EP3671951A1

EP3671951A1 - Antennenvorrichtung

Info

Publication number: EP3671951A1
Application number: EP18215599.4A
Authority: EP
Inventors: Alexander Popugaev; Mengistu TESSEMA
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-24
Also published as: EP3900111B1; EP3900111A1; WO2020128096A1

Abstract

Antennenvorrichtung mit einer Strahleranordnung in einer in Abstrahl-/Empfangsrichtung oberen Ebene; und in einer in der Abstrahl-/Empfangsrichtung unteren Ebene; wobei die Strahleranordnung zumindest vier Elemente umfasst, die durch Spalte voneinander beabstandet in der oberen Ebene zu einer Quadrantenstruktur angeordnet sind, wobei jedes der vier Elemente in einem zentralen Winkelbereich einen Speisepunkt aufweist, über den jedes Element mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks verbunden ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenvorrichtung sowie auf eine GNSS-Antenne. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine breitbandige Antennenvorrichtung mit limitierten Abmessungen.
Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS), wie das amerikanische GPS, das russische GLONASS, das chinesische BeiDou oder das europäische Galileo, sind zu einem elementaren Bestandteil von Navigationsanwendungen geworden, welche stetig steigende Anforderungen an eine genaue, verlässliche und möglichst immer verfügbare Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitinformation haben.
Je größer jedoch die Abhängigkeit von GNSS ist, desto größer wird auch die Gefahr von Störungen und Täuschungen. Um einen möglichst manipulationssicheren Betrieb von GNSS zu ermöglichen, wurden und werden für autorisierte Nutzer verschiedene Sicherheitsmechanismen entwickelt.
Im Falle von GPS wird neben dem zivilen C/A-Code (Coarse/Acquisition) im L1-Band (siehe Fig. 1) der nicht öffentlich bekannte (militärische) P/Y-Code (Precision/encrypted) in den Bändern L1 und L2 eingesetzt. Militärische GPS-Empfänger und Antennen sind daher meistens für diese zwei Frequenzbänder ausgelegt.
Das Galileo-System bietet für hoheitliche Zwecke den öffentlich regulierten Dienst (Public Regulated Service - PRS). Die Bandbreite der kryptierten PRS-Signale E1 und E6 wird jeweils mit mindestens 40 MHz spezifiziert (etwas größer als in Fig. 1 dargestellt). Es ist geplant, in naher Zukunft militärische und BOS-Fahrzeuge (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben) der beteiligten EU-Mitgliedsstaaten mit PRS-Empfängermodulen auszustatten.
Bereits im Stand der Technik gibt es schon einige Ansätze, wie ausgehend von limitierten Platzverhältnissen ein oder mehrere Bänder des oben erläuterten L-Bandes empfangen werden können.
Die Grundlage für robuste Positionsbestimmungen ist ein möglichst hohes Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis (C/N0), welches dem passiven Antennengewinn proportional ist.
Eine der am häufigsten verwendeten militärischen GPS-Antennen ist die in Fig. 2 dargestellte S67-1575-86 von Sensor Systems. Fig. 3 zeigt eine kompatible Antenne von AntCom. Um statische Aufladungen zu verhindern, sind die Antennenelemente galvanisch mit der Masse verbunden (DC grounded). Wie die meisten kompakten L1/L2-Antennen, sind diese sehr resonant, sodass nur innerhalb der L1- und L2-Bänder verhältnismäßig hohe Gewinnwerte ermöglicht werden.
Durch ein solches Verhalten zeichnen sich beispielsweise Keramikantennen mit zwei übereinander angeordneten planaren Antennenelementen (Resonatoren) aus (vgl. Fig. 4).
Eine aus der Literatur bekannte Möglichkeit, eine hohe Effizienz bei einer elektrisch kleinen Antennengröße zu erreichen, ist die Verwendung von planaren Antennenstrukturen mit einem Kreuzschlitz (vgl. Fig. 5).
Jeder der vier metallischen Strahlerteile wird an einer der äußeren Ecke gespeist und am äußeren Rand mittig mit der Massefläche galvanisch verbunden. Die relative Impedanzbandbreite (Maß: Stehwellenverhältnis VSWR≤2:1) der hier gezeigten Antennen beträgt ca. 20%. Die Achsenverhältnisbandbreite (Axial Ratio AR≤3 dB bzw. Kreuzpolarisationsunterdrückung XPD≥15,5 dB) wird durch das verwendete schmalbandige Konzept des seriellen Speisenetzwerks auf ca. 10% begrenzt.
Eine größere Bandbreite (ca. 30%) hinsichtlich aller Antennenparameter kann mithilfe eines parallelen Vier-Punkt-Speisenetzwerks erzielt werden. In Fig. 6 ist die Struktur und Miniaturisierung des parallelen Vier-Punkt-Speisenetzwerks einer zirkular polarisierten Antenne veranschaulicht. Jeder Speisepunkt der miniaturisierten Variante wird mithilfe eines Leitungstransformators und einer leerlaufenden Stichleitung breitbandig angepasst.
Keine der oben erläuterten Stand der Technik-Varianten bietet einen ausreichenden Antennengewinn breitbandig bei gleichsam geringen Abmessungen. Insofern besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz für eine breitbandige Antennenlösung, insbesondere bei ähnlichen Formfaktoren wie handelsübliche L1/L2-Lösungen (Durchmesser < 90 mm, Bauhöhe < 30 mm), die einen robusten Empfang von allen GNSS-Signalen im L-Band ermöglicht. Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Antennenkonzept zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus benötigtem Bauraum, Antennengewinn und Breitbandigkeit schafft.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Antennenvorrichtung mit einer Strahleranordnung und einem Speisenetzwerk. Die Strahleranordnung ist in einer in Abstrahlrichtung oberen Ebene angeordnet, während das Speisenetzwerk in einer entsprechenden unteren Eben angeordnet ist. Beispielsweise kann das Speisenetzwerk auf einem ein- oder mehrlagigen Träger vorgesehen sein. Die Strahleranordnung umfasst zumindest vier Elemente (vier strahlende Elemente), die durch Spalte voneinander beabstandet (isoliert) in der oberen Ebene angeordnet sind. Die Anordnung ist derart, dass vier Quadranten ausgebildet werden. Jedes der vier Elemente ist in einem zentralen Winkelbereich über einen jeweiligen Speisepunkt mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks verbunden. Hierzu ist je Element ein sich aus der oberen Ebene in Richtung der unteren Ebene erstreckendes Fußelement (z.B. umgefalzter Vorsatz oder angesetztes Via vorgesehen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist jedes der vier Elemente durch ein Kreisbogensegment, z. B. Einem 90°-Kreisbogensegment geformt. Die vier Kreisbogensegmente in der Quadraturanordnung bilden also eine Art Vollkreis, wobei die Elemente jeweils durch einen Spalt von dem nächsten Element beabstandet sind. Infolge dieser Quadraturanordnung bildet der Spalte eine Art Kreuzschlitz aus. Durch diese Form ist es vorteilhafterweise möglich, dass eine maximale Fläche, insbesondere bei der Randbedingung eines begrenzten Durchmessers (von z.B. 100 oder 90 mm) eingenommen werden kann. Vorteilhafterweise ist durch das obige Design auch eine flache Form realisierbar (z.B. <30mm), was einen Fahrzeugbündigen Einbau ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass durch die schichtweise Anordnung von Speisenetzwerk und Antennenstrahler eine optimale Platzausnutzung eines Gehäuses erreicht werden kann, wobei durch die quadraturförmige Anordnung bzw. Kreuzschlitzanordnung gute Abstrahlcharakteristik erreicht wird. Indem jedes der vier Elemente eine einzelne Speisung hat, die mit dem direkt darunterliegenden Teilspeisenetzwerk verbunden ist, kann die Strahlanordnung sehr effizient betrieben werden. Dies fördert den resultierenden Antennengewinn. Dadurch, dass jedes Strahlerelement mittig über das Fußelement, das den Speisepunkt beherbergt, angeregt wird, erfolgt eine symmetrische Anregung, was für den breitbandigen Betrieb besonders wichtig ist.
Im Resultat wird also durch die oben skizzierte Anordnung eine Antennenvorrichtung mit hoher Bandbreite und gutem Antennengewinn in der gesamten Bandbreite erreicht, wobei Randbedingungen, wie der geringe Bauraum erreicht werden.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Speisenetzwerk und den einzelnen Antennenelementen ein dielektrisches Element, wie z. B. ein Teflonkörper vorgesehen. Dies ermöglicht einerseits einen ausreichenden Abstand zwischen Speisenetzwerk und den strahlenden Elementen auszubilden, wobei dieser Abstand ausgefüllt ist, um hier eine erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) zu realisieren.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die vier Elemente identisch bzw. im Wesentlichen identisch und können beispielsweise Kreiselemente, 90°-Kreissegmente, Dreiecke oder Polygone umfassen. Insbesondere bei dem Aufbau mit 90°-Kreissegmenten wird es klar, dass die Anordnung zumindest zwei verspiegelsymmetrisch und auch bereichsweise punktsymmetrisch ist.
Bezüglich der zentralen Ankopplung sei angemerkt, dass dies dadurch realisiert wird, dass die Ankopplung in einem mittleren Teilkreissegment erfolgt. Dieses mittlere Teilkreissegment wird erreicht, wenn man das einzelne Kreisbogensegment in drei gleich große Teilkreissegmente (z. B. 33°-Teilkreissegmente) untergliedert und hier die Ankopplung in dem mittleren Element vornimmt (wenn möglich weit außen bzw. im äußeren Drittel. Eine entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen optimale Ankopplung wird erreicht, wenn der Ankopplungspunkt genau entlang der Mittellinie in Bezug auf den Winkel des Kreissegments vorliegt. Bei einem 90°-Kreissegment wäre das dann ein 45°-Winkel, wobei auch hier wiederum eine Ankopplung möglichst weit außen, d. h. im Bereich des äußeren Drittels anzustreben wäre.
Bezügliche der Herstellung sei angemerkt, dass jedes der Elemente der Strahlungselemente durch Bleche oder Folien gebildet sein kann, weil die Folie beispielsweise auf den dielektrischen Körper als Träger aufgebracht ist. Auch wenn sich jegliche leitende Elemente eignen, kann bei der Herstellung von Blechen und Folien gleichzeitig das Fußelement mit dem Speisepunkt durch eine ungefalzte Nase realisiert sein. Diese Nase erstreckt sich beispielsweise am äußeren Rand von der Hauptebene in Richtung des Speisenetzwerks (beispielsweise Winkel im Bereich von 35 bis 80°).
Bezüglich des Speisenetzwerks sei, wie bereits oben angemerkt, darauf hingewiesen, dass dieses auf einem ein- oder mehrlagigen Träger angeordnet ist. Wenn man von einem mehrlagigen Träger ausgeht, kann entsprechend Ausführungsbeispielen dieser wie folgt realisiert sein:

Speisenetzwerkslage
dazwischenliegende Masselage oder dazwischenliegende Doppelmasselage
RF-Frontend-Lage.

Jedes Speisenetzwerk weist entsprechend Ausführungsbeispielen eine Sektion für die einzelnen der mindestens vier Elemente der Strahleranordnung auf. Zur breitbandigen Anpassung kann entsprechend Ausführungsbeispielen je Speisepunkt (je strahlendes Element) eine Stichleitung oder gegenüber Masse kurzgeschlossene Stichleitung vorgesehen sein. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Speisenetzwerk auch zumindest eines der folgenden Elemente umfassen: Leistungstranformator, Wilkinson-Koppler und/oder Verzögerungsleitung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine GNSS-Antenne mit einem Gehäuse und einer entsprechenden Antennenvorrichtung. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist diese GNSS-Antenne rund und hat einen maximalen Durchmesser von 90 mm.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung der GNSS-Signale im L-Band;
Fig. 2 und 3: schematische Darstellungen von Stand der Technik-Sensoren;
Fig. 4: schematische Darstellung eines typischen Antennenelements für dualbandige GPS-Antennen in Form einer zirkularpolarisierten Stacked Patch-Antenne (vgl. [4]);
Fig. 5a und 5b: eine quadratische und eine runde zirkularpolarisierte Patch-Antenne (vgl. [5], [6] und [7]) mit Kreuzschlitz und seriellem Speisenetzwerk;
Fig. 6a bis 6c: schematische Darstellungen einer typischen Topologie eines Speisenetzwerks einer breitbandigen zirkularpolarisierten Antenne (vgl. [8]) zur Illustration der Miniaturisierbarkeit gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 7a: eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 7b: eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
Fig. 7c und 7d: eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einem Gehäuse (GNSS-Antenne) in der Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
Fig. 7e und 7f: schematische Darstellungen zur Illustration des Speisenetzwerks zur Illustration von optionalen Aspekten gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 7g: eine schematische Darstellung einer weiteren Antennenvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Fig. 8A und 8b: schematische Diagramme zur Illustration des passiven Antennengewinns in dBic für einen ersten Frequenzbereich in Fig. 8a und einen zweiten Frequenzbereich in Fig. 8b zur Illustration der Effizienz der GNSS-Antenne aus Fig. 7c,d.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Bei nachfolgender Diskussion wird das Basisausführungsbeispiel anhand von Fig. 7a erläutert, während optionale Aspekte im Zusammenhang mit den Fig. 7b, 7c und 7d diskutiert werden. Fig. 7e und Fig. 7f zeigen optionale Aspekte des Speisenetzwerks gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen.
Bezug nehmend auf Fig. 7a sei angemerkt, dass hier alle Basiselemente dargestellt sind, wobei auch noch zusätzliche Elemente in der Figurendarstellung enthalten sein können, die aber für die Antennenvorrichtung nicht zwingend erforderlich sind. Bezug nehmend auf Fig. 8a und 8b wird dann die Effizienz anhand von Diagrammen zur Illustration der Abstrahlcharakteristik erläutert. Nach der Diskussion dieser Diagramme werden dann Variationsmöglichkeiten für die einzelnen Merkmale, insbesondere die Merkmale des Basisausführungsbeispiels diskutiert.
Fig. 7a zeigt eine Antennenvorrichtung 10 mit den zwei Basismerkmalen Strahleranordnung 12 und Speisenetzwerk 14. Das Speisenetzwerk ist beispielsweise auf eine einlagige oder mehrlagige Platine aufgebracht und befindet sich in einer unteren Ebene, z. B. am Boden der Antennenvorrichtung, während sich die Strahleranordnung in einer oberen Ebene befindet. Beide Ebenen können im Wesentlichen parallel zueinander sein, wobei optional das Speisenetzwerk 14 und die Strahleranordnung einander fluchtend sind. Entsprechend einem optionalen Aspekt sind diese, wie hier dargestellt, in Abstrahlrichtung 12r voneinander beabstandet. Die Abstrahlrichtung 12r der Antennenvorrichtung 10 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
Die Strahleranordnung 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier einzelne Elemente 12a bis 12d (wobei 12d durch eine optionale Komponente verdeckt ist). Die vier Elemente 12a bis 12c, sind jeweils beispielsweise halbkreisförmige Elemente, die zu einem Quadranten angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Elemente 12a bis 12d durch 90°Kreissegmente geformt, so dass sich ein zweifach spiegelsymmetrischer und eindimensional punktsymmetrischer Aufbau einstellt. Alle Elemente 12a bis 12d sind in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der oberen Ebene angeordnet. Alle in den vier Quadranten angeordneten Strahlerelemente 12a bis 12d sind durch Spalte 12s getrennt. Diese können ausgehend von den 90°-Kreissegmenten eine konstante Dicke von 1 bis 3 mm aufweisen, wobei selbstverständlich aber auch jede beliebige andere Form mit variablem Querschnitt denkbar wäre.
Jedes Strahlerelement 12a bis 12c ist über einen eigenen Speisepunkt mit dem zugehörigen Speisepunkt des Speisenetzwerks 14 verbunden. Die Speisepunkte zugehörig zu den Strahlern 12a bis 12d sind mit dem Bezugszeichen 12as, 12bs, 12cs und 12ds kenntlich gemacht. In diesem Ausführungsbeispiel sind diese Speisepunkte 12as bis 12ds durch Fußelemte bzw. Nasen bzw. gefalzte Nasen geformt, die an der Kreislinie angeordnet sind. Diese Nasen sind nach unten gefalzt (d.h. erstrecken sich aus der oberen Ebene heraus in Richtung der unteren Ebene und ermöglichen so eine Verbindung zu den zugehörigen Speisepunkten 14as bis 14ds. Bezüglich der Speisepunkte ist es wichtig zu erwähnen, dass es sich hier um eine so genannte zentrale Einspeisung handelt, die also, wenn man sich das jeweilige Kreissegment anschaut, mittig in Bezug auf den Winkel angreift. Im Allgemeinen ist die jeweilige Nase 12as bis 14ds in einem mittleren Winkelbereich angeordnet. Dieser mittlere Winkelbereich ist hier mit dem Bezugszeichen β kenntlich gemacht und entspricht im Wesentlichen den mittleren Teilkreissegment, wenn man das einzelne Kreissegment in drei gleich große Kreissegmente untergliedert. Innerhalb dieses Bereiches kann der Speisepunkt beliebig angeordnet sein. An dieser Stelle sei aber auch darauf hingewiesen, dass eine bevorzugte Anbringung möglichst zentral, d. h. auf der Winkelhalbierenden des 90°-Kreissegments (oder eines anderswinkligen Kreissegments) vorzusehen ist, während auch eine Anordnung möglichst im Bereich der Randlinie (vgl. Kreislinie) zu bevorzugen wäre.
Fig. 7b zeigt eine weitere Antennenvorrichtung 10'. Die Vorrichtung 10' entspricht im Wesentlichen der Antennenvorrichtung 10, wobei hier zwischen der Srahleranordnung 12 umfassend die vier strahlenden Quadranten 12a, 12b und 12c und dem Speisenetzwerk 14 der Raum mit einem Material, hier einem dielektrischen Körper 16 gefüllt ist. Der dielektrische Träger kann beispielsweise aus einem Kunststoffvolumen oder einer Polyimidfolie geformt sein. Diese Folie kann mit einer zusätzlichen Metallisierung beschichtet sein (flexible Leiterplatte), die dann die strahlenden Elemente 12 formt. Wenn man von einem runden Körper 16 ausgeht, werden die vier Kreissegmente mit einer Art Kreuzschlitzform auf die Oberfläche aufgebracht, um die vier Strahlerelemente 12a bis 12d zu formen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann sowohl zentral beim Kreuzschlitz als auch am Ende der Schlitze 12s eine Aussparung vorgesehen sein, um z. b. für Schrauben oder andere Befestigungsmittel den notwendigen Bauraum zu schaffen. Des Weiteren kann der Körper 16 auch im Bereich der Nasen 12as bis 12ds eine Aussparung aufweisen, so dass diese entsprechend zu der Leiterplatte zugehörig zu dem Speisenetzwerk 14 hin gebogen sein können.
Bei der hier dargestellten Variante aus Fig. 7b ist die Antennenvorrichtung 10 auch in einem Gehäuse eingebettet, das aus der Grundplatte 18g und dem Deckel 18d besteht. Der Boden weist eine Aufnahme für die ein- oder mehrlagige Leiterplatte, die das Speisenetzwerk beherbergt auf. Auf das Speisenetzwerk wird dann der dielektrische Körper 16 mit den strahlenden Elementen 12a bis 12d aufgebracht, bevor dann das Gehäuse mit dem Deckel 18d von oben verschlossen wird. Optionalerweise kann zwischen dem Gehäuseboden 18g und dem Gehäusedeckel 18d eine Dichtung vorgesehen sein. Durch die Schrauben können die einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden. So ist es beispielsweise möglich, dass durch die zentrale Mittelschraube der dielektrische Block mit den strahlenden Elementen zusammen mit der Leiterplatte 14 auf der Grundplatte 18g befestigt wird, während der Deckel 18d und damit das Gehäuse durch die vier dezentralen Schrauben verschließbar sind. Über diese Schrauben ist auch die gesamte Antenne auf einem weiteren Bauelement, wie z. B. einem Fahrzeug aufbringbar. Die verschlossene Position ist in Fig. 7c gezeigt, während Fig. 7d in der Schnittdarstellung die dezentralen Bohrungen (vgl. Bezugszeichen 18s) darstellt.
In diesen Figuren ist auch ein weiteres optionales Merkmal, nämlich elektrischer Anschluss für die gesamte Antennenvorrichtung vorgesehen. Diese ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen und ragt auf der Unterseite des Bodens 18g hinaus. Der Stecker 20 ragt durch den Boden 18g hindurch und kontaktiert von unten die Leiterplatte, die das Speisenetzwerk 14 beherbergt. Dadurch, dass der Stecker 20 an der Unterseite hinausragt, kann von unten die Antennenvorrichtung kontaktiert werden und gleichzeitig das Kabel bei der Befestigung der Antennenvorrichtung versenkt werden. Bei dem hier dargestellten Stecker kann es sich beispielsweise um einen F-Stecker oder einen ähnlichen Stecker handeln.
An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die Dicke der Grundplatte 18g es ermöglicht, dass Bauteile, wie z. B. Filter oder ähnliches auf der Leiterplatte vorgesehen sein können.
Die Einbettung der Leiterplatte, die das Speisenetzwerk 14 beherbergt, ist in Fig. 7e und 7f dargestellt. Beide Figuren zeigen die Einbettung der Leiterplatte 14l in den Gehäuseboden 18g, wobei hier wiederum die Bohrungen 18s zu erkennen sind. Optionalerweise kann die Leiterplatte 14l im Bereich dieser Bohrungen ausgespart sein.
Die Leiterplatte 14l mit dem Schaltnetzwerk 14 ist rund und kann grob in vier Sektoren/Kreissegmente untergliedert werden, wie anhand der gestrichelten Linien dargestellt ist. Jeder Sektor umfasst einen Teil des Speisenetzwerks, der einem der vier Elemente zugeordnet ist.
Folglich ist in jedem Sektor ein Speisepunkt 14as bis 14ad vorgesehen. Wie anhand von Fig. 7f gezeigt ist, ist jede Nase 12as bis 12ds mit dem jeweiligen Speisepunkt 14as bis 14ds verbunden, z. B. durch eine reine Klemmkraft oder auch durch eine mechanisch-elektrische Verbindung, wie z. B. auf Basis eines Lotes. Um jeden Speisepunkt herum ist eine entsprechende Speisenetzwerkssektion angeordnet, die zur Speisung des einzelnen Elements dient. Jede Sektion kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine kurzgeschlossene Stichleitung 15sd umfassen, wobei der Kurzschlusspunkt mit dem Bezugszeichen 15sdk gekennzeichnet ist. Dieser Kurzschlusspunkt ist z.B. durch ein Via realisiert, das die Stichleitung mit einer in einer unteren Ebene angeordneten Masselage verbindet. Selbstverständlich kann auch eine andere Möglichkeit des Kurzschlussbildens gegeben sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Leitungstransformator je Speisepunkt vorgesehen sein. Dieser Leitungstransformator ist mit dem Bezugszeichen 15lt versehen. Die einzelnen Speisepunkte 14as bis 14ds sind durch so genannte Verzögerungsleitungen 15vl (z. B. zwei Paare mit jeweils 90° (Viertelwellenlänge) Längenunterschied bei der Mittenfrequenz) miteinander verbunden, die dann in Summe es ermöglichen, die Antenne als RHCP-Antenne zu betreiben.
Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst das Speisenetzwerk 14, insbesondere in der zentralen Sektion 14z auch noch weitere Komponenten, die hier in der Speisenetzwerklage implementiert sind, wie zum Beispiel einen 180°-Hybriden, einen oder mehrere Wilkinson-Koppler und/oder Leitungstransformator.
Das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 kann als herkömmliches Speisenetzwerk (vgl. Fig. 6a) oder auch als miniaturisiertes Speisenetzwerk, z.B. auf Basis von Mäanderformen (vgl. Fig. 6b und 6c) implementiert sein, dessen Grundidee darauf basiert, dass Ringleitungen es ermöglichen eine Topologie gut zu miniaturisieren (vgl. [8]).
Zusätzlich ist in einem weiteren zentralen Bereich 14n ein Freibereich vorgesehen, in welchem die Lage des Speisenetzwerks mit dem Antennenanschluss verbunden werden kann. Dieser Antennenanschluss ist, wie in Fig. 7c und 7d ersichtlich, von der Rückseite zu Ankontaktierung vorgesehen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das hier dargestellte Speisenetzwerk 14 auf einer mehrlagigen Platine ausgeführt, die z. B. in einer obersten Lage (Lage zugewandt den strahlenden Elementen 12) das Speisenetzwerk beherbergt, während in einer unteren Lage das RF-Frontend mit Filtern, LNAs oder anderen Elektronikkomponenten implementiert ist. Wie bereits oben erläutert, ist das Verwenden dieser untersten Lage deshalb vorteilhaft, da so diese Komponenten im Gehäuseboden 18g untergebracht und dadurch abgeschirmt werden können. Entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen ist zwischen dieser RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage eine zusätzliche Masselage vorgesehen, gegenüber der beispielsweise der Kurzschluss der Stichleitung 15sd (vgl. 15sdk) gebunden sein kann. Entsprechend zusätzlichem Ausführungsbeispiel können auch zwei Masselagen vorgesehen sein, die herstellungstechnisch einfach zu realisieren sind, wenn man von zwei gestapelten Leiterplatten ausgeht. Darüber hinaus bietet diese doppelte Masselage zwischen der RF-Frontend-Lage und der Speisenetzwerklage auch schirmungstechnische Vorteile.
Bei den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der Speisepunkt je Strahlerelement zentral angeordnet ist, z. B. am äußeren Ende des Kreissegments. Es wäre selbstverständlich auch eine mittige Anordnung, z. B. im Teilkreissegment β möglich, die herstellungstechnisch durch ein aufgesetztes Via oder ein andersartig gelötetes Bein realisiert sein kann.
Fig. 8a und 8b illustrieren den Antennengewinn für zwei unterschiedliche Bänder. Hierbei zeigt Fig. 8a den Antennengewinn in dBic für 1,16 bis 1,30 GHz, während 8b den Antennengewinn in dBic im Bereich von 1,52 bis 1,61 GHz zeigt. Die RHCP-Komponente ist durchgezogen illustriert, während die LHCP-Komponente gestrichelt illustriert ist. Eine gute Antenneneffizienz wird dann erreicht, wenn unter anderem ein ausreichender Abstand der RHCP und LHCP-Komponente vorhanden ist.
In beiden relevanten Bändern bzw. Bereichen des L-Bandes bildet sich ein symmetrischer Empfangsgewinn aus, der je nach Winkel im Regelfall bei 0 bis +5 dBiC liegt, zumindest bei -60 bis +60°. Im Detail, beträgt der Antennengewinn im freien Raum (ohne Groundplane) im unteren Frequenzbereich -3,5 dBic bei 10° Elevation und +2,5 dBic im Zenit; im oberen Frequenzbereich liegen die Werte zwischen -3,5 und +5 dBic. Die Kreuzpolarisationsunterdrückung ist im gesamten Frequenzbereich besser als 15,5 dB (AR≤3 dB).

Der Zusammenhang ist auch noch einmal durch nachfolgende Tabelle dargestellt:

		Ausführungs beispiel	StdT: Sensor Systems S67-575-86	StdT: AntCom G5Ant-3A4T1-SS
Abmessungen (ohne TNC-Buchse), mm		Ø89, H25	Ø89, H18	Ø89, H22
Passiver Antennengewinn in dBic @ Elevation 10 ... 90°	L5 & E5	≥-3,5	k. A.	≥-9,0
	L2	≥-3,5	≥-2,5	≥-3,5
	E6	≥-3,5 (50 MHz BB)	k. A.	≥-6,5 (20 MHz BB)
	L1 & E1	≥-3,5 (50 MHz BB)	≥-2,5 (20 MHz BB)	≥-2,7 (20 MHz BB)

Wie bei obiger Tabelle ersichtlich wird, sind derartige Antennen insbesondere in Bezug auf ihren Durchmesser (<100 oder < 90 mm) begrenzt.
Fig. 7g zeigt eine Implementierung der bezugnehmend auf Fig. 7a erläuterten Antennenvorrichtung 10". Hier sind die strahlenden Elemente 12a"-12d" durch Leiterplatten geformt. Jedes strahlende Elemente 12a"-12d" hat im Wesentlichen eine dreieckige Form bzw. eine dreieckige Form mit abgeflachten Ecken, so dass durch die Strahleranordnung 12" ein Viereck bzw. Achteck geformt wird. Entlang der Hypotenusen sind die Fußelemente 12af"-12df" senkrecht (allgemein: gewinkelt) angesetzt. Diese Fußelemente 12af"-12df" erstrecken sich über die gesamte Seite und sind dreieckig, sodass im zentralen Winkelbereich (hier bei 45° zwischen den zwei Katheten) der Speisepunkt durch die Spitze des Drecks / dreieckigen Fußelements 12af"-12df" geformt wird, der dann mit dem Speisepunkt des Speisenetzwerks 14" verbunden ist.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass die Antennenanordnung im Wesentlichen ein kreisförmiges Segment mit vier 90°-Segmenten ausbildet, so sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Segmente auch < (z.B. 75°) oder allgemein im Bereich von 30 bis 90° betragen können, wobei dann entweder zusätzliche Elemente vorgesehen sind oder die Spalten 12s größer dimensioniert sind. Weiter sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen es auch nicht notwendig ist, dass jedes Element einen Halbkreis beschreibt, so dass die Kreislinie auch durch eine einfache geradlinige Begrenzungslinie gebildet sein kann, so dass jedes der vier Elemente also durch ein Dreieck geformt ist. Auch wäre eine eckige Begrenzungslinie im Sinne eines Polygons denkbar. Im Allgemeinen sei darauf hingewiesen, dass jede Freiform möglich wäre.
Bezüglich der dreidimensionalen Ausbildung sei angemerkt, dass, wie insbesondere anhand von Fig. 7d ersichtlich wird, jedes einzelne Element am Randbereich gebogen sein kann, so dass die Antennenanordnung insgesamt beispielsweise eine pilzförmige Struktur ausbildet. Dies hat einerseits den Zweck, dass auch zu den Seiten hin gute Empfangseigenschaften ermöglicht werden können und ist andererseits auch dem geschuldet, dass die gewünschte Gehäuseform eine derartige Biegung der strahlenden Elemente bedingt. An dieser Stelle sei deswegen angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Elemente der Strahleranordnung beliebig geformt/gebogen sein können.
Wie bereits oben erläutert, kann das Speisenetzwerk 14 auf einer einlagigen oder mehrlagigen Leiterplatte implementiert sein oder einen diskreten Aufbau (vgl. Fig. 6a) aufweisen.
Auch wenn bei obigen Beispielen davon ausgegangen wurde, dass der dielektrische Körper 16k als Element vorliegt, auf den beispielsweise die strahlenden Elemente 12a bis 12d als Folien aufgebracht sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass diese selbstverständlich auch durch einen Kunststoffkäfig oder ähnliches geformt sein kann, um die gewünschten dielektrischen Eigenschaften zu erreichen. Auch wäre eine Perforierung des Körpers denkbar. Alternativ könnte das gesamte Gehäuse beim Verschließen vergossen werden, so dass der Körper später ausgebildet wird. Mögliche Materialien für diesen Träger sind Keramik, PTFE oder anderen nicht leitende Polymere bzw. allgemein nicht leitende Elemente.
Bezüglich der Materialien für die Strahlenelemente sei angemerkt, dass hier sich jegliche Bleche, wie z. B. Weißbleche (vorzugsweise lötbar) oder auch Metallfolien eignen.
Oben erläuterte Antennenvorrichtungen eignen sich für einen möglichen Einsatz in militärischen und BOS-Fahrzeugen (ggf. leicht modifiziert), welche in naher Zukunft mit PRS-Modulen ausgestattet werden sollen.
Darüber hinaus umfasst das technische Anwendungsgebiet der Erfindung Positionierung und Vermessung in Land- und Forstwirtschaft, Katastervermessung, Fahrzeug- und Maschinensteuerungen in Bau- und Landwirtschaft, GNSS-Überwachungssysteme, Luft- und Raumfahrtanwendungen.
Nachfolgend werden weitere Aspekte erläutert. Ein Aspekt betrifft eine Antennenvorrichtung mit einem mittig platzierten Strahler, der entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel auf einem dielektrischen Träger, wie z. B. einer Polyimidfolie aufgebracht sein kann. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist dessen Metallisierung in vier gleiche Elemente geteilt, z. B. durch ein kreuzförmiges Prisma. Entsprechend einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel weist jede Metallisierung einen eigenen Speisepunkt auf, der mithilfe eines Leitungstransformators und mindestens einer kurzgeschlossenen Stichleitung breitbandig angepasst ist. Insbesondere durch die kurzgeschlossene Stichleitung wird ein integrierter Schutz vor statischer Aufladung gebildet. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann allerdings anstatt dieser kurzgeschlossenen Stichleitung bzw. additiv zu dieser kurzgeschlossenen Stichleitung jeweils ein Leitungstransformer und mindestens der laufenden Stichleitung mit mindestens einer Parallelinduktivität vorgesehen sein, der auch einen integrierten Schutz ermöglicht.
Wie oben bereits erläutert ist der dielektrische Träger optional, wobei eben diese dielektrische Füllung zwischen Strahler und einer unter dem Strahler angeordneten Leiterplatte für erhöhte mechanische Stabilität (Trittschutz) dient. Entsprechend einem Aspekt ist die Leiterplatte mehrlagig ausgeführt, wobei beispielsweise auf der Oberseite ein Speisenetzwerk und auf der Unterseite ein RF-Frontend (z.B. umfassend Filter, LNAs, usw.) vorgesehen sein kann. Zwischen diesen zwei Lagen können ein oder mehrere Innenlagen vorgesehen sein, die Masse bilden.
Diese Merkmale ermöglichen vorteilhafterweise, dass ausgehend vom begrenzten Bauraum, beispielsweise 89 x 25 mm oder allgemein < 90 mm Durchmesser und < 30 mm Höhe, eine breitbandige GNSS-Antenne realisiert werden kann.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird also eine GNSS-Antenne mit obiger Antennenvorrichtung und einem entsprechenden Gehäuse geschaffen.

Referenzierte Dokumente

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[4]B. Rama Rao et al "Compact Co-Planar Dual-Band Microstrip Patch Antennas for Modernized GPS", https://www.mitre.org/publications/technical-papers/compact-coplanardualband-microstrip-patch-antennas-for-modernized-gps
[5]Xi Chen et al "High-Efficiency Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna With Wide Beamwidth for Airborne Communication", IEEE Antennas and Wireless Propag. Letters, vol. 15, 2016
[6]Xi Chen et al "Low-cost 3D Printed Compact Circularly Polarized Antenna with High Efficiency and Wide Beamwidth", In Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) 2016
[7] CN 105811099 A (EN: Small satellite navigation antenna and anti-multipath interference cavity thereof)
[8]A. Popugaev "Miniaturisierte Mikrostreifenleitungs-Schaltungen bestehend aus zusammengesetzten Viertelkreisringen" Promotionsschrift, N&H Verlag, Erlangen, 2014

Claims

Antennenvorrichtung (10, 10', 10") mit folgenden Merkmalen
einer Strahleranordnung (12, 12") in einer in Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) oberen Ebene; und
einem in einer in der Abstrahl-/Empfangsrichtung (12r) unteren Ebene angeordneten Speisenetzwerk (14, 14");
wobei die Strahleranordnung (12, 12") zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) umfasst, die durch Spalten (12s) voneinander beabstandet in der oberen Ebene zu einer Quadrantenstruktur angeordnet sind, wobei jedes der vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) zumindest in einem zentralen Winkelbereich (β) ein sich aus der oberen Ebene in Richtung der unteren Ebene erstreckendes Fußelement umfasst, das einen Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) formt, über den jedes Element mit einem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks (14as, 14bs, 14cs, 14ds) verbunden ist.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 1, wobei die Strahleranordnung (12, 12") und das Speisenetzwerk (14, 14") zueinander fluchtend angeordnet sind und/oder wobei die Strahleranordnung (12, 12") und das Speisenetzwerk (14, 14") eine runde Form aufweisen.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) identische Elemente sind.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) Kreissegmente, 90°-Kreissegmente, Dreiecke und/oder Polygone umfassen.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahleranordnung (12, 12") symmetrisch, rotationssymmetrisch, punktsymmetrisch einfach oder zweifach spiegelsymmetrisch ist.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) durch Kreissegmente geformt sind, die jeweils in drei gleich große Teilkreissegmente unterteilbar sind, wobei das mittlere der drei Teilkreissegmente den zentralen Winkelbereich (β)umfasst; oder
wobei jedes der zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) durch Kreissegmente geformt ist und das Fußelement oder der der Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) entlang des halben Winkels des Kreissegments angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Eben der Strahleranordnung (12, 12") und der Ebene des Speisenetzwerks (14, 14") ein dielektrischer Träger (16) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zumindest vier Elemente (12a, 12b, 12c, 12d) jeweils durch Bleche, Leiterplatten, gebogene Bleche, eine Folie, eine metallisierte dielektrische Folie oder deren Kombination dieser geformt sind.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 8, wobei jedes der zumindest vier Fußelemente durch eine Nase (12as, 12bs, 12cs, 12ds) oder ungefalzte Nase an einer Außenseite des jeweiligen Elements oder Kreisbogenlinie des jeweiligen Elements geformt ist, wobei die Nase oder ungefalzte Nase den jeweiligen Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) formt, der mit dem entsprechenden Speisepunkt des Speisenetzwerks (14as, 14bs, 14cs, 14ds) verbunden ist.
Antennenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Speisenetzwerk (14, 14") auf einer einlagigen oder mehrlagigen Leiterplattenanordnung geformt ist.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß Anspruch 10, wobei die mehrlagige Leiterplattenanordnung eine Speisenetzwerklage sowie eine RF-Frontendlage mit einer dazwischenliegenden Masselage umfasst, oder
wobei die mehrlagige Anordnung eine Speisenetzwerklage und eine RF-Frontendlage mit einer dazwischenliegenden Doppelmasselage umfasst.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Speisenetzwerk (14, 14") je Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) eine gegenüber Masse kurzgeschlossene Stichleitung (15sd) umfasst.
Antennenvorrichtung (10, 10', 10") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Speisenetzwerk (14, 14") zumindest eines der Elemente aus der Gruppe umfassend einen Leitungstransformator (15lt), einen Wilkinson-Koppler und eine Verzögerungsleitung umfasst, oder
wobei das Speisenetzwerk (14, 14") je Speisepunkt (12as, 12bs, 12cs, 12ds) zumindest eines der Elemente aus der Gruppe umfassend einen Leitungstransformator (15lt), einen Wilkinson-Koppler und eine Verzögerungsleitung umfasst.
GNSS-Antenne mit:
einem Gehäuse (18g, 18d); und

einer in dem Gehäuse eingebetteten Antennenvorrichtung (10, 10', 10").
GNSS-Antenne, wobei die GNSS-Antenne rund ist und/oder wobei die GNSS-Antenne einen maximalen Durchmesser von 100 mm aufweist.