DE3334940A1

DE3334940A1 - Parallelplatten-wellenleiter-antenne

Info

Publication number: DE3334940A1
Application number: DE19833334940
Authority: DE
Inventors: G. Robert 06239 Danielson Conn. Traut; Geoff Woking Surrey Wilson
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1984-03-29
Also published as: GB8325769D0; GB2128416B; US4647940A; FR2533767B1; FR2533767A1; GB2128416A; JPS5990406A

Description

Rogers Corporation, Main Street, Rogers, Conn. O6263, Vereinigte Staaten von Amerika

Parallelplatten-Wellenleiter-Antenne

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Parallelplatten-Wellenleiter-Antennen. Sie bezieht sich insbesondere auf solche Parallelplatten-Wellenleiter-Antennen, die in erster Linie als Empfangsantenne für den Empfang von Mikrowellensignalen Einsatz finden soll. Obwohl die Erfindung generell sowohl für das Senden als auch für den Empfang von Mikrowellen verwendbar ist, seien die ihr zugrunde liegenden Probleme im folgenden beispielhaft anhand einer Fernsehempfangsantenne in einem Rundfunksystem mit Satellitenübertragung und Satellitendirektempfang erläutert. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die den Gegenstand der Erfindung bildende Antenne sowohl als Empfangsantenne wie auch als Sendeantenne in Mikrowellenkomunikationssystemen einsetzbar ist.

Mit dem steigenden Einsatz der Satellitenübertragung von Mikrowellensignalen für Fernsehsende- und Empfangssysteme entsteht ein wachsender Bedarf für eine zuverlässige, dauerhafte und preiswerte Antenne für private und kommerzielle Zwekke, die sich für den Empfang von über Satelliten übertragenen Mikrowellensignalen eignet. Traditionellerweise werden

•^:" ^: '"" -" ·"·■-■ 33349A0

— 2' —

^f ~

in Ubertragungssystemen der genannten Art Parabolantennen verwendet. Sie bringen jedoch für ein effektives und wirtschaftlich vertretbares Fernseh-Mikrowellenempfangssystem eine Reihe von Problemen mit sich: So sind Parabolantennen vergleichsweise aufwendig und teuer; sie sind nicht genügend windstabil um einen beständigen Signalempfang und damit beständige Bildqualität zu gewährleisten. All-dies bringt es mit sich, daß sie für den Alltagsgebrauch in häuslichen oder kommerziellen Fernsehempfangssystemen nicht sehr geeignet sind.

Streifenleiter- oder Mikrostreifen-Antennen für das Senden oder Empfangen von Mikrowellen sind beispielsweise durch folgende Patentdokumente bekannt: GB-PS 1 52 93 61, US-PS 39 95 277, US-PS 39 87 455 und US-PS 38 03 623. Bei allen diesen bekannten Antennen besteht die Antennenkonstruktion aus einer Schichtstruktur eines dielektrischen Materials, wobei auf einer Oberfläche des Dielektrikums eine elektrisch leitende Erdungsebene und auf der anderen Oberfläche des Dielektriktrikums ein Mikrostreifenmuster vorgesehen ist. Es ist bekannt, daß die Eigenschaften des dielektrischen Materials, insbesondere die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor, die Leistungsfähigkeit der Antenne bestimmen. Die bekannten Mikrostreifen-Antennen sind für Fernsehempfangsantennen in der Praxis ungeeignet, weil die verwendbaren dielektrischen Materialien auf sehr teuere Materialien beschränkt sind, insbesondere wenn man in Betracht zieht, daß eine Fernsehempfangsantenne der in Frage stehenden Art vergleichsweise groß sein muß. Es handelt sich entweder um quadratische oder kreisförmige Konstruktionen mit einer Seitenlänge bzw. einem Durchmesser von 75 cm bis 100 cm. Da Fernsehempfangsantennen im Außenraum verwendet werden müssen sie wetterfest sein, damit ihre Teile vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Dies gilt insbesondere für die herkömmlichen Streifenleiter- oder Mikrostreifen-Antennen, bei denen sich das Schaltungsmuster und die Erdungsebe-

ne auf den Außenflächen des Dielektrikums befinden. Die Forderung nach Wetterfestigkeit vergrößert noch die ökonomischen und praktischen Probleme, .die bei der Verwendung bekannter Mikrostreifen-Antennen für Fernsehempfangssysteme auftreten.

Die Forderung nach bestimmten elektrischen Eigenschaften einerseits und nach Wetterfestigkeit andererseits schränken die Wahlmöglichkeiten für dielektrische Materialien für eine praktikable Fernsehempfarigsantenne, die nach dem erwähnten Stand der Technik konstruiert ist, stark ein. Verlustarme Keramik liefert zwar gute Eigenschaften für das dielektrische Material, die Kosten und die begrenzte Größe von Keramiksubstraten schließen ihre Verwendung jedoch aus. Substrate auf der Basis von PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder auf der Basis anderer Fluorpolymere sind vom Standpunkt der dielektrischen Eigenschaften zwar akzeptabel,, die hohen Kosten derartiger Substrate machen sie jedoch für Heimgebrauch und allgemeine kommerzielle Verwendung ungeeignet. Aufgrund der ökonomischen und anderer praktischer Nachteile sind bisher keine kommerziell verwendbaren planaren Fernsehempfangsantennen der beschriebenen Art entwickelt worden.

Die in der oben erwähnten GB-PS 15 29 361 und in den US-PS¹η 39 95 277, 39 87 ^55 und 38 03 632 offenbarte Antennen besitzen einen dielektrischen Körper, auf dessen erster Oberfläche sich eine Erdungsebene befindet, während die andere Oberfläche ein aus Streifenleitern bestehendes Schaltungsmuster tragt, welches die Strahlerelemente bildet. Bei solchen Antennen stellt sich das Problem der Oberflächenwellen. Diese Oberflächenwellen, die an den Grenzen zwischen dem dielektrischen Träger und den Strahlerelementen und der Luft erzeugt werden, wandern zwischen den Strahlerelementen. Sie verursachen Leistungsverluste in dem System und beeinträchtigen die Qualität der Strahlbildung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Parallelplatten-Wellenleiter-Antenne zu schaffen, die die sich aus den vorangehend beschriebenen Probleme ergebenden Nachteile beseitigt oder zumindest verringert.

Die Antenne gemäß der Erfindung soll in erster Linie als Empfangsantenne in einem Satellitendirektempfangs- und Rundfunksystem Anwendung finden. Wegen der reziproken Natur von Mkrowellenantennen läßt sie sich jedoch ebensogut als Sendeantenne wie als Empfangsantenne benutzen. Da die Antenne gemäß der Erfindung sich einfacher in ihrer Wirkung als Sendeantenne beschreiben läßt, sei sie im folgenden insbesondere für den Sendebetrieb erläutert. Es ist jedoch in erster Linie an einen Einsatz als Empfangsantenne gedacht, wobei der Empfangsbetrieb dem Sendebetrieb reziprok ist.

Die obengenannte Aufgabe wird durch eine Antenne mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine geschnittene Aufsicht einer Antenne gemäß der Erfindung darstellt.

Das in der Zeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Parallelplatten-Wellenleiter-Antenne, bei der als Basis- oder Substratmaterial sowohl für die Erdungsebene als auch für Strahlerplattenmuster Glas verwendet wird. Unter der Bezeichnung "Glas" sei dabei jedes amorphe anorganische transparente oder transluzente Material verstanden, welches sich dadurch gewinnen läßt, daß Sand, Silizium oder andere Materialien geschmol-

zen werden, die eine Masse ergeben, welche bei Abkühlung ohne Kristallbildung erstarrt. Es kann auch eine der verschiedenen anorganischen oder organischen Substanzen sein/ die dem Glas in Bezug auf Transparent, Härte und amorphe Beschaffenheit gleichen, sofern sie die für eine Verwendung als Fernsehempfangsantenne geeigneten dielektrischen Eigenschaften besitzen.

Die Parallelplatten-Wellenleiter-Antenne 10 , (die vorzugsweise kreisförmigen Grundriß besitzt), umfaßt eine untere Glasplatte oder Basis 12, die eine einstückige monolithische Erdungsebene 14 trägt. Ferner ist eine obere Glasplatte 16 vorgesehen, die ein metallisiertes Muster 18 mit Öffnungen 20 trägt. Letztere stellen ein vorbestimmtes Array von strahlenden Wellenleiterschlitzen oder -öffnungen der Mikrowellenantenne dar. Das Muster 18 von Wellenleiterschlitzen oder -öffnungen besitzt eine vorbestimmte Feldanordnung. Die Form der einzelnen Schlitze ist so bestimmt, daß eine gewünschte Welle abgestrahlt wird.

Sowohl die Erdungsbene 14 als auch die metallisierte Schicht 18 haften an den betreffenden Glasplatten 12 bzw. 16. Die Haftverbindung kann durch irgendeines der bekannten Verfahren hergestellt sein. Die Erdungsebene 14 und das Schaltungsmuster 18 sind metallisierte Schichten und bestehen beispielsweise aus Kupfer oder Silber. Die Verfahren zu ihrer Aufbringung auf die jeweilige Glasplatte können beliebige hierzu geeignete Prozesse beinhalten. Es kann beispielsweise die Technik der Spiegelmetallisierung, Siebdruck oder andere Verfahrenstechniken zur Herstellung gedruckter Schaltungen oder aber ein geeignetes Abzieh-Übertragungsverfahren Anwendung finden.

Die Antenne gemäß der Erfindung besitzt ferner ein aus Glas bestehendes ringförmiges Randstück 26, das sich zwischen den Platten 12 und 16 befindet und über die Gesamtlänge der

- V-

Umfangslinien der Platten 12 und 16 verläuft. Dieses ringförmige gläserne Randelement 16 hält einerseits die Glasplatten 12 und 16-im Abstand und bewirkt andererseits eine hermetische Abdichtung des zwischen den Glasplatten 12 und 16 liegenden inneren Zwischenraumes. Das Randelement haftet an den Platten 12 und 16. Die Haftverbindung ist entweder durch Verschmelzung oder durch irgendwelche geeigneten Glasklebstoffe hergestellt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glasplatten 12 und 16 und des Randelementes sind einander angepaßt, so daß das Auftreten thermischer Spannungen vermieden wird,· die anderenfalls zu einem Zerbersten der Gesamtkonstruktion oder zu einerTrennung der aneinander haftenden Elemente führen könnten.

Am Außenrand des Zwischenraumes 28 kann innerhalb des gläsernen -Randelementes 26 ein Ring 29 aus Dämpfungsmaterial, z.B. mit Kohle gefülltem PTFE oder Epoxydharz, Metall mit niedriger Leitfähigkeit, wie Blei, vorgesehen sein.

Ein Koaxialkabel 30 ist mit der Antenne verbunden. Sein Außenleiter 32 steht über durch die Glasplatte 12 dringenden leitfähige Stifte 33 mit der Erdungsebene 1A in Verbindung. Der Innenleiter 34 des Koaxialkabels 30 ragt in den Zwischenraum 28 und ist dort in zentraler Lage positioniert. Er ist jedoch nicht mit dem Metallmuster 18 verbunden. Der Leiter 34 bildet eine Ankopplungselektrode zur Anregung zirkularer Wellen in dem (aus Luft, einem inerten Gas oder Vakuum bestehenden) Dielektrikum in dem Zwischenraum 28. An der Stelle, an welcher das Koaxialkabel durch die Platte 14 tritt, ist eine geeignete Dichtung 36 vorgesehen, die den Zwischenraum 28 hermetisch abschließt. Das Koaxialkabel 30 und seine Verbindungen mit der Erdungsebene und dem Schaltungsmuster sind lediglich beispielhaft dargestellt. In der Praxis läßt sich jede geeignete Verbindungsanordnung verwenden.

Für die in erster Linie ins Auge gefaßte Anwendung als Fern sehempfangsantenne besitzt die Konstruktion vergleichsweise große Abmessungen in der Größenordnung eines Kreises mit einem Durchmesser von 75 cm bis 100 cm. Für guten Signalempfang und eine konstante Bildqualität in dem mit der Antenne verbundenen Fernsehgerät ist es wichtig, daß die gegenseitige räumliche Beziehung zwischen den elektronischen Komponenten konstant bleibt. Eine Relativbewegung der Glasplatten 12 und 16 und ihrer zugeordneten Schaltungskomponenten beeinträchtigt die Signälqualität. Eine solche Bewegung kann durch äußere Kräfte (z.B. durch Wind oder Belastungen), die an der Platte 16 angreifen, oder dadurch zustande kommen, daß die Platte 16 relativ zu der Platte 12 "durchsackt". Um den geeigneten Abstand zwischen den Platten 12 und 16 sicherzustellen, können gläserne Abstandselemente 38 zwischen den Platten vorgesehen und mit diesen dauerhaft verounden sein.

Wenn sich die Mikrowellenantenne im Betrieb befindet, bilden die metallische Oberfläche 18 und die Erdungsebene 14 einen Parallelplatten-Wellenleiter. Die Öffnungen 20 bilden Strahlerelemente, mit denen die Mikrowellenenergie an den freien Raum gekoppelt ist. Die Strahler 20 sind in der Weise räumlich angeordnet und in ihrer Form derart gestaltet, daß ein Strahl mit der gewünschten Polarisierung, Strahlbreite und anderen gewünschten Strahleigenschaften und -parametern ausgesendet wird.

Die Strahleröffnungen 20 sind lediglich beispielhaft dargestellt. Es wurde nicht der Versuch unternommen, eine spezielle Konfiguration der einzelnen Strahler oder ein besonderes Strahlerarray darzustellen. Diese Einzelheiten hängen von verschiedenen Parametern der jeweils gegebenen Antennenanlage und von den Eigenschaften des zu sendenden (oder zu empfangenden) Strahles ab.

Ein über die Koaxialleitung 30 eingespeistes Mikrowellensignal wird in zirkuläre Wellen umgewandelt, die von der Einspeisungselektr-ode 34 in allen Richtungen abgestrahlt werden.

Wenn eine Welle an den einzelnen Strahleröffnungen 20 vorbeiwandert, wird ein entsprechender Bruchteil der Wellenenergie abgestrahlt, d.h. an den Raum gekoppelt. Die Orientierung einer Strahleröffnung bestimmt den jeweiligen Bruch teil der abgestrahlten Energie. Der radiale Abstand der Strahleröffnung von der Elektrode 34 bestimmt die Phase der abgestrahlten Welle. Wenn diese Faktoren, die die Eigen schaften einer ausgestrahlten Welle bestimmen, in Rechnung gestellt werden, laßt sich ein Array von gerichteten Strahlern anordnen, deren radiale Abstände von der Elektrode stufenweise Vielfachen der Wellenlänge entsprechen, so daß eine polarisierte Welle mit engem Strahl entsteht. Die Verteilung der Strahlungsintensität über die Strahlöffnung wird durch Abstand, Größe und Form der Strahlerelemente bestimmt. Im Idealfall sollten die Strahlungsbruchteile so bestimmt werden, daß sehr wenig Wellenenergie in dem dielektrischen Zwischenraum 28 verbleibt, wenn die äußere Kante 26 erreicht wird. Der Dämpfungsring 29 absorbiert und vernichtet die nicht abgestrahlte Energie und verhindert dadurch unerwünschte Reflektionen. Die Glasplatte sollte im Idealfall eine Dicke haben, die etwa der halben Wellenlänge in Glas bei der flittenfrequenz des auszusendenden oder zu empfangenden Signals entspricht. (Die Betriebsfrequenz des derzeit im Dienst stehenden stationären OTS-Satelliten beträgt 12 bis 14 GHz.) Diese ideale Konfiguration würde die Antenne jedoch zu schwer machen. Deshalb, d.h. zur Gewichtsersparnis, liegt die Dicke der Glasplatte 16 in der Größenordnung von 2,5 mm. Diese Dimensionierung führt zwar zu Ref1ektionsverlusten, die die Leistungsfähigkeit' der Antenne jedoch nicht grundsätzlich beeinträcht gen.

ti -

Der Zwischenraum 28 zwischen den Glasplatten 12 und 16 ist - wie erwähnt - vorzugsweise ein Luftzwischenraum/ da Luft ein geeignetes Dielektrikum ist. Es ist jedoch auch möglich/ den Zwischenraum 28 mit einem inerten Gas zu füllen oder zu evakuieren.

Die Platten 12 und 16 bestehen zwar vorzugsweise aus Glas, es können jedoch auch andere formsteife dielektrische Materialien Verwendung finden, wobei jedoch sichergestellt sein muß, daß die Platte 16 eine Dielektrizitätskonstante von 8 oder weniger und einen Verlustwinkeltangens von 0,01 oder weniger aufweist. Die Platte 12 kann eine Metallplatte sein oder eine aus anderem Werkstoff bestehende Platte mit metallisierter Oberfläche.

Die Antenne wurde in der vorangehenden Beschreibung im Sendebetrieb erläutert. Wie bereits erwähnt wurde, arbeitet sie in reziproker Weise als Empfängerantenne, wobei die Strahleröffnungen als Empfangselemente wirken. Der primär ins Auge gefaßte Anwendungszweck der Antenne ist der einer Empfangsantenne für von Satelliten ausgestrahlter Mikrowellensignale für ein Heimfernsehgerät. Die erfindungsgemäß konstruierte Antenne ist besonders effektiv, praktisch und ökonomisch. Sie ist in ihren Abmessungen stabil und kann deshalb außerhalb von Gebäuden, (z.B. auf Hausdächern oder ähnlichen Konstruktionen) montiert werden. Sie läßt sich ebenfalls auf Rotorkonstruktionen zur optimalen Ausrichtung montieren, ohne daß der Empfang des Sendesignals und damit die Qualität des Bildes auf dem an die Antenne angeschlossenen Fernsehgerätes beeinträchtigt werden.

Eine besonders wichtige und nützliche Eigenschaft bei der Verwendung der Antenne im Außenraum besteht darin, daß sie infolge ihrer hermetisch abgedichteten Konstruktion gegen Wettereinflüsse Geschützt ist. Die obere Pla'.te 16 schützt

-JXT- - Q> -

das Strahlermuster gegen solche Einflüsse. Deshalb eignet sich die Antenne für langjährigen Gebrauch außerhalb von Gebäuden.

Leerseite

Claims

Anmelder: ROGERS CORPORATION
Anwaltsaktenz.: 194-Pat.84

Patentansprüche

/Iy Parallelplatten-Wellenleiter-Antenne, gekennzeichnet durch

- eine erste Platte (12) aus dielektrischem Material,

- eine leitfähige Anordnung (14), die auf einer Oberfläche der ersten Platte (12) vorgesehen ist und die eine Erdungsebene für die Antenne darstellt,

- eine zweite Platte (16) aus dielektrischem Material, die im Abstand von der ersten Platte (12) angeordnet ist,

- einen elektrisch leitfähigen Überzug (18), der sich auf einer Oberfläche der zweiten Platte (16) befindet und der eine Mehrzahl von in einem vorbestimmten Muster angeordneten Strahlungsöffnungen (20) aufweist, wobei die leitfähige Anordnung (14) und der leitfähige Überzug (18) sich auf den einander zugewandten inneren Oberflachender ersten (12) bzw. der zweiten Platte (16) befinden,

- Abstandsmittel (26), durch die die erste und die zweite Platte (12, 16) im gegenseitigen Abstand gehalten werden und die einen Zwischenraum (28) zwischen den Platten (12, 16) bestimmen,

- sowie Mikrowellenübertragungsmittel mit einem ersten mit der Erdungsebene (14) verbundenen Leiter (32) und einem zweiten Leiter (34), der sich in den zwischen der ersten und der zweiten Platte (12, 16) befindlichen Zwischenraum (28) erstreckt und als Anregungselektrode dient.

"'"·· ^r *"" -" "—·* 333Α940
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Platte (16) eine Dielektrizitätskonstante von nicht mehr als 8 und einen Verlustwinkeltangens von nicht mehr als 0,01 aufweist.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Platte (12, 16) aus Glas bestehen.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, daß die zweite Platte (16) eine Dicke aufweist/ die etwa zwischen 2,5 mm und der halben Wellenlänge eines von der Antenne zu empfangenden Mikrowellensignals in der Platte (16) liegt.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und der zweiten Platte (12, 16) und der Abstandsmittel (26) aneinander angepaßt sind.
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (28) zwischen den Platten (12, 16) versiegelt ist.
7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (28) zwischen den Platten (12, 16) Luft enthält.
8. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (28) zwischen den Platten (12, 16) ein inertes Gas enthält.
9. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (28) zwischen den Platten (12, 16) evakuiert ist.
10. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Umfang des Zwischenraumes (28) Energieabsorptionsmittel (29) zur Verhinderung einer Wellenreflektion vorgesehen sind.
11. Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieabsorptionsmittel von einem Ring aus Dämpfungsmaterial gebildet sind.
12. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (18) ein metallischer Überzug mit einer Mehrzahl von Strahlerschlitzen oder -Öffnungen (20) ist.