CH618047A5

CH618047A5 - Directional microwave antenna

Info

Publication number: CH618047A5
Application number: CH902477A
Authority: CH
Inventors: Louis Dr Ing Saad
Original assignee: Licentia Gmbh
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1980-06-30
Also published as: NL7708089A; FR2359521A1; GB1586305A; FR2359521B1; DE2632772A1; DE2632772C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Richtantenne in Streifenleitungstechnik.

Derartige Antennen, die auch als Mikrostripantennen bezeichnet werden, sind für beliebige Anwendungen im GHz-Bereich geeignet, insbesonde're wenn bei vorgegebenen

Abmessungen möglichst kleine Halbwertsbreiten oder bei vorgegebener Halbwertsbreite möglichst kleine Abmessungen erforderlich sind.

Aus der Literaturstelle «Kammförmige Mikrostripantennen», J. R. James und G. J. Wilson, New Design Techniques for Microstrip Antenna Arrays, Mikrowellentagung 1975, Hamburg sind bereits «kammförmige» Mikrostripantennen bekannt, bei denen an eine Grundleitung (Mikrostripleitung) jeweils in einem Abstand X senkrecht zu der Grundleitung angeordnete 1/2-Stichleitungen angeschlossen sind, wobei unter X die Mikrostripwellenlänge bzw. Streifenleitungswellenlänge zu verstehen ist. Der Nachteil dieser Antennen ist insbesondere darin zu sehen, dass ihre Halbwertsbreite für zahlreiche Anwendungsfälle zu gross ist bei gleichzeitig zu kleinem Gewinn und dass das Entwerfen dieser Antennen ausserdem zu aufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfach zu entwerfende und leicht herstellbare Mikrowellen-Richtantennen der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vorgegebenen Abmessungen ein möglichst schmales Richtdiagramm mit hohem Gewinn oder bei vorgegebener Halbwertsbreite und Nebenkeulendämpfung möglichst kleine Abmessungen aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Richtantenne n (n = 1,2,3,...) Streifenleitungselemente mit einer Länge lv (v = 1 bis n) von jeweils etwa XI2 aufweist, wobei mit X die Streifenleitungswellenlänge (Mikrostripwellenlänge) bezeichnet ist, und dass die Streifenleitungselemente in Leitungsstromrichtung galvanisch in Serie geschaltet sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass bei der Serienschaltung der Streifenleitungselemente abwechselnd breite und schmale Elemente angeordnet sind und dass alle breiten Streifenleitungselemente und sämtliche schmale Streifenleitungselemente untereinander jeweils dieselbe Breite aufweisen.

Eine weitere günstige Ausführungsform ist dadurch gegeben, dass jeweils abwechselnd breite und schmale Streifenleitungselemente in Serie geschaltet sind und dass die Breite der breiten und/oder der schmalen Streifenleitungselemente entweder von einem Symmetriezentrum der Richtantenne nach beiden Antennenenden hin oder von einem Ende der Richtantenne nach dem anderen hin von Element zu Element stufenweise kleiner gewählt ist.

Eine zweckmässige Ausführungsform besteht auch darin, dass die Breite der in Serie geschalteten Streifenleitungselemente entweder von einem Symmetriezentrum der Richtantenne nach beiden Antennenenden hin oder von einem Ende der Richtantenne nach dem anderen hin fortlaufend abnimmt.

Bei schmalbandigeren Ausführungsformen ist dabei vorgesehen, dass die Längenabweichung der einzelnen S'treifenlei-tungselemente von der Länge X/2 bei allen Streifenleitungselementen gleich gewählt ist, während sie bei breitbandigeren Ausführungsformen von Element zu Element geringfügig verschieden gewählt ist.

Der Antennenspeisepunkt kann an einem offenen Ende der Antenne oder am Anfang oder Ende eines beliebigen Streifenleitungselements im Antenneninnern angeordnet sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildungsform erhält man dadurch, dass zur weiteren Verringerung der Antennenhalbwertsbreite in Richtung der Querebene zwei oder mehr Serienschaltungen aus in Leitungsstromrichtung galvanisch gekoppelten Streifenleitungselementen zueinander parallel geschaltet sind, wobei der Speisepunkt an einem Ende der Antenne oder am Anfang oder Ende eines beliebigen Streifenleitungselements vorgesehen ist.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemässen Antennen gegenüber bekannten besteht darin, dass sie bei sonst gleichen Daten eine kleinere Halbwertsbreite und einen höheren

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Gewinn haben. Ihre extrem schmale Richtcharakteristik ist bei vorgegebenen Abmessungen mittels der bekannten Antennen nicht erreichbar. Hinzu kommt eine Vereinfachung des Entwurfs - weil Nebenkeulendämpfung und Halbwertsbreite bei vorgegebenen Abmessungen einfach zusammenhängen und sich gegensinnig ändern - sowie die Möglichkeit der kostengünstigen Herstellbarkeit derartiger Antennen.

Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. la: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Mikrowellen-Richtantenne in Draufsicht.

Fig. lb: In Seitenansicht einen Längsschnitt durch die Mikrowellen-Richtantenne nach Fig. la.

Fig. 2 bis 4: Weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Mikrowellen-Richtantenne.

Fig. 5: Das Richtdiagramm der Mikrowellen-Richtantenne nach Fig. 1 a mit q = 0,54.

Fig. la zeigt eine Mikrowellen-Richtantenne gemäss der Erfindung in Draufsicht. Ein Längsschnitt derselben Antenne ist in einer Seitenansicht in Fig. lb dargestellt. Die Antenne weist eine metallische Grundplatte 4 auf, die einseitig mit einer dielektrischen Schicht 3 versehen ist. Die freie Oberfläche der dielektrischen Schicht 3 trägt n Streifenleitungselemente l1 bis ln, deren Länge lv(v= 1 bis n) jeweils etwa 112 beträgt, wobei unter X die von der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht 3 sowie von der Breite der Streifenleitungselemente abhängige Streifenlei-tungs-oder Mikrostripwellenlänge zu verstehen ist. Die Streifenleitungselemente l1 bis ln sind in Leitungsstromrichtung galvanisch in Serie geschaltet. Die Breite bv (v = 1 bis n) der einzelnen Elemente kann verschieden oder im Grenzfall auch gleich sein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wechselt jeweils ein breites Streifenleitungselement mit einem schmalen ab, wobei die Breiten bv (v = 1,3,5,...) aller breiten und die Breiten bv (v = 2,4,6,...) aller schmalen Elemente untereinander jeweils gleich sind. Die Antenne wird von der Rückseite her - d. h. von der Seite der Grundplatte 4 aus - in einem Speisepunkt 2 gespeist. Der Speisepunkt ist hier an einer Kontaktstelle zwischen den Enden zweier benachbarter Elemente im Antenneninnern angeordnet, genauso gut geeignet als Speisepunkt sind aber auch die freien Enden der Randelemente l1 bis ln. Durch einfache Änderung des Quotienten q = b2V/b2V-l (v = 1 bis n) der Breite b2V der schmalen und der Breite b2V-i der breiten Steifenleitungselemente in den Grenzen 0 ^q^ 1 lässt sich die Halbwertsbreite der Antenne kontinuierlich von einem Maximalwert bei q = 0 zu einem Minimalwert bei q = 1 verändern,

wobei Maximum und Minimum der Halbwertsbreite ihrerseits von der Anzahl n der Elemente abhängen. Mit einer Änderung des Quotienten q ändert sich zugleich - jedoch gegensinnig zur Änderung der Halbwertsbreite - auch die Nebenkeulendämpfung. Bei einer Antenne mit neun breiten und acht schmalen Streifenleitungselementen lässt sich die Halbwertsbreite so 5 z. B. zwischen rund 9° und 5° ändern, während die Nebenkeulendämpfung zugleich zwischen -20 dB und 0 dB variiert. Das gemessene Richtdiagramm einer Antenne mit q = 0,54 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Antenne hat eine Halbwertsbreite von zirka 6,5°, einen Gewinn von ungefähr 16 dB und eine Neben-10 keulendämpfung von etwa -10 dB. Diese Werte sind mit den bekannten Mikrostripantennen nicht erreichbar.

Bei feststehender Anzahl von Elementen (gleichbedeutend mit einer Vorgabe der Antennenabmessungen) wird aufgrund des erwähnten einfachen Zusammenhanges zwischen dem 15 Quotienten q einerseits und der Halbwertsbreite und Nebenkeulendämpfung andererseits der Antennenentwurf beträchtlich erleichtert. Zu jedem Wert des Quotienten q gehört dann jeweils eine bestimmte Halbwertsbreite und Nebenkeulendämpfung, so dass man beispielsweise bei einer ins Auge gefass-20 ten Halbwertsbreite sofort weiss, welche Nebenkeulendämpfung dazu gehört und wie das Verhältnis q der Breiten der schmalen und breiten Elemente dann zu wählen ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Breite der breiten und die der schmalen Streifenleitungselemente von 25 einem Symmetriezentrum der Richtantenne nach beiden Enden hin jeweils von Element zu Element stufenweise abnimmt. Durch diese Breitenabstufung lässt sich die Nebenkeulendämpfung der Antenne verbessern.

In Fig. 3 ist eine Modifikation der Antenne gemäss Fig. 2 30 dargestellt, bei der die Breite der Streifenleitungselemente von einem Symmetriezentrum der Antenne aus nach beiden Antennenenden hin von Element zu Element fortlaufend abnimmt.

Je nach angestrebter Richtdiagrammform kann man bei den Antennen gemäss Fig. 2 und 3 die Elementenbreite auch 35 von beiden Antennenenden nach dem Symmetriezentrum hin oder von einem Antennenende zum andern kleiner werden lassen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem drei Antennen gemäss Fig. la über einen leitenden Steg 5 parallelgeschaltet 40 sind. Die Parallelschaltung mehrerer Antennen ermöglicht eine zusätzliche Reduzierung der Halbwertsbreite in der Querebene. Die Speisung erfolgt über einen Speisepunkt 2 am Anfang bzw. Ende eines beliebigen der 3n Streifenleitungselemente l1 bis ln".

« Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier explizit angegebenen Beispiele, sondern erstreckt sich auf alle Ausführungsformen von Mikrowellenantennen in Streifenleitungstechnik, bei denen die Streifenleitungselemente in Leitungsstromrichtung in Serie geschaltet sind.

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2 Blatt Zeichnungen i

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Mikrowellen-Richtantenne in Streifenleitungstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtantenne n (n = 1,2,3,...) Streifenleitungselemente (l1 bis ln) mit einer Länge lv (v = 1 bis n) von jeweils etwa X/2 aufweist, wobei mit X die Streifenlei- 5 tungswellenlänge bezeichnet ist, und dass die Streifenleitungselemente (11 bis ln) in Leitungsstromrichtung galvanisch in Serie geschaltet sind (Fig. 1 a bis 3).
2. Mikrowellen-Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungselemente (l1 bis ln) 10 verschiedene Breite bv (v = 1 bis n) haben.
3. Mikrowellen-Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleitungselemente (l1 bis ln) gleiche Breite bv (v = 1 bis n) haben.
4. Mikrowellen-Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch 15 gekennzeichnet, dass bei der Serienschaltung der Streifenleitungselemente (l1 bis 1") abwechselnd breite und schmale Elemente vorgesehen sind und dass alle breiten Streifenleitungselemente (lv; v = 1,3,5,...) und sämtliche schmale Streifenleitungselemente (lv;v = 2,4,6,...) untereinander jeweils dieselbe 20 Breite aufweisen (Fig. la).
5. Mikrowellen-Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils abwechselnd breite und schmale Streifenleitungselemente (l1 bis 1") in Serie geschaltet sind und dass die Breite der breiten und/oder der schmalen Streifenlei- 25 tungselemente (lv; v = 1,3,5,... und v = 2,4,6,...) entweder von einem Symmetriezentrum der Richtantenne nach beiden Enden hin oder von einem Ende der Richtantenne nach dem andern von Element zu Element stufenweise kleiner ist (Fig. 2).
6. Mikrowellen-Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch 20 gekennzeichnet, dass die Breite der in Serie geschalteten Streifenleitungselemente (l1 bis 1") entweder von einem Symmetriezentrum der Richtantenne nach beiden Antennenenden hin oder von einem Ende der Richtantenne nach dem anderen fortlaufend abnimmt (Fig. 3). 35
7. Mikrowellen-Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenabweichung der einzelnen Streifenleitungselemente (l1 bis ln) von der Länge XI2 bei allen Streifenleitungselementen ( 11 bis 1n) gleich ist (Fig. 1 a bis 3). 40
8. Mikrowellen-Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus Breitbandigkeitsgrün-den die Längenabweichung der einzelnen Streifenleitungselemente (l1 bis 1") von der Länge X/2 von Element zu Element geringfügig verschieden ist (Fig. la bis 3). 45
9. Mikrowellen-Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenspeisepunkt (2) an einem Ende der Antenne oder am Anfang oder Ende eines beliebigen Streifenleitungselements (lv; v = 1 bis n) im Antenneninnern angeordnet ist (Fig. 1 a bis 3). 50
10. Mikrowellen-Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Antennenhalbwertsbreite in der Querebene zwei oder mehr Serienschaltungen aus Streifenleitungselementen (l1 bis ln und

1bis 1 sowie 1v' bis 1n") parallel geschaltet sind, wobei der 55 Speisepunkt (2) an einem Ende der Antenne oder am Anfang oder Ende eines beliebigen Streifenleitungselements (l1 bis ln") vorgesehen ist (Fig. 4).