-
Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne aus einem dielektrischen Material, wobei die Gruppenantenne einen Signalverteilungsbereich und einen Signalabstrahlungsbereich aufweist, wobei der Signalverteilungsbereich einen Verteilungskörper aus einem dielektrischen Material aufweist, der ein auf einer Einspeisungsseite in den dielektrischen Verteilungskörper eingeschweißtes Informationssignal in eine auf einer der Einspeisungszeit gegenüberliegenden Verteilungsseite räumlich verteilte Signalverteilung überführt und wobei der Signalabstrahlungsbereich mehrere an die Verteilungsseite des Verteilungskörpers angrenzende, parallel ausgerichtet und relativ zueinander über die Verteilungsseite verteilte Signalabstrahlungselemente aufweist, die ausgehend von der Verteilungsseite des Verteilungskörpers von dem Verteilungskörper abstehen und an dem abstehenden Ende ein Abstrahlungsende abgebildet ist.
-
Sowohl für den Mobilfunk als auch für die drahtlose Datenübertragung zwischen Datenverarbeitungsanlagen bieten hohe Frequenzen von mehr als 10 Gigahertz bis einige Terrahertz die Möglichkeit, immer größere Datenmengen je Zeiteinheit zu übertragen. Auch für Radarsysteme bieten hohe Frequenzen Vorteile, beispielsweise hinsichtlich der räumlichen Auflösung, die mit hochfrequenten Radarsystemen ermöglicht wird. Vor diesem Hintergrund werden zunehmend Antennen und Antennensysteme interessant, die für die Abstrahlung und für den Empfang von Signalen mit Wellenlängen im Millimeterbereich geeignet sind.
-
Auf Grund der hohen Freiraumdämpfung von elektromagnetischer Strahlung bei derart hohen Frequenzen bzw. kurzen Wellenlängen ist es vorteilhaft und oftmals für praxisrelevante Anwendungen sogar notwendig, dass die Antennen bzw. Antennensysteme ausgerichtet werden können, um elektromagnetische Strahlung in einer bestimmten Raumrichtung besonders effizient abzustrahlen bzw. um für elektromagnetische Wellen aus einer vorgegebenen Raumrichtung besonders empfänglich zu sein. Weitere Anforderungen an derartige Antennen oder Antennensysteme sind üblicherweise ein möglichst geringer Raumbedarf, ein möglichst geringes Eigengewicht sowie die Möglichkeit, die Antennen kosteneffizient herstellen zu können und möglichst wartungsfrei nutzen zu können.
-
Es hat sich gezeigt, dass mechanisch steuerbare und in eine Raumrichtung ausrichtbare Antennen für viele Anwendungsbereiche nicht geeignet sind, da eine mechanische Steuerung und Ausrichtung der Antenne nicht nur vergleichsweise große und schwere Komponente erfordert, sondern hinsichtlich der Schwenkgeschwindigkeiten und den unterschiedlichen Ausrichtungen der Antenne beschränkt ist.
-
Hinzu kommen für die praktische Anwendung problematische Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen im Millimeterbereich. Bei üblichen metallischen Wellenleitern nimmt mit der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung auch deren Eindringtiefe in Metall ab. Dies führt dazu, dass die Oberflächenrauhigkeit von Metallen sich stärker als störender Einfluss auf die Wellenausbreitung auswirkt und damit die Verlustleistung bei der Übertragung der elektromagnetischen Wellen mit metallischen Wellenleitern ansteigt. Um diese Verlustleistung zu reduzieren wird versucht, Antennen oder Antennensysteme aus einem dielektrischen Material herzustellen, in welchem sich elektromagnetische Strahlung im Millimeterbereich deutlich verlustärmer ausbreiten kann. So wird beispielsweise in dem Artikel „A Fully Dielectric Lightweight Antenna Array Using a Multimode Interference Power Divider at W-Band“, Roland Reese et al, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 16, 2017, Seiten 3236-3239, verschiedene Aspekte aus einer vollständig aus einem dielektrischen Material hergestellte Gruppenantenne mit vier parallel zueinander ausgerichteten Signalabstrahlungselementen beschrieben, die sich von einem flachen, im Wesentlichen rechteckigen Verteilungskörper in einer Signalausbreitungsrichtung weg erstrecken. Ein auf einer Einspeisungsseite in den dielektrischen Verteilungskörper eingespeistes Informationssignal wird in dem Verteilungskörper in eine in dem Verteilungskörper räumlich verteilte Signalverteilung überführt, so dass sich auf einer der Einspeisungsseite gegenüberliegenden Verteilungsseite auf Grund von Interferenzen mehrere Feldmaxima ausbilden, die in die entsprechend den einzelnen Feldmaxima angeordneten Signalabstrahlungselemente überführt werden. Von jedem Signalabstrahlungselement werden dann elektromagnetische Wellen abgestrahlt, die sich bei der Ausbreitung überlagern und in einer durch die Signalabstrahlungselemente vorgegebenen Signalausbreitungsrichtung fokussiert ausbreiten. Als Signalausbreitungsrichtung wird dabei diejenige Richtung im Raum angesehen, in die sich ein Intensitätsmaximum der von den Signalabstrahlungselementen in alle Richtungen abgestrahlten und sich überlagernden elektromagnetischen Wellen der einzelnen Signalabstrahlungselemente ausbreitet.
-
Eine derartige Gruppenantenne aus einem dielektrischen Material hat gegenüber einer aus metallischen Komponenten hergestellten Gruppenantenne den Vorteil, dass die Signalabstrahlung hochfrequenter Informationssignale mit Frequenzen von 10 GHz und mehr mit äußerst geringen Verlusten bei der Signalausbreitung in dem dielektrischen Material der Gruppenantenne erfolgen kann. Das Intensitätsmaximum der von dieser Gruppenantenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen wird durch die Anordnung und Ausrichtung der einzelnen Signalabstrahlungselemente vorgegeben und entspricht üblicherweise der Ausrichtung der parallel zueinander ausgerichteten Signalabstrahlungselemente.
-
Es wird als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Gruppenantenne aus einem dielektrischen Material mit den eingangs genannten Merkmalen so auszugestalten, dass die Signalabstrahlungsrichtung bzw. die Ausrichtung einer maximalen Intensität der Signalabstrahlung in einfacher Weise beeinflusst und vorgegeben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Signalabstrahlungselement einen Phasenverschiebungsbereich aufweist, in welchem ein Phasenverschiebungsmaterial mit einer elektrisch beeinflussbaren Permittivität in dem Signalabstrahlungselement angeordnet ist, und dass zwei Paare von jeweils einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden das Phasenverschiebungsmaterial umgebend so angeordnet sind, dass durch das Anlegen einer Phasenverschiebungsspannung zwischen mindestens einem Elektrodenpaar die Permittivität des Phasenverschiebungsmaterials beeinflussbar ist und dadurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektromagnetischen in dem Phasenverschiebungsbereich veränderbar ist, bevor das an der Einspeisungsseite in den Verteilungskörper eingespeiste Informationssignal von den Signalabstrahlungselementen abgestrahlt wird.
-
Durch die Möglichkeit, in den einzelnen Signalabstrahlungselementen eine Phasenverschiebung zu erzeugen und dadurch die Phasenlage von zwei in benachbarten Signalabstrahlungselementen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen unterschiedlich vorzugeben, kann die Feldverteilung des von der Gruppenantenne abgestrahlten elektromagnetischen Signals, das durch Überlagerung der von den einzelnen Signalabstrahlungselementen abgestrahlten Einzelsignale erzeugt wird, beeinflusst und damit eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgegeben werden. Die Phasenverschiebung in einem einzelnen Signalabstrahlungselement kann durch Anlegen einer Phasenverschiebungsspannung kontrolliert und vorgegeben werden. Zweckmäßigerweise wird das Phasenverschiebungsmaterial so ausgewählt, dass die Reaktionszeit bei einer Veränderung der Phasenverschiebungsspannung ausreichend gering ist, so dass eine schnelle Veränderung der Ausrichtung der Signalabstrahlung möglich ist. Die maximal mögliche Phasenverschiebung innerhalb eines einzelnen Signalabstrahlungselements kann dabei beispielsweise von der Länge des Abstrahlelements, von der Länge des Ausbreitungswegs des elektromagnetischen Signals in dem Phasenverschiebungsbereich des Signalabstrahlungselements und von den dielektrischen Eigenschaften des Phasenverschiebungsmaterials sowie von der angelegten Phasenverschiebungsspannung abhängig sein. Es ist dabei ohne weiteres möglich, eine Phasenverschiebung von bis zu 2n oder mehr in jedem einzelnen Signalabstrahlungselement vorgeben zu können. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Signalausbreitungsrichtung in einem Winkelbereich von mehr als 45° und gegebenenfalls von mehr als 60° verändert und durch das Anlegen einer geeigneten und üblicherweise voneinander abweichenden Phasenverschiebungsspannung an den einzelnen Signalabstrahlungselementen erreicht werden kann.
-
Das Phasenverschiebungsmaterial kann dabei fest, flüssig oder gasförmig sein. Ein flüssiges oder gasförmiges Phasenverschiebungsmaterial sollte in einem an dem Signalabstrahlungselement ausgebildeten oder daran angeordneten Hohlraum angeordnet sein. Ein festes Phasenverschiebungsmaterial kann auch an einer Außenseite des Signalabstrahlungselements angeordnet sein oder beispielsweise eine Beschichtung oder Umhüllung des aus dem dielektrischen Material gebildeten Signalabstrahlungselements sein.
-
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass in dem Phasenverschiebungsbereich eines Signalabstrahlungselements ein sich von der Verteilungsseite des Verteilungskörpers weg erstreckender Hohlraum ausgebildet ist, in welchem das Phasenverschiebungsmaterial angeordnet ist. Die einzelnen Signalabstrahlungselemente können beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Spritzgussverfahrens aus dem dielektrischen Material hergestellt und mit den Elektroden versehen werden. Nach einer Befüllung des Hohlraums mit dem Phasenverschiebungsmaterial kann das vorbereitete Signalabstrahlungselement mit dem Verteilungskörper verbunden werden. Es ist ebenfalls möglich, eine derartige Gruppenantenne mit geeigneten additiven oder generativen Verfahren, beispielsweise mit Hilfe von 3D-Druckern herzustellen. Der in jedem Signalabstrahlungselement ausgebildete Hohlraum kann durch eine während der Herstellung vorgesehene oder anschließend erzeugte Befüllungsöffnung hindurch befüllt werden, die anschließend verschlossen wird. Es ist ebenfalls möglich, den Herstellungsprozess nach der Ausbildung des noch nicht vollständig verschlossenen Hohlraums kurz zu unterbrechen, den Hohlraum zu befüllen und anschließend den Herstellungsprozess weiterzuführen und zu beenden.
-
Die Elektroden können vorgefertigt und nachträglich mit den einzelnen Signalabstrahlungselementen verbunden werden. Die Elektroden können auch aufgedampft oder aufgedruckt werden. Für die Anordnung der Elektroden und deren elektrischen Kontaktierung können aus der Halbleiterfertigung bekannte Verfahren und Produktionsanlagen verwendet werden.
-
Im Hinblick auf eine möglichst einfache und zuverlässige Beeinflussung der Phasenverschiebung in dem Phasenverschiebungsbereich eines Signalabstrahlungselements kann es vorteilhaft sein, dass das Abstrahlungselement in dem Phasenverschiebungsbereich eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweist, so dass die paarweise einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden an ebenen Seitenwandflächen des Signalabstrahlungselements in dem Phasenverschiebungsbereich angeordnet sind. Das Signalabstrahlungselement kann auch eine kreisrunde oder ovale Querschnittsfläche aufweisen und die paarweise einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden können gekrümmte Bereiche der jeweiligen Seitenwandflächen des Signalabstrahlungselements bedecken. Es ist ebenfalls möglich, dass die Elektroden beabstandet von dem Signalabstrahlungselement so angeordnet sind, dass sich in dem Phasenverschiebungsbereich eine vorteilte Feldverteilung eines durch die Phasenverschiebungsspannungen vorgegebenen elektrischen Felds ausbilden kann, um das Phasenverschiebungsmaterial in dem Phasenverschiebungsbereich in geeigneter Weise beeinflussen zu können.
-
Um eventuelle Verluste bei der Signalabstrahlung von dem Signalabstrahlungselement zu verringern und die gewünschte gerichtete Signalabstrahlung zu unterstützen ist es optional vorgesehen, dass jedes Abstrahlungselement ein sich verjüngendes Abstrahlungsende aufweist. Das sich verjüngende Abstrahlungsende kann beispielsweise im Wesentlichen eben ausgebildet sein und eine dreieckige Grundfläche mit einem spitz zulaufenden Abstrahlungsende aufweisen. Das sich verjüngende Abstrahlungsende kann auch die Form einer Pyramide, eines Obelisk oder eines Kegels aufweisen. Die Abmessungen des sich verjüngenden Abstrahlungsendes des Signalabstrahlungselements sind zweckmäßigerweise an die Wellenlänge des Informationssignals angepasst, das mit der Gruppenantenne ausgestrahlt werden soll.
-
Es kann zweckmäßig sein, dass jedes Signalabstrahlungselement gesondert herstellbar und über eine Verbindungsschnittstelle mit dem Verteilungskörper verbunden ist. Die einzelnen Signalabstrahlungselemente können dabei nicht nur längs einer Linie an der Verteilungsseite des Verteilungskörpers angeordnet sein, sondern auch matrixförmig über eine Fläche der Verteilungsseite des Verteilungskörpers verteilt angeordnet sein und eine dreidimensionale Anordnung der einzelnen Signalabstrahlungselemente bilden. Durch eine gesonderte Herstellung einzelner Signalabstrahlungselemente kann der Herstellungsaufwand für einzelne Signalabstrahlungselemente und insbesondere für Herstellungsaufwand für eine Gruppenantenne mit einer Anzahl von Signalabstrahlungselementen reduziert werden. Die Verbindungssschnittstelle kann eine ebenflächig ausgebildeter Bereich auf der Verteilungsseite des Verteilungskörpers sein. Die Verbindungsschnittstelle kann auch eine Ausnehmung in der Verteilungsseite des Verteilungskörpers sein, in welche ein daran angepasstes Verbindungsende des Signalabstrahlungselements eingesteckt und klemmend oder klebend darin festgelegt werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens weist der Verteilungskörper einen quaderförmigen Verteilungsbereich auf. Es hat sich gezeigt, dass ein quaderförmiger Verteilungsbereich die Ausbildung diskreter Maxima in einem Abstand von der Einspeisungsseite des eingespeisten Informationssignals begünstigt. Zudem lässt sich ein quaderförmiger Verteilungsbereich in einfacher Weise herstellen. Der Verteilungskörper kann optional einen sich zur Einspeisungsseite hin verjüngenden Einspeisungsbereich aufweisen. Durch einen sich zur Einspeisungsseite hin verjüngenden Einspeisungsbereich werden Diskontinuitäten und plötzliche Verbreiterungen bei der Signalführung verringert und abgemildert, die zu unerwünschten Abstrahlungsverlusten im Bereich der Einspeisung führen könnten.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass ein Signaleinspeisungselement auf der Einspeisungsseite des Verteilungskörpers wahlweise an über die Einspeisungsseite verteilt angeordneten unterschiedlichen Einspeisungspositionen angeordnet und mit der Einspeisungsseite des Verteilungskörpers so verbunden werden kann, dass das Informationssignal von dem Signaleinspeisungselement in den Verteilungskörper eingespeist werden kann. Die über die Einspeisungsseite verteilt angeordneten unterschiedlichen Einspeisungspositionen führen dazu, dass unterschiedliche Signalweglängen für das Informationssignal von der jeweiligen Einspeisungsposition zu den einzelnen Signalabstrahlungselementen vorgegeben werden können. Durch die unterschiedlichen Signalweglängen in dem Verteilungskörper wird bereits eine Phasendifferenz der in die einzelnen Signalabstrahlungselemente überführten elektromagnetischen Wellen vorgegeben. Auf diese Weise wird durch die Vorgabe unterschiedlicher Einspeisungspositionen an der Einspeisungsseite des Verteilungskörpers bereits die Abstrahlungsrichtung des Informationssignals von den einzelnen Signalabstrahlungselementen beeinflusst und vorgegeben.
-
Die Vorgabe unterschiedlicher Einspeisungspositionen für das in den Verteilungskörper eingespeiste Informationssignal kann unabhängig von einer in den einzelnen Signalabstrahlungselementen bewirkten Phasenverschiebung dazu verwendet werden, die Richtung einer maximalen Intensität der Signalabstrahlung einer Gruppenantenne aus einem dielektrischen Material vorzugeben. Damit ist die Beeinflussung und Vorgabe einer Signalabstrahlungsrichtung auch für Gruppenantennen möglich, deren Signalabstrahlungselemente keinen gesonderten Phasenverschiebungsbereich aufweisen.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch eine Kombination der beiden Möglichkeiten eine besonders präzise und über einen großen Raumwinkelbereich mögliche Vorgabe und Veränderung der Abstrahlcharakteristik eine erfindungsgemäß ausgestaltete Gruppenantenne erreicht werden kann. Durch eine mit einer veränderten Einspeisungsposition bewirkten Phasenverschiebung können die Abmessungen des Phasenverschiebungsbereichs reduziert werden und bei gleichbleibender Winkelveränderung ein geringerer Raumbedarf der Gruppenantenne ermöglicht werden. Es ist ebenfalls möglich, dass beispielsweise mehrere verschiedene Einspeisungspositionen auf der Einspeisungsseite des Verteilungskörpers vorgegeben werden, die wahlweise zur Signaleinspeisung verwendet werden können und die Richtung der Signalabstrahlung in diskreten Schritten von beispielsweise 10° oder 5° verändern können. Durch das Anlegen einer individuellen Phasenverschiebungsspannung an die einzelnen Signalabstrahlungselemente kann dann eine zusätzliche Beeinflussung der Signalabstrahlungsrichtung bewirkt werden und die Signalabstrahlungsrichtung in Gradschritten oder sogar in Bruchteilen eines Grads verändert und vorgegeben werden. Durch eine Kombination beider Möglichkeiten für die Phasenverschiebung kann insgesamt ein größerer Winkelbereich für die Ausrichtung der Signalausbreitungsrichtung abgedeckt werden.
-
Für eine derartige Steuerung der Abstrahlungsrichtung der erfindungsgemäßen Gruppenantenne ist es vorteilhaft, dass der Verteilungskörper auf der Einspeisungsseite mehrere Einspeisungskontaktschnittstellen aufweist, in denen ein Signaleinspeisungselement mit dem Verteilungskörper in einem das Informationssignal übertragenden Kontakt bringbar ist. Jede Einspeisungskontaktschnittstelle kann mit einem Signaleinspeisungselement verbunden sein, wobei das Informationssignal jeweils nur über eines der Signaleinspeisungselemente eingespeist wird. Die Kontaktierung eines ausgewählten Signaleinspeisungselements mit dem Verteilungskörper kann durch eine elektronische Schaltung erfolgen, so dass keine mechanischen Komponenten erforderlich sind. Es ist ebenfalls möglich, ein einzelnes Signaleinspeisungselement mechanisch zu verlagern und je nach Bedarf mit der gewünschten Einspeisungskontaktschnittstelle zu verbinden.
-
Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass ein Signaleinspeisungselement nicht nur an beabstandet voneinander angeordneten Einspeisungskontaktschnittstellen mit der Einspeisungsseite des Verteilungskörpers verbunden wird, sondern kontinuierlich über die Einspeisungsseite des Verteilungskörpers hinweg verlagert und an jeder beliebigen Einspeisungsposition mit dem Verteilungskörper verbunden sein oder verbunden werden kann.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Phasenverschiebungsmaterial ein elektrisch beeinflussbares Flüssigkristallmaterial ist. Flüssigkristallmaterialien können bereits bei geringen elektrischen Spannungen von einigen Volt deutlich unterschiedliche Permittivitäten aufweisen, sodass durch elektrische Spannungen, die ohne größeren konstruktiven oder schaltungstechnischen Aufwand erzeugt werden können, deutliche Phasenverschiebungen bewirkt werden können. Flüssigkristallmaterialien sind einfach verarbeitbar und können unter den üblicherweise vorherrschenden Umgebungsbedingungen über einen langen Nutzungszeitraum zuverlässig beeinflusst werden, um präzise unterschiedliche Phasendifferenzen vorgeben zu können.
-
Nachfolgend werden exemplarische Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Gruppenantenne aus einem dielektrischen Material mit einem Signalverteilungsbereich und mit einem Signalabstrahlungsbereich, in welchem vier Signalabstrahlungselemente mit jeweils einem Phasenverschiebungsbereich angeordnet sind,
- 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in 1 durch ein Signalabstrahlungselement der in 1 gezeigten Gruppenantenne,
- 3 eine Schnittansicht gemäß 2 durch ein abweichend ausgestaltetes Signalabstrahlungselement,
- 4 eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Gruppenantenne mit angedeuteten Signalübertragungswegen für ein mittig an einer Einspeisungsseite eingespeistes Informationssignal zu den einzelnen Signalabstrahlungselementen,
- 5 eine schematische Schnittansicht gemäß 4 mit angedeuteten Signalübertragungswegen für ein an einem oberen Rand einer Einspeisungsseite eingespeistes Informationssignal zu den einzelnen Signalabstrahlungselementen,
- 6 eine Ansicht einer Stirnseite der in 1 dargestellten Gruppenantenne mit einer Matrix von 4 x 4 beabstandet zueinander angeordneten Signalabstrahlungselementen,
- 7 eine schematische Schnittansicht durch ein einzelnes Signalabstrahlungselement,
- 8 eine schematische Schnittansicht durch ein abweichend hierzu ausgestaltetes Signalabstrahlungselement, und
- 9 eine schematische Schnittansicht durch ein wiederum abweichend ausgestaltetes Signalabstrahlungselement.
-
Eine in 1 exemplarisch und schematisch in einer Schnittansicht dargestellte Gruppenantenne 1 weist einen Signalverteilungsbereich 2 mit einem Verteilungskörper 3 aus einem dielektrischen Material und einen Signalabstrahlungsbereich 4 mit mehreren Signalabstrahlungselementen 5 auf.
-
Der Verteilungskörper 3 weist einen quaderförmigen Verteilungsbereich 6 und einen sich zu einer Einspeisungsseite 7 hin verjüngenden Einspeisungsbereich 8 auf. An der Einspeisungsseite 7 kann ein Informationssignal über ein Einspeisungselement 18 in den Verteilungskörper 3 eingespeist werden. Der Verteilungskörper 3 ist einstückig aus einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt, beispielsweise aus Rexolite® 1422 von C-Lec Plastics Inc. Der Verteilungskörper 3 könnte jedoch auch aus mehreren gesondert gefertigten Komponenten, beispielsweise für den quaderförmigen Verteilungsbereich 6 und für den sich verjüngenden Einspeisungsbereich 8 zusammengefügt oder in geeigneter Weise zusammengesetzt oder verbunden sein.
-
Die in dem Signalabstrahlungsbereich 4 angeordneten Signalabstrahlungselemente 5 sind an einer Verteilungsseite 9 des Verteilungskörpers 3 so angeordnet, dass die jeweils benachbarten Signalabstrahlungselemente 5 einen regelmäßigen Abstand zueinander aufweisen. Die Signalabstrahlungselemente 5 sind ebenfalls aus einem dielektrischen Material ausgebildet. Dabei kann es sich um dasselbe dielektrische Material wie bei dem Signalverteilungsbereich 2 handeln. In diesem Fall können der Signalverteilungsbereich 2 und der Signalabstrahlungsbereich 4 bzw. der Verteilungskörper 3 und die einzelnen Signalabstrahlungselemente 5 einstückig ausgebildet sein. Die Signalverteilungselemente 5 können jedoch auch separat gefertigt sein und aus einem anderen geeigneten dielektrischen Material bestehen.
-
In jedem Signalabstrahlungselement 5 ist Phasenverschiebungsbereich 10 und ein Abstrahlungsende 11 ausgebildet. In dem Phasenverschiebungsbereich 10 weist das Signalabstrahlungselement 5 einen Hohlraum 12 auf, der mit einem geeigneten Phasenverschiebungsmaterial 13 befüllt ist, welches in Abhängigkeit von einem in dem Hohlraum 12 vorgegebenen elektrischen Feld eine veränderbare Permittivität aufweisen kann. Ein für viele Anwendungsbereiche geeignetes Phasenverschiebungsmaterial 13 ist beispielsweise ein elektrisch beeinflussbares Flüssigkristallmaterial, dessen Permittivität in Abhängigkeit von einem vorgegebenen elektrischen Feld deutlich unterschiedliche Werte annehmen kann.
-
An gegenüberliegenden Außenflächen 14 des Signalabstrahlungselements 5 sind jeweils Elektroden 15 aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Die Elektroden 15 können aufgebrachte Metallschichten oder Metallelemente sein, die paarweise elektrisch leitend mit einer nicht dargestellten Phasenverschiebungsspannungseinrichtung verbunden sind, sodass zwischen gegenüberliegenden Elektroden 15 eine Phasenverschiebungsspannung angelegt werden kann. Die Elektroden 15 könnten auch in einem gegebenenfalls geringen Abstand zu den Außenflächen 14 des Signalabstrahlungselements 5 angeordnet sein, um eine unerwünschte Beeinträchtigung der sich in dem Signalabstrahlungselement ausbreitenden elektromagnetischen Wellen zu vermeiden.
-
In 2 ist exemplarisch die Anordnung von zwei Paaren von ebenflächig ausgebildeten Elektroden 15 in Umfangsrichtung um ein Signalabstrahlungselement 5 mit einer quadratischen Querschnittsfläche dargestellt. Die einzelnen Elektroden 15 sind dabei vollflächig mit einer zugeordneten Außenfläche 14 verbunden. In 3 ist eine vergleichbare Anordnung von Elektroden 15 um ein Signalabstrahlungselement 5 dargestellt, wobei das Signalabstrahlungselement 5 eine kreisrunde Querschnittsfläche aufweist und die einzelnen Elektroden 15 in Umfangsrichtung jeweils als Kreissegment ausgebildet und beabstandet zueinander paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind.
-
In 4 ist die bereits in 1 gezeigte Gruppenantenne 1 schematisch dargestellt. Dabei sind für ein auf der Einspeisungsseite 7 eingespeistes Informationssignal die jeweiligen Signalwege 16 der elektromagnetischen Wellen des Informationssignals eingezeichnet, die sich in dem Verteilungskörper 3 ausbreiten. Durch Überlagerungen der einzelnen Wellenfronten entstehen dabei an der Verteilungsseite 9 des Verteilungskörpers 3 diskrete Intensitätsmaxima, die in die an der Verteilungsseite 9 an den Verteilungskörper 3 angrenzenden Signalabstrahlungselemente 5 eingekoppelt werden, bzw. deren elektromagnetische Wellen sich in die Signalabstrahlungselemente 5 ausbreiten. Die einzelnen Signalwege 16 weisen dabei eine geringfügig unterschiedliche Signalweglänge von der Einspeisungsseite 7 bis zu der Verteilungsseite 9 des Verteilungsbereichs 2 auf. Dies führt zu einer vergleichsweise geringen Phasenverschiebung der Wellenfronten der sich in den benachbarten Signalabstrahlungselementen 5 ausbreitenden elektromagnetischen Wellen. Diese Signalweglängen bzw. die daraus resultierenden Phasenverschiebungen sind durch die Formgebung des Verteilungskörpers 3 und die Einspeisung des Informationssignals vorgegeben. Durch eine möglichst symmetrische Anordnung der Signalabstrahlungselemente 5 und eine mittige Anordnung der Einspeisungsposition des Informationssignals auf der Einspeisungsseite 7 können die Auswirkungen der Phasenverschiebungen auf dem Weg zu den einzelnen Signalabstrahlungselementen 5 minimiert werden. Um eine möglichst fokussierte und gerichtete Überlagerung der von den Signalabstrahlungselementen 5 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen zu unterstützen können die geringen Phasenverschiebungen, die durch die unterschiedlichen Signalweglängen entstehen, durch daran angepasste unterschiedliche Abmessungen der Signalabstrahlungselemente 5 kompensiert werden.
-
Durch das Anlegen einer Phasenverschiebungsspannung an die Elektroden 15 an einem Signalabstrahlungselement 5 können die Permittivität des betreffenden Phasenverschiebungsmaterials 13 in dem Hohlraum 12 des Signalabstrahlungselements 5 und damit die dielektrischen Eigenschaften des Phasenverschiebungsbereichs 10 beeinflusst und so verändert werden, dass eine gewünschte Phasenverschiebung der sich entlang des Phasenverschiebungsbereichs 10 des Signalabstrahlungselements 5 bis zu dem Abstrahlungsende 11 ausbreitenden elektromagnetischen Wellen erzeugt wird. Für jedes Signalabstrahlungselement 5 kann bei einer geeigneten Ansteuerung der jeweiligen Elektroden 15 eine individuell vorgegebene Phasenverschiebung erzeugt werden. Die von den einzelnen Signalabstrahlungselementen 5 abgestrahlten elektromagnetischen Signale überlagern sich und bilden in einer Signalausbreitungsrichtung ein Abstrahlungsmaximum größter Signalintensität. Die Signalausbreitungsrichtung kann durch eine geeignete Vorgabe der einzelnen Phasenverschiebungen präzise vorgegeben werden. Es hat sich gezeigt, dass bei Phasenverschiebungen von bis zu 2n in den einzelnen Signalabstrahlungselementen 5 die Signalausbreitungsrichtung in einem Winkelbereich von ± 45° oder sogar von bis zu ± 60° und mehr verändert und vorgegeben werden kann.
-
Auf diese Weise kann durch Anlegen geeigneter Phasenverschiebungsspannungen an den einzelnen Signalabstrahlungselementen 5 die Signalausbreitungsrichtung vorgegeben werden, wobei eine gesteuerte oder geregelte Ausrichtung oder Nachführung der Signalausbreitungsrichtung möglich ist. Für die Veränderung der Signalausbreitungsrichtung sind keine mechanischen Komponenten oder Aktoren erforderlich.
-
In 5 ist für die in 4 gezeigte Gruppenantenne 1 eine abweichend zu 4 vorgegebene Einspeisung des Informationssignals an der Einspeisungsseite 7 dargestellt. Das Informationssignal wird von dem Einspeisungselement 18 nicht mittig, sondern an einem Randbereich des Verteilungskörpers 3 eingespeist. In 5 sind ebenfalls schematisch Signalwege 16 für die sich in dem Verteilungskörper 3 ausbreitenden elektromagnetischen Wellen des Informationssignals angedeutet. Die Signalweglängen der einzelnen Signalwege 16 unterscheiden sich dabei deutlich von den Signalweglängen der in 4 gezeigten mittigen Einspeisung des Informationssignals. Dies führt zu einer deutlich abweichenden Phasenverschiebung der einzelnen elektromagnetischen Wellen, die in die Signalabstrahlungselemente 5 einkoppeln und sich dort ausbreiten.
-
Die durch die über die Einspeisungsseite 7 räumlich unterschiedlich vorgegebene Einspeisung des Informationssignals bewirkten Phasenverschiebungen in den einzelnen Signalabstrahlungselementen 5 können ebenfalls für die Veränderung der Signalabstrahlungsrichtung verwendet werden. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Gruppenantenne 1 können alleine durch unterschiedliche Einspeisungspositionen des Informationssignals an der Einspeisungsseite 7 des Verteilungskörpers 3 verschiedene Signalausbreitungsrichtungen der von den Signalabstrahlungselementen 5 abgestrahlten elektromagnetischen Signale vorgegeben werden. Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Vorgabe unterschiedlicher Einspeisungspositionen für das Informationssignal mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen in den Phasenverschiebungsbereichen 10 der einzelnen Signalabstrahlungselemente 5 kombiniert werden.
-
In 6 ist schematisch eine Ansicht einer Stirnseite der in den 1, 4 und 5 gezeigten Gruppenantenne 1 dargestellt. Die an der Verteilungsseite 9 des Verteilungskörpers 3 abstehenden Signalabstrahlungselemente 5 sind matrixförmig in einer regelmäßigen Anordnung von 4 x 4 Signalabstrahlungselementen 5 über die Verteilungsseite 9 verteilt angeordnet. Es sind auch andere Grundflächen der Verteilungsseite 9 des Verteilungskörpers 3 denkbar, beispielsweise kreisförmige, ovale oder vieleckige Grundflächen. Die einzelnen Signalabstrahlungselemente 5 können auch unregelmäßig über die Verteilungsseite 9 verteilt angeordnet sein.
-
In den 7 bis 9 sind exemplarisch verschiedene Ausgestaltungen bzw. Formgebungen unterschiedlicher Signalabstrahlungselemente 5 jeweils in einer Schnittansicht dargestellt. Das in 7 dargestellte Signalabstrahlungselement 5 weist einen vergleichsweise langen Phasenverschiebungsbereich 10 und ein demgegenüber deutlich kürzeres Abstrahlungsende 11 auf. Der Hohlraum 12 in dem Phasenverschiebungsbereich 10 ist von vergleichsweise dicken Seitenwänden 17 umgeben.
-
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Phasenverschiebungsbereich 10 deutlich kürzer als bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel. Dafür ist das Abstrahlungsende 11 deutlich länger und sogar länger als der Phasenverschiebungsbereich 10.
-
Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hohlraum 12 von wesentlich dünner ausgestalteten Seitenwänden 17 als bei den vorangehend gezeigten Ausführungsbeispielen umgeben. Das Abstrahlungsende 11 weist einen Verjüngungsbereich mit gekrümmt verlaufenden Konturen auf.
-
Dieses Projekt wurde gefördert von dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizont 2020“ im Rahmen der Marie Sklodowska-Curie Finanzhilfevereinbarung Nr. 675683.
-
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 Nicht-Patentliteratur
-
- Roland Reese et al, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 16, 2017, Seiten 3236-3239 [0005]
