DE2418506A1

DE2418506A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE2418506A1
Application number: DE2418506A
Authority: DE
Inventors: Robert E Munson
Original assignee: Ball Corp
Current assignee: Ball Corp
Priority date: 1973-04-17
Filing date: 1974-04-11
Publication date: 1974-10-24
Also published as: GB1470884A; CA1031856A; DE2418506C2; US3921177A; USRE29911E; FR2226760B1; FR2226760A1

Description

PATENTANWÄLTE

Dipi.-Ing. H. Seiler Dipi.-Ing, J.Pfenning Dipl.-Phys. K. H. Meinig

1 Berlin 19

Oldenburgallee 1O Tel. 030/304 55 21/22

Drahtwort: Seilwehrpatent

Postscheckkonto: Berlin-West 59 38-1O2

11. April Me/ochu

1509 South.Macedonia .avenue, Muncie, Indiana 47302,

USA

Ant ennenanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf Antennenanordnungen im Mikrostreifen-Aufbau und auf den Phasenabgleich von aus mehreren Absonnitten sich zusammensetzenden Anordnungen.

j3ei der Konstruktion von Antennen ist darauf zu achten, daß diese die jeweils gewünschte elektrische !funktion einwandfrei erfüllen können, wie z,a. das Ausstrahlen und .empfangen von ■Hjp-Signalen, die linear, rechtdrehend oder linksdrehend polarisiert sein können, wobei gleichzeitig.optimale Verstärkung, ausreichende Bandbreite und verschiedene andere elektriücne jiigenscn&ften angestrebt werden.

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Aüch ist es notwendig, daß die Anordnungen leicht, einfach, billig und insbesondere dann, wenn sie in fahrzeuge eingebracht sind, eine unaufi'äilige G-estaltung aufweisen, jjerartige Antennen werden z.B. häufig an üochgeschwinaigkeitsflugzeugen, Lenkwaffen und ria^eten angebracht, so daß sie keine übergroßen Ab we χ errangen von der aerodynamisenen Kontur ergeoen dürfen. Manenmal muß aus ästiietischen oder sicherheit stechnischen G-runden die hier zu befrachtende Antenne so versteckt angebracht werden, daß sie nicht onne weiteres zu. sehen ist. Die ideale elektrische Antenne ist demnach sehr dünn und ragt auf keiner beite ausihrer Anbringungsoberfläche heraus, z.B. einer Ji¹IUgzeughaut ο. dgl. , wobei sie dennoch alien elektrischen Anforderungen gewachsen ist.

jiine Mikrostreifen-Antenne riea.cn ü.rt einer gedruckten Schaltung, hergestellt durch Ätzen eines einseitig mit Metall beschichteten Isolierstoffträgers, unter Verwendung herkömmlicher Ätzverfahren, entspricht weitgehend diesen Idealvorstellungen. Diese Antennen besitzen im allgemeinen eine Dicke, die zwischen 0,8 nun und 3,2 mm liegt. Ihre Herstellung ist relativ billig und mit hoher vViedergabegenauigkeit zuverlässig. Die Herstellungskosten sind deshalu niedrig, weil die Anordnungen der einzelnen Antennenelemente zusammen mit den entsprechenden HF-Zuleitung er. s Piiasenvers cniebungslrr eis en bzw» Impedanzan-

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passungsschaltungen als integraler .Bestandteil der elektrischen Schaltungen mittels preiswerter Ätzverfahren gleichzeitig mit hergestellt werden können. Dadurch ergeben sich viele Vorteile gegenüber komplizierten herkömmlichen aufbauten zur erzielung von polarisierten btrahlungscharakteris^iiten, wie z.B. der liipol-Drehkreuzanorunung, der Drehkreuz-behiitzanordnung mit Hohlraum usw.

Während sich andere Patentanmeldungen, wie z.xs. 99 4öl bzw. die Ub-Po 3 713 162 auf einige längliche Formen von Mikrostreifen-Antennenstrahlern beziehen, sind auch andere formen von Miicrostreifen-AHtennens tranlern für das benden bzw. Jünpfangen von HP-Signalen bestimmter, z.B. linearer, rechtsdrehender oder linksdrehender Polarisierung sehr vorteilhaft.

Insbesondere ist festgestellt worden, dais sich die neuen Mikrostreifen-Antennenelemente besonders für die Verwendung in einer gruppierten Anordnung mehrerer solcher ülemente eignen, wobei die einzelelemente miteinander in Phase liegen und eine fächerförmige oder enggebündelte Abstrahlung erzeugt wird, wenn die Antennenelemente auf einer ebenen oder sogar einer gekrümmten Oberfläche angebracht werden.

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Die notwendigen relativen Phasenverschiebungen für die erfindungsgemäß aufgebauten Anordnungen lassen sich, auf wirtschaftliche Weise mittels Phasenverschiebungsschaltungen erreichen, die nach Art von gedruckten Schaltungen vorgesehen werden, wobei die HF-Zuleitung, die Stromkreise für die Impedanzanpassung usw. in einer Ebene mit anderen elektrischen Leitern, wie ζ.ή. den HF-btrahlern, HP-Zuleitungen usw. angeordnet werden können. Der Ausdrucic "in einer ü/bene" ist so zu verstehen, daß der xntegral geformte Mikrostreifen auch in einer gekrümmten Lbene liegen kann. In diesem iPall wäre die Anordnung "in einer Jibene" eine "einschichtige" Anordnung, und dieser EaIl wird in der Beschreibung ohne weiteren Hinweis mit eingeschlossen.

Eine fächerförmige oder en&gebündelte Antennenanordnung kann durch entsprechende Schaltung von Dioden oder anderen Steuerelementen, diekombiniert mit integralen Phasenverschiebungsstromkreisen usw. einen Teil der Mikrostreifenstruktur bilden, gesteuert werden.

Da die beschriebenen Mikrostreifen-Antennenstrukturen für Antennenstrahler, die dazugehörigen Zuleitungen, die Impedanzanpassungsstromkreise und die Phasenverschiebungsstromkreise nur eine einzige gedruckte Schaltung darstellen, wobei

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der Schaltungsträger einseitig mittels eines Ji¹Ot oätzver fahr ens bearbeitet wird, müssen keine mehrschichtig geätzten Schaltungen in Übereinstimmung gebracht werden, und die Schaltungsträger müssen nicht wie bei Verwendung von zwei oder mehr gedruckten Schaltungen aufeinander ausgerichtet werden.

Die i/inspeisung an einer einzelnen Stelle längs einer Seite eines quadratischen oder rechteckigen Mikrostreifenstrahlers kann zu ei^er linearpolarisierten Abstrahlung unter bestimmten Voraussetzungen fuhren. Die ungefähre .Resonanzfrequenz eines derart linearpolarisierenden Strahlers wird von der Abmessung des Stranlers senkrecht zur Seite der Einspeisung des HJ?- Signals bestimmt. Im JPalle eines quadratischen Stranlers wird die .Resonanzfrequenz durch die Länge irgendeiner seiner Seiten bestimmt, während em rechteckiger Strahler zwei Resonanzfrequenzen aufweist. Seine erste resonanzfrequenz wird durch die Länge der kürzeren Seite bestimmt, ?;obei das utf-Signal ander längeren Seite eingespeist wird, während seine zweibo .Resonanzfrequenz durch die Länge der lungeren Seite bestimmt wird 5 wobei das üb'-Signal an der kürzeren Seite des rechteckigen Strahlers eingespeist wird.

Die entsprechende Abmessung ist in beiden fällen im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der erwarteten ßetriebs-

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frequenz, wobei die Dielektrizitätskonstante der Isolierstoffunterlage der Mikrostreifenstruktur eine Abmessungskorrektur erforderlich macht. Demnach ibt die betreffende Abmessung etwa gleich der »«ellenlange der üü¹-Schwingung im freien .Raum dividiert durch das Doppelte der Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffs.

Die notwendigen iiJ?-Zuleitungen werden vorzugsweise ebenfalls mittels eines jpotoätzv erfahr ens einschichtig mit den anderen elektrischen Leitern, wie z.'n„ den HF-Strahlern hergestellt. Mittels des bekannten Impedanzanpassungsverfahrens werden die Abmessungen der Hi'-Zuleitung derart bestimmt, daß die pjitenne impedanz der Impedanz des anzuschließenden Koaxialkabels oder einer anderen mit den HF-Zuleitungen zu verbindenden njj'-Leitung angepaßt ist.

Kreispolarisierte Antennencharakteristiken können dadurch erzeugt werden', daß die benachbarten beißen eines quadratischer]. Mikrostreifenstrahlerü mit Signalen gespeist werden₉ die eine relative Phasenverschiebung von 90 besitzen«, wodurch die not- j wendige konjugierte Phasenanordnung der abgestrahlten leider erreicht wir do Jis können wahlweise rechts- oder links dreh ende kreispolarisierte Signale erzeugt

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— ν —

Durch .Einspeisung an der Ecke eines quadratischen Mikrostreifenstrahlers kann ebenfalls eine Kreispolarisierung erzeugt werden. Der Strahler muß ferner nicht von genau quadratischer Gestalt aelnif da festgestellt worden ist, daß auch mittels anders geformter Strahler {z.B. mittels eines kreisförmigen Mikrostreifenstrahlers, der mittels um 90° zueinander phasenverschobener Signale an um 90° längs des Außenrandes des Strahlers ver&etzten Stellen gespeist wir.d) die gewünschte kreispolarisierte Abstrahlung erreicht werden kann.

Die notwendigen HP-Zuleitungen, Phasenverschieber bzw· Impedanzanpassungsnetze werden bevorzugt einstückig mit den Hikrostreifenstrahlern mittels eines Ätzverfahrens hergestellt, wodurch die Herstellungskosten gesenkt und die Vorrichtung vereinfacht wird.

£s ist festgestellt worden, daß sich die Mikrostreifenstrahler besonders für die Gruppierung in einer linearen oder zweidimensional en Anordnung eignen, wodurch eine fächerförmige oder enggebündelte Antennencharakteristik mit hoher Verstärkung erzielt wird. Derartige Anordnungen uoertreffen die Leistungsfähigkeit bekannter Anordnungen und erreichen fast die theoretische Maximalverstärkung. Diese unerwartete und außergewöhnliche Leistungsfähigkeit von Mikrostreifen-Antennenanordnungen

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resultiert wahrscheinlich teilweise aus der im hohen Maße gleichmäßigen Verteilung der ^lächenströme, die hierbei auftreten.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen von MirkoStreifenstrahlern können elektronisch dadurch gesteuert werden, daß regelbare Phasenverschiebungsschaltkreise integral mit den Ηϊ-Zuleitungen, Impedanzanpassungsnetzen und den Mirkostreifenstrahlern vorgesehen werden. Bei einem der im .Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispiele sind schaltbare Dioden mit den gedruckten Phasenabgeleichelementen verbunden, wobei die Dioden mittels j eines entsprechend programmierten Kleinrechners oder anderer bekannter Steuermittel⁰regelt werden können, um die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den den verschiedenen Strahleifn der Anordnung zugeführten HF-Signalen zu erzeugen, und die fächerförmige oder enggebündelte Antennenabstrahlung in jede gewünschte fiichtung zu lenken.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es ebenfalls, die normalen Leitungsverluste in den Zuleitungen der Anordnung zur Erzeugung eines Amplitudenabfalls über die Öffnung der .anordnung heranj zuziehen, wodurch unerwünschte seitliche Ausweitungen reduziert werden.

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jus folgt die Beschreibung von einigen ü.usf ohrungsoeispielen der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausfuhrungybeispiel

eines linear bzw. kreispolarisierenden Mikrostreif en-Ant ennenelements,

Pig. 2 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines linear polarisierenden Mikrostreifen-Antennenelements mit zwei Resonanzfrequenzen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein ÄusführungsDeispiel

eines kreispolarisierenden Mikrostreifen-ü.ntenner elements,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres .ausführungsbeispiel eines kreispolarisierenden Mikrostreifen-Antennenelements,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine beispielhafte lineare Anordnung von Mikrostreif en- .antennenelement en,

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Fig. 6 ein Diagramm mit der theoretischen Maximalverstärkung und den bei αen erfxndungsgemäßen .anordnungen von Mikro- ! streif en.-Antennenelement en gemessenen Verstärkungen,

. 7 ein BLardiagramm der Verstärkungscharakteristik für eine ebene erfindungsgemäße Anordnung von Antennenelementen und einer Bezugsverstärkungscharakteristiii eines tiornstrahlers_rmit MοrmverStärkung zum Vergleich,

i?xg. 8 eine Draufsicht auf eine zweidimensionale : Anordnung von Mikrostreifen,-Antennenelement en,

J¹Ig. 9 eine schematische Darstellung einer ; elektrisch abtastbaren, m Phase arbeiten-' den Anordnung von Mikrostreifen-Antennene 1 em en t en, und

Eig.10 eine schematische Darstellung einer anordnung zur Er2ielung eines Ampiituaenabfalls über die öffnung der Anordnung

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zwecks !Reduzierung der Seitenkeulen.

Pig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für ein linear polarisierendes Mikrostreifen-Antennenelement gemäß der Erfindung. In Fig. 1 ist eine gleichmäßig dimensionierte HP-Zuleitung 20 dargestellt, wobei der'Fachmann weiß, daß die Abmessungen der Zuleitung so gewählt werden müssen, daß die Impedanz des Strahlers 22 an die Impedanz eines Koaxialkabels oder einer anderen HF-Leitung angepaßt

i ist, welche an der Stelle 24 an den Jüingang der JiF-Zuleitung j

20 angeschlossen ist, um als Quelle für HF-ünergie zu dienen, j oder um HF-Energie, die von dem Antennenelement empfangen worden ist, einem empfänger zuzuführen_o Die HF-Zuleitung 20 und der Strahler 22 bestehen aus einer Schicht leitfähigen Materials, das unter Verwendung eines bekannten Herstellungsverfahrens für gedruckte Schaltungen von einem Substrat 26 aus Isolierstoff weggeätzt worden ist. Die Unterseite des Substrats ist auf einer leitenden, ebenen Oberfläche 28 aus z.B. Kujfer - (oder einem anderen leitfähigen Material) befestigt.. Wahlweise kann das Mikrostreifenteil auf dem isolierenden Substrat auch der Gestalt der elektrisch leitfähigen Haut eines Fahrbzw. Flugzeuge oder einer anderen leitfähigen Oberfläche angepaßt sein.

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Der quadratische Strahler 22 sollte so bemessen sein, daß die Länge seiner Seiten etwa der halben Wellenlänge CCj/2) bei der zu übertragenden Betriebsfrequenz entspricht, wobei entsprechend der Dielektrizitätskonstante des isolierenden Substrats 26 eine Korrektur erforderlich isü. Genau genommen, muß die Seitenlange des Quadrats gleich der halben freien ~W_ellenlänge dividiert durch die Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstante des Substrats 26 sein.

Obgleich die Seitenlange theoretisch gleich der halben Wellenlänge sein müßte, muß sie in Wirklichtkeit etwas kurzer sein, um sicherzustellen , daß die Strahlereingangsimpedanz im wesentlichen reell ist. Somit wird sichergestellt, daß der imaginäre! Teil der üchlitzreaktanz, der von der ^egenüberliegenden Seite des Strahlers reflektiert wird, im wesentlichen den imaginären Teil der Reaktanz des diesseitigen Schlitzes ausgleicht. Bei einem typischen Äusführungsbelspiel beträgt die Seitenlange des Strahlers 22 ca. 0,49 mal der freien vVellenlänge dividiert durch die Quadratwurzel der relativen Dielektrizitätskonstante des Suostrats«, Im allgemeinen er- j weist sich eine Seitenlänge gleich 0,4-7 bis 0,49 mal der halben Wellenlänge /Ln/2. als geeignet. Wenn also im folgenden !eil J der Beschreibung die Strahlerabmessungen auf die halo wellen- j

länge bezogen werden, versteht es sich von selbst, daß die j

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betreffende Abmessung in Wirklichkeit etwas kurzer als die hai be wellenlänge ist, um sicherzustellen, daß die Ante.-ineneingangsimpedanz im wesentlichen im v/iderstandsbereich liegt.

Der Mikrostreifenstrahler muß nicht unbedingt eine quadratisch«;

Gestalt aufweisen, um eine linear polarisierte Abstrahlung I zu erzeugen, viiie. z.ß. ausJ^ig. 2 hervorgeht, kann em rechtj eckiger Strahler 30 entweder von einer Hi'-Zuleitung 32, die ι indie längere Seite des rechteckigen Strahlers mit der Ab-

! messung/^ _d2/^ mündet oder von einer n.)?-Zuleitung 34, diemit

i der kürzeren Seite mit der Abmessung Λ.,.,/2 verbunden ist, ge-

i speist werden, üs ist festgestellt worden, daß die elektrischen

' xii'-Plächenströme längs der überfläche des Strahlers 30 im

i wesentlichen parallel zu aer jeweils einmündenden iii¹-Zuleitung

i fließen, wie durch die Pfeile 36 und 38 angedeutet ist. Ob-

j gleich die jü?-Zuleitungen bevorzugt mit aen jeweiligen Mittel-

ι punkten der entsprecnenden Seiten verbunden sein sollten, um

! die größtmögliche Gleichförmigkeit der .tflächenstromverteilung

j zu erzielen, wäre es auch möglich, die üF-Zuleitungenrait ande-

■ ren Punkte aer Hechteckseiten zu veroinden, ohne die linearen j PolarisationseigerischL.ften des Clements wesentlich zu be-

■ einträchtigen.

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Beim Ausiührungsbeispxel der Ji¹Xg. 2 wird die Resonanzfrequenz des Strahlers 30 duz?ch die Länge der kürzeren Seite bestimmt, wenn die HE¹-Zuleitung 32 als Speiseleitung dient} wenn da_eegei|i dxe üJ?-Zuleitung 34 als Speiseleitung dient, wird die Resonant frequenz durch dxe Lange der längeren Seite festgelegt. Auf diese Weise kann derselbe Strahler bei zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen betrieben weraen. Bei der Festlegung der abmessungen des rechteckigen Strahlers 30 gelten dxe gleiciien Überlegungen wie bei der Wahl der .abmessungen des Straiiiers 22 in Ji¹Xg. Io Also mißt die kürzere Seite ca. die halbe welle: länge äer ersten gewünschten Resonanzfrequenz, wahrend die längere Seite etwa gleich der halben Wellenlänge eier zweiten gewünschten Resonanzfrequenz ist.

Bei Einspeisung an einer .ticke über eine üb'-Zuleitung 21, wie in J¹Xg. 1 dargestellt, kann der quadratische Strahler 22 auch zur Krexspolarisierung verwendet werden. Bei der in Ji¹Ig. 1 dargestellten Lage des Strahlers 22 muß der Abstand zwischen den linken und rechten Seiten etwas kleiner als die halbe Wellenlänge seh, während der Abstand zwischen den oberen und unteren beiten etwas größer als die halbe wellenlänge sein muß, um über den quadratischen Strahler 22 zwei zueinander orthogonale Admittanzen 0,01 + 50,01 und 0,01 - j0,01 zu erhalten. Wenn dann die Einspeisung der hochfrequenz von der

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Ecke aus üoer HJi¹-Zuleitung 21 erfolgt, weisen die abgestrahlten Zeltler konjugierte Phasen auf, so daß das abgestrahlte G-esamtfeld kreispolarisiert ist. Durch geeignete Wahl der Einspeisungsecke für die Hochfrequenz kann wahlweise eine linke oder rechte Kreispolarisierung erzielt werden. Werden die Abmessungen so gewählt, wie soeben beschrieben wurde, führt einspeisung an der in Pig. I dargestellten Ecke zu einer rechten Kreispolarisierung, während bei einspeisung an einer der beiden benachbarten ecken eine linke Kreispolarisierung erzielt würdet

Auch ein quadratischer Strahler 40 für Hochfrequenz, wie in

j Pig. 3 dargestellt;, stellt ein kreispolarisierendea Antenneni

element dar, wenn an zwei benachbarten Seiten 42 und 44 um 90 zueinander phasenverschobene Hochfrequenzen eingespeist

werden. Wie in Pig. 3 dargestellt, wird die Seite 42 von einer nP-Zuleitung 46 gespeist, während die Seite 44 von einer Hi¹-Zuleitung 48 gespeist wird. Beide HP-Zuleitungen sind an ihren anderen enden mit einer aufgedruckten Phasenverschiebungsvorrichtung 50 verbunden, deren HP-Eingang/Ausgang 52 einer linken Kreispolarisierung entspricht, während HP-Eingang-/Ausgang 54 einer rechten Kreispolarisierung entspricht ο Wenn HP-eingang/ausgang 52 verwendet wird, sind die durcn die HJ¹-Zuleitung 48 gespeisten HP-Signale um 90 gegen-

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über ähnlichen H^x'-Signalen verschoben, die über die iii¹-Zuleitung 46 eingespeist werden. Bei Jiinspeisun^ über deu L·^- iiingang/AUSgang 54 sind die üollen der beiden ni-Signale vertauscht, so daß das vorher um 90° verauseilenae ü-ß'-Signal nunmehr um 90 nachexlt.

Unter der Annahme, daü die der Seite 44 zugeführten rür-Signale die funktion cosM_/t aufweisen, und daß die der Seite 42 züge- I führten iuf-Signale der Funktion cos ^t -I'/Z) folgen, verläuft} zum Zeitpunkt t = 0 die .dichtung des elektrischen flächen- ' Stroms im wesentlichen senkrecht zur Seite 44 und parallel ! zur Seite 42. Später, wemi^t =7f/2_t hat sich die iu.oh.tung der! abstrahlenden elektriöcnen üTlächenströme um 90° gedreht, so daß äie jetzt parallel zur Seite 44 und senkrecht zur beite 42 verläuft,. Zu einem noch späteren Zeitpunkt, wennoot =// , hat die .Richtung der elektrischen Flächenströme um weitere 90° gedreht, so daß sie dann parallel zur Seite 42 und senkrecht zur Seite 44 verläuft, viienn schiießiichdc^t = hat die liichtung des elektrischen flächenstroms um weitere 90° gedreht, um somit parallel zur Seite 44 und senkrecht zur Seite 42 zu verlaufen. Auf diese Weise erzeugt der Strahle 40 eine Kreispolarisierung, wobei der jJrehsirm der Kreispolari sierung davon abhängt, in welcher iieihenfolge die um 90 zueinander phasenverschobenen hochfrequenten Ströme den beiden

Seiten 42 und 44 zugeführt werden.
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-ti'ig. 4 zeigt ein weitei'es Ausführungs bei spiel eines kreispolarisierenden iinten-.enelements -gemäiä dtr Erfindung, bei dem ein Strahler 66 nicht die quadratische ü-estalt aes Strahlers 40 m ü'ig. 3 besitzt, jiin quadratic cn er Phasenverschiebungsstromkreis 60, der in seiner liestalt der Phabenverschiebungsvorrichtung 50 der JJ'ig. 3 ähnelt, ist mit zwei ϋϊ-Zuleitungen 62 bzw. 64 verbunden, die den bpeisestellen 68 bzw. 70 um ' /2 zueinander phasenverschobene nochfrequenzsignale zuführen, wobei die Speisestellen βό und 70 längs des Umfangs des kreisförmigen Strahlers 66 um 90° zueinander versetzt sind. Auch mittels dieser Anordnung kann wahlweise eine rechts- oder linksdrehende Kreispolarisierung erzeugt werden.

aus Jj¹Ig. 4 ist zu ersehen, äaii der Strahler 66 bezüglich zweiejr zueinander senkrechter Achsen 72 und 74, die sicn im Mitfcel-

punict des kreisförmigen Strahlers 66 schneiden una durch die ;

um 90° zueinander versetzten Speisesteilen 68 und 70 verlaufen,!, : bezüglich dieser symmetrisch aufgebaut ist. x)iese feststellung gilt auch für die cipeisesteile(n) der quadratischen oder

; rechteckigen Strahler der vorhin beschriebenen Ausführungsbei-|

j j

: spiele, wobei die zueinander üenkrechten Achsen parallel ^; zu aen deiten der quadratischen bzw. rechteckigen Strahler

^! verlaufene

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i)ie oben beschriebenen üiikrosureif eu-Atitennenelemente lassen
sich zu außergewöhnlicii wirksamen Unordnungen gruppieren,
wobei mehrere Einzel antennen derart gruppiert werden, dab eine! fächerförmige oder enggebündelte Abstrahlung resuliert. iin ; Ausführungsbeispiel für eine steuerbare Anordnung von Btrahlerii ist in -«'ig. 5 dargestellt. Die gesamte "anordnung kann als i integraler gedruckter schaltkreis zusammen mit allen erforaer-l j liehen Phasenverschiebungsstromkreisen usw. hergestellt wer- j j den, um somit eine extrem einfache una billige anordnung mit I ! außergewöhnlich guten Antenneneigenschaften zu sahaffen. !

: Die beispielshafte lineare Anordnung aus vier elementen in ;

: i

ι ü'ig. 5 weist Strahler 8ü, 82, 84 bzw. 86 für die Übertragung j

! i

i you HJi-Signalen auf, welche auf einer Isolierstoff schicht 88 ι ^: auf der Basisebene 90 vorgesehen sind. Jeder dieser Strahler i ; wird von jeweils einer Hü-Zuleitung 92, 94_} 96 dzw. 98 ge- _;

speist, jede von welchen Zuleitungen an den jeweiligen Ausgang;

i !

j von steuerbaren Phasenverschiebern 100, 102, 104 bzw. IO6 :

angeschlossen ist. Obgelich diese Phasenverscmeber mit gleich-

ι ί

; phasigen ti^-Bingangssignalen gleicher Stärke von der Zuleitungs- ! anordnung 108 aus versorgt weruen, können die ausgangssignale
; in den iiü¹-Zuleitungen 92 bis 98 mittels eines Steuersignals

i in eine Leitung 110 relativ zueinander phasengesteuert werden, wodurch eine steuerbare Fächerabstrahlung erreicht wird.

j 1

L- 19 - i

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Auch bei einer zweidimensional en .anordnung der jmtei.Lenelemente können die relativen Phasenverschiebungen so gesteuert werden, daß ein steuerbares enggebundeltes Abstrahlmuster erzeugt wird.

.as wird angenommen, dato dxe außergewöhnliche Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Mikrostreifen-Antennen-Anordnungen durch die außergewöhnlich gleichförmige Ausstrahlung ("illumination") der Anordnungsöffnung verursacht wird. Die recht genaue Übereinstimmung zwischen der erwarteten und experimentell gemessenen Antennenverstärkung für eine deraritg Anordnung über der theoretischen maximalen Verstärkung ist in J¹Xg. 6 dargestellt, und aus dieser .Figur ist zu erstehen, daß die erwarteten und experimentell gemessenen Ergebnisse fast den theoretisch maximalen Wert erreichen.

Der einzige ü-rund, weshalb die theoretische Maximal ν er Stärkung nicht erreicht wird, ist schexubar die Tatsache, daß in Wirklichkeit die üii'-Zuleitung in Abiiängigkeit von der frequenz! und der ziuleitungslänge die Verstärkung verminderte. i)ie theore-j-

tisch maximale Verstärkung G- für eine absolut gleichförmige ausgestrahlte Öffnung beträgt:

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In Wirklichkeit vermindert jedcäi die Dämpfung in der Zuleitung die Verstärkung:

G- = lü Log - «C Leitung

wobei

oC = <oL/msL χ L in mm, d.h.. der Leitung und G-auf den tatsächlichen bzw. gegenwärtigen Wert bezogen ist.

Die Dämpfung ist eine .Funktion der Frequenz und der Leitungs- j länge. Im X-Band, wenn die Länge der Mikrostreifen-Zuleitung ca. 0,8 mm beträgt, oeträgto£_ungefähr 0,12 dB/25,4 mm. Da bei exnem Zuleitungsnetz für gleiche Leistungen und Phasen die Länge der Zuleitung gleich der halben üntermenhöhe plus der halben üntennenbreite beträgt, ist bei einer derartigen Anordnung

<=L*z 1/2 xoC/mrn χ (vY + H) in mm.

Bei einer Antenne mit den Abmessungen 127 mm mal 76 mm, i ergibt sich oCzu 0,48 dB. Diese Verluste mindern auch die Ver-j Stärkung einer gruppierten Anordnung. Bei einem Ausführungs- j beispiel mit den Abmessungen 76 mm χ 127 mm χ 0,8 mm wurde ; ein Verstärkungsfaktor gemessen (Fig. 7)> der die theoretische;

' ι

L ___ -2X- I

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Erwartung gemäß -ö'ig. 6 übertraf. Die abweichungen liegen innerhalb des erwarteten Abweichungsbereichs von — 1/2 d_ß bei der Messung der Antennenverstäricung.

Die gesteuerten Phasenverschieber IOD, 102, 104 und 106 in Pig. 5 können z.B. konventionelle pin-i)ioden mit gedruckten Phasenverschiebungsstromkreisen sein, wobei die pin-Dioden von einen Kleinrechner oder einem anderen geeigneten Steuermittel gesteuert werden, um zwischen den einzelnen HF-Signalen, die den einzelnen elementen der Anordnung zugeführt werden, die gewünsc'nten relativen Phasenverschiebungen zu erzeugen.

J¹Ig. 7 zeigt, daß die im Versuch gemessene Verstärkung einer Mikrostreifenantenne mit den Abmessungen 76 mm χ 127 mm χ 0,8 mm bei einer frequenz von 9,92 GHz ca. 21 dB bei der maximalen mittleren Keule beträgt, im Vergleich zum Verstärkungsverlauf gemäß der um 180° versetzt en Standardverstärkung ist dies ein günstiger Wert.

Die Ji'ig. 8 zeigt eine weitere .anordnung der Mikrostreif en-' Strahler, von denen jeder so gestaltet ist, wie in der genannten Patentschrift bzw. Patentanmeldung beansprucnt wurde und mehrere Speisestellen aufweist, die von eine*., gemeinsamen Speisenetz

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derart versorgt werden, daß jede Speisestelle eines jeden Strahlers mit einem Ηϊ-Signal gleicher Phase und Stärke versorgt wird. Vorzugsweise oeträgt die Breite eines jeden Strahlers der Anordnung ca. die halb Wellenlänge der gewünschten Betriebsfrequenzj wobei der Abstand zwiscinen benachbarten Strahlern ebenfalls ca. eine halbe »velienlänge Deträgt. vVie schon betont wurde, sind diese abmessungen entsprechend der relativen Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffs korrigiert, so daß sie jweils etwas weniger als die halbe Wellenlänge betragen, damit sichergestellt ist, daii die ü/ingang-simpedanzen aller Strahler im wesentlicnen widerständen entsprechen.

Während die einzelnen Mikrostreifen-Strahier der ü'ig. 8 in ! ihrer G-estalt den länglichen, in den genannten Patentschriften bzw. Patentanmeldungen veröffentlichten Strahlern entsprechen, wobei Speisestellen mindestens einmal pro v/elienlänge an den Längsseiten der, Strahler vorgesehen sind, ist entsprechend der ^! Erfindung festgestellt worden, daß eine Anordnung von Strahler^! entsprechend J¹Ig. 8 eine unerwartet hohe Verstärkung auf- ! weist, die fast der für eine Öffnung theoretisch größtmöglicneii Verstärkung entspricht. Diese Tatsache ist wahrscheinlich auf j die außerordentlich gleichförmigen i'lächenströme zurückzufuhre^, die durch eine derartige Unordnung erzeugt weraen»

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Durch entsprechende Steuerung der relativen Phasenwinkel der HF-Signale der einzelnen Strahler kann die Anordnung entsprechend J¹Ig. 8 gesteuert werden. Die Anordnung der Ji¹Ig. 8 stellt deshalb eine sehr wirksame Antenne mit einer sehr hohen Verstärkung von fast 100% der theoretisch größtmöglichen Verstärkung dar. Sie ist sehr zuverlässig und wenig störanfällig, dabei von minimaler Dicke und sehr billig, so daß eine fast ideale Antennenstruktur geschaffen wurde.

Iⁿig. 9 zeigt eine weitere in Phase betriebene Anordnung von Mikrostreifen-Antennenelementen, welche elektrisch steuerbar sind. Vier Strahler 150, 152, 154 und 156 werden üoer ein Versorgungsnetz gespeist, dessen .eingang an der Stelle 158 vorgesehen ist, und welches vier aufgedruckte Mikrowellen-Phasenverschieber 160, 162, 164 und 166 mit HJT-Signalen gleicher | Stärke und Phase versorgt. Die relative Phasenlage der aus- j gangssignale dieser Phasenverschieber (und daher auch der Mn- | gangssignale zu den verschiedenen Strahlern der Anordnung) ' hängt ab von der Lage der schaltbaren Dioden 168 in-jedem j

Phasenverschieber und dem Schaltzustand dieser Dioden· Die j

I Dioden können ein- oder ausgeschaltet werden, indem von einem j

Kleinrechner oder von einer anderen entsprechend programmierten] Steuervorrichtung ein Signalstrom erzeugt wird, wodurch die j relative Phasenverzögerung bei jedem der Mikrowellen-Phasenver

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sableberii 160, 162, 164 und 166 zwischen O und 180° verändert werden kann. Durch eine entsprechende Steuerung der Dioden 168 könnendie Mikrostreifen-Strahler in jeder erforderlichen Kombination erregt v/erden, wodurch Abstrahlungsverteilungen jeder gewünschten Gestalt erzeugt werden können. i*ie .anzahl der .Dioden 168 kann erhöht werden, um die durch die Mikrowellen-Phasenverscüieber 160, 162, 164 und 166 zu erzielenden relativen Phasenverschiebungen genauer steuern zu können. Die Unzahl der AnteiiMenelemente kann ebenfalls erhöht werden üuer die vier Strahler der J¹Ig. 9 hinaus, um die Bandbreite weiter zu reduzieren und um die Verstärkung der Unordnung zu vergrößern.

Bei Verwendung einer iiP-Zuleitungsanordnang, wie sie in J¹Ig. 10 dargestellt ist, können unerwünschte Seitenkeulen der Abstrahlung der üntennenanordnung reduziert werden, ßel aen bisherigen Ausführungsbeispielen gemäß Pig. 5, ö und 9 wurden die Jiinzelelemente der Anordnungen über ein symmetrisches Versorgungsnetz mit HP-Signalen gleicher Stärke gespeist« iiis auf die durch die Phasenversehieber verursachten Phasenverschiebungen waren die HE-Signaie miteinander in Phase.

Bei dem in Pig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch werden die im Z_uleitungsnetz erwarteten Verluste dazu verwenaei,

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die Stärken der an die verschiedenen Strahler gespeisten HJj¹-Signale zu variieren. iJs wurde alsO die Amplitudenverteilung derart eingeengt, daß unerwünschte Seitenkeulen der .abstrahlung reduziert werden.

ζ.3. wurden die ZuIeitun_osverbindungssteilen 180 bzw. 182 um jeweils eine hai be Wellenlänge bezüglich der normalen xuascnlußstelien 184 bzw. 186 versetzt. Der Unterschied bezüglich der Gesamtlängen der H^-Zuleitungen zwischen dem gemeinsamen Eingang/Ausgang 188 und Speisesteilen 19ü und 192 einerseits, und äen Speisesteo.1 en 194 und 196 andererseits beträgt nunmehr eine ganze Wellenlänge im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen, bei denen kein Unterschied vorhanden war. Die relativen Phasenl^gen der hi'-jiingangssignale der Einzelelemente sind hiervon nxcht betroffen. Dadurch, daß die Zuleitungen zu den bpeisestellen 190 und 192 langer sind als die Zuleitungen zu denSpeisestellen 194 und 196, ist die Amplitude des üJj'-Signals an den Speisestellen 190 und 192 kleiner

als an den Speisestellen 194 und 196. i)urch diese Veränderung ! der ümplitudenverteilung m der Anordnung werden die unerj wünschten Seitenkeulen der Abstrahlung reduziert. Bei einer

Anordnung mit einer größeren Anzahl von einzelelementen könnte mittels dieses Verfahrens eine noch bessere Amplitudengestaltuni

erzielt werden.

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Auch bei den in den genannten Patentschriften und Patentanmeldungen offenbarten länglichen Mikrostreifen-Strahlern kann die oben erwähnte Amplitudenbeeinflussung angewandt werden.

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Claims

Ans'prüche

1./ Antennenanordnung, bestehend aus einer elektrisch leitenden Basisoberfläche, einer einschichtigen Anordnung von elektrischen Leitern in Jj¹OrIn eines Strahlers und einer HF-Zuleitung sowie einem Isolierstofftrager, welcher Torzugsweise zwischen der Basisoberfläche und der einschichtigen Anordnung d.er elektrischen leiter vorgesehen ist, gekennzeichnet durch , eine wenigstens an einer Stelle angeordnete ein Abstrahlun^smuster vorbestimmter Polarisierungseigenschaften vorgebende Verbindung zwischen der HF-Zuleitung und dem Außenrand des Strahlers.

2. Antennenanordnung nadh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

'daß die HF-Zuleitung nur an einer Stelle, eine lineare Polarisierungscharakteristik erzeugend, mit dem Außenrand des Strahlers verbunden ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Zuleitung nur an einer Stelle mit dem Außenrand des Strahlers so verbunden ist, daß eine kreisförmige PoIa-risierungscharakteristik vorgegeben wird.

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4· Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hi'¹-Zuleitung aus einer ersten Zuleitung, die nur
an exner ersten Stelle mix dem Außenraüd des Strahlers,
exne lineare Polarisierungscharakteristik erzeugend,
verbunden ist, und aus einer zweiten Zuleitung, die nur an einer zweiten Stelle mit dem Außenrand des Strahlers verbunden ist, und eine kreisförmige Polarisierungscharakteristik vorgibt, besteht.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -ϋϊ-Zuleitung einen ersten, nur mit einer ernten
Stelle am üußenrand des Strahlers veroundenen Abschnitt,
einen zweiten, nur mit einer zweiten Stelle am AUisenrand
des Strahlers verbundenen Abschnitt und fhasenverschie-

j Düngemittel, die zwischen aen ersten und zweiten Abschnitten und einera gemeinsamen Hi-Eingang/üUsgang verbunden

sind, aufweist, wobei die Phasenlagen der Htf-Signale in de j ersten und zweiten abschnitten bezüglich·.der Phasenlage
j des HP-Signals am gemeinsamen HP-Eingang/ausgang durch j

die Phasenverschiebungsmittel steuerbar sind. !

!

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,; daß die Phasenverschiebungsmittel eine relative Phasenver-i Schiebung von 90 und damit eine Kreispolarisierung vorgeD

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7. Antennenanordnungnach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungsmi-ttel eine geschlossene, rechteckige leiterbahn mit vier BCkenaufweisen, wobei die ersten und zweiten Abschnitte der HJP-Zuleitung mit benachbarten Ecken verbunden sind und der gemeinsame HP— Eingang/Ausgang eine der verbleibenden beiden .ticken bei recht s dreh end er JCreispolarisierung und die andere der verbleibenden Ecken bei linksdrehender Kreispolarisierung ist.

j 8. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine quadratiscne ü'läche darstellt.

j 9. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

j daß der Strahler eine kreisförmige Jj¹Iaehe darstellt.

IU. Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus mehreren getrennten Strahlern und entsprechenden HJj'-Zuleitungen aufgebaute Anordnung zu einer in Phase gebrachten Anordnung aus mehreren Elementen zusammengefügt ist, und daß Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen UM¹-Zuleitungen vorgesehen sind, so daß sämtliche Strahler mit einem gemeinsamen H^-Eingang/Ausgang verbunden sind.

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11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch steuerbare Phasenvers chi ober, die in den üb¹- Zuleitungen vorgesehen sind, um die relative Phasenlage des HJT-Signals eines jeden Strahlers und damit auch die Abscrahlungsrichtung der Strahlungscharakteristik der Anordnung zu steuern.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverbchieber einen integralverbundenen Teil des einscnientigen Systems von elektrischen Leitungen bilden.

13· A ntennenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Phasenverschieuer zwecks Steuerung der von ihm zu bewirkenden Phasenverschiebung schaltbare Dioden aufweist.

14· Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen verschiedene Übertragungslängen zwischen dem gemeinsamen üingang-Ausgang und den verschiedenen Strahlern aufweisen, ao daß über der Öffnung der Anordnung eine abfallende Amplitudenverteilung erzeugt wird, wodurch die Seitenkeulen der StRahlungscharakteristik der Anordnung reduziert werden.

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15· Antennenelement nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine quadratische Fläche darstellt, deren Seitenlänge im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der erwarteten Betriebsfrequenz ist.

iö. Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine rechteckige Fläche darstellt, wobei die längere Seite der Fläche etwas kurzer als die halbe Wellenlänge einer ersten erwarteten Betriebsfrequenz ist, welche an der kürzeren Seite der Fläche eingespeist j wird, und wobei die kürzere Seite der Fläciie etwas kürzer als die halbe Wellenlänge einer zweiten erwarteten Betriebsfrequenz ist, welche an der längeren Seite der Fläche eingespeist wird.

j 17. Antennenä-ement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler bezüglich zweier zueinander senkrechter Achsen symmetrisch ist, wobei die HF-Zuleitung mindestens an einer der Schnittstellen der Achsen mit dem Außenrand des Strahlers mit dem Strahler verbunden ist.

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18. Antennenanordnung, gekennzeichnet,durch eine elektrisch leitende Basisoberfläche, eine einschichtige Anordnung
von elektrischen Leitern, bestehend aus mehreren Stranle und einem bystem von HF-Zuleitungen, welche mit einem
gemeinsamen Eingang/Ausgang verbunden sind, ein isolierstoff blatt, welches zwischen der Basisoberfläche und
der einschichtigen Anordnung von elektrischen Leitern
vorgesehen ist, wobei jeder der Strahler eine längliche, zusammenhängende und leitende Ooerfläche darstellt, die von dem isolierstoxfblatt getrennt ist, eine Breite etwa gleich der halben wellenlänge einer erwarteten Betriebsfrequenz und eine Länge von fliehr als einer solchen well eh· länge besitzt, wobei längs einer der längeren Seiten
mehrere im Abstand voneinander befindliche Speisestellenj vorgesehen sind, deren Aostand voneinander nicht mehr als eine Wellenlänge beträgt, und wobei der Abstand zwischen! den einzelnen Strahlern senkrecht zu ihren längeren
Seiten etwa eine halbe Wellenlänge beträgt, una wobei
ferner das Zuleitungsystem mit den bpeisesteilen verbunden ist.

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19. Antennenanordnung nach. Anspruch. 18, dadurch gekennzeichnet, daß das' ZuIeitungssystem zwischen dein gemeinsamen Eingang/Ausgang und den verschiedenen ötrahlern aus Abschnitten verscniedener Transmissionsläng'en besteht, wodurch über der Öffnung der Anordnung eine
abfallende Amplitudenverteilung erzeugt wird, wodruch die öeitenkeulen der Strahlungscharakteristik der Anordnung reduziert werden.

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