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: FR2359521A1; GB1586305A; NL7708089A; DE2632772A1; FR2359521B1; DE2632772C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Richtantenne in Streifenleitungstechnik. The invention relates to a microwave directional antenna using stripline technology.

Derartige Antennen, die auch als Mikrostripantennen bezeichnet werden, sind für beliebige Anwendungen im GHz-Bereich geeignet, insbesonde're wenn bei vorgegebenen Such antennas, which are also referred to as microstrip antennas, are suitable for any application in the GHz range, in particular if given

Abmessungen möglichst kleine Halbwertsbreiten oder bei vorgegebener Halbwertsbreite möglichst kleine Abmessungen erforderlich sind. Dimensions half-widths as small as possible or dimensions as small as possible for a given half-width are required.

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. "Comb-shaped microstrip antennas are known from the literature reference" Comb-shaped microstrip antennas ", JR James and GJ Wilson, New Design Techniques for Microstrip Antenna Arrays, Microwave Conference 1975, Hamburg, in which a ground line (microstrip line) is connected at a distance X perpendicular to that Ground line arranged 1/2-stub lines are connected, X being the microstrip wavelength or stripline wavelength. The disadvantage of these antennas can be seen in particular in the fact that their full width at half maximum is too large for numerous applications and at the same time the profit is too small and that the design of these antennas is also too complex.

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. The invention has for its object to provide easy-to-design and easy-to-produce directional microwave antennas of the type mentioned, which have the smallest possible directional diagram with high dimensions for given dimensions or with the given half-width and side-lobe damping the smallest possible dimensions.

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. This object is achieved according to the invention in that the directional antenna has n (n = 1, 2, 3, ...) stripline elements with a length lv (v = 1 to n) each of approximately XI2, with X being the stripline wavelength (microstrip wavelength) is designated, and that the stripline elements are galvanically connected in series in the line current direction.

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. In an advantageous embodiment, it is provided that wide and narrow elements are arranged alternately in the series connection of the stripline elements and that all wide stripline elements and all narrow stripline elements have the same width among one another.

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. A further favorable embodiment is given in that wide and narrow stripline elements are alternately connected in series and in that the width of the wide and / or narrow stripline elements either from a center of symmetry of the directional antenna to both antenna ends or from one end of the directional antenna to the other is gradually reduced from element to element.

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. An expedient embodiment also consists in that the width of the stripline elements connected in series decreases continuously either from a center of symmetry of the directional antenna towards both antenna ends or from one end of the directional antenna after the other.

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. In the case of narrowband embodiments, it is provided that the length deviation of the individual stripline elements from the length X / 2 is chosen to be the same for all stripline elements, while in the case of broadband embodiments it is selected slightly different from element to element.

Der Antennenspeisepunkt kann an einem offenen Ende der Antenne oder am Anfang oder Ende eines beliebigen Streifenleitungselements im Antenneninnern angeordnet sein. The antenna feed point can be arranged at an open end of the antenna or at the beginning or end of any stripline element in the interior of the antenna.

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. An advantageous form of further development is obtained in that, in order to further reduce the half-width of the antenna in the direction of the transverse plane, two or more series circuits of stripline elements galvanically coupled in the line current direction are connected in parallel, the feed point being provided at one end of the antenna or at the beginning or end of any stripline element .

Der besondere Vorteil der erfindungsgemässen Antennen gegenüber bekannten besteht darin, dass sie bei sonst gleichen Daten eine kleinere Halbwertsbreite und einen höheren The particular advantage of the antennas according to the invention over known antennas is that, with otherwise the same data, they have a smaller half-width and a larger one

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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. To have a profit. Their extremely narrow directional characteristic cannot be achieved with the known antennas for given dimensions. In addition, there is a simplification of the design - because side lobe attenuation and half-width are simply related and change in opposite directions for given dimensions - and the possibility of such antennas being inexpensive to produce.

Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen Some preferred embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below. Show it

Fig. la: Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Mikrowellen-Richtantenne in Draufsicht. Fig. La: An embodiment of the microwave directional antenna according to the invention in plan view.

Fig. lb: In Seitenansicht einen Längsschnitt durch die Mikrowellen-Richtantenne nach Fig. la. Fig. Lb: In side view a longitudinal section through the microwave directional antenna according to Fig. La.

Fig. 2 bis 4: Weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Mikrowellen-Richtantenne. 2 to 4: Further exemplary embodiments of the microwave directional antenna according to the invention.

Fig. 5: Das Richtdiagramm der Mikrowellen-Richtantenne nach Fig. 1 a mit q = 0,54. 5: The directional diagram of the microwave directional antenna according to FIG. 1 a with 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, Fig. La shows a microwave directional antenna according to the invention in plan view. A longitudinal section of the same antenna is shown in a side view in FIG. 1b. The antenna has a metallic base plate 4, which is provided on one side with a dielectric layer 3. The free surface of the dielectric layer 3 carries n stripline elements l1 to ln, the length of which lv (v = 1 to n) is in each case approximately 112, with X being the one which is dependent on the thickness and the dielectric constant of the dielectric layer 3 and on the width of the stripline elements Stripline or microstrip wavelength is to be understood. The stripline elements l1 to ln are galvanically connected in series in the line current direction. The width bv (v = 1 to n) of the individual elements can be different or, in the limit case, the same. In the present exemplary embodiment, a wide strip line element alternates with a narrow one, the widths bv (v = 1,3,5, ...) all wide and the widths bv (v = 2,4,6, ...) all narrow elements are mutually the same. The antenna is from the back - d. H. from the side of the base plate 4 - fed in a feed point 2. The feed point is arranged here at a contact point between the ends of two adjacent elements in the interior of the antenna, but the free ends of the edge elements l1 to ln are also suitable as feed points. By simply changing the quotient q = b2V / b2V-l (v = 1 to n) the width b2V of the narrow and the width b2V-i of the wide stripe line elements within the limits 0 ^ q ^ 1, the half-width of the antenna can be continuously changed from one Change the maximum value at q = 0 to a minimum value at q = 1,

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. the maximum and minimum of the full width at half maximum depend on the number n of elements. With a change in the quotient q, the side lobe damping also changes - but in the opposite direction to the change in the half-value width. With an antenna with nine wide and eight narrow stripline elements, the full width at half maximum can be 5 z. B. change between around 9 ° and 5 °, while the side lobe attenuation also varies between -20 dB and 0 dB. The measured directional diagram of an antenna with q = 0.54 is shown in FIG. 5. The antenna has a full width at half maximum of about 6.5 °, a gain of approximately 16 dB and a side-10 attenuation of approximately -10 dB. These values cannot be achieved with the known microstrip antennas.

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. With a fixed number of elements (synonymous with a specification of the antenna dimensions), the antenna design is considerably facilitated due to the simple relationship between the 15 quotient q on the one hand and the half-value width and side lobe attenuation on the other hand. Each value of the quotient q then has a specific half-value width and side lobe damping, so that, for example, with an envisaged half-width, one immediately knows which side lobe damping is involved and how to choose the ratio q of the widths of the narrow and wide elements is.

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. FIG. 2 shows an embodiment in which the width of the wide and that of the narrow stripline elements of 25 a symmetry center of the directional antenna gradually decrease from element to element towards both ends. The side lobe attenuation of the antenna can be improved by this width gradation.

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. FIG. 3 shows a modification of the antenna according to FIG. 2 30, in which the width of the stripline elements decreases continuously from element to element from one center of symmetry of the antenna towards both antenna ends.

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. Depending on the desired directional diagram shape, in the antennas according to FIGS. 2 and 3 the element width can also be made 35 smaller from both antenna ends towards the center of symmetry or from one antenna end to the other.

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". FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which three antennas according to FIG. 1 a are connected in parallel 40 via a conductive web 5. The parallel connection of several antennas enables an additional reduction of the half-value width in the transverse plane. The feed takes place via a feed point 2 at the beginning or end of any of the 3n stripline elements l1 to 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. «The invention is not limited to the examples explicitly given here, but extends to all embodiments of microwave antennas in stripline technology, in which the stripline elements are connected in series in the line current direction.

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2 Blatt Zeichnungen i 2 sheets of drawings i

Claims

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PATENT CLAIMS

1. microwave directional antenna in stripline technology, characterized in that the directional antenna n (n = 1,2,3, ...) stripline elements (l1 to ln) with a length lv (v = 1 to n) each of about X / 2, with X denoting the stripline 5 wavelength, and that the stripline elements (11 to In) are electrically connected in series in the line current direction (FIGS. 1 a to 3).

2. microwave directional antenna according to claim 1, characterized in that the stripline elements (l1 to ln) have 10 different widths bv (v = 1 to n).

3. microwave directional antenna according to claim 1, characterized in that the stripline elements (l1 to ln) have the same width bv (v = 1 to n).

4. microwave directional antenna according to claim 1, characterized in that in the series connection of the stripline elements (l1 to 1 ") alternately wide and narrow elements are provided and that all wide stripline elements (lv; v = 1,3,5, .. .) and all narrow stripline elements (lv; v = 2,4,6, ...) each have the same 20 width with each other (Fig. la).

5. microwave directional antenna according to claim 1, characterized in that alternately wide and narrow stripline elements (l1 to 1 ") are connected in series and that the width of the wide and / or narrow stripline elements 25 (lv; v = 1 , 3,5, ... and v = 2,4,6, ...) is either gradually smaller from one center of symmetry of the directional antenna towards both ends or from one end of the directional antenna after the other (Fig. 2).

6. microwave directional antenna according to claim 1, characterized in that the width of the series-connected stripline elements (l1 to 1 ") either from a center of symmetry of the directional antenna towards both antenna ends or from one end of the directional antenna after the other decreases continuously (Fig 3). 35

7. microwave directional antenna according to one of claims 1 to 6, characterized in that the length deviation of the individual stripline elements (l1 to ln) from the length XI2 is the same for all stripline elements (11 to 1n) (Fig. 1 a to 3). 40

8. microwave directional antenna according to one of claims 1 to 6, characterized in that for broadband reasons the length deviation of the individual stripline elements (l1 to 1 ") of the length X / 2 from element to element is slightly different (Fig. La bis 3). 45

9. microwave directional antenna according to one of claims 1 to 8, characterized in that the antenna feed point (2) at one end of the antenna or at the beginning or end of any stripline element (lv; v = 1 to n) is arranged inside the antenna (Fig 1 a to 3). 50

10. Microwave directional antenna according to one of claims 1 to 9, characterized in that to reduce the half width of the antenna in the transverse plane two or more series circuits of stripline elements (l1 to ln and

1 to 1 and 1v 'to 1n ") are connected in parallel, the 55 feed point (2) being provided at one end of the antenna or at the beginning or end of any stripline element (l1 to ln") (FIG. 4).