DE3601649C2

DE3601649C2 -

Info

Publication number: DE3601649C2
Application number: DE3601649A
Authority: DE
Inventors: Toshio Toyonaka Osaka Jp Makimoto; Sadahiko Osaka Jp Nishimura; Masayuki Kobe Hyogo Jp Matsuo; Toshio Ibaraki Osaka Jp Abiko; Hirohumi Osaka Jp Ishizaki; Minoru Shijonawate Osaka Jp Kanda; Hidetsugu Nunoya; Mikio Kadoma Osaka Jp Komatsu
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-01-21
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1990-09-20
Also published as: GB8600748D0; GB2170051A; CA1250045A; JPS61167203A; GB2170051B; US4713670A; DE3601649A1; FR2578105B1; FR2578105A1

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene Mikrowellenantenne, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige ebene Mikrowellenantennen sind insbesondere zum Empfang von zirkular polarisierten Wellen im SHF-Band, z. B. 12 GHz-Band bestimmt, die von geostationären Rundfunksatelliten ausgestraht werden, welche in einer Höhe von 36 000 km stationiert werden.

Die im allgemeinen zum Empfang von zirkular polarisierten Wellen, die von geostationären Rundfunksatelliten ausgestrahlt werden, verwendeten Antennen sind Parabolantennen, die auf dem Dach oder einer anderen geeigneten Stelle eines Gebäudes errichtet werden. Bei Parabolantennen tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß sie sehr windanfällig sind und aufgrund ihrer großen Angriffsfläche durch Sturm aus ihrer Verankerung gerissen und vom Dach herabgeworfen werden können, so daß äußerst robuste Halterungen erforderlich sind. Der Aufbau derartiger Halterungen für Parabolantennen ist sehr aufwendig, da beispielsweise an der Antenne Versteifungsstreben befestigt werden müssen, die einen großen Teil der Halterung ausmachen, so daß für die Halterung höhere Herstellungskosten als für die Antenne selbst entstehen.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist in der DE-OS 31 49 200 eine ebene Antenne vorgeschlagen, die insgesamt eine flache Gestalt aufweist und mehrere mäanderförmig verlaufende Mikro-Streifenleitungen aufweist, die paarweise an der Oberseite eines Antennenkörpers aus Isoliermaterial angeordnet sind, wobei der Antennenkörper aus einem Material wie glasfaserverstärktem Teflon, Polyäthylen oder dergleichen besteht und auf seiner gesamten Unterseite mit einem Masseleiter versehen ist. Die Paare von Mikro-Streifenleitungen sind an ihrem einen Ende jeweils mit verzweigten Streifenleitern einer Speiseschaltung in sogenannter "Turnierordnung" verbunden. Es kann ein Strom in Form einer stehenden Welle mit gleicher Amplitude und Phase parallel zu den jeweils gepaarten Mikro-Streifenleitungen fließen.

Bei einer solchen ebenen Antenne wird durch den als stehende Welle fließenden Strom ein hoher Antennengewinn erreicht. Es ist erforderlich, jede unerwünschte Reflexion von Signalenergie an den Abschlußenden der jeweiligen Paare von Mikro-Streifenleitungen zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind an den Abschlußenden der gepaarten Mikro-Streifenleitungen jeweils Abschlußwiderstände in Form eines Chip-Widerstandsbauteils vorgesehen. Diese Abschlußwiderstände absorbieren die den Enden der Mirko-Streifenleitungen vorhandene Restenergie und verhindern so eine unerwünschte Abstrahlung durch reflektierte Signalenergie.

Derartige ebene Antennen haben einen einfachen Aufbau und sind kostengünstiger als herkömmliche Antennen, wobei insbesondere die Montagekosten vermindert werden, weil die Antenne direkt an einer Außenwand von Gebäuden montiert werden kann, ohne hierfür besondere Halterungen zu benötigen.

Ein Mangel dieser ebenen Antennen besteht aber noch darin, daß wegen der erforderlichen Verhinderung der Reflexion von Signalenergie die Restenergie an den Enden der Mikro- Streifenleitungen durch Widerstände in Joulesche Wärme umgesetzt wird, was Leistungsverluste zur Folge hat und daher den Antennengewinn vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer ebenen Mikrowellenantenne dahingehend, daß der Wirkungsgrad verbessert und der Antennengewinn gesteigert wird, ohne die Richtwirkung zu beeinträchtigen.

Dies wird bei der gattungsgemäßen Mikrowellenantenne erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist an und für sich bereits bekannt gewesen, beispielsweise aus der DE-OS 30 28 730 sowie den US-PS 33 28 800 und 29 94 874, Hohlleiter-Antennenabschnitte über einen Impedanzwandlerteil mit einer nicht-dissipativen Abschlußlast abzuschließen, um den Antennengewinn zu erhöhen. Bei diesen bekannten Antennenkonstruktionen wird die nicht- dissipative Abschlußlast, die als Reaktanz wirkt, durch einen Schlitz oder mehrere Schlitze in der Wandung des Hohlleiters verwirklicht.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der ebenen Antenne;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Abschlußendes eines Paares von Mirko-Streifenleitungen der ebenen Antenne nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer anderen Ausführungsform der ebenen Antenne; und

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Abschlußendes eines Paares von Mikro-Streifenleitungen bei der ebenen Antenne nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 gezeigte ebene Mikrowellenantenne FAT aus mäanderförmig verlaufenden Mikro-Streifenleitungen enthält mehrere Antennenelemente ATE₁ bis ATE _n, die global betrachtet in parallelen Reihen verlaufen. Jedes Antennenelement ATE₁ bis ATE _n enthält zwei Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa, die jeweils aus einem zyklisch wiederholt abgekröpften Leiter gebildet sind. Jedes Mikro- Streifenleiterpaar ASL, ASLa ist derart ausgebildet, daß die mäanderförmig abgekröpften Teile in jeder Leitung gegen die der anderen Leitung versetzt sind, so daß eine räumliche Phasendifferenz erzeugt wird, um durch Gittereffekt erzeugte Keulen des Strahlungsdiagramms zu vermindern. Es entsteht so eine mit stehenden Wellen arbeitende eindimensionale Gruppenantenne, deren Frequenzcharakteristik und Richtwirkung durch die Art und Weise bestimmt sind, in welcher die Mikro-Streifenleitungen mäanderförmig abgekröpft sind, wobei insbesondere der Abkröpfzyklus der Mikro-Streifenleitungen ASL und ASALa ausschlaggebend ist. Diese Antennenelemente sind auf der einen Oberfläche eines Isoliersubstrats (nicht dargestellt) aufgebracht, auf dessen gegenüberliegender Seite sich ein Masseleiter befindet.

Die Antennenelemente ATE₁ bis ATE _n sind an ihrem einen Ende an einen Speisekreis PSC angeschlossen, der Streifenleitungen SSL aufweist, welche von einem Hauptspeiseanschluß SL₀ in Turnieranordnung abgezweigt sind und zu dem einen Ende der jeweils entsprechenden Antennenelemente führen. Der eine stehende Welle erzeugende Strom kann also über diesen Speisekreis PSC den jeweiligen Antennenelementen ATE₁ bis ATE _n parallel mit gleicher Amplitude und Phase zugeführt werden.

Es wird nun auch auf Fig. 2 Bezug genommen. An ihrem gegenüberliegenden Abschlußende sind die Antennenelemente ATE₁ bis ATE _n jeweils mit einem Reaktanzelement PAT versehen, dessen Impedanz an die gepaarten Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa angepaßt ist und das an diese Leitungen insbesondere an denjenigen Teilen derselben angeschlossen ist, welche aneinander quer zur Längsrichtung der Mikro-Streifenleitungen angenähert sind. Das Reaktanzelement PAT weist einen flächigen Teil ATME und Impedanzwandlerteile TFP und TFPa auf. Der flächige Teil ATME ist zumindest annähernd quadratisch ausgebildet und besteht aus einem Leiter, der an die gepaarten Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa jeweils über ein Impedanzwandlerteil TFP, TFPa angeschlossen ist. Die Länge der Impdanzwandlerteile TFP und TFPa entspricht einer 1/4 Wellenlänge, wenn die Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa eine Leitungsimpedanz Z₁ von 50 Ω aufweisen, so wird die Eingangsimpdanz Z₂ des flächigen Teils ATME auf 100 Ω eingestellt, und die Leitungsimpedanz Z₃ der Impedanzwandlerteile TFP und TFPa wird auf 100 Ω eingestellt, so daß sie folgende Impedanzanpassungsbedingung erfüllt: Z₃² = Z₁ · Z₂. Die Länge der Impedanzwandlerteile TFP und TFPa ist auf 1/4 Wellenlänge eingestellt, d. h. λ _g/4, wenn die Leitungswellenlänge λ _g ist, ausgedrückt als λ _g = η · λ₀, worin λ₀ die Wellenlänge im Raum und η der Verkleinerungskoeffizient für die Wellenlänge ist. Die Leitungswellenlänge λ _g ist ferner derart eingestellt, daß die jeweils von den Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa sowie von den Reaktanzelementen PAT abgestrahlten Signale in der Hauptstrahlungsrichtung der ebenen Antenne FAT gleichphasig sind und einander überlagern. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Abschlußenden der Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa derart eingestellt, daß sie die Gleichung 1 a = 1 + g _g/4 erfüllen, wenn zirkularpolarisierte Wellen empfangen werden, worin 1 und 1 a die Längen längs den Mikro- Streifenleitungen ASL und ASLa vom Fleckteil ATME bis zu einem Punkt einer vorbestimmten gleichen Phase in Längsrichtung des Antennenelements sind, d. h. die Längen der Phaseneinstellungs-Leitungsabschnitte.

Bei der beschriebenen Ausbildung wirken die Reaktanzelemente PAT als Resonanzkreis, der impedanzmäßig an das Antennenelement angepaßt ist, so daß keine unerwünschte Signalfreflexion oder Signalabstrahlung stattfindet. Die Signalenergie, welche ein Reaktanzelement PAT erreicht, wird also vollständig von diesem abgestrahlt, so daß die Signalenergie, die bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen Antennen in den Abschlußwiderständen unter großem Leistungsverlust verbraucht wird, als Strahlungsenergie ausgenutzt wird, um auf diese Weise den Gewinn und die Richtwirkung der gesamten ebenen Antenne FAT zu verbessern.

Es wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 eine weitere Ausführungsform der ebenen Mikrowellenantenne FAT′ beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist ein Reaktanzelement PAT′ an das Abschlußende eines Mikro-Streifenleitungspaares ASL′, ASLa′ angeschlossen, und zwar an denjenigen Teilen der beiden Leitungen, die voneinander entfernt liegen, im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführung, bei welcher das Reaktanzelement PAT an die Mikro-Streifenleitungen ASL, ASLa an denjenigen Teilen derselben angeschlossen ist, welche aneinander angenähert sind. Die Mikro-Streifenleitungen ASL′, ASLa′ erstrecken sich von ihren voneinander entfernt liegenden Punkten schräg zusammenlaufend zu einem flächigen Teil ATME′ des Reaktanzelements PAT′ hin. Dabei entstehen die Längen 1′ und 1 a′ der Phaseneinstelleitungen, welche die Impedanzwandlerteile TFP′ und TFPa′ einschließen, welche so eingestellt sind, daß die Beziehung 1 a′ = 1′ + λ _g/4 erfüllt ist. Wenn der Mäanderzyklus, d. h. der Abstand zwischen benachbarten abgekröpften Teilen der Mikro-Streifenleitungen ASL′ und ASLa′, auf den Wert L′ eingestellt ist, so wird die Entfernung vom Mittelpunkt der letzten Mäanderstufe der einen Leitung ASL′ bis zu der Phaseneinstelleitung am Abschlußende der Leitung ASL′ auf den Wert L′/2 eingestellt, so daß die Impedanzanpassung zwischen den Leitungen ASL′ und ASLa′ und den Reaktanzelementen PAT′ optimiert wird, um auf diese Weise einen hohen Antennengewinn zu erzielen. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise der ebenen Mikrowellenantenne FAT′ nach den Fig. 3 und 4 im wesentlichen dieselben wie bei der ebenen Mikrowellenantenne FAT nach den Fig. 1 und 2.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, daß die ebenen Mikrowellenantennen besonders zum Empfang von zirkular polarisierten Wellen geeignet sind. Auf diese Anwendung ist die Erfindung aber nicht beschränkt. Bei anderen Ausführungsformen sind die ebenen Mikrowellenantennen ausgebildet, um linear polarisierte Wellen zu empfangen, wozu die dem Fachmann geläufigen geeigneten Abwandlungen vorgenommen werden.

Claims

1. Ebene Mikrowellenantenne mit einem Masseleiter auf der gesamten einen Seite eines Substrats und auf der anderen Seite mit mehreren Antennenelementen in Form von jeweils zwei mäanderförmig abgekröpften Mikro- Streifenleitungen der Impedanz Z₁, deren abgekröpfte Teile jeweils gegeneinander versetzt sind, mit einem Speisekreis, von denen Speiseanschlüssen ausgehend Streifenleitungen zu jeweils einem Signalende eines Antennenelementes verzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mikro-Streifenleitungen (ASL, ASLa; ASL′, ASLa′) am anderen Ende des Antennenelementes (ATE, ATE′) ein Element (PAT; PAT′) angeschlossen ist, das aus einem flächigen metallischen Leiter (ATME; ATME′) der Impedanz Z₂ und zwei jeweils zwischen einer Mikro- Streifenleitung (ASL, ASLa; ASL′, ASLa′) und dem Reaktanzelement (ATME; ATME′) eingefügten Phaseneinstellungs-Streifenleitungen sowie jeweils einem Impedanzwandlerteil (TFP, TFPa; TFP′, TFPa′) in Form einer Leitung der Impedanz Z₃ gebildet ist, und zur Impedanzanpassung zwischen dem Antennenelement (ATE, ATE′) und dem Reaktanzelement (ATME, ATME′) die Beziehung Z₃² = Z₁ · Z₂ besteht.

2. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (ATME, ATME′) an den aneinander angenäherten Stellen der Mikro-Streifenleitungen (ASL, ASLa) angeordnet ist.

3. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (ATME, ATME′) an den voneinander entfernten Stellen der Mikro-Streifenleitungen (ASL′, ASLa′) angeordnet ist.

4. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Leitung der Impedanzwandlerteile (TFP, TFPa; TFP′, TFPa′) λ _g/4 ist, worin λ _g die Leitungswellenlänge ist, und daß eine der Phaseneinstellungs- Streifenleitungen, welche an eine der zwei Mikro-Streifenleitungen ASL′) eines Antennenelementes (ATE′) angeschlossen ist, um λ _g/4 länger ist als die andere.