-
Die Erfindung betrifft eine planare Antennenanordnung und ein Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Welle mittels einer planaren Antennenanordnung.
-
Antennenanordnungen werden im Allgemeinen zum Senden und Empfangen von elektrischen Signalen verwendet. Dazu wird eine beispielsweise eine linear polarisierte elektromagnetische Welle von der Antenne abgestrahlt oder empfangen.
-
Antennenanordnungen in planarer Bauweise werden häufig verwendet, um zu gewährleisten, dass die Antennen nicht direkt sichtbar sind. Ferner können planare Antennenanordnungen in Baugruppen verwendet werden, in denen aufgrund von Platzmangel eine Miniaturisierung der Bauelemente notwendig ist. Solche Baugruppen können beispielsweise als Satellitenkommunikationsgerät, Kommunikationsgerät, Mobilfunkgeräte und Mobilcomputer ausgebildet und in Flugzeugen/Fahrzeugen aufgenommen sein. In Fahrzeugen können Antennenanordnungen als Abstandssensoren oder zum Erfassen von Objekten, beispielsweise von Verkehrsschildern, verwendet werden.
-
Radarsysteme sowie Kommunikationssysteme mit Antennen für linear polarisierte Wellen haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund der linearen Polarisation eine genaue Ausrichtung der Antennen nötig ist, da ansonsten im Fall von zwei orthogonalen linear polarisierten Antennen keine Leistung empfangen werden kann. Mit zirkularer Polarisation kann zumindest immer ein Teil der Leistung einer linear polarisierten Antenne empfangen werden.
-
Bei Radarsystemen können Objekte schlechter detektiert werden, wenn sie in der Polarisationsebene nur eine geringe Ausdehnung aufweisen. Beispielsweise kann ein vertikaler Metallischer Mast von einer horizontal polarisierten Welle schlechter erfasst werden als von einer vertikal polarisierten Welle.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine planare Antennenanordnung mit verbesserten Charakteristika bereitzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Welle mittels einer solchen planaren Antennenanordnung und eine Verwendung einer solchen planaren Antennenanordnung bereitzustellen, das bzw. die eine verbesserte Charakteristika aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem exemplarischen Aspekt der Erfindung wird eine planare Antennenanordnung bereitgestellt, mit zumindest einer Antennenzelle aufweisend ein erstes elektrisch leitendes Verbindungselement zum Zuführen von elektrischer Energie, ein zweites elektrisch leitendes Verbindungselement zum Abführen von elektrischer Energie, ein elektrisch leitendes Antennenelement zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle, und eine Massefläche, die elektrisch isoliert zu dem ersten Verbindungselement, zu dem zweiten Verbindungselement und zu dem Antennenelement angeordnet ist, wobei sich das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement entlang einer ersten Richtung erstrecken, wobei sich das Antennenelement ausgehend von dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement entlang einer quer zu der ersten Richtung verlaufenden, zweiten Richtung erstreckt, wobei das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das erste Verbindungselement benachbart zu einer ersten Seite des Antennenelements angeordnet ist, wobei das zweite Verbindungselement benachbart zu einer, der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite des Antennenelements angeordnet ist.
-
Gemäß einem weiteren exemplarischen Aspekt der Erfindung wird die Antennenanordnung zum Abstrahlen oder Empfangen zumindest einer elektromagnetischen Welle verwendet.
-
Gemäß einem weiteren exemplarischen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen zumindest einer elektromagnetischen Welle mittels einer oben beschriebenen planaren Antennenanordnung bereitgestellt, wobei das Verfahren Zuführen von elektrischer Energie zu ein erstes elektrisch leitendes Verbindungselement einer Antennenzelle der Antennenanordnung, Abführen von elektrischer Energie aus einem zweiten elektrisch leitenden Verbindungselement der Antennenzelle der Antennenanordnung, und Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle über ein elektrisch leitendes Antennenelement der Antennenzelle der Antennenanordnung aufweist.
-
Eine elektronische Vorrichtung weist eine oben beschriebene Antennenanordnung auf.
-
Ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen Antennenanordnung weist Bereitstellen eines ersten elektrisch leitenden Verbindungselements zum Zuführen von elektrischer Energie, eines zweiten elektrisch leitenden Verbindungselements zum Abführen von elektrischer Energie, eines elektrisch leitenden Antennenelements zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle, und eine Massefläche, die elektrisch isoliert zu dem ersten Verbindungselement, zu dem zweiten Verbindungselement und zu dem Antennenelement angeordnet ist, und Anordnen des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements und des Antennenelements auf, derart, dass sich das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement entlang einer ersten Richtung erstrecken, wobei sich das Antennenelement ausgehend von dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement entlang einer quer zu der ersten Richtung verlaufenden, zweiten Richtung erstreckt, wobei das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das erste Verbindungselement benachbart zu einer ersten Seite des Antennenelements angeordnet ist, wobei das zweite Verbindungselement benachbart zu einer, der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite des Antennenelements angeordnet ist.
-
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „planare Antennenanordnung“ insbesondere eine Antennenanordnung bezeichnen, die eine flächige oder Flachbauweise aufweisen kann. Insbesondere kann sich die Antennenanordnung in einer Ebene oder in nah zueinander beabstandeten Ebenen erstrecken.
-
Der Begriff „quer“ kann insbesondere eine nicht parallele Ausrichtung zweier Elemente bezeichnen. Insbesondere können die Elemente zueinander orthogonal ausgerichtet sein.
-
Der Begriff „das Antennenelement erstreckt sich ausgehend von dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement“ kann insbesondere eine solche relative Anordnung der Verbindungselemente und des Antennenelements bezeichnen, bei der Seitenflächen der Verbindungselemente entlang der Richtung y und eine Seitenfläche des Antennenelements entlang der Richtung y entlang einer gemeinsamen Verbindungslinie der Seitenflächen angeordnet sind.
-
Gemäß den exemplarischen Aspekten der Erfindung kann die Antennenzelle mit zwei Schwingkreisen modelliert werden. Die Verbindungselemente entlang der ersten Richtung können in einem einfachen Ersatzschaltbild durch einen Serienschwingkreis dargestellt werden, der mit einem Parallelschwingkreis gekoppelt sein kann, der durch das Antennenelement in der zweiten Richtung gebildet werden kann. Bei einem Zuführen von elektrischer Energie in die Antennenzelle kann die Antennenzelle über die elektrischen Streufelder zwischen dem Antennenelement und den beiden Verbindungselementen, bzw. der Massefläche eine elektromagnetische Welle abstrahlen, die sich in einer Richtung ausbreiten kann, die quer zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung ausgebildet sein kann. Eine Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle kann dabei beliebig sein.
-
Folglich kann insbesondere die Antennenanordnung aufgrund der wenigen Bauteile einfach und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann die Antennenanordnung eine kompakte und einfache Bauweise aufweisen.
-
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbespiele der planaren Antennenanordnung beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele gelten auch für das Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Welle, die Verwendung, die elektronische Vorrichtung und das Verfahren zum Herstellen der Antennenanordnung.
-
Insbesondere kann sich das Antennenelement orthogonal zu dem ersten und dem zweiten Verbindungselement der Antennenzelle erstrecken, so dass eine Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle senkrecht zu dem Antennenelement besonders einfach definierbar ist. Somit ist je nach Beschaltung des Ausgangs der Antennenanordnung eine horizontale, vertikale oder zirkulare Polarisation der abgestrahlten elektromagnetischen Welle erzielbar.
-
Insbesondere kann die Antennenzelle bezüglich der zweiten Richtung symmetrisch ausgebildet und bezüglich der ersten Richtung unsymmetrisch ausgebildet sein. Insbesondere kann die Antennenzelle bezüglich der zweiten Richtung spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Folglich kann eine konstruktive Bauweise der Antennenzelle und/oder der Antennenanordnung vereinfacht werden, wodurch Baukosten jeder gering sein können.
-
Insbesondere kann die Antennenanordnung als Flachbaugruppe in Leiterplattentechnologie oder in Mikrostreifentechnologie ausgebildet sein, so dass die Antennenanordnung besonders kompakt und/oder besonders kostengünstig mit bekannten Herstellungsfahren gefertigt werden kann.
-
In einer Ausführungsform weist die Antennenzelle ferner ein Dielektrikum auf, das sich benachbart zu und sich entlang der Massefläche erstreckt, wobei das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement an einer ersten Seite des Dielektrikums angeordnet ist, und wobei das Antennenelement an einer weiteren, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Dielektrikums angeordnet ist. Auf diese Weise kann die elektrisch leitenden Verbindungselemente von dem elektrisch leitenden Antennenelement mittels des Dielektrikums isoliert werden.
-
Insbesondere kann die zumindest eine Antennenzelle ein weiteres oder weitere Dielektrika aufweisen, die sich zwischen dem Dielektrikum und der Massefläche erstrecken und das elektrisch leitende Antennenelement und/oder die leitenden Verbindungselemente von der Massefläche isolieren kann. Das leitende Antennenelement oder die Verbindungselemente können in einem Dielektrikum eingebettet sein, so dass weniger Dielektrika in der Antennenzelle vorhanden sein können.
-
Das Dielektrikum und/oder die weiteren Dielektrika können aus einem Material gebildet sein Als Dielektrikum kann auch Luft dienen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem eine Trägerstruktur mit isolierende(n) Abstandshalterelementen zwischen den Verbindungselementen, der Massefläche und dem Antennenelement vorgesehen sein können.
-
In einer weiteren Antennenanordnung sind das erste Verbindungselement und das Antennenelement teilweise überlappend angeordnet, und das zweite Verbindungselement und das Antennenelement sind teilweise überlappend angeordnet. Insbesondere kann das Antennenelement T-förmig mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt ausgebildet sein, wobei ein Abschnitt des Antennenelements mit dem ersten und zweiten Verbindungselement teilweise überlappen kann. Dadurch kann eine kapazitive Kopplung des ersten und zweiten Verbindungselements und des Antennenelements bewirkt werden, so dass die zugeführte Energie auf das Antennenelement übertragen werden kann, um von dort als elektromagnetische Welle abgestrahlt zu werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement an einer freiliegenden oberen Seite des Dielektrikums angeordnet, und das Antennenelement ist an einer unteren Seite des Dielektrikums angeordnet.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement an einer unteren Seite des Dielektrikums angeordnet, und das Antennenelement ist an einer freiliegenden oberen Seite des Dielektrikums angeordnet.
-
Beide Ausführungsformen ermöglichen eine Schichtstruktur der Antennenzelle und können besonders einfach und kostengünstig mittels Mikrostreifen- und/oder Leiterplattentechnologie realisiert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Verbindungselement, das zweite Verbindungselement und das Antennenelement in einer Ebene angeordnet oder erstrecken sich in der Ebene, die benachbart zu der Massefläche angeordnet ist. Dadurch kann das Antennenelement besonders kostengünstig ausgebildet sein, indem die Verbindungselemente und das Antennenelement gleichzeitig als (insbesondere einstückige) Schicht hergestellt werden können. Bei dieser Ausführungsform kann lediglich ein Dielektrikum die elektrisch leitenden Verbindungselemente und das elektrisch leitende Antennenelement von der Massefläche isolieren.
-
In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen einem dem Antennenelement abgewandten Ende des ersten Verbindungselements und einem dem Antennenelement abgewandten Ende des zweiten Verbindungselements höchstens Lambda/2, insbesondere weniger als Lambda/2, insbesondere weniger als Lambda/4. Auf diese Weise kann eine elektrisch kurze Antennenzelle bereitgestellt werden. Hierbei handelt es sich um Antennenzellen die einen Phasenbezug zwischen Eingang und Ausgang von 0 Grad bei der Mittenfrequenz über quasi-konzentrierte Elemente (Induktivitäten und Kapazitäten) realisiert und als effektives Medium gesehen werden kann.
-
Die englischsprachige Literatur spricht hier von „periodic leaky-wave antenna, where n = 0, the fundamental mode is radiating“.
-
Die normierte Längenbezeichnung Lambda bezieht sich auf die geführte Wellenlänge im Material (Luft oder Dielektrikum) und berücksichtigt eine effektive Permittivität (epsilon effektiv) die sich aus dem planaren Aufbau der geschichteten Materialien und der jeweiligen Leitungsgeometrie bestimmt. Als Frequenz zur Bestimmung der Wellenlänge Lambda ist die Mittenfrequenz zu Wählen, bei dem ein Verbund von Antennenelementen quer zur ersten und quer zur zweiten Richtung (Broadside) abstrahlt.
-
In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen einem dem Antennenelement abgewandten Ende der ersten Verbindungselements und einem dem Antennenelement abgewandten Ende des zweiten Verbindungselements zwischen Lambda/2 und 1,5 Lambda. Hierbei handelt es sich um Antennenzellen die einen Phasenbezug zwischen Eingang und Ausgang von 360 Grad über eine Leitung der Länge Lambda realisiert. Die englischsprachige Literatur spricht hier von „periodic leaky-wave antenna, where the n = –1 space harmonic is radiating“.
-
Insbesondere kann eine Länge des Antennenelements in der zweiten Richtung etwa Lambda/2 betragen, um eine Leitungstransformation (offenes Ende transformiert über Lamdba/2 Leitung) zu nutzen, welches ein Parallelschwingkreisverhalten an dem, dem offenen Ende gegenüberliegenden Ende aufweist.
-
Insbesondere kann eine Breite des Antennenelements (eine Ausdehnung in der ersten Richtung) von etwa Lambda/30 bis Lambda betragen. Über die Breite des Antennenelements kann die Intensität der Abstrahlung die eine Polarisation in der zweiten Richtung hat eingestellt werden. Dieses kann genutzt werden, um die erste der beiden Bedingungen für Zirkulare Polarisation (1. Amplitudengleichheit zwei orthogonaler elektrischer Felder, die 2. ebenfalls 90 Grad Phasen verschoben sind) einzustellen. Der 90 Grad Phasenversatz in der zweiten Bedingung kann sich automatisch aufgrund der Antennenanordnung einstellen, mit anderen Worten: Der 90 Grad Phasenversatz in 2. stellt sich automatisch aufgrund der Schaltung ein.
-
Insbesondere können die angegebenen Werte für die Abstände und/oder die Längen in einem Intervall liegen, das durch den speziellen angegebenen Wert minus etwa 20 % und durch den speziellen angegebenen Wert plus etwa 20 % gebildet werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung eine Vielzahl von Antennenzellen auf, wobei die Antennenzellen entlang der zueinander identischen ersten Richtungen zueinander benachbart angeordnet sind, und wobei das zweite Verbindungselement jeder Antennenzelle elektrisch leitend mit dem ersten Verbindungselement einer benachbarten Antennenzelle verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Abstrahlfläche der Antennenanordnung erhöht und damit eine verbesserte Richtwirkung der Antenne erzielt werden.
-
Insbesondere kann die Antennenanordnung zwischen 1 und 20 Antennenzellen, insbesondere zwischen 20 und 40 Antennenzellen, weitere insbesondere zwischen 40 und 60 Antennenzellen, aufweisen. Insbesondere kann die Antennenanordnung genau 5, genau 10 oder genau 15 Antennenzellen aufweisen.
-
Insbesondere können alle Antennenzellen bezüglich der Bauweise gleich ausgebildet sein, um einen Entwurf/Herstellung der Antennenordnung zu vereinfachen. Insbesondere kann bei einer solchen Antennenanordnung eine exponentielle Antennenaperturbelegung im Leckwellen-Betriebbereitgestellt werden.
-
Insbesondere kann zumindest eine Antennenzelle der Antennenanordnung bezüglich der übrigen Antennenzellen unterschiedliche Abmessungen aufweisen und dadurch mit underschiedlicher Gewichtung Abstrahlen, um eine Antennenaperturbelegung gezielt zu synthetisieren und das Antennenrichtdiagramm für eine spezielle Anwendung zu optmieren.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung einen elektrisch offenen Abschluss auf, der mit dem zweiten Verbindungselement der in den ersten Richtungen gesehen letzten Antennenzelle verbunden ist, zum Erzeugen einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle, die sich von zumindest einer Antennenzelle in einer Richtung ausbreitet, die quer zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung verläuft, und entlang der zweiten Richtung polarisiert ist. Hierbei kann ein Leerlauf der Antennenzelle bewirkt (wobei nur die parallel Resonatoren Energie führen und nicht die Serien Resonatoren) werden, und die sich in den Verbindungselementen der Antennenzellen ausbreitende Energie entspricht der Überlagerung von einer hin- und rücklaufenden Wanderwellen, welches eine Stehwelle auf der Antennenanordnung zu Folge hat. Die abgestrahlte Welle kann folglich als eine bezüglich der ersten und zweiten Richtung, die senkrecht aufeinander stehen können, vertikal linear polarisierte (Richtung 2) elektromagnetische Welle ausgebildet sein. Dieser Effekt ist eine schmalbandige Resonanzerscheinung.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung einen elektrischen Kurzschluss auf, der mit dem zweiten Verbindungselement der in den ersten Richtungen gesehen letzten Antennenzelle verbunden ist, zum Erzeugen einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle, die sich von zumindest einer Antennenzelle in einer Richtung ausbreitet, die quer zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung verläuft, und entlang der ersten Richtung polarisiert ist. Hierbei kann ein Kurzschluss der Antennenzelle bewirkt werden, und die gespeicherte Energie ist in den Parallelschwingkreisen gespeichert.. Die abgestrahlte Welle kann als horizontal linear (Richtung 1) polarisierte elektromagnetische Welle ausgebildet sein. Dieser Effekt ist eine schmalbandige Resonanzerscheinung.
-
Insbesondere kann die Antennenanordnung in den beiden zuvor genannten Ausführungsformen die elektromagnetische, linear polarisierte Welle aus einer Ebene, die die erste Richtung und die zweite Richtung aufweist, heraus abstrahlen. Die Polarisationsrichtungen der mittels dieser beiden Ausführungsformen der Antennenanordnung kann orthogonal zueinander stehen.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung einen elektrischen Sumpf auf, der mit dem zweiten Verbindungselement der in den ersten Richtungen gesehen letzten Antennenzelle verbunden ist, zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle, die sich von zumindest einer Antennenzelle quer zur zweiten Richtung verlaufend ausbreitet. Insbesondere kann die Polarisation der zirkular polarisierten Welle quer, insbesondere senkrecht, zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle sein. Insbesondere kann sich die zirkular polarisierte Welle in einer Ebene ausbreiten, die quer zur zweiten Richtung verlaufen kann, und in einer Ebene, die die erste und zweite Richtung aufweisen kann, zirkular polarisiert sein kann. Der Begriff „Sumpf“ kann insbesondere einen Abschluss oder eine Terminierung bezeichnen, der die Antennenanordnung, die einen aufgrund ihrer Bauweise vorgegeben Wellenwiderstand aufweisen kann, reflexionsfrei abschließen kann. Die abgestrahlte Welle ist dabei eine zirkular polarisierte elektromagnetische Welle. Ein Sumpf kann insbesondere zumindest einen Widerstand aufweisen. Die zirkular polarisierte Welle kann dabei breitbandiges Verhalten aufweisen. Daher kann ein „beam-steering“ (engl. für „Strahl-Steuerung“) Effekt erreicht werden, d.h., dass in einem Winkel um die bevorzugte Ausbreitungsrichtung, das ist 90 Grad zur Ebene der Antennenanordnung, die abgestrahlte Welle auffächert. Der Winkel des Fächers ist dabei von der Arbeitsfrequenz des in die Antennenanordnung eingespeisten Signales abhängig.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung ein Schaltelement auf, das geeignet ist, zwischen zumindest zwei Abschlüssen ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus dem elektrisch offenen Abschluss, dem elektrischen Kurzschluss und dem elektrischen Sumpf zu schalten. Insbesondere kann das Schaltelement zwischen allen drei Abschlüssen umschalten, so dass die Antennenanordnung je nach dem operativ aktiv verbundenen elektrischen Abschluss elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Richtungen und/oder Polarisationen ausstrahlen kann. Insbesondere kann die Antennenanordnung, wie oben beschreiben, eine horizontal linear polarisierte, eine vertikal linear polarisierte oder eine zirkular polarisierte Welle abstrahlen. Folglich kann die Antennenanordnung gleichzeitig vielseitig verwendet werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Antennenanordnung ein Rückkopplungselement zum phasensynchronen Rückkoppeln von elektrischer Energie aus einer in den ersten Richtungen gesehen letzten Antennenzelle in eine in den ersten Richtungen gesehen ersten Antennenzelle auf. Eine elektrisch kurze Antennenanordnung (also wenn die Antennenanordnung wenige Antennenzellen aufweisen kann) kann bewirken, dass nicht die gesamte eingespeiste elektrische Energie in die abgestrahlte elektromagnetische Welle umgewandelt werden kann, sondern dass ein Anteil der Energie als Verlustwärme im Sumpf abgeführt werden kann. Durch die phasengleiche Rückkopplung kann die am Ausgang der Antennenanordnung ankommende Restenergie wieder am Eingang der Antennenanordnung in diese Antennenanordnung zurück eingespeist werden, womit die Energieeffizienz der Antennenanordnung erhöht werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Energie selektiv an dem ersten Verbindungselement der in den ersten Richtungen gesehen ersten Antennenzelle oder an dem zweiten Verbindungselement der in den ersten Richtungen gesehen letzten Zelle zuführbar, zum Erzeugen von entweder einer ersten elektromagnetischen Welle mit einer zirkularen Polarisation oder einer zweiten elektromagnetischen Welle mit einer zirkularen Polarisation, deren Polarisationsrichtungentgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung der ersten elektromagnetischen Welle gerichtet ist. Es kann somit je nach Zuführungsrichtung der Energie bezüglich der Ausrichtung des Antennenelements eine sogenannte Left-Handed-Circular polarisierte (LHCP) Welle oder eine sogenannte Right-Handed-Circular polarisierte (RHCP) Welle erzeugt werden. Insbesondere kann diese Ausführungsform auch ohne Rückkopplungselement in der Antennenanordnung verwirklicht sein.
-
Für beide vorgenannten Ausführungsformen kann das Rückkopplungselement einen Rat-Race-Coupler (Engl. für „Ringkoppler“) aufweisen, um die phasengleiche Rückkopplung der Restenergie zu bewirken und/oder selektiv eine links händisch zirkular polarisierte (LHCP)- oder eine rechts händisch zirkular polarisierte (RHCP)-Welle in der Antennenanordnung zu generieren.
-
Die Antennenanordnung kann im Radar-Bereich und/oder im Bereich der Telekommunikation verwendet werden. Betriebsfrequenzbereiche der Antennenanordnung, die der zugeführten Energie zugeordnet sein kann, können in einem Frequenzbereich um etwa 24 Gigahertz (insbesondere für den Radar-Bereich), um etwa 60 Gigahertz (insbesondere für die Telekommunikation) oder um etwa 77–79 Gigahertz (insbesondere für den Radar-Bereich) angesiedelt sein.
-
Die Antennenanordnung kann zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle und zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle verwendet werden. Im letzteren Fall kann an den Verbindungselementen der Antennenzelle und/oder Antennenanordnung ein elektrisches Signal erzeugt werden, deren Größe von einer Intensität der empfangen elektromagnetischen Welle abhängen kann.
-
Insbesondere kann die Antennenanordnung in einer elektronischen Vorrichtung aufgenommen sein, die als Kommunikationsgerät oder Radargerät ausgebildet sein kann.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung weiter im Detail beschrieben. Es zeigen:
-
1 und 2 eine schematische Darstellung in Draufsicht beziehungsweise eine weitere Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenzelle einer planaren Antennenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
3 einen Querschnitt durch die Antennenzelle in 1 und 2.
-
4, 5 und 6 Ersatzschaltbilder der Antennenzelle in 1 bis 3.
-
7 und 8 eine schematische Darstellung von unten beziehungsweise eine weitere Darstellung von unten auf eine Antennenzelle einer planaren Antennenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
9 einen Querschnitt durch die Antennenzelle in 7 und 8.
-
10 und 11 eine schematische Darstellung in Draufsicht beziehungsweise eine weitere Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenzelle einer planaren Antennenanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
12 einen Querschnitt durch die Antennenzelle in 10 und 11.
-
13 eine schematische Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die an ihrem Ende elektrisch offen ist.
-
14 eine schematische Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, die an ihrem Ende elektrisch kurzgeschlossen ist.
-
15 eine schematische Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die an ihrem Ende mit einem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, der dem Wellenwiderstand der Antennenanordnung entspricht.
-
16 eine schematische Darstellung in Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die an ihrem Ende ein Schaltelement aufweist.
-
17 eine schematische Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die ein Rückkopplungselement an ihren Ende aufweist.
-
18 eine schematische Draufsicht auf eine Antennenanordnung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die ein weiteres Rückkopplungselement auf ihren Ende aufweist.
-
Die Darstellungen in den Zeichnungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.
-
Die in 1 bis 3 gezeigte Antennenzelle 100 einer Antennenanordnung 105 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels ist in Mikrostreifentechnologie ausgeführt und weist ein erstes elektrisch leitendes Verbindungselement 110, ein zweites elektrisch leitendes Verbindungselement 120 und ein elektrisch leitendes Antennenelement 130 auf.
-
Das erste und zweite Verbindungselement 110, 120 erstrecken sich entlang einer ersten Richtung y, und das Antennenelement 130 erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung x, die senkrecht zur ersten Richtung y verläuft. Das Antennenelement 130 weist einen Querschnitt mit einer wesentlich größeren Länge als Breite auf, wohingegen die Flächen der beiden Verbindungselemente 110, 120 etwa quadratisch ausgebildet sind. Längsachsen der Verbindungselemente 110, 120 weisen in dieselbe Richtung y und eine Längsachse des Antennenelements 130 ist orthogonal zu den Längsachsen der Verbindungselemente 110, 120 orientiert.
-
Das Antennenelement ist T-förmig ausgebildet und weist einen parallel zu den Längsachsen der Verbindungselemente 110, 120 verlaufenden ersten Abschnitt 135 und einem sich orthogonal dazu erstreckenden zweiten Abschnitt 136 auf. Die ersten und zweiten Abschnitte 135, 136 des Antennenelements 130 weisen etwa eine gleiche Fläche in einer Ebene, die durch die Richtungen y und x definiert ist, auf.
-
Die Verbindungselemente 110, 120 sind auf einer Oberseite 151 einer ersten Dielektrizitätsschicht 150 angeordnet. An einer Unterseite 152 dieser Dielektrizitätsschicht 150 ist das Antennenelement 110 in einer Verklebeschicht 160 eingebettet, welche eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die etwa der der ersten Dielektrizitätsschicht 150 entspricht. Die Verklebeschicht 160 dient zur Aufnahme des Antennenelements 130 und zum Verkleben der ersten Dielektrizitätsschicht 150 mit einer zweiten Dielektrizitätsschicht 170, die auf einer Massefläche 140 zwischen der Massefläche 140 und der Verklebeschicht 160 angeordnet ist.
-
Das erste Verbindungselement 110 ist benachbart zu einer ersten Außenseite 132 des Antennenelements 130 angeordnet, und das zweite Verbindungselement 120 ist benachbart zu einer, der ersten Seite 132 gegenüberliegenden, zweiten Außenseite 131 des Antennenelements 130 angeordnet. Die beiden Verbindungselemente 110, 120 sind jeweils symmetrisch zu und teilweise überlappend über dem Antennenelement 130 angeordnet, und das Antennenelement 130 ragt nur zu einer Seite entlang der Richtung x unter den Verbindungselementen 110, 120 heraus.
-
Die beiden Verbindungselemente 110, 120 sind durch einen dazwischen liegenden Spalt 180 getrennt (3).
-
Entlang einer Richtung z, die senkrecht zu den Richtungen y und x verläuft, sind die Verbindungselemente 110, 120 und das Antennenelement 130 dünn ausgebildet und weisen eine zueinander etwa gleiche Dicke und eine bezüglich der Dielektrika 150, 160, 170 geringere Dicke auf.
-
Die Gesamtbreite der Antennenzelle 100 in der Richtung y wird durch die Längen der Verbindungselemente 110, 120 und einer Breite des zwischen den beiden Verbindungselementen 110, 120 angeordneten Spaltes 180 definiert und beträgt, gemessen zwischen einem Ende 111 des ersten Verbindungselements 110 und einem Ende 112 des zweiten Verbindungselements höchstens Lambda/4. Hierbei bezeichnet Lambda die geführte Wellenlänge in der Antennenzelle 100. Eine Länge der Antennenzelle 100 in der Richtung x wird durch die Länge des zweiten Abschnitts 136 des Antennenelements 130 definiert und beträgt Lambda/2.
-
Die erste Dielektrizitätsschicht 150 ist aus RO4350 mit einer Dielektrizitätskonstate von 3,66 ausgebildet. Die Verklebeschicht 160 ist aus RO4450 mit einer Dielektrizitätskonstate von 3,66 ausgebildet. Die zweite Dielektrizitätsschicht 170 ist aus RO4350 mit einer Dielektrizitätskonstate von 3,66 ausgebildet.
-
Es wird angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber in 1 und 2 lediglich die beiden Verbindungselemente 110, 120 und das Antennenelement 130 dargestellt sind, und die übrigen Elemente 140, 150, 160, 170 der Antennenzelle sind weggelassen worden.
-
4, 5 und 6 zeigen Ersatzschaltungen 190a–c der Antennenzelle 100 in 1 bis 3. In 4 ist die Antennenzelle 100 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Elemente der Ersatzschaltung 190a sind jeweils mit Pfeilen den physikalischen Elementen der Antennenzelle 100 zugeordnet. Die Verbindungselemente 110, 120 sind mittels Widerständen TL23 modelliert. Zwischen den Verbindungselementen 110, 120 und dem ersten Abschnitt 135 des Antennenelementes 130 ist eine Kapazität C23 gebildet, während der zweiten Abschnitt 136 des Antennenelementes 130 mit einem Wiederstand TL1 und einer Kapazität Rsh modelliert ist. Der Spalt 180 zwischen den beiden Verbindungselementen 110, 120 ist einem Widerstand Rse und einer Kapazität C1 zugeordnet. Somit weist die Antennenzelle 100 einen Schwingkreis auf, der entlang der Verbindungselemente 110, 120 einen Serienzweig und einen dazu parallel geschalten Shuntzweig aufweist, der durch die kapazitive Kopplung des ersten und zweiten Verbindungselements 110, 120 und des Antennenelements 130 und durch den zweiten Abschnitt 136 des Antennenelements 130 gebildet ist.
-
5 zeigt ein äquivalentes Ersatzschaltung 190b, das zur vereinfachten Modellierung der Antennenzelle 100 anstatt der Widerstände TL23 Induktivitäten L1, anstatt der kapazitiven Kopplung mittels C1 und Rse eine Kapazität C1 und anstatt der Serienschaltung des Wiederstands TL1 und der Kapazität Rsh eine Parallelschaltung von einer Kapazität C4 mit einer Induktivität L2 aufweist. U1 und U2 bezeichnen Potentiale an den gemeinsamen Knotenpunkten der Induktivität L1, der Kapazität C1 und der Kapazität C23.
-
6 zeigt die Ersatzschaltung 190c, die sich nach einer Transformation des Kapazitätsdreiecks C23, C1, C23 der Ersatzschaltungen 190a, b in 4 und 5 in einen Kapazitätsstern Ca, Cb, Cc ergibt. Die Kapazitäten Ca, Cb, Cc entsprechen Metal Insulator Metal(engl. für „Metal Isolator Metal“, MIM)-Kondensatoren. Die Ersatzschaltung 190c weist folglich zwei Reihenschwingkreise (L1 – Ca, L1 – Cb) und ein Parallelschwingkreis (C4 – L2) auf. In und In + 1 bezeichnen Ströme, die der Reihenschaltung aus Induktivität L1 und Kapazität Ca zugeführt bzw. von der Reihenschaltung aus Kapazität Cb und Induktivität L1 abgeführt werden.
-
Für die mathematischen Berechnungen bezeichnen In und In + 1 Ströme, die sich für eine Einheitszelle einstellen, die periodisch unendlich kaskadiert ist.
-
In 6 sind zwei Maschen Mesh 1 und Mesh 2 eingezeichnet, mit denen eine Maschenstromanalyse oder ein Knotenpotentialverfahren angewandt werden kann.
-
Die Netzwerkanalyse mit Maschenstromanalyse oder Knotenpotentialverfahren belegt, dass sich zwischen den Spannungen U12 = U1 – U2 und U3 (Bezug auf Masse) eine Phasendifferenz von 90 Grad bildet (Winkel von U12/U3 = 90 Grad). Wobei die Spannung U12 einem elektrischen Feld welches in erster Richtung Polarisiert ist entspricht und die Spannung U3 einem Feld, das in der zweiten Richtung polarisiert ist. Dieser Phasenbezug ist Frequenzunabhängig und ermöglicht so eine breitbandig zirkular polarisierte Abstrahlung.
-
In einem Betrieb der Antennenanordnung 105 in den 1 bis 6 wird elektrisch Energie in Form von Spannung dem ersten Verbindungselement 110 zugeführt, die kapazitiv an das zweite Verbindungselement 120 und das Antennenelement 130 übertragen wird. Aufgrund der Stromausbreitung in den ersten und zweiten Verbindungselementen 110, 120 und dem Antennenelement 130 wird von dem den ersten und zweiten Verbindungselementen 110, 120 und dem Antennenelement 130 eine links zirkular polarisierte Welle entlang der Richtung z abgestrahlt.
-
Eine in 7 bis 9 gezeigte Antennenzelle 100 einer Antennenanordnung 105 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ebenfalls in Mikrostreifentechnologie ausgeführt und ähnlich zu der Antennenzelle 100 in 1 bis 3 ausgebildet. Allerdings sind Verbindungselemente 110, 120 an einer Unterseite 152 einer ersten Dielektrizitätsschicht 150 in eine Verklebeschicht 160 eingebettet, während das Antennenelement 130 auf einer Oberseite 151 der ersten Dielektrizitätsschicht 150 angeordnet ist. Die Verbindungselemente 110, 120 weisen einen rechteckigen Querschnitt auf und sind entlang einer Richtung y länger ausgebildet als entlang einer Richtung x. Beide Verbindungselemente 110, 120 weisen gleiche Dimensionen auf. Ein Querschnitt des Antennelements 130 ist etwa quadratisch. Die Gesamtlänge der Antennenzelle 100 in der Richtung y, gemessen von Außenseiten der Verbindungselemente 110, 120, die entgegengesetzt zu den benachbarten Seiten 131, 132 des Antennenelements 130 angeordnet sind, beträgt Lambda. Die Gesamtlänge der Antennenzelle 100 in der Richtung x, gemessen entlang der Längserstreckung des Antennenelements 130, beträgt Lambda/3.
-
Ein Betrieb der Antennenanordnung 105 ist ähnlich zu einem Betrieb der Antennenanordnung 105 von Antennenzellen 100 in 1 bis 3. Allerdings wird die erzeugte zirkular polarisierte elektromagnetische Welle nur über das Antennenelement 130 abgestrahlt.
-
Die in 10 bis 12 gezeigte Antennenzelle 100 einer Antennenanordnung 105 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls in Mikrostreifentechnologie ausgeführt. Die Verbindungselemente 110, 120 sind direkt an gegenüberliegenden Seiten 131, 132 des Antennenelements 130 angeordnet und berühren diese. Die Verbindungselemente 110, 120 und das Antennenelement 130 erstrecken sich in einer Ebene, die durch zueinander senkrechte Richtungen y und x definiert wird. Ein Dielektrikum 150 ist zwischen den Verbindungselementen 110, 120 und dem Antennenelement 130 angeordnet und trennt die Ebene des Antennenelements 130 und der Verbindungselemente 110, 120 von einer Ebene einer Massefläche 140. Somit ist weder das Antennenelement 130 noch die Verbindungselemente 110, 120 in ein Dielektrikum eingelassen, und es entfällt auch die Notwendigkeit einer Verklebeschicht.
-
Die Verbindungselemente 110, 120 sind in der Richtung y wesentlich länger als in der Richtung x ausgebildet. Die Länge der Verbindungselemente 110, 120 in der Richtung y ist wesentlich kürzer als eine Länge des Antennenelements 130 in der Richtung y und x. Die Länge des Antennenelements 130 in der Richtung y ist größer als die Länge des Antennenelements 130 in der Richtung x. Die Gesamtlänge der Antennenzelle 100 in der Richtung y beträgt Lambda, und die Gesamtlänge der Antennenzelle 100 in der Richtung x beträgt Lambda/4.
-
Ein Betrieb der Antennenanordnung 105 ist ähnlich zu einem Betrieb der Antennenanordnung 105 der Antennenzellen 100 in 1 bis 12. Die erzeugte zirkular polarisierte elektromagnetische Welle wird über das Antennenelement 130 abgestrahlt.
-
In 13 ist eine Antennenanordnung 105 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung die eine Vielzahl von Antennenzellen 100, 101, 102 aufweist, dargestellt. Die Antennenzellen 100, 101, 102 sind identisch zu der Antennenzelle 100 in 1 bis 3 ausgebildet und entlang der zueinander identischen Richtungen y der Antennenzellen 100, 101, 102 angeordnet. Die Antennenelemente 130 erstrecken sich ausgehend von den Verbindungselementen 110, 120 jeweils in dieselbe Richtung x. Die Antennenanordnung 105 ist über das erste Verbindungselement 110 der in der Richtung y gesehen ersten Antennenzelle 101, die ein erstes Ende der Antennenanordnung 105 darstellt, mit Energie speisbar und weist an ihren zweiten Ende, das durch das zweite Verbindungselement 120 der in der Richtung y letzten Antennenzelle 102 gebildet wird, einen elektrisch offenen Abschluss 190 auf.
-
In einem Betrieb der Antennenanordnung 105 wird durch das Zuführen oder Einspeisen der Energie in die Antennenanordnung 105 aufgrund von elektrischen Feldkomponenten Ex, Ey, die in 4 gezeigt sind, eine elektromagnetische Welle erzeugt, die sich in der Richtung z ausbreitet und entlang der Richtung x linear polarisiert ist. Ein Pfeil 191 bezeichnet die Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel eine vertikale Polarisation.
-
In 14 ist eine Antennenanordnung 105 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel gezeigt, die ähnlich zu der Antennenanordnung in 13 ausgebildet ist. Allerdings weist die Antennenanordnung 105 an ihrem zweiten Ende einen Kurzschluss 192 als elektrischen Abschluss auf.
-
In einem Betrieb der Antennenanordnung 105 wird durch das Zuführen oder Einspeisen der Energie in die Antennenanordnung 105 eine elektromagnetische Welle erzeugt, die sich in einer Richtung z ausbreitet und entlang einer Richtung y linear polarisiert ist. Ein Pfeil 191 bezeichnet die Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel eine horizontale Polarisation.
-
In 15 ist eine Antennenanordnung 105 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt, die ähnlich zu der Antennenanordnung in 13 ausgebildet ist. Allerdings weist die Antennenanordnung 105 an ihrem zweiten Ende einen reflexionsfreien Sumpf 194 als elektrischen Abschluss auf, der einen Wellenwiderstand aufweist, der dem Wellenwiderstand der übrigen Antennenanordnung 105, also der Antennenzellen 100–102, entspricht.
-
In Betrieb der Antennenanordnung 105 wird durch das Zuführen der Energie in die Antennenanordnung 105 eine elektromagnetische Welle erzeugt, die sich in der Richtung z ausbreitet und in der Ebene, die senkrecht auf der Richtung z steht und die Richtungen y und x aufweist, zirkular polarisiert ist.
-
Die zirkular polarisierte Welle weist dabei breitbandiges Verhalten auf. Daher kann ein „beam-steering“ (engl. für „Strahl-Steuerung“) Effekt erreicht werden, bei dem die abgestrahlte Welle in Winkeln um die Ausbreitungsrichtung, was 90 Grad zur Ebene der Antennenanordnung 105 ist, auffächert. Der Winkel des Fächers ist dabei von der Arbeitsfrequenz des in die Antennenanordnung 105 eingespeisten Signales abhängig.
-
16 zeigt eine Antennenanordnung 105 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, die ähnlich zu der Antennenanordnung 105 in 13 bis 15 ausgebildet ist. Allerdings weist die Antennenanordnung 105 anstatt der elektrischen Abschlüsse 190, 192, 194 an ihrem zweiten Ende ein Schaltelement 196 und einen elektrisch offenen Abschluss 190, einen Kurzschluss 194 und einen reflexionsfreien Abschluss 194 auf. Das Schaltelement 196 ist dazu eingerichtet, wahlweise zwischen dem elektrisch offenen Abschluss 190, dem elektrischen Kurzschluss 192 oder dem reflexionsfreien Widerstand 194 umzuschalten.
-
In einem Betrieb der Antennenanordnung 105 wird durch das Zuführen oder Energie in die Antennenanordnung 105 eine elektromagnetische Welle erzeugt, die je nach Art des Abschlusses 190, 192, 194 in der mit Bezug auf die Antennenanordnung 105 in 13 bis 15 beschriebenen Art ausgebildet ist.
-
16 zeigt eine Antennenanordnung 105 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, die ähnlich zu der Antennenanordnung 105 in 15 ausgebildet ist, allerdings ein Rückkopplungselement 198 zwischen dem zweiten Verbindungselement 120 einer letzten Zelle 102 und einem reflexionsfreien Abschluss 194 aufweist. Das Rückkopplungselement 198 ist als Rat-Race-Coupler oder -Koppler ausgebildet, der dazu eingerichtet ist, die Einspeiseenergie in die Antennenanordnung 105 am Verbindungselement 110 der ersten Antennenzelle 101 einzuleiten und die am anderen zweiten Ende der Antennenanordnung 105 ausgeführte Restenergie am Verbindungselement 120 der letzten Antennenzelle 102 aufzunehmen und phasensynchron wieder in die Antennenanordnung 105 zurück zu koppeln. Diese Restenergie würde sonst in einem Betrieb der Antennenanordnung 105 in Verlustwärme in dem Abschluss 194 umgewandelt werden. Ein Anteil der der Antennenanordnung 105 zugeführten Energie kann innerhalb der Antennenanordnung 105 als Wärme dem System verloren gehen. Damit kann die Energieeffizienz der Antennenanordnung 105 gesteigert werden.
-
16 zeigt eine Antennenanordnung 105 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel, die ähnlich zu der Antennenanordnung in 15 ausgebildet ist, allerdings keinen reflexionsfreien Abschluss aufweist, der mit einem Rat-Race-Coupler 198 verbunden ist. Elektrische Energie ist selektiv über das Verbindungselement 110 der ersten Zelle 110 oder über das zweite Verbindungselement 120 der letzten Zelle 102 über den Rat-Race-Coupler 198 zuführbar.
-
Dadurch können in einem Betrieb der Antennenanordnung 105 abwechselnd zwei zirkular polarisierte Wellen erzeugt werden, die sich beide entlang der Richtung z ausbreiten, wobei deren zirkulare Polarisierung zueinander entgegengesetzt ist. Wird die Energie über das erste Verbindungselement 110 der ersten Zelle 101 zugeführt, so wird eine links zirkular polarisierte Welle erzeugt, während bei einem Zuführen der Energie über das zweite Verbindungselement 110 der letzten Zelle 102 eine rechts zirkular polarisierte Welle erzeugt wird.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die Verwendung des Artikels „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.