NO319499B1 - Mikrobandlederantenne - Google Patents

Description

Dette konsept gjelder mikrobåndlederantenner, nærmere bestemt en slik antenne som kan dekke flere frekvensbånd og som også kan skille mellom de enkelte radiobølgers polarisasjon.

En konvensjonell mikrobåndlederantenne skal først gjennomgås, idet det vises til fig. 8-11 i de tilhørende tegninger. Antennen vist på fig. 8 og 9 er ifølge denne kjente teknikk bygget opp på et dielektrisk substrat 101 og har en strålingselektrode 102 på substratets ene hovedflate (overflaten). På den andre hovedflate er det pålagt en jordingselektrode 103 (på undersiden), og gjennom begge elektroder og substratet 101 går et gjennomgående hull 104 for gjennomføring av en kontakt 105 for tilkopling på undersiden. På denne måte kan effekt tilføres strålingselektroden 102 (når antennen skal arbeide som senderantenne). Forbindelsen mellom kontakten og elektrodene er utført som loddeforbindelser 106a, henholdsvis 106b.

Antennen 100 i denne form er som mottakerantenne innrettet for å ta imot sirkulært polariserte bølger, ved at strålingselektroden 102 er utrustet med skilletunger 102a slik det fremgår av fig. 8, for degenerativ eller tilbakekoplende virkning.

En mikrobåndlederantenne 110 er også vist på fig. 10 og 11 og er ifølge denne kjente teknikk bygget opp på et dielektrisk substrat 111 og har en strålingselektrode 112 på substratets ene hovedflate (overflaten). På den andre hovedflate er det pålagt en jordingselektrode 113 (på undersiden), og gjennom begge elektroder og substratet 111 går et gjennomgående hull 114 for gjennomføring av en kontakt 115 for tilkopling på undersiden. På denne måte kan effekt tilføres strålingselektroden 112 (når antennen skal arbeide som senderantenne). Forbindelsen mellom kontakten og elektrodene er utført som loddeforbindelser 116a, henholdsvis 116b.

Antennen 110 i denne form er som mottakerantenne innrettet for å ta imot lineært polariserte bølger, og til forskjell fra strålingselektroden 102 i antennen 100 beskrevet først, har ikke strålingselektroden 112 i denne utførelse noen skilletunger eller liknende for degenerasjonsseparering.

Disse kjente antennetyper har relativt stor avstand mellom de frekvensbånd som kan mottas, og de polariserte bølger som mottas er også forskjellige. For å kunne ta imot de enkelte frekvensbånd under ett, kan følgende teknikker være aktuelle:

1) Anordning av de to typer antenner ved siden av hverandre, og

2) Bruk av en antenne av den type som kan tilføre (eller motta) effekt til/fra to strå-lingselektrodemønstre utformet på ett enkelt substrat.

Følgende problemer vil imidlertid møtes ved bruken av disse to teknikker. De to strålingselektroder som henholdsvis tilsvarer sitt bestemte frekvensbånd må anordnes med rimelig avstand fra hverandre for å unngå interferens mellom båndene. I tillegg må en tilførselsledning eller kontakt koples til hver av elektrodene, og derved reduseres mulighetene for å miniatyrisere antennen.

Som eksempel på kjent antenneteknikk skal også vises til patentskriftet EP 655 797 Al.

For å løse disse problemer er det i det foreliggende konsept - som heretter vil kalles oppfinnelsen - søkt å komme frem til en miniatyrisert mikrobåndlederantenne med god frek-vensdekning over flere frekvensbånd og som også tillater valg av bølgepolarisasjonstype, og man har foreslått en antenne slik det fremgår av krav 1, og hvor ytterligere særegenheter fremgår av underkravene 2-3.

I en antenne av denne type kan det være en enkelt andre strålingselektrode, generelt utformet med L-fasong, og de kapasitive koplingsdeler kan være slik utformet at det dannes en første kamliknende elektrode som strekker seg ut fra den første strålingselektrode og til den andre strålingselektrode, hvilken første kamliknende elektrode er anordnet i gjensidig fingerinngrep med en andre kamliknende elektrode som på tilsvarende måte strekker seg ut fra den andre strålingselektrode og til den første strålingselektrode.

De to kapasitive koplingsdeler kan være brikkekondensatorer.

Med en konfigurasjon som her beskrevet og vist, kan den første strålingselektrode tjene som en mikrobåndlederantenne for å dekke et første frekvensbånd, og den er videre kapasitivt koplet til den andre strålingselektrode slik at det dannes en andre mikrobåndlinje, hvorved sammenstillingen tjener som en mikrobåndlederantenne for et annet frekvensbånd. Følgelig vil en antenne med flere frekvensbånd kunne utformes på et enkelt substrat, og bare ett gjennomgående hull trengs for tilførsel av elektrisk energi i en sendersituasjon, hvorved antennen kan utføres miniatyrisert.

Er den andre strålingselektrode generelt utformet med L-fasong økes det effektive areal av antennen, og derved bedres dennes antenne vinn ing i ønsket retning.

Siden videre de kapasitive koplingsdeler er utformet med kamstruktur, kan man få stor kapasitet med det foreliggende elektrodemønster, og det er derved mulig å redusere tykkelsen av disse deler og likeledes forordne innregulering av kapasiteten (trimming).

Ved i tillegg å bruke kondensatorer utformet som integrerte brikker og med ønsket kapasitet, som disse kapasitive koplingsdeler, vil det være mulig å fremstille en mikrobåndlederantenne som kan motta signaler innenfor gitte frekvensbånd med god nøyaktighet og likeledes ta ut ønsket bølgepolarisasjon med god pålitelighet.

På tegningene viser fig. 1 den første utførelse av en antenne ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et lengdesnitt langs A-A på fig. 1, fig. 3(a) viser et Smith-diagram over denne antennes karakteristiske egenskaper, fig. 3(b) viser antennens defleksjonsdempning som funksjon av frekvensen i et lineært diagram, fig. 4 viser en andre utførelse av en mikrobåndlederantenne, fig. 5 viser en tredje utførelse av samme, fig. 6 viser et planriss over en mikrobåndlederantenne hvor brikkekondensatorer brukes som kapasitive koplingsdeler, og fig. 7 viser et planriss av en tilsvarende antenne hvor det er anordnet skilletunger på antennens første strålingselektrode.

Fig. 8-11 er allerede omtalt og gjelder den kjente teknikk, idet fig. 8 og 9 viser en første utførelse i henholdsvis planriss og lengdesnitt (snitt B-B), mens fig. 10 og 11 viser det samme for en noe annen utførelse (snitt C-C).

Foretrukne utførelser av oppfinnelsens mikrobåndlederantenne skal nå gjennomgås, og det vises til fig. 1 og 2.

En antenne 1 av denne type er bygget opp på et dielektrisk substrat 11 og har en første strålingselektrode 12 på den ene av substratets hovedoverflater (på oversiden). To andre strålingselektroder 13 og 14 er lagt langs kanten av den første elektrode 12, og med en viss avstand til denne. Videre er en jordingselektrode 15 lagt på motsatt overflate av substratet 11 (på undersiden), og et gjennomgående hull 16 gjennom substratet, for tilførsel av elektrisk energi eller uttak av samme, er anordnet i og fra den første strålingselektrode 12 og ned til eller gjennom jordingselektroden, slik det fremgår av fig. 2. En rekke likeledes gjennomgående kanthull 17 går gjennom elektrodene 13 og 14, og det er videre anordnet kapasitive koplingsdeler 18a og 18b for kopling mellom den første strålingselektrode 12 og de to andre, elektrodene 13 og 14.

Fig 2 viser videre hvordan en kontakt 19 som tjener som en koaksiallinje og er beregnet til å føre elektrisk effekt inn til den første strålingselektrode 12 (i en sendersituasjon) er ført inn i og gjennom hullet 16 fra undersiden av substratet 11. Kontakten 19 er koplet til elektroden 12 ved hjelp av en loddeforbindelse 20b på undersiden og til substratet 11 via en annen loddeforbindelse 20b, i tillegg til den første.

De andre elektroder 13 og 14 er koplet til jordingselektroden 15 via kanthullene 17.

Den første elektrode 12 har hovedsakelig kvadratisk fasong, mens de andre strålingselektroder 13 og 14 har mer langstrakt båndform og strekker seg parallelt med sin respektive sidekant på den første strålingselektrode 12. Koplingsdelene 18a og 18b er utført slik at det dannes første kamliknende elektroder 21, 22 som danner fingre som strekker seg ut fra den første strålingselektrode 12 og ut mot henholdsvis elektroden 13 og 14. Kam-strukturen ligger i gjensidig inngrep med tilsvarende kamliknende elektroder 23 og 24 fra hver av disse andre elektroder 13, 14, slik at det dannes et fingerinngrepsmønster (interdigital konfigurasjon). Det dannes således en kondensator mellom elektroden 12 og hver av elektrodene 13 og 14, for å tilveiebringe kapasitiv kopling.

Elektrodene 12, 13, 14 og 15 er utformet ved etsing av en metallfilm som er pålagt begge substratets 11 hovedflater eller ved påtrykking og avbrenning av en ledende pasta på disse flater.

Antennen som er bygget opp på denne måte, dekker et første frekvensbånd (ved høyere frekvenser) med den første strålingselektrode 12, og et lavere frekvensbånd med en kombinasjon av denne elektrode og de to andre elektroder 13, 14.

Forsøk utført med denne første utførelse av oppfinnelsens mikrobåndlederantenne 1 er vist på fig. 3(a) og 3(b). Fig. 3(a) viser et Smith-diagram for impedansen, mens fig. 3(b) viser refleksjonsdempningen som funksjon av frekvensen. Avstanden mellom midtpunktet o av den første strålingselektrode 12 og midten av det gjennomgående hull 16 er LI (se fig. 1), mens lengden av dennes elektrodes sidekanter er L12. Hullet 16 ble under en forsøksserie flyttet fra midtpunktet o og i retning av elektroden 13 slik at LI tilnærmet ble LI2/6, og effekt ble deretter tilført elektroden 12 i hullet 16. Under forsøkene hadde substratet 11 en relativ dielektrisitetskonstant på 10,5, kapasiteten av koplingsdelen 18a var 3,0 pF, mens kapasiteten av koplingsdelen 18b var 2,5 pF. Lengden L12 av sidekanten på elektroden 12 ble valgt til 0,5 X,gi, mens avstanden L13 fra den ytterste kant av den andre elektrode 13 og til motsatt sidekant på elektroden 12 ble satt til 0,5 Xg., idet Xs\ og Xg2 er den midlere bølgelengde for henholdsvis høyfrekvens- og lavfrekvensbåndet.

Fig. 3(a) og 3(b) viser denne dobbelresonanskarakteristikk ved henholdsvis fl = 1,57 GHz og f2 — 2,56 GHz. Antennen dekker altså i dette tilfelle to frekvensbånd.

En andre utførelse av oppfinnelsens mikrobåndlederantenne 30 skal nå gjennomgås, idet det vises til fig. 4. De elementer som har samme funksjon og utførelse som tidligere, har fått samme henvisningstall, og disse elementer vil her ikke beskrives på ny.

Antennen 30 avviker fra antennen 1 gjennomgått ovenfor ved at de to andre strålingselektroder 13 og 14 er erstattet av en L-formet enkelt andre strålingselektrode 33 og som halvveis omslutter den første strålingselektrode 12, slik det er illustrert. Man får på denne måte en noe mer effektiv utnyttelse av arealet, og antennen 30 i denne utførelse får derfor også noe større antennevinning.

Fig. 5 viser en tredje utførelse av en antenne 40, men her er de andre strålingselektroder fire i antallet, 13,14,43 og 44, slik at alle fire sidekanter av den midtre første strålingselektrode 12 er kapasitivt koplet til sin respektive andre strålingselektrode. Den første elektrode er som før kvadratisk, og de kapasitive koplingsdeler 18a-18d er utført med gjensidig fingerstruktur som tidligere. Den første strålingselektrode 12 alene tilsvarer et første frekvensbånd, en kombinasjon av denne elektrode og elektrodene 13 og 14, dekker et andre frekvensbånd, og en kombinasjon av elektroden 12 og de to ytterligere andre strålingselektroder 43 og 44 dekker et tredje frekvensbånd. Både i denne antenne 40 og i antennen 30 i den andre utførelse kan de andre strålingselektroder kombineres for å danne en generell L-form, og det samme kan gjelde de andre strålingselektroder 43 og 44, selv om en slik modifikasjon ikke er vist.

Det skal bemerkes at man i alle tre utførelsesformer kan ha de kapasitive koplingsdeler forskjøvet i forhold til det som er vist, og selve koplingsstrukturen kan også være trinninnstillbar, slik at man kan forskyve frekvensbåndene. For eksempel kan antennen innrettes for å ta imot signaler i et nedre frekvensbånd, og man kan for dette frekvensbånd også velge en bestemt bølgepolarisering.

I antennen 1 i den første utførelse kan koplingsdelene 18a og 18b for eksempel forskyves og endres i forhold til hverandre slik at de får forskjellig kapasitet, hvorved det oppstår en faseforskjell 0 mellom resonansen som frembringes i koplingen i koplingsdelen 18a og den fra koplingsdelen 18b. Når denne faseforskjell nærmer seg 90°, frembringes en sirkulært polarisert bølge på lavfrekvenssiden, men når den nærmer seg 0°, frembringes en lineært polarisert bølge der. På fig. 3(a) er prøveresultatene for den første utførelse av antennen vist, idet det er angitt med V for fl for det nedre frekvensbånd, og den innsnevring kurven i diagrammet danner ved dette punkt tilsvarer der den sirkulært polariserte bølge frembringes på lavfrekvenssiden. Med andre ord er posisjonene og kapasitetene for koplingsdelene 18a og 18b i denne antenne 1 innstilt slik at faseforskjellen 9 mellom deres resonanser tilnærmet blir 90°.

De fingerstrukturerte koplingsdeler 18a og 18b kan fremstilles under ett med den første og den andre strålingselektrode, og dette gjør det enkelt ved fremstillingen, særlig ved at elektrodesjikttykkelsen blir riktig og tilsvarende tykkelsen av elektrodene.

Den første utførelse av antennen kan i stedet for kamliknende koplingsdeler ha brikkekondensatorer 38, slik det er vist på fig. 6, og siden man da kan velge kapasitet i brikken, kan man tilpasse antennen ønskede frekvensområder og bølgepolariseringer. Frekvensinnstilling og gjentatt seleksjon av polarisering vil derfor være unødvendig. Det skal bemerkes at de elementer som er vist på fig. 6, med unntak av kondensatorene 38 er de samme som for antennen 30 i den andre utførelse, og nærmere forklaring utelates derfor.

De kapasitive koplingsdelers modus er ikke begrenset til det som er omtalt ovenfor for de aktuelle utførelser, men kan modifiseres etter anvendelsen av antennen. For eksempel kan koplingsdelene mellom strålingselektrodene være innlagt i en laminert struktur hvor et dielektrisk sjikt er lagt inn mellom den første strålingselektrode og hver av de andre tilsvarende elektroder, selv om en slik modifikasjon ikke er vist på tegningene.

Videre kan den første strålingselektrode 12 i alle utførelsesformer utføres slik som på fig. 7, med skilletunger 12a i to av hjørnene for å kunne velge den bølgepolarisasjon for høyfrekvenssiden som skal gjelde elektroden. De øvrige elementer på fig. 7 tilsvarer de som er gjennomgått tidligere.

Ved å anordne slike skilletunger 12a kan den første strålingselektrode 12 dekke et første frekvensbånd (på høyfrekvenssiden) og gjelde en bestemt bølgepolairsering, og en kombinasjon av den første og de andre strålingselektroder vil også kunne tilsi bestemt pola-risasjonsvalg.

Selv om den første strålingselektrode generelt er kvadratisk, kan den også ha annen form, for eksempel sirkulær.

De andre strålingselektroder 13, 14 og eventuelt 43, 44 er som omtalt, koplet til jordingselektroden 15 via en rekke gjennomgående kanthuU 17. Hvis de imidlertid er jordet i et høyfrekvensbånd, kan antallet kanthull bestemmes annerledes.

Oppfinnelsens mikrobåndlederantenne fremviser flere fordeler, for det første ved at den første strålingselektrode 12 tjener som en båndlederantenne som gjelder et bestemt frekvensbånd, mens den kapasitive kopling til én eller flere andre strålingselektroder danner mikrobåndlinjer og antennedeler som dekker andre frekvensbånd. Følgelig kan man med en slik sammensatt antenne dekke flere frekvensbånd samtidig på et enkelt substrat, og man behøver bare ett gjennomgående hull for tilført sendereffekt eller mottatte mottakersignaler. Man kan således fremstille antennen med beskjedne dimensjoner.

De andre strålingselektroder er videre gjerne utformet med L-fasong for å øke det effektive areal av antennen, og derved bedres også antennevinningen.

Siden de kapasitive koplingsdeler har kamstruktur, kan man få stor kapasitet, og man kan derved redusere tykkelsen av sjiktene og likeledes tillate innregulering (trimming) for å få fastlagt frekvensbåndene med stor nøyaktighet og for å muliggjøre seleksjon av bølgepolarisering.

Ved i tillegg å åpne for bruk av brikkekondensatorer med ønsket kapasitet som kop-lingsdel, kan man fremstille mikrobåndlederantenner ifølge oppfinnelsens konsept, som kan motta frekvensbånd med stor nøyaktighet og dessuten gi valgmulighet for ønsket polarisering.

Claims (3)

1. Mikrobåndlederantenne (1, 30, 40) med strålingselektroder (12; 13, 14; 33; 43, 44) for utstråling av mikrobølgeeffekt, anordnet på et substrats (11) ene hovedoverflate, og med en jordingselektrode (15) på substratets andre hovedoverflate, idet strålingselektrodene omfatter en første kvadratisk strålingselektrode (12) med sidekantlengde lik (LI2) og minst én andre strålingselektrode (13, 14; 33; 43, 44) i en viss avstand utenfor omkretsen av den første strålingselektrode (12), hvor den første strålingselektrode (12), for effekttilførsel til antennen, har et hull (16) som er ført ned gjennom substratet (11) på elektrodens (12) underside og gjennom jordingselektroden (15), hvor flere kanthull (17) er ført ned gjennom substratet (11) på hver andre strålingselektrodes (13, 14; 33; 43, 44) underside og likeledes gjennom jordingselektroden (15), og hvor det er anordnet minst to kapasitive koplingsdeler (18a -18d) for kapasitiv kopling mellom den første og hver andre strålingselektrode (13, 14; 33; 43, 44), karakterisert ved at hver av de kapasitive koplingsdeler (18a - 18d) har to kamliknende koplingselektroder (21, 22; 23, 24) i gjensidig fingerinngrep, og at posisjonen av hullet (16) på den første strålingselektrode (12) for effekttilførsel til antennen er i en avstand (LI) tilnærmet lik 1/6 av sidekantlengden (LI2) fra elektrodens midtpunkt (o).

2. Antenne ifølge krav 1, karakterisert ved at de andre strålingselektroder omfatter minst én L-formet strålingselektrode (33).

3. Antenne ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de kapasitive koplingsdeler er utformet som brikkekondensatorer (38).