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Array-Antenne
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Stand der Technik Die Erfindung geht von einer Array-Antenne nach
der Gattung des Anspruchs 1 aus.
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Es sind planare Array-Antennen in Streifenleitertechnik für Frequenzen
im S-, C- und I-Band bekannt (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.
AP 29, (1), Jan. 1981, Seiten 166 bis 170). Für Frequenzen im X-Band, insbesondere
oberhalb von 10 GHz, ist es bisher nicht möglich, die Antennenenergie verlustarm
und möglichst reflexionsfrei vom Antennenelement zum entsprechenden Mikrowellenbauteil
zu führen. Aufgrund der hohen Leitungsverluste bei diesen Frequenzen müssen die
Mikrowellenbauteile möglichst direkt an dem Antennenelement angebracht werden.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Antenne mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sie einfach im Aufbau ist, daß die
wesentlichen elektronischen Bauelemente direkt im Bereich der Antennenelemente angeordnet
und daß handelsübliche Bauelemente verwendet werden können. Als weiterer Vorteil
ist anzusehen, daß zwischen der Substratplatte für die Antennenelemente und der
anderen Substratplatte eine Metallplatte angeordnet ist, welche die koaxiale Leitungsdurchführung
übernimmt. Dadurch wird die notwendige mechanische Stabilität der Anordnung erreicht.
Darüber hinaus lassen sich diese koaxialen Verbindungen auf einfachste Weise und
mit kürzester Länge realisieren.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Antenne möglich
Die gewünschte Auskopplungsimpedanz des Antennenelements wird durch außermittige
(exzentrische) Konktaktierung des Innenleiters der koaxialen Durchführung an einen
definierten Ort des Antennenelements eingestellt. Dabei muß der Durchmesser der
koaxialen Durchführung hinreichend klein sein. Dadurch entfallen umständliche Anpassungsmaßnahmen
bei gleichzeitig guter und reproduzierbarer Anpassung der Antennenelemente an die
Leitungen.
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Weiterhin ist es für den Empfang zirkular polarisierter Signale vorteilhaft,
wenn die Leistungszusammenführung der Antennenelemente einer Zeile des Arrays durch
Serienschaltung auf der ersten Substratplatte erfolgt. Durch die koaxiale Durchführung
wird dabei gleichzeitig erreicht, daß auf der Rückseite der Antenne die Leiter so
ausgebildet werden können, daß durch eine geeignete Leitungsführung eine problemlose
Zusammenführung möglich ist. Der wahlweise Empfang der rechts- bzw. linkszirkular
polarisierten Signale wird durch die phasenrichtige Zusammenführung der horizontalen
und vertikalen Empfangskomponenten der Antennenelemente bewirkt und erfolgt zweckmäßigerweise
mittels eines breitbandigen 3-dB-Kopplers (Branch-Line-Kopplers), der auf der Unterseite
der zweiten Substratplatte angeordnet wird. Der Aufbau der Array-Antenne wird dadurch
weiter vereinfacht.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeichnung
anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Antenne
für lineare Polarisation in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 eine perspektivische
Ansicht einer zweiten einseitig metalikaschierten Substratplatte, Fig. 3 eine nicht
maßstäbliche Schnittansicht einer koaxialen Durchführung nach Fig. 1,
Fig.
4 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Antenne für zirkulare Polarisation
in auseinandergezogener, perspektivischer Darstellung und Fig. 5 einen Auschnitt
aus einer steuerbaren Streifenleiterantenne in Array-Anordnung für zirkulare Polarisation.
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Beschreibung der Erfindung Für den Direktempfang der Signale von Rundfunksatelliten
werden Antennen eingesetzt, die mechanisch schwenkbar sind. Beim Empfang in Fahrzeugen
ist jedoch eine rein mechanische Nachführung der Antennen umständlich. Vorteilhafter
ist daher eine elektronische Schwenkung der Empfangscharakteristik der Antenne.
In den meisten terrestrischen Anwendungsfällen reicht eine Schwenkung beispielsweise
im Höhenwinkel (Elevation) auf elektronischem Wege mittels Mikrowellenphasenschieber
aus, während in Richtung des Seitenwinkels (Azimut) die Antenne mechanisch nachgeführt
wird. Eine solche Antenne muß für links- und rechtsdrehende zirkulare Polarisation
geeignet sein. Außerdem muß sie möglichst leicht in ein Fahrzeug integrierbar und
auch betriebssicher sowie erschütterungsunempfindlich ausgebildet sein. Ein für
die Nachführung der Antenne erforderlicher Adaptionsalgorithmus, der nicht Gegenstand
der Erfindung ist, kann dabei sowohl auf die Phasenschieber als auch auf einen Schrittmotor
bei mechanisch-elektronischer Schwenkung einwirken.
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In Fig. 1 ist der Aufbau einer planaren Array-Antenne mit fester Einstellung
des vorzugsweise keulenförmigen Strahlungsdiagramms für eine lineare Polarisation
im Ausschnitt gezeigt. Auf der Oberseite einer ersten Substratplatte 10 befinden
sich runde metallisch leitende Antennenelemente 11, die vorzugsweise durch teilweises
Wegätzen einer auf der Oberseite vorhandenen Metallkaschierung entstanden sind.
Als Substratmaterial eignet sich vorzugsweise ein glasfaserverstärktes Polytetrafluoräthylen
(PTFE). Die Antennenelemente 11 sind bei einer vorzugsweise quadratischen Array-Antenne
in vertikalen Spalten und horizontalen Zeilen angeordnet, wobei der Abstand zwischen
den einzelnen Elementen so gewählt ist, daß die gegenseitige Beeinflussung am geringsten
ist. An die Stelle der in Fig. 1 gezeigten kreisförmigen Elemente können gegebenenfalls
auch quadratische, dreieckige oder anders geformte Antennenelemente treten, die
sich dann nur hinsichtlich der Modenanregung unterscheiden.
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Die erste Substratplatte 10 ist mit ihrer nichtmetallisierten Unterseite
mit einer Metallplatte 13, vorzugsweise aus Aluminium, verbunden. Die Verbindung
erfolgt vorzugsweise durch eine Klebschicht 12. Die Metallplatte hat eine Dicke
d, welche vorzugsweise etwa der halben Betriebswellenlänge # entspricht, und weist
je Antennenelement 11 eine Bohrung 14 auf. Jede Bohrung enthält einen von einer
Isolation 15 umgebenen koaxialen Leiter 16, dessen Enden oben und unten etwas aus
der Metallplatte 13 herausragen. Die oberen Enden passen in Bohrungen 17 der ersten
Substratplatte 10 und sind mit den Antennenelementen 11 elektrisch leitend verbunden.
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Eine zweite Substratplatte 18 (Fig. 1 und 2) trägt auf ihrer Unterseite
Leitungsbahnen 20 (vgl. Fig. 2), die derart angeordnet sind, daß sie einen symmetrischen
Leistungsteiler bilden und eine Zusammenschaltung der einzelnen Antennenelemente
unter geringsten Leistungsverlusten ermöglichen. Die zweite Substratplatte 18 enthält
Bohrungen 21 für die unteren Enden der Leiter 16, die mit den Leiterbahnen 20 zum
Beispiel durch Löten elektrisch verbunden werden. Die zweite Substratplatte 18 wird
ebenfalls mit der Metallplatte 13 durch eine Klebschicht 19 verbunden.
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In Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszahlen
versehen Die Isolation 15 besteht aus einem bei hohen Frequenzen verlustarmen dielektrischen
Material, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen, so daß die Metallplatte 13, die Isolation
15 und der Leiter 16 je eine koaxiale Durchführung ergeben. Da das Verhältnis der
Durchmesser von Innenleiter und Außenleiter den Wellenwiderstand eines Koaxialkabels
bestimmt, ist der Durchmesser des Innenleiters bei konstantem Wellenwiderstand vom
Außendurchmesser abhängig. Außerdem wird die Kontaktierung des Innenleiters der
koaxialen Durchführung an dem Antennenelement 11 im Abstand r vom Mittelpunkt des
Antennenelements vorgenommen, um eine Anpassung an den Wellenwiderstand der koaxialen
Durchführung zu erreichen Durch den geschichteten Aufbau der Array-Antenne wird
eine sehr gute mechanische Stabilität der gesamten Anordnung gewährleistet. Gleichzeitig
wird verhindert, daß unerwünschte Modenkonversionen an den Grenzschichten zwischen
Substratplatte und Metallplatte 13 auftreten, die zu Reflexionen und damit zu einer
Verringerung des Antennengewinns führen würden. Mit der Verlagerung der Koppelelemente
auf die Rückseite der Antenne werden Störeinflüsse auf die Richtcharakteristik verhindert.
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In Fig. 4 ist der Aufbau einer Array-Antenne für den Empfang zirkular
polarisierter Signale dargestellt. Eine derartige Antenne unterscheidet sich von
der Antennenausführung nach Fig. 1 dadurch, daß unterhalb der zweiten Substratplatte
18 eine weitere Metallplatte 30 und darunter eine dritte Substratplatte 31 vorhanden
sind. Die erste Substratplatte 10, die Metallplatte 13 und die zweite Substratplatte
18 weisen bezogen auf ein Antennenelement 11 je eine weitere Bohrung 32, 33, 34
auf, die mit je einer Bohrung 35 in der zweiten Metallplatte 30 und je einer Bohrung
36 in der dritten Substratplatte 31 fluchten. Die genannten weiteren Bohrungen sind
bezogen auf die erste Bohrung 17 in den Antennenelementen 11 um 90° versetzt. Die
dritte Substratplatte 31 weist auf ihrer Oberseite keine Metallkaschierung und auf
ihrer Unterseite zu einem symmetrischen Leistungsteiler geformte Leitungsbahnen
37 auf. Die Montage der in Fig. 4 gezeigten Einzelteile erfolgt in analoger Weise
wie bei der Array-Antenne nach Fig. 1 bis 3.
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In Fig. 5 ist ein Schema einer erfindungsgemäßen Streifenleiterantenne
für zirkulare Polarisation und mit elektronischer Steuerung des vorzugsweise keulenförmigen
Strahlungsdiagramms in einer Richtung dargestellt. Die Antennenelemente 11 sind
in einem quadratischen Array angeordnet, wobei zum Beispiel zum Empfang der Rundfunksatellitensignale
unter der Voraussetzung einer ausreichenden Empfangsfeldstärke 16 e 16 = 256 Antennenelemente
für eine Array-Antenne erforderlich sind. Innerhalb jeder Zeile des Arrays werden
die Elemente auf der Oberseite der Substratplatte 10 in Richtung der einen Polarisationskomponente,
beispielsweise der horizontalen Komponente, hintereinander mit hochohmigen Streifenleitungsabschnitten
30 der Länge nverbunden, wobei n eine ganze Zahl und vorzugsweise 1 ist. Zum Empfang
der zweiten Polarisationskomponente, beispielsweise der vertikalen Komponente, sind
die Antennenelemente 11 einer jeden Zeile weiterhin durch Streifenleitungsabschnitte
31 von m.# hintereinandergeschaltet, wobei m eine ganze Zahl, vorzugsweise 2, ist.
Auf diese Weise ist eine Leistungsteilung möglich, wobei jedes Element den gleichen
Anteil zur Leistung beisteuert. Die Streifenleitungsabschnitte 30, 31 werden so
hochohmig ausgeführt, wie es das verwendete Substratmaterial zuläßt. Der sich daraus
ergebende Wellenwiderstand der Verbindungsleitungen bestimmt dann den Auskoppelpunkt
bzw.
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den Radius r (vgl. Fig. 2) im Antennenelement. Der Auskoppelpunkt
im Antennenelement wird wiederum durch die erforderliche Eingangsimpedanz bestimmt.
Die Eingangsimpedanz und der Wellenwiderstand der Leitungen müssen
daher
gleich sein, um optimale Leistungsübertragung zu gewährleisten. Die horizontalen
und vertikalen Komponenten werden über Anschlüsse 32 und 33 mittels 3-dB-Koppler
34 zusammengefaßt. Diese Koppler sind für eine breitbandige Signaladdition und eine
feste Phasenverschiebung von 90° ausgelegt und liefern an ihren Ausgängen 40 linksdrehend
zirkulare Signale und an ihren Ausgängen 41 rechtsdrehend zirkulare Signale. Mittels
je eines Umschalters 42 werden wahlweise die Signale der ersten oder zweiten Art
einem Phasenschieber 35 zugeführt. Die Umschalter sind starr miteinander gekoppelt;
vgl. gestrichelte Linie 43 in Fig. 5.
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Zwecks elektronischer Schwenkung der Empfangscharakteristik der Array-Antenne,
beispielsweise im Höhenwinkel, steuert eine vorzugsweise elektronische Steuerschaltung
36 alle Phasenschieber 35 gemeinsam (vgl.
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Linie 37 in Fig. 5).
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Der Vorteil einer derartigen Reihenschaltung der Elemente liegt in
der Einsparung von Leistungsaddierern, die in nicht unerheblichem Maße zu einer
Dämpfung der Empfangssignale beitragen würden. Die einstellbaren Phasenschieber
35 sind ausgangsseitig miteinander verbunden. Der gemeinsame Ausgang aller Phasenschieber
ist mit 38 bezeichnet.
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Der notwendige Phasenunterschied von Zeile zu Zeile wird durch Mikrowellen-Phasenschieber
erzeugt, die nur dann angesteuert werden, wenn der ortsbewegliche Empfänger seine
Ausrichtung im Höhenwinkel verändern muß.
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Mit zunehmender elektronischer Auslenkung der Empfangscharakteristik
wird die Polarisierbarkeit schlechter; deshalb ist eine mechanische Grobausrichtung
der Antennenfläche gegenüber der Horizontalen vorteilhaft. Dabei sollte die Antenne
so weit geneigt werden, daß die Flächennormale mit der Richtung der einfallenden
Strahlung annähernd übereinstimmt. Aufgrund der geringen Halbwertsbreite der Empfangscharakteristik
muß für die mechanische Schwenkung der Antenne um die Hochachse beispielsweise ein
Schrittmotor mit ausreichender Auflösung vorgesehen werden. Diese Anforderung ist
wegen der geringen, in der Praxis vorkommenden Änderungsgeschwindigkeit im Seitenwinkel
beim heutigen Stand der Technik leicht zu erfüllen. Da das Trägheitsmoment der Antenne
gering ist, sind Schrittmotoren mit relativ niedriger Leistungsaufnahme einsetzbar.
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