EP2052437A1 - Abstimmbare antenne planarer bauart - Google Patents

Abstimmbare antenne planarer bauart

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Publication number
EP2052437A1
EP2052437A1 EP07786204A EP07786204A EP2052437A1 EP 2052437 A1 EP2052437 A1 EP 2052437A1 EP 07786204 A EP07786204 A EP 07786204A EP 07786204 A EP07786204 A EP 07786204A EP 2052437 A1 EP2052437 A1 EP 2052437A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
antenna according
conductive structure
antenna
radiation surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07786204A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Schillmeier
Frank Mierke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kathrein SE
Original Assignee
Kathrein Werke KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kathrein Werke KG filed Critical Kathrein Werke KG
Publication of EP2052437A1 publication Critical patent/EP2052437A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
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    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/005—Patch antenna using one or more coplanar parasitic elements
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • the invention relates to a tunable antenna of planar design according to the preamble of claim 1.
  • Patch antennas or so-called microstrip antennas are well known. They usually comprise an electrically conductive base area, a dielectric carrier material arranged above them and an electrically conductive radiation area provided on the upper side of the dielectric carrier material.
  • the upper radiation surface is usually excited by a transverse to the above-mentioned planes and layers feed line.
  • the main cable used is a coaxial cable whose outer conductor is electrically connected at one connection to the ground conductor, whereas the inner conductor of the coaxial cable is electrically connected to the overhead radiation surface.
  • a tunable microstrip antenna has become known, for example, from US 4,475,108.
  • integrated varactor diodes are used for frequency tuning.
  • varactor diodes for tuning an antenna is basically also known from the publication IEEE "Transactions on Antennas and Propagation", September 1993, Rod B. Waterhouse: “Scanning Performance of Infinite Arrays of Microstrip Patch Elements Loaded with Varactor Diodes", Pages 1273 to 1280, known.
  • planar multilayer antennas are, for example also known as so-called "stacked" patch antennas.
  • stacked patch antennas.
  • the antenna according to the invention is to be produced preferably using commercially available patch antennas.
  • the radiation structure provided at the top of the patch antenna can have a longitudinal and transverse extent that is greater or at least partially covers the edge of the underlying radiation surface and extends beyond the edge of the radiation surface.
  • the uppermost patch surface adversely affects the radiation pattern.
  • the metal structure located above the patch antenna can not only have a dimension that is larger in the longitudinal and transverse direction than the patch antenna located underneath. At least deformations, breakthroughs etc. may also be formed in this metal structure. It is even possible that this metal structure is divided into individual metal structure elements and / or areas, which are not mechanically and / or electrically connected to each other, for example.
  • the metal structure is connected to the ground plane at least via an electrical connection, wherein this electrical connection can be a galvanic connection, a capacitive, serial and / or one using electrical components and assemblies is made.
  • this electrical connection can be a galvanic connection, a capacitive, serial and / or one using electrical components and assemblies is made.
  • the mentioned conductive or conductive structure may be connected to the ground plane via at least one electrical connection with the interposition of at least one electrical component.
  • the electrical connection between the ground plane and the metal structure above the patch antenna can therefore be as mentioned by direct contact or by using any electrical components, so as to influence the property of the antenna.
  • varactor diodes which represent a current-controlled capacity. This leaves the patch antenna vote in their frequency.
  • the mentioned electrical connection between the metal structure and the ground surface is formed using support feet or support feet on which an electrically conductive line is formed or which are themselves electrically conductive.
  • the support feet or the at least one support foot are so far also formed of a metal structure, which may for example be integrally connected to the metal structure above the patch antenna and made only by punching and edges.
  • a plurality of support means are provided in the circumferential direction of the metal structure, which preferably simultaneously form the electrical connection to the ground surface, where appropriate, using further electrical components and structural components.
  • the metal structure is rectangular or square, it is preferable for a corresponding, preferably electrically conductive support foot to be arranged preferably on each side, preferably in the middle region. If the metal structure is subdivided into different substructures, at least one supporting foot is also preferably provided for each electrically conductive substructure, which in turn is preferably electrically conductive.
  • the metal structures may also be provided a generally electrically non-conductive structure, for example in the form of a dielectric body, which is coated with a corresponding conductive layer.
  • the electrically conductive structure that is to say the so-called metal structure, is formed for example by a copper surface on a printed circuit board.
  • the printed circuit board could be metallized, for example, at the top, whereas on the bottom of the electrical components (such as a varactor diode) are placed.
  • the carrying feet which are preferably provided as carrying means could, for example, be connected to delimited areas of the upper printed circuit board metallization and be guided to the electrical components by means of through-contacts.
  • the electrical components could be located on top of the printed circuit board.
  • the patch antenna according to the invention thus still has an additional conductive structure at a distance from the radiation surface lying on top, it is nevertheless not a "stacked" patch antenna in the conventional sense, since in the case of stacked patch antennas the patch surface provided at the top (ie the one discussed in FIG standing additional radiation surface) is not contacted via a conductive connection to the ground plane.
  • Figure 1 a schematic axial cross-sectional view through a commercially available patch antenna according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic top view of the prior art patchantenna ne according to Figure 1;
  • FIG. 3 shows a schematic lateral or side view of a tunable patch antenna according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of the exemplary embodiment according to FIG. 3;
  • Figure 5 a plan view of an inventive
  • Figure 6 a figure 3 corresponding side or
  • Figure 6a a modified embodiment to
  • FIG. 3
  • FIG. 7 shows a further modified exemplary embodiment of an antenna according to the invention with a hole-shaped recess in an electrical structure located above the patch antenna;
  • Figure 8 a further modified embodiment with a plurality of separate electrical structures in lateral Cross-sectional presentation, •
  • Figure 9 is a plan view of the embodiment of Figure 8.
  • Figure 10 a top view similar to the embodiment of Figures 8 and 9, but with a modification.
  • FIG. 1 shows a schematic side view and in Figure 2 in a schematic plan view of the basic structure of a commercially available patch radiator A (patch antenna) is shown, which is extended to a tunable patch antenna with reference to Figures 3 et seq.
  • patch radiator A patch antenna
  • the patch antenna shown in FIGS. 1 and 2 comprises a plurality of surfaces and layers arranged one above the other along an axis Z, which will be discussed below.
  • the patch antenna A has an electrically conductive ground surface 3 on its so-called under or mounting side 1.
  • a dielectric carrier 5 Arranged on the ground surface 3 or with a lateral offset therefrom is a dielectric carrier 5, which usually has an outer contour 5 'in plan view, which corresponds to the outer contour 3' of the ground surface 3.
  • this dielectric support 5 may also be dimensioned larger or smaller and / or may be provided with an outer contour 5 'deviating from the outer contour 3' of the ground surface 3.
  • the outer contour 3 'of the ground plane can be n-polygonal and / or even provided with curved sections or curved, although this is unusual.
  • the dielectric carrier 5 has a sufficient height or thickness, which generally corresponds to a multiple of the thickness of the mass surface 3. In contrast to the ground plane 3, which consists approximately only of a two-dimensional surface, the dielectric support 5 is designed as a three-dimensional body with sufficient height and thickness.
  • an electrically conductive radiation surface 7 is formed, which likewise can again be understood approximately as a two-dimensional surface.
  • This radiation surface 7 is fed and excited electrically via a feed line 9, which preferably extends in the transverse direction, in particular perpendicular to the radiation surface 7, from below through the dielectric carrier 5 in a corresponding bore or channel 5c.
  • connection point 11 From a generally lower connection point 11, to which a coaxial cable not shown in detail can be connected, then the inner conductor of the coaxial cable, not shown, to the feed line 9 is electrically-galvanic and thus connected to the radiation surface 7.
  • the outer conductor of the coaxial cable, not shown, is then electrically-galvanically connected to the underlying ground surface 3.
  • a patch antenna which has a dielectric 5 and a square shape in plan view.
  • this shape or the corresponding contour or outline 5 ' can also deviate from the square shape and in general have an n-polygonal shape. Although unusual, even curvy outer boundaries can be provided.
  • the radiation surface 7 which is seated on the dielectric 5 may have the same contour or outline 7 'as the dielectric 5 underneath.
  • the basic shape is likewise formed square in the contour 5 1 of the dielectric 5, but at two opposite ends it is flattened.
  • the outline 7 ' can also represent an n-polygonal outline or contour or even be provided with a curvilinear outer boundary 7'.
  • the mentioned ground plane 3 as well as the radiation surface 7 are sometimes referred to as a "two-dimensional" surface, since their thickness is so small that they can not be called quasi “solid".
  • the thickness of the ground plane and the radiating surface 3, 7 usually moves below 1 mm, i. usually less than 0.5 mm, in particular less than 0.25 mm, 0.20 mm, 0.10 mm.
  • the patch antenna A thus formed which may for example consist of a commercially available patch antenna A, preferably of a so-called ceramic patch antenna (in which therefore the dielectric carrier layer 5 consists of a ceramic material), is now in a tunable patch antenna according to FIG and 4 in the lateral or vertical offset to the upper radiation surface 7 in addition a patch-like conductive structure 13 is arranged ( Figure 3).
  • the so-described tunable patch antenna is positioned, for example, on a chassis B indicated only in FIG. 3, which can represent, for example, the base chassis for a motor vehicle antenna in which the antenna according to the invention may be installed alongside other antennas for other services can.
  • the tunable patch antenna according to the invention can be used, for example, in particular as an antenna for geostationary positioning and / or for the reception of satellite or terrestrial signals, for example the so-called SDARS service. However, there are no restrictions for use for other services.
  • the patch-like conductive structure 13 may for example consist of an electrically conductive metal body, so for example a metal sheet with appropriate longitudinal and / or transverse extent or generally of an electrically conductive layer on a correspondingly sized substrate (for example in the form of an electrical body or a dielectric plate similar to a printed circuit board) is formed.
  • this patch element 13 can also have an outline 13 'deviating from a rectangular or square structure.
  • a certain adaptation of the patch antenna can be carried out by processing edge regions, for example of corner regions 13a shown in FIG.
  • the patch-like conductive structure 13 has a longitudinal extension and a Transverse extension on the one hand is greater than the longitudinal and transverse extent of the radiation surface 7 and / or on the other hand is greater than the longitudinal and transverse extent of the dielectric support 5 and / or the underlying ground surface.
  • the patch-like conductive structure 13 can also have completely or partially convex or concave and / or other curved outlines or an n-polygonal outline or hybrid forms of both, as shown only schematically for a different embodiment of Figure 5 in plan view
  • the patch element 13 has an irregular outer contour or an irregular outline 13 '.
  • the patch-like conductive structure 13 is arranged at a distance 17 above the radiation surface 7.
  • This distance can be chosen within wide ranges.
  • this distance 17 should, if possible, not be less than 0.5 mm, preferably more than 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm or equal to or more than 1 mm. Values around 1.5 mm, ie generally between 1 mm to 2 mm or 1 mm to 3 mm, 4 mm or to 5 mm are fully sufficient.
  • the distance 17 of the patch-like conductive structure 13 is preferably smaller than the height or thickness 15 of the dielectric carrier 5.
  • the distance 17 of the uppermost conductive structure 13 has a dimension which is less than 90 %, in particular less than 80%, 70%, 60%, 50% or even less than 40% and optionally 30% or less than 20% of the height or thickness 15 of the carrier element 5 speaks .
  • FIG. 3 to 5 is in the selected embodiment using a plate-like electrically conductive structure 13, with its plane preferably parallel to the chassis B or to the ground surface 3 and / or the radiation surface 7 on the Ground surface 3 opposite side of the radiation surface 7 is arranged, the electrically conductive structure 13 via support legs 213 held.
  • a support foot 213 is arranged in each case in the circumferential direction offset per longitudinal side 13a, which runs in the illustrated embodiment transversely to the ground surface or base of the chassis B, in the embodiment shown even vertically.
  • the ground plane 3 of the patch antenna A is galvanically or capacitively connected to a chassis ground plane B.
  • the support legs 213 thus preferably consist of an electrically conductive material.
  • the patch-like electrically conductive structure 13 is made of a metal sheet by cutting and / or punching, corresponding Switzfroboe may be formed on the outer circumference, which then extend through edges transverse to the surface of the patch-like conductive structure 13 and with its free end 213a then electrically contacted on the ground surface 3, B and can be mechanically anchored.
  • the conductive structure 13 is dimensioned larger in the longitudinal and transverse directions than the longitudinal and transverse directions of the patch antenna located underneath, the feet can therefore be perpendicular to the ground plane. 3 or chassis ground surface B on the patch antenna A with side offset 313 pass by.
  • feet can be used, or the feet can be connected or attached elsewhere on the conductive structure 13.
  • FIG. 5 it is shown in FIG. 5 that only two obliquely opposite support feet 213 are used in this exemplary embodiment.
  • the support legs 213 which may be provided with an electrically conductive bottom or top or generally surface, namely by applying an electrically conductive outer layer. Therefore, a substrate or a dielectric body may be provided in parallel above the radiation surface 7, which is supplemented for example with corresponding support feet or provided integrally from home, so this structure consists of a non-conductive material and then with a corresponding conductive layer or metal layer - is moved.
  • the support legs coated with an electrically conductive layer or equipped with a separate parallel wire or other lines or conductive conductive feet with the interposition of electrical components 125 with an electrically conductive ground or base surface in particular in shape a chassis B can be connected.
  • varactor diodes 125 ' are provided for this purpose.
  • the electrically conductive support legs are without electrical contact made in this embodiment by corresponding holes through the ground surface 3 and in the chassis B, electrically connected at its free end with the mentioned electrical components 125, for example in the form of varactor diodes 125 '
  • the connection side 125a For example, on the connection side 125a, whereas the second connection side 125b is then connected to the ground surface 3 or B respectively.
  • the ground plane or the chassis B could not consist of an electrically conductive material, but for example of a printed circuit board (dielectric). This could, for example, on the underside or, as will be discussed below, partially metallized on the top, ie on the side carrying the antenna, and optionally equipped with additional components, in particular SMD components, for example in the form of the varactor diode 125, 125 ' be.
  • additional components in particular SMD components, for example in the form of the varactor diode 125, 125 ' be.
  • the electrically conductive foot 213 (or an electrically conductive track or general line formed on the foot 213) on the radiator top of the base, preferably in the form of a printed circuit board B, is provided with an electrical component 125, in particular an SMD component 125 on the Connection side 125a connected, whose other connection side 125b is electrically connected via a through-connection 125c to the ground surface 303 formed on the lower side of the printed circuit board B, preferably electrically-galvanically.
  • these components 125 could also be provided or equipped on the underside of the printed circuit board.
  • the support feet 213 could be galvanically contacted, for example, by soldering to an electrically conductive intermediate surface, for example on the printed circuit board upper side, which are connected by means of plated-through holes 125c to the components 125 provided on the printed circuit board underside.
  • a metallized layer 403 (for example a copper coating) may also be provided.
  • This layer could be electrically-galvanically connected with plated-through holes (not shown in FIG. 6a) to the lower ground surface 303 (ie on the lower side of the printed circuit board B) so as to improve the capacitive coupling of the patch 3 to the ground.
  • this metallized layer 403 in FIG. 6a could also go to the left and right beyond the SMD components 125 (without, of course, being electrically-galvanically connected to the connection side 125a).
  • a schematic plan view shows that the patch-like conductive structure 13 described, for example, with reference to FIG. 5 can be provided with a recess or a hole 29.
  • These Recess or hole 29 is preferably provided in that area in which the feed line 9 is connected to the radiation surface 7 usually by soldering. Because at this point usually over the surface of the radiation surface 7 protruding Löterhebung 31 is formed (as can be seen, for example, for a further modified embodiment with reference to Figure 8).
  • FIG. 8 shows a schematic side view along the section line VIII-VIII in FIG. 9
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of the modified exemplary embodiment.
  • This embodiment differs from the preceding embodiments in that not a uniform common electrically conductive structure 13, but a plurality of electrically conductive structures 13 are formed, which have a planar design.
  • the patch-like electrically conductive structural elements 113 are arranged in a common plane parallel to the adjacent radiation surface 7 and parallel to the ground plane 3 and / or parallel to the chassis surface B. Possibly But they can also lie in different altitude levels. These structural elements also do not necessarily have to lie parallel to one another or to the radiation surface and ground surface, etc., but optionally also include at least slight angles of inclination to one another.
  • Each such electrically conductive structural element 13, 113 is supported, held and preferably electrically connected by means of a supporting foot 113 assigned to it, if no separate electrical line is provided as a connection line to the ground plane (optionally with the interposition of the mentioned electrical components).
  • the support feet 213 are arranged laterally at a distance 313 to the patch antenna A, wherein the electrically conductive structure elements 113 in plan view of the upper radiation surface 7 at least partially cover them.
  • the structural elements 113 may have a longitudinal extent that is significantly shorter than the relevant side length of the radiation area 7, so that these structural elements thus formed cover the radiation area 7 only with a comparatively small surface area.
  • a support leg 213 is formed on the circumferential edge 113 'of the electrically conductive structure 13, 113, which support is, for example, mechanically and / or electrically connected to the electrically conductive structure 13, 113.
  • each structural element is electrically conductive or coated with an electrically conductive layer 13, 113 has a length which is preferably between 5% to 95%, in particular 10% to 90% and can assume any intermediate value thereof.
  • a preferred length range corresponds to approximately 10% to 60%, in particular 20% to 50%, of the corresponding length of the patch antenna A and / or the top radiation surface 7.
  • the longitudinal extent, each measured in the parallel direction of the respective longitudinal extent of the patch element with respect to the top and bottom in Figure 9 structural element 113 is greater than the longitudinal extent of the left and right in Figure 9 patch element. This also allows a desired fine tuning to be made.
  • the respective transverse extent of the structural elements 13, 113 in FIGS. 8 and 9 in the covering direction to the patch antenna A lies in the same order of magnitude as preferably between 10% to 90% and 20% to 60%, for example by 30% to 50%. or 30% to 40%.
  • the proportion of the surface of the structural element 113, which covers the patch antenna A with its dielectric in plan view according to FIG. 9, is preferably at least more than 20%, in particular more than 30% or 40% or 50% of the surface of the structural element 113
  • the proportion of the surface of the structural element in plan view according to FIG. 9, which covers the upper radiation surface should be at least more than 5%, in particular more than 10%, 20% or preferably 30% of the surface of the corresponding patch element 113, as shown in plan view in FIG be.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 10 corresponds in principle to that according to FIG. 9.
  • the conductive structures 13, 113 shown in FIG. 9 are not formed as mechanically independent electrically conductive structures, but rather as electrically conductive surfaces on an electrically non-conductive substrate, in particular in the form of a dielectric plate, for example in the form of a so-called printed circuit board.
  • This dielectric support material or this dielectric substrate is provided with the reference numeral 413.
  • This substrate 413 is likewise mechanically supported again by four feet, namely on each side by a foot 213, wherein the electrical connection of the electrical structural element 13, 113 on the printed circuit board-shaped substrate 413 can likewise be electrically connected to the ground potential, as has been explained with reference to FIG. 9 and the preceding examples.

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Abstract

Eine verbesserte abstimmbare Antenne planarer Bauart zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: in Draufsicht senkrecht zur Strahlungsfläche (7) überdeckt die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) die Strahlungsfläche (7) ganz oder teilweise, die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) ist galvanisch oder kapazitiv oder seriell und/oder unter Zwischenschaltung zumindest eines elektrischen Bauteiles (125) mit der Massefläche (3) und/oder einer auf einem Potential oder Masse liegenden Chassis (B) gekoppelt und/oder verbunden.

Description

Abstimmbare Antenne planarer Bauart
Die Erfindung betrifft eine abstimmbare Antenne planarer Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Patchantennen bzw. sogenannte Microstrip-Antennen sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen üblicherweise eine elektrisch leitfähige Grundfläche, ein darüber angeordnetes dielektrisches Trägermaterial und eine auf der Oberseite des dielektrischen Trägermaterials vorgesehene elektrisch leitfähige Strahlungsfläche. Die obere Strahlungsfläche wird in der Regel durch eine quer zu den vorstehend genannten Ebenen und Schichten verlaufende Speiseleitung angeregt. Als Anschlusskabel dient vor allem ein Koaxialkabel, dessen Außenleiter an einem Anschluss mit dem Masse- leiter elektrisch verbunden ist, wohingegen der Innenleiter des Koaxialkabels mit der oben liegenden Strahlungsfläche elektrisch verbunden ist.
Eine abstimmbare Microstrip-Antenne ist beispielsweise aus der US 4 475 108 bekannt geworden. Bei dieser Patchantenne werden integrierte Varactor-Dioden zur Frequenzabstimmung verwendet .
Die Verwendung von Varactor-Dioden zur Abstimmung einer Antenne ist aber grundsätzlich auch aus der Veröffentlichung IEEE "Transactions on Antennas and Propagation", September 1993, Rod B. Waterhouse: "Scan Performance of Infinite Arrays of Microstrip Patch Elements Loaded with Varactor Diodes", Seiten 1273 bis 1280, bekannt.
Aus der Vorveröffentlichung IEEE "Transactions on Antennas and Propagation", September 1993, A. S. Daryoush: "Optical- Iy Tuned Patch Antenna for Phased Array Applications", 1986, Seiten 361-364, ist als bekannt zu entnehmen, eine optisch kontrollierte Pin-Diode zur Frequenzabstimmung zu verwenden. Sie befindet sich in einer Ebene der Patchfläche und verbindet diese mit einer zusätzlichen Koppelfläche .
Ein insoweit sehr ähnliches Prinzip ist grundsätzlich auch aus der US 5 943 016 A sowie der US 6 864 843 B2 zu entnehmen. Dass letztlich auch eingebrachte Kapazitäten zur Frequenzabstimmung verwendet werden können, die beispielsweise in ein Patch eingearbeitet sind, ist aus der US 6 462 271 B2 bekannt. Eine sehr aufwendige mechanische Abstimmung der Patchantenne kann aber auch gemäß der Vorveröffentlichung IEEE "Transaction on Antennas and Propagation", S.A. Bokhari, J-F Züricher: "A Small Microstrip Patch Antenna with a Convenient Tuning Option", November 1996, vol. 48, Seiten 1521-1528, als bekannt entnommen werden.
Unabhängig von den vorstehend genannten Patchantennen sind mehrschichtige Antennen planarer Bauart beispielsweise auch als sogenannte "stacked"-Patchantennen bekannt geworden. Mittels eines derartigen Antennentyps besteht die Möglichkeit, die Bandbreite einer derartigen Antenne zu erhöhen bzw. Resonanzen in zwei oder mehreren Frequenz- bereichen zu gewährleisten. Durch derartige Antennen kann auch der Antennengewinn verbessert werden.
Nachteilig ist bei allen derartigen vorbekannten Antennenanordnungen der vergleichsweise aufwendige Aufbau.
Denn bei den eingangs genannten vorbekannten abstimmbaren Antennen ist in der Regel eine Reihe weiterer Bauteile erforderlich, die häufig sogar direkt in die Patchantenne mit integriert sein müssen. Dies erfordert in der Regel nicht nur eine aufwendigere Entwicklung, sondern führt häufig auch zu einer Verteuerung der Herstellungskosten.
Darüber hinaus sind die vorbekannten Maßnahmen zur Erzielung einer abstimmbaren Patchantenne häufig nicht auf handelsübliche Keramik-Patchantennen anwendbar oder übertragbar.
Schließlich weisen die oben genannten vorbekannten Patchantennen auch den Nachteil auf, dass sie zwar Maßnahmen für die Frequenzabstimmung vorschlagen, dass aber die vorgeschlagenen Maßnahmen in der Regel nicht zur Beeinflussung des Antennendiagramms dienen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte abstimmbare Antenne planarer Bauart zu schaffen, bei der mit vergleichsweise geringem Aufwand nicht nur eine Frequenzabstimmung, sondern vor allem eine Beeinflussung des Antennendiagramms möglich ist. Dabei -A -
soll die erfindungsgemäße Antenne bevorzugt unter Verwendung handelsüblicher Patchantennen herstellbar sein.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich zahlreiche Vorteile realisieren.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich, dass mit der Antenne auf einfachem Wege eine Beeinflussung des Antennendiagramms möglich ist, ohne dass ein beachtlicher Aufwand für unter Umständen kompliziert herzustellende zusätzliche Bauteile oder auch nur eine Feinabstimmung notwendig ist. Eine teure Spezialentwicklung oder eine teure Herstellung von Zusatzteilen wird also vermieden. Vor allem aber ergibt sich als wesentlicher Vorteil, dass im Rahmen der Erfindung handelsübliche Patch-Antennen, vor allem han- delsübliche Keramik-Patch-Antennen verwendbar sind. Diese müssen - wenn sie im Rahmen der Erfindung verwendet werden - nicht speziell verändert, sondern nur im Sinne der Erfindung komplettiert werden, wodurch sich ein sehr kostengünstiger Gesamtaufbau ergibt. Dabei ist im Rahmen der Erfindung sowohl eine Freguenzabstimmung als auch eine Beeinflussung des Antennen-Diagramms möglich.
Dies ist umso überraschender, als die zuoberst auf der Patchantenne vorgesehene Strahlungsstruktur eine Längs- und Quererstreckung aufweisen kann, die größer ist bzw. die den Rand der darunter befindlichen Strahlungsfläche zumindest teilweise überdeckt und sich über den Rand der Strahlungsfläche hinaus erstreckt. Zu erwarten wäre näm- lich in einem derartigen Fall, dass die zuoberst befindliche Patchfläche das Strahlungsdiagramm nachteilig beein- flusst .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die über der Patch-Antenne befindliche Metall-Struktur nicht nur eine in Längs- und Querrichtung größere Dimensionierung als die darunter befindliche Patch-Antenne aufweisen. Zumindest können auch Verformungen, Durchbrüche etc. in dieser Metallstruktur ausgebildet sein. Möglich ist sogar, dass diese Metallstruktur in einzelne Metall- Struktur-Elemente und/oder -Bereiche aufgeteilt ist, die beispielsweise mechanisch und/oder elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Allerdings ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Metall-Struktur zumindest über eine elektrische Verbindung mit der Massefläche verbunden ist, wobei diese elektrische Verbindung eine galvanische Verbindung sein kann, eine ka- pazitive, serielle und/oder eine, die unter Verwendung von elektrischen Baukomponenten und Baugruppen hergestellt ist. Zumindest kann also in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die erwähnte leitende oder leitfähige Struktur über zumindest eine elektrische Verbindung unter Zwischenschaltung zumindest einer elektrischen Komponente mit der Massefläche verbunden sein. Die elektrische Verbindung zwischen der Massefläche und der Metall-Struktur oberhalb der Patch-Antenne kann also wie erwähnt durch direkten Kontakt erfolgen oder aber auch durch Verwendung beliebiger elektrischer Bauteile, um damit die Eigenschaft der Antenne zu beeinflussen. In Betracht kommen hier beispielsweise Varactor-Dioden, welche eine stromgesteuerte Kapazität darstellen. Dadurch lässt sich die Patch-Antenne in ihrer Frequenz abstimmen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erwähnte elektrische Verbindung zwischen der Metallstruktur und der Massefläche unter Verwendung von Tragfüßen oder Stützfüßen gebildet, an denen eine elektrisch leitfähige Leitung ausgebildet ist oder die selbst elektrisch leitfähig sind. Bevorzugt sind die Stützfüße oder der zumindest eine Stützfuß insoweit ebenfalls aus einer Metall-Struktur gebildet, die beispielsweise einstückig mit der Metall-Struktur oberhalb der Patchantenne verbunden und lediglich durch Stanzen und Kanten hergestellt sein kann.
Bevorzugt sind in Umfangsrichtung der Metall-Struktur mehrere Stützeinrichtungen vorgesehen, die vorzugsweise gleichzeitig die elektrische Verbindung zur Massefläche gegebenenfalls unter Verwendung weiterer elektrischer Bauteile und Baukomponenten bilden. Bei einer n-Polygonalge- staltung der Metall-Struktur sind bevorzugt n-Füßchen vorgesehen. Ist die Metall-Struktur rechteckförmig oder quadratisch gebildet, ist also vorzugsweise an jeder Seite bevorzugt im mittleren Bereich ein entsprechender, bevorzugt elektrisch leitfähiger Stützfuß angeordnet. Ist die Metall-Struktur in unterschiedliche Teil-Strukturen unterteilt, ist für jede elektrisch leitfähige Teil-Struktur zumindest ebenfalls vorzugsweise ein Stützfuß vorgesehen, der wiederum bevorzugt elektrisch leitfähig ist.
Anstelle der Metall-Strukturen kann auch eine allgemein elektrisch-nicht-leitfähige Struktur vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines dielektrischen Körpers, der mit einer entsprechenden leitfähigen Schicht überzogen ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei die elektrisch leitfähige Struktur, also die sogenannte Metallstruktur, beispielsweise durch eine Kupferfläche auf einer Leiterplatine gebildet. Die Leiterplatine könnte dabei beispielsweise an der Oberseite metallisiert sein, wohingegen auf der Unterseite die elektrischen Bauteile (beispielsweise eine Varactor-Diode) platziert sind. Die bevorzugt als Trageinrichtung vorgesehenen Tragfüße könnten beispielsweise mit abgegrenzten Flächen der oberen Leiter- plattenmetallisierung verbunden und mittels Durchkontak- tierungen an die elektrischen Bauteile geführt sein. Alternativ könnten sich auch die elektrischen Bauteile auf der Oberseite der Leiterplatine befinden.
Obgleich die erfindungsgemäße Patchantenne also noch eine zusätzliche leitfähige Struktur im Abstand zur oben liegenden Strahlungsfläche aufweist, handelt es sich gleichwohl nicht um eine "stacked"-Patchantenne im herkömmlichen Sinne, da bei stacked-Patchantennen die zuoberst vorgese- hene Patchfläche (also die in Rede stehende zusätzliche Strahlungsfläche) nicht über eine leitende Verbindung mit der Massefläche kontaktiert ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen :
Figur 1 : eine schematische axiale Querschnittsdarstellung durch eine handelsübliche Patch- antenne nach dem Stand der Technik;
Figur 2 : eine schematische Draufsicht auf die nach dem Stand der Technik bekannte Patchanten- ne gemäß Figur 1;
Figur 3 : eine schematische Quer- oder Seitendarstellung einer erfindungsgemäßen abstimm- baren Patchantenne;
Figur 4 : eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3;
Figur 5 : eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Patchantenne mit einer zu Figur 4 abweichenden Ausführungsform für das oben sitzende Patchelement;
Figur 6 : eine Figur 3 entsprechende Seiten- oder
Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Patchantenne unter Wiedergabe einer verwendeten Trageinrichtung für das obere Patchelement;
Figur 6a: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel zu
Figur 3;
Figur 7 : ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne mit einer lochförmigen Ausnehmung in einer oberhalb der Patchantenne befindlichen elektrischen Struktur;
Figur 8 : ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit mehreren voneinander getrennten elektrischen Strukturen in seitlicher Querschnittsdarsteilung,•
Figur 9 : eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach Figur 8; und
Figur 10 : eine Draufsicht vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach Figuren 8 und 9, jedoch mit einer Abwandlung.
In Figur 1 ist in schematischer Seitendarstellung und in Figur 2 in schematischer Draufsicht der Grundaufbau eines handelsüblichen Patchstrahlers A (Patchantenne) gezeigt, der anhand der Figuren 3 ff. zu einer abstimmbaren Patchantenne erweitert wird.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Patchantenne umfasst mehrere längs einer Achse Z übereinander angeordnete Flächen und Schichten, auf die nachfolgend eingegangen wird.
Aus der schematischen Querschnittsdarstellung gemäß Figur 1 ist zu ersehen, dass die Patchantenne A auf ihrer sogenannten Unter- oder Anbauseite 1 eine elektrisch leitfähige Massefläche 3 aufweist. Auf der Massefläche 3 bzw. mit Seitenversatz dazu angeordnet ist ein dielektrischer Trä- ger 5, der üblicherweise in Draufsicht eine Außenkontur 5' aufweist, die der Außenkontur 3' der Massefläche 3 entspricht. Dieser dielektrische Träger 5 kann aber auch größer oder kleiner dimensioniert und/oder mit zur Außenkontur 3' der Massefläche 3 abweichender Außenkontur 5' ver- sehen sein. Allgemein kann die Außenkontur 3' der Massefläche n-polygonal sein und/oder sogar mit kurvigen Abschnitten versehen oder kurvig gestaltet sein, obgleich dies unüblich ist. Der dielektrische Träger 5 weist eine ausreichende Höhe oder Dicke auf, die in der Regel einem Vielfachen der Dicke der Massenflache 3 entspricht. Im Gegensatz zur Massefläche 3, die näherungsweise lediglich aus einer zwei- dimensionalen Fläche besteht, ist der dielektrische Träger 5 als dreidimensionaler Körper mit ausreichender Höhe und Dicke gestaltet.
Auf der Oberseite 5a gegenüberliegend zur Unterseite 5b (die benachbart zur Masseflache 3 zu liegen kommt) ist eine elektrisch leitfähige Strahlungsfläche 7 ausgebildet, die ebenfalls wieder näherungsweise als zweidimensionale Fläche verstanden werden kann. Diese Strahlungsfläche 7 wird über eine Speiseleitung 9 elektrisch gespeist und an- geregt, die bevorzugt in Querrichtung, insbesondere senkrecht zur Strahlungsfläche 7 von unten her durch den dielektrischen Träger 5 in einer entsprechenden Bohrung oder einem entsprechenden Kanal 5c verläuft.
Von einer in der Regel unten liegenden Anschlussstelle 11, an welcher ein nicht näher gezeigtes Koaxialkabel angeschlossen werden kann, ist dann der Innenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels mit der Speiseleitung 9 elektrisch-galvanisch und damit mit der Strahlungsfläche 7 verbunden. Der Außenleiter des nicht gezeigten Koaxialkabels ist dann mit der unten liegenden Massefläche 3 elektrisch-galvanisch verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 1 ff. ist eine Patchantenne beschrieben, die ein Dielektrikum 5 und eine in Draufsicht quadratische Form aufweist. Diese Form oder die entsprechende Kontur oder Umrisslinie 5' kann aber auch von der quadratischen Form abweichen und allgemein eine n-polygonale Form aufweisen. Obgleich unüblich, können sogar kurvige Außenbegrenzungen vorgesehen sein.
Die auf dem Dielektrikum 5 sitzende Strahlungsfläche 7 kann eine gleiche Kontur oder Umrisslinie 7 ' aufweisen wie das darunter befindliche Dielektrikum 5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Grundform ebenfalls der Umrisslinie 51 des Dielektrikums 5 angepasst quadratisch gebildet, weist aber an zwei gegenüberliegenden Enden Abfla- chungen 7" auf, die quasi durch Weglassen eines gleichschenklig rechtwinkligen Dreiecks gebildet sind. Allgemein kann also auch die Umrisslinie 7 ' eine n-polygonale Umrisslinie oder Kontur darstellen oder sogar mit einer kurvigen Außenbegrenzung 7' versehen sein.
Die erwähnte Massefläche 3 wie aber auch die Strahlungsfläche 7 werden teilweise als "zweidimensionale" Fläche bezeichnet, da deren Dicke so gering ist, dass sie quasi nicht als "Volumenkörper" bezeichnet werden können. Die Dicke der Massefläche und der Strahlungsfläche 3, 7 bewegt sich üblicherweise unter 1 mm, d.h. in der Regel unter 0,5 mm, insbesondere unter 0,25 mm, 0,20 mm, 0,10 mm.
Oberhalb der so gebildeten Patchantenne A, die beispiels- weise aus einer handelsüblichen Patchantenne A bestehen kann, vorzugsweise aus einer sogenannten Keramik-Patchantenne (bei der also die dielektrische Trägerschicht 5 aus einem Keramikmaterial besteht) , ist nunmehr bei einer erfindungsgemäßen abstimmbare Patchantenne gemäß Figur 3 und 4 im Seiten- oder Höhenversatz zur oberen Strahlungsfläche 7 zusätzlich eine patch-ähnliche leitende Struktur 13 angeordnet (Figur 3) . Die so geschilderte abstimmbare Patchantenne ist beispielsweise auf einem in Figur 3 lediglich als Linie angedeuteten Chassis B positioniert, welches beispielsweise das Basis-Chassis für eine Kraftfahrzeug-Antenne darstel- len kann, in welchem die erfindungsgemäße Antenne gegebenenfalls neben weiteren Antennen für andere Dienste eingebaut sein kann. Die erfindungsgemäße abstimmbare Patchantenne kann beispielsweise insbesondere als Antenne für die geostationäre Positionierung und/oder für den Empfang von Satelliten- oder terrestrischen Signalen, beispielsweise des sogenannten SDARS-Dienstes, verwendet werden. Einschränkungen für die Verwendung auch für andere Dienste sind jedoch nicht gegeben.
Die patch-ähnliche leitende Struktur 13 kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Metallkörper, also beispielsweise einem Metallblech mit entsprechender Längs- und/oder Quererstreckung bestehen oder allgemein aus einer elektrisch leitfähigen Schicht, die auf einem entsprechend dimensionierten Substrat (beispielsweise in Form eines elektrischen Körpers oder einer dielektrischen Platte vergleichbar einer Leiterplatine) ausgebildet ist.
Wie aus der Draufsicht gemäß Figur 4 ersichtlich ist, kann dieses Patchelement 13 aber auch einen von einer rechteck- förmigen oder quadratischen Struktur abweichenden Umriss 13' aufweisen. Wie nämlich bekannt ist, kann durch Abarbeiten von Randbereichen, beispielsweise von in Figur 4 ersichtlichen Eckbereichen 13a noch eine gewisse Anpassung der Patchantenne vorgenommen werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die patch-ähnliche leitfähige Struktur 13 eine Längserstreckung und eine Quererstreckung auf, die zum einen größer ist als die Längs- und Quererstreckung der Strahlungsfläche 7 und/oder zum anderen auch größer ist als die Längs- und Querstreckung des dielektrischen Trägers 5 und/oder der darunter befindlichen Massefläche 3.
Ganz allgemein kann die patch-ähnliche leitfähige Struktur 13 ganz oder teilweise auch konvexe oder konkave und/oder sonstige kurvige Umrisslinien oder einen n-polygonalen Umriss aufweisen oder Mischformen von beiden, wie dies nur schematisch für ein abweichendes Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 in Draufsicht gezeigt ist, wobei das Patchelement 13 in diesem Fall eine unregelmäßige Außenkontur oder einen unregelmäßigen Umriss 13' aufweist.
Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, ist die patch-ähnliche leitfähige Struktur 13 in einem Abstand 17 oberhalb der Strahlungsfläche 7 angeordnet. Dieser Abstand kann in weiten Bereichen gewählt werden. Dabei sollte dieser Abstand 17 wenn möglich nicht kleiner als 0,5 mm sein, vorzugsweise mehr als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder gleich oder mehr als 1 mm betragen. Werte um 1,5 mm, also allgemein zwischen 1 mm bis 2 mm oder 1 mm bis 3 mm, 4 mm oder bis 5 mm sind voll ausreichend.
Andererseits ist auch zu ersehen, dass der Abstand 17 der patch-ähnlichen leitfähigen Struktur 13 bevorzugt kleiner ist als die Höhe oder Dicke 15 des dielektrischen Trägers 5. Bevorzugt weist der Abstand 17 der zuoberst liegenden leitfähigen Struktur 13 ein Maß auf, welches weniger als 90%, insbesondere weniger als 80%, 70%, 60%, 50% oder sogar weniger als 40% und gegebenenfalls 30% oder weniger als 20% der Höhe oder Dicke 15 des Trägerelementes 5 ent- spricht .
Wie aus den Figuren 3 bis 5 zu ersehen ist, ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer plat- tenförmig elektrisch leitfähigen Struktur 13, die mit ihrer Ebene bevorzugt parallel zum Chassis B bzw. zur Massefläche 3 und/oder zur Strahlungsfläche 7 auf der zur Massefläche 3 gegenüberliegenden Seite der Strahlungsfläche 7 angeordnet ist, die elektrisch leitfähige Struktur 13 über Stützfüße 213 gehalten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei in Draufsicht in Umfangsrichtung versetzt liegend pro Längsseite 13a jeweils ein Stützfuß 213 angeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel quer zur Massefläche oder Grundfläche des Chassis B verläuft, im gezeigten Ausführungsbeispiel sogar senkrecht. Dabei wird gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Massefläche 3 der Patchantenne A mit einer Chassis-Massefläche B galvanisch oder kapazitiv verbunden ist.
Die Stützfüße 213 bestehen also bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material. Insbesondere dann, wenn die patch-ähnliche elektrisch leitfähige Struktur 13 aus einem Metallblech durch Schneiden und/oder Stanzen hergestellt ist, können am Außenumfang entsprechende Sützfüße mit aus- gebildet sein, die dann durch Kanten quer zur Fläche der patch-ähnlichen leitfähigen Struktur 13 verlaufen und mit ihrem freien Ende 213a dann auf der Massefläche 3, B elektrisch kontaktiert und mechanisch verankert werden können.
Da im gezeigten Ausführungsbeispiel die leitfähige Struktur 13 in Längs- und Querrichtung größer dimensioniert ist als die Längs- und Querrichtung der darunter befindlichen Patchantenne, können die Füße also senkrecht zur Masseflä- che 3 bzw. Chassis-Massefläche B an der Patchantenne A mit Seitenversatz 313 dazu vorbeilaufen.
Grundsätzlich können aber auch weniger oder mehr Füßchen verwendet werden oder die Füße können an anderer Stelle der leitfähigen Struktur 13 mit dieser verbunden sein oder ansetzen.
Dazu ist in Figur 5 gezeigt, dass bei diesem Ausführungs- beispiel lediglich zwei schräg gegenüberliegende Stützfüße 213 verwendet werden.
Anstelle der elektrisch voll leitfähigen Stützfüße 213 können aber auch beispielsweise Kunststoffkörper für die Stützfüße 213 verwendet werden, die eventuell mit einer elektrisch leitfähigen Unter- oder Oberseite oder allgemein Oberfläche versehen sind, nämlich durch Auftragen einer elektrisch leitfähigen Außenschicht. Von daher kann parallel oberhalb der Strahlungsfläche 7 ein Substrat oder ein dielektrischer Körper vorgesehen sein, der beispielsweise mit entsprechenden Stützfüßen ergänzt oder von Hause aus einstückig versehen ist, also dieses Gebilde aus einem nicht leitfähigen Material besteht und dann mit einer entsprechend leitfähigen Schicht oder Metallschicht über- zogen ist.
Anhand von Figur 6 ist gezeigt, dass beispielsweise die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogenen oder mit einem separaten parallelen Draht oder sonstigen Lei- tungen ausgestatteten oder in sich leitfähigen Stützfüße unter Zwischenschaltung von elektrischen Bauteilen 125 mit einer elektrischen leitfähigen Masse- oder Grundfläche insbesondere in Form eines Chassis B verbunden sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 sind dazu Varactor-Dioden 125' vorgesehen. Die elektrisch leitfähigen Stützfüße sind ohne Herstellung des elektrisch galvanischen Kontaktes in diesem Ausführungsbeispiel durch entsprechende Bohrungen durch die Massefläche 3 bzw. im Chassis B hindurchgeführt, an ihrem freien Ende mit den erwähnten elektrischen Bauteilen 125 beispielsweise in Form von Varactor-Dioden 125' elektrisch galvanisch verbunden, beispielsweise an der Anschlussseite 125a, wohin- gegen die zweite Anschlussseite 125b dann mit der Massefläche 3 bzw. B verbunden ist.
Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, stromgesteuert die Kapazität zu verändern oder einzustellen, wodurch die so gebildete Patch-Antenne in ihrer Frequenz abgestimmt werden kann. Ganz allgemein kann also dadurch die Eigenschaft der Antenne beeinflusst werden.
Grundsätzlich könnte beispielsweise die Massefläche oder das Chassis B nicht aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, sondern beispielsweise aus einer Leiterplatte (Dielektrikum) . Diese könnte beispielsweise auf der Unterseite oder, worauf nachfolgend eingegangen wird, auf der Oberseite, also auf der die Antenne tragenden Seite, teilweise metallisiert und gegebenenfalls mit zusätzlichen Bauteilen, insbesondere SMD-Bauteilen, beispielsweise in Form der Varactor-Diode 125, 125' bestückt sein. Dazu ist in Figur 6a der elektrisch leitfähige Fuß 213 (oder eine am Fuß 213 ausgebildete elektrisch leitfähige Bahn oder allgemein Leitung) auf der Strahleroberseite der vorzugsweise in Form einer Leiterplatine B ausgebildeten Basis mit einem elektrischen Bauteil 125, insbesondere einem SMD-Bauteil 125 an der Anschlussseite 125a verbunden, deren andere Anschlussseite 125b über eine Durchkontaktie- rung 125c mit der auf der Unterseite der Leiterplatine B ausgebildeten Massefläche 303 elektrisch, vorzugsweise elektrisch-galvanisch, verbunden ist.
Ebenso könnten natürlich - wie anhand von Figur 6 gezeigt diese Bauteile 125 genauso auf der Leiterplatinen-Unterseite vorgesehen bzw. bestückt sein. Auch hier könnten die Abstützfüße 213 beispielsweise auf der Leiterplatinen- Oberseite elektrisch-galvanisch, beispielsweise durch Löten an einer elektrisch leitfähigen Zwischenfläche, galvanisch kontaktiert sein, die mittels Durchkontaktie- rungen 125c mit der auf der Leiterplatinen-Unterseite vorgesehenen Bauteile 125 verbunden sind.
Im Übrigen ist anhand von Figur 6a gezeigt, dass beispielsweise unterhalb des Patches 3, also auf der Oberseite des beispielsweise als Leiterplatine B ausgebildeten Chassis ebenfalls eine metallisierte Schicht 403 (bei- spielsweise eine Kupferbeschichtung) vorgesehen sein kann. Diese Schicht könnte mit Durchkontaktierungen (in Figur 6a nicht eingezeichnet) mit der unteren Massefläche 303 (also auf der Unterseite der Leiteplatine B) elektrisch-galvanisch verbunden sein, um so die kapazitive Kopplung des Patches 3 zur Masse zu verbessern. Ebenso könnte diese metallisierte Schicht 403 in Figur 6a auch nach links und rechts bis über die SMD-Bauteile 125 hinaus gehen (ohne natürlich mit der Anschlussseite 125a elektrisch-galvanisch verbunden zu sein) . Anhand von Figur 7 ist in schematischer Draufsicht gezeigt, dass die beispielsweise anhand der Figur 5 beschriebene patch-ähnliche leitfähige Struktur 13 mit einer Ausnehmung oder einem Loch 29 versehen sein kann. Diese Ausnehmung oder dieses Loch 29 ist bevorzugt in jenem Bereich vorgesehen, in welchem die Speiseleitung 9 mit der Strahlungsfläche 7 in der Regel durch Löten verbunden ist. Denn an dieser Stelle ist üblicherweise eine über die Oberfläche der Strahlungsfläche 7 überstehende Löterhebung 31 ausgebildet (wie dies beispielsweise für ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel anhand von Figur 8 zu ersehen ist) . Selbst wenn nur ein sehr geringer Abstand 17 zwischen der leitfähigen Struktur 13 und der benachbarten Strahlungsfläche 7 vorgesehen ist, wird dadurch gewährleistet, dass mit der darunter befindlichen in der Regel handelsüblichen Patchantenne keine elektrische Kontaktie- rung zwischen einer Löterhebung 31 und der leitfähigen Struktur 13 vorgesehen ist, wobei diese Löterhebung 31 üb- licherweise im oberen Ende der Speiseleitung 9 an der Strahlungsfläche 7 ausgebildet ist.
Nachfolgend wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 8 und 9 beschrieben, wobei Figur 8 eine schematische Seitendarstellung längs der Schnittlinie VIII -VIII in Figur 9 und Figur 9 eine schematische Draufsicht auf das abgewandelte Ausführungsbeispiel zeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass nicht eine einheitliche gemeinsame elektrisch leitfähige Struktur 13, sondern mehrere elektrisch leitfähige Strukturen 13 ausgebildet sind, die eine flächige Gestaltung aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die patch- ähnlichen elektrisch leitfähigen Strukturelemente 113 in einer gemeinsamen Ebene parallel zur benachbarten Strahlungsfläche 7 sowie parallel zur Massefläche 3 und/oder parallel zur Chassisfläche B angeordnet. Gegebenenfalls können sie aber auch in unterschiedlichen Höhenebenen liegen. Auch diese Strukturelemente müssen nicht zwingend parallel zueinander bzw. zur Strahlungsfläche und Massefläche etc. liegen, sondern gegebenenfalls auch zumindest geringe Neigungswinkel zueinander einschließen.
Jedes derartige elektrisch leitfähige Strukturelement 13, 113 ist mittels eines ihm zugeordneten Stützfußes 113 getragen, gehalten und bevorzugt elektrisch angebunden, wenn keine separate elektrische Leitung als Verbindungsleitung zur Masseflache (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung der erwähnten elektrischen Bauelemente) vorgesehen ist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Stützfüße 213 seitlich im Abstand 313 zur Patchantenne A angeordnet, wobei die elektrisch leitfähigen Strukturelemente 113 in Draufsicht auf die obere Strahlungsfläche 7 diese zumindest teilweise überdecken. Die Strukturelemente 113 können dabei eine Längserstreckung aufweisen, die deutlich kürzer ist als die betreffende Seitenlänge der Strahlungsfläche 7, so dass diese so gebildeten Strukturelemente nur mit einem vergleichsweise geringen Flächenabschnitt die Strahlungsfläche 7 überdecken.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 8 und 9 ist am umlaufenden Rand 113' der elektrisch leitfähigen Struktur 13, 113 ein Stützfuß 213 ausgebildet, der beispielsweise mechanisch und/oder elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Struktur 13, 113 verbunden ist.
Wie das Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 8 und 9 zeigt, weist dabei jedes elektrisch leitfähige oder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogene Strukturelement 13, 113 eine Länge auf, die bevorzugt zwischen 5% bis 95%, insbesondere 10% bis 90% liegt und jeden beliebigen Zwischenwert davon annehmen kann. Ein bevorzugter Längenbereich entspricht etwa 10% bis 60%, insbesondere 20% bis 50% der entsprechenden Länge der Patch-Antenne A und/oder der oben liegenden Strahlungsfläche 7. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 ist dabei zu sehen, dass beispielsweise die Längserstreckung, jeweils gemessen in Parallelrichtung der betreffenden Längserstreckung des Patch-Elementes bezüglich des in Figur 9 oben und unten liegenden Strukturelementes 113 größer ist als die Längserstreckung des in Figur 9 links und rechts liegenden Patch-Elementes. Auch hierdurch kann eine gewünschte Feinabstimmung vorgenommen werden.
Die jeweilige Quererstreckung der Strukturelemente 13, 113 in den Figuren 8 und 9 in Überdeckungsrichtung zur Patch- Antenne A liegt in den gleichen Größenordnungen als vorzugsweise zwischen 10% bis 90% und 20% bis 60%, beispiels- weise um 30% bis 50% oder 30% bis 40%. Dabei soll der Anteil der Fläche des Strukturelementes 113, welches in Draufsicht gemäß Figur 9 die Patch-Antenne A mit ihrem Dielektrikum überdeckt, vorzugsweise zumindest mehr als 20%, insbesondere mehr als 30% oder 40% oder 50% der Fläche des Strukturelementes 113 betragen. Der Anteil der Fläche des Strukturelementes in Draufsicht gemäß Figur 9, welche die obere Strahlungsfläche überdeckt, soll zumindest mehr als 5%, insbesondere mehr als 10%, 20% oder vorzugsweise 30% der Fläche des entsprechenden Patch-Elementes 113 gemäß Draufsicht auf Figur 9 betragen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10 entspricht vom Grundsatz her jenem nach Figur 9. Unterschiedlich ist lediglich, dass die in Figur 9 gezeigten leitfähigen Strukturen 13, 113 nicht als mechanisch selbständige elektrisch leitfähige Strukturen ausgebildet sind, sondern als elektrisch leitfähige Flächen auf einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat, insbesondere in Form einer dielektrischen Platte, beispielsweise in Form einer sog. Leiterplatine. Dieses dielektrische Trägermaterial oder dieses dielektrische Substrat ist mit dem Bezugszeichen 413 versehen. Dieses Substrat 413 ist ebenfalls wieder durch vier Füße, nämlich auf jeder Seite durch einen Fuß 213 mechanisch abgestützt, wobei die elektrische Verbindung von dem elektrischen Strukturelement 13, 113 auf dem leiterplat- tenförmigen Substrat 413 in gleicher Weise elektrisch mit dem Massepotential verbunden sein kann, wie dies anhand von Figur 9 und den vorausgegangenen Beispielen erläutert wurde.

Claims

Patentansprüche:
1. Abstimmbare Antenne planarer Bauart, insbesondere Patchantenne, mit mehreren entlang einer Achse (Z) mit oder ohne Seitenversatz zueinander angeordneten Schichten mit folgenden Merkmalen: es ist eine elektrisch leitende Massefläche (3) vorgesehen, - es ist eine leitende Strahlungsfläche (7) vorgesehen, die im seitlichen Abstand zur Massefläche (3) angeordnet ist und im Wesentlichen parallel dazu verläuft, es ist ein dielektrischer Träger (5) vorgesehen, der zwischen der Massefläche (3) und der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, die Strahlungsfläche (7) ist mit einer elektrisch leitenden Speiseleitung (9) elektrisch verbunden, eine elektrisch leitfähigen Struktur (13, 113) ist bezogen auf die Massefläche (3) auf der gegenüberlie- genden Seite der Strahlungsfläche (7) im Seitenabstand dazu angeordnet, und eine Trageinrichtung (19) hält die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) im Seitenabstand zur Strahlungsfläche (7) , gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: in Draufsicht senkrecht zur Strahlungsfläche (7) überdeckt die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) die Strahlungsfläche (7) ganz oder teilweise, - die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) ist galvanisch oder kapazitiv oder seriell unter Zwischenschaltung zumindest eines elektrischen Bauteiles (125) mit der Massefläche (3) oder einer auf einem Potential oder Masse liegenden Chassis (B) verbunden.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinrichtung (19) aus zumindest einem Tragfuß (213) besteht, der die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) gegenüber der Massefläche (3) oder einem Massepotential oder Chassis (B) trägt.
3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragfuß (213) elektrisch leitfähig ist oder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist.
4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragfuß (213) elektrisch nicht-leitfähig ist, sondern vorzugsweise aus einem Dielektrikum besteht, und die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) über eine Leiterbahn oder eine Drahtverbindung mit dem Massepotential (3, B) verbunden ist.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 13') einstückig ist oder eine einheitliche verbundene Fläche umfasst.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 13') zumindest eine Ausnehmung (29) umfasst, die von einer elektrisch leitfähigen Fläche, durch die die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) gebildet ist, rahmenförmig umgeben ist.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) eine maximale Längserstreckung oder eine maximale Quererstreckung aufweist, die größer oder gleich ist als die maximale Längserstreckung bzw. maximale Quererstreckung des dielektrischen Trägers (5) oder der Massefläche (3) .
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrisch leitfähige Strukturen oder Strukturelemente oder Struktureinrichtungen (113) vorgesehen sind, die jeweils mit einem ihnen zugeordneten, elektrisch leitfähigen Flächenabschnitt in senkrechter Draufsicht auf die Strahlungsfläche (7) diese zumindest anteilig überdecken.
9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Seite (13a) zumindest ein Strukturelement (113) vorgesehen ist, welches vorzugsweise über zumindest einen Stützfuß (213) gehalten ist.
10. Antenne nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturelemente oder Struktureinrich- tungen (113) in gleicher Höhenlage, d.h. in gleichem Seitenabstand (17) zur Strahlungsfläche (7) parallel dazu angeordnet sind.
11. Antenne nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturelemente oder Struktureinrichtungen (113) in unterschiedlicher Höhenlage, d.h. in unterschiedlichem Seitenabstand (17) zur Strahlungsfläche (7) dazu angeordnet sind.
12. Antenne nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturelemente oder Struktureinrichtungen (113) in unterschiedlichen Neigungs- winkeln zueinander angeordnet sind.
13. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) über zumindest ein elektrisches Bauelement (125) mit einem Massepotential (3, B) verbunden ist.
14. Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Bauelement (125) aus einer Va- ractor-Diode (125') besteht, über die stromgesteuert un- terschiedliche Kapazitäten zur Frequenzabstimmung der Antennenanordnung einstellbar sind.
15. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) in einem Abstand (17) oberhalb der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, wobei der Abstand (17) größer als 0,5 mm, vorzugsweise größer als 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder vorzugsweise größer als 1 mm ist.
16. Antenne nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (17) weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 4 mm, 3 mm oder weniger als 2 mm beträgt.
17. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) in einem Abstand (17) oberhalb der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, die zumindest 10%, vorzugsweise zu- mindest 20% oder 30% der Dicke der dielektrischen Trageinrichtung (5) beträgt.
18. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) in einem Abstand (17) oberhalb der Strahlungsfläche (7) angeordnet ist, der weniger als 100%, insbesondere weniger als 80% und insbesondere weniger als 60%, vorzugsweise weniger als 40% der Höhe der dielektrischen Trageinrichtung (5) entspricht.
19. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Tragfuß (213) senkrecht zur Fläche der elektrisch leitfähigen Struktur (13, 113) und/oder senkrecht zur Masseflache (3, B) ausgerich- tet ist.
20. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Tragfuß (213) in einem zur Senkrechten abweichenden Winkel zur Fläche der elektrisch leitfähigen Struktur (13, 113) und/oder in einem zur Senkrechten abweichenden Winkel zur Massefläche (3, B) ausgerichtet ist.
21. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13,
113) einen blattförmigen, folienförmigen oder plattenför- migen Basisabschnitt umfasst, vorzugsweise in Form eines dielektrischen Substrates (413) .
22. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrisch leitfähige Strukturen oder Strukturelemente (13, 113) vorgesehen sind, die als elektrisch leitfähige Flächen auf einem dielektrischen Substrat (413) ausgebildet sind.
23. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbeson- dere Metall besteht.
24. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass am umlaufenden Rand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) der elektrisch leit- fähigen Struktur (13, 113) Tragfüße (213) ausgebildet sind.
25. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) aus einem Metallblech besteht, dessen Tragfüße (213) durch Schneiden oder Stanzen und anschließendes Kanten gebildet sind.
26. Antenne nach Anspruch 13 oder 14 in Verbindung mit zumindest einem weiteren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektrische Bauelement (125) oder die Varactor-Diode (125') auf der Seite angeordnet ist, auf der auch die Patch-Antenne (A) angeordnet ist.
27. Antenne nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zur Patch-Antenne (A) gegenüberliegenden Seite einer Leiterplatine (B) eine Massefläche ausgebildet ist, und dass das elektrische Bauelement (125) bzw. Die Varactor-Diode (125') mittels einer Durchkontaktierung (125c) mit dieser Massefläche verbunden ist.
28. Antenne nach Anspruch 13 oder 14 in Verbindung mit zumindest einem weiteren der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement
(125) oder die Varactor-Diode (125') auf der Unterseite einer Platine oder eines Chassis (B) angeordnet ist, deren eine Anschlussstelle (125a) mit der elektrisch leitfähigen
Struktur (13, 113) und deren anderer Anschluss (125b) mit einem Massepotential (3B) verbunden ist.
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