[0001] Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenvorrichtung
sowie auf eine GNSS-Antenne. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine
breitbandige Antennenvorrichtung mit limitierten Abmessungen.
[0002] Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS), wie das amerikanische GPS, das russische
GLONASS, das chinesische BeiDou oder das europäische Galileo, sind zu einem elementaren
Bestandteil von Navigationsanwendungen geworden, welche stetig steigende Anforderungen
an eine genaue, verlässliche und möglichst immer verfügbare Positions-, Geschwindigkeits-
und Zeitinformation haben.
[0003] Je größer jedoch die Abhängigkeit von GNSS ist, desto größer wird auch die Gefahr
von Störungen und Täuschungen. Um einen möglichst manipulationssicheren Betrieb von
GNSS zu ermöglichen, wurden und werden für autorisierte Nutzer verschiedene Sicherheitsmechanismen
entwickelt.
[0004] Im Falle von GPS wird neben dem zivilen C/A-Code (Coarse/Acquisition) im L1-Band
(siehe Fig. 1) der nicht öffentlich bekannte (militärische) P/Y-Code (Precision/encrypted)
in den Bändern L1 und L2 eingesetzt. Militärische GPS-Empfänger und Antennen sind
daher meistens für diese zwei Frequenzbänder ausgelegt.
[0005] Das Galileo-System bietet für hoheitliche Zwecke den öffentlich regulierten Dienst
(Public Regulated Service - PRS). Die Bandbreite der kryptierten PRS-Signale E1 und
E6 wird jeweils mit mindestens 40 MHz spezifiziert (etwas größer als in Fig. 1 dargestellt).
Es ist geplant, in naher Zukunft militärische und BOS-Fahrzeuge (Behörden und Organisationen
mit Sicherheitsaufgaben) der beteiligten EU-Mitgliedsstaaten mit PRS-Empfängermodulen
auszustatten.
[0006] Bereits im Stand der Technik gibt es schon einige Ansätze, wie ausgehend von limitierten
Platzverhältnissen ein oder mehrere Bänder des oben erläuterten L-Bandes empfangen
werden können.
[0007] Die Grundlage für robuste Positionsbestimmungen ist ein möglichst hohes Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis
(C/N0), welches dem passiven Antennengewinn proportional ist.
[0008] Eine der am häufigsten verwendeten militärischen GPS-Antennen ist die in Fig. 2 dargestellte
S67-1575-86 von Sensor Systems. Fig. 3 zeigt eine kompatible Antenne von AntCom. Um
statische Aufladungen zu verhindern, sind die Antennenelemente galvanisch mit der
Masse verbunden (DC grounded). Wie die meisten kompakten L1/L2-Antennen, sind diese
sehr resonant, sodass nur innerhalb der L1- und L2-Bänder verhältnismäßig hohe Gewinnwerte
ermöglicht werden.
[0009] Durch ein solches Verhalten zeichnen sich beispielsweise Keramikantennen mit zwei
übereinander angeordneten planaren Antennenelementen (Resonatoren) aus (vgl. Fig.
4).
[0010] Eine aus der Literatur bekannte Möglichkeit, eine hohe Effizienz bei einer elektrisch
kleinen Antennengröße zu erreichen, ist die Verwendung von planaren Antennenstrukturen
mit einem Kreuzschlitz (vgl. Fig. 5).
[0011] Jeder der vier metallischen Strahlerteile wird an einer der äußeren Ecke gespeist
und am äußeren Rand mittig mit der Massefläche galvanisch verbunden. Die relative
Impedanzbandbreite (Maß: Stehwellenverhältnis VSWR≤2:1) der hier gezeigten Antennen
beträgt ca. 20%. Die Achsenverhältnisbandbreite (Axial Ratio AR≤3 dB bzw. Kreuzpolarisationsunterdrückung
XPD≥15,5 dB) wird durch das verwendete schmalbandige Konzept des seriellen Speisenetzwerks
auf ca. 10% begrenzt.
[0012] Eine größere Bandbreite (ca. 30%) hinsichtlich aller Antennenparameter kann mithilfe
eines parallelen Vier-Punkt-Speisenetzwerks erzielt werden. In Fig. 6 ist die Struktur
und Miniaturisierung des parallelen Vier-Punkt-Speisenetzwerks einer zirkular polarisierten
Antenne veranschaulicht. Jeder Speisepunkt der miniaturisierten Variante wird mithilfe
eines Leitungstransformators und einer leerlaufenden Stichleitung breitbandig angepasst.
[0013] Keine der oben erläuterten Stand der Technik-Varianten bietet einen ausreichenden
Antennengewinn breitbandig bei gleichsam geringen Abmessungen. Insofern besteht der
Bedarf nach einem verbesserten Ansatz für eine breitbandige Antennenlösung, insbesondere
bei ähnlichen Formfaktoren wie handelsübliche L1/L2-Lösungen (Durchmesser < 90 mm,
Bauhöhe < 30 mm), die einen robusten Empfang von allen GNSS-Signalen im L-Band ermöglicht.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Antennenkonzept zu schaffen,
das einen verbesserten Kompromiss aus benötigtem Bauraum, Antennengewinn und Breitbandigkeit
schafft.
[0014] Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
[0015] Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Antennenvorrichtung
mit einer Strahleranordnung und einem Speisenetzwerk. Die Strahleranordnung ist in
einer in Abstrahlrichtung oberen Ebene angeordnet, während das Speisenetzwerk in einer
entsprechenden unteren Eben angeordnet ist. Beispielsweise kann das Speisenetzwerk
auf einem ein- oder mehrlagigen Träger vorgesehen sein. Die Strahleranordnung umfasst
zumindest vier Elemente (vier strahlende Elemente), die durch Spalte voneinander beabstandet
(isoliert) in der oberen Ebene angeordnet sind. Die Anordnung ist derart, dass vier
Quadranten ausgebildet werden. Jedes der vier Elemente ist in einem zentralen Winkelbereich
über einen jeweiligen Speisepunkt mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks
verbunden. Hierzu ist je Element ein sich aus der oberen Ebene in Richtung der unteren
Ebene erstreckendes Fußelement (z.B. umgefalzter Vorsatz oder angesetztes Via vorgesehen.
[0016] Entsprechend Ausführungsbeispielen ist jedes der vier Elemente durch ein Kreisbogensegment,
z. B. Einem 90°-Kreisbogensegment geformt. Die vier Kreisbogensegmente in der Quadraturanordnung
bilden also eine Art Vollkreis, wobei die Elemente jeweils durch einen Spalt von dem
nächsten Element beabstandet sind. Infolge dieser Quadraturanordnung bildet der Spalte
eine Art Kreuzschlitz aus. Durch diese Form ist es vorteilhafterweise möglich, dass
eine maximale Fläche, insbesondere bei der Randbedingung eines begrenzten Durchmessers
(von z.B. 100 oder 90 mm) eingenommen werden kann. Vorteilhafterweise ist durch das
obige Design auch eine flache Form realisierbar (z.B. <30mm), was einen Fahrzeugbündigen
Einbau ermöglicht.
[0017] Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass
durch die schichtweise Anordnung von Speisenetzwerk und Antennenstrahler eine optimale
Platzausnutzung eines Gehäuses erreicht werden kann, wobei durch die quadraturförmige
Anordnung bzw. Kreuzschlitzanordnung gute Abstrahlcharakteristik erreicht wird. Indem
jedes der vier Elemente eine einzelne Speisung hat, die mit dem direkt darunterliegenden
Teilspeisenetzwerk verbunden ist, kann die Strahlanordnung sehr effizient betrieben
werden. Dies fördert den resultierenden Antennengewinn. Dadurch, dass jedes Strahlerelement
mittig über das Fußelement, das den Speisepunkt beherbergt, angeregt wird, erfolgt
eine symmetrische Anregung, was für den breitbandigen Betrieb besonders wichtig ist.
[0018] Im Resultat wird also durch die oben skizzierte Anordnung eine Antennenvorrichtung
mit hoher Bandbreite und gutem Antennengewinn in der gesamten Bandbreite erreicht,
wobei Randbedingungen, wie der geringe Bauraum erreicht werden.
[0019] Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Speisenetzwerk und den
einzelnen Antennenelementen ein dielektrisches Element, wie z. B. ein Teflonkörper
vorgesehen. Dies ermöglicht einerseits einen ausreichenden Abstand zwischen Speisenetzwerk
und den strahlenden Elementen auszubilden, wobei dieser Abstand ausgefüllt ist, um
hier eine erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) zu realisieren.
[0020] Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die vier Elemente identisch bzw. im Wesentlichen
identisch und können beispielsweise Kreiselemente, 90°-Kreissegmente, Dreiecke oder
Polygone umfassen. Insbesondere bei dem Aufbau mit 90°-Kreissegmenten wird es klar,
dass die Anordnung zumindest zwei verspiegelsymmetrisch und auch bereichsweise punktsymmetrisch
ist.
[0021] Bezüglich der zentralen Ankopplung sei angemerkt, dass dies dadurch realisiert wird,
dass die Ankopplung in einem mittleren Teilkreissegment erfolgt. Dieses mittlere Teilkreissegment
wird erreicht, wenn man das einzelne Kreisbogensegment in drei gleich große Teilkreissegmente
(z. B. 33°-Teilkreissegmente) untergliedert und hier die Ankopplung in dem mittleren
Element vornimmt (wenn möglich weit außen bzw. im äußeren Drittel. Eine entsprechend
weiteren Ausführungsbeispielen optimale Ankopplung wird erreicht, wenn der Ankopplungspunkt
genau entlang der Mittellinie in Bezug auf den Winkel des Kreissegments vorliegt.
Bei einem 90°-Kreissegment wäre das dann ein 45°-Winkel, wobei auch hier wiederum
eine Ankopplung möglichst weit außen, d. h. im Bereich des äußeren Drittels anzustreben
wäre.
[0022] Bezügliche der Herstellung sei angemerkt, dass jedes der Elemente der Strahlungselemente
durch Bleche oder Folien gebildet sein kann, weil die Folie beispielsweise auf den
dielektrischen Körper als Träger aufgebracht ist. Auch wenn sich jegliche leitende
Elemente eignen, kann bei der Herstellung von Blechen und Folien gleichzeitig das
Fußelement mit dem Speisepunkt durch eine ungefalzte Nase realisiert sein. Diese Nase
erstreckt sich beispielsweise am äußeren Rand von der Hauptebene in Richtung des Speisenetzwerks
(beispielsweise Winkel im Bereich von 35 bis 80°).
[0023] Bezüglich des Speisenetzwerks sei, wie bereits oben angemerkt, darauf hingewiesen,
dass dieses auf einem ein- oder mehrlagigen Träger angeordnet ist. Wenn man von einem
mehrlagigen Träger ausgeht, kann entsprechend Ausführungsbeispielen dieser wie folgt
realisiert sein:
- Speisenetzwerkslage
- dazwischenliegende Masselage oder dazwischenliegende Doppelmasselage
- RF-Frontend-Lage.
[0024] Jedes Speisenetzwerk weist entsprechend Ausführungsbeispielen eine Sektion für die
einzelnen der mindestens vier Elemente der Strahleranordnung auf. Zur breitbandigen
Anpassung kann entsprechend Ausführungsbeispielen je Speisepunkt (je strahlendes Element)
eine Stichleitung oder gegenüber Masse kurzgeschlossene Stichleitung vorgesehen sein.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Speisenetzwerk auch zumindest eines der
folgenden Elemente umfassen: Leistungstranformator, Wilkinson-Koppler und/oder Verzögerungsleitung.
[0025] Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine GNSS-Antenne mit einem Gehäuse und
einer entsprechenden Antennenvorrichtung. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist diese
GNSS-Antenne rund und hat einen maximalen Durchmesser von 90 mm.
[0026] Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung der GNSS-Signale im L-Band;
- Fig. 2 und 3
- schematische Darstellungen von Stand der Technik-Sensoren;
- Fig. 4
- schematische Darstellung eines typischen Antennenelements für dualbandige GPS-Antennen
in Form einer zirkularpolarisierten Stacked Patch-Antenne (vgl. [4]);
- Fig. 5a und 5b
- eine quadratische und eine runde zirkularpolarisierte Patch-Antenne (vgl. [5], [6]
und [7]) mit Kreuzschlitz und seriellem Speisenetzwerk;
- Fig. 6a bis 6c
- schematische Darstellungen einer typischen Topologie eines Speisenetzwerks einer breitbandigen
zirkularpolarisierten Antenne (vgl. [8]) zur Illustration der Miniaturisierbarkeit
gemäß Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7a
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
- Fig. 7b
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7c und 7d
- eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einem Gehäuse (GNSS-Antenne)
in der Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7e und 7f
- schematische Darstellungen zur Illustration des Speisenetzwerks zur Illustration von
optionalen Aspekten gemäß Ausführungsbeispielen;
- Fig. 7g
- eine schematische Darstellung einer weiteren Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel; und
- Fig. 8A und 8b
- schematische Diagramme zur Illustration des passiven Antennengewinns in dBic für einen
ersten Frequenzbereich in Fig. 8a und einen zweiten Frequenzbereich in Fig. 8b zur
Illustration der Effizienz der GNSS-Antenne aus Fig. 7c,d.
[0027] Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden
Zeichnung erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und
Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer
aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
[0028] Bei nachfolgender Diskussion wird das Basisausführungsbeispiel anhand von Fig. 7a
erläutert, während optionale Aspekte im Zusammenhang mit den Fig. 7b, 7c und 7d diskutiert
werden. Fig. 7e und Fig. 7f zeigen optionale Aspekte des Speisenetzwerks gemäß erweiterten
Ausführungsbeispielen.
[0029] Bezug nehmend auf Fig. 7a sei angemerkt, dass hier alle Basiselemente dargestellt
sind, wobei auch noch zusätzliche Elemente in der Figurendarstellung enthalten sein
können, die aber für die Antennenvorrichtung nicht zwingend erforderlich sind. Bezug
nehmend auf Fig. 8a und 8b wird dann die Effizienz anhand von Diagrammen zur Illustration
der Abstrahlcharakteristik erläutert. Nach der Diskussion dieser Diagramme werden
dann Variationsmöglichkeiten für die einzelnen Merkmale, insbesondere die Merkmale
des Basisausführungsbeispiels diskutiert.
[0030] Fig. 7a zeigt eine Antennenvorrichtung 10 mit den zwei Basismerkmalen Strahleranordnung
12 und Speisenetzwerk 14. Das Speisenetzwerk ist beispielsweise auf eine einlagige
oder mehrlagige Platine aufgebracht und befindet sich in einer unteren Ebene, z. B.
am Boden der Antennenvorrichtung, während sich die Strahleranordnung in einer oberen
Ebene befindet. Beide Ebenen können im Wesentlichen parallel zueinander sein, wobei
optional das Speisenetzwerk 14 und die Strahleranordnung einander fluchtend sind.
Entsprechend einem optionalen Aspekt sind diese, wie hier dargestellt, in Abstrahlrichtung
12r voneinander beabstandet. Die Abstrahlrichtung 12r der Antennenvorrichtung 10 ist
mit einem Pfeil gekennzeichnet.
[0031] Die Strahleranordnung 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier einzelne Elemente
12a bis 12d (wobei 12d durch eine optionale Komponente verdeckt ist). Die vier Elemente
12a bis 12c, sind jeweils beispielsweise halbkreisförmige Elemente, die zu einem Quadranten
angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Elemente 12a bis
12d durch 90°Kreissegmente geformt, so dass sich ein zweifach spiegelsymmetrischer
und eindimensional punktsymmetrischer Aufbau einstellt. Alle Elemente 12a bis 12d
sind in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der oberen Ebene angeordnet. Alle in den
vier Quadranten angeordneten Strahlerelemente 12a bis 12d sind durch Spalte 12s getrennt.
Diese können ausgehend von den 90°-Kreissegmenten eine konstante Dicke von 1 bis 3
mm aufweisen, wobei selbstverständlich aber auch jede beliebige andere Form mit variablem
Querschnitt denkbar wäre.
[0032] Jedes Strahlerelement 12a bis 12c ist über einen eigenen Speisepunkt mit dem zugehörigen
Speisepunkt des Speisenetzwerks 14 verbunden. Die Speisepunkte zugehörig zu den Strahlern
12a bis 12d sind mit dem Bezugszeichen 12as, 12bs, 12cs und 12ds kenntlich gemacht.
In diesem Ausführungsbeispiel sind diese Speisepunkte 12as bis 12ds durch Fußelemte
bzw. Nasen bzw. gefalzte Nasen geformt, die an der Kreislinie angeordnet sind. Diese
Nasen sind nach unten gefalzt (d.h. erstrecken sich aus der oberen Ebene heraus in
Richtung der unteren Ebene und ermöglichen so eine Verbindung zu den zugehörigen Speisepunkten
14as bis 14ds. Bezüglich der Speisepunkte ist es wichtig zu erwähnen, dass es sich
hier um eine so genannte zentrale Einspeisung handelt, die also, wenn man sich das
jeweilige Kreissegment anschaut, mittig in Bezug auf den Winkel angreift. Im Allgemeinen
ist die jeweilige Nase 12as bis 14ds in einem mittleren Winkelbereich angeordnet.
Dieser mittlere Winkelbereich ist hier mit dem Bezugszeichen β kenntlich gemacht und
entspricht im Wesentlichen den mittleren Teilkreissegment, wenn man das einzelne Kreissegment
in drei gleich große Kreissegmente untergliedert. Innerhalb dieses Bereiches kann
der Speisepunkt beliebig angeordnet sein. An dieser Stelle sei aber auch darauf hingewiesen,
dass eine bevorzugte Anbringung möglichst zentral, d. h. auf der Winkelhalbierenden
des 90°-Kreissegments (oder eines anderswinkligen Kreissegments) vorzusehen ist, während
auch eine Anordnung möglichst im Bereich der Randlinie (vgl. Kreislinie) zu bevorzugen
wäre.
[0033] Fig. 7b zeigt eine weitere Antennenvorrichtung 10'. Die Vorrichtung 10' entspricht
im Wesentlichen der Antennenvorrichtung 10, wobei hier zwischen der Srahleranordnung
12 umfassend die vier strahlenden Quadranten 12a, 12b und 12c und dem Speisenetzwerk
14 der Raum mit einem Material, hier einem dielektrischen Körper 16 gefüllt ist. Der
dielektrische Träger kann beispielsweise aus einem Kunststoffvolumen oder einer Polyimidfolie
geformt sein. Diese Folie kann mit einer zusätzlichen Metallisierung beschichtet sein
(flexible Leiterplatte), die dann die strahlenden Elemente 12 formt. Wenn man von
einem runden Körper 16 ausgeht, werden die vier Kreissegmente mit einer Art Kreuzschlitzform
auf die Oberfläche aufgebracht, um die vier Strahlerelemente 12a bis 12d zu formen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann sowohl zentral beim Kreuzschlitz als auch
am Ende der Schlitze 12s eine Aussparung vorgesehen sein, um z. b. für Schrauben oder
andere Befestigungsmittel den notwendigen Bauraum zu schaffen. Des Weiteren kann der
Körper 16 auch im Bereich der Nasen 12as bis 12ds eine Aussparung aufweisen, so dass
diese entsprechend zu der Leiterplatte zugehörig zu dem Speisenetzwerk 14 hin gebogen
sein können.
[0034] Bei der hier dargestellten Variante aus Fig. 7b ist die Antennenvorrichtung 10 auch
in einem Gehäuse eingebettet, das aus der Grundplatte 18g und dem Deckel 18d besteht.
Der Boden weist eine Aufnahme für die ein- oder mehrlagige Leiterplatte, die das Speisenetzwerk
beherbergt auf. Auf das Speisenetzwerk wird dann der dielektrische Körper 16 mit den
strahlenden Elementen 12a bis 12d aufgebracht, bevor dann das Gehäuse mit dem Deckel
18d von oben verschlossen wird. Optionalerweise kann zwischen dem Gehäuseboden 18g
und dem Gehäusedeckel 18d eine Dichtung vorgesehen sein. Durch die Schrauben können
die einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden. So ist es beispielsweise möglich,
dass durch die zentrale Mittelschraube der dielektrische Block mit den strahlenden
Elementen zusammen mit der Leiterplatte 14 auf der Grundplatte 18g befestigt wird,
während der Deckel 18d und damit das Gehäuse durch die vier dezentralen Schrauben
verschließbar sind. Über diese Schrauben ist auch die gesamte Antenne auf einem weiteren
Bauelement, wie z. B. einem Fahrzeug aufbringbar. Die verschlossene Position ist in
Fig. 7c gezeigt, während Fig. 7d in der Schnittdarstellung die dezentralen Bohrungen
(vgl. Bezugszeichen 18s) darstellt.
[0035] In diesen Figuren ist auch ein weiteres optionales Merkmal, nämlich elektrischer
Anschluss für die gesamte Antennenvorrichtung vorgesehen. Diese ist mit dem Bezugszeichen
20 versehen und ragt auf der Unterseite des Bodens 18g hinaus. Der Stecker 20 ragt
durch den Boden 18g hindurch und kontaktiert von unten die Leiterplatte, die das Speisenetzwerk
14 beherbergt. Dadurch, dass der Stecker 20 an der Unterseite hinausragt, kann von
unten die Antennenvorrichtung kontaktiert werden und gleichzeitig das Kabel bei der
Befestigung der Antennenvorrichtung versenkt werden. Bei dem hier dargestellten Stecker
kann es sich beispielsweise um einen F-Stecker oder einen ähnlichen Stecker handeln.
[0036] An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die Dicke der Grundplatte 18g es ermöglicht,
dass Bauteile, wie z. B. Filter oder ähnliches auf der Leiterplatte vorgesehen sein
können.
[0037] Die Einbettung der Leiterplatte, die das Speisenetzwerk 14 beherbergt, ist in Fig.
7e und 7f dargestellt. Beide Figuren zeigen die Einbettung der Leiterplatte 14l in
den Gehäuseboden 18g, wobei hier wiederum die Bohrungen 18s zu erkennen sind. Optionalerweise
kann die Leiterplatte 14l im Bereich dieser Bohrungen ausgespart sein.
[0038] Die Leiterplatte 14l mit dem Schaltnetzwerk 14 ist rund und kann grob in vier Sektoren/Kreissegmente
untergliedert werden, wie anhand der gestrichelten Linien dargestellt ist. Jeder Sektor
umfasst einen Teil des Speisenetzwerks, der einem der vier Elemente zugeordnet ist.
[0039] Folglich ist in jedem Sektor ein Speisepunkt 14as bis 14ad vorgesehen. Wie anhand
von Fig. 7f gezeigt ist, ist jede Nase 12as bis 12ds mit dem jeweiligen Speisepunkt
14as bis 14ds verbunden, z. B. durch eine reine Klemmkraft oder auch durch eine mechanisch-elektrische
Verbindung, wie z. B. auf Basis eines Lotes. Um jeden Speisepunkt herum ist eine entsprechende
Speisenetzwerkssektion angeordnet, die zur Speisung des einzelnen Elements dient.
Jede Sektion kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine kurzgeschlossene Stichleitung
15sd umfassen, wobei der Kurzschlusspunkt mit dem Bezugszeichen 15sdk gekennzeichnet
ist. Dieser Kurzschlusspunkt ist z.B. durch ein Via realisiert, das die Stichleitung
mit einer in einer unteren Ebene angeordneten Masselage verbindet. Selbstverständlich
kann auch eine andere Möglichkeit des Kurzschlussbildens gegeben sein. Entsprechend
weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Leitungstransformator je Speisepunkt vorgesehen
sein. Dieser Leitungstransformator ist mit dem Bezugszeichen 15lt versehen. Die einzelnen
Speisepunkte 14as bis 14ds sind durch so genannte Verzögerungsleitungen 15vl (z. B.
zwei Paare mit jeweils 90° (Viertelwellenlänge) Längenunterschied bei der Mittenfrequenz)
miteinander verbunden, die dann in Summe es ermöglichen, die Antenne als RHCP-Antenne
zu betreiben.
[0040] Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst das Speisenetzwerk 14, insbesondere in
der zentralen Sektion 14z auch noch weitere Komponenten, die hier in der Speisenetzwerklage
implementiert sind, wie zum Beispiel einen 180°-Hybriden, einen oder mehrere Wilkinson-Koppler
und/oder Leitungstransformator.
[0041] Das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 kann als herkömmliches Speisenetzwerk (vgl.
Fig. 6a) oder auch als miniaturisiertes Speisenetzwerk, z.B. auf Basis von Mäanderformen
(vgl. Fig. 6b und 6c) implementiert sein, dessen Grundidee darauf basiert, dass Ringleitungen
es ermöglichen eine Topologie gut zu miniaturisieren (vgl. [8]).
[0042] Zusätzlich ist in einem weiteren zentralen Bereich 14n ein Freibereich vorgesehen,
in welchem die Lage des Speisenetzwerks mit dem Antennenanschluss verbunden werden
kann. Dieser Antennenanschluss ist, wie in Fig. 7c und 7d ersichtlich, von der Rückseite
zu Ankontaktierung vorgesehen.
[0043] Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 auf
einer mehrlagigen Platine ausgeführt, die z. B. in einer obersten Lage (Lage zugewandt
den strahlenden Elementen 12) das Speisenetzwerk beherbergt, während in einer unteren
Lage das RF-Frontend mit Filtern, LNAs oder anderen Elektronikkomponenten implementiert
ist. Wie bereits oben erläutert, ist das Verwenden dieser untersten Lage deshalb vorteilhaft,
da so diese Komponenten im Gehäuseboden 18g untergebracht und dadurch abgeschirmt
werden können. Entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen ist zwischen dieser
RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage eine zusätzliche Masselage vorgesehen,
gegenüber der beispielsweise der Kurzschluss der Stichleitung 15sd (vgl. 15sdk) gebunden
sein kann. Entsprechend zusätzlichem Ausführungsbeispiel können auch zwei Masselagen
vorgesehen sein, die herstellungstechnisch einfach zu realisieren sind, wenn man von
zwei gestapelten Leiterplatten ausgeht. Darüber hinaus bietet diese doppelte Masselage
zwischen der RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage auch schirmungstechnische
Vorteile.
[0044] Bei den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der Speisepunkt je Strahlerelement
zentral angeordnet ist, z. B. am äußeren Ende des Kreissegments. Es wäre selbstverständlich
auch eine mittige Anordnung, z. B. im Teilkreissegment β möglich, die herstellungstechnisch
durch ein aufgesetztes Via oder ein andersartig gelötetes Bein realisiert sein kann.
[0045] Fig. 8a und 8b illustrieren den Antennengewinn für zwei unterschiedliche Bänder.
Hierbei zeigt Fig. 8a den Antennengewinn in dBic für 1,16 bis 1,30 GHz, während 8b
den Antennengewinn in dBic im Bereich von 1,52 bis 1,61 GHz zeigt. Die RHCP-Komponente
ist durchgezogen illustriert, während die LHCP-Komponente gestrichelt illustriert
ist. Eine gute Antenneneffizienz wird dann erreicht, wenn unter anderem ein ausreichender
Abstand der RHCP und LHCP-Komponente vorhanden ist.
[0046] In beiden relevanten Bändern bzw. Bereichen des L-Bandes bildet sich ein symmetrischer
Empfangsgewinn aus, der je nach Winkel im Regelfall bei 0 bis +5 dBiC liegt, zumindest
bei -60 bis +60°. Im Detail, beträgt der Antennengewinn im freien Raum (ohne Groundplane)
im unteren Frequenzbereich -3,5 dBic bei 10° Elevation und +2,5 dBic im Zenit; im
oberen Frequenzbereich liegen die Werte zwischen -3,5 und +5 dBic. Die Kreuzpolarisationsunterdrückung
ist im gesamten Frequenzbereich besser als 15,5 dB (AR≤3 dB).
[0047] Der Zusammenhang ist auch noch einmal durch nachfolgende Tabelle dargestellt:
|
|
Ausführungs beispiel |
StdT: Sensor Systems S67-575-86 |
StdT: AntCom G5Ant-3A4T1-SS |
Abmessungen (ohne TNC-Buchse), mm |
Ø89, H25 |
Ø89, H18 |
Ø89, H22 |
Passiver Antennengewinn in dBic @ Elevation 10 ... 90° |
L5 & E5 |
≥-3,5 |
k. A. |
≥-9,0 |
L2 |
≥-3,5 |
≥-2,5 |
≥-3,5 |
E6 |
≥-3,5 (50 MHz BB) |
k. A. |
≥-6,5 (20 MHz BB) |
L1 & E1 |
≥-3,5 (50 MHz BB) |
≥-2,5 (20 MHz BB) |
≥-2,7 (20 MHz BB) |
[0048] Wie bei obiger Tabelle ersichtlich wird, sind derartige Antennen insbesondere in
Bezug auf ihren Durchmesser (<100 oder < 90 mm) begrenzt.
[0049] Fig. 7g zeigt eine Implementierung der bezugnehmend auf Fig. 7a erläuterten Antennenvorrichtung
10". Hier sind die strahlenden Elemente 12a"-12d" durch Leiterplatten geformt. Jedes
strahlende Elemente 12a"-12d" hat im Wesentlichen eine dreieckige Form bzw. eine dreieckige
Form mit abgeflachten Ecken, so dass durch die Strahleranordnung 12" ein Viereck bzw.
Achteck geformt wird. Entlang der Hypotenusen sind die Fußelemente 12af"-12df" senkrecht
(allgemein: gewinkelt) angesetzt. Diese Fußelemente 12af"-12df" erstrecken sich über
die gesamte Seite und sind dreieckig, sodass im zentralen Winkelbereich (hier bei
45° zwischen den zwei Katheten) der Speisepunkt durch die Spitze des Drecks / dreieckigen
Fußelements 12af"-12df" geformt wird, der dann mit dem Speisepunkt des Speisenetzwerks
14" verbunden ist.
[0050] Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass die Antennenanordnung
im Wesentlichen ein kreisförmiges Segment mit vier 90°-Segmenten ausbildet, so sei
an dieser Stelle angemerkt, dass die Segmente auch < (z.B. 75°) oder allgemein im
Bereich von 30 bis 90° betragen können, wobei dann entweder zusätzliche Elemente vorgesehen
sind oder die Spalten 12s größer dimensioniert sind. Weiter sei angemerkt, dass entsprechend
Ausführungsbeispielen es auch nicht notwendig ist, dass jedes Element einen Halbkreis
beschreibt, so dass die Kreislinie auch durch eine einfache geradlinige Begrenzungslinie
gebildet sein kann, so dass jedes der vier Elemente also durch ein Dreieck geformt
ist. Auch wäre eine eckige Begrenzungslinie im Sinne eines Polygons denkbar. Im Allgemeinen
sei darauf hingewiesen, dass jede Freiform möglich wäre.
[0051] Bezüglich der dreidimensionalen Ausbildung sei angemerkt, dass, wie insbesondere
anhand von Fig. 7d ersichtlich wird, jedes einzelne Element am Randbereich gebogen
sein kann, so dass die Antennenanordnung insgesamt beispielsweise eine pilzförmige
Struktur ausbildet. Dies hat einerseits den Zweck, dass auch zu den Seiten hin gute
Empfangseigenschaften ermöglicht werden können und ist andererseits auch dem geschuldet,
dass die gewünschte Gehäuseform eine derartige Biegung der strahlenden Elemente bedingt.
An dieser Stelle sei deswegen angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die
Elemente der Strahleranordnung beliebig geformt/gebogen sein können.
[0052] Wie bereits oben erläutert, kann das Speisenetzwerk 14 auf einer einlagigen oder
mehrlagigen Leiterplatte implementiert sein oder einen diskreten Aufbau (vgl. Fig.
6a) aufweisen.
[0053] Auch wenn bei obigen Beispielen davon ausgegangen wurde, dass der dielektrische Körper
16k als Element vorliegt, auf den beispielsweise die strahlenden Elemente 12a bis
12d als Folien aufgebracht sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass diese selbstverständlich
auch durch einen Kunststoffkäfig oder ähnliches geformt sein kann, um die gewünschten
dielektrischen Eigenschaften zu erreichen. Auch wäre eine Perforierung des Körpers
denkbar. Alternativ könnte das gesamte Gehäuse beim Verschließen vergossen werden,
so dass der Körper später ausgebildet wird. Mögliche Materialien für diesen Träger
sind Keramik, PTFE oder anderen nicht leitende Polymere bzw. allgemein nicht leitende
Elemente.
[0054] Bezüglich der Materialien für die Strahlenelemente sei angemerkt, dass hier sich
jegliche Bleche, wie z. B. Weißbleche (vorzugsweise lötbar) oder auch Metallfolien
eignen.
[0055] Oben erläuterte Antennenvorrichtungen eignen sich für einen möglichen Einsatz in
militärischen und BOS-Fahrzeugen (ggf. leicht modifiziert), welche in naher Zukunft
mit PRS-Modulen ausgestattet werden sollen.
[0056] Darüber hinaus umfasst das technische Anwendungsgebiet der Erfindung Positionierung
und Vermessung in Land- und Forstwirtschaft, Katastervermessung, Fahrzeug- und Maschinensteuerungen
in Bau- und Landwirtschaft, GNSS-Überwachungssysteme, Luft- und Raumfahrtanwendungen.
[0057] Nachfolgend werden weitere Aspekte erläutert. Ein Aspekt betrifft eine Antennenvorrichtung
mit einem mittig platzierten Strahler, der entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel
auf einem dielektrischen Träger, wie z. B. einer Polyimidfolie aufgebracht sein kann.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist dessen Metallisierung in vier gleiche Elemente
geteilt, z. B. durch ein kreuzförmiges Prisma. Entsprechend einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel
weist jede Metallisierung einen eigenen Speisepunkt auf, der mithilfe eines Leitungstransformators
und mindestens einer kurzgeschlossenen Stichleitung breitbandig angepasst ist. Insbesondere
durch die kurzgeschlossene Stichleitung wird ein integrierter Schutz vor statischer
Aufladung gebildet. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann allerdings anstatt
dieser kurzgeschlossenen Stichleitung bzw. additiv zu dieser kurzgeschlossenen Stichleitung
jeweils ein Leitungstransformer und mindestens der laufenden Stichleitung mit mindestens
einer Parallelinduktivität vorgesehen sein, der auch einen integrierten Schutz ermöglicht.
[0058] Wie oben bereits erläutert ist der dielektrische Träger optional, wobei eben diese
dielektrische Füllung zwischen Strahler und einer unter dem Strahler angeordneten
Leiterplatte für erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) dient. Entsprechend
einem Aspekt ist die Leiterplatte mehrlagig ausgeführt, wobei beispielsweise auf der
Oberseite ein Speisenetzwerk und auf der Unterseite ein RF-Frontend (z.B. umfassend
Filter, LNAs, usw.) vorgesehen sein kann. Zwischen diesen zwei Lagen können ein oder
mehrere Innenlagen vorgesehen sein, die Masse bilden.
[0059] Diese Merkmale ermöglichen vorteilhafterweise, dass ausgehend vom begrenzten Bauraum,
beispielsweise 89 x 25 mm oder allgemein < 90 mm Durchmesser und < 30 mm Höhe, eine
breitbandige GNSS-Antenne realisiert werden kann.
[0060] Entsprechend Ausführungsbeispielen wird also eine GNSS-Antenne mit obiger Antennenvorrichtung
und einem entsprechenden Gehäuse geschaffen.
Referenzierte Dokumente
[0061]
- [1]K. Fletcher (ed.), "GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms", ESA
Communications, ESA TM-23/1, May 2013
- [2]Sensor Systems: Datenblatt S67-1575-86
- [3]AntCom: Datenblatt G5Ant-3A4T1-SS
- [4]B. Rama Rao et al "Compact Co-Planar Dual-Band Microstrip Patch Antennas for Modernized
GPS", https://www.mitre.org/publications/technical-papers/compact-coplanardualband-microstrip-patch-antennas-for-modernized-gps
- [5]Xi Chen et al "High-Efficiency Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna With
Wide Beamwidth for Airborne Communication", IEEE Antennas and Wireless Propag. Letters,
vol. 15, 2016
- [6]Xi Chen et al "Low-cost 3D Printed Compact Circularly Polarized Antenna with High
Efficiency and Wide Beamwidth", In Proceedings of the International Conference on
Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) 2016
- [7]CN 105811099 A (EN: Small satellite navigation antenna and anti-multipath interference cavity thereof)
- [8]A. Popugaev "Miniaturisierte Mikrostreifenleitungs-Schaltungen bestehend aus zusammengesetzten
Viertelkreisringen" Promotionsschrift, N&H Verlag, Erlangen, 2014
1. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") mit folgenden Merkmalen
einer Strahleranordnung (12, 12") in einer in Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) oberen
Ebene; und
einem in einer in der Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) unteren Ebene angeordneten
Speisenetzwerk (14, 14");
wobei die Strahleranordnung (12, 12") zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d)
umfasst, die durch Spalten (12s) voneinander beabstandet in der oberen Ebene zu einer
Quadrantenstruktur angeordnet sind, wobei jedes der vier Elemente (12a, 12b, 12c,
12d) zumindest in einem zentralen Winkelbereich (β) ein sich aus der oberen Ebene
in Richtung der unteren Ebene erstreckendes Fußelement umfasst, das einen Speisepunkt
(12as, 12bs, 12cs, 12ds) formt, über den jedes Element mit einem entsprechenden Speisepunkt
des Speisenetzwerks (14as, 14bs, 14cs, 14ds) verbunden ist.
2. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 1, wobei die Strahleranordnung (12,
12") und das Speisenetzwerk (14, 14") zueinander fluchtend angeordnet sind und/oder
wobei die Strahleranordnung (12, 12") und das Speisenetzwerk (14, 14") eine runde
Form aufweisen.
3. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) identische Elemente sind.
4. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest
vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) Kreissegmente, 90°-Kreissegmente, Dreiecke und/oder
Polygone umfassen.
5. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Strahleranordnung (12, 12") symmetrisch, rotationssymmetrisch, punktsymmetrisch einfach
oder zweifach spiegelsymmetrisch ist.
6. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) durch Kreissegmente geformt sind, die
jeweils in drei gleich große Teilkreissegmente unterteilbar sind, wobei das mittlere
der drei Teilkreissegmente den zentralen Winkelbereich (β)umfasst; oder
wobei jedes der zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) durch Kreissegmente geformt
ist und das Fußelement oder der der Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) entlang des
halben Winkels des Kreissegments angeordnet ist.
7. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen
der Eben der Strahleranordnung (12, 12") und der Ebene des Speisenetzwerks (14, 14")
ein dielektrischer Träger (16) angeordnet ist.
8. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) jeweils durch Bleche, Leiterplatten,
gebogene Bleche, eine Folie, eine metallisierte dielektrische Folie oder deren Kombination
dieser geformt sind.
9. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 8, wobei jedes der zumindest vier
Fußelemente durch eine Nase (12as, 12bs, 12cs, 12ds) oder ungefalzte Nase an einer
Außenseite des jeweiligen Elements oder Kreisbogenlinie des jeweiligen Elements geformt
ist, wobei die Nase oder ungefalzte Nase den jeweiligen Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs,
12ds) formt, der mit dem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks (14as, 14bs,
14cs, 14ds) verbunden ist.
10. Antennenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Speisenetzwerk
(14, 14") auf einer einlagigen oder mehrlagigen Leiterplattenanordnung geformt ist.
11. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 10, wobei die mehrlagige Leiterplattenanordnung
eine Speisenetzwerklage sowie eine RF-Frontendlage mit einer dazwischenliegenden Masselage
umfasst, oder
wobei die mehrlagige Anordnung eine Speisenetzwerklage und eine RF-Frontendlage mit
einer dazwischenliegenden Doppelmasselage umfasst.
12. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Speisenetzwerk (14, 14") je Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) eine gegenüber Masse
kurzgeschlossene Stichleitung (15sd) umfasst.
13. Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das
Speisenetzwerk (14, 14") zumindest eines der Elemente aus der Gruppe umfassend einen
Leitungstransformator (15lt), einen Wilkinson-Koppler und eine Verzögerungsleitung
umfasst, oder
wobei das Speisenetzwerk (14, 14") je Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) zumindest
eines der Elemente aus der Gruppe umfassend einen Leitungstransformator (15lt), einen
Wilkinson-Koppler und eine Verzögerungsleitung umfasst.
14. GNSS-Antenne mit:
einem Gehäuse (18g, 18d); und
einer in dem Gehäuse eingebetteten Antennenvorrichtung (10, 10', 10").
15. GNSS-Antenne, wobei die GNSS-Antenne rund ist und/oder wobei die GNSS-Antenne einen
maximalen Durchmesser von 100 mm aufweist.