EP3747085A1 - Antennenvorrichtung - Google Patents

Antennenvorrichtung

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Publication number
EP3747085A1
EP3747085A1 EP19702882.2A EP19702882A EP3747085A1 EP 3747085 A1 EP3747085 A1 EP 3747085A1 EP 19702882 A EP19702882 A EP 19702882A EP 3747085 A1 EP3747085 A1 EP 3747085A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna device
ground surface
cover element
radiator
foot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19702882.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Popugaev
Rainer Wansch
Mengistu TESSEMA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3747085A1 publication Critical patent/EP3747085A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
    • 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
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an antenna device, a satellite antenna, and a method of manufacturing an antenna device.
  • Preferred embodiments relate to an antenna for GNSS systems.
  • GNSS receivers which receives all the L-band signals of the four global navigation satellite systems GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou / Kompass whose frequency range is shown in FIG. 3c, and with all the usual ones, serves as an example GNSS receivers is compatible.
  • a good compromise between effective multipath suppression and the ability to receive signals from deep satellites is a 10 dB beam width of approximately 180 ° for most GNSS applications.
  • the values obtained with this design are between 150 ° and 180 ° [3],
  • the antenna efficiency h is of interest, because this is decisive for the achievable signal-to-noise power density ratio C / N0.
  • copolar component RHCP, right-handed circular polarization
  • directivity D also referred to as directivity
  • gain G with an ideal amplitude and phase occupation (equal amplitudes and phase progression 0 ° , -90 °, -180 °, -270 °) and a very good Impedance matching of the four connections (VSWR ⁇ 1, 5: 1, losses due to mismatch negligible, eg ⁇ 0.2 dB).
  • Fig. 3d shows directional diagrams (vertical section, RHCP of the GNSS antenna according to Fig. 3a without feed network (ideal amplitude and phase assignment, VSWR ⁇ 1, 5: 1), this results in a gain, which is characterized by the solid line and directivity indicated by the dotted line in dBiC.
  • the results shown in Fig. 3d are exemplary of the highest (1.61 GHz) and lowest (1.16 GHz) frequency of the GNSS frequency plan of Fig. 3C 3c There are losses of about 2 dB, which could not be reduced until now, which is why there is a need for an improved approach.
  • the object of the present invention is to provide an antenna device which offers an improved compromise between simplicity, robustness and, above all, low production outlay with higher efficiency.
  • Embodiments of the present invention provide an antenna device having a ground plane and a surface radiator.
  • the surface radiator is designed in two parts and comprises a foot element and a cover element.
  • the foot element has a base area, z. B. a planar portion) and at least four folded portions (four folded wall portions or corners) over which the foot member is supported against the ground surface.
  • the lid member is coupled to the base area so that the lid member is spaced from the ground plane.
  • Embodiments of the present invention is based on the finding that the concept of FIGS. 3a and 3b can be further improved by a two-part surface radiator in terms of its efficiency, if an additional cover element is provided, so that the surface radiator forms a "mushroom shape" Area radiators created by broadband customizable radiator elements and in particular simple construction, robustness and, above all, low production costs.
  • the surface radiator or in particular the foot of the surface radiator by a plan polygonal or flat square shape, such.
  • a plan polygonal or flat square shape such.
  • the folded-over areas are thus formed by the (four) folded corners.
  • the cover element for example formed by a metal sheet
  • the surface radiator has at least four axes of symmetry that run parallel to the ground plane.
  • the cover element can also have a plan polygonal or flat-square or even a round shape.
  • the cover element projects beyond the base surface in a lateral view.
  • the region of the cover element projecting beyond the base surface region can be bent toward the ground surface or alternatively also away from it.
  • All of the above-explained variants can be realized as a starting product by simple polygonal or round plates, generally symmetrical plates (with at least two or four axes of symmetry), which form the surface radiator simply by bending over and joining together. This variant is inexpensive to produce and at the same time offers very good radiation properties, such. B. a higher antenna efficiency.
  • the ground plane can be made round or polygonal, wherein according to preferred embodiments, the surface radiator is arranged centrally on the ground surface.
  • the antenna device may comprise a plurality of parasitic elements, such as e.g. B. from the ground surface protruding rods or bent parts, which are arranged around the surface radiator (for example, radially symmetrical or annular). These parasitic elements are permanently short-circuited with the electrical ground. closed.
  • the height of these parasitic elements it should be noted that these correspondingly preferred exemplary embodiments project beyond the area radiator, but also have an equally high or lower height in comparison to the area radiator in accordance with further exemplary embodiments. For example, these parasitic elements serve for club shaping.
  • a square sheet is well suited for molding the foot member.
  • the four folded corners of the quadrangular foot element can form the four feed points.
  • a corresponding feed network with associated circuit and / or also with a special conductor track guide, namely a meander-shaped conductor track guide, can be formed.
  • An embodiment includes a satellite antenna for receiving electromagnetic radiation, e.g. B. for GNSS signals.
  • Another embodiment comprises a method for producing the device explained above.
  • This method comprises in each case three basic steps of "providing a ground surface”, “edging the folded-over areas of the foot element relative to the base area to form the foot element” and “arranging the cover element” with respect to the ground area by means of the foot element, so that the lid member is spaced from the ground plane.
  • these production technologies used here are simple forming techniques, so that as a result, a cost-effective production can be achieved.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further antenna device according to an extended exemplary embodiment
  • FIG. and Fig. 3a-d are schematic representations illustrating the state of the art.
  • FIG. 1 a shows an antenna device 10 in a three-dimensional view from above, while FIG. 1 b illustrates the same antenna device 10 in a three-dimensional representation from below.
  • the antenna device 10 comprises a ground surface 12 and a surface radiator 14.
  • This surface radiator 14 is designed in two parts and comprises the base element 14a and the cover element 14b.
  • the antenna device 10 shown here also has optional parasitic rod-shaped elements 16 that protrude from the ground plane 12 and surround the area radiator 14.
  • the ground plane 12 is an example, planar element with a round or alternatively polygonal (square, hexagonal or polygonal) shape.
  • the round or polygonal ground surface 12 may optionally include a z. B. arranged on the bottom feed network 12s have (see Fig. 1 b), which is comparable to the feed network of Fig. 3b.
  • the mass surface is greater in terms of its longitudinal extent than the surface radiator 14, which is arranged centrally according to a preferred embodiment. In the variant shown here, it is a round ground surface 12, so that the surface radiator 14 is thus arranged in the region of the center point.
  • the surface radiator 14 is designed in two parts and comprises the base element 14a and the cover element 14b. Both elements can be formed by sheets or folded metal sheets according to a preferred variant.
  • Umfalzung arise in the foot member 14a two areas, namely the folded portion 14au and the basic area 14ag.
  • the foot member 14 is formed in this embodiment by a quadrangular plate (flat square shape), in which all four corners (edge portions 14au) are folded over in the same manner.
  • the same way means that both are folded over in the same direction by the same angle, such as for example 90 °, and the folded-over triangles also have identical side lengths. point.
  • the base 14ag parallel to the ground surface 12. Due to the folded edges of the areas 14au results for the base 14ag a square or even for example a octagonal shape, depending on how large the folded areas 14au compared to the base area 14ag are.
  • the three-dimensional base element 14a has a symmetrical shape with four axes of symmetry which runs parallel to the base surface 14ag or parallel to the ground surface 12.
  • the cover element 14b is arranged on the base surface 14ag, ie it is either placed directly on it or slightly spaced therefrom, so that the distance between the cover element 14b and the mass element 12 is essentially defined by the foot element 14a.
  • the lid member 14b may also be a polygonal, such. As a flat square shape or, as shown here, have a round shape.
  • the cover element 14b also projects beyond the area defined by the base area 14b.
  • these protruding regions 14 br are semicircular elements. Assuming that the cover member 14b rests on or is disposed above the foot member, it is substantially parallel to the ground surface 12. This is particularly true when, as shown here, the lid member 14b is a flat cover member (here a disc-shaped).
  • the entire area radiator 14 which may be formed from metal sheets or other conductive elements and is therefore also referred to as a sheet metal radiator, it should be noted that this as a whole may also have at least four axes of symmetry which extend in a plane parallel to the ground surface 12.
  • the antenna device 10 shown here optionally includes a plurality of electrically conductive parasitic elements 16 (eg, bars or strips) disposed on the ground plane 12 radially symmetric about the radiator.
  • the parasitic elements 16 shown here are e.g. realized by laser bending parts or stamped and bent parts. The height of these parasitic elements exceeds the height of the sheet metal radiator 14 in this embodiment.
  • the new antenna device 10 Compared to similar antenna devices known in the art (see Fig. 3a), the new antenna device 10 has a higher efficiency. Of the way In addition, with this antenna device 10, a 10 dB beam width of approximately 180 ° was achieved in a larger frequency range, ie at least in the entire GNSS frequency range in the L band.
  • FIG. 1c which show a vertical section in the RHCP mode for the new GNSS antenna 10. Ideal amplitude and phase assignment, VSWR ⁇ 1.5: 1, is assumed. The profit is marked by the solid line, the directivity by the dotted line, because all values are given in dBic.
  • the comparison with the directional diagrams of Fig. 3d suggests the improved characteristics.
  • the new antenna concept 10 allows a higher accuracy, availability and reliability of the position determination, in particular for the geodetic application.
  • the feed network 12s is electrically coupled to the area radiator 14 via the four connection points 12v, at which the foot element 14, or, to be exact, the recessed area 14a is connected to the ground plane 12.
  • ground plane 12 which is preferably planar, wherein feed substrate or, generally the antenna as explained above, may comprise the feed network 12s.
  • the foot element 14a is fastened to this ground surface either before or after connection thereof with the cover element 14b via the connection points 12, so that an additionally electrically conductive element (with or preferably without clearance) is provided above the radiation element 14a.
  • the attachment of the cover element 14b with respect to the foot element 14a is preferably carried out such that the cover element 14b preferably protrudes beyond the edge of the lower foot element 14a.
  • the step of the Umfalze ns of the foot member 14a may be provided before the step of attaching also the step of the Umfalze ns of the foot member 14a may be provided before the step of attaching also the step of the Umfalze ns of the foot member 14a may be provided.
  • the method comprises the step of producing, for. B. by bending out of the ground plane 12 and generally arranging a plurality of electrically conductive parasitic elements, such as. For example, eight or more. The arrangement is made so that they are galvanically connected to the ground plane 12.
  • a plurality of electrically conductive parasitic elements such as. For example, eight or more. The arrangement is made so that they are galvanically connected to the ground plane 12.
  • FIG. 2 shows an antenna device 10 'with a ground plane 12, which is likewise round here, and a surface radiator 14' arranged centrally on the ground plane 12.
  • This comprises the foot element 14a 'and the cover element 14b'.
  • the foot member 14a ' is similar to the foot member 14a and also connected via the four folded corners 14au' at the connection points of the ground surface 12, which are identified by the reference numeral 12v '.
  • the cover element 14b 1 is formed in this embodiment as a polygonal element, because the protruding portions 14bu 'are bent in the direction of the ground surface 12.
  • the four protruding areas 14bu ' have a tear-shape and are about 45 ° to the ground plane 12 bowed and at this point it should be noted that other angles, such.
  • the bent elements 14bu' are trapezoidal. Also semicircular or triangular or rectangular elements would be conceivable.
  • the base surface 14bg 'of the lid 14b' rests on the base of the foot member 14a ', so that the base 14bg' as well as the base of the foot 14a 'form the same shape, here a rectangular shape.
  • the bending edges for the bendable regions 14bu ' run corresponding to exemplary embodiments substantially parallel or even substantially congruent to the bending edges of the foot element 14a 1 between the base surface and the folded-over region 14au'.
  • the parasitic elements are not formed as punch-bent or laser-bent elements, but by vertically protruding parasitic elements, here vertical bars 16 '(for example, 12').
  • the technical field of application of the invention corresponds to that of the antenna device in [2] and thus includes positioning and surveying in agriculture and forestry, cadastral surveying, vehicle and machine controls in construction and land use.
  • both the planar shape of the ground plane, the basic shape of the foot element and the basic shape of the cover element can vary according to further exemplary embodiments, wherein these three elements can behave equally or behave differently (ie the combination circular shape with polygonal shape , like square shape with round sheet metal as starting elements).
  • all folded-over regions are regions which have been folded over by 90 °. Also, these folded areas may vary.
  • each of the folded portions of the foot elements has a tip, via which a coupling to the mass element takes place, it should be noted at this point that other shapes would be possible.
  • Another embodiment relates to a system having a feed network and an antenna device.
  • An additional embodiment relates to the use of the antenna device as a satellite transmitting and receiving unit.
  • a further embodiment relates to a production method, wherein it should be noted at this point that descriptions of elements or components also represent a corresponding description of the associated method step.

Landscapes

  • Details Of Aerials (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Eine Antennenvorrichtung umfasst zumindest eine Massefläche sowie einen Flächenstrahler. Der Flächenstrahler weist ein Fußelement und ein Deckelelement auf, wobei das Fußelement einen Grundflächenbereich von zumindest vier umgekanteten Bereichen umfasst, über welche das Fußelement gegenüber der Massefläche abgestützt wird und wobei das Deckelelement mit dem Grundbereich gekoppelt ist, so dass dieses von der Massefläche beabstandet ist.

Description

Antennenvorrichtung
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenvor- richtung, eine Satellitenantenne sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer Antennenvorrichtung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Antenne für GNSS- Systeme.
Viele Anwendungen in den Bereichen Positionsbestimmung, Vermessung und Navigation mit Hilfe von globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) benötigen Antennen, die ein möglichst hohes Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis (C/NO, Maß für die Empfangssignalqualität) ermöglichen und ausreichende Mehrwegeunterdrückung sowie mög- lichst geringe Phasenzentrumsvariationen aufweisen. Die technologische Herausforde- rung besteht darin, eine Lösung zu finden, die nicht nur sämtliche Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllt, sondern auch möglichst kostengünstig realisierbar ist. In der DE 2007/004612 B4 wird ein Antennenkonzept beschrieben, das obige Anforderungen bis zu einem gewissen Grad erfüllt (vgl. [2]). In diesem Zusammenhang sei auch auf den Stand der Technik [4] verwiesen. Als Beispiel dient die in Fig. 3a und 3b dargestellte Antenne, welche alle L-Band-Signale der vier globalen Satellitennavigationssyste- me GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou/Kompass, deren Frequenzbereich in Fig. 3c dargestellt ist, empfängt und mit allen üblichen GNSS-Empfängern kompatibel ist.
Als guter Kompromiss zwischen einer effektiven Mehrwegeunterdrückung und der Fähig- keit, Signale von tief stehenden Satelliten zu empfangen gilt für die meisten GNSS- Anwendungen eine 10-dB-Keulenbreite von ca. 180°. Die mit diesem Design erzielten Werte liegen zwischen 150° und 180° [3],
Zusätzlich ist der Antennenwirkungsgrad h von Interesse, denn dieser ist maßgebend für das erzielbare Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis C/N0. Um alle Nichtidealitäten des Vier-Punkt-Speisenetzwerks auszuschließen, werden im Folgenden für die kopolare Komponente (RHCP, rechtshändig zirkulare Polarisation) Direktivität D (auch als Richtfaktor bezeichnet) und Gewinn G bei einer idealen Amplituden- und Phasenbelegung (gleiche Amplituden und Phasenprogression 0°, -90°, -180°, -270°) sowie einer sehr guten Impedanzanpassung der vier Anschlüsse (VSWR< 1 ,5:1 , Verluste wegen Fehlanpassung vernachlässigbar, z.B. <0,2 dB) analysiert.
Es gilt (im linearen Maßstab):
G = r|D.
Fig. 3d zeigt Richtdiagramme (vertikaler Schnitt, RHCP der GNSS-Antenne gemäß Fig. 3a ohne Speisenetzwerk (ideale Amplituden- und Phasenbelegung, VSWR<1 , 5:1. Hier- durch ergibt sich ein Gewinn, der durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet ist, und eine Direktivität, die durch die punktierte Linie gekennzeichnet ist, in dBiC. Die in Fig. 3d gezeigten Ergebnisse sind exemplarisch für die höchste (1 ,61 GHz) und die niedrigste (1 ,16 GHz) Frequenz des GNSS-Frequenzplans aus Fig. 3c Es sind Verluste von ca. 2 dB zu erkennen, die bisher nicht reduziert werden konnten. Auch deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss aus Einfachheit, Robustheit und vor allem geringen Pro- duktionsaufwand bei höherer Effizienz bietet.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Antennenvorrichtung mit einer Massefläche sowie einem Flächenstrahler. Der Flächenstrahler ist zweigeteilt ausgeführt und umfasst ein Fußelement und ein Deckelelement. Das Fußelement hat einen Grundflächenbereich, z. B. einen planaren Bereich) und zumindest vier umgekantete Bereiche (vier umgekantete Wandbereiche oder Ecken) über welche das Fußelement gegenüber der Massefläche abgestützt wird. Das Deckelelement ist mit dem Grundflächenbereich so gekoppelt, dass das Deckelelement von der Massefläche beabstandet ist.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Konzept aus Fig. 3a und 3b durch einen zweigeteilten Flächenstrahler hinsichtlich seiner Effizienz weiter verbessert werden kann, wenn ein zusätzliches Deckelement vorgesehen wird, sodass der Flächenstrahler eine„Pilzform“ ausbildet, wobei sich der so geschaffene Flächenstrahler weiterhin durch breitbandig anpassbare Strahlerelemente und insbesondere einfachem Aufbau, Robustheit und vor allem geringen Produktionskosten auszeichnet.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der Flächenstrahler bzw. insbesondere der Fuß des Flächenstrahlers durch eine planpolygone oder planquadratische Form, wie z. B. ein viereckiges Blech, gebildet, bei welchem umgebogene Ecken die umgekanteten Bereiche formen. Wenn man von der planquadratischen bzw. viereckigen Form ausgeht, sind die umgekanteten Bereiche also durch die (vier) umgekanteten Ecken geformt. Diese sind alle in dieselbe Richtung und sind bevorzugterweise auch um denselben Grad umge- formt und weisen dieselbe Größe auf, so dass der Grundflächenbereich parallel bzw. im Wesentlich parallel zu der Massefläche verläuft. Wenn man entsprechend den Ausführungsbeispielen davon ausgeht, dass das Deckelelement (beispielsweise geformt durch ein Blech) mit dem Grundflächenbereich verbunden ist bzw. mit einem vordefinierten Abstand beabstandet ist, verläuft dieses entsprechende Ausführungsbeispiel auch parallel zu der Massefläche. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist der Flächenstrahler zu- mindest vier Symmetrieachsen auf, die parallel zu der Massefläche verlaufen. Entspre- chend Ausführungsbeispielen kann das Deckelelement ebenfalls eine planpolygone oder planquadratische oder auch eine runde Form aufweisen.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ragt das Deckelelement in lateraler Sicht über die Grundfläche hinaus. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der über den Grundflächenbereich hinausragende Bereich des Deckelelements zu der Massefläche hingebogen sein oder alternativ auch von selbiger weg. All die oben erläuterten Varianten sind als Ausgangsprodukt durch einfache polygone oder runde Bleche, im Allgemeinen symmetrische Bleche (mit mindestens zwei oder vier Symetrieachsen) realisierbar, die durch einfaches Umkanten und miteinander Verbinden den Flächenstrahler formen. Diese Variante ist kostengünstig herstellbar und bietet gleichzeitig sehr gute Abstrahleigenschaften, wie z. B. eine höhere Antenneneffizienz.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Massefläche rund oder polygon ausgeführt sein, wobei entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen der Flächen- strahler zentral auf die Massefläche angeordnet ist. Entsprechend weiteren Ausführungs- beispielen kann die Antennenvorrichtung eine Mehrzahl von parasitären Elementen, wie z. B. aus der Massefläche herausragende Stäbe oder Biegeteile aufweisen, die um die Flächenstrahler herum (beispielsweise radialsymmetrisch oder ringförmig) angeordnet sind. Diese parasitären Elemente sind dauerhaft mit der elektrischen Masse kurzge- schlossen. Bezüglich der Höhe dieser parasitären Elemente sei angemerkt, dass diese entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen den Flächenstrahler überragen, aber auch entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine gleich hohe oder geringere Hö- he im Vergleich zu dem Flächenstrahler haben. Beispielsweise dienen diese parasitären Elemente zur Keulenformung.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde erläutert, dass ein viereckiges Blech zur For- mung des Fußelements gut geeignet ist. Die vier umgekanteten Ecken des viereckigen Fußelements können die vier Speisepunkte formen. Hierbei kann beispielsweise unterhalb der Massefläche ein entsprechendes Speisenetzwerk mit zugehöriger Schaltung und/oder auch mit spezieller Leiterbahnführung, nämlich einer mäanderförmigen Leiter- bahnführung ausgebildet sein.
Ein Ausführungsbeispiel umfasst eine Satellitenantenne zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung, z. B. für GNSS-Signale.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Herstellung der oben erläuterten Vorrichtung. Dieses Verfahren umfasst je drei Basisschritte des„Bereitstellens einer Massefläche“, des„Umkantens von den umgekanteten Bereichen des Fußelements gegenüber dem Grundflächenbereich, um das Fußelement zu formen“ sowie„des Anord- nens des Deckelelements“ gegenüber der Massefläche mittels des Fußelements, so dass das Deckelelement gegenüber der Massefläche beabstandet ist. Wie oben bereits erläutert, sind diese hier verwendeten Herstellungstechnologien einfache Umformtechniken, so dass im Resultat eine kostengünstige Herstellung erzielt werden kann.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1 b dreidimensionale, schematische Darstellungen einer Antennenvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen mit optionalen Elementen;
Fig. 1c schematische Richtungsdiagramme zur Illustration der Antenneneigenschaften der Antenne aus Fig. 1 a und 1 b gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Antennenvorrichtung gemäß eines erweiterten Ausführungsbeispiels; und Fig. 3a-d schematische Darstellungen zur Illustration des Stands der Technik.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im Detail 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.
Fig. 1a zeigt eine Antennenvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung von oben, während Fig. 1 b dieselbe Antennenvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung von unten illustriert.
Die Antennenvorrichtung 10 umfasst eine Massefläche 12 sowie einen Flächenstrahler 14. Dieser Flächenstrahler 14 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst das Fußelement 14a sowie das Deckelelement 14b. Zusätzlich weist die hier dargestellte Antennenvorrichtung 10 auch noch optionale parasitäre stabförmige Elemente 16, die aus der Massefläche 12 herausragen und den Flächenstrahler 14 umgeben.
Die Massefläche 12 ist ein beispielsweise ebenes Element mit einer runden oder alternativ auch polygonen (viereckigen, sechseckigen oder vieleckigen) Form. Die runde oder polygonförmige Massefläche 12 kann optionaler Weise ein z. B. auf der Unterseite angeordnetes Speisenetzwerk 12s aufweisen (vgl. Fig. 1 b), das mit dem Speisenetzwerk aus Fig. 3b vergleichbar ist. Die Massefläche ist hinsichtlich ihrer longitudinalen Ausdehnung größer als der Flächenstrahler 14, der entsprechend einer bevorzugten Ausführung zentral angeordnet ist. Bei der hier dargestellten Variante handelt es sich um eine runde Massefläche 12, so dass der Flächenstrahler 14 also im Bereich des Mittelpunkts angeordnet ist.
Der Flächenstrahler 14 ist zweigeteilt ausgeführt und umfasst das Fußelement 14a und das Deckelelement 14b. Beide Elemente können entsprechend einer bevorzugten Variante durch Bleche bzw. umgefalzte Bleche geformt sein. Durch die Umfalzung entstehen bei dem Fußelement 14a zwei Bereiche, nämlich der umgekantete Bereich 14au sowie der Grundbereich 14ag. Das Fußelement 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch ein viereckiges Blech (planquadratische Form) gebildet, bei welchem alle vier Ecken (Umkantenbereiche 14au) in gleicher Art und Weise umgekantet sind. Hierbei meint gleiche Art und Weise, dass beide um den gleichen Winkel, wie beispielsweise 90°, in die gleiche Richtung umgekantet sind und die umgekanteten Dreiecke auch gleiche Schenkellängen auf- weisen. Bei Anordnung des Fußelements 14a auf der Massefläche 12 über die umgekanteten Bereiche 14au verläuft infolge der gleichen Ausprägung der umgekanteten Bereiche 14au die Grundfläche 14ag parallel zu der Massefläche 12. Durch die Umkantung der Bereiche 14au ergibt sich für die Grundfläche 14ag eine viereckige oder auch beispielsweise eine achteckige Form, je nachdem wie groß die umgekanteten Bereiche 14au im Vergleich zum Grundflächenbereich 14ag sind. Infolge der identischen Ausprägung der (vier) umgekanteten Ecken 14au weist das dreidimensionale Fußelement 14a eine sym- metrische Form mit vier Symmetrieachsen auf, die parallel zu der Grundfläche 14ag bzw. parallel zu der Massefläche 12 verläuft. Auf der Grundfläche 14ag ist das Deckelelement 14b angeordnet, d. h. entweder direkt auf dieses aufgesetzt oder leicht von selbigem be- abstandet, so dass der Abstand zwischen dem Deckelelement 14b und dem Masseele- ment 12 im Wesentlichen durch das Fußelement 14a definiert wird. Das Deckelelement 14b kann ebenfalls eine polygone, wie z. B. eine planquadratische Form oder, wie hier dargestellt, eine runde Form aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ragt das Deckelelement 14b auch über den durch die Grundfläche 14b definierten Bereich raus. Wie insbesondere in Fig. 1 b ersichtlich wird, sind diese hinausragenden Bereiche 14br halbrunde Elemente. Wenn man davon ausgeht, dass das Deckelelement 14b auf dem Fußelement aufliegt oder über demselben angeordnet ist, verläuft dieses im Wesentlichen parallel zu der Massefläche 12. Dies gilt insbesondere, wenn, wie hier dargestellt, es sich beim Deckelelement 14b um ein flaches Deckelelement (hier ein scheibenförmiges) handelt.
Bezüglich des gesamten Flächenstrahlers 14, der aus Metallblechen oder anderen leitenden Elementen geformt sein kann und deshalb auch als Blechstrahler bezeichnet ist, sei angemerkt, dass dieser als Gesamtes ebenfalls mindestens vier Symmetrieachsen aufweisen kann, die in einer Ebene parallel zu der Massefläche 12 verlaufen.
Wie oben bereits angemerkt, weist die hier dargestellte Antennenvorrichtung 10 optionalerweise eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen parasitären Elementen 16 (z. B. Stäbe oder Streifen) auf, die auf der Massefläche 12 radialsymmetrisch um den Strahler herum angeordnet sind. Die hier dargestellten parasitären Elemente 16 sind z.B. durch Laser- Biegeteile oder Stanzbiegeteile realisiert. Die Höhe dieser parasitären Elemente übersteigt in diesem Ausführungsbeispiel die Höhe des Blechstrahlers 14.
Im Vergleich zu ähnlichen, auch im Stand der Technik bekannten Antennenvorrichtungen (vgl. Fig. 3a), weist die neue Antennenvorrichtung 10 eine höhere Effizienz auf. Des Wei- teren wurde mit dieser Antennenvorrichtung 10 eine 10-dB-Keulenbreite von ca. 180° in einem größeren Frequenzbereich, d. h. zumindest im gesamten GNSS-Frequenzbereich im L-Band erreicht. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die Richtdiagramme aus Fig. 1c hingewiesen, die einen vertikalen Schnitt im RHCP-Modus für die neue GNSS-Antenne 10 zeigen. Es wird von idealer Amplituden- und Phasenbelegung, VSWR<1 ,5:1 ausgegangen. Der Gewinn ist mittels der durchgezogenen Linie markiert, die Direktivität mittels der punktierten Linie, weil alle Werte in dBic angegeben sind. Insbesondere der Vergleich zu den Richtdiagrammen aus Fig. 3d legt die verbesserte Charakteristik nahe. Damit ermöglicht das neue Antennenkonzept 10 insbesondere für die geodätische Anwendung eine höhere Genauigkeit, Verfügbarkeit und Verlässlichkeit der Positionsbestimmung.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das Speisenetzwerk 12s über die vier Verbindungspunkte 12v, an welchen das Fußelement 14, bzw., um genau zu sein, der umgekan- tete Bereich 14a mit der Massefläche 12 verbunden ist, elektrisch mit dem Flächenstrahler 14 angekoppelt.
Bevor auf erweiterte Ausführungsbeispiele eingegangen wird, wird kurz das Herstellungsverfahren beschrieben. Bei diesen Herstellungsverfahren wird von einer bereitgestellten Massefläche 12, die bevorzugterweise plan ist, ausgegangen, wobei Speisesubstrat bzw, allgemein die Antenne wie oben erläutert, das Speisenetzwerk 12s umfassen kann. Auf diese Massefläche wird das Fußelement 14a entweder vor oder nach Verbindung desselben mit dem Deckelelement 14b über die Verbindungspunkte 12 befestigt, so dass oberhalb des Strahlelements 14a ein zusätzlich elektrisch leitfähiges Element (mit oder vorzugsweise ohne Abstand) vorgesehen ist bzw. angebracht wird. Das Anbringen des Deckelelements 14b gegenüber dem Fußelement 14a erfolgt bevorzugterweise so, dass das Deckelelement 14b bevorzugterweise über den Rand des unteren Fußelements 14a hinausragt. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen kann vor dem Schritt des An- bringens auch noch der Schritt des Umfalze ns des Fußelements 14a vorgesehen sein.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren den Schritt des Herstellens, z. B. durch Herausbiegen aus der Massefläche 12 bzw. allgemein des An- ordnens einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen parasitären Elementen, wie z. B. acht oder mehr. Das Anordnen erfolgt so, dass die galvanisch mit der Massefläche 12 verbunden sind. Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Antennenvorrichtung 10' mit einer Massefläche 12, die hier ebenfalls rund ausgeführt ist und einen zentral auf der Massefläche 12 angeordneten Flächenstrahler 14‘. Dieser umfasst das Fußelement 14a‘ sowie das Deckelelement 14b‘. Das Fußelement 14a‘ ist vergleichbar mit dem Fußelement 14a und ebenfalls über die vier umgekanteten Ecken 14au‘ an den Verbindungspunkten der Massefläche 12 angebunden, die mit dem Bezugszeichen 12v‘ gekennzeichnet sind. Das Deckelement 14b1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als polygones Element geformt, weil die überstehenden Bereiche 14bu‘ in Richtung der Massefläche 12 gebogen sind. Die vier überstehenden Bereiche 14bu‘ weisen eine T rapezform auf und sind ca. 45° zu der Massefläche 12 hinge- bogen und an dieser Stelle sei angemerkt, dass auch andere Winkel, wie z. B. 5°, 10°, 25° oder allgemein im Bereich von 5-75° oder 1-89° denkbar wären. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass bei einem gebogenen Deckel 14b‘ die umgebogenen Elemente 14bu‘ trapezförmig sind. Auch wären halbkreisförmige oder dreiecksförmige oder auch rechteckige Elemente denkbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Grundfläche 14bg‘ des Deckels 14b‘ auf der Grundfläche des Fußelements 14a‘ auf, so dass die Grundfläche 14bg‘ ebenso wie die Grundfläche des Fußes 14a‘ dieselbe Form, hier eine rechteckige Form ausbildet. Die Biegekanten für die biegbaren Bereiche 14bu‘ verlaufen entsprechend Ausführungsbeispielen im Wesentlichen parallel bzw. sogar im Wesentlichen deckungsgleich zu den Biegekanten des Fußelements 14a1 zwischen der Grundfläche und dem umgekanteten Bereich 14au‘.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die parasitären Elemente nicht als stanzgebogen oder lasergebogene Elemente gebildet, sondern durch senkrecht herausragende parasitäre Elemente, hier senkrechte Stäbe 16‘ (beispielsweise 12‘).
Diese Ausführungsbeispiele zeichnen sich durch einfache, mechanisch stabile und kostengünstige Herstellbarkeit aus und sind im Vergleich zu ähnlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wesentlich effizienter. Des Weiteren weisen sie eine bessere Form der Richtcharakteristik für GNSS-Anwendungen (kardioidenförmig, 10-dB- Keulenbreite ca. 180°) auf.
Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung entspricht dem der Antennenvorrich- tung in [2] und umfasst somit Positionierung und Vermessung in Land- und Forstwirtschaft, Katastervermessung, Fahrzeug- und Maschinensteuerungen in Bau- und Land- Wirtschaft, GNSS-Überwachungssysteme, Galileo PRS, Luft- und Raumfahrtanwendungen oder Navigation an Land und auf See.
Bezüglich oben genannten Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass sowohl die flächige Form der Massefläche, die Grundform des Fußelements und die Grundform des Deckelelements entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen variieren kann, wobei diese drei Elemente sich gleich verhalten oder auch unterschiedlich verhalten können (d. h. die Kombination Kreisform mit polygoner Form, wie Viereckform mit rundem Blech als Ausgangselemente).
Bei oben genannten Ausführungsbeispielen wurde im Wesentlichen davon ausgegangen, dass alle umgekanteten Bereiche um 90° umgekantete Bereiche sind. Auch können diese umgekanteten Bereiche variieren.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass jeder der umgekanteten Bereiche der Fußelemente eine Spitze hat, über welche eine Ankopplung zu dem Masseelement erfolgt, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch andere Formen möglich wären.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde im Wesentlichen die Vorrichtung und zwar hier die Antennenvorrichtung erläutert. Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein System mit einem Speisenetzwerk und einer Antennenvorrichtung. Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung der Antennenvorrichtung als Satelliten- sende- und Empfangseinheit.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren, wobei an dieser Stelle angemerkt sei, dass Beschreibungen von Elementen oder Komponenten auch eine entsprechende Beschreibung des zugehörigen Verfahrensschritts darstellen.
Obige Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen nur illustrativ, wobei ein Schutzbereich für die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird. Referenzen
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[4] US 5 442 366 A

Claims

Patentansprüche
1. Antennenvorrichtung (10, 10‘, 10") mit folgenden Merkmalen: einer Massefläche (12); und einem Flächenstrahler (14, 14‘), der ein Fußelement (14a, 14a‘) und ein Deckelement (14, 14b) umfasst, wobei das Fußelement (14a, 14a‘) einen Grundflächenbereich (14ag) und zumindest vier umgekantete Bereiche (14au) umfasst, über welche das Fußelement (14a, 14a‘) gegenüber der Massefläche (12) abgestützt wird und wobei das Deckelelement (14, 14b) mit dem Grundflächenbereich (14ag) gekoppelt ist, so dass dieses von der Massefläche (12) beabstandet ist.
2. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 1 , wobei das Fußelement (14a, 14a‘) des Flächenstrahlers (14, 14‘) durch eine planpolygone Form oder planquadratische Form gebildet ist und die umgekanteten Bereiche (14au) durch Ecken der planpolygonen Form oder der planquadratischen Form gebildet sind.
3. Antennenvorrichtung (10, 10', 10”) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Flächenstrahler (14, 14') zumindest vier Symmetrieachsen aufweist, die parallel zu der Massefläche (12) verlaufen.
4. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Deckelelement (14, 14b) durch ein Blech gebildet ist, das parallel zu der Mas- sefläche (12) verläuft.
5. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Deckelelement (14, 14b) entlang der lateralen Ausdehnung über das Fußelement (14a, 14a‘) hinausragt.
6. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 5, wobei das Deckelement (14, 14b) in dem Bereich (14bu, 14bv), in dem es über das Fußelement (14a, 14a‘) hinausragt, zu der Massefläche (12) hingebogen ist.
7. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 5, wobei das Deckelement (14, 14b) in dem Bereich (14bu, 14bv), in dem es über das Fußelement (14a, 14a‘) hinausragt, von der Massefläche (12) weg gebogen ist.
8. Antennenelement gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Deckelelement (14, 14b) eine planpolygone Form oder planquadratische Form aufweist und Ecken der planpolygone Form oder der planquadratischen Form zu der Massefläche (12) hingebogen sind.
9. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Deckelelement (14, 14b) eine runde Form aufweist.
10. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Deckelelement (14, 14b) direkt an dem Fußelement (14a, 14a‘) anliegt oder von diesem beabstandet ist.
1 1. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Massefläche (12) eine runde oder polygone Form aufweist.
12. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Flächenstrahler (14, 14‘) und/oder das Deckelelement (14, 14b) des Flächenstrahlers (14, 14') zentriert gegenüber der Massefläche (12) ist.
13. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das eine Mehrzahl an parasitären Elementen umfasst, die um den Flächenstrahler (14, 14‘) herum angeordnet sind und dauerhaft mit der elektrischen Massefläche (12) kurzgeschlossen sind.
14. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 13, wobei die parasitären Elemente radialsymmetrisch und/oder ringförmig den Flächenstrahler (14, 14‘) umgeben.
15. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 14, wobei die parasitären Elemente höher aus der Massefläche (12) herausragt als das Deckelelement (14, 14b) von der Massefläche (12) beabstandet ist.
16. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 14, wobei die parasitären Elemente maximal soweit aus der Massefläche (12) herausragt wie das Deckelelement (14, 14b) von der Massefläche (12) beabstandet ist.
17. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die parasitären Elemente durch Stäbe oder Biegeteile geformt sind.
18. Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei durch das Fußelement (14a, 14a‘) des Flächenstrahlers (14, 14‘) vier Speisepunkte (12v) gebildet werden.
19. Satellitenantenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung mit einer Antennenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
20. Verfahren zur Herstellung einer Antennenvorrichtung (10, 10’, 10”) gemäß Anspruch 1 , mit den Schritten:
Bereitstellen einer Massefläche (12);
Umkanten von den umgekanteten Bereichen (14au) des Fußelements (14a, 14a‘) gegenüber dem Grundflächenbereich (14ag), um das Fußelement (14a, 14a') zu formen; und
Anordnen des Deckelelements (14, 14b) gegenüber der Massefläche (12) mittels des Fußelements (14a, 14a‘), so dass das Deckelelement (14, 14b) gegenüber der Massefläche (12) beabstandet ist.
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