DE69725972T2

DE69725972T2 - Wendelantenne mit integriertem duplexer und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69725972T2
Application number: DE69725972T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Blot; Ala Sharaiha; Jean-Marc Toureilles; Claude Terret
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: DE69725972D1; CN1218434C; AU2165197A; ES2212088T3; CN1218581A; CA2248884A1; WO1997035357A1; US6608604B1; FR2746548B1; EP0888648B1; FR2746548A1; EP0888648A1

Description

Das Gebiet der Erfindung ist jenes der Antennen mit großer Bandbreite und einem halbkugelförmigen oder nahezu halbkugelförmigen Strahlungsdiagramm. Genauer betrifft die Erfindung abgestimmte Wendelantennen, die in zwei benachbarten, dem Senden bzw. dem Empfangen entsprechenden Frequenzbändern arbeiten, und insbesondere die Entkoppelung dieser beiden Wege und folglich die Duplexerfunktion.
Die Antenne der Erfindung findet vor allem im Rahmen des Mobilfunks über Satellit zwischen festen und beweglichen Benutzern jeglicher Art, beispielsweise in der Luftfahrt, in der Seefahrt oder an Land, Anwendung. Auf diesem Gebiet werden mehrere Satelliten-Kommunikationssysteme eingesetzt oder sind momentan in Entwicklung (beispielsweise die Systeme INMARSAT, INMARSAT-M, GLOBALSTAR usw.). Diese Antennen sind auch für die Verbreitung von persönlichen Kommunikationssystemen (PCS) über geostationäre Satelliten interessant.
Bei allen diesen Systemen, die Verbindungen mit geostationären Satelliten vorsehen, erfordem die sehr unterschiedlichen Eintrittswinkel der empfangenen oder gesendeten Signale, dass die Antennen ein Strahlungsdiagramm mit halbkugelförmigem Erfassungsbereich besitzen. Überdies muss die Polarisation kreisförmig sein mit einem Elliptizitätsverhältnis, das besser als 5 dB im Nutzband ist.
Allgemeiner kann die Erfindung in allen Systemen Anwendung finden, die die Verwendung eines Breitbandes, eines Diagramms mit halbkugelförmigem Erfassungsbereich, eine kreisförmige Polarisation und ein gutes Elliptizitätsverhältnis erfordern.
In den oben angeführten Anwendungsgebieten müssen die Antennen entweder in einem sehr großen Durchlassbereich in der Größenordnung von 10 oder in zwei benachbarten, jeweils der Übertragung und dem Empfang entsprechenden Unterbändern tatsächlich die oben genannten Merkmale aufweisen.
Aus dem Patent FR-89 14952 auf den Namen des gleichen Anmelders ist bereits ein Antennentyp bekannt, der für solche Anwendungen besonders geeignet ist.
Diese als abgestimmte vieradrige Antenne (HQR) bezeichnete Antenne besitzt Eigenschaften, die den dargelegten Kriterien in einem Frequenzband, das im Allgemeinen durch Impedanzanpassungsprobleme auf 5% begrenzt ist, sehr nahe kommen. Ein Betrieb auf zwei Bändern ist möglich, wenn zweischichtige HQR-Antennen verwendet werden. Diese Antennen sind durch konzentrische "Schachtelung" zweier abgestimmter, koaxialer vieradriger Wendeln, die elektromagnetisch gekoppelt sind, gebildet.
Eine vieradrige Antenne ist aus vier abstrahlenden Adern gebildet. Ein Ausführungsbeispiel ist in dem Dokument "Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications" (Analyse einer abgestimmten vieradrigen Wendelantenne für Mobilfunk) von A. Sharaiha und C. Terret (IEEE-Proceedings H, Bd. 140, Nr. 4, August 1993) genau beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die abstrahlenden Adern auf ein dielektrisches Substrat geringer Dicke aufgedruckt und anschließend auf einen zylindrischen, vom radioelektrischen Gesichtspunkt durchlässigen Träger aufgerollt. Die vier Adern der Wendel sind an einem Ende offen oder kurzgeschlossen und über Leitersegmente, die an der Basis des unteren Teils des zylindrischen Trägers angeordnet sind, mit dem anderen Ende elektrisch verbunden. Die vier Adern der Wendel werden durch diese Leitersegmente hindurch erregt.
Diese Antenne erfordert klassisch eine Versorgungsschaltung, die die Erregung der verschiedenen Antennenadern durch Signale gleicher Amplitude, die um 90° phasenverschoben sind, sicherstellen. Zur Verwirklichung solcher Versorgungsschaltungen sind mehrere Techniken bekannt.
In dem oben zitierten Dokument "Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications" ist diese Funktion durch eine Kopplerstruktur (3 dB, –90°) und einen Hybridring verwirklicht. Diese Gesamtheit wird in einer gedruckten Schaltung implementiert, die an der Basis der Antenne angeordnet ist.
Diese Technik weist den Vorteil auf, dass sie relativ einfach auszuführen und umzusetzen ist. Hingegen führt sie zu einem nicht unerheblichen Platzbedarf im Verhältnis zur Größe der Antenne (die beispielsweise eine Größe im Bereich von einigen zehn Zentimetern aufweisen kann). Dieser Nachteil schließt diese Lösung bei zahlreichen Anwendungen, insbesondere dann, wenn eine Höchstminiaturisierung erforderlich ist, aus.
Nach einer zweiten Technik, die in dem Dokument "UHF satellite array nulls adjacent signals" von J. L. Wong und N. E. King (Microwaves & RF, März 1984) beschrieben ist, kann jede zweiadrige Wendel durch ein koaxiales Symmetrieglied des als "Falt-Balun" bezeichneten Typs versorgt werden. Die beiden Bifilare werden anschließend unter Phasenverschiebung um 90° mittels eines Richtkopplers erregt.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es die Verwendung nur eines einzigen externen Hybridelements erfordert. Hingegen ist die für diesen Typ von Antennen (der beispielsweise durch ein Koaxialkabelstück verwirklicht ist, dessen Seele und Ummantelung den Dipol bilden) verwendete Symmetrieglied/Adapter-Schaltung kompliziert und voluminös.
Außerdem weist dieser Typ von Schaltung den Nachteil auf, dass es eine Art Bandfilter mit einem noch zu schmalen Band bildet.
Eine dritte, komplexere Technik ist in dem Dokument "resonant quadrifilar helix" (abgestimmte vieradrige Wendel) von C. C. Kilgus (Mircowave Journal, Dezember 1970) beschrieben. Die Versorgungskoaxialleitung ist an ihrem Ende gespalten, um ein Symmetrieglied zu bilden. Die Phasenverschiebung um 90° wird durch Einstellen der Länge der Adern gewährleistet.
Diese Technik ermöglicht außerdem das Weglassen der Richtkoppler. Sie weist hingegen den Nachteil auf, dass sie eine feine Abstimmung der Länge der Adern erfordert. Überdies ist die Antenne nicht mehr symmetrisch und wird die Ausführung komplizierter. Ferner bleibt dieses Verfahren speziell Systemen vorbehalten, die ein schmales Arbeitsband verwenden.
Im Fall von Zweirichtungsantennen, die die Übertragung und den Empfang von Signalen sicherstellen müssen, ist es selbstverständlich erforderlich, das Sendefrequenzband und das Empfangsfrequenzband, die im Allgemeinen nebeneinander liegen, so weit wie möglich zu entkoppeln.
Dies ist die Funktion des Duplexers, der im Allgemeinen auf Höhe des Versorgungspunktes der Antenne angeordnet ist. Das Dokument "RF filters and Diplexers for Cellular Applications" von Gord Neilson und John Mchory (Antem'90) zeigt dort verschiedene Typen von Duplexern, die im Bereich des Funks verwendet werden.
Allgemein weisen diese herkömmlichen Vorrichtungen den Nachteil auf, dass sie Form eines unabhängigen und zur Antenne komplementären Elements auftreten. Sie bringen somit insbesondere in Fällen, in denen die Antennen von sehr kleiner Abmessung sind, einen nicht unerheblichen Platzbedarf mit sich.
Ferner handelt es sich um zu verwirklichende und einzusetzende komplexe Elemente. Folglich sind ihre Gestehungskosten im Vergleich zu den Kosten der Antenne eigentlich sehr hoch.
Außerdem wirken diese Duplexer als Filter und können folglich Verluste der Nutzteile des Signals mit sich bringen.
Die Erfindung hat insbesondere als Aufgabe, diese verschiedenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Genauer, eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antenne und ihr Versorgungssystem (im Folgenden umfasst der Begriff "Antenne" die eigentliche Antenne und ihr Versorgungssystem) zu schaffen, die zwei Unterbänder aufweist, die ausreichend entkoppelt sind, um das Vorhandensein eines zusätzlichen, herkömmlichen Duplexers zu erübrigen.
Mit anderen Worten, die Erfindung hat als Aufgabe, eine Zweirichtungsantenne zu schaffen, die die Duplexierungsfunktion in einfacher und wirksamer Weise erfüllt, ohne auf die herkömmlichen Duplexer zurückzugreifen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Antenne zu schaffen, die niedrige Gestehungskosten besitzt und ohne weiteres industriell herstellbar ist. Insbesondere hat die Erfindung als Aufgabe, eine solche Antenne zu schaffen, die in sehr wenigen aufeinander folgenden Vorgängen hergestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht außerdem darin, eine solche Antenne zu schaffen, die keine spezifischen und komplizierten Einstellungen erfordert.
Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Antenne (und vor allem ihr Versorgungssystem) zu schaffen, die im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen Raum sparend ist.
Die Erfindung hat außerdem als Aufgabe, eine solche Antenne zu schaffen, die eine Erregung der vier Adern mit der gleichen Amplitude und einen Verlauf mit genauer 90°-Phasenverschiebung und somit ein gute Qualität von kreisförmiger Polarisation in den beiden Unterbändern sicherstellt.
Diese Aufgaben sowie weitere, die im Folgenden deutlich werden, werden gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Wendelantenne mit integrierten Duplexierungsmitteln erfüllt, die zwei entkoppelte koaxiale Wendeln umfassen, die jeweils durch auf einem Substrat aufgedruckte abstrahlende Adern gebildet werden, wobei jede der Wendeln einer unabhängigen und miniaturisierten Breitband-Versorgungsstruktur der abstrahlenden Adern zugeordnet ist, wobei die Versorgungsstrukturen auf das entsprechende Substrat aufgedruckt sind und mindestens einen Richtkoppler umfassen, der durch halb-lokalisierte Elemente hergestellt ist, um so seine Abmessungen zu verkleinern.
Die Ausführung der Antennenadern und der Versorgung als aufgedruckte Elemente ermöglicht die Herstellung einer Antenne, ihrer Versorgung und des Duplexers in einem einzigen Vorgang ohne spezifische Verbindungsmittel und in einem besonders kleinen Format.
Die Verwendung von durch halb-lokalisierte Elemente gefertigten Richtkopplern ermöglicht das Erzielen sämtlicher gewünschter Eigenschaften und insbesondere das Verringern des Platzbedarfs der Gesamtheit im Verhältnis zu den im Stand der Technik verwendeten Leitungen.
Da die zwei Schichten, die jeweils die koaxialen Wendeln bilden, vollkommen entkoppelt sind, übt dieses Substrat ohne jedes Zusatzelement unmittelbar die Funktion des Duplexers aus. Die Versorgungspunkte einer jeden der Wendeln entsprechen direkt dem Sendesignal bzw. dem Empfangssignal.
In dieser Weise wird bei geringen Gestehungskosten eine sehr einfache Zweirichtungsantenne erhalten.
Vorteilhafterweise weisen die Wendeln, wenn sie flach gelegt werden, Adern auf, deren Richtungen symmetrisch im Verhältnis zur Achse der Antenne sind und in entgegen gesetzte Richtungen aufgerollt sind, so dass die Adern in etwa parallel untereinander sind.
Durch diese Technik kann die aufgedruckte Seite der inneren Wendel nach innen gewandt sein und jene der äußeren Wendel nach außen.
Vorzugsweise sind mit dem Zweck, die Entkoppelung zu verstärken, die Erregungspunkte einer jeden der vieradrigen Wendeln in einer zur Achse der Wendeln senkrechten Ebene gegeneinander verschoben. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind sie um 135° gegeneinander verschoben.
Die Erfindung kann auf alle Typen von Antennen aus Wendeln angewandt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wendel eine vieradrige Wendel, die aus vier abstrahlenden Adern gebildet ist, die durch eine Versorgungsstruktur versorgt werden, die drei Richtungskoppler umfasst.
Vorteilhafterweise umfasst die Versorgungsstruktur im letztgenannten Fall einen ersten 180°-Richtkoppler, der einen Versorgungseingang und/oder einen Versorgungsausgang der Antenne mit zwei um 180° phasenverschobenen Zwischenausgängen und/oder Zwischeneingängen assoziiert, sowie zwei 90°-Richtkoppler, die jeweils einen der Zwischenausgänge und/oder Zwischeneingänge des ersten Richtkopplers mit einem Ende von zwei der abstrahlenden Adern assoziiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Antenne auf eine Unterlage montiert, die einen ersten und einen davon unterschiedlichen Teil mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten aufweist, wobei der erste Teil die abstrahlenden Adern und der zweite Teil die Versorgungsstruktur trägt.
Vorzugsweise weist der erste, die Antennenadern tragende Teil eine absolute Dielektrizitätskonstante auf, die größer als 1 ist.
Somit kann der Platzbedarf der Antenne noch weiter verringert werden.
Eine Antenne, wie sie oben beschrieben worden ist, kann allein oder in einer Antennenanordnung verwendet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem die Herstellung solcher Antennen, die sich im Verhältnis zu den herkömmlichen Techniken als besonders einfach erweist. Gemäß einem ersten Herstellungsverfahren einer abgestimmten Wendelantenne sind die folgenden Schritte vorgesehen:

– Aufdrucken von mindestens zwei abstrahlenden Adern auf einem ebenen Substrat, wobei diese Adern eine Wendel bilden sollen, sowie einer selbstständigen miniaturisierten Breitband-Versorgungsstruktur der besagten abstrahlenden Adern, welche mindestens einen Richtkoppler umfasst, der aus halblokalisierten Elementen gefertigt ist, um so seine Abmessungen zu verkleinern;
– Aufrollen des Substrats um einen zylindrischen Träger.

Gemäß einem zweiten Herstellungsverfahren einer abgestimmten Wendelantenne, das noch einfacher auszuführen ist, sind die folgenden Schritte vorgesehen:

– Erzielen eines zylindrischen Trägers, der ein Substrat trägt:
– Aufdrucken von mindestens zwei abstrahlenden Adern auf dem Sub strat, wobei diese Adern eine Wendel bilden sollen, sowie einer selbstständigen miniaturisierten Breitband-Versorgungsstruktur der besagten abstrahlenden Adern, welche mindestens einen Richtkoppler umfasst, der aus halb-lokalisierten Elementen gefertigt ist, um so seine Abmessungen zu verkleinern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die als einfaches, veranschaulichendes und nicht eingrenzendes Beispiel gegeben wird, und aus der beigefügten Zeichnung deutlich, worin:
1 in einer Abwicklung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen vieradrigen Wendel mit integrierter Versorgung zeigt, die die äußere Schicht der Antenne bildet;
2 die Wendel von 1 zeigt, die zylindrisch aufgerollt ist und so eine erste im Einsatz befindliche Wendel bildet;
3 in einer Abwicklung eine zweite vieradrige Wendel mit integrierter Versorgung gemäß der Erfindung zeigt, die die innere Schicht der Antenne bildet;
4 die Wendel von 3 zeigt, die zylindrisch aufgerollt ist und so eine zweite im Einsatz befindliche Wendel bildet;
5 eine Schnittansicht der montierten Antenne zeigt, die die versetzt montierten Wendeln der 2 und 4 umfasst;
6 die Versorgungsstruktur der 1 und 3 detaillierter zeigt;
die 7A bis 7C die Konzeption eines erfindungsgemäßen Kopplers mit –3 dB und 90° veranschaulichen:
7A: herkömmlicher Koppler aus verteilten Elementen;
7B: entsprechende Darstellung mittels n-Zellen;
7C: Koppler aus entsprechenden Mikrobändern;
die 8A und 8B die Konzeption eines Kopplers mit –3 dB und 90° veranschaulichen:
8A: Darstellung eines 180°-Hybridrings;
8B: Koppler aus entsprechenden Mikrobändern;
9 das Stehwellenverhältnis (ROS) einer besonderen Ausführungsform der Antenne der 1 und 2 zeigt;
die 10 und 11 gemessene Strahlungsdiagramme bei kreisförmiger rechter und linker Polarisation derselben Ausführungsform mit den Frequenzen 1,98 GHz bzw. 2,2 GHz zeigen;
12 die Entkoppelung (S₂₁) zwischen den zwei Wendeln zeigt.
Die Erfindung betrifft folglich eine Antenne mit Versorgungssystem mit integriertem breiten Band und integriertem Duplexer, die nach einer einfachen Fertigungstechnik hergestellt wird und geringe Gestehungskosten aufweist.
Wie oben angegeben worden ist, kann die Erfindung auf jeden Typ von Antenne mit Wendeln angewandt werden. Die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform betrifft eine Antenne mit vieradrigen Wendeln.
Erfindungsgemäß weist die Antenne folglich zwei koaxiale Wendeln auf, die jeweils die Übertragung und den Empfang sicherstellen. Jede der Wendeln ist aus vier auf einem Substrat aufgedruckten Adern gebildet, auf denen gemeinsam eine Versorgungsstruktur aufgedruckt ist.
Somit werden die Funktionen einer Antenne, einer Versorgung und eines Duplexers in einem Vorgang implementiert. Dadurch kann bei sehr geringen Ge stehungskosten eine sehr kompakte Antenne erhalten werden.
Nun wird die erste Wendel, die die Schicht bildet, genau beschrieben. 1 zeigt die aufgedruckten Elemente in einer Abwicklung.
Sie umfasst zuallererst vier abstrahlende Antennenadern 11₁ bis 11₄ .
Eine Art der Festlegung der Eigenschaften dieser Adern ist beispielsweise in dem bereits zitierten Patent FR-89 14952 angegeben.
Die Abmessungen der Antenne ändern sich in Abhängigkeit vom Frequenzband und den geforderten Erfassungsbereichen. Als Beispiel können die Abmessungen dieser Adern folgende sein:

Länge: 90 mm;

Breite: 2 mm;

Dicke: 35 μm;

Neigungswinkel: 54,5°.
Sie sind beispielsweise aus Kupfer auf einem dielektrischen Substrat geringer Dicke wie etwa Kapton (ε_r ≈ 3,8) hergestellt.
Die vier Adern 11₁ bis 11₄ sind vorzugsweise an ihrem oberen Ende 15₁ bis 15₄ offen. Sie können auch kurzgeschlossen sein. Jedoch ist das System der Erfindung insbesondere für die Erregung von Antennen mit offenen Adern geeignet, die bei gleichen Leistungen kleinere Abmessungen als die Antennen mit kurzgeschlossenen Adern besitzen.
Das andere Ende der Adern 16₁ bis 16₄ ist mit den Eingangsspannungsleitungen der Versorgungsschaltung verbunden.
Das Versorgungssystem ist auf demselben Substrat in der Verlängerung der Antenne verwirklicht. Es ist aus drei Richtkopplern 12, 13 und 14 gebildet, die aus halb-lokalisierten Elementen entworten sind.
Der erste Richtkoppler 12 ist zum einen mit dem Signaleingang (bzw. je nach Anwendung mit dem Signalausgang) 17 der Antenne und zum anderen mit den zwei Eingängen (bzw. Ausgängen) 18 und 19 der beiden anderen Koppler 13 und 14 verbunden. Es handelt sich um einen 180°-Richtkoppler.
Die Richtkoppler 13 und 14 sind zwei gleichartige 90°-Koppler. Sie sind zum einen mit dem Eingang 18 (bzw. 19) und zum anderen mit dem Ende der Adern 16₁ und 16₂ (bzw. 16₃ und 16₄ ) verbunden.
Somit werden die vier Adern in vollkommener 90°-Phasenverschiebung in einem Breitband gespeist.
Die so erhaltene Gesamtheit wird anschließend in trigonometrischem Sinn nach außen auf einen zylindrischen Träger aufgerollt (wobei sich die aufgedruckten Elemente außen am Zylinder befinden), um die äußere Wendel zu erhalten, die in 2 in einer Vorderansicht gezeigt ist.
Der zylindrische Träger ist ein vom radioelektrischen Gesichtspunkt durchlässiger Träger, d. h. ein Träger, der eine absolute Dielektrizitätskonstante in der Nähe von 1 aufweist.
Es sei angemerkt, dass es einfach ist, auch die Höhe der Gesamtheit zu verkleinern, indem für den den Antennenadern entsprechenden Teil ein Träger mit einer absoluten Dielektrizitätskonstante verwendet wird, die größer als 1 ist.
3 zeigt die Elemente, die die innere Schicht, die flach gezeigt ist, bildet. Diese Elemente gleichen den im Zusammenhang mit 1 gezeigten Elementen völlig, wenn nur die Antennenadern 51₁ bis 51₄ im entgegen gesetzten Sinn geneigt sind, wobei die Aufrollrichtung 52 der Aufrollrichtung 17 der ersten Wendel entgegen gesetzt ist.
Das dielektrische Substrat gleicht in diesem Beispiel dem ersten völlig. Das Versorgungssystem 53 befindet sich ebenfalls in der Verlängerung der Antennenadern 51₁ und 51₄ und ist aus halb-lokalisierten Elementen hergestellt.
Die Gesamtheit wird anschließend nach innen (Pfeil 52) auf einen vom radioelektrischen Gesichtspunkt durchlässigen Träger aufgerollt, um die innere Wendel der 4 zu liefern.
Die zwei so erhaltenen Schichten werden zuletzt konzentrisch zueinander montiert, wie dies durch die Schnittansicht von 5 gezeigt ist.
Die äußere (aus äußeren Leitern 61 gebildete) Schicht und die (aus inneren Leitern 62 gebildete) Schicht sind um einen Winkel α = 135° in Bezug auf ihre Erregungspunkte versetzt.
6 zeigt die erfindungsgemäße Versorgungsstruktur aus halblokalisierten Elementen genauer und um einen Faktor 3 im Verhältnis zur Wirklichkeit vergrößert. Sie umfasst zwei Typen von aufgedruckten Leitungen:

– Leitungen geringer Breite, die eine induktive Charakteristik aufweisen;
– breitere Leitungen, die eine kapazitive Charakteristik aufweisen.

Somit sind die 90°-Koppler 13 und 14 jeweils aus 4 breiten Elementen 31₁ bis 31₄ gebildet, die paarweise durch 4 Leitungen geringer Breite 32₁ bis 32₄ verbunden sind. Der 190°-Koppler umfasst 6 breite Elemente 33₁ bis 33₆ , die durch 6 Leitungen geringer Breite 34₁ bis 34₆ verbunden sind.
Die 7A und 7B veranschaulichen die Konzeption eines Kopplers mit –3 dB und 90°.
Ausführlichere Informationen lassen sich, falls erforderlich, in der Dissertation von M. Coupez, Universite de Bretagne Occidentale, "Etude de structures de dephaseurs potentiellement integrables à 900 MHz", Mai 1998. finden.
7A zeigt ein herkömmliches Schema eines Kopplers mit –3 dB und 90° aus verteilten Elementen. Er umfasst zwei Leitungsteilabschnitte 81, 82 mit der Länge λg/4 und einem charakteristischen Leitungswiderstand Zc und zwei Leitungsteilabschnitte 83, 84 mit der Länge λg/4 und einem Leitungswiderstand Zc/√2.
Jeder dieser Leitungsteilabschnitte kann durch n-Zellen aus lokalisierten Elementen ersetzt werden, die aus Kondensatoren C und Spulen L und L' gebildet sind, wie dies in 7B gezeigt ist.
Durch Verwendung von induktiven Eigenschaften (Leitungen geringer Breite 85) und kapazitiven Eigenschaften (breitere Leitungen 86) der Mikrobandleitungen kann dann der Koppler aus verteilten Elementen erneut transformiert werden, wie in 7C gezeigt ist.
Ebenso wird verfahren, um die herkömmliche Struktur eines Hybridrings mit –3 dB und 180°, der in 8A gezeigt ist, in einen Koppler aus halblokalisierten Elementen, der in 8B gezeigt ist, zu transformieren.
Eine solche Wendel weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

– sie besitzt offene Adern, weshalb die Impedanz jeder Ader ohne weiteres auf 50Ω für eine Antenne mit den gewünschten Eigenschaften (halbkugelförmiger Erfassungsbereich und kleine Sperr-Vorspannung anpassbar ist;
– die Versorgungsstruktur, die Hybride verwendet, ist breitbandig und vollkommen symmetrisch:
– in der Amplitude (für jede Ader gleich); und
– in der Phase (0°; ± 90°; ± 180°; ±270°);
– die Abmessungen der Versorgungsvorrichtung sind kleiner als jene der herkömmlichen Systeme (es kann eine Verstärkung in der Größenordnung von 50% erzielt werden). Tatsächlich lässt sich leicht bestätigen, dass jedes halblokalisierte Element eine Größe besitzt, die viel kleiner ist als die Leitung, die sie ersetzt (die im Allgemeinen eine Größe besitzt, die einem Vielfachen von ⧠/4 entspricht);
– die Antenne weist eine gute Isolation von Ader zu Ader auf.

Als Hinweis seien nun die Messergebnisse gezeigt, die anhand einer be sonderen Ausführungsform, die für den Funkverkehr zwischen den Geräten und für den Nahbereichsfunkverkehr bestimmt sind, erhalten wurden.
Die Abmessungen der durch die Antenne und die integrierte Versorgung gebildeten Gesamtheit sind folgende:

Durchmesser: 26 mm;

Höhe: 130 mm;

Gesamtgewicht: 70 g.

Die charakteristischen radioelektrischen Ablesungen sind:

Übertragung:	2,17–2,2 GHz
Empfang:	1,98–2,01 GHz
Polarisation:	kreisförmig rechts
Ertassungsbereich:	180°
Elliptizität:	< 5 dB für θ < 90° < 2dB für θ < 75°
Allrichtungsfehler:	± 0,6 dB zum Horizont.

In 9 ist das Stehwellenverhältnis (ROS) am Eingang jeder Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz einer jeden der Wendeln gezeigt. Es zeigt sich, dass ein ROS kleiner als 2 für jede Antenne in einem 400-MHz-Band erhalten wird.
Die 10 und 11 beziehen sich gemessene Strahlungsdiagramme bei kreisförmiger rechter Polarisation (a) und kreisförmiger linker Polarisation (6) mit einem Dipol, der sich mit den Frequenzen 1,98 GHz (10) bzw. 2,2 GHz (11) dreht.
Es lässt sich beobachten, dass erhalten wird:

– bei –3 dB eine nahezu halbkugelförmige mittlere Öffnung größer als 180°;
– eine Sperr-Vorspannung größer als –15 dB im gesamten Erfassungsbereich.

12 zeigt, dass die Entkoppelung zwischen den zwei Wendeln größer als 20 dB ist.
Eine erfindungsgemäße Antenne kann auf mehrere Arten hergestellt werden.
So können die Wendeln gemäß einer ersten Ausführungsform flach aufge druckt sein, wie in den 1 und 3 gezeigt ist. Sie werden anschließend auf einen Träger aufgerollt, um die Antenne zu bilden (2 und 4).
Gemäß einer anderen, noch schnelleren Ausführungsform kann das zur Aufnahme der aufgedruckten Elemente direkt in seiner definitiven zylindrischen Form gefertigt sein. In diesem Fall wird das Aufdrucken der Adern und der Versorgungsstruktur direkt auf den Zylinder ausgeführt.
Ferner sei angemerkt, dass sich die Antenne, obwohl sie als ganzes verwendbar ist, vorteilhafterweise für die Herstellung von Antennenanordnungen eignet.

Claims

Wendelantenne, die in zwei benachbarten, jeweils der Übertragung und dem Empfang entsprechenden Frequenzbändern arbeitet, von der Art, die zwei koaxiale Wendeln aufweist, die jeweils durch auf einem Substrat aufgedruckte abstrahlende Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wendeln einer ebenfalls auf dem Substrat aufgedruckten unabhängigen Versorgungs- und Duplexierungsstruktur zugeordnet ist, welche mindestens einen Richtkoppler (12, 13, 14) umfaßt, der aus halblokalisierten Elementen hergestellt ist, welche folgendermaßen erhalten werden: – Konzipieren eines Kopplers mit verteilten Elementen, wobei jeder Teilabschnitt eine Länge von mindestens λg/4 aufweist, wo λg die höchste Wellenlänge ist, bei der die Antenne betrieben werden kann; – Bestimmen einer entsprechenden Struktur aus lokalisierten Elementen, wobei jedes der benannten Teilabschnitte durch eine n-Zelle ersetzt wird, bestehend aus einem Kondensator C und zwei Spulen L und L'; – Bestimmen einer Struktur aus halb-lokalisierten Elementen, in der jeder der Kondensatoren C durch eine breite Leitung (86) und jede Spule L und L' durch eine schmalere Leitung (85) ersetzt wird, so daß die erwähnte Versorgungs- und Duplexierungsstruktur einen Platzbedarf von weniger als λg/4, eine ausreichende Entkopplung der Sende- und Empfangswege sowie ein breites Band aufweist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln, wenn sie flach gelegt werden, Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) aufweisen, deren Richtungen symmetrisch im Verhältnis zur Achse der Antenne sind und in entgegengesetzte Richtungen aufgerollt sind, so daß die Adern in etwa parallel untereinander sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungspunkte (61, 62) einer jeden der vieradrigen Wendeln in einer zur Achse der Wendeln senkrechten Ebene gegeneinander verschoben sind.
Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungspunkte (61, 62) um 135° gegeneinander verschoben sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln vieradrige Wendeln sind, die jeweils aus vier abstrahlenden Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) gebildet sind, die jeweils durch eine Versorgungsstruktur versorgt werden, welche drei Richtkoppler umfaßt.
Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Versorgungsstrukturen einen ersten 180° Richtkoppler (12) umfaßt, der einen Versorgungseingang und/oder einen Versorgungsausgang der Antenne mit zwei um 180° phasenverschobenen Zwischeneingängen und/oder Zwischenausgängen assoziiert, sowie zwei 90° Richtkoppler (13, 14), die jeweils einen der Zwischeneingänge und/oder Zwischenausgänge des ersten Richtkopplers mit einem Ende von zwei der erwähnten abstrahlenden Adern assoziiert.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Wendeln auf einer Unterlage montiert ist, welche einen ersten und einen zweiten davon unterschiedlichen Teil mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten aufweist, wobei der erste Teil die abstrahlenden Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) und der zweite Teil die Versorgungsstruktur trägt.
Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, die abstrahlenden Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) tragende Teil eine höhere absolute Dielektrizitätskonstante als der zweite Teil aufweist.
Herstellungsverfahren einer Wendelantenne mit integrierten miniaturisierten Duplexierungs- und Versorgungsmitteln, die zwei entkoppelte koaxiale Wendeln umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es für jede der Wendeln die folgenden Schritte aufweist: – Aufdrucken von mindestens zwei abstrahlenden Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) auf einem ebenen Substrat, wobei diese Adern eine Wendel bilden sollen, sowie einer selbständigen miniaturisierten Breitband-Versorgungsstruktur der besagten abstrahlenden Adern, welche mindestens einen Richtkoppler (12, 13, 14) umfaßt, der aus halb-lokalisierten Elementen gefertigt ist, die folgendermaßen erhalten werden: – Konzipieren eines Kopplers aus verteilten Elementen, wobei jedes Segment eine Mindestlänge von λg/4 aufweist, wobei λg die höchste Wellenlänge ist, bei der die Antenne betrieben werden kann; – Bestimmen einer entsprechenden Struktur aus lokalisierten Elementen, wobei jeder der benannten Teilabschnitte durch eine n-Zelle ersetzt wird, bestehend aus einem Kondensator C und zwei Spulen L und L'; – Bestimmen einer Struktur aus halb-lokalisierten Elementen, in der jeder der Kondenstoren C durch eine breite Leitung (86) und jede Spule L und L' durch eine schmalere Leitung (85) ersetzt wird. so daß die erwähnte Versorgungs- und Duplexierungsstruktur einen Platzbedarf von weniger als λg/4, eine ausreichende Entkopplung der Sende- und Empfangswege sowie ein breites Band aufweist; – Aufrollen des Substrats um einen zylindrischen Träger.
Herstellungsverfahren einer Wendelantenne mit integrierten miniaturisierten Duplexierungs- und Versorgungsmitteln, die zwei entkoppelte koaxiale Wendeln umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es für jede der Wendeln die folgenden Schritte aufweist: – Erzielen eines zylindrischen Trägers, der ein Substrat trägt; – Aufdrucken von mindestens zwei abstrahlenden Adern (11₁ bis 11₄ ; 51₁ bis 51₄ ) auf einem ebenen Substrat, wobei diese Adern eine Wendel bilden sollen, sowie einer selbständigen miniaturisierten Breitband-Versorgungsstruktur der besagten abstrahlenden Adern, welche mindestens einen Richtkoppler (12, 13, 14) umfaßt, der aus halb-lokalisierten Elementen gefertigt ist, die folgendermaßen erhalten werden: – Konzipieren eines Kopplers aus verteilten Elementen, wobei jedes Segment eine Mindestlänge von λg/4 aufweist, wobei λg die höchste Wellenlänge ist, bei der die Antenne betrieben werden kann; – Feststellen einer entsprechenden Struktur aus lokalisierten Elementen, wobei jeder der benannten Teilabschnitte durch eine n-Zelle ersetzt wird, bestehend aus einem Kondenstor C und zwei Spulen L und L'; – Feststellen einer Struktur aus halb-lokalisierten Elementen, in der jeder der Kondensatoren C durch eine breite Leitung (86) und jede Spule L und L' durch eine schmalere Leitung (85) ersetzt wird, –so daß die erwähnte Versorgungs- und Duplexierungsstruktur einen Platzbedarf von weniger als λg/4, eine ausreichende Entkopplung der Sende- und Empfangswege sowie ein breites Band aufweist.