EP1700357A1 - Antennenanordnung insbesondere für radaranwendungen bei kraftfahrzeugen - Google Patents
Antennenanordnung insbesondere für radaranwendungen bei kraftfahrzeugenInfo
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- EP1700357A1 EP1700357A1 EP04766763A EP04766763A EP1700357A1 EP 1700357 A1 EP1700357 A1 EP 1700357A1 EP 04766763 A EP04766763 A EP 04766763A EP 04766763 A EP04766763 A EP 04766763A EP 1700357 A1 EP1700357 A1 EP 1700357A1
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- EP
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- antenna
- arrangement according
- antenna beam
- planar
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
- B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
- B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
- B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
- B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
- B60C23/0422—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver characterised by the type of signal transmission means
- B60C23/0433—Radio signals
- B60C23/0435—Vehicle body mounted circuits, e.g. transceiver or antenna fixed to central console, door, roof, mirror or fender
- B60C23/0444—Antenna structures, control or arrangements thereof, e.g. for directional antennas, diversity antenna, antenna multiplexing or antennas integrated in fenders
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
- G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
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- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
- H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
- H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
- H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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- H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
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- H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
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- H01Q1/526—Electromagnetic shields
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- H01Q13/02—Waveguide horns
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- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/10—Resonant slot antennas
- H01Q13/106—Microstrip slot antennas
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- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
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- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
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- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
- H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line
Definitions
- Antenna arrangement in particular for radar applications in motor vehicles
- planar antenna arrangements are known as antenna beam elements with one or more conductive radiating surfaces (single patch or patch array) on dielectric substrate materials (patch antennas, microstrip antennas). These patches are either fed directly via contacted lines, e.g. at the edge of microstrip lines or through the substrate via vias in the patch area or within the multilayer substrate with a suitable layout via field coupling.
- additional elements such as "Superstrat” (planar dielectric plate at a certain distance from the patches) or "Polyrod".
- the antennas are covered with a radome.
- the function of the Superstrat is integrated into the radome through suitable geometry and choice of material.
- the measures of claim 1 ie with an antenna feed substrate, with conductor structures for field coupling to one or more planar antenna beam elements, one fixable against the antenna feed substrate
- Receiving part for the planar antenna beam element (s), the receiving part itself or a housing part, which can be connected to it in a form-fitting manner in particular, is provided for HF shielding of the antenna feed substrate, and the receiving part and / or the housing part is / are structured in such a way that it is planar Antenna beam element (s) from which, as seen in the direction of radiation, an antenna guidance is achieved, an antenna arrangement can be achieved which is inexpensive, ensures favorable decoupling, absorbs manufacturing tolerances, has low losses and has a large bandwidth.
- the assembly effort of the overall system into which the antenna system is integrated can be minimized with the measures of the invention.
- webs can be integrated in a simple manner, which are suitable for forming HF chambers over the antenna feed substrate. This serves to decouple the planar antenna beam elements (patches) or their signal supply and other RF circuits on the same substrate.
- the planar antenna beam element (s) can be applied to one or both sides of a dielectric substrate. A single installation of the antenna beam elements is therefore not necessary.
- the substrate or the individual antenna beam elements can advantageously be introduced into openings in the receiving part, so that a defined distance from the antenna feed substrate is ensured even with manufacturing tolerances.
- the breakthroughs can also advantageously be used to form complementary planar antenna beam elements (slot radiators).
- the field coupling between the antenna feed substrate and the beam elements can be optimized if the distance is chosen to be less than a quarter of the operating wavelength, preferably 0.02 to approximately 0.1 of the operating wavelength. If the housing part is provided with at least one recess in the direction of the antenna feed substrate, the base of which is preferably planar, the antenna beam elements or the dielectric substrate can be easily mounted and fixed. Will the transition from
- a particularly metallic receiving part itself or a housing part can have a cover made of dielectric material, which is shaped and dimensioned such that it can serve as a radome or superstrate.
- This outer cover can have lugs in the area of the recesses which engage in the recesses in a form-fitting manner or in the case of complementary planar antenna beam elements
- the receiving part consists of a dielectric material, it can be shaped and dimensioned such that it can itself serve as a radome or superstrate.
- planar antenna beam element (s) can be embedded or injected into the dielectric receiving part.
- the planar antenna beam element (s) can be embedded in a dielectric funcional part which can be inserted in a form-fitting manner in the receiving part and / or the housing part, in particular in its recess.
- the receiving part can be equipped with locking elements for inserting and fixing the antenna beam elements. This makes assembly easier and that
- Desired antenna lobes can be set or undesired side lobes suppressed by different numbers of antenna beam elements compared to associated coupling slots in the antenna feed substrate and different distances.
- a stack arrangement i.e. Attaching several antenna beam elements one above the other can be easily implemented by storing them in the dielectric functional part or the radome.
- the radiation lobes can also be optimized for desired antenna applications by inclining the surface normals of at least two antenna beam elements or inverse planar antenna beam elements to one another. It is also possible to combine normal planar antenna beam elements (metallic plates) with inverse planar radiation elements (slot radiators), in each case one type of planar antenna beam element being accommodated in a different structure (receiving part, cover). A variation in the number and the distance can also be provided here.
- Figure 3 is an exploded view of an antenna arrangement from above
- FIG. 4 shows an exploded view of an antenna arrangement from below
- FIGS. 10 to 14 an antenna arrangement with patches in a substrate for external mounting
- FIGS. 23 to 25 an antenna arrangement with patches arranged in the center
- Figures 26 to 28 an antenna arrangement with different distances between
- 29 to 31 show an antenna arrangement with different distances between the coupling slots and between the patches
- FIGS. 32 to 34 an antenna arrangement with patches inclined with respect to the planes of symmetry
- the invention is based on known planar metallic antenna beam elements (patches) which are insulated from one another and are positioned at a defined distance above an antenna feed substrate and are fed in a field-coupled manner.
- Intermediate space either consist of air, the antenna beam elements being held mechanically outside the patch area, or of a plastic with a low dielectric constant (close to 1), which can be foamed.
- Figure 1 shows a first embodiment of an antenna arrangement according to the invention
- An antenna feed substrate 1 is provided with suitable conductor structures for field coupling via air to one or more planar metallic patches (antenna beam elements) 2 arranged above it.
- the patches 2 are provided in a receiving part 3, which consists of plastic.
- the distance between the feed substrate 1 and a patch 2 is chosen to be less than a quarter of the operating wavelength, preferably 0.02 to approximately 0.1 of the operating wavelength.
- the patches 2 are preferably injected captively at the same time as the plastic part 3 is being injection molded. Either in such a way that the metal plates are completely encapsulated, or in such a way that they are only partially surrounded by plastic at the top, bottom or at the edge.
- the thickness of the leaflets have at least such a thickness as for the production of the
- Composite plastic / metal is necessary.
- the stacking of patches is also easy to manufacture, preferably with two patches lying one above the other at a distance of up to approx. 1/10 of the wavelength of the medium in between.
- the stacked patches can have the same or different sizes and geometries.
- a housing part 5 is provided, which between the antenna feed substrate 1 and the
- Recording part 3 is located.
- the housing part 5 has a recess 6, into which the receiving part 3 with the patch 2 projects.
- the end of the recess 6 is open - thus represents an antenna breakthrough - in order to achieve the field coupling between patch 2 and antenna feed substrate 1. The transition of the recess 6 from the end to
- the outside of the housing part 5 is configured in a hom or funnel shape in order to achieve a targeted wave guidance in the radiation direction and at the same time an optimal wave resistance transformation from the patch 2 to the free space.
- the housing part 5 is designed to be conductive, for example made of aluminum pressure or metallized Plastic injection. It can thus serve as an RF shield for the antenna feed substrate 1 underneath.
- the housing part 5 is provided with webs 7. This creates over the guiding structures of the
- Antenna feed substrate 1 RF chambers that prevent signal crosstalk to an arrangement in a neighboring chamber.
- a housing base 8 is located under the antenna feed substrate 1.
- the receiving part 3 and the housing base 8 are positively connected to the housing part 5, for example by screws, clamps, gluing, etc.
- the Aufiiahmeteil 3 has a corresponding geometry for receiving the
- the top or bottom side can face the antenna feed substrate 1.
- the housing is designed in such a way that the distance between the antenna feed substrate 1 and patch 2 is defined over the entire circumference of the receiving part 3.
- the conductive housing part 5 is not a receptacle for the complete antenna feed substrate, but is in turn only partially positioned on the antenna feed substrate 1. In this case, another part is called
- the patches are in an additional functional part 4, e.g. made of plastic, stored / injected, which is inserted in a form-fitting manner in the housing part 5, in particular in its funnel-shaped or horn-shaped recess 6.
- an additional functional part 4 e.g. made of plastic, stored / injected, which is inserted in a form-fitting manner in the housing part 5, in particular in its funnel-shaped or horn-shaped recess 6.
- Receiving part 3 covers this functional part 4 and forms a unit with it. It can also serve as a radome.
- the receiving part preferably has a groove 8 into which the functional part 4 can be pressed or glued.
- Figure 3 shows the two alternatives of Figures 1 and 2 in a perspective view from above and Figure 4 from below, the alternative of Figure 1 on the left and the alternative of Figure 2 is shown in a common unit on the right.
- This common unit with the two alternatives is advantageous, for example, if one alternative serves as a transmitting antenna and the other alternative as a receiving antenna.
- the alternatives can then be optimized, for example, precisely to the desired different antenna characteristics, for example narrow transmission characteristics and broad reception characteristics or vice versa.
- FIG. 5 shows an alternative to storing the patches 2 in the receiving part 3.
- the receiving part 3 has on its underside latching elements 19, for inserting and fixing the antenna beam elements (patches) 2. These latching elements 19 protrude with the patches 2 through the antenna openings of the housing part 5 and are fixed on the housing part after fixing the antenna feed substrate 1 and the receiving part 3 5 captively positioned over the antenna feed substrate 1.
- Figure 6a shows a perspective top view and Figure 6b shows a bottom view of an embodiment in which the antenna beam elements, here three patches in one
- the antenna feed substrate 1 is, as before, at a distance of 0.02 to approximately 0.1 of the operating wavelength from the patches 2.
- the receiving part 3 itself serves here as a housing part, as can also be the case with other design variants, and is pot-shaped with an upper cover side 10 and a housing frame 11.
- the receiving part 3 points in the area of the substrate 9 in the direction of the antenna feed substrate 1 , a recess 6, the end of this recess passing into a breakthrough for the field coupling of the antenna feed substrate 1 to the substrate 9 or its patches 2.
- the transition from the end / bottom of the recess 6 to the cover side 10 is funnel-shaped or homeshaped for wave guidance in the beam direction.
- the substrate 9 is mounted from the outside, i.e. introduced into the recess 6 up to its planar base and fixed there before it passes into the opening.
- the receiving part 3 has webs 7, each of which for example
- Housing frame 11 extend to the recess 6.
- the patch side of the substrate 9 is used in a defined manner facing or facing away from the antenna feed substrate 1, facing in FIG. 6.
- the substrate 9 can also take on the function of the radome at the same time, so that an additional cover is not required.
- the conductive receiving part 3 is not the complete recording Antenna conductor substrate 1, but is in turn applied only partially positioned on the antenna feed substrate 1. In this case, another part is required as a housing.
- Figures 7, 8 and 9 show in a top view and in section the external assembly in detail.
- the substrate 9 with the patches 2 is placed at the end of the recess 6 on a bead 12 which holds it at a defined distance from the antenna feed substrate 1.
- the substrate 9 is fixed from below against the stop 13 of the receiving part 3 in the region of the recess 6, so that it also has a defined distance from the antenna feed substrate 1 in this embodiment.
- the antenna arrangement with complementary structures consists of an antenna feed substrate 1 with suitable semiconductor structures for field coupling via air to form one or more complementary patches. The distance of the patches from that
- Antenna feed substrate 1 is less than a quarter of the operating wavelength. Practical values are 0.02 to approx. 0.1 of the wavelength. Furthermore, a conductive housing / receiving part 3 with a corresponding geometry is provided for receiving the antenna feed substrate 1. Corresponding patch openings 14 are provided in the dining area above the substrate 1 in the continuation of the beam path, which act as slot radiators. The openings 14 have known patch shapes, such as the rectangular shape shown. With patch arrays, each feed can be chambered below the patches as previously implemented via the webs 7. This chamber geometry is chosen so that there are very good adaptations for the antenna at the operating frequencies. The antenna feed substrate 1 is attached to the housing by the methods described above, such as screwing, gluing, clamping ...
- the existing cover / cover 15 of the arrangement made of a suitable dielectric material, for example plastic or ceramic, is shaped in this way in the antenna area and dimensioned that radome properties are guaranteed.
- the special shape is preferably directed into the housing. This results in the smallest possible volume for the device. This is possible because chambers for HF circuits locally need a certain height next to the antennas, which is then available to the antennas themselves as usable volume in the antenna area.
- Cover / lid 15 of the arrangement made of a suitable dielectric material, e.g. Plastic or ceramic is shaped and dimensioned in the antenna area so that radio properties are guaranteed.
- the special shape is preferably directed into the housing. This results in the smallest possible volume for the device. This is possible because chambers for RF circuits locally need a certain height next to the antennas, which is then available in the antenna area of the antennas itself as a usable volume.
- the existing cover / lid 15 of the arrangement made of a suitable dielectric material, e.g. Plastic or ceramic is in the antenna area inside the device, i.e. formed in the recesses 6, i.e. has at least one approach 51 ( Figures 18 and 19) that the airspace up to the
- Stacked (stacked) patch antennas can be easily realized in combination with the inverse patch arrangements mentioned above and the metal patch attachment described above (injecting slack patches 21 into the lid 15 or liping)
- the openings 6 in the receiving / housing part 3 can again have known funnel or horn antenna shapes in the further course of the antenna axis.
- the conductive housing is not accommodated for the entire conductor substrate, but is itself only partially positioned on the substrate. In this case, another part is required as a housing.
- an arrangement of N welding structures on the surface of the ceramic, alternatively printed circuit board or multilayer composite materials is to be provided, which feed an array of M patches which are fastened to a cover housing.
- M patches which are fastened to a cover housing.
- four patch metal platelets are arranged at a constant height in the middle above the four coupling slots in LTCC substrate or organic multilayer substrate.
- the desired directional characteristic can be represented with a wider lobe and a maximum perpendicular to the surface if no phase shift between the element currents is set.
- An arrangement with an even number of food elements and a larger even number of patches leads to an even wider club, but with a slight minimum in the vertical direction to the surface. If you select this indentation to a maximum of 3 dB, the opening angle can be widened by up to 20% compared to the last solution.
- Number of food elements / patches improve side lobe suppression.
- Coupling factors are set finer and additional directional diagram properties such as improved side lobe suppression or beam broadening can be achieved by small indents.
- a predefined performance distribution (tapering) can also be applied to the
- FIGS. 23 to 25 show an arrangement with four patches arranged in the middle via corresponding coupling slots 22 on the antenna feed substrate 1.
- M patches 2 are arranged over N coupling slots 22, with equal distances between the coupling slots and others or equal distances are adhered to in patches 2.
- N 5 equidistant patches 2 in the radome via
- M 4 equidistant coupling slots 22 on the antenna feed substrate 1 are shown.
- the distances, separately for coupling slots 22 and patches 2 are set to change or change symmetrically outwards compared to the first variant.
- M and N are natural numbers, preferably M> N.
- FIGS. 32 and 33 show a variant in this regard with, for example, 3 complementary (inverse) patches 2 (slot radiators) which are inclined inwards.
- the base of the arch 6 of the receiving part 3 is divided into three mutually inclined surfaces, in each of which slots are provided. Due to the different coupling coefficients, due to different heights in the Z direction, higher side lobe suppression can be generated.
- the patches 2 can be tilted divergent outwards. A rotation of the surface normal around the Y axis moves a beam swivel away from the normal. The rotation can also be different for the individual patches 2.
- the top cover 23 serves as a radome and has no electrical function.
- the radome 23 In order to increase the bandwidth and to utilize a larger aperture (higher antenna gain), it is advantageous to give the radome 23 an electrical focusing, similar to known dielectric lenses. The effect is enhanced if additional electrical radiator structures are attached to the radome. It can be done by injecting, pressing in or galvanizing. If more patches such as coupling slots are applied to the radome, a feed circuit that is small in size can illuminate a much larger area (cf. the design variants according to FIGS. 29 to 31).
- the patches can also be tilted about the Y-axis for str-d-coupling.
- a jagged or stepped form of the radome can also be represented.
- a continuous contour is often required for manufacturing reasons. Tapering can also be provided. Arrangements such as uneven spacing of the coupling slots, uneven spacing of the patches,
- FIGS. 32, 33 and 34 show an arrangement with inverse patches 2, in which the surface normals are turned inwards. It goes without saying that arrangements turned outward can also be represented.
- the highs can also contain positive or negative levels.
- the inverse patches can also be rotated about the Y axis (FIG. 34, top left).
- the representation is based on a column with 3, 4 or 5 patches, but patch arrays can also be constructed with a number of columns different from 1, e.g. 6x4 elements with a continuous inner curved surface.
- further normal patches 2 are held in the radome material in addition to the inverse patches in addition to the previous one. This leads to a broadband antenna arrangement.
- the number of slots (inverse patches) and normal patches are different.
- the M patches are now fed through N coupling slots on a flat HF-suitable printed circuit board made of, for example, organic material or ceramic material such as LTCC (antenna feed substrate 1).
- LTCC inverter feed substrate 1
- the Z distances of patches 2 increase symmetrically towards the outside.
- the patches can also sit on a jagged edge curve and be tilted in the X and / or Y direction.
- the arrangement can also be carried out in several different columns.
- the z distances can also decrease symmetrically outwards. Continuous contours are often preferred for manufacturing reasons.
- Possible applications for the exemplary embodiments presented above are preferably found in motor vehicle technology such as radar distance measurement, ACC (Automatic Cruise Control), parking aids, vehicle-to-vehicle communication, tire pressure transmission, engine data transmission. Use in power tools, e.g. for the detection of lines is also possible. Usage is usually limited to frequencies above 1 GHz.
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Abstract
Bei einer Antennenanordnung ist ein Antennenspeisesubstrat (1) mit seinen Leiterstrukturen über Feldkopplung mit planaren Antennenstrahlelementen (2) verbunden. Für die Antennenstrahlelemente (2) ist ein gegen das Antennenspeisesubstrat (1) fixierbares Aufnahmeteil (3) vorgesehen. Das Aufnahmeteil (3) selbst oder ein mit ihm formschlüssig verbindbares Gehäuseteil (5) dient zur HF-Schinnung des Antennenspeisesubstrats (1). Aufnahmeteil (3) und/oder Gehäuseteil (5) sind derart strukturiert, dass von den planaren Antennenstrahlelementen (1) aus in Abstrahlungsrichtung gesehen eine Wellenführung zustande kommt.
Description
Antennenanordnung insbesondere für Radaranwendungen bei Kraftfahrzeugen
Stand der Technik
Bekannt sind verschiedene planare Antennenanordnungen als Antennenstrahlelemente mit einem oder mehreren leitfähigen äbstrahlfähigen Flächen (Singlepatch oder Patcharray) auf dielektrischen Substratmaterialien (Patchantennen, Microstripantennen). Gespeist sind diese Patches entweder direkt über kontaktierte Leitungen, z.B. am Rand Mikrostreifenleitungen oder durch das Substrat über Durchkontaktierungen in die Patchfläche oder innerhalb des mehrlagigen Substrates mit geeignetem Layout über Feldkopplung. Zur Erzielung einer schmäleren Antennenkeulencharakteristik gibt es den Einsatz; zusätzlicher Elemente wie „Superstrat" (planare dielektrische Platte in bestimmtem Abstand zu den Patches) oder „Polyrod".
Als mechanischer Schutz gegen die Umwelt (Regen, Schnee, Dreck, Steinschlag, ...) sind die Antennen mit einem Radom abgedeckt. In speziellen Fällen ist die Funktion des Superstrat in das Radom durch geeignete Geometrie und Stoffauswahl integriert.
Bekannt sind auch die komplementären Anordnungen, bei denen im Layout die Patches metall-rei sind und die Umgebung leitfahig ist.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d.h. mit einem Antennenspeisesubstrat, mit Leiterstrukturen für eine Feldkopplung zu einem oder mehreren planaren Antennenstrahlelementen, einem gegen das Antennenspeisesubstrat fixierbaren
Aufiiahmeteil für das/die planare/n Antennenstrahlelement e, wobei das Aufnahmeteil selbst oder ein mit ihm insbesondere formschlüssig verbindbares Gehäuseteil zur HF- Schirmung des Antennenspeisesubstrats vorgesehen ist und wobei das Aufnahmeteil und/oder das Gehäuseteil derart strukturiert ist/sind, das von demden planaren Antennenstrahlelement/en aus in Abstrahlrichtung gesehen eine ellenführung zustande kommt, lässt sich eine Antennenanordnung erzielen, die aufwandsarm ist, eine günstige Entkopplung gewährleistet, Fertigungstoleranzen auffängt, geringe Verluste und eine große Bandbreite aufweist. Der Montageaufwand des Gesamtsystems in das das Antennensystem integriert ist, lässt sich mit den Maßnahmen der Erfindung minimieren.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen aufgezeigt.
In das Gehäuseteil lassen sich auf einfache Weise Stege integrieren, die geeignet sind HF- Kammern über dem Antennenspeisesubstrat zu bilden. Dies dient zur gegenseitigen Entkopplung der planaren Antennenstrahlelemente (Patches) bzw. deren Signalzuführung und sonstiger HF-Schaltungen auf dem gleichen Substrat.
Das/die planare/n Antennenstrahlelement/e kann/können ein- oder beidseitig auf einem dielektrischen Substrat aufgebracht sein. Somit entfällt eine Einzelmontage der Antennenstrahlelemente. Das Substrat bzw. die einzelnen Antennenstrahlelemente lassen sich vorteilhaft in Durchbrüchen des Aufhahmeteils einbringen, so dass ein definierter Abstand zum Antennenspeisesubstrat auch bei Fertigungstoleranzen gewährleistet ist. Die Durchbrüche lassen sich vorteilhaft auch zur Bildung von komplementären planaren Antennenstrahlelementen (Schlitzstrahlern) benutzen. Die Feldkopplung zwischen Antennenspeisesubstrat und den Strahlelementen lässt sich optimieren, wenn der Abstand kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge gewählt wird, vorzugsweise 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge. Wird das Gehäuseteil in Richtung des Antennenspeisesubstrats mit mindestens einer Ausnehmung versehen, deren Grund vorzugsweise planar ausgebildet ist, lassen sich die Antennenstrahlelemente bzw. das dielektrische Substrat einfach montieren und fixieren. Wird der Übergang vom
Grund/Ende der Ausnehmung zur Außenseite des Au&ahmeteils hom- oder trichterförmig ausgebildet, lässt sich eine optimale Wellenführung für die Abstrablung sowie eine optimale Wellenwiderstandstransformation vom Abstrahlelement zum Freiraum erreichen.
Ein insbesondere metallisches Aufnahmeteil selbst oder ein Gehäuseteil kann eine Abdeckung aus dielektrischem Material aufweisen, die so geformt und dimensioniert ist, dass sie als Radom oder Superstrat dienen kann. Diese äußere Abdeckung kann im Bereich der Ausnehmungen Ansätze aufweisen, die formschlüssig in die Ausnehmungen eingreifen bzw. im Falle von komplementären planaren Antennenstrahlelementen
(Schlitzstrahler) letztere durchdringen. Diese Maßnahme fuhrt zu einem gegenüber herkömmlichen Patchantennen reduzierten Volumen, bzw. Baulänge, was insbesondere bei K-raftfahrzeuganwendungen im Bereich der Stoßstange Vorteile bringt.
Wenn das Aufnahmeteil aus einem dielektrischen Material besteht, kann es so geformt und dimensioniert sein, dass es selbst als Radom oder Superstrat dienen kann.
Das/die planare/n Antennenstrahlelement/e kann/können in das dielektrische Aufhahmeteil eingelagert bzw. eingespritzt sein. Alternativ hierzu kann/können das/die planare/n Antennenstrahlelement e in ein dielektrisches Funklionsteil eingelagert sein, welches formschlüssig in das Aufnahmeteil und/oder das Gehäuseteil, insbesondere in dessen Ausnehmung einsetzbar ist.
Das Aufnahmeteil kann mit Rastelementen zum Einbringen und Fixieren der Antennenstrahlelemente ausgestattet sein. Dies erleichtert die Montage und das
Auswechseln von Antennenstrahlelementen.
Über unterschiedliche Anzahlen von Antennenstrahlelementen gegenüber zugehörigen Koppelschlitzen im Antennenspeisesubstrat sowie unterschiedlichen Abständen lassen sich gewünschte Antennenkeulen einstellen, bzw. unerwünschte Nebenkeulen unterdrücken.
Eine Stack-Anordnung (Stapelung), d.h. Anbringen mehrerer Antennenstrahlelemente übereinander, lässt sich durch Einlagern in das dielektrische Funktionsteil oder das Radom einfach realisieren.
Durch Neigung der Flächennormalen mindestens zweier Antennenstrahlelemente bzw. inverser planarer Antennenstrahlelemente gegeneinander lassen sich die Abstrahlkeulen ebenfalls auf gewünschte Antennenanwendungen optimieren.
Es können auch normale planare Antennenstrahlelemente (metallische Plättchen) mit inversen planaren Abstrahlelementen (Schlitzstrahlern) kombiniert werden, wobei jeweils eine Art von planaren Antennenstrahlelementen in einer anderen Struktur (Aufnahmeteil, Abdeckung) untergebracht wird. Auch hier kann eine Variation der Anzahl und des Abstandes vorgesehen sein.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen Schnitt durch eine Antennenanordnung mit Patches in einem dielektrischen
Aufnahmeteil,
Figur 2 einen Schnitt durch eine Antennenanordnung mit Patches in einem dielektrischen
Funktionsteil, Figur 3 eine Explosionszeichnung einer Antennenanordnung von oben,
Figur 4 eine Explosionszeichnung einer Antennenanordnung von unten,
Figur 5 eine Antennenanordnung mit in den Radom eingespritzten bzw. eingeklipsten
Patches,
Figur 6 bis 9 eine Antennenanordnung mit Patches in einem Substrat für Außenmontage, Figur 10 bis 14 eine Antennenanordnung mit Patches in einem Substrat für
Innenmontage,
Figur 15 bis 17 eine Antennenanordnung mit inversen Patches,
Figur 18 bis 19 eine Antennenanordnung mit dielektrischer Füllung der inversen Patches,
Figur 20 bis 22 eine Antennenanordnung mit zusätzlichen Stackpatches im Radom, Figur 23 bis 25 eine Antennenanordnung mit mittig angeordneten Patches über
Koppelschlitzen,
Figur 26 bis 28 eine Antennenanordnung mit unterschiedlichen Abständen zwischen
Koppelschlitzen einerseits und Patches andererseits,
Figur 29 bis 31 eine Antennenanordnung mit verschiedenen Abständen zwischen den Koppelschlitzen und zwischen den Patches,
Figur 32 bis 34 eine Antennenanordnung mit bezüglich der Symmetrieebenen geneigten Patches,
Figur 35 bis 37 eine Antennenanordnung mit gegeneinander geneigten inversen Patches und normalen Patches im Radom.
Beschreibung von Ausflihrungsbeispielen
Die Erfindung geht aus von bekannten gegeneinander isolierten planaren metallischen Antennenstrahlelementen (Patches), die in einem definierten Abstand über einem Antennenspeisesubstrat positioniert und feldgekoppelt gespeist werden. Dabei kann der
Zwischenraum entweder aus Luft bestehen, wobei die Antennenstrahlelemente außerhalb des Patchbereichs mechanisch gehalten werden oder aus einem Kunststoff mit kleiner Dielektrizitätszahl (nahe 1), der geschäumt sein kann.
Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausbildung einer Antennenanordnung im
Schnitt. Ein Antennenspeisesubstrat 1 ist mit geeigneten Leiterstrukturen für eine Feldkopplung über Luft zu einem oder mehreren planaren darüber angeordneten metallischen Patches (Antennenstrahlelementen) 2 versehen. Die Patches 2 sind in einem Auihahmeteil 3 vorgesehen, welches aus Kunststoff besteht. Der Abstand zwischen dem Speisesubstrat 1 und einem Patch 2 wird kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge, vorzugsweise 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge gewählt. Vorzugsweise werden die Patches 2 gleich bei der Spritzgussherstellung des Kunststoffieils 3 unverlierbar mit eingespritzt. Entweder so, dass die Metallplättchen komplett umspritzt werden, oder auch so, dass sie nur partiell oben, unten oder am Rand vom Kunststoff umgeben sind. Die Dicke der Blättchen haben mindestens eine solche Dicke wie sie für die Herstellung des
Verbundes Kunststoff/Metall notwendig ist. Einfach fertigbar ist auch die Stapelung von Patches vorzugsweise mit zwei übereinanderliegenden Patches im Abstand bis ca. 1/10 der Wellenlänge des dazwischen liegenden Mediums. Die gestapelten Patches können dabei gleiche oder unterschiedliche Größen und Geometrien aufweisen. In Figur 1 ist ein Gehäuseteil 5 vorgesehen, welches zwischen dem Antennenspeisesubstrat 1 und dem
Aufnahmeteil 3 gelegen ist. Im Bereich eines Patches 2 weist das Gehäuseteil 5 eine Ausnehmung 6 auf, in die das Aufnahmeteil 3 mit Patch 2 ragt. Das Ende der Λusnehmung 6 ist in dieser Λusführungsvariante offen - stellt also einen Antennendurchbruch dar - um die Feldkopplung zwischen Patch 2 und Antennenspeisesubstrat 1 zu erreichen. Der Übergang der Ausnehmung 6 vom Ende zur
Außenseite des Gehäuseteils 5 ist hom- oder trichterförmig ausgestaltet, um eine gezielte Wellenfiihrung in Abstrahlrichtung und gleichzeitig eine optimale Wellenwiderstandstransformation vom Patch 2 zum Freiraum zu erreichen. Das Gehäuseteil 5 ist leitfähig ausgebildet, z.B. aus AL-Druck- oder metallisiertem
Kunststoffspritzguss. Es kann damit als eine HF-Schirmung für das darunter gelegene Antennenspeisesubstrat 1 dienen.
Zur besseren Entkopplung der Signalzuführung zu den einzelnen Patches 2 ist das Gehäuseteil 5 mit Stegen 7 versehen. Dadurch entstehen über den Leitimgsstrukturen des
Antennenspeisesubstrats 1 HF-Kammern, die ein Signalübersprechen zu einer Anordnung in einer Nachbarkammer verhindern. Unter dem Antennenspeisesubstrat 1 befindet sich ein Gehäuseboden 8. Aufnahmeteil 3 und Gehäuseboden 8 sind formschlüssig mit dem Gehäuseteil 5 beispielsweise durch Schrauben, Klemmen, Kleben, etc. verbunden. Das Aufiiahmeteil 3 weist eine entsprechende Geometrie zur Aufnahme des
Antennenspeisesubstrats und des Aufhahmeteils 3 auf. Bei asymmetrischem Kunststoffpatchteil kann die Ober- oder Unterseite dem Antennenspeisesubstrat 1 zugewandt sein. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass der Abstand zwischen Antennenspeisesubstrat 1 und Patch 2 über den ganzen Umfang des Aufhahmeteils 3 definiert ist. Bei entsprechend dichter Ausführung kann das Kunststoffleil gleichzeitig die
Funktion des Radoms mit übernehmen, so dass ein zusätzlicher Deckel entfällt.
Alternativ ist das leitende Gehäuseteil 5 nicht Aufnahme des kompletten Antennenspeisesubstrats sondern ist seinerseits nur partiell auf dem Antennenspeisesubstrat 1 positioniert aufgebracht. In diesem Fall ist ein weiteres Teil als
Gehäuse notwendig.
Bei der Ausgestaltung nach Figur 2 sind die Patches in ein zusätzliches Funktionsteil 4, z.B. aus Kunststoff, eingelagert/eingespritzt, welches in das Gehäuseteil 5, insbesondere in dessen trichter- oder hornformige Ausnehmung 6 formschlüssig eingelegt ist. Das
Aufnahmeteil 3 überdeckt dieses Funktionsteil 4 und bildet mit diesem eine Einheit. Es kann gleichzeitig als Radom dienen. Vorzugsweise weist das Aufnahmeteil eine Nut 8 auf, in die das Funktionsteil 4 einpressbar oder einklebbar ist. Figur 3 zeigt die beiden Alternativen der Figuren l und 2 in einer perspektivischen Ansicht von oben und Figur 4 von unten, wobei links die Alternative der Figur 1 und rechts die Alternative der Figur 2 in einer gemeinsamen Einheit dargestellt ist. Diese gemeinsame Einheit mit den beiden Alternativen ist z.B. dann von Vorteil, wenn die eine Alternative als Sendeantenne und die andere Alternative als Empfangsantenne dient. Dann können die Alternativen z.B. genau auf gewünschte unterschiedliche Antennencharakteristiken optimiert werden, z.B. schmale Sendecharakteristik und breite Empfangscharakteristik oder umgekehrt.
Figur 5 zeigt eine Alternative zur Einlagerung der Patches 2 in das Aufnahmeteil 3 auf. Das Aufnahmeteil 3 weist an seiner Unterseite Rastelemente 19 auf, zum Einbringen und Fixieren Einklipsen der Antennenstrahlelemente (Patches) 2. Diese Rastelemente 19 ragen mit den Patches 2 durch die Antennendurchbrüche des Gehäuseteils 5 und sind nach Fixierung des Antennenspeisesubstrats 1 und des Aufhahmeteils 3 am Gehäuseteil 5 unverlierbar über dem Antennenspeisesubstrat 1 positioniert.
Figur 6a zeigt in einer perspektivischen Aufsicht und Figur 6b in einer Untersicht ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem die Antennenstrahlelemente, hier drei Patches in einer
Spalte, auf einem dielektrischen Leiterplattensubstrat 9 auf einer oder auf beiden Substratseiten aufgebracht sind. Sind Patches 2 auf beiden Seiten aufgebracht, können diese auch unterschiedliche Geometrien aufweisen Patch-0 und Patch-U). Das Antennenspeisesubstrat 1 liegt wie zuvor im Abstand von 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge zu den Patches 2. Das Aufnahmeteil 3 für das dielektrische Substrat
9 mit den Patches 2 ist wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen leitfähig, z.B. aus AL-Druck- oder metallisiertem Kunststoffspritzguss.
Das Aufiiahmeteil 3 dient hier selbst als Gehäuseteil, wie dies bei anderen Ausführungsvarianten auch der Fall sein kann, und ist topfförmig ausgebildet mit einer oberen Deckelseite 10 und einem Gehäuserahmen 11. Das Aufnahmeteil 3 weist im Bereich des Substrats 9 in Richtung auf das Antennenspeisesubstrat 1 zu, eine Λusnehmung 6 auf, wobei das Ende dieser Λusnehmung in einen Durchbruch für die Feldkopplung des Antennenspeisesubstrats 1 mit dem Substrat 9 bzw. dessen Patches 2 übergeht. Der Übergang vom Ende/Grund der Ausnehmung 6 zur Deckelseite 10 hin ist trichter- oder homförmig zur Wellenführung in Strahlrichtung ausgebildet. Das Substrat 9 wird beim Ausführungsbeispiel von Figur 6 von außen montiert, d.h. in die Ausnehmung 6 bis zu ihrem planaren Grund eingebracht und dort fixiert, bevor dieser in den Durchbruch übergeht. Um HF-Kammern zur Schirmung des Antennenspeisesubstrats 1 zu bilden, weist das Aufiiahmeteil 3 Stege 7 auf, die beispielsweise jeweils vom
Gehäuserahmen 11 bis zu der Ausnehmung 6 reichen. Die Patchseite des Substrats 9 ist dem Antennenspeisesubstrat 1 definiert zu- oder abgewandt eingesetzt, in Figur 6 zugewandt. Bei entsprechend dichter Ausführung kann das Substrat 9 gleichzeitig die Funktion des Radoms mit übernehmen, so dass ein zusätzlicher Deckel entfällt. Alternativ ist das leitende Aufiiahmeteil 3 nicht Aufnahme des kompletten
Antennenleitersubstrats 1, sondern ist seinerseits nur partiell auf dem Antennenspeisesubstrat 1 positioniert aufgebracht. In diesem Fall ist ein weiteres Teil als Gehäuse notwendig.
Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen in einer Aufsicht und im Schnitt die Außenmontage detailliert. Das Substrat 9 mit den Patches 2 Hegt am Ende der Ausnehmung 6 auf einem Wulst 12 auf, der es in definiertem Abstand zum Antennenspeisesubstrat 1 hält. Bei der -hnenmontage gemäß den Figuren 10 bis 14 wird das Substrat 9 von unten gegen den Anschlag 13 des Aufhahmeteils 3 im Bereich der Ausnehmung 6 fixiert, damit es auch bei dieser Ausführungsform einen definierten Abstand zum Antennenspeisesubstrat 1 aufweist.
Nachfolgend wird eine komplementäre (inverse) planare Antennenstruktur beschrieben, die gegenüber komplementären Patchantennen mit Luftabstand kein besonderes Teil mit den inversen Strukturen benötigt, da diese in ein schon vorhandenes Teil mit integriert sind. Dies führt zu einer Kostenreduzierung durch weniger Teile und geringerer Toleranzstreuung (Extrateile die nicht vorhanden sind haben auch keine Toleranz). Die Antennenanordnung mit komplementären Strukturen besteht gemäß Figur 15 bis 17 aus einem Antennenspeisesubstrat 1 mit geeigneten l-^iterstπ-kturen für Feldkopplung über Luft zu einem oder mehreren komplementären Patches. Der Abstand der Patches zu dem
Antennenspeisesubstrat 1 ist kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge. Praktische Werte sind 0,02 bis ca. 0,1 der Wellenlänge. Weiter ist ein leitfahiges Gehäuse- /Aufhahmeteil 3 mit entsprechender Geometrie zur Aufnahme des Antennenspeisesubstrats 1 vorgesehen. Im Speisebereich über dem Substrat 1 in der Fortsetzung des Strahlenganges sind entsprechende Patchdurchbrüche 14 vorgesehen, die als Schlitzstrahler wirken. Die Durchbrüche 14 weisen bekannte Patchformen auf, wie die dargestellte Rechteckform. Unterhalb der Patches kann bei Patcharrays jede Speisung wie zuvor realisiert über die Stege 7 gekammert sein. Diese Kammergeometrie wird so gewählt, dass sich für die Antenne bei den Betriebsfrequenzen sehr gute Anpassungen ergeben. Die Befestigung des Antennenspeisesubstrates 1 an das Gehäuse erfolgt nach den zuvor geschilderten Methoden wie Schrauben, Kleben, Klemmen...
Nachfolgend werden Varianten und Erweiterungen beschrieben: Die vorhandene Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung aus einem geeigneten dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder Keramik ist im Antennenbereich so geformt
und dimensioniert, dass Radom- Eigenschaften gewährleistet sind. Vorzugsweise ist die spezielle Formgebung in das Gehäuse gerichtet. Dadurch ergibt sich für das Gerät das kleinstmögliche Volumen. Dies ist dadurch möglich, da Kammern für HF-Schaltungen örtlich neben den Antennen eine gewissen Höhe benötigen, die dann im Antennenbereich den Antennen selbst als nutzbares Volumen zur Verfügung steht. Die vorhandene
Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung aus einem geeigneten dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder Keramik, ist im Antennenbereich so geformt und dimensioniert, dass Radomeigenschaften gewährleistet sind. Vorzugsweise ist die spezielle Formgebung in das Gehäuse gerichtet. Dadurch ergibt sich für das Gerät das kleinstmögliche Volumen. Dies ist dadurch möglich, da Kammern für HF-Schaltungen örtlich neben den Antennen eine gewisse Höhe benötigen, die dann im Antennenbereich der Antennen selbst als nutzbares Volumen zur Verfügung steht. Die vorhandene Abdeckung/Deckel 15 der Anordnung aus einem geeigneten dielektrischen Stoff, z.B. Kunststoff oder Keramik, ist im Antennenbereich so ins Geräteinnere, d.h. in die Ausnehmungen 6 geformt, d.h. weist mindestens einen Ansatz 51 auf (Figur 18 und 19), dass der Luftraum bis an die
Patchaußenoberfläche reicht, bzw. sogar durch den Patchdurchbruch hindurch ragt. Weiter verbesserte Antenneneigenschaften sind mit geringem Mehraufwand zu erzielen. Gestackte (gestapelte) Patchantennen können in Kombination mit den oben angeführten inversen Patchanordnungen und der zuvor beschriebenen Metallpatchbefestigung (Slackpatches 21 in den Deckel 15 einspritzen bzw. ein lipsen) leicht realisiert werden
(Figuren 20 bis 22). Die Dimensionen und Formen der gestapelten Patches können gleich oder unterschiedlich sein.
Die Durchbrüche 6 im Aufhahme/-Gehäuseteil 3 können im weiteren Verlauf der Antennenachse wieder bekannte Trichter- oder Hornantennenformen aufweisen.
Alternativ ist das leitende Gehäuse nicht Aufhahme des kompletten Leitersubstrates, sondern ist seinerseits nur partiell auf dem Substrat positioniert aufgebracht. In diesem Fall ist ein weiteres Teil als Gehäuse notwendig.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante ist eine Anordnung von N ScUitzstrukturen auf der Oberfläche der Keramik, ersatzweise Leiterplatte oder Mehrschicht- Verbundmaterialien vorzusehen, die ein Array von M Patches speisen, die an einem Deckelgehäuse befestigt sind. Beispielsweise sind vier Patchmetallplättchen in konstanter Höhe mittig über den vier Koppelschlitzen in LTCC-Substrat oder organischem Mehrlagensubstrat angeordnet.
Der erste Vorteil liegt darin, dass ein enges Koppelnetzwerk auf einem planaren Substrat erstellt werden kann, das eine Anordnung räumlich entfernter Stnikturen speist, die eine größere Apertur besitzen.
Durch gezieltes Ausnutzen von einer ungeradzahligen Anordnung von Speiseelementen mit einer größeren ungeradzahligen Zahl von Patches lässt sich die gewünschte Richtcharakteristik mit einer breiteren Keule und einem Maximum senkrecht zur Fläche darstellen, wenn keine Phasenverschiebung zwischen den Elementströmen eingestellt wird. Eine Anordnung mit geradzahhger Anzahl von Speiseelemenlen und einer größeren geraden Anzahl von Patches führt auf eine noch breitere Keule, jedoch mit einem leichten Minimum in senkrechter Richtung zu Oberfläche. Wählt man diesen Einzug zu maximal 3 dB lässt sich der Öffhungswinkel gegenüber der letzten Lösung bis zu 20% verbreitern.
Gezielt kann man durch die Anordnung von gerader/ungerader bzw. ungerader/gerader
Zahl von Speiseelementen/Patches die Nebenkeulenunterdrückung verbessern.
Bislang wurde immer ein konstanter Abstand der Patches und Koppelelemente (Koppelschlitze) vorausgesetzt. Dieser lässt sich aber auch symmetrisch zunehmend oder abnehmend, jeweils getrennt für Speiseelemente oder Patches wählen. Damit können die
Verkopplungsfaktoren feiner eingestellt werden und zusätzliche Richtdiagrammeigenschaften wie verbesserte Nebenkeulenunterdrückung oder Strahlverbreiterung durch kleine Einzüge erzielt werden.
Ebenfalls lässt sich eine vordefinierte Leistungsverteilung (Taperung) auf die
Speiseelemente und Patches durch Veränderung der Koppelkoeffizienten erreichen.
Wenn mechanische Gründe oder Fertigungsgründe dafür sprechen, können Koppelnetzwerke dicht gepackt werden und dazu weniger Patches verwendet werden (N>M); Beispiel zu große Patches im Radom durch klein strukturierte Schlitze gespeist.
Die Figuren 23 bis 25 zeigen eine Anordnung mit vier mittig angeordneten Patches über entsprechenden Koppelschlitzen 22 auf dem Antennenspeisesubstrat 1. Bei der Variante gemäß den Figuren 26 bis 28 werden über N Koppelschlitzen 22 M Patches 2 angeordnet, wobei gleiche Abstände zwischen den Koppelschlitzen und andere oder gleiche Abstände
bei den Patches 2 eingehalten werden. Bei der dargestellten Variante sindN = 5 äquidistante Patches 2 im Radom über M = 4 äquidistanten Koppelschlitzen 22 auf dem Antennenspeisesubstrat 1 dargestellt. Mit erhöhter Anzahl von Sendepatches 2 erhält man maßlich längere Antennen mit größerer Reichweite, wie es sonst allein durch das Substratmaß nicht möglich ist, bzw. das Substratmaß kann kleiner als üblich gewählt werden. Bei der Variante nach den Figuren 29 bis 31 werden die Abstände, getrennt für Koppelschlitze 22 und Patches 2 gegenüber der ersten Variante sich verändernd symmetrisch nach außen zunehmend oder abnehmend eingestellt. M und N sind natürliche Zahlen mit vorzugsweise M>N.
Bei den bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen wie z.B. vier Patches 2 jeweils in konstanter Höhe über den Koppelschlitzen 22 des Antennenspeisesubstrats 1 (LTCC- Schaltung oder organisches Mehrlagensubstrat) und Speisung mit gleicher Leistung und Phase kann sich eine unnötig hohe Nebenzipfelabstrahlung und ein nicht optimales Antennendiagramm ergeben. Dieser Nachteil lässt sich unterdrücken, wenn mindestens zwei planare Antennenstrahlelemente 2 und/oder inverse planare Antennenstrahlelemente bezüglich ihrer Flächennormalen gegeneinander geneigt sind. Die Figuren 32 und 33 zeigen eine diesbezügliche Variante mit beispielsweise 3 komplementären (inversen) Patches 2 (Schlitzstrahler), die nach innen geneigt sind. Der Grund der Einwölbung 6 des Aufhahmeteils 3 ist hierzu in drei zueinander geneigte Flächen aufgeteilt, in denen jeweils Schlitze vorgesehen sind. Durch die verschiedenen Koppelkoeffizienten, bedingt durch unterschiedliche Höhen in Z-Richtung, lässt sich eine höhere Nebenkeulenunterdrückung erzeugen. Für eine breite Keule können dagegen die Patches 2 divergent nach außen geneigt werden. Eine Drehung der Flächennormale um die Y- Achse bewegt eine Strahlschwenkung, weg von der Normalen. Die Drehung kann für die einzelnen Patches 2 auch ungleich sein. Die obere Abdeckung 23 dient als Radom und hat keine elektrische Funktion.
Zur Erhöhung der Bandbreite und zum Ausnutzen einer größeren Apertur (höherer Antennengewinn) ist es vorteilhaft dem Radom 23 eine elektrische Fokussierung zu geben, ähnlich bekannter dielektrischer Linsen. Die Wirkung wird noch verstärkt, wenn zusätzlich elektrische Strahlerstrukturen am Radom befestigt werden. Es kann durch Einspritzen, Einpressen oder Galvanisieren geschehen.
Werden auf dem Radom mehr Patches wie Koppelschlitze angebracht, kann eine klein zu bemessende Speiseschaltung eine viel größere Fläche ausleuchten (vgl. hierzu die Λusführungsvarianten gemäß den Figuren 29 bis 31). Die zusätzlichen Vorteile wie zuvor geschildert, z.B. Ausnutzen einer ungeradzahligen Anordnung von Speiseelementen mit einer größeren ungeradzahligen Zahl von Patches sowie der Abstandsvariation in Z-
Richtung, können ebenfalls erreicht werden. Zusätzlich können zur Str-d-dableιιkung die Patches noch um die Y-Achse gekippt werden. Eine gezackte oder stufige Form des Radoms ist ebenfalls darstellbar. Aus fertigungstechnischen Gründen wird oft eine stetige Kontur gefordert. Ebenfalls kann eine Taperung vorgesehen sein. Anordnungen wie ungleichmäßige Abslände der Koppelschlitze, ungleichmäßige Abstände der Patches,
Anordnung von mehreren Spalten mit in sich optimierten Elementen auf stetigen oder gezackten Konturen, sowie N Speiseelemente mit M Koppelschlitzen und der Tatsache einer gekippten Radom-Anordnung lassen sich selbstverständlich einzeln oder in Kombination von diesen ebenfalls im Sinne dieser Erfindung darstellen.
Nachfolgend werden einige der zuvor aufgezeigten Varianten anhand von Zeichnungen erläutert.
Die Figuren 32, 33 und 34 zeigen eine Anordnung mit inversen Patches 2, bei denen die Flächennormalen nach innen gedreht sind. Selbstverständlich lassen sich auch nach außen gedrehte Anordnungen darstellen. Die Höhen können auch positive oder negative Stufen enthalten. Zur Einstellung einer gewissen Vorzugsrichtung können die inversen Patches auch um die Y-Achse gedreht werden (Figur 34 links oben). Die Darstellung geht von einer Spalte mit 3,4 oder 5 Patches aus, jedoch können auch Patcharrays mit einer von 1 verschiedenen Anzahl von Spalten aufgebaut werden, z.B. 6x4 Elemente mit einer stetigen innenliegenden gekrümmten Fläche. In Erweiterung zum Vorherigen sind in den Figuren 35 bis 37 neben den inversen Patches weitere normale Patches 2 im Radom- Material gehaltert. Dies führt zu einer breitbandigeren Antennenanordnung. Zudem ist die Anzahl der Schlitze (inverse Patches) und normalen Patches verschieden.
Wie zuvor werden die M Patches nun durch N Koppelschlitze auf einer ebenen HF- geeigneten Leiterplatte aus z.B. organischem Material oder keramischem Stoff wie LTCC (Antennenspeisesubstrat 1) gespeist. Die Z-Abstände der Patches 2 nehmen symmetrisch nach außen zu. Die Patches können auch auf einer gezackten Berandungskurve sitzen und in X- und/oder Y-Richtung verkippt sein. Selbstverständlich
lässt sich die Anordnung auch in mehreren, verschiedenen Spalten durchführen. Je nach gewünschter Strahlformung können auch die z-Abstände symmetrisch nach außen abnehmen. Aus Fertigungsgründen werden oft stetige Konturen bevorzugt.
Einsatzmöglichkeiten für die zuvor vorgestellten Ausfuhrungsbeispiele ergeben sich vorzugsweise in der -öaftfahrzeugtechnik wie Radar- Abstandsmessung, ACC (Automatic Cruise Control), Einparkhilfen, Fal-rzeug-Fa-irzeug-Kommunikation, Reifendruckübertragung, Motordatenübertragung. Ein Einsatz in Elektrowerkzeugen, z.B. zur Detektion von Leitungen, ist ebenfalls möglich. Der Einsatz ist üblicherweise auf Frequenzen oberhalb von 1 GHz beschränkt.
Claims
1. Antennenanordnung insbesondere für Radaranwendungen bei Kraftfahrzeugen bestehend aus: einem Antennenspeisesubstrat (1) mit Leiterstrukturen für eine Feldkopplung zu einem oder mehreren planaren Antennenstrahlelement/en (2), einem gegen das Antennenspeisesubstrat (1) fixierbaren Aufiiahmeteil (3) für das/die planare/n Antennenstrahlelement/e (2), wobei das Aufnahmeteil (3) selbst oder ein mit ihm insbesondere formschlüssig verbindbares Gehäuseteil (5) zur HF-Schirmung des Antennenspeisesubstrats (1) vorgesehen ist und wobei das Aufiiahmeteil (3) und/oder das Gehäuseteil derart strukturiert isl/sind, dass von dem/den planaren Antennenstrahlelement/en aus in Abstrahlrichtung gesehen eine Wellenführung zustande kommt.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (5) in Richtung des Antennenspeisesubstrats (1) Stege (7) aufweist zur Bildung von HF-Kammern über dem Antennenspeisesubstrat (1).
3. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das/die planare/n Antennenstrahlelement/e (2) auf einem dielektrischen Substrat (9) ein- oder beidseitig aufgebracht ist/sind.
4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet- dass das Gehäuseteil (5) mindestens einen Durchbruch (14) aufweist zum Einbringen der planaren Antennenstrahlelemente (2) bzw. des dielektrischen Substrats (9), falls das/die Antennenstrahlelement/e (2) auf letzterem aufgebracht ist/sind oder zur Bildung mindestens eines komplementären planaren Antennenstrählelements, wobei ein Durchbruch (14) einen Schlitzstrahler bildet.
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Antennenspeisesubstrat (1) und den planaren Antennenstrahlelementen (2) bzw. dem dielektrischen Substrat (9) auf das diese aufgebracht sind kleiner ist als ein Viertel der Betriebswellenlänge, vorzugsweise 0,02 bis ca. 0,1 der Betriebswellenlänge.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (5) im Bereich der Antennenstrahlelemente (2) in Richtung auf das Antennenspeisesubstrat (1) zu mindestens eine Ausnehmung (6) aufweist und der Übergang vom Grund/Ende der Ausnehmung (6) zur Außenseite des Gehäuseteils (5) hörn- oder trichterförmig ausgebildet ist.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (3) selbst das Gehäuseteil (5) bildet.
8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (3) oder das Gehäuseteil (5) eine äußere Abdeckung aus einem dielektrischen Material aufweist, die so geformt und dimensioniert ist, dass sie als Radom oder Superstrat dienen kann.
9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Abdeckung (16) im Bereich eines Durchbruchs (14) mindestens einen Ansatz (15) aufweist, der formschlüssig in die Ausnehmung (6) eingreift.
10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von komplementären (inversen) planaren Antennenstrahlelementen die Ansätze (15) die Durchbrüche (6) durchragen.
11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das/die planare/n Antennenstrahlelement/e (2) in das dielektrische Aufnahmeteil (3) eingelagert insbesondere eingespritzt ist/sind.
12. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das/die planare/n Antennenstrahlelement/e (2) in ein dielektrisches Funktionsteil (4) eingelagert ist sind, welches insbesondere formschlüssig in das Aufnahmeteil (3) bzw. das Zusatzteil (5) einsetzbar ist, insbesondere in dessen Ausnehmung (6).
13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufiiahmeteil (3) Rastelemente (19) zum Einbringen und Fixieren der Antennenstrahlelemente (2) aufweist.
14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass M Antennenstrahlelemente (2) vorgesehen sind und N zugehörige Koppelschlitze (22) im Antennenspeisesubstrat (1) für die Feldkopplung, wobei M und N natürliche Zahlen sind und M vorzugsweise größer als N ist.
15. Antennenanordnung nach Ansprach 14, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Abstände zwischen den Koppelschlitzen (22) und/oder den Antennenstrahlelementen (2) vorgesehen sind.
16. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Antennenstrahlelemente (2) gestackt/gestapelt übereinander vorgesehen sind, wobei mindestens eines der Antennenstrahlelemente (2) insbesondere in das dielektrische Funktionsteil (4) oder das Radom eingelagert ist.
17. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei planare Antennenstrahlelemente (2) und/oder inverse planare Antennenstrahlelemente bezüglich ihrer Flächennormalen gegeneinander geneigt sind.
18. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl planare Antennenstrahlelemente wie auch inverse planare Antennenstrahlelemente vorgesehen sind, wobei insbesondere die inversen planaren Antennenstrahlelemente (2) bezüglich ihrer Flächennormalen gegeneinander geneigt sind.
19. Antennenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzähl der planaren Antennenstrahlelemente (2) von der Anzahl der inversen planaren Antennenstrahlelemente verschieden ist.
20. Antennenanordnung nach Ansprach 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die inversen planaren Antennenstrahlelemente im Aufnahmeteil (3) angeordnet sind und die planaren Antennenstrahlelemente in der Abdeckung (15).
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