EP4542765A1 - Antennenanordnung zum empfangen und senden von elektromagnetischen wellen verschiedener polarisation - Google Patents

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EP4542765A1
EP4542765A1 EP23204364.6A EP23204364A EP4542765A1 EP 4542765 A1 EP4542765 A1 EP 4542765A1 EP 23204364 A EP23204364 A EP 23204364A EP 4542765 A1 EP4542765 A1 EP 4542765A1
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EP
European Patent Office
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line
coupler
switching device
input
antenna
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EP23204364.6A
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Florian Pudenz
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Sick AG
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Sick AG
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Publication date
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    • H01Q21/245—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction provided with means for varying the polarisation 
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    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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    • H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
    • H01Q9/0435—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave using two feed points

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement for receiving and transmitting electromagnetic waves of different polarization as well as a corresponding method and a coupler circuit.
  • Such antenna arrangements can include a feed network.
  • a feed network is used to couple signals from a transmitting/receiving unit into an antenna structure at more than one feed point with the lowest possible losses.
  • the feed network ensures, for example, by means of a coupler circuit, that predefined portions of the input signal are present at the network outputs with a desired phase angle in order to achieve a desired polarization of the transmitted signal.
  • a circularly polarized antenna i.e. an antenna that receives and transmits circularly polarized electromagnetic waves
  • the transponder can (ideally) only absorb half of the received energy of the electromagnetic wave.
  • the first and third nodes and the second and fourth nodes are fixedly and preferably directly electrically coupled to one another by means of the first and third lines, respectively.
  • the electrical connection between the first and second nodes and between the third and fourth nodes can be selectively established via the first switching device or the second switching device.
  • the first switching device can be switched such that an electrical connection can be established between the first and second nodes via the second line (and in particular the first switching device). This state is described below as the coupling state of the switching device.
  • the first switching device can also be operated such that there is no electrical connection between the first and second nodes, which is referred to below as the decoupling state. This applies accordingly to the second switching device and the third and fourth nodes.
  • the signal input can preferably only be coupled to either the first coupler input or only to the second coupler input.
  • the coupler circuit is operable in a decoupling mode and in a coupling mode, wherein the coupler circuit is configured in the decoupling mode such that the first and second switching devices are operated in a decoupling state, such that the signal input is connected only to the first or second coupler output.
  • the antenna is preferably configured to emit a linearly polarized electromagnetic wave.
  • the coupler circuit can be configured in a coupling mode such that the first and/or second switching devices are operated in a coupling state, such that the signal input is connected to the first and second coupler output, wherein the antenna is preferably configured in the coupling mode to emit a circularly polarized or elliptically polarized electromagnetic wave.
  • the first node is electrically coupled to only one other node, namely the third node.
  • the second node can only be electrically coupled to the fourth node.
  • the input signal present at either the first or second coupler input is then forwarded to only one coupler output, namely either the first or second coupler output.
  • the antenna receives the input signal at only one feed point, which preferentially generates a linearly polarized electromagnetic wave from the antenna.
  • an input signal at one coupler input can be split between both coupler outputs.
  • the first to fourth lines each generate a phase shift of 90°.
  • the input signal can travel from the first node to the third node via the first line, experiencing a phase shift of 90°.
  • the input signal can travel via the second and third lines to the fourth node, experiencing a phase shift of 90° twice, for a total of 180°.
  • the input signal is accordingly split between two feedpoints of the antenna, with the signals at the two feedpoints being 90° phase shifted from each other, thus making it possible to transmit, for example, a circularly polarized wave.
  • the antenna arrangement is thus capable of setting different operating modes by means of the first and second switching devices, in which different output signals are provided at the coupler outputs by determining the forwarding of the input signal, for example, a radio-frequency signal, based on the state of the switching devices.
  • the forwarding of the input signal for example, a radio-frequency signal
  • the phase and/or amplitude of the output signals of the coupler outputs, in particular with respect to the input signal can be set, wherein the state of the switching devices determines whether the input signal is split or not.
  • the operating state of the respective switching device can be controlled, for example, by means of a controller of the antenna arrangement.
  • phase offset this refers in particular to a phase offset with respect to the input signal—unless otherwise stated.
  • the phase shift of the output signals at the first and second coupler outputs with respect to the phase of the input signal depends in particular on the electrical length of the lines.
  • the "electrical length" of an electrical line refers to the length of the line through which the signal is transmitted. Electrical signals propagating through lines are subject to various phase shifts, delays, and distortions. The phase shift depends in particular on the electrical length of the line.
  • the term "electrical length" can also be used synonymously with a phase shift caused by an electrical line or an electrical component.
  • the amplitude of the output signals output at the first and second coupler output depends in particular on the impedance of the lines and on the amplitude of the input signal.
  • the high-frequency signal applied to the signal input can be forwarded and adapted by means of the coupler circuit in such a way that different output signals are provided at the coupler outputs.
  • a polarization direction i.e., left-circulating or right-circulating
  • a polarization angle for example, of a linearly polarized electromagnetic wave
  • the processing of the high-frequency signal present at the signal input can be carried out as follows:
  • the input signal can be routed via the first coupler input and the first line to the first coupler output, so that an output signal corresponding to a converted, in particular phase-shifted and amplitude-modified, input signal is present at the first coupler output.
  • the output signal of the first coupler output thus has, in particular, a phase shift and a respective amplitude corresponding to the electrical length of the first line.
  • the input signal can be routed to the second coupler output via two possible paths, wherein the input signal can be routed to the second coupler output via both paths when both the first and second switching devices are operated in the coupled state.
  • the input signal can only be routed to the second coupler output via one of the two paths when one of the two switching devices is operated in the uncoupled state and the other of the two switching devices is operated in the coupled state. The following describes the case where the input signal is routed to the second coupler output via both paths.
  • the input signal can be routed via a first path from the first node via the second line to the second node and from the second node via the third line to the fourth node.
  • the input signal can be routed via a second path from from the first node via the first line to the third node and from the third node via the fourth line to the fourth node.
  • the input signal transmitted via the first path and via the second path is thus combined at the fourth node, so that the output signal output at the second coupler output corresponds to an addition of the signals transmitted via the first path and via the second path.
  • the electrical length of the first path i.e.
  • the common electrical length of the second line including the electrical length of the first switching device and the third line is at least substantially equal to the electrical length of the second path, i.e. the common electrical length of the first line and the fourth line including the electrical length of the second switching device.
  • the phase offset of the signals transmitted via the first path and via the second path is therefore the same.
  • the cumulative impedances of the first path and the second path i.e. the common impedance of the second line and the third line and the common impedance of the first line and the fourth line, can also be at least substantially the same in magnitude.
  • the phase shift of the combined output signal of the second coupler output corresponds to the phase shift of the signals transmitted via the first path and the second path.
  • the amplitude of the output signal of the second coupler output is determined in particular by the impedances of the respective lines.
  • the output signal of the second coupler output has, for example, a phase shift corresponding to the electrical length of the first path and/or the second path and a respective amplitude.
  • the output signal of the first coupler output and the output signal of the second coupler output can thus have a different phase offset and, depending on the impedance of the lines, also have a different amplitude. Accordingly, the output signal of the first coupler output and the output signal of the second coupler output can be fed into the antenna, for example a patch antenna, via the feed points of the antenna in order to generate and transmit a circularly polarized or elliptically polarized electromagnetic wave. In order to generate circularly polarized or elliptically polarized polarization, two feed lines of the feed points are attached to the antenna, for example offset from one another by 90°.
  • An offset of the feed points by 90° can be provided, for example, in the case of a patch antenna, whereby the angle is measured, for example, from a center point or center of gravity of the antenna.
  • the arrangement of the feed points can be selected, for example, depending on the phase position of the output signals and the output impedance (matching) of the coupler circuit.
  • the position of the feed point e.g. between the patch center (approx. 0 ohms) and the patch edge (approx. 200 ohms), is chosen so that the impedance is adapted to the impedance of the coupler circuit.
  • the geometric angle of the feedpoint arrangement in the patch antenna can also correspond to the phase angle of the feed signals.
  • two input signals with a 90° phase offset are preferably fed into two orthogonally arranged feedpoints.
  • asymmetrical patch contours e.g., a rectangle, triangle, oval, etc., other orientations are conceivable.
  • the coupler circuit can thus be operated as a branch line coupler.
  • the high-frequency signal applied to the signal input can be fed in as follows:
  • the input signal can be routed via the first coupler input and via the first line to the first coupler output, so that an output signal is present at the first coupler output which corresponds to a converted, in particular phase-shifted and amplitude-modified, input signal.
  • the output signal of the first coupler output thus has, in particular, a phase shift corresponding to the electrical length of the first line and a respective amplitude.
  • the input signal cannot be routed to the second coupler output, so that the second coupler output is isolated.
  • the input signal is routed essentially entirely to the first coupler output.
  • the output signal of the first coupler output can be fed into the antenna via a feed point of the antenna and results in a linearly polarized electromagnetic wave being generated and emitted.
  • a feed line of the feed point or feed points is positioned in a straight line or at a specific angle to the alignment of the antenna.
  • the resulting radiation may be linearly polarized, for example horizontally, vertically or at any other angle, depending on the orientation of the feeder line.
  • the second coupler input can be short-circuited to ground, in particular via a terminating resistor, in order to achieve the best possible termination, in particular total reflection of the transmission signal.
  • the antenna arrangement according to the invention thus makes it possible to switch between a mode of linear polarization, i.e., decoupling mode, and a mode of circular or elliptical polarization, i.e., coupling mode.
  • This allows the polarization to be flexibly switched depending on the respective application.
  • an antenna arrangement such as an RFID reader
  • the RFID reader can identify a first number of RFID transponders in a first "coarse" readout process using circularly polarized RF waves.
  • a second "fine" readout process it can identify additional RFID transponders that could not be identified in the first readout process due to the lower transmission power using linearly polarized RF waves, which have a higher transmission power than the circularly polarized RF waves.
  • a further advantage of the invention is that a standard branch line coupler can be adapted with just a few additional components to generate both linear polarization and circular or elliptical polarization.
  • the invention can thus be implemented particularly cost-effectively and in a space-saving manner.
  • the antenna may, in particular, comprise a double bifilar helix antenna, a patch antenna, a cross-fed antenna, or a quadrature antenna.
  • the electromagnetic waves emitted by the antenna may further comprise microwaves, infrared waves, RF waves, and/or laser beams, or the like.
  • the high-frequency input signal may furthermore have a wavelength that is less than 500 cm, less than 100 cm, or less than 50 cm, in particular 32 cm.
  • the high-frequency input signal may have a frequency in an ISM band (Industrial, Scientific, and Medical Band), in particular in the frequency range between 902 and 928 MHz.
  • ISM band Industrial, Scientific, and Medical Band
  • an electrical length of the first line substantially corresponds to an electrical length of the third line, wherein the electrical length of the first and/or third line each corresponds to an electrical length L1, wherein an electrical length of the second line substantially corresponds to an electrical length of the fourth line, wherein the electrical length of the second and fourth lines each corresponds to an electrical length L2, wherein an electrical length of the first switching device substantially corresponds to an electrical length of the second switching device, wherein the electrical length of the first and second switching devices each corresponds to an electrical length L S , wherein a phase shift L 2S caused jointly by the electrical lengths L2 and L S corresponds at least substantially to an odd integer multiple of 90°.
  • L1 causes a phase shift which at least substantially corresponds to an odd integer multiple of 90°.
  • the output signal of the first coupler output is phase-shifted by an electrical length L1
  • the phase shift between the output signal of the first coupler output and the output signal of the second coupler output corresponds to the electrical length L2S , which corresponds to an odd integer multiple of 90°, in particular 90°.
  • the signals fed into the two feed points of the antenna also have a phase shift of 90° with respect to one another, so that a circularly polarized or at least elliptically polarized electromagnetic wave is emitted.
  • the second and fourth lines and the first and second switching devices may be designed such that the phase shift L2S assumes a value that does not correspond to an odd integer multiple of 90°.
  • an elliptically polarized electromagnetic wave results.
  • the electrical lengths L2 and L S are in particular, they are matched to one another in such a way that the phase shift L 2S does not assume a value which corresponds to an even integer multiple of 180°, since in this case a linearly polarized electromagnetic wave would be generated.
  • the first and third lines each have a first impedance Z 1 , in particular substantially equal in magnitude
  • the second and fourth lines each have a second impedance Z 2 , in particular substantially equal in magnitude
  • the first impedance Z 1 and the second impedance Z 2 are selected such that output signals with substantially equal amplitude are output at the first coupler output and at the second coupler output.
  • the impedances Z 1 and Z 2 are matched to one another.
  • an impedance Z s of the switching device can also be taken into account, wherein the first and second switching devices preferably have an impedance that is essentially the same in magnitude.
  • the output signal of the second coupler output in coupling mode is generated based on a combination of the input signal conducted via the first path and the second path.
  • Z 2 can, for example, be 50 ohms, so that Z 1 assumes a rounded value of 35.35 ohms.
  • the coupler circuit can, for example, be designed such that the power of the input signal is divided into two parts of equal amplitude, i.e. output signals, which each have 3 dB less power than the input signal.
  • the coupler circuit is operable in a partial coupling mode in which the first switching device is operated in the coupling state and the second switching device is operated in the decoupling state or vice versa, wherein the antenna is designed to Partial coupling mode to emit an elliptically polarized electromagnetic wave.
  • the input signal can therefore only be routed to the second coupler output via the first path or the second path. Consequently, this also affects the amplitude of the output signal of the second coupler output.
  • the amplitude of the output signal of the first coupler output is not equal to the amplitude of the output signal of the second coupler output.
  • the phase shift between the output signal of the first coupler output and the output signal of the second coupler output in partial coupling mode can be other than an odd integer multiple of 90°. This can result in the electromagnetic wave generated by the antenna having an elliptical polarization.
  • a coupler circuit in partial coupling mode can thus generate an additional, i.e., elliptical, polarization, which may be desirable in some applications, for example, when only a predefined area is to be scanned with higher transmission power.
  • the first switching device is arranged at an end of the second line closer to the first line, in particular in the immediate vicinity of the first node, and the second switching device is arranged at an end of the fourth line closer to the third line, in particular in the immediate vicinity of the fourth node, or the first switching device is arranged at an end of the second line closer to the third line, in particular in the immediate vicinity of the second node, and the second switching device is arranged at an end of the fourth line closer to the first line, in particular in the immediate vicinity of the third node.
  • the first switching device is arranged between a first sub-line of the second line and a second sub-line of the second line and/or the second switching device is arranged between a first sub-line of the fourth line and a second sub-line of the fourth line.
  • the first subline of the second line and the second subline of the second line are designed such that a phase shift caused jointly by an electrical length L21 of the first subline of the second line, by an electrical length L22 of the second subline of the second line, and by the switching device essentially corresponds to an odd integer multiple of 90°.
  • this also applies to the electrical length L41 of the first subline of the fourth line and an electrical length L42 of the second subline of the fourth line.
  • the impedances of the first and second sublines for the second line and/or for the fourth line are of equal magnitude.
  • the first and/or second switching device is configured in the decoupling state to connect the first or second sub-line to a ground line, ie, a line element shorted to ground.
  • a ground line ie, a line element shorted to ground.
  • the ground line has an impedance Z M and is shorted to ground at one end.
  • This additional line element can optimize the transmission attenuation, ie, the isolation of the second coupler output, in the decoupling mode, since mismatches the coupler circuit, in particular the impedances, the electrical lengths of the lines and the switching devices, can be partially compensated.
  • the first and/or second switching device in the decoupling state, is configured to connect the first or second sub-line to an additional line with an open end.
  • the first or second sub-line is connected to the additional line, which has an open end and an impedance Z 3 .
  • the additional line element in the decoupling mode can optimize the transmission attenuation, i.e., the isolation of the second coupler output, since mismatches in the coupler circuit, in particular the impedances, the electrical lengths of the lines, and the switching devices, can be partially compensated.
  • the choice of the additional line element i.e., whether the ground line or the additional line is used, can be made depending on the type of switching device, in particular depending on the phase response or phase shift of the transmitted signal generated by the switching device.
  • the ground line and/or the additional line with an open end are, in particular, designed such that total reflection of the high-frequency signal occurs through the ground line and/or the additional line.
  • the lines comprise microstrip lines, coplanar lines, stripline lines, and/or coaxial lines.
  • the microstrip lines are generally designed to utilize the largest possible substrate height, as this minimizes losses through the line. If the distance to a ground plane (reference ground) of the microstrip line is increased, the conductor width of the microstrip line must be increased. However, it must be increased to keep the impedance constant. Consequently, in such a case, more area on the substrate is required by the microstrip line.
  • coupler circuits that use microstrip lines there is a need to save space on a circuit board. Consequently, the advantages of the invention are particularly evident when using microstrip lines.
  • the first and/or second switching device each comprises an SPDT semiconductor switch (SPDT for "single pole double throw," i.e., a changeover switch), a mechanical switching relay, or a PIN diode.
  • SPDT semiconductor switch for "single pole double throw," i.e., a changeover switch
  • mechanical switching relay or a PIN diode.
  • the transmission power of the antenna arrangement depends on and/or is limited by the type of switching device.
  • the coupler inputs are connected to a DPDT switch (DPDT for "Double Pole Double Throw"), which is configured to couple the signal input to the first coupler input or the second coupler input and to short the other coupler input to ground.
  • a DPDT switch DPDT for "Double Pole Double Throw"
  • the input signal is forwarded to the first coupler output in decoupling mode, and the second coupler output is isolated.
  • the signal input is connected to the second coupler input, the input signal is forwarded to the second coupler output in decoupling mode, and the first coupler output is isolated.
  • the antenna arrangement further comprises a control device configured to selectively control the DPDT switch, the first switching device, and/or the second switching device.
  • the control device is thus capable of switching the coupler circuit into the different operating modes, ie, coupling mode, decoupling mode, or partial coupling mode. to offset.
  • the control device can automatically adapt the operating mode of the coupler circuit depending on a reception result of the antenna, i.e. switch from linear polarization to circular or elliptical polarization and vice versa.
  • the control device can control the respective switching devices depending on the amplitude of the input signal.
  • the coupler circuit With a high amplitude of the input signal, it can be advantageous, for example, to operate the coupler circuit in a coupling mode, since the division of the input signal and the associated loss of transmission power is justifiable in order to reach a larger number of potential receivers of the antenna's transmission signal. Conversely, with a small amplitude of the input signal, it can be expedient to operate the coupler circuit in the decoupling mode in order to achieve a higher transmission power of the antenna's transmission signal.
  • a further aspect of the invention relates to an RFID reader (RFID for Radio Frequency Identification) comprising an antenna arrangement of the type explained herein.
  • the RFID reader comprises an evaluation unit that sends readout signals in the form of input signals to the signal input of the antenna arrangement in order to send radio signals to RFID tags, wherein the evaluation unit is designed to evaluate signals emitted by RFID tags and received via the antenna arrangement.
  • Fig. 1A and 1B show a coupler circuit 12 for use in an antenna arrangement 80 (not shown) for receiving and transmitting electromagnetic waves of different polarization, wherein the coupler circuit 12 is in Fig. 1A in pairing mode and in Fig. 1B operated in decoupling mode.
  • the coupler circuit 12 comprises a first coupler input 24 connected to a first node 16, a second coupler input 26 connected to a second node 18, a first coupler output 28 connected to a third node 20, and a second coupler output 30 connected to a fourth node 22.
  • the first and third nodes 16, 20 are further electrically coupled to one another via a first line 32, with the second and fourth nodes 18, 22 being electrically coupled to one another via a third line 36.
  • the first and second nodes 18, 20 are electrically coupled via a second line 34 by means of a first SPDT switch 40, with the third and fourth nodes 20, 22 being electrically coupled via a fourth line 38 by means of a second SPDT switch 42.
  • Each line has a respective impedance 46, 48, 50, 52, wherein the impedances 46, 50 of the first line 32 and the third line 36 are equal and each assume an impedance value of Z 1. Furthermore, the impedances 48, 52 the second line 34 and the fourth line 38 are of equal size and each assume an impedance value of Z 2 .
  • the relationship Z 1 0.707*Z 2 applies to the impedances Z 1 and Z 2 . This dimensioning of the impedances ensures that the amplitude of the two output signals of the coupler outputs 28, 30 are essentially of equal size.
  • Each line 32, 34, 36, 38 further has an electrical length that indicates the phase shift of the transmitted signal caused by the line.
  • the electrical length 54, 58 of the first and third lines 32, 36 each corresponds to an electrical length L1, which corresponds to a phase shift of 90°.
  • the SPDT switch 40 is disposed at an end of the second line 34 closer to the first line 32 in close proximity to the first node 16 and the second of the SPDT switches 42 is disposed at an end of the fourth line 38 closer to the third line 36 in close proximity to the fourth node 22.
  • the SPDT switches 40, 42 are in a coupling state, i.e. the SPDT switches 40, 42 are closed, and connect the first and second nodes 16, 18 via the second line 34 and the third and fourth nodes 20, 22 via the fourth line 38.
  • the input signal 44 is applied to the first or second coupler input 24, 26, the input signal 44 is thus divided, so that an output signal is present at each of the first and second coupler outputs 28, 30, which has a reduced signal power compared to the input signal 44.
  • the input signal 44 present at the first coupler input 24 is passed from the first node 16 via the first line 32 to the third node 20 and thus to the first coupler output 28, wherein the output signal of the first coupler input 24 is phase-shifted by 90° with respect to the input signal 44 and its amplitude is reduced.
  • the input signal 44 present at the first coupler input 24 is routed to the second coupler output 30 via two different paths 43, 45.
  • the input signal 44 is routed to the second coupler output 30 via a first path 43, namely from the first node 16 via the second line 34 to the second node 18 and from the second node 18 via the third line 36 to the fourth node 22, and via a second path 45, namely from the first node 16 via the first line 32 to the third node 20 and from the third node 20 via the fourth line 38 to the fourth node 22.
  • the signal transmitted via the first path 43 and the signal transmitted via the second path 45 are 180° out of phase with the input signal 44 and 90° out of phase with the output signal of the first coupler output 28 at the fourth node 22, respectively, and their amplitude is reduced.
  • the signal transmitted via the first path 43 and the signal transmitted via the second path 45 are combined and added at the fourth node 22, so that the sum of the two signals is present as the output signal at the second coupler output 30.
  • the output signal of the second coupler output 30 also has a phase shift of 180° with respect to the input signal 44 or 90° with respect to the output signal of the first coupler output 28. Furthermore, the amplitude of the output signal of the second coupler output 30 corresponds to the amplitude of the output signal of the first coupler output 28.
  • the output signals of the first and second coupler outputs 28, 30 can then be used in the coupling mode to be fed into the patch antenna 64 via feed points 92, 94, 96, 98 of a patch antenna 64 (not shown) in order to generate and transmit a circularly or elliptically polarized RF wave.
  • the SPDT switches 40, 42 are in a decoupling state, i.e. the SPDT switches 40, 42 are open, so that an electrical connection between the first and second nodes 16, 18 via the second line 34 and between the third and fourth nodes 20, 22 via the fourth line 38 is interrupted.
  • the input signal 44 is therefore no longer split, but is passed from the first node 16 via the first line 32 to the third node 20 and thus to the first coupler output 28, wherein the output signal of the first coupler input 28 is 90° out of phase with respect to the input signal 44 and its amplitude is reduced.
  • the second coupler output 30 is thus isolated, i.e. no output signal is output via the second coupler output 30.
  • the output signal of the first coupler output 28 can be used in the decoupling mode to be fed into the patch antenna 64 via feed points 92, 94, 96, 98 of the patch antenna 64 (not shown) in order to generate and transmit a linearly polarized RF wave.
  • Fig. 2 to 4 show further embodiments of the coupler circuit 12, wherein the coupler circuit 12 is shown only in coupling mode for the sake of simplicity.
  • Fig. 2 shows a coupler circuit 12 which differs from the coupler circuit 12 of the Fig. 1A in that the SPDT switches 40, 42 in Fig. 2 along the second line 34 or the fourth line 38 more centrally than in Fig. 1A are arranged.
  • the first SPDT switch 40 is arranged between a first subline 66 of the second line 34 and a second subline 68 of the second line 34
  • the second SPDT switch 42 is arranged between a first subline 70 of the fourth line 38 and a second subline 72 of the fourth line 38.
  • Fig. 3 shows a coupler circuit 12 which differs from the coupler circuit 12 of the Fig. 2 differs in that the first and second SPDT switches 40, 42 in the decoupling state connect the first sub-line 66, 70 of the second and fourth lines 34, 38, respectively, to a ground line 74 which is connected to ground, an impedance 76 of the ground line 74 having an impedance value Z M.
  • Fig. 4 shows a coupler circuit 12 which differs from the coupler circuit 12 of the Fig. 2 differs in that the first and second SPDT switches 40, 42 in the decoupling state connect the first sub-line 66, 70 of the second and fourth lines 34, 38, respectively, to an additional open-ended line 78.
  • the additional line element of the Fig. 3 and 4 ie the ground line 74 and the additional open-ended line 78, in decoupling mode the transmission attenuation, ie the isolation of the second coupler output 30, optimize, as mismatches in the coupler circuit can be compensated for.
  • Fig. 5 shows an antenna arrangement 80, in particular an RFID antenna arrangement, with a coupler circuit 12 for receiving and transmitting RF waves of different polarization.
  • the antenna arrangement 80 comprises a signal input 82 with a high-frequency input signal 44, wherein the signal input 82 is connected to a DPDT switch 84, which couples the signal input 82 to a first coupler input 24 of the coupler circuit 12 and connects a second coupler input 26 of the coupler circuit 12 to ground.
  • the DPDT switch 84 can switch the signal input 82 to the second coupler input 26 and connect the first coupler input 24 to ground, whereby, for example, the polarization angle and/or the polarization direction of the RF wave can be changed, i.e., depending on the switch position of the DPDT switch 84.
  • the coupler circuit 12 shown corresponds to the coupler circuit 12 of the Fig. 1A or 1B. As already described above, the coupler circuit 12 can be operated in coupling mode or decoupling mode. In Fig. 5 the coupler circuit 12 is operated in coupling mode, so that at the first coupler output 28 an output signal is output to a first antenna coupler 85, which divides the output signal of the first coupler output 28 and feeds the divided signals via respective feed lines 80 to a first feed point 92 and a third feed point 96 opposite the first feed point 92.
  • an output signal is output to a second antenna coupler 86, which divides the output signal of the second coupler output 30 and feeds the divided signals via respective feed lines 90 to a second feed point 94 and a fourth feed point 98 opposite the second feed point 94.
  • the phase offset between the output signal of the first coupler output 28 and The angle of the output signal of the second coupler output 30 corresponds to 90°, while the amplitudes of the two signals are essentially equal.
  • the feed lines 88 of the first and third feed points 92, 96 are offset by 90° from the feed lines 90 of the second and fourth feed points 94, 98, whereby the resulting RF wave is circularly or elliptically polarized.
  • the input signal 44 is not split, but is passed from the first node 16 via the first line 32 to the third node 20 and to the first coupler output 28.
  • the second coupler output 30 is then isolated, i.e., no output signal is output via the second coupler output 30.
  • the output signal of the first coupler output 28 is output, as in the coupling mode, to the first antenna coupler 85, which splits the output signal of the first coupler output 28 and feeds the split signals to the first feed point 92 and the third feed point 96 via the respective feed lines 88. No signals are fed via the second and fourth feed points 94, 98, so that the resulting RF wave is linearly polarized.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Ein Antennenanordnung, insbesondere RFID-Antennenanordnung, zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation umfasst eine Antenne, die zumindest zwei voneinander beabstandet angeordnete Speisepunkte aufweist, wobei die Antenne ausgebildet ist, eine polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden. Ferner umfasst die Antennenanordnung einen Signaleingang für ein hochfrequentes Eingangssignal und eine mit dem Signaleingang gekoppelte Kopplerschaltung, welche einen mit einem ersten Knotenpunkt verbunden ersten Kopplereingang, einen mit einem zweiten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplereingang, einen mit einem dritten Knotenpunkt verbundenen ersten Kopplerausgang und einen mit einem vierten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplerausgang umfasst. Ferner sind der erste und dritte Knotenpunkt über eine erste Leitung miteinander elektrisch gekoppelt, der zweite und vierte Knotenpunkt sind über eine dritte Leitung miteinander elektrisch gekoppelt, der erste und zweite Knotenpunkt sind über eine zweite Leitung mittels einer ersten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar und der dritte und vierte Knotenpunkt sind über eine vierte Leitung mittels einer zweiten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar. Ferner ist der Signaleingang mit dem ersten Kopplereingang oder mit dem zweiten Kopplereingang koppelbar, wobei der erste und zweite Kopplerausgang jeweils mit einem Speisepunkt der Antenne verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation sowie ein entsprechendes Verfahren und eine Kopplerschaltung.
  • Solche Antennenanordnungen können ein Speisenetzwerk umfassen. Ein Speisenetzwerk dient dazu, Signale einer Sende-Empfangs-Einheit mit möglichst geringen Verlusten an mehr als einem Speisepunkt in eine Antennenstruktur einzukoppeln. Das Speisenetzwerk sorgt z.B. mittels einer Kopplerschaltung dafür, dass vordefinierte Anteile des Eingangssignals an den Ausgängen des Netzwerks mit einem gewünschten Phasenwinkel anliegen, um eine gewünschte Polarisation des ausgesendeten Signals zu erhalten. Je geringer dabei die Verluste im Netzwerk (für Signalaufteilung und Weiterleitung) sind, desto höher ist die Amplitude des Ausgangssignals bzw. der Ausgangssignale, welches der Antenne zugeführt werden. Insbesondere bei RFID-Antennen tritt dieser Effekt verstärkt auf, da für Sende- und Empfangsbetrieb die gleiche Antenne (des RFID-Readers) genutzt wird.
  • Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche Polarisationen von Vorteil sein. Wenn die Ausrichtung eines Transponders nicht bekannt ist, bietet die Verwendung einer zirkular polarisierten Antenne, d.h. einer Antenne, welche zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen empfängt und aussendet, deutliche Vorteile, da die Varianz in Orientierung des Transponders besser ausgeglichen werden kann, sodass Informationen besser gelesen werden können. Da die Transponder aber in den meisten Fällen nur eine linear polarisierte Antenne aufweisen, kann der Transponder (im Idealfall) nur die Hälfte der empfangenen Energie der elektromagnetischen Welle aufnehmen. In Anwendungsfällen in denen die Transponder eine vorgegebene, bekannte Ausrichtung zum Reader haben, wäre es somit vorteilhaft im Reader eine Antenne mit linearer Polarisation zu verwenden, sodass bei richtiger Ausrichtung (des Readers in Bezug auf den Transponder) der Transponder mehr Energie aufnehmen kann, sodass eine größere Identifikationsreichweite erzielt wird.
  • Folglich besteht ein Bedürfnis nach einer Antennenanordnung, welche Signale unterschiedlicher Polarisation erzeugen kann.
  • Es ist eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe eine Antennenanordnung sowie ein Verfahren zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation sowie eine Kopplerschaltung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung, insbesondere eine RFID-Antennenanordnung, zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation, umfassend:
    • eine Antenne, die zumindest zwei voneinander beabstandet angeordnete Speisepunkte aufweist, wobei die Antenne ausgebildet ist, eine polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden;
    • einen Signaleingang für ein hochfrequentes Eingangssignal und/oder mit einem hochfrequenten Eingangssignal;
    • eine mit dem Signaleingang gekoppelte Kopplerschaltung, welche umfasst:
      • einen mit einem ersten Knotenpunkt verbunden ersten Kopplereingang;
      • einen mit einem zweiten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplereingang;
      • einen mit einem dritten Knotenpunkt verbundenen ersten Kopplerausgang; und
      • einen mit einem vierten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplerausgang,
      • wobei der erste und dritte Knotenpunkt über eine erste Leitung miteinander elektrisch gekoppelt sind,
      • wobei der zweite und vierte Knotenpunkt über eine dritte Leitung miteinander elektrisch gekoppelt sind,
      • wobei der erste und zweite Knotenpunkt über eine zweite Leitung mittels einer ersten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind,
      • wobei der dritte und vierte Knotenpunkt über eine vierte Leitung mittels einer zweiten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind,
      • wobei der Signaleingang mit dem ersten Kopplereingang oder mit dem zweiten Kopplereingang koppelbar ist, wobei der erste und zweite Kopplerausgang jeweils mit einem oder mehreren Speisepunkten der Antenne verbunden sind.
  • Anders ausgedrückt sind also der erste und dritte Knotenpunkt sowie der zweite und vierte Knotenpunkt fest und bevorzugt direkt mittels der ersten bzw. dritten Leitung miteinander elektrisch gekoppelt. Die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt sowie zwischen dem dritten und vierten Knotenpunkt kann über die erste Schaltvorrichtung bzw. die zweite Schaltvorrichtung wahlweise hergestellt werden. Beispielsweise kann die erste Schaltvorrichtung derart geschaltet werden, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt über die zweite Leitung (und insbesondere die erste Schaltvorrichtung) hergestellt werden kann. Dieser Zustand ist unten als Kopplungszustand der Schaltvorrichtung beschrieben. Die erste Schaltvorrichtung kann aber auch so betrieben werden, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt besteht, was nachfolgend Entkopplungszustand genannt wird. Dies gilt entsprechend für die zweite Schaltvorrichtung und den dritten und vierten Knotenpunkt.
  • Der Signaleingang ist bevorzugt immer nur entweder mit dem ersten Kopplereingang oder nur mit dem zweiten Kopplereingang koppelbar.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Kopplerschaltung in einem Entkopplungsmodus und in einem Kopplungsmodus betreibbar, wobei die Kopplerschaltung in dem Entkopplungsmodus derart ausgebildet ist, dass die erste und zweite Schaltvorrichtung in einem Entkopplungszustand betrieben werden, sodass der Signaleingang nur mit dem ersten oder zweiten Kopplerausgang verbunden ist. Dabei ist die Antenne in dem Entkopplungsmodus bevorzugt ausgebildet, eine linearpolarisierte elektromagnetische Welle auszusenden. Zudem kann die Kopplerschaltung in einem Kopplungsmodus derart ausgebildet sein, dass die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in einem Kopplungszustand betrieben werden, sodass der Signaleingang mit dem ersten und zweiten Kopplerausgang verbunden ist, wobei die Antenne in dem Kopplungsmodus bevorzugt ausgebildet ist, eine zirkularpolarisierte oder elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden.
  • Im Entkopplungsmodus ist also beispielsweise der erste Knotenpunkt nur mit einem weiteren Knotenpunkt elektrisch gekoppelt, nämlich dem dritten Knotenpunkt. Der zweite Knotenpunkt kann entsprechend nur mit dem vierten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt sein. Das entweder am ersten oder zweiten Kopplereingang anliegende Eingangssignal wird dann nur an einen Kopplerausgang weitergeleitet, nämlich entweder den ersten oder den zweiten Kopplerausgang. Die Antenne erhält das Eingangssignal dementsprechend nur an einem Speisepunkt, wodurch bevorzugt eine linearpolarisierte elektromagnetische Welle von der Antenne erzeugt wird.
  • Im Kopplungsmodus hingegen kann ein Eingangssignal an einem Kopplereingang auf beide Kopplerausgänge aufgeteilt werden. Hierzu wird beispielhaft von einem Eingangssignal an dem ersten Kopplereingang und damit an dem ersten Knotenpunkt ausgegangen. Zudem wird hier beispielhaft davon ausgegangen, dass die erste bis vierte Leitung jeweils einen Phasenversatz von 90 ° erzeugen.
  • Im Kopplungsmodus kann das Eingangssignal vom ersten Knotenpunkt zum dritten Knotenpunkt über die erste Leitung gelangen und kann dabei einen Phasenversatz von 90 ° erfahren. Zugleich kann das Eingangssignal über die zweite und dritte Leitung zum vierten Knotenpunkt gelangen und erfährt dabei zweimal einen Phasenversatz von 90°, also insgesamt 180°. Das Eingangssignal teilt sich dementsprechend auf zwei Speisepunkte der Antenne auf, wobei die Signale an den beiden Speisepunkten zueinander 90 ° Phasenversatz aufweisen und es auf diese Weise ermöglicht wird, z.B. eine zirkularpolarisierte Welle auszusenden.
  • Die Antennenanordnung ist somit in der Lage, mittels der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung unterschiedliche Betriebsmodi einzustellen, in denen unterschiedliche Ausgangssignale an den Kopplerausgängen bereitgestellt werden, indem die Weiterleitung des Eingangssignals, beispielsweise eines Hochfrequenzsignals, basierend auf dem Zustand der Schaltvorrichtungen festgelegt wird. Insbesondere wird je nach Betriebszustand der ersten und zweiten Schaltvorrichtung festgelegt, an welchen Kopplerausgängen ein Ausgangssignal bereitgestellt wird. Ferner kann abhängig von dem Betriebszustand der Schaltvorrichtungen die Phase und/oder Amplitude der Ausgangssignale der Kopplerausgänge, insbesondere in Bezug auf das Eingangssignal, eingestellt werden, wobei der Zustand der Schaltvorrichtungen festlegt, ob das Eingangssignal geteilt wird oder nicht. Der Betriebszustand der jeweiligen Schaltvorrichtung kann beispielsweise mittels einer Steuerung der Antennenanordnung gesteuert werden. Wenn im Folgenden von einem "Phasenversatz" gesprochen wird, wird hiermit - falls nicht anders angegeben - insbesondere ein Phasenversatz in Bezug auf das Eingangssignal beschrieben.
  • Der Phasenversatz der am ersten und zweiten Kopplerausgang ausgegebenen Ausgangssignale in Bezug auf die Phase des Eingangssignals ist insbesondere von der elektrischen Länge der Leitungen abhängig. Die "elektrische Länge" einer elektrischen Leitung bezieht sich auf die Länge der Leitung, durch die das Signal übertragen wird. Elektrische Signale, die durch Leitungen propagieren, unterliegen verschiedenen Phasenverschiebungen, Verzögerungen und Verformungen. Der Phasenversatz hängt insbesondere von der elektrischen Länge der Leitung ab. Nachfolgend kann der Begriff elektrische Länge auch gleichbedeutend mit einem durch eine elektrische Leitung oder ein elektrisches Bauteil verursachten Phasenversatz verwendet werden.
  • Ferner ist die Amplitude der am ersten und zweiten Kopplerausgang ausgegebenen Ausgangssignale insbesondere von der Impedanz der Leitungen sowie von der Amplitude des Eingangssignals abhängig.
  • Unter Ausnutzung der vorstehenden Eigenschaften kann das am Signaleingang anliegende Hochfrequenzsignal derart mittels der Kopplerschaltung weitergeleitet und angepasst werden, dass unterschiedliche Ausgangssignale an den Kopplerausgängen bereitgestellt werden.
  • Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Signaleingang mit dem ersten Kopplereingang verbunden ist. Eine entsprechende Funktionsweise der Kopplerschaltung kann jedoch auch erreicht werden, wenn der Signaleingang mit dem zweiten Kopplerausgang verbunden ist, wobei die im folgenden beschriebenen Ausgangssignale an den Kopplerausgängen dann vertauscht wären. Insbesondere kann, in Abhängigkeit davon, an welchem Kopplereingang das Eingangssignal anliegt, eine Polarisationsrichtung, d.h. linkszirkulierend oder rechtszirkulierend, und/oder ein Polarisationswinkel, beispielsweise einer linearpolarisierten elektromagnetische Welle, festgelegt werden.
  • Wird die Schaltvorrichtung in dem Kopplungsmodus betrieben, d.h. wenn sich die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in dem Kopplungszustand befinden, d.h. in einem Zustand, in dem eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt und/oder dem dritten und vierten Knotenpunkt besteht, beispielsweise indem ein Schalter einer jeweiligen Schaltvorrichtung geschlossen ist, so kann die Verarbeitung des am Signaleingang anliegenden Hochfrequenzsignal wie folgt erfolgen:
    Das Eingangssignal kann über den ersten Kopplereingang und über die erste Leitung an den ersten Kopplerausgang geleitet werden, sodass an dem ersten Kopplerausgang ein Ausgangssignal anliegt, welches einem gewandelten, insbesondere phasenverschobenen und amplitudenveränderten, Eingangssignal entspricht. Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs weist somit insbesondere einen der elektrischen Länge der ersten Leitung entsprechenden Phasenversatz und eine jeweilige Amplitude auf.
  • Ferner kann das Eingangssignal über zwei mögliche Pfade an den zweiten Kopplerausgang geleitet werden, wobei das Eingangssignal über beide Pfade an den zweiten Kopplerausgang geleitet werden kann, wenn sowohl die erste als auch die zweite Schaltvorrichtung im Kopplungszustand betrieben werden. Alternativ kann das Eingangssignal nur über einen der beiden Pfade an den zweiten Kopplerausgang geleitet werden kann, wenn eine der beiden Schaltvorrichtung im Entkopplungszustand und die andere der beiden Schaltvorrichtungen im Kopplungszustand betrieben wird. Im Folgenden wird der Fall beschrieben, wenn das Eingangssignal über beide Pfade an den zweiten Kopplerausgang geleitet wird.
  • Das Eingangssignal kann beispielsweise über einen ersten Pfad von dem ersten Knotenpunkt über die zweite Leitung an den zweiten Knotenpunkt und von dem zweiten Knotenpunkt über die dritte Leitung an den vierten Knotenpunkt geleitet werden. Darüber hinaus kann das Eingangssignal über einen zweiten Pfad von dem ersten Knotenpunkt über die erste Leitung an den dritten Knotenpunkt und von dem dritten Knotenpunkt über die vierte Leitung an den vierten Knotenpunkt geleitet werden. Insbesondere werden somit an dem vierten Knotenpunkt das über den ersten Pfad und über den zweiten Pfad geleitete Eingangssignal zusammengeführt, sodass das am zweiten Kopplerausgang ausgegebene Ausgangssignal einer Addition der über den ersten Pfad und über den zweiten Pfad übertragenen Signale entspricht. Insbesondere ist dabei die elektrische Länge des ersten Pfads, d.h. die gemeinsame elektrische Länge der zweiten Leitung einschließlich der elektrischen Länge der ersten Schaltvorrichtung und der dritten Leitung, zumindest im Wesentlichen gleich der elektrischen Länge des zweiten Pfads, d.h. der gemeinsamen elektrischen Länge der ersten Leitung und der vierten Leitung einschließlich der elektrischen Länge der zweiten Schaltvorrichtung. Insbesondere ist damit der Phasenversatz der über den ersten Pfad und über den zweiten Pfad übertragenen Signale gleich groß. Ferner können auch die kumulierten Impedanzen des ersten Pfad und des zweiten Pfads, d.h. die gemeinsame Impedanz der zweiten Leitung und der dritten Leitung sowie die gemeinsame Impedanz der ersten Leitung und der vierten Leitung, zumindest im Wesentlichen betragsmäßig gleich groß sein.
  • Insbesondere entspricht der Phasenversatz des zusammengeführten Ausgangssignals des zweiten Kopplerausgangs dem Phasenversatz der über den ersten Pfad und den zweiten Pfad übertragenen Signale. Die Amplitude des Ausgangssignals des zweiten Kopplerausgangs wird insbesondere durch die Impedanzen der jeweiligen Leitungen festgelegt. Das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs weist beispielsweise einen der elektrischen Länge des ersten Pfads und/oder des zweiten Pfads entsprechenden Phasenversatz und eine jeweilige Amplitude auf.
  • Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs und das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs können somit einen unterschiedlichen Phasenversatz und je nach Impedanz der Leitungen auch eine unterschiedliche Amplitude aufweisen. Dementsprechend kann das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs und das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs über die Speisepunkte der Antenne in die Antenne, beispielsweise eine Patchantenne, eingespeist werden, um eine zirkularpolarisierte oder elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle zu erzeugen und auszusenden. Um eine zirkularpolarisierte oder elliptisch-polarisierte Polarisation zu erzeugen, sind beispielsweise zwei Zuführungsleitungen der Speisepunkte, insbesondere um 90°, versetzt zueinander an der Antenne angebracht. Ein Versatz der Speisepunkte um 90 ° kann beispielsweise bei einer Patchantenne vorgesehen sein, wobei der Winkel z.B. von einem Mittelpunkt oder Schwerpunkt der Antenne gemessen ist. Die Anordnung der Speisepunkte kann beispielsweise abhängig von der Phasenlage der Ausgangssignale und der Ausgangsimpedanz (Anpassung) der Kopplerschaltung gewählt werden. Insbesondere wird bei einer Patchantenne die Position des Speisepunktes, z.B. zwischen Patchmitte (ca. 0 Ohm) und Patchkante (ca.200 Ohm) so gewählt, dass die Impedanz an die Impedanz der Kopplerschaltung angepasst ist.
  • Wie oben schon angedeutet, kann bei einem symmetrischen Patchdesign (z.B. Kreis, Quadrat, Achteck und dergleichen) der geometrische Winkel der Anordnung des Speisepunktes in der Patchantenne auch dem Phasenwinkel der Einspeisesignale entsprechen. Beispielsweise werden zwei Eingangssignale mit 90° Phasenoffset bevorzugt in zwei orthogonal zueinander angeordnete Speisepunkte eingebracht. Bei asymmetrischen Patchkonturen, z.B. bei einem Rechteck, Dreieck, Oval und dergleichen, sind andere Ausrichtungen denkbar.
  • Im Kopplungszustand kann die Kopplerschaltung somit als Branchline-Koppler betrieben werden.
  • Wird die Schaltvorrichtung in dem Entkopplungsmodus betrieben, d.h. wenn sich die beiden Schaltvorrichtungen in dem Entkopplungszustand befinden, d.h. in einem Zustand, in dem eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten bzw. dem dritten und vierten Knotenpunkt unterbrochen wird, beispielsweise indem ein Schalter einer jeweiligen Schaltvorrichtung geöffnet ist, so kann die Einspeisung des am Signaleingang anliegenden Hochfrequenzsignals wie folgt erfolgen:
    Das Eingangssignal kann über den ersten Kopplereingang und über die erste Leitung an den ersten Kopplerausgang geleitet werden, sodass an dem ersten Kopplerausgang ein Ausgangssignal anliegt, welches einem gewandelten, insbesondere phasenverschobenen und amplitudenveränderten, Eingangssignal entspricht. Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs weist somit insbesondere einen der elektrischen Länge der ersten Leitung entsprechenden Phasenversatz und eine jeweilige Amplitude auf. Aufgrund des Entkopplungszustands der Schaltvorrichtungen kann das Eingangssignal nicht zu dem zweiten Kopplerausgang geleitet werden, sodass der zweite Kopplerausgang isoliert wird. Insbesondere wird das Eingangssignal im Wesentlichen vollständig an den ersten Kopplerausgang geleitet. Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs kann über einen Speisepunkt der Antenne in die Antenne gespeist werden und führt dazu, dass eine linearpolarisierte elektromagnetische Welle erzeugt und ausgesendet wird. Beispielsweise ist eine Zuführungsleitung des Speisepunkts oder der Speisepunkte in einer geraden Linie oder in einem bestimmten Winkel zur Ausrichtung der Antenne positioniert. Die resultierende Ausstrahlung kann linearpolarisiert, beispielsweise horizontal, vertikal oder in einem beliebigen Winkel anderen Winkel, abhängig von der Ausrichtung der Zuführungsleitung, sein.
  • Der zweite Kopplereingang kann in beiden Betriebsmodi der Kopplerschaltung insbesondere über einen Abschlusswiederstand gegen Masse kurzgeschlossen werden, um eine möglichst gute Terminierung, insbesondere Totalreflexion des Übertragungssignals, zu erzeugen.
  • Die erfindungsgemäße Antennenanordnung ermöglicht es somit zwischen einem Modus einer linearen Polarisation, d.h. Entkopplungsmodus, und einem Modus einer zirkularen oder elliptischen Polarisation, d.h. Kopplungsmodus, umzuschalten. Hierdurch kann die Polarisation abhängig von einer jeweiligen Anwendung flexibel umgestellt werden. Wenn beispielsweise mittels einer Antennenanordnung, wie z.B. einem RFID-Reader, eine unbestimmte Anzahl an Transpondern identifiziert werden sollen, kann der RFID-Reader kann in einem ersten "groben" Auslesevorgang mit Hilfe von zirkularpolarisierten RF-Wellen eine erste Anzahl an RFID-Transpondern identifizieren und in einem zweiten "feinen" Auslesevorgang mit Hilfe von linearpolarisierten RF-Wellen, welche eine höhere Sendeleistung als die zirkularpolarisierten RF-Wellen aufweisen, weitere RFID-Transponder identifizieren, welche in dem ersten Auslesevorgang aufgrund der geringeren Sendeleistung nicht identifiziert werden konnten.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ein standardmäßiger Branchline-Koppler mit wenigen zusätzlichen Bauteilen derart angepasst werden kann, dass sowohl eine lineare Polarisation als auch eine zirkulare oder elliptische Polarisation erzeugt werden kann. Die Erfindung ist somit besonders mit geringem Kostenaufwand und platzsparend realisierbar.
  • Die Antenne kann insbesondere eine doppelte Bifilarhelixantenne, eine Patchantenne, eine kreuzweise gespeiste Antenne oder eine Quadraturantenne umfassen. Die von der Antenne ausgesendeten elektromagnetischen Wellen können ferner Mikrowellen, Infrarot-Wellen, RF-Wellen und/oder Laserstrahlen oder dergleichen umfassen. Das hochfrequente Eingangssignal kann ferner eine Wellenlänge aufweisen, welche kleiner als 500cm, kleiner als 100cm oder kleiner als 50cm, insbesondere 32 cm, ist. Bevorzugt kann das hochfrequente Eingangssignal eine Frequenz in einem ISM Band (Industrial, Scientific and Medical Band) aufweisen, insbesondere im Frequenzbereich zwischen 902 und 928 MHz.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht eine elektrische Länge der ersten Leitung im Wesentlichen einer elektrischen Länge der dritten Leitung, wobei die elektrische Länge der ersten und/oder dritten Leitung jeweils einer elektrischen Länge L1 entspricht, wobei eine elektrische Länge der zweiten Leitung im Wesentlichen einer elektrischen Länge der vierten Leitung entspricht, wobei die elektrische Länge der zweiten und vierten Leitung jeweils einer elektrischen Länge L2 entspricht, wobei eine elektrische Länge der ersten Schaltvorrichtung im Wesentlichen einer elektrischen Länge der zweiten Schaltvorrichtung entspricht, wobei die elektrische Länge der ersten und zweiten Schaltvorrichtung jeweils einer elektrischen Länge LS entspricht, wobei ein durch die elektrischen Längen L2 und LS gemeinsam verursachter Phasenversatz L2S zumindest im Wesentlichen einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° entspricht. Selbiges kann auch für L1 gelten, also dass L1 einen Phasenversatz verursacht, welcher zumindest im Wesentlichen einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° entspricht.
  • Somit kann im Kopplungsmodus sichergestellt werden, dass das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs um eine elektrische Länge L1 phasenversetzt ist, während das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs um eine elektrische Länge L12S = L1 + L2S phasenversetzt ist. Insbesondere entspricht der Phasenversatz zwischen dem Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs und dem Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs der elektrischen Länge L2S, welche einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90°, insbesondere 90°, entspricht. Somit weisen auch die an den beiden Speisepunkten der Antenne eingespeisten Signale in Bezug zueinander einen Phasenversatz von 90 ° auf, sodass eine zirkularpolarisierte oder zumindest elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle ausgesendet wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die zweite und vierte Leitung und die erste und zweite Schaltvorrichtung derart ausgebildet sind, dass Phasenversatz L2S einen Wert annimmt, welcher keinem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° entspricht. In einem solchen Fall ergibt sich eine elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle. Die elektrischen Längen L2 und LS werden insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass der Phasenversatz L2S keinen Wert annimmt, welcher einem geraden ganzzahligen Vielfachen von 180° entspricht, da in diesem Fall eine linearpolarisierte elektromagnetische Welle erzeugt werden würde.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die erste und dritte Leitung jeweils eine, insbesondere im Wesentlichen betragsmäßig gleiche, erste Impedanz Z1 auf, wobei die zweite und vierte Leitung jeweils eine, insbesondere im Wesentlichen betragsmäßig gleiche, zweite Impedanz Z2 aufweisen, wobei die erste Impedanz Z1 und die zweite Impedanz Z2 derart ausgewählt sind, dass an dem ersten Kopplerausgang und an dem zweiten Kopplerausgang Ausgangssignale mit im Wesentlichen gleicher Amplitude ausgegeben werden.
  • Insbesondere werden die Impedanzen Z1 und Z2 aufeinander abgestimmt. Bei der Abstimmung der Impedanzen kann ferner eine Impedanz ZS der Schaltvorrichtung berücksichtigt werden, wobei die erste und zweite Schaltvorrichtung vorzugsweise eine im Wesentlichen betragsmäßig gleich große Impedanz aufweisen. Bei der Abstimmung der Impedanzen wird beispielsweise auch berücksichtigt, dass das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs im Kopplungsmodus basierend auf einer Zusammenführung des über den ersten Pfad und über den zweiten Pfad geleiteten Eingangssignals erzeugt wird. Z2 kann beispielsweise 50 Ohm betragen, sodass Z1 einen gerundeten Wert von 35.35 Ohm annimmt. Die Kopplerschaltung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Leistung des Eingangssignals in zwei amplitudengleiche Teile, d.h. Ausgangssignale, aufgeteilt wird, welche jeweils 3 dB weniger Leistung im Vergleich zum Eingangssignal aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kopplerschaltung in einem Teil-Kopplungsmodus betreibbar, in dem die erste Schaltvorrichtung in dem Kopplungszustand und die zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand betrieben werden oder umgekehrt, wobei die Antenne dazu ausgebildet ist, in dem Teil-Kopplungsmodus eine elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden.
  • In dem Teil-Kopplungsmodus kann das Eingangssignal somit nur über den ersten Pfad oder den zweiten Pfad an den zweiten Kopplerausgang geleitet werden. Folglich wirkt sich dies auch auf die Amplitude des Ausgangssignals der zweiten Kopplerausgangs aus. Insbesondere ist die Amplitude der Ausgangssignals des ersten Kopplerausgangs ungleich der Amplitude des Ausgangssignals des zweiten Kopplerausgangs. Ferner kann auch der Phasenversatz zwischen dem Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs und dem Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs in dem Teil-Kopplungsmodus ungleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° sein. Hierdurch kann die durch die Antenne erzeugte elektromagnetische Welle eine elliptische Polarisation aufweisen. Genauer gesagt wird zur Erzeugung einer elliptischen Polarisation bevorzugt nur einer der beiden Schalter im Kopplungsmodus betrieben, wodurch sich an den Ausgängen der Kopplerschaltung zwar Signale mit einem Phasenversatz von 90° Differenz einstellen. Aufgrund der Impedanzunterschiede von L1 und L2 können sich aber unterschiedliche Amplituden ergeben. Beispielsweise für eine symmetrische Patchstruktur bedeutet die Einspeisung an zwei orthogonalen Einspeisepunkten mit 90° Phasenversatz und ungleicher Amplitude, dass eine elliptische Polarisation erzeugt wird. Durch die Verwendung der Kopplerschaltung im Teil-Kopplungsmodus kann somit eine zusätzliche, d.h. elliptische, Polarisation erzeugt werden, welche in manchen Anwendungsfällen erwünscht sein kann, wenn beispielsweise nur ein vordefinierter Bereich mit höherer Sendeleistung abgetastet werden soll.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schaltvorrichtung an einem der ersten Leitung näheren Ende der zweiten Leitung, insbesondere in einer unmittelbaren Nähe des ersten Knotenpunkts, angeordnet und die zweite Schaltvorrichtung an einem der dritten Leitung näheren Ende der vierten Leitung, insbesondere in einer unmittelbaren Nähe des vierten Knotenpunkts, angeordnet ist oder die erste Schaltvorrichtung an einem der dritten Leitung näheren Ende der zweiten Leitung, insbesondere in einer unmittelbaren Nähe des zweiten Knotenpunkts, angeordnet ist und die zweite Schaltvorrichtung an einem der ersten Leitung näheren Ende der vierten Leitung, insbesondere in einer unmittelbaren Nähe des dritten Knotenpunkts, angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schaltvorrichtung zwischen einer ersten Subleitung der zweiten Leitung und einer zweiten Subleitung der zweiten Leitung angeordnet und/oder ist die zweite Schaltvorrichtung zwischen einer ersten Subleitung der vierten Leitung und einer zweiten Subleitung der vierten Leitung angeordnet.
  • Insbesondere sind die erste Subleitung der zweiten Leitung und die zweite Subleitung der zweiten Leitung derart ausgebildet, dass eine durch eine elektrische Länge L21 der ersten Subleitung der zweiten Leitung, durch eine elektrische Länge L22 der zweiten Subleitung der zweiten Leitung und durch die Schaltvorrichtung gemeinsam verursachter Phasenversatz im Wesentlichen einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° entspricht. Insbesondere gilt dies auch für die elektrische Länge L41 der ersten Subleitung der vierten Leitung und eine elektrische Länge L42 der zweiten Subleitung der vierten Leitung. Insbesondere sind die Impedanzen der ersten und zweiten Subleitung für die zweite Leitung und/oder für die vierte Leitung betragsmäßig gleich groß.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand dazu ausgebildet, die erste oder zweite Subleitung mit einer Masseleitung, d.h. einem gegen Masse kurzgeschlossenen Leitungselement, zu verbinden. Insbesondere weist die Masseleitung eine Impedanz ZM auf und ist an einem Ende gegen Masse kurzgeschlossen. Dieses zusätzliche Leitungselement kann im Entkopplungsmodus die Übertragungsdämpfung, d.h. die Isolation des zweiten Kopplerausgangs, optimieren, da Fehlanpassungen der Kopplerschaltung, insbesondere der Impedanzen, der elektrischen Längen der Leitungen und der Schaltvorrichtungen, teilweise kompensiert werden können.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand dazu ausgebildet, die erste oder zweite Subleitung mit einer zusätzlichen Leitung mit offenem Ende zu verbinden. D.h. anstelle eines nicht kontaktierten offenen Ports an der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung, ist die erste oder zweite Subleitung mit der zusätzlichen Leitung verbunden, welcher ein offenes Ende und eine Impedanz Z3 aufweist. Auch in dieser Ausführungsform kann das zusätzliche Leitungselement im Entkopplungsmodus die Übertragungsdämpfung, d.h. die Isolation des zweiten Kopplerausgangs, optimieren, da Fehlanpassungen der Kopplerschaltung, insbesondere der Impedanzen, der elektrischen Längen der Leitungen und der Schaltvorrichtungen, teilweise kompensiert werden können.
  • Insbesondere kann die Wahl des zusätzlichen Leitungselements, d.h. ob die Masseleitung oder die zusätzliche Leitung eingesetzt wird, in Abhängigkeit von dem Typ der Schaltvorrichtung erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit von dem durch die Schaltvorrichtung erzeugten Phasengang bzw. Phasenversatz des durchgeleiteten Signals. Die Masseleitung und/oder die zusätzliche Leitung mit offenem Ende sind insbesondere derart ausgebildet, dass eine Totalreflexion des Hochfrequenzsignals durch die Masseleitung und/oder die zusätzlichen Leitung erfolgt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leitungen Mikrostreifenleitungen, koplanare Leitungen, Stripline-Leitungen und/oder koaxiale Leitungen. Insbesondere bei Kopplerschaltungen mit Mikrostreifenleitungen sind die Mikrostreifenleitungen in der Regel so ausgebildet, dass sie eine möglichst große Substrathöhe nutzen, da hierdurch möglichst geringe Verluste durch die Leitung realisiert werden. Wenn ein Abstand zu einer Massefläche (Bezugsmasse) der Mikrostreifenleitung vergrößert wird, muss die Leiterbahnbreite der Mikrostreifenleitung jedoch erhöht werden, um die Impedanz gleich zu halten. Folglich wird in einem solchen Fall mehr Fläche auf dem Substrat durch die Mikrostreifenleitung beansprucht. Insbesondere bei Kopplerschaltungen, welche Mikrostreifenleitungen verwenden, besteht somit ein Bedürfnis Platz auf einer Platine zu sparen. Folglich ist kommen die Vorteile der Erfindung insbesondere bei der Verwendung von Mikrostreifenleitungen zum Tragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung jeweils einen SPDT-Halbleiterschalter (SPDT für "Single Pole Double Throw", also ein Wechselschalter), ein mechanisches Schaltrelais oder eine PIN-Diode. Insbesondere ist die Sendeleistung der Antennenanordnung von der Art der Schaltvorrichtung abhängig und/oder durch diese begrenzt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kopplereingänge mit einem DPDT-Schalter verbunden (DPDT für "Double Pole Double Throw", also ein doppelter Wechselschalter), welcher ausgebildet ist, den Signaleingang mit dem ersten Kopplereingang oder dem zweiten Kopplereingang zu koppeln und den jeweils anderen Kopplereingang gegen Masse kurzzuschließen. Wenn der Signaleingang mit dem ersten Kopplereingang verbunden ist, wird das Eingangssignal in dem Entkopplungsmodus an den ersten Kopplerausgang weitergeleitet und der zweite Kopplerausgang wird isoliert. Wenn hingegen der Signaleingang mit dem zweiten Kopplereingang verbunden ist, wird das Eingangssignal in dem Entkopplungsmodus an den zweiten Kopplerausgang weitergeleitet und der erste Kopplerausgang wird isoliert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antennenanordnung ferner eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, den DPDT-Schalter, die erste Schaltvorrichtung und/oder die zweite Schaltvorrichtung selektiv zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung ist somit in der Lage, die Kopplerschaltung in die unterschiedlichen Betriebsmodi, d.h. Kopplungsmodus, Entkopplungsmodus oder Teil-Kopplungsmodus, zu versetzen. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung abhängig von einem Empfangsergebnis der Antenne den Betriebsmodus der Kopplerschaltung automatisch anpassen, d.h. von einer linearen Polarisation zu einer zirkularen oder elliptischen Polarisation wechseln und umgekehrt. Ferner kann die Steuerungsvorrichtung die jeweiligen Schaltvorrichtungen abhängig von der Amplitude des Eingangssignals steuern. Bei einer hohen Amplitude des Eingangssignals kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die Kopplerschaltung in einem Kopplungsmodus zu betreiben, da die Aufteilung des Eingangssignals und der damit einhergehende Verlust der Sendeleistung vertretbar ist, um im Gegenzug eine größere Anzahl an potenziellen Empfängern des Sendesignals der Antenne zu erreichen. Umgekehrt kann es bei einer kleinen Amplitude des Eingangssignals sinnvoll sein, die Kopplerschaltung in dem Entkopplungsmodus zu betreiben, um eine höhere Sendeleistung des Sendesignals der Antenne zu erreichen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kopplerschaltung, die umfasst:
    • einen mit einem ersten Knotenpunkt verbunden ersten Kopplereingang;
    • einen mit einem zweiten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplereingang;
    • einen mit einem dritten Knotenpunkt verbundenen ersten Kopplerausgang; und
    • einen mit einem vierten Knotenpunkt verbundenen zweiten Kopplerausgang,
    • wobei der erste und dritte Knotenpunkt über eine erste Leitung miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    • wobei der zweite und vierte Knotenpunkt über eine dritte Leitung miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    • wobei der erste und zweite Knotenpunkt über eine zweite Leitung mittels einer ersten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind,
    • wobei der dritte und vierte Knotenpunkt über eine vierte Leitung mittels einer zweiten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation, welches umfasst, dass:
    • ein hochfrequentes Eingangssignal an eine Kopplerschaltung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen angelegt wird,
    • eine polarisierte elektromagnetische Welle von einer mit der Kopplerschaltung verbundenen Antenne ausgesendet wird,
    • wobei durch Umschalten der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung der Kopplerschaltung die Art der Polarisation der elektromagnetischen Welle geändert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen RFID-Reader (RFID für Radio Frequency Identification), umfassend eine Antennenanordnung der hierin erläuterten Art. Der RFID-Reader umfasst eine Auswerteeinheit, die Auslesesignale in Form von Eingangssignalen an den Signaleingang der Antennenanordnung sendet, um Funksignale an RFID-Tags zu senden, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, von RFID-Tags ausgesandte und über die Antennenanordnung empfangene Signale auszuwerten.
  • Die Ausführungen zur Antennenanordnung gelten für die Kopplerschaltung, den RFID-Reader und für das Verfahren entsprechend. Dies gilt insbesondere hinsichtlich Ausführungsformen und Vorteilen.
  • Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1A und 1B
    eine Kopplerschaltung in einem Kopplungsmodus und einem Entkopplungsmodus;
    Fig. 2
    eine Kopplerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    Fig. 3
    eine Kopplerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    Fig. 4
    eine Kopplerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
    Fig. 5
    eine Antennenanordnung mit einer Kopplerschaltung.
  • Fig. 1A und 1B zeigen eine Kopplerschaltung 12 zur Verwendung in einer nicht gezeigten Antennenanordnung 80 zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation, wobei die Kopplerschaltung 12 in Fig. 1A im Kopplungsmodus und in Fig. 1B im Entkopplungsmodus betrieben wird.
  • Die Kopplerschaltung 12 umfasst einen mit einem ersten Knotenpunkt 16 verbunden ersten Kopplereingang 24, einen mit einem zweiten Knotenpunkt 18 verbundenen zweiten Kopplereingang 26, einen mit einem dritten Knotenpunkt 20 verbundenen ersten Kopplerausgang 28 und einen mit einem vierten Knotenpunkt 22 verbundenen zweiten Kopplerausgang 30. Der erste und dritte Knotenpunkt 16, 20 sind ferner über eine erste Leitung 32 miteinander elektrisch gekoppelt, wobei der zweite und vierte Knotenpunkt 18, 22 über eine dritte Leitung 36 miteinander elektrisch gekoppelt sind. Ferner sind der erste und zweite Knotenpunkt 18, 20 über eine zweite Leitung 34 mittels eines ersten SPDT-Schalters 40 elektrisch koppelbar, wobei der dritte und vierte Knotenpunkt 20, 22 über eine vierte Leitung 38 mittels eines zweiten SPDT-Schalters 42 elektrisch koppelbar sind.
  • Jede Leitung weist eine jeweilige Impedanz 46, 48, 50, 52 auf, wobei die Impedanzen 46, 50 der ersten Leitung 32 und der dritten Leitung 36 gleich groß sind und jeweils einen Impedanzwert von Z1 annehmen. Ferner sind die Impedanzen 48, 52 der zweiten Leitung 34 und der vierten Leitung 38 gleich groß und nehmen jeweils einen Impedanzwert von Z2 an. Für die Impedanzen Z1 und Z2 gilt die Beziehung Z1 = 0.707*Z2. Diese Dimensionierung der Impedanzen stellt sicher, dass die Amplitude der beiden Ausgangssignale der Kopplerausgänge 28, 30 im Wesentlichen gleich groß sind.
  • Jede Leitung 32, 34, 36, 38 weist ferner eine elektrische Länge auf, welche den durch die Leitung verursachten Phasenversatz des übertragenen Signals angibt. Vorliegend entspricht die elektrische Länge 54, 58 der ersten und dritten Leitung 32, 36 jeweils einer elektrischen Länge L1, welche einem Phasenversatz von 90 ° entspricht. Ferner entspricht die elektrische Länge 56, 60 der zweiten und vierten Leitung 34, 38 jeweils einer elektrischen Länge L2, wobei die elektrische Länge L2 sowie die elektrische Länge LS des ersten und zweiten SPDT-Schalters 40, 42 derart dimensioniert sind, dass die elektrische Länge L2S = L2 + LS einem Phasenversatz von 90 ° entspricht.
  • Wie in 1A und 1B gezeigt, ist der SPDT-Schalter 40 an einem der ersten Leitung 32 näheren Ende der zweiten Leitung 34 in einer unmittelbaren Nähe des ersten Knotenpunkts 16 angeordnet und die zweite der SPDT-Schalter 42 ist an einem der dritten Leitung 36 näheren Ende der vierten Leitung 38 in einer unmittelbaren Nähe des vierten Knotenpunkts 22 angeordnet.
  • Im Kopplungsmodus, welcher in Fig. 1A dargestellt ist, befinden sich die SPDT-Schalter 40, 42 in einem Kopplungszustand, d.h. die SPDT-Schalter 40, 42 sind geschlossen, und verbinden den ersten und zweiten Knotenpunkt 16, 18 über die zweite Leitung 34 sowie den dritten und vierten Knotenpunkt 20, 22 über die vierte Leitung 38. Wenn ein Eingangssignal 44 an den ersten oder zweiten Kopplereingang 24, 26 angelegt wird, wird das Eingangssignal 44 somit geteilt, sodass am ersten und zweiten Kopplerausgang 28, 30 jeweils ein Ausgangssignal anliegt, welches eine im Vergleich zum Eingangssignal 44 reduzierte Signalleistung aufweist.
  • Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Eingangssignal 44 an dem ersten Kopplereingang 24 angelegt wird, wobei für den Fall, dass das das Eingangssignal 44 an dem zweiten Kopplereingang 26 angelegt wird, die Funktionsweise der Kopplerschaltung 12 in entsprechender Weise gilt.
  • Das an dem ersten Kopplereingang 24 anliegende Eingangssignal 44 wird zum einen von dem ersten Knotenpunkt 16 über die erste Leitung 32 zu dem dritten Knotenpunkt 20 und somit an den ersten Kopplerausgang 28 geleitet, wobei das Ausgangssignal des ersten Kopplereingangs 24 in Bezug zum Eingangssignal 44 um 90 ° phasenversetzt sowie in seiner Amplitude verkleinert ist.
  • Zum anderen wird das an dem ersten Kopplereingang 24 anliegende Eingangssignal 44 über zwei unterschiedliche Pfade 43, 45 an den zweiten Kopplerausgang 30 geleitet. Über einen ersten Pfad 43, nämlich von dem ersten Knotenpunkt 16 über die zweite Leitung 34 zu dem zweiten Knotenpunkt 18 und von dem zweiten Knotenpunkt 18 über die dritte Leitung 36 zu dem vierten Knotenpunkt 22, sowie über einen zweiten Pfad 45, nämlich von dem ersten Knotenpunkt 16 über die erste Leitung 32 zu dem dritten Knotenpunkt 20 und von dem dritten Knotenpunkt 20 über die vierte Leitung 38 zu dem vierten Knotenpunkt 22, wird das Eingangssignal 44 an den zweiten Kopplerausgang 30 geleitet. Das über den ersten Pfad 43 übertragene Signal und das über den zweiten Pfad 45 übertragene Signal ist am vierten Knotenpunkt 22 in Bezug zum Eingangssignal 44 um 180° phasenversetzt bzw. in Bezug zum Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 um 90° phasenversetzt sowie in seiner Amplitude verkleinert. Das über den ersten Pfad 43 übertragene Signal und das über den zweiten Pfad 45 übertragene Signal werden am vierten Knotenpunkt 22 zusammengeführt und addiert, sodass am zweiten Kopplerausgang 30 die Addition der beiden Signale als Ausgangssignal vorliegt.
  • Das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs 30 weist ebenfalls einen Phasenversatz von 180° in Bezug zum Eingangssignal 44 bzw. um 90° in Bezug zum Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 auf. Ferner entspricht die Amplitude des Ausgangssignals des zweiten Kopplerausgangs 30 der Amplitude des Ausgangssignals des ersten Kopplerausgangs 28.
  • Die Ausgangssignale des ersten und zweiten Kopplerausgangs 28, 30 können im Kopplungsmodus anschließend dazu verwendet werden, über Speisepunkte 92, 94, 96, 98 einer nicht gezeigten Patchantenne 64 in die Patchantenne 64 eingespeist zu werden, um eine zirkular oder elliptisch polarisierte RF-Welle zu erzeugen und auszusenden.
  • Im Entkopplungsmodus, welcher in Fig. 1B dargestellt ist, befinden sich die SPDT-Schalter 40, 42 in einem Entkopplungszustand, d.h. die SPDT-Schalter 40, 42 sind offen, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt 16, 18 über die zweite Leitung 34 sowie zwischen dem dritten und vierten Knotenpunkt 20, 22 über die vierte Leitung 38 unterbrochen ist. Wenn ein Eingangssignal 44 an den ersten oder zweiten Kopplereingang 24, 26 angelegt wird, wird das Eingangssignal 44 somit nunmehr nicht geteilt, sondern von dem ersten Knotenpunkt 16 über die erste Leitung 32 zu dem dritten Knotenpunkt 20 und somit an den ersten Kopplerausgang 28 geleitet, wobei das Ausgangssignal des ersten Kopplereingangs 28 in Bezug zum Eingangssignal 44 um 90 ° phasenversetzt sowie in seiner Amplitude verkleinert ist. Der zweite Kopplerausgang 30 ist somit isoliert, d.h. es wird kein Ausgangssignal über den zweiten Kopplerausgang 30 ausgegeben.
  • Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 kann im Entkopplungsmodus dazu verwendet werden, um über Speisepunkte 92, 94, 96, 98 der nicht gezeigten Patchantenne 64 in die Patchantenne 64 eingespeist zu werden, um eine linearpolarisierte RF-Welle zu erzeugen und auszusenden.
  • Fig. 2 bis 4 zeigen weitere Ausführungsformen der Kopplerschaltung 12, wobei die Kopplerschaltung 12 der Einfachheit halber nur im Kopplungsmodus dargestellt wird.
  • Fig. 2 zeigt eine Kopplerschaltung 12, welche sich von der Kopplerschaltung 12 der Fig. 1A dahingehend unterscheidet, dass die SPDT-Schalter 40, 42 in Fig. 2 entlang der zweiten Leitung 34 bzw. der vierten Leitung 38 mittiger als in Fig. 1A angeordnet sind. Der erste SPDT-Schalter 40 ist dabei zwischen einer ersten Subleitung 66 der zweiten Leitung 34 und einer zweiten Subleitung 68 der zweiten Leitung 34 angeordnet und der zweite SPDT-Schalter 42 ist zwischen einer ersten Subleitung 70 der vierten Leitung 38 und einer zweiten Subleitung 72 der vierten Leitung 38 angeordnet.
  • Fig. 3 zeigt eine Kopplerschaltung 12, welche sich von der Kopplerschaltung 12 der Fig. 2 dahingehend unterscheidet, dass der erste und zweite SPDT-Schalter 40, 42 in dem Entkopplungszustand die erste Subleitung 66, 70 der zweiten bzw. vierten Leitung 34, 38 mit einer Masseleitung 74 verbinden, welcher mit Masse verbunden ist, wobei eine Impedanz 76 der Masseleitung 74 einen Impedanzwert ZM aufweist.
  • Fig. 4 zeigt eine Kopplerschaltung 12, welche sich von der Kopplerschaltung 12 der Fig. 2 dahingehend unterscheidet, dass der erste und zweite SPDT-Schalter 40, 42 in dem Entkopplungszustand die erste Subleitung 66, 70 der zweiten bzw. vierten Leitung 34, 38 mit einer zusätzlichen Leitung mit offenem Ende 78 verbindet.
  • Das zusätzliche Leitungselement der Fig. 3 und 4, d.h. die Masseleitung 74 und die zusätzliche Leitung mit offenem Ende 78, kann im Entkopplungsmodus die Übertragungsdämpfung, d.h. die Isolation des zweiten Kopplerausgangs 30, optimieren, da Fehlanpassungen der Kopplerschaltung hierdurch kompensiert werden können.
  • Fig. 5 zeigt eine Antennenanordnung 80, insbesondere eine RFID-Antennenanordnung, mit einer Kopplerschaltung 12 zum Empfangen und Senden von RF-Wellen verschiedener Polarisation. Die Antennenanordnung 80 umfasst einen Signaleingang 82 mit einem hochfrequenten Eingangssignal 44, wobei der Signaleingang 82 mit einem DPDT-Schalter 84 verbunden ist, welcher den Signaleingang 82 mit einem ersten Kopplereingang 24 der Kopplerschaltung 12 koppelt und einen zweiten Kopplereingang 26 der Kopplerschaltung 12 mit Masse verbindet. Alternativ kann der DPDT-Schalter 84 den Signaleingang 82 auf den zweiten Kopplereingang 26 schalten und den ersten Kopplereingang 24 mit Masse verbinden, wobei hierdurch, d.h. in Abhängigkeit der Schalterstellung des DPDT-Schalters 84, beispielsweise der Polarisationswinkel und/oder die Polarisationsrichtung der RF-Welle verändert werden kann.
  • Die in Fig. 5 gezeigte Kopplerschaltung 12 entspricht der Kopplerschaltung 12 der Fig. 1A bzw. 1B. Wie bereits vorstehend beschrieben kann die Kopplerschaltung 12 im Kopplungsmodus oder im Entkopplungsmodus betrieben werden. In Fig. 5 wird die Kopplerschaltung 12 im Kopplungsmodus betrieben, sodass an dem ersten Kopplerausgang 28 ein Ausgangssignal an einen ersten Antennenkoppler 85 ausgegeben wird, welcher das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 teilt und die geteilten Signale über jeweilige Zuführleitungen 80 einem ersten Speisepunkt 92 und einem dem ersten Speisepunkt 92 gegenüberliegenden dritten Speisepunkt 96 zuführt. Ferner wird an dem zweiten Kopplerausgang 30 ein Ausgangssignal an einen zweiten Antennenkoppler 86 ausgegeben, welcher das Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs 30 teilt und die geteilten Signale über jeweilige Zuführleitungen 90 einem zweiten Speisepunkt 94 und einem dem zweiten Speisepunkt 94 gegenüberliegenden vierten Speisepunkt 98 zuführt. Der Phasenversatz zwischen dem Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 und dem Ausgangssignal des zweiten Kopplerausgangs 30 entspricht dabei 90°, während die Amplituden der beiden Signale im Wesentlichen gleich groß sind. Insbesondere sind die Zuführungsleitungen 88 des ersten und dritten Speisepunkts 92, 96 um 90 ° zu den Zuführungsleitungen 90 des zweiten und vierten Speisepunkts 94, 98 versetzt angeordnet, wodurch die resultierende RF-Welle zirkulär oder elliptisch polarisiert wird.
  • Wenn die Kopplerschaltung 12 in dem Entkopplungsmodus betrieben wird, wird das Eingangssignal 44 nicht geteilt, sondern von dem ersten Knotenpunkt 16 über die erste Leitung 32 zu dem dritten Knotenpunkt 20 und zu dem ersten Kopplerausgang 28 geleitet. Der zweite Kopplerausgang 30 ist dann isoliert, d.h. es wird kein Ausgangssignal über den zweiten Kopplerausgang 30 ausgegeben. Das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 wird wie bereits im Kopplungsmodus an den ersten Antennenkoppler 85 ausgegeben, welcher das Ausgangssignal des ersten Kopplerausgangs 28 teilt und die geteilten Signale über die jeweilige Zuführleitungen 88 dem ersten Speisepunkt 92 und dem dritten Speisepunkt 96 zuführt. Über den zweiten und vierten Speisepunkt 94, 98 werden keine Signale eingespeist, sodass die resultierende RF-Welle linear polarisiert wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 12
    Kopplerschaltung
    14
    Antennenanordnung
    16
    erster Knotenpunkt
    18
    zweiter Knotenpunkt
    20
    dritter Knotenpunkt
    22
    vierter Knotenpunkt
    24
    erster Kopplereingang
    26
    zweiter Kopplereingang
    28
    erster Kopplerausgang
    30
    zweiter Kopplerausgang
    32
    erste Leitung
    34
    zweite Leitung
    36
    dritte Leitung
    38
    vierte Leitung
    40
    erster SPDT-Schalter
    42
    zweiter SPDT-Schalter
    43
    erster Pfad
    44
    Eingangssignal
    45
    zweiter Pfad
    46
    Impedanz der ersten Leitung
    48
    Impedanz der zweiten Leitung
    50
    Impedanz der dritten Leitung
    52
    Impedanz der vierten Leitung
    54
    elektrische Länge der ersten Leitung
    56
    elektrische Länge der zweiten Leitung
    58
    elektrische Länge der dritten Leitung
    60
    elektrische Länge der vierten Leitung
    64
    Patchantenne
    66
    erste Subleitung der zweiten Leitung
    68
    zweite Subleitung der zweiten Leitung
    70
    erste Subleitung der vierten Leitung
    72
    zweite Subleitung der vierten Leitung
    74
    Masseleitung
    76
    Impedanz der Masseleitung
    78
    zusätzliche Leitung mit offenem Ende
    79
    Impedanz der zusätzlichen Leitung mit offenem Ende
    80
    Antennenanordnung
    82
    Signaleingang
    84
    DPDT-Schalter
    85
    erster Antennenkoppler
    86
    zweiter Antennenkoppler
    88,90
    Zuführleitungen
    92
    erster Speisepunkt
    94
    zweiter Speisepunkt
    96
    dritter Speisepunkt
    98
    vierter Speisepunkt

Claims (15)

  1. Antennenanordnung (80), insbesondere RFID-Antennenanordnung, zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation, umfassend:
    eine Antenne, die zumindest zwei voneinander beabstandet angeordnete Speisepunkte (92, 94, 96, 98) aufweist, wobei die Antenne ausgebildet ist,
    eine polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden;
    einen Signaleingang (82) für ein hochfrequentes Eingangssignal (44);
    eine mit dem Signaleingang (82) gekoppelte Kopplerschaltung (12), welche umfasst:
    einen mit einem ersten Knotenpunkt (16) verbunden ersten Kopplereingang (24);
    einen mit einem zweiten Knotenpunkt (18) verbundenen zweiten Kopplereingang (26);
    einen mit einem dritten Knotenpunkt (20) verbundenen ersten Kopplerausgang (28); und
    einen mit einem vierten Knotenpunkt (22) verbundenen zweiten Kopplerausgang (30),
    wobei der erste und dritte Knotenpunkt (16, 20) über eine erste Leitung (32) miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    wobei der zweite und vierte Knotenpunkt (18, 22) über eine dritte Leitung (36) miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    wobei der erste und zweite Knotenpunkt (16, 18) über eine zweite Leitung (34) mittels einer ersten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind, wobei der dritte und vierte Knotenpunkt (20, 22) über eine vierte Leitung (38) mittels einer zweiten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind, wobei der Signaleingang (82) mit dem ersten Kopplereingang (24) oder mit dem zweiten Kopplereingang (26) koppelbar ist, wobei der erste und zweite Kopplerausgang (28, 30) jeweils mit einem oder mehreren Speisepunkten (92, 94, 96, 98) der Antenne verbunden sind.
  2. Antennenanordnung (80) nach Anspruch 1,
    wobei die Kopplerschaltung (12) in einem Entkopplungsmodus und in einem Kopplungsmodus betreibbar ist,
    wobei die Kopplerschaltung (12) in dem Entkopplungsmodus derart ausgebildet ist, dass die erste und zweite Schaltvorrichtung in einem Entkopplungszustand betrieben werden, sodass der Signaleingang (82) nur mit dem ersten oder zweiten Kopplerausgang (30) verbunden ist, wobei die Antenne in dem Entkopplungsmodus ausgebildet ist, eine linearpolarisierte elektromagnetische Welle auszusenden,
    wobei die Kopplerschaltung (12) in einem Kopplungsmodus derart ausgebildet ist, dass die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in einem Kopplungszustand betrieben werden, sodass der Signaleingang (82) mit dem ersten und zweiten Kopplerausgang (30) verbunden ist, wobei die Antenne in dem Kopplungsmodus ausgebildet ist, eine zirkularpolarisierte oder elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden.
  3. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Länge (54) der ersten Leitung (32) im Wesentlichen einer elektrischen Länge (58) der dritten Leitung (36) entspricht, wobei die elektrische Länge (54, 58) der ersten und/oder dritten Leitung (36) jeweils einer elektrischen Länge L1 entspricht,
    eine elektrische Länge (56) der zweiten Leitung (34) im Wesentlichen einer elektrischen Länge (60) der vierten Leitung (38) entspricht, wobei die elektrische Länge (56, 60) der zweiten und/oder vierten Leitung (38) jeweils einer elektrischen Länge L2 entspricht,
    wobei eine elektrische Länge der ersten Schaltvorrichtung im Wesentlichen einer elektrischen Länge der zweiten Schaltvorrichtung entspricht, wobei die elektrische Länge der ersten und zweiten Schaltvorrichtung jeweils einer elektrischen Länge LS entspricht,
    wobei ein durch die elektrischen Längen L2 und LS gemeinsam verursachter Phasenversatz L2S im Wesentlichen einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von 90 ° entspricht.
  4. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und dritte Leitung (32, 36) jeweils eine erste Impedanz aufweisen, wobei die zweite und vierte Leitung (34, 38) jeweils eine zweite Impedanz aufweisen, wobei die erste Impedanz und die zweite Impedanz derart ausgewählt sind, dass an dem ersten Kopplerausgang (28) und an dem zweiten Kopplerausgang (30) Ausgangssignale mit im Wesentlichen gleicher Amplitude ausgegeben werden.
  5. Antennenanordnung (80) nach Anspruch 2,
    wobei die Kopplerschaltung (12) in einem Teil-Kopplungsmodus betreibbar ist, in dem die erste Schaltvorrichtung in dem Kopplungszustand und die zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand betrieben werden oder umgekehrt,
    wobei die Antenne dazu ausgebildet ist, in dem Teil-Kopplungsmodus eine elliptisch-polarisierte elektromagnetische Welle auszusenden.
  6. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schaltvorrichtung an einem der ersten Leitung (32) näheren Ende der zweiten Leitung (34) angeordnet ist und die zweite Schaltvorrichtung an einem der dritten Leitung (36) näheren Ende der vierten Leitung (38) angeordnet ist oder die erste Schaltvorrichtung an einem der dritten Leitung (36) näheren Ende der zweiten Leitung (34) angeordnet ist und die zweite Schaltvorrichtung an einem der ersten Leitung (32) näheren Ende der vierten Leitung (38) angeordnet ist.
  7. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schaltvorrichtung zwischen einer ersten Subleitung (66) der zweiten Leitung (34) und einer zweiten Subleitung (68) der zweiten Leitung (34) angeordnet ist und/oder wobei die zweite Schaltvorrichtung zwischen einer ersten Subleitung (70) der vierten Leitung (38) und einer zweiten Subleitung (72) der vierten Leitung (38) angeordnet ist.
  8. Antennenanordnung (80) nach Anspruch 7,
    wobei die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand dazu ausgebildet ist, die jeweilige erste oder zweite Subleitung (66, 68, 70, 72) mit einer Masseleitung (74) zu verbinden.
  9. Antennenanordnung (80) nach Anspruch 7,
    wobei die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung in dem Entkopplungszustand dazu ausgebildet ist, die jeweilige erste oder zweite Subleitung (66, 68, 70, 72) mit einer zusätzlichen Leitung mit offenem Ende (78) zu verbinden.
  10. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungen Mikrostreifenleitungen, koplanare Leitungen, Stripline-Leitungen, Hohlleiter und/oder koaxiale Leitungen umfassen.
  11. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung jeweils einen SPDT-Halbleiterschalter (40, 42), ein mechanisches Schaltrelais oder eine PIN-Diode umfassen.
  12. Antennenanordnung (80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kopplereingänge (24, 26) mit einem DPDT-Schalter (84) verbunden sind, welcher ausgebildet ist, den Signaleingang (82) mit dem ersten Kopplereingang (24) oder dem zweiten Kopplereingang (26) zu koppeln und den jeweils anderen Kopplereingang (26, 24) gegen Masse kurzzuschließen.
  13. Antennenanordnung (80) nach Anspruch 12,
    ferner umfassend eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, den DPDT-Schalter (84), die erste Schaltvorrichtung und/oder die zweite Schaltvorrichtung selektiv zu steuern.
  14. Kopplerschaltung (12), umfassend:
    einen mit einem ersten Knotenpunkt (16) verbunden ersten Kopplereingang (24);
    einen mit einem zweiten Knotenpunkt (18) verbundenen zweiten Kopplereingang (26);
    einen mit einem dritten Knotenpunkt (20) verbundenen ersten Kopplerausgang (28); und
    einen mit einem vierten Knotenpunkt (22) verbundenen zweiten Kopplerausgang (30),
    wobei der erste und dritte Knotenpunkt (16, 20) über eine erste Leitung (32) miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    wobei der zweite und vierte Knotenpunkt (18, 22) über eine dritte Leitung (36) miteinander elektrisch gekoppelt sind,
    wobei der erste und zweite Knotenpunkt (16, 18) über eine zweite Leitung (34) mittels einer ersten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind, wobei der dritte und vierte Knotenpunkt (20, 22) über eine vierte Leitung (38) mittels einer zweiten Schaltvorrichtung elektrisch koppelbar sind.
  15. Verfahren zum Senden von elektromagnetischen Wellen verschiedener Polarisation, welches umfasst, dass:
    ein hochfrequentes Eingangssignal (44) an eine Kopplerschaltung (12) nach Anspruch 14 angelegt wird,
    eine polarisierte elektromagnetische Welle von einer mit der Kopplerschaltung (12) verbundenen Antenne ausgesendet wird,
    wobei durch Umschalten der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung der Kopplerschaltung (12) die Art der Polarisation der elektromagnetischen Welle geändert wird.
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