DE102005011127B4

DE102005011127B4 - Kalibrierung einer elektronisch steuerbaren Planarantenne und elektronisch steuerbare Planarantenne mit einer Kavität

Info

Publication number: DE102005011127B4
Application number: DE200510011127
Authority: DE
Inventors: Oliver Litschke; Sybille Holzwarth
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: DE102005011127A1

Abstract

Elektronisch steuerbare Antenne (1) umfassend eine Bezugsmassenfläche (2), eine Mehrzahl von Strahlerelementen (3, 3'), die über der Bezugsmassenfläche (2) angeordnet und zu dieser beabstandet sind und jeweils einzeln hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar sind, und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Berandungen (5), wobei die Berandungen (5) von der Bezugsmassenfläche (2) emporragen und sich eine Berandung (5) jeweils um ein Strahlerelement (3, 3') herum erstreckt und eine Kavität (6) bildet, deren Querschnittsfläche (F) mit der Höhe zur Bezugsmassenfläche (2) zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronisch steuerbare Antenne mit einer Bezugsmassenfläche und einer Mehrzahl von Strahlerelementen, die über der Bezugsmassenfläche angeordnet und zu dieser beabstandet sind und jeweils einzeln hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar sind, sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer elektronisch steuerbaren Antenne.
Wie aus der DE 196 36 850 A1 bekannt, ermöglichen elektronisch steuerbare Antennengruppen eine Strahlformung bzw. eine Schwenkung der Antennenkeule, ohne dass die Antenne mechanisch bewegt werden muss. Dieses wird dadurch erreicht, dass das Sendesignal auf eine Gruppe von Antennenstrahlern aufgeteilt wird und jedes dieser Teilsignale anschließend mit einer Gewichtung bzw. Verstärkung und einer Phase versehen wird. Aufgrund der Überlagerung der abgestrahlten Einzelsignale von den jeweiligen Antennenstrahlern entsteht im Fernfeld dann das gewünschte Richtdiagramm. Die Gewichtung der Amplituden und die Phaseneinstellung kann entweder auf einer digitalen Ebene („Digitales Beam Forming”) oder im HF-Frontend geschehen („Phased Array”).
Es wird davon ausgegangen, dass die Antennenelemente sich über einer metallischen Schirmfläche befinden. Mittels einer unter dieser Schirmfläche liegenden Schaltung kann das Signal jedes einzelnen Antennenelements hinsichtlich Amplitude und Phase variabel vorgegeben werden. Werden die Strahler in einer Zeilenanordnung einer Vielzahl von Strahlern jeweils so angesteuert, dass sie zu ihren Nachbarn eine konstante Phasendifferenz aufweisen, führt eine Änderung dieser konstanten Phasendifferenz zu einer Strahlschwenkung, weil sich der Raumwinkel ändert, an dem durch konstruktive Überlagerung der Wellenfronten ein Hauptmaximum auftritt. Weiterhin kann man mittels einer geeigneten Amplitudenbelegung erreichen, dass auftretende Nebenmaxima minimiert werden oder in einem definierten Raumwinkel eine Nullstelle erzeugt wird.
Elektronisch steuerbare Antennen wurden bisher hauptsächlich im militärischen Bereich eingesetzt. Jetzt rücken aber mehr und mehr zivile Anwendungen in den Fokus: Ein wichtiges Beispiel ist die mobile Datenkommunikation, z. B. vom Flugzeug aus via Satellit. Die hierzu erforderlichen Antennen können mehrere tausend Strahlerelemente aufweisen.
Eines der zentralen Probleme von elektronisch steuerbaren Antennen ist ihre Kalibrierung. Aufgrund von Toleranzen im Aufbau, Temperaturabhängigkeiten oder unterschiedliche Alterung der einzelnen Bauelemente und nicht zuletzt aufgrund von Verkopplungseffekten müssen die Amplituden und die Phasen der Strahler einzeln bestimmt und gegebenenfalls korrigiert werden, bevor die Antenne in Betrieb genommen werden kann.
Unter einer Offline-Kalibrierung versteht man eine Grundkalibrierung der Antenne, die vor der ersten Inbetriebnahme, oder auch nach Wartungsarbeiten durchgeführt wird. Die Offline-Kalibrierung kann mit Hilfe von zusätzlichen Messmitteln außerhalb der Antenne (Kalibrierantenne, externer Abschluss etc.) durchgeführt werden. Die klassische Offline-Kalibrierung erfolgt innerhalb einer Antennenmesskammer. Es ist bekannt, hierfür eine Messantenne im Fernfeld der zu kalibrierenden Antenne anzubringen und die einzelnen Kanäle der elektronischen Antenne nacheinander oder in einer geeigneten Kombination zu aktivieren. Dabei werden die spezifischen Amplituden- und Phasendifferenzen registriert und korrigiert. Ein erheblicher Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Vermessung innerhalb einer Antennenmesskammer stattfinden muss, welches die Integration in einen industriellen Fertigungsprozess nahezu unmöglich bzw. sehr kostenintensiv macht. Eine weitere Möglichkeit ist, eine Messantenne in der Nähe der Antenne über den Strahlerelementen anzuordnen und dann die Einzelsegmente sequenziell zu aktivieren und zu messen.
Eine präzise Messung der Amplituden und Phasen der einzelnen Strahlerelemente ist jedoch aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Strahlerelemente zur Kalibrierantenne und aufgrund einer Verkopplung der einzelnen Elemente untereinander sowie die Wechselwirkung der Strahlerelemente mit der Messsonde schwierig.
US 6,320,547 B1 offenbart eine auf einem keramischen Substrat für eine Antenne geformte Schaltungsstruktur, wobei eine Vielzahl von Strahlerelementen von einer einzelnen Berandung umgeben ist. US 5,477,229 A offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer aktiven Antenne ohne elektrisch leitfähige Berandungen. US 6,583,760 B2 offenbart eine Richtungsantenne. DE 102 44 206 A1 offenbart eine Antenne ohne elektrisch leitfähige Berandungen mit Durchkontaktierungen zum leitfähigen Verbinden einer ersten Massefläche mit einer zweiten Massefläche.
WO 2004/066436 A1 zeigt ein Antennensystem mit Antennenelementen, wobei eine Umrandung die Antennenelemente umgibt und die Umrandung sich senkrecht zur Erstreckungsebene der Antennenelemente erstreckt. Auch US 2003/0122712 A1 beschreibt Antennenelemente, die von einer umlaufenden Leitung umrandet sind. Derartige Ausgestaltungen weisen jedoch bei einer Kalibrierung Ungenauigkeiten auf, die sich durch Reflexionen aufgrund eines nicht angepassten Wellenwiderstands ergeben.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronisch steuerbare Antenne bereitzustellen, die auf einfache Weise präzise kalibriert werden kann, sowie ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Kalibrierung anzugeben, womit eine elektronisch steuerbare Antenne bzw. ein HF-Sende- und/oder Empfängereinheit effizient und auf einfache Weise, präzise kalibriert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die elektronisch steuerbare Antenne, durch die Sende- und/oder Empfängereinheit, durch die Anordnung zur Kalibrierung sowie durch das Verfahren zum Kalibrieren wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt und beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße elektronisch steuerbare Antenne umfasst eine Bezugsmassenfläche, eine Mehrzahl von Strahlerelementen, die über der Bezugsmassenfläche angeordnet und zu dieser beabstandet sind und jeweils einzeln hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar sind, und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Berandungen, wobei die Berandungen von der Bezugsmassenfläche emporragen und sich eine Berandung jeweils um ein Strahlerelement herum erstreckt und eine Kavität bildet, deren Querschnittsfläche mit der Höhe zur Bezugsmassenfläche zunimmt.
Die Berandung ist vorzugsweise in Bezug auf die von der Antenne abgegebene Strahlung weitgehend reflektierend und wirkt so als seitliche Schirmung um das Strahlerelement. Alternativ kann sie so ausgestaltet sein, dass sie die Strahlung weitgehend absorbiert.
Die Einzelstrahler der elektronisch steuerbaren Antenne können beispielsweise Monopol-Antennen, Schlitzantennen oder Planarantennen sein. Vorteilhafterweise sind sie als planare Patchantennen ausgestaltet, welche als metallisierte Flächen auf einem Trägersubstrat realisiert sind.
Durch die Berandung wird die Umgebung der Antennenelemente speziell strukturiert, um eine geschirmte und gleichzeitig angepasste Nahfeld-Kalibrierung durchführen zu können. Das Nahfeld des zu kalibrierenden Elementes bleibt aufgrund der Berandung bei der Kalibrierung nahezu unverändert, wodurch sich die Anpassung des zu kalibrierenden Elements nicht signifikant ändert.
In schwenkbaren Antennenarrays weisen die Antennenelemente typischerweise einen sehr kleinen Elementenabstand auf, damit bei der Schwenkung keine weiteren Hauptmaxima („grating lobs”) auftreten. Typische Werte für den Elementenabstand liegen bei λ/2. Dieser kleine Elementabstand führt jedoch zu unerwünschten Wechselwirkungen der einzelnen Elemente miteinander aufgrund der Überlappung der Nahfelder, welche ohne weitere Vorkehrungen wie die Berandungen zu Messungenauigkeiten bei der Kalibrierung führen.
Die Antenne kann aus einer Vielzahl von Strahlerelementen, insbesondere bis zu tausend Elementen, bestehen.
Vorteilhafterweise ist mindestens einer der folgenden Merkmale (a1) bis (a5) erfüllt: (a1) die Berandung ist mit der Bezugsmassenfläche elektrisch kontaktiert; (a2) jeweils eine Berandung erstreckt sich um genau ein Strahlerelement; (a3) die Berandung wird durch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Stiften gebildet, die von der Bezugsmassenfläche emporragen; (a4) die Berandung wird durch eine umlaufend geschlossene, elektrisch leitfähige, insbesondere metallische, Wand gebildet; (a5) die Strahlerelemente sind in einer Höhe von weniger als das 0,25-fache, insbesondere weniger als das 0,18-fache, vorzugsweise weniger als das 0,1-fache, der mittleren Wellenlänge von der Bezugsmassenfläche angeordnet.
Hierbei ist eine Kombination der Merkmale (a1) und (a2) bevorzugt. Vor dem Hintergrund eines Herstellungsprozesses wird die Berandung vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stiften aufgebaut. Die Stifte, die im Fertigungsprozess einer Mehrlagentechnologie analog zu den Kontaktdurchführungen gestaltet werden können, bilden eine Art Zaun um die Strahlerelemente.
Vorteilhafterweise erstreckt sich eine Berandung um genau ein Strahlerelement. Der Zaun wirkt zusammen mit der Bezugsmassenfläche als Teil eines Faradayschen Käfig. Durch Aufsetzen eines Kalibrierhohlleiters kann dieser Teil zu einem kompletten Faradayschen Käfig vervollständigt werden, so dass eine von dem Strahlerelement abgegebene Strahlung nicht aus dem durch Kalibrierhohlleiter, Berandung und Bezugsmassenfläche gebildeten Käfig austreten kann. Hierdurch kann eine Wechselwirkung des Strahlerelements mit benachbarten Strahlerelementen sowie der Einfluss von Störgrößen von außen effizient verringert werden. Das Strahlungsfeld des Strahlerelements wird auf einen vorgegebenen Raumbereich begrenzt.
Die Strahlerelemente werden vorzugsweise in einer im Vergleich zur mittleren Wellenlänge der abgestrahlten Welle geringen Bauhöhe über der Bezugsmassenfläche angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die Berandung eine Kavität, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale (b1) bis (b4) erfüllt ist: (b1) die Querschnittsfläche der Kavität nimmt mit der Höhe zur Bezugsmassenfläche zu, insbesondere gestuft zu, wobei insbesondere die Querschnittsfläche in einem Bereich von 30% bis 200%, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 150%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 70% bis 100%, zunimmt; (b2) in der Kavität ist ein dielektrisches Anpasselement angeordnet, welches sich vorteilhafterweise entlang der Berandung erstreckt; (b3) das Strahlerelement ist in der Kavität vertieft angeordnet, wobei insbesondere der Öffnungswinkel der Kavität, der durch einen an einem oberen Ende der Kavität befindlichen Rand in Bezug auf die Mitte des Strahlerelements definiert ist, in einem Bereich von 60° bis 180°, insbesondere in einem Bereich von 90° bis 170°, vorzugsweise in einem Bereich von 150° bis 170°, liegt; (b4) eine Kavität wird gebildet durch eine Einbuchtung, Einwölbung oder Aussparung in der Bezugsmassenfläche.
Hierbei ist die Kombination der Merkmale (b1) und (b2) bevorzugt. Durch die Zunahme der Querschnittsfläche der Kavität mit der Höhe über der Bezugsmassenfläche wird eine abgeschrägte Form der Berandung bewirkt. Die Kavität kann trichterförmig ausgebildet sein, wobei jedoch eine gestufte Ausführungsform vor dem Hintergrund eines Mehrlagenfertigungsprozesses besonders einfach realisierbar ist. Durch die Zunahme der Querschnittsfläche der Kavität wird eine Anpassung des Wellenwiderstands erreicht, wodurch Reflektionen am oberen Rand der Kavität verringert werden.
Auch ist es vorteilhaft, in der Kavität ein dielektrisches Anpassungselement einzubringen, um den Wellenwiderstand graduell auf den des Vakuums (bzw. Luft) anzupassen. Sowohl durch die Zunahme der Querschnittsfläche der Kavität wie auch durch das dielektrische Anpasselement können unerwünschte Reflektionen, die aufgrund einer Diskontinuität im Wellenwiderstand erzeugt werden, vermieden werden. Hierdurch wird eine Bildung von Streustrahlung zum Beispiel in einer Richtung nach unten verringert.
Durch das Versenken des Strahlerelements in der Kavität werden ebenso besonders günstige Abstrahleigenschaften erzielt. Insbesondere kann hiermit die Abstrahleffizienz der einzelnen Strahlerelemente gesteigert werden. Die Kavität übernimmt dann zunehmend die Funktion eines Abstrahltrichters, der zum einen die ins Fernfeld abgestrahlte Leistung erhöht, zum anderen eine Wechselwirkung mit benachbarten Strahlerelementen verringert.
In einer speziellen Ausgestaltung weist die Berandung eine abgeschrägte Form auf und/oder in der Nähe der Berandung ist ein Anpasselement angeordnet, so dass der Wellenwiderstand für eine von dem Strahlerelement abgestrahlte elektromagnetische Welle in einer Richtung senkrecht zur Bezugsmassenfläche im Wesentlichen sich stufenlos ändert. Hierbei ist es vorteilhaft, möglichst große Stufen im Wellenwiderstand zu verringern und somit eine kontinuierliche Änderung des Wellenwiderstands zu bewirken.
Die Strahlerelemente können jeweils als Monopolantenne, Schlitzantenne oder Planarantenne, insbesondere als planare Patchantenne, ausgestaltet sein. Vorzugsweise weist die Antenne mindestens 4, insbesondere mindestens 9, insbesondere mindestens 16, insbesondere mindestens 25, besonders bevorzugt mindestens 36, Strahlerelemente auf. Die elektronisch steuerbare Antenne kann jedoch auch 100 oder 1000 oder mehr Strahlerelemente umfassen. Für die Anzahl der zu verwendenden Strahlerelemente ist die jeweilige Anwendung zu betrachten, wobei die geforderten Fokussiereigenschaften der Antenne zu berücksichtigen sind.
Vorzugsweise liegen die Strahlerelemente der elektronisch steuerbaren Antenne auf einem Gitter, dessen Gitterabstand in einem Bereich von dem 0,25-fachen bis zu dem einfachen der mittleren Wellenlänge der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle liegt. Insbesondere entspricht der Gitterabstand in etwa der halben mittleren Wellenlänge der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle.
In einer speziellen Ausgestaltung fällt das seitliche Amplitudenprofil zu den Randstrahlerelementen ab, beispielsweise ist das Amplitudenprofil glockenförmig, insbesondere gaußförmig. Das Amplitudenprofil wird in der Regel so gewählt, dass unerwünschte Nebenmaxima im Fernfeld unterdrückt werden. Dieses kann beispielsweise auch durch Verwendung eines Raised Cosine-, Tayler-, oder Chebyshev-Profils erreicht werden.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung liegen die Strahlerelemente auf einem Gitter, dessen Gitterabstand von innen nach außen hin zunimmt, wobei insbesondere der Gitterabstand in einem Bereich von 10%, insbesondere von 50%, bis 100%, insbesondere bis 200%, zunimmt.
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung liegen die Strahlerelemente auf einem Gitter mit konstantem Gitterabstand, wobei einige Strahlerelemente zur Verbesserung der Strahlungseigenschaften aus dem Array entfernt oder elektrisch nicht angesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird die Antenne in einer Mehrlagentechnologie, insbesondere in einer LTCC(„low temperature co-fired ceramics”)-Technologie, umgesetzt.
Vorteilhafterweise wird hierfür ein HF-Modul in einem Hybridaufbau basierend aus einem mehrlagigen, insbesondere 11-lagigen LTCC-Substrat aufgebaut. Hierzu kann auf der einen Seite des Mehrlagenkeramiksystems eine Patchantennenanordnung aufgebaut sein, und auf der gegenüberliegenden Seite das HF-Frontend integriert sein. Die Leiterbahnen und passiven Strukturen sind im Siebdruckverfahren auf die Keramik gedruckt. Das Modul kann mit preiswerten Einzelhalbleitern bestückt werden, da teure monolithisch integrierte Schaltkreise nicht mehr benötigt werden.
Vorteilhafterweise sind die Bezugsmassenfläche und das Strahlerelement jeweils auf einer Seite eines flächigen Substrats aufgebracht.
Die erfindungsgemäße HF-Sende- und/oder Empfängereinheit umfasst die erfindungsgemäße elektronisch steuerbare Antenne.
Aufgrund der Struktur der elektronisch steuerbaren Antenne ist die HF-Sende- und/oder Empfängereinheit auf einfache Weise kalibrierbar, da durch einfaches Aufsetzen eines Kalibrierhohlleiters jedes einzelne Strahlerelement von den benachbarten Strahlerelementen wirksam abgeschirmt werden kann und Störeinflüsse abgeschirmt werden können. Hierdurch ist eine besonders feine Kalibrierung der HF-Sende- und/oder Empfängereinheit möglich, so dass mit dieser eine besonders hohe Strahlungskonzentration an einem entfernt liegenden Punkt bzw. in eine gewünschte Richtung erzielt werden kann. Hierdurch werden die Sende- und/oder Empfangseigenschaften verbessert bzw. der im Betrieb der Sende- und/oder Empfängereinheit erforderliche Strombedarf verringert.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kalibrierung einer HF-Sende- und/oder Empfängereinheit ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 12 gegeben.
Durch die elektrisch leitfähige Berandung um die Strahlerelemente herum wird eine Fehlabstrahlung verringert. Der Kalibrierhohlleiter bildet vorzugsweise zusammen mit der Bezugsmassenfläche und der elektrisch leitfähigen Berandung einen im Wesentlichen geschlossenen Faradayschen Käfig um das zu kalibrierende Strahlerelement, wodurch das Strahlerelement nach außen hin abgeschirmt und von der weiteren Umgebung abgekoppelt wird.
Vorteilhafterweise kann weder Störstrahlung von außen in diesen Innenraum des Käfigs dringen, noch Strahlung vom Strahlerelement nach außen gelangen, so dass das Strahlerelement mit seinem Sende- und/oder Empfangseigenschaften ganz auf die Eigenschaften des Innenraums des Faradayschen Käfigs beschränkt ist.
Durch die Berandung kann der Kalibrierhohlleiter auf einfache Weise auf die Antenne aufgesetzt werden und das einzelne Strahlerelement kalibriert werden. Die Kalibrierung des einzelnen Strahlerelements kann sowohl auf der Digitalebene („digitales beam forming”) oder im HF-Frontend geschehen („Phased Array”). Bei der Anordnung bildet die Kalibriereinrichtung mit ihrem Kalibrierhohlleiter ein Gegenstück zur Antenne mit den einzelnen Strahlerelementen. Vorteilhafterweise weist die Kalibriereinrichtung eine Vielzahl von Kalibrierhohlleiter auf, um möglichst viele Strahlerelemente parallel kalibrieren zu können.
Das Ende, mit dem der Kalibrierhohlleiter auf der Antenne aufgesetzt wird, erstreckt sich im Wesentlichen umlaufend bzw. ringförmig um das jeweilige Strahlerelement und kann ein Berandung eines Strahlerelements kontaktieren. Ringförmig bedeutet, dass das freie Ende des Kalibrierhohlleiters im Wesentlichen der Form der Berandung entspricht, welche insbesondere rechteckig bzw. quadratisch sein kann.
Der Kalibrierhohlleiter kann die Berandung elektrisch kontaktieren, vorzugsweise im Wesentlichen entlang des gesamten freien im Wesentlichen ringförmigen Endes. Durch den elektrischen Kontakt wird ein Aus- bzw. Eintreten von elektromagnetischer Strahlung vermieden.
In der erfindungsgemäßen Anordnung kann zudem vorteilhafterweise ein Hohlleiter eingesetzt werden, welcher an seinem der Antenne entgegen gesetzten Ende für die von der Antenne abgestrahlte elektromagnetische Welle reflektierend ist, wobei der Reflektionsgrad größer als 80%, insbesondere größer als 90%, vorzugsweise größer als 98%, insbesondere vorzugsweise größer als 99,5%, ist. Durch eine Messung mit einem am entgegen gesetztem Ende reflektierenden Messhohlleiter kann der Wirkungsgrad der Antenne bzw. der einzelnen Strahlerelemente bestimmt werden, welches insbesondere mit Hilfe der Wheeler Cap-Messmethode erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren einer HF-Sende- und/oder Empfängereinheit ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 15 gegeben.
Bei dem Verfahren wird vorteilhafterweise jedes Antennenelement durch eine metallische Berandung von seinen Nachbarn abgeschirmt, in dem die Massefläche auf die Antennenoberseite über die Berandung geführt wird, so dass ein definierter Massekontakt zum Messhohlleiter herstellbar ist.
Durch die Konzentration der von der Antenne abgestrahlten bzw. aufgenommenen Strahlung auf einen kleinen Raumbereich werden Störeinflüsse von außen verringert bzw. vermieden. Das zu untersuchende Strahlerelement wird direkt mit dem Kalibrierhohlleiter verkoppelt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird mit Hilfe der Berandung eine Impedanzanpassung in Bezug auf den Wellenwiderstand der vom Strahlerelement abgestrahlten Welle erzeugt. Hierfür kann die Berandung abgestuft oder angeschrägt oder trichterförmig sein.
Mit dem Kalibrierhohlleiter wird vorteilhafterweise auch der Wirkungsgrad der Antenne bestimmt, wobei insbesondere die Wheeler-Cap-Messmethode verwendet wird.
Die Antenne wird vorteilhafterweise mit Frequenzen größer als ein Gigahertz, insbesondere größer als ein drei Gigahertz, vorzugsweise größer als zehn Gigahertz, besonders bevorzugt größer als zwanzig Gigahertz, bespeist bzw. ist diese Frequenzen eingerichtet. Die Abstände zwischen den Strahlerelementen entsprechen im Wesentlichen in etwa der Hälfte der Wellenlänge korrespondierend zu der mittleren Frequenz.
Weitere besondere Einzelheiten und Vorteile werden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnung soll die Erfindung nicht einschränken, sondern diese lediglich exemplarisch veranschaulichen. Es zeigen schematisch:
1 eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer Planarantenne wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer erfindungsgemäßen Planarantenne;
3 eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer erfindungsgemäßen Planarantenne mit einer angepassten Kavität;
4 eine erfindungsgemäße Planarantenne mit einer gestuften Kavität mit Anpasselement und aufgesetztem Kalibrierhohlleiter;
5 eine Draufsicht auf ein Strahlerelement einer erfindungsgemäßen Antenne;
6 eine Explosionsansicht der elektrisch leitfähigen Komponenten eines Strahlerelements einer erfindungsgemäßen Antenne.
1 zeigt eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Antenne 1 im Längsschnitt. Die Antenne 1 weist eine Mehrzahl von Strahlerelementen 3, 3' auf, die auf einem Substrat 16 aufgebracht sind und von unten über eine Einspeisung 10 jeweils mit einer gewünschten Phase und Amplitude bespeist werden. Die Strahlerelemente 3, 3' sind über eine Bezugsmassenfläche 2 angeordnet. Auf der Antenne 1 ist ein Kalibrierhohlleiter 14 mit einer Kalibrierantenne 9 aufgesetzt und umgibt das Strahlerelement 3. Die Strahlerelemente 3, 3' sind in einem Abstand s voneinander angeordnet, der in etwa der Hälfte der mittleren Wellenlänge der von der Antenne 1 abgestrahlten Strahlung entspricht. Neben den gewünschten Signalpfad 4 zwischen dem zu kalibrierenden Strahlerelement 3 und der Kalibrierantenne 9 treten unerwünschte Strahlungseffekte auf. Insbesondere entsteht ein Störeinfluss 17 aufgrund der Schirmung durch den Kalibrierhohlleiter 14 zwischen dem Strahlerelement 3 und dem Kalibrierhohlleiter 14. Darüber hinaus entweicht durch das Substrat 16 eine Fehlabstrahlung 18, die ebenso das Messergebnis verfälscht. Weiterhin entsteht eine Reflektion 19 aufgrund von Fehlanpassung durch den Schirmungseinfluss nach unten zur Bezugsmassenfläche 2 hin, welches ebenso das Messergebnis verfälscht und zu einer ungenauen Kalibrierung des Strahlerelements 3 führt.
2 zeigt eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer erfindungsgemäßen Antenne 1 im Längsschnitt mit dem Kalibrierhohlleiter 14. Eine elektrisch leitende Berandung 5 verbindet den Kalibrierhohlleiter 14 an seinem freien, im Wesentlichen ringförmigen Ende 12 mit der Bezugsmassenfläche 2, wodurch eine Fehlabstrahlung im Wesentlichen vermieden wird. Die Bezugsmassenfläche, die Berandung 5 und der Kalibrierhohlleiter 14 bilden zusammen eine Art Faradayschen Käfig. Die Berandung 5 bildet zusammen mit der Bezugsmassenfläche 2 eine Kavität 6, in der bzw. an der das Strahlerelement 3 angeordnet ist. Hierbei entspricht die Querschnittsfläche F der Kavität im Wesentlichen der Querschnittsfläche des Kalibrierhohlleiters 14. Der Kalibrierhohlleiter 14 wechselwirkt allerdings noch mit dem Strahlerelement 3 derart, dass ein Störeinfluss 17 zwischen dem Strahlerelement 3 und dem freien Ende des Kalibrierhohlleiters 14 entsteht. Aufgrund einer Diskontinuität im Wellenwiderstand in einer Richtung senkrecht zur Bezugsmassenfläche 2 (senkrechte Richtung in der Zeichnung) entsteht eine Reflektion 19 in einer Richtung zur Bezugsmassenfläche 2 hin. Ein Strahlerelement ist in einer Höhe h über der Bezugsmassenfläche 2 angeordnet und weist eine Querschnittsfläche Q (in der Draufsicht auf die Fläche) auf. Die Höhe des Strahlerelements 3 über der Bezugsmassenfläche 2 beträgt in etwa ein Zehntel von der Antenne 1 abgestrahlten mittleren Freiraumwellenlänge.
3 zeigt eine geschirmte Nahfeldkalibrierung mit einer erfindungsgemäßen Antenne 1 im Längsschnitt in einer angepassten Kavität 6. Die Kavität 6 wird durch die Berandung 5 gebildet, wobei sich die Berandung nach obenhin stufenweise verjüngt, so dass eine gestufte Kavität 6 mit zunehmenden Querschnitt entsteht. Durch eine Stufe 8 der Kavität 6 wird eine Anpassung des Wellenwiderstands bewirkt, die durch ein Einbringen eines Anpasselements 11 in der Kavität weiter unterstützt wird. Durch Anpassung des Wellenwiderstands wird eine Reflektion der von dem Strahlerelement 3 abgestrahlten Strahlung wirksam reduziert, so dass 99,98% der von dem Strahlerelement 3 abgestrahlten Strahlung entlang des gewünschten Signalpfads 4 abgestrahlt wird. Durch die speziell ausgeformte, doppelstufige Kavität wird ein Sprung im Wellenwiderstand reduziert. Das Strahlerelement 3 liegt in der Kavität 6 vertieft eingebettet, wodurch das reaktive Nahfeld der Antenne auf dem Bereich der unteren Kavität konzentriert wird und somit Wechselwirkung mit dem aufgesetzten Kalibrierhohlleiter 14 vermindert wird. Der obere Bereich der Kavität 6 bildet eine Art Übergangszone. Die Übergangszone wird durch ein dielektrisches Material unterstützt, welches als Anpasselement 11 dient, um den Wellenwiderstand des Strahlerelements 3 auf den Wellenwiderstand des Kalibrierhohlleiters 14 anzupassen. Durch die gestufte Struktur der Kavität 6 und die speziellen Anpasselemente 11 im oberen Bereich der Kavität 6 kann ein quasi rückwirkungsfreies Aufsetzen des Kalibrierhohlleiters 14 erreicht werden, so dass eine besonders präzise Kalibrierung des Strahlerelements 3 ermöglicht wird.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 mit einem aufgesetzten Kalibrierhohlleiter 14 im Längsschnitt. Gut zu erkennen ist, dass das Strahlerelement 3 vertieft in der Kavität 6 untergebracht ist, wobei ein Öffnungswinkel α der Kavität 6, der durch einen am oberen Ende 20 der Kavität 6 befindlichen Rand in Bezug auf die Mitte des Strahlerelements 3 definiert ist, in etwa 155° beträgt. Durch die vertiefte Lage des Strahlerelements 3 in der Kavität 6 wird eine Konzentration der Strahlung auf den unteren Bereich der Kavität 6 bewirkt, wodurch eine Wechselwirkung mit benachbarten Strahlerelementen 3' und mit dem freien Ende 12 des Kalibrierhohlleiters 14 verringert wird. Der Kalibrierhohlleiter 14 bildet zusammen mit der metallischen Berandung 5, die elektrisch leitend mit der Bezugsmasse 2 verbunden ist, zusammen mit der Bezugsmasse 2 einen eng abgegrenzten Bereich, aus dem keine Streustrahlung heraustreten bzw. in den keine Störstrahlung eintreten kann, so dass das Antennenelement 3 präzise mit der Kalibrierantenne 9 vermessen und kalibriert werden kann.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Strahlerelement 3 mit einer Berandung 5 in der Draufsicht. Die Berandung 5 ist durch eine Vielzahl zu einem Zaun angeordneter Stifte 7 gebildet. Das Strahlerelement 3 befindet sich in einer von der Berandung 5 umsäumten Kavität 6, die ein Anpasselement 11 aufweist.
6 zeigt eine Explosionsansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Antenne 1. Der Teil betrifft den Teil der Antenne 1, der einem Strahlerelement 3 zuordbar ist. Die Antenne 1 ist in einer 11-lagigen LTCC-Struktur aufgebaut, wobei nur die elektrisch leitfähigen Lagen 15 zu sehen sind. Aus Gründen der mechanischen Stabilität des Mehrlagenaufbaus sind die Stifte 7 der einen Lage 15 versetzt zu den Stiften 7 einer benachbarten Lage 15 angeordnet. Die Berandung 5 wird durch eine Vielzahl von Stiften 7 gebildet. Das Strahlerelement 3 wird durch eine Einspeisung sowohl in X als auch in Y Richtung getrennt betrieben. Das Strahlerelement 3 ist vertieft in der durch die Stifte 7 erzeugte Kavität 6 eingebettet.
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronisch steuerbare Antenne 1 umfassend eine Bezugsmassenfläche 2, eine Mehrzahl von Strahlerelementen 3, 3', die über der Bezugsmassenfläche 2 angeordnet und zu dieser beabstandet sind und jeweils einzeln hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar sind, und mindestens eine elektrisch leitfähige Berandung 5, wobei die Berandung 5 von der Bezugsmassenfläche emporragt und sich um die Strahlerelemente 3, 3' herum erstreckt; eine HF-Sende- und/oder Empfängereinheit 17, eine Anordnung zur Kalibrierung einer HF-Sende und/oder Empfängereinheit bzw. ein Verfahren zum Kalibrieren einer HF-Sende- und/oder Empfängereinheit. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektronisch steuerbare Antenne aufgrund der Berandung 5 um die Strahlerelemente 3, 3' auf einfache Weise effizient und präzise hinsichtlich der Amplituden und Phaseneigenschaften der einzelnen Strahlerelemente ausgemessen und kalibriert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Antenne
2: Bezugsmassenfläche
3: Strahlerelement
3': Strahlerelement
4: gewünschter Signalpfad
5: Berandung
6: Kavität
7: Stift
8: Stufe
9: Kalibrierantenne
10: Einspeisung
11: Anpasselement
12: freies, im wesentlichen ringförmiges Ende
13: dem freien Ende 12 entgegen gesetztes Ende
14: Kalibrierhohlleiter
15: Lagen
16: Substrat
17: Störeinfluss der Schirmung
18: Fehlabstrahlung
19: Reflexion aufgrund von Fehlanpassung durch Schirmungseinfluss
20: oberes Ende der Kavität 6
F: Querschnittsfläche der Kavität
Q: Querschnittsfläche des Strahlerelements 3, 3'
d: Abstand
s: Gitterabstand
h: Höhe des Strahlerelements 3, 3' über der Bezugsmassenfläche 2

Claims

Elektronisch steuerbare Antenne (1) umfassend eine Bezugsmassenfläche (2), eine Mehrzahl von Strahlerelementen (3, 3'), die über der Bezugsmassenfläche (2) angeordnet und zu dieser beabstandet sind und jeweils einzeln hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar sind, und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Berandungen (5), wobei die Berandungen (5) von der Bezugsmassenfläche (2) emporragen und sich eine Berandung (5) jeweils um ein Strahlerelement (3, 3') herum erstreckt und eine Kavität (6) bildet, deren Querschnittsfläche (F) mit der Höhe zur Bezugsmassenfläche (2) zunimmt.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale (a1) bis (a5) erfüllt ist: (a1) Die Berandung (5) ist mit der Bezugsmassenfläche (2) elektrisch kontaktiert; (a2) jeweils eine Berandung (5) erstreckt sich um genau ein Strahlerelement (3, 3'); (a3) die Berandung (5) wird durch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Stiften (7) gebildet, die von der Bezugsmassefläche (2) emporragen; (a4) die Berandung (5) wird durch eine umlaufend bzw. ringförmig geschlossene, elektrisch leitfähige, insbesondere metallische, Wand gebildet; (a5) die Strahlerelemente (3, 3') sind in einer Höhe von weniger als das 0,25-fache, insbesondere weniger als das 0,18-fache, vorzugsweise weniger als das 0,1-fache, der Wellenlänge von der Bezugsmassenfläche (2) angeordnet.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale (b1) bis (b4) erfüllt ist: (b1) die Querschnittsfläche (F) der Kavität (6) nimmt mit der Höhe zur Bezugsmassenfläche (2) gestuft zu, wobei insbesondere die Querschnittsfläche (F) in einem Bereich von 30% bis 200%, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 150%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 70% bis 100%, zunimmt; (b2) in der Kavität (6) ist ein dielektrisches Anpasselement (11) angeordnet, welches sich vorteilhafterweise entlang der Berandung (5) erstreckt; (b3) das Strahlerelement (3, 3') ist in der Kavität (6) angeordnet, wobei insbesondere der Öffnungswinkel der Kavität (6), der durch einen an einem oberen Ende (20) der Kavität (6) befindlichen Rand in Bezug auf die Mitte des Strahlerelements (3, 3') definiert ist, in einem Bereich von 60° bis 180°, insbesondere in einem Bereich von 90° bis 170°, vorzugsweise in einem Bereich von 150° bis 170°, liegt; (b4) eine Kavität (6) wird gebildet durch eine Einbuchtung, Einwölbungen oder Aussparung in der Bezugsmassenfläche (2).
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung (5) eine abgeschrägte Form aufweist und/oder in der Nähe der Berandung (5) ein Anpasselement (11) angeordnet ist, so dass der Wellenwiderstand für eine von dem Strahlerelement (3, 3') abgestrahlte elektromagnetische Welle in einer Richtung senkrecht zur Bezugsmassenfläche (2) im Wesentlichen stufenlos ist.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (3, 3') jeweils als Monopolantenne, Schlitzantenne oder Planarantenne, insbesondere als planare Patchantenne (1), ausgestaltet sind.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1) mindestens 4, vorzugsweise mindestens 9, besonders bevorzugt mindestens 16, vorteilhafterweise mindestens 25, besonders vorteilhafterweise mindestens 36, Strahlerelemente (3, 3') aufweist.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (3, 3') auf einem Gitter liegen, dessen Gitterabstand (s) in einem Bereich von dem 0.25-fachen bis einfachen der mittleren Wellenlänge der von der Antenne (1) abgestrahlten elektromagnetischen Welle liegt, insbesondere in etwa der halben mittleren Wellenlänge der von der Antenne (1) abgestrahlten elektromagnetischen Welle entspricht.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (3, 3') auf einem Gitter liegen, dessen Gitterabstand (s) von innen nach außen hin zunimmt, wobei insbesondere der Gitterabstand (s) in einem Bereich von 10%, insbesondere von 50%, bis 100%, insbesondere bis 200%, zunimmt, und/oder die Strahlerelemente (3, 3') auf einem Gitter mit konstantem Gitterabstand liegen, wobei einige Strahlerelemente zur Verbesserung der Strahlungseigenschaften aus dem Array entfernt oder elektrisch nicht angesteuert werden.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1) in einer Mehrlagen Technologie, insbesondere in einer LTCC Technologie, umgesetzt wird.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsmassenfläche (2) und das Strahlerelement (3, 3') jeweils auf einer Seite eines flächigen Substrats (16) aufgebracht sind.
HF Sende- und/oder Empfängereinheit (17) umfassend eine elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Anordnung zur Kalibrierung einer HF Sende- und/oder Empfängereinheit (17), die Anordnung umfassend eine Kalibriereinrichtung mit mindestens einem Kalibrierhohlleiter (14), der ein freies, im Wesentlichen ringförmiges Ende (12) aufweist, und mindestens einer Kalibrierantenne (9), wobei die mindestens eine Kalibrierantenne (9) in dem Kalibrierhohlleiter (14) angeordnet ist, und eine elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kalibrierhohlleiter (14) so auf die elektronisch steuerbare Antenne (1) aufsetzbar ist, dass der Abstand zwischen der Berandung (5) und dem freien, im wesentlichen ringförmigen Ende (12) kleiner als ein Viertel, insbesondere kleiner als ein Zehntel, vorzugsweise kleiner als ein Hundertstel, der mittleren Wellenlänge der von der Antenne (1) abgestrahlten elektromagnetischen Welle ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierhohlleiter (14) die Berandung (5) elektrisch kontaktiert, vorzugsweise im Wesentlichen entlang des gesamten freien im wesentlichen ringförmigen Endes (12) elektrisch kontaktiert.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierhohleiter (14) an seinem seinen freien Ende (12) entgegen gesetzten Ende (13) für die von der Antenne (1) abgestrahlte elektromagnetische Welle reflektierend ist, wobei der Reflexionsgrad größer als 80%, insbesondere größer als 90%, vorzugsweise größer als 98%, insbesondere vorzugsweise größer als 99.5%, ist.
Verfahren zum Kalibrieren einer HF Sende- und/oder Empfängereinheit (17) mit einer elektronisch steuerbaren Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend folgende Verfahrensschritte: eine HF Sende- und/oder Empfängereinheit (17) mit einer elektronisch steuerbaren Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 wird bereitgestellt; mindestens ein Strahlerelement (3, 3') der Antenne (1) wird mit einem elektrischen Signal beaufschlagt; mindestens eine Kalibrierantenne (9, 9', 10, 10') detektiert ein von einem Strahlerelement (3, 3') abgestrahltes elektromagnetisches Feld hinsichtlich seiner Amplitude und/oder Phase; während des Kalibrierens wird die von dem Strahlerelement (3, 3') abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe der Bezugsmassenfläche (2), der Berandung (5) und eines Kalibrierhohlleiters (14) im Wesentlichen auf einen engen Raumbereich um das Strahlerelement (3, 3') herum beschränkt, und/oder während des Kalibrierens wird mit Hilfe der Bezugsmassenfläche (2), der Berandung (5) und eines Kalibrierhohlleiters (14) der Einfluss der Rückkopplung durch benachbarte Strahlerelemente (3, 3') auf das detektierte elektromagnetische Feld verringert, wobei insbesondere der Anteil der rückgekoppelten Leistung kleiner als 15%, insbesondere kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner als 3%, besonders bevorzugt kleiner als 1%, insbesondere bevorzugt kleiner als 3‰, ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Berandung (5) eine Impedanzanpassung in Bezug auf den Wellenwiderstand der vom Strahlerelement (3, 3') abgestrahlten Welle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kalibrierhohlleiter (14) der Wirkungsgrad der Antenne (1) bestimmt wird, insbesondere nach einer Wheeler-Cap Messmethode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1) mit Frequenzen größer als 1 GHz, insbesondere größer als 3 GHz, vorzugsweise größer als 10 GHz, besonders bevorzugt größer als 20 GHz, bespeist wird.