WO2010069350A1 - Planarantenne - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne (10) zum selektiven Empfang von zwei linear polarisierten elektromagnetischen Wellen, umfassend eine Plattenstruktur (12) mit einem oberen, einem mittleren und einem unteren elektrisch leitfähigen Plattenelement (14, 16, 18), die übereinander angeordnet sind unter Zwischenlage eines oberen und eines unteren Isolationselements (20, 24), das eine obere bzw. eine untere Leiterbahnstruktur (22, 26) trägt, wobei die Plattenelemente nebeneinander angeordnete Empfangszellen (30) ausbilden in Form von Öffnungen (32), in die senkrecht zueinander ausgerichtet und übereinander angeordnet jeweils eine erste Auskoppelsonde (38) und eine zweite Auskoppelsonde (40) hineinragen, wobei die ersten Auskoppelsonden über die obere Leiterbahnstruktur (22) und die zweiten Auskoppelsonden über die untere Leiterbahnstruktur (26) amplituden- und phasenrichtig elektrisch zusammengefasst sind. Damit die Planarantenne (10) einen höheren Antennengewinn aufweist und eine gute Polarisationsentkopplung, sind die Öffnungen (32) jeweils durch mindestens zwei sich zentrisch durchdringende ovalförmige Ausnehmungen (33, 35) gebildet.

Description

Planarantenne

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne zum selektiven Empfang von zwei orthogonal zueinander linear polarisierten elektromagnetischen Wellen, um- fassend eine Plattenstruktur mit einem oberen, einem mittleren und einem unteren elektrisch leitfähigen Plattenelement, wobei die Plattenelemente übereinander angeordnet sind unter Zwischenlage eines oberen und eines unteren Isolationselements, das eine obere bzw. eine untere Leiterbahnstruktur trägt, wobei die Plattenelemente eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Empfangszellen ausbilden in Form von Öffnungen, in die übereinander angeordnet jeweils eine erste Auskoppelsonde und eine zweite Auskoppelsonde hineinragen, wobei die ersten Auskoppelsonden sämtlicher Empfangszellen über die obere Leiterbahnstruktur und die zweiten Auskoppelsonden sämtlicher Empfangszellen über die untere Leiterbahnstruktur amplituden- und pha- senrichtig elektrisch zusammengefasst sind.

Derartige Planarantennen dienen zum Empfang von linear polarisierten elektromagnetischen Wellen, welche - beispielsweise in einem Frequenzbereich von etwa 5 GHz bis 20 GHz und mehr, insbesondere in einem Frequenzbereich von 10,7 GHz bis 12,75 GHz - von geostationären Satelliten übertragen werden. Die beiden orthogonal zueinander polarisierten Wellen müssen jeweils selektiv empfangen werden können. Deshalb sollten die empfangenen Signale möglichst gut voneinander isoliert sein. Außerdem sollten auch relativ schwache Signale gut empfangen werden können, d. h. die Planarantenne sollte ei- nen hohen Antennengewinn aufweisen. Anders gesagt, die einzelnen

Empfangszellen sollten einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben und die Signale sämtlicher Empfangszellen sollten möglichst optimal zusammengefasst werden. Darüber hinaus sollte der Frequenzbereich, in dem Signale gut empfangen werden können, möglichst groß sein, d.h. die Planarantenne sollte eine große Bandbreite aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Planarantenne der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie einen hohen Antennengewinn und eine große Bandbreite aufweist sowie eine gute Polarisationsentkopplung.

Diese Aufgabe wird bei einer Planarantenne der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Öffnungen jeweils durch mindestens zwei sich zentrisch durchdringende ovalförmige Ausnehmungen gebildet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Planarantenne kommen eine Vielzahl von Öffnungen zum Einsatz, deren Form sich durch eine zentrische Durchdringung von mindestens zwei ovalförmigen Ausnehmungen ergibt. Es hat sich gezeigt, dass durch derart ausgestaltete Öffnungen ein besonders hoher Antennengewinn erzielbar ist. Hierbei kommen mindestens zwei ovalförmige Ausnehmungen zum Einsatz. Es können jedoch auch mehr als zwei sich zentrisch durchdringende ovalförmige Ausnehmungen vorgesehen sein, beispielsweise vier ovalförmige Ausnehmungen. Die ovalförmigen Ausnehmungen können beispiels- weise in Form von Ellipsen ausgestaltet sein oder auch in Form von Rechtecken mit abgerundeten Ecken. Insbesondere können die Ausnehmungen als Ovale ausgestaltet sein, die jeweils zwei sich senkrecht schneidende Symmetrieachsen aufweisen.

Mittels derart geformter Öffnungen können nicht nur ein hoher Antennengewinn und eine große Bandbreite erzielt werden, es hat sich gezeigt, dass eine derartige Öffnungskontur auch eine sehr gute Polarisationsentkopplung ermöglicht. Insbesondere über das gesamte Frequenzband von 10,7 GHz bis 12,75 GHz wird eine sehr gute Empfindlichkeit erreicht. Verluste an den Band- grenzen, wie sie bei üblichen Öffnungskonturen häufig in Form von Resonanzeffekten (Hohlleitermoden) auftreten, können durch die einander zentrisch durchdringenden ovalförmigen Ausnehmungen deutlich verringert werden. Es können Verhältnisse zwischen Nutzbandbreite und Frequenz von mehr als 20 % erreicht werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Öffnungen in der Draufsicht bezüglich einer Drehung um 90° um die Flächennormale der Plattenstruktur drehsymmetrisch sind. Die Öffnungskonturen gehen also bei einer Drehung um die Flä- chennormale um einen Winkel von 90° ineinander über. Dies erleichtert die Fertigung insbesondere des obersten Plattensegments, das die Öffnungskonturen in der Draufsicht definiert.

Bevorzugt weisen die Öffnungen eine erste Hauptachse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete zweite Hauptachse auf, wobei die Auskoppelsonden jeweils senkrecht zu einer Hauptachse ausgerichtet sind. Die Hauptachsen zeichnen sich durch Richtungen aus, in denen die Öffnungen eine maximale Ausdehnung aufweisen. Die Hauptachsen entsprechen den Längsachsen der ovalförmigen Ausnehmungen, die sich zentrisch durchdringen. So kann eine erste ovalförmige Ausnehmung die erste Hauptachse als Längsachse aufweisen, und eine zweite ovalförmige Ausnehmung kann die zweite Hauptachse als Längsachse aufweisen. Die erste Auskoppelsonde kann senkrecht zur ersten Hauptachse ausgerichtet sein und die zweite Auskoppelsonde kann senkrecht zur zweiten Hauptachse ausgerichtet sein.

Die Empfangszellen der Planarantenne sind vorzugsweise zeilen- und spal- tenförmig nebeneinander angeordnet, und die Hauptachsen der Öffnungen sind bevorzugt zu den Zeilen und Spalten geneigt. Der Neigungswinkel kann beispielsweise im Bereich von -45° bis + 45° liegen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Planarantenne weisen die Öffnungen eine Kontur nach Art eines vierblättrigen Kleeblatts oder eines Kreuzes auf. Die Öffnungen werden somit durch zwei einander zentrisch durchdringende ovalförmige Ausnehmungen gebildet, deren Längsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die beiden ovalförmigen Ausnehmungen sind hierbei identisch ausgestaltet.

Ausgehend von einem Rand der Öffnung erstrecken sich die Auskoppelsonden bevorzugt über den Mittelpunkt der Öffnung, der durch den Schnittpunkt zweier Hauptachsen gebildet wird, hinaus.

Um den Antennengewinn zusätzlich zu steigern, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich die Öffnungen in Rich- tung der Oberseite des obersten Plattenelements konisch erweitern.

Hierbei ist es günstig, wenn sich die Öffnungen lediglich im Bereich des oberen Plattenelements konisch erweitern, denn dadurch kann die Fertigung der Plattenelemente vereinfacht werden. Die Bereitstellung einer konischen Erweite- rung ist mit einem gewissen Aufwand verbunden. Dieser ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich bei der Herstellung des oberen Plattenelements erforderlich, wohingegen das mittlere und das untere Plattenelement keine konischen Erweiterungen aufweisen und daher auf einfachere Weise gefertigt werden können.

Besonders günstig ist es, wenn sich die Öffnungen nur über einen Teilbereich des oberen Plattenelements konisch erweitern. Zur Ausgestaltung der Öffnungen der einzelnen Empfangselemente kann das obere Plattenelement einen Durchbruch aufweisen mit einem der Unterseite des Plattenelements zuge- wandten unteren Abschnitt, der sich durch parallel zur Flächennormale des oberen Plattenelements verlaufende Wandabschnitte auszeichnet, und mit einem der Oberseite zugewandten Wandabschnitt mit sich in Richtung der Oberseite des Plattenelements konisch erweiternden Wandbereichen.

Das mittlere Plattenelement kann ebenfalls einen Durchbruch aufweisen, der sich von der Oberseite bis zur Unterseite des mittleren Plattenelements erstreckt.

Das untere Plattenelement kann zur Ausgestaltung der Öffnungen der Einzelelemente eine Vielzahl von Vertiefungen umfassen, die sich jeweils von der Oberseite des unteren Plattenelements bis zu einer Bodenwand der Vertiefung erstrecken.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Öffnungen einen Boden auf, der im Bereich einer ersten ovalförmigen Ausnehmung eben ausgestaltet ist und der im Bereich einer die erste ovalförmige Ausnehmung durchdringenden zweiten ovalförmigen Ausnehmung mindestens eine Stufe aufweist. Es hat sich gezeigt, dass durch die Bereitstellung von mindestens einer Stufe im Boden der Öffnung insbesondere beim Empfang von elektromagnetischen Signalen im Bereich von 10,7 GHz bis 12,75 GHz eine besonders gute Entkopplung der beiden orthogonal zueinander polarisierten elektromagnetischen Wellen erzielbar ist.

Vorteilhafterweise erstreckt sich die mindestens eine Stufe senkrecht zur Hauptachse der zweiten ovalförmigen Ausnehmung. Bevorzugt weisen die erste und die zweite ovalförmige Ausnehmung einen gemeinsamen Durchdringungsbereich auf und die mindestens eine Stufe ist am Rand des Durchdringungsbereichs angeordnet.

Besonders günstig ist es, wenn der Boden der Öffnungen im Bereich der zweiten ovalförmigen Ausnehmung zwei Stufen aufweist. Der ebene Boden im Bereich der ersten ovalförmigen Ausnehmung kann einen ersten Wellenkurz- schluss (häufig auch als "short" bezeichnet) für den Empfang einer ersten linear polarisierten elektromagnetischen Welle ausbilden und der gestufte Bodenbereich der zweiten ovalförmigen Ausnehmung kann einen zweiten Wellenkurzschluss ("short") ausbilden für eine zweite linear polarisierte elektromagnetische Welle. Dadurch wird jeder Empfangszelle eine Öffnung bereitgestellt, die zwei im Winkel zueinander angeordnete Hohlleiterstrahler ausbildet, wobei die Strahlung der beiden Hohlleiter eine sehr gute Entkopp- lung aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die beiden Hohlleiterstrahler senkrecht zueinander angeordnet sind dergestalt, dass die Hauptachse der ersten ovalförmigen Ausnehmung orthogonal zur Hauptachse der zweiten ovalförmigen Ausnehmung ausgerichtet ist.

Bei Einsatz von zwei Stufen ist es günstig, wenn an einander abgewandten Seiten des Durchdringungsbereichs jeweils eine Stufe positioniert ist.

Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Stufe, die seitlich an den Durchdringungsbereich anschließt, nach oben gerichtet ist. Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn die mindestens eine sich seitlich an den Durchdringungsbereich anschließende Stufe nach unten gerichtet ist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die beiden Stufen unterschiedliche Höhen aufweisen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Höhe der ersten Stufen größer ist als der Abstand, den die beiden Auskoppelsonden zueinander aufweisen, und dass die zweite Stufe eine Höhe aufweist, die kleiner ist als der Abstand, den die beiden Auskoppelsonden zueinander aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch eine zusätzliche Steigerung des Antennengewinns erzielbar ist.

Bei Bereitstellung eines Bodens mit zwei unterschiedlich hohen Stufen ist es günstig, wenn sich eine der beiden Auskoppelsonden oberhalb der höheren der beiden Stufen erstreckt. Diese Auskoppelsonde erstreckt sich somit über einen beträchtlichen Bereich ihrer Längserstreckung in verhältnismäßig geringem

Abstand zum Boden der Öffnung, in die sie hineinragt. Mit ihrem freien Endabschnitt kann sich diese Auskoppelsonde bis in den voranstehend erläuterten Durchdringungsbereich erstrecken. In diesem Bereich kann die sich oberhalb der höheren der beiden Stufen erstreckende Auskoppelsonde von der anderen Auskoppelsonde überdeckt sein.

Der bevorzugt gestufte Boden der Öffnungen wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vom unteren Plattenelement gebildet.

Eine weitere beträchtliche Steigerung des Antennengewinns wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Planarantenne dadurch erzielt, dass die Plattenelemente auf ihren einander zugewandten Seiten paarweise zusammenwirkende Nutstrukturen aufweisen, wobei die auf der Unterseite des oberen Plattenelements und der Oberseite des mittleren Plat- tenelements angeordneten Nutstrukturen ein erstes Kanalsystem ausbilden, in dem mit Abstand zu den Kanalwänden die obere Leiterbahnstruktur verläuft, und wobei die auf der Unterseite des mittleren Plattenelements und die auf der Oberseite des unteren Plattenelements angeordneten Nutstrukturen ein zwei- tes Kanalsystem auszubilden, in dem mit Abstand zu den Kanalwänden die zweite Leiterbahnstruktur verläuft.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Planarantenne sind in die einzelnen Plattenelemente Nuten eingebracht. Die Plattenelemente sind aufeinander gestapelt unter Zwischenlage von Isolationselementen, die die obere bzw. die untere Leiterbahnstruktur tragen. Die übereinander angeordneten Nutstrukturen bilden Kanalsysteme aus, in denen die Leiterbahnstrukturen verlaufen. Die Leiterbahnstrukturen sind dadurch auf konstruktiv einfa- che Weise elektrisch von den Plattenelementen isoliert, ohne dass zusätzliches Isoliermaterial zum Einsatz kommen muss. Die sonst üblichen Isolierschaumschichten zwischen den elektrisch leitfähigen Plattenelementen und den Leiterbahn Strukturen können entfallen. Die Plattenstruktur mit den Plattenelementen und den dazwischen angeordneten Isolationselementen erhält dadurch eine sehr kompakte Ausgestaltung, wobei die Leiterbahnstrukturen hoch wirksam elektrisch voneinander isoliert sind, ohne dass eine große Masse an Isoliermaterial zum Einsatz kommen muss. Vielmehr erfolgt die Isolation der Leiterbahnstrukturen von den Plattenelementen durch die Bereitstellung der Kanalsysteme, die von den miteinander zusammenwirkenden Nutstrukturen erzeugt werden. Der Wegfall von Isolierschaumschichten hat vor allem den Vorteil, dass die gesamte Plattenstruktur relativ wenig Feuchtigkeit aufnimmt. Dies wiederum verbessert den Antennengewinn, die Bandbreite und auch die Polarisationsentkopplung.

Das Kanalsystem, in dem die Leiterbahnstrukturen angeordnet sind, wird günstigerweise jeweils von einem Paar fluchtend zueinander angeordneter Nutstrukturen gebildet. Bevorzugt ist das obere und/oder untere Kanalsystem mit einem Gas gefüllt, beispielsweise mit Luft. Das Gas dient als Dielektrikum, das Empfangsverluste der Planarantenne sehr gering halten kann. Alternativ kann das obere und/oder untere Kanalsystem evakuiert sein oder mit einem dielektrischen Feststoff, insbesondere einem Kunststoffmaterial gefüllt sein.

Das obere und/oder das untere Isolationselement, das die obere bzw. die untere Leiterbahnstruktur trägt, ist bevorzugt als flexible Kunststofffolie ausgestaltet. Dies verleiht der Plattenstruktur insgesamt eine sehr flache Aus- gestaltung, da die flexible Kunststofffolie eine sehr geringe Dicke aufweisen kann. Trotz der geringen Dicke kann durch den Einsatz eines Kunststoffmaterials eine hoch wirksame Isolation zwischen den Leiterbahnstrukturen und den einzelnen Plattenelementen sichergestellt werden.

Auf die Kunststofffolie lässt sich in üblicher Weise eine Leiterbahnstruktur aufbringen. Die Leiterbahnstruktur kann beispielsweise auf die Kunststofffolie aufgedruckt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine mit Metall beschichtete Folie geäzt wird.

Die flexible Kunststofffolie kann beispielsweise eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweisen, insbesondere kann sie eine Dicke von weniger als 0,2 mm aufweisen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine flexible Kunststofffolie mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,05 mm bis ca. 0,1 mm herausgestellt.

Die Kunststofffolie ist bevorzugt mit einer Leiterbahnstruktur aus einem elektrisch gut leitfähigen Material versehen, beispielsweise unter Einsatz von Kupfer oder Gold. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Oberfläche der Leiterbahnstruktur mit Gold oder einem anderen veredelnden Material beschichtet ist. Bei Einsatz von Kupfer weist die Leiterbahnstruktur bevorzugt eine Dicke von weniger als 0,05 mm auf, insbesondere eine Dicke von weniger als 0,02 mm.

Die Leiterbahnstrukturen können auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Isolationselemente angeordnet sein. Eine deckungsgleiche Anordnung auf der Oberseite und der Unterseite hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da dadurch elektrische Verluste (Dämpfung) verringert werden können.

Besonders günstig ist es, wenn die Plattenstruktur selbsttragend ist. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Tragschicht für die Plattenstruktur entfallen kann. Vielmehr weist die Plattenstruktur, umfassend die Plattenelemente und die dazwischen angeordneten Isolationselemente, eine ausreichende Stabilität auf. Zur Fixierung der Plattenstruktur kann die Planarantenne einen üblichen Schwenkmechanismus aufweisen, so dass die Plattenstruktur sowohl bezüglich des Winkels, den sie in Elevationsrichtung einnimmt, als auch im Hinblick auf ihre horizontale Ausrichtung (Azimutwinkel) auf einfache Weise manuell oder motorisch verstellt werden kann. Da eine zusätzliche Tragschicht entfallen kann, lässt sich die Plattenstruktur mittels des Schwenkmechanismus mit verhältnismäßig geringen Kräften verstellen. Entsprechende Antriebselemente können somit verkleinert werden.

Zumindest ein Plattenelement kann beispielsweise aus einem metallisierten Kunststoffmaterial oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial hergestellt sein. Insbesondere ein galvanisiertes ABS-Kunststoffmaterial hat sich als vorteilhaft erwiesen.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Plattenelement als Metallplatte ausgestaltet ist, insbesondere in Form eines Aluminiumbleches. Dieses kann beispielsweise eine Stärke von weniger als 10 mm aufweisen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen das obere und das untere Plattenelement dieselbe Materialstärke auf, wohingegen das mittlere Plattenelement eine geringere Materialstärke aufweist. Insbesondere kann vorgese- hen sein, dass die Materialstärke des mittleren Plattenelementes halb so groß ist wie die Materialstärke des oberen und des unteren Plattenelements. Beispielsweise können die oberen und die unteren Plattenelemente jeweils eine Materialstärke von 8 mm aufweisen, wohingegen das mittlere Plattenelement eine Materialstärke von 4 mm aufweist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die beiden Kanalsysteme, die von den Nutstrukturen gebildet werden, identisch ausgestaltet sind, wobei das untere Kanalsystem relativ zum oberen Kanalsystem um die Flächennormale der Plattenstruktur gedreht angeordnet ist. Der Einsatz identischer Kanalsysteme vereinfacht die Herstellung der Planarantenne.

Es kann vorgesehen sein, dass das untere Kanalsystem relativ zum oberen Kanalsystem um einen Winkel von 90° um die Flächennormale der Plattenstruktur gedreht ist.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische, auseinander gezogene Darstellung eines

Teilbereiches einer erfindungsgemäßen Planarantenne mit einem oberen, einem mittleren und einem unteren Plattenelement, zwischen denen jeweils ein Isolationselement angeordnet ist; Figur 2: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des oberen Plattenelements aus Figur 1;

Figur 3: eine Unteransicht auf den in Figur 2 dargestellten Ausschnitt des oberen Plattenelements;

Figur 4: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines oberen Isolationselementes mit einer oberen Leiterbahnstruktur;

Figur 5: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des mittleren Plattenelements aus Figur 1;

Figur 6: eine Unteransicht auf den Ausschnitt des mittleren Plattenelements aus Figur 5;

Figur 7: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des unteren Isolationselementes mit einer unteren Leiterbahnstruktur;

Figur 8: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des unteren Plattenelements aus Figur 1;

Figur 9: eine Unteransicht auf den Ausschnitt des unteren Plattenelements aus Figur 8;

Figur 10: eine Schnittansicht des oberen Plattenelements entlang der Linie 10-10 in Figur 2;

Figur 11: eine Schnittansicht des mittleren Plattenelements entlang der Linie 11-11 in Figur 5; Figur 12: eine Schnittansicht des unteren Plattenelements entlang der Linie 12-12 in Figur 8;

Figur 13: eine schematische Schnittansicht der Planarantenne aus Figur 1 in einem Bereich zwischen benachbarten Empfangselementen, und

Figur 14: eine Draufsicht auf eine der Öffnungen der erfindungsgemäßen Planarantenne.

In der Zeichnung ist schematisch ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Planarantenne dargestellt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegt ist. Sie umfasst eine Plattenstruktur 12 mit einem oberen Plattenelement 14, einem mittleren Plattenelement 16 und einem unteren Plattenelement 18, die in der dargestellten Ausführungsform jeweils aus einem metallisierten Kunststoffmaterial gefertigt sind in Form eines galvanisierten Spritzgussteils. Zwischen dem oberen Plattenelement 14 und dem mittleren Plattenelement 16 ist ein oberes Isolationselement 20 angeordnet. Dieses ist in Form einer flexiblen Kunststofffolie gefertigt und trägt auf seiner Oberseite und deckungsgleich auch auf seiner Unterseite eine obere Leiterbahnstruktur 22. Diese ist in Figur 4 dargestellt. Zwischen dem mittleren Plattenelement 16 und dem unteren Plattenelement 18 ist ein unteres Isolationselement 24 angeordnet in Form einer flexiblen Kunststofffolie, die auf ihrer Oberseite und deckungsgleich auch auf ihrer Unterseite die in Figur 7 dargestellte untere Leiterbahnstruktur 26 trägt. Wie aus dem Vergleich der Figuren 4 und 7 deutlich wird, ist die untere Leiterbahnstruktur 26 mit der oberen Leiterbahnstruktur 22 identisch, wobei sie allerdings um einen Winkel von 90° bezüglich der Flächennormale der Plattenstruktur 12 gedreht ist. Anstatt die Leiterbahnstrukturen 22 und 26 jeweils deckungsgleich auf der Oberseite und der Unterseite der Isolationselemente 20 bzw. 24 anzuordnen, könnten sie auch nur auf einer Seite (Oberseite oder Unterseite) angeordnet sein. Die deckungsgleiche Anordnung der Leiterbahnstrukturen auf der Oberseite und der Unterseite der Isolationselemente ermöglicht es aber, die elektrischen Verluste (Dämpfung) zu minimieren und dadurch den Antennengewinn zu steigern.

Die Planarantenne 10 weist eine Vielzahl von Zeilen- und spaltenförmig nebeneinander angeordneten Empfangszellen 30 auf, die jeweils von einer Öffnung 32 gebildet werden. Wie insbesondere aus Figur 14 deutlich wird, weisen die Öffnungen 32 eine erste Hauptachse 34 und eine senkrecht zur ersten Hauptachse 34 angeordnete zweite Hauptachse 36 auf, die sich jeweils in eine Richtung mit größter Ausdehnung der Öffnungen 32 erstrecken. Die beiden Hauptachsen 34 und 36 sind in einem Winkel von 45° zu den Zeilen und Spalten der Empfangszellen 30 geneigt.

Die Öffnungen 32 werden jeweils gebildet von zwei ovalförmigen Ausnehmun- gen 33, 35, die sich zentrisch durchdringen. Die erste ovalförmige Ausnehmung 33 erstreckt sich entlang der ersten Hauptachse 34 und die zweite ovalförmige Öffnung 35 erstreckt sich entlang der zweiten Hauptachse 36. Die beiden ovalförmigen Öffnungen 33, 35 bilden einen gemeinsamen zentralen Durchdringungsbereich 37, der in Figur 14 zur Erzielung einer besseren Über- sieht schraffiert ist.

Die Öffnungen 32 weisen somit eine Kontur auf nach Art eines vierblättrigen Kleeblatts oder eines symmetrischen Kreuzes mit zwei gleich langen, senkrecht zueinander ausgerichteten Balken mit abgerundeten Außenkanten. Der Boden 39 der Öffnungen 32 ist im Bereich der ersten ovalförmigen Ausnehmung 33 eben ausgestaltet, d. h. im Bereich der ersten ovalförmigen Ausnehmung 33 weisen die Öffnungen 32 eine einheitliche Tiefe auf. Demgegen- über ist der Boden 39 der Öffnungen 32 im Bereich der zweiten ovalförmigen Ausnehmungen 35 mit zwei Stufen 41, 43 versehen, die sich an einander gegenüberliegenden Seiten unmittelbar an den zentralen Durchdringungsbereich 37 anschließen und die senkrecht zur zweiten Hauptachse 36 ausgerichtet sind. Die Stufe 41 weist eine geringere Höhe auf als die Stufe 43. Dies wird insbesondere aus Figur 12 deutlich und wird nachfolgend noch näher erläutert.

In die Öffnungen 32 ragen jeweils eine erste Auskoppelsonde 38, die parallel zur ersten Hauptachse 34 ausgerichtet ist, und eine zweite Auskoppelsonde 40, die parallel zur zweiten Hauptachse 36 ausgerichtet ist. Die erste Auskop- pelsonde 38 ist im Abstand oberhalb der zweiten Auskoppelsonde 40 angeordnet, nämlich in der durch das obere Isolationselement 20 definierten Ebene zwischen dem oberen Plattenelement 14 und dem mittleren Plattenelement 16. Die zweite Auskoppelsonde 40 ist in der durch das untere Isolationselement 24 definierten Ebene zwischen dem mittleren Plattenelement 16 und dem unteren Plattenelement 18 angeordnet. Wie aus den Figuren 4 und 7 deutlich wird, sind die ersten Auskoppelsonden 38 aller Öffnungen 32 über die obere Leiterbahnstruktur 22 miteinander verbunden, und die zweiten Auskoppelsonden 40 aller Öffnungen 32 sind über die untere Leiterbahn struktur 26 miteinander verbunden.

Die unter Zwischenlage des oberen Isolationselementes 20 und des unteren Isolationselementes 24 übereinander angeordneten Plattenelemente 14, 16 und 18 bilden in ihrer Gesamtheit die Öffnungen 32 aus. Hierzu weist das obere Plattenelement 14 eine Vielzahl von ersten Durchbrüchen 42 auf, die die Außenkontur der Öffnungen 32 definieren und einen unteren Durchbruchab- schnitt 44 mit parallel zur Flächennormalen der Plattenstruktur 12 ausgerichteten Wänden 46 aufweisen sowie einen sich in Richtung der Oberseite 48 des oberen Plattenelements 14 an den unteren Durchbruchabschnitt 44 anschlie- ßenden oberen Durchbruchabschnitt 50 mit sich in Richtung der Oberseite 48 konisch erweiternden Wänden 52.

Fluchtend zu den unteren Durchbruchabschnitten 44 der ersten Durchbrüche 42 des oberen Plattenelements 14 weist das mittlere Plattenelement 16 zweite Durchbrüche 54 auf, die sich von der Oberseite 56 des mittleren Plattenelementes 16 bis zu dessen Unterseite 58 erstrecken mit parallel zur Flächennormale der Plattenstruktur 12 ausgerichteten Wänden 60.

Fluchtend zu den zweiten Durchbrüchen 54 des mittleren Plattenelements 16 weist das untere Plattenelement 18 Vertiefungen 62 auf mit parallel zur Flächennormale der Plattenstruktur 12 ausgerichteten Wänden 64 und mit dem Boden 39. Wie bereits erläutert, ist der Boden 39 in Richtung der ersten Hauptachse 34, nämlich im Bereich der ersten ovalförmigen Ausnehmung 33, eben ausgestaltet, wohingegen er in Richtung der zweiten Hauptachse 36, nämlich im Bereich der zweiten ovalförmigen Ausnehmung 35, die kleinere Stufe 41 und die größere Stufe 43 aufweist.

Die Isolationselemente 20 und 24 sind jeweils zwischen zwei Plattenelementen 14 und 16 bzw. 16 und 18 angeordnet. Zur Bereitstellung einer elektrischen Isolation zwischen den an den Isolationselementen 20 und 24 angeordneten Leiterbahnstrukturen 22 und 26 und den elektrisch leitfähigen Plattenelementen 14, 16 und 18 weisen die Plattenelemente auf ihren einander zugewandten Seiten paarweise zusammenwirkende Nutstrukturen auf, die jeweils ein Kanalsystem ausbilden, in dem die Leiterbahnstrukturen 22 bzw. 26 im Abstand zu den Wänden des Kanalsystems angeordnet sind. Das obere Plattenelement 14 weist hierzu auf seiner Unterseite 74 eine erste Nutstruktur 76 auf, die in das Material des oberen Plattenelements 14 eingebracht ist. In entsprechender Weise weist das mittlere Plattenelement 16 auf seiner Oberseite 56 eine zweite Nutstruktur 78 auf, die mit der in die Unterseite des oberen Plattenelements 14 eingebrachten ersten Nutstruktur 76 übereinstimmt. Wird das obere Plattenelement 14 unter Zwischenlage des oberen Isolationselementes 20 auf das mittlere Plattenelement 16 aufgelegt, so bilden die erste Nutstruktur 76 und die zweite Nutstruktur 78 ein oberes Kanalsystem 80 mit Kanalwänden 82 aus, das die obere Leiterbahnstruktur 22 aufnimmt. Dies wird insbesondere aus der schematischen Darstellung in Figur 13 ersichtlich. Die obere Leiterbahnstruktur 22 nimmt hierbei einen deutlichen Abstand zu den Kanalwänden 82 ein, und da das obere Kanalsystem 80 mit Luft gefüllt ist, die als Dielektrikum wirkt, ist die obere Leiterbahnstruktur 22 vom oberen Plattenelement 14 und vom mittleren Plattenelement 16 elektrisch isoliert.

Auf seiner Unterseite 58 weist das mittlere Plattenelement 16 eine dritte Nutstruktur 84 auf, die in das Material des mittleren Plattenelementes 16 eingebracht ist und mit einer vierten Nutstruktur 86 übereinstimmt, die in die Ober- seite 88 des unteren Plattenelements 18 eingebracht ist. Das mittlere Plattenelement 16 wird unter Zwischenlage des unteren Isolationselements 24 auf das untere Plattenelement 18 aufgelegt. Dadurch bildet die dritte Nutstruktur 84 in Kombination mit der vierten Nutstruktur 86 ein unteres Kanalsystem 90 aus, welches die untere Leiterbahnstruktur 26 aufnimmt. Hierbei ist die untere Leiterbahnstruktur 26 im Abstand zu den Kanalwänden 91 des unteren Kanalsystems 90 angeordnet. Das untere Kanalsystem 90 ist mit dem oberen Kanalsystem 80 identisch, allerdings ist es bezüglich des oberen Kanalsystems 80 um einen Winkel von 90° um die Flächennormale der Plattenstruktur 12 gedreht.

In der Zeichnung ist die Planarantenne 10 nur ausschnittsweise dargestellt in Form eines Feldes von acht in einer Zeile und acht in einer Spalte angeordneten Öffnungen 32. Tatsächlich kann die Planarantenne 10 insgesamt bedeutend größer ausgebildet sein, wobei sie eine beträchtlich größere Anzahl von Öffnungen 32 umfasst, die jedoch alle entsprechend den voranstehend erläu- terten Öffnungen ausgebildet sind. Die gesamte Planarantenne 10 kann beispielsweise acht solcher Felder mit jeweils acht Zeilen und acht Spalten aufweisen.

Die erfindungsgemäße Planarantenne 10 zeichnet sich durch einen hohen An- tennengewinn, eine große Bandbreite und eine sehr gute Polarisationsentkopplung aus. Hierzu trägt die Form der Öffnungen 32 in der Art eines vierblättrigen Kleeblatts bei sowie der Boden 39 für jede Öffnung 32, der in Richtung der ersten Hauptachse 34 eben verläuft und der in Richtung der zweiten Hauptachse 36 eine kleinere Stufe 41 und eine größere Stufe 43 umfasst. Oberhalb der größeren Stufe 43 ist jeweils eine zweite Auskoppelsonde 40 angeordnet, die mit ihrem freien Endbereich 92 bis in den zentralen Durchdringungsbereich 37 hineinreicht. Die erste Auskoppelsonde 38 ist im Abstand oberhalb der zweiten Auskoppelsonde 40 angeordnet, wobei sie senkrecht zu dieser ausgerichtet ist und somit entlang der ersten Hauptachse 34 verläuft.

Die Eigenschaften der Planarantenne 10 wurde darüber hinaus durch die Bereitstellung der Nutstrukturen 76, 78, 84 und 86 gesteigert, die das obere Kanalsystem 80 und das untere Kanalsystem 90 ausbilden, in denen die obere Leiterbahnstruktur 22 bzw. die untere Leiterbahnstruktur 26 angeordnet sind. Zusätzliches Isolierschaummaterial zwischen den Plattenelementen 14 und 16 bzw. 16 und 18 kann dadurch entfallen. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Planarantenne 10 nur verhältnismäßig wenig Feuchtigkeit aufnimmt, die die Empfangsqualität der Planarantenne 10 beeinträchtigen könnte. Außerdem können sich die orthogonal zueinander polarisierten elektromagnetischen Wellen, die in den Empfangszellen 30 empfangen werden, über die mit Luft gefüllten Kanalsysteme 80 und 90 optimal ausbreiten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Planarantenne zum selektiven Empfang von zwei orthogonal zueinander linear polarisierten elektromagnetischen Wellen, umfassend eine Platten- struktur (12) mit einem oberen, einem mittleren und einem unteren elektrisch leitfähigen Plattenelement (14, 16, 18), wobei die Plattenelemente übereinander angeordnet sind unter Zwischenlage eines oberen und eines unteren Isolationselements (20, 24), das eine obere bzw. eine untere Leiterbahnstruktur (22, 26) trägt, wobei die Plattenelemente (14, 16, 18) eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Empfangszellen

(30) ausbilden in Form von Öffnungen (32), in die übereinander angeordnet jeweils eine erste Auskoppelsonde (38) und eine zweite Auskoppelsonde (40) hineinragen, wobei die ersten Auskoppelsonden (38) sämtlicher Empfangszellen (30) über die obere Leiterbahnstruktur (22) und die zweiten Auskoppelsonden (40) sämtlicher Empfangszellen (30) über die untere Leiterbahn struktur (26) amplituden- und phasenrichtig elektrisch zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32) jeweils durch mindestens zwei sich zentrisch durchdringende ovalförmige Ausnehmungen (33, 35) gebildet sind.

2 Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Öffnungen (32) in der Draufsicht bezüglich einer Drehung um 90° um die Flächennormale der Plattenstruktur (12) drehsymmetrisch sind.

3. Planarantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32) eine erste Hauptachse (34) und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete zweite Hauptachse (36) aufweisen, wobei die Auskoppelsonden (38, 40) jeweils senkrecht zu einer Hauptachse (34, 36) ausgerichtet sind.

4. Planarantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangszellen (30) Zeilen- und spaltenförmig nebeneinander angeordnet sind und dass die ersten und zweiten Hauptachsen (34, 36) der Öff- nungen (32) zu den Zeilen und Spalten geneigt sind.

5. Planarantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32) eine Kontur nach Art eines vierblättrigen Kleeblatts oder eines Kreuzes aufweisen.

6. Planarantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (32) in Richtung der Oberseite (48) des oberen Plattenelements (14) konisch erweitern.

7. Planarantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (32) lediglich im Bereich des oberen Plattenelements (14) konisch erweitern.

8. Planarantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32) einen Boden (39) aufweisen, der im Bereich einer ersten ovalförmigen Ausnehmung (33) eben ausgestaltet ist und der im Bereich einer die erste ovalförmige Ausnehmung (33) durchdringenden zweiten ovalförmigen Ausnehmung (35) mindestens eine Stufe (41, 43) aufweist.

9. Planarantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine Stufe (41, 43) senkrecht zur Hauptachse (36) der zweiten ovalförmigen Ausnehmung (35) erstreckt.

10. Planarantenne nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite ovalförmige Ausnehmung (33, 35) einen gemeinsamen Durchdringungsbereich (37) aufweisen und die mindestens eine Stufe (41, 43) am Rand des Durchdringungsbereichs (37) angeordnet ist.

11. Planarantenne nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (39) der Öffnungen (32) im Bereich der zweiten ovalför- migen Ausnehmung (35) zwei Stufen aufweist.

12. Planarantenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stufen (41, 43) unterschiedliche Höhen aufweisen.

13. Planarantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine der beiden Auskoppelsonden (40) oberhalb der höheren der beiden

Stufen (41, 43) erstreckt.

14. Planarantenne nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Plattenelement (18) den Boden (39) der Öff- nungen (32) ausbildet.

15. Planarantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente (14, 16, 18) auf ihren einander zugewandten Seiten (74, 56; 58, 88) paarweise zusammenwirkende Nutstrukturen (76, 78; 84, 86) aufweisen, wobei die auf der Unterseite

(74) des oberen Plattenelements (14) und auf der Oberseite (56) des mittleren Plattenelements (16) angeordneten Nutstrukturen (76, 78) ein oberes Kanalsystem (80) ausbilden, in dem mit Abstand zu den Kanalwänden (82) die obere Leiterbahnstruktur (22) verläuft, und wobei die auf der Unterseite (58) des mittleren Plattenelements (16) und auf der Oberseite (88) des unteren Plattenelements (18) angeordneten Nutstrukturen (84, 86) ein unteres Kanalsystem (90) ausbilden, in dem mit Abstand zu den Kanalwänden (91) die untere Leiterbahnstruktur (26) verläuft.

16. Planarantenne nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und/oder untere Kanalsystem (80, 90) mit Gas oder einem dielektrischen Feststoff gefüllt oder evakuiert ist.

17. Planarantenne nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und/oder untere Isolationselement (20, 24) als flexible Kunststofffolie ausgestaltet ist.

18. Planarantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des oberen Isolationselements (20) und auf der Oberseite und/oder der Unterseite des unteren Isolationselements (24) eine Leiterbahnstruktur (22, 26) angeordnet ist.

19. Planarantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenstruktur (12) selbsttragend ist.

20. Planarantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest ein Plattenelement (14, 16, 18) aus einem metallisierten Kunststoffmaterial oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial hergestellt ist.

21. Planarantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanalsysteme (80, 90) identisch ausgestaltet sind, wobei das untere Kanalsystem (90) relativ zum oberen Kanalsystem (80) um die Flächennormale der Plattenstruktur (12) gedreht angeordnet ist.

22. Planarantenne nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Kanalsystem (90) relativ zum oberen Kanalsystem (80) um einen Winkel von 90° um die Flächennormale der Plattenstruktur (12) gedreht ist.