[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine planare Antenne gemäss dem Oberbegriff des
unabhängigen Patentanspruchs 1.
[0002] Mikrostrip-Richtstrahlantennen haben neben wesentlichen Vorteilen bezüglich Abmessungen,
Einfachheit in der Herstellung und Kompatibilität mit gedruckten Schaltungskreisen,
auch eine Anzahl von Nachteilen, wie z.B. schmale Bandbreite und niedriger Wirkungsgrad.
Die verwendete Herstellungstechnologie genügte vielfach den erforderlichen Umweltspezifikationen
nicht, so dass diese Antennenart bisher nur in beschränktem Rahmen eingesetzt wurde.
[0003] In der EP-A-O 253′128 ist eine planare Hängeleiter-Antennenanordnung beschrieben,
die aufeinanderliegende Substrate zwischen einem Paar leitender Platten umfasst. Jede
Platte weist beabstandete Oeffnungen auf, die Strahlungselemente definieren. Eine
Anzahl Oeffnungen besitzen wenigstens eine Erregersonde auf dem Substrat. Mittels
Leiterfolien werden die mit diesen Erregersonden empfangenen Signale phasengleich
auf einen Hängeleiter geführt. Um die Oeffnungen herum sind Halter für das Substrat
angeordnet. Damit wird das Substrat gleichmässig gestützt und kann sich nicht verformen.
Eine breite Nutenpartie befindet sich auf den Leiterplatten zwischen jeweils benachbarten
Oeffnungen, in der eine Anzahl Hängeleiter parallel zueinander angeformt sind.
[0004] Diese Antennenart ist für Hochfrequenz-Satellitensendungen vorgesehen. Durch den
einfachen Aufbau bedingt,können Herstellungskosten bei hohen Leistungskennwerten gesenkt
werden.
[0005] Bei einer derart aufgebauten Antenne ist die Strahlungscharakteristik nur keulenartig,
wie es beispielsweise bei Parabolantennen aus der Radartechnik bekannt ist.
[0006] Auf ähnlichen Wegen steht ein Aufsatz in "Electromagnetics" 1989 Vol. 9, Seiten 385-393.
Darin wird eine weitergehende Entwicklung beschrieben, nämlich eine Antenne, die als
Streifen-Schlitz-Schaumeinlage mit invertierten Flecken aufgebaut ist (im englischen
Sprachgebiet "Strip-slot-foam-inverted patch" genannt, mit der Abkürzung SSFIP).
[0007] Diese SSFIP-Antenne besteht auch aus aufeinandergelegten Schichten, nämlich ein Mikrostrip
(S-Strip) mit Viertelwellenstichleitung, eine Grundfläche mit Schlitzen (S=Slot),
eine Schaumstoffschicht (F=Foam) mit geringer Dämpfung und niedriger Dielektrizitätskonstanten,
und schliesslich ein invertiertes strahlendes Antennenelement, (IP=inverted patch)
als auf eine Abdeckung gedruckte Flecke. Ein Vorteil dieser Antennenart ist die einfache
Realisation von zirkularer Polarisation oder die Möglichkeit,zwei Polarisationen gleichzeitig
zu betreiben.
[0008] Bei diesem Aufbau verhindert die Schaumstoffschicht eine Oberflächen-Wellenausbreitung
und vergrössert die Bandbreite.
[0009] Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine solche SSFIP-Antenne in der Weise
zu verbessern, dass der Zusammenbau eine einfachere und billigere Materialwahl erlaubt
und die Strahlungscharakteristik dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann.
[0010] Erfindungsgemäss wird dies mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des unabhängigen
Patentanspruchs 1 erreicht.
[0011] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittzeichnung durch eine Antenne nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Fleckenmuster,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines schmetterlingsförmigen Koppelschlitzes,
Fig. 4 zwei Beispiele von Impedanzanpassungen des Streifenleiternetzwerkes an die
Koppelschlitze,
Fig. 5 eine typische Form eines breitbandig angepassten, geschlitzten Fleckens,
Fig. 6 die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei unkorrigierter Abstrahlung,
Fig. 7 die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei korrigierter Abstrahlung,
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Koppelnetzwerkes mit
schlitzartigen Oeffnungen, und
Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Verteilnetzwerkes.
[0012] Die Antenne umfasst gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vier Elemente, nämlich
eine Trägerplatte 1, vorzugsweise aus Glas oder einem Faserverbundwerkstoff, auf der
Strahlungselemente 11 als invertierte strahlende Antennenelemente aufgedampft oder
durch ein Druckverfahren aufgebracht sein können. Derartige planare Strahlungselemente
11 werden auch Flecken oder Patchs genannt. Bei der bekannten Anordnung gemäss dem
vorgenannten Aufsatz in "Electromagnetics" 1989, Vol. 9, Seiten 385-393, liegt hinter
diesen invertierten Strahlungsflecken eine Schaumstoffeinlage. Es hat sich aber gezeigt,
dass die Oberflächen-Wellenausbreitung nicht in dem erwarteten Mass auftritt, wodurch
diese Schicht weggelassen werden kann. Durch das Weglassen dieser Schicht kann die
nachfolgende Schlitzstrahlungsschicht näher zur Ebene der invertierten Strahlungsflecken
gelegt werden. Dagegen sieht nun die Ausführungsform nach der Erfindung vor, zwischen
der metallischen Schicht 2 mit Strahlungsöffnungen 21 und dem Streifenleiternetzwerk
22 einerseits und zwischen letzterem und einer aus Metall oder aus auf einen Träger
aufgebrachter Metallschicht bestehenden Grundplatte 3 je eine Schaumschicht 23, 24
einzubringen. Als geschäumtes Material eignet sich Polystyrol, Polypropylen oder Polyamid.
[0013] Jedenfalls soll die Schaumschicht nicht nur eine niedrige Dichte, sondern auch eine
niedrige Dielektrizitätskonstante haben.
[0014] Die beiden Schaumstoffschichten 23, 24 sind vorzugsweise ungleich dick. Die jeweils
dünnere Schicht 23 ist dabei koppelseitig und die dickere Schicht 24 ist zwischen
dem Streifenleiternetzwerk 22 und der Grundplatte 3 angeordnet.
[0015] Die Trägerplatte 1 ist einerseits Abschluss gegen die Umwelt und trägt auf der Innenseite
die elektrisch leitenden Flecken, die gemäss Fig. 2 z.B. quadratisch ausgebildet und
mit regelmässigen Abständen voneinander angeordnet sein können. Diese elektrisch leitenden
Flecken können aus aufgedampftem, auflaminiertem oder aufgedrucktem Metall bestehen.
Das Koppelnetzwerk 2 hat jedem Flecken 11 gegenüberliegend eine schlitzartige Oeffnung
(Koppelschlitz)(Fig. 8) in der metallischen Schicht. Diese Schicht 2 liegt auf der
Schaumstoffschicht 23. Auf der Rückseite dieser Schicht 23 befindet sich das Verteilnetzwerk
22 (Fig. 9), mit dem die Durchstrahlungsfähigkeit der Koppelschlitze 21 gesteuert
wird. Die dazu benötigten elektrischen Leitungen 22 befinden sich rückseitig der Schaumstoffschicht
23. Die Grundplatte 3 bildet einen Abschluss gegen die Umwelt. Sie besteht aus Metall
oder ist als metallischer Reflektor ausgebildet.
[0016] Die Erfindung kann drei weitere Modifikationen gegenüber der SSFIP-Technologie aufweisen,
welche hauptsächlich zur Vergrösserung der Bandbreite bzw. zur Verkleinerung des Reflexionsfaktors
beitragen:
A. Die Oeffnungen 21 in der Strahlungsplatte 2 können nicht nur schlitzförmig, sondern
auch H- und schmetterlingsförmig (Fig. 3) sein.
B. Die Stichleitungen (unter den Oeffnungen 21) im Verteilnetzwerk 22 sind impedanzmässig
angepasst. Zwei Formen von solchen integral angepassten Streifenleiternetzwerken sind
in Fig. 4 dargestellt.
C. Die Form der Strahlungselemente (Flecken 11) kann quadratisch, rund, rechteckig,
kreuzförmig sein oder eine Reihe .von gleich- oder ungleichlangen Streifen verschiedener
Breite aufweisen. Ein typischer Flecken 11 in Streifenform ist in Fig. 5 dargestellt.
Die Länge der verschiedenen Segmente eines Fleckens ist so abgestimmt, dass jedes
Segment ein Teil des gewünschten Bundes überdeckt.
[0017] Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Veröffentlichung "Electromagnetics" bestehen
die Substrate nicht mehr ausschliesslich aus Teflon oder Keramik, sondern aus kostengünstigeren
Materialien. Die Schicht 1 besteht z.B. aus einfach entsorgbarem Glas. Das Glas als
Abschluss gegen die Umwelt hat den grossen Vorteil, dass es widerstandsfähig gegen
sämtliche schädlichen Umwelteinflüsse ist und sich, wenn nötig, leicht reinigen lässt.
Auch liesse sich eine solcherart gebaute Antenne leicht und einfach in Fassaden von
Hochbauten integrieren. Das Koppelnetzwerk liegt zwischen geschäumtem Material und
Luft und wird in diesem Fall mit Abstandhaltern gegenüber der Schicht 1 in Position
gehalten.
[0018] Die Antenne kann aus einem oder mehreren Elementen (Flecken, Patches) aufgebaut sein.
Mehrere Elemente können entweder in einer Kolonne oder in mehreren nebeneinanderliegenden
Kolonnen angeordnet sein.
[0019] Die übliche vertikale Abstrahlungscharakteristik gemäss Fig. 6 zeigt zwischen den
einzelnen Keulen 40, 42 ausgeprägte Nullstellen 41. Die Ansteuerung der Koppelschlitze
21 durch das Verteilnetzwerk 22 erlaubt eine homogene Ausleuchtung des zu bestrahlenden
Gebietes. Mit der bisherigen Antennentechnik war es auch bei den eingangs erläuterten
Beispielen üblich, dass die Hauptstrahlungsrichtung senkrecht auf der Antennenebene
stand, so dass für eine Ausleuchtung gemäss Fig. 6 diese Antennenebene geneigt montiert
werden musste.
[0020] Der vorgeschlagene Aufbau der Antenne erlaubt nun, die Hauptstrahlungsrichtung elektrisch
wenigstens in einem beschränkten Bereich auszurichten, so dass die Antennenebene unabhängig
von der Hauptstrahlungsrichtung aufgestellt werden kann, wie Fig. 6 deutlich zeigt.
Damit kann die Antenne auf senkrechte Mauern von Hochbauten montiert werden. Neben
der zweckmässig geformten Hauptkeule 44 (Fig. 7) könnte beispielsweise ein Nebenzipfel
45 derart gerichtet und verstärkt werden, dass so ein abgelegenes Gebiet, das von
der Hauptkeule 44 nicht bestrahlt ist, ausgeleuchtet werden könnte. Neben der Erzeugung
einer optimierten vertikalen Abstrahlcharakteristik kann auch die horizontale Abstrahlungsrichtung
in einem ca. +/- 30° beliebigen Winkel gegenüber der Senkrechten der Antennenebene
erzeugt werden. Ebenfalls ist auch in der horizontalen Ebene mehr als eine gewollte
Abstrahlungsrichtung möglich.
[0021] Während bisher Antennen mit einer Fläche bis etwa 30 cm auf 30 cm infolge der Beschränkung
durch Kosten, Technologie und Herstellungsverfahren gebaut wurden, die sich vor allem
für den Empfang mit Satelliten für Musikübertragung eigneten, können mit der vorgeschlagenen
Bauart flache Antennen von 3 - 4 cm Dicke mit fast jeder beliebigen Dimension gebaut
werden. Die einzigen Beschränkungen liegen einerseits in der erhältlichen Glasfläche
und andererseits in der durch Siebdruck bedruckbaren Fläche.
[0022] Im Beispiel gemäss Fig. 2 sind die Flecken (Patch) quadratisch gezeichnet. Es ist
aber für jeden Fachmann klar, dass auch andere geometrische Formen als Flecken möglich
sind, wie beispielsweise Kreisflächen, Ellipsen oder Rechtecke oder nebeneinanderliegende
Streifen.
1. Planare Antenne mit einstellbarer Richtcharakteristik mittels Korrekturanspeisung
über passives Netzwerk, gekennzeichnet durch ein flächenhaftes Trägerelement (1) für
Strahlungselemente (11), ein planares Koppelnetzwerk (2) mit Koppelöffnungen (21),
ein Anspeisenetzwerk (22) und eine Grundplatte (3).
2. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1)
aus Glas besteht.
3. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1)
aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
4. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte
(3) ein Metallblech ist.
5. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundplatte
(3) eine metallische Schicht auf einem Reflektor-Trägerelement (3) ist.
6. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnungen
(21) schmetterlingsförmig ausgebildet sind.
7. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelöffnungen
(21) H-förmig ausgebildet sind.
8. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement
(11) geschlitzt ist.
9. Antenne nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
dem Koppelnetzwerk (2) mit den Koppelöffnungen (21) und dem Anspeisenetzwerk (22)
einerseits und/oder zwischen dem Anspeisenetzwerk (22) und der Grundplatte (3) andererseits
eine Einlage (23,24) mit niedriger Dielektrizitätskonstanten vorhanden ist.
10. Antenne nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einlagen (23,24)
aus Schaumstoff bestehen.
11. Antenne nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (23,24)
unterschiedlich dick sind, derart, dass die Einlage (23) zwischen dem Koppelnetzwerk
(21) und dem Anspeisenetzwerk (22) die dünnere Einlage ist.