is the highest possible signal-to-noise power density ratio (C / N0), which is proportional to the passive antenna gain.
Eine der am häufigsten verwendeten militärischen GPS-Antennen ist die in
Durch ein solches Verhalten zeichnen sich beispielsweise Keramikantennen mit zwei übereinander angeordneten planaren Antennenelementen (Resonatoren) aus (vgl.
Eine aus der Literatur bekannte Möglichkeit, eine hohe Effizienz bei einer elektrisch kleinen Antennengröße zu erreichen, ist die Verwendung von planaren Antennenstrukturen mit einem Kreuzschlitz (vgl.
Jeder der vier metallischen Strahlerteile wird an einer der äußeren Ecke gespeist und am äußeren Rand mittig mit der Massefläche galvanisch verbunden. Die relative Impedanzbandbreite (Maß: Stehwellenverhältnis VSWR≤2:1) der hier gezeigten Antennen beträgt ca. 20%. Die Achsenverhältnisbandbreite (Axial Ratio AR≤3 dB bzw. Kreuzpolarisationsunterdrückung XPD≥15,5 dB) wird durch das verwendete schmalbandige Konzept des seriellen Speisenetzwerks auf ca. 10% begrenzt.Each of the four metal radiator parts is fed at one of the outer corners and galvanically connected to the ground surface in the center. The relative impedance bandwidth (dimension: standing wave ratio VSWR≤2: 1) of the antennas shown here is approx. 20%. The axis ratio bandwidth (Axial Ratio AR≤3 dB or cross polarization suppression XPD≥15.5 dB) is limited to approx. 10% by the narrow-band concept of the serial feed network used.
Eine größere Bandbreite (ca. 30%) hinsichtlich aller Antennenparameter kann mithilfe eines parallelen Vier-Punkt-Speisenetzwerks erzielt werden. In
Keine der oben erläuterten Stand der Technik-Varianten bietet einen ausreichenden Antennengewinn breitbandig bei gleichsam geringen Abmessungen. Insofern besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz für eine breitbandige Antennenlösung, insbesondere bei ähnlichen Formfaktoren wie handelsübliche L1/L2-Lösungen (Durchmesser < 90 mm, Bauhöhe < 30 mm), die einen robusten Empfang von allen GNSS-Signalen im L-Band ermöglicht. Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Antennenkonzept zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus benötigtem Bauraum, Antennengewinn und Breitbandigkeit schafft.None of the prior art variants explained above offers sufficient broadband antenna gain with, as it were, small dimensions. In this respect, there is a need for an improved approach for a broadband antenna solution, especially for similar ones Form factors such as commercially available L1 / L2 solutions (diameter <90 mm, height <30 mm), which enables robust reception of all GNSS signals in the L band. It is therefore the object of the present invention to provide an antenna concept which creates an improved compromise between the space required, antenna gain and broadband capability.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.The task is solved by the independent claims.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Antennenvorrichtung mit einer Strahleranordnung und einem Speisenetzwerk. Die Strahleranordnung ist in einer in Abstrahlrichtung oberen Ebene angeordnet, während das Speisenetzwerk in einer entsprechenden unteren Eben angeordnet ist. Beispielsweise kann das Speisenetzwerk auf einem ein- oder mehrlagigen Träger vorgesehen sein. Die Strahleranordnung umfasst zumindest vier Elemente (vier strahlende Elemente), die durch Spalte voneinander beabstandet (isoliert) in der oberen Ebene angeordnet sind. Die Anordnung ist derart, dass vier Quadranten ausgebildet werden. Jedes der vier Elemente ist in einem zentralen Winkelbereich über einen jeweiligen Speisepunkt mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks verbunden. Hierzu ist je Element ein sich aus der oberen Ebene in Richtung der unteren Ebene erstreckendes Fußelement (z.B. umgefalzter Vorsatz oder angesetztes Via vorgesehen.Embodiments of the present invention provide an antenna device with a radiator arrangement and a feed network. The radiator arrangement is arranged in an upper level in the direction of radiation, while the feed network is arranged in a corresponding lower level. For example, the feed network can be provided on a single or multi-layer carrier. The radiator arrangement comprises at least four elements (four radiating elements) which are arranged at a distance from one another (insulated) in the upper level. The arrangement is such that four quadrants are formed. Each of the four elements is connected in a central angular range via a respective feed point to a corresponding feed point of the feed network. For this purpose, a foot element (e.g. folded attachment or attached via) is provided for each element from the upper level towards the lower level.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist jedes der vier Elemente durch ein Kreisbogensegment, z. B. Einem 90°-Kreisbogensegment geformt. Die vier Kreisbogensegmente in der Quadraturanordnung bilden also eine Art Vollkreis, wobei die Elemente jeweils durch einen Spalt von dem nächsten Element beabstandet sind. Infolge dieser Quadraturanordnung bildet der Spalte eine Art Kreuzschlitz aus. Durch diese Form ist es vorteilhafterweise möglich, dass eine maximale Fläche, insbesondere bei der Randbedingung eines begrenzten Durchmessers (von z.B. 100 oder 90 mm) eingenommen werden kann. Vorteilhafterweise ist durch das obige Design auch eine flache Form realisierbar (z.B. <30mm), was einen Fahrzeugbündigen Einbau ermöglicht.According to embodiments, each of the four elements is separated by an arc segment, e.g. B. Shaped a 90 ° arc segment. The four circular arc segments in the quadrature arrangement thus form a kind of full circle, the elements being each spaced apart from the next element by a gap. As a result of this quadrature arrangement, the column forms a kind of cross slot. This shape advantageously makes it possible for a maximum area to be taken up, in particular under the constraint of a limited diameter (e.g. 100 or 90 mm). Advantageously, the above design also enables a flat shape to be achieved (e.g. <30mm), which enables installation flush with the vehicle.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass durch die schichtweise Anordnung von Speisenetzwerk und Antennenstrahler eine optimale Platzausnutzung eines Gehäuses erreicht werden kann, wobei durch die quadraturförmige Anordnung bzw. Kreuzschlitzanordnung gute Abstrahlcharakteristik erreicht wird. Indem jedes der vier Elemente eine einzelne Speisung hat, die mit dem direkt darunterliegenden Teilspeisenetzwerk verbunden ist, kann die Strahlanordnung sehr effizient betrieben werden. Dies fördert den resultierenden Antennengewinn. Dadurch, dass jedes Strahlerelement mittig über das Fußelement, das den Speisepunkt beherbergt, angeregt wird, erfolgt eine symmetrische Anregung, was für den breitbandigen Betrieb besonders wichtig ist.Embodiments of the present invention are based on the knowledge that the layered arrangement of the feed network and antenna radiator enables an optimal use of space by a housing, the radiation pattern being good due to the quadrature arrangement or cross recess arrangement. Since each of the four elements has a single feed that is connected to the partial feed network directly underneath, the beam arrangement can be operated very efficiently. This promotes the resulting antenna gain. The fact that each radiator element is centered over the foot element that the Feeding point is excited, there is a symmetrical excitation, which is particularly important for broadband operation.
Im Resultat wird also durch die oben skizzierte Anordnung eine Antennenvorrichtung mit hoher Bandbreite und gutem Antennengewinn in der gesamten Bandbreite erreicht, wobei Randbedingungen, wie der geringe Bauraum erreicht werden.As a result, the arrangement outlined above achieves an antenna device with a high bandwidth and good antenna gain over the entire bandwidth, with boundary conditions such as the small installation space being achieved.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Speisenetzwerk und den einzelnen Antennenelementen ein dielektrisches Element, wie z. B. ein Teflonkörper vorgesehen. Dies ermöglicht einerseits einen ausreichenden Abstand zwischen Speisenetzwerk und den strahlenden Elementen auszubilden, wobei dieser Abstand ausgefüllt ist, um hier eine erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) zu realisieren.According to further exemplary embodiments, a dielectric element, such as, for example, is located between the feed network and the individual antenna elements. B. a Teflon body is provided. On the one hand, this enables a sufficient distance to be formed between the feed network and the radiating elements, this distance being filled in in order to achieve increased mechanical stability (kick protection) here.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die vier Elemente identisch bzw. im Wesentlichen identisch und können beispielsweise Kreiselemente, 90°-Kreissegmente, Dreiecke oder Polygone umfassen. Insbesondere bei dem Aufbau mit 90°-Kreissegmenten wird es klar, dass die Anordnung zumindest zwei verspiegelsymmetrisch und auch bereichsweise punktsymmetrisch ist.According to exemplary embodiments, the four elements are identical or essentially identical and can comprise, for example, circular elements, 90 ° circular segments, triangles or polygons. In the case of the construction with 90 ° circular segments in particular, it becomes clear that the arrangement is at least two mirror-symmetrical and also point-symmetrical in some areas.
Bezüglich der zentralen Ankopplung sei angemerkt, dass dies dadurch realisiert wird, dass die Ankopplung in einem mittleren Teilkreissegment erfolgt. Dieses mittlere Teilkreissegment wird erreicht, wenn man das einzelne Kreisbogensegment in drei gleich große Teilkreissegmente (z. B. 33°-Teilkreissegmente) untergliedert und hier die Ankopplung in dem mittleren Element vornimmt (wenn möglich weit außen bzw. im äußeren Drittel. Eine entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen optimale Ankopplung wird erreicht, wenn der Ankopplungspunkt genau entlang der Mittellinie in Bezug auf den Winkel des Kreissegments vorliegt. Bei einem 90°-Kreissegment wäre das dann ein 45°-Winkel, wobei auch hier wiederum eine Ankopplung möglichst weit außen, d. h. im Bereich des äußeren Drittels anzustreben wäre.With regard to the central coupling, it should be noted that this is realized in that the coupling takes place in a central sub-circle segment. This middle pitch circle segment is achieved if the individual circular arc segment is subdivided into three equally large pitch circle segments (e.g. 33 ° pitch circle segments) and here the coupling is made in the middle element (if possible far outwards or in the outer third. A correspondingly further one Embodiments of optimal coupling are achieved if the coupling point is present exactly along the center line with respect to the angle of the circle segment, which would then be a 45 ° angle for a 90 ° circle segment, with a coupling here again as far as possible outside, ie in the area of the outer third would be desirable.
Bezügliche der Herstellung sei angemerkt, dass jedes der Elemente der Strahlungselemente durch Bleche oder Folien gebildet sein kann, weil die Folie beispielsweise auf den dielektrischen Körper als Träger aufgebracht ist. Auch wenn sich jegliche leitende Elemente eignen, kann bei der Herstellung von Blechen und Folien gleichzeitig das Fußelement mit dem Speisepunkt durch eine ungefalzte Nase realisiert sein. Diese Nase erstreckt sich beispielsweise am äußeren Rand von der Hauptebene in Richtung des Speisenetzwerks (beispielsweise Winkel im Bereich von 35 bis 80°).With regard to the production, it should be noted that each of the elements of the radiation elements can be formed by metal sheets or foils, for example because the foil is applied to the dielectric body as a carrier. Even if any conductive elements are suitable, the base element with the feed point can be realized at the same time by an unfolded nose in the production of sheets and foils. This nose extends, for example, on the outer edge of the main plane in the direction of the feed network (for example, angles in the range from 35 to 80 °).
Bezüglich des Speisenetzwerks sei, wie bereits oben angemerkt, darauf hingewiesen, dass dieses auf einem ein- oder mehrlagigen Träger angeordnet ist. Wenn man von einem mehrlagigen Träger ausgeht, kann entsprechend Ausführungsbeispielen dieser wie folgt realisiert sein:
- Speisenetzwerkslage
- dazwischenliegende Masselage oder dazwischenliegende Doppelmasselage
- RF-Frontend-Lage.
- Network location
- intermediate layer of mass or intermediate double mass layer
- RF front-end location.
Jedes Speisenetzwerk weist entsprechend Ausführungsbeispielen eine Sektion für die einzelnen der mindestens vier Elemente der Strahleranordnung auf. Zur breitbandigen Anpassung kann entsprechend Ausführungsbeispielen je Speisepunkt (je strahlendes Element) eine Stichleitung oder gegenüber Masse kurzgeschlossene Stichleitung vorgesehen sein. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Speisenetzwerk auch zumindest eines der folgenden Elemente umfassen: Leistungstranformator, Wilkinson-Koppler und/oder Verzögerungsleitung.According to exemplary embodiments, each feed network has a section for the individual of the at least four elements of the radiator arrangement. For broadband adaptation, a spur line or spur line short-circuited to ground can be provided for each feed point (per radiating element) according to exemplary embodiments. According to exemplary embodiments, the feed network can also comprise at least one of the following elements: power transformer, Wilkinson coupler and / or delay line.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine GNSS-Antenne mit einem Gehäuse und einer entsprechenden Antennenvorrichtung. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist diese GNSS-Antenne rund und hat einen maximalen Durchmesser von 90 mm.Another embodiment provides a GNSS antenna with a housing and a corresponding antenna device. According to exemplary embodiments, this GNSS antenna is round and has a maximum diameter of 90 mm.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung der GNSS-Signale im L-Band;
- Fig. 2 und 3
- schematische Darstellungen von Stand der Technik-Sensoren;
- Fig. 4
- schematische Darstellung eines typischen Antennenelements für dualbandige GPS-Antennen in Form einer zirkularpolarisierten Stacked Patch-Antenne (vgl. [4]);
- Fig. 5a und 5b
- eine quadratische und eine runde zirkularpolarisierte Patch-Antenne (vgl. [5], [6] und [7]) mit Kreuzschlitz und seriellem Speisenetzwerk;
- Fig. 6a bis 6c
- schematische Darstellungen einer typischen Topologie eines Speisenetzwerks einer breitbandigen zirkularpolarisierten Antenne (vgl. [8]) zur Illustration der Miniaturisierbarkeit gemäß Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7a
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
- Fig. 7b
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7c und 7d
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einem Gehäuse (GNSS-Antenne) in der Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7e und 7f
- schematische Darstellungen zur Illustration des Speisenetzwerks zur Illustration von optionalen Aspekten gemäß Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7g
- eine schematische Darstellung einer weiteren Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
- Fig. 8A und 8b
- schematische Diagramme zur Illustration des passiven Antennengewinns in dBic für einen ersten Frequenzbereich in
Fig. 8a und einen zweiten Frequenzbereich inFig. 8b zur Illustration der Effizienz der GNSS-Antenne ausFig. 7c ,d.
- Fig. 1
- a schematic representation of the GNSS signals in the L-band;
- 2 and 3
- schematic representations of prior art sensors;
- Fig. 4
- schematic representation of a typical antenna element for dual-band GPS antennas in the form of a circularly polarized stacked patch antenna (cf. [4]);
- 5a and 5b
- a square and a circular circular-polarized patch antenna (cf. [5], [6] and [7]) with a cross slot and serial feed network;
- 6a to 6c
- schematic representations of a typical topology of a feed network of a broadband circularly polarized antenna (cf. [8]) to illustrate the miniaturizability according to exemplary embodiments;
- Fig. 7a
- a schematic representation of an antenna device according to a basic embodiment;
- Fig. 7b
- a schematic representation of an antenna device according to extended embodiments;
- 7c and 7d
- a schematic representation of an antenna device in a housing (GNSS antenna) in side view and in a sectional view according to extended embodiments;
- 7e and 7f
- schematic representations to illustrate the dining network to illustrate optional aspects according to embodiments;
- Fig. 7g
- a schematic representation of a further antenna device according to a further embodiment; and
- 8A and 8b
- schematic diagrams to illustrate the passive antenna gain in dBic for a first frequency range in
Fig. 8a and a second frequency range inFig. 8b to illustrate the efficiency of the GNSS antennaFig. 7c , d.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.Before the following embodiments of the present invention with reference to the accompanying Explained in the drawing, it should be pointed out that elements and structures having the same effect are provided with the same reference numerals, so that the description of which can be used or is interchangeable.
Bei nachfolgender Diskussion wird das Basisausführungsbeispiel anhand von
Bezug nehmend auf
Die Strahleranordnung 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier einzelne Elemente 12a bis 12d (wobei 12d durch eine optionale Komponente verdeckt ist). Die vier Elemente 12a bis 12c, sind jeweils beispielsweise halbkreisförmige Elemente, die zu einem Quadranten angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Elemente 12a bis 12d durch 90°Kreissegmente geformt, so dass sich ein zweifach spiegelsymmetrischer und eindimensional punktsymmetrischer Aufbau einstellt. Alle Elemente 12a bis 12d sind in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der oberen Ebene angeordnet. Alle in den vier Quadranten angeordneten Strahlerelemente 12a bis 12d sind durch Spalte 12s getrennt. Diese können ausgehend von den 90°-Kreissegmenten eine konstante Dicke von 1 bis 3 mm aufweisen, wobei selbstverständlich aber auch jede beliebige andere Form mit variablem Querschnitt denkbar wäre.In this exemplary embodiment, the
Jedes Strahlerelement 12a bis 12c ist über einen eigenen Speisepunkt mit dem zugehörigen Speisepunkt des Speisenetzwerks 14 verbunden. Die Speisepunkte zugehörig zu den Strahlern 12a bis 12d sind mit dem Bezugszeichen 12as, 12bs, 12cs und 12ds kenntlich gemacht. In diesem Ausführungsbeispiel sind diese Speisepunkte 12as bis 12ds durch Fußelemte bzw. Nasen bzw. gefalzte Nasen geformt, die an der Kreislinie angeordnet sind. Diese Nasen sind nach unten gefalzt (d.h. erstrecken sich aus der oberen Ebene heraus in Richtung der unteren Ebene und ermöglichen so eine Verbindung zu den zugehörigen Speisepunkten 14as bis 14ds. Bezüglich der Speisepunkte ist es wichtig zu erwähnen, dass es sich hier um eine so genannte zentrale Einspeisung handelt, die also, wenn man sich das jeweilige Kreissegment anschaut, mittig in Bezug auf den Winkel angreift. Im Allgemeinen ist die jeweilige Nase 12as bis 14ds in einem mittleren Winkelbereich angeordnet. Dieser mittlere Winkelbereich ist hier mit dem Bezugszeichen β kenntlich gemacht und entspricht im Wesentlichen den mittleren Teilkreissegment, wenn man das einzelne Kreissegment in drei gleich große Kreissegmente untergliedert. Innerhalb dieses Bereiches kann der Speisepunkt beliebig angeordnet sein. An dieser Stelle sei aber auch darauf hingewiesen, dass eine bevorzugte Anbringung möglichst zentral, d. h. auf der Winkelhalbierenden des 90°-Kreissegments (oder eines anderswinkligen Kreissegments) vorzusehen ist, während auch eine Anordnung möglichst im Bereich der Randlinie (vgl. Kreislinie) zu bevorzugen wäre.Each
Bei der hier dargestellten Variante aus
In diesen Figuren ist auch ein weiteres optionales Merkmal, nämlich elektrischer Anschluss für die gesamte Antennenvorrichtung vorgesehen. Diese ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen und ragt auf der Unterseite des Bodens 18g hinaus. Der Stecker 20 ragt durch den Boden 18g hindurch und kontaktiert von unten die Leiterplatte, die das Speisenetzwerk 14 beherbergt. Dadurch, dass der Stecker 20 an der Unterseite hinausragt, kann von unten die Antennenvorrichtung kontaktiert werden und gleichzeitig das Kabel bei der Befestigung der Antennenvorrichtung versenkt werden. Bei dem hier dargestellten Stecker kann es sich beispielsweise um einen F-Stecker oder einen ähnlichen Stecker handeln.Another optional feature, namely electrical connection for the entire antenna device, is also provided in these figures. This is provided with the
An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die Dicke der Grundplatte 18g es ermöglicht, dass Bauteile, wie z. B. Filter oder ähnliches auf der Leiterplatte vorgesehen sein können.At this point it should also be noted that the thickness of the
Die Einbettung der Leiterplatte, die das Speisenetzwerk 14 beherbergt, ist in
Die Leiterplatte 14l mit dem Schaltnetzwerk 14 ist rund und kann grob in vier Sektoren/Kreissegmente untergliedert werden, wie anhand der gestrichelten Linien dargestellt ist. Jeder Sektor umfasst einen Teil des Speisenetzwerks, der einem der vier Elemente zugeordnet ist.The printed circuit board 14l with the
Folglich ist in jedem Sektor ein Speisepunkt 14as bis 14ad vorgesehen. Wie anhand von
Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst das Speisenetzwerk 14, insbesondere in der zentralen Sektion 14z auch noch weitere Komponenten, die hier in der Speisenetzwerklage implementiert sind, wie zum Beispiel einen 180°-Hybriden, einen oder mehrere Wilkinson-Koppler und/oder Leitungstransformator.In accordance with exemplary embodiments, the
Das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 kann als herkömmliches Speisenetzwerk (vgl.
Zusätzlich ist in einem weiteren zentralen Bereich 14n ein Freibereich vorgesehen, in welchem die Lage des Speisenetzwerks mit dem Antennenanschluss verbunden werden kann. Dieser Antennenanschluss ist, wie in
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 auf einer mehrlagigen Platine ausgeführt, die z. B. in einer obersten Lage (Lage zugewandt den strahlenden Elementen 12) das Speisenetzwerk beherbergt, während in einer unteren Lage das RF-Frontend mit Filtern, LNAs oder anderen Elektronikkomponenten implementiert ist. Wie bereits oben erläutert, ist das Verwenden dieser untersten Lage deshalb vorteilhaft, da so diese Komponenten im Gehäuseboden 18g untergebracht und dadurch abgeschirmt werden können. Entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen ist zwischen dieser RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage eine zusätzliche Masselage vorgesehen, gegenüber der beispielsweise der Kurzschluss der Stichleitung 15sd (vgl. 15sdk) gebunden sein kann. Entsprechend zusätzlichem Ausführungsbeispiel können auch zwei Masselagen vorgesehen sein, die herstellungstechnisch einfach zu realisieren sind, wenn man von zwei gestapelten Leiterplatten ausgeht. Darüber hinaus bietet diese doppelte Masselage zwischen der RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage auch schirmungstechnische Vorteile.According to exemplary embodiments, the
Bei den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der Speisepunkt je Strahlerelement zentral angeordnet ist, z. B. am äußeren Ende des Kreissegments. Es wäre selbstverständlich auch eine mittige Anordnung, z. B. im Teilkreissegment β möglich, die herstellungstechnisch durch ein aufgesetztes Via oder ein andersartig gelötetes Bein realisiert sein kann.In the exemplary embodiments, it was assumed that the feed point per radiator element is arranged centrally, for. B. at the outer end of the circle segment. It would of course also be a central arrangement, e.g. B. in the pitch circle segment β possible, which can be realized in terms of production technology by an attached via or a differently soldered leg.
In beiden relevanten Bändern bzw. Bereichen des L-Bandes bildet sich ein symmetrischer Empfangsgewinn aus, der je nach Winkel im Regelfall bei 0 bis +5 dBiC liegt, zumindest bei -60 bis +60°. Im Detail, beträgt der Antennengewinn im freien Raum (ohne Groundplane) im unteren Frequenzbereich -3,5 dBic bei 10° Elevation und +2,5 dBic im Zenit; im oberen Frequenzbereich liegen die Werte zwischen -3,5 und +5 dBic. Die Kreuzpolarisationsunterdrückung ist im gesamten Frequenzbereich besser als 15,5 dB (AR≤3 dB).In both relevant bands or areas of the L-band, a symmetrical reception gain is formed which, depending on the angle, is generally between 0 and +5 dBiC, at least between -60 and + 60 °. In detail, the antenna gain in free space (without ground plane) in the lower frequency range is -3.5 dBic at 10 ° elevation and +2.5 dBic in the zenith; in the upper frequency range the values are between -3.5 and +5 dBic. The cross polarization suppression is better than 15.5 dB (AR≤3 dB) in the entire frequency range.
Der Zusammenhang ist auch noch einmal durch nachfolgende Tabelle dargestellt:
Wie bei obiger Tabelle ersichtlich wird, sind derartige Antennen insbesondere in Bezug auf ihren Durchmesser (<100 oder < 90 mm) begrenzt.As can be seen from the table above, such antennas are particularly limited in terms of their diameter (<100 or <90 mm).
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass die Antennenanordnung im Wesentlichen ein kreisförmiges Segment mit vier 90°-Segmenten ausbildet, so sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Segmente auch < (z.B. 75°) oder allgemein im Bereich von 30 bis 90° betragen können, wobei dann entweder zusätzliche Elemente vorgesehen sind oder die Spalten 12s größer dimensioniert sind. Weiter sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen es auch nicht notwendig ist, dass jedes Element einen Halbkreis beschreibt, so dass die Kreislinie auch durch eine einfache geradlinige Begrenzungslinie gebildet sein kann, so dass jedes der vier Elemente also durch ein Dreieck geformt ist. Auch wäre eine eckige Begrenzungslinie im Sinne eines Polygons denkbar. Im Allgemeinen sei darauf hingewiesen, dass jede Freiform möglich wäre.Even if it was assumed in the above exemplary embodiments that the antenna arrangement essentially forms a circular segment with four 90 ° segments, it should be noted at this point that the segments are also <(for example 75 °) or generally in the range from 30 to 90 ° can be, in which case either additional elements are provided or the
Bezüglich der dreidimensionalen Ausbildung sei angemerkt, dass, wie insbesondere anhand von
Wie bereits oben erläutert, kann das Speisenetzwerk 14 auf einer einlagigen oder mehrlagigen Leiterplatte implementiert sein oder einen diskreten Aufbau (vgl.
Auch wenn bei obigen Beispielen davon ausgegangen wurde, dass der dielektrische Körper 16k als Element vorliegt, auf den beispielsweise die strahlenden Elemente 12a bis 12d als Folien aufgebracht sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass diese selbstverständlich auch durch einen Kunststoffkäfig oder ähnliches geformt sein kann, um die gewünschten dielektrischen Eigenschaften zu erreichen. Auch wäre eine Perforierung des Körpers denkbar. Alternativ könnte das gesamte Gehäuse beim Verschließen vergossen werden, so dass der Körper später ausgebildet wird. Mögliche Materialien für diesen Träger sind Keramik, PTFE oder anderen nicht leitende Polymere bzw. allgemein nicht leitende Elemente.Even if it was assumed in the above examples that the dielectric body 16k is present as an element to which, for example, the radiating
Bezüglich der Materialien für die Strahlenelemente sei angemerkt, dass hier sich jegliche Bleche, wie z. B. Weißbleche (vorzugsweise lötbar) oder auch Metallfolien eignen.With regard to the materials for the radiation elements, it should be noted that any sheet metal, such as. B. tinplate (preferably solderable) or metal foils.
Oben erläuterte Antennenvorrichtungen eignen sich für einen möglichen Einsatz in militärischen und BOS-Fahrzeugen (ggf. leicht modifiziert), welche in naher Zukunft mit PRS-Modulen ausgestattet werden sollen.Antenna devices explained above are suitable for possible use in military and BOS vehicles (possibly slightly modified), which are to be equipped with PRS modules in the near future.
Darüber hinaus umfasst das technische Anwendungsgebiet der Erfindung Positionierung und Vermessung in Land- und Forstwirtschaft, Katastervermessung, Fahrzeug- und Maschinensteuerungen in Bau- und Landwirtschaft, GNSS-Überwachungssysteme, Luft- und Raumfahrtanwendungen.In addition, the technical field of application of the invention includes positioning and surveying in agriculture and forestry, cadastral surveying, vehicle and machine controls in construction and agriculture, GNSS monitoring systems, aerospace applications.
Nachfolgend werden weitere Aspekte erläutert. Ein Aspekt betrifft eine Antennenvorrichtung mit einem mittig platzierten Strahler, der entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel auf einem dielektrischen Träger, wie z. B. einer Polyimidfolie aufgebracht sein kann. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist dessen Metallisierung in vier gleiche Elemente geteilt, z. B. durch ein kreuzförmiges Prisma. Entsprechend einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel weist jede Metallisierung einen eigenen Speisepunkt auf, der mithilfe eines Leitungstransformators und mindestens einer kurzgeschlossenen Stichleitung breitbandig angepasst ist. Insbesondere durch die kurzgeschlossene Stichleitung wird ein integrierter Schutz vor statischer Aufladung gebildet. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann allerdings anstatt dieser kurzgeschlossenen Stichleitung bzw. additiv zu dieser kurzgeschlossenen Stichleitung jeweils ein Leitungstransformer und mindestens der laufenden Stichleitung mit mindestens einer Parallelinduktivität vorgesehen sein, der auch einen integrierten Schutz ermöglicht.Further aspects are explained below. One aspect relates to an antenna device with a centrally placed radiator, which according to a further embodiment on a dielectric carrier, such as. B. a polyimide film can be applied. According to exemplary embodiments, its metallization is divided into four equal elements, e.g. B. by a cross-shaped prism. According to an additional exemplary embodiment, each metallization has its own feed point, which is broadband-adapted using a line transformer and at least one short-circuited stub line. The short-circuited stub line in particular forms an integrated protection against static charge. According to further exemplary embodiments, however, instead of this short-circuited stub line or in addition to this short-circuited stub line, a line transformer and at least the current stub line with at least one parallel inductor can be provided, which also enables integrated protection.
Wie oben bereits erläutert ist der dielektrische Träger optional, wobei eben diese dielektrische Füllung zwischen Strahler und einer unter dem Strahler angeordneten Leiterplatte für erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) dient. Entsprechend einem Aspekt ist die Leiterplatte mehrlagig ausgeführt, wobei beispielsweise auf der Oberseite ein Speisenetzwerk und auf der Unterseite ein RF-Frontend (z.B. umfassend Filter, LNAs, usw.) vorgesehen sein kann. Zwischen diesen zwei Lagen können ein oder mehrere Innenlagen vorgesehen sein, die Masse bilden.As already explained above, the dielectric carrier is optional, with this dielectric filling between the radiator and a circuit board arranged under the radiator serving for increased mechanical stability (kick protection). According to one aspect, the printed circuit board is made of multiple layers, for example a feed network on the top and an RF front end (e.g. comprising filters, LNAs, etc.) on the bottom. One or more inner layers can be provided between these two layers, forming the mass.
Diese Merkmale ermöglichen vorteilhafterweise, dass ausgehend vom begrenzten Bauraum, beispielsweise 89 x 25 mm oder allgemein < 90 mm Durchmesser und < 30 mm Höhe, eine breitbandige GNSS-Antenne realisiert werden kann.These features advantageously enable a broadband GNSS antenna to be implemented starting from the limited installation space, for example 89 x 25 mm or generally <90 mm in diameter and <30 mm in height.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird also eine GNSS-Antenne mit obiger Antennenvorrichtung und einem entsprechenden Gehäuse geschaffen.According to exemplary embodiments, a GNSS antenna with the above antenna device and a corresponding housing is thus created.
-
[1]
K. Fletcher (ed.), "GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms", ESA Communications, ESA TM-23/1, May 2013 K. Fletcher (ed.), "GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms", ESA Communications, ESA TM-23/1, May 2013 - [2]Sensor Systems: Datenblatt S67-1575-86[2] Sensor Systems: Data sheet S67-1575-86
- [3]AntCom: Datenblatt G5Ant-3A4T1-SS[3] AntCom: Data sheet G5Ant-3A4T1-SS
-
[4]
B. Rama Rao et al "Compact Co-Planar Dual-Band Microstrip Patch Antennas for Modernized GPS", https://www.mitre.org/publications/technical-papers/compact-coplanardualband-microstrip-patch-antennas-for-modernized-gps B. Rama Rao et al "Compact Co-Planar Dual-Band Microstrip Patch Antennas for Modernized GPS", https://www.mitre.org/publications/technical-papers/compact-coplanardualband-microstrip-patch-antennas-for- modernized-gps -
[5]
Xi Chen et al "High-Efficiency Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna With Wide Beamwidth for Airborne Communication", IEEE Antennas and Wireless Propag. Letters, vol. 15, 2016 Xi Chen et al "High-Efficiency Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna With Wide Beamwidth for Airborne Communication", IEEE Antennas and Wireless Propag. Letters, vol. 15, 2016 -
[6]
Xi Chen et al "Low-cost 3D Printed Compact Circularly Polarized Antenna with High Efficiency and Wide Beamwidth", In Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) 2016 Xi Chen et al "Low-cost 3D Printed Compact Circularly Polarized Antenna with High Efficiency and Wide Beamwidth", In Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) 2016 -
[7]
CN 105811099 A CN 105811099 A -
[8]
A. Popugaev "Miniaturisierte Mikrostreifenleitungs-Schaltungen bestehend aus zusammengesetzten Viertelkreisringen" Promotionsschrift, N&H Verlag, Erlangen, 2014 A. Popugaev "Miniaturized microstrip circuits consisting of composite quarter-circle rings" PhD thesis, N&H Verlag, Erlangen, 2014
Claims (15)
einer Strahleranordnung (12, 12") in einer in Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) oberen Ebene; und
einem in einer in der Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) unteren Ebene angeordneten Speisenetzwerk (14, 14");
wobei die Strahleranordnung (12, 12") zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) umfasst, die durch Spalten (12s) voneinander beabstandet in der oberen Ebene zu einer Quadrantenstruktur angeordnet sind, wobei jedes der vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) zumindest in einem zentralen Winkelbereich (β) ein sich aus der oberen Ebene in Richtung der unteren Ebene erstreckendes Fußelement umfasst, das einen Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) formt, über den jedes Element mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks (14as, 14bs, 14cs, 14ds) verbunden ist.Antenna device (10, 10 ', 10 ") with the following features
a radiator arrangement (12, 12 ") in an upper plane in the radiation / reception direction (12r); and
a feed network (14, 14 ") arranged in a lower plane in the radiation / reception direction (12r);
the radiator arrangement (12, 12 ") comprising at least four elements (12a, 12b, 12c, 12d) which are arranged at a distance from one another by columns (12s) in the upper plane to form a quadrant structure, each of the four elements (12a, 12b , 12c, 12d) comprises, at least in a central angular range (β), a foot element which extends from the upper level in the direction of the lower level and forms a feed point (12as, 12bs, 12cs, 12ds) over which each element has a corresponding feed point of the feed network (14as, 14bs, 14cs, 14ds) is connected.
wobei jedes der zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) durch Kreissegmente geformt ist und das Fußelement oder der der Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) entlang des halben Winkels des Kreissegments angeordnet ist.Antenna device (10, 10 ', 10 ") according to one of the preceding claims, wherein the at least four elements (12a, 12b, 12c, 12d) are formed by circular segments which can each be subdivided into three equal circular segment segments, the middle of the three Partial circle segments includes the central angular range (β); or
wherein each of the at least four elements (12a, 12b, 12c, 12d) is formed by circular segments and the base element or the feed point (12as, 12bs, 12cs, 12ds) is arranged along half the angle of the circular segment.
wobei die mehrlagige Anordnung eine Speisenetzwerklage und eine RF-Frontendlage mit einer dazwischenliegenden Doppelmasselage umfasst.Antenna device (10, 10 ', 10 ") according to claim 10, wherein the multi-layer circuit board arrangement comprises a feed network layer and an RF front end layer with an intermediate ground layer, or
the multilayer arrangement comprising a feed network layer and an RF front-end layer with an intermediate double mass layer.
wobei das Speisenetzwerk (14, 14") je Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) zumindest eines der Elemente aus der Gruppe umfassend einen Leitungstransformator (15lt), einen Wilkinson-Koppler und eine Verzögerungsleitung umfasst.Antenna device (10, 10 ', 10 ") according to one of the preceding claims, wherein the feed network (14, 14") comprises at least one of the elements from the group comprising a line transformer (15lt), a Wilkinson coupler and a delay line, or
the feed network (14, 14 ") per feed point (12as, 12bs, 12cs, 12ds) comprising at least one of the elements from the group comprising a line transformer (15lt), a Wilkinson coupler and a delay line.
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Also Published As
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