DE10007934A1 - Systemintegrierbarer Dualbandstrahler für Mobilfunkanwendungen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung eines extrem miniaturisierten und planaren Strahlersystems mit hohem Wirkungsgrad sowie der Möglichkeit der Integrationsfähigkeit bzw. Implementierbarkeit innerhalb beliebig gestalteter, sowohl ein- als auch mehrschichtig ausgebildeter, dielektrischer Containments. Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf der Konfigurierung eines reaktiv belasteten, unsymmetrischen planaren Wellenleiterresonatorsystems. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Rundstrahlung, Mobilfunk, Spektrum, Dualband, Polarisation, Linearpolarisation, Reaktanz, Wellenleiter, Wellenleiterresonator, Microslottechnik, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisier­ ten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit eines linear polarisierten omnidirektionalen Strah­ lungsfeldes in der Horizontalebene sowie einer koordinatenseitig breiten Sektor­ strahlung in der Vertikalebene innerhalb zweier getrennter Spektralbereiche, vor­ zugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1880 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit Rundstrahlungscharakte­ ristik in der Azimutalebene, so daß insbesondere für den Bereich der Fahrzeugan­ wendungen ein Antennensystem entsteht, das es bei Montage der Antenne auf den verglasten Innenflächen des Fahrzeuges ermöglicht, eine nahezu omnidirekti­ onale Ausleuchtung des Fahrzeugumfeldes zu gewährleisten. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglichkeit des Planarstrahlers auf beliebigen dielektrischen Montage- oder Containmentebenen, vorzugsweise auf den verglasten Flächen eines Fahrzeuges und damit vorausgehend der kon­ zeptions- bzw. dimensionierungsseitigen Berücksichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigenschaften der dem Antennenmodul räumlich sowie strahlungstech­ nisch vorgeordneten dielektrischen Schichten oder Räume, vorzugsweise der ent­ sprechenden Verglasungen des Fahrgastraumes eines Personen- oder Nutzfahr­ zeuges. Das Ziel der Erfindung besteht fernerhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwen­ dung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Schichten bzw. Folien, vorzugsweise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwendung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abweichenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung erfin­ dungsgemäß mittels verteilter reaktiver Strukturelemente bzw. mittels definierter induktiver, kapazitiver oder komplexer Belastungselemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil­ funkbereich innerhalb des Mobilfunk-GSM-Netzes sowie des Mobilfunk-DCS- Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente mit Dualbandcharakter mit der Montagemöglichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraum­ anwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Kompo­ nente vom jeweiligen Endgerät bildet und an der betreffenden dielektrischen Raumbegrenzung, vorzugsweise der Raumverglasung, innenseitig und flächig montiert wird. Weitere vorteilhafte Anwendungsmerkmale insbesondere für den Bereich der fahrzeuggestützten Kommunikation, vorzugsweise der land-, luft- und seemobilen Kommunikation, ergeben sich aus der Möglichkeit der modularen Er­ zeugbarkeit der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutalebene.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- und Mittelstreckenübertragungssysteme auf dem Sektor kommunikations-, sensor- oder sicherheitstechnischer Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilkommunikation beruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungs­ grad behaftet.

Bekannte Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elek­ trischen Feldvektors sowie der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutal­ ebene beruhen auf der Ring-Schlitz-Konzeption oder auf flächenhaft angeordne­ ten Dipolmodifikationen, deren Richtdiagramm unregelmäßig und in Abhängig­ keit von der Struktur bzw. Geometrie des jeweiligen Untergrundes die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfelddeformation aufweisen. Die auf den Anwen­ dungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der Idassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungs- und/oder Betonungseigenschaften definierter Diagrammsektoren des Strahlungs­ diagrammes nicht nachweisbar.

Lösungen, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstrip- oder Microslottechnik, unter Verwendung selbsttragender leitfähiger Folienleiter oder folienähnlicher Leitflächen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Mini­ aturisierungsgrad erzielt werden, sind nicht bekannt.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetz­ bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und omnidirektionalen Strahlungs­ charakteristik in der Horizontalebene sowie einer koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung in der Vertikalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektralbereiche bzw. im Dualbandmodus. Weiterhin besteht die erfindungsge­ mäße Aufgabe in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit der Eigenschaft der Montierbarkeit auf einem definierten dielektrischen Untergrund, dessen resultierendes komplexes Suszeptibilitätsprofil als integraler Bestandteil des Strahlersystems aufzufassen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit dreieckförmiger, kreisförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder anderweitiger defi­ nierter bzw. detinierbarer Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, mit einer einseitig offenen Schlitzstruktur (2) mit dreieckförmigem, kreisförmi­ gem, elliptischem, quadratischem, rechteckigem, pentagonalem, hexagonalem, octagonalem oder anderweitig definiertem bzw. definierbarem Achsenverlauf, vorzugsweise kreisförmigem Achsenverlauf mit einem dem Mittelpunkt der leit­ fähigen Platte oder Folie (1) identischen Ausgangspunkt des Radiusvektors, ver­ sehen wird.

Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß die vorzugsweise kreisförmig ausgelegte Schlitzstruktur (2) aus unterschiedlichen Kreissegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., deren zugehörige Achsen in zueinander gleicher oder ungleicher radialer Distanz zum Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (1) geführt werden, zusammengefügt wird oder daß die Schlitzstruktur (2) aus Strukturseg­ menten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., gleicher oder unterschiedlicher Strukturlänge, gleicher oder unterschiedlicher Strukturbreite und/oder unterschiedlicher Achsen­ führung, vorzugsweise unterschiedlicher Strukturlänge, unterschiedlicher Struk­ turbreite sowie unterschiedlicher Achsenführung, synthetisiert wird.

Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Lösung in der Kopplung der Schlitz­ struktur (2) mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3) oder mehreren leitfähigen Platten oder Folien (3) dreieckförmiger, kreisförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger, pentagonaler, hexagonaler, octago­ naler oder aus den vorgenannten Elementen definiert gekoppelter Kontur und untereinander gleicher oder ungleicher Abmessungen, vorzugsweise mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3) ungleicher Abmessung, wobei die Kopp­ lung vorzugsweise durch die flächenparallele Anordnung der leitfähigen Platten oder Folien (3) in einer jeweils zueinander gleichen oder ungleichen definierten Distanz über der Schlitzstruktur (2) sowie in einer jeweils definierten Entfernung zu den Segmentgrenzen der Schlitzstruktur (2) erzeugt wird.

Erfindungsgemäß kann die Kopplung von n mit n < 1, leitfähigen Platten oder Fo­ lien (3) gleicher oder ungleicher Berandung und Flächenabmessung, vorzugswei­ se gleicher Berandung und gleicher Flächenabmessung, auch durch die flächen­ parallele Anordnung mindestens zweier leitfähiger Platten oder Folien (3) über­ einander bzw. entlang der Flächennormale der leitfähigen Platte oder Folie (1) in gleicher oder ungleicher Distanz zueinander erzeugt werden.

Die Distanzierung zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) bzw. zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (3) untereinander erfolgt mittels dielektrischer Distanzierungselemente (4) definierter Materialparameter sowie definierter Höhe und Flächenabmessung, vorzugsweise mittels dielektrischer Folien mit oder ohne ein- oder doppelseitiger Haftbeschichtung.

Durch die homogene oder ortsselektive Versetzung bzw. Komposition der Dis­ tanzienungselemente (4) mittels dielektrischer oder leitfähiger Dotierungen lassen sich die Distanzierungselemente als ergänzende komplexe Steuerungselemente ausführen und innerhalb des Resonanzkreises mit verteilten Parametern einfügen. Die leitfähigen Platten oder Folien (3) definierter Berandung und Flächenabmes­ sung stellen in der dargestellten Kopplungsweise jeweils reaktive Belastungsele­ mente dar, über deren reaktive Eigenschaften, die mittels der Geometrie der leit­ fähigen Platte oder Folie (3), der Materialstruktur der leitfähigen Platte oder Folie (3), der Positionierungshöhe über der leitfähigen Platte oder Folie (1), der Platten- oder Folienlage, der Struktur und Geometrie des jeweiligen Distanzierungsele­ mentes zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) sowie der Positi­ onierungsebene festgelegt werden, die resultierende Schwingungsbedingung des Planarstrahlersystems und damit das komplexe elektromagnetische Streuverhalten des Strahlersystems gesteuert wird.

Die elektromagnetische Anregung des Strahlersystems erfolgt über ein koaxiales Wellenleitersystem (6), indem der Innenleiter (6.1) des koaxialen Wellenleiters in einer definierten Entfernung zur Kurzschlußebene bzw. zur Leerlaufebene des Schlitzwellenleiters (2) vorzugsweise transversal über ein definiertes Strukturseg­ ment (2) geführt sowie unmittelbar im Bereich der Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird und der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) gekoppelt wird. Die Positionierung der orthogonal zur Achse der Schlitzstruktur (2) verlau­ fenden Kopplungsebene des Kopplungspunktes (5) erfolgt in Abhängigkeit vom resultierenden elektromagnetischen Eingangstorverhalten der Anordnung in der Weise, daß die Anpassungsbedingung zwischen dem anregenden bzw. signal­ koppelnden Wellenleitersystem (6) und der Eingangsimpedanz erzielt wird.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Mittels des Beispiels wird eine Dualbandversion für die spektralen Bänder 890 MHz-960 MHz bzw. 1710 MHz-1880 MHz für den Fall der Glasmon­ tage mit azimutaler Rundstrahlungscharakteristik sowie linearer Polarisation dar­ gelegt.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreisför­ miger Berandung, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einer Schlitzstruktur (2), bestehend aus den Struktursegmenten (2.1), (2.2), (2.3) und (2.4), versehen und gemäß den Angaben der Abb. 2.1 geometrisch bemessen. Im Übergangsbereich zwischen den Struktursegmenten (2.2) und (2.3) wird flächenparallel zur metallischen Platte (1) eine gemäß der Abb. 2.2 be­ messene und berandete metallische Platte (3) mittels dem gemäß der Abb. 2.3 bemessenen Distanzierungselement (4), bestehend aus einer mit einer doppel­ seitig ausgebildeten Haftbeschichtung versehenen Polyethylenfolie, positioniert. Der Innenleiter (6.1) des signalkoppelnden koaxialen Wellenleiters (6) wird in der Übergangsebene zwischen den Schlitzstruktursegmenten (2.3) und (2.4) transversal bezüglich der Schlitzstrukturachsen über die Schlitzstruktur geführt und im Punkt (5) galvanisch, vorzugsweise mittels Lötverbindung, mit der me­ tallischen Platte (1) verbunden. Der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) wird unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante gal­ vanisch, vorzugsweise mittels Lötverbindung des zweifach aufgespreizten flexi­ blen Außenleiters, mit der metallischen Platte (1) verbunden.

Die Montage der Anordnung erfolgt durch Aufbringung der metallischen Platte (1) mit der dem metallischen Element (3) gegenüberliegenden Strukturfläche auf einer ein- oder mehrschichtig ausgebildeten dielektrischen, vorzugsweise nieder­ dielektrischen und verlustminimalen, Montageebene.

Claims (2)

1. Systemintegrierbarer Dualbandstrahler für Mobilfunkanwendungen, be­ stehend aus einer Anordnung geometrisch definiert strukturierter leitfähiger Ebe­ nen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit kreisförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder anderweitiger definier­ ter bzw. definierbarer Berandung, vorzugsweise kreisförmiger Berandung, mit einer einseitig offenen Schlitzstruktur (2) mit dreieckförmigem, kreisförmigem, elliptischem, quadratischem, rechteckigem, pentagonalem, hexagonalem, octago­ nalem oder anderweitig definiertem bzw. definierbarem Achsenverlauf, vorzugs­ weise kreisförmigem Achsenverlauf mit einem dem Mittelpunkt der leitfähigen Platte oder Folie (1) identischen Ausgangspunkt des Radiusvektors, versehen wird;
• - die vorzugsweise kreisförmig ausgelegte Schlitzstruktur (2) aus unterschied­ lichen Kreissegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., deren zugehörige Achsen in zueinander gleicher oder ungleicher radialer Distanz zum Mittelpunkt der leit­ fähigen Platte oder Folie (1) geführt werden, zusammengefügt wird oder die Schlitzstruktur (2) aus Struktursegmenten (2.n) mit n = 1, 2, 3, . . ., gleicher oder unterschiedlicher Strukturbreite und/ oder unterschiedlicher Achsenführung, vorzugsweise unterschiedlicher Strukturlänge, unterschiedlicher Strukturbreite sowie unterschiedlicher Achsenführung, synthetisiert wird;
• - die leitfähige Platte oder Folie (1) ortsselektiv im Bereich der Schlitzstruktur (2) mit einer zweiten leitfähigen Platte oder Folie (3) oder mehreren leitfähigen Platten oder Folien (3) dreieckförmiger, kreisförmiger, elliptischer, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger, pentagonaler, hexagonaler, octagonaler oder aus den vorgenannten Elementen definiert gekoppelter Kontur und untereinander gleicher oder ungleicher Abmessungen, vorzugsweise mit einer zweiten leitfähi­ gen Platte oder Folie (3) ungleicher Abmessung, gekoppelt wird;
• - die Kopplung zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) vorzugs­ weise durch die flächenparallele Anordnung der leitfähigen Platten oder Folien (3) in einer jeweils zueinander gleichen oder ungleichen definierten Distanz über der Schlitzstruktur (2) sowie in einer jeweils definierten Entfernung zu den Seg­ mentgrenzen der Schlitzstruktur (2) erzeugt wird;
• - die Distanzierung zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (3) bzw. zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (3) untereinander mittels dielek­ trischer Distanzierungselemente (4) definierter Materialparameter sowie definier­ ter Höhe und Flächenabmessung, vorzugsweise mittels dielektrischer Folien mit ein- oder doppelseitiger Haftbeschichtung, erfolgt;
• - die Distanzierungselemente (4) mittels dielektrischer oder leitfähiger Dotie­ rungen homogen oder ortsselektiv versetzt werden;
• - das Strahlersystem vorzugsweise über ein koaxiales Wellenleitersystem (6) er­ regt wird, indem der Innenleiter (6.1) des koaxialen Wellenleiters in einer defi­ nierten Entfernung zur Kurzschluß- bzw. Leerlaufebene des Schlitzwellenleiters (2) vorzugsweise transversal über ein definiertes Struktursegment (2.n) geführt wird sowie unmittelbar im Bereich der Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) verbunden wird und der Außenleiter (6.3) des koaxialen Wellenleiters (6) unmittelbar im Bereich der gegenüberliegenden Schlitzstrukturkante galvanisch mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) gekoppelt wird.

2. Systemintegrierbarer Dualbandstrahler für Mobilfunkanwendungen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Platte oder Folie (1) mit n (n < 1) leitfähigen Platten oder Folien (3) gleicher oder ungleicher Berandung und Flächenabmessung, vorzugsweise gleicher Berandung und Flächenabmes­ sung, gekoppelt wird, indem mindestens zwei leitfähigen Platten oder Folien (3) oberhalb der Schlitzstruktur (2) übereinander bzw. entlang der Flächennormale der leitfähigen Plane oder Folie (1) in gleicher oder ungleicher gegenseitiger Distanz angeordnet und unter Einfügung der Distanzierungselemente (4) zuein­ ander distanziert werden.