DE102009005502B4

DE102009005502B4 - Hohlraumresonator HF-Leistung Verteilnetzwerk

Info

Publication number: DE102009005502B4
Application number: DE200910005502
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gautier Wiliam; Dr.-Ing. Ziegler Volker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: DE102009005502A1; EP2211420A1

Abstract

Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zwischen mindestens einem ersten Koppler (18) und einer Mehrzahl zweiter Koppler (20), wobei dieses als Hohlraumresonator (12) ausgebildet ist und die ersten und zweiten Koppler (18, 20) in definierter Zuordnung zur stehenden HF-Welle im Inneren des Hohlraumresonators (12b) zur Erzielung einer gewünschten Leistungsteilung oder Leistungszusammenführung angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zwischen mindestens einem ersten Koppler und einer Mehrzahl zweiter Koppler.
Derartige Netzwerke dienen hauptsächlich dazu, zwischen Sendern für HF und damit gekoppelten Sendeantennen oder HF-Empfangsantennen und damit gekoppelten Empfängern eine Verteilung oder Sammlung der HF-Strahlung zu bewirken, wenn einem Sender oder Empfänger mehrere Antennen oder mehreren Sendern/Empfängern eine Antenne zugeordnet ist. Eine typische Anwendung besteht darin, mittels eines HF-Senders eine aus einer Vielzahl planarer Antennen gebildete Radar-Richtantenne bzw. genauer gesagt deren einzelne Antennen zu beaufschlagen.
Es gibt im wesentlichen drei Arten herkömmlicher Netzwerke nämlich „Planar Corporate Feed”-Netzwerke, die hohe Verluste oder baulich aufwendig sind, „Wave-guide”-Netzwerke die schwer und voluminös sind oder quasi-optische Netzwerke, die schwer zu integrieren sind.
Aus der DE 698 29 327 T2 , der US 2007/0120628 A1 sowie der Druckschrift Accantino Luciano et. al. „Elliptical Cavity Resonators for Dual-Mode Narrow-Band Filters” in IEEE Trans. on Microwave Theory and Techn., Vol. 45 No. 12, Dezember 1997, Seiten 2393–2401 sind Hohlraumresonatoren mit Filterfunktion bekannt. Dabei bildet sich im Hohlraum eine stehende Welle mit der Wellenlänge der Maße des Hohlraumes.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung von HF-Strahlung bereitzustellen, das leicht und baulich einfach ausgeführt ist und geringe Verluste aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die Verwendung eines Hohlraumresonators ergibt sich eine baulich sehr einfache Struktur, die zudem sehr geringe Verluste aufweist. Das Netzwerk lässt sich sehr flach ausbilden, was den Bauraum für die Gesamtanlage (Sender/Empfänger mit Netzwerk und Antenne) reduziert. Außerdem ermöglicht die Erfindung sehr variable Gestaltungen der HF-Koppler und damit einen entsprechenden Spielraum bei der Gestaltung von Antennen-Arrays. Dabei sind die Koppler in definierter Zuordnung zu der im Hohlraumresonator gebildeten stehenden HF-Welle angeordnet, um eine gewünschte Leistungsteilung oder Leistungszusammenführung zu bewirken. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Ausgangskoppler im Bereich der Wellenmaxima der stehenden HF-Welle angeordnet sind, da in diesem Fall die ausgestrahlte HF-Leistung maximal ist. Alternativ kann es zweckmäßig sein, wenn zur Erzielung einer definierten gewichteten Leistungsteilung nur ein Teil der Ausgangskoppler im Bereich der Wellenmaxima und andere Teile bei geringeren Wellenamplituden positioniert sind. So läßt sich eine gezielte Verteilung der ausgekoppelten HF einstellen, um einzelne Abstrahlelemente mit weniger Energie zu versorgen.
Das erfindungsgemäße Netzwerk kann als Sammel- oder Verteilnetzwerk ausgebildet sein. Insbesondere kann es dazu dienen, die Energie eines HF-Sender an eine Vielzahl von Antennen zu verteilen. Umgekehrt kann die über eine Vielzahl von Empfangsantennen empfangene HF über das Netzwerk zusammengefasst und einem Empfangsverstärker zugeführt werden.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Netzwerk mindestens ein Mikrowellensubstrat, auf dessen dem Hohlraumresonator gegenüberliegenden Seite eine Anzahl Antennen des Antennen-Arrays angeordnet sind. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht.
Mittels des erfindungsgemäßen Netzwerks lässt sich eine eindimensionale Antennenanordnung mit einer Anzahl in Reihe hintereinander angeordneter Antennen aufbauen oder ein zweidimensionales Antennen-Array. Bei letztgenannter Ausführung sieht eine vorteilhafte Ausbildung vor, dass eine Anzahl zweidimensional-rasterartig angeordneter Antennen durch mehrere Antennenreihen gebildet ist, wobei die Antennen jeder Antennenreihe jeweils mittels einer Leitung zur Bildung der Antennenreihen verbunden sind und der Hohlraumresonator einen Koppler für jede Leitung umfasst.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Netzwerk als Leistungs-Verteilnetzwerk oder Leistungs-Sammelnetzwerk im HF-Bereich von 20–150 GHz betrieben.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Verstärker für den HF-Bereich von 20–150 GHz ein Leistungs-Verteilnetzwerk umfasst, das einen HF-Eingang und eine Anzahl von HF-Ausgängen aufweist, die HF-Leistungsverstärker beaufschlagen, ferner die Ausgänge der HF-Leistungsverstärker Eingänge eines Leistungs-Sammelnetzwerkes beaufschlagen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
1: Eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines HF-Netzwerks;
2: eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines HF-Netzwerks;
3: mehrere Varianten für die geometrische Struktur eines Hohlraumresonators;
4: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer HF-Netzwerkausführung für ein eindimensionales Antennen-Array;
5: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer ersten HF-Netzwerkausführung für ein zweidimensionales Antennen-Array;
6: eine schematische dreidimensionale Darstellung einer zweiten HF-Netzwerkausführung für ein zweidimensionales Antennen-Array;
7: ein Blockschaltbild eines HF-Verstärkers unter Verwendung eines Verteilungs- sowie eines Sammel-HF-netzwerkes.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines HF-Netzwerkes 10a in einer schematischen Schnittdarstellung. Dieses HF-Netzwerk 10a besteht im Wesentlichen aus einem Hohlraumresonator 12a, der beidseitig von zwei Mikrowellensubstraten 14a und 16a sandwichartig umschlossen ist. Am ersten Mikrowellensubstrat 14a ist eine Eingangsleitung 16 zur Einkoppelung von HF vorgesehen, beispielsweise aus einem vorgeschalteten HF-Verstärker. Zwischen dem erstem Mikrowellensubstrat 14a und dem Hohlraumresonator 12a ist mindestens ein Eingangskoppler 18a vorgesehen, über den die HF aus dem ersten Mikrowellensubstrat 14a in den Hohlraumresonator 12a eingeleitet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraumresonators 12a sind mehrere Ausgangskoppler 20a vorgesehen, über welche die HF in das zweite Mikrowellensubstrat 16a eingeleitet wird. Auf dessen gegenüberliegender Oberfläche sind eine Anzahl Abstrahlelemente 22a angeordnet, über welche die HF an die Umgebung abgestrahlt wird. Vorzugsweise sind diese Abstrahlelemente 22a als Planar-Antennen ausgebildet, die ein ein- oder zweidimensionales Antennen-Array bilden.
In 2 ist eine alternative HF-Netzwerkausführung 10b dargestellt, die sich von der Ausführung gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass nur auf einer Seite des Hohlraumresonators 12b ein Mikrowellensubstrat 14b angeordnet ist, das sowohl zur Einleitung als auch zur Ausleitung der HF dient. Dazu weist das Mikrowellensubstrat 14b eine Eingangs-HF-Leitung 16 auf, einen Eingangskoppler 18b zwischen dem Mikrowellensubstrat 14b und dem Hohlraumresonator 12b sowie eine Anzahl Ausgangskoppler 20b und Abstrahlelemente 22b.
Bei beiden Ausführungsformen bildet sich im Hohlraumresonator 12a bzw. 12b eine stehende HF-Welle aus und je nach örtlicher Anordnung der Ausgangskoppler 20a bzw. 20b in Bezug auf die Wellenmaxima lässt sich einzelnen Abstrahlelementen 22a, 22b eine vorgegebene HF-Stärke zuordnen, so dass einer durch die Summe der Abstrahlelemente 22a, 22b gebildeten Richtantenne eine gezielte Abstrahlcharakteristik verliehen werden kann.
In 3 sind mehrere bevorzugte Ausführungsformen für die geometrische Form des Hohlraumresonators 12 dargestellt, nämlich eine Struktur mit quadratischem, rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt oder einer sphärischen Form. Dabei wird die geeignete Form des Hohlraumresonators 12 vorzugsweise derart gewählt, dass eine optimale Anpassung an die Form oder geometrische Anordnung der Abstrahlelemente gegeben ist.
In 4 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführung eines Netzwerkes 10c mit einem eindimensionalen Antennen-Array dargestellt. Dieses umfasst einen rechteckigen Hohlraumresonator 12c mit Eingangs-HF-Leitungen 16 und einem Eingangskoppler 18c, einem Mikrowellensubstrat 14c sowie Abstrahlelementen 22c, die in einer geraden Linie angeordnet sind und unterhalb derer im Übergang zwischen Hohlraumresonator 12c und Mikrowellensubstrat 14c eine Anzahl Ausgangskoppler 20c angeordnet sind. Ferner ist eine Eingangs-HF-Leitung 16 sowie ein Eingangskoppler 18c zur Einkopplung der HF vorgesehen.
5 zeigt eine HF-Netzwerkausführung 10d, die im wesentlichen derjenigen von 4 entspricht mit dem Unterschied, dass auf dem Mikrowellensubstrat 14d eine zweidimensionale Anordnung von Abstrahlelementen 22d vorgesehen ist, die eine flächenartige Richtantenne bildet.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines HF-Netzwerks 10e mit einer zweidimensionalen Antennenanordnung, bei der ein rechteckiger Hohlraumresonator 12e vorgesehen ist, der mit einem größeren, in der dargestellten Ausführungsform etwa quadratischen Mikrowellensubstrat 14e über eine Anzahl Koppler 20e in Verbindung steht. Diese Koppler 20e sind wiederum mittels HF-Leitungen 24 jeweils mit einer Anzahl hintereinander liegender Abstrahlelemente 22e verbunden, die zusammen eine zweidimensionalen Matrix, also ein Antennen-Array, bilden.
In der Beschreibung der vorangegangenen Figuren wird jeweils davon ausgegangen, dass die HF über die Eingangsleitungen 16 dem Netzwerk 10a bis 10e zugeführt und über die Abstrahlelemente 22a bis 22e abgestrahlt werden. In diesem Fall handelt es sich um ein Verteilnetzwerk, das die HF aus einer Quelle auf verschiedene Abstrahlelemente oder Sendeantennen 22a–22e verteilt. Ein solches Netzwerk 10a bis 10e kann auch umgekehrt betrieben werden, dass also die Abstrahlelemente 22a–22e Empfangsantennen bilden und die HF gesammelt und über die Leitung 16 abgeführt wird.
7 zeigt eine Ausführung eines HF-Verstärkers unter Verwendung von Verteil- und Sammelnetzwerken. Dabei wird die HF über eine HF-Zuleitung 30 einem Verteilnetzwerk 32 zugeführt, von wo diese über Leitungen 34 einer Anzahl (im dargestellten Beispiel fünf) HF-Leistungsverstärkern 36 zugeführt wird. Die darin verstärkte HF wird über weitere Leitungen 38 einem zweiten Sammelnetzwerk 40 zugeleitet und anschließend über die Ausgangsleitung 42 weiterer Verwendung zugeführt.

Claims

Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zwischen mindestens einem ersten Koppler (18) und einer Mehrzahl zweiter Koppler (20), wobei dieses als Hohlraumresonator (12) ausgebildet ist und die ersten und zweiten Koppler (18, 20) in definierter Zuordnung zur stehenden HF-Welle im Inneren des Hohlraumresonators (12b) zur Erzielung einer gewünschten Leistungsteilung oder Leistungszusammenführung angeordnet sind.
Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Koppler (18, 20) im Bereich der Wellenmaxima der stehenden HF-Welle angeordnet sind.
Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer definierten gewichteten Leistungsteilung ein Teil der ersten und/oder zweiten Koppler (18, 20) im Bereich der Wellenmaxima und andere Teile bei geringeren Wellenamplituden positioniert sind.
Netzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Sammel- oder Verteilnetzwerk für ein Antennen-Array ausgebildet ist.
Netzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens ein Mikrowellensubstrat (14c, 14d, 14e) umfaßt, auf dessen dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) gegenüberliegenden Seite eine Anzahl Antennen (22c, 22d, 22e) des Antennen-Arrays angeordnet sind.
Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antennen (22c, 22d, 22e) auf der dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) gegenüberliegenden Seite des Mikrowellensubstrats (14c, 14d, 14e) und dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) eine Anzahl von zweiten Kopplern (20c, 20d, 20e) vorgesehen ist.
Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Anzahl hintereinander angeordneter Antennen (22) umfasst und der Hohlraumresonator (12c) einen jeder Antenne (22c) zugeordneten zweiten Koppler (20c) umfasst.
Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Anzahl zweidimensional-rasterartig angeordneter Antennen (22d) umfasst und der Hohlraumresonator (12d) einen jeder Antenne (22d) zugeordneten zweiten Koppler (20d) umfasst.
Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Anzahl zweidimensional-rasterartig angeordneter Antennen (22e) umfasst, die aus mehreren Antennenreihen besteht, wobei die Antennen (22e) jeder Antennenreihe jeweils mittels einer Leitung (24) miteinander verbunden sind und der Hohlraumresonator (12e) einen zweiten Koppler (20e) für jede Leitung (24) umfasst.
Netzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Leistungs-Verteilnetzwerk im HF-Bereich von 20–150 GHz betreibbar ist.
Netzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Leistungs-Sammelnetzwerk im HF-Bereich von 20–150 GHz betreibbar ist.
Verstärker für den HF-Bereich von 20–150 GHz, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Leistungs-Verteilnetzwerk (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, das einen HF-Eingang (30) und eine Anzahl von HF-Ausgängen (34) aufweist, die jeweils HF-Leistungsverstärker (36) beaufschlagen, ferner die Ausgänge der HF-Leistungsverstärker Eingänge eines Leistungs-Sammelnetzwerkes (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 beaufschlagen, der die HF einem Ausgang (42) zuführt.