DE102010051094A1

DE102010051094A1 - Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung

Info

Publication number: DE102010051094A1
Application number: DE201010051094
Authority: DE
Inventors: Oliver Litschke; Zhichao Chen; Simon Otto; Andreas Rennings
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Eine in ihrer Richtwirkung frequenzabhängig steuerbare Gruppenantenne mit mehreren Strahlerelementen und Verbindungsleitungen wird vorgeschlagen, wobei die Verbindungsleitungen an den unterschiedlichen Strahlerelementen zugeordneten Enden unterschiedliche Querschnitte aufweisen, bzw. den Strahlerelementen resistive Elemente zugeordnet sind wodurch ein Abfall der Sendeleistung bei einer Senderichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strahlerebene vermieden oder verringert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Gruppenantennen oder so genannte ”Phased Arrays” sind Antennen, die ihrerseits aus mehreren Strahlerelementen bestehen. Diese Strahlerelemente werden mit unterschiedlichen Phasenlagen gespeist, wodurch ein gemeinsames Antennendiagramm oder eine gemeinsame primäre Strahlrichtung gebildet, beeinflusst und insbesondere geschwenkt werden kann.
Ein Antennendiagramm im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere die durch die Gruppenantenne bzw. Strahlerelemente gemeinsam gebildete Richtwirkung, primäre Stahlrichtung oder Ausrichtung der Wellenausbreitung oder ein entsprechender Strahl sein oder aufweisen. Unter dem Begriff (primäre) Strahlrichtung ist im Folgenden insbesondere auch die (primäre) Empfangsrichtung für den Empfangsfall zu verstehen. Insbesondere gelten die folgenden Beschreibungen für den Empfangsfall entsprechend.
Die von den Strahlerelementen abgestrahlten Anteile überlagern sich, wobei eine gleichphasige Ansteuerung der Strahlerelemente ein Antennendiagramm erzeugt, deren primäre Strahlrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die Elemente gebildeten Ebene – fortan auch Strahlerebene – ausgerichtet ist. Diese zumindest im Wesentlichen senkrechte Abstrahlung wird auch als ”Broadside” bezeichnet. Insbesondere kann die primäre Strahlrichtung bzw. Richtwirkung beeinflusst werden, indem die Phasenverschiebung zwischen den Strahlerelementen geändert wird. Auf diese Weise kann das Antennendiagramm geändert, insbesondere die primäre Strahlrichtung erreicht bzw. Richtwirkung geschwenkt werden, was im Folgenden auch als Strahlschwenkung bezeichnet wird.
Frequenzabhängig in ihrer Richtwirkung steuerbare Gruppenantennen sind seit Jahrzehnten insbesondere aus der Radar- und Luftfahrttechnik bekannt. Hierbei werden Strahlerelemente durch Verbindungsleitungen untereinander verbunden und zur Erzeugung eines bestimmten Antennendiagramms bzw. einer Strahlschwenkung wird die Frequenz eines der Antenne zugeführten Sendesignals geändert.
Bei der DE 1 591 318 A1 kann die Strahlschwenkung erreicht werden, ohne dass jedem einzelnen Strahlerelement ein separater Phasenschieber zugeordnet ist. Die Strahlerelemente sind untereinander durch Verzögerungsleitungen verbunden, die eine Phasenverschiebung von 360° oder Ganzzahlig-Vielfachen hiervon bei einer zu dieser Phasenverschiebung korrespondierenden Wellenlänge bzw. Frequenz – auch Grundfrequenz genannt – bewirken. Bei der Grundfrequenz liegt an jedem Strahlerelement dieselbe Phase an, und die primäre Strahlrichtung der Gruppenantenne steht auf der durch die Strahlerebene senkrecht, es wird also Broadside abgestrahlt.
Wenn die Sendefrequenz leicht von der Grundfrequenz abweicht, stimmt die konstruktiv festgelegte Länge der Verzögerungsleitungen nicht mehr mit 360° oder einem Ganzahlig-Vielfachen hiervon überein. Es tritt dann eine Phasenverschiebung von Strahlerelement zu Strahlerelement auf. Beispielsweise wird ein erstes Strahlerelement einen kurzen Augenblick vor dem benachbarten Strahlerelement angesteuert usw. Auf diese Weise weicht das resultierende Antennendiagramm – also insbesondere die primäre Strahlrichtung – um einen frequenzabhängigen Winkel – auch Abstrahlwinkel genannt – von Broadside ab.
Die DE 696 25 949 T2 lehrt die Bildung eines Strahlerfelds aus mehreren Gruppenantennen aus hintereinander geschalteten Strahlerelementen, wobei durch leicht unterschiedliche Auslegung der einzelnen Gruppenantennen und durch Umschalten zwischen diesen der für die Strahlschwenkung eines bestimmten Winkelbereichs notwendige Frequenzbereich verringert werden kann.
Problematisch bei den frequenzabhängig steuerbaren Gruppenantennen gemäß dem Stand der Technik ist ein Einbruch der durch solche Gruppenantennen abstrahlbaren Leistungen, wenn die Frequenz zumindest im Wesentlichen der Grundfrequenz entspricht bzw. wenn die Gruppenantenne zumindest im Wesentlichen in Broadside senden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung anzugeben, wobei Einbrüche in der abstrahlbaren Leistung bei Broadside verringert und/oder eine über die Frequenz bzw. den Winkel gleichmäßigere Leistungsabgabe erzielt werden kann.
Die obige Aufgabe wird durch eine Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorschlagsgemäß weist die Gruppenantenne mehrere Strahlerelemente und Verbindungsleitungen auf. Benachbarte Strahlerelemente sind jeweils durch eine Verbindungsleitung elektrisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise sind die Strahlerelemente in Serie geschaltet.
Wesentlich ist die Erkenntnis, dass eine Ursache des beschriebenen Einbruchs der abgestrahlten Leistung durch Stehwellen auf der Gruppenantenne verursacht werden kann. Weiter wurde erkannt, dass symmetrische Gebilde besonders zu einem solchen Verhalten neigen – insbesondere bei Broadside.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung variieren die Verbindungsleitungen jeweils in ihrem Querschnitt. In vorteilhafter Weise können hierdurch auch bei Broadside Stehwellen und insbesondere hierdurch verursachte Effekte, wie eine Impedanzänderung der Antenne, Reflektionen an der Antenne und/oder ein Einbruch der Sendeleistung, verringert oder vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Verbindungsleitungen mit den Strahlerelementen jeweils durch Widerstände verbunden. Auch hierdurch ist es insbesondere auch bei Broadside möglich, Stehwellen und insbesondere hierdurch hervorgerufene Effekte, wie eine Impedanzänderung der Antenne, Reflektionen und/oder ein Einbruch der Sendeleistung, zu reduzieren oder zu vermeiden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Strahlerelemente an in Querrichtung gegenüberlegenden bzw. in Längsrichtung der Gruppenantenne verlaufenden Seiten durch Widerstände angeschlossen. Auch diese ermöglichen durch ihre resistive Wirkung eine Unterdrückung von Stehwellen, insbesondere bei Broadside, wodurch Effekte, insbesondere durch Stehwellen, wie eine Impedanzänderung der Antenne, Reflektionen an dieser oder ein Einbruch der Sendeleistung, verringert oder vermieden werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Strahlerelemente mit den Verbindungsleitungen durch Widerstände elektrisch verbunden. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlerelemente durch Widerstände mit einer gemeinsamen Massefläche verbunden oder an diese angeschlossen sein.
Die Querrichtung, insbesondere eines Strahlerelements oder einer Verbindungsleitung, im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die zur Längserstreckung (Länge) einer Gruppenantenne oder Serienschaltung von Strahlerelementen zumindest im Wesentlichen quer verlaufende Richtung, wobei die Quererstreckung (Breite) der Strahlerelemente auch ihre Längserstreckung (Länge) übersteigen kann.
In vorteilhafter Weise ist es also mit einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung auch bei Broadside möglich, einen Einbruch der Sendeleistung wirksam zu reduzieren oder zu vermeiden.
Insbesondere lässt sich vorschlagsgemäß eine über den (Haupt-)Abstrahiwinkel bzw. die primäre Strahlrichtung gleichmäßigere Leistungsabgabe erreichen.
Vorzugsweise weisen die Verbindungsleitungen jeweils an ihren entgegengesetzten bzw. mit Strahlerelementen verbundenen Enden unterschiedliche Querschnitte auf. Durch die resultierende Asymmetrie ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Ausbreitung von Stehwellen auf der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne zu unterdrücken oder zu minimieren. Beispielsweise kann sich der maximale vom minimalen Querschnitt der jeweiligen Verbindungsleitung um zumindest 5% und/oder höchstens 50%, vorzugsweise zumindest 7% und/oder höchstens 30%, besonders bevorzugt zumindest 10% und/oder höchstens 20% unterscheiden.
Insbesondere wenn die Verbindungsleitungen als Streifenleiter oder Mikrostreifenleiter ausgelegt sind, also insbesondere die Verbindungsleitungen eine einheitliche und/oder im Vergleich zur Breite geringe Dicke aufweisen, kann ihr Querschnitt zumindest im Wesentlichen ihrer Quererstreckung entsprechen oder umgekehrt.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitungen jeweils eine Serienschaltung aus einem ersten und zweiten Leitungsabschnitt mit unterschiedlichen Querschnitten aufweisen. Insbesondere weisen beide Leitungsabschnitte zumindest im Wesentlichen die gleiche Längserstreckung auf. Mit einer derartigen Serienschaltung zweiter Leitungsabschnitte unterschiedlicher Querschnitte oder Quererstreckungen ist es auf besonders einfache und effektive Weise möglich, Einbrüche der Sendeleistung bei Broadside zu verhindern.
Vorzugsweise ist der Querschnittsübergang zwischen zwei unterschiedlichen Querschnitten einer Verbindungsleitung oder zwischen zwei Leitungsabschnitten stufenförmig, diskontinuierlich oder abrupt. Auch dies kann der Verhinderung von Stehwellen zuträglich sein.
Die Verbindungsleitungen können eine Längserstreckung aufweisen, die zumindest oder zumindest im Wesentlichen der Längserstreckung der Strahlerelemente entspricht. Weiter ist es möglich, dass die maximale Quererstreckung der Verbindungsleitungen höchstens der Hälfte, vorzugsweise höchstens einem Viertel, insbesondere etwa im Wesentlichen einem Zehntel ihrer Längserstreckung entspricht.
Vorzugsweise ist den Strahlerelementen und/oder den Verbindungsleitungen eine, insbesondere gemeinsame Massefläche zugeordnet und diese zumindest im Wesentlichen parallel zu diesen angeordnet. In vorteilhafter Weise ist es so möglich, eine planare vorschlagsgemäße Gruppenantenne mit frequenzabhängiger Richtwirkung zu erzeugen, was der Anwendung in Bereichen mit beschränktem Platzbedarf zuträglich ist.
Die Summe der Längserstreckung einer Verbindungsleitung und eines Strahlerelements (Gesamtlänge einer Einheitszelle) führt vorzugsweise zu einer Phasenverschiebung von zumindest im Wesentlichen 360° bzw. λ oder einem Vielfachen hiervon bzw. korrespondiert hierzu, insbesondere bezogen auf die Grundfrequenz oder deren Wellenlänge λ. Hierdurch ist es möglich, die vorschlagsgemäße Gruppenantenne für eine bestimmte Anwendung bzw. eine bestimmte Frequenz oder Wellenlänge, also wie eingangs erläutert auf eine Grundfrequenz derart auszulegen, dass eine Abstrahlung primär in Broadside erfolgt. Hiervon ausgehend ist es möglich, durch leichte Variation der Frequenz und/oder Wellenlänge des Sendesignals eine Strahlschwenkung zu erreichen, also die primäre Strahlrichtung zu beeinflussen.
Die vorschlagsgemäße Gruppenantenne kann zudem unterschiedliche Sendemodi aufweisen. Eine Einheitszelle bestehend aus einem Strahlerelement und an vorzugsweise gegenüberliegenden Seiten angeordneten Leitungsabschnitten in die Längsrichtung, insbesondere in Bezug auf die Querschnitte der Leitungsabschnitte bezogen auf das Strahlerelement, vorzugsweise zumindest leicht asymmetrisch aufgebaut. Werden mehrere Einheitszellen in Serie geschaltet, um eine Gruppenantenne zu bilden, kann auch eine gewisse Asymmetrie der gesamten Gruppenantenne resultieren. Typischerweise wird die vorschlagsgemäße Gruppenantenne an einem Eingang gespeist und ein dem Eingang gegenüberliegender Ausgang wird zumindest im Wesentlichen reflektionsfrei abgeschlossen. Hierbei werden die bereits eingangs erläuterten Eigenschaften und Vorteile erzielt. In einem alternativen Betriebsmodus ist es jedoch auch möglich, dass der Eingang der Gruppenantenne zumindest im Wesentlichen reflektionsfrei abgeschlossen wird und die Gruppenantenne am Ausgang gespeist bzw. mit einem Signal beaufschlagt wird. Hierbei können sich abweichende Eigenschaften der Gruppenantenne ergeben. In vorteilhafter Weise resultiert in diesem Betriebsmodus eine schmalbandige Charakteristik, die Antenne strahlt bzw. empfängt also primär in einem schmalen Frequenzband. Gleichzeitig wird in vorteilhafter Weise eine starke Richtwirkung bzw. eine sehr schmale Sendekeule, insbesondere in Broadside, ermöglicht. Dieser Sendemodus bietet also insbesondere bei Richtfunkverbindungen o. dgl. Vorteile.
Weiter kann es vorgesehen sein, eine oder mehrere vorschlagsgemäße Gruppenantenne(n) in einem Antennenarray bzw. Strahlerfeld zu verwenden oder ein solches aus mehreren vorschlagsgemäßen Gruppenantennen aufzubauen, insbesondere wobei mehrere Gruppenantennen oder die diesen zugeordneten Strahlerelemente flächig, insbesondere in einer Ebene, angeordnet werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad verbessert und/oder das Antennendiagramm individuell angepasst werden.
Die oben genannten sowie die nachfolgend beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können unabhängig voneinander, aber auch in einer beliebigen Kombination realisiert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Draufsicht einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne eines ersten Ausführungsbeispiels;
2 eine ausschnittsweise Vergrößerung des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
3 eine perspektivische Ansicht gemäß der Schnittlinie III-III aus 2;
4 eine ausschnittsweise Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne;
5 eine ausschnittsweise Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne;
6 eine ausschnittsweise Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne; und
7 eine schematische Draufsicht eines Strahlerfelds aus mehreren vorschlagsgemäßen Gruppenantennen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 mit frequenzabhängiger Richtwirkung. Die Gruppenantenne 1 weist mehrere, vorzugsweise viereckige, insbesondere zumindest im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Strahlerelemente 2 und vorzugsweise längliche Verbindungsleitungen 3 auf, wobei benachbarte Strahlerelemente 2 jeweils durch eine Verbindungsleitung 3 elektrisch leitend miteinander verbunden, also in Serie geschaltet sind.
Vorzugsweise ist ein Ausgang A der Gruppenantenne 1 durch einen Abschluss oder Sumpf 6, insbesondere durch einen gegen Masse 7 geschalteten Widerstand 8, abgeschlossen. In vorteilhafter Weise begünstigt ein derartiger Abschluss eine bevorzugte breitbandige Anwendbarkeit oder Verwendbarkeit der Gruppenantenne 1.
Die Gruppenantenne 1 wird vorzugsweise an einem insbesondere dem Ausgang A gegenüberliegenden Eingang E mit einem Sendesignal oder Signal S angesteuert oder beaufschlagt, wie in 1 durch einen Pfeil angedeutet.
Die Verbindungsleitungen 3 können jeweils aus mehreren Leitungsabschnitten 4, insbesondere jeweils aus einem ersten Leitungsabschnitt 4A und zweiten Leitungsabschnitt 4B bestehen oder solche aufweisen, die in dem Ausschnitt gemäß 2 deutlicher dargestellt sind. Wie in 1 und 2 mit gepunkteten Linien hervorgehoben, kann beispielsweise aus einem Strahlerelement 2 und zwei Leitungsabschnitten 4A und 4B eine Einheitszelle 5 gebildet sein.
Die Gruppenantenne 1 weist vorzugsweise mehrere dieser Einheitszellen 5 auf, im Ausführungsbeispiel gemäß 1 beispielsweise fünf bis 100, insbesondere zehn oder mehr Einheitszellen 5.
Vorzugsweise ist die Gruppenantenne 1 so ausgelegt, dass das Signal 5, insbesondere bei einer Grundfrequenz, zwischen Eingang und Ausgang einer Einheitszelle 5 oder bei Durchlaufen eines Strahlerelements 2 und einer Verbindungsleitung 3 eine Phasenverschiebung von 360° oder einem Vielfachen von 360° erfährt. Insbesondere können bei einer Grundfrequenz von 6 GHz die Längen und/oder Breiten der Strahlerelemente und/oder die Längen der Verbindungsleitungen zumindest im Wesentlichen ca. 2 cm sein, die Breiten der Verbindungsleitungen beispielsweise 0,2 cm. Hierdurch werden alle Strahlerelemente 2 gleichartig oder gleichphasig angesteuert, was zu einer Ausrichtung oder primären Strahlrichtung (im eingangs erklärten Sinn) der Gruppenantenne 1 zumindest im Wesentlichen quer bzw. senkrecht zu der durch die Strahlerelemente 2 gebildeten Ebene oder Strahlerebene bzw. in Broadside führt. In 1 entspricht diese Strahlerebene also insbesondere der Zeichenebene.
Die oben genannte Phasenverschiebung ist insbesondere durch die Verbindungsleitungen 3 und die Strahlerelemente 2 konstruktiv festgelegt, wodurch eine Verschiebung von genau 360° nur einer bestimmten, bereits eingangs erläuterten Grundfrequenz erfüllt ist. Bei einer leichten Abweichung von der Grundfrequenz resultiert eine Veränderung der Phasenverschiebung, insbesondere aufgrund der mit einer geänderten Frequenz einhergehenden geänderten Wellenlänge des Signals S. In diesem Fall werden die Strahlerelemente 2 nicht mehr gleichartig oder gleichphasig angesteuert, sondern mit einer von einem Eingang E zu einem Ausgang A zunehmenden oder abnehmenden Phasenveränderung. Hierdurch ergibt sich eine allen Strahlerelementen 2 gemeinsam zugeordnete Hauptstrahlrichtung (primäre Strahlrichtung) C bzw. ein primärer Abstrahlwinkel φ, die von der Frequenz abhängig sind. Die Hauptstrahlrichtung C bzw. der Abstrahlwinkel φ sind in 3 schematisch angedeutet, unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen C, Richtwirkungen bzw. primäre Strahlrichtungen, die frequenzabhängig vom Signal S sind, sind beispielhaft gestrichelt angedeutet.
Die Gruppenantenne 1 weist Verbindungsleitungen 3 auf, die jeweils in ihrem Querschnitt variieren. Insbesondere weisen die Verbindungsleitungen 3 an ihren mit Strahlerelementen verbundenen Enden 9 und 10 unterschiedliche Querschnitte auf. In vorteilhafter Weise ist es hierdurch möglich, die Entstehung von Stehwellen – also die Ausbildung von stehenden Wellen in oder auf der Gruppenantenne 1, insbesondere zwischen Eingang E und Ausgang A – zu unterdrücken bzw. einen Einbruch der abstrahlbaren Leistung bei der Grundfrequenz bzw. bei Broadside zu verringern oder zu vermeiden.
Vorzugsweise sind die Strahlerelemente 2 zumindest im Wesentlichen in einer Längsrichtung, hintereinander bzw. in einer Reihe, Zeile oder Spalte angeordnet. Hierdurch können eine konstruktive Überlagerung der Beiträge der einzelnen Strahlerelemente 2 und die Bildung der gewünschten Hauptstrahlrichtung C gewährleistet werden. Die vorschlagsgemäße Gruppenantenne 1 weist also insbesondere eine Längserstreckung auf, die durch die Anordnung der Strahlerelemente 2 bestimmt ist.
Wie bereits eingangs erläutert, beziehen sich die Längserstreckungen der Verbindungsleitungen 3 und/oder der Strahlerelemente 2 im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere auf eine Erstreckung in Richtung der Längserstreckung der Gruppenantenne 1. Wie ebenfalls schon eingangs erläutert wurde, ist eine Quererstreckung einer Verbindungsleitung 3 und/oder eines Strahlerelements 2 vorzugsweise als eine entsprechende Erstreckung quer zur Längserstreckung der Gruppenantenne 1 zu verstehen, selbst wenn die Quererstreckung eines Strahlerelements 2 seine Längserstreckung, also die Erstreckung in der Richtung der Längserstreckung der Gruppenantenne 1, übersteigt.
Zur Variation des Querschnitts der Verbindungsleitungen 3 weisen die Leitungsabschnitte 4A und 4B im ersten Ausführungsbeispiel vorzugsweise unterschiedliche Querschnitte auf. Der Querschnittsübergang 11 zwischen den Leitungsabschnitten 4A und 4B ist vorzugsweise stufenförmig, diskontinuierlich oder abrupt ausgestaltet.
Weiter hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der maximale vom minimalen Querschnitt der jeweiligen Verbindungsleitung zumindest 5% und/oder höchstens 50%, vorzugsweise zumindest 7% und/oder höchstens 30%, besonders bevorzugt zumindest 10% und/oder höchstens 20% unterscheidet. Insbesondere hat es sich also als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Querschnitte der Leitungsabschnitte 4A und 4B in diesem Maß unterscheiden. Ausgehend von gleichen Dicken der Leitungsabschnitt 4A und 4B unterscheiden sich also die Quererstreckungen (Breiten) vorzugsweise in diesem Sinne.
Für eine möglichst effiziente Abstrahlwirkung der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Verbindungsleitungen 3 eine Längserstreckung aufweisen, die zumindest oder zumindest im Wesentlichen der Längserstreckung der Strahlerelemente 2 entspricht.
Vorzugsweise sind die Leitungsabschnitte 4A einerseits und die Leitungsabschnitte 4B andererseits zumindest im Wesentlichen gleich lang ausgebildet.
3 zeigt einen perspektivischen Teilschnitt in Längsrichtung der Gruppenantenne 1 gemäß 2 entlang Schnittlinie III-III. Vorzugsweise ist bzw. sind den Strahlerelementen 2 und/oder den Verbindungsleitungen 3 ein Dielektrikum 12 und/oder eine Massefläche 13 zugeordnet. Vorzugsweise ist die Massefläche 13 zumindest im Wesentlichen parallel zu den Verbindungsleitungen 3 und/oder Strahlerelementen 2 und das Dielektrikum 12 zwischen diesem und der Massefläche 13 angeordnet. Hierdurch wird insbesondere die Konstruktion der Gruppenantenne 1 in Streifenleitertechnik ermöglicht. Es sind jedoch auch andere konstruktive Lösungen möglich, insbesondere auch mit mehrteilig ausgeführten Masseflächen o. dgl.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 vorgestellt, wobei für gleiche oder ähnliche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und wobei insbesondere nur wesentliche Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel erläutert worden. Die zuvor beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten daher insbesondere entsprechend oder ergänzend, auch wenn die wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
4 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1. In diesem Ausführungsbeispiel werden unterschiedliche Querschnitte an den Enden 9 und 10 der Verbindungsleitung 3 erreicht, indem sich der Querschnitt über die Längserstreckung der Verbindungsleitung 3 sukzessive, insbesondere zumindest im Wesentlichen kontinuierlich oder linear ändert. Es ist jedoch auch möglich, dass die Querschnittsänderung zwischen den Enden 9 und 10 der Verbindungsleitung 3 anders, insbesondere quadratisch oder bevorzugt exponentiell verläuft, was einem möglichst störungsfreien Übergang zwischen unterschiedlichen Querschnitten zuträglich ist.
Auch ist es möglich, dass die Querschnitte an den Enden 9 und 10 einer Verbindungsleitung 3 zwar zumindest im Wesentlichen gleich sind, der Querschnitt der Verbindungsleitung 3 jedoch zwischen den Enden, insbesondere in der oben beschriebenen Größenordnung, variiert.
Bei dem in 5 gezeigten, dritten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsleitungen 3 jeweils durch Widerstände 14 mit den Strahlerelementen 2 verbunden. Durch Einsatz der Widerstände 14 oder insbesondere durch eine hiermit einhergehende dämpfende Wirkung ist es möglich, das Auftreten von Stehwellen zu vermeiden und/oder einen Einbruch der Sendeleistung, insbesondere in der Hauptstrahlrichtung C bei Broadside zu kompensieren oder zu minimieren. Insbesondere können durch die Widerstände 14 Signalanteile, die potentiell zu Stehwellen führen können, in Wärme umgesetzt werden.
Die zuvor beschriebenen Verbindungsleitungen 3, die in ihrem Querschnitt variieren, sind auch mit diesem Ausführungsbeispiel kombinierbar. Es ist also vorschlagsgemäß möglich, jeweils in ihrem Querschnitt variierende Verbindungsleitungen 3, insbesondere gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, durch Widerstände 14 mit den Strahlerelementen 2 zu verbinden.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind die Strahlerelemente 2 an in Querrichtung (im eingangs erläuterten Sinn) gegenüberliegenden Seiten durch Widerstände 14, insbesondere an eine Masse, wie die Massefläche 13, oder einen Sumpf 15 angeschlossen. Auch in diesem Beispiel werden mögliche Stehwellen bzw. Einbrüche der Sendeleistung in der Hauptstrahlrichtung C bei Broadside insbesondere durch die resistive Wirkung der Widerstände 14 gedämpft, reduziert oder kompensiert. Weiter ist es möglich, das vierte Ausführungsbeispiel mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zu kombinieren. Beispielsweise können die Verbindungsleitungen 3 jeweils einen, insbesondere wie oben beschrieben, variablen Querschnitt aufweisen und/oder durch Widerstände 14 mit den Strahlerelementen 2 verbunden sein.
Vorzugsweise sind die Widerstände 14 in Bezug auf die Längsrichtung bzw. Länge der Strahlerelemente 2 zumindest im Wesentlichen mittig und/oder gegenüberliegend angeordnet. Es ist auch möglich, dass nur ein oder mehr als zwei Widerstände 14 an mindestens einer der in Querrichtung gegenüberliegenden Seiten angeordnet werden.
Vorschlagsgemäß kann die Gruppenantenne 1 mit frequenzabhängiger Richtwirkung zu einem Antennenarray oder Strahlerfeld 16 erweitert werden, insbesondere durch eine benachbarte Anordnung mehrerer Gruppenantennen 1, wie beispielhaft in 7 gezeigt. Vorschlagsgemäß ist es möglich, die einzelnen Gruppenantennen 1A, 1B, 1C in 7 mit den gleichen oder unterschiedlichen Signalen S anzusteuern bzw. zu beaufschlagen. Auch ist es möglich, nur einen Teil der Gruppenantennen 1 oder auch nur eine einzelne Gruppenantenne 1 aus dem Strahlerfeld 16 anzusteuern. Durch ein derart gebildetes Strahlerfeld 16 ist es möglich, die Sendeleistung bzw. Sendeeffizienz zu erhöhen und/oder ein individuelles Antennendiagramm zu erzeugen, wobei auch hier die für die vorschlagsgemäße Gruppenantenne 1 beschriebenen Vorteile für das Strahlerfelds 16 entsprechend oder ergänzend gelten. Das Strahlerfeld 16 wird also insbesondere durch die oben beschriebenen Ausgestaltungen der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 verbessert.
Vorzugsweise sind die Strahlerelemente 2 und die Verbindungsleitungen 3 einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 bzw. die Einheitszellen 5 zumindest im Wesentlichen gleichartig ausgestaltet, insbesondere weisen alle Strahlerelemente 2 und/oder Verbindungsleitungen 3 jeweils die gleichen Abmessungen auf. Es sind jedoch vorschlagsgemäß auch andere konstruktive Lösungen möglich. Insbesondere können die Strahlerelemente 2 einer Gruppenantenne auch unterschiedliche Längserstreckungen (Längen) und/oder Quererstreckungen (Breiten) aufweisen. Auch ist es möglich, dass die Verbindungsleitungen 3 zumindest teilweise unterschiedlich ausgestaltet sind, was auch ein Vertauschen der Leitungsabschnitte 4A und 4B mit einschließt.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele von vorschlagsgemäßen Gruppenantennen 1 beziehen sich primär auf eine Ausführung dieser in planarer Streifenleitertechnik. Durch die typisch im Vergleich zur Quererstreckung der Strahlerelemente 2 und Verbindungsleitungen 3 geringen Dicke der diese bildenden Schicht entspricht der Querschnitt der Verbindungsleitungen 2 zumindest im Wesentlichen ihrer Quererstreckung und auch die Quererstreckung der Strahlerelemente 2 entspricht zumindest im Wesentlichen ihrem Querschnitt. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, alternativ oder zusätzlich zu einer besonders bevorzugten Variation der Quererstreckung von Verbindungsleitungen 3 deren Schichtdicke, insbesondere entsprechend der obigen Beschreibung, zu variieren (nicht dargestellt).
Weiter ist es auch möglich, dass eine vorschlagsgemäße Gruppenantenne 1, insbesondere für niedrigere Frequenzen, auch in sonstigen Technologien realisiert wird. So kann es vorgesehen sein, die Verbindungsleitungen 3 auch als Koaxialleitungen, dielektrische Wellenleiter oder Hohlleiter auszuführen. Im Fall der Realisierung einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 durch Koaxialleitungen kann die Seele dieser eine Verbindungsleitung 3 im Sinne der vorliegenden Erfindung sein, bei einem dielektrischen Wellenleiter das Dielektrikum und bei einem Hohlleiter kann der signalführende Hohlraum eine Verbindungsleitung 3 im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen oder bilden. Insbesondere ist es also auch in diesen Fällen möglich, durch Veränderung des jeweiligen Querschnitts zumindest teilweise die geschilderten Vorteile zu erreichen.
Die Strahlerelemente 2 sind in den vorliegenden Ausführungsbeispielen als flache, insbesondere metallische, viereckige oder rechteckige oder zumindest im Wesentlichen quadratische Gebilde ausgeführt, vorzugsweise wobei die Quererstreckung der Strahlerelemente 2 zumindest ihrer Längserstreckung entspricht. Vorschlagsgemäß ist es aber auch möglich, dass die Strahlerelemente 2 auch auf sonstige Weise, insbesondere als Einzelantennen, wie Dipolantennen, Hornantennen o. dgl., ausgeführt sind.
Zur Bildung einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 mit frequenzabhängiger Richtwirkung ist es bevorzugt, die Strahlerelemente 2 in einer Reihe oder Zeile anzuordnen, da dies der Bildung einer gemeinsamen Hauptstrahlrichtung C zuträglich ist. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass die Strahlerelemente 2 gegeneinander versetzt angeordnet sind oder sonstige Strukturen bilden. Weiter sind die Strahlerelemente 2 vorzugsweise in einer Strahlerebene angeordnet. Diese Strahlerebene ist nur bevorzugt eben bzw. flach, kann jedoch auch gewölbt oder auf andere Weise geformt sein.
In einem ersten Sendemodus mit der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 ist, wie in 1 abgebildet, der Ausgang A zumindest im wesentlichen Reflektionsfrei abgeschlossen und das Signal S wird in den Eingang eingespeist. Insbesondere folgen bei der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne aus der mit dem Pfeil angedeuteten Speiserichtung gesehen also ein Leitungsabschnitt 4A, ein Strahlerelement 2 und ein Leitungsabschnitt 4B aufeinander, wobei, vorzugsweise, der Leitungsabschnitt 4A (stets) einen größeren Querschnitt aufweist als der Leitungsabschnitt 4B. An den Leitungsabschnitt 4B schließt sich wieder ein Leitungsabschnitt 4A, ein Strahlerelement 2 und ein weiterer Leitungsabschnitt 4B an, wodurch, insbesondere bei weiterer Fortsetzung dieser Struktur, die vorschlagsgemäße Gruppenantenne gebildet wird. Aus der Asymmetrie der Einheitszellen 5 folgt auch eine gewisse Asymmetrie im Verhalten und/oder Aufbau der gesamten Gruppenantenne 1.
In einem ersten Sendemodus wird die vorschlagsgemäße Gruppenantenne 1 am Eingang E mit einem Signal beaufschlagt und am Ausgang A zumindest im Wesentlichen reflektionsfrei abgeschlossen. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit der von der Frequenz abhängigen Strahlschwenkung unter Vermeidung von Einbrüchen der abstrahlbaren Leistung bei Broadside, wie bereits erläutert.
In einem zweiten Sendemodus ist es möglich, die vorschlagsgemäße Gruppenantenne 1 am Ausgang A zu speisen und, vorzugsweise, den Eingang E zumindest im Wesentlichen reflektionsfrei abzuschließen. Hierzu ist es möglich, beispielsweise den Widerstand 8 am Eingang E einzusetzen, insbesondere den Eingang E mittels des Widerstands 8 mit Masse 7 zu verbinden. Wird nun der Ausgang A mit einem Signal S beaufschlagt oder gespeist, ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine ausgeprägte Richtcharakteristik, insbesondere in Broadside, zu erzielen. Insbesondere wird die Strahlbündelung in Broadside oder Richtung Broadside dadurch verbessert, dass durch den vorschlagsgemäßen Aufbau die genutzte Antennen-Aperturfläche in diesem Betriebsfall vergrößert wird. Der vorschlagsgemäße Aufbau der Gruppenantenne 1 kann also dazu führen, dass diese in dem beschriebenen Sendemodus mit einer verhältnismäßig unkomplizierten Konstruktion als Richtantenne mit ausgeprägter Richtcharakteristik fungieren kann. Diese zeichnet sich weiter dadurch aus, dass sie verhältnismäßig schmalbandig, also unempfindlich gegenüber Frequenzen abseits der Grundfrequenz bzw. Betriebsfrequenz der Gruppenantenne 1 ist.
Es wird also eine Gruppenantenne bestehend aus asymmetrisch aufgebauten Einheitszellen vorgeschlagen, die in einem ersten Betriebsmodus eine durch die Frequenz schwenkbare Richtcharakteristik unter Vermeidung eines Einbruchs dieser Charakteristik bei Broadside sowie einen zweiten Betriebsmodus unterstützt, der eine außergewöhnlich stark ausgeprägte Richtcharakteristik in Broadside aufweist.
Auch wenn die vorliegende Erfindung im Hinblick auf den Sendefall einer Gruppenantenne 1 beschrieben ist, gelten die Beschreibungen und Vorteile, insbesondere in Bezug auf Richtwirkung, Ausrichtung und Verhinderung von Stehwellen, für den Empfang mit einer vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 entsprechend. Insbesondere kann mit der vorschlagsgemäßen Gruppenantenne 1 die empfangbare Leistung, insbesondere bei Broadside, verbessert werden.
In einem ganz konkreten Beispiel können die Strahlerelemente 2 beispielsweise eine Längserstreckung von mehr als 2 mm bzw. weniger als 4 mm, insbesondere 3,15 mm, und eine Querersteckung von mehr als 2 mm bzw. weniger als 6 mm, insbesondere 4 mm aufweisen. Die Verbindungsleitungen 3 können eine Gesamtlänge von mehr als 2 mm (2 × 1 mm) bzw. weniger als 5 mm (2 × 2,5 mm), insbesondere 3,36 mm oder 2 × 1,68 mm, aufweisen, die in einem Leitungsabschnitt 4A mit einem Querschnitt von mindestens 300 μm bzw. höchstens 600 μm, insbesondere von 450 μm und einen Leitungsabschnitt 4B mit einem Querschnitt von mindestens 250 μm bzw. höchstens 550 μm, insbesondere 400 μm, aufgeteilt ist. Zwischen den Strahlerelementen 2 und der Massefläche 13 kann ein Dielektrikum mit einer die Elektrizitätskonstante von mindestens 2 bzw. höchstens 8, insbesondere von 3,55, und einer Stärke von mindestens 100 μm bzw. höchstens 1000 μm, insbesondere 508 μm, angeordnet sein. In diesem konkreten Beispiel kann die Grundfrequenz der Gruppenantenne 1 mehr als 10 MHz bzw. weniger als 100 Ghz, insbesondere 24 GHz, betragen.
Bezugszeichenliste

1: Gruppenantenne
1A–1C: Gruppenantenne
2: Strahlerelement
3: Verbindungsleitung
4A: Leitungsabschnitt
4B: Leitungsabschnitt
5: Einheitszelle
6: Sumpf
7: Masse
8: Widerstand
9: Ende
10: Ende
11: Querschnittsübergang
12: Dielektrikum
13: Massefläche
14: Widerstand
15: Masse
16: Strahlerfeld
A: Ausgang
C: Hauptstrahlrichtung
E: Eingang
S: Signal

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 1591318 A1 [0006]
DE 69625949 T2 [0008]

Claims

Gruppenantenne (1) mit frequenzabhängiger Richtwirkung, mit mehreren Strahlerelementen (2) und Verbindungsleitungen (3), wobei benachbarte Strahlerelemente (2) jeweils durch eine Verbindungsleitung (3) elektrisch leitend miteinander verbunden und die Strahlerelemente (2) in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3) jeweils in ihrem Querschnitt variieren; und/oder dass die Verbindungsleitungen (3) jeweils durch Widerstände (14) mit den Strahlerelementen (2) verbunden sind; und/oder dass die Strahlerelemente (2) an in Querrichtung gegenüberliegenden Seiten durch Widerstände (14) angeschlossen sind.
Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3) an ihren mit Strahlerelementen (2) verbundenen Enden unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der maximale vom minimalen Querschnitt der jeweiligen Verbindungsleitung (3) zumindest 5% und/oder höchstens 50%, vorzugsweise zumindest 7% und/oder höchstens 30%, besonders bevorzugt zumindest 10% und/oder höchstens 20% unterscheiden.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3) jeweils eine Serienschaltung erster und zweiter Leitungsabschnitte (4A, 4B) mit unterschiedlichen ersten und zweiten Querschnitten aufweisen, insbesondere wobei die Leitungsabschnitte (4A, 4B) zumindest im Wesentlichen die gleiche Längsersteckung aufweisen.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3) zwischen zwei unterschiedlichen Querschnitten und/oder zwischen ersten und zweiten Leitungsabschnitten (4A, 4B) einen stufenförmigen, diskontinuierlichen oder abrupten Querschnittsübergang (11) aufweisen.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3) eine Längserstreckung aufweisen, die zumindest oder zumindest im Wesentlichen der Längserstreckung der Strahlerelemente (2) entspricht.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Quererstreckung der Verbindungsleitungen (3) höchstens der Hälfte, vorzugsweise höchstens einem Viertel, insbesondere etwa einem Zehntel ihrer Längserstreckung entspricht.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Strahlerelementen (2) und/oder den Verbindungsleitungen (3) eine, insbesondere gemeinsame Massefläche (13) zugeordnet ist, die vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel zu diesen angeordnet ist.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (2) mit den Verbindungsleitungen (3) durch Widerstände (14) elektrisch verbunden sind und/oder dass die Strahlerelemente (2) durch Widerstände elektrisch mit einer gemeinsamen Massefläche (13) verbunden oder an diese angeschlossen sind.
Gruppenantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Längserstreckungen einer Verbindungsleitung (3) und eines Strahlerelements (2) zu einer Phasenverschiebung von zumindest im Wesentlichen 360° bzw. λ oder einem Vielfachen hiervon, insbesondere bezogen auf eine Grundfrequenz, korrespondiert.
Strahlerfeld (16) mit einer Gruppenantenne (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerfeld (16) eine oder mehrere Gruppenantennen (1) gemäß einem der voran stehenden Ansprüche aufweist, insbesondere wobei diese oder deren Strahlerelemente (2) flächig angeordnet sind.