Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennen und insbesondere auf Antennen, die aus einer Mehrzahl von Planarantennen aufgebaut sind.

Antennen werden zur drahtlosen Anbindung von Datenübertra¬ gungsgeräten genutzt. Je nach Anwendungsgebiet werden Antennen mit speziellen Charakteristika ausgewählt. Dabei sind einige Kompromisse einzugehen, die speziell die Integ- rierbarkeit, den Gewinn, das Rauschen oder die Bandbreite berücksichtigen einer Antenne. Einer der entscheidenden Auswahlfaktoren ist die verwendete Speisungsmethode der Antenne. Dabei wird zwischen einer differenziellen oder einer einseitigen, auch single-ended genannten Speisung unterschieden.

Wenn aufgrund eines höheren Gewinns, eines niedrigeren Rauschens oder eines einfacheren Designs bei einem Anten¬ nen-Verstärker eine differenzielle Signalführung benutzt wird, sollte idealerweise eine differenziell gespeiste Antenne, beispielsweise eine Dipolantenne, ausgewählt werden. Statt dessen kann auch ein Symmetrieübertrager, auch Balun genannt, eingesetzt werden, der von einer diffe- renziellen Signalführung nach einer Single-Ended- Signalführung transformiert. In der Praxis bestimmt die Entscheidung der Speisungsmethode die Art der verwendeten Antennen oder alternativ die Verwendung eines Symmetrieü¬ bertragers.

Die Dipolantenne oder ähnliche differenziell gespeiste Antennen haben den Nachteil, dass sie keine Massefläche oder Metallfläche neben sich haben dürfen und häufig nicht integrierbar sind. Die Verwendung einer Planarantenne, beispielsweise einer Patchantenne, erlaubt zwar eine besse-

re Integrierbarkeit, benötigt aber andererseits einen Symmetrieübertrager, der einen beträchtlichen Platz einneh¬ men kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integ¬ rierbare Antenne zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Antenne mit folgen¬ den Merkmalen:

einer ersten Planarantenne;

einer zweiten Planarantenne; und

einer Einrichtung zum Koppeln der ersten Planarantenne mit einer ersten Komponente eines differenziellen Signals und zum Koppeln der zweiten Planarantenne mit einer zweiten Komponente des differenziellen Signals.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass differenziell gespeiste Planarantennen wie eine Dipol- antenne funktionieren, deren Arme Planarantennen sind. Insbesondere können die Planarantennen zusammen mit einem differenziellen Speisungssystem ohne eine Single-Ended-zu- Differenziell-Transformation verwendet werden. Der erfin¬ dungsgemäße Ansatz, der eine differenziell gespeiste Dipol- antenne, deren Arme Planarantennen sind betrifft, überwin¬ det die Hindernisse, die beim Einsatz bekannter differen¬ ziell gespeister Antennen oder beim Einsatz bekannter Planarantennen auftreten und bietet weiterhin einige we¬ sentliche Vorteile. Insbesondere ermöglicht der erfindungs- gemäße Ansatz die Verwendung einer differenziellen Speisung zusammen mit Planarantennen ohne einen zusätzlichen Balun.

Bei der Antenne gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz werden im Gegensatz zu herkömmlichen Planarantennen zwei Planaran- tennen ohne einen zusätzlichen Balun differenziell ge¬ speist. Daraus resultiert eine ganz auf Multilayersubstra- ten integrierbare Antenne, die alle Vorteile einer diffe- renziellen Speisung und einer Planarantenne enthält.

Eine Antenne gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz kann sowohl in einem Sender als auch in einem Empfänger verwendet werden, in denen eine differenzielle Speisung und eine Vollintegrierbarkeit benötigt ist. Damit werden zwei entge¬ gengesetzte Konzepte, nämlich der differenziellen Speisung und der Planarantennen, zusammen verwendet ohne dass ein zusätzliches Element, beispielsweise ein Balun erforderlich ist.

Die Verwendung einer differenziellen Speisung kann für bestimmte Entwürfe, beispielsweise in Bezug auf Rauschen oder Gewinn benötigt werden. Die Verwendung zweier Plana- rantennen gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz ermöglicht es ferner, dass die differentiell gespeiste Antenne leichter integrierbar ist.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich das grundsätz- liehe Design der für den erfindungsgemäßen Ansatz verwende¬ ten Planarantennen nicht vom Design einer single-ended- gespeisten Planarantenne unterscheidet. Die Anpassung an eine gewünschte Frequenz und Strahlungscharakteristik wird jedoch für die vorgestellte spezielle Konfiguration entwi- ekelt werden.

Sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die Strah¬ lungscharakteristik sind bei der Verwendung einer Antenne gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz deutlich verbessert, was zu einer Leistungssteigerung führt. Insbesondere ermöglicht der erfindungsgemäße Ansatz einen Aufbau der Antenne auf beiden Seiten eines Elektronikmoduls, so dass eine Abstrah-

lung auf beiden Seiten erfolgt und somit die Rundstrahlcha¬ rakteristik der Antenne verbessert wird.

Der erfindungsgemäße Ansatz ist geeignet für Anwendungen in der drahtlosen Datenübertragung, für Audio- oder Videoüber¬ tragung, und insbesondere auch in der Lokalisierung, also überall dort, wo eine Abstrahlung in möglichst alle Rich¬ tungen erwünscht ist. Die erfindungsgemäßen Antennen sind in der vorgestellten Form planar integrierbar. Dies bietet sich aufgrund der geringen Baugröße vor allem bei Übertra¬ gungsfrequenzen im Zentimeter- und Millimeterwellenbereich an. Auf diese Weise lassen sich sehr kompakte Einheiten herstellen.

Die erfindungsgemäße Antenne wird wegen ihrer differenziel- len Anschlüsse in Sendern und Empfängern Anwendung finden, die aufgrund einer höheren Leistung, eines niedrigeren Rauschens und eines einfacheren Designs differenzielle Speisung nutzen. Außerdem ist der erfindungsgemäße Ansatz ideal für Sender oder Empfänger, bei denen miniaturisierte Antennen integriert werden sollen, die bezogen auf ihre Größe relativ breitbandig sind.

Aufgrund der Aufbauflexibilität und der Integrierbarkeit auf planaren Schaltungen ist die vorgestellte Dipolantenne mit Planararmen gut geeignet, um ein gewünschtes Rundstrah¬ lungsdiagramm zu erzeugen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Antenne gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Antenne gemäß einem weiteren Äusführungsbeispiel der vorliegenden Er¬ findung;

Fig. 4 eine weitere Seitenansicht der in Fig. 3 gezeig- ten Antenne;

Fig. 5A eine Kennlinie des Reflexionsfaktors der in Fig. 4 gezeigten Antenne; und

Fig. 5B ein Reflexionsfaktor-Diagramm der in Fig. 4 gezeigten Antenne.

In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.

Fig. 1 zeigt eine Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antenne weist eine erste Planarantenne 102 und eine zweite Planarantenne 104 auf, die über eine Einrichtung 106 zum Einkoppeln oder Auskop¬ peln eines differenziellen Signals verbunden sind. Die erste Planarantenne 102 weist ein erstes planares Strah¬ lungselement 112 auf. Die zweite Planarantenne 104 weist ein zweites planares Strahlungselement 114 auf. Die Strah¬ lungselemente 112, 114 sind auf einer ersten Oberfläche eines Substrats 116 voneinander beabstandet angeordnet. Auf einer zweiten Oberfläche des Substrats 116 ist eine elekt¬ risch leitfähige Schicht 118 angeordnet. Die zweite Ober¬ fläche des Substrats 116 ist gegenüberliegend der ersten Oberfläche des Substrats 116 angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die leitfähige Schicht 118 eine Metallisierungsschicht, die eine Massefläche der Planarantennen 102, 104 bildet. Das Substrat 116, bei- spielsweise ein Keramiksubstrat ist als Dielektrikum ausge¬ bildet. Die erste Planarantenne 102 besteht aus einem schichtförmigen Aufbau des ersten planaren Strahlungsele¬ mentes 112, des Substrats 116 und der elektrisch leitfähi¬ gen Schicht 118. Entsprechend dazu besteht die zweite Planarantenne 104 aus dem zweiten planaren Strahlungsele¬ ment 114, dem Substrat 116 und der elektrisch leitfähigen Schicht 118.

Die Einrichtung zum Koppeln 106 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Gezeigt ist ein differenzieller Signalan- schluss 122 bzw. ein Generator zum Bereitstellen eines differenziellen Signals, der über einen ersten Bereich 124 zum Bereitstellen einer ersten Komponente des differenziel¬ len Signals mit der ersten Planarantenne 102 und über einen zweiten Bereich 126 zum Bereitstellen einer zweiten Kompo¬ nente des differenziellen Signals mit der zweiten Planaran¬ tenne 104 verbunden ist. Die erste Komponente des differen¬ ziellen Signals ist ein zu der zweiten Komponente des differenziellen Signals invertiertes Signal.

Wird die in Fig. 1 gezeigte Antenne als eine Empfangsanten¬ ne genutzt, so ist der Signalanschluss 122 mit einer Aus¬ werteeinrichtung (nicht gezeigt in den Figuren) zum Auswer¬ ten der empfangenen ersten Komponente und der empfangenen zweiten Komponente des differenziellen Signals verbunden.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass es sich bei der erfin¬ dungsgemäßen Antenne um eine differenziell gespeiste Plana¬ rantenne in Dipolkonfiguration ohne die Verwendung eines Baluns handelt. Die gezeigte Antenne besteht aus zwei Planarantennen 102, 104, die die Funktion der Dipolarme erfüllen, da jede Planarantenne 102, 104 von einer anderen Polarität (+/-) gespeist wird. Bezogen auf eine Dipolanten-

ne stellt die erste Planarantenne 102 eine erste Dipolhälf¬ te und die zweite Planarantenne 104 eine zweite Dipolhälfte dar.

Die schematische Darstellung der Einrichtung zum Koppeln 106 steht stellvertretend für eine differenzielle Einspei- sung bzw. Abführung eines differenziellen Signals. Die erfindungsgemäße Antenne arbeitet mit allen bekannten Speisungsmethoden eines Antennenelements. Beispielsweise sei hier die Strahlungskopplung, eine Einspeisung über eine Mikrostreifenleitung oder einem Speisepin genannt.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die planaren Strahlungs¬ elemente 112, 114 als planere, rechteckige Schichten ge- zeigt, die aus einem elektrisch leitfähigen Material aufge¬ baut sind. Abweichend von der gezeigten Geometrie können die planaren Strahlungselemente 112, 114 gemäß allen ande¬ ren bekannten Arten der Planarantennengeometrie aufgebaut sein. Als Beispiel sei hier eine viereckige, dreieckige oder ringförmige Ausformung genannt. Ferner können die Planarantennen als PIFA (PIFA = planar inverted F antenna) oder als gestapelte Antennen ausgeführt sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die beiden Dipolhälften jeweils eine Mehrzahl von Planarantennen aufweisen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Antenne gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antenne weist eine erste Planarantenne 202, eine zweite Planarantenne 204 und eine Einrichtung zum Koppeln der Planarantenne 202, 204 mit einem differenziel¬ len Signal auf. Die erste Planarantenne 202 weist ein erstes planares Strahlungselement 212 und die zweite Plana- rantenne 204 ein zweites planares Strahlungselement 214 auf. Die Antenne weist einen Substratstapel bestehend aus einer ersten Substratschicht 216a, einer zweiten Substrat¬ schicht 216b und einer dritten Substratschicht 216c auf.

Zwischen der ersten Substratschicht 216a und der dritten Substratschicht 216c ist eine elektrisch leitfähige Schicht 218a in Form einer Metallisierung angeordnet. Zwischen der zweiten Substratschicht 216b und der dritten Substrat- Schicht 21βc ist eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 218b ebenfalls in Form einer Metallisierung angeordnet. Auf einer zweiten Oberfläche der ersten Substratschicht 216a, gegenüberliegend der Metallisierung 218a, ist das erste planare Strahlungselement 212 der ersten Planarantenne 202, angeordnet. Die erste Planarantenne 202 ist aus dem ersten planaren Strahlungselement 212, der ersten Substratschicht 216a und der Metallisierung 218a aufgebaut. Auf einer der zweiten Metallisierung 218b gegenüberliegend angeordneten Oberfläche der zweiten Substratschicht 216b ist das zweite planare Strahlungselement 214 der zweiten Planarantenne 204 angeordnet. Die zweite Planarantenne 204 ist aus dem zwei¬ ten planaren Strahlungselement 214, der zweiten Substrat¬ schicht 216b und der Metallisierung 218b aufgebaut. Die Substratschichten 216a, 216b, 216c sind als Dielektrikum ausgeführt.

Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel findet eine Ein- bzw. Auskopplung des differenziellen Signals über eine Strahlungskopplung statt. Die Einrichtung 206 zum Koppeln ist in Fig. 2 schematisch dargestellt und weist einen differenziellen Signalanschluss 122, einen ersten Bereich 124 zum Bereitstellen der ersten Komponente des differenziellen Signals und einen zweiten Bereich 126 zum Bereitstellen einer zweiten Komponente des differenziellen Signals auf. Ein erstes Strahlungskoppelelement 228a dient zur Verbindung des ersten Strahlungselements 212 mit dem ersten Bereich 124 zum Bereitstellen der ersten Komponente des differenziellen Signals. Entsprechend dazu dient ein zweites Strahlungskoppelelement 228b zur Verbindung des zweiten Bereichs 126 zum Bereitstellen der zweiten Kompo¬ nente des differenziellen Signals mit dem zweiten Strah¬ lungselement 214. Die Strahlungskoppelelemente 228a, 228b sind in diesem Ausführungsbeispiel als Mikrostreifenleitun-

gen ausgeführt, die in der ersten Substratschicht 216a bzw. der zweiten Substratschicht 216b angeordnet sind, und in einem Überlappungsbereich der Strahlungselemente 212, 214 mit der Metallisierungsschicht 218a, 218b hineinragen. Eine Kopplung zwischen den Strahlungselementen 212, 214 und den Strahlungskoppelelementen 228a, 228b kann beispielsweise über eine kapazitive oder induktive Kopplung erfolgen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Strahlungselemen- te 212, 214 symmetrisch auf dem Substratstapel 216a, 216b, 216c angeordnet. Bevorzugterweise ist die erste Planaran- tenne 202 identisch zu der zweiten Planarantenne 204 ausge¬ führt. Um spezielle Antennencharakteristika zu erreichen, kann von dieser symmetrischen Anordnung abgewichen werden.

Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines weite¬ ren Ausführungsbeispiels einer Antenne gemäß der vorliegen¬ den Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste Planarantenne 302 und eine zweite Planarantenne 304 als PIFA-Antenne ausgeführt, die über eine Einrichtung 306 zum Einkoppeln oder Auskoppeln eines differenziellen Sig¬ nals verbunden sind.

Die in Fig. 3 gezeigte Antenne weist einen Schichtaufbau entsprechend dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf. Das erste planare Strahlungselement 212 der ersten

Planarantenne 302 ist auf einer ersten Oberfläche einer ersten Substratschicht 216a angeordnet. Ein zweites plana- res Strahlungselement der zweiten Planarantenne 304 ist in Fig. 3 nicht ersichtlich, da es auf der Unterseite der zweiten Substratschicht 216b angeordnet ist. Zwischen der ersten Substratschicht 216a und der zweiten Substratschicht

216b ist eine dritte Substratschicht 216c angeordnet, die von der ersten Substratschicht 216a über die erste Metalli- sierungsschicht 218a und mit der zweiten Substratschicht

216b über die zweite Metallisierungsschicht 218b verbunden ist.

In der dritten Substratschicht 216c ist ein differenzieller Signalanschluss bestehend aus einer ersten Signalleitung 324 zum Führen der ersten Komponente des differenziellen Signals und einer zweiten Leitung 326 zum Führen der zwei- ten Komponente des differenziellen Signals angeordnet. Die erste Leitung 324 ist über eine erste Speiseleitung 328a mit dem ersten Strahlungselement 212 der ersten Planaran- tenne 302 verbunden. Die zweite Leitung 326 zum Führen der zweiten Komponente des differenziellen Signals ist über eine zweite Speiseleitung 328b mit dem zweiten Strahlungs¬ element (nicht gezeigt in Fig. 3) der zweiten Planarantenne 304 verbunden.

Eine seitlich an dem Substratstapel angeordnet leitfähige Schicht stellt eine erste Kurzschlussplatte 332 der ersten PIFA-Antenne 302 und eine zweite, seitlich an dem Substrat¬ stapel angeordnete elektrisch leitfähige Schicht stellt eine zweite Kurzschlussplatte 334 der zweiten PIFA-Antenne 304 dar.

Fig. 4 zeigt eine weitere seitliche Ansicht des in Fig. 3 gezeigten Äusführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anten¬ ne, basierend auf zwei PIFA-Antennen. Die in Fig. 4 gezeig¬ ten Elemente der Antenne sind mit den gleichen Bezugszei- chen bezeichnet wie die bereits anhand von Fig. 3 beschrie¬ benen. Auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird hier verzichtet.

Erste Prototypen einer Antenne gemäß dem in Fig. 4 gezeig- ten Ausführungsbeispiel wurden mit einem FDTD- (FDTD = finite difference time domain) Simulator simuliert, um sie auf ein Sendermodul aufzubauen. Die Planarantennen 302,

304, die den Dipolarmen einer Dipolantenne entsprechen, sind dabei PIFA-Antennen, wobei jede der PIFA-Antennen 302, 304 auf einer Seite des Senders aufgebaut sind, um ein möglichst isotropes Strahlungsdiagramm zu erzeugen. Gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Sen-

dermodul in der dritten Substratschicht 216c integriert sein.

Für die Messung des in Fig. 4 gezeigten Prototyps der Antenne wurde ein Balun verwendet, da alle zur Verfügung stehenden Messgeräte mit Single-Ended-Leitungen arbeiten. Deshalb ist die gemessene Anpassung der Antenne nicht nur die Anpassung der Antenne, sondern die von beiden Elemen¬ ten.

Eine Simulation der in Fig. 4 gezeigten Antenne ist in den Fig. 5A und 5B gezeigt.

Fig. 5A zeigt eine Kennlinie des Reflexionsfaktor Sil der in Fig. 4 gezeigten Antenne. Auf der horizontalen Achse ist die Frequenz in Hz aufgetragen. In vertikaler Richtung ist die Dämpfung in dB aufgetragen. Aus der in Fig. 5A gezeig¬ ten Kennlinie ist ersichtlich, dass die Resonanzfrequenz der Antenne bei ca. 2,5 GHz liegt. Die maximal Reflexions- dämpfung liegt bei ca. -42 dB.

Fig. 5B zeigt ein Reflexionsfaktordiagramm der in Fig. 4 gezeigten Antenne. Aus dem Reflexionsfaktordiagramm ist die Ortskurve des Reflexionsfaktors Sil ersichtlich.