PATCHANTENNE

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Patchantenne mit einer daran angeschlossenen Speiseleitung, die ein abzustrahlendes Signal zuführt.

[0002] Derartige Patchantennen werden häufig zu Antennengruppen zusammengeschaltet eingesetzt, wobei der Abstand der einzelnen Patchantennen innerhalb der Gruppe durch die gewünschte Antennencharakteristik vorgegeben ist und im allgemeinen kleiner als eine Wellenlänge im freien Raum ist. Aus Platzgründen ist es sinnvoll, den Raum unter jeder Patchantenne für ihr zugeordnete Hochfrequenzschaltungen zu nutzen, die oft in Microstripoder Hohlleitertechnik realisiert werden. Die Wellenleiter solcher Schaltungen verlaufen zumeist in Ebenen senkrecht zur Antennenebene, so daß es wünschenswert ist, von der Patchantenne direkt in diese Leiter einkoppeln zu können, das heißt eine Hochfrequenzanregung wirksam zwischen einem auf einer Oberfläche eines Substrats angeordneten Patch und einer Hochfrequenzsignalleitung zu übertragen, die sich an der gegenüberliegenden Oberfläche befindet.

[0003] Es ist eine Mehrzahl von Anordnungen bekannt, bei denen eine Patchantenne mit einer senkrecht zur Antennenebene verlaufenden Leitung gekoppelt ist. So sind zum einen koaxial angekoppelte Patchantennen mit Durchkontaktierung bekannt. Diese sind kostspielig in der Fertigung, weil sie einerseits eine aufwendige Durchkontaktierung durch das Substrat hindurch benötigen und darüber hinaus ein Übergangsstück zu der Speiseleitung erforderlich ist.

[0004] Schlitzgekoppelte Patchantennen mit Microstrip-Anschlüssen sind aus D.M. Pozar, Practical Excitations, Workshop on Analytical and Numerical Techniques for Microchip Circuits and Antennas, Montreux 15-18 März 1988 und N.I. Herscovici and D.M. Pozar, Full-Wave Solution for an Aperture-Coupled Patch Fed by Perpendicular Coplanar Strips, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Band 42 Nr. 4, April 1994, Seiten 544 bis 547 bekannt. Die aus der ersten Quelle bekannte Konstruktion benötigt eine "stumpfe" Anlötung von Leiterbahn und Massefläche der Speiseleitung an die beiden Ränder des Koppelschlitzes. Diese Konstruktion ist kritisch in der Fertigung und von geringer mechanischer Stabilität. Die bei der zweiten Schrift beschriebene Konstruktion erfordert eine partielle Freiätzung der Metallisierung der Speiseleitung und, wegen der Notwendigkeit eines parallel zur Ebene des Patch verlaufenden Speiseleitung, relativ viel Platz.

[0005] Patchantennen, die über eine Blende beziehungsweise einen Schlitz in einer an der Rückseite des Substrats ausgebildeten metallischen Massefläche an eine als Hohlleiter ausgebildete Speiseleitung angekoppelt sind, gehen aus M. Kanda et. al., The Characteristics of Iris-Fed Millimeter-Wave Rectangular Microstrip Patch Antennas, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Band EMC-27 Nr. 4, November 1985, Seiten 212 bis 220 und Min-Hua Ho, Wave Guide Excited Microstrip Patch Antenna, Theory and Experiment, IEEE Transactions on Antennas and Propagation Band 42, Nr. 8, August 1994, Seiten 1114 bis 1125 hervor. Derartige Antennen erlauben zwar eine gute Impedanzanpassung des Schlitzes an den Patch, allerdings nur in einem engen Frequenzband, und die Gesamttransmission von Hochfrequenzenergie vom Hohlleiter zum Patch ist infolge des kleinen Querschnitts des Schlitzes begrenzt. Da der Schlitz unterhalb seiner Cutoff-Frequenz betrieben wird, kann er nicht als Anpassungsleitung benutzt werden. Er liefert immer einen induktiven Beitrag zur Eingangsimpedanz der Antenne.

Vorteile der Erfindung

[0006] Erfindungsgemäß ist bei einer Patchantenne mit einem auf einer Seite eines Substrats angeordneten Patch und einem Anschluß für eine Speiseleitung an der gegenüberliegenden Rückseite des Substrats vorgesehen, daß der Anschluß als ein Steghohlleitersegment ausgebildet ist. Da die Zahl der für die Dimensionierung des Innenquerschnitts eines solchen Steghohlleitersegments optimierbaren geometrischen Parameter größer ist als im Falle eines einfachen Schlitzes, ist es möglich, die Abmessungen des Innenquerschnitts so zu wählen, daß sich eine Impedanzanpassung zwischen dem Hohlleitersegment und dem Patch ergibt, ohne daß hierfür noch eine Blende erforderlich ist, deren Gestalt von der des Hohlleiters abweicht.

[0007] Die herkömmliche Massefläche mit Koppelschlitz an der Rückseite des Substrats wird durch die Verwendung des Steghohlleitersegments somit überflüssig. Der Stegabschnitt des Steghohlleiters ersetzt den herkömmlichen Koppelschlitz und stellt gleichzeitig eine elektrische Anpassungsleitung an das Impedanzniveau der Patchantenne dar.

[0008] Dies erlaubt es, für gewünschte Abstrahlungseigenschaften der Patchantenne zunächst die Gestalt des Patches und dann unabhängig davon die Abmessungen des Steghohlleitersegments zu optimieren. So kann zum Beispiel zunächst eine für zirkular polarisierte Abstrahlung in einem vorgegebenen Frequenzbereich geeignete Form und Bemessung des Patches ermittelt und dann die Form des Steghohlleitersegments mit dem Ziel einer guten Impedanzanpassung an den Patch für diesen Frequenzbereich optimiert werden.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist als Speiseleitung ein Hohlleiter an das Steghohlleitersegment angekoppelt. Ein solcher Hohlleiter kann senkrecht zur Oberfläche der Patchantenne verlaufen und so die Möglichkeit liefern, Schaltkreise, die das Hochfrequenzsignal liefern oder verarbeiten, in unmittelbarer Nachbarschaft der Antenne, vorzugsweise hinter dieser, anzuordnen.

[0010] Zwischen der Speiseleitung und dem Hohlleitersegment können eine oder mehrere Transformationsstufen in (Steg-)Hohlleitertechnik vorgesehen sein.

[0011] Es kann auch eine Microstripleitung als Speiseleitung in den Stegabschnitt des Steghohlleitersegments eingeführt sein. Bei einer solchen Gestaltung der Patchantenne haben die einander gegenüberliegenden Seitenwände des Stegabschnitts elektrischen Kontakt zur Leiterbahn und beziehungsweise Massefläche der Microstripleitung. Sie sorgen für eine sichere Fixierung der Speiseleitung in der Mitte des Hohlleiters und senkrecht zum Antennensubstrat.

[0012] Um Reflexionen bei der Kopplung gering zu halten, sind die Abmessungen des Stegabschnitts vorzugsweise so gewählt, daß das Impedanzniveau des Hohlleiterabschnitts an die des Patchs angepaßt ist.

[0013] Der Patch weist zweckmäßigerweise Kanten auf, die unter Winkeln von +/-45° zu den Kanten eines Stegabschnitts verlaufen. Diese Orientierung der Kanten erlaubt es, durch ein in einer einheitlichen Richtung orientiertes, in dem Hohlleiterabschnitt angeregtes elektrisches Feld Kanten des Patch zum Strahlen anzuregen, die im rechten Winkel zueinander orientiert sind.

[0014] Um mit Hilfe eines solchen Patches zirkular polarisiert abstrahlen zu können, ist es erforderlich, daß die Resonanzfrequenzen von jeweils orthogonal zueinander orientierten Kanten sich geringfügig unterscheiden, so daß im Frequenzbereich zwischen den zwei Resonanzfrequenzen jeweils die eine Gruppe von Kanten eine induktive und die andere eine kapazitive Last für das Hochfrequenzsignal darstellt. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem der Patch rechtwinklig mit unterschiedlichen Kantenlängen ausgebildet ist, oder indem ein quadratischer Patch verwendet wird, bei dem zwei gegenüberliegende Kanten Aussparungen aufweisen.

[0015] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Zeichnung

[0016] 

Figur 1

zeigt eine Patchantenne mit daran angeschlossenem Hohlleiter gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in einem Längsschnitt;

Figur 2

zeigt eine perspektivische Ansicht des Steghohlleitersegments der Patchantenne aus Figur 1; und

Figur 3

zeigt das Steghohlleitersegment einer Patchantenne gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0017] Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Patchantenne. Der eigentliche metallische Patch 1 ist auf einem dielektrischem Substrat 2 aufgebracht. Die dem Patch gegenüberliegende Rückseite des Substrats 2 ist nicht metallisiert. Dies vereinfacht die Herstellung des Substrats; Probleme bei der Ausrichtung von sonst erforderlichen metallischen Strukturen auf der Rückseite des Substrats im Bezug auf den Patch 1 entfallen. Die Rückseite des Substrats 2 befindet sich in unmittelbarem Kontakt mit einem Steghohlleitersegment 3. Substrat 2 und Steghohlleitersegment 3 sind durch eine Klebung der einander berührenden Flächen großflächig und belastbar verbunden. Das Steghohlleitersegment 3 weist im wesentlichen die Form einer Platte der Dicke L mit einem in etwa H-förmigen Hohlleiterausschnitt 5 auf (siehe auch Figur 2). An die Rückseite des Steghohlleitersegments 3 schließt ein weiterer Hohlleiterabschnitt 4 an, bei dem es sich um eine Speiseleitung, die den Patch an hinter dem Substrat angeordnete, in der Figur nicht dargestellte Schaltungselemente koppelt, oder um eine Transformatorstufe handeln kann, die für eine Impedanzanpassung beim Übergang des Hochfrequenzsignals von der Speiseleitung auf das Steghohlleitersegment 3 sorgt.

[0018] Die Dicke L kann so gewählt werden, daß an Ein- und Austrittsfläche des Steghohlleitersegments auftretende Restreflexionen destruktiv interferieren, um so die Effizienz der Kopplung zwischen Patch und Speiseleitung zu verbessern.

[0019] Die dreidimensionale Gestaltung der Komponenten wird deutlicher aus Figur 2, die das Steghohlleitersegment 3 in einer perspektivischen Ansicht zeigt. Das Substrat 2 ist in Figur 2 fortgelassen, allein der auf diesem Substrat angeordnete Patch 1 ist als gestrichelter Umriß dargestellt. Die Patchantenne ist vorgesehen, um in einer Anordnung zusammen mit einer Mehrzahl gleichartiger Antennen, zum Beispiel in einem Satelliten, betrieben zu werden, wobei der Abstand der einzelnen Patchantennen voneinander durch die seitlichen Abmessungen des Steghohlleitersegments 3 gegeben ist. Der Hohlleiterausschnitt 5 hat die Grundform eines Rechtecks mit einer Breite a und einer Höhe b, wobei jeweils von den Mitten der Längsseiten des Rechtecks Vorsprünge 6 mit einer Breite w in den Ausschnitt eingreifen und ihn in der Mitte auf einen spaltförmigen Stegabschnitt 7 der Breite s verengen. Die Abmessungen a,b und w bestimmen die Grenzfrequenz und damit die frequenzabhängige Impedanz des Steghohlleitersegments 3.

[0020] Der Patch 1 hat hier die Gestalt eines Quadrats mit zu den Kanten des Hohlleiterausschnitts 5 um 45° verdrehten Kanten. Zwei gegenüberliegende Kanten 8 des Patch 1 weisen jeweils eine mittige Aussparung 9 auf. Die Aussparungen 9 bewirken eine Verschiebung der Resonanzfrequenz der unterbrochenen Kanten 8 gegenüber der der jeweils im rechten Winkel dazu liegenden durchgehenden Kanten 10 des Patches 1. Bei Anregung mit einem Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz in der Mitte zwischen den zwei Resonanzfrequenzen liegt, werden die Kanten 8,10 jeweils zum Strahlen mit einer Phasenverschiebung von 90° angeregt, wodurch sich die Beiträge der verschiedenen Kanten zur Abstrahlung der Antenne zu einem zirkular polarisierten Strahl überlagern.

[0021] Bei den herkömmlichen Bauarten von Patchantennen ist es äußerst schwierig, Abmessungen des Patch 1 einerseits und des Hohlleiters andererseits zu finden, die eine gute Impedanzanpassung aufweisen und damit eine effiziente Anregung des Patch bei der Frequenz beziehungsweise in dem Frequenzbereich ermöglichen, in dem dieser zirkular polarisiert abstrahlen kann. Bei der hier dargestellten Antenne ist eine solche Anpassung durch Optimierung der Abmessungen der Vorsprünge 6 zu erreichen.

[0022] Figur 3 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Patchantenne, die sich von der mit Bezug auf Figuren 1 und 2 beschriebenen durch die Art und Weise der Einkopplung des Hochfrequenzsignals unterscheidet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Hohlleiterabschnitt 4 ersetzt durch eine Microstripleitung 14, das heißt ein dielektrisches Substrat, das auf einer Oberfläche eine Leiterbahn 15 und auf der gegenüberliegenden (in der Figur verdeckten) Oberfläche eine metallische Massefläche trägt. Die Microstripleitung ist in Figur 3 mit der gleichen Breite w wie die Vorsprünge 6 des Steghohlleitersegments dargestellt, sie kann aber auch breiter sein, zum Beispiel sich über die gesamte Breite a des Hohlleiterausschnitts 5 erstrecken. Lediglich die Breite der rückwärtigen Metallisierung, die die Massefläche bildet, sollte nicht größer sein als die Breite w der Vorsprünge 6.

[0023] Durch die mechanische Einfügung der Microstripleitung 14 in den Stegabschnitt 7 ergibt sich auf einfache Weise eine mechanisch belastbare Verankerung. So läßt sich auf diese Weise eine sehr kompakte Anordnung aus einer Patchantenne mit einer Hochfrequenzschaltung realisieren, wobei die Hochfrequenzschaltung auf einer Leiterplatte aufgebaut ist, die einstückig in die in den Stegabschnitt eingefügte Microstripleitung 14 übergeht. Die Breite S des Stegabschnitts ist um die doppelte Breite eines Lötspalts größer als die Stärke der Microstripleitung 14, so daß die Microstripleitung 14 bequem in den Stegabschnitt 7 einschiebbar und an den Stirnseiten der den Stegabschnitt begrenzenden Vorsprünge 6 verlötbar ist. So wird auf einfache Weise eine robuste Verbindung zwischen der Patchantenne und der Microstripleitung 14 geschaffen, die exakt senkrecht zur Oberfläche des Patches 1 ausgerichtet ist.

[0024] Durch ihren Kontakt mit den Stirnflächen der Vorsprünge 6 des Steghohlleitersegments werden die Leiterbahn 15 und die Massefläche der Microstripleitung 14 kurzgeschlossen.

[0025] Die Form des Patches 1 ist die gleiche wie bei der Antenne aus Figur 1 und 2. Die Abmessungen w und s des Spalts, die für eine gute Impedanzanpassung in dem Frequenzbereich, in dem die Antenne zirkular polarisiert strahlen kann, erforderlich sind, können von denen des vorherigen Ausführungsbeispiels abweichen.

[0026] Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier beispielhaft dargestellte Form des Patches beschränkt. Entscheidend ist die Möglichkeit, zirkular polarisiert abzustrahlen. Ein solcher Patch könnte zum Beispiel auch die Form eines Rechtecks mit unterschiedlichen Kantenlängen oder die eines Quadrates haben, bei dem zwei gegenüberliegende Kanten Aussparungen aufweisen.

Ansprüche

1. Patchantenne mit einem auf einer Seite eines Substrats (2) angeordneten Patch (1) und einem Anschluß für eine Speiseleitung (4;14) an einer gegenüberliegenden Seite des Substrats (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß als ein Steghohlleitersegment (3) ausgebildet ist.

2. Patchantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Microstripleitung (14) als Speiseleitung in den Stegabschnitt (7) des Steghohlleitersegments (3) eingefügt ist.

3. Patchantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlleiter (4) als Speiseleitung an das Steghohlleitersegment (3) angekoppelt ist.

4. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steghohlleitersegment (3) an der vom Patch (1) abgewandten Seite des Substrats (2) verklebt ist.

5. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Patchs (1) so gewählt ist, daß ein Frequenzbereich existiert, in dem der Patch (1) in der Lage ist, zirkular polarisiert abzustrahlen, und daß die Abmessungen (w,s) des Stegabschnitts (7) so gewählt sind, daß das Impedanzniveau des Steghohlleitersegments (3) an das des Patches (1) und das der Hochfrequenzleitung (4,14) für den Frequenzbereich angepaßt ist.

6. Patchantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Steghohlleitersegments (3) so gewählt ist, daß Reflexionen eines Hochfrequenzsignals an entgegengesetzten Enden des Steghohlleitersegments (3) destruktiv interferieren.

7. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Patch (1) Kanten (8,10) aufweist, die unter Winkeln von +/-45° zu den Kanten des Hohlleiterausschnitts (5) des Steghohlleitersegments (3) verlaufen.

8. Patchantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Patch (1) rechtekkig mit unterschiedlichen Kantenlängen ist.

9. Patchantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Patch (1) quadratisch ist, wobei zwei gegenüberliegende Kanten (8) Aussparungen (9) aufweisen.

Claims

1. A patch antenna having a patch (1) arranged at one side of a substrate (2) and a connection for a feed line (4; 14) at an opposite side of the substrate (2), characterised in that the connection is made as a ridge waveguide segment (3).

2. A patch antenna in accordance with claim 1, characterised in that a microstrip line (14) is inserted as a feed line into the ridge section (7) of the ridge waveguide segment (3).

3. A patch antenna in accordance with claim 1, characterised in that a waveguide (4) is coupled to the ridge waveguide segment (3) as a feed line.

4. A patch antenna in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the ridge waveguide (3) is adhesively bonded to the side of the substrate (2) remote from the patch (1).

5. A patch antenna in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the shape of the patch (1) is selected such that a frequency range exists in which the patch (1) is in a position to radiate in a circularly polarised manner; and in that the dimensions (w, s) of the ridge section (7) are selected such that the impedance level of the ridge waveguide (3) is matched to that of the patch (1) and to that of the high frequency line (4, 14) for the frequency range.

6. A patch antenna in accordance with claim 5, characterised in that the length (L) of the ridge waveguide segment (3) is selected such that reflections of a high frequency signal interfere destructively at opposed ends of the ridge waveguide segment (3).

7. A patch antenna in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the patch (1) has edges (8, 10) which extend at angles of +/-45° to the edges of the waveguide segment (5) of the ridge waveguide segment (3).

8. A patch antenna in accordance with any one of the preceding claims, characterised in that the patch (1) is rectangular with different edge lengths.

9. A patch antenna in accordance with claim 7, characterised in that the patch (1) is square, with two opposite edges (8) having cut-outs (9).

Revendications

1. Antenne patch (antenne composite) comportant un patch (1) agencé sur un côté d'un substrat (2) et une connexion pour une ligne d'alimentation (4 ; 14) sur un côté opposé du substrat (2), caractérisée en ce que la connexion est réalisée sous forme de segment de guide d'ondes à moulures.

2. Antenne patch selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une ligne de guide d'ondes à ruban (microbande) est introduite en tant que ligne d'alimentation dans le tronçon (7) de moulure du segment de guide d'ondes à moulures (3).

3. Antenne patch selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un guide d'ondes (4) est couplé en tant que ligne d'alimentation au segment de guide d'ondes à moulures (3).

4. Antenne patch selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le segment de guide d'ondes à moulures (3) est collé sur la face du substrat (2) qui est détournée du patch (1).

5. Antenne patch selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la forme du patch (1) est choisie telle qu'il existe une gamme de fréquences dans laquelle le patch (1) est en mesure de rayonner avec polarisation circulaire, et en ce que les dimensions (w, s) du tronçon de moulures (7) sont choisies telles que le niveau d'impédance du segment de guide d'ondes à moulures (3) est adapté à celui du patch (1) et à celui de la ligne haute fréquences (4, 14) pour la gamme de fréquences.

6. Antenne patch selon la revendication 5, caractérisée en ce que la longueur (L) du segment de guide d'ondes à moulures (3) est choisie telle que des réflexions d'un signal haute fréquences interfèrent de manière destructive aux extrémités opposées du segment de guide d'ondes à moulures (3).

7. Antenne patch selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le patch (1) présente des côtés (8, 10) qui s'étendent sous des angles de +/-45° par rapport aux arêtes du tronçon à moulure (5) du segment de guide d'ondes à moulures (3).

8. Antenne patch selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le patch (1) est rectangulaire avec des longueurs de côté différentes.

9. Antenne patch selon la revendication 7, caractérisée en ce que le patch (1) est carré, deux côtés opposés (8) présentant des évidements (9).

Zeichnung