[0001] Die Erfindung betrifft eine Antenne für zirkulare Polarisation mit einer in einem
Abstand vor der Vorderseite einer elektrisch leitenden Grundfläche 2 in einer senkrecht
zur Grundfläche orientierten Symmetrieebene SE verlaufenden elektrischen Dipolstrahlers
mit im Wesentlichen parallel zur Grundfläche 2 orientierten Polarisation und einer
in der Symmetrieebene SE zur Grundfläche hin verlaufenden Speiseleitung 6.
[0002] Zur Gestaltung einer Antenne für zirkulare Polarisation wird nach dem Stande der
Technik ein in gleicher Weise gestalteter und in einer sowohl zur Symmetrieebene SE
und zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 senkrecht orientierten weiteren Symmetrienebene
verlaufender elektrischer Dipolstrahler eingesetzt. Beide Dipolstrahler werden über
ein 90°-Phasendrehglied zusammengeschaltet und das zusammengefasste Signal über die
Speiseleitung 6 zur Grundfläche geleitet. Antennen dieser Art sind z. B. bekannt aus
der
DE 4008505 A1. Sie werden häufig zum Empfang von Satelliten-Funkdiensten- wie zum Beispiel Inmarsat,
SDARS, Worldspace etc. - eingesetzt. Insbesondere bei Verwendung solcher Antennen
auf Fahrzeugen zeigt es sich als nachteilig, dass die Antenne - bei Montage der Antenne
auf der Außenhaut des Fahrzeugs - auf dessen Außenseite ein dreidimensionales Gebilde
darstellt. Häufig besteht zum Beispiel für die Anbringung der Antenne auf einem Fahrzeugdach
oder einem Kotflügel die Forderung nach einer weitgehend zweidimensionalen Struktur,
deren Ausdehnung quer zur Fahrtrichtung minimal ist. Dies ist sowohl aus Gründen der
Geräuscharmut durch Luftverwirbelung als auch aus stilistischen Gründen erwünscht.
Diese Forderung gilt in besonderem Maße für die Teile der Antenne, die über die Fahrzeugaußenhaut
herausragen, während in der Ebene der Außenhaut geringe Querabmessungen unproblematisch
sind.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Antenne für zirkulare Polarisation nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs in der Weise zu gestalten, dass ihre Ausdehnung
quer zu dem in der Symmetrieebene SE verlaufenden elektrischen Dipolstrahler 1 minimal
beziehungsweise deutlich geringer als in der Richtung längs der Symmetrieebene ist.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die
in den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst.
[0005] Antennen nach der Erfindung können insbesondere aufgrund ihrer strömungstechnisch
günstigen Gestaltbarkeit in Verbindung mit dem geringen Bauvolumen außerhalb der Karosserie
eines Fahrzeugs beziehungsweise Flugzeugs vorteilhaft eingesetzt werden.
[0006] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.1:
Grundprinzip einer Antenne nach der Erfindung mit einem gestreckten Dipol 1 und mit
der elektrischen Länge einer halben Wellenlänge (λ/2) mit einer Speiseleitung 6 über
einer elektrisch leitenden Grundfläche 2 mit Schlitzstrahler 3 im Abstand 14 von vorzugsweise
etwa einer Viertelwellenlänge und einer einfachen Parallelverzweigung als Verteilnetzwerk
13 und einer als Streifenleitung 20 ausgeführten Antennen-Leitung 11.
Fig.2:
Antenne nach der Erfindung wie in Figur 1, jedoch mit einem Verteilnetzwerk 13 mit
Anpassnetzwerk 10 aus konzentrierten Blindelementen zur Einstellung der richtigen
Phasen zur Speisung des Schlitzstrahlers 3 und des Dipolstrahlers 1 und der Anpassung
der Impedanzen zur erforderlichen Leistungsaufteilung.
Fig.3:
Antenne nach der Erfindung wie in Figur 2, jedoch mit einem Phasenschiebernetzwerk
17 in der Dipol-Speiseleitung 6 zur Einhaltung der Phasenbedingung der zeitlich um
90° gegeneinander verschobenen elektromagnetischen Felder des Schlitzstrahlers 3 und
des elektrischen Dipolstrahlers 1 im Fernfeld sowie ein Anpassnetzwerk 10 zur Anpassung
der Dipolimpedanz an die Dipol-Speiseleitung 6.
Fig.4:
Antenne nach der Erfindung wie in Figur 3, jedoch mit kurzen Querschlitzen 22 an den
beiden Enden des Schlitzstrahlers 3 zur Verringerung der Längsausdehnung 4 des Schlitzstrahlers
3 und mit Endkapazitäten 21 zur Verringerung der Länge des elektrischen Dipolstrahlers
1.
Fig.5:
Antenne nach der Erfindung mit einer Speisung des Schlitzstrahlers 3 über eine Mikro-Streifenleitung
20 zur einfacheren und verlustarmen Anpassung an die Antennen-Leitung 11
[0007] Die zirkulare Polarisation wird bei Antennen nach dem Stande der Technik in der Weise
erzeugt, dass zwei linear polarisierte und in ihrer räumlichen Längsausdehnung zueinander
senkrecht orientierte Antennen vorhanden sind, welche im Fernfeld der Antenne die
beiden räumlich senkrecht zueinander orientierten und um 90° gegeneinander in der
Phase verschobenen elektromagnetischen Felder erzeugen. Die vorliegende Erfindung
zeigt eine Lösung auf, welche es ermöglicht, dass zwei linear polarisierte Antennen,
jedoch mit einer im Wesentlichen längs einer gemeinsamen Linie verlaufenden Längsausdehnung
kombiniert sind. Diese Lösung besteht in der vorteilhaften Kombination eines Schlitzstrahlers
3, welcher in einer elektrisch leitenden Grundfläche 2 längs seiner Längssymmetrielinie
SL gestaltet ist und eines im Dipolabstand 14 über dieser elektrisch leitenden Grundfläche
2 und parallel sowohl zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 als auch zur Längssymmetrielinie
SL angeordneten elektrischen Dipolstrahlers 1.
[0008] Figur 1 zeigt die Grundform einer Antenne für zirkulare Polarisation nach der Erfindung.
Zur Gestaltung eines Schlitzstrahlers 3 in der leitenden Grundfläche 2 ist ein Schlitz
mit seiner Längsausdehnung 4 entlang der Schnittlinie zwischen der Symmetrieebene
SE und der leitenden Grundfläche 2 mit der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7, welche
durch auf einander gegenüberliegenden Längsrändern 18 befindlichen und zueinander
benachbarten Schlitz-Anschlusspunkten 19 gestaltet ist, gebildet. Zur Gestaltung der
Antenne für zirkulare Polarisation ist in einem Abstand von der Vorderseite der elektrisch
leitenden Grundfläche 2 der elektrische Dipolstrahler 1 mit Dipol-Anschlussstelle
8 angebracht. Dieser ist im Wesentlichen parallel zur elektrisch leitenden Grundfläche
2 orientiert und verläuft in einer senkrecht zur elektrisch leitenden Grundfläche
2 orientierten Ebene, hier Symmetrieebene SE genannt. Der elektrische Dipolstrahler
1 ist mit seiner Dipol-Anschlussstelle 8 an die Dipol-Speiseleitung 6 angeschlossen,
welche in der Symmetrieebene SE zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 geführt ist
und im Wesentlichen senkrecht zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 hin verläuft.
Die zirkulare Polarisation wird durch das elektromagnetische Strahlungsfeld des in
die elektrisch leitende Grundfläche 2 eingebrachten Schlitzstrahlers 3 gebildet, dessen
elektrisches Feld im Fernfeld senkrecht zu seiner Längsausdehnung 4 orientiert ist.
Zur Erzeugung eines im fernen Aufpunkt zum Strahlungsfeld des elektrischen Dipolstrahlers
1 für die zirkulare Polarisation notwendigen senkrecht orientierten elektrischen Strahlungsfeldes
ist der Schlitzstrahler 3 deshalb mit seiner Längsausdehnung 4 entlang der Schnittlinie
zwischen der Symmetrieebene SE und der elektrisch leitenden Grundfläche 2 angeordnet.
Die Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 ist durch einander gegenüberliegende, auf den
Längsrändern 18 des Schlitzstrahlers 3 befindliche Schlitz-Anschlusspunkte 19 gebildet.
Zur Erreichung günstiger Strahlungseigenschaften und Impedanzanpassungsverhältnisse
ist sowohl der elektrische Dipolstrahler 1 als auch der Schlitzstrahler 3 bei der
Frequenz, für welche die Antenne gestaltet ist, jeweils auf seine Resonanzfrequenz,
bei der die Antennenimpedanz im Wesentlichen reell ist, abgestimmt. Im Interesse kleiner
Baugröße der Antenne ist deshalb jeweils die Halbwellenlängenresonanz (λ/2) der beiden
Strahler von besonderer Bedeutung. Neben der Orthogonalitätsbedingung der im Fernfeld
sich überlagernden Strahlungsfelder der beiden Strahler ist zur Erreichung der zirkularen
Polarisation sowohl die Bedingung der zeitlichen Phasenverschiebung von + - 90° Grad,
je nach Drehrichtung der Polarisation, als auch die Gleichheit der Intensität der
sich überlagernden Strahlungsfelder notwendig. Diese Gleichheit kann unter Berücksichtigung
der unterschiedlichen vertikalen Richtdiagramme für einen breiten Bereich des Elevationswinkels
für hinreichenden Kreuzpolarisationsabstand erreicht werden. Die Einstellung dieses
Elevationswinkelbereichs erfolgt erfindungsgemäß über die Gestaltung des Verteilnetzwerks
13, über welches sowohl der Schlitzstrahler 3 als auch der elektrische Dipolstrahler
1 mit Dipol-Speiseleitung 6 mit der Antennen-Anschlussstelle 12 verbunden ist. Diese
Gestaltung erfolgt demnach in der Weise, dass bei der Frequenz, auf welche beide Strahler
auf Resonanz abgestimmt sind, die an der Dipol-Anschlussstelle 8 und an der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 wirksamen Signale nach Betrag und Phase diejenigen Werte besitzen, dass im Fernfeld
zirkulare Polarisation gegeben ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist der Schlitzstrahler 3 mit der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7
als länglicher in etwa rechteckförmiger Schlitz mit im Wesentlichen geraden Längsrändern
18 in die elektrisch leitende Grundfläche 2 eingebracht. Über die im Vergleich zur
Längsausdehnung 4 kleine Schlitzbreite 5 ergibt sich die Frequenzbandbreite bei der
durch die Längsausdehnung 4 bestimmten Resonanzfrequenz des Schlitzes.
[0009] Rundstrahlungseigenschaften der Antenne können erfindungsgemäß durch Einhalten von
Symmetriebedingungen auf einfache Weise erreicht werden. Hierfür ist der Schlitzstrahler
3 symmetrisch zu der mit Längssymmetrielinie SL bezeichneten Schnittlinie zwischen
der Symmetrieebene SE und der elektrisch leitenden Grundfläche 2 zu gestalten. Die
weitere einfach einzuhaltende Symmetriebedingung ist die symmetrische Ausgestaltung
des elektrischen Dipolstrahlers 1 und seine symmetrische Speisung zu der auf der elektrisch
leitenden Grundfläche 2 senkrecht stehenden und durch das Zentrum Z des Schlitzes
laufenden Symmetrielinie ZL. Die symmetrische Speisung an der Dipol-Anschlussstelle
8 erfolgt über die im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrielinie ZL verlaufende Dipol-Speiseleitung
6.
[0010] In Figur 2 ist zur Unterstützung der Strahlung auf der dem elektrischen Dipolstrahler
1 zugewandten Vorderseite der elektrisch leitenden Grundfläche 2 durch Abschirmung
gegen die Strahlung auf deren Rückseite der Schlitzstrahler 3 auf der Rückseite der
Grundfläche 2 durch einen Hohlraumresonator 15 abgedeckt. Der Hohlraumresonator 15
ist vorteilhaft als leitend berandeter Hohlraumkörper gestaltet, welcher den Schlitzstrahler
3 vollkommen überdeckt und welcher mit der elektrisch leitenden Grundfläche 2 elektrisch
leitend verbunden ist, sodass eine vollkommene Abschirmung gegen die Abstrahlung der
elektromagnetischen Felder des Schlitzstrahlers 3 in den auf der Rückseite der elektrisch
leitenden Grundfläche 2 befindlichen Halbraum gegeben ist. Die im Hohlraum gespeicherte
Blindenergie beeinflusst - abhängig von den Abmessungen des Hohlraums - die Resonanzeigenschaften
des Schlitzstrahlers 3. Im Interesse einer reellen Impedanz an der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 ist die Längsausdehnung 4 des Schlitzstrahlers 3 etwa eine halbe Wellenlänge (λ/2)
gewählt. In einer besonders vorteilhaften Gestaltung des Hohlraumkörpers ist dieser,
wie in Fig. 2 angedeutet, quaderförmig gewählt. Somit ist die Ausdehnung des Hohlraumkörpers
in Längsrichtung des Schlitzes mindestens größer als eine halbe Wellenlänge (λ/2)
und seine Abmessung bei symmetrischer Anbringung quer zur Längsrichtung des Schlitzes
zweckmäßig größer als (λ/4) gewählt. Da der Schlitz etwa auf Höhe der elektrisch leitenden
Grundfläche 2 angeordnet ist und der Hohlraumkörper unterhalb liegt, sind damit zum
Beispiel für die Anwendung auf Fahrzeugen keine stilistischen Nachteile verbunden,
weil die die Antennen abdeckenden Gehäuse nach unten breiter werden, um eine ausreichende
Festigkeit zu erreichen. Seine Abmessung senkrecht zur elektrisch leitenden Grundfläche
2 ist je nach geforderter Bandbreite des Schlitzstrahlers 3 vorteilhaft größer als
(λ/10) gewählt. Dabei ist das Zentrum des quaderförmigen Hohlraumkörpers zweckmäßig
auf der vertikalen Symmetrielinie ZL liegend gewählt.
[0011] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Dipolabstand
14 zur Gestaltung der Zirkularpolarisation der Antenne von der elektrisch leitenden
Grundfläche 2 etwa ein Viertel der Freiraum-Wellenlänge gewählt. Zur Erzeugung der
zirkular polarisierten Strahlung unter dem Elevationswinkel von 90° ist der Phasenunterschied
der Signale an der Dipol-Anschlussstelle 8 und der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7, abhängig von der Drehrichtungen der zirkularen Polarisation 0° bzw. ein ganzzahlig
Vielfaches von 180° zu wählen. Bei dem in Figur 1 dargestellten besonders einfachen
Verteilnetzwerk 13 ist demnach der Phasenunterschied im Interesse einer möglichst
kurzen Dipol-Speiseleitung 6 für diesen Elevationswinkel vorteilhaft 180° zu wählen.
Die elektrische Länge der Dipol-Speiseleitung 6 beträgt dann etwa λ/2 und lässt sich
zur Überbrückung der geometrischen Distanz von λ/4 zwischen den Schlitz-Anschlusspunkten
19 und der Dipolstrahler-Anschlussstelle 8 realisieren. Die geforderte Überlagerung
der Strahlungsfelder der beiden Strahler unter einem elektrischen Phasenwinkel von
+-90° stellt sich somit über den Gangunterschied der elektromagnetischen Welle ein,
welcher sich aus dem Abstand von λ/4 des elektrischen Dipolstrahlers 1 von der elektrisch
leitenden Grundfläche 2 ergibt. Dabei sind die an der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 und die an der Dipol-Anschlussstelle 8 herrschenden Signalleistungen in etwa gleich
groß einzustellen. Dabei ist die an der Dipol-Anschlussstelle 8 aufgrund der Bündelung
der Strahlung, die sich zusammen mit dem an der elektrisch leitenden Grundfläche 2
gespiegelten elektrischen Dipolstrahler 1 ergibt, entsprechend geringer einzustellen
als an der Schlitzstrahler-Anschlusstelle 7. Entsprechend sind zur Erreichung der
zirkularen Polarisation unter einem bestimmten vorgegebenen Elevationswinkel sowohl
die Signalleistungen als auch die elektrischen Phasenwinkel an den beiden Strahler-Anschlussstellen
7, 8 entsprechend den unterschiedlichen Beträgen der Richtdiagramme der beiden Strahler
bzw. deren unterschiedlichen Phasen bezogen auf einen fernen Aufpunkt zu wählen. Auch
der Abstand 14 kann vorteilhaft zur Einstellung des vertikalen Richtdiagramms des
elektrischen Dipolstrahlers 1 variiert werden und muss nicht genau zu λ/4 gewählt
werden.
[0012] Die Erfüllung sowohl der Bedingung der zeitlichen Phasenverschiebung von + - 90°
Grad je nach Drehrichtung der Polarisation als auch die Gleichheit der Intensität
der sich überlagernden Strahlungsfelder im Fernfeld ist erfindungsgemäß durch Gestaltung
des Verteilnetzwerks 13 sowie durch die Gestaltung der Dipol-Speiseleitung 6 bewirkt.
Dieses Verteilnetzwerk 13 ist in Fig. 1 in einer besonders einfachen Ausführungsform
über eine in Bezug zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 als Massefläche unsymmetrisch
gestaltete Antennen-Leitung 11 an die Antennen-Anschlussstelle 12 angeschlossen und
in der Nähe des Zentrums Z gebildet. Dabei ist einer der Schlitz-Anschlusspunkte 19
der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 durch den Masseanschluss der Antennenleitung
11 auf einem der beiden Längsränder 18 gebildet. Der andere der Schlitz-Anschlusspunkte
19 ist durch Anschluss des Spannung führenden Leiters der Antennenleitung 11 benachbart
an den gegenüberliegenden Längsrand 18 angeschlossen. In einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Dipol-Speiseleitung 6 als symmetrische Zweidrahtleitung
ausgeführt. Deren beide Leiter sind mit ihren Speiseleitungs-Anschlusspunkten 25 jeweils
mit einem der Schlitz-Anschlusspunkte 19 der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 verbunden.
Damit wird auf aufwandsarme Weise eine Umwandlung der durch die Antennenleitung 11
unsymmetrisch polarisiert geleiteten Signale in die auf der symmetrischen Zweidrahtleitung
geführten, in Bezug auf die elektrisch leitende Grundfläche 2 symmetrisch polarisierten
Signale erreicht. Durch die Schlitz-Anschlusspunkte 19 der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 sind somit auch die Speiseleitungs-Anschlusspunkte 25 gebildet. Die Transformation
der an der Dipolstrahler-Anschlussstelle 8 vorliegenden Impedanz in die für gleiche
Intensität der Strahlungsfelder der beiden Strahler an den Speiseleitungs-Anschlusspunkten
25 erforderliche Impedanz der Dipol-Speiseleitung 6 sowie die Einstellung der notwendigen
Phase erfolgt erfindungsgemäß über die Gestaltung der Dipol-Speiseleitung 6.
[0013] Die Impedanz an einer im Zentrum Z eines Schlitzstrahlers 3 angebrachten Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 ist in der Regel mit bis zu einigen Kilo-Ohm wesentlich höher als die eines gestreckten
Dipolstrahlers mit Werten unter 100 Ohm. Im Interesse technisch leichter realisierbarer
Leitungs-Wellenwiderstände kann beispielhaft die Kettenschaltung mehrerer Leitungen
mit unterschiedlichen Wellenwiderständen und einer elektrischen Länge von jeweils
λ/4 zur Anwendung kommen. In diesem Fall wird die im Vergleich zum Wellenwiderstand
technisch realisierbarer Leitungen große Impedanz des Schlitzstrahlers 3 in das Impedanzniveau
des elektrischen Dipolstrahlers 1 in zwei Schritten überbrückt. Für eine derartige,
in mehreren Schritten durchgeführte Impedanztransformation ergeben sich hinreichend
niederohmige Leitungs-Wellenwiderstände, welche auf üblichen elektrischen Leiterplatten
realisiert werden können.
[0014] Bei erfindungsgemäßen Antennen ist es daher zum Beispiel vorteilhaft, die Dipol-Speiseleitung
6 durch zwei λ/4-Transformatoren in Kettenschaltung zu gestalten. In einem ersten
Transformationsschritt wird zunächst die extrem hohe Impedanz des Schlitzstrahlers
3 an der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 durch eine elektrisch λ/4-lange Leitung
mit einem technisch realisierbaren Wellenwiderstand in eine Impedanz transformiert,
welche geringer ist als die Impedanz des elektrischen Dipolstrahlers 1. Der dafür
notwendige Wellenwiderstand kann als Bandleitung realisiert werden. Die weitere Transformation
- ausgehend von diesem Impedanzniveau - in den hierzu höheren Widerstand des elektrischen
Dipolstrahlers 1 kann dann in einem zweiten Transformationsschritt mit einer elektrisch
λ/4-langen Leitung mit einem ebenfalls problemlos realisierbaren Leitungs-Wellenwiderstand
erfolgen. Eine beispielhaft derart realisierte vorteilhafte Antenne nach der Erfindung
weist also im Bereich der Dipol-Speiseleitung 6 eine elektrische Länge von λ/2 auf.
Gegebenenfalls kann noch ein weiteres Leitungsstück ergänzt werden, um zusätzliche
Phasendrehungen zu bewirken. Geometrisch kann diese insgesamt elektrisch λ/2-lange
Dipolspeiseleitung 6 durch mäanderförmige, im Wesentlichen symmetrisch zur vertikalen
Symmetrielinie ZL gestaltete und in der Symmetrieebene SE verlaufende Leitungsführung
problemlos so angeordnet werden, dass insgesamt die geometrische Länge von λ/4 überbrückt
wird. Im Fall eines Trägermaterials mit einem effektiven Dielektrizitätskoeffizienten
εr von 4 ergibt dann die gestreckte Länge einer λ/2 langen Leitung genau eine geometrische
Länge von λ/4. Bei Trägermaterialien mit einem effektiven Dielektrizitätskoeffizienten
εr von größer als 4 ist es dann vorteilhaft, ein weiteres Leitungsstück mit einer
elektrischen Länge von λ/2 als weiteres Bestandteil der Dipol-Speiseleitung 6 zu verwenden,
um die Phasenforderung weiterhin zu erfüllen. Durch Vertauschen der Speiseleitungs-Anschlusspunkte
25 kann die Antenne alternativ für links- oder rechts-polarisierte Signale verwendet
werden.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Dipol und die
Dipol-Speiseleitung 6 auf einer Leiterplatte aufgedruckt. Diese Technologie ermöglicht
die Gestaltung des Wellenwiderstands und der Transformationseigenschaften der Speiseleitung
6 in weiten Grenzen. Gleichermaßen können auf die Leiterplatte gedruckte induktive
und kapazitive Blindelemente bzw. konzentrierte Blindelemente für die Gestaltung von
Anpassnetzwerken 10 und/oder Phasendrehgliedern 17 aufgebracht werden. Mit Hilfe an
sich bekannter Schaltungen aus konzentrierten Blindelementen können Transformationsschaltungen
mit Resonanzcharakter - zum Beispiel als Parallelschwingkreis mit Teilankopplung -
realisiert werden, welche es erlauben, die Anpassung der niedrigen Impedanz des elektrischen
Dipolstrahlers 1 auf das Impedanzniveau des hochohmigen Schlitzstrahlers 3 zu transformieren.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel besteht die Dipol-Speiseleitung 6 aus einer
aufgedruckten symmetrischen Zweidraht-Leitung, welche an ihrem einen Ende an den elektrischen
Dipolstrahler 1 angeschlossen ist und an ihrem anderen Ende an eine aus Blindelementen
bestehende Transformationsschaltung mit Resonanzcharakter angeschlossen ist, welche
die Impedanz-Anpassung an das hohe Impedanzniveau des Schlitzstrahlers 3 bewirkt.
Die zur Erfüllung der Phasenbedingung geforderte Leitungslänge erfolgt dabei wieder
vorteilhaft durch mäanderförmige Gestaltung der Speiseleitung 6, welche im Wesentlichen
symmetrisch zur vertikalen Symmetrielinie ZL und in der Symmetrieebene SE verlaufend
geführt ist. Ebenso können zum Ausgleich der elektrischen Länge der Dipol-Speiseleitung
6 Phasendreh-Kettenschaltungen aus konzentrierten Blindelementen eingesetzt werden,
welche die Impedanz nicht transformieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist das Verteilnetzwerk 13 aus einer im Wesentlichen aus konzentrierten
Blindelementen bestehenden Schaltung gebildet. Durch diese Impedanztransformations-
und Phasendreheigenschaften kann sowohl die Phasen- als auch die Leistungs-Bedingung
für die Erreichung der zirkularen Polarisation erfüllt werden.
[0016] In Fig. 2 ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Verteilnetzwerk
13 über eine in Bezug zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 als Massefläche unsymmetrisch
gestaltete Antennenleitung 11 an die Antennen-Anschlussstelle 12 angeschlossen und
in der Nähe des Zentrums Z ähnlich wie in Figur 1 dadurch gebildet, dass der eine
der Speiseleitungs-Anschlusspunkte 25 durch den Masseanschluss der Antennenleitung
11 auf einem der beiden Längsränder 18 und der andere der Speiseleitungs-Anschlusspunkte
25 durch Anschluss des Spannung führenden Leiters der Antennenleitung 11 benachbart
auf dem gegenüberliegenden Längsrand 18 gebildet ist und dort auch die Dipol-Speiseleitung
6 mit ihren Speiseleitungs-Anschlusspunkten 25 angeschlossen ist. Die Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 ist jedoch in einem Abstand 16 vom Zentrum Z gebildet und über eine Parallelverzweigung
der unsymmetrischen Antennenleitung 11 über auf analoge Weise gebildete Schlitz-Anschlusspunkte
19 angeschlossen. Der Antennenwiderstand des Schlitzstrahlers 3 bei Resonanz ist bei
Bildung der Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 im Zentrum Z maximal und ist in der
Regel wesentlich größer als der charakteristische Widerstand üblicher Leitungen. Er
verändert sich mit wachsendem Abstand 16 vom Zentrum Z zu kleineren Werten hin. Im
Interesse der besseren Anpassung an solche Leitungsstrukturen ist es deshalb erfindungsgemäß
vorteilhaft, den Abstand 16 entsprechend zu wählen. Die Erfüllung der Phasen- und
Leistungs-Bedingungen erfolgt dabei erfindungsgemäß in dem Teil der Leitungsführung
zwischen der Parallelverzweigung der Antennen-Leitung 11 und der Schlitzstrahler-Anschlussstelle
7 einerseits und hin zur Dipol-Anschlussstelle 8 andererseits. Durch Einfügung von
Anpassnetzwerken 10 und/oder Phasendrehgliedern 17 in die Dipol-Speiseleitung 6, wie
in Figur 3 dargestellt, sowie durch deren Transformationseigenschaften und durch die
Schlitzbreite 5 des Schlitzstrahlers 3 wird die zirkulare Polarisation unter dem gewünschten
Elevationswinkel gezielt erreicht.
[0017] In Fig. 5 ist die Antennenleitung 11 zur Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 als eine
in Bezug zur elektrisch leitenden Grundfläche 2 als Massefläche unsymmetrische Streifenleitung
20 gestaltet, deren Streifenleiter auf an sich bekannte Weise durch Strahlungskopplung
an den Schlitz des Schlitzstrahlers 3 angekoppelt ist. Hierfür ist der Streifenleiter
im Bereich des Schlitzes des Schlitzstrahlers 3 senkrecht zu dessen Längsausdehnung
und mindestens teilweise über den Schlitz geführt. Durch diese Anordnung ist der eine
der Schlitz-Anschlusspunkte 19 durch den Massepunkt an der Stelle gegeben, wo der
Streifenleiter den einen der Längsränder 18 in der Draufsicht kreuzt. Der andere der
Schlitz-Anschlusspunkte 19 ist durch berührungslose Strahlungs-Ankopplung des Spannung
führenden Streifenleiters auf dem gegenüberliegenden Längsrand 18 gegeben. Durch die
geeignete Wahl des Abstands 16 zur Mitte des Schlitzstrahlers kann auf besonders einfache
Weise die Anpassung an den Wellenwiderstand üblicher Leitungen von z.B. 50Ω erfolgen.
Die Dipolstrahler-Anschlussstelle 8 ist im Beispiel der Fig. 5 wieder im Zentrum Z
des Schlitzstrahlers 3 angeordnet, wobei die beiden Dipol-Speiseleitungs-Anschlusspunkte
25 wieder auf den beiden Leitungsrändern 18 angeordnet sind. Durch den im Zentrum
angeschlossenen elektrischen Dipolstrahler 1 ist der Schlitzstrahler 3 zusätzlich
bedämpft, so dass der Abstand 16 entsprechend kleiner gewählt werden muss als er ohne
diese Bedämpfung für die Anpassung gewählt werden müsste. Durch die im Zentrum des
Schlitzstrahlers 3 angeordneten Speiseleitungs-Anschlusspunkte 25 und die im Abstand
16 davon entfernt angeordnete Schlitzstrahler-Anschlussstelle 7 wird die über die
Dipol-Speiseleitung 6 zum elektrischen Dipolstrahler 1 geleitete Signalleistung über
Teile des Schlitzstrahlers 3 geführt. Somit ist der Schlitzstrahlers 3 teilweise in
das Verteilnetzwerk 13 zur Aufteilung der an der Antennen-Anschlussstelle 12 vorliegenden
Signalleistung auf den Schlitzstrahler 3 einerseits und den elektrischen Dipolstrahler
1 andererseits einbezogen.
[0018] Insbesondere für mobile Anwendungen von Antennen nach der Erfindung - zum Beispiel
auf dem Dach eines Fahrzeugs - kann es notwendig sein, die Längsausdehnung 4 des Schlitzstrahlers
3 kürzer zu gestalten als λ/2. Die notwendige Verkürzung kann erfindungsgemäß dadurch
erreicht werden, dass der Schlitz des Schlitzstrahlers 3 an seinen beiden Enden durch
im Wesentlichen quer zu seiner Längssymmetrielinie SL orientierte Querschlitze 22
ausgeformt ist. Aus Gründen der azimutalen Rotationssymmetrie des Richtdiagramms der
Antenne sind diese Querschlitze 22 vorteilhaft an beiden Enden gleichartig und symmetrisch
zur Längssymmetrielinie SL ausgeführt, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Abhängig
von der Querschlitzlänge 23 und der Querschlitzbreite 24 tritt damit die Schlitzresonanzfrequenz
bei einer kleineren Längsausdehnung 4 als der halben Freiraumwellenlänge λ auf.
[0019] Auf entsprechende Weise kann die Länge des elektrischen Dipolstrahlers 1 dadurch
verkürzt werden, dass dieser an seinen beiden Enden jeweils mit einer gleichartigen
Endkapazität 21 belastet ist. Derartige Endkapazitäten 21 können zum Beispiel, wie
in Figur 4 angedeutet, durch im Wesentlichen vertikal orientierte Leiterstrukturen
gebildet sein. Derartige erfindungsgemäße Leiterstrukturen sind insbesondere deshalb
vorteilhaft, weil durch sie die Querabmessung des über der elektrisch leitenden Grundfläche
2 befindlichen Teiles der Antenne nicht vergrößert wird.
[0020] In einer einfachsten Ausführungsform der Antenne ist die elektrisch leitende Grundfläche
2 durch die Außenfläche einer elektrisch leitenden und aus Blech gestalteten Fahrzeugkarosserie
selbst gegeben, in welche der Schlitzstrahler 3 in das Blech eingebracht ist. In der
Regel ist es jedoch aus Gründen der leichteren Herstellbarkeit vorteilhafter, wenn
ein elektrisch leitender Körper, in dessen Außenfläche der Schlitzstrahler 3 gestaltet
ist, in die entsprechende Aussparung in einer elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie
eingebracht ist und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist. Erfindungsgemäß ist
dann die Oberfläche des elektrisch leitenden Körpers derart gestaltet, dass er die
Aussparung der elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie im Wesentlichen ausfüllt, und
deren Außenfläche mit seiner Oberfläche im Wesentlichen zu einer Ebene ergänzt und
auf diese Weise die elektrisch leitende Grundfläche 2 gestaltet ist. Die in die Fahrzeugkarosserie
einzubringende Aussparung kann dabei vorteilhaft in der Längs- und Querausdehnung
nur wenig größer gewählt sein als dies die Abmessungen des Schlitzes erfordern.
[0021] Ist die Fahrzeugkarosserie elektrisch nicht leitend - also zum Beispiel aus Kunststoff
- wird die elektrisch leitende Grundfläche 2 als leitende Fläche, vorzugsweise aus
Blech gestaltet und unter der Fahrzeughaut angebracht. In diese Fläche ist der Schlitzstrahler
3 eingebracht und sie trägt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf
ihrer Rückseite den Hohlraumresonator 15 und auf ihrer Vorderseite den elektrischen
Dipolstrahler 1 und die Dipol-Speiseleitung 6. Durch eine in ihrer Querabmessung vergleichsweise
kleine Aussparung kann die Montage der Antenne auf der Innenseite der Fahrzeugkarosserie
erfolgen. Die Abmessungen der elektrisch leitenden Grundfläche 2 sind zweidimensional
hinreichend groß zu wählen, so dass sich angenähert die Strahlungseigenschaften der
Antenne einstellen, wie sie für eine Antenne dieser Art mit ausgedehnter elektrisch
leitender Grundfläche 2 zutreffen.
1. Die Erfindung betrifft eine Antenne für zirkulare Polarisation, bei der ein in einem
Abstand von der Vorderseite einer elektrisch leitenden Grundfläche (2) und in einer
senkrecht zur elektrisch leitenden Grundfläche (2) orientierten Symmetrieebene (SE)
verlaufender mit im Wesentlichen parallel zur elektrisch leitenden Grundfläche (2)
orientierter elektrischer Dipolstrahler (1) mit Dipol-Anschlussstelle (8) und eine
an Letztere angeschlossene und in der Symmetrieebene SE zur elektrisch leitenden Grundfläche
(2) hin verlaufende Dipol-Speiseleitung (6) und eine Antennen-Anschlussstelle (12)
vorhanden sind,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- in der elektrisch leitenden Grundfläche (2) ist ein Schlitzstrahler (3) mit seiner
Längsausdehnung (4) entlang der Schnittlinie zwischen der Symmetrieebene SE und der
elektrisch leitenden Grundfläche (2) mit der Schlitzstrahler-Anschlussstelle (7),
welche durch einander gegenüberliegende, auf den Längsrändern (18) befindliche Schlitz-Anschlusspunkte
(19) gebildet ist, gestaltet,
- der elektrische Dipolstrahler (1) und der Schlitzstrahler (3) sind in ihren Resonanzfrequenzen
aufeinander abgestimmt,
- der Schlitzstrahler (3) und der elektrische Dipolstrahler (1) mit Dipol-Speiseleitung
(6) sind über ein Verteilnetzwerk (13) mit der Antennen-Anschlussstelle (12) nach
Betrag und Phase in der Weise verbunden, dass bei der Frequenz, auf welche die Strahler
aufeinander abgestimmt sind, im Fernfeld zirkulare Polarisation gegeben ist.
2. Antenne nach Anspruch 1
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- der Schlitzstrahler (3) mit der Schlitzstrahler-Anschlussstelle (7) ist durch Einbringen eines länglichen in etwa rechteckförmigen Schlitzes mit im Wesentlichen
geraden Längsrändern (18) und im Vergleich zur Längsausdehnung (4) kleiner Schlitzbreite
(5) in die elektrisch leitende Grundfläche (2) mit der durch die Schnittlinie zwischen der Symmetrieebene (SE) und der elektrisch leitenden Grundfläche
(2) gegebenen, parallel zur Längsausdehnung (4) verlaufenden und durch das Zentrum (Z) des Schlitzes führenden Längssymmetrielinie (SL) gebildet.
- der elektrische Dipolstrahler (1) und der Verlauf der Dipol-Speiseleitung (6) sind
im Wesentlichen symmetrisch zu der auf der elektrisch leitenden Grundfläche (2) senkrecht
stehenden und durch das Zentrum (Z) des Schlitzes laufende Symmetrielinie (ZL) gestaltet und der elektrische
Dipolstrahler (1) mit seiner Dipol-Anschlussstelle (8) ist elektrisch symmetrisch
gespeist.
(Figur 1)
3. Antenne nach Anspruch 1 bis 2
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Unterstützung der Strahlung auf der dem elektrischen Dipolstrahler (1) zugewandten
Vorderseite und zur Abschirmung gegen die Strahlung auf der Rückseite der elektrisch
leitenden Grundfläche (2) der Schlitzstrahler (3) auf der Rückseite der Grundfläche
(2) durch einen den Schlitzstrahler (3) überdeckenden Hohlraumresonator (15) abgedeckt
ist.
(Figur 2)
4. Antenne nach Anspruch 2 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Längsausdehnung (4) des Schlitzstrahlers (3) etwa eine halbe Wellenlänge beträgt
und zur Gestaltung der Zirkularpolarisation der Antenne der Dipolabstand (14) von
der elektrisch leitenden Grundfläche (2) etwa zum einem Viertel der Freiraum-Wellenlänge
gewählt ist und der Phasenunterschied der Signale an der Dipol-Anschlussstelle (8)
und der Schlitz-Anschlussstelle (7), abhängig von der Drehrichtung der zirkularen
Polarisation 0° bzw. ein ganzzahliges Vielfaches von 180° beträgt und die an den beiden
Strahler-Anschlussstellen (7, 8) herrschenden Signalleistungen in etwa gleich groß
sind.
(Figur 1)
5. Antenne nach Anspruch 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verteilnetzwerk (13) über eine in Bezug zur elektrisch leitenden Grundfläche (2)
als Massefläche unsymmetrisch gestaltete Antennenleitung (11) an die Antennen-Anschlussstelle
(12) angeschlossen ist und in der Nähe des Zentrums (Z) in der Weise gebildet ist,
dass der eine Schlitz-Anschlusspunkt (19) der Schlitz-Anschlussstelle (7) durch den
Masseanschluss der Antennenleitung (11) auf einem der beiden Längsränder (18) und
der andere Schlitz-Anschlusspunkt (19) durch Anschluss des Spannung führenden Leiters
der Antennenleitung (11) benachbart auf dem gegenüberliegenden Längsrand (18) gebildet
ist und die Dipol-Speiseleitung (6) als symmetrische Zweidrahtleitung ausgeführt ist,
deren beide Leiter jeweils mit einem der Schlitz-Anschlusspunkte (19) verbunden sind,
sodass durch diese auch die Speiseleitungs-Anschlusspunkte (25) gebildet sind.
(Figur 1)
6. Antenne ähnlich zu Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verteilnetzwerk (13) über eine in Bezug zur elektrisch leitenden Grundfläche (2)
als Massefläche unsymmetrisch gestaltete Antennenleitung (11) an die Antennen-Anschlussstelle
(12) angeschlossen ist und in der Nähe des Zentrums (Z) in der Weise gebildet ist,
dass der eine Speiseleitungs-Anschlusspunkt (25) durch den Masseanschluss der Antennenleitung
(11) auf einem der beiden Längsränder (18) und der andere Speiseleitungs-Anschlusspunkt
(25) durch Anschluss des Spannung führenden Leiters der Antennenleitung (11) benachbart
auf dem gegenüberliegenden Längsrand (18) gebildet ist, dass jedoch die Schlitz-Anschlussstelle
(7) zur Erniedrigung der Impedanz des Schlitzstrahlers (3) in einem Abstand (16) vom
Zentrum (Z) gebildet und über eine Parallelverzweigung der unsymmetrischen Antennenleitung
(11) über auf analoge Weise gebildete Schlitz-Anschlusspunkte (19) angeschlossen ist.
(Figur 2)
7. Antenne ähnlich zu Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Teil der Leitungsführung zwischen der Parallelverzweigung der Antennen-Leitung
(11) und der Schlitz-Anschlussstelle (7) einerseits und zur Dipol-Anschlussstelle
(8) andererseits durch eingefügte Anpassnetzwerke (10) und/oder Phasendrehglieder
(17) sowie durch die Schlitzbreite (5) des Schlitzstrahlers (3) und durch die
Transformationseigenschaften der Dipol-Speiseleitung (6) bewirkt ist, dass die Phasen-
und
Leistungs-Bedingungen erfüllt sind.
(Figur 3)
8. Antenne ähnlich zu Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dipol und die Dipol-Speiseleitung (6) auf einer Leiterplatte aufgedruckt sind
und durch Gestaltung des Wellenwiderstands und durch Gestaltung der Leitungslänge
durch mäanderformige im Wesentlichen symmetrisch zur vertikalen Symmetrielinie (ZL)
gestalteten Leitungsführung bewirkt ist, dass die Phasen- und Leistungs-Bedingungen
erfüllt sind.
9. Antenne nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verteilnetzwerk (13) aus einer Schaltung bestehend aus Blindelementen gebildet
ist mit den für die Erfüllung der Phasen- und Leistungs-Bedingungen erforderlichen
Impedanztransformations- und Phasendreheigenschaften.
10. Antenne nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Verkürzung der Längsausdehnung (4) des Schlitzstrahlers (3) dessen beide Enden
in symmetrisch zur Längssymmetrielinie (SL) gestaltete und zu dieser im Wesentlichen
senkrecht orientierte Querschlitze (22) mit der Querschlitzlänge (23) ausgeformt sind
und somit, abhängig von der Querschlitzlänge (23) und der Querschlitzbreite (24),
die Schlitzresonanzfrequenz bei einer kleineren Längsausdehnung (4) als der halben
Freiraumwellenlänge λ auftritt.
(Fig. 4)
11. Antenne nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Verkürzung der Länge des elektrischen Dipolstrahlers (1) an dessen beiden Enden
jeweils eine gleichartige Endkapazität (21) angeschlossen ist.
(Fig. 4)
12. Antenne nach Anspruch 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrisch leitende Grundfläche (2) durch die Außenfläche der elektrisch leitenden
und aus Blech gestaltete Fahrzeugkarosserie selbst gegeben ist und der Schlitzstrahler
(3) in das Blech eingebracht ist.
13. Antenne nach Anspruch 1 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
ein elektrisch leitender Körper, in dessen Außenfläche der Schlitzstrahler (3) gestaltet
ist, in die Aussparung einer elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie eingebracht ist
und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist, so dass die Außenfläche des elektrisch
leitenden Körpers die Aussparung der elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie im Wesentlichen
ausfüllt, und deren Außenfläche mit seiner Oberfläche ergänzt und auf diese Weise
die elektrisch leitende Grundfläche (2) gestaltet ist.
14. Antenne nach Anspruch 13
dadurch gekennzeichnet, dass
jedoch die Fahrzeugkarosserie elektrisch nicht leitend ist und die elektrisch leitende
Grundfläche (2) durch die hinreichend großflächig gewählte Oberfläche des elektrisch
leitenden Körpers gebildet ist, in welche der Schlitzstrahler (3) eingebracht ist.
15. Antenne nach Anspruch 5 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antennenleitung (11) zur Schlitzstrahler-Anschlussstelle (7) als eine in Bezug
zur elektrisch leitenden Grundfläche (2) als Massefläche unsymmetrisch gestaltete
Streifenleitung (20) gestaltet ist, deren Streifenleiter im Bereich des Schlitzes
des Schlitzstrahlers (3) im Wesentlichen senkrecht zu dessen Längsausdehnung geführt
ist und mindestens teilweise über den Schlitz geführt ist, wodurch der eine der Schlitz-Anschlusspunkte
(19) durch den Punkt auf der elektrisch leitenden Grundfläche (2) an der Stelle gegeben
ist, wo der Streifenleiter den einen der Längsränder (18) in der Draufsicht kreuzt
und der andere Schlitz-Anschlusspunkt (19) durch berührungslose Strahlungs-Ankopplung
des Spannung führenden Streifenleiters auf dem gegenüberliegenden Längsrand (18) gegeben
ist.
16. Antenne nach Anspruch 15
dadurch gekennzeichnet, dass
Teile des Schlitzstrahlers (3) in das Verteilnetzwerk (13) in der Weise einbezogen
sind, dass die an der Antennen-Anschlussstelle (25) vorliegende und auf den Schlitzstrahler
(3) und den elektrischen Dipolstrahler (1) aufzuteilende Signalleistung an einer Stelle
des Schlitzstrahlers (3) an der Schlitzstrahler-Anschlussstelle (7) eingespeist ist
und die Einspeisung der Signalleistung des elektrischen Dipolstrahlers (1) durch Anschluss
der Speiseleitungs-Anschlusspunkte (25) an einer anderen Stelle des Schlitzstrahlers
(3) gegeben ist.
17. Antenne nach Anspruch 1 bis 16
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Transformation zwischen der im Vergleich zum Wellenwiderstand von technisch realisierbaren
Leitungen großen Impedanz des Schlitzstrahlers (3) auf das Impedanzniveau des elektrischen
Dipolstrahlers (1) durch die Dipol-Speiseleitung (6) diese Transformation an Hand
von mindestens zwei in Kette geschalteten elektrischen Leitungsstücken mit jeweils
λ/4 elektrischer Länge gestaltet ist, wobei zur Erreichung eines hinreichend niederohmigen
technisch realisierbaren Leitungs-Wellenwiderstands die Impedanz des Schlitzstrahlers
(3) auf ein niedrigeres Impedanzniveau als das des Dipolstrahlers (1) durch dieses
Leitungsstück transformiert ist und dieses Impedanzniveau durch das weitere, in Kette
geschaltete Leitungsstück mit realisierbar niedrigem Leitungs-Wellenwiderstand in
die hierzu höhere Impedanz des elektrischen Dipolstrahlers (1) transformiert ist.
18. Antenne nach Anspruch 1 bis 16
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speiseleitung eine auf einer Leiterplatte gedruckte und mit einem Ende an den
elektrischen Dipolstrahler (1) angeschlossene symmetrische Zweidraht-Leitung enthält,
welche mit ihrem anderen Ende an eine aus Blindelementen bestehende Transformationsschaltung
mit Resonanzcharakter angeschlossen ist, welche die Impedanzanpassung an das hohe
Impedanzniveau des Schlitzstrahlers (3) bewirkt und zur Erfüllung der Phasenbedingung
Phasenschieber-Ketten aus konzentrierten Blindelementen vorhanden sind.