DE2014939A1 - Mehrelementenantenne - Google Patents

Description

6920-70jSoh/Sohä
ROA 61,239

■ί US-Ser.No. 838,226
Piled July 1,1969

ROA Corporation, New York, N.Y. ,V.S-t.A. Mehrelementenantenne.

Die Erfindung betrifft eine Mehrelementenantenne mit einem blattförmigen dielektrischen Elemententräger. Insbesondere handelt es sich um ein in gedruckter Form ausgeführtes Antennensystem, dessen Elemente von einem gemeinsamen Netzwerk gespeist werden·.

Mikrowellen-Antennensysteme, die leicht, robust, billig und kompakt sind, sind sowohl für militärische als auch für kommerzielle Anwendungen weit verbreitet. Diese Eigenschaften haben gedruckte Antennensysteme, die im allgemeinen aus einer Hehrzahl von Dipolen bestehen, welche auf der Oberfläche einer Schaltungskarte mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausgebildet sind. Die Speisung der Dipole erfolgt durch eine Hehrzahl von Speiseieitungen, die entweder auf beiden Seiten der isolierenden Karte oder in einer anderen Ebene als die Dipole angeordnet sind. Die Dipole werden üblicherweise in Reihen angeordnet, wobei die Dipole jeder Reihe einen Abstand von etwa einer halben Wellenlänge von den Speiseleitungen haben und so | gegeneinander versetzt sind, daß sie mit gleicher Phase gespeist werden. Die Bandbreite eines solchen Antennensystems ist. je- ' doch nur schmal. '

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Breitbandigen gedruckten Antennensystems. Sie wird erfindungsge-j. maß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von ebenen Dipolelemen- I ten ait jeweils einem ersten Halbabsohnitt auf einer Oberfläche des Elemententrägera und mit dem zweiten Halbabsohnitt aus dessen gegenüberliegender Oberfläche angebracht ist,und daS die Speiseleitungen für die Dipolelemente zwei schmale I»eiteretrei- I fen aufweisen, dj*· einander gegenüberliegend auf den Hauptfläohen des Element eilt rägers angeordnet sind und sich von einem

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gemeinsamen Speisepunkt in jeweils gleichen längen xu den einseinen Dipolelementen erstreeken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Darstellungen eineβ Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ee zeigt

Fig· 1 eine allgemeine Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Antennensystems;

fig 2 ein Aussehnitt aus dem isolierenden Blattmaterial zur Veranschauliohung eines Teils der Speiseleitungen und Dipole auf einer Oberfläche;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Rüokfläohe der Antennenanordnung ;

'ig· 4 einen Querschnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Antenne;

Fig· 5 einen Querschnitt durch die Einspeisungspunkte zum Antennensystem und

Fig. 6 eine Impedanzanpassungsanordnung für die erfindungsgemäfie Antenne·

Sie Figuren 1,2 und 3 zeigen die Anordnung und Ausbildung ' der flügelähnlichen, in der Mitte gespeisten Dipole 11 und der Speiseleitungen 13 nach einer berorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Dipole 11 und die Speiseleitungen 13 sind auf einem isolierenden Blatt 15 ron etwa O₁Iu Dick· aus einem Material niedriger Dielektrizitätskonstante ausgebildet; es kann sieh beispielsweise um ein Polyolefin-Dielektrikua mit niedrigen Verlusten und einer Dielektrizitätskonstante von 2,32 handeln. Sin Halbabschnitt 12 jedes Dipolelementes 11 befindet sioh auf einer Oberfläohe des Blattes 15, der ! übrige Halbabsehnitt 14 jedes Dipolelementes 11 befindet sieh auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Blatte· 10· Die ! Seite des Blattes 15 mit den Halbabeehnitten 14 ist in Fig. dargestellt, wobei die nicht in Fig· 1 sichtbaren Halbabeohnitte 12 auf der gegenüberliegenden Seite des Blattes 15 gestri-•helt angedeutet sind· Naoh den Figuren 2 und 3 werden die \

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Speiseleitungen 13 durch eine Übertragungsleitung derjenigen Art gebildet, bei der ein Leiter 17 auf einer Oberfläche und ein zweiter Leiter 19 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Blattes 15 sich befindet· Mit dem Halbabsohnitt 12 jedes Dipolelementes 11 auf der einen Oberfläohe sind Leiter 17 verbunden (Fig· 2), mit den Halbabsohnitten H jedes Dipole 11 auf der gegenüberliegenden Oberfläohe sind Leiter 19 verbunden (Fig. 3).

Die leichte Versetzung zwischen den beiden Hälften jedes Dipols, welche durch die Dicke des Isolierblattes bedingt ist, ist elektrisch nicht von Bedeutung und hat den Vorteil, daß keine Durohf iihrungsverbindungen benötigt werden, wie sie im Falle der Anordnung beider Hälften der Dipole auf derselben Oberfläohe des Blattes erforderlich wären.

Für die weitere Erläuterung ist in Fig· 1 im Detail beschrieben, wobei jedoch su beachten ist, daß in Wirklichkeit auf beiden Seiten des dielektrischen Blattes 15 Speiseleitungen angeordnet sind, wobei die Speiseleitungen auf der einen Ober- ; fläche mit den Halbabsohnitten der auf dieser Seite befindlichen Dipolelementes verbunden sind, während die Speiseleitungen auf der gegenüberliegenden Oberseite mit den dort befindliohen Halbabsöhnitten der Dipole verbunden sind. Ist eine Richtwirkung erwünscht, dann kann man die gedruckte Antenne 10, deren Dipole sich mit einer Halfte auf der einen und mit der anderen Hälfte auf der gegenüberliegenden Seite befinden, in eine flache Metallsonale in Schaum betten, weiche als Reflektor für die Dipole wirkt. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer derartigen Anordnung. Die Leiter 17 und 19 der Speiseleitung auf den gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Blattes sind durch einen Sehaumabsehnitt 21 von einem Heflektor 23 ift Abstand gehalten» Aus Gründen des Wetterschutzes und dee mechanischen Schutzes der gedruckten Sohaltung kann auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Blattes 10 eine weitere Schauasehicht 25 und ein weitaus dielektrisches Blatt 27 vorgesehen werden.

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Fig. 5 reranechaulicht, wie eine Koaxialleitung 28 in der Nähe der Mitte der gedruckten Antenne 10 angekoppelt werden kann. Der Aussenleiter 29 der Koaxialleitung 28 ist mit dem Leiter 29 an der einen Fläche (der Unterfläche) der gedruckten Schaltungsplatte 15 an den Punkten 36 verbunden und er ist ferner mit der flachen Metallschale 23» die als fflasseebenen Reflektor dient, verbunden. Der Mittelleiter 31 der Koaxialleitung 28 ist durch die Isolierplatte 15 zum Leiter 57 der Speiseleitungen an der Oberseite der Isolierplatte an den Punkt 31 geführt, wie die Figuren 2 und 5 zeigen. Am Punkt B ist der Leiter 57 mit dem Leiter 17 und der Leiter 59 mit dem Leiter 19 verbunden. Die strahlenden Dipolelemente 11 haben die Form von Flügeln, die sich unter einem Winkel von 90 erweitern, so daß sich eine größere Impedanzbandbreite ergibt.

Die Dipole werden von einem gemeinsamen Netz abgeglichener Übertragungsleitungsabsohnitte gespeist, die von Punkten 37 und 39 in Fig. 1 abzweigen. Die Leiter 17 und 19» welche die Speiseleitungen von den Punkten 37 und 39 zu den Dipolen auf gegenüberliegenden Seiten der Isolierplatte bilden, sind von gleicher Breite und bilden eine symmetrische Leitung von den Punkten 37» 39 zu den Dipolen 11. Die Breite des Leiters 17 vom Punkt B zum Punkt 37 und vom Punkt B zum Punkt 39 auf der Oberfläche der Isolierplatte 15 verändert sich so, daß eine symmetrische Impedanz von 50 Ohm an den Punkten 37»39 in eine unsymmetrische Impedanz von 100 0hm am Punkt B (Fig· 2) traneformiert wird. Die Breite der Leitung auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Platte 15 ändert sich vom Punkt B zu des. Punkten 37 oder 39 (Fig. 3)aicht. Die beiden Hälften der vollständigen Anordnung ergeben im beschriebenen Beispiel zusammen eine Impedanz von 50 0hm. Die Impedanz der Leitung am Koaxialeingangsanschluß zwisohen den Punkten 31 und 35f36 beträgt ebenfalls zur Anpassung an die Koaxialleitungsiapedanz 50 0hm.

Die Impedanz in der Leitung vom Punkt B zum Punkt 31 wird durch einen Abschnitt der Mikreetreifenleitung angepaßt, wo

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der Leiter 57 gemäß Fig. 2 wesentlich schmaler als der Leiter 59 gemäß Fig· 3 ist» Sin Feineinsteilelement 58 für die Impedanzanpassung wird durch ein kleines Plättchen aus dielektrischem Material mit einem Leiter, wie Kupfer auf einer Oberfläche gebildet. Durch Veränderung der Länge des Plättchens 58 und seiner Lage längs der Mikrostreifenleitung ergibt sich eine Impedanzanpassung zwischen der Koaxialleitung 28 zwischen den Punkten 31 und 35»36 und dem Punkt B mit einem niedrigen Stehwellenverhältnis bei einer bestimmten Frequenz. Wenn einmal die optimale Lage des Plättchens festgestellt ist, dann läßt es sich einfach mit der Oberfläche des Leiters 57 verkleben·

Von den Punkten 37 oder 39 der Speiseleitungen zu den Dipolen 11 sind die Speiseleitungen auf gegenüberliegenden Enden der Anordnung identisch und gehen von einem Auegangsblock aus, der anhand von Fig· 6 nun näher beschrieben wird. Hiernach hat jedes der vier Antennen Bifolelemente 11 beispielsweise eine Lastimpedanz Z.. Leitungen 4-3 und 44 stellen jeweils den Leitungsabsohnitt der Anordnung dar, welcher direkt mit einem Dipol 11 gekoppelt ist. So endet die Leitung 43aa einem Dipol 11, der die Ealbabsohnitte 12 und 14 hat. In gleioher Weise endet die Leitung 44 an einem zweiten Dipol 11, welcher ebenfalls HaIbabsohnitte 12 und 14 hat. Es sei daran erinnert, daß jede der Leitungen 43»44 einen Leiter auf einer Seite der Platte 15 und einen Anpassungsleiter auf der gegenüberliegenden Seite darstellt. Die Leitungen 43 und 44 sind so ausgebildet und angeordnet, daß sie eine charakteristische Iapedans von beispielsweise Zλ ergeben. Sie sind identisch und sind beide eine halbe Wellenlänge lang. Di« Impedanz am Verbindungspunkt 45 beträgt Zj/g» und zwar unabhängig vom Wert der Leitungsimpedanz Z« der Leitungen 43 und 44· Eine Leitung 47 ist so ausgebildet, daß sei eine Impedanz von beispielsweise Z₂ hat und ist rechtwinklig an die Leitungen 43 und 44 aa Punkt 45 angekoppelt, so daß sie mit diesen Leitungen ein T bildet und sieh über ein Stüok von einer Viertel-Wellenlänge (>/4) bei etwa der liittenfrequenz dta Antennensyateme eretreokt. Die Impedanz ae Punkt

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ρ j& . ρ /

49 ist gleich (ZnJ/TZ./o) oder 2(Zp)/ Z₄. Eine zweite Leitung 51 von ein viertel Wellenlänge bei der Mittenfrequenz ist an das freie Ende der Leitung 47 am Punkt 49 angeschlossen und ergibt am Punkt 53 (um die Strecke x/4 vom Punkt 49 entfernt) eine Impedanz von Z, (wobei Z, die Leitungsimpedanz der Leitung 51 ist) dividiert durch die Impedanz am Punkt 49» woraus sich

ρ ρ

ergibt, (Z.Z, ) (2Z₂ ). Da die untere Hälfte 54 der Schaltung gleich ihrer oberen Hälfte 41 ist, ist die Impedanz an der Verbindungsstelle 53 halbiert und gleich(Z^Z,)/(4Z₂ ). Wenn nun die Leitungsimpedanz Z, der Leitung 51 gleich dem Doppelten der Leitungsimpedanz Z₂ der Leitung 47 ist, dann ist die Impe- < danz am Punkt 53 gleich der Lastimpedanz Z.. Wenn keine Kopplung zwischen den Antennenelementen besteht, dann ist die Eingangsimpedans des gemeinsamen Speisenetzes gleich der individuellen Antennenlastimpedanz. Die Leitungsimpedanz Z- oder Z₂ kann jeden gewünschten Wert haben. Ss ist nur zu fordern, daß Z~ gleich zweimal Z₂ ist. In der Praxis ist es zweckmäßig, die Werte von Z- und Z₂ zu wählen, um stehende Wellen innerhalb des Netzes zu vermeiden. :

Die Vierelementanordnung nach Fig. 6 kann für jede der j Vierelementanordnungen 61 in Fig· 1 verwendet werden. Die durch die Dipole 11 gebildeten Antennenlasten können beispielsweise

50 Ohm betragen. Der Speiseleitungeabschnitt 62 zwischen den Dipolen 11 und dem gemeinsamen Punkt 63 der Anordnung ist beispielsweise eine halbe Wellenlänge lang und die Leitungsimpedana Z₁ beträgt 50 Ohm. Der Wellenwiderstand Z₂ der Leitung »wischen der Verbindung am Punkt 63 und dem Punkt 64 beträgt 50'Ohm. Die Länge der Leitung 66 zwischen den Punkten 63 und beträgt eine Tiertel-Wellenlänge. Entsprechend der in fig. 6 dargestellten Anordnung ist die Länge der Leitung 67 «wischen ' dem Punkt 64 und dem gemeinsamen Punkt 65» weloher der Ver-Bindungspunkt mit der unteren Hälfte d»r Schaltung ist, gleichermaßen eine Tiertelwellenlänge. Der Leiter 67 ist sehmaler·alκ der Leiter 66, so daß der Wellenwiderstand 100 0hm wird· Betraehtet man die Vierelementanordnung 61 in flg. 1 und Yig· 6 als eine Last, so ist die Dipolanordnung 61 mit einem gleichen

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gemeinsamen Netzwerk mit den drei anderen gleichen Vierelementenordmmgen 71 , 72 und 73 verbunden, so daß eine Seohzehn-Dipol-Anordnung gebildet wird, die eine Gesamteingangsimpedanz (in diesem Beispiel von 50 Ohm hat. Eine Impe- j danzanpassung wird durch den λ/4 Stutzen an der V^erbindungs- ! stelle und das Wellenwiderstandsverhältnis von zwei zu eins ' des Zweileitungsabsohnittes gegeben. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird dieses Verfahren noch einmal wiederholt, wobei vier Sechzehn-Dipol-Anordnungen 75, 76, 77 und 78 am ' Punkt 37 (Pig· 2) zu einer Anordnung mit vierundsechzig Dipolen zusammengefaßt werden. Wenn die Antennenimpedanz 50 Ohm beträgt, beträgt somit die Impedanz am Punkt 37 ebenfalls 50 Ohm und das größte theoretische Stehwellenverhältnis im System liegt bei zwei zu eins· Wiederholt man den beschriebenen Aufbau am Punkt 39 am anderen Ende der gedruckten Antennenanordnung, dann erhält man bei einer Kombination am Punkt B eine Anordnung von 128 Dipolelementen, die an den Punkten 37 oder 39 mit 50 Ohm impedanzgepaßt sind· Als Ergebnis entstehen ebenfalls Speiseleitungen gleioher Länge zu allen Dipolen.

Das gemeinsame Hetz der hier beschriebenen Anordnung liegt in derselben Ebene wie die Dipο!anordnung selbst» Die in Fig· I dargestelltenEinsohnitte von ein viertel Wellenlänge Bind an den !-Verbindungen vorgesehen, wo die horizontalen Leitungen in vertikale Leitungen einmünden. Diese Einschnitte unterbreohen Ströme, welche durch die strahlenden Dipole in die beiden Leitungen induziert werden können und bei gleicher Größe in derselben Richtung fließen. Durch die Unterbrechung solcher in gleicher Richtung fließender Ströme wird eine Gleichtaktspeisung verhindert, die eine unerwünschte Leitungsstrahlung zur iolge haben würde* Die Einschnittbreite ist relativ klein im Vergleich zur Leitungsbreite, so daß der Wellenwiderstand der im Gegentakt betriebenen Leitung nicht sehr beeinflußt wird·

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Claims (2)

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   Patentansprüche.

   M.)Mehrelementenantenne mit einem blattförmigen dielektrischen Elemententräger, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von ebenen Dipolelementen (11) mit jeweils einem ersten'Halbabschnitt auf einer Oberfläche des Elemententrägers (15) und mit dem zweiten Halbabschnitt auf dessen gegenüberliegender Oberfläche angebracht ist, und daß die Speiseleitungen (13) für die Dipolelemente (11) zwei schmale Leiterstreifen (17,19) aufweisen, die einander gegenüberliegend auf den Hauptfläohen des Elemententrägers (15) angeordnet sind und sich von einem gemeinsamen Speisepunkt in jeweils gleichen Längen zu den einzelnen Dipolelementen erstrecken.
2. 2. Mehrelementenantenne nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolelemente (11) auf dem Elemententräger (15) so angeordnet sind, daß sich die Speiseleitungen (13,19) horizontal und vertikal von dem gemeinsamen Einspeisungspunkt (B) zu den Dipolelementen erstrecken und daß am Yertoindungspunkt der horizontalen und der vertikalen Speiseleitungen jeweils ein Einschnitt (81) vorge- j sehen ist, welcher so angeordnet ist, daß Ströme gleicher J Größe und Plußrichtung in den Speiseleitungen unterbrochen ' werden.

   3· Mehrelementenantenne nach Anspruoh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolelemente (11) derart angeordnet sind, daß vier Dipolelemente , durch ein gemeinsames Speisenetz mit Leitungslängen von j ein viertel Wellenlänge und mit X/4 Transformatoren, auf die mittlere Betriebsfrequenz des Antennensysteme bezogen, gespeist wird. · '

   4· Mehrelementenantenne nach Anspruoh 1,2 oder 3$ dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangeiiepedanz aa gemeinsamen Einepeisungspunkt gleich der Be- '

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   lastungsimpedanz eines einzelnen Dipolelementes ist₀

   5o Mehrelementenantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet! daß die Breite der schmalen leiterstreifen von einem gegebenen Punkt der Einspeisungsanordnung zu den Dipolelementen auf beiden Seiten des Elemententrägers gleich ist.

   60 Mehrelementenantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisungsanordnung über eine vorgegebene Länge von dem gemeinsamen Einspeisepunkt unsymmetrisch ist und vom Einspeisungspunkt abgewandten Ende dieses Längenstücks bis zu den Dipolen symmetrisch ist.

   7· Mehrelementenantenne naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leiterstreifen, welche das vorgegebene Längenstück der Einspeisungsanordnung bilden, eine konstante Breite hat und daß der zweite Leiterstreifen dieses Längenstücks sich in seiner Breite zum Obergang auf eine unsymmetrische Leitung verändert und daß der gemeinsame Einspeisungspunkt am schmälsten Ende dieses Leitungslängenstückes angeordnet ist.

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