DE4008505A1 - Antenne fuer die mobile satellitenkommunikation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zirkular polarisierte Antenne für die mobile Satellitenkommunikation.

Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, die über ein großes Gebiet verteilt sein können, ist ohne größere terrestrische Infrastruktur nur mithilfe von Satelliten möglich. Derartige Verbindungen können in Europa bereits heute über geostationäre Satelliten (z. B. MARECS-B2) im L-Band aufgebaut werden. Dabei kommt das Fahrzeug mit nicht nachgeführten Antennen aus, wobei das Richtdiagramm im Azimut unabhängig vom Einfallswinkel sein soll, in der Elevation dagegen nur den um den maximalen Kippwinkel des Fahrzeuges erweiterten Winkelbereich erfassen muß, unter dem der Satellit innerhalb Europas sichtbar sein kann. Das Richtdiagramm darf nicht von höherliegenden Fahrzeugteilen beeinträchtigt werden. Daher muß die Antenne möglichst hoch am Fahrzeug angebracht werden, was insbesondere bei Lastkraftwagen zu erhöhter mechanischer Beanspruchung durch Vibration, kleinere Äste, Niederschläge und Fahrtwind führt.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse aus Draht gebogene Antennen zu verwenden. Die heute allgemein verwendete Antennenform ist die Quadrifilar-Helix Antenne nach Kilgus (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1976, S. 238-241). Auch an den Enden nach unten abgebogene Dipolantennen aus Draht sind vorübergehend zur Anwendung gekommen (IV.th International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation, London, Oct. 1988, S. 23-32). Für den Übergang von koaxialen Leitungen auf symmetrische Anordnungen, wie etwa Dipolantennen sind dabei Symmetrierungen nach Art der EMI-Schleife (Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, S. 390 ff) üblich.

Bei allen diesen Antennen werden komplizierte Speisenetzwerke aus Einzelleitern verwendet, um einerseits Anpassung zu erreichen und andererseits eine symmetrische Dipolspeisung bei unsymmetrischer Zuleitung zu gewährleisten. Diese Netzwerke, sowie die gebogenen und nur kompliziert zu fixierenden Drahtantennen machen die Anordnungen schwer und verhindern höhere mechanische Belastbarkeit, die für einen zuverlässigen Einsatz auf Kraftfahrzeugen unabdingbar ist. Darüber hinaus steht der komplizierte mechanische Aufbau derartiger Antennen einer kostengünstigen Massenfertigung entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit hoher Reproduzierbarkeit zu fertigende, mechanisch hoch belastbare und möglichst einfach und damit preisgünstig aufgebaute Antenne für die Herstellung in großen Stückzahlen zu gestalten, die zum Senden und Empfangen zirkular polarisierter Wellen mit einem für die Satellitenkommunikation geeigneten Richtdiagramm geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und den in den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst.

Abweichend vom Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Antennenstruktur der V-förmig ausgebildeten Dipole auf zwei metallisierte Substratplatten mithilfe eines Ätzvorganges aufzubringen. Damit ist die Reproduzierbarkeit der Dipolabmessungen sichergestellt. An die Substratgüte werden keine erhöhten Anforderungen gestellt, da im Gegensatz zu herkömmlichen Streifenleitungsantennen nur ein sehr kleiner Teil des Strahlerfeldes innerhalb des Substrats verläuft. In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Antenne werden die Einzelantennen in der Symmetrieachse der Dipole so geschlitzt, daß sie rechtwinkelig ineinander gesteckt werden können. Damit kann eine besonders hohe mechanische Stabilität erreicht werden.

Die koaxialen Zuleitungen der beiden Dipole werden so, wie auch die Symmetrierleitungen getrennt in den vier Kammern entlang der Antennenmittelachse geführt. Zur weiteren Erhöhung der Stabilität können die Außenleiter vorteilhaft mit einer auf die Substratplatten geeignet aufgebrachten Struktur verlötet werden.

Im Abstand von etwa einer viertel Wellenlänge vom Speisepunkt werden die Außenleiter der Zuleitungen und die Symmetrierleitungen miteinander kontaktiert. Insbesondere durch geeignete Wahl der Dipolabmessungen und der Neigung der Dipolenden wird die bei herkömmlichen Antennen notwendige Impedanztransformation überflüssig. Die Antenne kann daher niedriger werden und weist zudem durch die Kombination der Serienresonanz des Dipols mit der Parallelresonanz der Symmetrierleitung eine besonders breitbandige Anpassung auf (Dreitband-Bandpaß-Kompensation).

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die gesamte Anordnung mechanisch außerordentlich belastbar ist. Die gerade bei Phasenmodulation sich ungünstig auswirkende Vibration der Dipolelemente wird weitgehend vermieden. Zuleitungen und Stichleitungen sind fest mit der Antenne verbunden. Durch Verwendung von Photomasken ist eine hohe Reproduzierbarkeit bei geringen Herstellungskosten erzielbar. Die Wirkung von Blitzeinschlägen in der Nähe der Antenne wird dadurch wesentlich vermindert, daß alle Antennenelemente gleich­ spannungsmäßig kurzgeschlossen sind. Das Richtdiagramm der Antenne ist bei kleinerer Bauform ähnlich dem der Antennen nach dem derzeitigen Stand der Technik (hemisphärisch).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Eine Ausführung des Einzeldipols

Fig. 2 Mechanische Verbindung der Einzeldipole

Fig. 3 Eine Ausführung der Gesamtantenne mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

In Bild 1 besteht der Einzeldipol aus einer auf Kunstharzgewebe (1) aufgedruckten breiten Struktur (2), die bereits fest mit der Symmetrierleitung (3) verbunden ist. Die eine Hälfte des Dipols ist dabei erfindungsgemäß auf der Substratoberseite, die andere Hälfte (4) auf der Unterseite. In der Mittelachse wird das Substrat gemäß Anspruch 2 bis zur Mitte in der Breite, die der Substratdicke entspricht, aufgesägt. Dabei erfolgt der Schnitt bei dem einen Einzeldipol von oben bis zur Mitte und beim anderen von unten bis zur Mitte.

In Bild 2 ist die Montage von zwei der in Bild 1 dargestellten Einzeldipole nach Anspruch 2 der Erfindung gezeichnet. Durch die beschriebene Schlitzung der beiden Substrate in der vertikalen Achse können sie mit großer mechanischer Stabilität zusammengesetzt werden.

In Bild 3 sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung berücksichtigt. Die Einzelantennen (6) auf den Substraten (1) und (2) sind ineinandergesteckt und fixiert. Die Zuleitungen (3) und (4) und die Symmetrierleitungen (7) und (8) mit gleichem Außendurchmesser sind in die entstandenen Ecken entlang der gedruckten Stichleitungsstruktur (9) eingelötet und mit einer Kurzschlußplatte (5) leitend verbunden, sodaß die mechanische Stabilität noch weiter erhöht wird. Eine Isolation von Leiterstücken gegeneinander ist wegen der getrennten Verwendung von Substratober- und Unterseite an keiner Stelle nötig. Gleichspannungsmäßig liegen dabei alle Einzelelemente auf Masse­ potential.

Claims (7)

1. Sende- und Empfangsantenne mit hemisphärischem Richtdiagramm und zirkularer Polarisation für die Anwendung bei der mobilen Kommunikation über Satelliten, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Antenne aus in Ätztechnik auf ein Substrat aufgedruckten, gekreuzten Horizontaldipolen mit V-förmig nach unten geneigten Dipolhälften besteht und diese Dipole auf getrennten senkrecht stehenden gekreuzten Substraten aufgedruckt sind, die unter 90° zueinander mechanisch ineinandergefügt und mechanisch fixiert sind und daß jede der beiden Hälften des Einzeldipole zumindest im Bereich des mechanischen Kreuzungspunktes zur Vermeidung von Kurzschlußproblemen nur auf einer Substratoberfläche aufgedruckt ist.
• b) die Antennenelemente in einem hinreichend großen, jedoch möglichst kleinen vertikalen Abstand, der jedenfalls kleiner als 3 Lambda/4 ist, über einer leitenden Ebene angebracht sind und die Dipole über je eine im wesentlichen vertikale Koaxialleitung gespeist sind und die Symmetrierung in der Art einer EMI-Schleife dadurch geschieht, daß ein Leiterstück parallel zu der koaxialen Leitung als Symmetrierleitung geführt ist und an seinem unteren Ende mit dieser Leitung und an seinem oberen Ende mit dem einen Speisepunkt des Dipols und dem Innenleiter der koaxialen Leitung elektrisch leitend verbunden ist und der Außenleiter der koaxialen Leitung mit dem anderen Speisepunkt des Dipols verbunden ist und daß die beiden koaxialen Speiseleitungen an ihrem Fußpunkt mit Signalen gespeist werden, die elektrisch einen Phasenunterschied von 90° aufweisen und die Länge des Leiterstückes so gewählt ist, daß in der Koaxialleitung die gewünschten Impedanzverhältnisse vorliegen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eines der beiden Substrate in seiner vertikalen Achse in der Substratbreite von oben bis zur Mitte geschlitzt ist und das andere Substrat von unten bis zur Mitte so geschlitzt ist, daß beide Substrate mechanisch ineinander gesteckt werden können.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Zuleitung als Semirigid-Leitung ausgeführt ist.

4. Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrierleitung in gedruckter Technik auf dem Substrat aufgebracht ist.

5. Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrierleitung als zylindrischer Leiter ausgeführt ist.

6. Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrierleitung als zylindrischer Leiter ausgeführt ist, der mit der auf dem Substrat aufgedruckten Strukturen verlötet ist.

7. Antenne nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Neigung und Formgebung der Dipole in Verbindung mit der Länge der Symmetrierleitung die Impedanz der Antenne in den Speisepunkten so eingestellt ist, daß Anpassung vorliegt.