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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit einer planaren geschlitzten Patchantenne auf einer Oberseite eines dielektrischen Substrats, einer metallischen Grundfläche an einer Unterseite des dielektrischen Substrats und einem Speisenetzwerk zur Speisung der Patchantenne durch Schlitzkopplung.
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Planare Patchantennen werden in vielen Anwendungsgebieten, bspw. in der Kommunikations- oder in der Radartechnik eingesetzt, da sie sich aufgrund ihres planaren Aufbaus einfach und kostengünstig bspw. auf gedruckten Schaltungen (PCB: Printed Circuit Board) herstellen lassen. Ein limitierender Faktor bei den bekannten Patchantennentypen ist die geringe Bandbreite der Abstrahlung bei geringen Abmessungen der Patchantenne oder deren relativ große laterale Abmessungen bei einer größeren Bandbreite der Abstrahlung. Die für eine größere Bandbreite bisher realisierten größeren Dimensionen stören bei der Integration vieler Patchantennen in ein Antennen-Array. Eine zu geringe Bandbreite führt dazu, dass in einem einzigen Gerät mehrere Antennen angeordnet werden müssen, um die gewünschte Funktionalität über eine oft erforderliche größere Bandbreite zu erhalten.
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Stand der Technik
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Bisher werden für Anwendungen bei Antennengruppen mit großer Bandbreite in erster Linie gedruckte logarithmisch-periodische Dipol- oder Vivaldi-Antennen eingesetzt, die über ihre Enden longitudinal abstrahlen. Deren Abmessungen sind jedoch in der Regel größer als eine halbe Wellenlänge bei der oberen Grenzfrequenz, was den Schwenkwinkelbereich einschränkt und die Verwendung in Antennengruppen erschwert. Eine weitere Möglichkeit sind Antennen mit elektrisch gekoppelten Antennenelementen (engl. Connected Array), die einen planaren Aufbau haben, z.B. gedruckte Dipole. Weiterhin sind Antennentypen bekannt, die an einem Ende offene Wellenleiter zur Abstrahlung nutzen. Diese Antennentypen weisen eine relativ große Bandbreite auf und können bei einer dielektrischen Füllung auch an typische Array-Dimensionen angepasst werden. Allerdings weisen Antennen auf Basis von Wellenleitern mit offenem Ende ein relativ hohes Gewicht auf, lassen sich nicht kostengünstig herstellen und zeigen eine starke gegenseitige Kopplung sowie einen eingeschränkten Schwenkwinkelbereich.
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Eine bekannte Möglichkeit zur Erhöhung der Bandbreite von Patchantennen stellt die Stapelung mehrerer Antennen dar. Damit lässt sich die relative Bandbreite der Antennen allerdings auch nur auf maximal 10 bis 15% vergrößern.
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Auch sogenannte Schlitz-gekoppelte Patchantennen werden sowohl für Breitband- als auch für Multiband-Betrieb vorgeschlagen. So zeigt bspw. die
US 2008/0191953 eine derartige Patchantenne mit einem Ringschlitz, die über eine Mikrostreifenleitung gespeist wird. Mit dem dargestellten Aufbau soll eine Abstrahlung bei zwei unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Eine ultra-breitbandige Abstrahlung kann mit derartigen Antennen bisher jedoch ebenfalls nicht erreicht werden.
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Die
US 8542151 B2 offenbart eine Antennenanordnung mit einer planaren Patchantenne auf einer oberen Substratschicht eines mehrschichtigen dielektrischen Substrats, einer metallischen Grundfläche an der Unterseite einer unteren Substratschicht des dielektrischen Substrats und einem Speisenetzwerk, das zum Teil an die Unterseite der oberen Substratschicht angrenzt. Eine an einem ersten Ende offene Mikrostreifenleitung des Speisenetzwerks ist unterhalb der Oberfläche in die obere Substratschicht eingebettet. Auf der Oberfläche der unteren Substratschicht ist eine Metallisierung ausgebildet, die eine Öffnung aufweist und über die Öffnung umgebende metallisierte Via-Löcher durch die untere Substratschicht hindurch elektrisch mit der metallischen Grundfläche verbunden ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antennenanordnung mit einer Patchantenne anzugeben, die eine ultra-breitbandige Abstrahlung auch mit relativ kleinen Dimensionen der Patchantenne ermöglicht, wie sie für den Einsatz in Antennenarrays bei vielen Anwendungen erforderlich sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Antennenanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Antennenanordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Die vorgeschlagene Antennenanordnung weist eine planare geschlitzte Patchantenne auf der Oberseite einer oberen Substratschicht eines mehrschichtigen dielektrischen Substrats, eine metallische Grundfläche an einer Unterseite einer unteren Substratschicht des dielektrischen Substrats und ein Speisenetzwerk auf, das an eine Unterseite der oberen Substratschicht angrenzt. Die Patchantenne ist dabei in bekannter Weise als geschlitzte metallische Fläche auf der oberen Substratschicht ausgebildet. Das Speisenetzwerk umfasst bei der vorgeschlagenen Antenne eine an einem ersten Ende offene Mikrostreifenleitung, die auf der Oberseite einer zwischen der oberen und der unteren Substratschicht liegenden mittleren Substratschicht ausgebildet ist. Die Mikrostreifenleitung weist an ihrem zweiten Ende einen als ringförmige Metallisierung ausgebildeten Anpassungsring zur Impedanzanpassung auf. Sie wird über ein durch eine Durchgangsöffnung in der unteren und mittleren Substratschicht und der metallischen Grundfläche zum zweiten Ende der Mikrostreifenleitung verlaufendes induktives Speisungselement gespeist. Auf der Oberfläche der unteren Substratschicht ist eine die Durchgangsöffnung teilweise umschließende streifenförmige Metallisierung aufgebracht, die über metallisierte Durchkontaktierungen (Via-Löcher) durch die untere Substratschicht elektrisch leitend mit der Grundfläche verbunden ist. Die untere, mittlere und obere Substratschicht können dabei prinzipiell auch wiederum jeweils aus mehreren Schichten aufgebaut sein.
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Der vorgeschlagene Aufbau des Speisenetzwerks ermöglicht durch entsprechende Dimensionierung der induktiven und kapazitiven Komponenten die Einstellung einer Balance zwischen induktiver und kapazitiver Reaktanz. Durch diese Balance wird eine flache Reaktanzkurve über einen größeren Frequenzbereich ermöglicht. Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass bei Einstellung einer derartigen Balance mit dem vorgeschlagenen Aufbau die Abstrahlungsbandbreite einer schlitzgekoppelten Patchantenne unabhängig von der Form und den Dimensionen der Patchantenne deutlich vergrößert werden kann. Das Speisenetzwerk der vorgeschlagenen Antennenanordnung ermöglicht daher die Realisierung einer über die Breitseite abstrahlenden geschlitzten Patchantenne hoher Bandbreite bei geringen lateralen Abmessungen.
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Eine derartige Antennenanordnung lässt sich bspw. als Einzelantenne mit geringen elektrischen und physikalischen Dimensionen in einem Kommunikationsmodul einsetzen und kann dort vorhandene LTE-, GPS- und WiFi-Antennen durch eine einzelne Breitbandantenne ersetzen. Die Antennenanordnung eignet sich hervorragend sowohl für Einzelantennensysteme wie auch für Arrayantennensysteme, phasengesteuerte Gruppenantennen (Phased Arrays), beispielsweise in der drahtlosen und mobilen Kommunikationstechnik, der Radartechnik und in anderen hochfrequenztechnischen Anwendungen. Durch die planare Architektur lässt sich die Antennenanordnung sehr einfach und mit niedrigen Kosten beispielsweise auf bzw. in einem mehrlagigen PCB-Substrat realisieren.
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Durch den besonderen Aufbau des Speisenetzwerks der vorgeschlagenen Antennenanordnung lässt sich über die Dimensionierung der induktiven und kapazitiven Komponenten eine Balance zwischen induktiver Reaktanz und kapazitiver Reaktanz einstellen. Die induktiven Komponenten stellen hierbei das induktive Speisungselement sowie die metallisierten Via-Löcher dar. Die kapazitiven Komponenten sind die Mikrostreifenleitung, der Anpassungsring sowie die streifenförmige Metallisierung um die Durchgangsöffnung. Die geeignete Anpassung dieser Komponenten kann bspw. über eine Vorab-Simulation ermittelt werden, bei der die Dimensionen der einzelnen Komponenten entsprechend variiert werden. Als Parameter dienen hierbei vorzugsweise der Durchmesser des Anpassungsrings, die Länge und/oder Breite der Mikrostreifenleitung, die Breite der streifenförmigen Metallisierung, der Durchmesser und/oder die Länge des vorzugsweise zylinderförmigen Speisungselementes sowie der Durchmesser der metallisierten Via-Löcher.
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Je nach Form und Dimensionen der eingesetzten Patchantenne können unterschiedliche Dimensionierungen dieser Komponenten zu einer breitbandigen Abstrahlung führen. Die Bandbreite der Abstrahlung hängt dabei auch davon ab, wie gut die induktive und die kapazitive Reaktanz ausbalanciert werden. Die Balance sollte dabei vorzugsweise so gut eingestellt werden, dass die Reaktanzkurve über die gewünschte Bandbreite um den Wert Null schwankt und im Betrag einen Wert von 20 Ohm nicht überschreitet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorgeschlagene Antennenanordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Draufsicht auf das Speisenetzwerk einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung;
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2 eine perspektivische Ansicht des Speisenetzwerks der 1;
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3 ein Beispiel für die Form einer geschlitzten Patchantenne, wie sie in Verbindung mit dem Speisenetzwerk der 1 und 2 zum Einsatz kommen kann;
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4 eine Querschnittsansicht der beispielhaften Ausgestaltung der Antennenanordnung;
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5 das Ergebnis einer Simulation des Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz in einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung; und
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6 eine Darstellung der sich aus der Simulation ergebenden Realteile und Imaginärteile (Reaktanz) der Eingangsimpedanz des Speisenetzwerks der vorgeschlagenen Antennenanordnung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Antennenanordnung zeichnet sich durch einen besonderen Aufbau des Speisenetzwerks aus, das ein in diesem Beispiel zylinderförmiges, induktives Speisungselement, einen kapazitiven Anpassungsring, einen Mikrostreifenleitungsübergang, metallisierte Anpassungsvias und eine kapazitive streifenförmige Metallisierung mit einer Hufeisen-ähnlichen Form aufweist, die über die metallisierten Durchkontaktierungen zur Anpassung mit der metallisierten Grundfläche der Antennenanordnung verbunden sind.
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Die 1 und 2 zeigen hierbei eine Draufsicht (1) auf eine beispielhafte Ausgestaltung des Speisenetzwerks sowie eine perspektivische Darstellung (2) dieses Speisenetzwerks. In der Draufsicht der 1 ist hierbei die an einem Ende offene Mikrostreifenleitung 7 zu erkennen, die an ihrem zweiten Ende den Anpassungsring 8 als ringförmige Metallisierung aufweist. Die Mikrostreifenleitung 7 wird über ein in dieser Ansicht nicht erkennbares induktives Speisungselement gespeist, das sich in diesem Beispiel über eine Durchgangsöffnung 10 senkrecht durch die darunter liegenden Substratschichten erstreckt. Um diese Durchgangsöffnung 10 ist eine in der Figur nicht dargestellte streifenförmige Metallisierung angeordnet, die über die metallisierten Via-Löcher 11 mit einer an der Unterseite der unteren Substratschicht ausgebildeten metallischen Grundfläche 6 elektrisch leitend verbunden ist.
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2 zeigt dieses Speisenetzwerk in einer perspektivischen Darstellung, in der auch die streifenförmige Metallisierung 12 mit einer Hufeisenähnlichen Form auf den metallisierten Via-Löchern 11 sowie das induktive Speisungselement 9 zu erkennen sind. In beiden Figuren sind die Substratschichten nicht dargestellt.
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3 zeigt in Draufsicht ein Beispiel für die auf der oberen Substratschicht aufgebrachte metallische Patchantenne 4, die den dargestellten Schlitz 5 aufweist. Die induktiven und kapazitiven Komponenten des vorgeschlagenen Speisenetzwerks ermöglichen die Einstellung einer Balance zwischen induktiver und kapazitiver Reaktanz, die eine Ultra-Breitband-Impedanzanpassungscharakteristik mit einer maximalen relativen Bandbreite der Abstrahlung der Patchantenne von bis zu 40% (bezogen auch die oberste Frequenz) ermöglicht.
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4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Antennenanordnung mit der Patchantenne 4 der 3 und dem Speisenetzwerk der 1 und 2. In dieser Querschnittsdarstellung sind die obere Substratschicht 1, die mittlere Substratschicht 2 sowie die untere Substratschicht 3 des eingesetzten mehrschichtigen dielektrischen Substrats angedeutet. An der Unterseite der unteren Substratschicht 3 ist die metallisierte Grundfläche 6 ausgebildet. Auf der Oberseite der oberen Substratschicht 1 ist die Metallisierung der Patchantenne 4 aufgebracht. Die Mikrostreifenleitung 7 erstreckt sich hierbei in die Zeichenebene hinein, wobei der Anpassungsring 8 in dieser Darstellung zu erkennen ist. Die Mikrostreifenleitung 7 befindet sich auf der mittleren Substratschicht 2 unterhalb der Patchantenne 4. Die Patchantenne 4 wird über diese Mikrostreifenleitung 7 angeregt. Es handelt sich dabei um ein Speisenetzwerk mit berührungsloser kapazitiver Kopplung (engl. Capacitive Proximity Coupling).
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Durch den besonderen Aufbau dieses Speisenetzwerks wird eine breitbandige Abstrahlung der geschlitzten Patchantenne ermöglicht und auch Impedanzüberschwinger reduziert und die interne Kantenbeugung verringert. Die Speisung der Mikrostreifenleitung 7 erfolgt über das im Querschnitt ebenfalls dargestellte induktive Speisungselement 9. Ebenso sind zwei der metallisierten Via-Löcher 11 sowie ein entsprechender Querschnitt der streifenförmigen Metallisierung 12 auf der Oberseite der unteren Substratschicht 3 zu erkennen. Die metallisierten Via-Löcher 11 und die zumindest annähernd Hufeisen-förmige Metallisierung 12 tragen dazu bei, eine weiche interne Impedanzanpassung (Transformation), einen kontrollierbaren Q-Faktor, eine Kontrolle sowohl der Serien- als auch der Parallelresonanzen, eine Erhöhung der Abstrahlungsleistung, eine Reduzierung der nicht strahlenden (oder reaktiven) Leistung sowie eine Vergrößerung der Bandbreite zu ermöglichen. Der kapazitive Anpassungsring 8 stellt einen weiteren Dimensionierungsparameter zur Impedanztransformation, zur Kontrolle der Serien- und Parallelresonanzen sowie – falls erforderlich – zur Erzielung eines Multiband(Gegentakt)-Verhaltens dar.
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Bei einer beispielhaften Dimensionierung der vorgeschlagenen Antennenanordnung für eine Bandbreite von 3,1 GHz wird eine Größe der Einheitszelle von 16 mm erreicht. Die Gesamtdicke des dielektrischen Substrates beträgt dabei 4,8 mm. Die Abmessungen der Patchantenne betragen 12 mm × 9,5 mm (Länge × Breite). Der Durchmesser des zylinderförmigen induktiven Speiseelementes beträgt 1,28 mm, die Höhe dieses Speiseelementes 4,6 mm. Der Durchmesser des Anpassungsrings beträgt 2 mm, die Länge und Breite der Mikrostreifenleitung 4 mm und 0,5 mm. Der Durchmesser der metallisierten Via-Löcher beträgt 0,2 mm, die (Streifen-)Breite der streifenförmigen Metallisierung 0,25 mm. Mit einer derartigen Dimensionierung wird die für die obige Bandbreite erforderliche Balance zwischen der induktiven und kapazitiven Reaktanz des Speisenetzwerks erreicht.
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Zusätzlich kann bei der Ausgestaltung der vorgeschlagenen Antennenanordnung auch das sog. Cavity-Backing genutzt werden. Dies kann zur Reduzierung der gegenseitigen Kopplung (bei einem Einsatz in Antennenarrays), zur Erhöhung der Güte, zur Verbesserung der Richtwirkung und der Verstärkung sowie – falls erforderlich – auch zur Verbesserung der Impedanzanpassung beitragen.
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5 zeigt ein Beispiel für eine Simulation einer beispielhaften vorgeschlagenen Antennenanordnung. Die Antennenanordnung wurde hierzu für den X-Band-Frequenzbereich (7,9–11,9 GHz) mit einer charakteristischen Referenzimpedanz von 50 Ohm optimiert. 5 zeigt hierzu den Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz. Aus der Simulation ist ersichtlich, dass mit der Antennenanordnung eine maximale relative Bandbreite von 40% (7,9–11,9 GHz) erreicht werden kann.
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6 zeigt hierzu die durch die Optimierung der Dimensionen der induktiven und kapazitiven Komponenten des vorgeschlagenen Speisenetzwerks erreichte nahezu flache Reaktanzkurve über die gesamte Bandbreite. Die Reaktanzkurve (Imaginärteil der komplexen Eingangsimpedanz) stellt die untere Kurve der 6 dar. Die obere Kurve repräsentiert den Realteil der komplexen Eingangsimpedanz. Der flache Verlauf der Reaktanzkurve, bei dem die Reaktanz lediglich um den Nullpunkt schwankt und im Betrag unter 20 Ohm bleibt, wird durch die Balance zwischen induktiver und kapazitiver Reaktanz im Speisenetzwerk erreicht. Diese Balance wird wiederum durch geeignete Dimensionierung der induktiven und kapazitiven Komponenten des Speisenetzwerks ermöglicht. Durch diese flache Reaktanzkurve wird das Ultra-Breitbandverhalten der mit dem Speisenetzwerk gespeisten Patchantenne ermöglicht. Die Dimensionen der elektrischen Einheitszelle der zugrunde liegenden optimierten Antennenanordnung betragen 0,38 λ × 0,38 λ bei der niedrigsten Betriebsfrequenz.
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Bei der vorgeschlagenen Antennenanordnung wird zur Erhöhung der Abstrahlungsbandbreite nicht die Ausgestaltung der Patchantenne verändert. Vielmehr wird die hohe Bandbreite durch geeignete Ausgestaltung des Speisenetzwerks erreicht. Durch diese Ausgestaltung wird eine relative Bandbreite (bezogen auf die oberste Frequenz) von nahezu 40% mit einer über die Breitseite abstrahlenden planaren Patchantenne mit Rückseitenspeisung ermöglicht. Der vorgeschlagene Aufbau ist einfach und kann mit Hilfe einer mehrlagigen Leiterplatte realisiert werden, so dass sich die Herstellung für eine kostengünstige Massenproduktion eignet. Damit wird eine breitbandige Abstrahlung bei kleinen Dimensionen von 0,35 bis 0,4 λ × 0,35 bis 0,4 λ der Patchantenne erreicht, wie sie für Anwendungen in Antennenarrays geeignet sind.
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Die hohe mit dem Speisenetzwerk ermöglichte Bandbreite und die kleinen elektrischen Dimensionen eignen sich besonders für Anwendungen in Kommunikationsmodulen sowie in Arrays, die eine weitwinklige Abtastung erfordern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- obere Substratschicht
- 2
- mittlere Substratschicht
- 3
- untere Substratschicht
- 4
- Patchantenne
- 5
- Schlitz
- 6
- metallische Grundfläche
- 7
- Mikrostreifenleitung
- 8
- Anpassungsring
- 9
- induktives Speisungselement
- 10
- Durchgangsöffnung
- 11
- metallisierte Via-Löcher
- 12
- streifenförmige Metallisierung
