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Dokumentenidentifikation DE102006038528B3 22.11.2007
Titel Abstimmbare Antenne planarer Bauart
Anmelder Kathrein-Werke KG, 83022 Rosenheim, DE
Erfinder Schillmeier, Gerald, 81371 München, DE;
Mierke, Frank, 81667 München, DE
Vertreter Andrae Flach Haug, 83022 Rosenheim
DE-Anmeldedatum 17.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006038528
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 1/36(2006.01)A, F, I, 20060817, B, H, DE
Zusammenfassung 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.

Beschreibung[de]

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 Masseleiter 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: "Optically 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 Frequenzbereichen 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 soll die erfindungsgemäße Antenne bevorzugt unter Verwendung handelsüblicher Patchantennen herstellbar sein.

Die Aufgabe wird mit den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. 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 handelsübliche 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 Frequenzabstimmung 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 nämlich in einem derartigen Fall, dass die zuoberst befindliche Patchfläche das Strahlungsdiagramm nachteilig beeinflusst.

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 kapazitive, 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-Polygonalgestaltung 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 Leiterplattenmetallisierung verbunden und mittels Durchkontaktierungen 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 vorgesehene Patchfläche (also die in Rede stehende zusätzliche Strahlungsfläche) nicht über eine leitende Verbindung mit der Massefläche kontaktiert ist.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen im Einzelnen:

1: eine schematische axiale Querschnittsdarstellung durch eine handelsübliche Patchantenne nach dem Stand der Technik;

2: eine schematische Draufsicht auf die nach dem Stand der Technik bekannte Patchantenne gemäß 1;

3: eine schematische Quer- oder Seitendarstellung einer erfindungsgemäßen abstimmbaren Patchantenne;

4: eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 3;

5: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Patchantenne mit einer zu 4 abweichenden Ausführungsform für das oben sitzende Patchelement;

6: eine 3 entsprechende Seiten- oder Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Patchantenne unter Wiedergabe einer verwendeten Trageinrichtung für das obere Patchelement;

6a: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel zu 3;

7: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne mit einer lochförmigen Ausnehmung in einer oberhalb der Patchantenne befindlichen elektrischen Struktur;

8: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit mehreren voneinander getrennten elektrischen Strukturen in seitlicher Querschnittsdarstellung;

9: eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach 8; und

10: eine Draufsicht vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach 8 und 9, jedoch mit einer Abwandlung.

In 1 ist in schematischer Seitendarstellung und in 2 in schematischer Draufsicht der Grundaufbau eines handelsüblichen Patchstrahlers A (Patchantenne) gezeigt, der anhand der 3 ff. zu einer abstimmbaren Patchantenne erweitert wird.

Die in den 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 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 Träger 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' versehen 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 Massenfläche 3 entspricht. Im Gegensatz zur Massefläche 3, die näherungsweise lediglich aus einer zweidimensionalen 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 Massefläche 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 angeregt, 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 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 5' des Dielektrikums 5 angepasst quadratisch gebildet, weist aber an zwei gegenüberliegenden Enden Abflachungen 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 beispielsweise 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 3 und 4 im Seiten- oder Höhenversatz zur oberen Strahlungsfläche 7 zusätzlich eine patch-ähnliche leitende Struktur 13 angeordnet (3).

Die so geschilderte abstimmbare Patchantenne ist beispielsweise auf einem in 3 lediglich als Linie angedeuteten Chassis B positioniert, welches beispielsweise das Basis-Chassis für eine Kraftfahrzeug-Antenne darstellen 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 4 ersichtlich ist, kann dieses Patchelement 13 aber auch einen von einer rechteckförmigen oder quadratischen Struktur abweichenden Umriss 13' aufweisen. Wie nämlich bekannt ist, kann durch Abarbeiten von Randbereichen, beispielsweise von in 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 5 in Draufsicht gezeigt ist, wobei das Patchelement 13 in diesem Fall eine unregelmäßige Außenkontur oder einen unregelmäßigen Umriss 13' aufweist.

Wie aus 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 entspricht.

Wie aus den 3 bis 5 zu ersehen ist, ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer plattenförmig 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 ausgebildet 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 Massefläche 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 5 gezeigt, dass bei diesem Ausführungsbeispiel 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 überzogen ist.

Anhand von 6 ist gezeigt, dass beispielsweise die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogenen oder mit einem separaten parallelen Draht oder sonstigen Leitungen 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 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, wohingegen 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 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 Durchkontaktierung 125c mit der auf der Unterseite der Leiterplatine B ausgebildeten Massefläche 303 elektrisch, vorzugsweise elektrisch-galvanisch, verbunden ist.

Ebenso könnten natürlich – wie anhand von 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 Durchkontaktierungen 125c mit der auf der Leiterplatinen-Unterseite vorgesehenen Bauteile 125 verbunden sind.

Im Übrigen ist anhand von 6a gezeigt, dass beispielsweise unterhalb des Patches 3, also auf der Oberseite des beispielsweise als Leiterplatine B ausgebildeten Chassis ebenfalls eine metallisierte Schicht 403 (beispielsweise eine Kupferbeschichtung) vorgesehen sein kann. Diese Schicht könnte mit Durchkontaktierungen (in 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 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 7 ist in schematischer Draufsicht gezeigt, dass die beispielsweise anhand der 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 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 Kontaktierung zwischen einer Löterhebung 31 und der leitfähigen Struktur 13 vorgesehen ist, wobei diese Löterhebung 31 üblicherweise im oberen Ende der Speiseleitung 9 an der Strahlungsfläche 7 ausgebildet ist.

Nachfolgend wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel anhand der 8 und 9 beschrieben, wobei 8 eine schematische Seitendarstellung längs der Schnittlinie VIII-VIII in 9 und 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 Massefläche (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 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 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 9 ist dabei zu sehen, dass beispielsweise die Längserstreckung, jeweils gemessen in Parallelrichtung der betreffenden Längserstreckung des Patch-Elementes bezüglich des in 9 oben und unten liegenden Strukturelementes 113 größer ist als die Längserstreckung des in 9 links und rechts liegenden Patch-Elementes. Auch hierdurch kann eine gewünschte Feinabstimmung vorgenommen werden.

Die jeweilige Quererstreckung der Strukturelemente 13, 113 in den 8 und 9 in Überdeckungsrichtung zur Patch-Antenne A liegt in den gleichen Größenordnungen als vorzugsweise zwischen 10% bis 90% und 20% bis 60%, beispielsweise um 30% bis 50% oder 30% bis 40%. Dabei soll der Anteil der Fläche des Strukturelementes 113, welches in Draufsicht gemäß 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 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 9 betragen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 10 entspricht vom Grundsatz her jenem nach 9. Unterschiedlich ist lediglich, dass die in 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 leiterplattenförmigen Substrat 413 in gleicher Weise elektrisch mit dem Massepotential verbunden sein kann, wie dies anhand von 9 und den vorausgegangenen Beispielen erläutert wurde.


Anspruch[de]
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 gegenüberliegenden 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) oder verbunden.
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. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragfuß (213) elektrisch leitfähig ist oder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragfuß (213) elektrisch nicht-leitfähig ist, sondern aus einem Dielektrikum besteht, und die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) über eine Leiterbahn oder eine Drahtverbindung mit dem Massepotential (3, B) verbunden ist. 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. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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. 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). 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. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Seite (13a) zumindest ein Strukturelement (113) vorgesehen ist, welches über zumindest einen Stützfuß (213) gehalten ist. Antenne nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturelemente oder Struktureinrichtungen (113) in gleicher Höhenlage, d.h. in gleichem Seitenabstand (17) zur Strahlungsfläche (7) parallel dazu angeordnet sind. 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. Antenne nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturelemente oder Struktureinrichtungen (113) in unterschiedlichen Neigungswinkeln zueinander angeordnet sind. 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. Antenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Bauelement (125) aus einer Varactor-Diode (125') besteht, über die stromgesteuert unterschiedliche Kapazitäten zur Frequenzabstimmung der Antennenanordnung einstellbar sind. 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. 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. 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 20% oder 30% der Dicke der dielektrischen Trageinrichtung (5) beträgt. 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. 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 Massefläche (3, B) ausgerichtet ist. 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. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) einen blattförmigen, folienförmigen oder plattenförmigen Basisabschnitt umfasst, vorzugsweise in Form eines dielektrischen Substrates (413). 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. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (13, 113) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall besteht. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass am umlaufenden Rand (113') des Zentral- oder Basisabschnittes (113) der elektrisch leitfähigen Struktur (13, 113) Tragfüße (213) ausgebildet sind. 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. 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. 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. 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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