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EP0447218B1

Plural frequency patch antenna assembly

Abstract

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EP0447218B1, drawing sheet 1
Sheet 1 of 4

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Expired 13 March 2011, 15.5 years ago.

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10 claims: 10 independent, 0 dependent

  1. 1
    A microstrip patch antenna (20) comprising:a ground-plane element (22);a first dielectric layer (28) and a second dielectric layer (30) disposed on opposite sides of said ground-plane element (22);feed means (26) disposed on a side of said first dielectric layer (28) opposite said ground-plane element (22) for applying signals at plural frequencies to said antenna (20);patch radiator means (24) disposed on a surface of said second dielectric layer (30) opposite said ground-plane element (22);andslot means (42) disposed in said ground-plane element (22) in registration with said feed means (26), a portion of said slot means (42) extending beyond an edge of said radiator means (24) to couple radiation for exciting said radiator means (24) at said plural frequencies;andwherein said radiator means (24) resonates at each of said plurality of frequencies, said radiator means (24) providing a common radiating aperture of said antenna (20) for radiating at each of said plurality of frequencies.said antenna being characterised in that : said patch radiator means (24) comprises a single rectangular patch radiator having a first pair of opposed sides (32,34) and a second pair of opposed sides (36,38) with a side of said first pair being longer than a side of said second pair;andsaid slot means (42) comprises a pair of slots, a first (44) of said slots being located to extend partially beyond an edge of said radiator (24) at a side of said first pair of sides (32,34), and a second (46) of said slots being located to extend partially beyond an edge of said radiator (24) at a side of said second pair of sides (36,38). Streifenleitungsantenne (20) umfassend: ein Erd-Gegengewichtsebene-Element (22);eine erste dielektrische Schicht (28) und eine zweite dielektrische Schicht (30), die auf einander abgewandten Seiten des Erd-Gegengewichtsebene-Elements (22) angeordnet sind;Einspeisungsmittel (26), die auf einer Seite der ersten dielektrischen Schicht (28) angeordnet sind, welche dem Erd-Gegengewichtsebene-Element (22) abgewandt ist, um die Antenne (20) mit Signalen bei mehreren Frequenzen zu beaufschlagen;Streifenleitungsstrahlermittel (24), die auf einer Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht (30) angeordnet sind, welche dem Erd-Gegengewichtsebene-Element (22) abgewandt ist;undSchlitzmittel (42), die in dem Erd-Gegengewichtsebene-Element (22) mit den Einspeisungsmitteln (26) deckend angeordnet sind, wobei ein Abschnitt der Schlitzmittel (42) sich über einen Rand der Strahlermittel (24) hinaus erstreckt, um Strahlung zum Anregen der Strahlermittel (24) bei mehreren Frequenzen einzukoppeln, und in der die Strahlermittel (24) bei jeder der mehreren Frequenzen in Resonanz sind, wobei die Strahlermittel (24) eine gemeinsame Strahleröffnung der Antenne (20) bilden, um bei jeder der mehreren Frequenzen abzustrahlen,dadurch gekennzeichnet,daß die Streifenleitungsstrahlermittel (24) einen einzigen rechteckigen Streifenleitungsstrahler mit einem ersten Paar einander abgewandter Seiten (32,34) und einem zweiten Paar (36,38) einander abgewandter Seiten umfaßt, wobei eine Seite des ersten Paars länger ist als eine Seite des zweiten Paars, und die Schlitzmittel (42) ein Paar Schlitzmittel umfassen, wobei ein erster (44) der Schlitze so angeordnet ist, daß er sich teilweise über einen Rand des Strahlers (24) an einer Seite des ersten Paars Seiten (32,34) hinaus erstreckt und ein zweiter (46) der Schlitze so angeordnet ist, daß er sich teilweise über einen Rand des Strahlers (24) an einer Seite des zweiten Paars Seiten (36,38) hinaus erstreckt. Une antenne à plaque de type micro-ruban (20) comprenant : un élément de plan de masse (22) ;une première couche diélectrique (28) et une seconde couche diélectrique (30) disposées sur des faces opposées de l'élément de plan de masse (22) ;des moyens d'alimentation (26) disposés sur une face de la première couche diélectrique (28) qui est opposée à l'élément de plan de masse (22), pour appliquer à l'antenne (20) des signaux à un ensemble de fréquences ;des moyens rayonnants à plaque (24) disposés sur une surface de la seconde couche diélectrique (30) qui est opposée à l'élément de plan de masse (22) ;etdes moyens à fentes (42) disposés dans l'élément de plan de masse (22) en coïncidence avec les moyens d'alimentation (26), une partie de ces moyens à fentes (42) s'étendant au-delà d'un bord des moyens rayonnants (24), pour coupler un rayonnement de façon à exciter les moyens rayonnants (24) à l'ensemble de fréquences ;etdans laquelle les moyens rayonnants (24) résonnent à chaque fréquence de l'ensemble de fréquences, les moyens rayonnants (24) formant une ouverture rayonnante commune de l'antenne (20), pour rayonner à chaque fréquence de l'ensemble de fréquences,cette antenne étant caractérisée en ce que :les moyens rayonnants à plaque (24) comprennent un seul élément rayonnant à plaque rectangulaire, ayant une première paire de côtés opposés (32, 34) et une seconde paire de côtés opposés (36, 38), un côté de la première paire étant plus long qu'un côté de la seconde paire ;etles moyens à fentes (42) comprennent une paire de fentes, une première (44) de ces fentes étant placée de façon à s'étendre partiellement au-delà d'un bord de l'élément rayonnant (24), d'un côté appartenant à la première paire de côtés (32, 34), et une seconde (46) des fentes étant placée de façon à s'étendre partiellement au-delà d'un bord de l'élément rayonnant (24), d'un côté appartenant à la seconde paire de côtés (36, 38).
  2. 2
    An antenna according to Claim 1 wherein said feed means (26) comprises two separate electrically isolated microstrip feed elements (48,50) each of which is a microstrip conductor element, a first (48) of said feed elements extending transversely across said first slot (44) and a second (50) of said feed elements extending transversely across said second slot (46), the slots of said pair of slots being orthogonally positioned relative to each other;andsaid first and said second feed elements (48,50) provide said signals respectively at a lower frequency and at a higher frequency to excite first and second radiations from said radiator independently of each other at different polarizations and at different frequencies. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Einspeisungsmittel (26) zwei getrennte elektrisch isolierte Mikrostreifen-Speiseelemente (48,50) umfassen, von denen jedes ein Mikrostreifen-Leiterelement darstellt, wobei ein erstes (48) der Speiseelemente sich quer über den ersten Schlitz (44) erstreckt und ein zweites (50) der Speiseelemente sich quer über den zweiten Schlitz (46) erstreckt, wobei die Schlitze des Paars Schlitze rechtwinklig zueinander angeordnet sind, und wobei die ersten und die zweiten Speiseelemente (48,50) die Signale bei einer niedrigeren Frequenz bzw. einer höheren Frequenz führen, um erste und zweite Abstrahlungen von dem Strahler voneinander unabhängig mit verschiedenen Polarisationen und mit verschiedenen Frequenzen anzuregen. Une antenne selon la revendication 1, dans laquelle les moyens d'alimentation (26) comprennent deux éléments d'alimentation à micro-ruban (48, 50), séparés et électriquement isolés, chacun d'eux étant un élément conducteur à micro-ruban, un premier (48) de ces éléments d'alimentation s'étendant transversalement à la première fente (44) et un second (50) de ces éléments d'alimentation s'étendant transversalement à la seconde fente (46), les fentes de la paire de fentes étant disposées de façon mutuellement orthogonale ;et les premier et second éléments d'alimentation (48, 50) appliquent les signaux respectivement à une fréquence inférieure et à une fréquence supérieure, pour exciter des premier et second rayonnements à partir de l'élément rayonnant, de façon mutuellement indépendante, avec des polarisations différentes et à des fréquences différentes.
  3. 3
    An antenna according to Claim 1 or Claim 2 wherein said patch radiator means (24) comprises a plurality of patch radiators (58,60,62) disposed in a stack and spaced apart from each other, there being dielectric layers (74,76,78) between successive ones of the patch radiators (58,60,62);andwherein each of said patch radiators (58,60,62) resonates at a different frequency. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Streifenleitungsstrahler (24) eine Vielzahl von Streifenleitungsstrahlern (58,60,62) umfaßt, die in einem Stapel und von einander getrennt angeordnet sind, wobei sich dielektrische Schichten (74,76,78) zwischen aufeinanderfolgenden Streifenleitungsstrahlern (58,60,62) befinden, und bei der jeder der Streifenleitungsstrahler (58,60,62) bei einer unterschiedlichen Frequenz in Resonanz ist. Une antenne selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle les moyens rayonnants à plaque (24) comprennent un ensemble d'éléments rayonnants à plaque (58, 60, 62) disposés en un empilement et mutuellement espacés, avec des couches diélectriques (74, 76, 78) intercalées entre des éléments successifs parmi les éléments rayonnants à plaque (58, 60, 62) ;etdans laquelle chacun des éléments rayonnants à plaque (58, 60, 62) résonne à une fréquence différente.
  4. 4
    An antenna according to Claim 3 wherein said slot means (80) comprises a pair of slots (82,84) orthogonally positioned relative to each other, a portion of a first (82) of said pair of slots and a portion of a second (84) of said pair of slots extending beyond an edge of each of said plurality of radiators (58,60,62). Antenne nach Anspruch 3, bei der die Schlitzmittel (80) ein Paar zueinander rechtwinklig positionierter Schlitze (82,84) umfassen, wobei ein Abschnitt eines ersten Schlitzes (82) des Paars Schlitze und ein Abschnitt eines zweiten Schlitzes (84) des Paars Schlitze sich über den Rand jedes der Vielzahl der Strahler (58,60,62) hinaus erstreckt. Une antenne selon la revendication 3, dans laquelle les moyens à fentes (80) comprennent une paire de fentes (82, 84) disposées mutuellement de façon orthogonale, une partie d'une première fente (82) de la paire de fentes et une partie d'une seconde fente (84) de la paire de fentes s'étendant au-delà d'un bord de chaque élément de l'ensemble d'éléments rayonnants (58, 60, 62).
  5. 5
    An antenna according to Claim 4 wherein said feed means (26) comprises a pair of separate electrically-isolated feed elements (48,50) each of which is a microstrip conductor element, a first of said feed elements (48) and a second (50) of said feed elements having end portions extending respectively transversely past said first slot (82) and said second slot (84) for exciting at least one of said radiators (58,60,62) with a first set of signals differing in phase from each other, the signals of said first set of signals having the same frequency, the frequency being equal to a resonant frequency of one of said radiators;andsaid first (48) and said second (50) feed elements are capable of exciting said radiator means with plural sets of signals wherein the signals of each set are at a frequency different from the signals of the other sets, the frequencies of the respective sets being equal to resonant frequencies of respective ones of said patch radiators. Antenne nach Anspruch 4, bei der die Einspeisungsmittel (26) ein Paar getrennter, elektrisch isolierter Speiseelemente (48,50) umfassen, von denen jedes ein Mikrostreifen-Leiterelement ist, wobei ein erstes (48) der Speiseelemente und ein zweites (50) der Speiseelemente Endabschnitte aufweist, die sich quer über den ersten Schlitz (82) bzw. den zweiten Schlitz (84) hinaus erstrecken, um wenigstens einen der Strahler (58,60,62) mit einem ersten Bündel Signale zu erregen, die sich in der Phase voneinander unterscheiden, wobei die Signale des ersten Bündels Signale die gleiche Frequenz haben, wobei die Frequenz gleich einer Resonanzfrequenz eines Strahlers ist;und die ersten (48) und die zweiten (50) Speiseelemente dazu geeignet sind, die Strahlermittel mit mehreren Signalbündeln anzuregen, in denen die Signale jedes Bündels bei einer Frequenz liegen, die von den Signalen der anderen Bündel verschieden ist, wobei die Frequenzen der entsprechenden Bündel gleich den Resonanzfrequenzen der entsprechenden Strahler sind. Une antenne selon la revendication 4, dans laquelle les moyens d'alimentation (26) comprennent une paire d'éléments d'alimentation séparés et électriquement isolés (48, 50), chacun d'eux étant un élément conducteur à micro-ruban, un premier des éléments d'alimentation (48) et un second (50) des éléments d'alimentation ayant des parties d'extrémité qui s'étendent respectivement transversalement au-delà de la première fente (82) et de la seconde fente (84), pour exciter l'un au moins des éléments rayonnants (58, 60, 62) avec un premier ensemble de signaux ayant des phases mutuellement différentes, les signaux du premier ensemble de signaux ayant la même fréquence, la fréquence étant égale à une fréquence de résonance de l'un des éléments rayonnants ;et les premier (48) et second (50) éléments d'alimentation sont capables d'exciter les moyens rayonnants avec plusieurs ensembles de signaux parmi lesquels les signaux de chaque ensemble sont à une fréquence différente de celle des signaux des autres ensembles, les fréquences des ensembles respectifs étant égales à des fréquences de résonance d'éléments rayonnants respectifs parmi les éléments rayonnants à plaque.
  6. 6
    An antenna according to Claim 5 wherein said feed means further comprises a hybrid coupler (70) interconnecting said first feed element (66) and said second (68) feed element to an external source of signals, said hybrid coupler (70) providing equal amplitudes of signals in any one said signal sets to said first (66) and said second (68) feed elements;andsaid hybrid coupler (70) provides a ninety degree phase shift between signals of said first and said second feed elements in each of said sets of signals to provide for circularly polarized radiation from any one of said patch radiators (58,60,62), said feed means (64) and said slot means (80) allowing for simultaneous and independent circularly-polarized radiations from the radiators of said plurality of said patch radiators (58,60,62). Antenne nach Anspruch 5, bei der die Einspeisungsmittel weiterhin einen Hybrid-Koppler (70) umfassen, der das erste Speiseelement (66) und das zweite Speiseelement (68) mit einer externen Signalquelle verbindet, wobei der Hybrid-Koppler das erste (66) und das zweite (68) Speiseelement mit gleichen Signalamplituden in jedem der Signalbündel beaufschlagt und der Hybrid-Koppler (70) eine neunzig Grad Phasenverschiebung zwischen den Signalen des ersten und des zweiten Speiseelements in jedem Signalbündel hervorruft, um eine cirkular polarisierte Strahlung von jedem der Streifenleitungsstrahler (58,60,62) zu ergeben, wobei die Einspeisungsmittel (64) und die Schlitzmittel (80) gleichzeitige und unabhängig voneinander cirkular polarisierte Strahlungen von Strahlern der Vielzahl der Streifenleitungsstrahler (58,60,62) erlauben. Une antenne selon la revendication 5, dans laquelle les moyens d'alimentation comprennent en outre un coupleur hybride (70) interconnectant le premier élément d'alimentation (66) et le second élément d'alimentation (68) à une source de signaux externe, ce coupleur hybride (70) appliquant aux premier (66) et second (68) éléments d'alimentation des amplitudes de signaux égales dans n'importe lesquels des ensembles de signaux ;et le coupleur hybride (70) produit un déphasage de quatre-vingt dix degrés entre des signaux des premier et second éléments d'alimentation, dans chacun des ensembles de signaux, pour produire un rayonnement polarisé de façon circulaire à partir de l'un quelconque des éléments rayonnants à plaque (58, 60, 62), les moyens d'alimentation (64) et les moyens à fentes (80) permettant la génération de rayonnements polarisés de façon circulaire, simultanés et indépendants, à partir des éléments rayonnants de l'ensemble d'éléments rayonnants à plaque (58, 60, 62).
  7. 7
    An antenna according to Claim 6 wherein resonant frequencies of respective ones of said radiators (58,60,62) are different from each other, the radiator (58) of said plurality of radiators which is closest to said ground-plane element (54) resonating at a highest of said resonant frequencies, and a radiator (62) of said plurality of said radiators located at a furthest distance from said ground-plane element (54) resonating at a lowest of said frequencies. Antenne nach Anspruch 6, bei welcher Resonanzfrequenzen der entsprechenden Strahler (58,60,62) voneinander unabhängig sind, der Strahler (58) der Vielzahl der Strahler, welcher sich dem Erd-Gegengewichtsebene-Element (54) am nächsten befindet, bei der höchsten der Resonanzfrequenzen in Resonanz ist, und ein Strahler (62) der Vielzahl der Strahler, der am weitesten von dem Erd-Gegengewichtsebene-Element (54) entfernt ist, bei einer niedrigsten der Frequenzen in Resonanz ist. Une antenne selon la revendication 6, dans laquelle des fréquences de résonance d'éléments respectifs parmi les éléments rayonnants (58, 60, 62) sont mutuellement différentes, l'élément rayonnant (58) de l'ensemble d'éléments rayonnants qui est le plus proche de l'élément de plan de masse (54) résonnant à la plus élevée des fréquences de résonance, et un élément rayonnant (62) de l'ensemble d'éléments rayonnant qui se trouve à la plus grande distance de l'élément de plan de masse (54) résonnant à la plus basse des fréquences.
  8. 8
    An antenna according to Claim 7 wherein each of the radiators (58,60,62) of said plurality of radiators has a square shape. Antenne nach Anspruch 7, bei der jeder der Strahler (58,60,62) der Vielzahl der Strahler eine quadratische Form aufweist. Une antenne selon la revendication 7, dans laquelle chacun des éléments rayonnants (58, 60, 62) de l'ensemble d'éléments rayonnants a une forme carrée.
  9. 9
    An antenna according to Claim 3 wherein said feed means comprises a single feed element (110) and said slot means comprises a single slot (108), a portion of said slot extending past an edge of each of said radiators (58,60,62), an end of said feed element extending transversely past said slot;andsaid slot can couple simultaneously signals at a plurality of frequencies from said feed element (110) to radiators of said plurality of radiators, said radiators resonating at different frequencies of radiation, the resonant frequencies being equal, respectively, to frequencies of said plurality of signals. Antenne nach Anspruch 3, bei der die Einspeisungsmittel ein einziges Speiseelement (110) umfassen und die Schlitzmittel einen einzigen Schlitz (108) umfassen, wobei ein Abschnitt des Schlitzes sich über einen Rand jedes der Strahler (58,60,62) hinaus erstreckt und ein Ende des Speiseelements sich quer über den Schlitz hinaus erstreckt, und der Schlitz geeignet ist, gleichzeitig Signale einer Vielzahl von Frequenzen von dem Speiseelement (110) in die Strahler der Vielzahl der Strahler zu koppeln, wobei die Strahler bei verschiedenen Strahlungsfrequenzen in Resonanz sind und die Resonanzfrequenzen entsprechend gleich den Frequenzen der Vielzahl der Signale sind. Une antenne selon la revendication 3, dans laquelle les moyens d'alimentation comprennent un seul élément d'alimentation (110) et les moyens à fentes comprennent une seule fente (108), une partie de cette fente s'étendant au-delà d'un bord de chacun des éléments rayonnants (58, 60, 62), et une extrémité de l'élément d'alimentation s'étendant transversalement au-delà de cette fente ;et la fente peut coupler simultanément des signaux à un ensemble de fréquences de l'élément d'alimentation (110) aux éléments rayonnants de l'ensemble d'éléments rayonnants, ces éléments rayonnants résonnant à des fréquences de rayonnement différentes, les fréquences de résonance étant respectivement égales à des fréquences de l'ensemble de signaux.
  10. 10
    An antenna array (124) comprising a plurality of microstrip patch antennas (126) according to any preceeding claim, and further comprising drive circuitry (128) formed within said first dielectric layer (72) and coupled to said feed means (130) in each of said antenna elements (126) for generating a beam of radiation from said array antenna (124). Antennenanordnung (124) umfassend eine Vielzahl von Mikrochip-Streifenleitungsantennen (126) entsprechend einem der vorangehenden Ansprüche, und weiterhin eine Treiberschaltung (128) umfassend, die in der ersten dielektrischen Schicht (72) ausgebildet ist und mit den Einspeisungsmitteln (130) in jedem der Antenenelemente (126) gekoppelt ist, um ein Strahlungsbündel von der Antennenanordnung (124) zu erzeugen. Un réseau d'antennes (124) comprenant un ensemble d'antennes à plaque de type micro-ruban (126) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant en outre un circuit d'attaque (128) formé à l'intérieur de la première couche diélectrique (72) et couplé aux moyens d'alimentation (130) dans chacun des éléments d'antenne (126) pour générer un faisceau de rayonnement à partir de l'antenne à réseau (124).