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Dokumentenidentifikation DE69934824T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001142065
Titel SEHR KOMPAKTE UND BREITBANDIGE PLANARE LOGPERIODISCHE DIPOL-GRUPPENANTENNE
Anmelder Northrop Grumman Corp., Los Angeles, Calif., US
Erfinder VAN HOOZEN, Lee, Allen, Palatine, IL 60067, US;
BALL, Joseph, John, McHenry, IL 60050, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69934824
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.11.1999
EP-Aktenzeichen 999604200
WO-Anmeldetag 17.11.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/27242
WO-Veröffentlichungsnummer 2000031826
WO-Veröffentlichungsdatum 02.06.2000
EP-Offenlegungsdatum 10.10.2001
EP date of grant 10.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 11/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01Q 1/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen logarithmisch-periodische Dipolantennen und insbesondere eine kompakte logarithmisch-periodische Antenne, hergestellt auf einer ebenen Anordnung für eine Operationsfrequenzbandbreite von 0,5–18 GHz.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Derzeit sind nach dem Stand der Technik verschiedene Konfigurationen für logarithmisch-periodische Dipolantennen bekannt. Derartige logarithmisch-periodische Antennen verwenden logarithmisch-periodische elektrisch leitende Elemente, um Kommunikationssignale zu empfangen und zu übertragen. Logarithmisch-periodische Antennen sind in Handbüchern für Antennenkonstruktion beschrieben wie „Antenna Theory Analysis and Design" von Constantine Balanis; „Antennas", 2. Auflage, von John D. Kraus und das „IEEE Handbook of Antenna Design", Band 1 und 2. Logarithmisch-periodische Antennen verwenden eine Kombination von Dipolantennenelementen, die in einer Weise konfiguriert werden, dass die Abmessungen und Abstände zwischen den Elementen logarithmisch zu dem Frequenzbereich, in dem die Antenne operieren soll, in Beziehung stehen. Die oben erwähnten Handbücher geben Formeln an, die zur Bestimmung der spezifischen Abmessungs- und Abstandsparameter für herkömmliche logarithmisch-periodische Antennen verwendet werden können. Als solches enthält das US-Patent Nr. 5093670 „Logarithmic Periodic Antenna" zusätzlich allgemeine Informationen zur Konstruktion von logarithmisch-periodischen Antennen.

Wie von denjenigen, die mit Antennenkonstruktion vertraut sind, anerkannt werden wird, basiert die Größe der Antenne auf den Operationsfrequenzen zum Übertragen und Empfangen von Signalen. Gewöhnlich ist die Länge des längsten Antennenelements proportional zur niedrigsten Frequenz, die zu empfangen oder zu übertragen ist, und entsprechend ist die Länge des kürzesten Elements proportional zur höchsten Frequenz, die zu empfangen oder zu übertragen ist. Daher wird die Länge der Antennenelemente für eine Hochfrequenzantenne kürzer sein als die Länge der Antennenelemente für eine Antenne für niedrigere Frequenzen. In dieser Hinsicht wird, um eine sehr breitbandige Antennenanordnung zu haben, eine große Diskrepanz zwischen der Länge der kürzesten und längsten Elemente bestehen.

Nach dem Stand der Technik waren die Dipolantennenelemente Dreiecke, Rechtecke, Stäbe, sich windende Leitungen oder dreidimensionale „Blöcke/Klumpen", um die Antenne so kompakt wie möglich zu machen, aber gleichzeitig noch Breitbandfrequenz-Fähigkeiten zu erhalten. Beispielsweise beschreibt US-Patent Nr. 3732572 „Log Periodic Antenna With Foreshortened Dipoles" die Verkürzung von längeren Dipolelementen zu rechteckigen Röhren oder Blöcken, um die längeren Dipolantennenelemente zu verkürzen. Dies reduziert die Gesamtgröße der Antenne, erhält aber gleichzeitig die Breitbandeigenschaften darin. In „Foreshortened Dipole Antenna With Triangular Radiators", US-Patent Nr. 4673948, umfasst die Antenne sowohl rechteckig geformte Dipolelemente als auch dreieckig geformte Elemente, um auch die Elemente und die Gesamtgröße der Antenne zu verkürzen.

Nach dem Stand der Technik ist es außerdem üblich, die logarithmisch-periodischen Antennenelemente paarweise an abwechselnden Seiten eines Mittelleiters anzuordnen. Der Mittelleiter kann aus zwei leitenden Streifen oder Speiseleitungen bestehen, die in der Mitte der abwechselnden Paare von Antennenelementen nach unten verlaufen. Eine Speiseleitung kann mit einer Seite des Elementpaars verbunden sein, während die zweite Speiseleitung mit dem anderen Element des Paars verbunden ist. Die Speiseleitung kann außerdem mit abwechselnden Elementen des Paars verbunden sein, beispielsweise wird sie mit dem „linken" Element eines Paars und dann mit dem „rechten" Element des nächsten Paars und so weiter verbunden.

Es ist außerdem bekannt, logarithmisch-periodische Dipolantennen unter Verwendung von Leiterplattentechnik herzustellen. Dabei werden die Elemente der Antenne in oder auf einer Oberfläche eines isolierten Substrats implantiert. Die Antennenelemente werden auf derselben Ebene eines Substrats derart gebildet, dass die grundlegende Strahlenachse für jede Frequenz der Antenne in derselben Richtung ist. Das Substrat trägt die Elemente und hält sie in der gewünschten Konfiguration, um die Elemente aufgrund der Steifigkeit und Haltbarkeit des dielektrischen Substrats unzugänglich für klimatische Bedingungen zu machen. Weiterhin sind mit Leiterplattentechnik hergestellte Antennen leicht und robust, wodurch die Antennen tragbar und für viele verschiedene Arten von Anwendungen geeignet werden.

Antennenanordnungen nach dem Stand der Technik für Operationsfrequenzen zwischen 0,5 und 18 GHz wurden nicht in einer kompakten Konstruktion hergestellt, die einfach herzustellen oder ausreichend robust ist, um den Vibrationen für Flugzeug-Anwendungen zu widerstehen. Normalerweise wurden Konstruktionen nach dem Stand der Technik auf gedruckten Leiterplatten (PWB) hergestellt, die in Querschnittsform groß waren, aber minimale Dicke hatten (d. h. 229 mm × 457 mm, aber nur 0,5 mm dick) (9'' × 18'', aber nur 0,02'' dick). Diese Antennenanordnungen konnten die raue Operationsumgebung eines Flugzeugs wegen der geätzten Konstruktion der Leiterplatte überstehen, aber ihre Querschnittsgröße machte sie für kompakte Anwendungen unpraktisch.

Dagegen werden logarithmisch-periodische Antennen mit Blockklumpenanordnungen mit 3-D-Elementen hergestellt, die klein in der Querschnittsfläche sind, aber gewöhnlich dick sind (d. h. die Dicke ist über etwa 13 mm (0,5'')). Zusätzlich sind Blockklumpenanordnungen keine geätzte PWB, sondern werden durch Löten der Antennenelemente an parallele Koaxialkabel hergestellt. Daher haben diese Antennen aufgrund des Lötens der Antennenelemente beträchtliche Nachteile beim Überstehen der Erschütterungen, Vibrationen und anderer mechanischer Anforderungen von vielen Anwendungen. Außerdem wird durch Löten der einzelnen Teile eine Antenne produziert, die teurer ist als eine auf eine Leiterplatte geätzte. Daher besteht gegenwärtig ein Bedarf nach einer sehr kompakten Breitband-Antennenanordnung für die Bandbreite von 0,5–18 GHz, die durch Ätzen einer PWB hergestellt wird.

Die vorliegende Erfindung beantwortet die oben beschriebenen Mängel im Stand der Technik durch Bereitstellung einer Antennenanordnung, die sehr kompakt ist und über einen großen Bereich von Frequenzen operiert. Die vorliegende Erfindung verwendet eine logarithmisch-periodische Konstruktion und verkürzt die längeren Strahlungselemente in einer spezifischen Weise, um die logarithmisch-periodischen Eigenschaften der Antenne zu erhalten und gleichzeitig eine kompakte Form zu bieten. Insbesondere vergrößert die Erfindung den Frequenzbereich, insbesondere die unteren Frequenzgrenze, ohne die Gesamtabmessungen der Antennengröße zu vergrößern. Zusätzlich wird die vorliegende Erfindung auf einer PWB hergestellt, die die notwendige Festigkeit bereitstellt, um die Vibrationen und mechanischen Anforderungen von vielen Anwendungen zu überstehen.

Weiterer Stand der Technik wird bereitgestellt in EP 0393875 A1, das eine mehrpolige Breitbandantenne und ein Antennensystem offenbart, wobei die Antennenstruktur auf einem Substrat gebildet wird. Die Antennenstruktur auf dem Substrat enthält einen zentralen Speisungspunkt, ein erstes Antennenelement, das eine Pluralität von Regionen hat, zusammengesetzt aus mehreren ersten verschalteten konzentrischen Sektoren von Kreisen mit abnehmendem Radius, die sich zum Speisungspunkt erstrecken, und ein zweites Antennenelement, das eine Pluralität von Regionen hat, zusammengesetzt aus mehreren zweiten verschalteten konzentrischen Sektoren von Kreisen mit abnehmendem Radius, die sich zum Speisungspunkt erstrecken. Die mehreren zweiten konzentrischen Sektoren sind mit den mehreren ersten konzentrischen Sektoren verschachtelt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist eine kompakte logarithmisch-periodische Breitbandantenne, wie in Anspruch 1 definiert. Die Erfindung stellt außerdem eine logarithmisch-periodische Antenne bereit, wie in Anspruch 16 definiert.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine kompakte logarithmisch-periodische Breitbandantenne für Operationsfrequenzen zwischen 0,5 und 18 GHz bereitgestellt, umfassend ein erstes im Allgemeinen ebenes isolierendes Substrat mit einer Innenseite und einer Außenseite und ein zweites im Wesentlichen ebenes isolierendes Substrat mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Innenseite des zweiten isolierenden Substrats der Innenseite des ersten isolierenden Substrats schichtförmig gegenüberliegt. Zusätzlich ist eine elektrisch leitende Speiseleitung für Verbindung mit einen Sender/Empfänger zwischen der Innenseite des ersten Substrats und der Innenseite des zweiten Substrats verbunden angeordnet. Die gemäß der bevorzugten Ausführungsform konstruierte Antenne enthält außerdem eine erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung, die an der Außenseite des ersten Substrats ausgebildet ist. Die erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung enthält eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen in elektrischer Verbindung mit einem gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter und der Speiseleitung. Jede der Antennenelemente hat eine axiale Länge; und mindestens eines der Antennenelemente ist in einer schlangenförmigen Konfiguration ausgebildet, um ihre axiale Länge zu verkürzen, und mindestens eines der Antennenelemente ist in einer zweiten rechteckförmigen Konfiguration ausgebildet. Die Antenne enthält außerdem eine zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung, die auf der Außenseite des zweiten Substrats ausgebildet ist. Die zweite Anordnung enthält auch eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Elementen in Verbindung mit nur einem gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter. Weiterhin ist mindestens eines der Antennenelemente in einer schlangenförmigen Konfiguration ausgebildet, um ebenfalls ihre axiale Länge zu verkürzen. Die erste und zweite Antennenanordnung können beide in einer spiegelbildlichen Anordnung zueinander ausgebildet sein.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben das erste und das zweite Substrat jeweils eine im Allgemeinen rechteckige Konfiguration und sind beide derartig miteinander verbunden, dass der gemeinsame Mittelleiter der ersten und der zweiten Anordnung in einer im Allgemeinen parallelen längsgerichteten Beziehung zueinander angeordnet sind.

Weiterhin sind das erste und das zweite Substrat jeweils gedruckte Leiterplatten und mit einem Klebemittel miteinander verbunden. Das erste und zweite Substrat können jeweils eine im Allgemeinen quadratische Konfiguration von 150 mm (6 Zoll) mal 150 mm (6 Zoll) mit einer kombinierten Dicke von 0,25 mm (0,01 Zoll) umfassen.

Die erste und zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung können jeweils neunzehn rechteckige Dipolelemente und drei schlangenförmige Elemente umfassen. Die rechteckigen Dipolelemente werden angeordnet, wobei das Verhältnis der Länge zwischen zwei angrenzenden Dipolelementen 1,216 beträgt, das Verhältnis des Abstands zwischen angrenzenden Dipolelementen 1,216 beträgt und das Verhältnis der Streifenbreite zwischen angrenzenden Elementen 1,216 beträgt. Die schlangenförmigen Elemente haben alle eine Streifenbreite von etwa 16 mm (0,64 Zoll), und ein erstes schlangenförmiges Element hat eine Höhe von etwa 15 mm (0,6 Zoll) und Winkel zwischen Segmenten von 29 Grad und umfasst 10 schlangenförmige Segmente. Ein zweites schlangenförmiges Element hat eine Höhe von etwa 10 mm (0,4 Zoll), einen Winkel zwischen Segmenten von 43 Grad und umfasst 9 Segmente. Schließlich umfasst ein drittes schlangenförmiges Element 8 Segmente mit einem Winkel von etwa 82 Grad zwischen angrenzenden Segmenten und einer Gesamthöhe von etwa 5 mm (0,2 Zoll).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese sowie andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden offenkundiger nach Bezugnahme auf die Zeichnungen, von denen:

1 eine Draufsicht einer logarithmisch-periodischen Antenne nach dem Stand der Technik zeigt;

2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Antenne zeigt, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, und die Substratlagen zeigt, die zum Aufbau der Antenne verwendet wurden;

3 eine Draufsicht einer Antenne zeigt, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist; und

4 die typischen Verstärkungsmuster für die Antenne zeigt, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Jetzt Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei die Darstellungen ausschließlich dem Zweck der Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen und nicht dem Zweck ihrer Beschränkung, zeigt 1 eine Draufsicht der logarithmisch-periodischen Antenne 1 nach dem Stand der Technik, wie bereits oben erwähnt.

Insbesondere umfasst die Antenne nach dem Stand der Technik eine erste Anordnung von Dipolelementen 2, die von einem Mittelleiter 3, der an einer Außenseite eines Substrats 4 ausgebildet ist, ausgehen. Die erste Anordnung von Dipolelementen 2 ist an einer Seite des Substrats 4 ausgebildet. Zusätzlich sind die Dipolelemente 2, wie durch die gepunkteten Linien dargestellt, in spiegelbildlicher Beziehung an der anderen Seite des Substrats 4 ausgebildet. Die logarithmisch-periodische Antenne 1 nach dem Stand der Technik verkürzt jedoch die Dipolelemente 2 in keiner Weise zur Reduzierung der Gesamtgröße der Antenne 1.

Eine kompakte logarithmisch-periodische Antenne 5, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in 2 dargestellt und ist auf einem ersten im Allgemeinen ebenen Substrat 10 und einem zweiten im Allgemeinen ebenen Substrat 12 eines dielektrischen Materials, die miteinander verbunden sind, hergestellt. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 haben normalerweise jeweils eine Länge von etwa 150 mm (6 Zoll) und eine Breite von etwa 150 mm (6 Zoll) mit einer Dicke von ungefähr etwa 0,25 mm (0,01 Zoll). Wenn die Lagen mit einem Klebfilm verbunden sind, um die Antenne 5 zu bilden, nimmt die Antenne daher ein Volumen von nur etwa 150 mm (6 Zoll) mal 150 mm (6 Zoll) mal 0,5 mm (0,02 Zoll) ein. Die Substrate können eine Leiterplatte (PWB) oder jede andere Art von dielektrischem Material sein; eine PWB ist jedoch ideal für diese Art der Anwendung geeignet, weil die Antennenanordnung mit einem Kupfermaterial in die PWB geätzt werden kann, wodurch eine Anordnung erzeugt wird, die die Erschütterungen und Vibrationen überstehen kann, die in vielen Anwendungen vorkommen. Zusätzlich ist eine in dieser Weise hergestellte Antenne 5 Kosten sparend, weil die Antennenelemente nicht zusammengelötet werden müssen, wodurch zusätzliche Arbeit bei der Fertigung der Antenne vermieden wird.

Wie in 2 ersichtlich, umfasst eine gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierte Antenne 5 eine erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung 14, die auf einer Außenseite des ersten Substrats 10 geätzt ist. Die erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung 14 umfasst Dipolelemente 16, die in einer spezifischen Weise konfiguriert sind, um die Breitbandeigenschaften der Antenne zu erhalten, während sie die Größe reduzieren, wie unten ausführlicher erläutert werden wird. Die Dipolelemente 16 können geätzter Kupfer oder jede andere Art von Material sein, das gewöhnlich in Leiterplattenanwendungen verwendet wird. Die Antenne 5 der bevorzugten Ausführungsform umfasst außerdem das zweite Substrat 12 mit einer zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung 18, die auch auf einer Außenseite geätzt ist. Die zweite logarithmisch-periodische Anordnung 18 auf dem zweiten Substrat 12 ist identisch mit der ersten Anordnung 14 auf dem ersten Substrat 10; wobei jedoch, wenn das erste Substrat 10 mit dem zweiten Substrat 12 verbunden wird, während die ersten und zweiten Anordnungen 14 und 18 in einer nach außen gerichteten Beziehung zueinander sind, wie in 2 dargestellt, die erste Anordnung 14 bei gerader Ansicht durch beide Substrate in einer spiegelbildlichen Beziehung zu der zweiten Anordnung 18 ist.

Wie vorher diskutiert, werden das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 miteinander verbunden, um eine ebene Antenne 5 zu bilden, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Zwischen den Innenseiten des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 ist eine Speiseleitung 22 angeordnet. Die Speiseleitung 22 ist aus einem metallenen Leiter wie Kupfer hergestellt und erstreckt sich in einer senkrechten Beziehung zu den Dipolelementen 16 derart, dass die Dipolelemente 16 sich in einer nach außen weisenden Richtung und in derselben Ebene wie die Speiseleitung 22 erstrecken. Die Speiseleitung 22 hat ein Verbinderende 24, das angepasst ist zur Aufnahme des Mittelleiters eines Verbinders (nicht dargestellt) von einem Sender und/oder Empfänger.

Zusätzlich enthält die Speiseleitung 22 Transformatorabschnitte 26, die die Impedanz des Verbinders an die Impedanz der Antenne 5 durch standardmäßige Streifenleitungs-Impedanzanpassungstechniken anpassen. Die Transformatorabschnitte 26 stellen eine „Aufwärts/Abwärts"-Anordnung bereit, um einem dünnen Innenleitungs-Leiter 34 der Speiseleitung 22 zu erlauben, das Innere der Leiterplatten derart zu durchqueren, dass der Körper jeder logarithmisch-periodischen Konstruktion eine Erdungsebene bildet.

Für die einwandfreie Operation der Antenne 5 umläuft die Speiseleitung 22 am Kurzschlussende 28 das zweite Substrat 12 und ist mit der zweiten Antennenanordnung 18 auf der geätzten Seite des zweiten Substrats 12 verbunden. Die Antenne 5 verfügt zusätzlich über Erdungsverbindungen zur Antenne 20 an der Erdungsverbindungsstelle 30 auf der geätzten Seite des ersten Substrats 10 und außerdem an einer identischen Erdungsverbindungsstelle (nicht dargestellt) auf der geätzten Seite des zweiten Substrats 12.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Dipolelemente 16 in einer spezifischen Weise konfiguriert, um die Gesamtgröße der Antenne 5 zu reduzieren, aber trotzdem noch Breitbandfrequenz-Eigenschaften zu erhalten. 3 zeigt eine Draufsicht, die das erste Substrat 10 mit der ersten Antennenanordnung 14 verbunden mit dem zweiten Substrat 12 mit der zweiten Anordnung 18, dargestellt durch gepunktete Linien, darstellt. Bei Ansicht durch das erste Substrat 10 sind die Antennenanordnungen 18 und 14 daher Spiegelbilder voneinander.

Bei der Diskussion des Musters der Dipolelemente 16 wird Bezug genommen auf die erste Antennenanordnung 14, es wird jedoch verstanden, dass die zweite Antennenanordnung 18 zu der ersten Anordnung 14 identisch sein kann. Wie in 3 ersichtlich, umfasst die Antennenanordnung 14 zwei Gruppen von Dipolelementen: eine erste Gruppe 36 bestehend aus im Allgemeinen rechteckigen Dipolelementen und eine zweite Gruppe 38 bestehend aus im Allgemeinen schlangenförmigen Dipolelementen.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Gruppe von Elementen 36 an der Außenseite des ersten Substrats 10 hergestellt und ist im Allgemeinen rechteckig in der Form und auf der Ebene des Substrats 10 ausgebildet. Die Abstände und Abmessungen für die erste Gruppe 36 folgen standardmäßigen logarithmisch-periodischen Konstruktionsgleichungen für Länge, Breite und Abstand. Beispielsweise ist das Verhältnis der Länge von Elementen zwischen zwei angrenzenden rechteckigen Elementen 1,216, wie auch das Verhältnis des Abstands zwischen zwei angrenzenden Elementen 1,216 ist, und zusätzlich ist das Verhältnis der Streifenbreite zwischen zwei angrenzenden Elementen 1,216. Normalerweise sind die Abmessungen für das erste rechteckige Element abhängig von der höchsten Frequenz/niedrigsten Wellenlänge des Signals, das übertragen und/oder empfangen werden soll. Es ist möglich, von diesen Informationen die Abmessungen für den Rest der rechteckigen Elemente durch Befolgung der standardmäßigen logarithmisch-periodischen Gleichungen, die gegenwärtig im Fachgebiet bekannt sind, abzuleiten. Um jedoch Signale niedrigerer Frequenz/längerer Wellenlänge zu übertragen oder zu empfangen, werden die Dipolelemente lang und passen nicht in die kompakte rechteckige Fläche von nur 150 mm (6 Zoll) mal 150 mm (6 Zoll), wie in der vorliegenden Erfindung vorgesehen.

Daher ist es erforderlich, die längeren Elemente in irgendeiner Weise zu verkürzen und trotzdem eine logarithmisch-periodische Beziehung für die einwandfreie Operation der Antenne zu erhalten. Bei der gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierten Antenne 5 werden die schlangenförmig konfigurierten Dipolelemente 40, 42 und 44 in einer spezifischen Weise verkürzt, die unter Verwendung von Computersimulationen unter Einbeziehung der Softwareprodukte TOUCHSTONE; PCAAD und AWAS bestimmt und durch Testmessungen überprüft wird. Dementsprechend wurden genaue Abmessungen für die Elemente 40, 42 und 44 ermittelt, die die Elemente auf eine Größe reduzieren, die in eine Fläche von 150 mm (6 Zoll) mal 150 mm (6 Zoll) passt, die aber trotzdem die logarithmisch-periodischen Eigenschaften und Breitbandfrequenz-Fähigkeit der Antenne erhalten.

Folglich hat jedes schlangenförmig konfigurierte Element der zweiten Gruppe 38, wie in 3 ersichtlich, eine Streifenleitungsbreite W von etwa 1,6 mm (0,064 Zoll). Ein erstes schlangenförmig konfigurierte Element 40 besteht aus 10 schlangenförmigen Abschnitten, die einen Winkel &thgr; von etwa 29 Grad zwischen angrenzenden Abschnitten und eine Gesamthöhe H von etwa 15 mm (0,6 Zoll) haben. Ein zweites schlangenförmig konfiguriertes Element 42 ist ähnlich konstruiert mit 9 schlangenförmigen Abschnitten mit einem Winkel &thgr; von etwa 43 Grad zwischen angrenzenden Abschnitten und einer Gesamthöhe H von etwa 10 mm (0,4 Zoll). Und ein drittes schlangenförmig konfiguriertes Element 44 ist ähnlich konstruiert mit 8 schlangenförmigen Abschnitten, einem Winkel &thgr; von etwa 82 Grad und einer Gesamthöhe H von etwa 15 mm (0,6 Zoll). Daher hat eine Antenne 5, die gemäß diesen Abmessungen konstruiert ist, Breitbandeigenschaften für Frequenzen zwischen 0,5 GHz und 18 GHz.

Die erste Gruppe und zweite Gruppe von Dipolantennenelementen 36 und 38 sind jeweils mit einem gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter 46 in einer standardmäßigen logarithmisch-periodischen Weise verbunden, wobei angrenzende Dipolelemente 16 sich abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten des Mittelleiters 46 nach außen erstrecken, wie in 3 dargestellt. Der Mittelleiter 46 kann aus Kupfermaterial wie die Antennenanordnung 14 geätzt werden und ist gewöhnlich etwa 1 nun (0,05 Zoll) breit. Für einwandfreie Operation hat der Mittelleiter 46 zusätzlich eine Erdungsverbindungsstelle 30 auf dem ersten Substrat 10 für die Verbindung eines Erdungsdrahts von dem Sender und/oder Empfänger. Wie vorher erwähnt, hat das zweite Substrat 12 auch einen Erdungsverbindungspunkt an einer Stelle, die mit der Erdungsverbindungsstelle 30 des ersten Substrats 10 korrespondiert. Zusätzlich umläuft die Speiseleitung 22, wie am besten in 2 ersichtlich, das zweite Substrat 12 am Kurzschlussende 28 zur Verbindung mit dem Ende des Mittelleiters 46 an einer Stelle gegenüber der Erdungsverbindung. Daher ist die zweite Antennenanordnung 18 unter Befolgung von standardmäßigen Techniken für logarithmisch-periodische Antennen direkt mit Erde verbunden und mit dem Mittelleiter von einem Sender/Empfänger durch die Speiseleitung 22, während die erste Antennenanordnung nur in direkter Verbindung mit der Erdungsverbindung ist.

In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die ideale Konfiguration von Dipolelementen für eine Antenne, die einen Operationsbereich zwischen 0,5 und 18 GHz hat, aus 11 Dipolelementen an jeder Seite des Mittelleiters, wie in 3 dargestellt. Daher werden 22 Dipolelemente auf jedem Substrat hergestellt, von denen 3 in einer schlangenförmigen Weise verkürzt werden müssen, wie vorher beschrieben, um in eine Fläche von 150 mm (6 Zoll) mal 150 mm (6 Zoll) zu passen. Als solche wird die in dieser Weise konstruierte Antenne 5 linear polarisiert sein und kann für Empfangs- und/oder Sendefunktionen verwendet werden, während sie trotzdem von dem daran angeschlossenen Empfänger und/oder Sender unabhängig ist. Typische Verstärkungsmuster in der E/H-Ebene sind in 4 dargestellt.

Muster 48 ist für eine Antenne mit Azimut = 0,0, Polarisation = 0,0 und Frequenz = 1,75 GHz, während Muster 50 für Azimut = 90,0, Polarisation = 90,0 und Frequenz = 1,75 GHz ist.

Zusätzliche Modifikationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung können auch für den Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, wie verschiedene Abmessungen für die schlangenförmigen Elemente oder Verkürzen der rechteckigen Dipolelemente in einer Weise, wodurch die Größe des Systems weiter reduziert werden kann. Daher ist die besondere Kombination der hierin beschriebenen und dargestellten Teile nur zur Repräsentation einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen und ist nicht vorgesehen, um als Beschränkung von alternativen Vorrichtungen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie in den beigefügten Patentansprüchen definiert, zu dienen.


Anspruch[de]
Kompakte logarithmisch-periodische Breitbandantenne (5) für einen Sender/Empfänger, wobei die Antenne (5) folgendes umfasst:

a) ein erstes im wesentlichen ebenes isolierendes Substrat (10) mit einer Innenseite und einer Außenseite;

b) ein zweites im wesentlichen ebenes isolierendes Substrat (12) mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Innenseite des zweiten isolierenden Substrats (12) der Innenseite des ersten isolierenden Substrats (10) schichtförmig gegenüberliegt;

c) eine elektrisch leitende Speiseleitung (22), die zwischen der Innenseite des ersten isolierenden Substrats (10) und der Innenseite des zweiten isolierenden Substrats (12) verbunden angeordnet ist, wobei die Speiseleitung (22) zur elektrischen Verbindung mit dem Sender/Empfänger dient;

d) eine erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung (14), die auf der Außenseite des ersten Substrats (10) ausgebildet ist, wobei die erste Antennenanordnung (14) folgendes aufweist:

eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen (36) jeweils mit einer axialen Länge; und

einen gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter (46) in elektrischer Verbindung mit der Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen der ersten Anordnung (14) und in elektrischer Verbindung mit der Speiseleitung (22); und

e) eine zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung (18), die auf der Außenseite des zweiten Substrats (12) ausgebildet ist, wobei die zweite Antennenanordnung (18) folgendes aufweist:

eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen, jedes mit einer axialen Länge; und

einen gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter (34) in elektrischer Verbindung mit der Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen der zweiten Anordnung (18);

wobei die Antenne (5) dadurch gekennzeichnet ist, dass:

in der ersten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14) mindestens eines der Antennenelemente (40, 42, 44) in einer ersten schlangenförmigen Konfiguration (38) ausgebildet ist, um die axiale Länge des Elements zu verkürzen, und mindestens eines der Antennenelemente (36) in einer zweiten rechteckförmigen Konfiguration ausgebildet ist; und

in der zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (18) mindestens eines der Antennenelemente in einer schlangenförmigen Konfiguration ausgebildet ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung (14) auf der Außenseite des ersten isolierenden Substrats (10) in spiegelbildlicher Beziehung zu der zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (18) ausgebildet ist, die auf der Außenseite des zweiten isolierenden Substrats (12) ausgebildet ist, wenn sie direkt durch beide Substrate (10, 12) hindurch betrachtet werden, wobei die spiegelbildliche Beziehung um die Speiseleitung (22) herum besteht. Antenne nach Anspruch 1, wobei die Speiseleitung (22) ein im wesentlichen ebener dünner metallischer Leiter mit einem Verbinder (24) für den Sender/Empfänger ist. Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (10) und das zweite Substrat (12) jeweils eine im wesentlichen rechteckige Konfiguration haben und beide derartig miteinander verbunden sind, dass der gemeinsame elektrisch geerdete Mittelleiter (46) der ersten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14) und der gemeinsame elektrisch geerdete Mittelleiter (34) der zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (18) in einer im wesentlichen parallelen längsgerichteten Beziehung zueinander angeordnet sind. Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (10) und das zweite Substrat (12) jeweils gedruckte Leiterplatten sind und mit einem Klebemittel miteinander verbunden sind. Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne eine Impedanz hat und die Speiseleitung (22) dafür konstruiert ist, die Impedanz der Antenne an die Impedanz eines Sender/Empfänger-Anschlusses anzupassen. Antenne nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (10) und das zweite Substrat (12) jeweils eine im wesentlichen quadratische Konfiguration von 150 mm mal 150 mm (6 Zoll mal 6 Zoll) und eine Gesamtdicke von etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) umfassen. Antenne nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste als auch die zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung (14, 18) jeweils aus Kupfer hergestellt sind. Antenne nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste als auch die zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung (14, 18) jeweils neunzehn im wesentlichen rechteckig konfigurierte Dipolelemente (36) jeweils mit einer Streifenbreite, einer Länge und einem Abstand zwischen benachbarten Elementen und drei schlangenförmig konfigurierte Dipolelemente (36) jeweils mit einer Höhe eines schlangenförmigen Elements, einer Anzahl von schlangenförmigen Segmenten und einem Winkel zwischen benachbarten schlangenförmigen Segmenten umfassen. Antenne nach Anspruch 9, wobei bei jeder der ersten und zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14, 18) das Längenverhältnis zwischen benachbarten im wesentlichen rechteckig konfigurierten Dipolelementen (36) etwa 1,216 beträgt, das Abstandsverhältnis zwischen benachbarten im wesentlichen rechteckig konfigurierten Dipolelementen etwa 1,216 beträgt und das Breitenverhältnis zwischen benachbarten im wesentlichen rechteckig konfigurierten Dipolelementen etwa 1,216 beträgt. Antenne nach Anspruch 10, wobei bei jeder der ersten und zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14, 18) die schlangenförmig konfigurierten Elemente (38) auf abwechselnden Seiten des gemeinsamen Mittelleiters angeordnet sind. Antenne nach Anspruch 11, wobei bei jeder der ersten und zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14, 18) jedes schlangenförmig konfigurierte Element (38) eine Streifenbreite des Dipolelements hat, die etwa gleich 16 mm (0,64 Zoll) ist. Antenne nach Anspruch 12, wobei bei jeder der ersten und zweiten logarithmisch-periodischen Antennenanordnung (14, 18) ein erstes schlangenförmig konfiguriertes Element (40) eine Höhe von etwa 15 mm (0,6 Zoll), einen Winkel von etwa 29 Grad und 10 Segmente hat, ein zweites schlangenförmig konfiguriertes Element (42) eine Höhe von etwa 10 mm (0,4 Zoll), einen Winkel von etwa 43 Grad und 9 Segmente hat und ein drittes schlangenförmig konfiguriertes Element (44) eine Höhe von etwa 5 mm (0,2 Zoll), einen Winkel von etwa 82 Grad und 8 Segmente hat. Antenne nach Anspruch 1, wobei die Antenne in einem Frequenzbereich zwischen etwa 0,5 GHz bis etwa 18 GHz arbeitet. Antenne nach Anspruch 1, wobei die zweite Konfiguration eine rechteckige Konfiguration ist. Logarithmisch-periodische Antenne (5) für einen Sender/Empfänger, wobei die Antenne folgendes umfasst:

a) ein erstes im wesentlichen ebenes isolierendes Substrat (10) mit einer Innenseite;

b) ein zweites im wesentlichen ebenes isolierendes Substrat (12) mit einer Innenseite, wobei die Innenseite des zweiten Substrats der Innenseite des ersten Substrats schichtförmig gegenüberliegt;

c) eine elektrisch leitende Speiseleitung (22), die zwischen den Innenseiten des ersten und des zweiten Substrats verbunden angeordnet ist, wobei die Speiseleitung (22) zur elektrischen Verbindung mit dem Sender/Empfänger dient;

d) eine erste logarithmisch-periodische Antennenanordnung (14), die auf der Außenseite des ersten Substrats (10) ausgebildet ist, wobei die erste Antennenanordnung (14) folgendes aufweist:

i) eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen (36, 38), jedes mit einer axialen Länge; und

ii) einen gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter (46) in elektrischer Verbindung mit der Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen der ersten Anordnung (14) und in elektrischer Verbindung mit der Speiseleitung (22); und

e) eine zweite logarithmisch-periodische Antennenanordnung (18), die auf der Außenseite des zweiten Substrats (12) ausgebildet ist, wobei die zweite Antennenanordnung (18) einen gemeinsamen elektrisch geerdeten Mittelleiter (34) in elektrischer Verbindung mit den logarithmisch-periodischen Antennenelementen der zweiten Anordnung (18) aufweist;

wobei die Antenne (5) dadurch gekennzeichnet ist, dass:

in der Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen der ersten Antennenanordnung (14) mindestens eines der Antennenelemente (40, 42, 44) in einer ersten schlangenförmigen Konfiguration (38) ausgebildet ist, um die axiale Länge des Elements zu verkürzen; und

die zweite Antennenanordnung (18) eine Vielzahl von logarithmisch-periodischen Antennenelementen aufweist, die in spiegelbildlicher Beziehung zu der ersten Antennenanordnung (14) ausgebildet sind, wenn die erste und zweite Antennenanordnung (14, 18) direkt durch das erste und zweite Substrat (10, 12) hindurch betrachtet werden, wobei die spiegelbildliche Beziehung um die Speiseleitung (22) herum besteht.
Antenne nach Anspruch 16, wobei mindestens eines der auf dem ersten Substrat (10) ausgebildeten Antennenelemente in einer rechteckigen Konfiguration ausgebildet ist.






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