-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Sendung und/oder Empfang von elektromagnetischen
Wellen, insbesondere eine Antenne, die als "gedruckte Antenne" bekannt ist.
-
Im Folgeneden wird mit "gedruckte Antenne" (microstrip antenna)
eine Antenne bezeichnet, die in der sogenannten "Mikrostreifen"-Technologie hergestellt ist. Diese
enthält
ein strahlendes Element, im allgemeinen einen Flecken, einen Ausschnitt
aus einer Fläche,
allgemein mit "Patch" bezeichnet, oder eine
Anordnung oder ein Netz derartiger Elemente, wobei die Anzahl der
Elemente von der angestrebten Verstärkung abhängig ist. Dieser Antennentyp
dient insbesondere als Primärquelle
am Brennpunkt einer Linse oder einer Parabel.
-
Aufgrund ihrer Leichtheit, ihrer
Flachheit, ihrer Flexibilität
in der Ausbildung, die sie anbietet, ihre Leichtigkeit in der Aufnahme
in verschiedenen Arten einer elektronischen Anordnung, der Kompatibilität ihrer
Herstellung mit erprobten Lösungen
für die
Massenproduktion von gedruckten Schaltungen und insbesondere ihrer
niedrigen Kosten werden gedruckte Antennen in zahlreichen drahtlosen
Kommunikationssystemen zunehmend benutzt (örtliche drahtlose Netze, Zugriffsnetze,
entweder terrestrisch oder über Satelliten,
usw.).
-
Daher ist es in zahlreichen Anwendungen vorteilhaft
und/oder notwendig, eine Zirkularpolarisation für die Übertragungs/Empfangsantennen
anzuwenden.
-
Jedoch sind gedruckte Antennen für eine Sendung/Empfang
einer linear polarisierten Welle besser geeignet.
-
Um daher eine Zirkularpolarisation
mit gedruckten Antennen zu übertragen/empfangen
wurden verschiedene Lösungen
durchgeführt.
Diese Lösungen
sind zum Beispiel beschrieben in dem "Handbook of Microstrip Antennas", ausgegeben von
JR James & PS
Hall, veröffentlicht
durch: Peter Peregrinus Ltd., London, United Kingdom – ISBN 0
86341 150 9. Insbesondere das Kapitel 4: Circular polarisation and
bandwith, Seiten 219–274.
-
Diese Lösungen bestehen im wesentlichen darin,
gleichzeitig zwei linear-polarisierte Wellen mit einer Phasenverschiebung
von 90° zueinander
zu erregen. Daher kann die Qualität der Zirkularpolarisation,
die durch das elliptische Verhältnis
(oder "Axial ratio") der Welle, die
durch die Antenne ausgesandt oder empfangen wird, nur über ein
enges Frequenzband erzeugt werden.
-
Lösungen
für die
Erweiterung des Frequenzbands, wie die Anwendung eines Hybrid-Kopplers bei einem
strahlenden Element oder die Anwendung einer sequentiellen Drehung
im Falle eines Netzes oder einer Anordnung (siehe "application of sequential
feeding to wide bandwith, circularly polarised microstrip patch
arrays" P. S. Hall,
IEE Proceedings, Band 136, Pt. H, N° 5, Oktober 1989) ermöglichen
es, dieses Frequenzband zu erweitern.
-
Es ist jedoch nicht immer möglich, diese
Lösungen
durchzuführen.
-
Außerdem:
-
- – für bestimmte
Anwendungen bleiben die Bandbreiten, die mit diesen Lösungen erreicht
werden, unzureichend,
- – in
dem Fall der Anwendung einer sequentiellen Rotation nimmt die Qualität der Zirkularpolarisation
sehr schnell ab, sobald man von der Hauptrichtung des Strahls abweicht.
Das ist zum Beispiel ein Problem für eine Quellenantenne, die
für die Bestrahlung
einer Parabel oder einer Linse benutzt wird.
-
Es wurden Lösungen für die Verbesserung der Qualität der Polarisation
vorgeschlagen, jedoch auf dem Gebiet der sogenannten Hornantennen,
beschrieben in der Patentanmeldung GB-A-2 226 186.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zum Empfang und/oder zur Sendung von Signalen mit einer
gedruckten Antenne hoher Qualität
der zirkularen oder linearen Polarisation über ein erweitertes Frequenzband
und über
einen großen
Winkelsektor vorzuschlagen.
-
Somit betrifft die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung zur Sendung und/oder Empfang von elektromagnetischen
Wellen mit wenigstens einem strahlenden Element vom gedruckten Typ
zur Ausstrahlung einer zirkularen oder linearen Polarisation mit
einer bestimmten Richtung, gekennzeichnet durch wenigstens ein passives
strahlendes Element, das derart bemessen und gegenüber dem
strahlenden Element vom gedruckten Typ derart positioniert ist,
dass bei der Frequenz des strahlenden Elements vom gedruckten Typ
eine zirkulare oder lineare Polarisation mit entgegengesetzter Richtung
zu der des strahlenden Elements vom gedruckten Typ ausgestrahlt
wird, und dessen Phase so eingestellt ist, dass die Kreuzkomponente
der Antennen vom gedruckten Typ kompensiert wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist
das passive strahlende Element durch ein Element gebildet, das mit
Wanderwellen strahlt, wie eine dielektrische Wendel oder Schraube
für die
Polarisatoren.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der verschiedenen
Ausführungsformen
anhand der beigefügten
Zeichnung:
-
1a und 1b sind diagrammatische Ansichten
in Perspektive einer Anordnung einer gedruckten Antenne aus einer
Anordnung von "Patchen" gemäß dem Stand
der Technik bzw. einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
-
2 zeigt
diagrammatisch das gesamte ausgestrahlte Feld aufgrund der Strahlung
der gedruckten Antenne und der Wendel, wobei dieses gesamte Feld
auf einer orthogonalen Basis zerlegt ist, die aus der rechten und
der linken Zirkularpolarisation besteht,
-
3a bis 3e sind diagrammatische perspektivische
Ansichten von verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung,
-
4 ist
eine diagrammatische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
-
5 ist
eine Kurve und zeigt das elliptische Verhältnis als eine Funktion der
Frequenz in dem Fall einer gedruckten Anordnung allein oder einer
gedruckten Anordnung mit Mitteln gemäß der vorliegenden Erfindung,
-
6a und 6b zeigen das Strahlungsmuster der
strahlenden Elemente im Falle einer Anordnung allein bzw. im Falle
einer Anordnung mit Mitteln gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
-
7 ist
eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
-
In den Figuren tragen zur Vereinfachung
der Beschreibung gleiche Teile dieselben Bezugszeichen. Außerdem wird
die vorliegende Erfindung anhand einer Antenne mit einem strahlenden
Element wie einem "Patch" oder einer Anordnung
von "Patchen" beschreiben. Es
ist jedoch für
den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass die vorliegende
Erfindung auf alle Typen von gedruckten Antennen anwendbar ist,
nämlich
Antennen, in denen die strahlenden Elemente ebenso aus einem Schlitz,
einer Anordnung von Schlitzen, einem Dipol oder einer Anordnung
von Dipolen, usw., bestehen können.
Außerdem
betreffen in der Beschreibung die 1 bis 6 gedruckte Antennen für die Sendung/Empfang
mit einer rechten oder linken Zirkularpolarisation, während die
Ausführungsform
von 7 eine gedruckte Antenne
betrifft, deren strahlenden Elemente eine Zirkularpolarisation oder
eine Linearpolarisation empfangen können.
-
1a zeigt
in einer Perspektive eine Ausführungsform
einer gedruckten Antenne, die Mittel gemäß der vorliegenden Erfindung
aufnehmen kann. Insbesondere ist auf einem Substrat 1 mit
einer bestimmten Permittivität,
dessen Unterseite mit einer Metallschicht 2 bedeckt ist,
die eine Masseebene bildet, eine Anordnung von n "Patchen" ausgebildet, insbesondere
eine Anordnung mit vier parallelen Zweigen der drei "Patche" 31 , 3'1 , 3''1 , 32 , 3'2 , 3''2 , 33 , 3'3 , 3''3 , 34 , 3'4 , 3''4 , die
in Reihe liegen, wobei die Anordnung mit einer Speiseanordnung 4 verbunden
ist, die in Mikrostreifen-Technologie
hergestellt ist.
-
In bekannter Weise sind die "Patche" derart ausgebildet
und gespeist, dass sie eine zirkularpolarisierte Welle ausstrahlen
und/oder empfangen. Jedoch strahlt in diesem Fall die derart gebildete
gedruckte Antenne eine unzureichende Zirkularpolarisation einer
bestimmten Richtung aus, wie anhand der 2 erläutert
wird. Außerdem
gibt es gemäß der vorliegenden
Erfindung und wie in 1b dargestellt,
zur Verbesserung der Zirkularpolarisation in der Nähe der Anordnung
der "Patche" Mittel, die derart
bemessen und gegenüber
der Anordnung von "Patchen" angeordnet sind,
dass sie bei der Frequenz der Anordnung der "Patche" eine Zirkularpolarisation mit entgegengesetzter
Richtung zu der der Anordnung der "Patche" ausstrahlen, um die Kreuzkomponenten
der strahlenden Elemente zu kompensieren. Diese Mittel werden im
Folgenden als Kompensationsmittel bezeichnet. Somit sind, wie in 1b gezeigt, strahlende Elemente
vom Typ mit Wanderwellen vorgesehen, insbesondere Wendeln 41 , 42 , 43 , 51 , 4'1 , 52 , 4'2 , 53 , 4''1 , 4''2 , 4''3 , die in das Substrat 1 eingesetzt
sind, wie in dem Schnitt AA gezeigt, und nicht mit einer Anregungsanordnung
oder einem Speisenetz verbunden sind.
-
Es ist dem Fachmann auf diesem Gebiet
bekannt, dass eine richtig bemessene Wendel im Axialmodus arbeitet
und natürlich
eine Zirkularpolarisation empfängt
oder aussendet. Die Richtung dieser Zirkularpolarisation (links
oder rechts) ist abhängig
von der Richtung, in der die Wendel gewickelt ist.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ist es wichtig, dass die Anordnung von Wendeln oder anderen strahlenden
Elementen vom Typ mit Wanderwellen eine Zirkularpolarisation ergibt,
mit einem im wesentlichen äquivalenten
Strahlungsmuster der Anordnung von "Patchen". Daher können verschiedene Verfahren
benutzt werden zur Berechnung des Strahlungsmusters der Anordnungen
von Wendeln, die als Mittel zur Kompensation benutzt werden. Daher
besteht das einfachste Verfahren in der Verbindung der Anordnung
von Wendeln mit einer Zirkularpolarisation invers zu der durch die
Anordnung von "Patchen" zu einer Erregungsschaltung
und in der Bemessung der Eigenschaften der Wendeln in einer derartigen
Weise, dass ein Strahlungsmuster entsteht, das identisch ist zu
dem Strahlungsmuster der Anordnung von zu kompensierenden "Patchen". Danach muss, damit
die Strahlung der Wendel entgegengesetzt ist zu der durch die Anordnung
von "Patchen" ausgestrahlten Kreuzungskomponente,
seine Phase durch Drehung der Wendeln um ihre Achsen einge stellt
werden. Die Kompensation, die durch Anwendung einer Wendel gebildet
wird, ist in 2 dargestellt.
In dieser Figur bezeichnet Rgedruckt das Feld, das durch eine gedruckte
Antenne ausgestrahlt wird, die nur aus der Anordnung der "Patche" alleine ausgestrahlt
wird. Das ausgestrahlte Feld enthält eine unerwünschte Kreuzungskomponente.
Die durch die gedruckte Antenne ausgestrahlte Kreuzungskomponente
erregt die Anordnung der Wendeln, die daraufhin ein Feld Rwendel
ausstrahlt, dessen Phase durch Drehung der Wendel um ihre Achse derart
eingestellt wird, dass sie vollständig oder teilweise der Kreuzungskomponente
der gedruckten Antenne gegenüberliegt,
was die Reinheit der durch die gedruckte Antenne ausgestrahlten
Zirkularpolarisation verbessert. Tatsächlich ist das in der Anwesenheit
der Wendel ausgestrahlte Feld derart, dass Rgesamt = Rgedruckt +
Rwendel, wie in 2 dargestellt.
-
Im Folgenden werden verschiedene
Ausführungsformen
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung anhand
der 3a bis 3e beschrieben. Wie 3a zeigt, ist ein strahlendes
Element einer gedruckten Antenne aus einem "Patch" 11 auf einem Substrat 10 ausgebildet.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in diesem Falle der Kompensationsmittel durch eine Anordnung
von vier Wendeln 121 , 122 , 123 , 124 ausgebildet, die in das Substrat eingesetzt
sind. Wie oben erläutert,
ist das Strahlungsdiagramm der Wendeln 121 , 122 , 123 , 124 simuliert, durch Verbindung dieser
Wendeln allein mit einer Erregeranordnung, und die Wendeln sind
in bekannter Weise derart ausgebildet, dass ihr Strahlungsdiagramm äquivalent
ist dem Strahlungsdiagramm des "Patch" und ihre Polarisation
entgegengesetzt ist zu der Anordnung der "Patche". Danach werden die Wendeln 121 , 122 , 123 , 124 derart
um ihre Achse gedreht, dass ihre Strahlung entgegengesetzt ist zu
der durch das "Patch" ausgestrahlten Kreuzungskomponente.
Außerdem ist
in bekannter Weise das "Patch" 11 durch
die in Mikrostreifen-Technologie ausgeführte Leitung 13 mit einer
bekannten Speiseschaltung verbunden.
-
3b zeigt
eine andere Ausführungsform der
gedruckten Antenne, nämlich
eine Anordnung mit vier "Patchen" 201 , 202 , 203 , 204 , die mit einer bekannten Versorgungsschaltung
verbunden sind. Somit ist das "Patch" 201 mit
dem "Patch" 204 über eine Mikrostreifenleitung
verbunden, und das "Patch" 202 ist über eine
andere Mikrostreifenleitung mit dem "Patch" 203 verbunden,
und die beiden Leitungen sind mit einander und mit dem Ausgang der
Versorgungsleitung 30 verbunden. In diesem Fall bestehen die
Kompensationsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung
aus einer Wendel 21 im Mittelpunkt der Anordnung der vier "Patche". Diese Wendel ist
unter Anwendung derselben Prinzipien wie oben erwähnt bemessen
und um ihre Achse gedreht.
-
In 3d ist
eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt. In diesem Fall besteht die gedruckte
Antenne aus vier Anordnungen von vier "Patchen" von dem in 3b beschriebenem Typ. In der Ausführungsform
von 3d wird die Kreuzungskomponente
jedes "Patch" durch Wendeln kompensiert,
die an den vier Ecken des "Patch" liegen. Insbesondere
und wie in 3d dargestellt,
ist das "Patch" 11 durch
Wendeln 121 , 122 , 123 , 124 umgeben.
Ebenso ist das "Patch" 11' durch Wendeln 122 , 125 , 123 , 126 umgeben,
und das "Patch" 11'' ist durch Wendeln 124 , 123 , 12, 128 umgeben. Diese Wendeln sind wie oben
erläutert,
an den vier Ecken jedes "Patch" mit gemeinsamen
Wendeln für
die nebeneinanderliegenden "Patche" positioniert. In
diesem Fall sind die Strahlungsdiagramme der Anordnung der "Patche" der die Kompensationsmittel
bildenden Wendeln im wesentlichen äquivalent und werden wie oben
erwähnt
berechnet.
-
3c zeigt
eine andere Ausführungsform, in
der vier Anordnungen von vier "Patchen" von dem Typ liegen,
der in 3b dargestellt
ist. In diesem Fall bestehen die Kompensationsmittel aus einer Wendel 21,
die wie in dem Fall von 3b positioniert
ist. Außerdem
liegt eine zusätzliche
Wendel 22 am Mittelpunkt C der Anordnung der 4 × 4 "Patche".
-
Eine zusätzliche Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 3e dargestellt.
In diesem Fall sind vier Anordnungen von vier "Patchen" von dem in 3b dargestellten Typ auf einem Substrat 10 ausgebildet.
In der Ausführungsform
der 3e sind die Kompensationsmittel
aus einer Anordnung von Wendeln gebildet. Jedoch liegen die Wendeln
in der Mitte der Seiten jedes "Patch". Somit ist in einem
spezifischen Fall das "Patch" 40 durch
vier Wendeln 411 , 412 , 413 , 414 umrundet, die jeweils in der Mitte
jeder der vier Seiten liegen. Das "Patch" 40' ist außerdem durch vier Wendeln 412 , 415 , 416 , 417 ,
usw., für
die ande ren "Patche" umgeben. Die Strahlungsdiagramme
der "Patche" und der Wendeln
werden in der oben beschriebenen Weise gewonnen.
-
Im allgemeinen kann in den oben beschriebenen
Schaltungen die Einstellung der Amplitude und der Phase des Strahlungsfeldes
durch die Kompensationsmittel durch Einstellung einer oder mehrerer
Elemente danach erfolgen:
- – Der Wert der Kopplung der
Wendel oder der Wendeln zu der gedruckten Antenne.
- – Die
Richtcharakteristik derselben.
- – Die
Länge des
Tragstiftes und/oder die Last am Ende der Wendel.
- – Die
Lage der Wendeln.
- – Die
Winkeldrehungen der Wendeln um ihre Achse.
-
Im Folgenden wird anhand der 4, 5 und 6 eine
besondere Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Übertragung
und/oder Empfang von elektromagnetischen Wellen beschrieben, die
ein Kompensationselement enthalten, das heißt Mittel, die gegenüber dem
Strahlungselement gemäß der vorliegenden Erfindung
derart bemessen und positioniert sind, um bei der Frequenz des Strahlungselementes
eine Zirkularpolarisation im entgegengesetzten Sinn zu der des strahlenden
Elements um die Kreuzungskomponente des strahlenden Elements zu
kompensieren,. In 4 ist
eine bei 12 GHz arbeitende gedruckte Antenne dargestellt. Diese
gedruckte Antenne besteht aus einer Anordnung von vier "Patchen" 1021 , 1022 , 1023 , 1024 , die auf einem Substrat 100 ausgebildet
sind, das auf seiner Unterseite mit einer eine Masseschicht bildenden
Metallschicht 101 versehen ist. Wie in 4 dargestellt, sind das "Patch" 1021 und
das "Patch" 1022 miteinander
mit der in Mikrostreifen-Technologie ausgeführten Versorgungsschaltung
verbunden. Im einzelnen ist das "Patch" 1021 mit dem
Punkt C über
eine Länge
L1 verbunden, während
das "Patch" 1022 mit
dem Punkt C über
eine Länge
L2 verbunden ist. In einer identischen Weise ist das "Patch" 1024 mit
dem Punkt C' über eine
Länge L4
und das "Patch" 1023 mit
dem Punkt C' über eine
Länge L3
verbunden. Diese Punkte C und C' sind
mit dem Eingang A der Versorgungsschaltung über eine Länge L5 beziehungsweise eine
Länge L6 verbunden.
Die vier "Patche" 1021 , 1022 , 1023 , 1024 bilden eine sequentielle Anordnung,
und die verschiedenen Längen
L1, L2, L3, L4 sowie L5 und L6 haben Abmessungen, die dem Fachmann
auf diesem Gebiet bekannt sind, um auf diese Weise die benötigten Phasenverschiebungen
bei den verschiedenen "Patchen" zu gewinnen. Die
Gleichungen, die diese Längen
angeben, werden im Folgenden nicht angegeben.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
bestehen die Kompensationsmittel aus einem strahlenden Element vom
Typ mit Wanderwellen, insbesondere aus einer Wendel 103,
die im Mittelpunkt der Anordnung in das Substrat eingesetzt ist,
nämlich
symmetrisch zu den vier "Patchen" 1021 , 1022 , 1023 , 1024 . In 5 ist
das elliptische Verhältnis
in Abhängigkeit der
Frequenz der gedruckten Antenne von 4 dargestellt.
In diesem Fall reicht für
elliptisches maximales Verhältnis
bei 2 dB das Frequenzband der gedruckten Antenne von 430 MHz beim
Fehlen der Wendel bis 628 MHz bei Anwesenheit einer richtig bemessenen
Wendel. Die Vergrößerung der
Frequenzbandbreite der Anordnung durch die Störwendel in dem Fall dieser
besonderen Ausführungsform beträgt 46%.
Außerdem
zeigen die 6a und 6b die Verbesserung der Qualität der Zirkularpolarisation
in Abhängigkeit
von dem Betrachtungswinkel gegenüber
einer Hauptrichtung des Strahls. Diese ist gegeben durch die Strahlungsdiagramme
der gedruckten Anordnung bei der Anwesenheit einer Störwendel,
nämlich 6b, und in der Abwesenheit
einer Störwendel,
siehe 6a. Diese Strahlungsdiagramme
offenbaren eine starke Verbesserung in der Qualität der Zirkularpolarisation
in einem großen
Bereich von Winkeln.
-
7 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Kompensationsmittel. In diesem Fall besteht die gedruckte Antenne
in bekannter Weise aus einer Anordnung von "Patchen" 1121 , 1122 auf einem mit einer Masseebene 111 versehenen
Substrat 110. Diese Anordnung von "Patchen" kann in einer Linearpolarisation (zum
Beispiel horizontal linear) oder einer Zirkularpolarisation (zum
Beispiel rechts zirkular) strahlen. In der Mitte der Anordnung von "Patchen" 1121 , 1122 ist ein strahlendes Element vom Typ
mit Wanderwellen vorgesehen, das aus einem dielektrischen Zapfen 114,
auch mit Polyrod bezeichnet besteht, der in einer Fassung 113 montiert
ist. Das Polyrod ist dafür
bemessen, eine Polarisation senkrecht zu der der Anordnung von "Patchen" auszustrahlen (in
diesem Fall vertikal-linear im Falle einer linearen Polarisation oder
links-zirkular im Falle einer Zirkularpolarisation). Die mit einem
Gerät dieses
Typs durchgeführten
Simulationen haben gezeigt, dass die durch die Anordnung von "Patchen" ausgestrahlte unerwünschte Kreuzkomponente
das Polyrod anregt, das daraufhin ein Feld ausstrahlt, dessen Phase
derart eingestellt werden kann, dass sie vollständig oder teilweise der Kreuzkomponente
der gedruckten Antenne entgegengesetzt gerichtet ist und dadurch
die Reinheit der durch die Antenne ausgestrahlten Zirkularpolarisation
verbessert.
-
Somit ermöglicht die Erfindung, eine
gedruckte Antenne zu gewinnen, die eine zirkular- oder linear-polarisierte
Welle über
ein erweitertes Frequenzband ausstrahlt.
-
Außerdem ermöglicht in dem Fall einer Zirkularpolarisation
ihre Anwendung mit der Lösung
der sequentiellen Drehung außerdem
die Erweiterung des Frequenzbands und ermöglicht, die Qualität der Zirkularpolarisation
für verschiedene
Winkel der Hauptstrahlrichtung zu verbessern.
-
Ihre Anwendung ist sehr kostengünstig. Sie bietet
eine große
Flexibilität
der Einstellung.