DE3526046A1

DE3526046A1 - Array-antenne

Info

Publication number: DE3526046A1
Application number: DE19853526046
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl Ing Biere
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-07-20
Filing date: 1985-07-20
Publication date: 1987-01-22

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Array-Antenne nach der Gattung des Anspruchs 1 aus.

Es sind planare Array-Antennen in Streifenleitungstechnik für Frequenzen im S-, C- und I-Band bekannt (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP 29, (1), Januar 1981, Seiten 166 bis 170). Für die Ausführung als Phased Array-Antenne und insbesondere für die Nutzung als adaptives Array für Frequenzen im X-Band ist eine Phasenschiebung und Amplitudenbewertung der Antennenelementsignale nötig. Dies kann bei X-Band-Frequenzen direkt erfolgen, wobei jedoch die dafür benötigten Phasenschie ber in ihrer heutigen Ausführungsform nicht in die Antenne inte grierbar sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgsgemäße Antenne mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die für die Abwärtsmischung erforderlichen Mischer in Streifenleitungstechnik aufgrund ihrer geringen mechanischen Abmessungen in die Antenne integrierbar sind und daß die benötigten Phasenschieber nicht für den SHF- Frequenzbereich, sondern nur für den UHF- bzw. VHF-Bereich aus gelegt zu sein brauchen. Da außerdem die phasenkohärente Zufüh rung der Oszillatorenergie von der Rückseite der Antenne erfol gen kann, bleibt die relativ flache Bauform der Antenne erhalten.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß hohe Leitungsverluste im Netzwerk für die Leistungszusammenführung entfallen. Schließlich ist auch die gute Reproduzierbarkeit der benutzen Mischer hervor zuheben, die für Phasenschieber im X-Band nicht gegeben wäre. Da Phasenschieber für Frequenzen im X-Band derzeit noch nicht die not wendigen geringen Abmessungen erreichen, läßt sich eine erfindungs gemäße Array-Antenne für X-Band-Frequenzen vorteilhaft realisieren.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Array-Antenne in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Array-Antenne nach Fig. 1 in Seitenansicht und in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht einer Mischerplatine und

Fig. 5 eine Ansicht eines Netzwerkes für die Verteilung der Oszillatorleistung der erfindungsgemäßen Array-Antenne.

Beschreibung der Erfindung

Eine in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erfindungsgemäße planare Array- Antenne 10 weist eine obere Metallplatte 11 auf, auf der eine Substrat platte 12 vorzugsweise durch Kleben befestigt ist. Die vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Polytetrafluoräthylen bestehende Substrat platte trägt eine Anzahl von in einem bestimmten Raster angeordneten zum Beispiel kreisförmigen Antennenelementen 13, die vorzugsweise nach Art einer gedruckten oder geätzten Schaltung auf der Substratplatte angeordnet sind. Auf der Unterseite der oberen Metallplatte 11 sind senkrecht zu der Ebene der Platte stehende und je einer Reihe 14 von Antennenelementen 13 zugeordnete Mischerplatinen 15 befestigt. Die Platinen bestehen aus einem rechteckigen Metallstreifen 16, der zu beiden Seiten eine Substratplatte 17, 18 trägt. Auf der Substratplatte 18 ist nach Art einer gedruckten Schaltung je Antennenelement 13 ein Mischer 20 und 21 angebracht; vgl. Fig. 2. Die Mischer haben einen HF-Anschluß 22, einen Oszillatoranschluß 23 und einen ZF-Anschluß 24. Die Platinen 14 sind auf ihrer Unterseite gemeinsam mit einer unteren Metallplatte 25 verbunden, die planparallel zu der oberen Metallplatte 11 steht und auf ihrer Außenseite eine untere Substratplatte 26 trägt, die auf ihrer Außenseite mit einem nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellten Verteilungsnetzwerk 27 versehen ist; vgl. auch Fig. 5.

Die Mischer 20 und 21 bestehen - wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt - aus einem planaren 180°-Ring-Hybrid 201, zwei Dioden 202 und 203, einem ZF- Filter 204 und einem Tiefpaßfilter 205. Das 180°-Ring-Hybrid 201 steht über eine erste Leitungsbahn 206 mit dem HF-Anschluß 22 und dieser über eine Leitung 28 (Fig. 3), die koaxial durch eine Öffnung 29 der oberen Metallplatte 11 und durch die Substratplatte 12 geführt ist, mit dem zugehörigen Antennenelement 13 in leitender Verbindung. Weiterhin steht das 180°-Ring-Hybrid 201 über eine zweite Leitungsbahn 207 mit einem Oszillatoranschluß 23 in Verbindung, an den sich eine Leitung 30 an schließt, die durch die Substratplatten 17 und 18 und nach Art einer koaxialen Leitung durch den Metallstreifen 16 geführt ist. Die Leitung 30 ist über eine Leitungsbahn 31 auf der Substratplatte 17 und ein wei teres Leitungsstück 32, das durch die untere Metallplatte 25 nach Art einer koaxialen Leitung geführt ist und die untere Substratplatte 26 durchsetzt, mit dem Verteilungsnetzwerk 27 (Fig. 5) verbunden.

Schließlich steht das 180°-Ring-Hybrid 201 noch über vorzugsweise als Chip-Bauelement ausgebildete Kondensatoren 34, 35 und bügelförmige Leitungsbahnen 209, 210 und je eine der Dioden 202, 203 mit dem ZF- Filter 204 in Verbindung.

Das ZF-Filter ist über einen Kondensator 211 mit dem ZF-Anschluß 24 verbunden. Dieser Anschluß ist mit dem Innenleiter 36 eines Koaxial kabels 37 verbunden, das durch die untere Metallplatte 25 und die untere Substratplatte 26 geführt ist.

Das auf der unteren Substratplatte 26 vorhandene Verteilungsnetz werk 27 ist derart gestaltet, daß von einem Eingangsanschluß 38, der mit einem Hochfrequenzoszillator 39 verbunden ist, zu jedem der Oszillatoranschlüsse 23 eine wellenwiderstandsrichtige Anpassung bei gleicher Leistungsaufteilung gegeben ist.

An das Koaxialkabel 37 schließt sich ein in Fig. 2 der Übersicht lichkeit halber lediglich durch gestrichelte Linien angedeutetes Phasenschiebernetzwerk 40 an, dessen Ausgang mit 41 bezeichnet ist.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Array-Antenne ist folgende.

Die mit einem der Antennenelemente 13 empfangenen Hochfrequenzsignale, das sind vorzugsweise direkt empfangene Signale von Rundfunksatelliten, gelangen über die Leitung 28 an den HF-Anschluß 22 des Mischers 20. Die von dem Hochfrequenzoszillator 39 (Fig. 5) gelieferte Oszillatorleistung wird über das Verteilungsnetzwerk 27, das weitere Leitungsstück 32, die Leitungsbahn 31 und die Leitung 30 dem Oszillatoranschluß 23 zugeführt. Das durch den Mischvorgang entstehende ZF-Signal wird zwischen den bei den Dioden 202 und 203 abgegriffen und dem ZF-Filter 204 zugeführt. Die Dioden erhalten für ihre Arbeitspunkteinstellung einen Strom I _D, der über das Tiefpaßfilter 205, die Leitungsbahn 210, die beiden gleich strommäßig in Reihe liegenden Dioden 202 und 203, die Leitungsbahn 209 und das folgende Tiefpaßfilter usw. fließt.

Damit beim Mischvorgang Phasen- und Amplitudenfehler vermieden werden, muß auf eine einwandfreie Anpassung geachtet werden. Durch gezielte Wahl des Einspeiseorts bei den Antennenelementen 13, der in der Regel außermittig liegt, kann der Reflexionsfaktor sehr klein gehalten werden, so daß das für die Phasen- und Amplitudenfehler verantwortliche Produkt aus Reflexionsfaktor eines Antennenelementes 13 und Reflexionsfaktor des Mischers 20 ebenfalls sehr klein ist. Wählt man die Leitungslänge zwischen Antennenelement und Mischer vorzugsweise λ/2, wobei λ die Betriebswellen länge der Array-Antenne ist, so lassen sich die verbleibenden Phasen- und Amplitudenfehler weiter reduzieren. Eine Besonderheit der gewählten Mischer ausführung ist die bereits ohne einen zusätzlichen Isolator vorhandene sehr hohe Isolation zwischen Hochfrequenz und Oszillatorfrequenz, die sich noch weiter erhöhen läßt, wenn zwischen Antennenelement und HF-Eingang 22 ein Zirkulator vorgesehen ist, der die Energie nur in einer Richtung, nämlich von einem Antennenelement zum Mischer, zuläßt.

In einem Ausführungsbeispiel weist eine erfindungsgemäße Array-Antenne 64 Antennenelemente 13 auf, die in acht Reihen und Spalten angeordnet sind. Zu den 64 Antennenelementen gehören 64 Mischer 20 und 21, von denen je acht Stück auf einer Mischerplatine angeordnet sind. Die Substratplatten 18 der Mischerplatinen 15 weisen vorzugsweise eine sehr hohe relative Dielektrizi tätszahl auf, zum Beispiel ε _r ≈ 10.

Claims

1. Array-Antenne, insbesondere für den Empfang über Rundfunksatelliten ausgestrahlter digitaler phasenmodulierter Signale, mit planarer Streifenleiterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß in die Array- Antenne (10) Mischer (20, 21) integriert sind, mit denen die emp fangenen Hochfrequenzsignale vor der Weiterverarbeitung in einen Zwischenfrequenzbereich phasenstarr abwärtsgemischt werden.

2. Array-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischer (20, 21) in Streifenleitungstechnik ausgeführt sind.

3. Array-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischer (20, 21) auf einer Mischerplatine (15) angeordnet sind, die aus einem Metallstreifen (16) und mindestens einer darauf befestigten Substratplatte (18) besteht, die die Mischer für mehrere Antennenelemente (13) trägt.

4. Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Antennenelemente (13) spalten- und reihenförmig angeordnet sind und daß jeder Reihe (14) von Antennenelementen eine Mischerplatine (15) mit einer der Zahl der Antennenelemente entsprechenden Zahl von Mischern zugeordnet ist.

5. Array-Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (13) auf einer Substratplatte (12) angeordnet sind, die auf einer oberen Metallplatte (11) befestigt ist, und daß die Mischerplatinen (15) unterhalb der oberen Metallplatte senkrecht zu deren Ebene angeordnet sind

6. Array-Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (13) über eine Leitung (28), die nach Art eines Koaxialkabels durch die obere Metallplatte (11) geführt ist, mit dem HF-Eingang (22) des Mischers (20) verbunden ist.

7. Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oszillatoranschlüsse (23) der Mischer (20, 21) über ein Verteilungsnetzwerk (27) mit einem gemeinsamen HF-Oszillator (39) verbunden sind und daß das Verteilungsnetz werk in Streifenleitungstechnik ausgeführt ist.

8. Array-Antenne nach einem der Anprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Hochfrequenzanschluß (22) eines jeden Mischers (20, 21) und dem zugehörigen Antennenelement (13) ein Zirkulator vorgesehen ist.

9. Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mischer (20, 21) auf einer Substratplatte (18) mit verhältnismäßig hoher relativer Dielektrizitätszahl (ε _r ≈ 10) angeordnet sind.