-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Planar-Array-Antenne, die als Sende/Empfangs-Antenne
verwendet werden kann, die für
ein WLL (wireless local loop) – Terminal
benutzt wird.
-
5A bis 5C veranschaulichen
ein Beispiel einer herkömmlichen
Planar-Array-Antenne des oben genannten Typs. Unter Bezugnahme auf diese
Figuren ist eine Mehrzahl (zwei in diesem Beispiel) von Patch-Antennenelementen 101 und 102 auf
einem rechteckigen, dielektrischen Substrat 100 angeordnet.
Die Elemente 101 und 102 sind über eine Versorgungsleitung 103 miteinander
gekoppelt, und das Element 102 ist über eine Versorgungsleitung 104 mit
einem Versorgungspunkt 105 verbunden. Die Versorgungsleitungen 103 und 104 sind
jeweils aus einem auf das dielektrische Substrat 100 geklebten
Streifenleitung gebildet.
-
Bei
der Planar-Array-Antenne nach dem Stand der Technik wird den Patch-Antennenelementen 101 und 102 elektrische
Energie als serielle Versorgung von dem Versorgungspunkt 105 über die Versorgungsleitungen 103 und 104 zugeführt.
-
Die
so gebildete Planar-Array-Antenne ist durch den dielektrischen Effekt
des dielektrischen Substrats 100 insgesamt miniaturisiert
ausgebildet. Da jedoch der Antennengewinn der Antenne aufgrund von
dielektrischen Verlusten verringert ist, ist eine nutzbare Bandbreite
des VSWR (voltage standing wave ratio) verschmälert. Da darüber hinaus
die Mehrzahl von Patch-Antennenelementen 101 und 102 in
einer bestimmten Anordnung angeordnet ist und diesen Elementen eine
elektrische Energie in Form einer seriellen Versorgung zugeführt wird, taucht das
folgende Problem auf. Es ist schwierig, die Patch-Antennenelemente 101 und 102 unter
dem Einfluss einer sogenannten Kontraktionsrate aufgrund des dielektrischen
Substrats 100 in optimalem Abstand anzuordnen. Dieses Problem
ist nachstehend ausführlicher
beschrieben.
-
Wie
in den 5A und 5B dargestellt ist,
wird die elektrische Länge
der Antenne so bestimmt, dass die Länge von jedem der Patch-Antennenelemente 101 und 102 und
der Abstand zwischen ihnen jeweils λ/2 beträgt, wenn die Wellenlänge der gesendeten/empfangenen
welle λ ist.
In den 5A und 5B entsprechen λ/2 und P
= λ der
elektrischen Länge.
Die Kontraktionsrate, die einer von einer Mehrzahl von dielektrischen
Effekten des dielektrischen Substrats 100 ist, ist berücksichtigt,
um die elektrische Länge
einzustellen.
-
Angenommen,
Teflon (bekannt unter dem Handelsnamen von du Pont) wird als das
dielektrische Substrat 100 verwendet und seine effektive
Dielektrizitätskonstante
ist εe,
so ist ein tatsächlicher physikalischer
Abstand R zwischen den Patch-Antennenelementen 101 und 102 durch
die folgende Gleichung gegeben: R = λ/2 (εe)1/2 ≈ 0,
7 λ/2
-
Wenn,
wie es in 5C gezeigt ist, die Energiefläche des
Patch-Antennenelements 101 S101 und die des Patch-Antennenelements 102 S102
ist, so überlagern
sich diese Flächen,
so das ein Bereich S103 gebildet wird, der schräg schraffiert ist. Der Überlagerungsbereich
S103 verringert den Antennenwirkungsgrad, so dass der maximale Antennengewinn
aufgrund eines dielektrischen Verlustes nicht erreicht werden kann.
Wenn als das dielektrische Substrat 100 Teflon verwendet
wird, fällt
der Antennengewinn in einen Bereich von 8dBi bis 9dBi, was ungefähr 30% niedriger
als der maximale Antennengewinn im Idealfall oder in Luft ist.
-
Wenn
den Patch-Antennenelementen 101 und 102 eine elektrische
Energie in Form einer parallelen Versorgung zugeführt wird,
tritt das oben genannte Problem nicht auf, wohingegen die nachfolgend
genannten Nachteile auftreten: Da die Antenne einen Verteiler benötigt, ist
ihre Struktur kompliziert und vergrößert, und der Verteiler erzeugt
Verluste.
-
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Planar-Array-Antenne
bereitzustellen, die die folgenden Vorteile aufweist:
- (a) Obwohl in einem Array angeordneten Patch-Antennenelementen eine elektrische Energie
als serielle Versorgung zugeführt
wird, kann verhindert werden, dass sich die Energieflächen benachbarter
Antennenelemente überlagern,
und die Antennenelemente können
in idealen Intervallen angeordnet werden, wenn sowohl die Länge jedes
der Elemente als auch der Abstand zwischen ihnen auf eine vorbestimmte
elektrische Länge
eingestellt sind;
- (b) Da die idealen Intervalle gewährleistet werden können und
keine dielektrischen Verluste auftreten, ist der Wirkungsgrad der.
Antenne beträchtlich
verbessert, und der maximale Antennengewinn kann erreicht werden;
und
- (c) Die Antenne kann vereinfacht und insgesamt miniaturisiert
werden, und ihre Kosten können stark
reduziert werden.
-
Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
eine Planar-Array-Antenne. gemäß dem beigefügten Anspruch
bereit. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in der Beschreibung der
Erfindung erläutert.
-
Die
Erfindung wird besser aus der nachfolgenden, ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden,
in denen
-
1A eine
perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Planar-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
1B eine
Seitenansicht des Aufbaus der Planar-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
-
1C eine
Darstellung zur Erklärung
einer Funktion einer Planar-Array-Antenne gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
-
2 eine
Kennlinie ist, die die VSWR-Charakteristik
der Planar-Array-Antenne gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
3 eine
Ansicht eines Strahlungsmusters der Richtcharakteristik der E-Ebene
der Planar-Array-Antenne
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
4 eine
Ansicht eines Strahlungsmusters der Richtcharakteristik der H-Ebene
der Planar-Rrray- Antenne
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
5A eine
perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Planar-Array-Antenne gemäß dem Stand
der Technik ist;
-
5B eine
Seitenansicht des Aufbaus der Planar-Array-Antenne des Standes der Technik
ist; und
-
5C eine
Darstellung zur Erläuterung
eines Problems der Planar-Array-Antenne des Standes der Technik
ist.
-
(Ausführungsform)
-
[Aufbau]
-
1A bis 1C veranschaulichen
eine Planar-Array-Antenne
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In den 1A und 1B bezeichnet
die Bezugszahl 10 eine Grundplatte, die aus einem metallischen
Material wie etwa Messing gebildet ist. Eine Mehrzahl (in dieser
Ausführungsform
zwei) von Patch-Antennenelementen 11 und 12,
welche Metallplatten sind, die aus dem gleichen Messing gebildet
sind, werden durch Isolationsabstandshalter 13 bzw. 14 auf
der Grundplatte 10 gehalten. Bezugszahlen 15 und 16 bezeichnen
Befestigungsschrauben zum Anbringen und Befestigen der Patch-Antennenelemente 11 und 12 auf
der Grundplatte 10.
-
Die
Isolationsabstandshalter 13 und 14 sind jeweils
ein Zylinder (kurzer Zylinder bei dieser Ausführungsform), der aus Harz wie
etwa Polyacetal, Polycarbonat und ABS gebildet ist.
-
Diese
Abstandshalter haben jeweils einen ziemlich kleinen Durchmesser
D und eine geeignete Dicke T bezüglich
der Bereiche der Patch-Antennenelemente 11 und 12, so
dass sie örtlich
die mittleren Bereiche der Elemente 11 und 12 stützen bzw.
tragen können.
-
Die
elektrische Länge
ist so bestimmt, dass sowohl die Länge jedes der Patch-Antennenelemente 11 und 12 als
auch der Abstand zwischen ihnen λ/2 beträgt, wenn
die Wellenlänge
der gesendeten/empfangenen Welle λ/2
ist. Mit anderen Worten, die Patch-Antennenelemente 11 und 12,
die jeweils eine Länge
von λ/2
haben, sind entlang einer geordneten Linie in einem gegebenen Intervall
bzw. einer gegebenen Mittelpunktsabstand P = λ angeordnet. Die Elemente 11 und 12 sind
mittels einer Versorgungsleitung 17 miteinander verbunden,
die aus einer Streifenleitung gebildet ist, deren Länge λ/2 ist und deren
Widerstand im Bereich von 100 Ω bis
500 Ω liegt.
Die Streifenleitung kann gebildet werden, indem ein aus Messing
oder Kupfer gefertigter Draht oder eine aus Messing oder Kupfer
gefertigte Platte verwendet wird.
-
Um
die oben genannte elektrische Länge
zu bestimmen, muss keine Kontraktionsrate berücksichtigt werden, insbesondere
da keine dielektrischen Substrate vorhanden sind. Folglich kann
die Länge der
Versorgungsleitung 17 oder der tatsächliche physikalische Abstand
R zwischen den Patch-Antennenelementen 11 und 12 auf
die Länge
L jedes der Elemente 11 und 12 eingestellt werden.
Mit anderen Worten, sowohl die Distanz R als auch die Länge L können auf λ/2 eingestellt
werden.
-
Punkte
A und B sind auf dem Patch-Antennenelement 12 festgelegt.
Da die Seitenkeule der Richtcharakteristik bei Punkt B aus dem Gleichgewicht
ist, wird der Punkt A als der Versorgungspunkt angesehen. Wie in 1B gezeigt
ist, befindet sich bei Punkt A ein Versorgungsstift, wobei ein Abschnitt des
Stifts 18, der in Richtung der Rückseite der Grundplatte 10 hervorragt, zur
Korrektur eines Blindwiderstandes mit einem Abgleichsubstrat 19 verbunden
ist, und das Abgleichsubstrat 19 ist mit einer Zuleitung 20 verbunden.
-
[Funktion]
-
Wie
oben beschrieben sind die Patch-Antennenelemente 11 und 12 der
vorliegenden Erfindung auf der Grundplatte 10 aus einem
metallischen Material gebildet, und ihre mittleren Abschnitte werden örtlich durch
ihre jeweiligen Isolationsabstandshalter 13 und 14 aus
kurzen Zylindern gehalten. Die Antennenelemente 11 und 12 sind
mit Hilfe der Versorgungsleitung 17 der drahtförmigen oder
flachen Streifenleitung so miteinander verbunden, dass die Leitung
als in der Luft befindliche Brücke
wirkt. Die Länge
jedes der Elemente 11 und 12 beträgt λ/2, und sie
sind in einem vorbestimmten Intervall (mit einem Mittelpunktsabstand
von P = λ)
angeordnet.
-
Folglich
sind die Elemente der Planar-Array-Antenne, die dielektrische Verluste
aufweisen, nur die äußerst kleinen
Isolationsabstandshalter 13 und 14, die die Patch-Antennenelemente 11 und 12 halten.
Bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird daher die Dielektrizitätskonstante
er, die mit dem Antennengewinn in Beziehung steht, "1", was nahe an dem Wert von Luft ist,
mit dem Ergebnis, dass die dielektrischen Verluste sehr niedrig
sind und der Antennengewinn kaum verringert ist.
-
Da
sich zwischen den beiden Patch-Antennenelementen 11 und 12 kein
Dielektrikum befindet, wird der physikalische Abstand zwischen ihnen
nicht durch die Kontraktionsrate aufgrund eines Dielektrikums beeinflusst.
Mit anderen Worten, der Abstand R kann auf eine Länge eingestellt
werden, die λ/2
entspricht.
-
Obwohl
eine elektrische Energie als serielle Versorgung den angeordneten
Patch-Antennenelementen 11 und 12 zugeführt wird,
kann verhindert werden, dass sich die Energieflächen S11 und S12 benachbarter
Elemente 11 und 12 überlagern, wenn die Elementlänge und
das Elementintervall auf die elektrische Länge von λ/2 eingestellt werden, wie es in 1C gezeigt
ist. Mit anderen Worten, das ideale Arrayintervall kann gewährleistet
werden, so dass der Antennenwirkungsgrad beträchtlich erhöht wird und der maximale Antennengewinn
erzielt werden kann.
-
In
der vorliegenden Erfindung kann der Antennengewinn der zwei Patch-Antennenelemente 11 und 12,
der herkömmlich
8 dBi bis 9 dBi beträgt,
auf 12 dBi oder mehr erhöht
werden. Wenn die Anzahl von Patch-Antennenelementen mit derselben Struktur
erhöht
wird, kann der Antennengewinn weiter verbessert werden. Eine nutzbare
Bandbreite des VSWR kann stark verbreitert werden.
-
2 ist
eine Kennlinie, die die VSWR-Charakteristik
der Planar-Array-Antenne gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie aus 2 ersichtlich
ist, ist die Bandbreite W1, die herkömmlich 1,5% beträgt, auf
2,9% verbessert, wenn VSWR 1,5 oder weniger beträgt, während die Bandbreite W2, die
herkömmlich
2,8% beträgt,
auf 5,3% verbessert ist, wenn VSWR 1,8 oder weniger beträgt.
-
3 ist
eine Ansicht eines Sendemusters (Strahlöffnungswinkel: 27,75 Grad)
der Richtcharakteristik der E-Ebene (Ebene der elektrischen Feldstärke) der
Planar-Array-Antenne gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, während 4 eine
Ansicht eines Sendemusters (Strahlöffnungswinkel: 61,5 Grad) der
Richtcharakteristik der H-Ebene (Ebene des Magnetfel des) der Planar-Array-Antenne
ist. Wie in 3 und 4 gezeigt
ist, haben die Richtcharakteristiken sowohl der E- als auch der
H-Ebene gute Charakteristiken, die für den praktischen Gebrauch
ausreichend sind.
-
Die
Planar-Array-Antenne der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann vereinfacht und insgesamt miniaturisiert
werden. Da ferner die Grundplatte 10 aus metallischem Material
als Basis verwendet wird, sind die Materialkosten der Antenne um
10% bis 20% niedriger als die einer herkömmlichen Antenne, die ein Dielektrikum
als Basis verwendet. Die Antenne der vorliegenden Erfindung kann daher
zu sehr niedrigen Kosten gefertigt werden.