DE102005062542A1

DE102005062542A1 - Antennenanordnung sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102005062542A1
Application number: DE200510062542
Authority: DE
Inventors: Bert Jannsen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-05
Also published as: CN101346854A; EP1969674B1; JP2009521885A; CN101346854B; WO2007073993A1; DE502006007801D1; EP1969674A1

Abstract

Bei einer Antennenanordnung ist ein leitender Zylinder (2) vorgesehen, der auf eine leitende Fläche (1) aufgebracht ist. In der Stirnfläche des Zylinders (2) sind radiale Schlitze (3) vorgesehen. DOLLAR A Die Höhe des Zylinders (2) wird im Bereich kleiner als die Hälfte der Betriebswellenlänge so gewählt, dass die Strahlungscharakteristik im Bereich außerhalb der Zylinderachse einen höheren Antennengewinn aufweist als im Bereich der Zylinderachse.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Antennenanordnung bestehend aus einem leitenden Zylinder, der auf eine leitende Fläche aufgesetzt ist.
Insbesondere für den Empfang von Satellitendiensten wie SDARS oder GPS sind Antennen vorteilhaft, die einfach und kompakt aufbaubar sind. Zusätzlich muss die Strahlcharakteristik, das heißt das Antennediagramm, an die Erfordernisse der verschiedenen Dienste einstellbar sein. In der Regel werden heutzutage Patch-Antennen verwendet, die sowohl kompakt und kostengünstig hergestellt werden können, als auch die für die Satellitendienste geforderte Polarisation (links/rechts zirkular) bereitstellen können. Der zusätzliche Empfang von vertikal polarisierten Signalen bei Elevationswinkeln zwischen 0° und 10° scheitert bei dieser Art von Antennen meist an einem zu geringen Gewinn.
Die zurzeit eingesetzten Antennen, wie zum Beispiel Patch-Antennen, weisen in der Regel die Eigenschaften auf, dass sie einen maximalen Gewinn im Zenit (90° Elevation) besitzen, der zu kleinen Elevationswinkeln rasch abfällt. Bei einigen Systemen ist es allerdings sinnvoll, den maximalen Gewinn zu kleineren Elevationswinkeln (um 30°) zu verschieben, sodass auch in Randbereichen ausreichend Gewinn zur Verfügung steht. Dies ist zum Beispiel sinnvoll bei geostationären Satellitensystemen, die durch ihren Bahnverlauf ihr Versorgungsgebiet nur unter geringem Elevationswinkel versorgen können. Aus diesen niedrigen Elevationswinkeln resultieren meist auch Empfangsprobleme in abgeschatteten Bereichen wie Städte oder Bergregionen. Um dennoch einen Empfang zu ermöglichen, werden Repeater eingesetzt, die im gleichen Frequenzbereich arbeiten aber eine andere Polarisation (vertikal) verwenden.

Aus der US 6,304,224 B1 ist eine Antenne mit quaderförmigem Gehäuse bekannt mit einer Kreuzschlitzstruktur in einer Außenwand. Gegenüber der Kreuzschlitzstruktur befindet sich in einer weiteren Außenwand ein gefalteter Resonanzraum, wobei aufgrund der Faltung eine Außenabmessung kleiner als die Hälfte der Betriebswellenlänge erreichbar ist. Dies ermöglicht eine Hochleistungsabstrahlung mit präziser zirkularer Polarisation.

Offenbarung der Erfindung

Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, das heißt auf der der leitenden Fläche abgewandten Stirnfläche des Zylinders sind radiale Schlitze vorgesehen, die durch die radialen Schlitze gebildeten Segmente oder die Schlitze selbst werden einzeln gespeist, die Höhe des Zylinders wird im Bereich kleiner als der Hälfte der Betriebswellenlänge so gewählt, dass die Strahlungscharakteristik im Bereich außerhalb der Zylinderachse einen höheren Antennengewinn aufweist als im Bereich der Zylinderachse, ist es möglich, insbesondere bei vertikaler Polarisation einen hohen Antennengewinn bei niedrigen Elevationswinkeln zwischen 0° und 10° zu erreichen. Je nach gewählter Höhe des Zylinders kann der Gewinn im Elevationsbereich so eingestellt werden, dass er bei niedrigen Elevationswinkeln angehoben wird. Andererseits stellt die erfindungsgemäße Antenne neben einer linkszirkularen Polarisation auch einen hohen Gewinn der vertikalen Anteile bei sehr niedrigen Elevationswinkeln zwischen 0° und 30° am gleichen Port zur Verfügung. Die Abmessungen der im Folgenden beschriebenen Antenne können weiter reduziert werden, indem die Antenne auf einem Substrat mit hoher Dielektrizitätszahl aufgebaut wird und/oder mit einem derartigen Material umgeben wird.

Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
1 die Struktur einer erfindungsgemäßen Antenne mit Schlitzen in der Stirnfläche des Zylinders,
2 die gleiche Antenne mit Darstellung der Stromverteilung,
3 Ein Speisenetzwerk für eine erfindungsgemäße Antennenstruktur,
4 eine Ohmsche Kopplung zur Anregung der Antennenstruktur,
5 eine Feldkopplung zur Anregung der Antenne,
6 die Abhängigkeit des Antennendiagramms vom Elevationswinkel für verschiedene Zylinderhöhen bei linkszirkularer Polarisation,
7 die Abhängigkeit des Antennendiagramms vom Azimuthwinkel bei linkszirkularer Polarisation,
8 die Abhängigkeit des Antennendiagramms vom Elevationswinkel bei vertikaler Polarisation,
9 eine erfindungsgemäße Antenne mit über den Rand des Zylinders verlängerten Schlitzen,
10 eine erfindungsgemäße Antennenanordnung, bei der die Berandung des Zylinders die Ebene der Schlitze in Abstrahlrichtung überragt,
11 einen Antennenanordnung wie in 10 mit Aussparungen, in der die Ebene der Schlitze überragenden Berandung im Bereich der Schlitze,
12 einen Antennenanordnung, deren Zylinder mit materialhoher relativer Dielektrizitätszahl gefüllt ist,
13 eine Antennenanordnung, deren Zylinder mit materialhoher relativer Dielektrizitätszahl gefüllt sowie umgeben ist,
14 einen Antennenanordnung mit zusätzlichem Schlitz in der Stirnfläche des Zylinders,
15 eine Antennenanordnung mit einem zusätzlichen Schlitz im Zylindermantel.
Beschreibung der Erfindung
1 zeigt den Aufbau einer Antennenanordnung nach der Erfindung. Auf eine metallisch leitende Fläche 1 ist ein metallisch leitender Zylinder aufgesetzt beziehungsweise aufgebracht. Dieser Zylinder 2 weist auf seiner der leitenden Fläche 1 abgewandten Stirnfläche radiale Schlitze 3 auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind diese Schlitze 3 als senkrecht zueinander angeordnete rechteckige Kreuzschlitze ausgebildet, die von der Mittelachse des Zylinders 2 bis zur Außenberandung der Stirnfläche hin verlaufen. Die durch die Schlitze 3 gebildeten Segmente 4 werden einzeln gespeist. Die Speisepunkte 5 liegen nahe am Kreuzungspunkt der Schlitze, das heißt in der Nähe der Zylinderachse.
2 zeigt die gleiche Antennenanordnung wie 1 mit zusätzlicher Darstellung der Stromverteilung, wobei die Intensität durch die Graustufung erkennbar ist.
Die Höhe des Zylinders wird im Bereich kleiner als der Hälfte der Betriebswellenlänge so gewählt, dass die Strahlungscharakteristik im Bereich außerhalb der Zylinderachse, insbesondere am Außenrand, einen höheren Antennengewinn g aufweist als im Bereich der Zylinderachse. Dies hat den Vorteil, dass durch die Berandung des Zylinders der Gewinn bei niedrigen Elevationswinkeln so beeinflusst wird, dass der Elevationsbereich des Antennendiagramms eingestellt werden kann.
In den 6 und 7 sind die Antennendiagramme verschiedener Anordnungen dargestellt. Dabei wurde eine ideale Anpassung vorausgesetzt. 6 zeigt das Antennendiagramm bei linkszirkularer Polarisation in Abhängigkeit vom Elevationswinkel Θ (Azimuthwinkel Φ = 90°) für verschiedene Höhen des Zylinders. Die 7 zeigt für den Fall h = 9.1 mm das Antennendiagramm in Abhängigkeit vom Azimuthwinkel bei einem Elevationswinkeln von 0 = 20° (beziehungsweise 160°). LHCP steht für den linkspolarisierten und RHCP für den rechtpolarisierten Anteil. Deutlich ist zu erkennen, dass durch die Verkleinerung der Höhe der Gewinn in den äußeren Bereichen erhöht und im Zenit (0 = 90°) erniedrigt werden kann. Das Konzept weist insgesamt eine geringe Bauhöhe von ca. 7mm auf. Die lateralen Abmessungen liegen dagegen in der Größenordnung einer halben Wellenlänge (λ/2 = 64mm). Möglichkeiten zur Reduzierung sowohl der lateralen Abmessungen als auch der Höhe bestehen z. B. darin, dass ein keramisches Material 6 mit hoher Dielektrizitätszahl in den Zylinder eingesetzt wird, wie 12 zeigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Antennenstruktur auch mit einem dielektrischen Material 7 umgeben werden (13). Eine weitere Beeinflussungsgröße ist dadurch gegeben, dass die Schlitze 3 gemäß 9 in den Randbereich des Zylinders verlängert werden können. Im Bereich der Schlitze 3 können Aussparungen 8 in der Berandung vorgesehen sein. Auch ist eine zusätzliche Berandung 9 des Zylinders über die Ebene der Schlitze 3 möglich, sodass die Berandung des Zylinders 2 die Ebene der Schlitze 3 in Abstrahlrichtung überragt. In der Berandung 9 können im Bereich der Schlitze 3 ebenfalls Aussparungen 10 vorgesehen sein (11). Durch diese Maßnahmen kann der Elevationsbereich des Antennendiagramms so beeinflusst werden, dass der Gewinn in den Randbereichen des Antennendiagramms betont wird. Zudem ist das Konzept sehr einfach und kostengünstig ausführbar. Wie die 14 und 15 zeigen, können weitere ebenfalls rechteckförmige Schlitze im Zylinder 2 angeordnet sein, um andere Frequenzbereiche abzudecken und/oder Polarisationen anzuregen. In 14 ist ein zusätzlicher radialer Schlitz 11 in der Stirnfläche vorgesehen und in 15 ein Schlitz 12 im Außenmantel. In 8 ist der Gewinn g für vertikale Polarisation über dem Elevationswinkel Θ gezeigt bei Azimuthwinkel Φ = 90°. Dieses Signal kann entweder ebenfalls an dem in 3 eingezeichneten Port P1 oder an dem vom Port P1 entkoppelten Port P2 abgegriffen werden. Deutlich ist der gewünschte Anstieg des Gewinns g zu kleineren Elevationswinkeln zu erkennen.
Die Anregung der Antenne (die 1 und 2 zeigen die Anregungspunkte 5) wird durch vier um 90° phasenverschobene Signale realisiert, die durch ein Speisenetzwerk 13, wie es z. B. in 3 dargestellt ist, erzeugt. Hierbei werden die 4 Signale durch Verwendung von drei 3-dB-Hybriden 1–3 in Kombination mit einer 90°- Umwegleitung erzeugt. Im Empfangsfall kann reziprok am Eingang (3: Port P1) das empfangende linkszirkular polarisierte Signal abgegriffen werden. Durch Variation des Speisenetzwerks 13 oder Vertauschen der Antenneneingänge lassen sich bei gleicher Antennenstruktur auch rechtszirkular polarisierte Felder empfangen. Die Abschlusswiderstände sind in 3 mit R bezeichnet.
Die Zuführung der Signale zur Antennenstruktur kann auf verschiedene aus der Literatur bekannten Arten durchgeführt werden. Z.B. sind in 1 die Kontaktstellen 5 einer direkten Anregung dargestellt. Hierbei werden gemäß 4 die Signale mittels Leitungen 14 von dem unter der leitenden Fläche 1 angeordneten Speisenetzwerk 13 isoliert durch die leitende Fläche 1 durchgeführt und den Kontaktstellen direkt zugeführt (Ohmscher Kontakt). Neben der Schlitzbreite kann die Position der Anregung (1: R_A) zur Einstellung der Antennenimpedanz verwendet werden. Weiterhin kann die Eingangsimpedanz der Antenne beeinflusst werden, indem die Antenne alternativ durch eine Feldkopplung angeregt wird. In 5 ist diese Feldkopplung durch eine Draufsicht schematisch näher dargestellt. Dabei deuten die unterschiedlichen Schraffuren unterschiedliche Höhen (Lagen) innerhalb des Zylinders an. Die Feldkopplung erfolgt durch vier am Ende offene Leitungen 15, die unter den Schlitzen 3 senkrecht zu diesen verlaufen. Durch Überkopplungen der Felder erfolgt die Anregung. Durch Variation der Leitungsbreite und der Länge der offenen Leitungen 15 sowie des Abstand zwischen den Schlitzen 3 und den Leitungen 15 kann die Eingangsimpedanz der Antenne weitgehend beeinflusst werden. Die Pfeile deuten die Anregung der Leitungen an. Zwischen der Leitungsanregung und den sich mit den Schlitzen 3 überlappenden Leitungsabschnitten sind in 5 Anpassglieder 14, beispielsweise in Form von Stichleitungen, dargestellt, die zur Anpassung der Antennenimpedanz an die Leitungsimpedanz dienen. Derartige Anpassglieder können auch bei der direkten Kopplung vorgesehen werden.

Claims

Antennenanordnung bestehend aus einem leitenden Zylinder (2), der auf eine leitende Fläche (1) aufgebracht ist mit folgenden Merkmalen: – auf der der leitenden Fläche (1) abgewandten Stirnfläche des Zylinders (2) sind radiale Schlitze (3) vorgesehen, – die durch die radialen Schlitze (3) gebildeten Segmente (4) oder die Schlitze selbst werden einzeln gespeist, – die Höhe des Zylinders (2) wird im Bereich kleiner als der Hälfte der Betriebswellenlänge so gewählt, dass die Strahlungscharakteristik im Bereich außerhalb der Zylinderachse einen höheren Antennengewinn aufweist als im Bereich der Zylinderachse.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung derart erfolgt, dass sich eine zirkulare Polarisierung einstellt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) über den Rand des Zylinders (2) verlängert sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung (9) des Zylinders (2) die Ebene der Schlitze in Abstrahlrichtung überragt.
Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (8) in der Berandung im Bereich der Schlitze (3) vorgesehen sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung derart erfolgt, dass sich anstelle oder zusätzlich zur zirkularen Polarisierung eine vertikale Polarisierung einstellt.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinder (2) weitere Schlitze (11, 12) zur Anregung einer Abstrahlung in anderen Frequenzbereichen und/oder Polarisationen vorgesehen sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3, 11, 12) rechteckförmig ausgebildet sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei senkrecht zueinander angeordnete Schlitze (3) mit einer Länge von jeweils einem Zylinderdurchmesser vorgesehen sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepunkte (5) der Segmente (4) über Ohmsche Kontakte mit einem Speisenetzwerk (13) verbunden sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (3) über Feldkopplungen anregbar sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der Schlitze (3) über Feldkopplung Kopplungsleitungen (15) vorgesehen sind, die die anzuregenden Schlitze (3) kreuzen.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung von einer einzigen Hochfrequenzquelle aus ein Speisenetzwerk (13) unter der leitenden Fläche (1) vorgesehen ist, welches über Ohmsche Kontakte und entsprechende Durchführungen in der leitenden Fläche (1) mit den Speisepunkten (5) für jedes Segment (4) und/oder den Kopplungsleitungen verbunden ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisenetzwerk (13) zur Aufteilung der Energie der Hochfrequenzguelle auf die Segmente (4) und/oder Kopplungsleitungen für eine gewünschte Abstrahlung 3dB-Hybride gegebenenfalls in Kombination mit einer 90° Umwegleitung aufweist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) mit einem Material gefüllt und/oder von diesem umgeben ist, das eine relative Dielektrizitätszahl von größer als 1 aufweist.
Verwendung der Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, sowohl zur Abstrahlung als auch zum Empfang, wobei 3dB-Hybride zur Trennung zwischen Sende- und Empfangspfad vorgesehen sind.