DE3813858A1 - Antennenarray mit einer vielzahl aktiver phasenmodulierbarer arrayantennenelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenarray für den Mikrowel­ len-, vorzugsweise Millimeterwellenbereich, gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Ein solches Antennenarray besteht aus einer Vielzahl von Einzelantennen, die in der Praxis häufig in Form von Schwingkreisen mit passiven Bauelementen realisiert werden und die alle bei annähernd gleicher Frequenz schwingen und in ihre Phase unabhängig voneinander einstellbar sind. Antennenarrays dieser Art sind jedoch nicht sehr leistungs­ stark. Dazu kommt, daß herkömmliche Phasenschieber insbeson­ dere im Millimeterwellenbereich stark verlustbehaftet sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Antennenarray der eingangs genannten Art zu schaffen, das leistungsstark ist und dessen Einzelantennen in einem weiten Phasenschwenk­ bereich einstellbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 be­ schrieben. Die übrigen Patentansprüche enthalten vorteilhaf­ te Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Antennenarray besteht aus einer Viel­ zahl von Einzelantennen, die im wesentlichen aus phasenmodu­ lierbaren Oszillatoren bestehen, die alle bei der gleichen Frequenz schwingen und die in ihrer Phase unabhängig vonein­ ander einstellbar sind und deren Ausgangssignale sich in einem Antennendiagramm überlagern.

Die Oszillatoren sind vorzugsweise varaktorabstimmbare Oberschwingungsoszillatoren mit Grundschwingungsausgang, die bei ihrer Grundschwingung injektionssynchronisiert werden. (Im Millimeterwellenbereich oberhalb von ca. 60 GHz können hierzu vorteilhaft Gunn-Oszillatoren verwendet werden.)

Varaktorabstimmbare Oberschwingungsoszillatoren haben den Vorteil, daß

• a) ihr maximaler Phasenschwenkbereich nicht wie bei Grund­ schwingungsoszillatoren auf annähernd ± 90° beschränkt ist, sondern sich bei der ersten Oberschwingung auf annähernd ± 180° und bei der n-ten Oberschwingung auf annähernd ± (n + 1) 90° erstreckt und
• b) jeder beliebige Phasenwert in diesem Bereich einstell­ bar ist.

Somit ist bei varaktorabstimmbaren Oberschwingungsoszillato­ ren bei der ersten Oberschwingung eine analoge (stufenlose) wie auch digitale (in Stufen erfolgende) Phasendrehung im gesamten Phasenschwenkbereich von ca. ± 180° möglich, die zudem noch schnell und nahezu verlustfrei durchführbar ist.

Die Phase der einzelnen Oszillatoren wird über die Varaktor­ spannungen so eingestellt, daß sich die Ausgangssignale der Oszillatoren in geeigneter Weise überlagern, um so das gewünschte Antennendiagramm zu formen. Durch Variation der Varaktorspannungen kann das Antennendiagramm auch geschwenkt werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die Verwendung aktiver Oszillatoren das Antennenarray hohe Ausgangsleistungen erzeugen kann und daß mit diesem Anten­ nenarray durch entsprechende Wahl der einzelnen Varaktor­ spannungen das Antennendiagramm in den vorgegebenen Grenzen beliebig geformt und geschwenkt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung von Oberschwingungs­ sozillatoren, die gegenüber klassischen Grundschwingungsos­ zillatoren mit ca. ± 180° einen nahezu doppelt so großen Phasenschwenkbereich aufweisen. Der Einsatz von Varaktordio­ den hat z. B. gegenüber den klassischen PIN-Dioden den Vor­ teil, daß die Abstimmung nahezu verlustfrei, schnell und stufenlos (analog) erfolgt (wobei eine Abstimmung in Stufen bei einer Varaktordiode auch möglich ist).

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform eines aktiven 360°-Phasenschiebers für den Millimeterwellenbereich mit einem injektions­ synchronisierten, phasenmodulierbaren Oberschwin­ gungsoszillator mit Grundschwingungsausgang;

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 1 gezeigten Oberschwingungsoszillators;

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Antennenarrays in perspektivischer Dar­ stellung.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 näher erläuterten aktiven 360°- Phasenschiebers handelt es sich um eine Anordnung gemäß einer weiteren Anmeldung (UL 86/147aA) der Anmelderin, die am gleichen Tag wie die hier vorliegende Anmeldung ange­ meldet worden ist.

Der aktive 360°-Phasenschieber für den Millimeterwellenbe­ reich in Fig. 1 besteht aus einem ersten Oberschwingungsos­ zillator (1 a), der die Frequenzen fm mit der Leistung Pm (Grundschwingung) erzeugt, und einem zweiten Oberschwingungs­ oszillator (1 b), vorzugsweise des gleichen Typs, der die freischwingenden, d. h. ohne äußeren Einfluß schwingenden Frequenzen fs mit der Leistung Ps (Grundschwingung) und 2 fs mit der Leistung Psig (erste Oberschwingung) erzeugt. Dem Grundschwingungsausgang des "Slave"-Oszillators ist eine Varaktor-Diode (3) vorgeschaltet, die mit einer veränderba­ ren Spannung (V _V + Δ V) angesteuert wird. Die Varaktor-Diode (3) ist andererseits mit einem U-Band-Hohlleiterzug (5) an den Grundschwingungsausgang des ersten Oszillators (1 a) angeschlossen. Der Hohlleiterzug (5) enthält eine Richt­ leitung (Isolator) (4). An die Oberschwingungsausgänge der beiden Oszillatoren (1 a, 1 b) ist jeweils ein W-Band-Hohl­ leiterzug (6) angeschlossen.

Der erste Oszillator (1 a) dient bei der Grundschwingung (fm) als Generator eines Synchronisiersignals ("Master"-Oszilla­ tor), mit dem der zweite, jedoch zusätzlich mit der Varak­ tor-Diode (3) abstimmbare Oszillator (1 b) über seinen Grund­ schwingungsausgang injektionssynchronisiert wird ("Slave"- Oszillator). Der Oberschwingungsausgang des "Master"-Oszil­ lators dient als Referenzsignal, während der Oberschwin­ gungsausgang des "Slave"-Oszillators (1 b) das phasenmodu­ lierte Signal anbietet.

Die Phasendrehung kommt zustande, wenn der "Slave"-Oszilla­ tor mit der an der Varaktor-Diode (3) angelegten Spannung (V _V + Δ V) frequenzmoduliert wird und damit eine vom "Master"-Oszillator um Δ f abweichende Freischwing-Frequenz fs = fm ± Δ f annimmt. Durch die Synchronisation nimmt das Signal des "Slave"-Oszillators die Frequenz des "Master"- Oszillators an, hat dann jedoch eine Phasendifferenz (Δρ bei der Grundschwingung bzw. 2Δρ bei der Oberschwingung bezogen auf das Referenzsignal). Der maximale Phasenschwenk­ bereich beträgt bei der ersten Oberschwingung annähernd ± 180° (bei der n-ten Oberschwingung annähernd ± (n ± 1) 90°).

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 1 gezeigten Oberschwingungsoszillators (1 b) zusammen mit der Varaktor-Diode (3) in der Seitenansicht mit teilweise ent­ ferntem Gehäuse.

Der Hohlleiter eines Halters (17 b) einer Gunn-Diode (10) ist für die Grundschwingung und die erste Oberschwingung durch­ lässig. Der auf der einen Seite des Halters (17 b) mit einem Flansch (14 b) angeschlossene W-Band-Hohlleiter (13 b) reflek­ tiert die Grundschwingungen. Der U-Band-Hohlleiter (11 b) auf der gegenüberliegenden Seite ist für die Grundschwingung und die erste Oberschwingung durchlässig., Um die Ausgangslei­ stung er Oberschwingungen zu optimieren, ist gemäß einem Artikel von H. Barth "A High Q Cacaty Stabilized Gunn- Oscillator at 94 GHZ" in IEEE MTT-S Digest (1986) in einem bestimmten Abstand von der Gunn-Diode (10) eine Resonanz­ blende (16 b) angeordnet, die mit einem U-Band-Hohlleiter­ zwischenstück (15 b) in ihrer Lage justiert ist. Die Resonanz­ blende (16 b) reflektiert die Oberschwingung in starkem Maße, während die Grundschwingung nahezu ohne Dämpfung durchge­ lassen wird.

Die Steuerspannung wird über einen SMA-Anschluß (180 b), der mittels eines Flansches (18 b) und zweier Schrauben (181 b) an dem Gunn-Dioden-Halter (17 b) befestigt ist, und ein Filter (19 b) zur Gunn-Diode (10 b) geführt.

Mit (30) ist die in der Halterung (37) befindliche Varaktor- Diode, mit (31) ist der U-Band-Hohlleiter im U-Band-Flansch (32), mit (33) ist ein weiterer U-Band-Hohlleiter in einem U-Band-Hohlleiterzwischenstück (35) und mit (38) ein SMA- Flansch mit SMA-Anschluß (380) und Befestigungsschrauben (381) bezeichnet.

Fig. 3 schließlich zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennenarrays in perspektivischer Darstellung.

Das Array besteht aus einer Vielzahl von Einzelantennen, von denen in der Figur beispielhaft 6 Stücke gezeigt sind. Die Antennen sind identisch im Aufbau und in dem gewählten Beispiel räumlich gleich ausgerichtet.

Jede dieser Antennen besteht aus einem phasenmodulierbaren Oberschwingungsoszillator (2) mit einem Oberschwingungsaus­ gang an der Vorderseite und einem Grundschwingungsausgang an der Rückseite, wobei an dem Grundschwingungsausgang ein Hohlleiter (5) mit seinem einen Ende angeschlossen ist. An dem anderen Ende des Hohlleiters (5) ist eine Hornantenne (52) angebracht. In einiger Entfernung von den Hornantennen (52) des Antennenarrays befindet sich eine weitere Hornan­ tenne (50), die über einen Hohlleiter (5) an einen weiteren Oszillator (1 a) angeschlossen ist und die räumlich so ange­ ordnet ist, daß sie elektromagnetische Schwingungen des weiteren Oszillators (1 a) in die Hornantennen (52) des Antennenarrays einstrahlen kann.

Ähnlich wie bei dem Phasenschieber in Fig. 1 dient der weitere Oszillator (1 a) als Generator eines Synchronisier­ signals ("Master"-Oszillator), mit dem die Oszillatoren des Antennenarrays über die rückseitig angebrachten Grundschwin­ gungsausgänge injektionssynchronisiert werden ("Slave"- Oszillatoren).

Der "Master"-Oszillator (1 a) ist vorzugsweise auch ein Oberschwingungsoszillator mit Grundschwingungsausgang, bei dem das Synchronisiersignal bei der Grundschwingung erzeugt wird, so daß der Oberschwingungsausgang des Oszillators (1 a) als Referenzsignal, beispielsweise für die phasenmodulierten Oberschwingungssignale der Oszillatoren (1 b) des Antennen­ arrays, genutzt werden kann.

Werden in dem Antennenarray varaktorabstimmbare Oberschwin­ gungsoszillatoren z. B. gemäß Fig. 2 eingesetzt, erfolgt die Phasendrehung bei den einzelnen Oszillatoren (1 b) gemäß Fig. 1. Dabei werden die Phasen der einzelnen Oszillatoren (1 b) über die Varaktorspannungen (V _V + Δ V) so eingestellt, daß sich die Oberschwingungs-Ausgangssignale der Oszillato­ ren (1 b) in geeigneter Weise überlagern und auf diese Art und Weise das gewünschte Antennendiagramm formen. Durch Variation der Varaktorspannungen ist auch eine Diagramm­ schwenkung möglich.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen und Können auf vielerlei Art und Weise weitergebildet und abgeändert sowie an andere Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. möglich, anstelle der Hornantennen in Fig. 3 andere Strahler, wie z. B. Schlitzstrahler, zu verwenden. Weiterhin kann es in manchen Anwendungen erforderlich sein, daß das Antennenarray anstelle der ebenen Fläche in Fig. 3 eine gekrümmte Fläche (z. B. kreis-, zylinder-, kegel- oder halbkugelförmig) bildet. Schließlich kann es (z. B. bei den eine gekrümmte Fläche bildenden Antennenarrays) erforderlich sein, anstelle eines "Master"-Oszillators gemäß Fig. 3 mehrere "Master"-Oszillatoren zu verwenden, die die erzeug­ ten elektromagnetischen Schwingungen über verschiedene Strahler in verschiedene Raumrichtungen strahlen.

Claims (12)

1. Antennenarray für den Mikrowellen-, vorzugsweise Milli­ meterwellenbereich, mit einer Vielzahl von Einzelantennen, die alle bei der gleichen Frequenz schwingen und die in ihrer Phase unabhängig voneinander einstellbar sind und deren Ausgangssignale sich überlagern, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einzelantennen phasenmodulierbare Oszillatoren (1 b) sind.

2. Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren Oberschwingungsoszillatoren (1 b) mit einem maximalen Phasenschwenkbereich von annähernd minde­ stene ± 180° sind und daß jeder dieser Oberschwindungsoszil­ latoren eine über einen ersten Ausgang (11 b) auskoppelbare Grundschwingung (fs) und mindestens eine über einen zweiten Ausgang (13 b) auskoppelbare Oberschwingung (2 fs, . . .) erzeugt.

3. Antennenarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Oberschwingungsoszillatoren (1b) mittels einer dem Grundschwingungsausgang vorgeschalteten Varaktor­ diode (3) stufenlos und/oder stufenweise phasenmodulierbar ist.

4. Antennenarray nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Varaktordiode (3) über ein erstes Hohlleiter-Zwi­ chenstück (32) an einen Hohlleiter (5) angeschlossen ist und über ein kurzes, zweiteiliges zweites Hohlleiter-Zwi­ schenstück (15 b, 35) an den ersten Ausgang (11 b) des Oszil­ lators (1 b) angeschlossen ist und daß zwischen den beiden Teilen (15 b, 35) des zweiteiligen zweiten Hohlleiter-Zwi­ schenstücks eine die Oberschwingungen des Oszillators (1 b) reflektierende Resonanzblende (16 b) angebracht ist.

5. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Oberschwingungsoszillatoren (1 b) jeweils über ihre Grundschwingung (fs) injektionssynchroni­ sierbar sind und daß zur Erzeugung eines Synchronisierungs­ signals (fm) ein weiterer Oszillator (1 a) vorgesehen ist.

6. Antennenarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Synchronisiersignals (fm) von dem erzeugenden Oszillator (1 a) zu den einzelnen injektionssyn­ chronisierten Oszillatoren (1 b) über Hohlleiteranordnungen (5) erfolgt und daß jede dieser Hohlleiteranordnungen (5) an mindestens einer Stelle durch eine Übertragungsstrecke (51) im freien Raum unterbrochen ist.

7. Antennenarray nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der Hohlleiter (5) Hornantennen (50, 52) angebracht sind.

8. Antennenarray nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der Hohlleiter (5) Schlitzstrahler angebracht sind.

9. Antennenarray nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in jeder der Hohlleiteranordnungen (5) zwischen injektionssynchronisiertem Oszillator (1 b) und Hornantenne (52) oder Schlitzstrahler jeweils eine Richtungsleitung (Isolator) (4) und/oder Zirkulator eingefügt ist.

10. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschwingungsoszillatoren (1 b) auf einer ebenen Fläche angeordnet sind.

11. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschwingungsoszillatoren (1 b) auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.

12. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ge­ kennzeichnet durch seine Anwendung als Strahler mit räumlich/zeitlich veränderbarem Strahlungsfeld.