Planares Antennensystem

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein planares Antennensystem, mit einer durch eine erste leitfähige Schicht einer Leiterplatte ausgebildeten Grundfläche (GP), mit einer parallel über der Grundfläche (GP) angeordneten ersten Strahlerfläche (S1), welche mit einer Seite mittels einer ersten Kurzschlussverbindung (KS1) leitend mit der Grundfläche (GP) verbunden ist, und welche einen Speisepunkt (SP) zum Anschluss einer Hochfrequenzschaltung aufweist. Dabei ist parallel über der Grundfläche (GP) neben der ersten Strahlerfläche (S1) eine mit dieser strahlungsgekoppelte zweite Strahlerfläche (S2) angeordnet, wobei eine Seite der zweiten Strahlerfläche (S2) mittels einer zweiten Kurzschlussverbindung (KS2) mit der Grundfläche (GP) verbunden ist. Ein solches planares Antennensystem ist besonders kompakt und flachbauend aufzubauen und konstruktiv einfach herzustellen. Ein solches Antennensystem lässt sich breitbandig mit einem flachen Frequenzgang abstimmen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein planares Antennensystem mit einer durch eine leitfähige Schicht einer Leiterplatte ausgebildeten Grundfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Sowohl im industriellen Bereich als auch im Consumer-Bereich werden Geräte häufig zum Zwecke der Sprach- und Datenkommunikation mit Sende- und Empfangseinrichtungen versehen, die im UHF-Bereich arbeiten. Beispiele für solche Geräte sind Mobiltelefone, insbesondere GSM-Mobiltelefone, aber auch industrielle Automatisierungs-Komponenten, insbesondere RFID-Lesegeräte und per Funk angebundene Sensoren. Die Antennen der Sende- und Empfangseinrichtungen in industriellen Anwendungen erfordern einen möglichst kleinen "Formfaktor", das heißt, dass diese möglichst klein und insbesondere möglichst flachbauend konstruiert sein sollen. Zudem soll der Aufbau mechanisch robust ausgeführt sein. Eine weitere, wichtige Anforderung ist die Funktionsfähigkeit sowohl auf nichtleitenden, als auch auf metallischen Montageoberflächen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Bandbreite, wobei je nach Funkstandard (GSM, WLAN, o.ä.) weite Frequenzbereiche abgedeckt sein müssen.

[0003] Für die beschriebenen Anforderungen werden im Stand der Technik häufig sog. "PIFA-Antennen" (PIFA = planar inverted F-Antenna) eingesetzt, weil diese nur wenig Bauraum beanspruchen und besonders flachbauend ausgeführt sein können. Obwohl andere Antennen-Typen das Erfordernis der Funktionsfähigkeit in einem weiten Frequenzbereich (hohe Bandbreite) oft besser erfüllen können, wird dennoch häufig auf das Konstruktionsprinzip der PIFA-Antenne zurückgegriffen, weil alternative Konstruktionen für die oft sehr stark miniaturisierten Geräte zu viel Platz beanspruchen. Zudem ist die Funktionsfähigkeit der Antennen und damit der Geräte auf metallischen Untergründen überwiegend nur beim Einsatz von planaren Antennen gewährleistet.

[0004] Der Nachteil, dass die bekannten planaren Antennen, insbesondere die PIFA-Antenne, einen vergleichsweise geringen Frequenzbereich abdecken, wird im Stand der Technik oft dadurch umgangen, dass eine Mehrzahl von Antennen, ein sog. Antennen-Array, aufgebaut wird, bei dem die Erweiterung des Frequenzbereiches durch die Kopplung zweier nahezu identischer Einzelsysteme vorgenommen wird. Der Kopplungsfaktor und die Resonanzfrequenzen der Einzelsysteme bestimmen dabei das Verhalten des Gesamtsystems. Dabei treten jedoch konstruktionsbedingt einige Nachteile auf; unter anderem ist die elektrische Ankopplung eines zweiten Antennensystems nicht trivial. Weiter ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Strahlungsfläche einer planaren Antenne ("Patch-Antenne") mit L-oder U-förmigen Unterbrechungen (Schlitzen) zu versehen, um die Ausprägung verschiedener Schwingungs-Moden zu ermöglichen, um somit die Bandbreite der Antenne zu erhöhen. Alle diese bekannten Verfahren zur Erhöhung der Bandbreite einer Antenne bzw. eines Antennensystems haben jedoch zum Nachteil, dass der Antennen-Gewinn beim Betrieb der Antenne in den entsprechenden Resonanzfrequenzen zwar sehr gut ist, außerhalb dieser Maxima jedoch weniger gut ist, so dass sich kein linearer Verlauf des Antennen-Gewinns, also des Frequenzzugangs, im Bereich der genutzten Bandbreite ergibt.

[0005] Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine planare Antenne bzw. ein planares Antennensystem vorzuschlagen, welches zum Einen konstruktiv einfach, preisgünstig und flachbauend aufzubauen ist, und zum Anderen einen weiten nutzbaren Frequenzbereich aufweist.

[0006] Es ist ein zentraler Gedanke bei der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, ein Antennensystem mit zwei planaren Strahlern mit Hilfe einer gedruckten Schaltung (PCB = Printed Circuit Board) aufzubauen, wobei durch die Integration und die Kopplung zweier Einzel-Antennensysteme ein Betrieb in einem großen Frequenzbereich möglich ist. Erfindungsgemäß ist das zweite Antennenelement im Gegensatz zu dem ersten Antennenelement nicht direkt gespeist, sondern an diesem strahlungsgekoppelt. Durch eine trapezförmige Ausgestaltung des zweiten Antennenelementes kann die Bandbreite weiter erhöht werden, wobei ausgeprägte Maxima und Minima vermieden oder verringert werden.

[0007] Die Lösung der Aufgabe sieht insbesondere ein planares Antennensystem mit einer durch eine erste leitfähige Schicht einer Leiterplatte ausgebildeten Grundfläche vor, mit einer parallel über der Grundfläche angeordneten ersten Strahlerfläche, welche mit einer Seite mittels einer Kurzschlussverbindung leitend mit der Grundfläche verbunden ist und welche einen Speisepunkt zum Anschluss einer Hochfrequenzschaltung aufweist. Dabei ist parallel über der Grundfläche der ersten Strahlerfläche eine mit dieser strahlungsgekoppelte zweite Strahlerfläche angeordnet, wobei eine Seite der zweiten Strahlerfläche mittels einer zweiten Kurzschlussverbindung mit der Grundfläche verbunden ist. Damit wird ein flachbauendes, kompaktes Antennensystem vorgeschlagen, welches im Vergleich zu den bekannten Antennen und Antennensystemen eine hohe Bandbreite aufweist und welches durch die den beiden Strahlerflächen gemeinsame Grundfläche einen Betrieb sowohl auf metallischen/leitenden als auch auf nicht-metallischen / nicht leitenden Untergründen (Montageflächen) ohne wesentliche Änderung der Hochfrequenzeigenschaften gestattet. Zudem ist durch den Aufbau als Bestandteil einer Leiterplatte das Antennensystem zum Einen kostengünstig herzustellen und zum Anderen leicht in eine Hochfrequenzschaltung zu integrieren bzw. mit einer solchen zu kombinieren.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antennensystems sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

[0009] Die Strahlungsleistung der Antenne wird weiter verbessert, wenn die erste und die zweite Kurzschlussverbindung im Wesentlichen auf derselben Linie angeordnet sind. Für den Fall, dass die Grundfläche von einer ersten Schicht (Layer) der Leiterplatte gebildet ist und die Strahlerflächen durch eine weitere, zweite Schicht (Layer) derselben Leiterplatte gebildet werden, stellt eine Reihe von Durchkontaktierungen eine besonders effektive und preiswerte Art der Kurzschlussverbindung dar. In einem solchen Fall beeinflussen die Hochfrequenz-Eigenschaften des Trägermaterials, welches zwischen der Grundfläche und den Strahlerflächen "eingebettet" ist, die Verluste während des Betriebs, so dass es von Vorteil ist, als Trägermaterial ein besonders verlust-günstiges Material zu wählen. Besonders vorteilhaft ist es, zumindest in dem Bereich zwischen den Strahlerflächen und der Grundfläche eine Aussparung im Trägermaterial vorzusehen, so dass die Verluste weiter verringert werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Strahlerflächen auch durch separat aufzubringende Bleche (Formbleche) gebildet werden, so dass die Dicke der Leiterplatte nicht an den erforderlichen Abstand zwischen der Grundfläche und der Strahlerflächen angepasst werden muss. Durch Wahl einer dünnen Leiterplatte (Substrat) bzw. einer Folien-Leiterplatte ergibt sich dann eine Konstruktion, bei der der Bereich zwischen der Grundfläche und den Strahlerflächen zu einem hohen Anteil aus einer Luftschicht besteht, wodurch die Verluste, die durch das Trägermaterial bedingt sind, weiter verringert werden. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform der Variante, in der Bleche eingesetzt werden, kann im Bereich der Strahlerflächen ganz auf Trägermaterial verzichtet werden. Eine besonders vorteilhafte Variante stellt dabei die Montage der Trägerbleche auf die Seite der Grundfläche der Leiterplatte dar.

[0010] Wie bei den planaren Antennen und Antennensystemen aus dem Stand der Technik ergeben sich auch bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem die Hochfrequenzeigenschaften in erster Linie aus den geometrischen Abmessungen der Strahlerflächen und dem Abstand der Strahlerflächen zu der Grundfläche. Durch eine Beschaltung mit konzentrierten Elementen (R, C, L) bzw. damit realisierten Impedanzgliedern lässt sich das Antennensystem abstimmen, ohne eine Änderung der Strahler, also der Geometrien, vornehmen zu müssen. Vorzugsweise wird sowohl die erste, direkt gespeiste Strahlerfläche als auch die strahlungsgekoppelte zweite Strahlerfläche mit je einem Impedanzglied versehen.

[0011] Durch eine trapezförmige Ausgestaltung der zweiten Strahlerfläche ergibt sich eine besonders breitbandige Verwendbarkeit des Antennensystems; in den Fällen, in denen eine schmalbandige Anwendung gegeben ist, kann die zweite Strahlerfläche auch rechteckig ausgeführt sein, was eine Sonderform des Trapezes darstellt.

[0012] Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Antennensystems sind nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

[0013] Dabei zeigt:

Figur 1

ein planares Antennensystem, bei dem die Strahlerflächen durch eine Schicht einer Leiterplatte gebildet sind, und

Figur 2

ein planares Antennensystem, bei dem die Strahlerfläche durch auf die Leiterplatte ausgebrachte Formbleche gebildet sind.

[0014] In der Figur 1 ist in einer Ausführungsform des Antennensystems eine Leiterplatte eines Funk-Sensors in einer industriellen Automatisierungsanordnung gezeigt. Die Figur 1 zeigt dabei denjenigen Bereich (Ausschnitt) der Leiterplatte, der das Antennensystem umfasst. Der Sensor, also dasjenige Gerät, welches die Leiterplatte mit dem Antennensystem umfasst, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Aufbringen (z.B. Aufkleben) auf ein Maschinengehäuse o.ä. eingerichtet, wobei bezogen auf die Darstellung in der Figur 1 die Montagefläche (nicht dargestellt) unterhalb der Leiterplatte angeordnet ist. Bei der hier dargestellten Leiterplatte bildet die unterste leitfähige Schicht (Layer) die Grundfläche GP ("Ground Plain") des Antennensystems, also eine Massefläche. Über der Grundfläche GP ist das Substrat STR, also das Trägermaterial der Leiterplatte, angeordnet. Während die in realen Sensoren verwendeten Leiterplatten eine Vielzahl von Schichten (Layern) aufweisen können, sind in der Figur 1 zur Vereinfachung nur zwei Schichten (Layer) gezeigt.

[0015] Bezogen auf die Darstellung in der Figur 1 ist eine obere Schicht (Layer) der Leiterplatte, die auf der der Grundfläche GP gegenüberliegenden Seite des Substrats STR angeordnet ist, mit Ausnahme der Strahlerflächen S1, S2 freigeätzt, so dass die Strahlerflächen S1, S2 als parallel zu der Grundfläche GP angeordnete leitfähige Bereiche verbleiben. Während die Strahlerfläche S1 dabei rechteckig ausgeführt ist, hat die Strahlerfläche S2 einen trapezförmigen Zuschnitt, der dadurch entsteht, dass auf einer der Strahlerfläche S1 gegenüberliegender Seite der Strahlerfläche S2 eine dreieckige Fläche entfällt, so dass sich eine trapezförmige Verjüngung V der Strahlerfläche S2 ergibt.

[0016] Die Strahlerflächen S1, S2 sind mit ihren bezogen auf die Zeichnung linken Seiten mit der Grundfläche GP elektrisch leitend verbunden. Dies kann, wie dargestellt, durch senkrecht in die Leiterplatte eingelassene Streifen aus leitfähigem Material (z.B. Kupferblech), die Kurzschlussverbindungen KS1, KS2, realisiert sein, welche durch Löten oder eine andere Verbindungstechnik jeweils mit der Grundfläche GP und den Strahlerflächen S1, S2 leitfähig verbunden sind. In einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform können die elektrisch leitenden Verbindungen auch durch jeweils eine Reihe von Durchkontaktierungen realisiert sein.

[0017] Die Strahlerfläche S1 ist mit einem Speisepunkt SP versehen, der, beispielsweise mittels eines koaxialen Leiters, mit einer hier nicht dargestellten Hochfrequenzschaltung (Sender, Empfänger) verbunden ist. Die Strahlerfläche S2 weist keinen solchen Speisepunkt auf, weil die Strahlerfläche S2 mit der Strahlerfläche S1 strahlungsgekoppelt ist. Die Strahlerfläche S1 ist mit einem Impedanzglied Z1 an die Grundfläche GP gekoppelt, wobei das Impedanzglied Z1 aus den bekannten passiven Bauelementen (L, C, R) bestehen kann. Das Impedanzglied Z1 wird dabei, neben der passenden Wahl der Geometrien der Antennenflächen (Strahlerfläche S1, S2; Abstand der Strahlerflächen S1, S2 zur Grundfläche GP) zur Abstimmung des Antennensystems verwendet. In gleicher Weise ist ein zweites Impedanzglied Z2 elektrisch zwischen der Strahlerfläche S2 und der Grundfläche GP angeordnet. Die Anschlusspunkte der Impedanzglieder Z1, Z2 sind bevorzugt an einem von den Kurzschlussverbindungen KS1, KS2 jeweils entfernten Ende der Strahlerflächen S1, S2 angekoppelt. Die Geometrie der Verjüngung V, also insbesondere der Grundwinkel der dreieckigen Aussparung der Strahlerfläche S2, hat direkten Einfluss auf die Brandbreite des planaren Antennensystems, also auf den nutzbaren Frequenzbereich.

[0018] In einer alternativen Ausführungsform des planaren Antennensystems aus der Figur 1 kann das Substrat STR unterhalb der Strahlerflächen S1, S2 ausgespart sein, wobei die Aussparung vorteilhaft mindestens so groß ist wie die Fläche der Strahlungsflächen S1, S2. In der Fertigung kann dies leicht realisiert werden, wenn die Leiterplatte durch ein Laminierverfahren aus dem Substrat STR und den Schichten (Layern) hergestellt wird, wobei die Aussparung(en) in dem Substrat STR vor dem Laminieren mit den leitfähigen Schichten (Layern) vorgenommen wird bzw. werden.

[0019] In der Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform des in der Figur 1 bereits gezeigten planaren Antennensystems gezeigt. In einem ersten Unterschied die Strahlerfläche S2 rechteckig ausgeführt, weist also keine Verjüngung V auf. Dieser Sonderfall wird für solche Anwendungen bevorzugt, die verglichen mit dem Antennensystem aus der Figur 1 schmalbandiger arbeiten. Je nach den Anforderungen im konkreten Fall kann also in den beiden Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 wahlweise ein rechteckiger oder ein trapezförmiger Schnitt der Strahlerfläche S2 gewählt werden. Dabei sei weiter darauf hingewiesen, dass im Falle einer rechteckigen Strahlerfläche S2 bereits durch eine unterschiedliche Breite der Strahlerflächen S1 und S2 wegen daraus resultierenden unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Frequenzbereich gegenüber einem Antennensystem mit nur einer Strahlerfläche breiter ist.

[0020] In einem zweiten Unterschied des planaren Antennensystems aus der Figur 2 im Vergleich mit dem zuvor diskutierten Antennensystem aus der Figur 1 kommt hier eine dünnere Leiterplatte mit einem dünneren Substrat STR zum Einsatz. Zudem ist in einer vorteilhaften Variante dieser Ausführungsform die Grundfläche GP bezogen auf die Zeichnung nicht unterhalb des Substrates STR angeordnet, sondern stellt die Deckfläche der Leiterplatte dar. Die Strahlerflächen S1, S2 sind als Bleche ausgeführt, welche an ihrem linken Rand rechtwinklig abgekantet sind, wodurch die Kurzschlussverbindungen KS1, KS2 direkt an den Strahlerflächen S1, S2 angeformt sind. Diese Kurzschlussverbindungen KS1, KS2 sind mit der Grundfläche GP verlötet oder auf andere Art verbunden. Diese Konstruktion führt dazu, dass zwischen der Grundfläche GP und den Strahlerflächen S1, S2 kein oder nur eine dünne Schicht Substrat STR angeordnet ist, wodurch die durch das Substrat bedingten Verluste verringert oder ganz vermieden werden. Die Impedanzglieder Z1, Z2 können zur mechanischen Stützung der Antennenbleche in ihren bezogen auf die Figur 2 rechten Bereichen verwendet werden.

Ansprüche

1. Planares Antennensystem,
mit einer durch eine erste leitfähige Schicht einer Leiterplatte ausgebildeten Grundfläche (GP),
mit einer parallel über der Grundfläche (GP) angeordneten ersten Strahlerfläche (S1), welche mit einer Seite mittels einer ersten Kurzschlussverbindung (KS1) leitend mit der Grundfläche (GP) verbunden ist, und welche einen Speisepunkt (SP) zum Anschluss einer Hochfrequenzschaltung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel über der Grundfläche (GP) neben der ersten Strahlerfläche (S1) eine mit dieser strahlungsgekoppelte zweite Strahlerfläche (S2) angeordnet ist, wobei eine Seite der zweiten Strahlerfläche (S2) mittels einer zweiten Kurzschlussverbindung (KS2) mit der Grundfläche (GP) verbunden ist.

2. Planares Antennensystem nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Kurzschlussverbindung (KS2) im Wesentlichen auf derselben Linie angeordnet sind.

3. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Strahlerfläche (S1) im Wesentlichen rechteckig ist.

4. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Strahlerfläche (S2) im Wesentlichen trapezförmig ist.

5. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Strahlerfläche (S1) über ein erstes Impedanzglied (Z1) mit der Grundfläche (GP) verbunden ist.

6. Planares Antennensystem nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Impedanzglied (Z1) an einem der Kurzschlussverbindung (KS1, KS2) gegenüberliegenden Bereich der ersten Strahlerfläche (S1) angeschlossen ist.

7. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Strahlerfläche (S2) über ein zweites Impedanzglied (Z2) mit der Grundfläche (GP) verbunden ist.

8. Planares Antennensystem nach Patentanspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Impedanzglied (Z2) an einem der Kurzschlussverbindung (KS2) gegenüberliegenden Bereich der zweiten Strahlerfläche (S2) angeschlossen ist.

9. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste (S1) und die zweite Strahlungsfläche (S2) von einer zweiten leitfähigen Schicht der Leiterplatte gebildet sind.

10. Planares Antennensystem nach Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Trägermaterial der Leiterplatte zwischen der Grundfläche (GP) und der ersten (S1) und der zweiten Strahlungsfläche (S2) jeweils eine Aussparung aufweist, wobei die Aussparung die Fläche der jeweils darüber angeordneten Strahlerfläche betrifft.

11. Planares Antennensystem nach einem der vorhergehenden
Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und/oder die zweite Kurzschlussverbindung (KS1, KS2) aus einer Reihe von Durchkontaktierungen der Leiterplatte besteht.

12. Planares Antennensystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Strahlerfläche (S2) durch jeweils ein über der Leiterplatte angeordnetes Blech gebildet ist.

Zeichnung