WO1993000721A1

WO1993000721A1 - Planare mäander-antenne

Info

Publication number: WO1993000721A1
Application number: PCT/EP1992/001353
Authority: WO
Inventors: Michael Peiniger; Birgit Fortyr; Heinz Chaloupka; Arndt Pischke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-01-07
Also published as: EP0591323A1; JPH06508732A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein planares Antennenelement (1) in einer Streifenleiteranordnung auf einem dielektrischen Substrat (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zu dieser etwa parallelen zweiten Seite (4), welche erste Seite (3) eine die Streifenleiteranordnung darstellende, supraleitfähige erste Beschichtung (5) aufweist und welche zweite Seite (4) mit einer elektrisch leitfähigen zweiten Beschichtung (6) im wesentlichen überdeckt ist. Das Antennenelement (1) besteht aus einer Vielzahl von engnebeneinanderliegenden und zueinander etwa parallelen Streifen (7), deren jeder zwei Enden (8) aufweist, und welche Streifen (7) an ihren Enden (8) nach Art eines Mäanders untereinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch eine planare Antenne, die aus einer Anordnung mit zumindest einem planaren Antennenelement (1) aufgebaut ist. Die Antenne zeichnet sich insbesondere aus durch eine besonders hohe Bandbreite und einen besonders hohen Wirkungsgrad bei kleinen Abmessungen sowie ein einfach strukturiertes elektromagnetisches Strahlungsfeld.

Description

Planare Mäander-Antenne

Die Erfindung betrifft ein planares Antennenelement in einer Streifenleiteranordnung auf einem dielektrischen Substrat, sowie eine Antenne, die aus derartigen planaren Antennenelementen aufgebaut ist.

Die Streifenleitertechnik ist eine wichtige Grundlage für die Erstellung elektrischer Schaltungen zur Erzeugung, Weiterleitung und Verarbeitung elektromagnetischer Wechselstromsigπale mit Frequenzen bis zum Gigahertz-Bereich, vorzugsweise mit Frequenzen zwischen 100 MHz und 10 GHz, insbesondere mit Frequenzen aus dem für die Kommunikation mit künstlichen Erdsatelliten wichtigen Bereich um 1 GHz. Streifenleiteranordnungen, die je nach Größe u. U. auch als

"Mikrostreifenleiteranordnungen" bezeichnet werden, bestehen aus streifenförmigeπ elektrischen Leitern auf einer ersten Seite eines im wesentlichen planaren dielektrischen Substrates, das eine zu der ersten Seite im wesentlichen parallele zweite Seite aufweist, welche von einer elektrisch leitfähigen Beschichtung im wesentlichen überdeckt ist. Die Dicke des Substrates zwischen erster und zweiter Seite liegt üblicherweise in der Größenordnung eines Millimeters. Vorteilhafterweise unterliegt die wählbare Höhe eines Substrates für eine Streifenleiteranordnung einer Beschränkung nach einem Kriterium, das die Dielektrizitätskonstante des Substrates und die Vakuumwellenlänge der durch die Streifenleiteranordnung zu führenden elektromagnetischen

Signale einbezieht. Ein wesentlicher Effekt, der die Dicke des Substrates begrenzt, ist das Auftreten sogenannter "Oberflächenwellen" auf dem Substrat, die in ihrer Ausbreitung weitgehend unabhängig von der konkreten Gestalt der Streifenleiteranordnung sind und deren Funktion u. U. beträchtlich stören können. Streifenleiteranordnungen, insb. "Mikrostreifenleitungen", sind eingehend beschrieben in dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" von Meinke und Gundlach, vierte Auflage, Band 2, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg (1986), S. K8 ff. Dort sind auch planare Antennen, nämlich Antennen in Streifenleiteranordnungen der erwähnten Art, beschrieben -Seiten N24 und N25. Auch ist ausgeführt, wie planare Antennen an Leitungssysteme zur Ein- oder Auskopplung von Hochfrequenzsignalen anzuschließen sind. Weitere Hinweise zu planaren Antennen sind dem "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik" von Zinke und Brunswig, vierte Auflage, Band 1, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg (1990), Seiten 413 ff., zu entnehmen. Auch sind dort Grundbegriffe zu Antennen eingehend erläutert - siehe Kapitel 6, insb. Kapitel 6.1.7, Seite 365 ff.

Planare, mäanderartig strukturierte Antennen in Streifenleitertechnik gehen aus der EP 0 061 831 AI und der GB 2 165 700 A hervor. Die Antennen sind jeweils aus konventionellen elektrischen Leitern auf konventionellen Substraten aufgebaut. Die erstgenannte Schrift bezieht sich auf die Anpassung der Form der Antenne an eine vorgegebene Abstrahlcharakteristik; die zweitgenannte Schrift bezieht sich auf die wetterfeste Ausrüstung einer herkömmlichen planaren Antenne.

Planare Antennen sind insb. deshalb interessant, weil sie zusammen mit anderen elektronischen Schaltungen in Streifenleitertechnik auf einem einzigen Substrat angeordnet werden können, was den allgemeinen Wünschen nach besonders kompakten Kommunikationssystemen im Hochfrequenzbereich entgegenkommt. Für eine kompakte Bauweise sind Antennen erwünscht, deren Abmessungen wesentlich kleiner als die Vakuum-Wellenlänge der elektromagnetischen Signale sind, für die sie bestimmt sind - für Signale mit Frequenzen im GHz-Bereich liegen die Vakuum-Wellenlängen bei etwa 10 cm, es sind jedoch Antennen erwünscht mit Abmessungen von 1 cm und weniger.

Der Anwendung einer "elektrisch kleinen" Antenne aus einem konventionellen elektrischen Leiter steht jedoch ihr üblicherweise sehr geringer Wirkungsgrad entgegen, der bedingt ist durch die hohen oh schen Verluste in dem elektrischen Leiter aufgrund des üblicherweise sehr geringen Strahlungswiderstandes der Antenne. Um die ohmschen Verluste zu vermeiden, ist bereits die Bildung von Antennen aus Supraleitern bekannt -siehe DE-PS 10 46 121. Die Verwendung von Supraleitern in

Hochfrequenzschaltungen, insb. Streifenleiteranordnungen, fand ein beträchtlich gesteigertes Interesse im Zusammenhang mit den vor einigen Jahren entdeckten keramischen Supraleitern mit hohen Sprungtemperaturen, den nunmehr allgemein als "keramische

Hochtemperatursupraleiter" bekannten Materialien. Hinweise hierzu, insb. Hinweise auf mögliche Zusammensetzungen für Hochtemperatur-Supraleiter, sind der EP 0 337 656 A2 entnehmbar; auch wurde im Rahmen des "Int. Workshop on HTSC Thin Films: Properties and Applications" vom 15. bis zum 19.04.1991 in Rom im Rahmen des Vortrages "Applications of HTSC Thin Films with Low Microwave Losses to Linear Devices" von H. Chaloupka und G. Müller über die Einsetzbarkeit von Dünnfilmen aus Hochtemperatursupraleitern in Hochfrequenz-Schaltungen und Antennen berichtet. Es erfolgten dabei Hinweise sowohl auf einsetzbare Hochtemperatursupraleiter als auch auf mögliche Materialien für Substrate und die Dimensionierung solcher Substrate. Auch wurde eingehend über planare Antennen auf der Basis keramischer

Hochtemperatursupraleiter berichtet. Einzelheiten zu speziellen supraleitenden planaren Antennen finden sich darüber hinaus in dem Aufsatz "Supraleitende miniaturisierte Planarantennen" von A. Pischke, H. Chaloupka, N. Klein und G. Splitt, Kleinheubacher Berichte Band 34 (1991), Seiten 171 ff. Eine Miniaturisierung der üblicherweise rechteckigen oder runden Elemente planarer Antennen ist prinzipiell möglich durch die Verwendung dielektrischer Substrate mit hinreichend hohen Dielektrizitätskonstanten. Eine solche Miniaturisierung wird zwar nicht durch die Eigenschaften des zur Bildung der Streifenleiteranordnung verwendeten Materials beeinträchtigt, wenn als solches ein Supraleiter gewählt wird; mit der Miniaturisierung ist allerdings eine starke Reduzierung der Bandbreite der Antenne verbunden, was ihre Anwendbarkeit stark einschränkt und dazu führt, daß für Kommunikationssysteme mit gewissen Anforderungen an die Breite des einsetzbaren Frequenzbandes anstelle einer einzigen planaren Antenne mehrere, entsprechend abgestimmte planare Antennen verwendet werden müssen. Mit fortschreitender Miniaturisierung kann die entsprechende

Einschränkung der Bandbreite sogar die Eignung der Antenne zur Übertragung breitbandiger Signale, wie z. B. Fernsehsignale, in Frage stellen - siehe z. B. den zuletzt zitierten Aufsatz, in dem eine bei einer Frequenz von 2,4 GHz betreibbare planare Antenne beschrieben wird, deren absolute Bandbreite lediglich 4 MHz beträgt und nur durch besondere Maßnahmen (Verwendung einer zweischichtigen Streifenleiteranordnung) auf 9 MHz, einen zur Übertragung eines Fernsehsignales geeigneten Wert, erhöht werden konnte. Der Sachverhalt der Bandbreiteneinschränkung bei zunehmender Miniaturisierung ist in dem Aufsatz "Fundamental Limitations in Antennas" von R. C. Hansen, Proceedings of the IEEE, Band 69 (1981) 170, dargestellt. Dort wird eine Beziehung genannt, die die Abmessung einer elektrisch kleinen Antenne (also beispielsweise einer planaren Antenne) zu einer minimalen Güte und damit einer maximalen Bandbreite in Beziehung setzt - abgesehen von Verlusten in der Antenne, die selbstverständlich ihre Bandbreite erhöhen infolge einer, allerdings höchst unerwünschten, Verringerung ihres Wirkungsgrades.

In Ansehung des Standes der Technik liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine miniaturisierte Antenne ein Anteπnenelement, und zwar ein planares Antennenelement, zu schaffen, das neben geringen Verlusten (und damit einem hohen Wirkungsgrad) eine im Vergleich zu den planaren Antennenelementen des Standes der Technik deutlich erhöhte Bandbreite aufweist.

Ein planares Antennenelement in einer Streifenleiteranordnung auf einem dielektrischen Substrat mit einer ersten Seite und einer zu dieser etwa parallelen zweiten Seite, welche erste Seite eine die Streifenleiteranordnung darstellende, supraleitfähige erste Beschichtung aufweist und welche zweite Seite mit einer elektrisch leitfähigen zweiten Beschichtung im wesentlichen überdeckt ist, besteht aus einer Vielzahl von eng nebeneinanderliegenden und zueinander etwa parallelen Streifen, deren jeder zwei Enden aufweist, wobei die Streifen an ihren Enden nach Art eines Mäanders untereinander verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine planare Antenne in einer Streifenleiteranordnung auf einem dielektrischen Substrat, welche planare Antenne eine Anordnung mit zumindest einem planaren Antennenelement gemäß der Erfindung, ggf. im Rahmen einer der nachstehend beschriebenen Ausgestaltungen, aufweist. In einer solchen planaren Antenne können erfiπdungsge äße planare Antennenelemente zur Erzielung einer besonderen Richtwirkung, gff. in Verbindung mit weiteren vorteilhaften Eigenschaften, angeordnet werden.

Das planare Antenneπele ent gemäß der Erfindung weist im Vergleich zu den Antennenelementen des Standes der Technik eine Fülle von Vorzügen auf. So ist der auf dem erfindungsgemäßen Antennenelement auftretende und die Resonanzfrequenz sowie die Bandbreite bestimmende Resonanzeffekt substantiell verschieden von dem Resonanzeffekt, der auf einem üblichen rechteckigen

Streifenleiter eines planaren Antennenelementes nach dem Stand der Technik auftritt; entgegen dem Antennenelement des Standes der Technik ist das Antennenelement gemäß der Erfindung im wesentlichen ein eindimensionaler, gefalteter Resonator mit einer Länge, die einem Vielfachen der halben Wellenlänge der abzustrahlenden oder zu empfangenden elektromagnetischen Welle in dem Substrat beträgt; die Länge eines planaren Antennenelementes gemäß dem Stand der Technik beträgt die Hälfte dieser Wellenlänge. Der hochfrequente Strom auf dem planaren Antennenelement gemäß der Erfindung, der die Abstrahlung bewirkt, kommt nicht wie beim Stand der Technik durch eine "zweidimensionale" Resonanz zustande, sondern durch eine "eindimensionale" Resonanz; die hochfrequenten Ströme, die auf den das Antennenelement bildenden Streifen fließen, sind bei Resonanz im wesentlichen in Phase zueinander und überlagern sich additiv. Tatsächlich kann mit dem erfindungsgemäßen Antennenelement eine Bandbreite von 7 % bei einem Wirkungsgrad von mehr als 50 % erreicht werden -dies ist zu vergleichen mit Bandbreiten im Bereich von 0,5 % bei den bekannten planaren Antennenelementen mit gleichen Abmessungen.

Weiterhin gewährleistet das erfindungsgemäße

Antennenelement eine besondere Modenreinheit, also eine einfache und gut beschreibbare Struktur des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes, da die Antenne nicht, wie eine einfache planare Antenne nach dem Stand der Technik, in mehreren zueinander orthogonalen Richtungen angeregt werden kann, sondern nur in einer Richtung parallel zur Erstreckung der den Mäander bildenden Streifen; das Strahlungsfeld des erfindungsgemäßen Antennenelementes ist relativ einfach, so daß sich das erfindungsgemäße Antennenelement in besonderer Weise zur Verwendung in einer eine Gruppe von Antennenelementen aufweisenden planaren Antenne eignet. Hervorzuheben ist auch, daß die Verwendung von

Supraleitern den Einsatz von dielektrischen Substraten mit relativ hohen Dielektrizitätskonstanten ermöglicht, woraus sich Antennen mit besonders kleinen Abmessungen ergeben. Da die ohmschen Verluste in der Antenne wegen des

Supraleiters klein bleiben, bleibt trotz der geringen Abmessungen der Antenne ein hoher Wirkungsgrad gewahrt.

Für die Ankopplung einer Speiseleitung, insb. einer in Streifenleitertechnik aufgebauten Speiseleitung oder einer Koaxialleitung, stehen sämtliche galvanischen, induktiven und kapazitiven Kopplungsmöglichkeiten zur Verfügung. Erfindungsgemäß wird die konkrete Ausbildung der Kopplung dadurch erleichtert, daß das Antennenelement aus den bereits erwähnten Gründen nicht alle Möglichkeiten zur

Ausbildung einer Resonanz aufweist, die bei einem planaren Antennenelement des Standes der Technik vorliegen.

Die untereinander benachbarten Streifen der ersten Beschichtung in dem erfindungsgemäßen Antennenelement sind natürlich aufgrund ihrer geringen Beabstandung kapazitiv und induktiv miteinander verkoppelt, so daß das Resonanzverhalten des aus den mäanderförmig miteinander verbundenen Streifen bestehenden Resonators nicht unbedingt dasselbe wie das Resonanzverhalten eines gestreckten Streifenleitungsstückes gleicher Länge ist. Durch die Kopplungen der Streifen aneinander wird neben der Bandbreite womöglich auch der Wert der Resonanzfrequenz verändert, was durch entsprechende Anpassung der Dimensionen des Antennenelementes zu berücksichtigen ist; unter Umständen muß die Länge der Streifen des Antennenelementes von der Hälfte der auf die Dielektrizitätskonstante des Substrates bezogenen Wellenlänge des abzustrahlenden oder zu empfangenden elektromagnetischen Signals leicht abweichen. Ein solches Erfordernis der Anpassung einer theoretisch ermittelten Dimensionierung ist jedoch insbesondere in der 1 Hochfrequenztechnik al lgegenwärtig und dem einschlägig bewanderten Fachmann geläufig ; dies gilt be i der Dimensionierung von Streifenleiteranordnungen in besonderem Maße schon deshalb , weil eine geschlossene

5 theoretische Behandlung der elektromagnetischen

Eigenschaften einer Strei fenleiteranordnung nicht möglich ist.

Die Anzahl der Streifen in dem erfindungsgemäßen planaren 10 Antennenelement kann den geometr ischen und el ektri schen

Erfordernissen j edes Einzelf alls angepaßt werden ; günstigerweise werden mindestens fünf , vorzugsweise mindestens zehn Streifen vorgesehen , und die Anzahl der

Streifen wird günstigerweise au f höchstens vierzig , 15 vorzugsweise höchstens zwanzig , begrenzt . Insbesondere die

Maximalzahl der Streifen wird günstigerweise au f die

Möglichkeiten des z ur Herstellung der

Streifenleiteranor dnung gewählten Herstellungsverfahrens abgestimmt ; als Herstellungsverfahren kommen PVD- und CVD- 20 Verfahren vielfältiger Art , darunter Sputtertechniken und

Laserablationsver fahren , gg f . kombiniert mit lithographischen V erfahren z ur Strukturierung der erhaltenen Beschichtung , und au ßerdem auch

Siebdruckverfahren in Frage .

25

Die Form des erfindungsgemäßen Antennenelementes jedweder Ausgestaltung wird günstigerweise so gewählt, daß die Streifen innerhalb eines etwa rechteckigen, insbesondere etwa quadratischen, Randes angeordnet sind.

30

Zur Erhöhung der Bandbreite des erfindungsgemäßen planaren Antennenelementes kann dieses in der Weise aufgebaut werden, daß Streifen unterschiedlicher Länge, vorzugsweise Streifen, deren Länge innerhalb eines gewissen Intervalles -,,- um die zur Erzielung einer Resonanz bei einer vorgewählten Frequenz notwendigen Länge variiert, miteinander kombiniert werden; günstigerweise werden solche unterschiedlich langen Streifen derart hintereinander angeordnet, daß ein Antennenelement mit einem etwa trapezförmigen, vorzugsweise mit einem spiegelsymmetrisch trapezförmigen, Rand entsteht.

Alle Streifen eines erfindungsgemäßen planaren Antennenelementes sind günstigerweise etwa gerade und haben alle eine einheitliche Breite; insbesondere durch letztere Forderung wird sichergestellt, daß die Verteilung des elektrischen Stromes auf dem Antennenelement bei der Resonanzfrequenz weitestgehend gleichmäßig ist, was einem einfach handhabbaren und berechenbaren Strahlungsfeld förderlich ist.

Um die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen planaren

Antennenelementes jedweder Ausbildung weiter zu fördern, kann an jeder Verbindungsstelle zweier Streifen eine "kapazitive Belastung" vorgesehen werden in Gestalt einer Ausformung, die mit der zweiten Beschichtung und dem Substrat einen Kondensator bildet, der bei der

Betriebsfreqjuenz des Antennenelementes einen kapazitiven Widerstand in wirksamer Höhe hat. Eine solche kapazitive Belastung erlaubt es, die Länge der Streifen gegenüber der ohne kapazitive Belastung erforderlichen Länge zu reduzieren; damit kommt das Vorsehen der kapazitiven

Belastung einer weiteren Verkleinerung der Dimensionen bei gegebener Resonanzfrequenz entgegen.

Das Substrat, auf dem ein planares Antennenelement gemäß der Erfindung zu bilden ist, besteht vorzugsweise aus einem Material mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante, da die zu gegebener Resonanzfrequenz erforderlichen Abmessungen des Antennenelementes mit wachsender Dielektrizitätskonstante sinken. Günstigerweise wird ein Substrat mit einer Dielektrizitätskonstanten von zumindest zehn, vorzugsweise zumindest fünfundzwanzig, gewählt. Denkbare Materialien für solche Substrate sind Kunststoffe, ggf. verstärkt durch Glasfasern oder dergleichen, insbesondere Polytetrafluoräthylen, das ggf. faserverstärkt sein kann. Auch sind kristalline, ggf. mikrokristalline, Substrate denkbar; erprobte Materialien hierfür sind Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und

Lanthanaluminat. Insbesondere Lanthanaluminat und Magnesiumoxid sind sehr günstig, wenn als supraleitfähiges Material für die erste und/oder die zweite Beschichtung ein keramischer Hochtemperatursupraleiter wie z. B. die bekannte Verbindung aus Yttrium, Barium, Kupfer und

Sauerstoff verwendet werden soll; auf einkristallinem Lanthanaluminat kann der keramische

Hochtemperatursupraleiter aus der Dampfphase epitaxial aufwachsen, so daß durch günstige Orientierung der Kristallachsen des Substrates eine supraleitfähige

Beschichtung erhalten werden kann, deren Kristallachsen ebenfalls in zur Erzielung hoher Stromtragfähigkeit günstigen Richtungen orientiert sind. Aluminiumoxid ist besonders interessant durch seine hohe Dielektrizitätskonstante von etwa 22 und seinen besonders hohen Isolationswiderstand, aufgrund dessen besonders verlustarme Streifenleiteranordnungen bildbar sind.

Für die im wesentlichen durchgehende zweite Beschichtung des Substrates, auf dem das supraleitfähige planare Antennenelement gemäß der Erfindung aufgebracht ist, kommen gut leitfähige Metalle wie Kupfer, Silber und Gold in Frage. Im Hinblick auf geringe Verluste besonders günstig ist das Vorsehen einer supraleitfähigen zweiten Beschichtung; da die zweite Beschichtung jedoch in jedem Fall weniger belastet ist als die die

Streifenleiteranordnung bildende erste Beschichtung, ist insbesondere unter ökonomischen Bedingungen eine zweite Beschichtung aus einem konventionellen elektrischen Leiter, insbesondere aus Kupfer oder einem Edelmetall, sinnvoll. Der kostengünstigen Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen planaren Antennenelemeπtes kommt es entgegen, wenn die zweite Beschichtung aus derselben Substanz wie die erste Beschichtung besteht und somit womöglich beide Beschichtungen in einem Arbeitsgang aufgebracht werden können. Die Strukturierung der ersten Beschichtung zur Bildung der Streifenleiteranordnung kann in einem solchen Fall entweder in einem zweiten Arbeitsgaπg durch einen Ätzprozeß oder dergleichen erfolgen, oder das Substrat kann zum Erhalt der Streifenleiteranordnung in der ersten Beschichtung vor dem Aufbringen der Beschichtungen mit einer nur teilweise durchlässigen Maske überdeckt werden.

Als besonders vorteilhaftes Material zur Bildung der ersten Beschichtung (und womöglich auch der zweiten Beschichtung) für ein erfindungsgemäßes planares Antennenelement jedweder Ausbildung kommt insbesondere ein keramischer Supraleiter in Frage, vorteilhafterweise ein keramischer Hochtemperatur- Supraleiter des 123-Typs (also die bekannte Yttrium-Barium- Kupfer-Sauerstoff-Verbindung) oder ein keramischer Hochtemperatursupraleiter des 2212-Typs (z. B. eine Verbindung aus Thallium, Barium, Calcium, Kupfer und Sauerstoff).

Die Dicke des Substrates für ein erfindungsgemäßes planares Antennenelement jedweder Ausbildung wird für übliche Anwendungen günstigerweise zwischen 0,3 mm und 1,5 mm gewählt, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,0 mm. Wie bereits ausgeführt, ist von der gewählten Dicke des Substrates unter Umständen ein Auftreten von

Oberflächenwelleπ auf dem Substrat abhängig; durch die Wahl der Dicke des Substrates in der angegebenen Größenordnung kann jedoch der Störeffekt der Oberflächenwellen in einer hinreichend geringen Größenordnung gehalten werden.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die Darstellung der Ausführungsbeispiele ist teilweise schematisiert und/oder leicht verzerrt, wo solches zur Herausstellung der jeweils wesentlichen Merkmale sinnvoll erschien. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 ein einfaches Ausführungsbeispiel für ein planares Antennenelement gemäß der Erfindung nebst Speiseleitung in Streifenleitertechnik;

10 FIG 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antennenelementes, das sich durch eine besonders große Bandbreite auszeichnet;

FIG 3 einen Querschnitt durch ein Substrat mit einer

Streifenleiteranordnung nebst einer Möglichkeit zur -_i5 Ankopplung einer Koaxialleitung an die

Streifenleiteranordnung;

FIG 4 einen Ausschnitt aus einem besonders kompakten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antennenlementes;

20 FIG 5 eine planare Antenne, aufgebaut aus mehreren erfindungsgemäßen Antennenelementen.

Zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips wird zunächst auf die Figuren 1 und 2 gemeinsam 5 Bezug genommen. Beide Figuren zeigen jeweils eine

Streifenleiteranordnung mit einem erfindungsgemäßen Antennenelement 1, das über ein Koppelelement 13 an eine zur Streifenleiteranordnung gehörige Speisεleitung 12, die je nach Anwendung zu einer womöglich gleichfalls in

-_ZQ Streifenleitertechnik aufgebauten elektronischen

Schaltung, beispielsweise einem Sender oder Empfänger, führen kann. Das Antennenelement 1 ist aufgebaut aus einer Vielzahl von Streifen 7, die an ihren Enden 8 über Verbindungsstellen 10 nach Art eines Mäanders 5 untereinander verbunden sind. Das Antennenelement 1 hat eine Resonanzfrequenz, und zwar diejenige Frequenz, bei der die Länge jedes Streifens 7 (bzw. die gemittelte Länge aller Streifen 7) der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle mit der Resonanzfrequenz in dem (in Figur 1 und Figur 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten) Substrat entspricht - dies unter Berücksichtigung der Kopplungseffekte, die unter den eng. benachbarten Streifen 7 auftreten. Das planare Antennenelement 1 gemäß Figur 1 enthält neun Streifen 7, das Anteπnenelement 1 nach Figur 2 acht Streifen 7; diese Zahlen sind erfindungsgemäß möglich, aber keineswegs repräsentativ. In der Praxis kann in dem Antennenelement 1 eine sehr große Anzahl von Streifen 7, insbesondere bis zu 40 Streifen, enthalten sein. In allen Figuren der Zeichnung, insbesondere in Figur 1 und Figur 2, ist auch die Breite und die gegenseitige Beabstandung der Streifen 7 nicht repräsentativ; Dimensionierung und Anordnung der Streifen 7 können in der Praxis den Anforderungen jedes Einzelfalls angepaßt werden.

Im Rahmen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die Streifen 7 des Antennenelementes 1 untereinander gleich lang, so daß das Antennenelement 1 von einem rechteckigen Rand 9 eingefaßt ist. Die Speisung des Anteπnenelementes 1 erfolgt durch galvanische Ankopplung der Speiseleitung 12 an einen Streifen 7, wobei zwischen dem Antennenelement 1 und der Speiseleitung 12 ein

Koppelelement 13, ein als Viertelwellentransformator gedachtes Stück eines Streifenleiters, eingefügt ist. Das Koppelelement 13 dient der Anpassung der Eingangsimpedanz des Antennenelementes 1 an die Impedanz der Speiseleitung 12.

In Figur 2 ist ein Antenπenelement 1 mit unterschiedlich langen Streifen 7 dargestellt, welche Streifen 7 so angeordnet sind, daß das Antenπenelemeπt 1 von einem trapezförmigen Rand 9 eingefaßt ist. Diese Anordnung erlaubt möglicherweise nicht denselben Grad der Miniaturisierung wie die Anordnung nach Figur 1, sie zeichnet sich jedoch durch eine besonders große Bandbreite aus. Die Ankopplung der Speiseleitung 12 an das Antennenelement 1 erfolgt im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 kapazitiv; das Koppelelement 13 ist gegeben durch eine Stelle, an der die Speiseleitung 12 dem Antennenelement 1 dicht angenähert ist. Durch geeignete Wahl der Lage des Koppelelementes 13 ist unter Umständen kein weiteres Transformationselement zwischen Antennenelement 1 und Speiseleitung 12 erforderlich.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein dielektrisches Substrat 2 mit einer ersten Seite 3 und einer zweiten Seite 4, wobei auf die erste Seite 3 eine erste Beschichtung 5 zur Bildung eines Antennenelementes 1 aufgebracht ist und die zweite Seite 4 eine im wesentlichen durchgehende zweite Beschichtung 6 aufweist. Erste Beschichtung 5 und zweite Beschichtung 6 sind beide elektrisch leitfähig, wobei εrfindungsgemäß die erste Beschichtung 5 supraleitfähig sein muß und die zweite Beschichtung 6 supraleitfähig sein kann. In Figur 3 ist weiterhin dargestellt, wie eine Koaxialleitung 14 an ein Antennenelement 1 ankoppelbar ist. Die zweite Beschichtung 6 hat eine Aussparung 15, auf der die Koaxialleitung 14 in der Weise aufsitzt, daß ihr Außenleiter 16 die zweiten Beschichtung 6 berührt und mit dieser verbunden ist sowie der Innenleiter 17 in die Aussparung 15 hineinweist. Ein elektrisches Feld zwischen dem Außenleiter 16 und dem Innenleiter 17 kann auf diese Weise das Substrat 2 bis zu dem Antennenelement 1 durchdringen. Um eine Anpassung der Eingangsimpedanz des Antennenelementes 1 an die Impedanz der Koaxialleitung 14 zu erzielen, kann gegebenenfalls der Innenleiter 17 in dem Außenleiter 16 verschoben werden. Es sei darauf hingewiesen, daß Figur 3 eine schematisierte Darstellung ist; insbesondere sind die Dicken des Substrates 2, der ersten Beschichtung 5 und der zweiten Beschichtung 6 nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet; erste Beschichtung 5 und zweite Beschichtung 6 können je nach Ausgestaltung um Größenordnungen dünner als das

Substrat 2 sein. Auch die Darstellung der Ankopplung der Koaxialleitung 14 an das Antennenelement 1 ist nur schematisiert, da diese Art der Ankopplung an sich bekannt ist und Hinweise zu ihrer praktischen Realisierung daher entbehrlich sind.

Figur 4 zeigt in ebenfalls schematisierter Darstellung einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennenelementes, die eine weitere

Miniaturisierung erlaubt. Die Verbindungsstellen 10 zweier Streifen 7 weisen Ausformungen 11 auf, die mit dem (nicht dargestellten) Substrat und der (ebenfalls nicht dargestellten) zweiten Beschichtung einen Kondensator mit einer wirksamen Kapazität bilden. Bei der geschilderten Betriebsart des Antenneπelementes liegt an jeder Verbindungsstelle 10 eine hohe Spannung und ein niedriger Strom vor; daher kann an einer solchen Stelle durch das Vorsehen einer wirksamen Kapazität unter Beibehaltung der Resonanzfrequenz eine Verkürzung der Abmessungen erreicht werden. Die Form und Anordnung einer Ausformung 11 ist entsprechend den Anforderungen und Möglichkeiten des Einzelfalls wählbar. Zu bemerken ist, daß die Streifen 7 im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht streng parallel untereinander sind; erfindungsgemäß ist dies auch nicht erforderlich .

Figur 5 zeigt schließlich eine planare Antenne, die aus zwei planaren Antennenelementen 1 gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Die Anteπnenelemente 1 sind über ein Koppelelement 13 an die Speiseleitung 12 galvanisch gekoppelt, liegen somit parallel zueinander und werden mit derselben Phase des elektromagnetischen Signals betrieben. Nach Art des dargestellten Ausführungsbeispiels können Antennenelemente 1 zu vielfältigen Zwecken, beispielsweise zur Erzielung einer Richtwirkung und/oder eines zirkulär polarisierten Strahlungsfeldes, miteinander kombiniert werden .

Die Erfindung betrifft ein planares Antennenelement in einer Streifenleiteranordnung aus einem dielektrischen Substrat, das bei besonders kleinen Dimensionen eine besonders hohe Bandbreite bei besonders hohem Wirkungsgrad aufweist und in einfacher Weise mit gleichartigen Antennenelementen zu einer planaren Antenne kombinierbar ist.

Claims

Patentansprüche

1. Planares Antennenelement (1) in einer Streifenleiter- anordnung auf einem dielektrischen Substrat (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zu dieser etwa parallelen zweiten Seite (4), welche erste Seite (3) eine die Streifenleiteranordnung darstellende, supraleitfähige erste Beschichtung (5) aufweist und welche zweite Seite (4) mit einer elektrisch leitfähigen zweiten Beschichtung (6) im wesentlichen überdeckt ist, welches Antennenelement (1) aus einer Vielzahl von eng nebeneinanderliegenden und zueinander etwa parallelen Streifen (7) besteht, deren jeder zwei Enden (8) aufweist, welche Streifen (7) an ihren Enden (8) nach Art eines Mäanders untereinander verbunden sind.

2. Planares Antennenelement (1) nach Anspruch 1, das aus mindestens fünf, vorzugsweise mindestens zehn, sowie höchstens vierzig, vorzugsweise höchstens zwanzig, Streifen (7) besteht.

3. Planares Antennenelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Streifen (7) innerhalb eines etwa rechteckigen, insbesondere etwa quadratischen, Randes (9) angeordnet sind.

4. Planares Antennenelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Streifen (7) innerhalb eines etwa trapezförmigen, vorzugsweise innerhalb eines spiegelsymmetrisch trapezförmigen, Randes (9) angeordnet sind.

5. Planares Antennenelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Streifen (7) etwa gerade sind und alle eine einheitliche Breite haben.

6. Planares Antennenelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils zwei Streifen (7) an einer Verbindungsstelle (10) miteinander verbunden sind, welche Verbindungsstelle (10) eine Ausformung (11) aufweist, die mit der zweiten Beschichtung (6) und dem Substrat (2) einen Kondensator bildet.

7. Planares Antennenelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (2) eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die zumindest gleich zehn, vorzugsweise zumindest gleich fünfundzwanzig, ist.

8. Planares Antennenelemeπt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (2) im wesentlichen aus einem Kunststoff, insbesondere Polytetrafluoräthylεn, besteht.

9. Planares Antennenelement (1) nach einεm der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Substrat (2) aus LaAlO,, vorzugsweise aus einkristallinem LaAlO-_j, besteht.

10. Planares Antennenelement (1) nach einεm dεr Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Substrat (2) aus A^O, besteht.

11. Planares Antεnnenelement (1) nach einem der vorhergεhenden Ansprüche, bei dem die zweitε Bεschichtung (6) aus einem Metall, iπsbesondεrε Kupfεr, Silbεr oder Gold, besteht.

12. Planares Antennεnεlεment (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die zweite Beschichtung (6) supraleitfähig ist.

13. Planares Antennenelement (1) nach Anspruch 12, bei dem die zweite Beschichtung (6) aus derselbεn Substanz wie die erste Beschichtung (5) besteht.

14. Planares Antennenelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erstε Beschichtung (5) aus einem keramischεn Supralεiter besteht.

15. Planares Antennenelement (1) nach Anspruch 14, bei dem die erstε Beschichtung (5) aus einem keramischen Hochtemperatursupraleitεr, insbεsondεre aus YBa Cu,0₇ , bestεht.

16. Planarεs Antennenelement (1) nach einem der vorhergehendεn Ansprüchε, bεi dem das Substrat (2) zwischen der εrsten Seitε (3) und der zweiten Seite (4) eine Dicke zwischεn 0,3 mm und 1,5 mm, vorzugswεisε zwischεn 0,5 mm und 1,0 mm, hat.

17. Planare Antennε in einer Streifenleiteranordnung auf einem dielεktrischεn Substrat (2), diε eine Anordnung mit zumindest einεm planarεn Antεnnenelε εnt (1) nach εinε dεr vorhergehenden Ansprüche aufweist.