DE102017107901A1 - Breitbandige rückseitig abgedeckte Schlitzantenne und Antennengruppen damit - Google Patents

Breitbandige rückseitig abgedeckte Schlitzantenne und Antennengruppen damit Download PDF

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Abstract

Schlitzantenne mit den Elementen: umlaufende Gehäusewand, Rückwand, Speiseelement, Speisepunkt, mit den Eigenschaften: das Speiseelement ist an zwei gegenüberliegenden Verbindungsstellen mit der Gehäusewand elektrisch verbunden, das Speiseelement ist an den Verbindungsstellen schmaler als im mittleren Bereich zwischen den Verbindungsstellen, am Rand des mittleren Bereichs zwischen den Verbindungsstellen befindet sich der Speisepunkt sowie eine korrespondierende Öffnung in der Gehäusewand, am Speisepunkt ist ein Leiter zur Speisung der Schlitzantenne anschließbar, das Speiseelement besitzt mindestens einen Schlitz.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine breitbandige rückseitig abgedeckte Schlitzantenne und Antennengruppen damit.
  • Es sind Antennensysteme nach dem Cavity-Backend-Slot-Prinzip bekannt, welche in der Regel in Stahlrohren mit angesetzten Flügeln zur Diagrammformung und einem GFK-Rohr für das Radom mit entsprechender Größe untergebracht sind. Modified T-Bar Fed Slot Antennen sind z.B. aus der US 4,101,900 A bekannt. Wideband Slot Antennen mit geringer VSWR sind z.B. aus der US 6,150,988 A , und Wideband Cavity-Backend Antennen sind z.B. aus dem US-Patent US 7,339,541 B2 bekannt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Vorderansicht der Schlitzantenne gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 2 eine Draufsicht eines Querschnitts durch eine Schlitzantenne gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 3 eine Rückansicht einer Gruppenantenne, umfassend zwei Untergruppen, die jeweils aus 2 Schlitzantennen gebildet werden, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ein Speiseelement mit einseitig offenen Schlitzen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ein Speiseelement mit beidseitig offenen Schlitzen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 6a eine 3D-Ansicht einer Schlitzantenne gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 6b eine vergrößerte 3D-Ansicht eines Ausschnitts mit dem Speisepunkt gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie in den Figuren gezeigt ist die Erfindung wie folgt ausgeführt.
  • Die Erfindung ersetzt zwei Spalten von Standard 8er-Feldern, welche üblicherweise den abgestrahlten Bereich (HPBW ~ 160°) abdecken. Im Gegensatz zu dem Aufbau mit 8er Feldern ist das erfundene Antennensystem vollständig integriert auf kleinstem Platzbedarf. Als Radom werden Bauteile aus der Mobilfunktechnik verwendet, welche in dieser Bauart in der Rundfunkantennentechnik unüblich sind. Die Erfindung weist einen für diesen Frequenz- und Leistungsbereich außerordentlich kompakten, sowie im Verhältnis von Breite zu Tiefe sehr flachen Querschnitt auf.
  • Um diese flache Bauart zu ermöglichen, wurden beim vorgeschlagenen Antennensystem folgende Designelemente eingesetzt, d.h. Aufbaukriterien vorgegeben:
    • – für die Zuführung der Sendeenergie werden ausschließlich die Seiten der strahlenden Elemente der Antenne verwendet; auf eine üblicherweise rückwärtige Anbringung wird verzichtet,
    • – die notwendigen parasitären Elemente schmiegen sich sehr eng an den Strahler an,
    • – eine breitbandige Abstrahlung von z.B. 470 bis 790 MHz oder anderen Frequenzbereichen, je nach Anwendung, wird durch eine spezielle Leitungsform mit Schlitzen ermöglicht (T-Bar fed slot),
    • – der notwendige Leistungsverteiler ist in der Länge nach integriert.
  • Vorteile:
    • – niedrige Windlast durch kompakte Abmessungen,
    • – niedrige Kosten durch Verwendung von Radomen aus der Mobilfunktechnik,
    • – einfache Montage durch kompakte Abmessung, sowie flache Bauart,
    • – einfacher bzw. günstiger Versand durch Transportmöglichkeiten in Standardkartons anstelle von Holzkisten oder ähnlichem.
  • 1 zeigt eine Ausführung einer vorgeschlagenen Schlitzantenne 100. Diese umfasst eine umlaufende Gehäusewand 10, eine an die Gehäusewand 10 anschließende Rückwand 11, ein innerhalb des aus Gehäusewand 10 und Rückwand 11 gebildeten Gehäuses angeordnetes Speiseelement 12 mit einem Speisepunkt 101 zur Speisung des Speiseelements 12. Das Speiseelement 12 ist an zwei sich einander gegenüberliegenden Verbindungsstellen 121, 122 mit der Gehäusewand 10 elektrisch verbunden. Genauer befinden sich die Verbindungsstellen an einem Bereich der Gehäusewand 10, an dem nicht der Speisepunkt 101 angeordnet ist. Ferner ist das Speiseelement 12 an den Verbindungsstellen 121, 122 schmaler als im mittleren Bereich zwischen den Verbindungsstellen 121, 122. Am Rand, also einem der Gehäusewand 10 nahe gelegenen Bereich, des mittleren Bereichs zwischen den Verbindungsstellen 121, 122, bevorzugt in der Verlängerung der maximalen Breite BS des Speiseelements 12 befindet sich der Speisepunkt 101. Am Speisepunkt 101 kann ein Leiter 200 zur Speisung der Schlitzantenne 100 über eine zum Speisepunkt korrespondierende Öffnung 101a in der Gehäusewand 10 angeschlossen werden, wie z.B. in 2, 3 oder 6b gezeigt. Ferner besitzt das Speiseelement 12 mindestens zwei Schlitze 123.
  • Vorteilhafterweise weist das Speiseelement 12 annähernd die Form eines Parallelogramms bzw. einer Raute auf, wobei die dem Speisepunkt 101 gegenüberliegende Seite bevorzugt abgeflacht ist. Ferner ist der Abstand B von der Biegekante M bis zur Gehäusewand 10 auf der Seite des abgeflachten Bereichs des Speiseelements 12 größer als der Abstand A zwischen Rand des abgeflachten Bereichs und Gehäusewand 10, d.h. A < B, wobei vorteilhaft ist, wenn A < 1/4 B. Die Biegekante M ist eine annähernd durch die Mitte des Speiseelements 12 und im Wesentlichen parallel zum abgeflachten Bereich verlaufende Linie bzw. Kante. Annähernd heißt, dass die Biegekante M mit einer Abweichung von 10–20%, aber auch mehr als 20%, der Breite BS des Speiseelements 12, gemessen auf einer (gedachten) Linie am breitesten Bereich zwischen Speisepunkt 101 und gegenüberliegender Gehäusewand bzw. abgeflachtem Bereich verläuft. An der Biegekante M kann der Teil des Speiseelements 12 mit dem abgeflachten Bereich in Richtung der Rückwand 11 des Gehäuses gebogen sein, vorzugsweise in einem Winkel von bis zu 30°. Er kann aber auch nicht gebogen sein, dann wäre der Biegewinkel 0°.
  • Ferner ist der am Speisepunkt 101 angeschlossene Leiter 200 über einen Gehäuse-Innenleiter 400 an den Innenleiter einer Steckverbindung 300 angeschlossen, wie z.B. in 2 oder 3 gezeigt.
  • Ferner ist der Außenleiter der Steckverbindung 300 mit der umlaufenden Gehäusewand 10 verbunden. Die Gehäusewand 10 ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen oder leitenden Material hergestellt.
  • Ferner ist das Speiseelement 12 aus einem elektrisch leitfähigen oder leitenden Material wie Blech oder aus einer elektrisch leitfähigen Schicht hergestellt. Der Innenleiter 200 kann über eine isolierende Scheibe zentriert mit dem Gehäuse-Innenleiter 400 verbunden sein.
  • Ferner ist die Länge AS des Speiseelements 12 größer als 0,05 oder 0,1 oder 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,5 oder 0,6 oder 0,7 oder 0,8 oder 0,9 oder 1,0 oder 1,2 oder 1,5 oder 2 Wellenlängen. Ferner ist die Länge AS des Speiseelements 12 kleiner als 0,05 oder 0,1 oder 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,5 oder 0,6 oder 0,7 oder 0,8 oder 0,9 oder 1,0 oder 1,2 oder 1,5 oder 2 Wellenlängen. Vorteilhaft ist die Länge AS größer als 0,3 und kleiner als 2 Wellenlängen, weiter vorteilhaft größer als 0,5 und kleiner als 1,5 Wellenlängen. Besonders vorteilhaft ist die Länge AS in etwa eine Wellenlänge. Die Wellenlänge bezieht sich auf die Mittenfrequenz fm des von der Antenne abgedeckten Frequenzbereiches.
  • Durch die geeignete Wahl der Größenverhältnisse von den oben beschriebenen Komponenten der Schlitzantenne 100 kann eine relative Bandbreite Br von 50% bei einem Stehwellenverhältnis VSWR von z.B. besser 1,1 erreicht werden. Die relative Bandbreite Br wird wie folgt berechnet:
    Figure DE102017107901A1_0002
    wobei
    Figure DE102017107901A1_0003
    wobei fo die obere Betriebsfrequenz, fu die untere Betriebsfrequenz und fm die Mittenfrequenz darstellen.
  • Ferner ist die (maximale) Breite BS des Speiseelements 12 größer als 0,01 oder 0,02 oder 0,05 oder 0,1 oder 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,5 oder 0,6 oder 0,7 oder 0,8 oder 0,9 oder 1,0 Wellenlängen. Ferner ist die maximale Breite BS des Speiseelements 12 kleiner als 0,01 oder 0,02 oder 0,05 oder 0,1 oder 0,2 oder 0,3 oder 0,4 oder 0,5 oder 0,6 oder 0,7 oder 0,8 oder 0,9 oder 1,0 Wellenlängen. Vorteilhafterweise ist die Breite BS größer als 0,01 und kleiner als 1 Wellenlänge, Weiter vorteilhaft ist die Breite BS größer als 0,1 und kleiner 0,5 Wellenlängen. Bevorzugt ist die Breite BS = 0,3 × Länge AS.
  • In 4 und 5 sind unterschiedliche Ausführungen der Schlitze 123 gezeigt, z.B. ist jeder Schlitz 123 einseitig offen, wie in 4 gezeigt. Ferner ist optional jeder Schlitz 123 beidseitig offen, wie in 5 gezeigt. Alternativ kann jeder Schlitz 123 beidseitig geschlossen sein. Die Öffnung bzw. Öffnungen zeigen vorteilhafterweise in Richtung der Außenseite des Speiseelements 12, d.h. der am nächsten liegenden Gehäusewand 10, wie aus den Figuren ersichtlich. Die Schlitze 123 des Speiseelements 12 und deren angrenzende Bereiche 124 können Radien oder Krümmungen aufweisen.
  • Ferner schließen die Schlitze 123 in den Bereichen, die jeweils näher an den Verbindungsstellen 121, 122 liegen, einen Winkel W1 ein, wie in 4 und 5 gezeigt. Der Winkel W1 ist vorzugsweise gemessen zwischen den Innenkanten der äußersten Bereiche der Schlitze 123, kann aber auch zwischen den Außenkanten der äußersten Bereiche der Schlitze 123 gemessen werden, da der Schlitz 123 bzw. die Schlitzbreite sehr gering ist, so dass hier keine wesentlichen Abweichungen resultieren.
  • Ferner ist der Winkel W1 kleiner als 80°, 70°, 60°, 50°, 40°, 30°, insbesondere kleiner als 65°. Ferner ist der Winkel W1 größer als 80°, 70°, 60°, 50°, 40°, 30°, insbesondere größer als 45°. Bevorzugt ist der Winkel W1 zwischen einschließlich 45° und einschließlich 65°.
  • Ferner verlaufen die Schlitze 123 in den Bereichen, die jeweils entfernter zu den Verbindungsstellen 121, 122 liegen, im Wesentlichen parallel zueinander, wie in 1, 4 und 5 gezeigt.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schlitzantenne 100 bzw. eines Radoms, wobei sich mindestens an einer Außenseite, vorzugsweise an beiden Außenseiten eine Abdeckung Längsblech 104 befindet, welche zusammen mit Teilen der umlaufenden Gehäusewand 10 in unterschiedlichen Bereichen jeweils einen Freiraum für die Verkabelung 102 definiert. Dabei ist die längere Breite BA2 der Abdeckung Längsblech 104 größer als die kürzere Breite BA1 der Abdeckung Längsblech 104.
  • Die Abdeckung Längsblech 104 weist zwei Abschnitte AL1 und AL2 auf, die einen Abschnitt Abdeckung Längsblech AL bilden. Die beiden Abschnitte sind vorzugsweise aus einem Stück gebildet, weisen aber einen Winkel zueinander auf. Der Abschnitt AL1 der Abdeckung Längsblech 104 schließt mit der umlaufenden Gehäusewand 10 einen Winkel WA ein, welcher zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 20° und 45° ist.
  • Vorzugsweise umfasst die Abdeckung Längsblech 104 einen zum ersten Abschnitt AL1 abgewinkelten zweiten Abschnitt bzw. Bereich AL2. Der zweite Abschnitt AL2 kann auch eine Krümmung anstelle eines Winkels, was einen Knick impliziert, aufweisen. Die Abdeckung Längsblech 104 ist, wie aus dem Begriff Blech bereits hervorgeht, aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt.
  • Vorzugsweise enthält die Schlitzantenne mindestens zwei zur Mitte der Antenne gespiegelte Parasiten, wobei jeder Parasit ein parasitäres Element 106 aufweist, welches in einem Abschnitt P1 im Wesentlichen parallel zum Abschnitt AL1 der Abdeckung Längsblech 104 verläuft, oder geringfügig in einem Winkel dazu, welcher bevorzugt kleiner ±10°, ±20°, ±30° ist, von der Parallelität abweicht.
  • Vorzugsweise enthält das parasitäre Element 106 einen in Richtung zur Rückwand 11 abgewinkelten oder abgebogenen Abschnitt P2, der vorzugsweise parallel zur Rückwand 11 verläuft, und gebildet ist, so dass der Abschnitt P1 dazu abgewinkelt ist, d.h. dass Abschnitte P1 und P2 einen Winkel WP zueinander bilden. Dieser Winkel WP ist vorzugsweise zwischen 100° und 150°.
  • 3 zeigt eine Rückansicht einer Gruppenantenne, umfassend zwei Untergruppen 100a, 100b, die jeweils aus mindestens zwei Schlitzantennen 100 wie vorher beschrieben gebildet und längs aneinander gereiht sind, wobei längs heißt, dass die Untergruppen 100a, 100b jeweils mit den Bereichen, an denen sich die Verbindungsstellen 121, 122 befinden, miteinander verbunden sind. Im Profil der Gehäusewand 10 verbindet ein Gehäuse-Innenleiter 400, welcher aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material als das Gehäuse, z.B. Aluminium oder versilbertem Messing oder Kupfer oder versilbertem oder verzinntem Kupfer, bestehen kann, über je einen Innenleiter 200 die Speisepunkte 101 zweier längs aneinander gereihter Schlitzantennen 100 über eine Steckverbindung 300 mit einem Speisekabel 500.
  • Bei jeder der Untergruppen 100a, 100b ist der Innenleiter einer Steckverbindung 300 in der Mitte zwischen den Speisepunkten 101 der Schlitzantennen 100 oder mit einem vorgegebenen Versatz V1 zur Mitte zwischen den Speisepunkten 101 der Schlitzantennen 100 an den Gehäuse-Innenleiter 400 im Profil über ein Speisekabel 500 angeschlossen, um einen Phasenunterschied zwischen den Speisepunkten 101 der Schlitzantennen 100 und einer entsprechenden Strahlschwenkung zu erzeugen, wobei der Versatz V1 kleiner als 5%, 10% oder 20% der Länge des Speisekabels 500 ist.
  • Die zwei als koaxiale Kabel ausgeführte Speisekabel 500 laufen jeweils durch die Freiräume für die Verkabelung 102 der Schlitzantennen 100 und münden auf eine Verteilung 600, von welcher die Gruppenantenne aus über einen koaxialen Eingang 700 gespeist wird. Die Steckverbindung 300 zwischen dem Innenleiter 400 und dem Kabel 500 kann auch als feste Verbindung ausgeführt sein.
  • Zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Schlitzantenne 100 zeigt 6a eine 3D-Ansicht einer Schlitzantenne 100 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, und 6b zeigt eine vergrößerte 3D-Ansicht eines Ausschnitts mit dem Speiseelement 12 der Schlitzantenne 100. Gleiche Bezugszeichen wie in der vorherigen Figuren bezeichnen gleiche Elemente. Die Beschreibung dazu ist jeweils aus den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Alternativ kann das Speiseelement 12, oder Teile davon, sowie Verbindungsleitungen wie der Gehäuse-Innenleiter 400 und der Innenleiter der Steckverbindung 300 und der Innenleiter 200 als leitfähige Schicht auf einem Träger wie einer Platine ausgeführt sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4101900 A [0002]
    • US 6150988 A [0002]
    • US 7339541 B2 [0002]

Claims (11)

  1. Schlitzantenne (100) mit den Elementen: umlaufende Gehäusewand (10), Rückwand (11), Speiseelement (12), Speisepunkt (101), und mit den Eigenschaften: – das Speiseelement (12) ist an zwei gegenüberliegenden Verbindungsstellen (121, 122) mit der Gehäusewand (10) elektrisch verbunden, – das Speiseelement (12) ist an den Verbindungsstellen (121, 122) schmaler als im mittleren Bereich zwischen den Verbindungsstellen (121, 122), – am Rand des mittleren Bereichs zwischen den Verbindungsstellen (121, 122) befindet sich der Speisepunkt (101) sowie eine korrespondierende Öffnung (101a) in der Gehäusewand (10), – am Speisepunkt (101) ist ein Leiter (200) zur Speisung der Schlitzantenne (100) anschließbar, – das Speiseelement (12) besitzt mindestens zwei Schlitze (123).
  2. Schlitzantenne (100) nach Anspruch 1, wobei der am Speisepunkt (101) angeschlossene Leiter (200) über einen Innenleiter (400) an den Innenleiter einer Steckverbindung (300) angeschlossen ist.
  3. Schlitzantenne (100) nach Anspruch 2, wobei ein Außenleiter der Steckverbindung (300) mit der umlaufenden Gehäusewand (10) verbunden ist.
  4. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Speiseelement (12) aus Blech oder aus einer leitfähigen Schicht hergestellt ist
  5. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Länge (AS) des Speiseelements (12) größer als 0,3 und kleiner als 2 Wellenlängen ist, oder größer als 0,5 und kleiner als 1,5 Wellenlängen ist, oder wobei die Länge (AS) des Speiseelements (12) 1 Wellenlänge beträgt.
  6. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Breite (BS) des Speiseelements (12) größer als 0,01 und kleiner als 1 Wellenlänge ist, oder größer als 0,1 und kleiner als 0,5 Wellenlängen ist.
  7. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Schlitz (123) einseitig offen ist oder jeder Schlitz (123) beidseitig offen ist, oder jeder Schlitz (123) beidseitig geschlossen ist.
  8. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schlitze (123) in den Bereichen, die jeweils näher an den Verbindungsstellen (121, 122) liegen, einen Winkel (W1) einschließen, wobei der Winkel (W1) kleiner ist als 80°und größer ist als 30°, oder zwischen einschließlich 45° und einschließlich 65° ist, und/oder wobei die Schlitze (123) in den Bereichen, die jeweils entfernter zu den Verbindungsstellen (121, 122) liegen, im Wesentlichen parallel verlaufen.
  9. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei sich mindestens an einer Außenseite, vorzugsweise an beiden Außenseiten eine Abdeckung Längsblech (104) befindet, welche zusammen mit Teilen der umlaufenden Gehäusewand (10) einen Freiraum für die Verkabelung (102) definiert, und die Breite (BA2) der kurzen Seite der Abdeckung Längsblech (104) größer ist als die Breite (BA1) der langen Seite der Abdeckung Längsblech (104).
  10. Schlitzantenne (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei ein erster Abschnitt (AL1) der Abdeckung Längsblech (104) mit der umlaufenden Gehäusewand (10) einen Gehäuse-Winkel (WA) einschließt, welcher zwischen 10° und 80°, oder zwischen 20° und 45° ist, und/oder wobei die Abdeckung Längsblech (104) einen zweiten abgewinkelten oder gekrümmten Bereich (AL2) umfasst, und/oder wobei die Schlitzantenne mindestens zwei gespiegelte Parasiten enthält, wobei jeder Parasit ein parasitäres Element (106) aufweist, und wobei jedes parasitäre Element (106) in einem ersten Bereich (P1) im Wesentlichen parallel zum ersten Abschnitt (AL1) der umlaufenden Gehäusewand (10) verläuft und/oder wobei jedes parasitäre Element (106) einen zum ersten Abschnitt (AL1) in einem Winkel (WP) dazu abgebogenen zweiten Bereich (P2) aufweist.
  11. Untergruppe (100a, 100b), bestehend aus mindestens zwei Schlitzantennen (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die längs aneinandergereiht sind, wobei im Profil der Gehäusewand (10) ein Gehäuse-Innenleiter (400) über je einen Innenleiter (200) die Speisepunkte (101) der Schlitzantennen (100) über eine Steckverbindung (300) mit einem Speisekabel (500) verbindet, und/oder wobei der Innenleiter einer Steckverbindung (300) in der Mitte zwischen den Speisepunkten (101) der Schlitzantennen (100) oder mit Versatz (V1) zur Mitte zwischen den Speisepunkten (101) der Schlitzantennen (100) an den Gehäuse-Innenleiter (400) über ein Speisekabel (500) angeschlossen ist, wobei der Versatz (V1) kleiner als 5%, 10%, oder 20% der Länge des Speisekabels (500) ist.
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