DE2633757A1

DE2633757A1 - Mehrfachantenne

Info

Publication number: DE2633757A1
Application number: DE19762633757
Authority: DE
Inventors: Garry G Sanford
Original assignee: Ball Corp
Current assignee: Ball Corp
Priority date: 1975-10-06
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1977-04-14
Also published as: JPS5246745A; FR2327650B1; GB1526505A; CA1067996A; FR2327650A1; JPS5942484B2; DE2633757C2; US4070676A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Funk- bzw, Hochfrequenz-Mehrfachantenne nach Art eines Mikrowellen-Resonanzstrahlers. Mikrostrexfenstrahler bzw, Raumstrahlantennen oder entsprechende Sendeanordnungen dieser Art sind von besonderer Formgebung und Dimensionierung ihrer leitenden Oberflächen, die einer großen Basisplatte überlagert sind, wobei der Abstand zwischen ihnen entsprechend der Wellenlänge relativ klein gehalten mit dielektrischen Material ausgefüllt ist. Bekannte Mikrostreifen- bzw, Raumstrahlantennen (microstrip radiators) werden entweder einzeln oder serienweise mittels Fotoätzverfahren gefertigt, so daß sich exakte Dimensionierungen vorgeben lassen, wobei der

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Aufbau der leitenden Flächen mit dem gedruckter Schaltungen zu vergleichen ist. Das Ausgangsmaterial, welches zur Herstellung der genanntenAntennen verwendet wird, ist auch entsprechend ähnlich demjenigen für herkömmliche gedruckte Schaltungen, wenn auch hiermit nicht vergleichbar, da hier die Trägerschicht aus einer Platte aus dielektrischem Material besteht, die sich jeweils zwischen zwei leitenden Flächen befindet. Im allgemeinen wird für den hier in Betracht kommenden Antennenaufbau von einer Grundplatte oder Erdungsfläche ausgegangen, die mit einer dielektrischen Schicht versehen ist oder versehen wird, um mittels eines Fotoätzveffahrens die jeweils gewünschte Mikrostreifen-Anordnung ausbilden zu Kinnen, oder es wird eine Mehrzahl solcher beschichteten Platten in geeigneter Weise zusammengefaßt. Die üblichen Mikrostreifen-Raumstrahlantennen haben nur eine relativ schmale Resonanzbandbreite von annähernd 2 bis 3% der mittleren Resonanzfrequenz, Für eine Vielzahl der Anwendungsfälle werden jedoch zwei oder mehr Arbeitsfrequenzen gefordert, so daß Abweichungen von mehr als 5 und bis zu 20% von der mittleren Frequenz erforderlich werder Ein Mikrostreifen-Raumstrahler oder dergleichen Antenne, der in der Lage ist, auf der Gesamtheit der geforderten Frequenzen zu arbeiten, ist daher für eine Vielzahl von Anwendungsfällen besonders vorteilhaft.

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Sntennenaufbauten_f die versuchen, diesen Forderungen nachzukommen, bestehen aus rechteckigen £ntennenelementen mit unterschiedlichen Kantenlängen entsprechend den gewünschten unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Hierbei wird beispielsweise ein rechteckiges Element im Bereich einer Ecke mit den Hochfrequenzwellen gespeist, wobei die kürzere Kantenlänge des Rechteckes in der Lage ist, eine erste hochfrequente Resonanzfrequenz vorzugeben, während die längere Dimension des Rechteckes die zweite niederfrequentere Resonanzfrequenz bestimmt. Auch sind getrennte FrequenzZuführungen zu den längeren und kürzeren Dimensionen des Rechteckes möglich. Derartige Äntennenaufbauten sind jedoch in der Zahl ihrer Resonanzfrequenzen außerordentlich beschränkt und kennzeichnen sich darüberhinaus, wenn multiple Anordnungen gefordert sind, nur begrenzt anwendbar bleiben. Zusätzlich sind die linearen Polarisationen der beiden Frequenzen notwendigerweise unterschiedlich, da ihre Orientierungen zueinander verschieden sind

Des weiteren ist ein multipler Resonanz-Mikrostreifensender bereits in Vorschlag gebracht worden, der sich durch unterschiedliche Mikrostreifenelemente kennaeichnet entsprechend den gewünschten Resonanzfrequenzen, die zusammen reihenweise in einem plattenartigen Träger angeordnet sind, und die miteinander über Speisungsleitungen in Verbindung stehen,

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wobei darauf geachtet ist, daß möglich unerwünschte WEchselwirkungen gering gehalten werden. Jedoch können durch die gemeinsame Verbindung die gegenseitigen Beeinflussungen nicht vollständig eliminiert werden, so daß sich merkliche Störungen für die Abstrahlungscharakteristika ergeben. Infolgja der Flächenbereiche, die von derartigen multiplen Anordnungen eingenoramen werden, war es darüberhinaus bisher auch nicht möglich, sie für größere Antennenaufbauten zu verwenden.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, Vorrichtungen der beschriebenen Art zu verbessern. Es wird erfindungsgemäß ein Mikrostreifenstrahler bzw. eine entsprechende Antennenanordnung geschaffen, welche sich durch eine möglichst große Zahl von Resonanzfrequenzen mit nur sehr geringen Störabweichungen oder Änderungen im Äbstrahlungsmuster kennzeichnet, und zwar sowohl bezüglich der Form als auch der Polatisation oder auch der Dämpfung zwischen den verschiedenen Resonanzfrequenzen, Die vorliegend Antennenanordnung ist darüberhinaus außerordentlich kompakt aufgebaut u..nd daher besonders geeignet, um auch in entsprechend großen Antennenanlagen Anwendung finden zu können.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die beispielsweise Ausführungsformen zeigen. Es bedeutet t - 5 «

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Fig, 1 eine perspektivische Teilschnittdarstellun

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einer ersten Ausführungsform.

Fig, 2 eine schematische Querschnittdarstellung der Ausführungsform nach Fig, I mit entsprechend einer Anwendungsform angedeutete Wi rkungswe i s e,

Fig, 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 für eine andere Wirkungsweise bei gegebenerAusbildungsform,

Fig, 4 einen perspektvischen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform,und

Fig, 5 einen schematisierten Querschnitt einer noch weiteren Ausbildungsform einer Antennenanordnung,

Die Mikrostreifenantenne 10 gemäß Figur 1 setzt sich zusammen aus einer Basisplatte 12 aus leitendem Material, einer ersten elektrisch leitenden Fläche bzw, einem sogenannten Antennenelement 14f welchesim Abstand über der Basisplatte 12 in der dargestellten WEise angeordnet ist, und schließlich einem

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zweiten elektrisch leitenden Äntennenelernent 16, welches wiederum über dem Flächenelement 14 und im Abstand zu diesem liegt. Hierfür sind die Empfangs- oder Sendeantennenelemente 14 und 16 wie auch die Basisplatte 12 mittels eines dielektrischen Materials IS' zu einer Einheit zusammengefügt, und zwar so, daß die genannten Flächen parallel zueinander liegend mit ihren Zwischenräumen vollständig von dem dielektrischen Material ausgefüllt sind. Herstellbar ist eine Anordnung gemäß Figur 1 etwa so, daß beispielsweise zunächst die Grund- oder Basisplatte 12 und das Flächenelement 14 in herkömmlicher Weise ausgebildet, dann mittels des dielektrischen Materials 18 zu einer Schichtanordnung zusammengefaßt werden, und schließlich eine Basisschicht ohne Grund .-platte mit der zweiten Antennenfläche 16 aufgeschichtet wird. Die in Figur 1 gezeigte Schichtanordnung ist eine der denkbar einfachsten, da wie nachfolgend noch verdeutlicht werden wird der wesentliche Vorteil der vorliegenden Vorrichtung in einer möglichst vielschichtigen Anordnung entsprechend der Zahl der gewünschten Resonanzfrequenzen des Antennenaufbaus 10 zu finden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das oberste Antennen element (in Figur 1 das Element 16) mit einer herkömmlichen Mikrostreifenzuleitung 20 versehen.

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Selfostverständlich ist es möglich, je nach Anwendungsfall auch die eine oder andere Zwischenverbindungsleitung vorzugeben. In einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die Antennenelemente, die zwischen dem genannten obersten Element und der Basisplatte (d.h., dem Element 14 in Figur 1) lieqen, passive Elemente, d.h., daß ihnen keine Zuführungsleitungen entsprechend der Leitung 2O zugeordnet sind. Wie später noch näher erläutert v/erden wird, können jedoch bei anderen Ausführungsformen geeigneter Zuführungsleitungen oder andere zwischengeschaltete Elemente vorgesehen werden.

Die Antennenelemente in der Ausführungsform gemäß Figur 1 stehen galvanisch nicht miteinander in Verbindung, d.h. es sind keine elektrischen Verbindungsleitungen vorgesehen, obwohl gegenseitige Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen und zwischen der Basisplatte zufolge des dichten Abstandes der einzelnen Antennenelemente zueinander durchaus gegeben sind, und zwar infolge der elektromagnetischen Felder, die sich zwischen ihnen und/oder dem untersten Antennenelement und der Grundplatte 12 ausbilden. Die Hochfrequenzsignale werden je-nachdem, ob die Anordnung als Sende- oder Empfangsantenne verwendet wird, über die Mikrostreifenzuleitung 20 auf die Antenne gebracht oder von dort abgenommen.

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Wenn die Frequenz der Signalfolge der Resonanzfrequenz eines der Antennenelemente entspricht, dann wird diese wiederum janachdem ob es sich um eine Sende- oder Empfangsantenne handelt, von diesem Element absorbiert oder ausgestrahlt. Gleichzeitig bestehen elektromagnetische Kopplungen zu den nicht sich in Resonanz befindenden Äntennenelementen. Die nicht in Resonanz befindlichen Elemente sind mit dem Resonanzelement induktiv auf Frequenzen gekoppelt, die unter der Resonanzfrequenz liegen, während eine kapazitive Kopplung bei Frequenzen oberhalb ihrer betreffenden Resonanzfrequenz besteht. Die Verhältnisse der induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen den einzelnen Antennenelementen gemäß der Ausführungsform nach Figur 1 werden später in Verbindung mit Figur 2 und 3 noch näher beschrieben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anwendungsmöglichkeiten von Mikrostreifenantennen irgendwelcher Formgebung, wobei zur Vereinfachung der vorliegenden Aufgabenlösung von rechtwinkligen Äntennenformen ausgegangen wird. Entsprechend können die Antennenelemente 14 und 16 in Figur 1 unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen gemäß ihrer unterschiedlich4n Dimensionierung, wobei das oberste Element da'jenige der höchsten Resonanzfrequenz ist und über allen anderen Elementen liegt.

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Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist die Mxkrostreifenzulaitung 20 mit der Längsseite des Äntennenelements 16 in der dargestellten Weise verbunden. Die Resonanzlänge 22 kann entweder der ganzen WEllenlänge oder einer Halbwelle der Resonanzfrequenz oder auch einer Viertelwelle derselben entsprechen, wobei im letzteren Fall die einzelnen Antennenelemente entlang einer Kante, d,h. an einem Ende der Resonanzlänge, geerdet sind.

Auch soll hervorgehoben werden, daß wie in Figur 1 nicht gezeigt andere Zuführungsleitungen im Bereich der kürzeren Kantenlänge des rechteckigen Elements 16 etwa zur Einspeisung einer niedrigeren Frequenz, die dieser oder einem ganzzahligen Vielfachen der Länge entspricht. Auch ist es möglich, die Resonanzlängen 22 und 24 gleichzuwählen oder annähernd gleich lang zu machen, so dafi mit einer derartig quadratischen Ausbildungsform der Elemente zirkulär polarisierte Abstrahlungsverhältnisse vorgeben lassen. Auch, ist eine zirkulär polatisierte Antennenanordnung mit einer Zuführungsleitung an einer der Ecken als mögliches Ausführungsbeispiel denkbar. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung jeder der genannten Antennenarten an sich, obwohl in Figur 1 nur die rechteckige Ausführungsform gezeigt ist,

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Das Jintenneneleinent 14 in Figur 1 ist entsprechend dein Element 16 ausgebildet nur mit proportional größerer Dimensionierung, so daß sich bestimmte korrespondierende graduelle Resonanzfrequenzen ergeben. Das größere Element 14 liegt unmittelbar über der Basisplatte 12, während gegebenenfalls andere schichtweise darüber angeordnete Elemente entsprechend ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz in das dielektrische Material 18 eingebettet bzw. auf dieses aufgebracht sein können. Vorzugsweise ist das kleinste und in der Anordnung oberste Antennenelement mit der Leitungs verbindung 20 versehen.

Bei symmetrischer Anordnung der aufeinanderliegenden Antennen elemente liegt die Phasenmitte des GesaifttantennenaufbauslO für alle Einzelelemente an übereinstimmenden Punkten für jede Resonanzfrequenz. Derartig symmetrische Anordnungen eliminieren sich aus dem Äufbaumuster der Antenne ergebende Störungen. Dennoch sollte Erwähnung finden, daß die derart zentriert ausgerichteten Strukturen aus anderen Gründen nicht ganz unbedenklich sein könnten,und daß sie unter bestimmten Bedingungen durchaus nicht zwangsläufig einer asymmetrischen Anordnung vorgezogen werden müssen.

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In den Figuren 2 und 3 wird von einer Anordnung ausgegangen, die als Halbwellenresonator bezeichnet, werden kann, d.h., da3 die Kantenlänge des Jmtenneneleitients ϊε. Resonanzfall der halben Wellenlänge der Sende- bzw. Empfangsfrequenz entspricht. Die An tennene lernen te 14 und 16 liegen gewissermaßen in Reihe durch das sich zwischen ihnen ausbildende elektroT magnetische Feld, Das Element 14 ist in Figur 2 dasjenige mit der zugeführten niedrigen Resonanzfrequenz. Damit arbeite das Element 16 unter der gegebenen Resonanzfrequenz, wobei es tier das eingezeichnete elektromagnetische Feld mit dem Element 14 bei geringem induktiven Blindwiderstand 26 gekoppelt ist.· Diese .Kopplung ist damit Teil der Radiofrequenzspeisung" für das ■ Element- 14 gber die Ämschlußleitung 20. Die Strahlungsf elder 28 und 30_bestehen wie an sich bekannt zwischen den Elementen 14 und der Grundplatte 12,

Wenn hingegen die hohe Resonanzfrequenz des Elementes 16 an den Antennenaufbau angelegt wird, dann entsprechen die Kopplungsbedingungen zwischen den einzelnen Elementen der in Figur 3 gezeigten Darstellung. Hierbei arbeitet das Element 14 oberhalb seiner Resonanzfrequenz, so daß eine kapazitive Kopplung mit der Basisplatte 12 über die Kondensate ranordnung 32 besteht. Damit wirkt nunmehr das Element als Erweiterung der Basisplatte 12 und die Strahlungsfelder 34 und 36 liegen zwischen dem Antennenelement 16 mit der

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Mikrostreifenzuleitung und dem Element 14, Bei dieser Wirkungsweise ergibt sich für das nicht in Resonanz schwingend Element 14 wiederum, daß es Teil der Speisungsanordnung, und zwar infolge des Vorhandenseins der Strahlungsfelder 34 und ist.

Die Ausführungsform gemäß Figur 4 entspricht im wesentlichen der im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen mit der Ausnahme daß die Resonanzlänge 38 eine Viertelwellenlänge ist und daß eine Erdungsverbindung bzw. ein Kurzschlußstreifen-40 zwischen dem oberen Element 42 und dem unteren Element 44 sowie der Basisplatte 46 vorgesehen ist. Auch besteht eine weitere Abwandlung gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform darin, daß wie Figur 4 zeigt, die einzelnen Elemente gegeneinander verschoben sind, so daß sich nicht mehr eine zentrische Symmetrie, wie in Figur 1, ergibt, sondern vielmehr eine solche, bei der eine Seitenkante, nämlich die mit der Kurzschlußverbindung 40 zusammenfallende, in einer gemeinsamen Ebene liegt.

Die Querschnittdarstellung gemäß Figur 5 deutet einen allgemeineren Aufbau der Antennenanordnung an, die hier aus N Antennenelementen besteht. Diese Antennenelemente sind nicht

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entlang einer Seitenkante geerdet, wobei die Resonanzlänge 48 einer halben oder einer ganzen WEllenlänge der Sende- bzw. Empfangsfrequenz beträgt, Die Äusführungsform gemäß Figur 5 ist eine solche mit einer Mehrzahl von Zuleitungen zu den einzelnen Antennenelementen_r nämlich 1-N Zuleitungen. Für die zuvor beschriebene Äusführungsform wäre von diesen nur die oberste Zuleitung wünschenswert und erförderlich. Dennoch sind für einige Anwendungsfälle die Benutzung der einen oder anderen Getrennten Zuleitung der zwischenliegenden Antennenelemente denkbar und kann durchaus vorteilhaft sein»

Der Abstand zwischen den Antennenelementen ist nicht kritisch, solange er wesentlich geringer als eine WEllenlänge der Resonanzfrequenz ist. Vorteilhaft sind etwa Flächenabstände von ca, 1,6bis 3,2 mm. In der vorteilhaften Ausbildungsform gemäß den Beispielen bleibt der Abstand zwischen den Elementen konstant, so daß sich eine parallele Schichtanordnung inder dargestellten WEise ergibt. Der Schichtaufbau läßt sich aus verschiedenen einander entsprechenden einzelnen Tafeln aus dielektrischem Material mit den auf ihrer Oberfläche befindlichen Antennenelementen zusammensetzen, Antennenanordnungen mit ungleichen Äbstandsverhältnissen sind darüberhinaus jedoch durchaus denkbar,

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Claims

ANSPRÜCHE

. 1,J Sende- und/oder Empfangsantennenaufbau, bestehend aus einer elektrisch leitenden Basisfläche und einer Mehrzahl elektrisch leitender schichtweise über der Basisfläche liegender Antennenelemente, dadurch gekennzeichnet , daß jede Fläche der Antennenelemente (14, 16} 44, 42) so dimensioniert ist, daß sie untereinander unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, daß jedes der Antennenelemente im Abstand zu den anderen und zu der Basisplatte (12, 46) liegt, wobei die Abstände zwischen den Elementen mit dielektrischem Material (18) ausgefüllt sind, und daß elektrisch leitende Anschlußstreifen (20) wenigstens an einem der Antennenelemente zur Zuführung und/oder Ableitung der Resonanzfrequenzsignale für den Antennenaufbau vorgesehen sind,

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der Flächen der Antennenelemente so getroffen ist_r daß die Resonanzfrequenz jedes der aufeinanderfolgenden Elemente sich jeweils vergrößert, d,h, die Frequenz eines jeweils oben liegenden Elementes größer als die des darunter liegenden Elementes ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der übereinandergelegten Antannenelemente von unten nach oben gesehen in seiner Dimensionierung kleiner wird und daß die übereinanderanordnung der Einzelelemente so getroffen ist, daß von oben gesehen die Fläche des einen jeweils zentrisch innerhalb desjenigen der Fläche des darunter liegenden liegt,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anordnung der einzelnen Antennenelemente wenigstens bezüglich einer Längskante untereinander symmetrisch getroffen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß eines oder mehrere der aufeinanderliegenden Antennenelemente bezüglich jeder Kantenlänge symmetrisch zueinander ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Kantenlängen der Antennenelemente so dimensionier sind, daß sie einem Viertel der Frequenzwellenlänge entsprechen _f mit der sie in Resonanz stehen sollen, und daß weitere elektrische KurzSchlußleitungen zwischen den Antennenelementen und der Basisfläche entlang einer äußeren Kante vorhanden sind, wobei eine Längsausdehnung

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- ladies KurzSchlußelementes einer Viertelwellenlänge der Resonanzfrequenz entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens eines der Antennenelemente so dimensionier ist, daß es in elektrischer Resonanz bei einer Mehrzahl von Sendefrequenzen steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Antennenelernente so dimensioniert ist, daß elektrische Resonanz bei mehreren Sendefrequenzen vorliegt,

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß sich die Antennenanordnung aus mit elektrisch leitendem Material beschichteten "Platten oder Tafeln aus dielektrischem Material zusammensetzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß dasjenige von der Basisfläche bzw. der geerdeten Platte am entferntesten angeordnete Antennenelement mit der elektrischen Leitungsverbindung zur Zuführung bzw. Abnahme der Hochfrequenzsignale versehen ist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl an Antennenelementen
jeweils voneinander getrenntmit Leitungsanschlüssen
versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindungen für die Antennen+ elemente KIkrostreifen sind, und daß diese Mikrostreifen integrale Bestandteile der jev/eils zugehörigen Antennen·· elemente darstellen.

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