DE3875872T2 - Mit einer kapazitaet belastete wendelmonopolantenne. - Google Patents

Description

• Vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Kommunikation bzw. Nachrichtenübermittlung.
• Genauer gesagt betrifft vorliegende Erfindung Antennen und insbesondere eine Antenne, die mit mehreren Kapazitäten belastet bzw. verschaltet ist und hohe Verstärkung in dicht gedrängten bzw. verschalteten Situationen zeigt.
• Die mit einer einzigen Kapazität belastete bzw. verschaltete Monopol-Antenne ist im Stand der Technik gut bekannt (siehe beispielsweise Fig. 3 des US-Patents Nr. 3 967 276). Eine solche Antenne kann als zwei durch ein Dielektrikum getrennte Kondensator-Platten sichtbar gemacht bzw. gedacht werden. Die effektive Höhe einer solchen Antenne ist der Abstand zwischen den Platten. Folglich kann der Bereich der Einzel-Monopol-Antenne mit ausgewählten Plattenabmessungen lediglich dadurch vergrößert werden, daß der Abstand zwischen den Platten vergrößert wird.
• Bei gewissen Anwendungen, bei denen eine flache oder scheibenförmige Antenne relativ kleiner Dicke erwünscht ist, bietet sich die kapazitätsbelastete bzw. kapazitätsverschaltete Einzel-Monopol-Antenne selbst für den Einsatz an. Jedoch ist der Bereich der Antennenverstärkung, der durch eine Einzel- Monopol-Antenne der geforderten schmalen Höhe zur Verfügung gestellt wird, auf Grenzen beschränkt, die nicht praktisch sind.
• Spiralantennen sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt und wurden für den Einsatz bei kompakten Antennen vorgeschlagen. Bei derartigen Antennen wird eine spiralförmige Spule eingesetzt, wobei eine Verstärkung durch Addition von Signalen in benachbarten Schleifen der Helix erzielt wird. Es wird beispielsweise auf die US-Patente Nr. 4 121 218 und Nr. 4 270 128 hingewiesen. Aufgrund ihrer Länge sind Spiralantennen allerdings wiederum dort nicht praktisch, wo eine flache oder scheibenförmige Antenne kleiner Dicke benötigt wird.
• Folglich fehlt im Stand der Technik eine Antenne, die die erwünschte Verstärkung bei Anwendungen mit beschränkenden Packungsanforderungen, insbesondere bei solchen mit dünnen, flachen Gehäusen, bereitstellen kann. Vom Erfinder wurde überlegt, daß benachbarte Monopol-Elemente zusätzliche Verstärkung in solch einer Umgebung bewirken könnten. Allerdings stand keine Technik zum additiven Koppeln derartiger Elemente zur Verfügung. Zusätzlich wurde durch die bisherige Theorie nahegelegt, daß eine derartige additive Kopplung keine effektiven Vergrößerungen der Antennenhöhe erzielen könnte, und zwar aufgrund der vorhergesagten Ableitung bzw. Ausschließung (shunt out) von über bzw. an den kapazitiven Antennenelementen entwickelten E-Feldern.
• Weitere Antennen sind aus den US-Patenten Nr. 3 967 276, 3 852 760 und 3 568 206 bekannt.
• Demgemäß strebt die Erfindung die Vergrößerung der effektiven Höhe einer Antenne an, bei der der Bauraum beschränkt ist. Die Erfindung zielt weiterhin auf die Bereitstellung einer strukturellen Methode zum additiven Koppeln der Verstärkung benachbarter Kapazitäts-Antennenelemente ausgewählter Höhe ab, um eine Verstärkung zu erzielen, die diejenige einer Einzel-Monopol-Antenne derselben Höhe überschreitet.
• Die Erfindung strebt ferner die Bereitstellung einer Antenne an, die verbesserte Verstärkung in dünnen, flachen Einbau- bzw. Gehäusekonfigurationen zeigt und gegenüber Störungen durch lokale Hochfrequenz (RFI = radio frequency interference) abgeschirmt werden kann.
• Darüber hinaus beabsichtigt die Erfindung die Bereitstellung einer Antennengestaltung, die für Einsätze ausgelegt ist, bei denen eine flache Antenne verhältnismäßig kleiner Dicke gefordert ist.
• Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Antenne bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
• Eine Antenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-PS 3 967 276 bekannt, die einen Antennenaufbau offenbart, der eine Anzahl paralleler Leiter aufweist, die Abmessungen und Abstände, die klein gegenüber der Betriebs-Wellenlänge sind, besitzen und rechtwinklig zu einer leitenden Grundebene angeordnet sind, wobei die oberen Enden der Leiter durch Metallplatten abgeschlossen sind, die als Kapazitäten gegenüber der Grundebene wirken, und durch induktive Elemente miteinander verbunden sind, wobei die unteren Enden mancher der Leiter elektrisch mit der Grundebene verbunden sind, während ein anderer dieser Leiter mit einer Spannungsquelle zur Aufprägung einer Spannung zwischen dem unteren Ende des anderen Leiters und der Grundebene verbunden ist.
• Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
• Bevorzugte Merkmale der Erfindung werden nun als Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
• Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hergestellten Antenne, bei der gewisse strukturelle Merkmale durch herkömmliche Schaltungssymbole repräsentiert und andere in schematischer körperlicher Darstellung gezeigt sind,
• Fig. 2 ein Äquivalenzschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• Fig. 3 ein zweites Äquivalenzschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
• Fig. 4 eine Draufsicht auf eine gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiels hergestellte Antenne,
• Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht einer gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 aufgebauten Antenne, und
• Fig. 6 eine alternative Realisierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Grundebene 11, oberhalb der eine erste Vielzahl von relativ dünnen planaren Leiter-Zwischensegmenten 13, 15 und eine zweite Vielzahl relativ dünner planarer oberer Leitersegmente 17, 19, 21 angeordnet sind. Die Zwischensegmente 13, 15 sind benachbart zueinander in einem Abstand halbwegs zwischen der Grundebene 11 und den oberen Segmenten 19, 21 angeordnet.
• Ein geeignetes dielektrisches Material 23 belegt den Raum zwischen den Leitersegmenten 13, 15, 17, 19, 21 und der Grundebene 11. Bei aktuellen Ausführungsbeispielen wurde Fiberglas als das Dielektrikum eingesetzt, da es hohen "g"- Kräften widerstehen kann. Selbsverständlich können auch andere dielektrische Materialien eingesetzt werden. Die Verwendung eines Dielektrikums mit geringeren Verlusten wie etwa Teflon (Warenzeichen) erhöht die Verstärkung eines speziellen Ausführungsbeispiels, während es seine Fähigkeit, "g"-Kräften zu widerstehen, verringert. Eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante wirkt sich nicht signifikant auf das Antennenverhalten auf. Insbesondere wird eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante oberhalb der Dielektrizitätskonstante von Fiberglas die Antennenöffnung bzw. -appertur nicht vergrößern, während sie die Mittenfrequenz aufgrund der Veränderung der Kapazität geringfügig bei einer abgestimmten Konfiguration verschieben kann.
• Wie ersichtlich ist, werden jeweilige Kapazitäten bzw. Kondensatoren durch das obere Leitersegment 17 und die Grundebene 11, durch das obere Leitersegment 19 und das Leiter-Zwischensegment 13, und durch das obere Leitersegment 21 und das Leiter-Zwischensegment 15 gebildet. Die Leitersegmente 13, 15, 17, 19, 21 bilden somit "Platten" der Kondensatoren. Es wurde gefunden, daß die Anordnung der Leiter- Zwischensegmente 13, 15 halbwegs zwischen der Grundebene und den oberen Leitersegmenten 19, 21 das Leistungsverhalten optimiert. Für Fachleute ist erkennbar, daß der Aufbau gemäß Fig. 1 leicht als eine gedruckte Mehrschicht-Schaltplatine (PC = printed circuit) hergestellt werden kann.
• Hülsen 25 sind in Löcher im Dielektrikum 23 eingesetzt und dienen als Führungen für elektrische Leiter 27, 29. Der erste Leiter 27 verbindet das erste obere Leitersegment 17 mit dem ersten Leiter-Zwischensegment 13. Der zweite Leiter 29 verbindet das zweite obere Leitersegment 19 mit dem zweiten Leiter-Zwischensegment 15. Die aufeinanderfolgenden Kondensatoren sind folglich seriell miteinander verbunden.
• Das erste und das zweite Leiter-Zwischensegment 13, 15 sind weiterhin induktiv mit der Grundebene 11 gekoppelt. Ein erster Induktor 31 verbindet das erste Leiter-Zwischensegment mit Masse, während ein zweiter Induktor 33 das zweite Leiter-Zwischensegment 15 mit Masse bzw. Erde verbindet.
• Der Ausgang der Antenne wird zwischen dem dritten Leitersegment 21 und der Grundebene 11 abgegriffen. Ein geeignetes Impedanzanpassungsnetzwerk 35 (pi) ist mit diesen Punkten verbunden, um eine effiziente Leistungsübertragung zu der nachfolgenden Empfängerschaltung bereitzustellen.
• Es läßt sich ferner feststellen, daß Kapazitäten 26, 28 zwischen der ersten bzw. der zweiten Zwischenplatte 13, 15 und der Grund- bzw. Masse- bzw. Erdebene 11 aufgrund ihrer physikalischen Trennung existieren. Die Induktoren 31, 33 sind so ausgewählt, daß sie abgestimmte Schaltungen mit diesen Kapazitäten 26, 28 bilden, wobei die Abstimmung auf die Mitte des Durchlaßbands zentriert ist. Die abgestimmten Schaltungen schließen wirksam den nach der bisherigen Theorie vorausgesagten Nebenschluß der E-Felder gegen Masse aus, indem eine hohe Hochfrequenz-Impedanz von den Zwischenplatten 13, 15 gegen Erde geschaffen wird. Die abgestimmten Schaltungen verleihen der Schaltung auch eine Breitbandcharakteristik von beispielsweise 500 kHz im Bereich von 2-3 MHz.
• Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beträgt die effektive Höhe der Antenne ungefähr 3 H: der Abstand H zwischen der Grund- bzw. Erdebene 11 und dem ersten oberen Leitersegment 17, zu dem der Abstand H zwischen dem zweiten oberen Leitersegment 19 und der Grund- bzw. Erdebene 11 sowie der Abstand H zwischen dem dritten oberen Leitersegment 21 und der Grund- bzw. Erdebene 11 hinzu addiert wird.
• Eine Äquivalenzschaltung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Schaltung weist eine Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren CA auf. Abgestimmte Schaltungen, die die Parallel-Kombination eines Induktor LS und einer Kapazität CS aufweisen, sind zwischen die Serienkondensatoren und Masse geschaltet. Jede Kapazität CA repräsentiert den Kapazitätswert zwischen einer der oberen leitenden Schichten 19, 21 und ihrer entsprechenden Zwischenschicht 13, 15. Die Kapazitäten CS repräsentieren die Kapazitätswerte zwischen den Zwischenschichten 13, 15 und der Grund- bzw. Erdebene 11. Die Induktoren LS repräsentieren die Induktoren 31, 33 gemäß Fig. 1. Die abgestimmten LSCS-Schaltungen verhindern den Nebenfluß bzw. die Ablenkung des E-Felds E&sub1;, E&sub2;, E&sub3; über die Kapazitäten CA. Die Induktanz Lo repräsentiert die Induktivität, die die Schaltung mit einem Hochfrequenzverstärker koppelt.
• Eine Äquivalenzschaltung bei der Mittenfrequenz der Schaltung gemäß Fig. 2 ist in Fig 3 gezeigt. Wie angegeben ist, ist die effektive Kapazität Co = KCA, wobei K = 1/(N+1) und CA = εa/h sind. Dabei bezeichnet "N" die gesamte Anzahl von Kapazitäten in Fig. 1, "ε" die Dielektrizitätskonstante, "a" die Plattenfläche und "h" den Abstand zwischen den oberen und Zwischenplatten. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist N = 5. Die Ausgangsspannung Vo ist gleich QEo, wobei
• Dabei bezeichnet XCA die Reaktanz von CA, Ro den Verlust des Dielektrikums und E die Feldstärke im Bereich der Antenne in Volt/Meter multipliziert mit 2h/Meter. Die Mittenfrequenz (fo) der Antenne ist
• Die effektive Höhe der Antenne ist
• k(N+1)h,
• wobei k eine einen Verlust repräsentierende Konstante ist.
• In den Figuren 4 und 5 ist eine scheibenförmige Antenne 52 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt. Fig. 4 zeigt das Metallisierungsmuster der oberen Schicht, während Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts des scheibenförmigen Ausführungsbeispiels zeigt. Diese Antenne 52 enthält drei obere ringförmige Leitersegmente 51, 53, 55. Diese oberen Segmente entsprechen funktionell den oberen Segmenten 17, 19, 21 gemäß Fig. 1, die in kreisförmiger Konfiguration angeordnet sind.
• Solche Leitersegmente können durch bekannte Abscheidungs- und Ätzverfahren hergestellt werden. Ösen bzw. Verbindungspunkte (eyelets) 57, 59 sind senkrecht zur Scheibenoberfläche angeordnet, um die oberen Kondensatorsegmente 51 und 53 mit den zwischenliegenden Segmenten, beispielsweise 61, innerhalb der Schaltungsplatinenanordnung zu verbinden. Die beiden zwischenliegenden Segmente besitzen dieselbe ringförmige Gestalt wie die oberen Segmente 53 und 55 und sind zwischen ersten und zweiten dielektrischen Schichten 62, 64 angeordnet. Eine Grund- bzw. Masseebenenschicht 65 ist als die Bodenschicht der Scheibenantenne 52 ausgebildet. Ösen bzw. Verbindungsstücke 56 und 58 sind rechtwinklig zur Scheibenoberfläche angeordnet und verbinden die Masseebenenschicht 65 mit dem dielektrischen Substrat 64 der Segmente 51, 53 und 55. Diese Ösen bzw. Verbindungsstücke 56 und 58 sind benachbart zu jeweiligen bzw. entsprechenden der anderen Ösen bzw. Verbindungsstücke 57 und 59 angeordnet. Chip-Induktoren, beispielsweise 68, sind zwischen die Ösen bzw. Verbindungsstücke, beispielweise 57 und 56, geschaltet, um die abgestimmten Schaltungsinduktivitäten 31, 33 gemäß Fig. 1 zu bilden. Der Antennenabgriff für den Empfänger wird an einer fingerförmigen Verlängerung 69 der Metallisierung abgenommen, während ein Aufnehmer bzw. Abgriff 70 Kontakt mit der Grund- bzw. Masseebene 65 herstellt. Die Mitte der Scheibe 52 kann eine Spule 67 für magnetische Übertragung von Signalen zur Schaltung auf der entgegengesetzten Seite einer Schaltplatine, auf der die Antenne 52 montiert ist, aufnehmen.
• Eine Antenne gemäß Fig. 4 wurde mit einer Höhe H von 2,286 mm (0,09 Inch) für den Einsatz im Frequenzbereich von 2-3 MHz hergestellt. Die Antenne wurde um eine magnetische Übertragungsspule 67 zur Speisung einer digitalen Schaltung gepackt bzw. angeordnet. Die oberen Segmente 51, 53, 55 stellten eine Gesamtfläche von ungefähr 61 Quadratzentimetern (9,5 Quadratinch) bereit. Der Bereich eines solchen Ausführungsbeispiels zeigte eine Zunahme im Bereich bzw. in der Reichweite gegenüber einer einzelnen Monopolantenne von 1 Kilometer bis 8 Kilometer im Wüstengebiet und von 300 Metern bis 2 bis 3 Kilometern in gebirgigem Gebiet. Laborteste zeigten an, daß somit eine Verstärkung bzw. ein Gewinn von ungefähr 10 dB gegenüber einer Einzel-Monopol-Gestaltung erzielt wurde.
• Die Gestaltung erwies sich weiterhin als haltbar bzw. belastbar und empfindlich auf Grundwellen bzw. Massewellen, wobei sie selbst dann zufriedenstellend funktionierte, wenn sie in 6 Inch Schlamm vergraben war. Die überraschende breitbandige omnidirektionale Charakteristik des bevorzugten Ausführungsbeispiels führte auch zur Beseitigung der Notwendigkeit einstellbarer Abstimmkondensatoren und deren zugehörigen Aufwand. Der stufige Aufbau der Erfindung stellt weiterhin eine Antenne bereit, die große Flexibilität bei der Anpassung zeigen kann, verglichen mit einer Einzel-Kapazität-Monopolantenne, die verhältinismäßig sehr schwierig anzupassen ist.
• Die relative Einfachheit bei der Anpassung rührt daher, daß der stufige Aufbau die Ausgangsimpedanz der Antenne um ungefähr das dreifach vergrößert, d.h. von 10 auf 30 Milliohm. Diese Erhöhung ist bei gemeinsamen bzw. üblichen Anpassungssituationen signifikant, bei denen die Antenne an eine Impedanz im Bereich von 20 bis 30 Ohm angepaßt wird.
• Fig. 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem rechtwinklige Kondensatorsegmente 51, 53, 55 einander benachbart auf einer rechteckförmigen Schaltplatine 71 in einer linearen Anordnung oder einer Matrixanordnung anstelle der kreisförmigen Anordnung gemäß Fig. 4 angeordnet sind. Die Konstruktion und Funktion einer solchen Anordnung steht in Übereinstimmung mit derselben Struktur und den vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Prinzipien. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist bei Anwendungen nützlich, bei denen standardisierte rechteckige Schaltungskarten eingesetzt werden, wohingegen das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bei spezialisierten Anwendungen wie etwa bei der Installation in radiogesteuerten bzw. funkgesteuerten Landminen und anderen Anwendungen mit kreisförmiger Symmetrie Einsatz findet.
• Somit wurde ein neuer Antennentyp offenbart, der unerwartete Leistungsfähigkeitsergebnisse bereitstellen kann. Es versteht sich, daß die soeben beschriebenen Gestaltungsprinzipien bei der Entwicklung zahlreicher Antennenkonfigurationen einschließlich unterschiedlicher Anzahlen von aufeinanderfolgenden Kondensatorsegmenten in unterschiedlichen, kommerziellen und militärischen Anwendungen einschließlich beispielsweise Fahrzeug-Radioantennen eingesetzt werden können.

Claims (6)

1. Antenne mit einer Grundebene (11;65) und einer auf der Grundebene (11;65) angeordneten ersten dielektrischen Schicht (23;64), gekennzeichnet durch

a) eine Mehrzahl von auf der ersten dielektrischen Schicht (23; 64) angeordneten Zwischen-Leitersegmenten (13,15;61),

b) eine auf der Mehrzahl von Zwischen-Leitersegmenten (13,15;61) angeordnete zweite dielektrische Schicht (23;62),

c) eine Mehrzahl von auf der zweiten dielektrischen Schicht (23;62) angeordneten oberen Leitersegmenten (17,19,21;51,53,55),

d) wobei jedes der Zwischen-Leitersegmente (13,15;61) elektrisch mit zumindest einem benachbarten oberen Leitersegment (17,19,21;51,53,55) zur Bildung einer Mehrzahl von verbundenen Kapazitäten verbunden ist, und

e) wobei die Zwischen-Leitersegmente (13,15;61) jeder Kapazität induktiv mit der Grundebene (11;65) zum Verhindern der Parallelschaltung der elektrischen Felder von der Mehrzahl der Kapazitäten zur Grundebene (11;65) gekoppelt sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Zwischen-Leitersegmente (13,15;61) in einer im wesentlichen ringförmigen Anordnung angeordnet und die oberen Leitersegmente (17,19,21;51,53,55) in einer im wesentlichen ringförmigen Anordnung angebracht sind.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, bei der die oberen Leitersegmente (17,19,21;51,53,55) im wesentlichen über den Zwischen-Leitersegmenten (13,15;61) angeordnet sind.

4. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die oberen Leitersegmente (17,19,21;51,53,55) drei obere Leitersegmente aufweisen und die Zwischen-Leitersegmente (13,15;61) zwei Zwischen-Leitersegmente enthalten.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eines der oberen Leitersegmente (21;55) und die Grundebene (11;65) für die Kopplung mit einer Empfängerschaltung ausgelegt sind.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zwischen-Leitersegmente (13,15;61) auf halbem Weg zwischen der Grundebene (11;65) und den oberen Leitersegmenten (17,19,21;51,53,55) angeordnet sind.