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Dielektrische Antenne für Millimeterwellen
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Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Für verschiedene Anwendungen der Radar-, Radiometrie- und Kommunikationstechnik
werden platzsparende und flache Antennen benötigt. Solche Antennen können als Hohlleiter-Schlitzantenne
oder als Mikrostreifenleitungsantennen ausgeführt werden. Hohlleiter-Schlitzantennen
können auch noch bei Millimeterwelleflfrequenzen, z. B. bei 90 GHz aufgebaut werden,
jedoch steigen die mechanischen Toleranzanforderungen bei der Herstellung mit der
Arbeitsfrequenz der Antennen und'entsprechend steigen die Fertigungskosten. Dagegen
sind die Kosten von Mikrostreifenleitungsantennen relativ niedrig, jedoch ist die
Leitungsdämpfung so hoch, daß der Wirkungsgrad von elektrisch großen Antennen, wie
sie im Millimeterwellenbereich oft
gefordert werden, weit absinkt.
Mikrostreifenleitullgsantennen mit Antennengewinnen von 30 dB und darüber sind daher
mit den heute bekannten Methoden und Materialien nicht realistisch.
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Als eine neue Antennenform sind in letzter Zeit Antennen auf der Basis
von dielektrischen Leitungen vorgeschlagen worden (Übersichtsaufsatz: A. Henderson,
J.R. James, "A survey of millimetre-wavelength planer arrays for military applications",
The Radio and Electronic Engineer, vol. 52, no. 11/12, 1982, pp. 543-550). Diese
Antennen benutzen dielektrische Leitungen wegen ihrer im Vergleich zu Streifenleitungen
geringeren Lei.tungsdämpfung. Abstrahlung der von den dielektrischen Leitungen geführten
Wellen kann durch eine Vielzahl möglicher Leitungsdiskontinuitäten, wie Stufen in
den Dimensionen der dielektrischen Leitungen oder Öffnungen (Schlitze) in der leitenden
Grundplatte ausgelöst werden. Antennenformen, die besonders niedrige Herstellungskosten
versprechen, benutzen ätztechnisch herstellbare metallische Streifen oder Scheiben
auf einer der Oberflächen der dielektrischen Leitung.
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Ein Beispiel für diese Antennenform ist in FIG. 1 gezeigt.
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Die Leitung besteht aus einem dielektrischen Stab auf einer metallischen
Grundfläche (dielektrische Bildleitung). Die Leitungswelle wird durch metallische
Scheiben auf der Oberseite des dielektrischen Stabes abgestrahlt. Die Form und Orientierung
(bei z. B.
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schlanken Streifen) bzw. der Durchmesser (bei Kreisscheiben) bestimmen
die Stärketder Abstrahlung, d. h. die "Aperturbelegung" der Antenne.
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Mit Antennen der in FIG. 1 gezeigten Art lassen sich in der Ebene
parallel zur Achse der Strahlerzeilen (Leitungen) hohe Bündelungen erzeielen, jedoch
sind bischer keine Antennen auf der Basis der dielektrischen Leitungen bekannt geworden,
mit denen hohe Bündelung in beiden Hauptobenen auftritt. Zur Bündelung in der Ebene
senkrecht zur Achse der Strahlerzeilen könnten, wie es bereits bei Hohlleiter-Schlitzantennen
bekannt ist, viele Strahlerzeilen parallel verlegt werden, vgl. FIG. 2. Bei z. B.
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Hohlieiter-Schlitzantennen können diese Verzweigungen ebenfalls in
Hohlleitertechnik ausgeführt werden. Bei dielektrischen Antennen dürfen aber die
Verzweigungen nicht ebenfalls mit offenen dielektrischen Leitungen ausgeführt werden
wegen der dann entstehenden hohen Abstrahlungsverluste in den Verzweigungen. Es
ist hier dann angebracht, die Verzweigungsschaltung für die dielektrischen Strahlerzeilen
abgeschirmt auszuführen, z. B. in Hohlleitertechnik.
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Antennen der beschriebenen Art mit einer Hornspeisung, vgl. FIG. 2,
wurden gebaut und untersucht, wobei festgestellt wurde, daß die gleichmäßige Herstellung,
Plazierung und Befestigung von vielen dielektrischen Einzelzeilen in elektrisch
großen Antennen schwierig und aufwendig ist; Ungleichmäßigkeiten beim Aufbau der
Antennen führen zu empfindlichen Verschlechterungen der Antennencharakteristiken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne der eingangs genannten
Art für. die Bündelung in beiden Hauptebenen anzugeben, die einfach und billig herzustellen
ist, ohne daß Verschlechterungen der Antennencharakteristiken in Kauf genommen werden
müssen.
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Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren
Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungen der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Ei.ll Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne ist in FIG.
3 gezeichnet. Die einzelnen dielektrischen Leitungen in der Antennenkonfiguration
nach FIG. 2 sind ersetzt durch eine breite ungeteilte dielktrische Platte auf der
Metallscheiben als Strahlerelemente verteilt sind.
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Diese Gruppe von Strahlerzeilen wird konventionell durch eine Horns
trahleranordnung gespeist und die Leis tungsaufteilung auf die einzelnen Zeilen
vor dem Hornstrahler-Übergang auf die dielektrischen Leitungen noch in Hohlleitertechnik
ausgeführt. Wegen des zur Vermeidung von "Grating-Lobes" erforderlichen geringen
Abstandes der einzelnen Strahlerzeilen untereinander wird die Speisung als ein durchgehendes
Horn ausgeführt. Zur Anregung des Horns von Seiten des Hohlleitereinganges können
praktisch alle bekannten Speise- und Verzweigungsmethoden benutzt werden, z. B.
Linsen, Taper, Serien- und Parallelverzweigungen.
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Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Antenne ist, daß die auf der
breiten dielektrischen Platte angeregten Wellen nahezu die gleichen Feldverteilungen
besitzen wie die Wellen auf den eng benachbarten Einzelleitungen nach FIG. 2. Dies
gilt allerdings nur, solange die vom Horn angeregte Wellenfront genau eben ist und
genau in Richtung der Achse der dielektrischen Platte einfällt. Ebenso müssen die
Strahlerelemente (metallische Scheiben) genau in Richtung der einfallenden Welle
bzw. senkrecht dazu aufgereiht sein. Unsymmetrien der Anordnung bezüglich der einfallenden
Wellenfront würden zur Anregung von Störmoden auf der dielektrischen Platte führen,
die sich auch quer zu der einfallenden Hauptwelle ausbreiten könnten und zu Verlusten
und Verschlechterungen der Strahlungsdiagramme führen würden.
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Die Vor teile der vorgeschlagenen Antenne sind, daß sie äußerst einfach
herzustellen ist und keine kritischen Toleranzprobleme auf treten. lii der Praxis
kann eine Platte eines gebräuchlichell Streifellleitungssubstrats mit beidseitiger
Kupferkaschierung als dielektrische Platte benutzt werden. Bevor die Platte z. B.
mit Leitkleber auf die metallische Grundplatte geklebt wird, muß auf der Oberseite
die Scheibchenstruktur geätzt werden.
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Im folgenden wird eine bevorzugt Ausführung der Antenne beschrieben.
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Eiiie besonders kompakte Bauform der Antenne ergibt sich, wenn zur
Anregung des Horns eine Hohlleiter-Schlitzzeile benutzt wird, wie in FIG. 4 dargestellt.
Die Hohlleiter-Schlitzzeile erzeugt in einer Entfernung von wenigen Wellenlängen
vor den Schlitzen eine praktisch ebene Wellenfront auf der dielektrischen Platte.
Die Schlitzzeile kann entweder in einen eigenen Hohlleiter eingefräst werden (FIG.
4) oder vorzugsweise als geätzte Schlitze in der Metallisierung der dielektrischen
Platte hergestellt werden (I:CG. 5). In letzten lall werden die Schlitze von einem
oben offenen Hohlleiter angeregt, der mit der Metallisierung der dielektrischen
Platte Kontakt hat. Die dielektrische Platte wirkt im Bereich der Koppelschlitze
bis i den Hornbereich als dielektrisch gefüllter Hohlleiter.
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Als eine günstige Form für die Strahlerelemente haben sich kreisförmige
Scheiben herausgestellt.
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Auf der dielektrischen Platte können fortschreitende Wellen existieren,
wenn das Ende der Platte mit einem Absorber abgesumpft wird.
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Wie bei den herkömmlichen schmalen dielektrischen Antennen nach FIG.
1 kann durch den Abstand -der Strahlerelemente die Hauptstrahlrichtung der Antenne
eingestellt werden.
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IPtir Abs trahlung in die schenkrechte Richtung sind jedoch Doppelelemente
nötig (K. Solbach, B. Adelseck, "Dielectric image line leaky wave ea for broadside
radiation'', Electr. Lett., vol. 19 (1983), no. 16, pp. 640-641).
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FIG. 6 zeigt eine solche Konfiguration auf der breiten dielektrischen
Platte.
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Bei Benutzung der Doppelpunktstruktur nach FIG. 6 kann das Ende der
dielektrischen Platte auch durch einen metallischen Reflektor (Kurzschluß) abgeschlossen
werden, wobei die reflektierte Welle die dielektrische Platte erneut durchläuft
und einen Teil ihrer Energie ebenfalls in die senkrechte Richtung abstrahlt. Das
Prinzip dieser Betriebsart ähnelt dem der bekannten Hohlleiterschlitzantenne mit
stehenden Wellen (Resonanz-Zeile) mit dem Unterschied, daß in der dielektrischen
Antenne ein erheblicher Teil der eingefallenen Welle auf das Anregungshorn zurückläuft
(Anpassung nicht ideal).
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Gerade für den Betrieb mit stehenden Wellen auf der dielektrischen
Platte kommen aber auch auf Resonanz abgestimmte Strahlerelemente in Form von Streifenleitungsresonatoren,
FIG. 7, in Betracht, mit denen die Verhältnisse der Wellen auf der dielektrischen
Platte denen auf Hohlleiterschlitzz-eilen entsprechen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne zum
Betrieb mit zwei orthogonalen Polarisationen ist in FIG. 8 gezeichnet. Hier sind
die Strahlerelemente jeweils zu viert im Abstand \/4 angeordnet und die dielektrische
Platte wird von zwei zueinander senkrechten
Seiten aus gespeist.
Die den Toren 1 und 2 der Speiseeinrichtungen zuzuordnenden Wellen 1 und 2 auf der
dielektri-.sclles Platte erzeugen jeweils Abs trahlung in die senkrechte Richtung,
wobei. d:i.e Polarisation der Wellen um 900 gegeneinander gedreht ist. Bei entsprechender
phasenverschobener Speisung der Tore 1 und 2 ist es damit möglich, beliebig zirkular
oder linear polarisierte Abstrahlung zu erzeugen.