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Dokumentenidentifikation DE102006008751A1 14.09.2006
Titel Feldkompensierte aktive Antenne und Antennearray
Anmelder Technische Universität München, 80333 München, DE
Erfinder Russer, Peter, Prof. Dr., 81929 München, DE
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 24.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006008751
Offenlegungstag 14.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.2006
IPC-Hauptklasse H01Q 21/00(2006.01)A, F, I, 20060224, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01Q 23/00(2006.01)A, L, I, 20060224, B, H, DE   H01Q 1/32(2006.01)A, L, I, 20060224, B, H, DE   H01Q 1/24(2006.01)A, L, I, 20060224, B, H, DE   H01Q 3/00(2006.01)A, L, I, 20060224, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine feldkompensierte, aktive Antenne (10) umfasst eine erste Elektrode (14), eine zweite Elektrode (16), die mit einem ersten Abstand (b) von der ersten Elektrode (14) angeordnet ist und kapazitiv mit der ersten Elektrode (14) gekoppelt ist, eine dritte Elektrode (12), die mit einem zweiten Abstand (a) von der zweiten Elektrode (16) angeordnet ist und kapazitiv mit der zweiten Elektrode (16) gekoppelt ist, wobei die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (16) und die dritte Elektrode (12) zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet sind, und einen Verstärker (18) mit einem Eingang (20) und mit einem Ausgang (22), wobei der Eingang (20) des Verstärkers (18) mit der ersten Elektrode (14) verbunden ist, und wobei der Ausgang (22) des Verstärkers (18) mit der zweiten Elektrode (16) verbunden ist. Ein Antennenarray umfasst eine Mehrzahl solcher Antennen, die miteinander verschaltet sind.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Antenne und ein Antennenarray mit einer Mehrzahl von verschalteten Antennen, insbesondere auf eine feldkompensierte, aktive Antenne und ein Antennenarray mit einer Mehrzahl von feldkompensierten, aktiven Antennen, die miteinander verschaltet sind.

Aktive Antennen sind im Stand der Technik als Kombination einer passiven Antenne mit einem Verstärker bekannt. In erster Linie handelt es sich bei diesen bekannten aktiven Antennen um Empfangsantennen, bei denen eine passive Antenne unter Vermeidung einer längeren Verbindungsleitung direkt mit einer Verstärkeranordnung verbunden ist. Dadurch kann eine Schnittstelle zwischen passiver Antenne und Verstärker mit einschränkenden Impedanzforderungen vermieden werden, und es gelingt, breitbandige hochempfindliche Empfangssysteme mit kleinen Antennen zu realisieren. Wird eine aktive Antenne in bekannter Weise durch eine Kombination einer passiven Antennenstruktur mit nachgeschaltetem Empfangsverstärker oder eine Kombination einer passiven Antennenstruktur mit vorgeschaltetem Sendeverstärker realisiert, so ist diese Antenne in der Regel nicht bidirektional und somit nur als Empfangsantenne oder aber nur als Sendeantenne zu verwenden. In den folgenden Veröffentlichungen findet sich eine Übersicht zum Stand der Technik auf dem Gebiet der bekannten aktiven Antennen.

  • • J.R. Copeland, W.J. Robertson, und R.G. Vertraete, "Antennafier arrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 12, S. 227–233, 1964.
  • • G. Flachenecker, "Eine blitzgeschützte, transistorierte Empfangsantenne," Nachrichtentechn. Z., Vol. 22, S. 557–564, 1969.
  • • H. Lindenmeier, "Einige Beispiele rauscharmer, transistorierter Empfangsantennen," Nachrichtentechn. Z., Vol. 22, S. 381–389, 1969.
  • • F. Landstorfer, "Kurze transistorierte Empfangsantennen im Frequenzbereich von 30–200 MHz," Nachrichtentechn. Z., Vol. 22, S. 694–700, 1969.
  • • F. Landstorfer, H. Lindenmeier, and H. Meinke, " Transistorierte Empfangsantennen bei Mikrowellen," Nachrichtentechn. Z., Vol, 24, S. 5–9, 1971.
  • • H. Lindenmeier, "Die transistorierte Empfangsantenne mit kapazitiv hochohmigem Verstärker als optimale Lösung für den Empfang niedriger Frequenzen," Nachrichtentechn. Z., Vol. 27, S. 411–418, 1974.
  • • H. Lindenmeier, "Optimum bandwidth of signal-to-noise ratio of receiving systems with small antennas," AEÜ Int. J. Electron. Commun., Vol. 30, S, 358–367, 1976.
  • • H. Lindenmeier, "Design of electrically small broadband receiving antennas under consideration of nonlinear distortions in amplifier elements," Proceedings IEEE Antennas and Propagation Int. Symp. at Amherst, S. 242–245, 1976.
  • • H. Lindenmeier, "Relation between minimum antenna height and bandwidth of the signal-to-noise ratio in a receiving system," Proceedings IEEE Antennas and Propagation Int. Symp. at Amherst, S. 246–249, 1976.
  • • H. Lindenmeier, "Kleinsignaleigenschaften und Empfindlichkeit einer aktiven Breitbandempfangsantenne mit großem Aussteuerbereich," Nachrichtentechn. Z., Vol. 30, S. 169–173, 1977.
  • • H. Lindenmeier, "Kenngrößen zur Beurteilung der Linearität aktiver Breitbandempfangsantennen mit großem Aussteuerbereich," Nachrichtentechn. Z., Nr. 30, S. 95–99, 1977.
  • • H. Lindenmeier, "New methods to solve the nonlinearity problem in active receiving antennas," Int. Symp. on Ant. a. Prop., Sendai, Japan, S. 525–529, 1978.
  • • H. Meinke, "Zur Definition einer aktiven Antenne," Nachrichtentechn. Z., Vol. 29, S. 55, 1976.
  • • H. Meinke, "Das Rauschen nichtreziproker, verstärkender Empfangsantennen," Nachrichtentechn. Z., Vol. 21, S. 322–329, 1958.

Der bidirektionale Betrieb wurde bisher im Duplex-Betrieb realisiert, wobei der Sendeoszillator und der Empfangsverstärker derart mit der passiven Sendestruktur verbunden sind, dass die Verkopplung von Sendekanal und Empfangskanal minimal ist, wie dies z.B. von

  • • B. Toland, J. Lin, B. Houshmand, and T. Itoh, "Integrated active antenna with full duplex operation," IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 45, Nr. 10, S. 1742–1748, 1997
beschrieben wird.

Eine wichtige Forderung für Antennen, welche in tragbaren Mobilfunkgeräten oder als Fahrzeugantennen eingesetzt werden sollen, ist, dass diese in das Gehäuse der tragbaren Geräte oder in die Karosserie der Fahrzeuge integriert werden können. Insbesondere sind konforme Antennen erwünscht, welche bei tragbaren Geräten in die Gehäuseoberfläche bzw. bei Fahrzeugantennen in die Karosseriewand integriert werden können. Hierbei wird gefordert, dass die Antenne eine möglichst geringe Dicke hat und an die Gehäuse- bzw. die Karosserieform angepasst werden kann. Eine Antenne, die an eine gekrümmte Fläche angepasst ist, wird als konforme Antenne bezeichnet. Konforme Antennen werden z.B. in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

  • • R. C. Hall, "Modeling conformal antennas for wireless personal communications," Proc. IEEE Aerospace Conference, Vol. 1, S. 81–82, 1997.
  • • W. Wiesbeck, M. Younis, and D. Löffler, "Design and measurement of conformal antennas," Proc. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 1, S, 84–87, 2002.
  • • H.-O. Ruoss und F.M. Landstorfer, "Design of mobile handset antennas for optimal performance in the presence of biological tissue," IEE Colloquium on Design of Mobile Handset Antennas for Optimal Performance in the Presence of Biological Tissue (Digest No. 1997/022), S. 2/1–2/6, 1997.

Der Nachteil von planaren oder konformen Antennenstrukturen mit sehr geringer Dicke ist, dass derartige Antennen einen extrem geringen Strahlungswiderstand aufweisen, da die Dicke dieser Antennenstrukturen elektrisch gleich der sogenannten Antennenhöhe ist und der Strahlungswiderstand quadratisch von der Antennenhöhe abhängt. Derartige Antennenstrukturen lassen sich nur in einem schmalen Frequenzbereich anpassen und führen zu einem sehr geringen Antennenwirkungsgrad. Um die erforderliche Antennenhöhe zu realisieren, muss bei der Integration der Mobilfunkantennen in ein Gehäuse ein entsprechender Anteil des Gehäusevolumens geopfert werden bzw. ist bei Fahrzeugantennen ein Aufbau auf der Karosserie erforderlich. Eine Integration von Fahrzeugantennen in die Karosserieoberfläche ist bei zufriedenstellenden elektrischen Eigenschaften nicht möglich.

Eine weitere Anforderung für künftige Millimeterwellenantennenstrukturen in der Sensorik ist die monolithische Integrierbarkeit derartiger Antennenstrukturen. Da monolithisch-integrierte Schaltkreise auf hochleitenden Silizium-Substraten realisiert werden, steht für die Realisierung der Antennenstrukturen nur eine oberste Schicht von wenigen Mikrometern Dicke zur Verfügung. Auch hier stellt sich das Problem, Antennenstrukturen mit zufriedenstellenden Eigenschaften bei geringer Dicke zu realisieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Antenne zuschaffen, die mit geringer Dicke hergestellt werden kann, aber gleichzeitig zufriedenstellende elektrische Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Antenne nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Antenne, mit:

einer ersten Elektrode;

einer zweiten Elektrode, die mit einem ersten Abstand von der ersten Elektrode angeordnet ist und kapazitiv mit der ersten Elektrode gekoppelt ist;

einer dritten Elektrode, die mit einem zweiten Abstand von der zweiten Elektrode angeordnet ist und kapazitiv mit der zweiten Elektrode gekoppelt ist, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet sind; und

einem Verstärker mit einem Eingang und mit einem Ausgang, wobei der Eingang des Verstärkers mit der ersten Elektrode verbunden ist, und wobei der Ausgang des Verstärkers mit der zweiten Elektrode verbunden ist.

Vorzugsweise ist die erste Elektrode angepasst, um an das elektrische Feld im Raum gekoppelt zu sein, und die dritte Elektrode ist eine Grundelektrode.

Erfindungsgemäß werden die oben erwähnten Probleme durch eine neuartige Antennenanordnung gelöst, bei der über einer Grundelektrode zwei weitere Elektroden angeordnet sind. Die Elektroden können eine rechteckige oder jede andere beliebige Form haben. Die Grundelektrode kann auch unbegrenzt bzw. beliebig weit ausgedehnt sein. Die zwischen der ersten Elektrode und der Grundelektrode angeordnete zweite Elektrode kann die gleiche Berandung wie die erste Elektrode haben oder über die Berandung der ersten Elektrode hinausgehen. Der Eingang des Verstärkers ist mit der metallisierten bzw. metallischen ersten Elektrode verbunden. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit der ebenfalls metallisierten oder metallischen zweiten Elektrode verbunden. Bei dem Verstärker handelt es sich vorzugsweise um einen Impedanzwandler mit hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz und einer Spannungsverstärkung V < 1, wobei V möglichst nahe 1 sein soll. Die Höhenabmessung der Antenne ist primär durch die Abstände zwischen den sich zumindest teilweise überlappenden Elektroden gegeben, wobei diese Abstände wesentlich kleiner sind als die lineare Flächenausdehnung der Antenne.

Die erfindungsgemäße aktive Antenne ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode, welche mit dem Empfangsfeld oder Strahlungsfeld verkoppelt ist, durch die zweite Elektrode von der Massefläche bzw. der Grundelektrode abgeschirmt ist, wobei die zweite Elektrode über den Verstärker mit dem Potential der ersten Elektrode mitgeführt wird. Dadurch wird das elektrische Feld in der Umgebung der ersten Elektrode in einer Weise verändert, dass es einem Feld entspricht, wie es ohne zweite Elektrode, jedoch bei wesentlich größerem Abstand zwischen der Grundelektrode und der ersten Elektrode auftreten würde. Durch diese Feldkompensation mit Hilfe der zweiten Elektrode wird der Abstand der Elektroden elektrisch vergrößert, ohne dass eine geometrische Vergrößerung des Abstandes erforderlich ist. Bei einer Spannungsverstärkung V = 0.99 des Verstärkers, ist es möglich, eine Antenne zu realisieren, bei der die Abstände zwischen den Elektroden jeweils ein Millimeter betragen, die sich elektrisch jedoch so verhält wie eine Antenne bestehend aus nur der Grundelektrode und der ersten Elektrode, wobei diese beiden Elektroden in einem Abstand von 10 Zentimetern angeordnet sind.

Dieser Effekt ist von großer technischer Bedeutung, da auf dieser Basis flache Antennen mit optimaler Eignung für den Einbau in Mobilfunkgeräte und Fahrzeuge realisiert werden können.

Die Erzeugung eines Kompensationsfeldes mit Hilfe der von dem Verstärker angesteuerten zweiten Elektrode wird im folgenden als "aktive Feldkompensation" bezeichnet. Zur begrifflichen Abgrenzung von bekannten aktiven Antennen wird die erfindungsgemäße Anordnung im folgenden als "feldkompensierte aktive Antenne" bezeichnet.

Die erfindungsgemäße feldkompensierte aktive Antenne hat gegenüber bekannten aktiven Antennen den Vorteil, dass nicht nur die Impedanzanpassung der Antenne verbessert wird, sondern das Nahfeld der Antenne wird durch die zweite Elektrode in der Weise beeinflusst wird, dass es dem Nahfeld einer Antenne wesentlich größerer Bauhöhe entspricht. Des weiteren hat die erfindungsgemäße aktive Antenne den Vorteil, dass sie bidirektional ist und sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne betrieben werden kann.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist bei der erfindungsgemäßen Antenne die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode jeweils eine ebene Oberfläche auf, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode zueinander parallel angeordnet sind. Alternativ weist die dritte Elektrode eine gekrümmten Oberfläche auf, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils konform gekrümmte Oberflächen aufweisen, wobei die Elektroden zueinander in jeweils konstantem Abstand angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Verstärker ein monolithisch integrierter Verstärker, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode vorzugsweise gemeinsam mit dem Verstärker monolithisch integriert sind.

Gemäß wiederum einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann bei der erfindungsgemäßen Antenne die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode jeweils durch eine Mehrzahl von Teilelektroden gebildet sein.

Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Antennenarray, mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen aktiven, feldkompensierten Antennen bzw. Antennenelementen, die miteinander verschaltet sind.

Das Antennenarray bildet vorzugsweise ein lineares oder flächiges Antennenarray, bei dem eine Mehrzahl der ersten Elektroden der Mehrzahl von Antennen fest miteinander verschaltet sind und/oder eine Mehrzahl der zweiten Elektroden der Mehrzahl von Antennen fest miteinander verschaltet sind. Alternativ kann eine Mehrzahl der ersten Elektroden der Mehrzahl von Antennen variabel miteinander verschaltbar sein und/oder eine Mehrzahl der zweiten Elektroden der Mehrzahl von Antennen variabel miteinander verschaltbar sein, wobei ein oder mehrere Schalterelemente zum variablen Verschalten der Elektroden vorgesehen sein können.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzuge Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer aktiven Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 ein Ersatzschaltbild der aktiven Antenne aus 1;

3 ein Ersatzschaltbild der aktiven Antenne aus 1 mit einem Emitterfolger als Impedanzwandler;

4 eine schematische Darstellung der aktiven Antenne gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

5 eine schematische Darstellung der aktiven Antenne mit allgemeiner Form der Elektroden gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

6 eine schematische Darstellung der aktiven Antenne als konforme Antenne gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

7(a) eine Querschnittdarstellung einer aktiven Antenne gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

7(b) eine Aufsicht der aktiven Antenne aus 7(a);

8 ein Antennenarray aus einer linearen Anordnung aus drei aktiven Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung;

9 ein Antennenarray aus einer flächenhaften Anordnung aus mehreren aktiven Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung;

10 eine Schrägriss-Darstellung der flächenhaften Anordnung aus mehreren aktiven Antennen nach 9;

11(a) eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit durchgehender oberer Elektrode und unterteilten mittleren Elektroden;

11(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 11(a);

11(c) ein Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 11(a);

12(a) eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit unterteilten oberen Elektroden und durchgehender mittlerer Elektrode;

12(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 12(a);

12(c) ein Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 12(a);

13(a) eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit durchgehender oberer Elektrode und durchgehender mittlerer Elektrode;

13(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 13(a);

13(c) ein Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 13(a);

14(a) eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus zwei verteilten aktiven Antennen mit jeweils durchgehender oberer Elektrode und unterteilten mittleren Elektroden;

14(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 14(a);

15(a) eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus zwei verteilten aktiven Antennen mit jeweils durchgehender oberer Elektrode und durchgehender mittlerer Elektrode;

15(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 15(a);

16 eine Aufsicht eines Antennenarrays aus einer flächenhaften Anordnung von aktiven Antennen;

17 eine Aufsicht eines Antennenarrays aus einer flächenhafte Anordnung von aktiven Antennen mit zwei eingebetteten Dipolelementen mit durchgehenden oberen Elektroden und unterteilten mittleren Elektroden; und

18 eine Aufsicht eines Antennenarrays aus einer flächenhafte Anordnung von aktiven Antennenelementen mit zwei eingebetteten Dipolelementen mit durchgehenden oberen und mittleren Elektroden.

In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden gleiche oder Gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt eine schematische Darstellung der aktiven Antenne 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Antenne 10 umfasst eine Grundelektrode 12, über der einer erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 16 angeordnet sind, wobei a den Abstand zwischen der zweiten Elektrode 16 und der Grundelektrode 12 und b den Abstand zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16 angibt. Die hier rechteckig dargestellten Elektroden 12, 14, 16 können auch beliebige Form haben. Obwohl die Elektroden 12, 14 und 16 als einander vollständig überlappend dargestellt sind, kann die Grundelektrode 12 auch so ausgestaltet sein, dass sich diese unbegrenzt bzw. beliebig weit ausdehnt. Die zweite Elektrode 16 kann die gleiche Berandung, also die gleichen Flächenabmessungen, wie die erste Elektrode 14 haben oder kann über die Berandung der ersten Elektrode 14 hinausgehen. Ein Verstärker 18 ist vorgesehen, dessen Eingang 20 mit der metallisierten bzw. metallischen ersten Elektrode 14 verbunden ist. Der Ausgang 22 des Verstärkers 18 ist mit der metallisierten bzw. metallischen zweiten Elektrode 16 verbunden. Der Verstärker 18 ist vorzugsweise ein Impedanzwandler mit hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz und einer Spannungsverstärkung V < 1, wobei V möglichst nahe 1 ist. Die Höhenabmessungen a und b sind wesentlich kleiner als die lineare Flächenausdehnung der Antenne 10.

Die erste Elektrode 14, die mit dem Empfangsfeld oder Strahlungsfeld verkoppelt ist, ist durch die zweite Elektrode 16 von der Massefläche bzw. Grundelektrode 12 abgeschirmt, wobei die zweite Elektrode 16 über den Verstärker 18 mit dem Potential der ersten Elektrode 14 mitgeführt wird. Dadurch wird das elektrische Feld in der Umgebung der ersten Elektrode 14 in der Weise verändert, dass es einem Feld entspricht, wie es ohne die zweite Elektrode 16, jedoch bei wesentlich größerem Abstand zwischen der ersten Elektroden 14 und der Grundelektrode 12 auftreten würde. Diese Feldkompensation mit Hilfe der zweiten Elektrode 16 bewirkt somit eine „elektrische Vergrößerung" des Abstand der Elektroden, ohne dass eine geometrische Vergrößerung des Abstandes erforderlich ist. Bei einer Spannungsverstärkung V = 0,99 des Verstärkers 18 ist es möglich, wie weiter unten ausgeführt wird, eine Antenne zu realisieren, bei der die Abstände a und b jeweils ein Millimeter betragen, die sich elektrisch jedoch so verhält wie eine Antenne bestehend aus nur der Grundelektrode 12 und der ersten Elektrode 14, wobei diese beiden Elektroden in einem Abstand von 10 Zentimetern angeordnet sind.

2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der aktiven Antenne 10 aus 1, wobei der Verstärker 18 eine Verstärkung V aufweist. U1 ist die Eingangsspannung des Verstärkers, U2 ist die Ausgangsspannung des Verstärkers. C12 ist die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16. C20 bezeichnet die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 16 und der Grundelektrode 12, und C10 ist die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 14 und der Grundelektrode 12.

3 zeigt die Schaltung einer einfachen Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit der aktiven Antenne. Der Verstärker 18 umfasst einen Bipolartransistor 24 in Emitterfolger-Schaltung als Impedanzwandler. Durch den Bipolartransistor 24 wird der Verstärker 18 aus 2 realisiert. Die Basis B des Bipolartransistors 24 ist mit der ersten Elektrode 14 verbunden. Der Kollektor K des Bipolartransistors 24 ist mit einem Gleichspannungsanschluss zum Empfangen der Gleichspannung U0 verbunden. Der Emitter E des Bipolartransistors 24 ist mit der zweiten Elektrode 16 verbunden. Zwischen die Basis B und Masse ist ein Widerstand RB1 geschaltet. Zwischen die Basis B und den Gleichspannungsanschluss ist ein Widerstand RB2 geschaltet. Zwischen den Emitter E und Masse ist ein Widerstand RE geschaltet. Mit den Widerständen RB1, RB2 und RE wird der Arbeitspunkt des Bipolartransistors 24 in bekannter Weise stabilisiert. Die Gleichspannung U0 ist die Betriebspannung des Verstärkers 18.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung nach 3 ist an Stelle des Bipolartransistors 24 ein Feldeffekttransistor in Sourcefolgerschaltung vorgesehen. Dadurch lässt sich die Eingangsimpedanz des Verstärkers 18 erhöhen. Anstelle der in 3 gezeigten Anordnung kann der Verstärker 18 auch durch zwei kaskadierte Emitter- bzw. Sourcefolger gebildet sein, die in Form einer Darlington-Schaltung verschaltet sind

An das elektrische Strahlungsfeld ist in erster Linie die erste Elektrode 14 gekoppelt. Die erste Elektrode 14 wirkt sowohl im Sendefall als auch im Empfangsfall als Antenne. Über die zweite Elektrode 16 ist die erste Elektrode 14 von der Grundelektrode 12 geschirmt. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird über den Impedanzwandler 18 das Potential von der zweiten Elektrode 16 mit dem Potential der Antennenelektrode, d.h. der ersten Elektrode 14, mitgeführt. Dies wirkt sich wie eine Reduktion der Kapazitäten C12 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16 aus und führt zu einer Vergrößerung der effektiven Antennenhöhe. Dieser Effekt tritt sowohl beim Betrieb der Antenne 10 als Sendeantenne als auch beim Betrieb der Antenne 10 als Empfangsantenne auf. Wird die aktive Antenne 10 als Sendeantenne betrieben, so wird das Sendesignal als Eingangsspannung U1 am Eingang 20 des Verstärkers 18 eingekoppelt. Wird die aktive Antenne 10 als Empfangsantenne betrieben, so wird das Empfangssignal als Ausgangsspannung U2 am Ausgang 22 des Verstärkers 18 ausgekoppelt. Das Eingangstor ist in 1 bis 3 durch den Spannungspfeil U1 gekennzeichnet. Das Ausgangstor ist in diesen Abbildungen durch den Spannungspfeil U2 gekennzeichnet.

Vorzugsweise ist die aktive Antenne 10 so ausgebildet, dass die Kapazität C10 möglichst gering ist. Das kann erreicht werden, indem die zweite Elektrode 16 so ausgebildet wird, dass diese seitlich über die Elektrode 14 hinausragt.

Die erfindungsgemäße Antenne 10 bzw. Antennenanordnung nach 1 ist bidirektional und kann sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne verwendet werden. Die effektive Antennenhöhe heff ist gegeben durch:

mit:
heff
effektive Antennenhöhe,
a
Abstand zwischen Grundelektrode 12 und zweiter Elektrode 16,
b
Abstand zwischen erster Elektrode 14 und zweiter Elektrode 16,
C10
Kapazität zwischen Grundelektrode 12 und erster Elektrode 14,
C20
Kapazität zwischen Grundelektrode 12 und zweiter Elektrode 16,
C12
Kapazität zwischen ersten Elektrode 14 und zweiter Elektrode 16, und
V
Spannungsverstärkung des Verstärkers 18.

Für die elektrische Empfangsfeldstärke E senkrecht zu der Antennenfläche 14 ist die Leerlaufspannung U1 an den Antennenklemmen wie folgt gegeben: U1 = heffE(2) mit:

U1
Leerlaufspannung an den Antennenklemmen,
E
elektrische Empfangsfeldstärke, und
heff
effektive Antennenhöhe.

Wird die Antenne als Sendeantenne verwendet, so ist das Fernfeld wie folgt definiert:

Siehe auch:

  • • Constantine A, Balanis, Antenna Theory, John Wiley & Sons, New York, 1982.
  • • P. Russer, Electromagnetics, Microwave Circuit und Antenna Design for Communications Engineering, Artech House, Boston, 2003.

Der Strahlungswiderstand Rs ist wie folgt definiert:

4 zeigt eine schematische Darstellung der aktiven Antenne gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der Anordnung nach 1 ist hier die Grundelektrode 12 wesentlich großflächiger als die Grundelektrode in 1. Das entspricht den Gegebenheiten in vielen Anwendungsfüllen, in denen die Antenne 10 auf einer größeren Massefläche montiert wird. Die zweite Elektrode 16 ragt seitlich über den Rand der ersten Elektrode 14 hinaus. Hierdurch wird eine verbesserte Schirmung zwischen der Grundelektrode 12 und der ersten Elektrode 14 erzielt.

Unter Vernachlässigung der Kapazität C10 ist die effektive Antennenhöhe heff hier wie folgt gegeben:

4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung bei der die Grundelektrode 12 wesentlich ausgedehnter ist als die Elektroden 14 und 16. Die größere Ausdehnung der Grundelektrode 12 entspricht vielen Fällen der realen Einbausituation der Antenne 10 und ist, wie bekannt, vorteilhaft da sie zu einer Definition der Masse führt. Dass die Fläche der zweiten Elektrode 16 über die Fläche der ersten Elektrode 14 seitlich hinausragt führt zu einer Verringerung der Kapazität C10 und wirkt sich nach Gleichung (1) in einer Vergrößerung der effektiven Antennenhöhe heff aus.

Ist A11 die Fläche der ersten Elektrode 14 und A12 die Fläche der zweiten Elektrode 16, so sind die Kapazitäten C12 und C20 wie folgt definiert:

wobei zwischen den Elektroden 14 und 16 freier Raum angenommen ist und &egr;0 die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes ist. In diesem Fall gilt:

Sind die Flächen A11 und A12 gleich groß, so ist die effektive Antennenhöhe heff gegeben durch:

Ist die Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers 18 z.B. V = 0,99 und der Abstand der Elektroden 14 und 16 durch a = b = d = 1 mm gegeben, so ergibt sich eine effektive Antennenhöhe heff = 10 cm. In diesem Beispiel lässt sich bei einer Gesamtbauhöhe der Antenne 10 von wenigen Millimetern eine elektrische Antennenhöhe von 10 cm realisieren.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindwegsgemäßen Anordnung bei der die Elektroden 14 und 16 eine allgemeine Form bzw. Berandung haben. Da die Funktion der aktiven Antenne 10 von der Fläche der Elektroden, nicht jedoch von der Form von deren Berandung abhängt, sofern die zweite Elektrode 16 seitlich über die erste Elektrode 14 hinausragt, besteht im Hinblick auf die Ausgestaltung der Antennenform eine Freiheit. Diese kann in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, um die Antenne an vorgegebene Gehäuseformen anzupassen.

6 zeigt eine konforme Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung bei der sowohl die Grundelektrode 12 als auch die Elektroden 14 und 16 gekrümmt sind. Die Abstände a und b zwischen den Elektroden sind im wesentlichen konstant. Die Anpassung der Antennengeometrie an gekrümmte Flächen unter weitgehender Aufrechterhaltung der elektrischen Eigenschaften ist vorteilhaft beim Einbau der aktiven Antenne in tragbare Geräte sowie in die Karosserie von Fahrzeugen. Die anhand der 5 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele haben eine Funktionalität, wie sie anhand der 4 näher erläutert wurde.

7(a) zeigt eine Querschnittdarstellung einer aktiven Antenne nach 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7(b) zeigt eine Aufsicht der aktiven Antenne aus 7(a). Wie zu erkennen ist, sind die Elektroden 12, 14 und 16 übereinander und überlappend angeordnet, wobei die Abmessungen (Fläche) der Grundelektrode 12 größer sind als die Abmessungen (Fläche) der zweiten Elektrode 16. Die Abmessungen (Fläche) der zweiten Elektrode 16 sind wiederum größer als die Abmessungen (Fläche) der ersten Elektrode 14. Somit erstreckt sich die Grundelektrode über die Berandung der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 16 hinaus, und die zweite Elektrode 16 erstreckt sich über die Berandung der ersten Elektrode 14 hinaus. Die zweite Elektrode 16 umfasst eine Öffnung bzw. Durchführung 26, und die Grundelektrode 12 umfasst zwei Öffnungen bzw. Durchführungen 28a und 28b. Der Verstärker 18 ist unterhalb der Grundelektrode 12 angeordnet und durch diese geschirmt. Durch die Durchführungen 26 und 28a ist der Eingang 20 des Verstärkers 18 mit der ersten Elektrode 14 verbunden. Der Ausgang 22 des Verstärkers 18 ist durch die Durchführung 28b mit der Elektrode 16 verbunden.

8 zeigt ein Antennenarray aus einer linearen Anordnung aus drei aktiven Antennen 10n, 10n+1, 10n+2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Funktion der Antennenelemente 10n, 10n+1, 10n+2 entspricht der Funktion der oben beschrieben aktiven Antenne 10. Die Antennenelemente 10n, 10n+1, 10n+2 umfassen jeweils erste Elektroden 14n, 14n+1, 14n+2 und zweite Elektroden 16n, 16n+1, 16n+2, die über einer gemeinsamen Grundelektrode 12 angeordnet sind. Anders als beim dem anhand der 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die ersten Elektroden 14n, 14n+1, 14n+2 und die zweiten Elektroden 16n, 16n+1, 16n+2 eine sechseckige Form. Jedem der Antennenelemente 10n, 10n+1, 10n+2 ist ein Verstärker 18n, 18n+1, 18n+2 zugeordnet, der entsprechend der obigen Beschreibung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode der jeweiligen Antenne verbunden ist. Durch die Gruppierung der Antennenelemente 10n, 10n+1, 10n+2 in der gezeigten linearen Anordnung lässt sich in bekannter Weise eine Antennengruppe mit Richtwirkung realisieren. Die Verschaltung der Antenneneingänge bzw. der Antennenausgänge erfolgt nach bekannten Verfahren zur Ansteuerung von Antennengruppen. Diese Verfahren sind z.B. in beschrieben.

  • • Constantine A, Balanis, Antenna Theory, John Wiley & Sons, New York, 1982.
  • • W.L. Stutzman und G.A. Thiele, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, New York, 1981.
  • • Robert S. Elliott, Antenna Theory and Design, IEEE Press, New York, 2003.
beschrieben.

9 zeigt ein Antennenarray aus einer flächenhaften Anordnung aus mehreren aktiven Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die einzelnen Antennen 10 haben eine Form ähnlich wie in 8. Die Antennen 10 sind durch die Mehrzahl von ersten Elektroden 14 und die Mehrzahl von zweiten Elektroden 16 gebildet, die über einer gemeinsamen Grundelektrode 12 angeordnet sind. Die zugeordneten Verstärker sind in 9 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Eine derartige Anordnung erlaubt bei bekannter Verschaltung der Antennenelemente 10 in bekannter Weise die Realisierung von zweidimensionalen Antennengruppen. Flächenhafte Antennengruppen sind in den oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der 8 genannten Veröffentlichungen beschrieben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Antennenelemente variabel zusammengeschaltet werden, um durch eine variabel verschaltbare Anordnung der Antennenelemente nach 9 rekonfigurierbare Antennen zu realisieren. Die Realisierung rekonfigurierbarer Antennen wird z.B. in

  • • B.A. Cetiner, H. Jafarkhani, Jiang-Yuan Qian, Hui Jae Yoo, A. Grau, und F. DeFlaviis, "Design of mobile handset antennas for optimal performance in the presence of biological tissue," IEEE Communications Magazine, Vol. 42, Nr. 12, S. b2–70, Dez. 2004.
beschrieben. Die Mehrzahl der ersten Elektroden 14 der Mehrzahl von Antennen 10 und/oder die Mehrzahl der zweiten Elektroden 16 der Mehrzahl von Antennen 10 können variabel miteinander verschaltbar sein, wobei hierfür ein oder mehrere Schaltelemente vorgesehen sind. Das Schaltelement kann ein Halbleiterschalter, z.B. ein PIN-Dioden-Schalter, ein mikroelektromechanischen Schalter oder ein MEMS-Schalter sein.

10 zeigt die Schrägriss-Darstellung der flächenhaften Anordnung aus mehreren aktiven Antennen nach 9.

11(a) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit durchgehender oberer Elektrode und unterteilten mittleren Elektroden, wobei 11(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 11(a) und 11(c) ein Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 11(a) zeigt. 11 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung als lineare Anordnung aus mehreren feldkompensierten aktiven Antennenelementen, wobei in 11(a) der Übersichtlichkeit halber nur zwei Antennenelemente 102 und 108 hervorgehoben sind. Die lineare Anordnung aus mehreren feldkompensierten aktiven Antennenelementen umfasst eine durchgehende obere Elektrode 14 und mehrere unterteilte mittleren Elektroden 161 bis 168. Ähnlich wie in 7 sind in der Grundelektrode 12 und in den zweiten Elektroden 161 bis 168 Durchführungen 261 bis 268, 281a bis 288a und 281b bis 288b vorgesehen, um die Eingänge 201 bis 208 und die Ausgänge 221 und 228 der Verstärker 181 bis 188 mit den zugeordneten Elektroden zu verbinden.

Mit derartigen linearen Anordnungen lassen sich nach dem Muster von bekannten passiven Linearantennen, insbesondere passiver Streifenleitungsantennen, lineare feldkompensierte aktive Antennen realisieren.

Die Induktivitäten L1 im Ersatzschaltbild in 11(c) sind die Induktivitätsbeläge der gemeinsamen ersten Elektrode 14. Die Kapazitäten C12 sind die Kapazitäten zwischen den Elektroden 14 und 161 bis 168. Die Kapazitäten C20 sind die Kapazitäten zwischen den zweiten Elektroden 161 bis 168 und der Grundelektrode 12. Die erste Elektrode 14 ist mit dem elektrischen Feld im Raum verkoppelt, was durch die mit A bezeichneten Antennenpfeile symbolhaft dargestellt ist. Die durchgehende Elektrode 14 hat die Eigenschaft einer Übertragungsleitung. Passive Linearantennen sind z.B. in

  • • Constantine A, Balanis, Antenna Theory, John Wiley & Sons, New York, 1982.
  • • W.L. Stutzman und G.A. Thiele, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, New York, 1981.
  • • Robert S. Elliott, Antenna Theory and Design, IEEE Press, New York, 2003.
beschrieben.

Lineare passive Streifenleitungsantennen werden z.B.

  • • R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, Boston, 2000,
beschrieben. Die lineare feldkompensierte aktive Antenne nach 11 kann in besonders vorteilhafter Weise als Sendeantenne verwendet werden. Am linken und rechten Ende der Elektrode 14 treten die Spannungen U1a und U1b auf. Das Sendesignal kann an einem Ende oder beiden der mit U1a und U1b gekennzeichneten Tore eingekoppelt werden.

Bei Verwendung der linearen feldkompensierten aktiven Antenne nach 11 als Empfangsantenne wird das Empfangssignal an dem Ausgang bzw. den Ausgängen eines oder mehrerer Verstärker 181 bis 188 abgegriffen.

12(a) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit unterteilten oberen Elektroden und durchgehender mittlerer Elektrode, wobei 12(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 12(a) und 12(c) ein Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 12(a) zeigt. 12 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung als lineare Anordnung aus mehreren feldkompensierten aktiven Antennenelementen, wobei in 12(a) der Übersichtlichkeit halber nur zwei Antennenelemente 102 und 108 hervorgehoben sind. Die lineare Anordnung aus mehreren feldkompensierten aktiven Antennenelementen umfasst eine durchgehende mittlere Elektrode 16 und mehrere unterteilte obere Elektroden 141 bis 148. Ähnlich wie in 7 sind in der Grundelektrode 12 und in der zweiten Elektrode 16 Durchführungen 261 bis 268, 281a bis 288a und 281b bis 288b vorgesehen, um die Eingänge 201 bis 208 und die Ausgänge 221 und 228 der Verstärker 181 bis 188 mit den zugeordneten Elektroden zu verbinden.

Mit derartigen linearen Anordnungen lassen sich ebenfalls nach dem Muster von bekannten passiven Linearantennen, insbesondere passiver Streifenleitungsantennen, lineare feldkompensierte aktive Antennen realisieren. Die Induktivitäten L2 im Ersatzschaltbild in 12(c) sind die Induktivitätsbeläge der gemeinsamen Elektrode 16. Die Kapazitäten C12 sind die Kapazitäten zwischen den Elektroden 141 bis 148 und 16. Die Kapazitäten C20 sind die Kapazitäten zwischen der zweiten Elektrode 16 und der Grundelektrode 12. Die verteilten Elektroden 141 bis 148 sind mit dem elektrischen Feld im Raum verkoppelt, was durch die mit A bezeichneten Antennenpfeile symbolhaft dargestellt ist. Die durchgehende Elektrode 16 hat die Eigenschaft einer Übertragungsleitung.

Die lineare feldkompensierte aktive Antenne 12 kann in besonders vorteilhafter Weise als Empfangsantenne verwendet werden. Am linken und rechten Ende der Elektrode 12 treten die Spannungen U2a und U2b auf. Das Empfangssignal kann an einem oder beiden der mit U2a und U2b gekennzeichneten Tore ausgekoppelt werden.

Bei Verwendung der linearen feldkompensierten aktiven Antenne nach 12 als Sendeantenne wird das Sendesignal dem Eingang bzw. den Eingängen eines oder mehrerer Verstärker 181 bis 188 zugeführt.

13(a) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus mehreren aktiven Antennen mit durchgehender oberer Elektrode und durchgehender mittlerer Elektrode, wobei 13(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 13(a) und 13(c) eine Ersatzschaltbild des Antennenarrays aus 13(a) zeigt. 13 zeigt wiederum eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung als lineare Anordnung aus verteilten aktiven Antennenelementen, wobei in 13(a) der Übersichtlichkeit halber nur zwei Antennenelemente 102 und 108 hervorgehoben sind. Die lineare Anordnung aus mehreren feldkompensierten aktiven Antennenelementen umfasst eine durchgehende obere Elektrode 14 und eine durchgehende mittleren Elektroden 16. Ähnlich wie in 7 sind in der Grundelektrode 12 und in der zweiten Elektrode 16 Durchführungen 261 bis 268, 281a bis 288a und 281b bis 288b vorgesehen, um die Eingänge 201 bis 208 und die Ausgänge 221 und 228 der Verstärker 181 bis 188 mit den zugeordneten Elektroden zu verbinden.

Mit derartigen linearen Anordnungen lassen sich ebenfalls nach dem Muster von bekannten passiven Linearantennen, insbesondere passiver Streifenleitungsantennen, lineare feldkompensierte aktive Antennen realisieren. Die Induktivitäten L1 und L2 im Ersatzschaltbild in 13(c) sind die Induktivitätsbeläge der Elektroden 14 und 16. Die Kapazitäten C12 sind die Kapazitäten zwischen den Elektroden 14 und 16. Die Kapazitäten C20 sind die Kapazitäten zwischen der zweiten Elektrode 16 und der Grundelektrode 12. Die Elektrode 14 ist mit dem elektrischen Feld im Raum verkoppelt, was durch die mit A bezeichneten Antennenpfeile symbolhaft dargestellt ist. Die verteilten Elektroden 14 und 16 haben die Eigenschaft von miteinander induktiv und kapazitiv verkoppelten Übertragungsleitungen.

Die lineare feldkompensierte aktive Antenne nach 13 kann in besonders vorteilhafter Weise sowohl als Empfangsantenne als auch als Sendeantenne verwendet werden. Am linken und rechten Ende der Elektrode 14 treten die Spannungen U1a und U1b auf. Das Sendesignal kann an einem oder beiden der mit U1a und U1b gekennzeichneten Tore eingekoppelt werden. Am linken und rechten Ende der Elektrode 12 treten die Spannungen U1a und U2b auf. Das Empfangssignal kann an einen oder beiden der mit U1a und U2b gekennzeichneten Tore ausgekoppelt werden.

14(a) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus zwei verteilten aktiven Antennen 10a, 10b mit jeweils unterteilter oberer Elektrode 14a1 bis 14a4, 14b1 bis 14b4 und durchgehender mittlerer Elektrode 16a, 16b, wie sie im Detail anhand der 12 beschrieben wurden, wobei anstelle der in 12 gezeigten acht Antennenelementen in 14 jede Antenne durch vier Antennenelemente gebildet ist. 14(b) ist eine Aufsicht des Antennenarrays aus 14(a) zeigt. Diese Anordnung stellt eine lineare feldkompensierte aktive Dipolantenne dar. Oberhalb der Grundelektrode 12 sind die zwei Dipolelemente 10a, 10b angeordnet, wobei das erste Dipolelement 10a aus der gemeinsamen mittleren Elektrode 16a und mehreren oberen Elektroden 14a1 bis 14a4 besteht und das zweite Dipolelement 10b aus der gemeinsamen mittleren Elektrode 16b und mehreren oberen Elektroden 14b1 bis 14b4 besteht. Entsprechend 14(a) ist jeder oberen Elektrode 14a1 bis 14a4, 14b1 bis 14b4 ein Verstärker 18a1 bis 18a4 bzw. 18b1 bis 18b4 zugeordnet. Die Empfangsspannung UE wird, wie in 14(b) dargestellt ist, zwischen den mittleren Elektroden 16a und 16b abgenommen.

15(a) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Antennenarrays aus einer linearen Anordnung aus zwei verteilten aktiven Antennen 10a, 10b mit jeweils durchgehender oberer Elektrode 14a, 14b und durchgehender mittlerer Elektrode 16a, 16b, wie sie im Detail anhand der 13 beschrieben wurden, wobei anstelle der in 13 gezeigten acht Antennenelementen in 15 jede Antenne durch vier Antennenelemente gebildet ist. 15(b) eine Aufsicht des Antennenarrays aus 15(a) zeigt. Diese Anordnung stellt eine lineare feldkompensierte aktive Dipolantenne dar. Oberhalb einer Grundelektrode 12 sind zwei Dipolelemente 10a, 10b angeordnet, wobei das erste Dipolelement 10a aus der mittleren Elektrode 16a und der oberen Elektrode 14a besteht und das zweite Dipolelement 10b aus der mittleren Elektrode 16b und der oberen Elektrode 14b besteht. Entsprechend 15(a) sind zwischen den oberen Elektrode 14a, 14b und den unteren Elektroden 16a, 16b verteilt mehrere Verstärker 18a1 bis 18a4 bzw. 18b1 bis 18b4 angeordnet. Die Empfangsspannung UE wird, wie in 15(b) dargestellt ist, zwischen den Elektroden 16a, 16b abgenommen. Das Sendesignal mit der Spannung US wird, wie in 15(b) dargestellt ist, zwischen den Elektroden 14a und 14b angelegt.

16 zeigt eine weitere beispielhafte flächenhafte Anordnung von aktiven Antennenelementen 10, wie sie bereits in 9 und 10 mit anderer Geometrie dargestellt wurde. Oberhalb der gemeinsamen Grundelektrode 12 sind die ersten und zweiten Elektroden 14 und 16 der Antennen 10 gebildet. Es sind eine Vielzahl von geometrischen Strukturierungen möglich, ohne dass dieses an der grundsätzlichen Funktionsweise der einzelnen Elemente etwas ändert, solange die einzelnen Flächenelemente in ihrer linearen Ausdehnung klein im Vergleich zur Wellenlänge sind. Die Wahl quadratischer oder rechteckiger Elektroden ist vorteilhaft, wenn Strukturen mit rechtwinkeligen Berandungen realisiert werden sollen.

17 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung als flächenhafte Anordnung von aktiven Antennenelementen mit zwei eingebetteten Dipolelementen 10a und 10b, wie sie anhand der 11 beschriebnen wurden, mit durchgehenden oberen Elektroden und unterteilten mittleren Elektroden.

18 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung als flächenhafte Anordnung von aktiven Antennenelementen mit zwei eingebetteten Dipolelementen 10a und 10b, wie sie anhand der 15 beschriebnen wurden, mit durchgehenden oberen und mittleren Elektroden.

Ebenso kann eine flächenhafte Anordnung von aktiven Antennenelementen mit zwei eingebetteten Dipolelementen 10a und 10b, wie sie anhand der 14 beschriebnen wurden, mit unterteilten oberen Elektroden und durchgehenden mittleren Elektroden realisiert werden.


Anspruch[de]
  1. Antenne, mit:

    einer ersten Elektrode (14);

    einer zweiten Elektrode (16), die mit einem ersten Abstand (b) von der ersten Elektrode (14) angeordnet ist und kapazitiv mit der ersten Elektrode (14) gekoppelt ist;

    einer dritten Elektrode (12), die mit einem zweiten Abstand (a) von der zweiten Elektrode (16) angeordnet ist und kapazitiv mit der zweiten Elektrode (16) gekoppelt ist, wobei die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (16) und die dritte Elektrode (12) zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet sind; und

    einem Verstärker (18) mit einem Eingang (20) und mit einem Ausgang (22), wobei der Eingang (20) des Verstärkers (18) mit der ersten Elektrode (14) verbunden ist, und wobei der Ausgang (22) des Verstärkers (18) mit der zweiten Elektrode (16) verbunden ist.
  2. Antenne nach Anspruch 1, bei der die erste Elektrode (14) angepasst ist, um an das elektrische Feld im Raum gekoppelt zu sein, und bei der die dritte Elektrode eine Grundelektrode (12) ist.
  3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Elektrode (14) eine erste Abmessung aufweist, bei der die zweite Elektrode (16) eine zweite Abmessung aufweist, und bei der die dritte Elektrode (12) eine dritte Abmessung aufweist, wobei die dritte Abmessung größer oder gleich der zweiten Abmessung ist, und wobei die zweite Abmessung größer oder gleich der ersten Abmessung ist.
  4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die zweite Elektrode (16) die erste Elektrode (14) von der dritten Elektrode (12) abschirmt.
  5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (16) und die dritte Elektrode (12) jeweils eine ebene Oberfläche aufweisen, wobei die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (16) und die dritte Elektrode (12) zueinander parallel angeordnet sind.
  6. Antenne einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die dritte Elektrode (12) eine gekrümmten Oberfläche aufweist, wobei die erste Elektrode (14) und die zweite Elektrode (16) jeweils konform gekrümmte Oberflächen aufweisen, wobei die Elektroden (14, 16) zueinander in jeweils konstantem Abstand (b) angeordnet sind.
  7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Verstärker (18) einen Impedanzwandler ist, der eine hohe Eingangsimpedanz, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung kleiner als 1 aufweist.
  8. Antenne nach Anspruch 7, bei der der Verstärker (18) ein Emitterfolger ist.
  9. Antenne nach Anspruch 7, bei der der Verstärker (18) zwei kaskadierte Emitterfolger aufweist, die in Form einer Darlington-Schaltung verschaltet sind.
  10. Antenne nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Emitterfolger einen oder mehrere Bipolartransistoren (24) oder einen oder mehrere Feldeffekttransistoren umfasst.
  11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Verstärker (18) ein monolithisch integrierter Verstärker ist.
  12. Antenne nach Anspruch 11, bei der die erste Elektrode (14), die zweite Elektrode (16) und die dritte Elektrode (12) gemeinsam mit dem Verstärker (18) monolithisch integriert sind.
  13. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der Eingang (20) des Verstärkers (18) angepasst ist, um ein Sendesignal der Antenne zu empfangen, wenn die Antenne als Sendeantenne wirksam ist.
  14. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Ausgang (22) des Verstärkers (18) angepasst ist, um ein Empfangssignal der Antenne auszugeben, wenn die Antenne als Empfangsantenne wirksam ist.
  15. Antenne nach einen der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Eingang (20) des Verstärkers (18) angepasst ist, um ein Sendesignal der Antenne zu empfangen, und bei der der Ausgang (22) des Verstärkers (18) angepasst ist, um ein Empfangssignal der Antenne auszugeben, wenn die Antenne als Sende- und Empfangsantenne wirksam ist.
  16. Antenne nach einen der Ansprüche 1 bis 15, bei der die erste Elektrode (14) und/oder die zweite Elektrode (16) jeweils durch eine Mehrzahl von Teilelektroden (14a, 14b; 14a1 bis 14a8, 14b1 bis 14b8; 16a, 16b; 16a1 bis 16a8, 16b1 bis 16b8) gebildet ist.
  17. Antennenarray, mit einer Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, die miteinander verschaltet sind.
  18. Antennenarray nach Anspruch 17, bei dem die Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) verschaltet sind, um ein lineares Antennenarray oder ein flächiges Antennenarray zu bilden.
  19. Antennenarray nach Anspruch 17 oder 18, bei dem eine Mehrzahl der ersten Elektroden (14; 14a, 14b; 14a1 bis 14a8, 14b1 bis 14b8) der Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) fest miteinander verschaltet sind und/oder eine Mehrzahl der zweiten Elektroden (16; 16a, 16b; 16a1 bis 16a8, 16b1 bis 16b8) der Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) fest miteinander verschaltet sind.
  20. Antennenarray nach Anspruch 17 oder 18, bei dem eine Mehrzahl der ersten Elektroden (14; 14a, 14b; 14a1 bis 14a8, 14b1 bis 14b8) der Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) variabel miteinander verschaltbar sind und/oder eine Mehrzahl der zweiten Elektroden (16; 16a, 16b; 16a1 bis 16a8, 16b1 bis 16b8) der Mehrzahl von Antennen (10; 10a, 10b) variabel miteinander verschaltbar sind.
  21. Antennenarray nach Anspruch 20, mit einem oder mehreren Schalterelementen zum variablen Verschalten der Elektroden.
  22. Antennenarray nach Anspruch 21, bei dem das Schaltelement ein Halbleiterschalter ist
  23. Antennenarray nach Anspruch 22, bei dem der Halbleiterschalter ein PIN-Dioden-Schalter ist.
  24. Antennenarray nach Anspruch 21, bei dem das Schaltelement einen mikroelektromechanischen Schalter oder einen MEMS-Schalter umfasst.
  25. Antennenarray nach einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem die Mehrzahl von Antennen (10a, 10b) eine gemeinsame, durchgehende erste Elektrode (14a, 14b) und jeweils getrennte zweite Elektroden (16b1 bis 16b4, 16b1 bis 16b4) aufweisen.
  26. Antennenarray nach einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem die Mehrzahl von Antennen (10a, 10b) jeweils getrennte erste Elektroden (14b1 bis 14b4, 14b1 bis 14b4) und eine gemeinsame, durchgehende zweite Elektroden (16a, 16b) aufweisen.
  27. Antennenarray nach einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem die Mehrzahl von Antennen (10a, 10b) eine gemeinsame, durchgehende erste Elektrode (14a, 14b) und eine gemeinsame, durchgehende zweite Elektroden (16a, 16b) aufweisen.
Es folgen 14 Blatt Zeichnungen






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