WO2005096433A2 - Eingebettete planare antenne und dazugehöriges abstimmungverfahren - Google Patents

Eingebettete planare antenne und dazugehöriges abstimmungverfahren Download PDF

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WO2005096433A2
WO2005096433A2 PCT/EP2005/003184 EP2005003184W WO2005096433A2 WO 2005096433 A2 WO2005096433 A2 WO 2005096433A2 EP 2005003184 W EP2005003184 W EP 2005003184W WO 2005096433 A2 WO2005096433 A2 WO 2005096433A2
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substrate layer
antenna
dielectric substrate
antenna according
radiation surface
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PCT/EP2005/003184
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Gerald Schillmeier
Frank Mierke
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Kathrein-Werke Kg
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Publication of WO2005096433A3 publication Critical patent/WO2005096433A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the invention relates to an antenna of the planar type, in particular a patch antenna, and to a method for producing such an antenna.
  • Patch antennas are known from the prior art. Such antennas include at least one electrically conductive radiation surface, which are arranged opposite a ground surface. A dielectric substrate is provided between the ground surface and the radiation surface. The radiation surface is connected to a feed line and emits an electromagnetic field when an AC voltage is applied to the feed line.
  • the publication WO 03/079 488 A2 shows a patch antenna with a lower radiation area and an upper radiation area, the upper radiation area having a smaller size than the lower radiation area. Between the lower radiation area and the mass area of the antenna there is a first dielectric substrate layer with a low dielectric constant and between the lower and the upper radiation area there is a second dielectric substrate layer with a high dielectric constant.
  • the object of the invention is therefore to provide an antenna of planar design, in particular a patch antenna, which can be easily matched to desired radiation characteristics. It is also an object of the invention to provide a corresponding manufacturing method for such an antenna.
  • a second dielectric substrate layer with a second relative dielectric constant is located on the electrically conductive radiation surface of the antenna according to the invention as the top layer of the antenna, the second relative dielectric constant being greater than or equal to the first relative dielectric constant is provided between the ground surface and the radiation surface of the first dielectric substrate layer.
  • the invention is based on the finding that the radiation characteristic of the antenna can be influenced in an advantageous manner by using a second substrate layer with a high relative dielectric constant. As a result, the antenna can be matched to desired radiation characteristics in a simple manner.
  • the second dielectric substrate layer can not only take on the function of a protective layer, but can also be used to tune the antenna.
  • the first relative dielectric constant is chosen between 1 and 8.
  • the second relative dielectric constant is preferably chosen between 4 and 20.
  • the thickness of the first dielectric substrate layer is greater than or equal to the thickness of the second dielectric substrate layer.
  • the thickness of the second dielectric substrate layer is greater than 10% of the thickness of the first dielectric substrate layer, in particular greater than 20%, preferably greater than 30%, particularly preferably greater than 40% or greater than 60% or greater than 80%. Furthermore, the thickness of the second substrate layer is preferably less than 200% of the thickness of the first substrate layer, in particular less than 100% or less than 80% or less than 60%.
  • the first and / or second dielectric substrate layer and / or the radiation surface and / or the ground surface are preferably circular or a polygon in a plan view of the antenna.
  • the first and the second dielectric substrate layer can have different sizes in a plan view of the antenna, and the edge of the first dielectric substrate layer can run in the axial section obliquely to the axial axis.
  • the radiation characteristics are also influenced by the measures just mentioned.
  • the feed line is arranged in an opening extending through the ground surface and the first dielectric substrate layer and is connected at one end to the radiation surface at a contact point.
  • the first and / or second dielectric substrate layer and / or the radiation area comprises one or more cutouts which expose a partial area of the radiation area in plan view or at least partially extend through the radiation area.
  • cutouts creates a further possibility with which a patch antenna can be tuned in a simple manner.
  • material can be removed from the different layers of the antenna, the removal of material being continued until the desired tuning is achieved.
  • at least one of the cutouts is open on one side, the open side lying on an edge of the antenna in plan view. The length of the open side is at least 1/20 and at most half the total length of the edge.
  • the open side of at least one recess is arranged essentially in a central region of the edge of the antenna, the recess extending from the open side into the interior of the antenna in a plan view.
  • at least one recess can be arranged in a top view in a corner area of the antenna.
  • At least one recess extends in the direction of the axial axis through the second substrate layer to the radiation surface, the recess being arranged in a plan view above the end of the electrical feed line.
  • the antenna comprises a multilayer structure, i. H. that a plurality of superimposed first and second dielectric substrate layers and radiation surfaces lying between them are provided.
  • the antenna according to the invention is preferably produced using a production method which has the following steps: * a) a first dielectric substrate layer with a first relative dielectric constant is arranged on an electrically conductive ground plane;
  • an electrically conductive radiation surface is arranged on the first dielectric substrate layer and electrically connected to one end of an electrically conductive feed line;
  • a second dielectric substrate layer with a second relative dielectric constant is arranged on the radiation surface as the uppermost layer of the antenna, the second relative dielectric constant being greater than or equal to the first relative dielectric constant.
  • one or more cutouts are provided in the first and / or second dielectric substrate layer and / or in the radiation area after carrying out steps a) to c). In this way, the radiation properties of the antenna can easily be changed at the end of the manufacturing process.
  • FIG. 1 shows a plan view of an embodiment of the antenna according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view taken along line II the antenna of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a sectional view analogous to FIG. 2 of a further embodiment of the antenna according to the invention
  • FIG. 4 shows a sectional view analogous to FIG. 2 of a further modification of the antenna according to the invention
  • Figure 5 is a plan view of an embodiment of the antenna according to the invention with a recess at the edge of the antenna;
  • FIG. 5A shows a sectional view of the cutout shown in FIG. 5 along the line II-II in FIG. 5;
  • Figure 5B is a sectional view analogous to Figure 5A, showing an alternative embodiment of the recess in the antenna;
  • Figure 6 is a plan view of an embodiment of the antenna according to the invention with a recess in the corner area of the antenna;
  • FIG. 7 a plan view of a further embodiment of the antenna according to the invention with a circular recess in the interior of the antenna;
  • FIG. 8 a cross-sectional representation corresponding to FIG. 2 with explanation of the Connection of a coaxial line.
  • FIG. 1 shows a plan view of an embodiment of such a patch antenna.
  • a rectangular patch surface 4 the edge of which is indicated by dotted lines, is connected on the underside to a feed line 5 running perpendicular to the patch surface. It is also conceivable that the feed line does not run perpendicular to the patch surface, but rather at an angle to it.
  • the top of the patch surface is covered by a rectangular substrate surface 6, which protrudes beyond the patch surface 4.
  • FIG. 2 shows a sectional view along the line II of the patch antenna of FIG. 1. It can be seen that the antenna has a plurality of layers arranged one above the other along an axial axis A. The lowest layer is an electrically conductive ground plane 2 on which a first dielectric substrate layer 3 is ⁇ On this layer 3 is applied, the electrically conductive patch surface 4 which is connected to the end 5a of the electrically conducting feed line. 5 The feed line is arranged in an opening 7 extending through the ground surface 2 and the first substrate layer 3 and contacts the underside of the patch surface 4. Highly conductive material, such as copper, is used as the material for the patch surface 4.
  • the dielectric substrate layer 6, which is referred to below as the second dielectric substrate layer, is located above the patch surface.
  • the thickness hl of the first dielectric substrate layer 3 is preferably 2 to 10 millimeters and the thickness h2 of the second dielectric substrate layer 6 is preferably 0.5 to 5 millimeters.
  • the thickness h2 is preferably greater than 10% of the thickness h1, in particular greater than 20%, preferably greater than 30%, particularly preferably greater than 40% or greater than 60% or greater than 80%.
  • the thickness h2 is preferably less than 200% of the thickness h1, in particular less than 100% or less than 80% or less than 60%. Electrical voltage is applied to the feed line 5, the patch surface 4 acting as a resonator and emitting an electromagnetic field.
  • the second dielectric substrate layer 6 is only provided for protection and is not intended to influence the electrical properties of the patch antenna.
  • a material with a very small relative dielectric constant is therefore chosen as the material for the second substrate layer.
  • a material with a high dielectric constant is selected for the second dielectric substrate layer, which is at least as large as the dielectric constant of the first dielectric substrate layer 3.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a further embodiment of a patch antenna according to the invention.
  • the 3 essentially corresponds to the patch antenna of FIG. 2 with the difference that the width d2 of the second dielectric substrate layer is less than the width d1 of the first dielectric substrate layer.
  • the radiation characteristics of the patch antenna can also be influenced in this way.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the patch antenna according to the invention in a sectional view, a further fine-tuning of the radiation characteristic being carried out by the fact that the top and bottom of the first dielectric substrate layer 3 are not of the same size, so that an oblique between the bottom and top Edge 3a runs at an angle to the underside.
  • FIG. 5 shows a plan view of an embodiment of the patch antenna according to the invention, in which the radiation properties of the antenna are further influenced by a cutout 8, the cutout extending from the top of the second dielectric substrate layer to the top of the patch surface 4 ,
  • the recess 8 has an open side 8a, which coincides with a part of the upper edge la of the patch antenna.
  • the width al of the recess is preferably at least 1/20 of the total length of the upper edge la and preferably at most half of the total length of the upper edge la.
  • the length bl of the recess is chosen so that at least a part of the patch surface 4 is exposed.
  • the area of the upper side of the patch surface that is exposed through the cutout 8 is indicated by hatching.
  • FIG. 5 shows a plan view of an embodiment of the patch antenna according to the invention, in which the radiation properties of the antenna are further influenced by a cutout 8, the cutout extending from the top of the second dielectric substrate layer to the top of the patch surface 4
  • FIG. 5A shows a sectional view of the cutout shown in FIG. 5 along the line II-II. It can be seen in particular that only material of the second layer 6 has been removed for the cutout, to the top of the patch surface 4. The bottom of the cutout is thus covered by material of the layer 6 on the left edge and by the patch surface 4 on the right Edge formed. It is also conceivable that material of the patch surface 4 and further material of the layer 6 are removed for the recess. As shown in FIG. 5B, the entire material of layer 6 and patch surface 4 can be removed, for example, so that the bottom of the recess consists of material of layer 3. Likewise, the recess can only or additionally extend into the layer 3, so that, for. B. the underside of the patch surface 4 is exposed.
  • FIG. 6 shows a plan view of a further embodiment of a patch antenna according to the invention, the radiation characteristic being influenced by a cutout 8 in the upper left corner of the patch antenna.
  • the recess is essentially triangular and two sides of the recess coincide with edges of the antenna.
  • the lengths a2 and b2 of the sides of the triangle are selected such that the cutout exposes at least part of the patch surface 4, the exposed part again being indicated by hatching.
  • the cutouts are provided in the second dielectric layer 6 in the embodiments of FIGS. 5 and 6, it is also conceivable that the cutouts also extend into the patch surface and the first dielectric layer 3. Furthermore, the recesses be provided exclusively in the first dielectric layer and / or the patch surface. It is only decisive that the cutouts are designed in such a way that part of the top or bottom of the patch surface is exposed or part of the patch surface is removed.
  • FIG. 7 shows a further variant of the patch antenna according to the invention in plan view, the cutout 8 being arranged in the inner region of the cross section of the patch surface 4 and extending through the second dielectric layer 6 to the top of the patch surface 4.
  • the area of the patch surface exposed by the cutout is again shown hatched.
  • the cutout was chosen so that it lies above the feed line 5 in plan view. This position changes the radiation characteristics of the patch antenna particularly effectively.
  • a patch antenna is first produced which has continuous first and second dielectric substrate layers and a continuous patch surface.
  • Appropriate recesses in the dielectric substrate layers or in the patch area are only provided at the end of the production process.
  • the cutouts are preferably made successively and it is always checked in intermediate steps how the radiation characteristic has changed. This process is ended as soon as the desired radiation characteristics have been reached. For example, a recess 8 is initially only provided in such a way that only the patch surface is exposed. If this does not sufficiently change the radiation properties of the patch antenna, additional material from the patch surface itself, if necessary a whole partial area can be cut out of the patch surface and the cutout can continue into the first dielectric substrate layer.
  • FIG. 8 shows a representation corresponding to FIG. 2.
  • a coaxial connecting line 21 is shown in FIG. 8, namely with an inner conductor 21a and an outer conductor 21b.
  • the electrically conductive outer conductor 21b is guided at least to the lower ground surface 2 and there is electrically-galvanically contacted, usually soldered, to the ground surface 2 at a point 23 (circumferentially on the outer circumference of the outer conductor).
  • the inner conductor 21a can protrude beyond the end of the outer conductor 21b and thus lead beyond the ground surface 2.
  • the inner conductor 21a can be electrically-galvanically connected to the patch surface 4 at its upper end 5a at a point 25 (also usually soldered on here).
  • the inner conductor 21a merges into the so-called feed line 5 according to FIGS. 1 to 7.
  • the feed line 5 can extend from the upper patch surface 4 through the channel-shaped opening 7 extending through the substrate layer 3 and be electrically connected at the lower end, for example, to the inner conductor 21a of the coaxial line 21.
  • a coaxial connection can also be provided, particularly at the level of the lower ground surface 2, the outer conductor of which is connected to the ground surface 2 and the inner conductor of which is connected to the feed line 5. So can a corresponding coaxial cable 21 is connected to this coaxial connection, for which purpose the coaxial cable 21 is then preferably also equipped at its end with a coaxial connector in order to be connected to the coaxial cable connection provided on the antenna device.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Eine verbesserte Antenne nach planarer Bauart, insbesondere eine Patch-Antenne (1) umfasst folgende Merkmale: eine elektrisch leitende Massefläche (2); eine auf der Massefläche (2) angeordnete erste dielektrische Substratschicht (3) mit einer ersten relativen Dielektrizitätskonstanten; wenigstens eine auf der ersten dielektrischen Substratschicht (3) angeordnete elektrisch leitende Strahlungsfläche (4), die mit einem Ende (5a) einer elektrisch leitenden Speiseleitung (5) elektrisch verbunden ist; wenigstens eine auf der Strahlungsfläche (4) angeordnete zweite dielektrische Substratschicht (6) mit einer zweiten relativen Dielektrizitätskonstanten; die zweite relative Dielektrizitätskonstante ist größer oder gleich der ersten relativen Dielektrizitätskonstanten.

Description

Antenne nach planarer Bauart
Die Erfindung betrifft eine Antenne nach planarer Bauart, insbesondere eine Patch-Antenne, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Antenne.
Patch-Antennen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Antennen umfassen wenigstens eine elektrisch lei- tende Strahlungsfläche, die gegenüber einer Massefläche angeordnet sind. Zwischen Massefläche und Strahlungsfläche ist ein dielektrisches Substrat vorgesehen. Die Strahlungsfläche ist mit einer Speiseleitung verbunden und strahlt ein elektromagnetisches Feld ab, wenn an die Spei- seleitung eine Wechselspannung angelegt wird.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zusätzlich zu der zwischen Massefläche und Strahlungsfläche vorgesehenen dielekrischen Substratschicht eine weitere Substratschicht zum Schutz der Strahlungsfläche auf deren Oberseite aufzubringen. Es soll hierbei die Strahlungscharakteristik der Patch-Antenne nicht verändert werden, so dass für die weitere Substratschicht Materialien mit kleinen relativen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Patch-Antennen erweist es sich als nachteilhaft, dass die Antennen oft nicht auf spezifische Strahlungsprofile genau abgestimmt werden können.
Die Druckschrift WO 03/079 488 A2 zeigt eine Patch-Antenne mit einer unteren Strahlungsfläche und einer oberen Strahlungsfläche, wobei die obere Strahlungsfläche eine kleinere Größe als die untere Strahlungsfläche aufweist. Zwi- sehen der unteren Strahlungsfläche und der Massenfläche der Antenne befindet sich eine erste dielektrische Substratschicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten und zwischen der unteren und der oberen Strahlungsfläche befindet sich eine zweite dielektrische Substratschicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Antenne planarer Bauart, insbesondere eine Patch-Antenne, zu schaffen, die einfach auf erwünschte Strahlungscharakteristiken abgestimmt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine solche Antenne zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Auf der elektrisch leitenden Strahlungsfläche der erfindungsgemäßen Antenne befindet sich als oberste Schicht der Antenne eine zweite dielektrische Substratschicht mit einer zweiten relativen Dielektrizitätskonstanten, wobei die zweite relative Dielektrizitätskonstante größer oder gleich der ersten relativen Dielektrizitätskonstanten der zwischen Massefläche und Strahlungsfläche vorgesehenen ersten dielektrischen Substratschicht ist. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung einer zweiten Substratschicht mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstanten die Strahlungscharakteristik der Antenne in vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann. Hierdurch kann die Antenne auf einfache Weise auf gewünschte Strahlungscharakteristiken abgestimmt werden. Insbesondere wurde erkannt, dass die zweite dielek- trische Substratschicht nicht nur die Funktion einer Schutzschicht übernehmen kann, sondern auch zur Abstimmung der Antenne eingesetzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsformen der Antenne wird die erste relative Dielektrizitätskonstante zwischen 1 und 8 gewählt. Die zweite relative Dielektrizitätskonstante wird vorzugsweise zwischen 4 und 20 gewählt.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Antenne ist die Dicke der ersten dielektrischen Substratschicht größer oder gleich der Dicke der zweiten dielektrischen Substratschicht .
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne ist die Dicke der zweiten dielektrischen Substratschicht größer als 10% der Dicke der ersten dielektrischen Substratschicht, insbesondere größer als 20%, vorzugsweise größer als 30%, besonders bevorzugt größer als 40% oder größer als 60% oder größer als 80%. Ferner ist die Dicke der zweiten Substratschicht vorzugweise kleiner als 200% der Dicke der ersten Substratschicht, insbesondere kleiner als 100% oder kleiner als 80% oder kleiner als 60%. Die erste und/oder zweite dielektrische Substratschicht und/oder die Strahlungsfläche und/oder die Massefläche sind in Draufsicht auf die Antenne vorzugsweise kreisförmig oder als Vieleck ausgestaltet. Ferner können die erste und die zweite dielektrische Substratschicht in Draufsicht auf die Antenne unterschiedliche Größen aufweisen, und der Rand der ersten dielektrischen Substratschicht kann im axialen Schnitt schräg zur axialen Achse verlaufen. Durch die soeben genannten Maßnahmen wird ebenfalls die Strah- lungscharakteristik beeinflusst.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist die Speiseleitung in einer sich durch die Massefläche und die erste dielektrische Substratschicht erstreckende Öffnung an- geordnet und an einem Ende der Öffnung mit der Strahlungsfläche an einer Kontaktstelle verbunden. Durch Variation der Position der Kontaktstelle auf der Strahlungsfläche werden ebenfalls die elektrischen Eigenschaften und die Strahlungscharakteristik der Antenne verändert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste und/oder zweite dielektrische Substratschicht und/oder die Strahlungsfläche eine oder mehrere Aussparungen, welche in Draufsicht einen Teilbereich der Strahlungsfläche freilegen oder sich wenigstens teilweise durch die Strahlungsfläche erstrecken. Durch die Anbringung solcher Aussparungen wird eine weitere Möglichkeit geschaffen, mit der auf einfache Weise eine Patch- Antenne abgestimmt werden kann. Je nach erwünschter Strah- lungscharakteristik kann aus den unterschiedlichen Schichten der Antenne Material entfernt werden, wobei die Entnahme von Material so lange fortgesetzt wird, bis die erwünschte Abstimmung erreicht ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine der Aussparungen an einer Seite offen, wobei die offene Seite in Draufsicht an einem Rand der Antenne liegt. Die Länge der offenen Seite ist hierbei wenigstens 1/20 und höchstens die Hälfte der Gesamtlänge des Randes. In einer Variante ist die offene Seite von wenigstens einer Aussparung im wesentlichen in einem mittleren Bereich des Randes der Antenne angeordnet, wobei sich die Aussparung in Draufsicht von der offenen Seite in das Innere der Antenne erstreckt. Alternativ kann wenigstens eine Aussparung in Draufsicht in einem Eckbereich der Antenne angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne erstreckt sich wenigstens eine Aussparung in Richtung der axialen Achse durch die zweite Substratschicht bis zur Strahlungsfläche, wobei die Aussparung in Draufsicht über dem Ende der elektrischen Speiseleitung angeordnet ist. Durch eine derartige Positionierung der Aussparung kann besonders effektiv die Strahlungscharakteristik verändert werden. Die oben beschriebenen Aussparungen haben in Draufsicht vorzugsweise eine n-polygonale bzw. eine kreisförmige Form.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung umfasst die Antenne eine Mehrschichtstruktur, d. h. dass mehrere übereinander liegende erste und zweite dielektrische Substratschichten und dazwischen liegende Strahlungsflächen vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Antenne wird vorzugsweise mit einem Herstellungsverfahren hergestellt, das folgende Schritte aufweist: * a) auf einer elektrisch leitenden Massefläche wird eine erste dielektrische Substratschicht mit einer ersten relativen Dielektrizitätskonstanten angeordnet;
b) auf der ersten dielektrischen Substratschicht wird eine elektrisch leitende Strahlungsfläche angeordnet und mit einem Ende einer elektrisch leitenden Speiseleitung elektrisch verbunden;
c) auf der Strahlungsfläche wird als oberste Schicht der Antenne eine zweite dielektrische Substratschicht mit einer zweiten relativen Dielektrizitätskonstanten angeordnet, wobei die zweite relative Dielektrizitätskonstante größer oder gleich der ers- ten relativen Dielektrizitätskonstanten ist.
In einer besonders bevorzugten Variante des Herstellungsverfahrens werden nach Durchführung der Schritte a) bis c) ein oder mehrere Aussparungen in der ersten und/oder zwei- ten dielektrischen Substratschicht und/oder in der Strahlungsfläche vorgesehen. Auf diese Weise können am Ende des Herstellungsprozesses einfach die Strahlungseigenschaften der Antenne verändert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen: Figur 1: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne;
Figur 2: eine Schnittansicht entlang der Linie I-I der Antenne der Figur 1;
Figur 3: eine Schnittansicht analog zu Figur 2 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne;
Figur 4: eine Schnittansicht analog zu Figur 2 einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Antenne;
Figur 5: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne mit einer Aussparung am Rand der Antenne;
Figur 5A eine Schnittansicht der in Figur 5 gezeigten Aussparung entlang der Linie II-II in Figur 5;
Figur 5B eine Schnittansicht analog zu Figur 5A, welche eine alternativen Ausführungsform der Aussparung in der Antenne zeigt;
Figur 6: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne mit einer Aussparung im Eckbereich der Antenne;
Figur 7: eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne mit einer kreisförmigen Aussparung im In- neren der Antenne; und
Figur 8 : eine zu Figur 2 entsprechende Querschnittsdarstellung unter Erläuterung des Anschlusses einer Koaxialleitung.
Bei den im nachfolgenden beschriebenen Antennen handelt es sich um sog. Patch-Antennen, bei denen eine elektromagne- tische Abstrahlung über eine Strahlungsfläche in Form einer Patchfläche erfolgt. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer solchen Patch-Antenne. Eine rechteckförmige Patchfläche 4, deren Rand mit gepunkteten Linien angedeutet ist, ist auf der Unterseite mit einer senkrecht zur Patchflache verlaufenden Speiseleitung 5 verbunden. Es ist auch denkbar, dass die Speiseleitung nicht senkrecht zur Patchfläche, sondern schräg zu dieser verläuft. Die Oberseite der Patchfläche ist von einer rechteckigen Substratfläche 6 bedeckt, die über die Patch- fläche 4 hinausragt.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie I-I der Patch-Antenne der Figur 1. Es ist ersichtlich, dass die Antenne eine Vielzahl entlang einer axialen Achse A übereinander angeordneter Schichten aufweist. Die unterste Schicht ist eine elektrisch leitende Massefläche 2, auf der sich eine erste dielektrische Substratschicht 3 befindet^ Auf dieser Schicht 3 ist die elektrisch leitende Patchfläche 4 aufgetragen, die mit dem Ende 5a der elek- trisch leitenden Speiseleitung 5 verbunden ist. Die Speiseleitung ist in einer sich durch die Massefläche 2 und die erste Substratschicht 3 erstreckende Öffnung 7 angeordnet und kontaktiert die Unterseite der Patchfläche 4. Als Material für die Patchfläche 4 wird hochleitendes Material, wie zum Beispiel Kupfer verwendet. Oberhalb der Patchfläche befindet sich die dielektrische Substratschicht 6, die im folgenden als zweite dielektrische Substratschicht bezeichnet wird. Die Dicke hl der ersten dielektrischen Substratschicht 3 beträgt vorzugsweise 2 bis 10 Millimeter und die Dicke h2 der zweiten dielektrischen Substratschicht 6 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 Millimeter. Die Dicke h2 ist vorzugsweise größer als 10% der Dicke hl, insbesondere größer als 20%, vorzugsweise größer als 30%, besonders bevorzugt größer als 40% oder größer als 60% oder größer als 80%. Ferner ist die Dicke h2 vorzugweise kleiner als 200% der Dicke hl, insbesondere kleiner als 100% oder kleiner als 80% oder kleiner als 60%. An die Speiseleitung 5 wird elektrische Spannung angelegt, wobei die Patchfläche 4 als Resonator fungiert und ein elektromagnetisches Feld abstrahlt.
Im Stand der Technik wird die zweite dielektrische Sub- stratschicht 6 lediglich zum Schutz vorgesehen und soll nicht die elektrischen Eigenschaften der Patch-Antenne beeinflussen. Deshalb wird als Material für die zweite Substratschicht ein Material mit einer sehr kleinen relativen Dielektrizitätskonstanten gewählt. Im Unterschied hierzu wird gemäß der Erfindung für die zweite dielektrische Substratschicht ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten gewählt, welche mindestens genauso groß ist wie die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Substratschicht 3. Einer solchen Wahl der Dielektrizitätskonstanten liegt die Erkenntnis zugrunde, dass hierdurch die Strahlungscharakteristik der Patch- Antenne positiv beeinflusst werden kann, wobei während der Fertigung der Patch-Antenne eine gute Feinabstimmung der Strahlungscharakteristik durch entsprechende Wahl der Dielektrizitätskonstanten erfolgen kann.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Patch-Antenne. Die Patch-Antenne der Figur 3 entspricht im wesentlichen der Patch-Antenne der Figur 2 mit dem Unterschied, dass die Breite d2 der zweiten dielektrischen Substratschicht geringer ist als die Breite dl der ersten dielektrischen Substratschicht. Auf diese Weise kann ebenfalls die Strahlungscharakteristik der Patch-Antenne beeinflusst werden.
In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Patch-Antenne in Schnittansicht gezeigt, wobei eine weitere Feinabstimmung der Strahlungscharakteristik dadurch vorgenommen wird, dass die Ober- und Unterseite der ersten dielektrischen Substratschicht 3 nicht gleich groß sind, so dass zwischen Unterseite und Oberseite ein schräger Rand 3a in einem Winkel zur Unterseite ver- läuft.
In Figur 5 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Patch-Antenne gezeigt, bei der eine weitere Beeinflussung der Strahlungseigenschaften der Antenne durch eine Aussparung 8 bewirkt wird, wobei sich die Aussparung von der Oberseite der zweiten dielektrischen Substratschicht bis zur Oberseite der Patchfläche 4 erstreckt. Die Aussparung 8 weist eine offene Seite 8a auf, die mit einem Teil des oberen Randes la der Patch- Antenne zusammenfällt. Die Breite al der Aussparung beträgt vorzugsweise wenigstens 1/20 der Gesamtlänge des oberen Randes la und vorzugsweise höchstens die Hälfte der Gesamtlänge des oberen Randes la. Die Länge bl der Aussparung wird so gewählt, dass wenigstens ein Teil der Patchfläche 4 freigelegt wird. In Figur 5 ist mit einer Schraffur der Bereich der Oberseite der Patchfläche angedeutet, der durch die Aussparung 8 freigelegt wird. Figur 5A zeigt eine Schnittansicht der in Figur 5 gezeigten Aussparung entlang der Linie II-II. Es ist insbesondere ersichtlich, dass für die Aussparung nur Material der zweiten Schicht 6 entfernt wurde, und zwar bis zur Ober- seite der Patchfläche 4. Der Boden der Aussparung wird somit durch Material der Schicht 6 am linken Rand sowie durch die Patchfläche 4 am rechten Rand gebildet. Es ist auch denkbar, dass für die Aussparung Material der Patchfläche 4 sowie weiteres Material der Schicht 6 entfernt wird. Wie in Figur 5B gezeigt ist, kann beispielsweise das gesamte Material der Schicht 6 sowie der Patchfläche 4 entfernt werden, so dass der Boden der Aussparung aus Material der Schicht 3 besteht. Ebenso kann sich die Aussparung nur oder zusätzlich in die Schicht 3 erstrecken, so dass z. B. die Unterseite der Patchfläche 4 freigelegt wird.
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Patch-Antenne, wobei die Strahlungscharakteristik durch eine Aussparung 8 im linken oberen Eck der Patch-Antenne beeinflusst wird. Die Aussparung ist im wesentlichen dreieckig und zwei Seiten der Aussparung fallen mit Rändern der Antenne zusammen. Die Längen a2 bzw. b2 der Dreiecksseiten sind dabei so ge- wählt, dass die Aussparung zumindest einen Teil der Patchfläche 4 freilegt, wobei der freigelegte Teil wiederum mit einer Schraffur angedeutet ist.
Obwohl in den Ausführungsformen der Figur 5 und Figur 6 die Aussparungen in der zweiten dielektrischen Schicht 6 vorgesehen sind, ist es auch denkbar, dass sich die Aussparungen auch in die Patchfläche und die erste dielektrische Schicht 3 erstrecken. Ferner können die Aussparungen ausschließlich in der ersten dielektrischen Schicht und/oder der Patchfläche vorgesehen sein. Entscheidend ist nur, dass die Aussparungen derart ausgestaltet sind, dass ein Teil der Ober- oder Unterseite der Patchfläche freige- legt wird bzw. ein Teil der Patchfläche entfernt wird.
Figur 7 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Patch-Antenne in Draufsicht, wobei die Aussparung 8 im Innenbereich der Querschnitts der Patchfläche 4 angeordnet ist und sich durch die zweite dielektrische Schicht 6 bis zur Oberseite der Patchfläche 4 erstreckt. Der durch die Aussparung freigelegte Bereich der Patchfläche ist wiederum schraffiert dargestellt. Die Aussparung wurde dabei so gewählt, dass sie in der Draufsicht über der Speiseleitung 5 liegt. Durch diese Lage wird besonders effektiv die Strahlungscharakteristik der Patch-Antenne verändert.
Bei der Herstellung der Patch-Antennen aus Figuren 5 bis 7 ist zu beachten, dass zunächst' eine Patch-Antenne ge- fertigt wird, welche durchgehende erste und zweite dielektrische Substratschichten sowie eine durchgehende Patchfläche aufweist. Erst am Ende des Herstellungsprozesses werden dann entsprechende Aussparungen in den dielektrischen Substratschichten bzw. in der Patchfläche vorgese- hen. Die Aussparungen werden vorzugsweise sukzessiv angebracht und es wird in Zwischenschritten immer überprüft, wie sich die Strahlungscharakteristik verändert hat. Dieser Vorgang wird beendet, sobald man die gewünschte Strahlungscharakteristik erreicht hat. Beispielsweise wird eine Aussparung 8 zunächst nur derart vorgesehen, dass lediglich die Patchfläche freigelegt wird. Sollten hierdurch die Strahlungseigenschaften der Patch-Antenne nicht ausreichend verändert worden sein, kann weiteres Material von der Patchfläche selbst entfernt werden, ggf. kann ein ganzer Teilbereich aus der Patchfläche herausgeschnitten werden und die Aussparung kann sich bis in die erste dielektrische Substratschicht fortsetzen.
Figur 8 zeigt eine entsprechende Darstellung zu Figur 2. Zusätzlich ist in Figur 8 noch eine koaxiale Anschlussleitung 21 eingezeichnet, und zwar mit einem Innenleiter 21a und einem Außenleiter 21b. Der elektrisch leitfähige Außenleiter 21b wird in der Regel zumindest bis zur unteren Massefläche 2 geführt und dort an einer Stelle 23 (am Außenumfang des Außenleiters umlaufend) mit der Massefläche 2 elektrisch-galvanisch kontaktiert, üblicherweise angelötet.
Der Innenleiter 21a kann dabei über das Ende des Außenleiters 21b überstehen und somit über die Massefläche 2 hinaus führen. In diesem Falle kann der Innenleiter 21a an seinem oberen Ende 5a an einer Stelle 25- mit der Patch- fläche 4 elektrisch-galvanisch verbunden werden (auch hier üblicherweise angelötet) . Somit geht als der Innenleiter 21a in die sog. Speiseleitung 5 gemäß Figur 1 bis 7 über.
Ebenso kann aber die Speiseleitung 5 von der oberen Patch- fläche 4 ausgehend durch die sich durch die Substratschicht 3 erstreckende kanalförmige Öffnung 7 verlaufen und am unteren Ende beispielsweise mit dem Innenleiter 21a der Koaxialleitung 21 elektrisch verbunden sein.
Ebenso kann beispielsweise auch vor allem in Höhe der unteren Massefläche 2 ein Koaxialanschluss fest vorgesehen sein, dessen Außenleiter mit der Massefläche 2 und dessen Innenleiter mit der Speiseleitung 5 verbunden ist. So kann ein entsprechendes Koaxialkabel - 21 an diesem Koaxialan- schluss angeschlossen werden, wozu das Koaxialkabel 21 dann bevorzugt ebenfalls an seinem Ende mit einem Koaxialverbinder ausgestattet ist, um hiermit an dem an der Antenneneinrichtung vorgesehenen Koaxialkabelanschluss angeschlossen zu werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Antenne nach planarer Bauart, insbesondere Patch-Antenne (1) , mit mehreren entlang einer axialen Achse (A) übereinander angeordneten Flächen und Schichten, umfassend: eine elektrisch leitende Massefläche (2); eine auf der Massefläche (2) angeordnete erste di- elektrische Substratschicht (3) mit einer ersten relativen Dielektrizitätskonstanten; wenigstens eine auf der ersten dielektrischen Substratschicht (3) angeordnete elektrisch leitende Strahlungsfläche (4), die mit einem Ende (5a) einer elektrisch leitenden Speiseleitung (5) elektrisch verbunden ist; wenigstens eine auf der Strahlungsfläche (4) angeordnete zweite dielektrische Substratschicht (6) mit einer zweiten relativen Dielektrizitätskonstanten, wobei die oberste Schicht der Antenne vorzugsweise nicht aus der elektrisch leitenden Strahlungsfläche (4) besteht und/oder vorzugsweise die oberste Schicht der Antenne aus der zweiten dielektrischen Substratschicht (6) besteht oder diese umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite relative Dielektrizitätskonstante größer oder gleich der ersten relativen Dielektrizitätskonstanten ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste relative Dielektrizitätskonstante zwischen 1 und 8 liegt.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite relative Dielektrizitätskonstante zwischen
4 und 20 liegt.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten dielektri- sehen Substratschicht (3) größer oder gleich der Dicke der zweiten dielektrischen Substratschicht (6) ist.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten dielek- trischen Substratschicht (6) größer als 10% der Dicke der ersten dielektrischen Substratschicht (3) ist, insbesondere größer als 20%, vorzugsweise größer als 30%, besonders bevorzugt größer als 40% oder größer als 60% oder größer als 80%.
6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite dielektrische Substratschicht (3, 6) und/oder die Strahlungsfläche (4) und/oder die Massefläche (2) in Draufsicht in axialer Richtung kreisförmig oder als Vieleck ausgestaltet sind.
7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite dielektri- sehe Substratschicht (3, 6) in Draufsicht in axialer Richtung unterschiedliche Größen aufweisen.
8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche , da- durch gekennzeichnet, dass der Rand der ersten dielektrischen Substratschicht (3) im axialen Schnitt schräg zu der axialen Achse (A) verläuft.
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseleitung (5) in einer sich durch die Massefläche (2) und die erste dielektrische Substratschicht (3) erstreckende Öffnung (7) angeordnet ist und an einem Ende der Öffnung (7) mit der Strahlungs- fläche (4) verbunden ist.
10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite dielektrische Substratschicht (3, 6) und/oder die Strah- lungsfläche (4) eine oder mehrere Aussparungen (8) aufweisen, die in Draufsicht in axialer Richtung einen Teilbereich der Strahlungsfläche (4) freilegen oder sich wenigstens teilweise durch die Strahlungsfläche (4) erstrecken.
11. Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Aussparung (8) eine offene Seite (8a) aufweist, die in Draufsicht in axialer Richtung an einem Rand (la) der Antenne (1) liegt.
12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der offenen Seite (8a) wenigstens 1/20 und höchstens die Hälfte der Gesamtlänge des Randes (la) beträgt.
13. Antenne nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Seite (8a) der wenigstens einen Aussparung (8) i. w. in einem mittleren Bereich des Randes (la) der Antenne (1) angeordnet ist und die Aussparung (8) sich in Draufsicht in axialer Richtung von der offenen Seite (8a) in das Innere der Antenne (1) erstreckt.
14. Antenne nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Aussparung (8) in
Draufsicht in axialer Richtung in einem Eckbereich der Antenne (1) angeordnet ist.
15. Antenne nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Aussparung (8) in axialer Richtung durch die zweite Substratschicht (6) bis zur Strahlungsfläche (4) erstreckt, wobei sich die Aussparung über dem Ende (5a) der elektrischen Speiseleitung (5) befindet.
16. Antenne nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Aussparungen (8) in Draufsicht in axialer Richtung i. w. die Form eines
Vielecks aufweisen und/oder kreisförmig ausgestaltet sind.
17. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1) mehrere übereinander liegende erste und zweite dielektrische Substratschichten (3, 6) mit dazwischen liegenden Strahlungsflä- chen (4) aufweist.
18. Verfahren zur Herstellung einer Antenne nach planarer Bauart, insbesondere einer Patch-Antenne (1), mit mehreren entlang einer axialen Achse (A) übereinander angeordneten Flächen und Schichten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) auf einer elektrisch leitenden Massefläche (2) wird eine erste dielektrische Substratschicht (3) mit einer ersten relativen Dielektrizitätskonstanten angeordnet; b) auf der ersten dielektrischen Substratschicht (3) wird eine elektrisch leitende Strahlungsfläche (4) angeordnet und mit einem Ende (5a) einer elektrisch leitenden Speiseleitung (5) elektrisch verbunden; c) auf der Strahlungsfläche (4) wird eine zweite dielektrische Substratschicht (6) mit einer zweiten relativen Dielektrizitätskonstanten angeordnet, wo- bei die oberste Schicht der Antenne die zweite dielektrische Substratschicht (6) ist oder umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite relative Dielektrizitätskonstante größer oder gleich der ersten relativen Dielektrizitätskonstanten ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18 , dadurch gekennzeichnet , dass nach Durchführung der Schritte a) bis c) eine oder mehrere Aussparungen ( 8 ) in der ersten und/oder zweiten dielektrischen Substratschicht ( 3, 6) und/oder in der Strahlungsfläche ( 4 ) vorgesehen werden .
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