DE19830194A1 - Dualband-Strahlersystem - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten, spektral dualbandigen Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugung einer linear polarisierten Sektorstrahlung innerhalb einer Raumhemisphäre bzw. einer azimutalen Rundstrahlung in der Horizontalebene für allgemeine Innen- und Außenraumanwendungen bzw. Fahrzeuganwendungen vorrangig im Spektralbereich der GSM- bzw. DCS-Mobilfunknetze. DOLLAR A Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einer unsymmetrischen Wellenleiterresonatorkonzeption mit spektral selektiver Modenanregung. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarstrahler, Rundstrahlung, Sektorstrahlung, Mobilfunk, Spektrum, Dualband, Polarisation, Vertikalpolarisation, Wellenleiter, Wellenleiterresonator, Blende, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor.

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturi­ sierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung sowohl in der Horizontal- als auch in der Vertikalebene bzw. einer axialbezogenen azimutalen Rundstrahlung in der Horizontalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektralbereiche, vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1890 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rückstrahlungs­ dämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raum­ hemisphäre, so daß insbesondere für den Bereich der Fahrzeuganwendungen eine Antennenkomponente entsteht, die es bei Montage der Antenne auf den ge­ schlossenen oder verglasten Außenflächen des Fahrzeuges ermöglicht, den Fahr­ gastraum aus dem Strahlungsraum des Strahlers auszublenden und somit die elek­ tromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers gegenüber bekannten Antennen­ lösungen für diesen Bereich zu minimieren. Das Ziel der Erfindung besteht ferner­ hin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielek­ trischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Schichten bzw. Platten, vorzugsweise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwendung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abweichenden Dielektrizitäts­ zahl bedingte geometrische Verkürzung erfindungsgemäß mittels verteilter kapa­ zitiver Strukturelemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil­ funkbereich innerhalb des Mobilfunk-GSM-Netzes sowie des Mobilfunk-DCS- Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente mit Dualbandcharakter mit der flächenhaftenden Montagemöglichkeit auf dielek­ trischen oder leitfähigen Ebenen, vorzugsweise mit der magnethaftenden Monta­ gemöglichkeit auf den leitfähigen Flächen innerhalb sowie außerhalb des Fahr­ zeuges, vorzugsweise außerhalb des Fahrzeuges.

Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraum­ anwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Kompo­ nente vom jeweiligen Endgerät bildet und auf oder an dielektrischen oder me­ tallischen, vorzugsweise metallischen, horizontal oder vertikal verlaufenden Flächen magnethaftend oder mittels geeigneter Klebemittel flächig montiert wird. Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen der rückwärtig zur Antennenapertur gelegene Raum strahlungsfrei bzw. strahlungs­ arm zu halten und damit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers zu minimieren ist bzw. in denen eine azimutale Rundstrahlcharakteristik mittels axial miniaturisierter Strahleranordnungen erwünscht oder erforderlich ist. Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- und Mittelstreckenübertragungssysteme innerhalb kommu­ nikations-, sensor- oder sicherheitstechnischer Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilkommunikation beruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungs­ grad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene ausschließlich rundstrahlende Strahlungseigenschaften aufweisen. Bekannte Flachversionen mit der Eigenschaft der Vertikalpolarisation des elektrischen Feldvektors sowie der Rundstrahlungscharakteristik in der Azimutalebene beruhen auf der Ring-Schlitz- Konzeption oder auf flächenhaft angeordneten Dipolmodifikationen, deren Richt­ diagramm unregelmäßig und in Abhängigkeit von der Struktur bzw. Geometrie des jeweiligen Untergrundes die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfeld­ deformation aufiveisen. Die auf den Anwendungsbereich bezogenen Strahlungs­ eigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungseigenschaften des Strahlungsdiagrammes nicht nachweisbar.

Lösungen, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstrip­ technik, unter Verwendung selbsttragender leitfähiger Folienleiter oder folienähn­ licher Leitflächen erzielt werden, sind nicht bekannt.

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

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektor­ strahlung sowohl in der Horizontal- als auch Vertikalebene innerhalb zweier voneinander getrennter Spektralbereiche bzw. im Dualbandmodus. Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Aufgabe in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander an­ geordnet werden und die Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet sowie die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreis­ förmigen Berandung ausgebildet werden, wobei die Platten oder Folien (1), (2) mit gleichem oder unterschiedlichem, vorzugsweise unterschiedlichem Durch­ messer, ausgeführt werden und die Platte oder Folie (2) einen kleineren Durch­ messer als die Platte oder Folie (1) aufweist.

Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß die beiden Platten oder Folien (1), (2) mittensymmetrisch sowie planparallel übereinander angeordnet und im Mittelpunkt (3) leitfähig, vorzugsweise mittels eines leitfähigen Zylinders oder Zylindermantels, vorzugsweise Zylinders (4), verbunden werden, wobei die leitfähigen Verbindungen zwischen der Platte oder Folie (1) und dem leitfähigen Zylinder (4) sowie zwischen der Platte oder Folie (2) und dem leitfähigen Zylin­ der (4) vorzugsweise als Schraub-, Niet- oder Lötverbindung ausgeführt werden. Erfindungsgemäß wird zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) ein dielektrisches Belastungselement (5) mit kreisförmiger, elliptischer, quadra­ tischer, rechteckiger, pentagonaler oder hexagonaler Auflagefläche, vorzugsweise axialsymmetrischer und kreisförmiger Auflagefläche, in der Weise angeordnet, daß die Achse des dielektrischen Belastungskörpers (5) parallel zu den Flächen­ normalen der leitfähigen Ebenen (1), (2) verlaufen, wobei der dielektrische Be­ lastungskörper (5) auf einer Radiallinie, die zur radial verlaufenden Verbindungs­ linie zwischen dem Mittelpunkt (3) der Platten oder Folien (1) bzw. (2) und dem Kopplungspunkt zwischen dem Innenleiter (6) des speisenden koaxialen Wellen­ leiters und der leitfähigen Platte oder Folie (2) einen Winkel von 135 Winkelgrad bzw. für den Fall der gegensinnigen Zählrichtung von 315 Winkelgrad ein­ schließt, angeordnet wird.

Hierbei kann das dielektrische Belastungselement (5) durch konzentrierte, kom­ plex wirkende Schaltelemente ersetzt werden, indem ein konzentriertes, komplex wirkendes Schaltelement oder die Kombination mehrerer konzentrierter, komplex wirkender Ersatzschaltelemente zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (2), vorzugsweise die Kombination mehrerer konzentrierter, komplex wirken­ der Ersatzschaltelemente zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (2), angeordnet wird, wobei für den Fall der Verwendung einer oder mehrerer Kombi­ nationen konzentrierter Ersatzschaltelemente die radiale Distanz zwischen dem Mittelpunkt (3) und den Kopplungspositionen der konzentrierten Ersatzschalt­ elemente bzw. die radiale Distanz zwischen den Kopplungspositionen der kon­ zentrierten Ersatzschaltelemente sowie die azimutale Position der Kopplungs­ punkte der konzentrierten Ersatzschaltelemente bestimmende Dimensionierungs­ größen für die Festlegung des resultierenden Eingangsimpedanzspektrums dar­ stellen.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird mit einem koaxialen Wellenleiter ge­ koppelt, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellen­ leiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden werden, wobei der Außen­ leiter (7) in der Blendenebene der Blende (8) mit der Blendenberandung der leit­ fähigen Platte oder Folie (1) endgekoppelt wird oder durch die Blende (8) der Platte oder Folie (1) hindurchgehend in den mittels der Platten oder Folien (1) und (2) begrenzten Raum in der Weise definiert geführt wird, daß das in den bezeich­ neten Raum zwischen den Platten oder Folien (1) und (2) eingeführte Außenlei­ tersegment (11) mit der Platte oder Folie (2) ein reaktives Kopplungselement bil­ det, indem das Außenleitersegment (11) einseitig an dem in Richtung der leit­ fähigen Platte oder Folie (2) führenden offenen Ende bezüglich des Außendurch­ messers definiert und bundartig erweitert sowie bezüglich der Länge derartig bemessen wird, daß das distanzbezogene Komplement zur Distanz zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) die Breite des reaktanzerzeugenden Kopp­ lungsspaltes (10) ergibt. Über die definierte Bemessung der Längen- und Durch­ messerverhältnisse des Außenleitersegmentes (11) besteht überdies die Möglich­ keit der gezielten Festlegung bzw. Beeinflussung des Eingangsimpedanzprofils des Strahlers.

Der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) bzw. der Mittelpunkt der Blende (8) innerhalb der leitfähigen Platte oder Folie (1) wird auf einer vom Mittelpunkt (3) der Platte oder Folie (1) bzw. der Platte oder Folie (2) ausgehenden Radiallinie, die zur Radiallinie, der die Positionen des di­ elektrischen Belastungselementes (5) zugeordnet ist, jeweils in Abhängigkeit von der Zählrichtung einen Winkelversatz von 135 Winkelgrad bzw. von 315 Win­ kelgrad aufweist, positioniert und bezüglich der radialen Positionierung derartig bemessen, daß eine der Wellenimpedanz des anregenden koaxialen Wellenleiters identische Eingangsimpedanz innerhalb der beiden Strahlungsspektralbereiche der Strahleranordnung erzeugt wird.

Die bezüglich des dielektrischen Belastungselementes (5) elektromagnetisch be­ stimmenden Größen sind hierbei neben der stofflichen Zusammensetzung bzw. dem Suszeptibilitätsprofil des oder der Diskontinuitäten (5) die Kontur und Größe der auf den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) aufliegenden Flächen, die durch die gegenseitige Distanz der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) planar festgelegte geometrische Höhe des dielektrischen Belastungselementes (5) sowie die jeweilige Position des dielektrischen Belastungselementes (5).

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Mittels des Beispiels wird eine Dualbandversion für die spektralen Bänder 890 MHz-960 MHz bzw. 1710 MHz-1890 MHz mit azimutaler Rundstrah­ lung bezüglich der vertikal ausgerichteten Strahlerachse bzw. mit sektorieller Charakteristik des linear polarisierten Strahlungsfeldes und Strahlungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Strahleranordnung dargelegt.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreisför­ miger Berandung und dem Durchmesser von 90 mm, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, über eine leitfähige Buchse (4), vorzugs­ weise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, mit einer zweiten leit­ fähigen metallischen Platte (2) mit kreisförmiger Berandung und dem Durch­ messer von 76 mm in der Weise verbunden, daß die leitfähige Buchse (4) jeweils im Mittelpunkt (3) der Platten (1), (2) positioniert wird und damit die Platten (1) und (2) symmetrisch und planparallel zueinander sowie mit einer gegenseitigen Distanz von 5.8 mm angeordnet sind. Zwischen den leitfähigen metallischen Platten (1), (2) wird gemäß der Abb. 1 in einer radialen Distanz von 28 mm zum Mittelpunkt der Platten (1), (2) ein dielektrisches Belastungselement (5) mit zylinderförmiger Kontur, bestehend aus Polyvinylchlorid, mit parallel zu den Flächennormalen der leitfähigen Platten (1), (2) verlaufender Achsenrichtung angeordnet. Die Anordnung wird mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (2) und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte (1) verbunden wird, wobei der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leit­ fähigen Platte (2) auf einer Radiallinie positioniert wird, die in Abhängigkeit von der Zählrichtung einen gegenseitigen Winkelversatz von 135 Winkelgrad bzw. 315 Winkelgrad zur Radiallinie, der gemäß der Abb. 1 die Achsenposition des zylinderförmigen Belastungselementes (5) zuzuordnen ist, aufweist. Der Außenleiter (7) wird mittels eines leitfähigen Außenleitersegmentes (11) gemäß der Abb. 2, vorzugsweise bestehend aus Kupfer, Messing oder Aluminium, das einseitig in der Blendenebene der Blende (8) leitfähig mit der Blendenbe­ randung (8) der Platte (1) verbunden wird, über einer geometrischen Distanz von 5.5 mm mit orthogonal zur Fläche der Platten (1), (2) geführter Achse verlängert, wobei die Zentrierung des Außenleitersegmentes (11) mittels einer dielektrischen Buchse (9), vorzugsweise bestehend aus Polytetrafluorethylen, in der Weise er­ folgt, daß das Durchmesserverhältnis in Verbindung mit der effektiven dielek­ trischen Suszeptibilität des Polytetrafluorethylens die Wellenimpedanz des Wellenleiters erzeugt.

Claims (2)

1. Dualband-Strahlersystem, bestehend aus einer Anordnung geometrisch defi­ nierter und leitfähiger Ebenen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächen­ parallel zueinander angeordnet werden, indem die Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet wird, wobei die Platten oder Folien (1), (2) mit einem unterschiedlichen Durchmesser bemessen werden und die Platte oder Folie (2) einen kleineren Durchmesser als die Platte oder Folie (1) aufweist;
• - die beiden leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) mittensymmetrisch überein­ ander angeordnet und im Mittelpunkt (3) leitfähig, vorzugsweise mittels eines leitfähigen Zylinders (4), verbunden werden, wobei die leitfähigen Verbindungen zwischen der Platte oder Folie (1) und dem leitfähigen Zylinder (4) sowie zwischen der Platte oder Folie (2) und dem leitfähigen Zylinder (4) vorzugsweise als Schraub-, Niet- oder Lötverbindung ausgeführt werden;
• - die Platten oder Folien (1), (2) mittels dielektrischer Belastungselementes (5) gleicher oder ungleicher Geometrie, vorzugsweise ungleicher Geometrie, sowie symmetrischer oder unsymmetrischer Kontur, vorzugsweise axialsymmetrischer Kontur, untereinander sowie bezüglich eines Elementes gleicher, homogener oder inhomogener oder ungleicher, homogener oder inhomogener stofflicher Zu­ sammensetzung, vorzugsweise gleicher und homogener stofflicher Zusammen­ setzung, mechanisch verbunden werden, deren Positionen auf identischen oder nichtidentischen Radiallinien, vorzugsweise auf einer identischen Radiallinie, an­ geordnet sind;
• - die Anordnung mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt wird, indem der Innenleiter (6) des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter (7) des koaxialen Wellenleiters mit gleichem oder ungleichem, vorzugsweise gleichem, Innendurchmesser sowie mit oder ohne kontinuierlicher oder diskontinuierlicher, vorzugsweise ohne, Innendurchmesser­ taperung leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden sowie mittels eines leitfähigen Außenleitersegmentes (11) definierter geometrischer Länge sowie definierter geometrischer Kontur, das einseitig in der Blendenebene der Blende (8) leitfähig mit der Blendenberandung der Blende (8) der Platte (1) gekoppelt und mit orthogonal zur Fläche der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) verlau­ fender Achse ohne galvanische Verbindung mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) in den mittels der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) begrenzten Feldraum geführt bzw. verlängert wird;
• - der Kopplungspunkt des Innenleiters (6) mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) bzw. der Mittelpunkt der Blende (8) innerhalb der leitfähigen Platte oder Folie (1) auf einer vom Mittelpunkt der Platte oder Folie (1) bzw. Platte oder Folie (2) aus­ gehenden Radiallinie angeordnet wird, die zu der Radiallinie, der die Achsenpo­ sitionen des dielektrischen Belastungselementes (5) oder der dielektrischen Be­ lastungselemente (5) zugeordnet sind, in Abhängigkeit von der Zählrichtung einen Winkel von 135 Winkelgrad bzw. 315 Winkelgrad einschließt;
• - die dielektrischen Belastungselemente (5) mit zwei planparallel zueinander ver­ laufenden Grundflächen mit quadratischer, rechteckiger, pentagonaler, hexago­ naler, kreisförmiger oder elliptischer, vorzugsweise kreisförmiger, Kontur ausge­ bildet werden.

2. Dualband-Strahlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des dielektrischen Belastungselementes (5) entlang der Ver­ bindungslinie zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1) und (2) kontinuier­ lich oder diskontinuierlich getapert wird.