DE3042456C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Antenne ist aus der US 40 21 810 bekannt. Bei der bekannten Antenne sind die mäanderförmigen Leiter mit rechtwinkliger Struktur ausgebildet. In beide Leiter werden identische, also phasengleiche Signale eingespeist, wodurch eine lineare Polarisation bewirkt wird. Ein zirkulare Polarisation ist bei einer abgewandelten Ausführungsform der Antenne möglich, bei der die Mäander nicht zueinander rechtwinklige Abschnitte, sondern durch eine geneigte Anordnung gebildet wird. Beide mäanderförmigen Leiter sind in die gleiche Richtung geneigt, also nicht spiegelbild­ lich bezüglich der Längsmittellinie angeordnet. Die Leiter sind auf einer dielektrischen Platte ausgebildet, wie es im Prinzip bei gedruckten Schaltungen üblich ist.

Die US-OS 37 16 856 zeigt eine Antenne für ein Radargerät, die aus aneinander gereihten Hohlleitern mit Schlitz­ strahlern besteht, wobei die Schlitze in dem einen Hohl­ leiter orthogonal bezüglich der Schlitze in dem benach­ barten Hohlleiter orientiert sind. Mittels einer Steuer­ einrichtung läßt sich die Phase für die in die Hohlleiter eingespeisten Signale einstellen.

Die DE-OS 28 54 133 zeigt eine flächige Antennengruppe, die Signale mit unterschiedlichen Polarisationen abstrahlt. Hierzu sind mehrere Koaxialleitungen mit rechteckigem Querschnitt aneinandergereiht, wobei in den Wänden der Koaxialleitungen Schlitze als Strahler ausgebildet sind. Die Schlitze sind in benachbarten Koaxialleitungen jeweils so ausgebildet, daß sie zuein­ ander einen rechten Winkel bilden.

Aus der DE-PS 6 19 026 ist eine Richtantenne bekannt, die mit zueinander senkrechten Leiterzweig-Abschnitten ver­ sehen ist. Bei gegenphasiger Ansteuerung der beiden Leiter­ zweige arbeiten die einen Abschnitte als Speiseleitungen, die anderen Abschnitte als Strahler. Bei gleichphasiger Ansteuerung verhält es sich umgekehrt.

Bei einer Antenne mit einem mäanderförmigen Leiter sind Kenntnisse von der Mikrowellen-Streifenleitungs­ technik und der Mikrostreifenleitungstechnik angewandt. Sie wird zum Teil auch als "Draht-Schicht-Antenne" (sand­ wich wire antenna") bezeichnet. 1957 wurde eine solche An­ tenne von W. Rotman und N. Karas in dem Aufsatz "The Sand­ wich Wire Antenna: A New Type of Microwave Line Source Radiator" beschrieben, der in IRE National Conference Record 1957, P1, Seiten 166-172, erschien. Dieselben Autoren beschreiben solche Einrichtungen auch im Bericht "The Sandwich Wire Antenna" in Microwave Journal, Band 2, August 1959, Seiten 29-33. Eine neuere Literaturstelle ist der Bericht "A new Analysis of the Sandwich Wire Antenna", erschienen in IEEE Transactionson Antennas and Propagation, Band AP-19, Nr. 5, Sept. 1971, Seiten 600-605.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, eine Antenne der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Abstrahlung bei zirkularer Polarisation unabhängig von der horizontalen bzw. der vertikalen Komponente verbessert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Antenne erfindungsgemäß durch im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch den bestimmten Winkel zwischen den Abstrahlstreifen und den Verbindungsleiterabschnitten wird eine zirkulare Polarisation ermöglicht. Durch die auf der Masseplatte senkrecht zu dieser Platte und senkrecht zu der Antennen­ zeile angeordneten Streifen wird erreicht, daß sowohl für die vertikalen als auch für die horizontalen Komponenten eine verbesserte Abstrahlung erreicht wird. Bei horizon­ taler Polarisation wirkt praktisch auschließlich die Masseplatte. Bei vertikaler Polarisation wirken die Streifen als virtuelle Masseplatte. Bei Polarisations­ richtungen, die zwischen der Vertikalen und der Horizon­ talen liegen, sind beide Masseplatten teilweise wirksam, abhängig von der vertikalen und der horizontalen Komponente.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß Anspruch 2 sind in einer Ebene mehrere Antennenzeilen in gleichen Abständen von­ einander angeordnet. Die Strahlrichtung ist etwa senkrecht zu der Masseplatte, kann jedoch auch abhängig von der Auslegung der Antenne gegenüber der Normalen geneigt sein.

Gemäß Anspruch 3 ist in einer oder in beiden Zuleitungen für die mäanderförmigen Leiter ein Phasenschieber vorge­ sehen. Mit Hilfe des Phasenschiebers oder der Phasen­ schieber läßt sich der gewünschte Phasenversatz zwischen den einzuspeisenden Signalen einstellen. Verwendet man zwei Phasenschieber, so braucht man bei einem gegebenen steuerbaren Bereich für jeden Phasenschieber nur einen halb so großen Phasenhub, verglichen mit der Ausführungs­ form, in der nur ein Phasenschieber vorhanden ist.

Um alle gewünschten Polarisationszustände zu erreichen, muß sowohl die Amplitude als auch die Phase zwischen zwei mäanderförmigen Leitern gesteuert werden. Deshalb wird angenommen, daß die Phasenschieber auch eine Amplitu­ densteuereinrichtung 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, 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 Me­ tall überzogen ist, besteht, ist groß genug, um die Rück­ seite einer Antennenanordnung zu bilden. Diese Antennen­ anordnung besteht aus mehreren Antennenzeilen, wobei je­ de Antennenzeile aus zwei spiegelbildlich zueinander an­ geordneten 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 longitudi­ naler 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 konti­ nuierlichen Leiter, der in der Technik der gedruckten Schaltung auf ein dielektrisches Substrat 17 aufgebracht ist. Dieser erste mäanderförmige Leiter besitzt die An­ schlüsse 13 und 15. Der andere mäanderförmige Leiter ist ebenfalls in der Technik der gedruckten Schaltungen auf das dielektrische Substrat 17 aufgebracht und enthält die Leitungsabschnitte 12, 12a, 12b, 12c und 12d. Er be­ sitzt die äußeren Anschlüsse 14 und 16.

Das dielektrische Substrat 17 ist vorzugsweise nur so dick, wie es notwendig ist, um eine ausreichende mechani­ sche 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 auf­ zubringen, sind allgemein bekannt.

Die Anschlüsse 13, 14, 15 und 16 sind übliche Koaxialan­ schlüsse. 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 Masseplat­ te 18 verläuft, ist normalerweise die Richtung der abge­ gebenen 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 An­ tennenzeilen besteht, ist so ausgelegt, daß die Strahlungs­ richtung 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 Koaxial­ leitungen und der Koaxialleitungsanschlüsse an den Ein­ gängen und Ausgängen 13 bis 16 Bezug genommen. Da die mäanderförmigen Leitungen bei einer tatsächlichen Reali­ sierung 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 Eingangs­ und Ausgangsseiten der mäanderförmigen Leiter die Grund­ platte 18 etwas neigt und zwar in Richtung der Ebene der mäanderförmigen Leiter. Dadurch erreicht man eine Ver­ besserung der Eingangs- und Ausgangsanpassung.

Anhand der Fig. 2 wird die Erzeugung eines Feldvektors 21, der der horizontalen Polarisation entspricht, dar­ gestellt. Er wird aus zwei gleichphasigen Vektoren 19 und 20 gebildet, die den Eingangssignalen an den Eingängen 13 und 14 zugeordnet sind. Bei einer gegenphasigen An­ regung, 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 23 dem Vektor 19 aus Fig. 2 entspricht, daß jedoch der Vektor 20 umgekehrt wur­ de und jetzt zum Vektor 22 wird. Der resultierende Feld­ vektor 24 gibt eine vertikale Polarisierung der Einrich­ tung nach Fig. 1 an.

In der Fig. 4 ist die Einrichtung nach der Fig. 1 um eine HF- Signalspeiseeinrichtung ergänzt. Diese enthält gesteuerte Phasenschieber. Es sind weiterhin leitende Streifen 25 und 26 vorgesehen. Die Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Ein­ richtung nach Fig. 4 und dient zum besseren Verständnis der Einrichtung nach Fig. 4.

Die leitenden Streifen, von denen zwei mit 25 und 26 be­ zeichnet sind, sind über die gesamte Oberfläche der leiten­ den Masseplatte 18 verteilt. Pro Wellenlänge (Richtung Ls) sind mindestens fünf solcher leitender Streifen vor­ gesehen. Dies ist die Mindestzahl von Streifen, die not­ wendig ist, um eine virtuelle Masseplatte zu bilden, die von einer Antennenzeile 17 den Abstand 28 hat. Die lei­ tenden Streifen, zum Beispiel 25 und 26, haben die Auf­ gabe, daß sie bei einer vertikalen Polarisation als vir­ tuelle Masseplatte wirken. Bei einer horizontalen Polari­ sation 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 teil­ weise wirksam und zwar abhängig von der vertikalen und horizontalen Komponente.

Die HF-Signalspeiseeinrichtung enthält zwei gesteuer­ te Phasenschieber 29 und 30, die unterschiedlich gesteuert werden. Die Steuerung erfolgt durch ein Polarisationssteu­ ersignal, das auf einer Leitung 32 über einen Differenz­ verstärker 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 rezi­ prok arbeiten. Es sind HF-Phasenschieber bekannt, die kontinuierlich gesteuert werden und welche, die in dis­ 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 40 70 639 beschrieben. Der notwendi­ ge Übergang von der Hohlleitertechnik zur Koaxialleitungs­ technik ist dem Fachmann bekannt. PIN-Dioden gesteuerte Phasenschieber sind allgemein bekannt.

Es ist zu bemerken, daß die erzielbare Strahlungsverkopp­ lung 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 Antennen­ zeilen 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 δ ist 0,635 cm und der Abstand s zwischen zwei linearen Antennenzeilen ist 5,59 cm. Der Abstand 2y_o zwischen den Mitteilinien zweier spiegelbildlich zueinander angeordneten mäander­ förmigen 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.

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 Polari­ sationen, für die sie vorgesehen ist, erwünscht. Wenn die mäanderförmigen Leiter einen Abstand in der Größenordnung von einer Viertel Wellenlänge bei der Band­ mitte 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 Schlitzorientie­ rung 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 Antennenzeile am längsten sind und daß ihre Länge nach und nach zu den äußeren Seiten einer Antennen­ zeile 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 bil­ den, 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 bleibt, solange die Symmetrie bewahrt ist.

Claims (3)

1. Antenne, umfassend:

• - zumindest eine periodische Antennenzeile aus
• - einem ersten mäanderförmigen Leiter (11) und
• - einem zweiten mäanderförmigen Leiter (12), der sich in geringem Abstand von dem ersten Leiter (11) und spiegelbildlich zu diesem erstreckt, zusammen mit dem ersten Leiter in einer ersten Ebene liegt, und wie der erste Leiter in der Technik gedruckter Schaltungen auf einer dielektrischen Platte (10) ausgebildet ist,
• - in jedem der mäanderförmigen Leiter (11, 12) mehrere in Längsrichtung beabstandete Abstrahlstreifen (12a, 12c, 11a, 11c), die in der ersten Ebene liegen und jeweils den gleichen Winkel zur Längsmittellinie der Antennen­ zeile bilden, und zu der Längsmittellinie parallele Verbindungsleiterabschnitte (12b, 12d, 11b, 11d) zwischen jeweils zwei benachbarten Abstrahlstreifen,
• - eine Masseplatte (18), die beabstandet etwa parallel zu der ersten Ebene verläuft, und
• - zwei HF-Einspeiseeinrichtungen (13, 14), dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Einspeiseeinrichtungen (13, 14) in die mäanderförmigen Leiter (11, 12) phasen­ verschobene Signale einspeisen, daß der Winkel zwischen den Abstrahlstreifen (12a, 12c, 11a, 11c) und den Ver­ bindungsleiterabschnitten (12b, 12d, 11b, 11d) etwa 45° beträgt, und daß auf der leitenden Platte (18) und leitend mit ihr verbunden, senkrecht zu ihr und senkrecht zu der linearen Antennenzeile leitende Streifen (25, 26) ange­ ordnet sind, die eine polarisationsselektive Struktur bilden.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene äquidistant parallel zueinander mehrere Antennenzeilen vorgesehen sind.

3. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens der Zuleitung zu einem der mäander­ förmigen Leiter (11, 12) ein steuerbarer Phasenschieber (29, 30) vorgesehen ist.