DE102006054459B4

DE102006054459B4 - Breitbandantenne

Info

Publication number: DE102006054459B4
Application number: DE102006054459A
Authority: DE
Inventors: Ayan M.Sc. Bandyopadhyay; Andreas Dr.-Ing. habil. Jöstingmeier
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: DE102006054459A1

Abstract

Breitbandantenne zum Abstrahlen und Empfangen von Funksignalen, mit einem elektrisch leitenden Materialstreifen (1a, 1b, 1c), aus dessen erstem Längenabschnitt (Sektion 1a und 1b), der an einem als Speisepunkt (h1) ausgebildeten Ende des Materialstreifens beginnt, eine Schleife geformt ist und der restliche Längenabschnitt (1c) des Materialstreifens, der außerhalb der Schleife in der von der Schleife aufgespannten Ebene verläuft, in Richtung auf das dem Speisepunkt entgegengesetzte andere Ende des Materialstreifens einen kontinuierlich wachsenden Abstand von der Schleife aufweist, der derart bemessen ist, dass der restliche Längenabschnitt (1c) des Materialstreifens zusammen mit dem ihm benachbarten Schleifenbereich (1a) einen sich in den Freiraum aufweitenden Wellenleiter formt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Breitbandantenne zum Abstrahlen und Empfangen von Funksignalen.
In der Kommunikationstechnik, Messtechnik und Radartechnik werden Antennen mit großer Bandbreite benötigt. In der Messtechnik erlaubt die höhere Bandbreite die Verwendung einer einzigen Antenne für ein großes Frequenzband und damit geringen Messaufwand. In der Kommunikationstechnik werden für Spread-Spectrum Signale mit hoher Bandbreite ebenfalls breitbandige Antennen benötigt, um diese Signale effizient zu kommunizieren. Weiterhin ergibt sich über Frequenzmultiplexer die Möglichkeit, verschiedene Kommunikationskanäle in unterschiedlichen Frequenzbändern über die gleiche Antenne zu nutzen. In der Radartechnik bestimmt die Bandbreite der Antenne die erzielbare Abstandsauflösung.
Entsprechende Antennen sind z. B. aus DE 202 20 086 , DE 100 34 547 oder DE 102 35 222 bekannt. Allen Lösungen ist der komplexe Aufbau aus mehreren Elementen wie die Kombination aus Monopol und Dipol oder aktivem Element und Reflektor gemeinsam. Aus EP 0 323 726 sind Antennen bekannt, die über Motoren abgestimmt werden, um eine Antenne in mehreren Frequenzbändern zu verwenden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für verschiedenste Anwendungen geeignete Breitbandantenne zu entwickeln, die einen hohen Wirkungsgrad und eine einfache, kompakte Struktur aufweist sowie kostengünstig zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die beanspruchte Antenne ist eine aus einem elektrisch leitenden Materialstreifen geformte Breitbandantenne zum Abstrahlen und Empfangen von Funksignalen, bei der ein erster Längenabschnitt des Materialstreifens, der an einem als Speisepunkt ausgebildeten Ende des Materialstreifens beginnt, als geschlossene Schleife geformt ist. Der restliche Längenabschnitt des Materialstreifens, der außerhalb der Schleife in der von der Schleife aufgespannten Ebene verläuft, weist in Richtung auf das dem Speisepunkt entgegengesetzte Ende des Materialstreifens einen kontinuierlich wachsenden Abstand zu der Schleife auf und bildet zusammen mit dem ihm benachbarten Schleifenbereich einen sich in den Freiraum aufweitenden Wellenleiter (Übergang, Taper) aus.
Diese Breitbandantenne, die koaxial oder aus anderen Leitungsstrukturen gespeist wird, präsentiert an ihrem Speisepunkt über mehrere Oktaven einen rein ohmschen Strahlungswiderstand. Dieser wird typischerweise auf 50 Ohm dimensioniert. Bei richtiger Dimensionierung des sich in den Freiraum aufweitenden Wellenleiters erfolgt die Übertragung vom Speisepunkt zum Freiraum nahezu reflexionsfrei. Die Schleife ist dabei in der Weise wirksam, dass das auf das Ende des Überganges zulaufende Signal nicht reflektiert, sondern um die Breitbandantenne herum läuft und zur Abstrahlung beiträgt. Damit werden die sonst in getaperten Antennen üblichen Endreflexe vermieden. Die erfindungsgemäße Breitbandantenne besitzt daher einen extrem hohen Wirkungsgrad.
Für die erfindungsgemäße Breitbandantenne bestehen verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen, auf die die Unteransprüche gerichtet sind.
Besonders vorteilhafte Sende- und Empfangseigenschaften mit Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Breitbandantenne erzielt, wenn

• der elektrisch leitende Materialstreifen eine Länge von mindestens drei Viertel der Wellenlänge,
• der die Schleife formende erste Längenabschnitt des Materialstreifens eine Länge von mindestens der halben Wellenlänge,
• und der restliche Längenabschnitt des Materialstreifens eine Länge von mindestens einem Viertel der Wellenlänge

Für bestimmte Einsatzzwecke ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Breitbandantenne teilweise oder vollständig in ein nichtleitendes Material einzubetten, um ihre mechanische Stabilität zu erhöhen und damit auch die von der Antennengeometrie abhängigen Sende- und Empfangseigenschaften zu stabilisieren. Gleichzeitig kann die Antenne aufgrund der erhöhten Permittivität des nichtleitenden Materials im Vergleich zu Luft kompakter ausgeführt werden. Wenn es aus fertigungstechnischen oder anderen Gründen zweckmäßig ist, kann der verwendete elektrisch leitende Materialstreifen ein- oder mehrstückig ausgebildet sein. Der Materialstreifen kann auch als Trägersubstrat mit einer darauf einseitig oder beidseitig aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in
1a: einen zur Fertigung der Breitbandantenne verwendeten Materialstreifen in abgewickelter Darstellung,
1b: einen SMA Verbinder,
2: eine schematische Schnittdarstellung der Breitbandantenne,
3: einen experimentell ermittelten Verlauf der Eingangsreflexion der Breitbandantenne als Funktion der Frequenz
2 zeigt als schematische Schnittdarstellung die spiralförmige Geometrie der Breitbandantenne, die aus einer Schleife und einem sich in den Freiraum aufweitenden Wellenleiter besteht. Die Breitbandantenne ist aus einem einzigen elektrisch leitenden Materialstreifen 1 geformt, der in 1a abgewickelt dargestellt ist und aus den Sektionen 1a, 1b und 1c besteht. Die Einteilung in Sektionen ist nicht als Hinweis auf eine etwaige Segmentierung des an sich vorzugsweise einstückig ausgebildeten Materialstreifens zu verstehen, sondern erfolgt hier nur, um einen geometrischen Bezug zwischen den Antennenabschnitten in 1a und 2 zu ermöglichen.
Die Schleife ist aus einem ersten Längenabschnitt (Sektion 1a und 1b) des Materialstreifens geformt, der an einem als Speisepunkt h1 ausgebildeten Ende des Materialstreifens beginnt. 1a und 2 verdeutlichen auch die Position der Speiseleitung 2. Mittels des in 2b gezeigten SMA Verbinders wird der eine Pol der Speiseleitung 2a mit dem Punkt h1 verbunden, die Bohrung h2 dient zur Durchführung des Leiters und gegebenenfalls des Dielektrikums 2b. Der Materialstreifen 1 kann mehrere Bohrungen h2 aufweisen, sodass bei Bedarf der Umfang der Schleife durch Nutzung einer anderen Bohrung an wechselnde Erfordernisse anpassbar ist.
Der von der Sektion 1c gebildete restliche Längenabschnitt des Materialstreifens verläuft außerhalb der Schleife in der von der Schleife aufgespannten Ebene und weist in Richtung auf sein dem Speisepunkt entgegengesetztes Ende einen kontinuierlich wachsenden Abstand von der Schleife auf. Damit entsteht ein Übergang (Taper) von einer 50 Ohm Zweileiterstruktur auf den Freiraum, der von den Sektionen 1a und 1c gebildet wird. Der Taperverlauf ist Ergebnis einer Optimierung und analytisch nicht beschreibbar. Er kann jedoch durch eine Funktion des Typs y = a^bx angenähert werden, wobei a und b Konstante sind.
Das Signal aus der Speiseleitung 2 erzeugt ein linear polarisiertes Feld im Bereich zwischen 1a und 1c. Die Schleife ist dabei in der Weise wirksam, dass das auf das Ende des Überganges zulaufende Signal nicht reflektiert, sondern um die Antenne herum läuft und zur Abstrahlung beiträgt. Damit werden die sonst in getaperten Antenne üblichen Endreflexe vermieden. Die Antenne strahlt ein linear polarisiertes Feld in Richtung der gestrichelten Linie in 2 ab.
Die gesamte Länge der Schleife, also die Länge des aus der Sektion 1a und 1 bestehenden ersten Längenabschnitt des Materialstreifens 1, sollte mindestens etwa die halbe Wellenlänge der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz sein. Die Länge des Tapers, d. h die Länge der Sektion 1c, ist durch praktische Erfordernisse begrenzt. Die Reflexionsfreiheit verbessert sich mit zunehmender Länge, die minimale zur Funktion in der beschriebenen Weise erforderlich Länge liegt bei etwa einem Viertel der Wellenlänge bei der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz. Die Direktivität der Antenne ist frequenzabhängig und nimmt mit steigender Frequenz zu. An der unteren nutzbaren Frequenzgrenze beträgt die Direktivität etwa 3 dBi.
Die Antenne kann in massiven Kunststoff eingebettet werden, um die strahlende Struktur zu schützen und gleichzeitig durch die höhere Permittivität der Umgebung die Abmaße weiter zu reduzieren. Wird die Antenne nicht in einen massiven Träger eingebettet, kann die Einstellung der Form des Streifens aus leitendem Material über ein schablonenartiges Formstück aus beliebigem nichtleitenden Material erfolgen, welches die in 2 gezeigte Form vorgibt. Die Materialstärke des Streifens ist unerheblich, sollte aber ein Vielfaches der Eindringtiefe des Feldes bei der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz sein.
3 zeigt die extremen Breitbandeigenschaften der Antenne, im Beispiel erstreckt sich das nutzbare Frequenzband von 500 MHz bis etwa 15 GHz. Auch die geringe unterste nutzbare Frequenz von nur 800 MHz bei sehr kompakten Abmessungen von im Beispiel nur 12 cm mal 8 cm ist in vielen Anwendungen sehr vorteilhaft.

Claims

Breitbandantenne zum Abstrahlen und Empfangen von Funksignalen, mit einem elektrisch leitenden Materialstreifen (1a, 1b, 1c), aus dessen erstem Längenabschnitt (Sektion 1a und 1b), der an einem als Speisepunkt (h1) ausgebildeten Ende des Materialstreifens beginnt, eine Schleife geformt ist und der restliche Längenabschnitt (1c) des Materialstreifens, der außerhalb der Schleife in der von der Schleife aufgespannten Ebene verläuft, in Richtung auf das dem Speisepunkt entgegengesetzte andere Ende des Materialstreifens einen kontinuierlich wachsenden Abstand von der Schleife aufweist, der derart bemessen ist, dass der restliche Längenabschnitt (1c) des Materialstreifens zusammen mit dem ihm benachbarten Schleifenbereich (1a) einen sich in den Freiraum aufweitenden Wellenleiter formt.
Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen eine Länge von mindestens drei Viertel der Wellenlänge bei der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz aufweist.
Breitbandantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schleife formende erste Längenabschnitt (Sektion 1a und 1b) des Materialstreifens eine Länge von mindestens der halben Wellenlänge bei der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz aufweist.
Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der restliche Längenabschnitt (1c) des Materialstreifens eine Länge von mindestens einem Viertel der Wellenlänge bei der niedrigsten beabsichtigten Betriebsfrequenz aufweist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie teilweise oder vollständig in nichtleitendes Material eingebettet ist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen ein- oder mehrstückig ausgebildet ist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der Materialstreifen mindestens abschnittsweise als Trägersubstrat mit einer darauf einseitig oder beidseitig aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht ausgebildet ist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Strahlungswiderstand auf 50 Ohm dimensioniert ist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleife im Wesentlichen eine ovale, kreisförmige oder ellipsoidale Kontur aufweist.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Formstück aus nichtleitendem Material vorgesehen ist, dessen Kontur die Form der Schleife und/oder die Form des sich in den Freiraum öffnenden Wellenleiters festlegt.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen mindestens abschnittsweise aus einem biegeelastischen Werkstoff besteht.
Breitbandantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen unter der Wirkung seiner elastische Vorspannung mindestens teilweise die Kontur des mindestens einen Formstück aus nichtleitendem Material annimmt.