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Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung und ein Fahrzeug welches zumindest eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung aufweist.
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Nach dem Stand der Technik werden insbesondere im Automobilbereich vermehrt keramische Patch-Antennen in Antennenvorrichtungen zur Bereitstellung von GNSS- (Global Navigation Satellite Systems) und SDARS- (Satellite Digital Audio Radio Systems) Diensten verwendet. Aufgrund der Einführung des 5G-Standards ist es erforderlich, mehrere Antennen für Satellitendienste ineinander zu integrieren, um Platz für neue Antennen für zellularen Mobilfunk bereitzustellen. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, zwei verschiedene Antennen zueinander zu platzieren: horizontal nebeneinander oder vertikal aufeinandergestapelt. Die Platzierung der GNSS- und der SADRS-Antenne nebeneinander ist die gängigste Lösung, wie sie beispielsweise in Haifischflossenantennen umgesetzt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungen zur Kombination von Antennen offenbart.
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Aus der Veröffentlichung M. M. Bilgic and K. Yegin, „Modified Annular Ring Antenna for GPS and SDARS Automotive Applications“, in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp. 1442-1445, 2016 ist eine Kombination von SDARS-Antennen und GNSS-Antennen in einer Antennenvorrichtung bekannt, wobei die Antenne für GNSS als Patch-Antenne und die SDARS-Antenne als Ringantenne oder umgekehrt ausgeführt sind.
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Aus E. Ghafari and D. N. Aloi, „Single-pin dual-band patch antenna for GPS and SDARS applications,“ Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Chicago, IL, USA, 2012, pp. 1-2; ist eine Single-Pin-Patch-Antenne, umfassend eine zentrale Haupt-Patchantenne und einen die zentrale Haupt- Patchantenne umgebenden Ring bekannt, wobei beide mit abgeschnittenen Ecken ausgeführt sind, um die gewünschten zirkularen Polarisationseigenschaften für GNSS und SDARS zu erreichen.
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In der
US 2009/0058731 A1 wird eine gestapelte Einzel-Patchantenne vorgestellt, die in der Lage ist, gleichzeitig sowohl (RHCP)-Satellitensignale im GPS L1-Frequenzband als auch (LHCP)-Satellitensignale im SDARS-Frequenzband zu empfangen.
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In der
US 10,916,836 B2 ist eine gestapelte Patchantenne für GNSS und SDARS vorgestellt. Hierbei wird ein Reflektor verwendet, um die Leistung der SDARS-Antenne zu verbessern.
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In der
US 7,528,780 B2 ist eine Dual-Pin-Stapel-Patchantenne mit optimierter Isolation zwischen SDARS und GNSS vorgestellt. Eine Isolation zwischen den beiden Speisungsstiften ist durch die Einführung der Speisung einer oberen Patchantenne in der Mitte einer unteren Patchantenne erreicht.
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Die meisten der zuvor erwähnten Offenbarungen beinhalten nur Einband-GNSS-Antennen und SDARS-Antennen.
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Ein gestapeltes Patch mit mehreren Pins und einer erweiterten Bandbreite für GNSS und SDARS ist in
CN 106711605 A offenbart. Eine obere Patchantenne hat zwei Pins und empfängt RHCP für GNSS. Eine untere Patchantenne für SDARS weist einen Speisepin auf. Die beschriebenen vertikal gestapelten GNSS-SDARS-Antennen umfassen eine Einband-GNSS-Antenne und eine SDARS-Antenne. Es gibt keine Dual-/Dreiband-GNSS-Antenne, in der SDARS integriert ist.
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Eine Dreifachband-Stacked-Patch-Antenne für allgemeine Anwendungen ist beispielsweise in der Veröffentlichung J. Li, H. Shi, H. Li and A. Zhang, „Quad-Band Probe-Fed Stacked Annular Patch Antenna for GNSS Applications“, in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 372-375, 2014; offenbart.
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Die Antenne umfasst eine Kurzschluss-Säule mit abgestuftem Radius, um eine bekannte Induktivität aufgrund längerer Einspeisungssonden zu reduzieren.
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In L. Li, Y. Huang, L. Zhou and F. Wang, „Triple-Band Antenna with Shorted Annular Ring for High-Precision GNSS Applications“, in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp.942-945, 2016; ist eine gestapelte zirkular polarisierte Dreiband-Patch-Antenne beschrieben, die alle GNSS-Bänder abdeckt. Die Antenne umfasst zwei kurzgeschlossene ringförmige Ringe, um gegenseitigen Kopplungen zu verbessern.
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In der
CN 106450729 A ist ein Design einer gestapelten, sondengespeisten Multiband-Patch-Antenne für das BeiDou-Satellitennavigationssystem (BDS) und GPS-Anwendungen vorgeschlagen. Die Antenne deckt die Frequenzbänder BDS-1 L (1616 ± 5 MHz), BDS-1 S (2492 ± 5 MHz LHCP), BDS-2 B1 (1561 ± 5MHz) und GPS L1 (1575±5 MHz) ab. Eine hohe Portisolation und zirkular polarisierte Leistung werden durch die Einführung von vier metallisierten Löchern erreicht, die symmetrisch um die Mitte der Patch-Antenne angeordnet sind.
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In O. P. Falade, M. U. Rehman, Y. Gao, X. Chen and C. G. Parini, „Single Feed Stacked Patch Circular Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers“, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 10, pp. 4479-4484, Oct. 2012; ist eine gestapelte Patch-Antenne mit einer Einspeisung für Dreifachband-GPS-Empfänger vorgestellt. Eine gestapelte Triple-Band zirkular polarisierte Patch-Antenne mit sechs Anschlüssen für GNSS-Anwendungen wird in Ding, Kang, et al. „Stacked Tri-Band Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna for CNSS Applications.“ Applied Mechanics and Materials, vol. 347-350, Trans Tech Publications, Ltd., Aug. 2013, pp. 1786-1789. vorgestellt.
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In
CN 103560320 A ist eine Triple-Band-Antenne für BeiDou-Anwendungen mit konzentrischen Ringen, die über drei Schlitze gespeist wird, vorgestellt.
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Eine weitere allgemeine Lösung für Mehrbandanwendungen, bei der mehrere gestapelte Patches und eine substratintegrierte Koaxialeinspeisung verwendet werden, um eine hohe Isolation zwischen den Bändern zu erreichen, ist in
US 6,639,558 B2 offenbart.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine platzsparende Antennenvorrichtung bereitzustellen welche zum Betrieb in drei Bandbereichen vorgesehen ist.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung. Es ist vorgesehen, dass die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung eine untere Antennenlage, eine mittlere Antennenlage und eine obere Antennenlage umfasst, wobei die Antennenlagen in einer vorbestimmten Einbaulage von unten nach oben aufeinander gestapelt angeordnet sind. Mit anderen Worten handelt es sich um eine mehrlagige Antennenvorrichtung wobei mehrere Patchantennen aufeinandergestapelt angeordnet sind. Wenn die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung in der vorbestimmten Einbaulage angeordnet ist, ist die mittlere Antennenlage auf der unteren Antennenlage angeordnet und die obere Antennenlage auf der mittleren Antennenlage.
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Die Antennenlagen umfassen jeweilige dielektrische Substratschichten, wobei eine Unterseite der jeweiligen dielektrischen Substratschichten mit einer unteren Metallschicht beschichtet ist. Eine Oberseite der jeweiligen dielektrischen Substratschichten mit einer oberen Metallschicht beschichtet ist. Mit anderen Worten umfasst eine jeweilige Antennenlage eine beidseitig beschichtete dielektrische Substratschicht. Dabei kann eine Oberseite der jeweiligen dielektrischen Substratschicht zumindest bereichsweise mit einer oberen Metallschicht beschichtet sein und eine untere Seite der elektrischen Substratschicht zumindest bereichsweise mit einer unteren Metallschicht beschichtet sein.
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Es ist vorgesehen, dass die obere Metallschicht der mittleren Antennenlage durch zwei Speisungsstifte kontaktiert ist, welche durch die untere und die mittlere Antennenlage geführt sind. Mit anderen Worten weist die Antennenvorrichtung die zumindest zwei Speisungsstifte auf. Die Speisungsstifte werden dabei durch die untere und die mittlere Antennenlage geführt. Die zwei Speisungsstifte verlaufen somit durch die untere Metallschicht der unteren Antennenlage der Substrat Lage der unteren Antennenlage, der oberen Metallschicht der unteren Antennenlage, der unteren Metallschicht der mittleren Antennenlage, der Substratschicht der mittleren Antennenlage und sind mit Speisungspunkten an der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage angeordnet. Die zwei Speisungsstifte sind dabei elektrisch von den anderen Metallschichten getrennt. Die Metallschichten der unteren Antennenlage sind über einen ersten Hohlstift miteinander verbunden. Der erste Hohlstift Stift wird dabei durch die untere dielektrische Substratschicht geführt. Mit anderen Worten ist die untere Metallschicht der unteren dielektrischen Substratschicht mit der oberen Metallschicht der unteren dielektrischen Substratschicht elektrisch leitend über den ersten Hohlstift verbunden.
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Die Metallschichten der mittleren Antennenlage sind über einen zweiten Hohlstift verbunden, welcher durch die mittlere dielektrische Substratschicht geführt ist. Mit anderen Worten ist die obere Metallschicht der mittleren Antennenlage mit der unteren Metallschicht der mittleren Antennenlage elektrisch leitend über den zweiten Hohlstift verbunden.
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Die obere Metallschicht der oberen Antennenlage ist durch einen weiteren Speisungsstift kontaktiert, welcher in der Antennenvorrichtung durch die Antennenlagen geführt ist und durch den ersten Hohlstift und den zweiten Hohlstift koaxial ummantelt ist. Mit anderen Worten weist die obere Metallschicht der oberen Antennenlage einen Speisungspunkt auf, an welchem der weitere Speisungsstift die obere Metallschicht der oberen Antennenlage kontaktiert. Der weitere Speisungsstift verläuft dabei durch die obere Antennenlage, die mittlere Antennenlage und die untere Antennenlage. Dabei ist es vorgesehen, dass der weitere Speisungsstift in der ersten Antennenlage durch den ersten Hohlstift ummantelt ist und in der mittleren Antennenlage durch den zweiten Hohlstift ummantelt ist.
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Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Hohlstift, der zweite Hohlstift und der weitere Speisungsstift durch ein Flächenzentrum der Patchantennenvorrichtung geführt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der erste Hohlstift, der zweite Hohlstift und der weitere Speisungsstift entlang einer gemeinsamen Achse verlaufen, welche durch ein gemeinsames Zentrum der Patchantennenvorrichtung n verläuft. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Speisungspunkt der oberen Metallschicht der oberen Antennenlage, der Hohlstift der unteren Antennenlage und der Hohlstift der mittleren Antennenlage auf der durch das Flächenzentrum verlaufenden Achse angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zwei Speisungsstifte die obere Metallschicht der mittleren Antennenlage über kapazitive Verbindungen kontaktieren. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die zwei Speisungsstifte kapazitiv mit der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage gekoppelt sind. Die Verbindung kann beispielsweise über sogenannte capacitive slots bereitgestellt sein, welche die Speisungspunkte der zwei Speisungsstifte von der Metallschicht trennen können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die obere Metallschicht der oberen Antennenlage eine rechteckige Grundstruktur umfasst, wobei zwei diagonal gegenüberliegende Ecken der rechteckigen Struktur abgeschrägt sind. Mit anderen Worten weist die obere Metallschicht der oberen Antennenlage eine Grundstruktur auf, welche im Wesentlichen rechteckig ist, wobei die zwei der Ecken, welche diagonal gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, eine jeweilige Abschrägung aufweisen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen durch die obere Metallschicht der oberen Antennenlage empfangen werden können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Metallschichten der oberen Antennenlage über vier Kurzzschlusstifte elektrisch leitend miteinander verbunden sind, welche durch die obere dielektrische Substratschicht geführt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die obere Metallschicht der oberen Antennenlage mit der unteren Metallschicht der oberen Antennenlage durch die vier Kurzzschlusstifte elektrisch leitend verbunden ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die obere Metallschicht der oberen Antennenlage einen U-förmigen Schlitz aufweist, der um eine Speisungsstelle der oberen Metallschicht der oberen Antennenlage angeordnet ist, an welcher der weitere Speisungsstift die obere Metallschicht der oberen Antennenlage kontaktiert. Dadurch ergibt sich der Vorteil dass durch die Schlitzform eine Impedanz der oberen Antennenlage angepasst werden kann. Die obere Metallschicht der oberen Antennenlage kann somit als Patchantenne ausgebildet sein, welche einen U-förmigen Graben bilden kann, welcher nicht durch ein Metall beschichtet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die dielektrische Substratschicht der oberen Antennenlage zwei Aussparungen aufweist, welche gegenüber von Speisungspunkten der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage an denen die Speisungsstifte die obere Metallschicht der mittleren Antennenlagen kontaktieren, angeordnet sind. Mit anderen Worten bildet die dielektrische Substratschicht der oberen Antennenlage die zwei Aussparungen, welche die Speisungspunkte der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage zumindest teilweise aufnehmen. Die Aussparungen können gegenüber den Speisungspunkten der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage angeordnet sein, um eine Erhebung der Speisungspunkte aus der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage zu kompensieren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Erhebung an den Speisungspunkten, welche beispielsweise aufgrund einer Zinnauftragung vorhanden sein kann, durch die zwei Aussparungen aufgenommen werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass kein erhöhter Abstand zwischen den beiden Antennenlagen bereitgestellt werden muss.
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Ein zweiter Aspekt Erfindung betrifft eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung. Es ist vorgesehen, dass die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung eine untere Antennenlage, eine mittlere Antennenlage und eine obere Antennenlage umfasst, wobei die Antennenlagen in einer vorbestimmten Einbaulage von unten nach oben aufeinandergestapelt angeordnet sind. Mit anderen Worten handelt es sich um eine mehrlagige Antennenvorrichtung wobei mehrere Patchantennen aufeinandergestapelt angeordnet sind. Wenn die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung in der vorbestimmten Einbaulage angeordnet ist, ist die mittlere Antennenlage auf der unteren Antennenlage angeordnet und die obere Antennenlage auf der mittleren Antennenlage.
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Die Antennenlagen umfassen jeweilige dielektrische Substratschichten, wobei eine Unterseite der jeweiligen dielektrischen Substratschichten mit einer unteren Metallschicht beschichtet ist. Eine Oberseite der jeweiligen dielektrischen Substratschichten mit einer oberen Metallschicht beschichtet ist. Mit anderen Worten umfasst eine jeweilige Antennenlage eine beidseitig beschichtete dielektrische Substratschicht. Dabei kann eine Oberseite der jeweiligen dielektrischen Substratschicht zumindest bereichsweise mit einer oberen Metallschicht beschichtet sein und eine untere Seite der elektrischen Substratschicht zumindest bereichsweise mit einer unteren Metallschicht beschichtet sein.
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Es ist vorgesehen, dass die obere Metallschicht der mittleren Antennenlage durch zwei Speisungsstifte kontaktiert ist welche durch die untere und die mittlere Antennenlage geführt sind. Mit anderen Worten weist die Antennenvorrichtung die zumindest zwei Speisungsstifte auf. Die Speisungsstifte werden dabei durch die untere und die mittlere Antennenlage geführt. Die zwei Speisungsstifte verlaufen somit durch die untere Metallschicht der unteren Antennenlage, der Substratschicht der unteren Antennenlage, der oberen Metallschicht der unteren Antennenlage, der unteren Metallschicht der mittleren Antennenlage, der Substratschicht der mittleren Antennenlage und sind mit Speisungspunkten an der oberen Metallschicht der mittleren Antennenlage angeordnet. Die zwei Speisungsstifte sind dabei elektrisch von den anderen Metallschichten getrennt. Die Metallschichten der unteren Antennenlage sind über einen ersten Hohlstift miteinander verbunden. Der erste Hohlstift wird dabei durch die untere dielektrische Substratschicht geführt. Mit anderen Worten ist die untere Metallschicht der unteren dielektrischen Substratschicht mit der oberen Metallschicht der unteren dielektrischen Substratschicht elektrisch leitend über den ersten Hohlstift verbunden.
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Die Metallschichten der mittleren Antennenlage sind über einen zweiten Hohlstift verbunden, welcher durch die mittlere dielektrische Substratschicht geführt ist. Mit anderen Worten ist die obere Metallschicht der mittleren Antennenlage mit der unteren Metallschicht der mittleren Antennenlage elektrisch leitend über den zweiten Hohlstift verbunden.
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Die Metallschichten der oberen Antennenlage sind über Kurzschlussstifte verbunden, welche durch die dielektrische Substratschicht der oberen Antennenlage geführt sind. Mit anderen Worten ist die obere Metallschicht der oberen Antennenlage mit der unteren Metallschicht der oberen Antennenlage elektrisch leitend über die Kurzschlussstifte verbunden.
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Die obere Metallschicht der oberen Antennenlage ist durch einen weiteren Speisungsstift kontaktiert, welcher in der Antennenvorrichtung durch die Antennenlagen geführt ist und durch den ersten Hohlstift und den zweiten Hohlstift koaxial ummantelt ist. Mit anderen Worten weist die obere Metallschicht der oberen Antennenlage einen Speisungspunkt auf, an welchem der weitere Speisungsstift die obere Metallschicht der oberen Antennenlage kontaktiert. Der weitere Speisungsstift verläuft dabei durch die obere Antennenlage, die mittlere Antennenlage und die untere Antennenlage. Dabei ist es vorgesehen, dass der weitere Speisungsstift in der unteren Antennenlage durch den ersten Hohlstift ummantelt ist und in der mittleren Antennenlage durch den zweiten Hohlstift ummantelt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die dielektrischen Substratschichten eine selbe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass jede der dielektrischen Substratschichten ein Material der identischen Dielektrizitätskonstante aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die obere Metallschicht der oberen Antennenlage eine Speisungsstruktur aufweist, welche dazu eingerichtet ist, ein Signal von einer Kontaktstelle der oberen Metallschicht der oberen Antennenlage mit dem weiteren Speisungsstift zueinander Phasenverschoben in zwei Richtungen in eine Ringantennenstruktur der oberen Metallschicht der oberen Antennenlage zu führen. Mit anderen Worten weist die obere Metallschicht der oberen Antennenlage die Ringantennenstruktur auf, wobei die Ringantennenstruktur die Speisungsstruktur umschließt, in welcher sich der Speisungspunkt befindet. Die Speisungsstruktur weist zwei Speisungspfade auf, welche den Speisungspunkt mit der Ringantennenstruktur verbinden. Die zwei Speisungspfade stellen dabei unterschiedlich lange Pfade bereit, um ein Signal von und oder zu dem Speisungspunkt zu leiten. Dadurch kann ein Signal des ersten Speisungspfades eine andere Phasenlage aufweisen als ein Signal des zweiten Speisungspfades.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die dielektrischen Substratschichten verschiedene Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Dielektrizitätskonstanten der Substratschichten sich voneinander unterscheiden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ringantennenstruktur der oberen Metallschicht der oberen Antennenlage zwei diagonal gegenüberliegende abgeschrägte Ecken aufweist. Mit anderen Worten weist die Ringantennenstruktur zwei diagonal gegenüberliegende Ecken auf, die nicht abgeschrägt sind, und zwei diagonal gegenüberliegende Ecken, die abgeschrägt sind.
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Ein Dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das zumindest eine mehrschichtige Patchantennenvorrichtung umfasst. Die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung kann beispielsweise in einem Antennengehäuse des Fahrzeugs angeordnet sein, welches als Außenhaut des Fahrzeugs oder als Haifischflossengehäuse ausgeführt sein kann. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Patchantennenvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Explosionsdarstellung einer mehrschichtigen Patchantennenvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Antennenvorrichtung;
- 3 eine schematische Seitendarstellung der in 1 gezeigten Antennenvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer unteren Antennenlage sowie einer mittleren Antennenlage;
- 5 eine weitere schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung;
- 6 eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung, welche eine Ringantennenstruktur umfasst, in einer Querschnittsansicht;
- 7 eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung, welche eine Ringantennenstruktur umfasst; und
- 8 eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einem Antennengehäuse eines Fahrzeugs.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer mehrschichtigen Patchantennenvorrichtung. Die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung 1 kann in einer vorbestimmten Einbaulage eine untere Antennenlage 2 aufweisen, welche eine Substratschicht 3 umfassen kann. Die Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2 kann auf einer Oberseite eine obere Metallschicht 4 aufweisen und auf ihrer Unterseite eine untere Metallschicht 5 aufweisen. Auf der unteren Antennenlage 2 kann eine mittlere Antennenlage 6 angeordnet sein, welche eine Substratschicht 7 umfassen kann. Die Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 kann auf ihrer Oberseite eine obere Metallschicht 8 aufweisen und auf ihrer Unterseite eine untere Metallschicht 9 aufweisen. Über der mittleren Antennenlage 6 kann eine obere Antennenlage 10 angeordnet sein, welche eine Substratschicht 11 umfassen kann. Die Substratschicht 11 der oberen Antennenlage 10 kann auf ihrer Oberseite eine obere Metallschicht 12 aufweisen und auf ihrer Unterseite eine untere Metallschicht 13 aufweisen. Die mehrschichtige Patchantennenvorrichtung 1 kann somit die drei aufeinander angeordnete Antennenlagen 2, 6, 10 umfassen. Die untere Antennenlage 2 kann einen ersten Hohlstift 15 aufweisen welcher durch die Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2 verlaufen kann und die obere Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 mit der unteren Metallschicht 5 der unteren Antennenlage 2 elektrisch leitend miteinander verbindet. Der erste Hohlstift 15 kann in einem Flächenzentrum der Patchantennenvorrichtung 1 in der Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2 angeordnet sein. Die mittlere Antennenlage 6 kann einen zweiten Hohlstift 16 aufweisen, welcher durch die Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 verlaufen kann und die obere Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 mit der unteren Metallschicht 9 der mittleren Antennenlage 6 elektrisch leitend miteinander verbindet. Der zweite Hohlstift 16 kann in einem Flächenzentrum der Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 angeordnet sein. Das Flächenzentrum der Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2, das Flächenzentrum der Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 und ein Flächenzentrum der Substratschicht 11 der oberen Antennenlage 10 können in der Einbaulage übereinander angeordnet und mit dem Flächenzentrum der Patchantennenvorrichtung 1 identisch sein, sodass der erste Hohlstift 15 und der zweite Hohlstift 16 entlang einer gemeinsamen Achse hintereinander angeordnet sein können. Die obere Antennenlage 10 kann Kurzzschlusstifte 18 aufweisen, welche durch die Substratschicht 11 der oberen Antennenlage 10 verlaufen können. Die Kurzzschlusstifte 18 können die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 mit der unteren Metallschicht 13 der oberen Antennenlage 10 elektrisch leitend miteinander verbinden. Es kann sich dabei beispielsweise um vier der Kurzzschlusstifte 18 handeln.
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Die Patchantennenvorrichtung 1 kann Speisungsstifte 14 aufweisen, welche durch die untere Metallschicht 5 der unteren Antennenlage 2, die Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2, die obere Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2, die untere Metallschicht 9 der mittleren Antennenlage 6 und die Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 verlaufen können. Die Speisungsstifte 14 können an Speisungspunkten 19 der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 kapazitive Verbindungen 20 zu der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 aufweisen. Die Speisungsstifte 14 können elektrisch isoliert von der unteren Metallschicht 9 der mittleren Antennenlage 6, der oberen Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 und der unteren Metallschicht 5 der unteren Antennenlage 2 angeordnet sein. Die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann durch einen weiteren Speisungsstift 17 kontaktiert sein, welcher durch das Flächenzentrum der Patchantennenvorrichtung 1 verlaufen kann. Der weitere Speisungsstift 17 kann dabei in der unteren Antennenlage 2 von dem ersten Hohlstift 15 und in der mittleren Antennenlage 6 von dem zweiten Hohlstift 16 koaxial ummantelt sein. Der Kontaktstift 17 kann von der unteren Metallschicht 13 der oberen Antennenlage 10 isoliert sein, durch die Substratschicht 11 der oberen Antennenlage 10 verlaufen und die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 an einem Speisungspunkt 22 kontaktieren.
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Der Speisungspunkt 22 der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann durch einen U-förmigen Schlitz 23 teilweise umschlossen sein. Die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann eine im Wesentlichen quadratische Form aufweisen, welche an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken Abschrägungen 21 aufweisen kann. Die Dielektrizitätskonstanten der Substratschichten 3, 7, 11 können identisch sein oder sich voneinander unterscheiden. Gegenüber den Speisungspunkten 19 der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 können Aussparungen 24 durch die untere Metallschicht 13 der oberen Antennenlage 10 und der Substratschicht 11 der oberen Antennenlage 10 ausgebildet sein, welche die Speisungspunkte 19 der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 aufnehmen können.
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Die Substratschichten 3, 7, 11 der Antennenvorrichtung 1 können bevorzugt ein Keramikmaterial und/oder andere Materialien aufweisen. Die Dielektrizitätskonstante kann in Abhängigkeit von den Ansprüchen gewählt werden und beispielsweise 8 oder mehr betragen. Die untere Antennenlage 2 ist beispielsweise zum Empfang rechtsdrehend, zirkular polarisierter Satellitensignale im Bereich 1164MHz -1254GHz bei GPS L2/L5 oder Galileo E5a/E5b oder Glonass G3/G2 oder BeiDou B2a oder einer Kombination davon ausgelegt. Die mittlere Antennenlage 6 ist beispielsweise zum Empfang rechtsdrehend zirkular polarisierter Satellitensignale im Bereich 1525MHz -1610GHz, die die Korrektursignale PPP, GPS L1, Galileo E1/E2, Glonass G1 und BeiDou B1C/B1i beinhalten ausgelegt. Die obere Antennenlage 10 ist beispielsweise zum Empfang linksdrehend zirkular polarisierter Satellitensignale oder eines rechtsdrehend zirkular polarisierten Signals im Bereich 2320 -2345 MHz ausgelegt.
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Die Speisung der unteren Antennenlage 2 sowie der mittleren Antennenlage 6 kann durch eine einfache Doppelsonden-Speisung mit zwei Speisungsstiften 14 erfolgen, die mit einer kapazitiven Last an der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 belastet sind, um die Bandbreite zu erhöhen und die Induktivität der langen Speisungsstifte 14 zu kompensieren. Die beiden Speisungsstifte 14 gehen durch zwei Löcher der unteren Antennenlage 2 und speisen direkt die mittlere Antennenlage 6, so dass die untere Antennenlage 2 elektromagnetisch mit der mittleren Antennenlage 6 gekoppelt ist. Die Speisung der oberen Antennenlage 10 für SDARS erfolgt über eine koaxiale Speisestrukturmit einem Speisungsstift 17, der durch ein metallisches Loch oder ein Via in dem Flächenzentrum der unteren Antennenlage 2 und der mittleren Antennenlage 6 geführt wird. Da sich der Speisungspunkt 22 der oberen Antennenlage 10, an dem der Innenleiter der Koaxialleitung die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kontaktiert in der Mitte der oberen Antennenlage 10 befindet, ist es schwierig, die Antennenlage 10 an diesem Punkt auf 50 Ohm abzustimmen. Um dieses Problem zu lösen, ist ein U-förmiger Schlitz 23 in der oberen Antennenlage 10 eingeführt, um die Antennenimpedanz zu erhöhen und die Abstimmung der Antenne auf 50 Ohm zu erleichtern. Diese Speisungsmethode hat keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenzen der unteren beiden Antennenlagen 2, 6, erreicht eine sehr gute Isolierung zwischen SDARS und GNSS und erfordert keine Vergrößerung der Antennenvorrichtung 1. Um eine Verschlechterung des Strahlungsdiagramms der SDARS-Patch-Antenne zu vermeiden, kann die obere Antennenlage 10 mit vier Kurzschlussstiften 18 belastet sein. Die Kurzschlussstifte 18 wirken als induktive Last, welche die Strahlungsfläche der Antennenlage 10 bei der erforderlichen Frequenz vergrößert, was den Gewinn der Antennenlage 10 erhöht und es ermöglicht, die erforderlichen Spezifikationen des SDARS-Dienstes zu erfüllen.
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Das vorgeschlagene Design der Antennenvorrichtung 1 ermöglicht eine leistungsstarke Dreibandantenne. Das Antennenkonzept kann zur Realisierung einer gestapelten GNSS-Antenne und einer SDARS-Antenne verwendet werden, ohne die Leistung der SDARS-Antenne zu beeinträchtigen. Das vorgeschlagene Design ist sehr kompakt und einfach zu realisieren mit Hilfe eines schlanken Herstellungsprozesses. Durch das Design ist eine Entkopplung zwischen SDARS und GNSS und zwischen GNSS-Bändern erreicht. Der beschriebene Ansatz kann zur Realisierung einer gestapelten Dreiband-Patch-Antenne für GNSS- Signale und SDARS-Signale Satellite Digital Audio Radio System verwendet werden.
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1 zeigt eine Schematische Darstellung der Erfindung. Die Antennenvorrichtung 1 kann die drei dielektrischen Substratschichten 3, 7, 11 aus gewöhnlichen, kostengünstigen, keramischen dielektrischen aufweisen. Die Oberseite der unteren dielektrischen Substratschicht 3 kann zur Auftragung der oberen Metallschicht 4 vorgesehen sein, welche eine erste Resonanzfrequenz des GNSS-Bandes, zum Beispiel L2/L5, empfangen kann. Die obere Metallschicht 8 der Oberseite der mittleren dielektrischen Substratschicht 7 kann zum Empfang des zweiten Bandes des GNSS-Signals, zum Beispiel L1, vorgesehen sein. Die obere Metallschicht 12 auf der Oberseite der oberen dielektrischen Substratschicht 11 kann zum Empfang des SDARS-Signals oder des BeiDou-S-Bandes vorgesehen sein.
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Um eine RHCP-GNSS-Antenne zu realisieren, können die zwei Speisungsstifte 14 vorgesehen sein, die mit einer 90° Phasenverschiebung gespeist werden können. Die Speisungsstifte 14 können durch die erste dielektrische Substratschicht 3, durch die obere Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 und durch die dielektrische Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 geführt sein und einen direkten Kontakt zur oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 herstellen. Die obere Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 kann zwei Öffnungen an den Positionen der Speisungsstifte 14 aufweisen, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Speisungsstiften 14 und der oberen Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 besteht. Die unteren Metallschichten 5, 9, 13 auf den jeweiligen Unterseiten der dielektrischen Substratschichten 3, 7, 11 der Antennenlagen 2, 6, 10 können als kleine Masse für oberen Metallschichten 4, 8, 12 fungieren, wodurch Auswirkungen der Substratdickentoleranzen der dielektrischen Substratschichten 3, 7, 11 minimiert werden können. Die unteren Metallschichten 5, 9, 13 haben ebenfalls Öffnungen an den Positionen der Speisungsstifte 14 für die GNSS-Antennenlage. Die Speisungsstifte 14 können über kapazitive Schlitze 20 mit der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 verbunden sein. Diese kapazitiven Schlitze 20 erhöhen die Bandbreite der Antenne und kompensieren den induktiven Effekt der langen Speisungsstifte 14. Da die oberen Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 keine direkten Verbindungen zu den Speisungsstiften 14 hat, ist sie elektromagnetisch mit der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 gekoppelt, was ebenfalls die Bandbreite erhöht. Ein weiterer Vorteil dieses Speisemechanismus ist, dass keine zusätzlichen Speisungsstifte 14 für die obere Metallschicht 4 der unteren Antennenlage 2 verwendet werden müssen, wie es in dem Stand der Technik verbreitet ist.
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Gezeigt ist die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10, welche zum Empfang des SDARS-Signals vorgesehen sein kann. Um eine LHCP-Antenne zu realisieren, können die Ecken der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 als abgeschrägte Ecken 21 ausgeführt sein. Zur Speisung der SDARS-Antenne kann eine koaxiale Speisestruktur vorgeschlagen sein, die einen metallischen Durchgang umfassen kann, der durch das Flächenzentrum der dielektrischen Substratschicht 3 der unteren Antennenlage 2 und das Flächenzentrum der dielektrischen Substratschicht 7 der mittleren Antennenlage 6 verlaufen kann. Der Durchgang kann den Hohlstift 15 der unteren Antennenlage 2 und den Hohlstift 16 der mittleren Antennenlage 6 umfassen, wobei der Hohlstift 15 der unteren Antennenlage 2 mit den Metallschichten 4, 5 der unteren Antennenlage 2 und der Hohlstift 16 der mittleren Antennenlage 6 mit den Metallschichten 8, 9 der mittleren Antennenlage 6 in Kontakt stehen kann. In der Mitte der Hohlstifte 15, 16, welche auch Vias sein können, verläuft der weitere Speisungsstift 17, der mit der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 in Kontakt stehen kann. Da der weitere Speisungsstift 17 für das SDARS-Signal den Speisungspunkt 22 in der Mitte der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kontaktiert, ist es sehr schwierig, die Antenne auf 50 Ohm abzustimmen. Um diese Abstimmung zu ermöglichen, kann der U-Schlitz 23 in der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 eingearbeitet sein, um die Antenne auf 50 Ohm abzustimmen. Das gleiche Speisungskonzept für SDARS-Antennen wurde bereits im Stand der Technik verwendet.
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Theoretisch führt das Stapeln vieler Antennenlagen übereinander zu einer Verschlechterung des Strahlungsdiagramms der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10, insbesondere im Zenit. Dieses Verhalten kann mit Hilfe der Array-Theorie erklärt werden. Die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann durch zwei magnetische Ströme über einem perfekten Leiter ersetzt werden. Die Berechnung eines Array-Faktors dieser Konstellation zeigt, dass die Strahlung im Zenit geringer ist, wenn der Abstand zwischen dem magnetischen Strom und dem PEC größer ist. Aufgrund dieser Verschlechterung des Strahlungsmusters ist es nicht möglich, die Spezifikation des SDARS-Dienstes mit der beschriebenen Umsetzung nach dem Stand der Technik zu erfüllen.
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In der vorliegenden Antennenvorrichtung können vier kleine metallische Kurzschlussstifte 18 als induktive Last für obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 bereitgestellt sein. Durch die Verwendung der induktiven Lasten wird die Resonanzfrequenz der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 erhöht. Um die Antenne bei der SDARS-Frequenz in Resonanz zu bringen, muss die Größe obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 erhöht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wurde eine Steigerung des Gewinns im Zenit um etwa 2 dB erreicht.
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Normalerweise erfordert die Herstellung des Kontakts der Speisungsstifte 14 auf der obere Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 an den Speisungspunkten 19 einige Lötstellen, die normalerweise eine Höhe von 0,8 mm haben. Im Stand der Technik muss aus diesem Grund ein Abstandshalter, zwischen den verschiedenen dielektrischen Substratschichten 7, 11 verwendet werden, was die Gesamthöhe der gestapelten Antenne um 2 mm erhöht. Tab. 1: Abmessungen eines gestapelten L1/L5-SDARS-Patches nach dem Stand der Technik und nach dem vorgeschlagenen Design.
| | Stand der Technik | vorgeschlagenes Design |
| Total Antenna height mm | 19 | 17 |
| L5 Patch size mm | 47.5 | 43 |
| L1 Patch size mm | 33 | 31 |
| SDARS Patch size mm | 20 | 31 |
| Dielectric constant | 8 | 8 |
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Wie in Tab. 1 zu sehen ist, vergrößert das Laden des unteren Patches mit den metallischen Durchkontaktierungen nach dem Stand der Technik die Patchgröße im Vergleich zum vorgeschlagenen Design.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Antennenvorrichtung.
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3 zeigt eine schematische Seitendarstellung der in 1 gezeigten Antennenvorrichtung. Zu erkennen sind die einzelnen Antennenlagen 2, 6, 10 und der Verlauf der Hohlstifte 15, 16 sowie der Speisungsstifte 14.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer unteren Antennenlage sowie einer mittleren Antennenlage. Gezeigt sind Positionen der Speisungspunkte 19 der Speisungsstifte 14 der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6. In der oberen Metallschicht 8 der mittleren Antennenlage 6 ist der durch das Flächenzentrum der mittleren Antennenlage 6 verlaufende Hohlstift 16 zu erkennen. Koaxial entlang einer selben Achse kann der Speisungsstift 17 der oberen Antennenlage 10 verlaufen, wobei der Speisungsstift 17 durch den Hohlstift 15 und den Hohlstift 16 ummantelt sein kann.
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5 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung. Gezeigt ist die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 mit dem U-förmigen Schlitz 23 und den abgeschrägten Ecken 21.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einer Querschnittsansicht. Die obere Antennenlage 10 kann vier als Hohlstifte ausgebildete Kurzschlussstifte 25 aufweisen, welche die untere Metallschicht 13 der oberen Antennenlage 10 mit der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 elektrisch leitend miteinander verbinden können. Der Speisungsstift 17 zur Speisung der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann durch den Hohlstift 15 der unteren Antennenlage 2 und den Hohlstift 16 der mittleren Antennenlage 6 u verlaufen. Die Dielektrizitätskonstanten der Substratschichten 3, 7, 11 der Antennenlagen 2, 6, 10 können sich voneinander unterscheiden oder identisch sein.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung. Der Speisungspunkt 22 der oberen Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 kann in einer Speisungsstruktur 26 angeordnet sein, welche zwei Speisungspfade 27, 28 umfassen kann. Die zwei Speisungspfade 27, 28 können dazu vorgesehen sein, zwei unterschiedlich lange Pfadlängen in zwei verschiedene Richtungen bereitzustellen.
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Während die Figuren 1 bis 5 dreifach gestapelte Patches unter Verwendung Materialien gleicher oder unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten zeigen, zeigen 6 und 7 eine weitere Möglichkeit, die obere Metallschicht 12 der oberen Antennenlage 10 für SDARS mit einer Ringantenne zu realisieren. Auch hier kann die Ringantenne mit Kurzschlussstiften 25 belastet werden, um den Abstrahlungsbereich zu vergrößern. Um eine zirkulare Polarisation zu erreichen, kann eine Speisungsstruktur 26 bereitgestellt sein, die eine Phasenverschiebung zwischen Ringkanten der Ringantenne bewirken kann. Eine zirkulare Polarisation kann auch durch abgeschrägte Ringecken 21 erreicht werden, wie in 1 dargestellt.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Antennenvorrichtung in einem Antennengehäuse eines Fahrzeugs. Das Antennengehäuse 29 kann als sogenanntes Haifischflossengehäuse zur Anordnung auf einem Dach des Fahrzeugs 28 vorgesehen sein. In dem Antennengehäuse 29 können zusätzlich zu der Antennenvorrichtung 1 weitere Antennen angeordnet sein. Eine verbreitete Art der Integration von zwei Antennen für zellularen Mobilfunk 30 mit einer Dualband-GNSS-Antenne und einer SDARS-Antenne sieht eine Anordnung nebeneinander vor. Diese Implementierung benötigt mehr Platz in der Haifischflosse, da die Platzierung der Patch-Antennen in unmittelbarer Nähe der Mobilfunkantenne die Entkopplung zwischen Mobilfunkantenne und GNSS-Antenne oder SADRS-Antenne verschlechtert. In 8 ist das vorgeschlagene Design dargestellt. GNSS- und SDARS-Antenne können übereinander integriert werden, was den Platz in der Haifischflosse spart und die Entkopplung zwischen Mobilfunkantenne und GNSS-Antennen verbessert, da der Abstand zwischen den Zellantennen und der SDARS/GNSS-Antenne nun viel größer ist. Dadurch können auch mehr Antennen in die Haifischflosse integriert werden.
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Die Verwendung von metallischen Durchkontaktierungen im Stand der Technik sorgt für eine gute Entkopplung zwischen GNSS-Band 1 und Band 2, hat aber auch eine große Auswirkung auf die Entkopplung zwischen den Speisungsstiften, insbesondere wenn ein Substrat mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet wird, Die Verschlechterung der Entkopplung führt zu einer Verschlechterung eines Axialverhältnisses, in dem Stand der Technik. Die Ursache für die Verschlechterung der Entkopplung zwischen den Speisungsstiften ist die unmittelbare Nähe metallischer Durchkontaktierungen in der dielektrischen Substratschicht der unteren Antennenlage zu den Speisungsstiften. Im Gegensatz zum Stand der Technik, besteht in der Antennenvorrichtung keine Notwendigkeit, metallische Durchführungen zu verwenden.
Der Stand der Technik, in dem ein gestapeltes Patch-Konzept verwendet ist, lässt sich in vier Kategorien einteilen, wobei jede Kategorie spezifische Nachteile hat.
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Multiple Pin Single Band GNSS und SDARS Stacked Patch: Nur Single Band GNSS kombiniert mit SDARS Stacked Patch wie in
US 10,916,836 B2 , während die Erfindung eine Dual/Triple Band GNSS Antenne, kombiniert mit einer SDARS Antenne umfasst.
Single-Pin-Stacked-Patch, wie in der
US 2009/0058731 A1 offenbart. Die Verwendung einer Single-Pin-Speisung für SDARS und GNSS erfordert einen Splitter, um das GNSS-Signal vom SDARS-Signal zu trennen, was normalerweise einige Verluste und eine Verschlechterung des Antennengewinns verursacht, ein weiterer Nachteil der Einstiftspeisung ist das schlechte Achsverhältnis über die Bandbreite.
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Bei der Verwendung von Ringantennen für GNSS und SDARS oder einer Kombination aus Patch-Antenne und Ringantenne wie in
US 7.253,770 B2 benötigen Ringantennen oder verkürzte Ringantennen in der Regel mehr Platz (horizontal) als normale Patch-Antennen, wenn die gleiche Bandbreite abgedeckt werden soll.
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Gestapelte Patch-Antenne mit in das Substrat integrierter Koaxialspeisung wie in
CN 204257815 U.
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Dieser Ansatz ist der nächstliegende Stand der Technik zu der Antennenvorrichtung. Das Konzept hinter diesem Design ist die Verwendung von drei gestapelten Patch-Antennen, wobei jedes Patch ein jeweiliges Band abdecken soll. Es ist bekannt, dass mit zunehmender Höhe der Patch-Antenne die Induktivität der Speisung zunimmt, was zu einer Verringerung der Bandbreite und zu einer Verschlechterung des Patch-Strahlungsdiagramms führt. Ein weiteres Problem, das mit der Verwendung einer gestapelten Patch-Antenne zusammenhängt, ist die Entkopplung zwischen den Ports. Um diese Probleme zu überwinden, verwendet beispielsweise
CN106450729 A , eine in das Substrat integrierte koaxiale Einspeisung in Form eines metallischen Durchgangs innerhalb des Substrats, wobei die Einspeisungsstifte durch metallische Löcher geführt werden. Dieses Konzept wurde bereits in
US 6,639,558 B2 vorgeschlagen. Diese Speisungsmethode verbessert die Entkopplung zwischen den Ports und reduziert die Induktivität der Speisungsstifte, was die Bandbreite erhöht. Andererseits hat diese Methode einige Nachteile: Erstens erhöht die Belastung der Patch-Antenne mit metallisierten Löchern (Vias) die Patch-Größe, zweitens macht die Verwendung vieler metallisierter Löcher den Herstellungsprozess schwieriger und teurer. Eine Verwendung einer separaten Speisung für jede Patch-Antenne erfordert mehr vertikalen Platz für die Köpfe der Speisungsstifte, das letzte grundsätzliche Problem bei der Verwendung eines gestapelten Patches für GNSS und SDARS ist die Verschlechterung des SDARS-Antennendiagramms, wenn die Antenne oben platziert wird. Mit dieser Verschlechterung ist es nicht möglich, die Anforderungen für SDARS-Dienste zu erfüllen. Die Belastung der unteren Schicht mit metallischen Durchkontaktierungen verschlechtert auch die Kopplung zwischen den Anschlüssen der unteren Schicht, insbesondere bei Verwendung einer höheren Dielektrizitätskonstante um beispielsweise 20. Die Verschlechterung der Entkopplung zwischen den unteren Patch-Ports wirkt sich stark auf das Achsenverhältnis der zirkularen Polarisation aus.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Antennenvorrichtung ein neuartiges Design einer dreifach gestapelten Patch-Antenne mit einfacher Speisung für Triple/Dualband-GNSS und SDARS bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Patchantennenvorrichtung
- 2
- Untere Antennenlage
- 3
- Substratschicht der unteren Antennenlage
- 4
- Obere Metallschicht der unteren Antennenlage
- 5
- Untere Metallschicht der unteren Antennenlage
- 6
- Mittlere Antennenlage
- 7
- Substratschicht der mittleren Antennenlage
- 8
- Obere Metallschicht der mittleren Antennenlage
- 9
- Untere Metallschicht der mittleren Antennenlage
- 10
- Obere Antennenlage
- 11
- Substratschicht der oberen Antennenlage
- 12
- Obere Metallschicht der oberen Antennenlage
- 13
- Untere Metallschicht der oberen Antennenlage
- 14
- Speisungsstifte für die mittlere Antennenlage
- 15
- Erster Hohlstift
- 16
- Zweiter Hohlstift
- 17
- Speisungsstift für die obere Antennenlage
- 18
- Kurzzschlusstifte
- 19
- Speisungspunkte der mittleren Metallschicht
- 20
- Kapazitive Verbindungen
- 21
- Abgeschrägte Ecken
- 22
- Speisungspunkt der oberen Metallschicht
- 23
- U-Schlitz
- 24
- Aussparungen
- 25
- Kurzzschlusstifte
- 26
- Speisungsstruktur
- 27
- Speisungspfad
- 28
- Speisungspfad
- 28
- Fahrzeug
- 29
- Antennengehäuse
- 30
- Antennen für zellularen Mobilfunk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20090058731 A1 [0006, 0068]
- US 10916836 B2 [0007, 0068]
- US 7528780 B2 [0008]
- CN 106711605 [0010]
- CN 106450729 A [0014, 0071]
- CN 103560320 A [0016]
- US 6639558 B2 [0017, 0071]
- US 7253770 B2 [0069]
- CN 204257815 [0070]