DE10322803A1

DE10322803A1 - Mikrostreifenantenne

Info

Publication number: DE10322803A1
Application number: DE2003122803
Authority: DE
Inventors: Anand Kumar Prof. Verma; Adel Abdel Rahman; Abbas Prof. Dr.-Ing. Omar
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrostreifenantenne mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite. Die Antenne enthält ein flächenhaftes Strahlerelement (1), das auf einem dielektrischen Substrat (2) aufgebracht ist und mittels Koaxialeinspeisung (SMA) (5) gespeist wird, sowie eine elektrisch leitfähige Grundplatte (4), die mit Abstand zum dielektrischen Substrat (2) angeordnet ist. Dem Strahlerelement (1) ist ein Resonanzhohlraum (6) zugeordnet, der sich zwischen dem dielektrischen Substrat (2) und der Grundplatte (4) erstreckt und dessen Lateralabmessungen größer als die des Strahlerelements (1) sind. Dem Strahlerelement (1) ist ein Miniatur-Hornstrahler (7) zugeordnet, dessen Basis auf dem dielektrischen Substrat (2) aufsitzt und das Strahlerelement (1) mit Abstand umschließt, wobei die Lateralabmessungen der Basis des Miniatur-Hornstrahlers (7) kleiner als diejenigen des dielektrischen Substrats (2) sind. DOLLAR A Das dielektrische Substrat (2) sowie der Resonanzhohlraum (6) sind vorteilhaft in einer Ausnehmung eines Trägerkörpers (8) angeordnet, der aus einem nichtleitenden Material besteht, wobei die Seitenwand der Ausnehmung im Bereich des Resonanzhohlraums (6) eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist. Die Unterseite des Trägerkörpers (8) ist vollständig oder mindestens in dem Bereich unter dem Resonanzhohlraum (6) mit der Grundplatte (4) oder einer mit der Grundplatte (4) leitend verbundenen elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt. Der Miniatur-Hornstrahler (7) ist auf ...

Description

Mikrostreifenantenne
Die Erfindung betrifft eine Mikrostreifenantenne (Patchantenne) mit hohem Gewinn und großer Bandbreite.
Eine Mikrostreifenantenne besteht im Prinzip aus in ihrer Form und Abmessung definierten leitfähigen Flächen, von denen die eine auf einer ebenen Schicht eines dielektrischen Substrats liegt und als rechteckiges oder zirkulares Strahlerelement (microstrip patch) ausgebildet ist, während die andere leitfähige Fläche sich auf der anderen Seites des Dielektrikums befindet und gewöhnlich als (elektrisch leitfähige) Grundplatte bezeichnet wird. Weiterhin sind Speiseleitungen vorgesehen. Die Kantenlängen des flächenhaften Strahlerelements werden so vorgegeben, dass eine der Längen des Strahlerelements einem ganzzahligem Vielfachen eines vorgegebenen Teiles der Wellenlänge entspricht, mit der die Antenne arbeitet. Zwischen dem Strahlerelement der Antenne und der Grundplatte befindet sich wenigstens ein Resonanzhohlraum (cavity). Im Allgemeinen wird eine Gruppe von Strahlerelementen als eine Einheit nach Art eines grdruckten Schaltkreises hergestellt ( DE 2816362 A1 ).
Bekannte Mikrostreifenantennen besitzen einen Gewinn von ca. 6 dBi – 8 dBi und eine geringe Bandbreite von ca. 1,5 % bis 2,5 %. Moderne Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme erfordern Antennen mit höherem Gewinn und größerer Bandbreite.
Es ist bereits bekannt, den Gewinn von Mikrostreifenantennen durch Verwendung einer oder mehrerer als Superstrate bezeichneten dielektrischen Deckschichten zu verbessern [I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas. Dedham, MA, Aretech Hause 1980]. Für eine signifikante Verbesserung des Gewinns sind dielektrische Deckschichten mit hoher Permittivität erforderlich, was jedoch im allgemeinen sehr aufwändig ist und zu einer weiteren Reduzierung der bei Mikrostreifenantennen verfügbaren Bandbreite führt.
Es sind auch Mikrostreifenantennen mit einem hohen Gewinn bekannt, die sowohl einen Resonanzhohlraum unterhalb des die Mikrostreifenleiter tragenden dielektrischen Substrates aufweisen, als auch eine Deckschicht mit vorgegebenen dielektrischen und magnetischen Eigenschaften aufweisen [J. R. James, P. S. Hall, and C. Wood, Microstrip Antenna Theory and Design, Electromag. Waves Series 12, Peregrinus, 1981]. Dieser Aufbau kann zwar die Isolation der Strahlungselemente verbessern, besitzt aber dennoch die oben genannten Beschränkungen.
Bei einer zweischichtigen, elektromagnetisch gekoppelten rechteckigen Mikrostreifenantenne wurde experimentell 9,2 dB Gewinn ermittelt, jedoch nur bei einer Bandbreite von 1,3 %.
Es wurden auch dicke Substrate zur Verbesserung der Bandbreite einer Mikrostreifenantenne verwendet [H. Yang and N. Alexopoulos, "Gain Enhancement Methods for Printed Circuit Antennas Through Multiple Superstrates", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-35, no. 7, pp. 860–863, July 1987]. Eine größere Substratdicke vergrößert jedoch im Allgemeinen auch die Leistung der Oberflächenwellen.
Kürzlich wiesen die Autoren dieser Patentanmeldung eine Verbesserung des Gewinns um 3 dB bei einer Mikrostreifenantenne nach, bei der eine Miniatur-Hornantenne auf die Oberfläche der Antennenstruktur aufgesetzt war. Allerdings war auch dabei die Bandbreite auf rund 1,5 % begrenzt. Die Kombination eines Hornantennen-Elementes mit einer Mikrostreifenantenne sieht auch die US 5317329 vor, jedoch ist der dort beschriebene Aufbau für eine Miniaturisierung bzw. den Einsatz in Gruppen-Antennen wenig geeignet.
Aus der US 4644362 ist eine ebene Gruppen-Antenne bekannt, die drei Substratschichten enthält, in die übereinanderliegende kreisförmige Resonanzhohlräume eingearbeitet sind, deren Wandungen metallisiert sind. Die Resonanzhohlräume in der obersten Schicht enden offen in einem sich nach oben konisch erweiternden Abschnitt, was zu einer Verbeserung des Antennengewinns beitragen soll. Der hohe Fertigungsaufwand für eine derartige Antenne lässt ihre Verwendung nur in speziellen Einsatzgebieten zu.
Weiterhin ist aus der US 4527165 eine mehrschichtige Gruppen-Antenne zum Senden und Empfangen zirkular polarisierter Signale bekannt, bei der von Dipolanordnungen gespeiste Miniatur-Hornantennen-Elemente eingesetzt werden. Auch für diese Gruppen-Antenne ist der Fertigungs- und Montageaufwand relativ hoch, so dass sie aus Kostengründen nur in. speziellen Einsatzgebieten verwendbar ist.
Aus der US 4819004 ist auch eine Gruppen-Antenne bekannt, die eine aus konischen Elementen bestehende Frontstruktur aufweist. Diese Frontstruktur dient jedoch nicht als Hornstrahler, sondern als Stützstruktur. Die Gruppen-Antenne gemäß US 487806 weist rechteckige Hornstrahler als Strahlerelemente auf, die mittels Wellenleiter gespeist werden. Die Speisung der Wellenleiter erfolgt jeweils durch orthogonal angeordnete Dipole.
Die in der EP 402005 B1 beschriebene Antennenstruktur weist einen mit einem Dielektrikum gefüllten Hohlraumstrahler auf, dem Hochfrequenzenergie mittels eines Mikrostreifen- Hornstrahlers zugeführt wird. Der Mikrostreifen-Hornstrahler fungiert daher nicht als Strahlungselement, sondern als Speiseelement.
Insgesamt zeigt der vorstehend beschriebene Stand der Technik, dass der Einsatz von mittels Dipolen oder Wellenleitern gespeisten Hornstrahlern in Mikrowellenantennen weit verbreitet ist. Jedoch wurde die Aufgabe, eine mit einem Miniatur-Hornstrahler versehenen Mikrowellenantenne so zu gestalten, dass der Fertigungs- und Montageaufwand weitgehend reduziert wird und gleichzeitig der Antennengewinn sowie die Bandbreite erhöht wird, bisher nicht befriedigend gelöst.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In Bezug auf die Erfindung soll ein in für die Mikrostreifenantenne verwendetes Material wie der Trägerkörper als "nichtleitend" gelten, wenn der Verlustfaktor des Materials die Bedingung tan δ < 10^–2 gilt.
Vorteihafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen. In einer sehr vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Mikrostreifenantenne folgenden Aufbau auf:

• ein Trägerkörper mit z. B. plattenförmiger Gestalt aus einem nichtleitenden Material weist eine Ausnehmung auf,
• in der Ausnehmung sind das dielektrische Substrat, auf dem das flächenhafte Strahlerelement aufgebracht ist, sowie der dem Strahlerelement zugeordnete Resonanzhohlraum angeordnet, dessen Lateralabmessungen größer als die des Strahlerelements sind,
• die Seitenwand der im Trägerkörper befindlichen Ausnehmung weist eine elektrisch leitfähige Schicht auf,
• die Unterseite des Trägerkörpers, d. h. die dem Strahlerelement abgewandte Seite des Trägerkörpers, ist vollständig oder mindestens in dem Bereich unter dem Resonanzhohlraum mit der Grundplatte oder einer mit der Grundplatte leitend verbundenen elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt ist und
• jedem Strahlerelement ist ein Miniatur-Hornstrahler zugeordnet, der auf der Oberseite des Trägerkörpers angeordnet ist und das Strahlerelement mit Abstand umschließt, wobei die Basis des Miniatur-Hornstrahler auf dem dielektrischen Substrat aufsitzt und die Lateralabmessungen der Basis des Miniatur-Hornstrahler kleiner als diejenigen des dielektrischen Substrat sind.

Diese Ausführungsform lässt sich vorteilhaft dadurch modifizieren, dass der Miniatur-Hornstrahler und der Trägerkörper aus einem nichtleitenden Kunststoff wie PVC u. dgl. bestehen, wobei die Innenwand des Miniatur-Hornstrahlers eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist. Eine derartige Ausführungsform ist besonders günstig zu fertigen, wenn der Miniatur-Hornstrahler und der Trägerkörper einstückig ausgebildet sind.
Mit der erfindungsgemäßen Mikrostreifenantenne wurde bei einer Frequenz von 9,37 GHz und einer Länge der Innenwand des Miniatur-Hornstrahlers von ca. λ_o/4 ein Gewinn von ca. 12,5 dBi und eine Bandbreite von ca. 14,5 % erhalten. Durch Vergrößerung der Länge der Innenwand des Miniatur-Hornstrahlers kann der Gewinn weiter gesteigert werden. Bei geeigneter Wahl der Antennenparameter kann die Antenne in allen Mikrowellen- und Millimeterwellen-Bereichen arbeiten.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung des Querschnitts der erfindungsgemäßen Mikrostreifenantenne,
2 ein Diagramm der Abhängigkeit der Direktivität von den Antennenparametern
3 ein Diagramm der Abhängikkeit des Reflexionsdämpfung von der Betriebsfrequenz,
4a, 4b die Strahlungscharakteristik in der E- and H-Ebene,
5 die Strahlungscharakteristik für die Kreuz-Polarisition.
Die Mikrostreifenantenne gemäß 1 mit einer Gesamthöhe von ca. 7 mm arbeitet mit linearer Polarisation im Sende- und Empfangsmodus und wurde bei 9,37 GHz getestet. Auf das dielektrische Substrat 2 mit einer Dicke von h_s = 0,0253 λ_o ist z. B. in einem photolithographischen Prozess ein quadratisches Strahlerelement 1 aufgebracht. Die Wahl einer quadratischen Form des Strahlerelements 1 sichert günstige Werte für die Bandbreite und den Wirkungsgrad der Antenne. Das quadratische Strahlerelement 1 besitzt eine Dicke von 35 μm bei einer Seitenlänge von L_p = 0.3636 λ_o und wird mit einer Koaxialeinspeisung unter Verwendung eines SMA-Konnektors 5 gespeist.
Dem Strahlerelement 1 ist ein mit Schaummaterial gefüllter Resonanzhohlraum 6 zugeordnet, der sich zwischen dem dielektrischen Substrat 2 und der elektrisch leitfähigen Grundplatte 4 erstreckt und dessen Lateralabmessungen größer als die des Strahlerelements 1 sind.
Der Resonanzhohlraum 6 ist mit Schaummaterial gefüllt, um die effektive relative Permittivität zu reduzieren und die notwendige Dicke zu erreichen, um den Gewinn und die Bandbreite zu vergrößern. Der Resonanzhohlraum 6 besitzt eine Dicke von h_f = 0,0506 λ_o. und – ebenso wie das dielektrische Substrat 2 – eine Seitenlänge von ca. 1,1525 λ_o.
Jedem Strahlerelement 1 ist ein Miniatur-Hornstrahler 7 zugeordnet, dessen Basis auf dem dielektrischen Substrat 2 aufsitzt und das Strahlerelement 1 mit dem Abstand d umschließt, wobei jedoch die Lateralabmessungen der Basis des Miniatur-Hornstrahler 7 kleiner als diejenigen des dielektrischen Substrat 2 sind. Bei der getesteten Ausführung hatte der Miniatur-Hornstrahler 7 annähernd folgende Maße:

• Seitenlänge der quadratischen Basis des Hornstrahlers: L_p + 2d = 29 mm,
• Neigungswinkel zwischen der Innenwand des Hornstrahlers und der Flächennormale des dielektrischen Substrats: θ_h = 60°,
• Länge der Innenwand des Hornstrahlers: L_h = λ_o/4

Durch Vergrößerung der Innenwand-Länge L_h des Miniatur-Hornstrahlers kann der Gewinn weiter gesteigert werden.
Im Interesse einer kostengünstigen Herstellung wurde das dielektrische Substrat 2 sowie der Resonanzhohlraum 6 in einem Trägerkörper 8 aus einem nichtleitenden Material mit einem Verlustfaktor tan δ < 10^–2 angeordnet. Dies kann z. B. realisiert werden, indem in einen plattenförmigen Trägerkörper 8 aus PVC-Material oder einem anderen geeigneten Kunststoff eine Ausnehmung zur Aufnahme des dielektrischen Substrats 2 sowie des Resonanzhohlraums 6 eingefräst wird. Der Miniatur-Hornstrahler 7 kann aus dem gleichen Material oder einem anderen geigneten Material wie der Trägerkörper gefertigt werden. In vielen Fällen wird es jedoch vorteilhaft sein, den Trägerkörper 8 und den Miniatur-Hornstrahler 7 einstückig herzustellen, was z. B. durch einen Fräsprozess oder durch Urformen wie Spritzgießen u. dgl. erfolgen kann.
Bei Verwendung eines nichtleitenden Materials sind die Seitenwand der in den Trägerkörper 8 eingebrachten Ausnehmung und die Innenwand des Hornstrahlers 7 mit einer elektrisch leitfähigen Schicht zu versehen.
2 zeigt Messwerte für verschiedene Neigungswinkel θ_h zwischen der Innenwand des Hornstrahlers und der Flächennormale des dielektrischen Substrats. Dieser Neigungswinkel hat einen Einfluss auf die Direktivität der erfindungsgemäßen Mikrostreifenantenne. Ein Neigungswinkel von ca. 55° ergab eine Direktivität von 10,7 dBi. Die Direktivität ist jedoch nicht sehr empfindlich gegen Änderungen des Neigungswinkels und des Abstandes zwischen dem Rand eines Strahlerelements und der Basis des zugehörigen Miniatur-Hornstrahlers. Dies zeigt, dass keine engen Fertigungstoleranzen erforderlich sind, was die Fertigungskosten senkt, und dass die erfindungsgemäße Mikrostreifenantenne für eine Breitbandoperation geeignet ist.
Für die Mikrostreifenantenne wurden zwei separate Resonanzstellen gefunden – eine für das Strahlerelement 1 und die andere für den Resonanzhohlraum 6. Durch ein geignetes Design des Resonanzhohlraums 6 wurde die Resonanzfrequenz des Resonanzhohlraums 6 an die Resonanzfrequenz des Strahlerelements 1 angenähert. Dies führte zu keiner wesentlichen Änderung der Resonanzfrequenz des Strahlerelements, jedoch wurden Gewinn und Bandbreite verbessert. Eine kleine Änderung in Zufuhrposition ist notwendig, um die Reflexionsdämpfung zu verbessern.
In der folgenden Tabelle 1 sind die strukturellen Details der getesteten Mikrostreifenantenne zusammengefasst, deren Gesamthöhe ca. 7 mm beträgt.
Tabelle 1
Die folgende Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über die experimentell ermittelten Leistungsdaten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrostreifenantenne.
Tabelle 2

Claims

Mikrostreifenantenne mit einer elektrisch leitfähigen Grundplatte (4), einem dielektrischen Substrat (2), das mit Abstand zur Grundplatte (4) angeordnet ist, einem flächenhaften Strahlerelement (1), das auf dem dielektrischen Substrat (2) aufgebracht ist und mittels Koaxialeinspeisung (5), insbesondere mit SMA-Konnektor, gespeist wird, wobei • dem Strahlerelement (1) ein Resonanzhohlraum (6) zugeordnet ist, der sich zwischen dem dielektrischen Substrat (2) und der Grundplatte (4) erstreckt und dessen Lateralabmessungen größer als die des Strahlerelements (1) sind, und • dem Strahlerelement (1) ein Miniatur-Hornstrahler (7) zugeordnet ist, dessen Basis auf dem dielektrischen Substrat (2) aufsitzt und das Strahlerelement (1) mit Abstand umschließt, wobei die Lateralabmessungen der Basis des Miniatur-Hornstrahler (7) kleiner als diejenigen des dielektrischen Substrat (2) sind.
Mikrostreifenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Trägerkörper (8) aus einem nichtleitenden Material mit z. B. plattenförmiger Gestalt vorgesehen ist, der eine Ausnehmung aufweist, in der das dielektrische Substrat (2) sowie der Resonanzhohlraum (6) angeordnet sind, • die Seitenwand der Ausnehmung im Bereich des Resonanzhohlraums (6) eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, • die Unterseite des Trägerkörpers (8) vollständig oder mindestens in dem Bereich unter dem Resonanzhohlraum (6) mit der Grundplatte (4) oder einer mit der Grundplatte (4) leitend verbundenen elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt ist und • der Miniatur-Hornstrahler (7) auf der Oberseite des Trägerkörpers (8) angeordnet ist.
Mikrostreifenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Miniatur-Hornstrahler (7) aus einem nichtleitenden Material besteht und seine Innenwand eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist.
Mikrostreifenantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Miniatur-Hornstrahler (7) und der Trägerkörper (8) aus einem nichtleitenden Kunststoff wie PVC u. dgl. bestehen.
Mikrostreifenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Miniatur-Hornstrahler (7) und der Trägerkörper (8) einstückig ausgebildet sind.
Mikrostreifenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement (1) eine laterale Abmessung Lp = 0,36 λ_o ± f(ε_s, ε_f, h_s, h_f) % aufweist und auf einem dielektrischen Substrat (2) mit der Höhe h_s = 0,025 λ_o ± 4 % % sowie der Dielektrizitätskonstanten ε_s = 3.38 ± 2 % aufgebracht ist.
Mikrostreifenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzhohlraum (6) eine Höhe h_f = 0,05 λ_o ± 4 % und eine laterale Abmessung von 1,15 λ_o ± 4 % aufweist und im wesentlichen vollständig mit einem (Schaum) Material mit der Dielektrizitätskonstante ε_f = 1.07 ± 0.02 ausgefüllt ist.
Mikrostreifenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Geometrie-Parameter d, L_h und θ_h des Miniatur-Hornstrahlers (7) d = λ_o/8 ± 5 %; L_h = λ_o/4 ± 5 %; θ_h = 55° ± 5° % gilt, wobei • d der Abstand zwischen dem Rand eines Strahlerelements (1) und der Basis des zugehörigen Miniatur-Hornstrahlers (7), • L_h die Länge der Innenwand des Miniatur-Hornstrahlers (7), • θ_h der Neigungswinkel zwischen der Innenwand des Miniatur-Hornstrahlers (7) und der Flächennormale des dielektrischen Substrats (2) ist.
Mikrostreifenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Element eines Gruppenantenne ist.