WO2007144104A1 - Mehrschichtige antenne planarer bauart - Google Patents

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WO2007144104A1
WO2007144104A1 PCT/EP2007/005035 EP2007005035W WO2007144104A1 WO 2007144104 A1 WO2007144104 A1 WO 2007144104A1 EP 2007005035 W EP2007005035 W EP 2007005035W WO 2007144104 A1 WO2007144104 A1 WO 2007144104A1
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patch element
antenna according
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patch
height
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PCT/EP2007/005035
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Inventor
Frank Mierke
Gerald Schillmeier
Original Assignee
Kathrein-Werke Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines

Definitions

  • the invention relates to a multilayer antenna of planar design according to the preamble of claim 1.
  • Patch antennas or so-called microstrip antennas are well known. They usually comprise an electrically conductive base area, a dielectric carrier material arranged above them and an electrically conductive radiation area provided on the upper side of the dielectric carrier material.
  • the upper radiation surface is usually excited by a transverse to the above-mentioned planes and layers feed line.
  • the main cable used is a coaxial cable whose outer conductor is electrically connected at one connection to the ground conductor, whereas the inner conductor of the coaxial cable is electrically connected to the overhead radiation surface.
  • the patch antenna has e.g. in addition to the underlying ground surface and the offset thereto arranged and excited via a feed line radiation surface above the radiation surface with a lateral offset thereto arranged patch surface.
  • the carrier material between the ground and the radiation surface and between the radiation surface and the patch surface located above each consist of a substrate with the same dielectric constant.
  • a patch antenna with carrier layers with different dielectric constants is known, for example, from the publication IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999, pages 1780 - 1784 become known.
  • Foam is used as the upper carrier layer for the upper metallic surface (patch surface). The distance between the upper patch surface and the underlying radiating surface corresponds to the distance between the radiating surface and the lower mass surface.
  • a generic antenna with multi-layered structure has become known, for example, from US Pat. No. 5,880,694 A. It comprises a lower ground surface, a dielectric support body seated thereon with a radiator surface located on the upper side. Above the radiator surface, a further dielectric body is arranged, on which an electrically conductive patch surface is provided on the side remote from the lower ground surface.
  • the antenna according to the invention has a significant improvement in the antenna properties, compared with simple normal patch antennas. This is all the more surprising since the radiation structure provided at the top of the patch antenna is arranged at an extremely small distance above the radiation surface of the patch antenna and, in a preferred embodiment, may even have a longitudinal and transverse extent which is greater than the radiation surface underneath. In such a case, it would be expected that the the uppermost patch surface adversely affects the radiation pattern.
  • Another essential advantage of the antenna according to the invention is that commercially available patch antennas with a ground plane and a radiation surface and a dielectric located between them, preferably, for example so-called ceramic patch antennas, can be used which need not be structurally modified. It is only necessary to fix the inventive three-dimensional electrically conductive structure of the uppermost patch surface on a commercially available patch antenna by means of a suitable adhesive and / or attachment layer.
  • an adhesive layer in the form of a double-sided adhesive tape or in the form of a comparable adhesive or adhesive device is used as an adhesive structure between a commercially available patch antenna and the uppermost three-dimensional conductive patch element, whereby a problem-free attachment of the uppermost patch element on a conventional Patch antenna is possible.
  • the three-dimensional structure of the patch element can be realized for example by a so-called solid, which in addition to its planar extent (for example, comparable to conventional metal flakes or metal layers) also has a significantly greater height or thickness of one or more millimeters.
  • such a three-dimensional patch element arranged above the radiation surface is equipped with a completely or partially circumferential edge or web edge, whereby a three-dimensional structure is virtually realized.
  • the patch element provided with a three-dimensional structure can be formed by a sheet metal or stamped part, in which edge portions extending from a flat element are placed upwards, which are oriented transversely and preferably perpendicular to the plane of the patch element.
  • the individual flange or edge sections need not necessarily be connected to one another electrically or electrically galvanically. The given electrical connection from an erected edge element to an adjacent edge element takes place via the central section of the patch element oriented essentially parallel to the radiation and ground surface located underneath.
  • a dielectric body made of plastic which is coated with an electrically conductive layer.
  • a thickness or height of, for example, more than preferably 0.5 mm or 1 mm, in particular more than 1.5 mm, this should at least on a side parallel to the radiation surface, preferably on the radiation surface be provided adjacent side and at its peripheral wall or edge portions with an electrically conductive layer.
  • the upper side of the electrically nonconductive body modified to the radiation surface of the patch antenna can also be equipped with an electrically conductive layer.
  • Figure 1 a schematic axial cross-sectional view through a commercially available patch antenna according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the known in the prior art patch antenna according to Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic cross or side view of a stacked patch antenna according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic plan view of the embodiment of Figure 3;
  • Figure 5 is a plan view corresponding to Figure 4 on a patch antenna according to the invention with a different embodiment for the top-mounted patch element;
  • FIG. 6 shows a side view or cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of the patch antenna according to the invention, showing a carrying device used for the upper patch element;
  • FIG. 7 shows an embodiment deviating from FIG. 6 in a schematic side and / or cross-sectional representation
  • Figure 8 is a schematic plan view of a patch element, as it comes in further processing in the embodiment of Figure 7 is used;
  • FIG. 9a shows an embodiment deviating from FIG. 7
  • Figure 9b is a plan view of the embodiment of Figure 9a;
  • FIG. 10 shows an embodiment deviating from FIGS. 7, 9a and 9b;
  • FIG. 11 shows an embodiment deviating from FIGS. 7, 9a, 9b and 10;
  • Figure 12 shows a further modified embodiment with significantly greater height or thickness of the patch element.
  • FIG. 1 shows a schematic side view
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the basic structure of a commercially available patch radiator A (patch antenna), which is expanded to a multilayer patch antenna (stacked-patch-antenna) on the basis of FIGS.
  • patch radiator A patch antenna
  • stacked-patch-antenna multilayer patch antenna
  • the patch antenna shown in FIGS. 1 and 2 comprises a plurality of surfaces and layers arranged one above the other along an axial axis Z, which will be discussed below.
  • the patch antenna A has an electrically conductive ground surface 3 on its so-called under or mounting side 1.
  • a dielectric carrier 5 Arranged on the ground surface 3 or with a lateral offset therefrom is a dielectric carrier 5, which usually has an outer contour 5 'in plan view, which corresponds to the outer contour 3' of the ground surface 3.
  • this dielectric support 5 can also be dimensioned larger or smaller and / or provided with outer contour 5 1 deviating from the outer contour 3 'of the ground surface 3.
  • the outer contour 3 1 of the ground plane may be n-polygonal and / or even provided with curved sections or be curved, although this is unusual.
  • the dielectric support 5 has a sufficient height or thickness, which generally corresponds to a multiple of the thickness of the mass surface 3, that is, in contrast to the ground surface 3, which consists approximately only of a two-dimensional surface, the dielectric support 5 as a three-dimensional body with sufficient height and thickness designed.
  • an electrically conductive radiation surface 7 is formed, which likewise can again be understood approximately as a two-dimensional surface.
  • This radiation surface 7 is fed and excited electrically via a feed line 9, which preferably extends in the transverse direction, in particular perpendicular to the radiation surface 7, from below through the dielectric carrier 5 in a corresponding bore or channel 5c.
  • a feed line 9 which preferably extends in the transverse direction, in particular perpendicular to the radiation surface 7, from below through the dielectric carrier 5 in a corresponding bore or channel 5c.
  • the inner conductor of the coaxial cable, not shown, with the feed line 9 is electrically-galvanic and thus connected to the radiation surface 7.
  • the outer conductor of the coaxial cable, not shown is then electrically-galvanically connected to the underlying ground surface 3.
  • a patch antenna which has a dielectric 5 and a square shape in plan view.
  • this shape or the corresponding contour or outline 5 ' can also deviate from the square shape and generally have an n-polygonal shape. Although unusual, even curvy outer boundaries can be provided.
  • the radiation surface 7 seated on the dielectric 5 may have the same contour or outline 7 'as the dielectric 5 located underneath.
  • the basic shape is also square in shape, adapted to the contour 5' of the dielectric 5, but has flattened areas 7 at two opposite ends
  • the outline 7 1 can also represent an n-polygonal outline or contour or even be provided with a curvilinear outer boundary 7 1 .
  • the mentioned ground plane 3 as well as the radiation surface 7 are sometimes referred to as a "two-dimensional" surface, since their thickness is so small that they can not be called quasi “solid".
  • the Thickness of the ground surface and the radiating surface 3, 7 usually moves below 1 mm, ie generally below 0.5 mm, in particular below 0.25 mm, 0.20 mm, 0.10 mm.
  • the patch antenna A thus formed which may for example consist of a commercially available patch antenna A, preferably of a so-called ceramic patch antenna (in which therefore the dielectric carrier layer 5 consists of a ceramic material), is now in a stacked patch antenna according to the invention according to FIG 3 and 4 in side or height offset to the upper radiation surface 7 additionally arranged a patch element 13 (Figure 3), which compared to the mentioned ground surface 3 and the radiation surface 7, a three-dimensional structure with significantly different, ie greater height or thickness.
  • a patch element 13 Figure 3
  • the stacked patch antenna described in this way is positioned, for example, on a chassis B indicated only as a line in FIG. 3, which may represent, for example, the base chassis for a motor vehicle antenna in which the antenna according to the invention may optionally be installed alongside other antennas for other services .
  • the stacked patch antenna according to the invention can be used, for example, in particular as an antenna for geostationary positioning and / or for the reception of satellite or terrestrial signals, for example the so-called SDARS service.
  • SDARS service so-called satellite or terrestrial signals
  • the patch element 13 may, for example, an electrically conductive metal body, so for example a Cuboid with appropriate longitudinal and transverse extent and sufficient height or thickness exist.
  • this patch element 13 can also have an outline 13 'deviating from a rectangular or square structure.
  • a certain adaptation of the patch antenna can be carried out by processing edge regions, for example of corner regions 13a shown in FIG.
  • the patch element 13 has a longitudinal extent and a transverse extent which is greater than the longitudinal and transverse extent of the radiation surface 7 and / or greater than the longitudinal and transverse extent of the dielectric carrier 5 and / or the other underlying ground surface 3.
  • the patch element 13 can also have completely or partially convex or concave and / or other curved outlines or an n-polygonal outline or hybrid forms of both, as shown only schematically for a different embodiment of Figure 5 in plan view, wherein the patch element 13 in this case has an irregular outer contour or an irregular outline 13 '.
  • the thickness of the patch element 13 has a dimension which is not only double, 3, 4 or 5 times, etc., but especially 10 times, 20, 30, 40, 50, 60 , 70, 80, 90 and / or 100 times and more of the thickness of the ground plane 3 and / or the thickness of the radiant surface 7 is.
  • the thickness or height 114 of the patch element 13 is equal to or greater than a distance 17, which is formed by the underside 13b of the patch element 13 and the top surface 7a of the radiation surface 7.
  • this distance 17 should not be less than 0.5 mm, preferably more than 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm or equal to or more than 1 mm. Values around 1.5 mm, ie generally between 1 mm to 2 mm or 1 mm to 3 mm, 4 mm or to 5 mm are fully sufficient.
  • the height or thickness 114 of the three-dimensional patch element 13 is preferably smaller than the height or thickness 15 of the dielectric carrier 5.
  • the thickness or height 114 of the uppermost patch element 13 has a dimension which is less than 90 %, in particular less than 80%, 70%, 60%, 50% or even less than 40% and optionally 30% or less than 20% of the height or thickness 15 of the support element 5 corresponds.
  • the height or thickness 114 of the three-dimensional patch element 13 can also have a greater and above all significantly greater height or thickness than the thickness of the dielectric carrier 5.
  • this height or thickness 15 of the carrier element 5 can also have a dimension, for example. which up to 1.5 times, 2 times, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and / or 10 times and more of the height or Thickness 15 of the support element 5 corresponds.
  • the thickness or height 114 of the patch element 13 should preferably be greater than the distance 17 between the radiation surface 7 and the underside 13 b of the patch element 13.
  • a support device 19, in particular a dielectric support device 19 is used, via which the patch element 13 is held and supported.
  • This dielectric support device 19 preferably consists of an adhesive or assembly layer 19 '(FIG. 6), which may be formed, for example, as a so-called double-sided adhesive bonding and assembly layer 19'.
  • Double-sided adhesive tapes or double-sided adhesive foam tapes, adhesive pads or the like can be used for this purpose, which have a corresponding thickness mentioned above. This opens up the simple possibility of fixing the above-mentioned patch element 13 on top of a commercially available patch antenna, in particular a commercially available ceramic patch antenna, and to mount it.
  • the electrically fully conductive metal body as a patch element 13 but also, for example, a plastic body may be used, which is provided for example with an electrically conductive bottom 13b and electrically conductive circumferential side boundaries 13c, for example by applying an electrically conductive outer layer.
  • the upper side 13d does not necessarily have to be electrically conductive, although the entire surface of the thus formed non-conductive patch element 13 with a circumferential electrically conductive layer can be provided.
  • a modification is shown with reference to FIG. 7, in which the three-dimensional patch element 13 is configured not as a solid but as a plate-shaped patch element 13 provided with a circumferential side or edge web 14.
  • Such a patch element 13 can be produced for example from a metal sheet by punching and edges, as shown in plan view, for example in Figure 8.
  • FIG. 8 shows the contour lines of a metal part, for example in approximately square shape, wherein corners 25 are punched out in the corner regions. Subsequently, along edge lines 27, the edge regions or webs 14 thus formed can be placed opposite the base surface 113 of the patch element 13 so that these edge regions or webs 14 extend transversely to the base surface 113 of the patch element 13 and preferably perpendicular thereto.
  • the cut lines thus formed between two edge webs 14 adjacent to each other in the circumferential direction and perpendicular to one another in the illustrated embodiment need not be electrically-galvanically connected to each other at their cutting and / or touching lines, for example by soldering.
  • the electrical connection via the planar central portion 113 of the patch element 13 is sufficient.
  • the patch element 13 thus formed is connected with its underside 13b by means of a carrying device, for example by means of a layered dielectric layer.
  • fixed support device 19 preferably in the form of an adhesive or mounting support 19 'on top of a commercially available patch antenna A, for example, wherein a commercially available patch antenna A on the top of its radiation surface 7 may be coated with a dielectric layer but need not be.
  • FIG. 9a a schematic plan view is shown in schematic cross-section and with reference to FIG. 9b that the patch element 13 described with reference to FIGS. 7 and 8, for example, may be provided with a recess or a hole 29 in its flat underside 13b.
  • This recess or hole 29 is preferably provided in that region in which the feed line 9 is connected to the radiation surface 7 usually by soldering. Because at this point usually over the surface of the radiation surface 7 protruding Löterhebung 31 is formed. Even if only a very thin support device 19 is preferably used in the form of an adhesive or mounting support 19 ', this ensures on the one hand a good mechanical bond between the patch element 13 via the support device 19, preferably in the form of the adhesive.
  • the carrying means 19, preferably in the form of an adhesive and / or assembly layer 19 ' has not been shown in better illustration.
  • the upper patch 13 is quasi "transparent". has been so that the mentioned recess or the hole 29 is characterized only by a corresponding outline.
  • an upwardly convexly protruding deformation 33 is incorporated in the electrically conductive lower level 13b of the patch element 13, which preferably lies above the electrically conductive connection between the feed line 9 and the feed surface 7, that is to say generally there, where a Löterhebung 31 is formed.
  • edge sections 14 which are provided in each case on the peripheral outer edge 113 'of the patch surface of the patch element 13, do not have to be aligned perpendicular to the base surface 113 of the patch element 13, but for example as described 11, may be provided in a direction opposite to the vertical deviating angular orientation.
  • the edge side boundaries 14 are divergent along the axial mounting direction A (in FIG. 1), that is, they are oriented away from the base or central surface 113 in the direction of radiation. In the same way, however, the edge side sections can also be aligned with each other.
  • the side boundaries 14, for example in the other direction A may be bent more towards the central portion 113 of the patch 13 and may be aligned at a different side away from the central surface 113.
  • these webs or edge sections 14 do not necessarily have to be connected to the external
  • the outline edge or outline edge 113 'to be provided, as can be seen, for example, in FIG. 11 for webs extending transversely to the base surface 113 or in elevations 14' in dashed lines, which border the outer boundary 113 'further inwardly staggered lying on the patch element are arranged.
  • these webs or elevations 14 ' shown in FIG.
  • peripheral boundary surfaces 13 '(side boundaries 13c) do not have to be aligned perpendicular to the bottom or top 13b, 13d of the patch element 13, but can also be configured with inclined side surfaces, comparable to the inclined edges or webs 14 in FIG. 11.
  • the stacked patch antenna according to the invention can preferably be used as an antenna in the context of a motor vehicle antenna in addition to other antennas for other services.
  • the commercially available patch antenna A used in the context of this stacked patch antenna according to the invention preferably consists - as explained - of a dielectric carrier 5, des- sen top or bottom of a metallic or electrically conductive layer 7 or 3 is formed and fixed on the carrier 5.
  • FIG 12 in which a further embodiment is shown.
  • an overhead patch element 13 is used, which - as is “from the figure - a thickness or height 14, which is even greater than the thickness or height of the dielectric substrate 5.
  • the patch antenna thus formed also has improved electrical properties.
  • the patch element 13 is greater than or equal to the dielectric carrier 5.
  • the patch element 13 is also larger than the ground plane 3 and larger than the radiation surface 7.
  • the arrangement should be chosen so that the Patch element 13 is up to 100% larger than the dielectric support 5 and / or up to 200% larger than the ground plane 3 and / or up to 200% larger than the radiation surface 7.
  • the orders of magnitude can alternatively or additionally also be selected in a further preferred variant such that the patch element (which is generally larger than the dielectric carrier 5) should have a minimum size that is 20% smaller than the dielectric carrier 5 and / or is up to 5% smaller than the ground plane 3 and / or up to 5% smaller than the radiation surface 7.
  • the corresponding orders of magnitude are greater than the above-mentioned lowest values.
  • Preferred values are for example such that the patch element 13 is larger by 4% to 16%, in particular by 6% to 12% and in particular by 8%, than the electrical carrier 5 and / or the patch element 13 by 8% to 34% and in particular by 12% to 28%, namely by 17% greater than the mass surface 3 and / or by 21% to 84%, in particular by 30% to 60%, especially by 42% greater than the radiation surface. 7

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)

Abstract

Eine mehrschichtige Antenne planarer Bauart umfasst folgende Merkmale: es ist eine elektrisch leitende Massefläche (3) vorge sehen, es ist eine leitende Strahlungsfläche (7) vorgesehen, die im seitlichen Abstand zur Massefläche (3) angeordnet ist und im Wesentlichen parallel dazu verläuft, es ist ein dielektrischer Träger (5) vorgesehen, der zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, - oberhalb der Strahlungsfläche (7) ist eine Trageinrichtung (19) , oberhalb der Trageinrichtung (19) ist ein elektrisch leitfähiges Patchelement (13) vorgesehen, und die Trageinrichtung (19) weist eine Dicke oder Höhe auf, die kleiner ist als die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) .

Description

Mehrschichtige Antenne planarer Bauart
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Antenne planarer Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Patchantennen bzw. sogenannte Microstrip-Antennen sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen üblicherweise eine elektrisch leitfähige Grundfläche, ein darüber angeordnetes dielektrisches Trägermaterial und eine auf der Oberseite des dielektrischen Trägermaterials vorgesehene elektrisch leitfähige Strahlungsfläche. Die obere Strahlungsfläche wird in der Regel durch eine quer zu den vorstehend genannten Ebenen und Schichten verlaufende Speiseleitung angeregt. Als Anschlusskabel dient vor allem ein Koaxialkabel, dessen Außenleiter an einem Anschluss mit dem Masse- leiter elektrisch verbunden ist, wohingegen der Innenleiter des Koaxialkabels mit der oben liegenden Strahlungsfläche elektrisch verbunden ist.
Mehrschichtige Antennen planarer Bauart sind beispiels- weise als sogenannte "stacked"-Patchantennen bekannt ge- worden. Mittels eines derartigen Antennentyps besteht die Möglichkeit die Bandbreite einer derartigen Antenne zu erhöhen bzw. Resonanzen in zwei oder mehreren Frequenzbereichen zu gewährleisten. Durch derartige Antennen kann auch der Antennengewinn verbessert werden.
Gemäß der Vorveröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTEN- NAS AND PROPAGATION, VOL. AP-27, NO. 2, MARCH 1979, Seite 270 - 273 ist eine mehrschichtige Patchantenne beschrie- ben, die eine Resonanz in zwei Frequenzbereichen ermöglicht. Dazu weist die Patchantenne z.B. neben der unten liegenden Massefläche und der dazu versetzt angeordneten und über eine Speiseleitung angeregten Strahlungsfläche eine oberhalb der Strahlungsfläche mit Seitenversatz dazu angeordnete Patchfläche. Das Trägermaterial zwischen der Masse- und der Strahlungsfläche sowie zwischen der Strahlungsfläche und der darüber befindlichen Patchfläche besteht jeweils aus einem Substrat mit gleicher Dielektrizitätskonstante .
Eine Patchantenne mit Trägerschichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ist beispielsweise aus der Veröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999, Seiten 1780 - 1784 bekannt geworden. Als obere Trägerschicht für die obere metallische Fläche (Patchfläche) dient Schaum. Der Abstand zwischen der oberen Patchfläche zu der darunter befindlichen Strahlungsfläche entspricht dem Abstand zwischen der Strahlungsfläche zur unteren Massefläche.
Dass sich mittels mehrschichtiger Patchantennen der Antennengewinn erhöhen lässt, ist unter anderem aus der Vorveröffentlichung IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATI- ON, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999, Seiten 1767 - 1771 als bekannt zu entnehmen.
Schließlich ist eine gattungsbildende Antenne mit mehr- schichtigem Aufbau beispielsweise aus der US 5,880,694 A bekannt geworden. Sie umfasst eine untere Massefläche, einen darauf sitzenden dielektrischen Tragkörper mit einer auf der Oberseite befindlichen Strahlerfläche. Oberhalb der Strahlerfläche ist ein weiterer dielektrischer Körper angeordnet, auf dem auf der zu der unteren Massefläche entfernt liegenden Seite eine elektrisch leitfähige Patchfläche vorgesehen ist.
Nachteilig ist bei allen derartigen vorbekannten Antennen- anordnungen der vergleichsweise aufwendige Aufbau. Denn bei Verwendung handelsüblicher Patchantennen mit einer Massefläche, einem darauf befindlichen elektrischen Tragkörper (Substrat) und einer darüber befindlichen Strahlungsfläche ist es stets aufwendig, eine derartige Antenne zu einer mehrschichtigen Antenne zu komplementieren. In Abhängigkeit von der Verwendung handelsüblicher Patchantennen, die zumindest eine untere Massefläche, ein Substrat bestehend aus einem dielektrischen Material, beispielsweise Keramik, und eine darauf befindliche Strah- lungsflache umfassen, müsste dann jeweils eine gegebenenfalls unterschiedlich dicke dielektrische Trägerschicht hergestellt und beispielsweise auf der Strahlungsfläche der handelsüblichen Patchantenne positioniert und verankert werden, um auf der Oberseite dieser zusätzlichen di- elektrischen Tragschicht dann die elektrisch leitfähige Patchfläche anzuordnen. Eine davon abweichende aber ebenfalls sehr aufwendige Konstruktion wäre es, beispielsweise ein Antennengehäuse, unterhalb dessen eine handelsübliche Patchantenne eingebaut ist, mit einer zusätzlichen elektrisch leitfähigen Patchfläche auszustatten, was aber ebenfalls aufwendige zusätzliche bauliche Maßnahmen erfordern würde.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte mehrschichtige Antenne planarer Bauart zu schaffen, insbesondere Patchantenne, die zur Erzielung der an sich bekannten elektrischen Eigenschaften mit einem oberhalb der Strahlungsfläche vorgesehenen Patchstrahler versehen ist, und die dabei insgesamt einfacher aufgebaut ist und/oder verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich zahlreiche Vorteile realisieren.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich - was durchaus überraschend ist - dass die erfindungsgemäße Antenne eine deutliche Verbesserung der Antenneneigenschaften aufweist, verglichen mit einfachen normalen Patchantennen. Dies ist umso überraschender, als die zuoberst auf der Patchantenne vorgesehene Strahlungsstruktur in extrem geringen Abstand oberhalb der Strahlungsfläche der Patchantenne angeordnet ist und dabei in einer bevorzugten Ausführungsform sogar eine Längs- und Quererstreckung aufweisen kann, die größer ist als die darunter befindliche Strahlungsfläche. Zu erwarten wäre nämlich in einem derartigen Fall, dass die zu- oberst befindliche Patchfläche das Strahlungsdiagramm nachteilig beeinflusst.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne ist, dass problemlos handelsübliche Patchantennen mit einer Massefläche und einer Strahlungsfläche und einem dazwischen befindlichen Dielektrikum, bevorzugt beispielsweise sogenannte Keramik-Patchantennen, verwendet werden können, die baulich nicht verändert werden müssen. Es ist lediglich erforderlich mittels einer geeigneten Haft- und/ oder Befestigungsschicht die erfindungsgemäße dreidimensionale elektrisch leitfähige Struktur der zuoberst befindlichen Patchfläche auf einer handelsüblichen Patchantenne zu befestigen.
Mit anderen Worten ist keine zusätzliche Trägerstruktur oder Haube erforderlich, um diese Patchfläche zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Haftstruktur zwischen einer handelsüblichen Patchantenne und dem zuoberst befindlichen leitenden dreidimensionalen Patchelement eine Haftschicht in Form eines doppelseitig klebenden Klebebandes oder in Form einer vergleichbaren Klebe- oder Hafteinrichtung verwendet, wodurch eine problemlose Befestigung des zuoberst liegenden Patchelementes auf einer herkömmlichen Patchantenne möglich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng weist der Abstand zwischen dem dreidimensionalen Patchelement und der Strahlungsfläche einer Patchantenne einen Abstand auf, der größer als 0,5 mm, insbesondere größer als 1 mm, beispielswiese um 1,5 mm ist. Obgleich der Abstand auch noch größer sein kann, ist grundsätzlich ein derartig gering dimensionierter Abstand zwischen dem dreidimensionalen Patchelement und der Strahlungsfläche einer mehrschichtigen Patchantenne voll ausreichend.
Die dreidimensionale Struktur des Patchelementes kann beispielsweise durch einen sogenannten Volumenkörper realisiert werden, der neben seiner flächigen Erstreckung (beispielsweise vergleichbar mit herkömmlichen Metallplättchen oder Metallschichten) zusätzlich eine deutlich größere Höhe oder Dicke von einem oder mehreren Millimetern aufweist .
Alternativ ist es aber ebenso möglich, dass beispielsweise ein derartiges dreidimensionales, oberhalb der Strahlungsfläche angeordnetes Patchelement mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Rand oder Stegrand ausgestattet ist, wodurch quasi eine dreidimensionale Struktur realisiert wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass das mit einer dreidimensionalen Struktur versehene Patchelement durch ein Blech oder Stanzteil gebildet sein kann, in dem aus einem flächigen Element umlaufende Randabschnitte nach oben aufgestellt werden, die quer und vorzugsweise senkrecht zur Ebene des Patchelementes ausgerichtet sind. In den Ecken müssen die einzelnen Flansch- oder Randabschnitte nicht miteinander zwingend elektrisch oder elektrischgalvanisch verbunden sein. Die gegebene elektrische Verbindung von einem aufgestellten Randelement zu einem benachbarten Randelement erfolgt über den im Wesentlichen parallel zu der darunter befindlichen Strahlungs- und Massefläche ausgerichteten Zentralabschnitt des Patchelementes. Die erwähnte dreidimensionale Struktur (die deshalb "dreidimensionale" Struktur genannt wird, weil sie gegenüber nach dem Stand der Technik verwendeten Metallplättchen oder Metallfolien eine deutlich größere Materialdicke oder Materialhöhe aufweist) erfordert nicht zwingend, dass der gesamte Körper als sogenannter Volumenkörper ausgebildet ist oder der erwähnte umlaufende Rand zwingend im gesamten Randabschnitt der Patchstruktur umlaufend ausgebildet sein muss. Auch abschnittsweise Rand- oder Stegelemente sind ausreichend. Ebenso können in der Patchfläche selbst auch Ausnehmungen oder sogar z.B. eine der darunter befindlichen Strahlungsfläche zugewandt liegende konkave Verformung der Patchfläche vorgesehen sein. Ebenso können aber auch Ausnehmungen in der Patchfläche eingearbeitet sein, die beispielsweise vom umlaufenden Rand aus in die Patchfläche hineinragen.
Ebenso möglich ist die Verwendung beispielsweise eines aus Kunststoff bestehenden dielektrischen Körpers, welcher mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogen ist. Bei Verwendung eines derartigen "Volumenkörpers" mit einer Dicke oder Höhe von beispielsweise mehr als vorzugsweise 0,5 mm oder 1 mm, insbesondere mehr als 1,5 mm, sollte dieser zumindest auf einer parallel zur Strahlungsfläche befindlichen Seite, vorzugsweise auf der zu der Strahlungsfläche benachbart liegenden Seite und an seinen umlaufenden Wand- oder Randabschnitten mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein. Bei Bedarf kann auch die zur Strahlungsfläche der Patchantenne abgewandelte obere Seite des elektrisch nicht leitfähigen Körpers mit einer elektrisch leitfähigen Schicht ausgestattet sein.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:
Figur 1 : eine schematische axiale Querschnittsdarstellung durch eine handelsübliche Patchantenne nach dem Stand der Technik;
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf die nach dem Stand der Technik bekannte Patchantenne gemäß Figur 1;
Figur 3 eine schematische Quer- oder Seitendarstellung einer erfindungsgemäßen Stacked- Patchantenne;
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3;
Figur 5 eine Figur 4 entsprechende Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Patchantenne mit einer abweichenden Ausführungsform für das oben aufsitzende Patchelement;
Figur 6 eine Figur 3 entsprechende Seiten- oder Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Patchantenne unter Wiedergabe einer verwendeten Trageinrichtung für das obere Patchelement;
Figur 7 ein zu Figur 6 abweichendes Ausführungsbeispiel in schematischer Seiten- und/oder Querschnittsdarstellung; Figur 8 eine schematische Draufsicht auf ein Patchelement, wie es bei weiterer Verarbeitung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 zur Anwendung gelangt;
Figur 9a ein zu Figur 7 abweichendes Ausführungsbeispiel;
Figur 9b eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9a;
Figur 10 ein zu den Figuren 7, 9a und 9b nochmals abweichendes Ausführungsbeispiel ;
Figur 11 ein zu den Figuren 7, 9a, 9b und 10 nochmals abweichendes Ausführungsbeispiel; und
Figur 12 ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit deutlich größerer Höhe oder Dicke des Patchelementes.
In Figur 1 ist in schematischer Seitendarstellung und in Figur 2 in schematischer Draufsicht der Grundaufbau eines handelsüblichen Patchstrahlers A (Patchantenne) gezeigt, der anhand der Figuren 4.3 ff. zu einer mehrschichtigen Patchantenne (stacked-patch-antenna) erweitert wird.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Patchantenne umfasst mehrere längs einer axialen Achse Z übereinander angeordnete Flächen und Schichten, auf die nachfolgend eingegangen wird. Aus der schematischen Querschnittsdarstellung gemäß Figur 1 ist zu ersehen, dass die Patchantenne A auf ihrer sogenannten Unter- oder Anbauseite 1 eine elektrisch leitfähige Massefläche 3 aufweist. Auf der Massefläche 3 bzw. mit Seitenversatz dazu angeordnet ist ein dielektrischer Träger 5, der üblicherweise in Draufsicht eine Außenkontur 5' aufweist, die der Außenkontur 3' der Massefläche 3 entspricht. Dieser dielektrische Träger 5 kann aber auch größer oder kleiner dimensioniert und/oder mit zur Außenkon- tur 3' der Massefläche 3 abweichender Außenkontur 51 versehen sein. Allgemein kann die Außenkontur 31 der Massefläche n-polygonal sein und/oder sogar mit kurvigen Abschnitten versehen oder kurvig gestaltet sein, obgleich dies unüblich ist.
Der dielektrische Träger 5 weist eine ausreichende Höhe oder Dicke auf, die in der Regel einem Vielfachen der Dicke der Massenfläche 3 entspricht, also im Gegensatz zur Massefläche 3, die näherungsweise lediglich aus einer zweidimensionalen Fläche besteht, ist der dielektrische Träger 5 als dreidimensionaler Körper mit ausreichender Höhe und Dicke gestaltet.
Auf der Oberseite 5a gegenüberliegend zur Unterseite 5b (die benachbart zur Massefläche 3 zu liegen kommt) ist eine elektrisch leitfähige Strahlungsfläche 7 ausgebildet, die ebenfalls wieder näherungsweise als zweidimensionale Fläche verstanden werden kann. Diese Strahlungsfläche 7 wird über eine Speiseleitung 9 elektrisch gespeist und an- geregt, die bevorzugt in Querrichtung, insbesondere senkrecht zur Strahlungsfläche 7 von unten her durch den dielektrischen Träger 5 in einer entsprechenden Bohrung oder einem entsprechenden Kanal 5c verläuft. Von einer in der Regel unten liegenden Anschlussstelle 11, an welcher ein nicht näher gezeigtes Koaxialkabel angeschlossen werden kann, ist dann der Innenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels mit der Speiseleitung 9 elek- trisch-galvanisch und damit mit der Strahlungsfläche 7 verbunden. Der Außenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels ist dann mit der unten liegenden Massefläche 3 elektrisch-galvanisch verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ff ist eine Patchantenne beschrieben, die ein Dielektrikum 5 und eine in Draufsicht quadratische Form aufweist. Diese Form oder die entsprechende Kontur oder Umrisslinie 5' kann aber auch von der quadratischen Form abweichen und allgemein eine n-polygonale Form aufweisen. Obgleich unüblich, können sogar kurvige Außenbegrenzungen vorgesehen sein.
Die auf dem Dielektrikum 5 sitzende Strahlungsfläche 7 kann eine gleiche Kontur oder Umrisslinie 7 ' aufweisen wie das darunter befindliche Dielektrikum 5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Grundform ebenfalls der Umrisslinie 5' des Dielektrikums 5 angepasst quadratisch gebildet, weist aber an zwei gegenüberliegenden Enden Abflachungen 7" auf, die quasi durch Weglassen eines gleich- schenklig rechtwinkligen Dreiecks gebildet sind. Allgemein kann also auch die Umrisslinie 71 eine n-polygonale Umrisslinie oder Kontur darstellen oder sogar mit einer kurvigen Außenbegrenzung 71 versehen sein.
Die erwähnte Massefläche 3 wie aber auch die Strahlungsfläche 7 werden teilweise als "zweidimensionale" Fläche bezeichnet, da deren Dicke so gering ist, dass sie quasi nicht als "Volumenkörper" bezeichnet werden können. Die Dicke der Massefläche und der Strahlungsfläche 3, 7 bewegt sich üblicherweise unter 1 mm, d.h. in der Regel unter 0,5 mm, insbesondere unter 0,25 mm, 0,20 mm, 0,10 mm.
Oberhalb der so gebildeten Patchantenne A, die beispielsweise aus einer handelsüblichen Patchantenne A bestehen kann, vorzugsweise aus einer sogenannten Keramik-Patchantenne (bei der also die dielektrische Trägerschicht 5 aus einem Keramikmaterial besteht) , ist nunmehr bei einer er- findungsgemäßen Stacked-Patchantenne gemäß Figur 3 und 4 im Seiten- oder Höhenversatz zur oberen Strahlungsfläche 7 zusätzlich ein Patchelement 13 angeordnet (Figur 3) , welches gegenüber der erwähnten Massefläche 3 und der Strahlungsfläche 7 eine dreidimensionale Struktur mit deutlich unterschiedlicher, d.h. größerer Höhe oder Dicke aufweist .
Die so geschilderte Stacked-Patchantenne ist beispielsweise auf einem in Figur 3 lediglich als Linie angedeuteten Chassis B positioniert, welches beispielsweise das Basis- Chassis für eine Kraftfahrzeug-Antenne darstellen kann, in welchem die erfindungsgemäße Antenne gegebenenfalls neben weiteren Antennen für andere Dienste eingebaut sein kann. Die erfindungsgemäße Stacked-Patchantenne kann beispiels- weise insbesondere als Antenne für die geostationäre Positionierung und/oder für den Empfang von Satelliten-, oder terrestrischen Signalen, beispielsweise des sogenannten SDARS-Dienstes, verwendet werden. Einschränkungen für die Verwendung auch für andere Dienste sind jedoch nicht gege- ben.
Das Patchelement 13 kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Metallkörper, also beispielsweise einem Quader mit entsprechender Längs- und Quererstreckung und ausreichender Höhe oder Dicke bestehen.
Wie aus der Draufsicht gemäß Figur 4 ersichtlich ist, kann dieses Patchelement 13 aber auch einen von einer rechteck- förmigen oder quadratischen Struktur abweichenden Umriss 13' aufweisen. Wie nämlich bekannt ist, kann durch Abarbeiten von Randbereichen, beispielsweise von in Figur 4 ersichtlichen Eckbereichen 13a noch eine gewisse Anpassung der Patchantenne vorgenommen werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Patchelement 13 eine Längserstreckung und eine Quererstreckung auf, die zum einen größer ist als die Längs- und Quererstreckung der Strahlungsfläche 7 und/oder zum anderen auch größer ist als die Längs- und Querstreckung des dielektrischen Trägers 5 und/oder der darunter befindlichen Massefläche 3.
Ganz allgemein kann das Patchelement 13 ganz oder teilweise auch konvexe oder konkave und/oder sonstige kurvige Umrisslinien oder einen n-polygonalen Umriss aufweisen oder Mischformen von beiden, wie dies nur schematisch für ein abweichendes Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 in Draufsicht gezeigt ist, wobei das Patchelement 13 in diesem Fall eine unregelmäßige Außenkontur oder einen unregelmäßigen Umriss 13' aufweist.
Die Dicke des Patchelementes 13 weist ein Maß auf, welches nicht nur das Doppelte, das 3-, 4- oder 5-fache usw., sondern vor allem das 10-fache, 20-, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- und/oder 100-fache und mehr der Dicke der Massefläche 3 und/oder der Dicke der Strahlungsfläche 7 beträgt .
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dicke oder Höhe 114 des Patchelementes 13 gleich oder größer als ein Ab- stand 17, der durch die Unterseite 13b des Patchelementes 13 und der Oberseite 7a der Strahlungsfläche 7 gebildet ist.
Andererseits sollte dieser Abstand 17 auch nicht kleiner als 0,5 mm sein, vorzugsweise mehr als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder gleich oder mehr als 1 mm betragen. Werte um 1,5 mm, also allgemein zwischen 1 mm bis 2 mm oder 1 mm bis 3 mm, 4 mm oder bis 5 mm sind voll ausreichend.
Andererseits ist auch zu ersehen, dass die Höhe oder Dicke 114 des dreidimensionalen Patchelementes 13 bevorzugt kleiner ist als die Höhe oder Dicke 15 des dielektrischen Trägers 5. Bevorzugt weist die Dicke oder Höhe 114 des zuoberst liegenden Patchelementes 13 ein Maß auf, welches weniger als 90%, insbesondere weniger als 80%, 70%, 60%, 50% oder sogar weniger als 40% und gegebenenfalls 30% oder weniger als 20% der Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 entspricht.
Andererseits ist eine Vorbeschränkung auf die vorstehend genannte Höhe nicht zwingend notwendig. Von daher kann die Höhe oder Dicke 114 des dreidimensionalen Patchelementes 13 auch eine größere und vor allem deutlich größere Höhe oder Dicke aufweisen als die Dicke des dielektrischen Trägers 5. Mit anderen Worten kann diese Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 beispielsweise auch ein Maß aufweisen, welches bis zum 1,5-fachen, 2-fachen, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- und/oder dem 10-fachen und mehr der Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 entspricht.
Andererseits soll die Dicke oder Höhe 114 des Patchelementes 13 bevorzugt größer sein als das Abstandsmaß 17 zwi- sehen der Strahlungsfläche 7 und der Unterseite 13b des Patchelementes 13.
Bevorzugt wird eine Trageinrichtung 19, insbesondere eine dielektrische Trageinrichtung 19 eingesetzt, worüber das Patchelement 13 gehalten und getragen wird. Diese dielektrische Trageinrichtung 19 besteht bevorzugt aus einer Haft- oder Montageschicht 19' (Figur 6), die beispielsweise als sogenannte doppelseitig klebende Haft- und Montageschicht 19' ausgebildet sein kann. Es können hierzu handelsübliche doppelseitig klebende Klebebänder oder doppelseitig klebende Schaumbänder, Klebepads oder dergleichen verwendet werden, die eine entsprechende, vorstehend genannte Dicke aufweisen. Dies eröffnet die einfache Möglichkeit, hierüber das erwähnte Patchelement 13 auf der Oberseite einer handelsüblichen Patchantenne, insbesondere einer handelsüblichen Keramik-Patchantenne zu befestigen und zu montieren.
Anstelle des elektrisch voll leitfähigen Metallkörpers als Patchelement 13 kann aber auch beispielsweise ein Kunststoffkörper verwendet werden, der beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Unterseite 13b und elektrisch leitfähigen umlaufenden Seitenbegrenzungen 13c versehen ist, beispielsweise durch Auftragen einer elektrisch leitfähi- gen Außenschicht. Die Oberseite 13d muss nicht zwingend elektrisch leitfähig sein, obgleich die gesamte Oberfläche des so gebildeten an sich nicht leitfähigen Patchelementes 13 mit einer umlaufenden elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein kann.
Anhand von Figur 7 ist eine Abwandlung gezeigt, bei der das dreidimensionale Patchelement 13 nicht als Volumenkör- per, sondern als mit einem umlaufenden Seiten- oder Randsteg 14 versehenes plattenförmiges Patchelement 13 ausgestaltet ist.
Ein derartiges Patchelement 13 kann beispielsweise aus einem Metallblech durch Stanzen und Kanten hergestellt werden, wie es in Draufsicht beispielsweise in Figur 8 dargestellt ist.
Figur 8 zeigt die Umrisslinien eines Metallteiles bei- spielsweise in annähernd quadratischer Form, wobei in den Eckbereichen Ecken 25 ausgestanzt werden. Anschließend können längs der Kantlinien 27 die so gebildeten Randbereiche oder -stege 14 gegenüber der Basisfläche 113 des Patchelementes 13 aufgestellt werden, so dass diese Rand- bereiche oder -stege 14 quer zur Basisfläche 113 des Patchelementes 13 und vorzugsweise senkrecht dazu verlaufen. Die so gebildeten Schnittlinien zwischen zwei in Um- fangsrichtung benachbart zueinander liegenden und im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander verlau- fenden Randstegen 14 müssen an ihren Schnitt- und/oder Berührungslinien nicht miteinander elektrisch-galvanisch verbunden sein, beispielsweise durch Löten. Die elektrische Verbindung über den flächigen Zentralabschnitt 113 des Patchelementes 13 ist ausreichend.
Auch in diesem Falle wird das so gebildete Patchelement 13 mit seiner Unterseite 13b mittels einer Trageinrichtung, beispielsweise mittels einer schichtförmigen dielektri- schen Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form eines Haftoder Montageträgers 19' auf der Oberseite einer beispielsweise handelsüblichen Patchantenne A befestigt, wobei eine handelsübliche Patchantenne A auf der Oberseite ihrer Strahlungsfläche 7 noch mit einer dielektrischen Schicht überzogen sein kann aber nicht sein muss.
Anhand von Figur 9a ist im schematischen Querschnitt und anhand von Figur 9b in schematischer Draufsicht gezeigt, dass das beispielsweise anhand der Figuren 7 und 8 beschriebene Patchelement 13 in seiner flächigen Unterseite 13b mit einer Ausnehmung oder einem Loch 29 versehen sein kann. Diese Ausnehmung oder dieses Loch 29 ist bevorzugt in jenem Bereich vorgesehen, in welchem die Speiseleitung 9 mit der Strahlungsfläche 7 in der Regel durch Löten verbunden ist. Denn an dieser Stelle ist üblicherweise eine über die Oberfläche der Strahlungsfläche 7 überstehende Löterhebung 31 ausgebildet. Selbst wenn nur eine sehr dünne Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form eines Haft- oder Montageträgers 19' verwendet wird, wird dadurch gewährleistet, dass an dieser Stelle zum einen eine gute mechanische Haftverbindung zwischen dem Patchelement 13 über die Trageinrichtung 19, bevorzugt in Form der Haft- und Montageschicht 19', mit der darunter befindlichen in der Regel handelsüblichen Patchantenne hergestellt werden kann und zum anderen eine elektrische Kontaktierung zwischen der Löterhebung 31 und dem Patchelement 13 sicher vermieden werden kann. Der besseren Darstellbarkeit ist in Figur 9a (wie aber auch in den nachfolgend noch diskutierten Fi- guren 10 und 11) die Trageinrichtung 19 bevorzugt in Form einer Haft- und/oder Montageschicht 19' nicht eingezeichnet worden. Der besseren Darstellung dienend ist dabei in Figur 9b das obere Patch 13 quasi "durchsichtig" darge- stellt worden, so dass die erwähnte Ausnehmung oder das Loch 29 nur durch eine entsprechende Umrisslinie gekennzeichnet ist.
Ähnliche Vorteile können auch gemäß einer Ausbildung entsprechend Figur 10 erzielt werden. Bei Figur 10 ist in der elektrisch leitfähigen unteren Ebene 13b des Patchelementes 13 eine nach oben konvex vorstehende Verformung 33 eingearbeitet, die bevorzugt oberhalb der elektrisch lei- tenden Verbindung zwischen der Speiseleitung 9 und der Speisefläche 7 zu liegen kommt, also in der Regel dort, wo eine Löterhebung 31 ausgebildet ist.
Schließlich ist anhand von Figur 11 lediglich gezeigt, dass die erwähnten Randabschnitte 14, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils am umlaufenden Außenrand 113' der Patchfläche des Patchelementes 13 vorgesehen sind, nicht senkrecht zur Basisfläche 113 des Patchelementes 13 ausgerichtet sein müssen, sondern beispielsweise wie anhand von Figur 11 gezeigt ist, in einem gegenüber der Senkrechten abweichenden Winkelausrichtung vorgesehen sein können. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 sind die Randseitenbegrenzungen 14 längs der axialen Anbaurichtung A (in Figur 1) divergierend, also von der Ba- sis- oder Zentralfläche 113 in Strahlungsrichtung voneinander weg verlaufend ausgerichtet. Genauso können die Randseitenabschnitte aber auch aufeinander zuweisend ausgerichtet sein. Genauso können an einer Seite die Seitenbegrenzungen 14 beispielsweise in anderer Richtung A mehr auf den Zentralabschnitt 113 des Patches 13 zu gebogen sein und an einer anderen Seite von der Zentralfläche 113 weglaufend ausgerichtet sein. Schließlich müssen diese Stege oder Randabschnitte 14 nicht zwingend an der äußers- ten Umrisskante oder Umrissrand 113' vorgesehen sein, sondern können dazu weiter nach innen versetzt liegend ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in Figur 11 für quer zur Basisfläche 113 verlaufende Stege oder anders- artige Erhebungen 14 ' in strichlierter Darstellung gezeigt ist, die zur Außenbegrenzung 113' weiter nach innen versetzt liegend auf dem Patchelement angeordnet sind. Diese in Figur 11 gezeigten Stege oder Erhebungen 14 ' können aber auch wieder von einer Senkrechten abweichend eher nach außen oder eher nach innen geneigt verlaufend ausgerichtet sein. Im übrigen müssen sie auch im Querschnitt nicht steg- oder bandförmig ausgestaltet sein, sondern können in einem dreieckförmigen Querschnitt volumige Querschnitte oder beliebig geformte Querschnittsformen auf- weisen.
Schließlich wird auch angemerkt, dass auch bei Verwendung eines Volumenkörpers, beispielsweise vergleichbar der Ausführungsform nach Figur 3 oder 6, die umlaufenden Begren- zungsflächen 13' (Seitenbegrenzungen 13c) nicht senkrecht zur Unter- oder Oberseite 13b, 13d des Patchelementes 13 ausgerichtet sein müssen, sondern ebenfalls mit schräg verlaufenden Seitenflächen ausgestaltet sein können, vergleichbar den geneigt verlaufenden Rändern oder Stegen 14 in Figur 11.
Die erfindungsgemäße Stacked-Patchantenne kann bevorzugt als Antenne im Rahmen einer Kfz-Antenne neben weiteren Antennen für andere Dienste eingesetzt werden. Eine Be- schränkung hierauf ist jedoch nicht gegeben. Die dabei im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Stacked-Patchantenne verwendete handelsübliche Patchantenne A besteht vorzugsweise - wie erläutert - aus einem dielektrischen Träger 5, des- sen Ober- bzw. Unterseite aus einer metallischen oder elektrisch-leitfähigen Schicht 7 bzw. 3 ausgebildet und auf dem Träger 5 fixiert ist.
Schließlich wird noch auf Figur 12 verwiesen, in der ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein oben liegendes Patchelement 13 verwendet, welches - wie aus der Figur ersichtlich " ist - eine Dicke oder Höhe 14, die sogar größer ist als die Dicke oder Höhe des dielektrischen Trägers 5. Trotz dieser vergleichsweise großen Höhe oder der größeren Erstreckung parallel zur Substratfläche weist auch die so gebildete Patchantenne verbesserte elektrische Eigenschaften auf.
Anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist verdeutlicht worden, dass das Patchelement 13 größer oder gleich ist als der dielektrische Träger 5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Patchelement 13 auch größer als die Massefläche 3 und größer als die Strahlungsfläche 7.
Nachfolgend werden noch Größenangaben bezüglich des Patchelementes 13 im Verhältnis zum dielektrischen Träger 5, zur Massefläche 3 bzw. zur Strahlungsfläche 7 angegeben, wobei sich die nachfolgenden Größenangaben und Größen- Verhältnisse jeweils auf eine Erstreckungsrichtung in Längs- und/oder Querrichtung des Patchelementes 13, des Trägers 5, der Massefläche 3 sowie der Strahlungsfläche 7 (insbesondere parallel zu den beiden senkrecht aufeinander stehenden Kantenlänge der genannten Teile) beziehen, also lineare Größenverhältnisse und keine flächigen Größenverhältnisse wiedergeben.
Bevorzugt sollte die Anordnung so gewählt werden, dass das Patchelement 13 bis zu 100 % größer als der dielektrische Träger 5 und/oder bis zu 200 % größer als die Massefläche 3 und/oder bis zu 200 % größer als die Strahlungsfläche 7 ist.
Die Größenordnungen können in einer weiteren bevorzugten Variante alternativ oder ergänzend auch so gewählt werden, dass das Patchelement (welches in der Regel größer ist als der dielektrische Träger 5) , eine minimale Größe auf- weisen soll, die 20 % kleiner ist als der dielektrische Träger 5 und/oder bis zu 5 % kleiner ist als die Massefläche 3 und/oder bis zu 5 % kleiner ist als die Strahlungsfläche 7. Üblicherweise sind die entsprechenden Größenordnungen jedoch größer als die vorstehend genannten un- tersten Werte.
Bevorzugte Werte liegen beispielsweise so, dass das Patchelement 13 um 4 % bis 16 %, insbesondere um 6 % bis 12 % und insbesondere um 8 % größer ist als der elektrische Träger 5 und/oder dass das Patchelement 13 um 8 % bis 34 % und insbesondere um 12 % bis 28 %, nämlich um 17 % größer als die Massefläche 3 ist und/oder um 21 % bis 84 %, insbesondere um 30 % bis 60 %, vor allem um 42 % größer ist als die Strahlungsfläche 7.

Claims

Patentansprüche :
1. Mehrschichtige Antenne planarer Bauart, insbesondere Patchantenne, mit mehreren entlang einer axialen Achse (Z) mit oder ohne Seitenversatz zueinander angeordneten Flächen und/oder Schichten mit folgenden Merkmalen: es ist eine elektrisch leitende Massefläche (3) vorge- sehen, es ist eine leitende Strahlungsfläche (7) vorgesehen, die im seitlichen Abstand zur Massefläche (3) angeordnet ist und im Wesentlichen parallel dazu verläuft, es ist ein dielektrischer Träger (5) vorgesehen, der zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, die Strahlungsfläche (7) ist mit einer elektrisch leitenden Speiseleitung (9) elektrisch verbunden, mit einer Trageinrichtung (19), die direkt oder mit- telbar auf der zur Massefläche (3) gegenüberliegenden Seite der Strahlungsfläche (7) vorgesehen ist, und mit einem elektrisch leitfähigen Patchelement (13) , welches auf der zur Strahlungsfläche (7) gegenüberliegenden Seite der Trageinrichtung (19) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch das folgende weitere Merkmal: die Trageinrichtung (19) weist eine Dicke oder Höhe auf, die kleiner ist als die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13).
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) kleiner ist als die Dicke oder Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5) zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungs- fläche (7) .
3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) größer ist als die Dicke oder Höhe (15) des dielektrischen Trä- gers (5) zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7), wobei die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) bis zum 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-fachen und mehr der Dicke oder Höhe (15) des dielektrischen Trägers (5) entspricht.
4. Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) zumindest im Wesentlichen eine Längs- und/oder Quererstreckung der Strahlungsfläche (7) aufweist, die größer oder gleich ist als die Längs- und/oder Quererstreckung des dielektrischen Trägers (5) und/oder größer ist als die Längs- oder Quererstreckung der Massefläche (3) .
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe (114) des Patchelementes (13) mehr als das Doppelte, mehr als das 3-, A- oder 5-fache, insbesondere mehr als das 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-fache und insbesondere mehr als das 20-, 30-, 40-, 50-, 60-, 70-, 80-, 90- oder 100-fache und mehr der Dicke der Masseflache (3) und/oder der Dicke der Strahlungsfläche (7) beträgt.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe der dielektrischen Trageinrichtung (19) größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder vorzugsweise größer als 1 mm ist.
7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke oder Höhe der dielektrischen Trageinrichtung
(19) weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 4 mm, 3 mm oder weniger als 2 mm beträgt.
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Trageinrichtung (19) aus einer Haft- oder Montageschicht (19') besteht.
9. Antenne nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Tragschicht (19) aus einer doppelseitig klebenden Haft- oder Montageinrichtung (19'), insbesondere einem doppelseitig klebenden Klebeband, Schaumband, Acryl-Klebeband oder Klebepad besteht.
10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem dreidimensionalen Volumenkörper besteht.
11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) einen metallblattförmigen, folienförmigen oder schichtförmigen Basisabschnitt (113) umfasst, wobei auf dem Basis- oder Zen- tralabschnitt (113) quer zu dessen Fläche weg stehende Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) ausgebildet sind.
12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) am umlaufenden
Rand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgebildet sind.
13. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen, Ränder und/oder Stege (14) an dem Außenrand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) weiter nach innen versetzt liegend vorgesehen sind.
14. Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem Metallblech besteht, dessen Stege oder Ränder (14) durch Schneiden oder Stanzen und anschließendes Kanten gebildet sind.
15. Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder oder Stege (14) senkrecht zur Fläche des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgerichtet sind.
16. Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder oder Stege (14) in einem zur Senkrechten abweichenden Winkel zur Fläche des Zentral- oder Basisabschnittes (113) des Patchelementes (13) ausgerichtet sind.
17. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Patchelement (13) eine Ausneh- mung oder ein Loch (29) oder eine Vertiefung (33) vorgesehen ist, welche sich über der unteren Ebene (13b) des Patchelementes (13) von der darunter befindlichen Strahlungsfläche (7) weg erstreckt.
18. Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch oder die Ausnehmung (29) oder die Vertiefung (33) in dem Bereich vorgesehen ist, bei dem in Draufsicht die Speiseleitung (9) mit der Strahlungsfläche (7) kontaktiert ist.
19. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall besteht.
20. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material besteht und mit einer elektrisch leitfähigen Schicht ganz oder teilweise überzo- gen ist, wobei zumindest der Zentral- oder Basisabschnitt (113) und die umlaufenden Seitenbegrenzungen (13') oder die vorgesehenen Ränder oder Stege (14) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind.
21. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) bis zu 100 % länger und/oder breiter ist als der dielektrische Träger
(5) und/oder bis zu 200 % länger und/oder breiter ist als die Massefläche (3) und/oder bis zu 200 % länger und/oder breiter ist als die Strahlungsfläche (7).
22. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Patchelement (13) eine Länge und/oder Breite aufweist, die gleich oder größer als ein Minimalwert ist, wobei der Minimalwert bezüglich der Länge und/oder Breite des Patchelementes (13) 80 % der Länge und/oder Breite des dielektrischen Trägers (5) und/oder 95 % der Länge und/oder Breite der Massefläche (3) und/oder 95 % der Länge und/oder Breite der Strahlungsfläche (7) entspricht.
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