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Dokumentenidentifikation DE60006132T2 09.06.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001205009
Titel APERTURGEKKOPPELTE SCHLITZSTRAHLER-GRUPPENANTENNE
Anmelder NovAtel Inc., Calgary, Alberta, CA
Erfinder KUNYSZ, Waldemar, Calgary, CA
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60006132
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.07.2000
EP-Aktenzeichen 009441643
WO-Anmeldetag 26.07.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/IB00/01030
WO-Veröffentlichungsnummer 0001013465
WO-Veröffentlichungsdatum 22.02.2001
EP-Offenlegungsdatum 15.05.2002
EP date of grant 22.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2004
IPC-Hauptklasse H01Q 13/10
IPC-Nebenklasse H01Q 9/27   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Planare Breitbandantennen und insbesondere eine Antenne zum Senden oder Empfangen zirkular polarisierter Signale.

Beschreibung des Standes der Technik

Antennen zur Erzeugung zirkular polarisierter Signale sind im Stand der Technik bekannt. Das Iwasaki erteilte U.S.-Patent Nr. 5,861,848 offenbart z.B. eine zirkular polarisierte Patch-Antenne mit einem Kurzschlussteil. Die Richtfähigkeit einer Patch-Antenne kann durch Einbau einer Drosselring-Bodenplatte gesteigert werden, wodurch aber das Antennengewicht erhöht wird.

Das Nürnberger et al. erteilte U.S.-Patent Nr. 5,815,122 offenbart z.B. eine Spiral-Schlitzantenne mit einem einzigen spiralförmigen Schlitz auf einer Antennenseite und einer spiralförmigen Mikrostreifen-Zuführungsleitung auf der anderen Seite. Dieses Bezugsdokument lehrt in erster Linie eine Einschlitzkonfiguration, die eine Antenne mit geringer Richtfähigkeit zum Ergebnis hat. Überdies ist das Anbringen eines zusätzlichen Bauteils wie z.B. eines rauscharmen Verstärkers auf der Antenne selbst nicht möglich.

Während der Stand der Technik zirkular polarisierte Strahlung erzeugende Planare Antennen beschreibt, bleibt ein Bedarf an Verbesserungen, die in den heute verfügbaren Vorrichtungen nicht zu erkennende Vorteile und Möglichkeiten bieten, und es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Verbesserungen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer derartigen Planarantenne mit verbesserter Richtfähigkeit.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gruppen-Schlitzantenne mit einer Verteilerzuführungsleitung zur Verfügung zu stellen, die die Eingangs-/Ausgangssignale an die Raumwinkelanordnung der Antennenschlitze anpasst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer derartigen Planarantenne, die den Aufbau einer aktiven Schaltung auf dem Antennensubstrat ermöglicht.

Weitere Aufgaben der Erfindung sind zum einen Teil augenfällig und werden zum anderen Teil beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne gemäß Anspruch 1 und 17, ein Verfahren zum Aussenden eines zirkular polarisierten Signals gemäß Anspruch 24 und ein Verfahren zum Empfangen eines derartigen Signals gemäß Anspruch 28.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die nachstehende Beschreibung der Erfindung nimmt Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Rückseite einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine um eine Antennenachse angeordnete bogenförmige Übertragungsleitung zeigt;

2 einen Querschnitt der Antenne in 1, der eine auf der Antennenvorderseite angeordnete leitfähige Ebene zeigt;

3 eine schematische Darstellung der Vorderseite der Antenne in 1, die eine in der leitfähigen Ebene angeordnete Gruppierung von Schlitzöffnungen zeigt;

4 eine Stirnansicht der Antenne von 3, die die Anordnung eines wahlweisen Reflektors zur Vergrößerung des Anteils der von der Antenne nach vorn abgestrahlten elektromagnetischen Energie zeigt;

5 eine erste Ausführungsform einer Antenne mit vier im 90°-Abstand um die Antennenachse angeordneten gleich langen Schlitzöffnungen;

6 eine Ansicht der Rückseite der Antenne in 5, die einen Signalverstärker und eine Impedanzlast zeigt, die an den Enden einer Übertragungsleitung angebracht sind;

7 eine zweite Ausführungsform einer Antenne mit gekrümmten Schlitzöffnungen und geraden radialen Schlitzsegmenten zur Vergrößerung der Kopplung zwischen den Schlitzöffnungen und einer Übertragungsleitung;

8 eine dritte Ausführungsform einer Antenne mit im Uhrzeigersinn spiralförmig verlaufenden Schlitzöffnungen mit zwei unterschiedlichen Längen zum Senden oder Empfangen linksdrehend polarisierter Signale zweier unterschiedlicher Wellenlängen;

9 eine Ansicht der Rückseite der Antenne von 8, die eine breite Übertragungsleitung zur bestmöglichen Kopplung von Signalen zweier unterschiedlicher Wellenlängen zeigt;

10 eine Vorderansicht einer vierten Ausführungsform einer Antenne hoher Richtfähigkeit mit zwölf in gleichem Abstand um die Antennenachse angeordneten spiralförmigen Schlitzöffnungen;

11 eine Vorderansicht einer fünften Ausführungsform einer Antenne mit einer Gruppe gerader Schlitzöffnungen; und

12 eine Rückansicht der Antenne in 11 und zeigt an den Enden einer Übertragungsleitung befestigte rauscharme Signalverstärker.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM

1 ist eine schematische Darstellung der Rückseite einer im Wesentlichen planaren Antenne 10 zum Empfangen oder Senden elektromagnetischer Signale der Wellenlänge &lgr; gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine hintere Fläche 13 der Antenne 10 wird von einer Außenkante 17 begrenzt. Die Außenkante 17 umschließt eine rechtwinklig zur hinteren Fläche 13 ausgerichtete Antennenachse 11. Eine Übertragungsleitung 21, die aus einem Mikrostreifen, einem koplanaren Hohlleiter oder einem anderen derartigen leitfähigen Bauteil gemäß dem Stand der einschlägigen Technik bestehen kann, ist auf der hinteren Fläche 13 angeordnet. Die Übertragungsleitung 21 enthält ein Eingangsende 23 zum Empfangen oder Aussenden der elektromagnetischen Signale. Das Eingangsende ist über einen ersten Leiter 12 elektrisch mit einem Steckverbinder 22 wie z.B. einem HF-Steckverbinder als Schnittstelle zur äußeren Schaltung verbunden. Ein Anschlussende 25 der Übertragungsleitung 21 ist über einen zweiten Leiter 14 elektrisch mit einer Lastimpedanz 24 verbunden. Die Übertragungsleitung 21 hat die Form eines Kreisbogens, wobei ein Innenrand 29 der Übertragungsleitung 21 auf einem Radius R und ein Außenrand 27 auf einem Radius R + w von der Antennenachse 11 liegen. Die Hohlleiter-Wellenlänge der Übertragungsleitung ist gleich einer oder mehrerer gesendeter (oder empfangener) Wellenlängen &lgr;.

2 ist ein Querschnitt der Antenne 10, wie durch die Schnittpfeile in 1 angegeben. Die Antenne 10 enthält ein Substrat 19 aus einem nicht leitfähigen oder dielektrischen Material mit einer Dicke t, wobei die Übertragungsleitung 21 auf der hinteren Fläche 13 des Substrats 19 und eine leitfähige Schicht 31 auf einer vorderen Fläche 15 des Substrats 19 angeordnet sind. Die vordere Fläche 15 wird ebenfalls von der Außenkante 17 begrenzt.

3 ist eine schematische Darstellung der Vorderseite der Antenne 10 und zeigt, dass die leitfähige Schicht 31 eine Vielzahl ähnlicher gekrümmter Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 enthält, wobei jede Schlitzöffnung 33, 35, 37 und 39 durch die leitfähige Schicht 31 bis zur vorderen Fläche 15 des Substrats 19 reicht. Die Antenne 10 kann so aus einer Zweischicht-Platine (Printed Circuit Board – PCB) hergestellt werden, wobei die Übertragungsleitung 21 und die Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 durch geeignetes Ätzen von Abschnitten der betreffenden Deckschichten so geformt werden können, dass die Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 und die Übertragungsleitung 21 herausgebildet werden. Es versteht sich, dass sich die vorliegende Erfindung, obwohl zur Veranschaulichung vier Schlitzöffnungen gezeigt werden, nicht auf diese Anzahl beschränkt und m Schlitzöffnungen unterschiedlicher Form und Länge enthalten kann, wobei m ≥ 2, wie weiter unten detaillierter erklärt wird.

Außerdem können die Schlitzöffnungen in der gezeigten Form gekrümmt oder gerade Segmente oder eine Kombination aus geraden und gekrümmten Segmenten sein, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird. Die gekrümmten Formen können aus einem Kegelschnitt (d.h. einem kreisförmigen, elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Bogen), einer archimedischen Spirale, einer logarithmischen Spirale oder einer exponentiellen Spirale bestehen. Gerade Schlitzöffnungen entsprechen Dipolen, daher erzeugt eine einzelne Schlitzöffnung ein linear polarisiertes Signal. Eine Gruppierung gerader Schlitzöffnungen kann aber zum Senden oder Empfangen eines zirkular polarisierten Signals verwendet werden, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird. Eine zirkulare Polarisation kann auch mit einer Gruppierung gekrümmter Schlitzöffnungen erzeugt werden, wobei die jeweiligen Schlitzöffnungen in Richtung der gewünschten zirkularen Polarisation gekrümmt sind (d.h. zum Empfangen oder Senden linksdrehender zirkular polarisierter Signale erfolgt eine Krümmung im Uhrzeigersinn). Durch Verwendung gekrümmter Schlitzöffnungen mit den äquivalenten Hohlleiter-Wellenlängen gerader Schlitzöffnungen kann die physische Größe der Antenne verringert werden.

Die Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 haben jeweilige axiale Enden 33a, 35a, 37a und 39a, die nahe an der Antennenachse 11 liegen, und jeweilige periphere Enden 33p, 35p, 37p und 39p, die nahe an der Außenkante 17 liegen. Die axialen Enden 33a, 35a, 37a und 39a haben jeweils einen Abstand d1, d2, d3 und d4 von der Antennenachse 11, wobei d1 < R. Das heißt, die jeweiligen axialen Enden 33a, 35a, 37a und 39a der jeweiligen Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 liegen innerhalb des Kreises mit dem Radius R, der von der Übertragungsleitung 21 (hier gestrichelt dargestellt) auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 19 definiert ist. Wenn daher die Antenne 10 zum Senden von Signalen verwendet wird, wird elektromagnetische Energie in die Übertragungsleitung eingespeist und mit der Schlitzöffnung 33, 35, 37 und 39 elektromagnetisch gekoppelt. Diese Kopplung erfolgt in den vier jeweiligen Bereichen, in denen die auf der vorderen Fläche 15 liegenden Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 der auf der hinteren Fläche 13 der Planarantenne liegenden Übertragungsleitung 21 am nächsten und direkt gegenüber liegen.

Beispielsweise befindet sich ein Abschnitt der Schlitzöffnung 33 in einem der Substratdicke t entsprechenden Abstand von der Übertragungsleitung 21 in einem Kopplungsbereich 43.

Wie im Stand der Technik hinreichend bekannt ist, erzeugt die durch die Übertragungsleitung 21 fließende elektromagnetische Energie ein Strahlungsfeld quer zur Schlitzöffnung 33 im Kopplungsbereich 43. Diese elektromagnetische Energie wird gleichermaßen in die Schlitzöffnungen 35, 37 und 39 in den Kopplungsbereichen 45, 47 bzw. 49 gekoppelt. Der Kopplungsgrad ist eine Funktion der Dicke t des Substrats 19, der Breite w der Übertragungsleitung 21, der Breite v der Schlitzöffnung 33 und der dielektrischen Eigenschaften des Substrats 19. Wenn umgekehrt die Antenne 10 zum Empfangen von Signalen verwendet wird, wird Strahlungsenergie an den Schlitzöffnungen 33, 35, 37 und 39 empfangen und in die Übertragungsleitung 21 an den jeweiligen Kopplungsbereichen 43, 45, 47 und 49 gekoppelt.

Wie für den Fachmann ersichtlich ist, wird von der Antenne 10 abgestrahlte elektromagnetische Energie in beide Richtungen längs der Antennenachse 11 ausgesendet. Zur Vergrößerung der nach vorn ausgesendeten Energie und zur Verkleinerung der rückwärtigen Strahlungskeule kann ein Reflektor 40 parallel gegenüber der hinteren Fläche 13 der Antenne 10 angebracht werden, wie in 4 gezeigt. In einer anderen Ausführungsform könnte an Stelle des Reflektors 40 ein umschlossener Hohlraum (nicht dargestellt) verwendet werden, wie im Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Das von der Antenne 10 ausgesendete Strahlungsdiagramm kann ebenso wie die Strahlungsdiagramm-Steilheitseigenschaften durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstands zwischen dem Reflektor 40 und der Antenne 10 nach Wunsch verändert werden.

5 ist die Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer Planarantenne 50 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Planarantenne 50 umfasst vier symmetrisch um eine Antennenachse 51 in einem Winkelabstand von &pgr;/2 Radian angeordnete gleiche spiralförmige Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59, jede mit der Breite v und der Hohlleiter-Wellenlänge LGW. Diese Konfiguration stellt eine phasengesteuerte Gruppen-Schlitzantenne bereit. Da die Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 in Gegenuhrzeigerichtung gekrümmt sind, werden die gesendeten oder empfangenen Signale rechtsdrehend polarisiert. Umgekehrt werden linksdrehend polarisierte Signale erzeugt (oder empfangen), wenn die Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 im Uhrzeigersinn gekrümmt sind. Durch eine im Vergleich zur Hohlleiter-Wellenlänge LGW enge Öffnungsbreite v wird unerwünschte Kreuzpolarisierung möglichst niedrig gehalten. Die Form jeder der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 kann am besten in Polarkoordinaten mit der Antennenachse 51 als Ursprung beschrieben werden. Die radialen Abstände r(&thgr;) der Innenkanten der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 vergrößern sich von ra an den jeweiligen axialen Enden 53a, 55a, 57a und 59a auf einen maximalen Radius rp an den jeweiligen peripheren Enden 35p, 55p, 57p und 59p. Der radiale Abstand von der Antennenachse 51 zur Innenkante jeder Schlitzöffnung 53, 55, 57 und 59 vergrößert sich mit dem Zentriwinkel &thgr; und ist auch eine Funktion des Zwischenabstands &Dgr;r für jede spiralförmige Schlitzöffnung, wobei &Dgr;r ≡ r(&thgr; + 2&pgr;) – r(&thgr;) . Für die Schlitzöffnung 53 kann der radiale Abstand von der Antennenachse 51 mit der Gleichung beschrieben werden:

Die Schlitzöffnung 55 ist von der Schlitzöffnung 53 um &pgr;/2 Radian (90°) räumlich versetzt. In ähnlicher Weise sind die Schlitzöffnung 57 um &pgr; Radian (180°) und die Schlitzöffnung 59 um 3&pgr;/2 (270°) räumlich versetzt. Die radialen Abstände r(&thgr;, &Dgr;r) der Innenkanten der drei Schlitzöffnungen 55, 57 und 59 können mit den zutreffenden Gleichungen ermittelt werden:

Die Hohlleiter-Wellenlänge LGW jeder der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 wird zur Maximierung des Antennenwirkungsgrads (d.h. LGW = n&lgr;/4 ) als ein Vielfaches der Viertelwellenlängen des Empfangs- oder Sendesignals bestimmt. Bei der dargestellten Konfiguration umfasst jede spiralförmige Schlitzöffnung einen Winkel &thgr;, wobei

Die Breite v jeder der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 muss beträchtlich kleiner als die Hohlleiter-Wellenlänge und groß genug sein, um eine gute elektromagnetische Kopplung zwischen der jeweiligen Schlitzöffnung 53, 55, 57 und 59 und einer Übertragungsleitung 61 zu ermöglichen, was am besten aus 6 zu ersehen ist, die eine Rückansicht der Planarantenne 50 darstellt. Die Übertragungsleitung 61 "kreuzt" jede der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 in den jeweiligen Kopplungsbereichen 63, 65, 67 und 69. Die Kopplungsbereiche 63, 65, 67 und 69 sind um &pgr;/2 Radian (90°) gegeneinander versetzt. Diese Konfiguration ermöglicht die Anpassung der elektrischen Phasendifferenzen in den Kopplungsbereichen 63, 65, 67 und 69 (d.h. 90°-Differenzen) mit den räumlichen Differenzen der Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59, wenn die Hohlleiter-Wellenlänge der Übertragungsleitung 61 als eine einzige Wellenlänge &lgr; abgestimmt ist. Es wird ein einzelner ungerichteter Strahl erzeugt, wenn die Hohlleiter-Wellenlänge der Übertragungsleitung 61 eine Wellenlänge &lgr; ist; ein schielender Strahl wird erzeugt, wenn die Hohlleiter-Wellenlänge kürzer als eine Wellenlänge ist, und es werden mehrere gerichtete Strahlen erzeugt, wenn die Hohlleiter-Wellenlänge der Übertragungsleitung 61 größer als eine Wellenlänge ist.

Mittels einer an ein Eingangs-/Ausgangsende 62 der Übertragungsleitung 61 angeschlossenen Signalquelle (oder eines Empfängers) wird ein Signal über einen rauscharmen Verstärker 71 ausgesendet (oder empfangen). Ein Steckverbinder 75 ermöglicht den Anschluss des ausgesendeten (oder empfangenen) Signals über ein Koaxialkabel, einen Lichtwellenleiter oder einen Hohlleiter an eine äußere Schaltung. Eine Impedanzlast 73 ist mit einem Anschlussende 64 der Übertragungsleitung 61 verbunden und stellt so eine Streuwellen-Antennenkonfiguration her, um damit eine gleichförmige Amplitudenkopplung an alle Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 sicherzustellen. Im anderen Fall kann der Steckverbinder 75 direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsende 62 der Übertragungsleitung 61 verbunden werden, und der Verstärker 71 kann auf einer getrennten Platine angeordnet werden.

Bei der dargestellten Konfiguration durchläuft ein vom rauscharmen Verstärker 71 ausgehendes und in der Impedanzlast 73 endendes Sendesignal die Übertragungsleitung 61 in Gegenuhrzeigerrichtung (auf die Vorderseite der Planarantenne 50 gesehen). Da das Sendesignal nacheinander mit den Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 an den jeweiligen Kopplungsbereichen 63, 65, 67 und 69 gekoppelt wird, wird von der Planarantenne 50 ein rechtsdrehend polarisiertes Signal ausgesendet. Im anderen Fall kann das Signal durch die Übertragungsleitung 61 im Uhrzeigersinn ausgesendet werden, und die Schlitzöffnungen 53, 55, 57 und 59 können für ein linksdrehend polarisiertes Sende- (oder Empfangs-)Signal im Uhrzeigersinn gekrümmt werden. Bei einer Konfiguration, in der das Signal in eine zur Richtung der spiralförmigen Schlitzöffnungen entgegengesetzte Richtung läuft, wird sowohl eine rechtsdrehend als auch eine linksdrehend polarisierte Strahlung ausgesendet (oder empfangen).

Bei einer zweiten in 7 gezeigten Ausführungsform enthält eine Antenne 80 eine Gruppierung von vier mit der Übertragungsleitung 61 (auf der Rückseite der Antenne 80) gekoppelten Schlitzöffnungen 81, 83, 85 und 87. Zur Verbesserung der elektromagnetischen Kopplung mit der Übertragungsleitung 61 enthält jede der Schlitzöffnungen 81, 83, 85 und 87 ein im rechten Winkel zur Übertragungsleitung 61 ausgerichtetes gerades radiales Segment 89. Die Schlitzöffnungen 81, 83, 85 und 87 sind zusammen mit den jeweiligen radialen Segmenten 89 auf ein optimales Aussenden (oder Empfangen) einer bestimmten Wellenlänge &lgr; abgestimmt. Da Schlitzantennen Breitbandantennen sind, kann die Antenne 80 zusätzlich zur Strahlung mit der Wellenlänge &lgr; ein breites Band von Wellenlängen aussenden (oder empfangen). Wenn dieses breite Band von Wellenlängen innerhalb 30% von &lgr; liegt, kann eine auf eine Hohlleiter-Wellenlänge &lgr; abgestimmte Schlitzöffnung ebenso zum Senden (oder Empfangen) des breiten Bands von Wellenlängen verwendet werden. Für außerhalb dieses breiten Bands liegende Wellenlängen wird eine zweite Schlitzöffnung mit einer unterschiedlichen Hohlleiter-Wellenlänge verwendet.

Beispielsweise ist in der in 8 gezeigten dritten Ausführungsform eine Antenne 90 zum Senden und Empfangen linksdrehend polarisierter Signale auf zwei Wellenlängen, &lgr;1 und &lgr;2, ausgelegt. Zwei Schlitzöffnungen 91 und 95 sind auf die längere Wellenlänge &lgr;1 und zwei Schlitzöffnungen 93 und 97 auf die kürzere Wellenlänge &lgr;2 abgestimmt. Die Schlitzöffnung 91 kann auf die Wellenlänge &lgr;1 mit einer Hohlleiter-Wellenlänge LGW von (I) einer Wellenlänge (&lgr;1), (II) zwei Wellenlängen (2&lgr;1), iii) eine halbe Wellenlänge ( &lgr;1/2), (III) eine viertel Wellenlänge (&lgr;1/4), oder (IV) ein anderes Vielfaches oder einen anderen Bruchteil einer Wellenlänge (a&lgr;1/b) abgestimmt werden.

Die Antenne 90 weist eine Übertragungsleitung 101 mit einer im Vergleich zur Breite der Übertragungsleitung 61 (in 6) größeren Breite auf. Wie am besten in 9 ersichtlich, hat die Übertragungsleitung 101 eine Innenkante 103 mit einem Krümmungsradius R1 und eine Außenkante 105 mit einem Krümmungsradius R2 = R1 + w. Wie im Stand der Technik hinreichend bekannt erscheint ein in der Übertragungsleitung übertragenes Signal hauptsächlich an den Rändern 103 und 105. Die Hohlleiter-Wellenlänge längs des Innenrands 103 ist um den Bruch R1/R2 kleiner als die Hohlleiter-Wellenlänge längs des Außenrands. Durch die Wahl geeigneter Werte für R1 und R2 kann die Übertragungsleitung 101 für die Kopplung von mehr als einer Wellenlänge in die Gruppe der Schlitzöffnungen 91, 93, 95 und 97 optimiert werden.

Wie oben erwähnt beschränkt sich die Erfindung nicht auf eine einzige Frequenz oder nur auf vier Schlitzöffnungen. In einer in 10 gezeigten vierten Ausführungsform enthält eine Antenne 110 sechs auf eine erste Wellenlänge &lgr;1 abgestimmte Schlitzöffnungen 111 und sechs auf eine zweite kürzere Wellenlänge &lgr;2 abgestimmte Schlitzöffnungen 113. Die Gruppe der Schlitzöffnungen 111 ist um eine Antennenachse 115 innerhalb der Gruppe der Schlitzöffnungen 113 angeordnet. Die sechs Schlitzöffnungen 111 sind gegeneinander in Winkelabständen von &pgr;/3 Radian (60°) und die sechs Schlitzöffnungen 113 in Winkelabständen von &pgr;/3 Radian (60°) gegeneinander versetzt. Alle zwölf Schlitzöffnungen 111 und 113 sind an eine an der Rückseite der Antenne 110 angeordnete Übertragungsleitung (nicht dargestellt) gekoppelt. Mit zwölf Schlitzöffnungen besitzt die Antenne 110 eine größere Richtfähigkeit und eine größere Richtdiagrammsteilheit von der Hauptstrahlrichtung zum Antennenhorizont als z.B. die in 5 gezeigte Antenne 50 mit vier Schlitzöffnungen.

Bei einer in 11 dargestellten fünften Ausführungsform weist eine Antenne 120 acht um eine Antennenachse 123 angeordnete gerade Schlitzöffnungen 121a, 121b, ... und 121h auf. Jede Schlitzöffnung 121a121h ist wie in 12 gezeigt an eine Übertragungsleitung 125 auf der Rückseite der Antenne 120 gekoppelt. Ein erstes Ende 127 der Übertragungsleitung 125 ist mit einem ersten Signalverstärker 131 und ein zweites Ende 129 der Übertragungsleitung 125 mit einem zweiten Signalverstärker 133 verbunden. Auch steht ein Schaltkreis (nicht dargestellt) zur Verfügung, der entweder dem ersten Signalverstärker 131 oder dem zweiten Signalverstärker 133 das Senden eines entsprechenden Signals durch die Übertragungsleitung 125 ermöglicht. Ein vom ersten Signalverstärker 131 ausgesendetes Signal läuf in Gegenuhrzeigerrichtung vom ersten Ende 127 zum zweiten Ende 129. Die Eingangsimpedanz des zweiten Signalverstärkers 133 versieht das vom ersten Signalverstärker 131 ausgesendete Signal mit einer Impedanzlast. Das in Gegenuhrzeigerrichtung laufende Signal wird zuerst in die gerade Schlitzöffnung 121a und zuletzt in die gerade Schlitzöffnung 121h gekoppelt. Diese Kopplungsfolge erzeugt ein linksdrehend zirkular polarisiertes Sendesignal.

In ähnlicher Weise läuft ein vom zweiten Signalverstärker 133 ausgesendetes Signal vom zweiten Ende 129 in Uhrzeigerrichtung zum ersten Ende 127. Die Eingangsimpedanz des ersten Signalverstärkers 131 versieht das vom zweiten Signalverstärker 133 ausgesendete Signal mit einer Impedanzlast. Das im Uhrzeigersinn laufende Signal wird zuerst in die gerade Schlitzöffnung 121h und zuletzt in die gerade Schlitzöffnung 121a gekoppelt. Diese Kopplungsfolge erzeugt ein rechtsdrehend zirkular polarisiertes Sendesignal. Auf diese Weise kann eine einzige Antenne zum Aussenden von Signalen beider Polarisationsrichtungen verwendet werden.

Im anderen Fall kann der zweite Signalverstärker 133 durch einen Empfänger (nicht dargestellt) ersetzt werden, und die Antenne 120 kann zum Aussenden linksdrehend zirkular polarisierter Signale über den ersten Signalverstärker 121 und zum Empfang rechtsdrehend zirkular polarisierter Signale über den Empfänger verwendet werden. Wenn auch der erste Signalverstärker durch einen zweiten Empfänger (nicht dargestellt) ersetzt wird, können sowohl linksdrehend polarisierte als auch rechtsdrehend polarisierte Signale von der Antenne 120 empfangen werden.


Anspruch[de]
  1. Im Wesentlichen plane Antenne (10), geeignet zum Senden oder Empfangen eines elektromagnetischen Signals, wobei die Antenne aufweist:

    eine Matrix aus m Schlitzen (33, 35, 37, 39) , die in einer oberen Oberfläche (31) der Planarantenne angeordnet sind, wobei die Schlitze zum Senden und Empfangen des elektromagnetischen Signals dienen und die Schlitzmatrix eine Antennenachse (11) definiert; und eine Übertragungsleitung (21) zum sequentiellen Koppeln des empfangenen oder gesendeten elektromagnetischen Signals mit den Schlitzen, wobei die Übertragungsleitung auf einer unteren Oberfläche (13) der Antenne so angeordnet ist, dass sie die Antennenachse im Wesentlichen umgibt, und die Übertragungsleitung eine Vielzahl von m Kopplungszonen (43, 45, 47, 49) aufweist, wobei jede Kopplungszone ein Segment der Übertragungsleitung aufweist, das in der Nähe eines entsprechenden Schlitzes so angeordnet ist, dass ein über die Übertragungsleitung übertragenes elektromagnetisches Signal sequentiell in entsprechende Schlitze gekoppelt wird.
  2. Antenne nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Schlitz gekrümmt ist.
  3. Planarantenne nach Anspruch 1, ferner aufweisend:

    ein nicht leitfähiges im Wesentliches planes Substrat (19) mit einer unteren (13) und einer oberen (15) Oberfläche, die durch einen gemeinsamen Umfangsrand (17) begrenzt sind, wobei der Umfangsrand die senkrecht zur unteren und oberen Oberfläche verlaufende Antennenachse (11) einschließt;

    die auf der unteren Oberfläche (13) angeordnete Übertragungsleitung (21), die ferner ein erstes Ende (23), ein zweites Ende (25) und einen sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckenden Innenrand (29) aufweist, wobei mindestens ein Abschnitt des Innenrandes einen Krümmungsradius R hat, dessen Mittelpunkt auf der Antennenachse liegt; und

    die auf einer Ieitfähigen Schicht, die auf der oberen Oberfläche aufgebracht ist, angeordneten Schlitze, die jeweils ein im Abstand R zur Antennenachse befindliches Ende und eine Breite haben, die erheblich schmäler als die Länge ist,

    wodurch bei Einspeisung eines elektromagnetischen Signals in das erste Ende und sequentieller Kopplung elektromagnetischer Energie in die entsprechenden Schlitze ein abgestrahltes Signal von den Schlitzen im Wesentlichen in Richtung der Antennenachse übertragen wird.
  4. Antenne nach Anspruch 3, bei der der Innenrand (29) der Übertragungsleitung eine elektrische Länge von mindestens &lgr; hat.
  5. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der die Übertragungsleitung mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus einem Mikrostreifenleiter und einem koplanaren Wellenleiter aufweist.
  6. Antenne nach Anspruch 1 und 3, ferner einen elektrisch an ein Ende der Übertragungsleitung angeschlossenen Steckverbinder (22) aufweisend.
  7. Antenne nach Anspruch 1 und 3, ferner mindestens einen elektrisch an mindestens ein Ende der Übertragungsleitung angeschlossenen Verstärker (71) aufweisend.
  8. Antenne nach Anspruch 1 und 3, ferner eine elektrisch an ein Ende der Übertragungsleitung angeschlossene Ohmsche Last (24) aufweisend.
  9. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der mindestens ein erster Schlitz eine elektrische Länge a&lgr;/b hat.
  10. Antenne nach Anspruch 9, bei der ein zweiter Schlitz eine elektrische Länge hat, die größer ist als die elektrische Länge des ersten Schlitzes.
  11. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der die m Schlitze so um die Antennenachse angeordnet sind, dass mindestens zwei benachbarte Schlitze räumlich um einen Winkel 2&pgr;/m voneinander getrennt sind.
  12. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der mindestens ein Schlitz einen geraden Abschnitt (89) enthält.
  13. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der mindestens ein Schlitz einen gekrümmten Abschnitt enthält.
  14. Antenne nach Anspruch 13, bei der der gekrümmte Abschnitt eine Form aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus Kegelschnittbogen, Spiralbogen, logarithmischem Bogen und Exponentialbogen gewählt wird.
  15. Antenne nach Anspruch 1 und 3, ferner einen beabstandet und parallel zur unteren Oberfläche angeordneten Reflektor (40) aufweisend.
  16. Antenne nach Anspruch 1 und 3, ferner einen neben der unteren Oberfläche angeordneten geschlossenen Hohlraum aufweisend.
  17. Antenne (90), geeignet zum Senden oder Empfangen elektromagnetischer Signale der Wellenlängen &lgr;1 und &lgr;2, wobei die Antenne aufweist:

    ein nicht leitfähiges im Wesentliches planes Substrat (19) mit einer ersten (13) und einer zweiten (15) Oberfläche, die durch einen gemeinsamen Umfangsrand (17) begrenzt sind,

    wobei der Umfangsrand eine senkrecht diesen Oberfläche verlaufende Antennenachse (115) einschließt;

    eine auf der ersten Oberfläche angeordnete Übertragungsleitung (101), wobei die Übertragungsleitung ein erstes Ende (23), ein zweites Ende (25) und einen sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckenden Innenrand (103) aufweist, wobei mindestens ein Abschnitt des Innenrandes einen Krümmungsradius R hat, dessen Mittelpunkt auf der Antennenachse (115) liegt; und

    eine auf der zweiten Oberfläche (15) aufgebrachte leitfähige Schicht (31),

    wobei die leitfähige Schicht eine erste Matrix aus m Schlitzen (91, 95) aufweist, wobei jeder Schlitz der ersten Matrix ein in der Nähe des Umfangsrandes befindliches Umfangsende und ein im Abstand R von der Antennenachse befindliches axiales Ende hat, jeder der Schlitze der ersten Matrix eine elektrische Länge ganzzahliger Vielfacher von &lgr;1/4 zwischen dem Umfangsende und dem axialen Ende hat und mindestens ein Schlitz der ersten Matrix von einem benachbarten Schlitz der ersten Matrix räumlich um einen Winkel 2&pgr;/m getrennt ist;

    wobei die leitfähige Schicht ferner eine zweite Matrix aus m Schlitzen (93, 97) aufweist, wobei jeder Schlitz der zweiten Matrix ein in der Nähe des Umfangsrandes befindliches Umfangsende und ein im Abstand R von der Antennenachse befindliches axiales Ende hat, jeder der Schlitze der zweiten Matrix eine elektrische Länge ganzzahliger Vielfacher von &lgr;2/4 zwischen dem Umfangsende und dem axialen Ende hat und mindestens ein Schlitz der zweiten Matrix von einem benachbarten Schlitz der zweiten Matrix räumlich um einen Winkel 2&pgr;/m getrennt ist;

    wodurch bei Einspeisung eines elektromagnetischen Signals in die Übertragungsleitung über das erste Ende elektromagnetische Energie sequentiell so in die entsprechenden Schlitze gekoppelt wird, dass ein abgestrahltes Signal mit einer Wellenlänge von entweder &lgr;1 oder &lgr;2, von den Schlitzen im Wesentlichen in Richtung der Antennenachse übertragen wird.
  18. Antenne nach Anspruch 18, bei der mindestens eine Schlitz eine Form aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus Kegelschnittbogen, Spiralbogen, logarithmischem Bogen und Exponentialbogen gewählt wird.
  19. Antenne nach Anspruch 18, ferner einen elektrisch an das erste Ende der Übertragungsleitung angeschlossenen Steckverbinder (75) aufweisend.
  20. Antenne nach Anspruch 18, ferner mindestens einen elektrisch an mindestens ein Ende der Übertragungsleitung angeschlossenen Verstärker (71) aufweisend.
  21. Antenne nach Anspruch 18, ferner eine elektrisch an das zweite Ende der Übertragungsleitung angeschlossene Ohmsche Last (73) aufweisend.
  22. Antenne nach Anspruch 18, ferner einen beabstandet und parallel zur ersten Oberfläche des Substrats angeordneten Reflektor (40) aufweisend.
  23. Antenne nach Anspruch 18, ferner einen neben der ersten Oberfläche der Antenne angeordneten geschlossenen Hohlraum aufweisend.
  24. Verfahren zum Aussenden eines zirkular polarisierten Signals von einer Planarantenne, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

    Senden eines ersten elektromagnetischen Signals der Wellenlänge &lgr;1 in einer ersten oder einer zweiten Richtung entlang einer an der Rückseite der Antenne angeordneten Übertragungsleitung, wobei die Übertragungsleitung ein bogenförmiges Segment mit einem Radius R hat, dessen Mittelpunkt auf der Antennenachse liegt; und

    sequentielles Koppeln des gesendeten Signals in zwei oder mehr in einer leitfähigen Schicht auf einer vorderen Antennenfläche ausgeformte Schlitze, wobei jeder Schlitz ein im Abstand R zur Antennenachse befindliches Ende hat, und wobei die Schlitze so um die Antennenachse angeordnet sind, dass ein Signal der Wellenlänge &lgr;1 mit rechts- oder linksdrehender Zirkularpolarisation in Abhängigkeit von der Übertragungsrichtung ausgesendet wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Schritt des sequentiellen Koppelns den Schritt des Erzeugens eines sich von der Übertragungsleitung zu den Schlitzen erstreckenden Strahlungsfeldes aufweist.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, ferner folgende Schritte aufweisend:

    Senden eines zweiten elektromagnetischen Signals der Wellenlänge &lgr;2 entlang der Übertragungsleitung; und

    sequentielles Koppeln des gesendeten Signals in einer solchen Weise in die Schlitze, dass ein Signal der Wellenlänge &lgr;2 ausgesendet wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 24, ferner folgende Schritte aufweisend:

    Senden eines zweiten elektromagnetischen Signals der Wellenlänge &lgr;2 entlang der Übertragungsleitung in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Übertragung des ersten elektromagnetischen Signals; und

    umgekehrtes sequentielles Koppeln des gesendeten Signals in einer solchen Weise in die Schlitze, dass ein Signal der anderen rechts- oder linksdrehenden Zirkularpolarisation ausgesendet wird.
  28. Verfahren zum Empfangen eines zirkular polarisierten abgestrahlten Signals mittels einer Planarantenne, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

    Empfangen des abgestrahlten Signals in zwei oder mehr in einer leitfähigen Schicht auf einer vorderen Oberfläche der Antenne ausgeformten Schlitzen, wobei jeder Schlitz ein in der Nähe des Antennenumfangs befindliches erstes Ende und ein im Abstand R zur Antennenachse befindliches zweites Ende hat; und

    sequentielles Koppeln des von jedem Schlitz empfangenen Signals in eine Übertragungsleitung in einer zur Richtung der Zirkularpolarisation des empfangenen Signals gehörigen Richtung, wobei die Übertragungsleitung ein bogenförmiges Segment mit einem Randradius R hat, dessen Mittelpunkt auf der Antennenachse liegt, und auf der Rückseite der Antenne angeordnet ist.
  29. Antenne nach Anspruch 1 und 3, bei der die Schlitze jeweils eine Breite haben, die wesentlich schmäler ist als die Länge der Schlitze.
  30. Verfahren zum Aussenden eines zirkular polarisierten Signals von einer Planarantenne, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

    Senden eines ersten elektromagnetischen Signals der Wellenlänge &lgr;1 entlang einer an der Rückseite der Antenne angeordneten Übertragungsleitung, wobei die Übertragungsleitung ein bogenförmiges Segment mit einem Radius R hat, dessen Mittelpunkt auf der Antennenachse liegt; und

    sequentielles Koppeln des gesendeten Signals in zwei oder mehr in einer leitfähigen Schicht auf einer vorderen Antennenfläche ausgeformte Schlitze, wobei jeder Schlitz ein im Abstand R zur Antennenachse befindliches Ende hat, und wobei die Schlitze gekrümmt und so um die Antennenachse angeordnet sind, dass ein Signal der Wellenlänge &lgr;1 mit rechts- oder linksdrehender Zirkularpolarisation auf Basis der Krümmungsrichtung der Schlitze ausgesendet wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, ferner die Schritte des Empfangens des zirkular polarisierten abgestrahlten Signals in zwei oder mehr der gekrümmten Schlitzen und des sequentiellen Koppelns des vom gekrümmten Schlitz empfangenen Signals in die Übertragungsleitung aufweisend.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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