DE102005011128B4

DE102005011128B4 - Kalibrierung einer elektronischen steuerbaren Planarantenne und elektronisch steuerbare Antenne mit einer Messsonde im reaktiven Nahfeld

Info

Publication number: DE102005011128B4
Application number: DE200510011128
Authority: DE
Inventors: Dr. Litschke Oliver; Sybille Holzwarth
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: DE102005011128A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronisch steuerbare Antenne, 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 Sonden 9, 9', 10, 10' zum Kalibrieren der einzelnen Strahlerelemente 3, 3' hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und/oder Phase, wobei jedem Strahlerelement mehr als eine Sonde 9, 9', 10, 10' zugeordet ist, und wobei die mehr als eine Sonden 9, 9', 10, 10' im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements angeordnet sind, sowie ein Sende- und/oder Empfängereinheit und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sende- und/oder Empfängereinheit. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die unmittelbare Anordnung der Sonden 9, 9', 10, 10' im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements 3, 3' eine besonders präzise Kalibrierung des Strahlerelements 3, 3' ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronisch steuerbare Antenne umfassend 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 Sonden zum Kalibrieren der einzelnen Strahlerelemente hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und/oder Phase, sowie eine HF Sende- und/oder Empfängereinheit und ein Verfahren zum Kalibrieren einer HF Sende- und/oder Empfängereinheit.
Wie aus der DE 19636850 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 man das Sendesignal auf eine Gruppe von Antennenstrahlern aufteilt. Jedes dieser Teilsignale wird anschließend mit einer Gewichtung/Verstärkung und einer Phase versehen, so dass in der Superposition der Einzelfelder im Fernfeld das gewünschte Richtdiagramm entsteht. Die Gewichtung der Amplituden und die Phaseneinstellung kann entweder auf der Digitalebene („digitales Beamforming”) oder im HF-Front end geschehen („Phased array”).
Elektronisch steuerbare Antennen wurden bisher hauptsächlich im militärischen Bereich eingesetzt. Jetzt nicken 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.
DE 101 57 216 C1 offenbart eine aktive Empfangs-Gruppenantenne mit einer Vielzahl von Kanälen zur Umsetzung von Empfangssignalen von Empfangs-Antennenelementen in ein Zwischenfrequenzsignal mittels einer Schaltung, umfassend einen oder mehrere Vorverstärker und einen in Reihe geschalteten Mischer, wobei der Schaltung ein zentral erzeugtes Lokaloszillator- bzw. Kalibrationssignal zugeführt wird. Jedem Antennenelement wird höchstens eine Sonde zugeordnet.
DE 102 37 823 A1 offenbart eine Kalibriereinrichtung für ein Antennen-Array, bei dem bei insgesamt N für eine Spalte vorgesehenen Strahlern lediglich N/2 oder weniger Koppeleinrichtungen und/oder Sonden vorgesehen sind.
US 6,163,296 offenbart eine Kalibrationsanordnung für eine elektronisch steuerbare Antenne, bei der eine einzelne Sonde einer Vielzahl von Strahleelementen zugeordnet ist.
US 2004/0166808 A1 offenbart eine elektronisch steuerbare Antenne, bei der zu den von den jeweiligen Strahlerelementen empfangenen Signalen ein Referenzsignal in einer Schaltung kombiniert wird. US 2004/0061644 offenbart ein Antennensystem mit einem Feld von Strahlerelementen und einem Kalibrierungssystem zur Kalibrierung der Antenne, wobei eine Vielzahl von Strahlerelementen mit vergleichsweise wenigen, teilweise weit außerhalb des reaktiven Nahfelds des Strahlerelements befindlichen Sonden kalibriert wird.
Eines der zentralen Probleme von elektronisch steuerbaren Antennen ist ihre Kalibrierung. Aufgrund von Toleranzen im Aufbau, Temperaturabhängigkeiten oder unterschiedlicher Alterung der eingesetzten 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 Online-Kalibrierung versteht man eine Kalibrierung der Antenne im Einsatz, also beispielsweise unmittelbar vor jedem Betrieb oder sogar während des Betriebs, um Temperaturabhängigkeiten oder die unterschiedliche Alterung von Bauelementen auszugleichen. Diese „Selbstkalibrierung” muss automatisiert und ohne Verwendung von externen Komponenten erfolgen.
Der klassische Ansatz für eine solche Kalibrierung ist ein so genanntes Kalibriernetzwerk. Hier wird im Sendepfad der Antenne, d. h. auf der Schaltungsseite der Antenne, ein kleiner Bruchteil der Sendeleistung ausgekoppelt und über einen internen Empfänger nach Betrag und Phase ausgewertet. Generell können Kalibriernetzwerke sowohl für eine Online-Kalibrierung, als auch für eine weitgehend automatisierte Offline-Kalibrierung herangezogen werden. Dieses ist besonders dann hilfreich, wenn sehr große Antennen-Arrays vermessen werden sollen, weil hier die automatisierte Messung erhebliche Zeitvorteile bringt. Weiterhin wird durch die Automatisierung das Risiko manueller Kalibrierfehler deutlich minimiert. Eine solche Kalibrierung erlaubt eine genaue Bestimmung des zu dem Antennenelement hingeführten Gesamtsignals hinsichtlich Amplitude und Phase, ermöglicht aber keine Aussage über die Qualität des tatsächlich vom Antennenelement abgestrahlten Signals, da die letzte Schnittstelle (d. h. die Durchführung durch die Bezugsmassenfläche) zwischen Speiseleitung und Antenne nicht berücksichtigt wird.
Weiterhin ist, insbesondere bei rein linear/zirkular polarisierten Antennen oder Antennen mit umschaltbarer Polarisation, nicht nur der eigentliche Betrag der abgestrahlten Leistung von Bedeutung, sondern auch eine Aussage über die Polarisationseigenschaften wichtig. Die tatsächlich abgestrahlte Leistung und das Polarisationsverhalten kann durch Verkopplungseffekte der Antennenelemente erheblich beeinflusst bzw. gestört werden.
Eine möglichst genaue Kalibrierung der einzelnen Strahlerelemente ist zur präzisen Vorgabe eines Richtungsprofils wichtig. Im Empfangsmodus bestimmt die Präzision bei der Kalibrierung maßgeblich die Richtungsselektivität und damit das Signal zu Rauschverhältnis. Im Sendemodus beeinflusst die Präzision bei der Kalibrierung den Anteil der Leistung, der auf einen bestimmten Punkt bzw. in eine bestimmte Richtung konzentriert wird. Wenn in den folgenden Abschnitten vom Strahlerelement gesprochen wird, ist damit in der Regel sowohl der Sendemodus als der Empfangsmodus gemeint. Das heißt das die jeweils angegebenen Prinzipien sowohl zur Kalibrierung einer Empfangsantenne, als auch zur Kalibrierung einer Sendeantenne nutzbar sein kann.
Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronisch steuerbare Antenne bzw. eine HF Sende- und/oder Empfängereinheit anzugeben bzw. ein Verfahren zum Kalibrieren einer HF Sende- und/oder Empfängereinheit bereit zu stellen, so dass die Amplituden und Phasen der jeweiligen Strahlerelemente auf einfache Weise präzise ausgemessen und kalibriert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die elektronisch steuerbare Antenne, die Sende- und/oder Empfängereinheit und das Verfahren zum Kalibrieren einer Sende- und/oder Empfängereinheit wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst. Weitere besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt oder 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 oder Phase ansteuerbar sind und Sonden zum Kalibrieren der einzelnen Strahlerelemente hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und/oder Phase, wobei jedem Strahlerelement mehr als eine Sonde zugeordnet ist, wobei die mehr als eine Sonde im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements angeordnet ist.
Zu jedem einzelnen zu kalibrierenden Strahlerelement sind mehrere Sonden über der Bezugsmassenfläche in direkter Nähe zum Strahlerelement angebracht. Bei einer Mehrfachnutzung einer Sonde für mehrere Strahlerelemente können im Mittel auch nicht natürliche Verhältnisse gebildet werden, und es können insbesondere z. B. 1,2 Sonden oder 2,5 Sonden pro zu kalibrierendes Strahlerelement zur Anwendung kommen.
Im Falle eines Sendesystems detektieren die Sonden ein von den Strahlerelementen emittiertes elektromagnetisches Feld. Im Falle eines Empfangsystems koppeln die Sonden Energie in die Strahlerelemente ein.
Die Sonden sind im reaktiven Nahfeld des ihnen zugeordneten Strahlerelements angeordnet. Das reaktive Nahfeld unterscheidet sich von dem gewöhnlichen Nahfeld dadurch, dass die von dem Strahlerelement emittierte und von der Sonde detektierte Strahlung nicht in erheblicher Weise wiederum auf das Impedanzverhalten des Strahlerelements rückwirkt. Mit anderen Worten, während das Einbringen einer Sonde in das Nahfeld eines Strahlerelements noch nicht zu einer signifikanten Änderung des Impedanzverhaltens des Strahlerelements führt, wird das Impedanzverhalten signifikant verändert, sobald die Sonde in das reaktive Nahfeld vorrückt. Von einer signifikanten Änderung der Impedanz ist auszugehen, wenn sich der Betrag bzw. die Phase der Impedanz des Strahlerelements um mehr als 2% ändert. Dieses ist üblicherweise der Fall, wenn der Abstand zwischen der Sonde und dem Strahlerelement kleiner als ein Viertel der mittleren, von dem Strahlerelement emittieren Wellenlänge ist. Unter Abstand ist die Strecke von dem Phasenzentrum des Strahlerelements bis zur Sonde gemeint. Bei flächigen Strahlerelementen ist das Phasenzentrum in der Regel der Flächenschwerpunkt der Strahlerfläche. Bei einem Hertzschen Dipol geht die Literatur davon aus, dass das reaktive Nahfeld einen Radius von etwa 1/6 der mittleren Freiraumwellenlänge der abgestrahlten Welle aufweist.
Durch die unmittelbare Nähe der jeweiligen Sonde zu dem einzelnen Strahlerelement umfasst die Sonde im besonderen Maße das von dem einzelnen Strahlerelement emittierte elektromagnetische Feld, wodurch Störeinflüsse von außen bzw. durch andere Strahlerelemente erheblich reduziert werden.
In einer speziellen Ausgestaltung wird eine Sonde zum Kalibrieren von mindestens zwei benachbarten Strahlerelementen verwendet, indem die Sonde in das reaktive Nahfeld zwischen den Strahlerelementen positioniert wird. Beispielsweise kann eine Sonde in der Mitte eines durch vier Strahlerelemente aufgespannten Polygons angeordnet werden, so dass die Sonde die jeweiligen reaktiven Nahfelder der einzelnen Strahlerelemente detektieren kann. Durch eine Zuordnung von mehr als einer Sonde pro Strahlerelement können Informationen über die Polarisationseigenschaften eines Strahlerelements gewonnen werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind einem Strahlerelement, vorzugsweise jedem Strahlerelement jeweils, mindestens zwei Sonden, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, Sonden zugeordnet. Werden mehrere Sonden eingesetzt und geeignet miteinander kombiniert, können unterschiedliche Polarisationsanteile erfasst werden. So kann beispielsweise durch ein geeignetes Zusammenfassen der einzelnen Komponenten (z. B. auf Hochfrequenzebene oder im Digitalteil) eine Aussage über die von der Antenne abgestrahlte Polarisation getroffen werden.
Mehrere Sonden können aber auch eingesetzt werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Werden beispielsweise zwei Sonden gegenüberliegend angeordnet, vorzugsweise entlang der Schwingungsrichtung eines Strahlerelementes oder in einem Winkel von 45° zur Schwingungsrichtung, und die Signale in diesem Fall mit einer Phasenverschiebung von 180° überlagert, kompensieren sich mögliche Positionierungsungenauigkeiten, weil sich die hierdurch verursachten unterschiedlich aufgenommen Phasen und Amplituden der beiden Sonden im Summensignal nahezu ausgleichen. Das resultierende Summensignal entspricht dann nahezu dem Signal exakt positionierter Sonden. Prinzipiell sind der Anzahl der Sonden und der Komplexität, mit der die einzelnen Signale zusammengefasst und ausgewertet werden, keine Grenzen gesetzt. So können bei einer Verwendung von vier um ein Strahlerelement angeordneten Sonden z. B. die Co- und Kreuzpolarisation eines zirkular polarisierten Antennenelements bei gleichzeitiger Erhöhung der Messgenauigkeit durch Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten in zwei räumlichen Dimensionen ausgewertet werden.
Vorteilhafterweise ist mindestens eines der folgenden Merkmale (c1) bis (c6) erfüllt: (c1) eine erste und eine zweite Sonde sind in Bezug auf das Strahlerelement im wesentlichen entgegengesetzt in einer Reihe angeordnet; (c2) eine dritte und eine vierte Sonde sind in Bezug auf das Strahlerelement im wesentlichen um 90° versetzt angeordnet; (c3) vier Sonden sind im wesentlichen gleichmäßig um das Strahlerelement verteilt angeordnet; (c4) die Strahlerelemente sind in einem Abstand von weniger als das 0,25-fache, insbesondere weniger als das 0,18-fache, vorzugsweise weniger als das 0,1-fache, der mittleren Freiraumwellenlänge von der Bezugsmassenfläche angeordnet; (c5) das Strahlerelement und die zugeordnete jeweilige Sonde sind in einem Abstand angeordnet von weniger als ein Viertel, insbesondere weniger als ein Zehntel, der mittleren Freiraumwellenlänge der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung; (c6) die wenigstens eine Sonde ist über der Bezugsmassenfläche angeordnet. Hierbei ist eine Kombination eines der Merkmale (c1), (c2) und (c3) mit den Merkmalen (c5) und (c6) bevorzugt.
Gemäß Merkmal (c1) liegen die beiden Sonden gegenüber in Bezug auf das Zentrum des Strahlerelements. Dabei können die beiden Sonden eine andere Höhe über der Bezugsmassenfläche aufweisen als das Strahlerelement. Die beiden Sonden können bei einem rechteckförmigen Strahlerelement über der Mittelsenkrechten einer Kante des Strahlerelements liegen. In diesem Fall kann eine Positionierungsungenauigkeit in Bezug auf eine der Richtung der Mittelsenkrechten entsprechenden linearen Polarisationsrichtung kompensiert werden.
Auch ist eine Merkmalskombination (c2), (c5) und (c6) besonders vorteilhaft. Wiederum können die Sonden auf einer anderen Höhe als das ihnen zugeordnete Strahlerelement über der Bezugsmasse angeordnet sein. Handelt es sich tun ein rechteckförmiges Strahlerelement, kann mit der einen Sonde eine erste Polarisationsrichtung erfasst werden und mit der anderen Sonde eine zweite Polarisationsrichtung. Wird beispielsweise die eine Sonde auf der Mittelsenkrechten einer ersten Kante des Strahlerelements positioniert und die andere Sonde auf der Mittelsenkrechten einer zweiten, zu der ersten senkrecht verlaufenden Kante, kann mit der einen Sonde eine erste lineare Polarisationsrichtung, z. B. die Polarisation in x-Richtung, und mit der anderen Sonde eine zweite lineare Polarisationsrichtung, z. B. die Polarisation in y-Richtung, vermessen werden.
Mit Hilfe einer geeignet gewählten Phasenverschiebung können mit dieser Anordnung auch die Co-Polarisation und die Cross-Polarisation bei zirkular polarisierter Strahlung bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, ein Strahlerelement gemäß (c3) unter der Verwendung von vier Sonden auszumessen, da hierdurch sowohl Informationen über die Polarisationseigenschaften der abgestrahlten elektromagnetischen Welle gewonnen und Lageungenauigkeiten kompensiert werden können.
Der senkrechte Abstand der Sonde über der Bezugsmassefläche kann gleich dem senkrechten Abstand des Strahlerelements über der Bezugsmassenfläche sein. Vorzugweise ist er jedoch kleiner. Ist der senkrechte Abstand der Sonde kleiner als der des Strahlerelements, wird der Einfluss von weiter fern liegenden Strahlerelementen weiter reduziert, wodurch die Messgenauigkeit bzw. die Kalibrierungsgenauigkeit weiter gesteigert werden kann. Die Sonde kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die in einem Bereich zwischen 2% und 30%, insbesondere in einem Bereich von 5% und 20%, der Querschnittsfläche des Strahlerelements liegt.
Vorteilhalfterweise sind die Strahlerelemente jeweils als Monopolantenne, Schlitzantenne, oder Planarantenne, insbesondere als planare Patchantenne, ausgestaltet. Die Antenne kann mindestens 4, insbesondere mindestens 9, insbesondere mindestens 16, insbesondere mindestens 25, insbesondere mindestens 36, Strahlerelemente aufweisen. Grundsätzlich sind jedoch auch Antennen mit über 100 oder sogar über 1.000 Strahlerelementen je nach Anwendungsfall wünschenswert.
Die Strahlerelemente liegen vorteilhafterweise auf einem Gitter, dessen Gitterabstand in einem Bereich von dem 0,25-fachen bis 1-fachen der mittleren Wellenlänger der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle liegt, insbesondere in etwa der halben mittleren Wellenlänge der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle entspricht 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 werden oder elektrisch nicht angesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird die Antenne in einer Mehrlagentechnologie, insbesondere in einer LTCC (low temperature cofired ceramics) Technologie, umgesetzt. Das Antennenmodul kann beispielsweise aus einem 11-lagigen LTCC-Block bestehen. Waagerechte Metallstrukturen sind auf der Oberfläche der einzelnen Lagen realisiert, senkrechte Metallwände sind als metallischen Durchführungen aufgebaut.
Vorteilhafterweise sind die Strahlerelemente und die Bezugsmassenfläche jeweils auf einer Seite eines flächigen Substrats aufgebracht. Zum Beispiel ist die Bezugsmassenfläche auf der unteren Seite des Substrats und die Strahlerelemente auf der oberen Seite des flächigen Substrats aufgebracht.
Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfängereinheit umfasst die erfindungsgemäße elektronisch steuerbare Antenne.
Durch die Struktur der elektronisch steuerbaren Antenne wird eine einfache, effiziente und präzise Kalibrierung der Sende- und/oder Empfängereinheit ermöglicht. Hierzu kann die Sende- und/oder Empfängereinheit mindestens ein Kalibriernetzwerk umfassen, mit Hilfe dessen die Ansteuerung der jeweiligen Strahlerelemente kalibriert werden kann. Mindestens ein Kalibriernetzwerk kann hierfür auch Phasenschieber oder Umwegleitungen für ein Signal mindestens zweier Sonden aufweisen. Mit Hilfe der Phasenverschiebung können die Polarisationseigenschaften der Antenne ermittelt bzw. die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der abgestrahlten magnetischen Strahlung gesteigert werden. Eine Phasenverschiebung und eine Kombination der Signale können aber auch vollständig oder teilweise im Digitalteil der Sende- und Empfangseinheit erfolgen.
Die elektronische steuerbare Antenne bzw. die Sende- und/oder Empfängereinheit kann sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden, wobei beim Empfangen anstelle des phasen- bzw. amplitudenrichtigen Ansteuerns der Strahlerelemente eine entsprechende phasenrichtige bzw. amplitudenrichtige Detektion an den Strahlerelementen erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren einer Sende- und/oder Empfängereinheit mit einer elektronisch steuerbaren Antenne, insbesondere mit der erfindungsgemäßen elektronisch steuerbaren Antenne, die eine Bezugsmassenfläche und eine Mehrzahl von Strahlerelementen aufweist, wobei die Strahlerelemente über der Bezugsmassenfläche angeordnet und zu dieser beabstandet sind, umfasst folgende Verfahrensschritte: jedem Strahlerelement wird mehr als eine im reaktiven Nahfeld des Strahlerelement angeordnete Sonde zugeordnet; mindestens ein Strahlerelement wird mit einem elektrischen Signal beaufschlagt; mindestens eine, insbesondere mehr als eine, Sonde detektiert ein von einem Strahlerelemente abgestrahltes elektromagnetisches Feld hinsichtlich seiner Amplitude und/oder Phase; während des Kalibrierens wechselwirkt mindestens eine Sonde mit dem reaktiven Nahfeld des Strahlerelements.
Das reaktive Nahfeld unterscheidet sich von dem Nahfeld dadurch, dass durch Einbringen der Sonde in das reaktive Nahfeld sich das Impedanzverhalten des Strahlerelements signifikant ändert, welches in der Regel dann anzunehmen ist, wenn sich der Betrag bzw. die Phase der komplexen Impedanz des Strahlerelements um mehr als 2% ändert. Durch die unmittelbare Nähe der mindestens einen Sonde zu dem hierzu zugeordneten Strahlerelement umfasst die Sonde im besonderen Maße das von dem Strahlerelement abgestrahlte elektromagnetische Feld, wodurch Störeinflüsse von weiter entfernt liegenden Strahlerelementen verringert werden.
Im Prinzip kann auch eine Sonde für zwei oder mehr, z. B. vier, nächstliegende Strahlerelemente eingesetzt werden, sofern sie sich im reaktiven Nahfeld dieser Strahlerelemente befinden. Durch eine geeignete Ansteuerung der jeweiligen Strahlerelemente lassen sich die Strahlerelemente einzeln kalibrieren.
Vorteilhafterweise wird die Rückkopplung durch benachbarte Strahlerelemente auf das detektierte elektromagnetische Feld während des Kalibrierens verringert, insbesondere ist 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 5‰.
Durch Verringerung der rückgekoppelten Leistung wird eine Kalibrierung des einzelnen Strahlerelements weniger abhängig von den anderen Strahlerelementen ermöglicht, welches vorteilhaft für die Messgenauigkeit ist.
Vorteilhafterweise wird die von dem Strahlerelement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen Sonde in unmittelbarer Nähe des Strahlerelements detektiert, insbesondere in einem Abstand von weniger als ¼, vorzugsweise weniger als 1/10, der mittleren Freiraumwellenlänge der von dem Strahlerelement abgestrahlten elektromagnetischen Welle. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Sonde das elektromagnetische Feld an einer Stelle unter dem Strahlerelement, d. h. zwischen Strahlerelement und Bezugsmassenfläche, erfasst.
Vorteilhafterweise weist das Verfahren mindestens eines der folgenden Merkmale (v1) bis (v4) auf: (v1) die Kalibrierung erfolgt online; (v2) es werden die Polarisationseigenschaften der Antennen vermessen, insbesondere mit mindestens zwei Sonden an einem Strahlerelement; (v3) es werden Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Sonden mit mindestens zwei Sonden kompensiert; (v4) mit Hilfe mindestens einer Sonde werden die Empfangseigenschaften des Strahlerelements vermessen, indem durch die Sonde Energie auf das Strahlerelement übertragen wird.
Hierbei ist eine Kombination der Merkmale (v1) und (v2) oder (v1) und (v3) besonders bevorzugt. Die einzelnen Merkmale (v1) bis (v4) sind jedoch in beliebiger Kombination miteinander vorteilhaft in der Praxis anwendbar.
In einer speziellen Ausgestaltung wird die Antenne mit Frequenzen größer als 1 GHz, insbesondere größer als 3 GHz, vorzugsweise größer als 10 GHz, besonders bevorzugt größer als 20 GHz, bespeist bzw. ist hierfür eingerichtet.
Weitere besondere Einzelheiten sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert. Die Zeichnung soll die Erfindung nicht einschränken, sondern lediglich diese exemplarisch illustrieren. Es zeigen schematisch:
1 bis 5 verschiedene Anordnungen eines Strahlerelements mit mehreren Sonden für eine erfindungsgemäße Antenne;
6 eine erfindungsgemäße Antenne im Längsschnitt;
7 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Antenne in der Draufsicht mit einem Strahlerelement; und
8 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Antenne mit einem Strahlerelement in einer Explosionsansicht.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne 1 im Querschnitt, bei der auf einem flächigen Substrat 12 auf der unteren Seite eine Bezugsmassenfläche 2 aufgebracht ist Auf der oberen Seite sind erste 9 und zweite 9' Sonden aufgebracht, die mit Hilfe einer Durchführung 15 von unten elektrisch kontaktiert werden können. Auf den Sonden 9, 9' und den Substrat 12 ist eine Zwischenschicht 13 aufgetragen, auf der Strahlerelemente 3, 3' aufgebracht sind. Die Strahlerelemente 3, 3' können über jeweilige Einspeisungen 14 bespeist werden. Bei einer Empfangsantenne fungiert die Einspeisung 14 als elektrische Kontaktierung zur Abführung des von den jeweiligen Strahlerelement 3, 3' aufgenommenen elektrischen Feldes. Die Querschnittsfläche Q1 der Sonde 9, 9' beträgt in etwa 1/10 der Querschnittsfläche Q2 des Strahlerelements 3, 3'. Der Abstand d zwischen einem Strahlerelement 3, 3' und einer Sonde 9, 9' beträgt in etwa ¼ der mittleren Freiraumwellenlänge des von den Strahlerelementen 3, 3' abgestrahlten elektromagnetischen Feldes. Die Strahlerelemente 3, 3' sind auf einem Gitter angeordnet, dessen Gitterabstand s in etwa der halben mittleren Wellenlänge des von den Strahlerelement 3, 3' abgestrahlten elektromagnetischen Feldes entspricht. Der senkrechte Abstand h1 der Sonde 9, 9' über der Bezugsmassenfläche 2 ist 35% des senkrechten Abstands h2 des Strahlerelements 3, 3' über der Bezugsmassenfläche 2. Der senkrechte Abstand h2 des Strahlerelements 3, 3' beträgt 6% der mittleren Freiraumwellenlänge der von den Strahlerelementen 3, 3' abgestrahlten elektromagnetischen Feldes.
1 bis 5 zeigen verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, wie eine Mehrzahl von Sonden 9, 9', 10, 10' um ein Strahlerelement 3 angeordnet werden kann, um die Polarisationseigenschaften des Strahlerelements 3 zu bestimmen bzw. Lageungenauigkeiten bei der Positionierung der Sonden auszugleichen.
1 zeigt eine Bestimmung der Co-Polarisation und Cross-Polarisation mit zwei Sonden 10, 10' am Beispiel eines linear polarisierten Strahlerelements 3. Aufgrund der geometrischen Struktur des Strahlerelements 3 sind die beiden Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander und können mit unabhängigen Sonden 10, 10' jeweils separat erfasst werden.
2 zeigt eine Kompensierung von Lageungenauigkeiten am Beispiel eines linear polarisierten Strahlelements 3 mit zwei Sonden. Hierfür werden zwei Sonden 9,9' wie dargestellt gegenüberliegend angeordnet und die Signale mit einer Phasenverschiebung von 180° überlagert, so dass sich mögliche Positionierungsungenauigkeiten kompensieren, da sich die hierdurch verursachten aufgenommenen Phasen der Amplituden der beiden Sonden 9, 9' im Summensignal nahezu ausgleichen. Die Phasenverschiebung 5 von 180° kann mit Hilfe einer Umwegleitung, eines Phasenschiebers oder im Digitalteil bewirkt werden.
3 zeigt eine Kompensierung von Lageungenauigkeiten am Beispiel eines zirkular polarisierten Antennenelements 3 mit zwei Sonden 9, 9'. Hier werden die beiden Sonden 9, 9' gegenüberliegend angeordnet und beide liegen auf einer Diagonalen des Strahlerelements 3. Durch die Phasenverschiebung 5 mit Hilfe einer Umwegleitung, eines Phasenschiebers oder im Digitalteil addieren sich die unterschiedlich aufgenommenen Phasen und Amplituden der beiden Sonden 9, 9' im Summensignal derart, dass das resultierende Summensignal nahezu dem Signal exakt positionierter Sonden entspricht.
4 zeigt eine Bestimmung der Co-Polarisation (S_co) und Cross-Polarisation (S_x) mit zwei Sonden 10, 10' am Beispiel eines zirkularpolarisierten Strahlerelements 3. Durch eine geeignete Phasenverschiebung 5 mit Hilfe einer Umwegleitung, eines Phasenschiebers oder im Digitalteil und Summenbildung der Signale können die jeweiligen Polarisationsanteile präzise ermittelt werden.
5 zeigt eine Bestimmung der Polarisationsanteile und eine Kompensierung von Lageungenauigkeiten am Beispiel eines zirkular polarisierten Strahlerelements 3 unter der Verwendung von vier Sonden 9, 9', 10, 10' und sechs Phasenschiebungen 55 mit Hilfe einer Umwegleitung, eines Phasenschiebers oder im Digitalteil und Bildung von geeigneten Summensignalen. Prinzipiell sind der Anzahl der Sonden 9, 9', 10, 10' und der Komplexität, mit der die einzelnen Signale zusammengefasst und ausgewertet werden, keine Grenzen gesetzt. Dies gilt insbesondere, wenn die Auswertung auf digitaler Ebene erfolgt. Auch in diesem Fall können komplexe Kalibrieralgorithmen zum Einsatz kommen, die Signale beliebig in der Phase verschoben und miteinander kombinieren können. Gemäß der Anordnung bzw. Verschaltung nach 5 kann eine Co- und Kreuzpolarisation bei gleichzeitiger Erhöhung der Messgenauigkeit durch Kompensation von Positionierungsungenauigkeiten in zwei räumlichen Dimensionen erfasst werden.
7 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Antenne 1 mit einem Strahlerelement 3, welches von einem Zaun aus metallisch leitenden Stiften 7 umgeben ist, welche elektrisch mit der Bezugsmasse 2 verbunden sind und empor ragen. Der Zaun 7 bildet eine Berandung 8 für die Strahlung von benachbarten Strahlerelementen. Störstrahlung von benachbarten Strahlerelementen wird von dem Strahlerelement 3 bzw. von den um das Strahlerelement 3 angeordneten Sonden 9, 9' fern gehalten. Die Berandung 8 dient dazu, die einzelnen Strahlerelemente 3, 3' bzw. die diesen Strahlerelementen 3, 3' zugeordneten Sonden 9, 9' jeweils voneinander zu entkoppeln. Das Strahlerelement 3 ist über einer Bezugsmassenfläche 2 angeordnet, welche Durchbrüche bzw. Aussparungen 16 aufweist, um für eine Stabilität des keramischen LTCC Aufbaus zu sorgen. Die Sonden 9, 9' sind auf einer Diagonalen des rechteckigen Strahlerelements 3 angeordnet, um Positionierungsungenauigkeiten der Sonden 9, 9' zu kompensieren. Auf der anderen Diagonalen sind zwei passive Strahlerelemente 17 angeordnet, die baugleich mit den Sonden 9, 9' sind, jedoch nicht zum Einsatz kommen. Sie dienen als Blindsonde und fungieren als entsprechende passive Strahlerelemente, die den Aufbau der Antenne 1 symmetrisieren sollen. Eine Symmetrisierung der Antenne 1 ist in Bezug auf die Polarisationseigenschaften der Antenne vorteilhaft.
8 zeigt die Mehrlagenstruktur eines LTCC Aufbaus entsprechend dem Ausschnitt der erfindungsgemäßen Antenne nach 7 in einer Explosionsansicht, wobei nur die elektrisch leitenden Elemente gezeigt sind Zu erkennen ist die Struktur eines LTCC Aufbaus mit mehreren Lagen 4. Eine erste Sonde 9 wird mittels einer Durchführung 15 elektrisch kontaktiert. Die Bezugsmassenfläche 2 weist Aussparungen 16 auf, die für eine verbesserte mechanische Verbindung bzw. Haftung zwischen den jeweiligen Lagen 4 sorgen. Das Strahlerelement 3 wird über Einspeisungen 14, 14' polarisationsspezifisch bespeist. Die Stifte 7 sorgen für eine Entkopplung des Strahlerelements von benachbarten Strahlerelementen. Aufgrund des Herstellungsprozesses sind die Stifte 7 benachbarter Lagen 4 versetzt angeordnet. Hierdurch wird eine verbesserte Stabilität des LTCC Aufbaus erreicht.
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronisch steuerbare Antenne, 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 Sonden 9, 9', 10, 10' zum Kalibrieren der einzelnen Strahlerelemente 3, 3' hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und/oder Phase, wobei jedem Strahlerelement mindestens eine, vorzugsweise mehr als eine, Sonde 9, 9', 10, 10' zugeordet ist, und wobei die mindestens eine Sonde 9, 9', 10, 10' im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements angeordnet ist, sowie eine Sende- und/oder Empfängereinheit und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sende- und/oder Empfängereinheit. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die unmittelbare Anordnung der Sonden 9, 9', 10, 10' im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements 3, 3' eine besonders präzise Kalibrierung des Strahlerelements 3, 3' ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Antenne
2: Bezugsmassenfläche
3: Strahlerelement
3': Strahlerelement
4: Lagen
5: Phasenschieber
6: Kalibriernetzwerk
7: Stift
8: Berandung
9: erste Sonde
9': zweite Sonde
10: dritte Sonde
10': vierte Sonde
11: Kalibriernetzwerk
12: Substrat
13: Zwischenschicht
14: Einspeisung
15: Durchführung
16: Aussparung
17: passives Strahlerelement
Q1: Querschnittsfläche der Sonde 9, 9', 10, 10'
Q2: Querschnittsfläche des Strahlerelements 3, 3'
d: Abstand
s: Gitterabstand
h1: senkrechte Abstand der Sonde 9, 9' bzw. 10, 10' über der Bezugsmassenfläche 2
h2: senkrechte Abstand 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 Sonden (9, 9', 10, 10') zum Kalibrieren der einzelnen Strahlerelemente (3, 3') hinsichtlich ihrer jeweiligen Amplitude und/oder Phase, wobei jedem Strahlerelement (3, 3') mehr als eine, im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements (3, 3') angeordnete Sonde (9, 9', 10, 10') zugeordnet ist.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem Strahlerelement (3, 3'), vorzugsweise jedem Strahlerelement (3, 3') jeweils, mindestens zwei Sonden (9, 9', 10, 10'), insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier Sonden (9, 9', 10, 10'), zugeordnet sind.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale (c1) bis (c6) erfüllt ist: (c1) Eine erste (9) und eine zweite (9') Sonde sind in Bezug auf das Strahlerelement (3, 3') im Wesentlichen entgegengesetzt in einer Reihe angeordnet; (c2) eine dritte (10) und eine vierte (10') Sonde sind in Bezug auf das Strahlerelement (3, 3') im Wesentlichen um 90° versetzt angeordnet; (c3) vier Sonden (9, 9', 10, 10') sind im Wesentlichen gleichmäßig um das Strahlerelement (3, 3') verteilt angeordnet; (c4) die Strahlerelemente (3, 3') sind in einem Abstand 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; (c5) das Strahlerelement (3, 3') und die zugeordnete jeweilige Sonde (9, 9', 10, 10') sind in einem Abstand (d) angeordnet von weniger als ein Viertel, insbesondere weniger als ein Zehntel, der mittleren Freiraumwellenlänge der von der Antenne (1) abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung; (c6) die wenigstens eine Sonde (9, 9', 10, 10') ist über der Bezugsmassenfläche (2) angeordnet.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand (h1) der Sonde (9, 9', 10, 10') über der Bezugsmassenfläche (2) gleich dem senkrechten Abstand (h2) des Strahlerelements (3, 3') über der Bezugsmassenfläche (2) oder kleiner als der senkrechte Abstand (h2) des Strahlerelements (3, 3') über der Bezugsmassenfläche (2) ist.
Elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (9, 9', 10, 10') eine Querschnittsfläche (Q1) aufweist, die in einem Bereich zwischen 2% und 30%, insbesondere in einem Bereich von 5% und 20%, der Querschnittsfläche (Q2) des Strahlerelements liegt.
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, insbesondere mindestens 9, insbesondere mindestens 16, insbesondere mindestens 25, insbesondere 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 dass die Strahlerelemente (3, 3') auf einem Gitter mit konstantem Gitterabstand liegen, wobei einige Strahlerelemente zur Verbesserung der Strahlungseigenschaften aus der Antenne 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 die Strahlerelemente (3, 3') jeweils auf einer Seite eines flächigen Substrats (4) aufgebracht sind.
Sende- und/oder Empfängereinheit umfassend eine elektronisch steuerbare Antenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Sende- und/oder Empfängereinheit nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Kalibriernetzwerk (11).
Sende- und/oder Empfängereinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriernetzwerk (11) Umwegleitungen oder Phasenschieber (5) für ein Signal mindestens zweier Sonden (9, 9', 10, 10') aufweist und/oder die Signale mindestens zweier Sonden (9, 9', 10, 10') im Digitalteil mit Phasenverschiebungen versehen und geeignet kombiniert werden.
Verfahren zum Kalibrieren einer HF Sende- und/oder Empfängereinheit mit einer elektronisch steuerbaren Antenne (1), die eine Bezugsmassenfläche (2) und eine Mehrzahl von Strahlerelementen (3, 3') aufweist, wobei die Strahlerelemente (3, 3') über der Bezugsmassenfläche (2) angeordnet und zu dieser beabstandet sind, umfassend folgende Verfahrensschritte: jedem Strahlerelement (3, 3') wird mehr als eine, im reaktiven Nahfeld des Strahlerelements (3, 3') angeordnete Sonde (9, 9', 10, 10') zugeordnet; mindestens ein Strahlerelement (3, 3') wird mit einem elektrischen Signal beaufschlagt; mindestens eine Sonde (9, 9', 10, 10') detektiert ein von einem Strahlerelement (3, 3') abgestrahltes elektromagnetisches Feld hinsichtlich seiner Amplitude und/oder Phase; während des Kalibrierens wechselwirkt die mindestens eine Sonde (9, 9', 10, 10') mit dem reaktiven Nahfeld des Strahlerelements (3, 3').
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der Rückkopplung durch benachbarte Strahlerelemente (3, 3') auf das detektierte elektromagnetische Feld während des Kalibrierens verringert ist, 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 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Strahlerelement (3, 3') abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen Sonde (9, 9', 10, 10') in unmittelbarer Nähe des Strahlerelements (3, 3') detektiert wird, insbesondere in einem Abstand von weniger als ein Viertel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel, der mittleren Wellenlänge der von dem Strahlerelement (3, 3') abgestrahlten elektromagnetischen Welle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale (v1) bis (v4): (v1) die Kalibrierung erfolgt online; (v2) es werden die Polarisationseigenschaften der Antenne (1) vermessen, insbesondere mit mindestens zwei Sonden (9, 9'); (v3) es werden Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Sonden (9, 9') mit mindestens zwei Sonden (9, 9') kompensiert; (v4) mit Hilfe mindestens einer Sonde (9, 9', 10, 10') werden die Empfangseigenschaften des Strahlerelements (3, 3') vermessen, indem durch die Sonde (9, 9', 10, 10') Energie auf das Strahlerelement (3, 3') übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, 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.