DE3042456A1 - Antenne mit einer einrichtung zur drehung der polarisationsebene - Google Patents

Antenne mit einer einrichtung zur drehung der polarisationsebene

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DE3042456A1 DE19803042456 DE3042456A DE3042456A1 DE 3042456 A1 DE3042456 A1 DE 3042456A1 DE 19803042456 DE19803042456 DE 19803042456 DE 3042456 A DE3042456 A DE 3042456A DE 3042456 A1 DE3042456 A1 DE 3042456A1
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Description

3Q424S6
- 4 G. Hockham 14
Antenne mit einer Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene
Die Erfindung geht aus von einer Antenne wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.
Solche Antennen sind an sich bekannt. Es ist ein Radargerät bekannt, das eine Antenne besitzt, die aus aneinandergereihten Hohlleitern mit Schlitzstrahlern besteht. Die Schlitze sind auf entgegengesetzten Seiten einer Querschnittsebene unterschiedlich geneigt und es ist eine geeignete Steuereinrichtung zur Steuerung der Phase der Speisesignale vorgesehen. Ein solches Radargerät ist beispielsweise aus der US-PS 3 716 856 (Polarisation Adaptive MTI Radar Transponder) bekannt.
Eine ebene Antennengruppe, von der,Signale mit unterschiedlichen Polarisationsebenen abgestrahlt werden, ist aus der DE-OS 2854 133 bekannt.
Diese Antennengruppe besteht aus aneinandergereihten im Querschnitt rechteckigen Koaxialleitungen, in deren Wänden als Strahler Schlitze vorgesehen sind.
Die Antenne gemäß der US-PS 3 716 856 ist relativ teuer. Sie besteht aus präzise hergestellten Hohlleiterabschnitten,in denen mit hoher Präzision Schlitze vorgesehen sind, Bei der in der DE-OS 2854 133 beschriebenen Antenne sind viele Probleme, die bei der in der US-PS beschriebenen
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Antenne vorhanden sind, gelöst. So ist zum Beispiel bei der aus Koaxialleitungsabschnitten bestehenden Antenne nicht das Problem der Grenzfrequenz vorhanden. Bei Koaxialleitungen mit Schlitzen ist außerdem relativ einfach möglieh, zur Verlangsamung der Wellen dielektrische Lasten vorzusehen. Der resultierende Aufbau ist leichter und wirkungsvoller verglichen mit Hohlleiteranordnungen. Es ist jedoch noch eine wesentliche Strahlungsverkopplung vorhanden.
Die neue Antenne geht aus von einem mäanderförmigen Leiter. Dessen Verständnis ist zum Verständnis der neuen Antenne notwendig. Bei einer Antenne mit einem mäanderförmigen Leiter sind Kenntnisse von der Mikrowellen-Streifenleitungstechnik und der Mikrostreifenleitungstechnik angewandt.
Sie wird zum Teil auch als "Draht-Schicht-Antenne" (sandwich wire antenna") bezeichnet. 1957 wurde eine solche Antenne von W. Rotman und N. Karas in dem Aufsatz "The Sandwich Wire Antenna: A New Type of Microwave Line Source Radiator" beschrieben, der in IRE National Conference Record 1957, PT 1, Seiten 162-172, erschien. Dieselben Autoren beschreiben solche Einrichtungen auch im Bericht "The Sandwich Wire Antenna" in Microwave Journal, Band 2, August 1959. Eine neuere Literaturstelle ist der Bericht "A new Analysis of the Sandwich Wire Antenna", erschienen in IEEE Transactions - Antenna and Propagation, Band AP 19, Nr. 5, Sept. 1971.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antenne mit einer Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene der empfangenen bzw. der abgestrahlten Signale anzugeben, die leicht und billig ist und gute Leistungen bietet.
Bei der neuen Antenne ist in einer Ebene mindestens eine
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Antennenzeile, die aus zwei spiegelbildlich zueinander und in einem kleinen Abstand zueinander angeordneten mäanderförmigen Leitern besteht, vorgesehen. Normalerweisei sind in einer Ebene mehrere solcher Antennenzeilen vorhanden·. Die Achsen der linearen Antennenzeilen sind im wesentlichen zueinander parallel. Die mäanderförmigen Leiter sind auf einem dielektrischen Material angeordnet. Sie sind parallel zu einer leitenden Masseplatte angeordnet. Die Strahlrichtung ist senkrecht zu dieser leitenden Platte. Die Strahlungsrichtung kann jedoch auch, abhängig von der Auslegung der Antenne, gegen die Normale geneigt sein.
Die beiden zueinander spiegelbildlichen mäanderförmigen Leiter, die eine lineare Antennenzeile bilden, werden getrennt gespeist und zwar über eine Phasensteuereinrichtung. Die Phasensteuereinrichtung weist für einen der beiden mäanderförmigen Leiter, die eine Antennenzeile bilden, einen Phasenschieber auf. Es ist jedoch auch möglich, jede dieser einzelnen mäanderförmigen Leitungen parallel mit der entsprechenden mäanderförmigen Leitung in einer anderen linearen Antennenzeile über einen ersten Phasenschieber zu speisen, wobei in diesem Fall die anderen mäanderförmigen Leitungen einer jeden linearen Antennenzeile ebenfalls parallel über einen zweiten Phasenschieber gespeist werden.
Diese beiden Phasenschieber werden unterschiedlich gesteuert. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Bereich über den ein steuerbarer Phasenschieber gesteuert werden
muß, um die gewünschte Phasendifferenz zwischen zwei mäanderförmigen Leitern zu erhalten, nur halbsogroß ist, verglichen mit dem Fall, daß nur die Phase für das Steuersignal für einen mäanderförmigen Leiter gesteuert wird.
Um alle gewünschten Polarisationszustände zu erreichen, müssen sowohl die Amplitude als auch die Phase zwischen
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zwei mäanderförmigen Leitern gesteuert werden. Deshalb wird angenommen, daß die Phasenschieber auch eine Amplitudensteuereinrichtung enthalten.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von 2 zueinander spiegelbildlich angeordneten mäanderförmigen Leitern und die dazugehörige leitende Platte,
Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Erzeugung einer horizontalen Polarisation bei gleich
phasiger Anregung,
Fig. 3 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Erzeugung einer vertikalen Polarisation bei gegenphasiger Anregung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Antenne, bei
der auch die leitenden Streifen dargestellt sind, die zum Ausgleich des Strahlungsverlustes über den vollen zu erreichenden Polarisationsbereich vorgesehen sind,
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 4, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Teils der ebenen Antennenanordnung.
Es wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen. Sie ist die Darstellung einer vereinfachten Antennenanordnung,
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wobei die Masseplatte und eine lineare Antennenzeile mit mäanderförmigen Leitern vorgesehen sind.
Die ebene Fläche 18, die entweder aus einem massiven Material oder zumindest aus einem Material, das mit Metall überzogen ist, besteht, ist groß genug, um die Rückseite einer Antennenanordnung zu bilden. Diese Antennenanordnung besteht aus mehreren Antennenzeilen, wobei jede Antennenzeile aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten mäanderförmigen Leitern besteht. In der Fig. 1 ist eine Antennenzeile 10 dargestellt.
Jede Antennenzeile 10 enthält zwei mäanderförmige Leiter, von denen der eine das Spiegelbild des anderen ist. Jeder dieser Leiter ist periodisch und erstreckt sich in longitudinaler Richtung. Die longitudinale Richtung wurde in der Fig. 1 gleich der Z-Achse gewählt. Diese Z-Koordinate ist im wesentlichen parallel zu der längeren Kante der Platte 18.
Die erste mäanderförmige Leitung enthält die Abschnitte 11, 11a, 11b, 11c und 11d. Sie besteht aus einem kontinuierlichen Leiter, der in der Technik der gedruckten Schaltung auf ein dielektrisches Substrat 17 aufgebracht ist. Dieser erste mäanderförmige Leiter besitzt die Anschlüsse 13 und 15. Der andere mäanderförmige Leiter ist ebenfalls in der Technik der gedruckten Schaltungen auf 5 das dielektrische Substrat 17 aufgebracht und enthält die Leitungsabschnitte 12, 12a, 12b, 12c und 12d. Er besitzt die äußeren Anschlüsse 14 und 16.
Das dielektrische Substrat 17 ist vorzugsweise nur so dick, wie es notwendig ist, um eine ausreichende mechani-
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sehe Stütze für die darauf aufgebrachten mäanderförmigen Leiter zu bilden. Es ist ein Material mit einem niedrigen HF-Verlust. Es hat daher nahezu keinen elektrischen Effekt. Solche Materialien und die Technik, die Leiter darauf aufzubringen, sind allgemein bekannt.
Die Anschlüsse 13, 14, 15 und 16 sind übliche Koaxialanschlüsse. Die Verbindungen zu den HF-Quellen und anderen Schaltungen sind auf bekannte Weise mit Koaxialleitungen ausgeführt.
Die sogenannten longitudinalen Mittellinien der einzelnen mäanderförmigen Leiter verlaufen in Richtung der Z-Achse. Die X-Koordinate, die senkrecht zu der leitenden Masseplatte 18 verläuft, ist normalerweise die Richtung der abgegebenen Strahlung. Anhand der weiteren Beschreibung wird jedoch deutlich, daß die tatsächliche Strahlungsrichtung frequenzabhängig ist. Die Antennenanordnung, ob sie nun aus einer einzelnen Antennenzeile oder aus mehreren Antennenzeilen besteht, ist so ausgelegt, daß die Strahlungsrichtung bei einer bestimmten Frequenz senkrecht zu der Platte 18 ausgerichtet ist.
Unter der Annahme, daß die leitende Masseplatte 18 vertikal angeordnet ist, zeigt die Y-Achse in vertikaler Richtung. Wenn es gewünscht ist, daß die Strahlungsrichtung etwas vom Horizont abhebt, wird die Platte 18 etwas geneigt. Diese Überlegungen beziehen sich natürlich alle auf eine Anordnung auf der Erde.
Nachfolgend wird nochmals auf die Verwendung der Koaxialleitungen und der Koaxialleitungsanschlüsse an den Eingängen und Ausgängen 13 bis 16 Bezug genommen. Da die
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mäanderförmigen Leitungen bei einer tatsächlichen Realisierung eine nominelle Impedanz haben, die zwei- bis dreimal so groß als die gemeinsame 50-Ohm-Impedanz der Koaxialleitungen ist, ist eine Impedanzanpassung oder ein übergang der Impedanz angebracht. Dies erreicht man zum Beispiel dadurch, daß man im Bereich der Eingangsund Ausgangsseiten der mäanderförmigen Leiter die Grundplatte 18 etwas neigt und zwar in Richtung der Ebene der mäanderförmigen Leiter. Dadurch erreicht man eine Verbesserung der Eingangs- und Ausgangsanpassung.
Anhand der Fig. 2 wird die Erzeugung eines Feldvektors 21, der der horizontalen Polarisation entspricht, dargestellt. Er wird aus zwei gleichphasigen Vektoren 19 und 20 gebildet, die den Eingangssignalen an den Eingängen
,15 13 und 14 zugeordnet sind. Bei einer gegenphasigen Anregung, das heißt bei einer Phasendifferenz von 180° zwischen den Eingangssignalen an den Eingängen 13 und 14, ist der Vektor 20 aus Fig. 2 umgekehrt zu denken. In der Fig. 3 wird angenommen, daß der Vektor 2 3 dem Vektor 19 aus Fig. 2 entspricht, daß jedoch der Vektor 20 umgekehrt wurde und jetzt zum Vektor 22 wird. Der resultierende Feldvektor 24 gibt eine vertikale Polarisierung der Einrichtung nach Fig. 1 an.
In der Fig. 4 ist die Einrichtung nach der Fig. 1 um eine HF-Signalspeise einrichtung ergänzt. Diese enthält gesteuerte Phasenschieber. Es sind weiterhin leitende Streifen 25 und 26 vorgesehen. Die Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 4 und dient zum besseren Verständnis der Einrichtung nach Fig. 4.
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Die leitenden Streifen, von denen zwei mit 25 und 2 6 bezeichnet sind, sind über die gesamte Oberfläche der leitenden Masseplatte 18 verteilt. Pro Wellenlänge (Richtung Ls) sind mindestens fünf solcher leitender Streifen vorgesehen. Dies ist die Mindestzahl von Streifen, die notwendig ist, um eine virtuelle Masseplatte zu bilden, die von einer Antennenzeile 17 den Abstand 28 hat. Die leitenden Streifen, zum Beispiel 25 und 26, haben die Aufgabe, daß sie bei einer vertikalen Polarisation als virtuelle Masseplatte wirken. Bei einer horizontalen Polarisation haben sie keine Wirkung. In diesem Fall ist die Masseplatte 18 voll wirksam und bildet die Masseplatte für die mäanderförmigen Leiter. Sie hat den Abstand 27. Bei Polarisationsrichtungen, die zwischen der Vertikalen und der Horizontalen liegen, sind beide Masseplatten teilweise wirksam und zwar abhängig von der vertikalen und horizontalen Komponente.
Die HF-Signalspeiseeinrichtung enthält ein paar gesteuerter Phasenschieber 29 und 30, die unterschiedlich gesteuert werden. Die Steuerung erfolgt durch ein Polarisationssteuersignal, das auf einer Leitung 32 über einen Differenzverstärker 31 zugeführt wird. Die beiden Phasenschieber 29 und 30 werden entgegengesetzt zueinander gesteuert. Die HF-Eingangssignale für die Phasenschieber 29 und 30 werden von einem reziproken Leistungsteiler 35 abgegeben.
Die gesamte Antenne arbeitet reziprok, das heißt sie ist für den Sende- und den Empfangsbetrieb geeignet. Dies setzt natürlich voraus, daß auch die Phasenschieber reziprok arbeiten. Es sind HF-Phasenschieber bekannt, die kontinuierlich gesteuert werden und welche, die in dis-
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kreten Schritten gesteuert werden. In diesem Fall wird eine Phasenschiebertechnik angewandt, bei der HF-Dioden (PIN-Dioden) die übertragungsleitung mit der gewünschten Länge wirksam schalten. Eine solche Einrichtung ist in . der uS-Patentschrift 4 070 6 39 beschrieben. Der notwendige Übergang von der Hohlleitertechnik zur Koaxialleitungstechnik ist dem Fachmann bekannt. PIN-Dioden gesteuerte Phasenschieber sind allgemein bekannt.
Es ist zu bemerken, daß die erzielbare Strahlungsverkopplung eine Funktion der Länge der einzelnen strahlenden Streifen des mäanderförmigen Leiters ist. Die strahlenden Streifen, nachfolgend kurz mit Strahler bezeichnet, sind diejenigen Teile der mäanderförmigen Leitung, die mit der Längsachse einen Winkel bilden, zum Beispiel 11a, 12a, 11c und 12c.
In der Fig. 6 sind für drei nebeneinanderliegende Antennenzeilen die zu den jeweiligen Antennenzeilen gehörigen mäanderförmigen Leiter dargestellt (jeweils nur Abschnitte davon). Wird die Antenne in 3-GHz-Band betrieben, dann ist Ls 7,11 cm, das heißt Ls/2 =3,55 cm. Die Länge cf ist 0,6 cm und der Abstand s zwischen zwei linearen Antennenzeilen ist 5,59 cm. Der Abstand 2y0 zwischen den Mittellinien zweier spiegelbildlich zueinander angeordneten mäanderförmigen Leitern ist 1,9 cm. Ein typischer Wert für den Abstand zwischen der Ebene, in der die mäanderförmigen Leiter angeordnet sind,und des TrägerSubstrats 17 und der Masseebene 18 ist 3,05 cm. Dies ist in der Fig. 5 mit 27 bezeichnet. Der Unterschied zwischen 25 und 28 in der Fig. 5 ist natürlich die Höhe eines leitenden Streifens, wie zum Beispiel 25 und 26 über der leitenden Masseplatte 18.
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Ein typischer Wert für die Abmessung 28 in der Fig. 5 ist 2,13 cm. Ein auf dem Substrat 17 angeordneter Leiter ist beispielsweise 0,12 cm breit und 0,06 cm dick.
Bei der Wahl der Parameter bei der Auslegung der Antenne ist eine optimale Strahlungsverkopplung für alle Polarisationen, für die das Gerät vorgesehen ist, erwünscht. Wenn die mäanderförmigen Leiter einen Abstand in der Größenordnung von einer Viertel Wellenlänge bei der Bandmitte von der Masseplatte haben, dann ist diese optimale Bedingung beinahe erreicht.
Da die Strahler (11a, 12a, usw.) die Strahlungsverkopplung in derselben Weise beeinflussen, wie die Schlitzorieritierung bei einer Antenne mit Hohlleiterschlitzstrahlern, kann ein gewünschter Amplitudenverlauf über die Apertur dadurch erzeugt werden, daß die mäanderförmigen Leiter dergestalt modifiziert werden, daß die Strahler in der Mitte einer Antennenzelle am längsten sind und daß ihre Länge nach und nach zu den äußeren Seiten einer Antennenzeile abnimmt. Die dazwischenliegenden Leiterstücke, wie zum Beispiel 11b, 12b, 11d und 12d, müssen im wesentlichen parallel zu der longitudinalen Mittelachse einer linearen Antennenzeile bleiben.
Es wurde bisher davon ausgegangen, daß der Winkel, den die Strahler mit der Mittelachse einer Antennenzeile bilden, 45 ist. Es ist jedoch auch möglich, diesen Winkel größer zu wählen, obwohl alle Strahler der Antennenzeile denselben Winkel haben sollen. Eine Zunahme dieses Winkels über 45° hinaus ermöglicht einen gewissen Ausgleich des Strahlungsverlustes für die beschriebenen Betriebszustände, während die Polarisationsreinheit relativ unbeeinflußt
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bleibt, solange die Symmetrie bewahrt ist.
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Claims (6)

  1. Patentanwalt
    Dipl.-Phys. Leo Thui
    Kurze Straße 8
    7000 Stuttgart 30
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    INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
    Patentansprüche
    ! 1/ Antenne mit einer Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene der empfangenen bzw. abgestrahlten Signale, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene mindestens zwei spiegelbildlich zueinander und in einem kleinen Abstand angeordnete mäanderförmige Leiter (11, 12) vorgesehen sind, die zusammen eine Antennenzeile bilden, daß die mäanderförmigen Leiter gebildet werden durch Streifen (12a, 12c, 11a, 11c), die als Strahler wirken und Streifen (12b, 12d, 11b, 11d), die die Strahler verbinden, daß alle Strahler eines mäanderförmigen Leiters mit der Achse der Antennenzeile denselben Winkel bilden, daß parallel zu der Ebene, in der die mäanderförmigen Leiter liegen, eine leitende Platte (18) vorgesehen ist, und daß für die mäanderförmigen Leiter eine HF-Signal-Speiseeinrichtung (13, 14, 15, 16) vorgesehen ist, die den mäanderförmigen Leitern die HP-Signale mit einer solchen Phasenbeziehung zuführt, daß man für die Antennenzeile die gewünschte Polarisationsebene erhält.
  2. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Strahlern (12a, 12c, 11a, 11c) und
    sm/Gn 130035/0363
    I1,io.go ORIGINAL INSPECTED
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    der Äntennenzeilenachse ungefähr 45° ist und daß die Streifen (12b, 12d, 11b, 11d),die die Strahler miteinander verbinden, angenähert parallel zur Äntennenzeilenachse angeordnet sind.
  3. 3. Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen, die die Strahler miteinander verbinden, und die Strahler in der Technik der gedruckten Schaltungen auf eine dielektrische Platte (10) aufgebracht sind.
  4. 4. Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene äquidistant und parallel zueinander mehrere solcher Antennenzeilen vorgesehen sind, daß die leitende Platte eine entsprechend große Ausdehnung hat und daß eine HF-Signal-Speiseeinrichtung vorgesehen ist, die die Antennenzeilen entsprechend der Speisung der ersten Antennenzeile speist.
  5. 5. Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der leitenden Platte (18) , leitend mit ihr verbunden,senkrecht zu ihr und senkrecht zu den linearen Antennenζeilen leitende Streifen angeordnet sind, die die Wirkung einer leitenden Platte haben und den Strahlungsverlust als Funktion der Polarisation der Antennenzeilen ausgleichen.
  6. 6. Antenne nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der HF-Signal-Speiseeinrichtung mindestens in der Zuleitung zu einem mäanderförmigen Leiter ein steuerbarer Phasenschieber (29, 30) vorgesehen ist,
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    der die zur Erzeugung der gewünschten Polarisation notwendige Phasenbeziehung zwischen den HF-Speisesignalen für die mäanderförmigen Leiter einer Antennenzeile erzeugt.
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