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Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit einem Wellenleiter, der zwei parallel zueinander angeordnete Platten aus elektrisch leitendem Material aufweist, zwischen denen ein dielektrisches Material angeordnet ist, und mit einer Einspeiseeinrichtung, mit der elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter eingekoppelt werden können, die sich dann entlang des Wellenleiters ausbreiten und an einem von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Rand des Wellenleiters abgestrahlt werden.
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Aus der Praxis ist eine große Anzahl von unterschiedlichen Antennen bekannt, mit denen elektromagnetische Wellen abgestrahlt oder empfangen werden können. Die unterschiedlichen Antenneneinrichtungen sind dabei an unterschiedliche Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung und an die jeweiligen Anforderungen bezüglich der gewünschten Strahlungsleistung, der Strahlungscharakteristik und der jeweils vorgesehenen Einsatzbereiche angepasst. Es kann beispielsweise zwischen linearen Antennen, die eine linienhafte Stromverteilung in der Antennenstruktur aufweisen, und Flächenantennen unterschieden werden, bei denen eine leitungsgeführte Welle über eine beispielsweise streifenförmige oder kreisförmige Fläche abgestrahlt werden.
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Um Übertragungsverluste der elektromagnetischen Wellen von einem Sender zu einem Empfänger zu reduzieren ist es vorteilhaft, die von dem Sender abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in Richtung des Empfängers zu fokussieren, sodass ein möglichst großer Anteil der von dem Sender abgestrahlten Strahlungsleistung in die Richtung des Empfängers abgestrahlt wird und von diesem empfangen werden kann. Zu diesem Zweck sind aus der Praxis verschiedene Antenneneinrichtungen bekannt, bei denen die Strahlungscharakteristik der Antenneneinrichtung beeinflusst und die Richtung der maximalen Strahlungsleistung beziehungsweise die bevorzugte Ausstrahlungsrichtung verändert und auf einen beabstandet von der Antenneneinrichtung angeordneten Empfänger ausgerichtet werden kann.
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Insbesondere bei niedrigen Frequenzen, beziehungsweise langen Wellenlängen, werden Antenneneinrichtungen mit mechanisch verlagerbaren Komponenten eingesetzt, deren Verlagerung eine Veränderung der Strahlungscharakteristik und eine Beeinflussung der richtungsabhängigen Sendeleistung ermöglicht.
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Es sind auch Antennenarrays bekannt, bei denen eine Anzahl von beabstandet zueinander angeordneten Antenneneinrichtungen jeweils zeitlich aufeinander abgestimmt elektromagnetische Wellen abstrahlen, sodass die sich ergebende Überlagerung der von den einzelnen Antenneneinrichtungen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eine Vorzugsrichtung ergibt, in welche die größte Strahlungsleistung abgestrahlt wird.
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Für hochfrequente elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von beispielsweise Gigahertz oder Terrahertz sind die charakteristischen Abmessungen der Antenneneinrichtungen ortmals im Bereich von Millimetern und kleiner, um zumindest näherungsweise der Wellenlänge der abgestrahlten oder empfangenen elektromagnetischen Strahlung entsprechen. Die Herstellung von Antenneneinrichtungen mit mechanisch relativ zueinander verlagerbaren Komponenten, die für die Abstrahlung von derart hochfrequenten elektromagnetischen Wellen geeignet wären, ist sehr aufwendig und kostenintensiv. Dagegen ist der Betrieb von Antennenarrays, bei denen mit jeder einzelnen Antenneneinrichtung elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von Gigahertz und höher abgestrahlt werden können, aufgrund der notwendigen Aufteilung des Antennensignals auf eine große Anzahl von einzelnen Antenneneinrichtungen und wegen der Verluste bei den jeweiligen Phasenschiebern mit vergleichsweise hohen Verlusten der Sendeleistung behaftet.
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Antenneneinrichtungen der eingangs genannten Gattung, bei denen sich die elektromagnetische Welle längs eines aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten gebildeten Wellenleiters ausbreitet und von einem Rand des Wellenleiters abgestrahlt wird, eignen sich erfahrungsgemäß auch für die Abstrahlung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von einem Gigahertz und mehr. Allerdings sind keine derartigen Antenneneinrichtungen bekannt, die eine Beeinflussung der Strahlungscharakteristik der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ermöglichen würden.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Antenneneinrichtung der eingangs genannten Gattung so auszugestalten und weiter zu entwickeln, dass die Strahlungscharakteristik und insbesondere die Richtung einer maximalen Strahlungsleistung der Antenneneinrichtung mit einfachen Mitteln und mit möglichst geringen Verlusten beeinflusst und vorgegeben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einer Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung das dielektrische Material so beeinflusst werden kann, dass ein erster Bereich mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität gebildet wird, sodass die in den Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den ersten Bereich hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten Ausbreitungsrichtung abgestrahlt werden. Eine Veränderung der Ausrichtung der beiden parallel zueinander angeordneten Platten ist nicht erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass durch die Ausbildung eines ersten Bereichs zwischen den beiden parallel zueinander angeordneten Platten, dessen ersten Permittivität sich von mindestens einen angrenzenden zweiten Bereich unterscheidet, bereits ausreicht, um die bevorzugte Ausbreitungsrichtung der über die Einspeiseeinrichtung eingekoppelten elektromagnetischen Wellen zu beeinflussen und vorzugeben. Je höher der Unterschied der ersten Permittivität zu der zweiten Permittivität und je deutlicher abgegrenzt der erste Bereich von einem zweiten angrenzenden Bereich ist, umso stärker kann die bevorzugte Ausbreitungsrichtung beeinflusst und vorgegeben werden. Die Permittivität des dielektrischen Materials kann in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Material auch berührungslos beziehungsweise ohne eine mechanische Verlagerung einzelner Komponenten der Antenneneinrichtung vorgenommen werden. In Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten dielektrischen Material und der Wirkungsweise der Steuereinrichtung lassen sich sehr kurze Reaktionszeiten bei einer Anpassung der bevorzugten Ausbreitungsrichtung ermöglichen.
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Die Formgebung der parallel zueinander angeordneten Platten und insbesondere die Anordnung der Einspeiseeinrichtung und der Verlauf des von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Randes des Wellenleiters können in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Verwendungszweck der Antenneneinrichtung vorgegeben und beispielsweise an einen gewünschten Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen und an die gewünschten Variationsmöglichkeiten für die Ausrichtung der bevorzugten Ausbreitungsrichtung angepasst sein.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Wellenleiter wie ein Kreissegment geformt ist und die Einspeiseeinrichtung die elektromagnetische Welle in dem Kreismittelpunkt einspeist, und dass der erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich jeweils von dem Kreismittelpunkt ausgehende kleinere Kreissegmente innerhalb des Wellenleiters bilden. Mit einer derartigen Konfiguration der Antenneneinrichtung kann die bevorzugte Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen über den ganzen Winkelbereich variiert werden, der von dem als Kreissegment ausgestalteten Wellenleiter abgedeckt wird. Der erste Bereich, der die bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgibt, kann durch ein innerhalb des Wellenleiters in verschiedene Richtungen ausrichtbares kleines Kreissegment gebildet werden. Sofern der erste Bereich nicht unmittelbar an einen Randbereich des Wellenleiters angrenzt, wird der erste Bereich mit einer höheren Permittivität zweckmäßigerweise auf beiden Seiten von einem zweiten Bereich mit einer kleineren Permittivität begrenzt, wobei jeder zweite Bereich ebenfalls als kleineres Kreissegment ausgebildet ist und die einzelnen Kreissegmente des ersten Bereichs und der beiden zweiten Bereiche das Kreissegment bzw. den Winkelbereich des Wellenleiters vollständig abdecken.
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Der Wellenleiter kann beispielsweise halbkreisförmig ausgebildet sein und sich über einen Winkelbereich von 180° erstrecken. Der erste Bereich, der mit seiner höheren Permittivität die bevorzugte Ausbreitungsvorrichtung vorgibt, kann beispielsweise ein an den Wellenleiter angepasstes Kreissegment mit einem Öffnungswinkel von etwa 10° bis 20° sein. Die beiden zweiten Bereiche grenzen in Umfangsrichtung jeweils an den ersten Bereich an und bedecken den von dem ersten Bereich nicht abgedeckten Winkelbereich des Wellenleiters und damit in dem genannten Beispiel einen Winkelbereich von insgesamt 170° bzw. 160°.
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Es ist ebenfalls möglich, den Wellenleiter mit einem kleineren Winkelbereich als 180° vorzugeben, sofern die bevorzugte Ausbreitungsrichtung nur innerhalb eines kleineren Winkelbereichs verändert werden können soll. Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die beiden Wellenleiter jeweils als kreisförmige Platten auszugestalten und die Einspeiseeinrichtung in dem Kreismittelpunkt so anzuordnen und auszugestalten, dass die elektromagnetischen Wellen im Bereich des Kreismittelpunkts von außen eingekoppelt und zwischen den beiden kreisförmigen Platten eingespeist werden und sich anschließend über den gesamten Kreiswinkelbereich von 360° ausbreiten können. Durch die Ausgestaltung und Ausrichtung des ersten Bereiches kann dann eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung innerhalb des vollständigen Kreiswinkels von 360° beliebig vorgegeben werden.
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Der erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich können sich in radialer Richtung von dem Kreismittelpunkt bis zu dem Randbereich erstrecken. Es ist ebenfalls möglich, dass sich der erste Bereich in radialer Richtung nicht bis zu dem Randbereich des Wellenleiters erstreckt, sondern lediglich über einen Teilbereich. Dabei kann der Radius des ersten Bereichs mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 75% des Radius des Randbereichs betragen.
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Sofern die bevorzugte Ausbreitungsrichtung nur zwischen zwei oder drei bzw. mehreren einzelnen Richtungen verändert beziehungsweise umgeschaltet werden können soll, ist es gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorteilhaft, dass der Wellenleiter einen längs mehrerer aneinander anschließender Kreissehnen verlaufenden äußeren Umfangsrand aufweist und die Einspeiseeinrichtung die elektromagnetische Welle in den Kreismittelpunkt einspeist, und dass von dem Kreismittelpunkt ausgehende Ränder des ersten Bereichs und des mindestens einen zweiten Bereichs jeweils durch die Schnittpunkte der jeweils dem ersten beziehungsweise zweiten Bereich zugeordneten Kreissehne mit einem Umfangskreis verlaufen. Der den ersten Bereich und den mindestens einen zweiten Bereich in radialer Richtung begrenzende Umfangskreis kann dem äußeren Umfangsrand des Wellenleiters entsprechen, aber auch einen kleineren Radius aufweisen. Die einzelnen Kreissehnen-Abschnitte verlaufen dann jeweils senkrecht zu der in diesem Winkelbereich um die Einspeiseeinrichtung vorgegebenen bevorzugten Ausbreitungsrichtung der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Der einer Kreissehne zugeordnete erste Bereich, innerhalb sich die elektromagnetischen Wellen bevorzugt ausbreiten sollen, ist im Wesentlichen dreiecksförmig. Die Beeinflussung des dielektrischen Materials in den einzelnen durch Kreissehnen begrenzten Winkelbereichen ist konstruktiv einfach und kostengünstig umsetzbar.
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Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das dielektrische Material ein dielektrischer Festkörper ist, dessen Formgebung dem ersten Bereich entspricht und dessen Ausrichtung relativ zu der Einspeiseeinrichtung veränderbar ist. Der dielektrische Festkörper kann beispielsweise ein Kreissegment oder ein Dreieck aus einem dielektrischen Material mit einer hohen Permittivität in dem vorgesehenen Wellenlängenbereich der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen sein. Ein für viele Anwendungen zweckmäßiges dielektrisches Material ist beispielsweise ein Polystyrol-Kunststoff mit einer Permittivität von εr= 2,53 bei 50 GHz. Der dielektrische Festkörper kann beispielsweise durch eine geeignete Zwangsführung von der Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung verlagert und jeweils in die bevorzugte Ausbreitungsrichtung ausgerichtet werden. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise durch Einbettung magnetischer Materialien die Ausrichtung des dielektrischen Materials über von außen angelegte veränderbare Magnetfelder vorzugeben. Bei ausreichend groß dimensionierten Antenneneinrichtungen kann eine mechanische Wirkverbindung der Steuereinrichtung mit dem dielektrischen Festkörper vorgesehen sein und der dielektrische Festkörper beispielsweise mittels Seilzügen oder Führungsstangen, beziehungsweise über einen Getriebemechanismus verlagert werden.
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Das dielektrische Material kann auch ein steuerbarer dielektrischer Feststoff wie beispielsweise Barium-Strontium-Titanat sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das dielektrische Material ein Fluid mit einer anisotropen Permittivität ist. Ein hierfür geeignetes Fluid ist beispielsweise ein Flüssigkristall-Material, bei dem die einzelnen stabförmigen Moleküle deutlich voneinander abweichende Permittivitäten längs einer Längsachse und quer dazu aufweisen. Das Flüssigkristall-Material kann beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflusst werden, sodass für einzelne Bereiche des Flüssigkristall-Materials in der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch den Wellenleiter unterschiedliche Permittivitäten vorgegeben werden können. Geeignete Flüssigkristall-Materialien sind aufgrund der häufigen Verwendung derartiger Materialien in anderen Produktbereichen in verschiedenen Ausgestaltungen handelsüblich und kostengünstig erhältlich.
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Die Ansteuerung des Flüssigkristall-Materials beziehungsweise die Beeinflussung der Ausrichtung einzelner Flüssigkristall-Moleküle mit Hilfe von extern erzeugten elektrischen Feldern ist bereits gut untersucht und in vielen Varianten und Ausgestaltungen aus der Praxis bekannt. So kann beispielsweise jeweils eine Elektrodenstruktur elektrisch isoliert an den Platten angeordnet und von der Steuereinrichtung mit der gewünschten Spannungsverteilung beaufschlagt werden, um in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten das dort befindliche Flüssigkristall-Material hinsichtlich der Ausrichtung der einzelnen Flüssigkristall-Moleküle zu beeinflussen und dadurch die Permittivität in der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen vorzugeben. Zweckmäßigerweise wird dabei ein Flüssigkristall-Material verwendet, das eine besonders große Anisotropie der Permittivität aufweist.
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Die Steuereinrichtung weist erfindungsgemäß jeweils mehrere an den Platten des Wellenleiters angeordnete und von diesen isolierte Elektroden oder gesondert ansteuerbare Elektrodensegmente auf, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, wodurch die Permittivität des zwischen den Platten angeordneten Fluides beeinflusst werden kann und ein erster Bereich mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität vorgegebenen werden können. Je größer die Anzahl der Elektroden bzw. der einzeln ansteuerbaren Segmente der Elektroden an den Platten ist, umso vielfältiger sind die Möglichkeiten, die bevorzugte Ausbreitungsrichtung der abgestrahlten elektromagnetischen Welle zu beeinflussen und vorzugeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass jede Elektrode in Form eines Streifens oder eines schmalen Kreissegments ausgestaltet ist und sich ausgehend von der Einspeiseeinrichtung zu einem beabstandeten Rand der zugeordneten Platte des Wellenleiters erstreckt. Mit einer ausreichenden Anzahl derart ausgestalteter Elektroden können einzelne Winkelbereiche des Wellenleiters mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, um in dem zwischen den Platten befindlichen dielektrischen Fluid einen ersten Bereich mit einer hohen Permittivität und auf mindestens einer Seite, beziehungsweise gegebenenfalls auf beiden Seiten angrenzende zweite Bereiche mit einer niedrigeren Permittivität auszubilden.
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Die Elektroden müssen nicht notwendigerweise unmittelbar an den Platten angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass von außen ein den Wellenleiter durchdringendes elektrisches Feld erzeugt wird. Es ist weiterhin auch möglich, dass das elektrische Feld durch Elektroden erzeugt wird, die zwischen beabstandet zueinander verlaufenden Randbereichen des Wellenleiters zwischen den Platten oder außerhalb der Platten des Wellenleiters angeordnet sind.
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Weiterhin ist es ebenfalls möglich, das dielektrische Material durch ein extern angelegtes Magnetfeld zu beeinflussen, welches den Wellenleiter durchdringt. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten dielektrischen Materials können auch andere Wirkmechanismen eingesetzt werden, um eine vorgegebene Ausrichtung einzelner Moleküle und eine Veränderung der Permittivität beispielsweise durch eine geeignete Vorgabe eines Drucks oder einer Temperatur herbeizuführen.
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Um eine Anpassung des Wellenwiderstands bei dem Ablösen der elektromagnetischen Wellen von dem Wellenleiter in den freien Raum in geeigneter Weise anpassen zu können und an dem Rand des Wellenleiters unerwünschte Reflektionen zu verringern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden Platten in einem von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Randbereich einen mit zunehmendem Abstand von der Einspeiseeinrichtung größer werdenden Abstand voneinander aufweisen. Die Randbereiche der beiden Platten können zu diesem Zweck entweder jeweils schräg nach außen abgewinkelt oder nach außen spitz zulaufend ausgestaltet sein. Der derart ausgebildete Randbereich des Wellenleiters wirkt wie ein Hornstrahler und ermöglicht eine zusätzliche Verbesserung der Strahlungsleistung in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung.
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Die Randbereiche der beiden Platten können relativ zu der Wellenleiterebene der parallelen Bereiche des Wellenleiters auch jeweils in einem vorgegebenen Winkel so angeordnet sein, dass die elektromagnetischen Wellen in einem Winkel relativ zu der Wellenleiterebene abgestrahlt werden. Eine derartige Ausgestaltung der Randbereiche kann bei einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Antenneneinrichtung an einer Grenzfläche wie beispielsweise an einer Wand oder an einer Decke vorteilhaft sein.
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Es ist ebenfalls möglich und insbesondere bei ausreichend großen Abmessungen des Wellenleiters ohne großen konstruktiven Aufwand realisierbar, dass die Randbereiche der beiden Platten des Wellenleiters hinsichtlich ihrer Ausrichtung und/oder Formgebung während des Betriebs verändert werden können, um durch die Randbereiche die bevorzugte Ausbreitungsrichtung zu beeinflussen und in einer Richtungsebene verändert werden zu können, die senkrecht zu der von den parallelen Platten vorgegebenen Richtungsebene liegt, in der die bevorzugte Ausbreitungsrichtung von dem dielektrischen Material beeinflusst und vorgegeben werden kann.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit einer Antenneneinrichtung mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit der Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung ein erster Bereich mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität erzeugt wird, sodass die in den Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den ersten Bereich hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten Ausbreitungsrichtung abgestrahlt werden.
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Es ist erfindungsgemäß möglich, dass während des Betriebs der Antenneneinrichtung der erste Bereich wie ein Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und die Ausrichtung des Kreissegments oder Dreiecks relativ zu der Einspeiseeinrichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Abstrahlrichtung angepasst wird. Es ist ebenfalls möglich, dass der erste Bereich wie ein Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und der von dem Kreissegment oder Dreieck abgedeckte Winkelbereich in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Richtungsfokussierung angepasst wird. So kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem jeweiligen Verwendungszweck in der gewünschten Ausbreitungsrichtung eine vergleichsweise breite und sich über einen größeren Winkelbereich erstreckende Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen durch einen breiten ersten Bereich vorgegeben werden, oder aber eine auf einen sehr schmalen Winkelbereich fokussierte Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen durch die Vorgabe eines entsprechend schmalen ersten Bereichs vorgegeben werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem zu schmal vorgegebenen ersten Bereich die Richtungsfokussierung wieder schlechter wird, so dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und der Ausgestaltung des Wellenleiters sowie des dielektrischen Materials eine vorteilhafte Breite des ersten Bereichs ermittelt und vorgegeben werden kann, mit der eine bestmögliche Richtungsfokussierung der bevorzugten Abstrahlungsrichtung erreicht werden kann.
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Es ist ebenfalls möglich, dass sowohl die breite, beziehungsweise die Winkelbereichsabdeckung des ersten Bereichs als auch dessen Ausrichtung gleichzeitig während des Betriebs der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung verändert werden.
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Erfindungsgemäß kann die Antenneneinrichtung auch mehrere übereinander gestapelte Wellenleiter aufweisen, in die über eine gemeinsame Einspeiseeinrichtung oder über mehrere gesonderte und jeweils einem Wellenleiter zugeordnete Einspeiseeinrichtungen elektromagnetische Wellen eingekoppelt werden können. Durch eine geeignete Kombination mehrerer Wellenleiter kann die insgesamt mit der Antenneneinrichtung in eine bevorzugte Abstrahlungsrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlungsleistung erheblich erhöht werden.
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Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, mehrere erfindungsgemäße Antenneneinrichtungen beabstandet zueinander anzuordnen und synchronisiert zu betreiben, um die insgesamt in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlungsleistung zu erhöhen. Die mehreren Antenneneinrichtungen können dabei matrixförmig beabstandet zueinander oder auch beispielsweise übereinander gestapelt angeordnet sein. Bei mehreren übereinander gestapelten Antenneneinrichtungen können lediglich die äußeren Platten der gestapelten Wellenleiter einen Randbereich aufweisen, die einen einzigen Hornstrahler für alle Wellenleiter bilden.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung exemplarisch dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung,
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2 eine Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Antenneneinrichtung längs der Linie II-II in 1,
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3 eine schematische Darstellung der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen, die über die Einspeiseeinrichtung in einen Wellenleiter der Antenneneinrichtung eingekoppelt werden und sich längs eines ersten Bereichs mit einer ersten Permittivität in dem Wellenleiter ausbreiten,
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4 eine grafische Darstellung von Strahlungscharakteristiken von abgestrahlten elektromagnetischen Wellen, die mit einem Prototyp der in der 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung erzeugt, in verschiedenen bevorzugten Ausbreitungsrichtungen abgestrahlt und vermessen wurden,
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5 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung mit einer an einer Platte des Wellenleiters angebrachten Elektrodenanordnung zur Beeinflussung eines zwischen den beiden Platten des Wellenleiters angeordneten dielektrischen Fluides,
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6 eine schematische Darstellung einer abweichend ausgestalteten Antenneneinrichtung, und
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7 eine schematische Darstellung einer wiederum abweichend ausgestalteten erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung.
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In den 1 und 2 sind jeweils schematisch eine Seitenansicht und eine Schnittansicht einer exemplarischen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1 dargestellt. Die Antenneneinrichtung 1 weist einen Wellenleiter 2 auf, der zwei parallel zueinander angeordnete Platten 3 aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material umfasst. Die beiden Platten 3 sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet. In dem Bereich des Kreismittelpunkts der halbkreisförmigen Platten 3 ist eine Einspeiseeinrichtung 4 angeordnet, mit welcher elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter 2 eingekoppelt werden können, um sich dann entlang des Wellenleiters 2 auszubreiten, bis die elektromagnetischen Wellen an einem von der Einspeiseeinrichtung 4 beabstandeten Rand 5 des Wellenleiters 2 in den freien Raum abgestrahlt werden.
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In einem innenliegenden halbkreisförmigen Zwischenraum 6 ist ein Fluid aus einem geeigneten Flüssigkristall-Material angeordnet. Das Fluid wird zu dem Rand 5 hin von einem halbkreisförmigen Dichtungsring 7 begrenzt und in dem Zwischenraum 6 eingeschlossen. Ab dem Dichtungsring 7 verjüngen sich die beiden Platten 3 des Wellenleiters 2 zum Rand 5 hin kontinuierlich und bilden einen halbkreisförmigen Öffnungsschlitz 8, dessen Schlitzbreite mit zunehmendem Abstand von dem Kreismittelpunkt kontinuierlich zunimmt. Die Formgebung der Platten 3 im Bereich des Öffnungsschlitzes 8 an dem Rand 5 entspricht der Formgebung eines Hornstrahlers und soll den Übergang der elektromagnetischen Welle aus dem Wellenleiter 2 in den freien Raum begünstigen.
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Durch eine in den 1 und 2 nicht dargestellte Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung 1 wird das Fluid in dem Zwischenraum 6 beeinflusst und ein erster Bereich 9 mit einer ersten, hohen Permittivität erzeugt, der zu beiden Seiten jeweils von einem zweiten Bereich 10 begrenzt wird, in denen das Fluid eine zweite Permittivität aufweist, die geringer als die erste Permittivität ist. Durch den ersten Bereich 9 mit der höheren Permittivität breiten sich die von der Einspeiseeinrichtung 4 eingekoppelten elektromagnetischen Wellen bevorzugt aus, sodass in einer durch die Ausrichtung des ersten Bereichs 9 vorgegebenen Ausbreitungsrichtung die elektromagnetischen Wellen bevorzugt ausbreiten und abgestrahlt werden.
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Der erste Bereich 9 und die beiden zweiten Bereiche 10 sind jeweils als Kreissegment ausgebildet und bedecken gemeinsam das zugeordnete halbkreisförmige Kreissegment des Wellenleiters 2.
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In 3 ist exemplarisch eine simulierte Verteilung des elektrischen Feldes der in den Wellenleiter 2 eingekoppelten elektromagnetischen Wellen dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich die eingekoppelten elektromagnetischen Wellen fast ausschließlich durch den ersten Bereich 9 mit der höheren Permittivität bewegen und in der durch die Anordnung des ersten Bereichs 9 vorgegebenen Ausbreitungsrichtung 11 ausbreiten und von der Antenneneinrichtung 1 abgestrahlt werden. Lediglich ein geringer Anteil der elektromagnetischen Wellen breitet sich in den zweiten Bereichen 10 aus und verlässt die Antenneneinrichtung 1 in einer von der bevorzugten Ausbreitungsrichtung 11 abweichenden Richtung.
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In 4 sind mit Hilfe eines Prototyps der in den 1 und 2 gezeigten Antenneneinrichtung 1 erzeugte und gemessene Strahlungscharakteristiken für die Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen gezeigt, wobei drei verschiedene bevorzugte Ausbreitungsrichtungen vorgegeben wurden. Es ist deutlich erkennbar, dass die maximale Strahlungsleistung jeweils in die vorgegebene Ausbreitungsrichtung φ abgestrahlt wird, die bei den in 4 gezeigten Messungen mit 0°, 20° und 70° vorgegeben wurden. Das Bezugssystem für den Winkel φ der vorgegebenen Ausbreitungsrichtung ist in 1 gezeigt.
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In 5 ist schematisch eine Anordnung einer Anzahl von Elektroden 12 an einer Platte 3 des Wellenleiters 2 gezeigt. Die einzelnen Elektroden 12 sind jeweils kreissegmentförmig ausgebildet und fächerartig über den gesamten Winkelbereich von 180° des Wellenleiters 2 angeordnet. An der gegenüberliegenden Platte 3 ist ebenfalls eine vergleichbare Elektrodenkonfiguration angeordnet. Mit Hilfe der nicht dargestellten Steuereinrichtung kann zwischen einander zugeordneten Elektroden 12, die an den beiden Platten 3 angeordnet sind, eine elektrische Potenzialdifferenz beziehungsweise ein elektrisches Feld erzeugt werden, das auf das dielektrische Fluid in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten 3 einwirkt, um beispielsweise eine Ausrichtung einzelner Flüssigkristall-Moleküle des dielektrischen Fluides und damit einhergehend die Permittivität in dem von den Elektroden 12 bedeckten Zwischenraum 6 zu verändern und vorzugeben.
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Die nebeneinander angeordneten Elektroden 12, die mit einem übereinstimmenden elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, bilden den ersten Bereich 9, der die bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgibt. Durch die Anzahl der Elektroden 12, die dem ersten Bereich zugeordnet und entsprechend mit einer Spannung beaufschlagt werden, kann eine Breite des ersten Bereichs 9 beziehungsweise ein Winkelbereich vorgegeben werden, der von dem ersten Bereich 9 abgedeckt ist. Je mehr Elektroden 12 dem ersten Bereich 9 zugeordnet und entsprechend mit Spannung beaufschlagt werden, umso breiter ist der erste Bereich 9. Es ist grundsätzlich möglich, dass beispielsweise 180 oder 360 Elektroden 12 in dem Winkelbereich von 180° des halbkreisförmigen Wellenleiters 2 angeordnet sind, sodass eine entsprechend präzise Vorgabe des ersten Bereichs 9 und damit eine präzise verstellbare und vorgebbare bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgegeben werden kann.
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In 6 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 dargestellt, mit der lediglich drei verschiedene bevorzugte Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden können. Der Rand 5 des Wellenleiters 2 wird durch drei Kreissehnen gebildet, die aneinander anschließen und einen Winkelbereich von ebenfalls 180° abdecken. Der Zwischenraum 6 zwischen den beiden Platten 3 wird durch drei dreiecksförmige Elektroden 12 in drei Bereiche 14 unterteilt. Jeder dieser drei Bereiche 14 kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektroden 12 mit der Steuereinrichtung als erster Bereich 9 für die bevorzugte Ausbreitungsrichtung oder aber als zweiter Bereich 10 konfiguriert werden, um wahlweise die bevorzugte Ausbreitungsrichtung für die Antenneneinrichtung 1 vorgeben zu können.
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In 7 ist lediglich schematisch und exemplarisch eine ebenfalls erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 mit einem kreisrunden Wellenleiter 2 gezeigt. Die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch eine in dem Kreismittelpunkt angeordnete Einspeiseeinrichtung 4, die an einer Außenseite 13 einer Platte 3 des Wellenleiters 2 angeordnet ist und die elektromagnetischen Wellen von außen in den Zwischenraum 6 zwischen den beiden Platten 3 einkoppelt. Die in dem Kreismittelpunkt eingekoppelten elektromagnetischen Wellen können sich in einer beliebigen Richtung in dem von dem Wellenleiter 2 abgedeckten Winkelbereich von 360° ausbreiten. Durch eine geeignete Elektrodenkonfiguration kann die bevorzugte Ausbreitungsrichtung für die von dieser Antenneneinrichtung 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen vorgegeben werden.
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Eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 bietet große Vorteile bei der Nutzung für unterschiedliche Kommunikationsdienste und Kommunikationsgeräte sowie beispielsweise auch bei der Verwendung in der Sensorik. Mit der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1 ist eine elektrisch steuerbare Strahlschwenkung ohne die Nutzung einer Gruppenantenne mit den damit einhergehenden Nachteilen möglich. Die bei herkömmlichen Gruppenantennen üblicherweise auftretenden Verluste in einem Verteilernetzwerk und bei den einzelnen Phasenschiebern können vermieden werden. Die erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 kann mit vergleichsweise einfachen Fertigungstechnologien hergestellt werden und eignet sich insbesondere für die Abstrahlung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von beispielsweise mehreren Gigahertz und mehr.
