DE102007055534A1

DE102007055534A1 - Kompakte Richtantennenanordnung mit Mehrfachnutzung von Strahlerelementen

Info

Publication number: DE102007055534A1
Application number: DE102007055534A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Lauer; Oliver Litschke
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: WO2009065951A1; DE102007055534B4

Abstract

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung (1) zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung (R) bei einer mittleren Wellenlänge lambda umfasst ein erstes Strahlerfeld (12) mit N1 ersten Strahlerelementen (2), ein zweites Strahlerfeld (13) mit N2 zweiten Strahlerelementen (3) und eine Hochfrequenzstufe (7), die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge lambda antennenseitig einen ersten Anschluss (8) und einen zweiten Anschluss (9) aufweist, wobei das erste Strahlerfeld (12) mit dem ersten Anschlu13) mit dem zweiten Anschluss (9) verbunden ist und wobei das erste (12) und zweite (13) Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben und wobei das erste Strahlerfeld (12) und das zweite Strahlerfeld (13) mindestens ein Strahlerelement (4) gemeinsam haben. Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung (10), insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe (21) und einer Hochfrequenzstufe (22) umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung (1). Die Erfindung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Kompaktheit, einfacher Herstellbarkeit, hoher Sensitivität und Richtungsselektivität aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ.
Aus DE 102 04 079 ist eine Mehrbandantenne bekannt, welche mehrere aktive Strahler zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei verschiedenen mittleren Wellenlängen vorsieht.
EP 1 628 140 A1 offenbart eine interferometrische Monopuls-Empfangsantenne mit verbesserter Nebenkeulenunterdrückung, bei welcher ein von einer Senderantenne ausgesandtes Signal mit Hilfe von wenigstens zwei im Wesentlichen gleich gestalteten Empfangsantennen detektiert wird. Der Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen wird so gewählt, dass Mehrdeutigkeiten bei einer auf einer Phasendifferenzmessung basierenden Winkelmessung verringert werden.
Weiterhin ist aus DE 10 2006 012 452 eine Richtantennenanordnung mit einer photonischen Bandlückenstruktur (PBG-Struktur) bekannt, welche eine Ausbreitung von Oberflächenwellen innerhalb eines eine Vielzahl von Strahlerelementen aufweisenden Strahlerfelds unterdrückt.
DE 10 2005 011 128 offenbart eine elektronisch steuerbare Antenne mit einer Mehrzahl von Strahlerelementen, welche hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar und kalibrierbar sind. Die elektronisch steuerbare Antenne umfasst eine Vielzahl von Strahlerelementen und ist hinsichtlich verschiedener Polarisationsrichtungen sensitiv.
Die Herstellung von elektronisch steuerbaren Antennen bzw. Richtantennenanordnungen mit hoher Empfangssensitivität und Richtungsselektivität ist in der Regel mit erheblichen Kosten verbunden. Für eine hohe Richtungsselektivität müssen eine Vielzahl von Strahlerelementen auf engem Raum untergebracht werden. Mit steigendem Verdrahtungsaufwand wird die Antennenanordnung komplexer und kostenintensiver in der Herstellung.
Werden die Strahlerfelder der Richtantenne nebeneinander angeordnet, nehmen unerwünschte Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Sende/Empfangsrichtung mit steigendem Abstand zu.
Werden die Strahlerfelder dicht beieinander oder überlappend beabstandet, kann eine elektromagnetische Kopplung zwischen den dicht beieinander liegenden Strahlerelementen der verschiedenen Strahlerfelder zu erheblichen Verzerrungen des lokalen elektromagnetischen Felds führen, welches auf das Impedanzverhalten der Antennenanordnung rückwirkt und eine Beeinträchtigung der Sensitivität und der Richtungsselektivität der Antennenanordnung mit sich führen kann. Ein verzerrter Impedanzgang der Richtantennenanordnung kann eine dieses berücksichtigende elektrische Ansteuerung der Vielzahl von Strahlerelementen erheblich erschweren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ anzugeben, welche besonders kompakt und preiswert herstellbar ist, eine hohe Sensitivität besitzt und ein hohes Maß an Richtungsselektivität aufweist.
Weiterhin ist es Aufgabe, eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung anzugeben, welche elektromagnetische Signale aus bzw. in einer Richtung empfangen bzw. senden kann, eine hohe Sensitivität besitzt und eine hohes Maß an Richtungsselektivität aufweist.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung sowie die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche jeweils einzeln angewandt oder in geeigneter Weise beliebig kombiniert werden können, sind in der folgenden Beschreibung sowie in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ umfasst ein erstes Strahlerfeld mit N1 ersten Strahlerelementen, ein zweites Strahlerfeld mit N2 zweiten Strahlerelementen und eine Hochfrequenzstufe, die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei das erste Strahlerfeld mit dem ersten Anschluss verbunden ist und das zweite Strahlerfeld mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei das erste und zweite Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, und wobei das erste Strahlerfeld und das zweite Strahlerfeld mindestens ein Strahlerelement gemeinsam haben.
Die Hochfrequenzstufe ist insbesondere für Frequenzen f im Bereich von 300 MHz bis 200 GHz, vorzugsweise in einem Bereich von 1 GHz bis 80 GHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von 2 GHz und 20 GHz, ausgelegt. Entsprechende mittlere Wellenlängen λ sind gegeben durch λ = c/f, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Beispielsweise entsprechen 300 MHz einer mittleren Wellenlänge von 1 m und 200 GHz entsprechen 1,5 mm.
Ein Strahlerfeld umfasst eine Vielzahl von Strahlerelementen, welche beispielsweise als einfache Dipolstrahler oder als Patchstrahler ausgestaltet sein können. Die Anzahl N1 der ersten Strahlerelemente bzw. die Anzahl N2 der zweiten Strahlerelemente kann mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100, sein. Die Strahlerelemente innerhalb eines Strahlerfelds können zu Zeilen und/oder Spalten zusammengefasst sein. Die jeweiligen Strahlerfelder können in einem Abstand über einer elektrischen Bezugsmassefläche angeordnet sein.
Durch die Beaufschlagung der Strahlerfelder mit einem Signal bei einer gleichen mittleren Wellenlänge λ kann über die relative Phasenlage der beiden Strahlerfelder eine Richtcharakteristik bzw. eine Richtungsselektivität der Antennenordnung erzielt werden.
Unter dem Begriff "Sensitivität" einer Richtantennenanordnung wird ihr Vermögen, schwache Signale vor einem Rauschhintergrund zu unterscheiden, verstanden. Unter dem Begriff "Richtungsselektivität" einer Richtantennenanordnung wird ihr Vermögen, eine Strahlungsrichtung der von ihr ausgesandten bzw. empfangenden Strahlung eindeutig festzulegen bzw. zu bestimmen.
Durch die gemeinsame Nutzung von Strahlerelementen wird eine elektromagnetische Strahlungskopplung zwischen bzw. unter den Strahlerfeldern zugunsten einer elektrisch leitenden Verbindung verringert. Hierdurch kann eine besonders kompakte Anordnung mehrerer Strahlerfelder realisiert werden. Durch die Kompaktheit werden die Strahlungsrichtungsselektivität verbessert und Mehrdeutigkeiten bei der Richtungsbestimmung verringert. Die einem Strahlerfeld zugeordneten Strahlerelemente können elektrisch leitend innerhalb und im unmittelbaren Bereich des Strahlerfelds miteinander verbunden sein. Durch die gemeinsame Nutzung zumindest eines Teils der Strahlerelemente durch mehrere Strahlerfelder wird die Gestaltung der Antennenanordnung erheblich vereinfacht und Probleme bezüglich einer Impedanzanpassung sowie anderer durch die Wechselwirkung der Strahlerelemente bedingte Beeinträchtigungen der Sensitivität bzw. Richtungsselektivität der Antennenanordnung verringert.
Vorteilhafterweise werden mehr als die Hälfte der Strahlerelemente der Strahlerfelder gemeinschaftlich genutzt, vorzugsweise mehr als 80% der Strahlerelemente. Es können auch sämtliche Strahlerelemente des ersten und/oder zweiten Strahlerfelds gemeinsam genutzt werden. Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, nicht sämtliche Strahlerelemente beider Strahlerfelder gemeinsam zu nutzen sondern nur einen Teil. Beispielsweise werden bei zwei im Wesentlichen gleich gestalteten Strahlerfeldern weniger als 90% der Strahlerelemente gemeinsam von beiden Strahlerfeldern genutzt.
Die mittlere Wellenlänge des am ersten Anschluss liegenden elektrischen Signal entspricht im Wesentlichen derjenigen am zweiten Anschluss. Die Signale an den beiden Anschlüssen der Hochfrequenzstufe unterscheiden sich je nach Strahlungsrichtung im Wesentlichen nur durch ihre relative Phasenlage. Insbesondere generiert bzw. empfängt die Hochfrequenzstufe an beiden Anschlüssen ein Signal mit im Wesentlichen gleichen Leistungsspektrum. Die Signale an den beiden Anschlüssen können sich jedoch hinsichtlich der relativen Phasenlage bzw. in Hinblick auf ihre Phasenspektren unterscheiden.
Das erste und das zweite Strahlerfeld weisen eine im Wesentlichen gemeinsame Polarisationsrichtung auf und können linear oder zirkular polarisiert sein.
Das mindestens eine Strahlerelement kann Teil von mehreren Strahlerfeldern sein, indem es mit den jeweiligen Strahlerfeldern elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt insbesondere durch eine (z. B. galvanische) Kontaktierung im oder in unmittelbarer Nähe der Ebene, welche durch die Strahlerfelder definiert ist.
Für den Fall, dass die Strahlerelemente der jeweiligen Strahlerfelder jeweils einzeln oder in Untergruppen von der Hochfrequenzstufe bespeist werden, kann die gemeinsame Nutzung bezüglich der Hochfrequenzstufe auch zwischenbandseitig (bei mehreren Frequenzkonvertierungsstufen) oder basisbandseitig (z. B. bei direkter Frequenzkonversion) erzeugt werden. Beispielsweise werden die Signale, die jeweils einem Strahlerfeld entsprechen, in Bezug auf die Hochfrequenzstufe basisbandseitig im Sendemodus vereint bzw. im Empfangsmodus voneinander getrennt und den gemeinsam genutzten Strahlerelementen bzw. Strahlerelementuntergruppen gemeinschaftlich zugeordnet.
Die Antennenanordnung kann insbesondere in einer Mobilstation, einer Basisstation oder einem Radar zur Anwendung kommen. Sie kann auch im Zusammenhang mit Feedsystemen von Reflektoranwendungen wie zum Beispiel in der Satellitenkommunikation bzw. im Satellitenempfang eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung definiert der erste Anschluss ein erstes Phasenzentrum des ersten Strahlerfelds und der zweite Anschluss definiert ein zweites Phasenzentrum des zweiten Strahlerfelds, wobei die beiden Phasenzentren der Strahlerfelder weniger als eine erste Breite des ersten Strahlerfelds und/oder weniger als eine zweite Breite des zweiten Strahlerfelds voneinander entfernt liegen, insbesondere weniger als 400%, vorzugsweise weniger als 100%, insbesondere bevorzugt weniger als 70%, der mittleren Wellenlänge λ, voneinander entfernt liegen. Die Breite eines Strahlerfelds ist durch die Berandung des Strahlerfelds definiert.
Ein Phasenzentrum eines Strahlerfelds ist durch die mittlere Phase des von dem jeweiligen Strahlerfelds ausgesendeten bzw. empfangenden Strahlungsfeldes definiert. Der Begriff Phasenzentrum bezeichnet den elektronischen Referenzpunkt einer Antenne. Vom Empfangsort aus betrachtet, scheint die elektromagnetische Antennenstrahlung von diesem Punkt auszugehen.
Durch eine geringere Beabstandung der beiden Phasenzentren wird die Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung verbessert.
Der Abstand der Phasenzentren der Strahlerfelder ist definiert als die Projektion der Phasenzentren auf die Schwenkebene. Die Schwenkebene ist jene Ebene, innerhalb welcher die Strahlungsrichtung durch Veränderung der relativen Phasenlagen der Strahlerfelder zueinander geschwenkt werden kann.
Vorteilhafterweise sind die ersten oder zweiten Strahlerelemente in Spalten und/oder in Zeilen angeordnet. Durch eine Anordnung der Strahlerelemente in Spalten wird eine Schwenkung bzw. eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung innerhalb einer hierzu senkrechten Ebene ermöglicht. Entsprechend wird durch eine Anordnung der Strahlerelemente in Zeilen eine Schwenkung bzw. eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in einer entsprechend senkrechten Ebene ermöglicht. Bei einer Anordnung der Strahlerelemente in Spalten und Zeilen wird eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in X- und Y-Richtung (Z-Richtung bildet die Normale zu der Ebene, innerhalb welcher die Strahlerfelder liegen) erreicht. Die Strahlungsrichtung kann dann sowohl hinsichtlich eines Elevationswinkels als auch hinsichtlich eines Azimutwinkels gesteuert, vorgegeben bzw. beeinflusst werden. Einer jeweiligen Zeile bzw. Spalte kann ein jeweiliges Unterphasenzentrum zugeordnet werden. Die Unterphasenzentren der einem Strahlerfeld zugeordneten Phasen bzw. Spalten tragen zum Phasenzentrum dieses Strahlerfelds bei und bilden dieses in ihrer Überlagerung.
Unmittelbar benachbarte Strahlerelemente können ein Viereck oder ein Dreieck bilden. Bei einer Anordnung der Strahlerelemente basierend auf Dreiecken kann eine Gesamtanzahl der für eine vorgegebene Breite der Richtcharakteristik erforderlichen Strahlerelemente gegenüber einer Gesamtanzahl von Strahlerelementen mit einer Anordnung basierend auf Vierecken reduziert werden; nachteilig hierbei kann jedoch sein, dass bei einer Anordnung basierend auf Dreiecken die Polarisationsrichtungen miteinander vermengt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Antennenanordnung ein oder mehrere weitere Strahlerfelder mit weiteren Strahlerelementen zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei der mittleren Wellenlänge λ. Mit Hilfe von weiteren Strahlerelementen kann die Antennenanordnung um eine weitere Polarisationsrichtung erweitert werden, deren Strahlungsrichtung in entsprechender Weise mit Hilfe von den mindestens zwei weiteren Strahlerfeldern eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann hierdurch die Strahlungsrichtung neben einer X-Richtung auch in Y-Richtung (Z-Richtung bildet die Normale zur Ebene, die durch die Strahlerfeldern definiert ist) vorgegeben und eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Hochfrequenzstufe geeignete erste und zweite weitere Anschlüsse auf. Mit Hilfe der Hochfrequenzstufe kann die relative Phasenlage der Strahlerfelder eingestellt und damit die Strahlungsrichtung beeinflusst werden. Insbesondere ist die Strahlungsrichtung R sowohl in Hinblick auf einen Azimutwinkel als auch auf einen Elevationswinkel durch die weiteren Strahlerfelder beeinflussbar. Mit Hilfe des ersten, zweiten, ersten weiteren und zweiten weiteren Anschlusses kann die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik der Antennenanordnung insbesondere steuerbar eingestellt bzw. realisiert werden. Die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik kann mit Hilfe der Strahlerfelder vorteilhafter Weise in mehr als in einer Ebene und/oder für mehr als eine Polarisationsrichtung eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Polarisationseigenschaften mindestens eines, insbesondere mindestens zwei, der weiteren Strahlerfelder von denjenigen der ersten und zweiten Strahlerfelder verschieden. Hierdurch wird bewirkt, dass die Strahlungsrichtung bzw. Strahlungscharakteristik für unterschiedliche Polarisationsrichtungen unabhängig eingestellt bzw. vorgegeben werden können.
Vorteilhafterweise umfasst die Antennenanordnung einen oder mehrere Wilkinson-Teiler zur Entkopplung von gemeinsam genutzten Strahlerelementen, Zeilen und/oder Spalten. Mit Hilfe des mindestens einen Wilkinson-Teilers kann eine unerwünschte Rückkopplung der Strahlerelemente, der Zeilen, und/oder der Spalten unterdrückt werden. Mit Hilfe eines Wilkinson-Teilers können Hochfrequenzsignale auf zwei oder mehrere Ausgänge aufgeteilt bzw. zwei oder mehrere Hochfrequenzsignale auf einen gemeinsamen Ausgang zusammengeführt werden. Bei einer geeigneten Ausführung der Viertelwellenleitungen bzw. der Resistivität des Wilkinson-Teilers kann eine gute Entkopplung der jeweiligen Signale erzielt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Antennenanordnung mindestens einen steuerbaren Phasenschieber zur Einstellung der relativen Phasenlage der einzelnen Strahlerelemente, der zu Zeilen oder Spalten zusammengefassten Strahlerelemente und/oder der zu Strahlerfeldern zusammengefassten Strahlerelemente zueinander. Mit Hilfe des steuerbaren Phasenschiebers kann die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik der Antennenordnung eingestellt werden. Der Phasenschieber kann ein Teil der Hochfrequenzstufe sein.
Bei der Antennenanordnung ist insbesondere mindestens eines der folgenden Merkmale (A1) bis (A4) erfüllt:

(A1) das erste oder zweite Strahlerfeld ist planar;
(A2) die ersten oder zweiten Strahlerelemente sind im Wesentlichen zweidimensional flächig;
(A3) das erste oder zweite Strahlerfeld umfasst mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100, Strahlerelemente;
(A4) das erste und das zweite Strahlerfeld sind im Wesentlichen gleich gestaltet.

Hierbei ist eine Kombination der Merkmale (A1), (A2) und (A4) besonders bevorzugt. Die Ausgestaltung des Merkmals (A4) erleichtert ein symmetrisches Verändern bzw. Einstellen der Strahlungsrichtung innerhalb der Schwenkebene aus der Senkrechten (Z-Richtung normal zur Ebene, die durch die Strahlerfelder definiert ist) in positive bzw. negative Winkelbereiche.
In einer Weiterbildung liegen die ersten oder zweiten Strahlerelemente auf einem Gitter, dessen Gitterabstand vorteilhafter Weise zwischen 20% und 80% der mittleren Wellenlänge λ, insbesondere zwischen 40% und 60% der mittleren Wellenlänge λ, vorteilhafter Weise zwischen 45% und 55% der mittleren Wellenlänge λ, beträgt. Bei einer Reduzierung des Gitterabstands kann die Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung verbessert werden, sowie Nebenmaxima (Nebenkeulen) weiter unterdrückt werden. Neben der Verbesserung der Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung wird auch eine Verbesserung der Sensitivität der Antennenanordnung bei gleichem Flächenbedarf verbessert.
Ein Gitterabstand an einem Rand des ersten oder zweiten Strahlerfeldes kann anders, insbesondere größer sein, als ein Gitterabstand im Inneren des Strahlerfeldes. Durch eine geeignete Wahl der Gitterabstände können Nebenmaxima (Nebenkeulen), bei der Abstrahlung bzw. beim Empfang verringert bzw. unterdrückt werden.
Vorteilhafter Weise liegen sämtliche Strahlerelemente im Wesentlichen in einer Ebene.
Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe und einer Hochfrequenzstufe umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Antennenanordnung wird der Sende- und/oder Empfangseinrichtung eine besondere Sensitivität sowie Richtungsselektivität verliehen. Das Radar kann mobil sein. Die Sende- und/oder Empfangseinrichtung kann im Automotive – Bereich eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und besondere Ausführungsformen werden anhand der folgenden Zeichnung, welche lediglich zur Veranschaulichung dient und die Erfindung exemplarisch wiedergibt, näher erläutert.
Hierbei zeigen schematisch:
1 eine Antennenanordnung in der Draufsicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 in der Draufsicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in einer Ebene;
3 in der Draufsicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, welche eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in zwei Ebenen ermöglicht;
4 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit variablen Gitterabständen der Strahlerelemente;
5 eine erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung im Querschnitt;
6 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit Wilkinson-Teilern;
7 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit Strahlerfeldern und mehr als zwei Speisepunkten.
1 zeigt eine bekannte interferometrische Monopuls-Empfangsantenne mit einem ersten Strahlerfeld 12 und einem zweiten Strahlerfeld 13, wobei die Strahlerfelder 12, 13 nebeneinander angeordnet sind. Die in 1 dargestellten geschweiften Klammern stellen die jeweiligen Breiten der Strahlerfelder 12, 13 dar. Die Strahlerfelder 12, 13 weisen jeweils Strahlerelemente 2, 3 auf. Innerhalb eines Strahlerfelds 12, 13 sind die Strahlerelemente 2, 3 spaltenweise mit Hilfe einer Verdrahtung 24 zusammengefasst. Da die Strahlerfelder 12, 13 nebeneinander angeordnet sind und somit der Abstand der den Strahlerfeldern 12, 13 zugeordneten Phasenzentren größer ist als eine halbe mittlere Wellenlänge der abstrahlten bzw. empfangenden Strahlung, weist die Richtungscharakteristik der Antennenanordnung bei phasengesteuertem Betrieb mit zwei Sendern/Empfängern Nebenmaxima auf, welche die eindeutige Bestimmung der Strahlungsrichtung eines empfangenen oder zu sendenden Signals beeinträchtigen und zu Mehrdeutigkeiten bei der Richtungsbestimmung führen können. Das erste Strahlerfeld 12 weist ein erstes Phasenzentrum 14 auf. Das zweite Strahlerfeld 13 weist ein zweites Phasenzentrum 15 auf.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Antennenanordnung in der Draufsicht, bei der das erste Strahlerfeld 12 und das zweite Strahlerfeld 13 sich überlappen. Eine Vielzahl von Strahlerelementen 4 werden von beiden Strahlerfeldern 12, 13 gemeinsam genutzt. Das erste Strahlerfeld 12 weist eine Vielzahl von ersten Strahlerelementen 2 auf, welche mittels einer Verdrahtung 24 zu Spalten 26 zusammengefasst sind. Das zweite Strahlerfeld 13 weist eine Vielzahl von Strahlerelementen 3 auf, welche ebenso mit Hilfe einer Verdrahtung 24 zu Spalten 26 zusammengefasst sind. Die Verdrahtung 24 ist in unmittelbarer Nähe der Strahlerelemente 2, 3 und innerhalb der Strahlerfelder 12, 13 vorgesehen. Das erste Strahlerfeld 12 weist einen ersten Speisepunkt 5 auf, der mit einem ersten Anschluss 8 einer Hochfrequenzstufe 7 (siehe 5) verbunden ist. Das zweite Strahlerfeld 13 weist einen zweiten Speisepunkt 6 auf, welcher mit einem zweiten Anschluss 9 der Hochfrequenzstufe 7 verbunden ist. Das Phasenzentrum 14, 15 eines Strahlerfelds 12, 13 ist durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 26 definiert. Die Phasenzentren 14, 15 liegen in einer durch die Spalten 26 definierten Ebene, d. h. der Ebenen in welcher sämtliche Strahlerelemente 2, 3, 4 liegen. Der Abstand der beiden Phasenzentren 14, 15 in einer Richtung quer zu den Spalten 26 beträgt etwa eine halbe mittlere Wellenlänge λ der von der Antennenanordnung 1 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung. Die Strahlungsrichtung R (siehe 5) der von der Antennenanordnung 1 abgegebenen bzw. empfangenen Strahlung kann mit Hilfe einer geeigneten Wahl der relativen Phasenbeziehung zwischen den Strahlerfeldern 12, 13 in einer Ebene senkrecht zu den Spalten 26 variabel eingestellt werden. Durch die gemeinsame Nutzung von Strahlerelementen 4 wird eine elektromagnetische Strahlungskopplung zwischen den Strahlerelementen 2, 3 der Strahlerfelder 12, 13 reduziert und eine elektrische Kopplung durch einen galvanischen Kontakt erzeugt. Dieses vereinfacht das Design der Antennenanordnung 1 erheblich, vermindert unerwünschte Interferenzeffekte und ermöglicht eine besonders kompakte und einfache Herstellung der Antennenanordnung 1. Durch die Kompaktheit der Antenne werden Nebenmaxima in der Richtcharakteristik der Antennenanordnung 1 unterdrückt, wodurch die Sensitivität und Richtungsselektivität der Antennenanordnung 1 gesteigert werden. Die Schwenkebene verläuft senkrecht zu den Spalten 26 (d. h. in 2 senkrecht zur Zeichenebene von rechts nach links). Die Strahlerelemente 2, 3 können in einem Abstand über einer elektrischen Bezugsmassefläche (nicht dargestellt) angeordnet sein.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, wobei eine Richtungsselektivität, d. h. eine Steuerung der Strahlungsrichtung, mit Hilfe von einem ersten weiteren Strahlerfeld 12' und einem zweiten weiteren Strahlerfeld 13' in zwei Ebenen ermöglicht wird. Die in 3 dargestellten geschweiften Klammern stellen die jeweiligen Breiten der Strahlerfelder 12, 13, 12' und 13' dar. Das erste Strahlerfeld 12, das zweite Strahlerfeld 13, das erste weitere Strahlerfeld 12' und das zweite weitere Strahlerfeld 13' teilen sich eine Vielzahl von Strahlerelementen 4, welche somit diesen Strahlerfeldern 12, 12', 13, 13' gemeinsam angehören. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist einen ersten weiteren Speisepunkt 5' auf. Das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist einen zweiten weiteren Speisepunkt 6' auf. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist erste weitere Strahlerelemente 2' auf. Das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist zweite weitere Strahlerelemente 3' auf. In Bezug auf das erste Strahlerfeld 12 sind die zugehörigen Strahlerelemente 2 zu Spalten 26 zusammengefasst. Ebenso sind die zum zweiten Strahlerfeld 13 zugehörigen Strahlerelemente 3 zu Spalten 26 zusammengefasst. Die zu dem zweiten weiteren Strahlerfeld 12' zugeordneten Strahlerelemente 2' sind zu Zeilen 16 zusammengefasst. Die zum zweiten weiteren Strahlerfeld 13' zugeordneten Strahlerelemente 3' sind zu Zeilen 16 zusammengefasst. Die jeweiligen Strahlerfelder 12, 12', 13, 13' sind hier durch die Verdrahtung 24, den jeweiligen Speisepunkten 5, 6, 5', 6' sowie den Spalten 26 bzw. den Zeilen 16 definiert. Da die Strahlerelemente 4 mehreren Strahlerfeldern 12, 12', 13, 13' angehören, d. h. die Strahlerfelder Strahlerelemente 4 gemeinsam nutzen, bildet das gemeinsam genutzte Strahlerelement 4 sowohl einen Teil einer Zeile 26 als auch einen Teil einer Spalte 16. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist einen ersten weiteren Speisepunkt 5' auf und das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist einen weiteren zweiten Speisepunkt 6' auf. Die Speisepunkte 5, 5', 6, 6' bilden jeweils ein Phasenzentrum in einer Richtung der jeweils dem Strahlerfeld 12, 12', 13, 13' zugeordneten Spalten 26 bzw. Zeilen 16. Durch die Anordnung der Strahlerelemente 2, 3, 2', 3' wird eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in zwei Ebenen, nämlich in der X-Z-Ebene und der Y-Z-Ebene, wobei die Z-Richtung normal zu der durch die Strahlerelemente 2, 2', 3, 3' definierten Ebene definiert ist, erreicht. Die horizontale Verdrahtung 24 ist von der vertikalen Verdrahtung 24 z. B. durch jeweils einen Wilkinson-Teiler (nicht eingezeichnet) pro Strahlerelement 2, 3, 2', 3' (und gegebenenfalls pro Polarisationsrichtung) entkoppelt.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1 in der Draufsicht, bei der an einem Rand 17 befindliche Strahlerelemente etwas weiter außen liegen. Eine durch die Lage der Strahlerelemente 2, 3 definierte Gitterkonstante D1, D2, D3 und D4 ist an einem Rand 17 des Strahlerfelds 12, 13 größer als in einem Inneren 18. Wie in 4 ersichtlich, ist D1 größer als D2 und D3 größer als D4. Das Verhältnis zwischen D1 und D2 bzw. zwischen D3 und D4 beträgt zwischen 1,1 und 1,7. In der Ausführungsform gemäß 4 gehören sämtliche Strahlerelemente 2, 3 beiden Strahlerfeldern 12, 13 an. Die Phasenzentren 14, 15 der beiden Strahlerfelder 12, 13 sind durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 26 definiert und liegen weniger als eine mittlere Wellenlänge der von der Antennenanordnung 1 abgestrahlten Strahlung voneinander entfernt. Die Strahlerelemente 2, 3 der jeweiligen Strahlerfelder 12, 13 sind durch Leiterbahnen 19, welche in der durch die Strahlerelemente 2, 3 definierten Ebene liegen, miteinander verbunden.
5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangseinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Antennenanordnung 1 mit einer Hochfrequenzstufe 7 und ein Basisbandverarbeitungsstufe 21 umfasst. Die Hochfrequenzstufe 7 umfasst eine Frequenzkonvertierungsstufe 20, einen Signalteiler bzw. Signalvereiniger 11 und einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber 23. Basisbandverarbeitungsstufe 21, Frequenzkonvertierungsstufe 20, Signalteiler bzw. Signalvereiniger 11 und steuerbarer Phasenschieber 23 sind in Reihe geschaltet. Die Hochfrequenzstufe 7 ist mit dem ersten Anschluss 8 und dem zweiten Anschluss 9 mit dem ersten 12 bzw. zweiten 13 Strahlerfeld verbunden, wobei die Phasenzentren 14, 15 der beiden Strahlerfelder 12, 13 durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 26 definiert sind. Die Strahlungsrichtung R kann mit Hilfe der relativen Phasenlage zwischen den Signalen der jeweiligen Strahlerfelder 12, 13 beeinflusst und geschwenkt werden. Die Strahlungsrichtung R kann innerhalb der Z-X-Ebene, d. h. innerhalb der Schwenkebene, geschwenkt werden. Die Strahlerelemente 2, 3 sind zusammen mit der Verdrahtung 24 auf einer Oberseite eines Trägers 25 aufgebracht. An einer Unterseite des Trägers 25 kann eine elektrische Bezugsmassefläche (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1 in der Draufsicht, bei der die beiden Strahlerfelder 12, 13 mit Hilfe von Wilkinson-Teilern 27 elektrisch voneinander entkoppelt sind. Die Strahlerelemente 2, 3, 4 sind in Zeilen 16 bzw. Spalten 26 angeordnet. Durch die Wilkinson-Teiler 27, welche jeweils zwei Viertelwellenlängenleitungen 29 und einen Widerstand 28 aufweisen, werden die mit Hilfe der Speisepunkte 5, 6 gespeisten Strahlerfelder 12, 13 trotz ihrer galvanischen Kopplung elektrisch in Hinblick auf die Hochfrequenzstufe 7 entkoppelt.
7 zeigt in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit Strahlerfeldern 12, 13 und mehr als zwei Speisepunkten 5, 5', 6, 6'. Die weiteren Speisepunkte 5, 5', 6, 6' können beispielsweise dazu dienen, einen Verschwenkungswinkel der Strahlungsrichtung R zu vergrößern.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung 1 zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung R bei einer mittleren Wellenlänge λ umfasst ein erstes Strahlerfeld 12 mit N1 ersten Strahlerelementen 2, ein zweites Strahlerfeld 13 mit N2 zweiten Strahlerelementen 3 und eine Hochfrequenzstufe 7, die zum Bereitstellen bzw.
Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss 8 und einen zweiten Anschluss 9 aufweist, wobei das erste Strahlerfeld 12 mit dem ersten Anschluss 8 verbunden ist und das zweite Strahlerfeld 13 mit dem zweiten Anschluss 9 verbunden ist, und wobei das erste 12 und zweite 13 Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, wobei das erste Strahlerfeld 12 und das zweite Strahlerfeld 13 mindestens ein Strahlerelement 4 gemeinsam haben. Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung 10, insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe 21 und einer Hochfrequenzstufe 22 umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung 1. Die Erfindung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Kompaktheit, einfacher Herstellbarkeit, hoher Sensitivität und Richtungsselektivität aus.

1: Antennenanordnung
2: erstes Strahlerelement
3: zweites Strahlerelement
2': erstes weiteres Strahlerelement
3': zweites weiteres Strahlerelement
4: gemeinsames Strahlerelement
5: erster Speisepunkt
5': erster weiterer Speisepunkt
6: zweiter Speisepunkt
6': zweiter weiterer Speisepunkt
7: Hochfrequenzstufe
8: erster Anschluss
9: zweiter Anschluss
10: Sende- und/oder Empfangseinrichtung
11: Signalteiler bzw. Signalvereiniger
12: erstes Strahlerfeld
12': erstes weiteres Strahlerfeld
13: zweites Strahlerfeld
13': zweites weiteres Strahlerfeld
14: erstes Phasenzentrum
14': erstes weiteres Phasenzentrum
15: zweites Phasenzentrum
15': zweites weiteres Phasenzentrum
16: Zeile
17: Rand
18: Inneres
19: Leiterbahnen
20: Frequenzkonvertierungsstufe
21: Basisbandverarbeitungsstufe
22: Hochfrequenzstufe
23: steuerbarer Phasenschieber
24: Verdrahtung
25: Träger
26: Spalte
27: Wilkinsonteiler
28: Widerstand
29: Vierwellenlängenleitung
R: Strahlungsrichtung
D1–D4: Gitterabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10204079 [0002]
- EP 1628140 A1 [0003]
- DE 102006012452 [0004]
- DE 102005011128 [0005]

Claims

Antennenanordnung (1) zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung (R) bei einer mittleren Wellenlänge λ, umfassend ein erstes Strahlerfeld (12) mit N1 ersten Strahlerelementen (2), ein zweites Strahlerfeld (13) mit N2 zweiten Strahlerelementen (3), und eine Hochfrequenzstufe (7), die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss (8) und einen zweiten Anschluss (9) aufweist, wobei das erste Strahlerfeld (12) mit dem ersten Anschluss (8) verbunden ist und das zweite Strahlerfeld (13) mit dem zweiten Anschluss (9) verbunden ist, wobei das erste (12) und zweite (13) Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, und wobei das erste Strahlerfeld (12) und das zweite Strahlerfeld (13) mindestens ein Strahlerelement (4) gemeinsam haben.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Anschluss (8) ein erstes Phasenzentrum (14) des ersten Strahlerfelds (12) definiert und der zweite Anschluss (9) ein zweites Phasenzentrum (15) des zweiten Strahlerfelds (13) definiert, und wobei die beiden Phasenzentren (14, 15) der Strahlerfelder (12, 13) weniger als eine erste Breite (B1) des ersten Strahlerfelds (12) und/oder weniger als eine zweite Breite (B2) des zweiten Strahlerfelds (13) voneinander entfernt liegen, insbesondere weniger als 400%, vorzugsweise weniger als 100%, insbesondere bevorzugt weniger als 70%, der mittleren Wellenlänge λ, voneinander entfernt liegen.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten (2) oder zweiten (3) Strahlerelemente in Spalten (26) und/oder in Zeilen (16) angeordnet sind.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein oder mehrere weitere Strahlerfelder (12', 13') mit weiteren Strahlerelementen (2', 3'), zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei der mittleren Wellenlänge λ.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei die Strahlungsrichtung (R), insbesondere in Hinblick auf einen Azimutwinkel und einen Elevationswinkel, durch die weiteren Strahlerfelder beeinflussbar ist.
Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Polarisationseigenschaften mindestens eines, insbesondere mindestens zwei, der weiteren Strahlerfelder (12', 13') von denjenigen der ersten (12) und zweiten (13) Strahlerfelder verschieden sind.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen oder mehrere Wilkinson-Teiler (27) zur Entkopplung von gemeinsamen genutzten Strahlerelementen (4), Zeilen (16) und/oder Spalten (26).
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend mindestens einen steuerbaren Phasenschieber (23) zur Einstellung der relativen Phasenlage der einzelnen Strahlerelemente (2, 3, 2', 3'), der zu Zeilen (16) oder Spalten (26) zusammengefassten Strahlerelemente (2, 3, 2', 3') und/oder der zu Strahlerfeldern (5, 6, 5', 6') zusammengefassten Strahlerelemente (2, 3, 2', 3') zueinander.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale (a1) bis (a4) erfüllt ist: (a1) das erste oder zweite Strahlerfeld ist planar; (a2) die ersten (2, 2') oder zweiten (3, 3') Strahlerelemente sind im Wesentlichen zweidimensional flächig; (a3) das erste oder zweite Strahlerfeld umfasst mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100, Strahlerelemente; (a4) das erste (12) und das zweite (13) Strahlerfeld sind im Wesentlichen gleich gestaltet.
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten (2, 2') oder zweiten (3, 3') Strahlerelemente auf einem Gitter liegen, dessen Gitterabstand (D1, D2, D3, D4) vorteilhafter Weise zwischen 20% und 80% der mittleren Wellenlänge λ, insbesondere zwischen 40% und 60% der mittleren Wellenlänge λ, vorteilhafter Weise zwischen 45% und 55% der mittleren Wellenlänge λ, beträgt.
Antennenanordnung (1) nach Anspruch 10, wobei ein Gitterabstand (D1, D3) an einem Rand (17) des ersten (12, 12') oder zweiten (13, 13') Strahlerfeldes anders, insbesondere größer, ist als ein Gitterabstand (D2, D4) im Inneren (18) des Strahlerfeldes (12, 13).
Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sämtliche Strahlerelemente (2, 3) im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Sende- und/oder Empfangseinrichtung (10), insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe (21) und einer Hochfrequenzstufe (22) umfassend eine Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.