DE19940470A1

DE19940470A1 - Multibandstrahlersystem mit Sektorcharakteristik

Info

Publication number: DE19940470A1
Application number: DE19940470A
Authority: DE
Inventors: Lutz Rothe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfiguration einer extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennekomponente mit der Eigenschaft der Erzeugung einer linear polarisierten Sektorstrahlung mit einer vorzugsweise ausgebildeten Hemisphärencharakteristik innerhalb des für die bidirektionale und satellitengestützte Informationsübertragung reservierten Frequenzbereiches zwischen 137 MHz und 150 MHz sowie dem Merkmal der Erzeugung einer Zirkularpolarisation de Strahlungsfeldes mit dem Strahlungsmaximum der zirkular polarisierten Sektorstrahlung in Richtung der Flächennormale des Flächenstrahlers innerhalb des Spektralbereiches der empfangbaren GPS-Signale. Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einer komplex belasteten Ringresonatorkonzeption mit spektral selektiver Modenanregung. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Informationsübertragung, Satellitenkommunikation, Mobilfunk, Ringresonator, Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Rundstrahlung, Sektorstrahlung, Spektrum, Polarisation, Linearpolarisation, Zirkularpolarisation, Wellenleiter, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung eines extrem miniaturisier ten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennensystems mit der Eigen schaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten Sektorstrahlung innerhalb einer Raumhemisphäre, vorzugsweise innerhalb der für die satellitengestützte bidirekti onale Informationsübertragung reservierten Spektralbereiche zwischen 137 MHz und 138 MHz bzw. 148 MHz und 15 MHz (RX: 137 MHz - 138 MHz / TX: 148 MHz - 150 MHz) und der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer rechts drehend zirkular polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung mit der Hauptstrahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Anordnung.

Das Ziel der Erfindung besteht insbesondere darin, die beiden Strahlungsfunktio nen - 2-Meter-Band/GPS - einer hybriden bzw. Kombinationsanordnung zuzuord nen und die GPS-Antennenkomponente mit einem innerhalb des Antennencon taimnents integrierten rauschangepaßten Signalverstärker zu koppeln.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil funkbereich sowie den Bereich der Mobilnavigation mittels des Empfangs bzw. der Bewertung der GPS-Signale. Hierbei bildet der Planarstrahler eine Antennen komponente für die Außenmontage bzw. für Außenbordanwendungen sowohl für landmobile und Luftfahrzeuge als auch für maritime Bewegungs- und Verkehrs mittel, mittels dessen vorzugsweise die satellitengestützten Kommunikationsan wendungen bzw. die satellitengestützten Kommunikationsdienste des 2-Meter- Bandes unterstützt werden.

Darüber hinausgehend bildet das erfindungsgemäße Strahlersystem ein Basismo dul für satellitengestützte Übertragungssysteme innerhalb kommunikations-, sen sor- oder sicherheitstechnischer Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilkommunikation beruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungs grad behaftet. Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elektrischen Feldvektors sowie der Rundstrahlcharakteristik in der Azimutalebene beruhen auf der Ring-Schlitz-Konzeption.

Bekannte Antennenlösungen für den Empfang der GPS-Signale basieren auf Wendelantennenkonzeptionen sowie Resonatorantennenkonzeptionen in Micro striptechnik, wobei hierbei sowohl niederdielektrische Strukturträger in Form von Polytetrafluorethylen-Kompositionen als auch hochdielektrische Strukturträger in Form elektrisch hochgütiger Keramiken als Strukturträger Anwendung finden.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten Sektorstrahlung des flächig auf einer dielektrischen oder leitfähigen Grundebene montierbaren Strahlers sowie einer gegenüber dem Frequenzbereich der Rundstrahlung spektral versetzten zirkular polarisierten Sektorstrahlung mit dem Strahlungsmaximum in Richtung der Flächennormale des Strahlers bzw. in Richtung der Strahlerachse.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem ein Leiter (1), vor zugsweise ausgeführt in Form eines Bandleiters, dessen geometrische Bandenden mit einem kapazitiven Element (2), vorzugsweise bestehend aus zwei parallel zu einander angeordneten und durch einen dielektrischen Belag (3.3), bestehend aus einem verlustminimalen Dielektrikum, vorzugsweise bestehend aus einem verlust minimalen und niederdielektrischen Folienmaterial, vorzugsweise ausgeführt in Form eines geometrisch definierten Luftspaltes, galvanisch getrennte Bandleiter flächen (3.1, 3.2), vorzugsweise ausgeführt in Form der geometrischen Verlänge rung des Bandleiters (1), kreisringförmig, ellipsenförmig, dreieckförmig, recht eckförmig oder in einer weiteren abgeleiteten bzw. beliebigen geometrischen Verlaufsform, vorzugsweise kreisringförmig, angeordnet wird, wobei das kapa zitive Element (3) substitutiv durch zwei leitfähige Platten mit kreisförmiger, elliptischer, dreieckiger, viereckiger, pentagonaler, hexagonaler oder octagonaler Berandung der leitfähigen Platten (3.1), (3.2) bzw. des eingeschlossenen dielek trischen Belages (3.3) ausgebildet werden kann oder ein Leiter (1) kreisringför mig in einer definierten Distanz sowie vorzugsweise flächenparallel über einer kreisförmigen, elliptischen, dreieckigen, quadratischen, rechteckigen, pentago nalen, hexagonalen oder octagonalen, vorzugsweise kreisförmigen, leitfähigen Platte oder Folie (2), deren Flächenabmessung, vorzugsweise deren Durchmesser, gleich dem Außendurchmesser oder größer als der Außendurchmesser, vorzugs weise größer als der Außendurchmesser, des kreisringförmig ausgebildeten Lei ters (1) bemessen wird, angeordnet wird und punktuell kapazitiv belastet wird, indem zwischen dem Leiter (1) und der leitfähigen Platte oder Folie (2) eine oder mehrere kapazitive Blindelemente (3) und/oder ohmsche Belastungselemente (4) und/oder komplexe Belastungselemente (14) mit sowohl kapazitiver/induktiver als auch ohmscher Komponente in Form konzentrierter Funktionselemente oder in Form von Wellenleiterelementen mit verteilten Parametern orts- sowie distanz- bzw. winkeldefiniert eingekoppelt werden. Die elektromagnetische Anregung erfolgt mittels eines koaxialen Wellenleiters (5), indem der Innenleiter (5.1) des koaxialen Wellenleiters (5) mit einem definierten Winkelversatz gegenüber dem jeweiligen Positionierungsort der kapazitiven Elemente (3) und/ oder der ohm schen Kopplungselemente (4) und/oder der komplexen Belastungselemente (14) galvanisch mit dem vorzugsweise kreisförmig ausgebildeten Leiter (1) gekoppelt wird und der Außenleiter (5.2) des koaxialen Wellenleiters (5) galvanisch mit der Blendenberandung der vorzugsweise kreisförmig ausgebildeten Blende (6) inner halb der leitfähigen Platte oder Folie (2) verbunden wird, wobei die Achse des koaxialen Wellenleiters (5) parallel zur Flächennormale der durch den vorzugs weise kreisringförmigen Leiter (1) aufgespannten Ebene (7) und axialsymmetrisch durch die vorzugsweise kreisförmig ausgebildete Blende (6) geführt wird. Der Außenleiter (5.2) wird hierbei in der Ebene der leitfähigen Platte oder Folie (2) begrenzt oder wird axialsymmetrisch durch die Blende (6) mit unverändertem oder kontinuierlich oder diskontinuierlich getapertem Innen- und/oder Außen durchmesser, vorzugsweise unverändertem Innendurchmesser und verändertem Außendurchmesser, hindurchgeführt, so daß zwischen dem vorzugsweise kreis ringförmig ausgebildeten Leiter (1) sowie dem endseitigen Berandungsbereich des Außenleiters (5.2) ein definierter Kapazitätsbelag erzeugt wird. Hierbei werden die ohmschen Belastungselemente (4) vorzugsweise als niederohmige Be lastungselemente, vorzugsweise als niederohmige Widerstände oder leitfähige Kopplungsglieder mit hohen Leitfähigkeitsverlusten, ausgebildet. Die kapazitiven Belastungselemente (3) werden vorzugsweise als leitfähige Kopplungsglieder, die jeweils endseitig unter Einbindung eines dielektrischen Belages definierter Belag geometrie und definierter Dielektrizitätseigenschaften sowie der Leiterfläche des Leiters (1) und/oder der leitfähigen Platte oder Folie (2) ein kapazitives Element, dessen kapazitive Komponente durch die Geometrie des jeweiligen Kopplungs gliedes, die jeweilige resultierende Spaltgeometrie sowie die Suszeptibilität des dielektrischen Belages bestimmt wird und dessen transformatorische Komponente über die Ortsabhängigkeit der Kopplungsebene des kapazitiven Belastungsele mentes gebildet wird, erzeugen.

Erfindungsgemäß wird planparallel sowie axialsymmetrisch zur Ebene (7), die durch den vorzugsweise kreisringförmig angeordneten Leiter (1) aufgespannt wird, eine dielektrische Platte (8) mit hexagonaler Berandung, deren der Ebene (2) zugewandte Fläche (9) leitfähig beschichtet und deren der Ebene (2) abge wandte Fläche (10) derartig mittels leitfähiger Flächenelemente strukturiert ist, daß die dielektrische Platte (8) sowohl den Träger als auch die Funktionskompo nente eines Planarresonators in Microstriptechnik (10) mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie eines rauschangepaßten einstufigen Signalverstärkers (11) in geschirmter Microstriptechnik bzw. unsym metrischer Triplatetechnik bildet, in gleicher oder ungleicher, vorzugsweise un gleicher und größerer, Höhe bezüglich der Ebene (7) mittels dielektrischer Dis tanzelemente beliebiger Kontur, vorzugsweise zylinderförmiger Distanzelemente (12.2), bestehend aus Polyvinylchlorid, angeordnet, wobei der Radius des das Hexagon (8) umfassenden Kreises kleiner als der Innenradius des vorzugsweise kreisringförmig angeordneten Bandleiters (1) bemessen wird.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Gemäß der abgebildeten beispielhaften Anordnung wird ein kreisringförmig aus gebildeter Leiter (1), vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Alumini um, planparallel und in einer definierten Höhe sowie axialsymmetrisch über einer kreisförmigen metallischen Platte oder Folie (2), vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, positioniert. Hierbei erfolgt die planparallele mechanische Verbindung zwischen dem kreisringförmigen Leiter (1) und der leit fähigen Platte oder Folie (2) über zwei zylindermantelförmige Distanzelemente (12.1), vorzugsweise bestehend aus Polyvinylchlorid, sowie über zwei zylinder förmige metallische Verbindungselemente (3.1), die jeweils einseitig, vorzugs weise auf der der Ebene (1) zugewandten Fläche, galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) verbunden und auf der gegenüberliegenden Fläche mit einem dielektrischen Belag (3.3), vorzugsweise einer verlustminimalen und nieder dielektrischen Folie, belegt und über ausschließlich dielektrische Verbindungs elemente mechanisch mit dem kreisförmigen Leiter (1), vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, verbunden werden, wobei die leitfähigen Verbindungselemente (3.1) jeweils mit der gemäß der Abbildung ausgewiesenen gegeseitigen Winkeldifferenz mittels Schraub-, Niet- oder Lötverbindung montiert werden. Die elektromagnetische Anregung der Strahleranordnung erfolgt über einen koaxialen Wellenleiter (5), indem der Außenleiter (5.2) galvanisch mit der Berandung der Blende (6) verbunden und geometrisch definiert unter Beibehal tung des Durchmesserverhältnisses des Wellenleiters (5) sowie unter räumlich orthogonaler Führung der Wellenleiterachse bezüglich der Ebene (1) bzw. (2) verlängert wird und der mittels einer dielektrischen Buchse (5.3), vorzugsweise bestehend aus Polytetrafluorethylen, zentrisch geführte Innenleiter (5.1) galva nisch mit dem kreisringförmigen Leiter (1) verbunden wird. In dem gemäß der Abbildung ausgewiesenen Winkelabstand zum Ort der Wellenleitereinkopplung erfolgt die Positionierung eines konzentrierten ohmschen Belastungselementes (4), vorzugsweise eines konzentrierten niederohmigen ohmschen Widerstandes. Die beispielhafte Strahleranordnung wird weiterhin in der Weise ergänzt, indem planparallel sowie axialsymmetrisch zur Ebene (7), die durch den kreisringförmig geformten Bandleiter (1) aufgespannt wird, eine dielektrische Platte (8) mit kreis förmiger, quadratischer oder hexagonaler, vorzugsweise hexagonaler, Berandung, deren der Ebene (2) zugewandte Fläche (9) leitfähig, vorzugsweise mittels einer dickenhomogenen Kupferschicht, beschichtet und deren der Ebene (2) abgewand te Fläche (10) derartig mittels leitfähiger, vorzugsweise aus Kupfer bestehender, Flächenelemente strukturiert ist, daß die dielektrische Platte (8) sowohl den Strukturträger als auch die Funktionskomponente eines Planarresonators in Mi crostriptechnik (10) mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie eines rauschangepaßten einstufigen Signalverstärkers (11) in ge schirmter Microstriptechnik bildet, mittels dielektrischer und zylindrischer Dis tanzelemente (12.2), bestehend aus Polyvinylchlorid, positioniert wird, wobei die Schirmung (13) galvanisch mittels punktueller Durchkontaktierungen mit der leit fähigen Beschichtung (9) der dielektrischen Platte (8) gekoppelt wird.

Claims

1. Multibandstrahlersystem mit Sektorcharakteristik, bestehend aus einer Anord nung geometrisch definierter und leitfähiger sowie dielektrischer Ebenen, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächen parallel zueinander angeordnet werden, indem die Platte oder Folie (2) mit einer vorzugsweise kreisförmigen Berandung ausgebildet und die leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer vorzugsweise kreisringförmigen Berandung ausgebildet wer den, wobei die Platten oder Folien (1), (2) mit einem unterschiedlichen Außen durchmesser bemessen werden und die kreisringförmige Platte oder Folie (1) mit einem kleineren Außendurchmesser als der Durchmesser der Platte oder Folie (2) ausgeführt wird;
- die kreisringförmige Platte oder Folie (1) mit einem koaxialen Wellenleiter (5) gekoppelt wird, indem der Innenleiter (5.1) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisringförmigen Platte oder Folie (1) und der Außenleiter (5.2) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden werden, wobei der Außenleiter (5.2) durch die Blende (6) der Platte oder Folie (2) hin durchgehend in den Raum (15) zwischen der kreisringförmigen Platte oder Folie (1) und der Platte oder Folie (2) in der Weise verlängert wird, daß das in den Zwischenraum der Platten oder Folien (1) und (2) eingeführte Außenleiterseg ment die Platte oder Folie (1) nicht berührt und bezüglich des Innen- und Außen durchmessers kontinuierlich oder diskontinuierlich, vorzugsweise diskontinuier lich, getapert wird;
- die kreisringförmige Platte oder Folie (1) über ein kapazitives Belastungsele ment (3) oder ein- oder mehrpaarige kapazitive Belastungselemente (3) in Form konzentrierter Funktionselemente oder in Form von Wellenleiterelementen mit verteilten Parametern definierter Reaktanz sowie für den Fall ein- oder mehrpaari ger kapazitiver Belastungselemente in einem definierten Winkelabstand zueinan der und in gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem, Winkelabstand zum Kopplungspunkt des Innenleiters (5.1) mit der leitfähigen und vorzugsweise kreisringförmig ausgebildeten Platte oder Folie (1) gekoppelt wird, daß jeweils die beiden Kopplungspunkte des bzw. der kapazitiven Belastungselemente (3) auf einer parallel zur Flächennormale der beiden Flächen verlaufenden Achse positio niert werden;
- die kapazitiven Belastungselemente (3) vorzugsweise in der Weise erzeugt wer den, daß ein leitfähiger Körper (3.1) mit zwei gegenüberliegenden und parallelen kreisförmigen, dreieckigen, quadratischen, rechteckigen, penatgonalen, hexagona len oder octagonalen, vorzugsweise kreisförmigen, Grundflächen einseitig galva nisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) oder einseitig galvanisch mit dem Leiter (1) verbunden wird und die jeweils gegenüberliegende Fläche mit einer dielektrischen Folie (3.3) mit minimalem dielektrischen Verlustwinkel belegt und flächenparallel zum Leiter (1) bzw. zur leitfähigen Platte oder Folie (2) positio niert wird oder zweiseitig mit jeweils einer dielektrischen Folie (3.3) belegt und die beiden parallel zueinander verlaufenden Flächen des leitfähigen, vorzugsweise zylindrischen, Körpers (3.1) parallel sowohl zum Leiter (1) als auch zur leitfähi gen Platte oder Folie (2) angeordnet werden;
- die kreisringförmige Platte oder Folie (1) über einen ohmschen Widerstand (4) oder ein- oder mehrpaarige ohmsche Widerstände (4) definierter Impedanz, vor zugsweise niederohmiger Impedanz, sowie für den Fall ein- oder mehrpaariger ohmscher Widerstände in einem definierten Winkelabstand zueinander und in gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem, Winkelabstand zum Kopp lungspunkt des Innenleiters (5.1) mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) in der Weise gekoppelt wird, daß jeweils die beiden Kopplungspunkte des bzw. der ohmschen Widerstände auf einer parallel zur Flächennormale der beiden Flächen verlaufenden Achse positioniert sind, wobei der bzw. die Kopplungspunkte des bzw. der ohmschen Widerstände (4) bezüglich der radialen Positionierung vor zugsweise an der Außenberandung der kreisringförmigen Platte oder Folie (1) an geordnet werden;
- planparallel sowie axialsymmetrisch zur leitfähigen Platte oder Folie (1) eine dielektrische Platte oder Folie (8) mit kreisförmiger, quadratischer, hexagonaler oder octagonaler Berandung, vorzugsweise hexagonaler Berandung, deren der Platte oder Folie (2) zugewandte Fläche (9) leitfähig beschichtet und deren der leitfähigen Platte oder Folie (2) abgewandte Fläche (10) derartig mittels leitfähi ger Flächenelemente strukturiert wird, daß die dielektrische Platte oder Folie (8) sowohl den Träger als auch die Funktionskomponente eines Flächenresonators (10) in Schlitzleitungs- oder Microstriptechnik, vorzugsweise Microstriptechnik, mit räumlich orthogonal bzw. zeitlich um 90 Grad versetzter Anregung sowie ei nes rauschangepaßten ein- oder mehrstufigen, vorzugsweise einstufigen, Signal verstärkers (11) in geschirmter Microstriptechnik oder symmetrischer oder un symmetrischer Triplatetechnik, vorzugsweise geschirmter Microstriptechnik, bildet, in gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, Höhe bezüglich der leitfähigen kreisringförmigen Platte oder Folie (1) angeordnet wird, wobei der Radius der dielektrischen Platte oder Folie (8) oder der Radius des das Quadrat (8) oder des das Hexagon (8) oder des das Octagon (8) umfassenden Kreises kleiner als der Innenradius der kreisringförmigen leitfähigen Platte oder Folie (1) bemessen und die Schirmung (13) galvanisch mit der leitfähigen Beschichtung (9) der dielektrischen Platte (8) gekoppelt werden.

2. Multibandstrahlersystem mit Sektorcharaktersitik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände (4) definierter Impedanz, vor zugsweise niederohmiger Impedanz, durch leitfähige Verbindungselemente defi nierter Leitfähigkeitsverluste sowie definierter Geometrie, vorzugsweise Verbin dungselemente mit zylindrischer Geometrie, oder durch Verbindungselemente, bestehend aus verlustbehafteten magnetischen Stoffen bzw. Stoffkompositionen mit statischem oder elektrisch steuerbarem Suszeptibilitätsprofil, ersetzt werden, indem diese am jeweiligen identischen geometrischen Ort der zu substituierenden Widerstände bzw. des zu substituierenden Widerstandes oder an nichtidentischen Positionen bzw. an einer nichtidentischen Position eingefügt werden.