DE202006011919U1

DE202006011919U1 - Streifenleitungsantenne

Info

Publication number: DE202006011919U1
Application number: DE200620011919
Authority: DE
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2016-08-03

Abstract

Streifenleitungsantenne (sog. „patch antenna"), bestehend aus einem flächigen dielektrischen Trägermaterial mit rechteckigem Umriß, das beidseitig mit metallischen Flächen versehen ist, wobei die Grundfläche des Substratgebildes bis zu den Rändern leitend ist und die Metallschicht auf der Deckfläche einen kleineren Umriß hat, und wobei die Metallschicht der Grundfläche an den Außenleiter eines Koaxialkabels und die Metallschicht der Deckfläche an den Innenleiter des Koaxialkabels angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratgebilde (7) rahmenartig, d.h. mit einer zentrischen Aussparung (8), ausgebildet ist und dass die Metallschichten (2, 3) aus Metallfolie bestehen

Description

Die Erfindung betrifft Streifenleitungsantennen („patch antenna") für Frequenzen im GHz-Bereich.
Eine derartige Antenne besteht in aller Regel aus einem rechteckigen, flachen Körper aus einem dielektrischen Material – meist auf keramischer Basis – dessen Grund- und Deckfläche mit Metallschichten versehen sind. Die Metallschicht auf der (oberen) Deckfläche hat meist eine kleinere Ausdehnung als die Metallschicht auf der (unteren) Grundfläche.
Die obere Metallschicht ist in einem Speisepunkt an den Innenleiter eines Koaxialkabels und die untere Metallschicht, der Massebezug, ist an dessen Außenleiter angeschlossen. Das Feld baut sich ringsum in den Randzonen der Anordnung auf.
Die Antenneneigenschaften sind vor allem von den Abmessungen des Substratkörpers und der relativen Dielektrizitätskonstante ε_r des Substrats sowie von den Abmessungen der Metallflächen und von der Position des Speisepunkts abhängig.
Mit einer Modifizierung der prinzipiellen Bauform der Streifenleitungsantenne kann man darüber hinaus einige Parameter, wie die Lage der Resonanzfrequenz, die Bandbreite des Betriebsfrequenz-Bereichs und den Erhebungswinkel, beeinflussen, und man kann den Betrieb in mehr als einem Frequenzbereich ermöglichen. Es sind dies die Multilayer-Anordnung (multilayered dielektric microstrip antenna) und die Stapel-Konfiguration (stacked patch microstrip antenna), beschrieben in Garg, R., u.a.: Microstrip Antenna Design Handbook. Verlag Artech House Inc, Boston und London 2001, S. 268 f sowie S. 552 ff Dort wird auch auf die Verwendung von Substratkörpern mit unterschiedlichem ε_r in den einzelnen Lagen hingewiesen. Bei der Stapel-Anordnung gibt es eine (untere) Massefläche und, übereinander auf den Substratkörpern, mehr als eine obere Metallschicht.
Ein wesentlicher Effekt der bei den Streifenleiterantennen verwendeten Substratkörper ist der mit einem hohen ε_r verbundene günstige hohe Verkürzungsfaktor, der eine kompakte Bauweise erlaubt. Ein wesentlicher Nachteil sind die hohen Materialkosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufbau der Streifenleitungsantennen mit dem Ziel einer Senkung der Kosten zu modifizieren, ohne dass das Funktionsprinzip und die Betriebsparameter gegenüber vergleichbaren Ausführungen beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsdetails und -beispiele.
Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem in der Einsparung von Substrat-Material. Es wurde gefunden, dass eine nennenswerte Aussparung im Substratkörper die Funktionsweise und die Funktionsparameter nicht beeinträchtigt, wenn der Material-Querschnitt des verbleibenden Rahmens bzw. der Stäbe, aus denen er gebildet ist, zumindest quadratisch ist. Diese Ausbildung beeinträchtigt auch nicht den Herstellungsprozeß z.B. der monolithischen Variante des erfindungsgemäßen rahmenartigen Substratkörpers.
Für die beiden Metallflächen wird Folie verwendet, die nur so dick zu sein braucht, dass eine Verarbeitung für den erfindungsgemäßen Aufbau möglich ist. Die Folie kann mit dem Substratkörper durch Kleben verbunden werden. Eine gewisse Festigkeit ist speziell dann erforderlich, wenn der Metallauftrag/die Folie selbst mit einer Aussparung versehen wird. Bei entsprechender Ausbildung des rahmenartigen Substratkörpers (entsprechende Breite des Rahmenteils oder Stabs) ist auch eine Metallbeschichtung in herkömmlicher Galvano-Technik denkbar.
Die Erfindung ist auch in Multilayer- bzw. in Stapeltechnik anwendbar. So werden mit einem zusätzlichen, auf die obere Metallfläche aufgesetzten rahmenartigen Substratkörper die gleichen Ergebnisse hinsichtlich z.B. des Erhebungswinkels erzielt, wie mit einem aufgesetzten Substratkörper aus Vollmaterial. Eine weitere mögliche Variante der Erfindung besteht in einem unteren Substratkörper aus Vollmaterial und einem aufgesetzten Substratkörper in Rahmenform.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung
1. Streifenleitungsantenne, Stand der Technik
2. Erfindungsgemäße Streifenleitungsantenne mit rahmenartigem Substratkörper in „Explosionsdarstellung"
3. Erfindungsgemäße Streifenleitungsantenne mit zusätzlichem aufgesetztem rahmenartigem Substratkörper
4. Erfindungsgemäße Streifenleitungsantenne mit skelettierten Metallflächen
5. Erfindungsgemäße Streifenleitungsantenne in Kombination mit einer Stabantenne

1: Substratkörper aus dielektrischem Material
2: Massefläche
3: obere Metallfläche
4: Speisepunkt
5: Koaxialkabel, Außenleiter
5.1: Koaxialkabel für Stabantenne
6: Koaxialkabel, Innenleiter
7: rahmenartiger Substratkörper
8: Aussparung des Substratkörpers
9: Aussparung der oberen Metallfläche
10: Aussparung der Massefläche
11: aufgesetzter zusätzlicher rahmenartiger Substratkörper
12: Stabantenne

Mit 1 wird der prinzipielle Aufbau einer Streifenleitungsantenne verdeutlicht.
Die geometrische Form der oberen Metallfläche 4 – von quadratisch bis länglich rechteckig – beeinflusst in Verbindung mit der Position des Speisepunkts die Strahlungscharakteristik und auch die Polarisation des Felds. Mit den quadratischen Metallflächen bei den bekannten GPS-Antennen wird z.B. zirkulare Polarisation erzielt.
In den folgenden 2 bis 5 ist zu erkennen, dass die Erfindung größere Einsparungen an Substratmaterial ermöglicht, gleich, ob der erfindungsgemäße rahmenartige Substratkörper 7 aus Stäben zusammengesetzt ist, oder ob das Dielektrikum in einer speziellen Form gesintert wurde.
Der zusätzliche, aufgesetzte rahmenartige Substratkörper 11 bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 dient der Beeinflussung des Erhebungswinkels. Es wird ein Schielen der Antenne mit einer erhöhten Elevation erzeugt, wie sie von Anordnungen mit Substratkörpern aus Vollmaterial ähnlich der Anordnung laut 1 bekannt ist.
In 4 wird eine erfindungsgemäße Anordnung mit Metallflächen 2 und 3 mit Aussparungen 9 und 10 gezeigt. Diese Ausführungsvariante kann für die Kombination mit einer Stabantenne 12 genutzt werden, wie in 5 gezeigt. Die Stabantenne kann direkt auf die gleiche Fläche wie die Streifenleitungsantenne – in Höhe der Massefläche 2 – gesetzt werden und hat auch ihren Speisepunkt (Anschluß an den Innenleiter des Kabels 5.1) in diesem Bereich. Es ist daher denkbar, auf eines der Koaxialkabel zu verzichten und die Signale aus beiden Antennen über ein gemeinsames Kabel zu führen.

Claims

Streifenleitungsantenne (sog. „patch antenna"), bestehend aus einem flächigen dielektrischen Trägermaterial mit rechteckigem Umriß, das beidseitig mit metallischen Flächen versehen ist, wobei die Grundfläche des Substratgebildes bis zu den Rändern leitend ist und die Metallschicht auf der Deckfläche einen kleineren Umriß hat, und wobei die Metallschicht der Grundfläche an den Außenleiter eines Koaxialkabels und die Metallschicht der Deckfläche an den Innenleiter des Koaxialkabels angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratgebilde (7) rahmenartig, d.h. mit einer zentrischen Aussparung (8), ausgebildet ist und dass die Metallschichten (2, 3) aus Metallfolie bestehen
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rahmenartige Substratgebilde (7) aus Stäben des dielektrischen Trägermaterials besteht, die einen rechteckigen Querschnitt haben und miteinander verbunden sind.
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rahmenartige Substratgebilde (7) als monolithischer Körper ausgebildet ist.
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen anderen als den rechteckigen Umriß des rahmenartigen Substratgebildes (7) und der Metallfolien (2, 3).
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Metallfolien (2, 3) mit einer zentrischen Aussparung (9, 10) versehen ist.
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zusätzliches rahmenartiges dielektrisches Substrat (11), das auf die Deckfläche (3) aufgesetzt ist.
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche rahmenartige Substrat (11) auf ein herkömmliches plattenartiges Substratgebilde (1) mit Metallschichten (2, 3), d.h. ohne die zentrischen Aussparungen (8, 9, 10), aufgesetzt ist.
Streifenleitungsantenne nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer Stabantenne (12), wobei die Stabantenne (12) durch die Aussparungen (8, 9, 10) hindurchgeführt ist und zentrisch innerhalb des rahmenartigen Substratgebildes (7) mechanisch und elektrisch angebunden ist.