DE60000346T2 - Metalltafel-Antenne - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Diese Erfindung betrifft Hochfrequenz-, z. B. Mikrowellen-Antennen.
Hintergrund der Erfindung
• Die derzeitige Verbreitung von, und der sich daraus ergebende harte Wettbewerb zwischen drahtlosen Kommunikationsprodukten hat zu Preis/Leistungs-Anforderungen an Mikrowellen/Millimeter-Wellenantennen geführt, welche herkömmliche Technologie nur schwierig erfüllen können. Dieses beruht auf dem großen Anteil hoher Materialkosten und den hohen Verlusten in dem Speisenetzwerk, welche kompensiert werden müssen. Zu weiteren Probleme zählen teuere Herstellungsoperationen, wie z. B. Fräsen, Handmontage und Handabstimmung und die hohe Anzahl und die erforderliche Präzision von Metall und dielektrischen Teilen, welche zum Aufbau dieser Antennen benötigt werden.
• Massenfertigungstechniken haben die Kosten einiger herkömmlicher Antennen, wie z. B. die Flächenanordnungen, welche in drahtlosen Telefonsystemen verwendet werden und der nicht-axialen parabolischen Schüsseln, welche in großem Umfang für Satellitenfernsehempfang verwendet werden, reduziert. Diese Techniken verbessern jedoch weder das Verhalten dieser Antennen, noch verbessern sie die Kosten von Klein- und Mittelvolumenantennen. Der Bedarf nach preiswerten Hochfrequenzantennen wurde auch durch die Verwendung von auf Leiterplatten aufgedruckten "gemeinsam gespeisten" Flächenanordnungen angegangen. Probleme mit diesem Lösungsansatz umfassen große Verluste in der Speiseanordnung, hauptsächlich aufgrund dielektrischer Verluste in der Leiterplatte und der hohen Kosten der gedruckten Leiterplatte selbst. Die Verluste begrenzen den Nutzen der Antenne und verschlechtern entweder das tatsächliche Verhalten oder erhöhen die Kosten des zugeordneten Senders und/oder Empfängers.
Zusammenfassung der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne nach Anspruch 1 bereitgestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Antenne nach Anspruch 8 bereit gestellt.
• Diese Erfindung befaßt sich mit der Lösung dieser und weiterer Probleme und Nachteile des Stands der Technik. Erfindungsgemäß wird eine Antenne aus einer einzigen Platte eines elektrisch leitenden Materials, z. B. Metall wie etwa Aluminium oder Stahl, bevorzugt durch Stanzen hergestellt. Diese einfache einlagige Metallantenne besteht sowohl aus den Radiatoranordnungen als auch dem Speise-(Verteilungs)- Netzwerk der Antenne. Diese Elemente und das Netzwerk sind darin enthalten, und sind durch integrierte Unterstützungen an einem Metallrahmen befestigt, welcher ebenfalls ein integrales Element derselben Schicht ist, und bilden eine selbsttragende Sammelanordnungsantenne. Die Unterstützungsstruktur stellt auch den notwendigen Abstand zwischen der Radiatoranordnung und einer Masseebene bereit. Die Antenne kann mittels des Rahmens über einer Masseebene, z. B. an einer Außenwand des Gerätegehäuses einer einzelnen Metallplatte oder einer Leiterplatte montiert werden. Bevorzugt wird die Antenne aus einer einzigen Tafel zusammen mit integralen zweiten Unterstützungen gestanzt, welche die Radiatoren und das Speisenetzwerk miteinander und mit den Rahmen verbinden, und eine Steifigkeit während der Herstellung und Montage bereitstellen. Der Rahmen ist bevorzugt im Bezug auf die Radiatorelemente gebogen, um den Abstand der Radiatorelemente von der Masseebene zu bewirken und der Rahmen ist auf der Masseebene befestigt. Alternativ wird der Abschnitt des Rahmens, welcher in einem Winkel zu der Ebene der Radiatorelemente und das Speisenetzwerkes liegt und den Abstand bereitstellt, getrennt hergestellt, d. h. durch Stanzen, Formen oder Extrusion und ist sowohl an dem äußeren Abschnitt des Rahmens als auch auf der Masseebene befestigt. Alle zweiten Unterstützungen werden entfernt, d. h. herausgeschnitten oder abgebrochen. Bevorzugt ist das Speisenetzwerk näher an der Masseebene positioniert als die Radiatorelemente; dieses wird durch das Biegen des Metalls erreicht, welches das Speisenetzwerk bildet.
• Die Hauptvorteile der Erfindung gegenüber herkömmlichen Antennenkonstruktionen umfassen weniger Teile, weniger Prozeßschritte, leichtere Montage, höhere Leistung, geringerer Verlust und weniger Sammelelemente für denselben Gewinn), höherer Gewinn für dieselbe Fläche und damit eine kleinere Größe, einen kompakten Flachtafelformfaktor und niedrigere Kosten. Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher sichtbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• In den Zeichnungen ist:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Antenne, welche eine erste veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung umfaßt;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Antenne von Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
• Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Antenne, welche eine zweite veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung umfaßt.
• Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Antenne von Fig. 3 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
• Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Einzelfabrikat einer Rahmen/Radiator-Anordnung der Antenne von Fig. 1; und
• Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Rolle einer Vielzahl der Fabrikate von Fig. 5.
Detaillierte Beschreibung
• Fig. 1 und 2 stellen eine erste Ausführungsform einer Hochfrequenzantenne mit einer Masse-(Reflektor)-Ebene 102, einem Rahmen 104 und einer Radiatoranordnung 106 innerhalb des Rahmens 104 dar. Die Masseebene 102 ist eine Tafel oder dünne Platte aus Metall (z. B. Beryllium/Kupfer, Messing, Aluminium, zinnbeschichteter Stahl usw. mit beispielsweise 0,4 bis 0,8 mm Dicke) oder ein Substrat, daß auf der der Anordnung 106 gegenüberliegenden Seite metallisiert ist. Der Rahmen 104 und die Radiatoranordnung 106 sind eine einteilige Konstruktion, welcher gestanzt, maschinengebogen, geschnitten, geätzt oder anderweitig aus einer Metalltafel gemäß Darstellung in der Querschnittsansicht von Fig. 2 hergestellt wird. Alternativ kann gemäß Darstellung einer Querschnittsansicht (Fig. 4) einer zweiten Ausführungsform (Fig. 3) einer Hochfrequenzantenne 100' der Rahmen 104 aus zwei Teilen hergestellt werden: einem Teil 200, der in einer Ebene mit der Radiatoranordnung 106 liegt, und aus einem weiteren Teil 202, welches im wesentlichen senkrecht zu dem Teil 200 angeordnet ist. Der Rahmen 104 befestigt die Radiatoranordnung 106 über der Masseebene 102 und verschiebt physisch die Radiatoranordnung 106 aus der Masseebene 102. Der so erzeugte Luftspalt wirkt als eine dielektrische Schicht zwischen der Masseebene 102 und der Radiatoranordnung 106. Die Radiatoranordnung 106 weist eine Vielzahl (sechs in diesem Beispiel) von Radiatoren 108 auf, welche auch als "Flächen" bezeichnet werden. Jeder Radiator 108 ist mit dem Rahmen 104 über eine Unterstützung 112 verbunden. Jeder Radiator 108 weist auch bevorzugt einen aus dem Radiatornullpunkt (in dessen Mitte) ausgestanzten Abstandshalter auf, welcher sich zu der Masseebene 102 hin erstreckt, um einen korrekten Abstand des Radiators 108 von der Masseebene 102 sicherzustellen. Die Radiatoren 108 sind über ein Speisenetzwerk 110 miteinander verbunden, welches die Radiatoranordnung 6 mit einem Sender und/oder einem Empfänger verbindet. Der Sender und/oder der Empfänger ist normalerweise mit dem Speisenetzwerk 110 an dem Punkt 116' gemäß Darstellung in Fig. 3 für eine zweite veranschaulichende Ausführungsform der Antenne verbunden. Diese Kopplung kann entweder leitend, d. h., über einen Lötpunkt und einen Koaxialverbinder erfolgen oder kapazitiv sein. Wenn jedoch die Antenne sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet wird, kann das Speisenetzwerk 110 einen integrierten Duplexerkombinator in Verbindung mit einem "T"- förmigen Kombinator 114 bilden, welcher in Fig. 1 dargestellt ist. In herkömmlichen Architekturen bildet der Kombinator 114 einen Teil des "Eingangs"-Filters des Duplexers. Der Kombinator 114 ist allen Radiatoren 108 gemeinsam, und der Sender und der Empfänger ist mit gegenüberliegenden Armen des "T" an Punkten 116 verbunden. Diese Kopplung kann wiederum entweder leitend oder kapazitiv sein. Ein geeigneter kapazitiver Verbinder ist in der Anmeldung von R. Barnett et al., mit dem Titel "Resonant Capacitive Connector", U.S. Ser. Nr. 09/521724 offenbart, das mit demselben Datum wie dieses eingereicht und demselben Anmelder übertragen ist. Für die strukturelle Stabilität ist die Mitte des "T" mit dem Rahmen 104 über eine Unterstützung 113 verbunden. Bevorzugt liegen das Speisenetzwerk 110 und der Kombinator 114 unterhalb der Ebene der Radiatoren 108, d. h., sie liegen näher an der Masseebene 102. Dieses ist in der Querschnittsansicht der Antenne 100 in Fig. 2 dargestellt. Die Plazierung des Speisenetzwerkes 110 und des Kombinators 114 unterhalb der Radiatoren 108 in dem Aufbau der Antenne gibt mehr Flexibilität bei der Konstruktion der Antenne 100. Beispielsweise verändert eine Variierung des Abstandes zwischen dem Speisenetzwerk 110 und der Masse 102 die Impedanz des Speisenetzwerks 110 und ermöglicht somit eine Veränderung der Breite des Leiters, welches das zu verändernde Speisenetzwerk 110 bildet.
• Fig. 5 stellt in detaillierterer Form den einteiligen Aufbau eines Fabrikates dar, welches sowohl den Rahmen 104, als auch die Radiatoranordnung 106 aufweist. Wie vorstehend erwähnt, sind der Rahmen 104 und die Radiatoranordnung 106 bevorzugt aus nur einer Metalltafel ausgestanzt. Der Rahmen 104 ist bevorzugt mit Falzlinien 302 gestanzt, entlang welchem dann die Metalltafel gebogen wird, um den Rahmen 104 zu formen und einen Abstand der Radiatoranordnung 106 von der Masseebene bereitzustellen. Wenn die alternative zweiteilige Konstruktion des Rahmens 104 von Fig. 3 verwendet wird, fallen die Falzlinien 302 weg. Die Radiatoranordnung 106 ist ebenfalls bevorzugt mit zusätzlichen Unterstützungen 304 gestanzt, welche die Radiatoren 108 und den Kombinator 114 miteinander und mit dem Rahmen 104 verbinden, um eine Steifigkeit während der Herstellung und/oder Montage bereit zu stellen. Diese Unterstützungen 304 werden anschließend entfernt, d. h. weggeschnitten oder ausgebrochen. Die Konstruktion von Fig. 6 ist insbesondere für eine Rolle-zu- Rolle-, oder Rollenverarbeitung geeignet, wobei eine Vielzahl von Anordnungen des Rahmens 104 und Radiators 106 in nur eine Rolle 400 aus Metallblech gemäß Darstellung in Fig. 6 gestanzt werden. Eine Rolle 400 aus einer Vielzahl dieser Fabrikate unterstützt wiederum die automatisierte Montage der Antennen 100.
• Das Speisenetzwerk 110 der Antenne 100 ist resonant. Dieses macht die Antenne 100 toleranter gegenüber Ungenauigkeiten in der Linienbreite und dem Massenabstand, und ermöglicht ein Layout, das kompakter und flexibler und auf eine herstellungsgerechte Konstruktion (DFM) ausgerichtet ist. Benachbarte Zeilen der Radiatoren 108 werden an ihren benachbarten Rändern mit einer Phasenverschiebung von 180º gespeist. Dieses stellt eine breite Impedanzbandbreite bei niedrigem Masseabstand bereit. Eine breite Bandbreite trägt zur Reduzierung mechanischer Toleranzen bei und macht die Konstruktion robuster.
• Die Antenne 101 ist auf einen speziellen Gewinn und Frequenzbereich durch Veränderung ihrer Dimensionen und der Anzahl der Radiatoren 108 ausgelegt. Der Abstand zwischen der Masseebene 102 und der Radiatoranordnung 106 (d. h., der Dicke des Dielektrikums) bestimmt die Bandbreite der Antenne 100. Die Anzahl der Radiatoren 108 bestimmt, den Gewinn der Antenne 100. Die Breite W (siehe Fig. 5) individueller Radiatoren 108 beeinflußt deren Impedanz und wird so gewählt, daß die gewünschte Impedanz an dem Eingangspunkt erzeugt wird. Die Länge L (siehe Fig. 5) der individuellen Radiatoren 108 ist nahezu die Hälfte der Wellenlänge der Mittenfrequenz, bei welcher die Antenne arbeiten soll und hängt von dem Abstand ab, der die Radiatoren 108 von der Masseebene 102 trennt. Der Mittelpunktabstand zwischen benachbarten Radiatoren 108 beträgt etwa das 0,7 bis 0,8 der Wellenlänge. Die Länge der Segmente des Speisenetzwerk 110 zwischen den Eingängen benachbarter Radiatoren 108 ist ein geradzahliges Vielfaches (z. B. 1) der Wellenlänge. Die Länge des Segmentes 306 des Speisenetzwerk 110 zwischen zwei Radiatorunteranordnungen ist etwa die Hälfte der Wellenlänge. Die Länge der Unterstützungen 112 und 113 ist etwa ein Viertel der Wellenlänge; deren Breite ist relativ zu deren Länge schmal.
• Natürlich sind Veränderungen und Modifikationen an den vorstehend beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen für Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich. Beispielsweise können, obwohl die Antenne als eine Sammelanordnungsantenne dargestellt wurde, auch andere Antennenelemente verwendet werden, wie z. B. Dipol- und Schlitzantennenelemente. Ferner können zwei Radiatoranordnungen auch auf gegenüberliegenden Seiten nur einer Masseebene angeordnet sein. Ferner können sich die Antennen in der Anzahl von Radiatorelemente und der Art der Speisung (z. B. gemeinsame, serielle und/oder Kombinationen davon) unterscheiden. Derartige Änderungen und Modifikationen können innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung und ohne Minderung der damit verbundenen Vorteile durchgeführt werden. Daher sollen derartige Änderungen und Modifikationen durch die nachstehenden Ansprüche mit Ausnahme der Einschränkung durch den Stand der Technik abgedeckt sein.

Claims (10)

1. Antenne (100), gekennzeichnet durch:

ein einzelnes Blech (400) aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches

wenigstens ein Resonatorantennenelement (108), einen Rahmen (104), welcher das wenigstens eine Resonatorantennenelement umgibt, um das Resonatorantennenelement zu einer Masseebene (102) auf Abstand zu halten,

wenigstens eine erste Unterstützung (112), welche jedes Resonatorantennenelement mit dem Rahmen verbindet, und ein Speisenetzwerk (110), das mit dem wenigstens einem Resonatorantennenelement verbunden ist, um elektromagnetische Energie zu dem oder aus dem Resonatorantennenelement zu leiten, definiert.

2. Antenne nach Anspruch 1, wobei:

ein Abschnitt des einzelnen Blechs, welches den Rahmen definiert im Bezug auf einen Abschnitt des einzelnen Blechs gebogen ist (302), der den wenigstens einen Resonator definiert, so daß der wenigstens eine Resonator aus der Masseebene verschoben ist.

3. Antenne nach Anspruch 1, wobei jedes Resonatorantennenelement im wesentlichen an seinem Mittelpunkt einen Abstandshalter (115) aufweist, der sich von dem Resonatorantennenelement nach außen erstreckt, um das Resonatorantennenelement zu der Masseebene auf Abstand zu halten.

4. Antenne nach Anspruch 1, ferner mit der auf dem Rahmen befestigten Masseebene (102)

5. Antenne nach Anspruch 1, wobei:

das Speisenetzwerk einen integrierten Duplexer-Kombinator (114) bildet.

6. Antenne nach Anspruch 1, wobei:

das mindestens eine Resonatorantennenelement ein Verbindungsfeld (106) aus einer Vielzahl der Resonatorantennenelemente (108) umfaßt, welche in Phase zueinander mit dem Speisenetzwerk verbunden sind.

7. Antenne nach Anspruch 1, wobei:

das mindestens eine Resonatorantennenelement ein Paar von Verbindungsfelder auf weist, wovon jedes eine Vielzahl von Resonatorantennenelementen (108) auf weist, die in Phase zueinander mit dem Speisenetzwerk verbunden sind, und die Verbindungsfelder im wesentlichen 180º außer Phase miteinander mit dem Speisenetzwerk verbunden sind.

8. Verfahren zum Herstellen einer Antenne, aufweisend:

ein einzelnes Blech (400) aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches:

wenigstens ein Resonatorantennenelement (108), einen Rahmen (104), welcher das wenigstens eine Resonatorantennenelement umgibt, um das Resonatorantennenelement zu einer Masseebene (102) auf Abstand zu halten,

wenigstens eine erste Unterstützung (112) zum Verbinden jedes Resonatorantennenelements mit dem Rahmen, und ein Speisenetzwerk (110), das mit dem wenigstens einen Resonatorantennenelement verbunden ist, um elektromagnetische Energie zu dem oder aus dem Resonatorantennenelement zu leiten, bildet

gekennzeichnet durch:

Stanzen des Resonatorantennenelements (108), des Rahmens (104), der ersten Unterstützung (112) und des Speisenetzwerks (110) aus dem einzelnen Blech (400).

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt:

Biegen (302) des Rahmens im Bezug auf das Resonatorantennenelement, um das Abstandhalten der Resonatorantennenelemente zu bewirken.

10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten:

zusätzliches Stanzen wenigstens einer zweiten Unterstützung (304), welche das wenigstens eine Resonatorantennenelement oder das Speisenetzwerk mit einem weiteren Resonatorantennenelement oder dem Rahmen verbindet;

Befestigen des Rahmens an der Masseebene (102); und

Entfernen der wenigstens zweiten Unterstützung.