DE3835072A1 - Planarantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne für zirkularpolari­ sierte Wellen, die breitbandig ausgezeichnete Kreuzpolarisa­ tionscharakteristiken aufweist.

Planarantennen dieser Art werden zum störungsfreien Empfang von kreispolarisierten Wellen verwendet, die im SHF-Band ge­ trägert - insbesondere im 12 GHz-Band - von einem geostati­ schen Rundfunksatelliten gesendet werden, der in einer Höhe von 36000 km über der Erde im kosmischen Weltraum stationiert wurde.

Zum Empfang der kreispolarisierten Wellen von dem geostationä­ ren Satelliten werden Parabolantennen verwendet, die auf dem Dach oder in anderen Positionen an Gebäuden errichtet sind. Nachteilig bei den Parabolantennen ist, daß sie sehr anfällig gegen starken Wind sind und aufgrund ihrer unhandlichen drei­ dimensionalen Struktur leicht herunterfallen. Zusätzliche Mit­ tel zum stabilen Befestigen der Parabolantennen sind erforder­ lich, wobei die Befestigungsmittel hohe Befestigungskosten und eine beschwerliche Aufbauarbeit erfordern.

Zum Beseitigen dieser Nachteile wurde in der JP-PS 99 803/1982 (DE-OS 3 14 900.2) eine Planarantenne vorgeschlagen, die in ihrer gesamten Konfiguration abgeflacht ist. Demgemäß kann die Kon­ struktion vereinfacht werden und direkte Befestigung der An­ tenne an einer Außenwand oder anderen Gebäudeposition ist un­ ter Verringerung der Kosten möglich.

Die geforderte Planarantenne soll einen hohen Gewinn aufwei­ sen, weshalb verschiedene Versuche unternommen wurden, um die Einfügungsverluste zu dämpfen. In der DE-OS 37 06 051 ist ei­ ne Planarantenne vorgeschlagen, in der Speise- und Strahler­ systeme nicht direkt miteinander verbunden, jedoch zur Ener­ gieübertragung zwischen Speisesystem und Strahlersystem elek­ tromagnetisch gekoppelt sind. Die beiden Schaltungen sowie ein Erdleiter werden jeweils von Isolierplatten getragen, die über Abstandshalteeinrichtungen voneinander getrennt sind. Mit die­ ser Anordnung ist es möglich, das Speisesystem in dem aufge­ spannten Zwischenraum anzuordnen, um die Verluste zu verrin­ gern, die Vorrichtungseigenschaften zu verbessern und die Ein­ fügungsverluste abzusenken.

Weiter ist in der DE-OS 37 29 750 eine Planarantenne vorge­ schlagen, in der ein Strahlersystem mit zahlreichen Schlitzen versehen ist, in denen jeweils ein Flächenelement angeordnet ist. Das Strahlersystem ist elektromagnetisch an den Flächen­ elementen der Schlitze mit gegenüberliegenden Speisesysteman­ schlüssen eines Speisesystems gekoppelt, damit die Verluste bei zusätzlicher Verbesserung der Vorrichtungseigenschaften weiter abgesenkt werden.

Gemäß den bekannten beiden Planarantennen ist es möglich, die Einfügungsverluste zu reduzieren und den Zusammenbau zu ver­ einfachen, wobei die Antenne für Massenherstellung geeignet sein soll. Das Betriebsfrequenzband liegt im allgemeinen unter 300 MHz, und die Kreuzpolarisationscharakteristiken sind nur mit ungefähr 20 dB erreichbar, weshalb die bekannten Planaranten­ nen diesbezüglich verbessert werden sollen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Planarantenne zu schaffen, die neben einem hohen Antennengewinn und vorzügli­ chen Montageeigenschaften ein erweitertes Betriebsfrequenzband aufweist und über eine deutlich verbesserte Kreuzpolarisations­ charakteristik verfügt.

Diese Aufgabe der Erfindung wird bei der gattungsbildenden Planarantenne durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird eine Planarantenne zum Empfang pola­ risierter Wellen, die im SHF-Band geträgert von einem Satel­ liten gesendet werden, vorgeschlagen, in den Strahler- und Speisesystemen jeweils aus einem Leitermaterial und ein Erd­ leiter unabhängig voneinander mit einer dazwischenliegenden Schicht aus dielektrischem Material vorgesehen sind. Das Strah­ lersystem weist Strahlerelemente mit einem Schlitz auf, in dem ein Flächenelement angeordnet ist. Die Flächenelemente des Strahlersystems sind elektromagnetisch mit Speisekreisanschlüs­ sen des Speisesystems gekoppelt. Die Planarantenne nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Strahlerelemente paarweise angeordnet sind. In jedem Paar sind die Strahlerele­ mente gegeneinander um 90° verdreht und verschieden bemessen. Die Strahlerelemente in jedem Paar werden über Speisekreisan­ schlüsse des Speisesystems mit einer gegenseitigen Phasendif­ ferenz von 90° gespeist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Er­ findung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Planarantenne gemäß der Erfindung mit einem zerlegten Aufbau;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Pla­ narantenne aus Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Teildraufsicht der Planarantenne nach Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Planarantenne aus Fig. 1;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Messungen der axialen Verhält­ nisse der gepaarten Strahlerelemente in vier verschie­ denen Ausführungsformen mit verschiedenen Abmessungen zeigt; und

Fig. 6 bis 10 Teildraufsichten der Strahlerelemente in ver­ schiedenen Ausführungsformen der Planarantenne gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es wird zuerst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. Eine Planarantenne 10 gemäß der vorliegenden Erfindung weist allge­ mein eine Strahlerschaltungsplatine 11, eine Speisekreisschal­ tungsplatine 12 und eine Erdleiterplatte 13 auf. Die Strahler­ schaltungsplatine 11 enthält ein Strahlernetzwerk 14 aus einer Schicht von leitendem Material wie Kupfer, Aluminium, Astatin, Eisen, Gold oder ähnlichem, die auf einer Oberfläche aus einer Kunstharzschicht 15 ausgebildet ist - und falls erforderlich, an der Oberseite mit einem Kunstharz beschichtet ist. Die Spei­ sekreisschaltungsplatine 12 enthält ein Speisesystemschaltungs­ netzwerk 16 aus einer Schicht desselben Leitermaterials, das für das Strahlerschaltungsnetzwerk 14 verwendet wird. Das Spei­ sekreisschaltungsnetzwerk 16 ist auf einer Oberfläche einer Kunstharzschicht 17 ausgebildet - und falls erforderlich, an der Oberseite mit einem Kunstharz beschichtet. Die Erdleiter­ platte 13 besteht aus einer einheitlichen Platte, z.B. aus demselben Material wie das Strahlerschaltungsnetzwerk 14 - und falls erforderlich, ist die Erdleiterplatte 13 an der Ober- und Unterseite mit einem Kunstharz abgedeckt.

Zwischen der Strahlerschaltungsplatine 11 und der Speisekreis­ schaltungsplatine 12 sowie zwischen der Speisekreisschaltungs­ platine 12 und der Erdleiterplatte 13 sind zweckmäßigerweise Abstandshaltereinrichtungen, z.B. aus einem Kunstharz, in Form von Zwischenlagen 18 und 19 eingefügt. Das Kunstharz ist vor­ zugsweise geschäumt und wie in Fig. 1 gezeigt, in einer der­ artigen Gitterform ausgebildet, daß in Fig. 4 erkennbare de­ finierte Zwischenräume 20 und 21 ausgebildet werden. In diesem Fall ist ein Gas - vorzugsweise Luft - in den Zwischenräumen 20 und 21 vorgesehen, um als Element mit niedrigen dielektri­ schen Verlusten zu wirken.

Falls erforderlich, kann für eine mögliche Außeninstallation der Antenne auf oder über der Oberseite bzw. der Frontseite der Planarantenne 10, die als Antennenoberfläche wirkt, eine Antennenkuppel zum Abdecken und Schutz der Oberfläche vorgese­ hen sein, die hauptsächlich aus einem geschäumten Plastikmate­ rial besteht, das für die elektrischen Wellen durchlässig ist. Mit dieser Abdeckung durch die Antennenkuppel erhält nicht nur die Antennenoberfläche, sondern auch die gesamte Planarantenne eine ausreichende Festigkeit, und es ist möglich, einer Ver­ kleinerung der Höhe der Zwischenräume 20 und 21 vorzubeugen.

Das Strahlerschaltungsnetzwerk 14 auf der Strahlerschaltungs­ platine 11 weist zahlreiche Strahlerelemente auf, die gemäß der vorliegenden Erfindung als zahlreiche Paare von Strahler­ elementen 23 und 23 A ausgebildet sind. Wie weiter im Detail in Fig. 3 gezeigt, weisen die Strahlerelemente 23 und 23 A in den jeweiligen Paaren zwei Schlitze 24 und 24 a in der Leiterschicht des Strahlerschaltungsnetzwerkes 14 und gleichfalls zwei Flä­ chenelemente 25 und 25 a auf, die jeweils in einem Schlitz 24 bzw. 24 a angeordnet sind. Das Paar von Strahlerelementen 23 und 23 A ist so angeordnet, daß ein Element in bezug auf das andere Element in der Drehrichtung der Polarisationsebene der kreispolarisierten Wellen um 90° gedreht ist. Ferner unter­ scheiden sich die Strahlerelemente 23 und 23 A in der Abmessung und sind jeweils mit einem Paar von Speisekreisanschlüssen 26 und 26 a des Speisekreisschaltungsnetzwerks 16 auf der Speise­ kreisschaltungsplatine 12 elektromagnetisch gekoppelt. Der Schlitz 24 und das darin liegende Flächenelement 25 des Strah­ lerelementes 23, von dem hier angenommen wird, daß es bezüglich der Drehrichtung der Polarisationsebene der kreispolarisierten Wellen phasenverzögert ist, sind im Flächeninhaltsverhältnis vorzugsweise um 1 bis 7% kleiner ausgebildet als der Schlitz 24 a und das Flächenelement 25 a des anderen Strahlerelementes 23 A auf der Seite, die in der Phase vorauseilt. Die Schlitze 24 und 24 a, die in der vorliegenden Ausführungsform recht­ winklig sind, liegen mit ihrer Längsachse horizontal im Falle des Strahlerelements 23 bzw. vertikal im Falle des Strahler­ elements 23 A, und der Schlitz 24 a weist einen größeren Flächen­ inhalt auf. Die beiden Flächenelemente 25 und 25 a weisen in der vorliegenden Ausführungsform eine längliche, sechseckige Form auf, die durch Abtrennen zweier diagonal gegenüberliegen­ den Ecken an einer quadratisch geformten Leiterschicht ausge­ bildet werden, die im wesentlichen in der Mitte der Schlitze 24 oder 24 a angeordnet ist. Das Flächenelement 25 a des Strah­ lerelementes 23 A ist in seinem Flächeninhalt größer ausgebil­ det als das Flächenelement 25 des Strahlerelements 23.

Die Speisekreisanschlüsse 26 und 26 A des Speisekreisschaltungs­ netzwerkes 16 sind zusätzlich zu der elektromagnetischen Kopp­ lung durch Anordnen gegenüberliegend zu den Flächenelementen 25 und 25 a in den Strahlerelementen 23 und 23 A so angeordnet, daß die Speisefunktion zu den gepaarten Strahlerelementen 23 und 23 A mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° ausge­ führt wird. Die Speisekreisanschlüsse 26 und 26 a, die in Fig. 3 mit Blickrichtung auf das Strahlerkreisnetzwerk 14 in Fig. 3 durch gestrichelte Linien dargestellt sind, erstrecken sich auf der Speisekreisschaltungsplatine 12 so, daß sie im wesent­ lichen quer durch die Mitte der einander gegenüberliegenden Schlitze 24 und 24 a verlaufen, um senkrecht zur Ebene der An­ tenne 10 eine Stellung einzunehmen, in der sie die Flächenele­ mente 25 bzw. 25 a überlappen. Im Detail erstreckt sich ein Speisekreisanschluß 26 von einem T-förmigen Zweigabschnitt 16 a des Speisekreisschaltungsnetzwerkes 16 dreifach abgebogen in U-Form, während sich der andere Speisekreisanschluß 26 a von dem Zweigabschnitt 16 a in entgegengesetzter Richtung zu dem Anschluß 26 zweifach abgebogen in L-Form erstreckt. Es wurde gefunden, daß die Übertragungsverluste vermindert werden, in­ dem von den Abschnitten 27, 27 a und 27 b des Anschlusses 26 so­ wie den Abschnitten 28 und 28 a des anderen Anschlusses 26 a diejenigen, die von den freien Enden dieser Anschlüsse 26, 26 a weiter entfernt liegen, an ihren Biegungen mit gerundeten In­ nenecken und an den außenliegenden Ecken diagonal abgeschnit­ ten ausgebildet werden.

In Fig. 5 ist das gemessene axiale Verhältnis, das die Kreis­ polarisationscharakteristik darstellt, anhand einer Ausfüh­ rungsform eines Strahlerschaltungsnetzwerkes dargestellt, bei dem das eine Strahlerelement 23 gegenüber dem anderen Strahler­ element 23 a um 0%, 1%, 4% und 7% (die entsprechenden Meß­ ergebnisse sind als Kurven U, P, Q bzw. R dargestellt) vergrö­ ßert ist. Es ist ersichtlich, daß die drei Muster gemäß den Kurven P, Q und R kleinere Werte für das axiale Verhältnis auf­ weisen als das erste Muster mit 0% Flächenabweichung und so eine deutlich verbesserte Kreispolarisationscharakteristik be­ sitzen, wodurch das Betriebsband bei Bedarf erweitert werden kann. Durch genaues gegenseitiges Abstimmen der Abmessungsver­ hältnisse zwischen den beiden Strahlerelementen 23 und 23 A kann eine Gewinnänderung von ± 0,3 dB und eine Änderung des axialen Verhältnisses von ± 0,5 dB über einen weiten Bereich von 800 MHz erreicht werden.

Ausführungsform 1

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Strahlerschaltungs­ netzwerk 14 auf einer flexiblen, gedruckten Schaltungsplatine ausgebildet, wie sie üblicherweise angeboten wird. In dem Netz­ werk besitzen die Schlitze 24 eine längere Seite mit 15 mm und eine kürzere Seite mit 13 mm. Die Flächenelemente 25 in den Schlitzen 24, die durch einen Ätzvorgang ausgebildet werden, weisen eine sechseckige Form auf, die durch Abtrennen von zwei diagonalen Ecken einer quadratischen Form mit einer Seitenlan­ ge von 8 mm ausgebildet werden. Die anderen Strahlerelemente 23 A werden bezüglich der Drehrichtung der polarisierten Ebene gegenüber den Strahlerelementen 23 um 90° gedreht und mit einer im wesentlichen um 5% größeren Fläche ausgebildet. Die Strah­ lerelemente 23 und 23 A werden in 28 Paaren auf der flexiblen Platine ausgebildet. Das Speisekreisschaltungsnetzwerk 16 wird wie das Strahlerkreisschaltungsnetzwerk 14 durch einen Ätzvor­ gang auf einer gleichartigen flexiblen, gedruckten Schaltungs­ platine so ausgebildet, daß sich die Anschlüsse 26 und 26 a von dem T-förmigen Zweigabschnitt 16 a in der U-Form und L-Form er­ strecken, damit die elektromagnetische Kopplung bezüglich der gepaarten Strahlerelemente 23 und 23 A mit der Phasendifferenz von 90° erfolgt. Die Erdleiterplatte 13 wird aus einer Alumi­ niumplatte von 2 mm Dicke hergestellt, wie sie üblicherweise lieferbar ist. Eine Planarantenne wird damit durch Übereinan­ derschichten der Erdleiterplatte 13, der Speisekreisschaltungs­ platine 12 mit dem Speisekreisschaltungsnetzwerk 16 und der Strahlerschaltungsplatine 11 mit dem Strahlerschaltungsnetz­ werk 14 und mit einer geschäumten Polyäthylenfolie hergestellt, die als Abstandshalter der dielektrischen Schicht eingefügt ist.

Mit einer derartigen Planarantenne kann ein Gewinn von 31,5± 0,2 dBi bei einem axialen Verhältnis von 0,9+0,4 dB in einem Betriebsfrequenzbereich von 11,7 bis 12,2 GHz erreicht werden.

Ausführungsform 2

Nach einer zweiten Ausführungsform wird eine Planarantenne in der gleichen Weise wie in der zuvor beschriebenen ersten Aus­ führungsform hergestellt, die sich darin unterscheidet, daß eine bienenwabenförmige oder gitterförmige Einlage aus ge­ schäumtem Polyäthylen verwendet wird, die zahlreiche Hohlräu­ me aufweist, die als dielektrische Schichten dienen. Mit einer derartigen Planarantenne kann eine Ausdehnung des Betriebsfre­ quenzbandes von 11,6 bis 12,4 GHz realisiert werden.

Ausführungsform 3

Nach einer dritten Ausführungsform werden abweichend von der ersten Ausführungsform anstelle der geschäumten Polyäthylen­ einlage Abstandhalter 18 und 19 verwendet, die beide in Rah­ menform ausgebildet sind und die Zwischenräume 20 und 21 durch­ gehend über die jeweiligen Schaltungszonen der Platinen 11 und 12 ausdehnen sowie zwischen den Platinen 11 und 12 und zwi­ schen der Speisekreisschaltungsplatine 12 und der Erdleiter­ platte 13 liegen.

Mit dieser Planarantenne kann dieselbe Charakteristik wie die der vorgenannten zweiten Ausführungsform erreicht werden.

In dem Strahlerelement können der Schlitz oder das Flächenele­ ment oder beide in verschiedenen Formen ausgebildet werden. Wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt, kann ein Flächenelement 35, das in einem rechteckigen Schlitz 34 eines Strahlerelemen­ tes 33 angeordnet ist, schlanker als in den Fällen nach den vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet sein. Wie in Fig. 7 gezeigt, kann ein Strahlerelement 43 einen Schlitz 44 von quadratischer Form aufweisen, und ein Flächenelement 45 weist gleichfalls eine quadratische Grundform auf, wobei sich diago­ nal aufwärts und abwärts erstreckende Eckenfortsätze vorgese­ hen sind, die in dem Schlitz 44 ausgebildet sind. Nach Fig. 8 weisen ein Schlitz 54 und ein Flächenelement 55 darin beide eine kreisförmige Grundform auf, wobei das kreisförmige Flä­ chenelement 45 mit einem Paar von diametral gegenüberliegenden Kerben versehen ist. Gemäß einer Ausführungsform nach Fig. 9 weist ein kreisförmiges Flächenelement 65, das in einem kreis­ förmigen Loch 64 ausgebildet ist, ein Paar von diametral ge­ genüberliegenden Vorsprüngen auf. Wie in Fig. 10 weiter ge­ zeigt, kann ein Strahlerelement 37 aus einem quadratischen Schlitz 74 vorgesehen sein, der ein fünfeckiges Flächenelement 75 aufweist, wobei eine Ecke auf die Mitte einer angrenzenden Seite des quadratischen Schlitzes 74 gerichtet ist.

Für die Speisekreisanschlüsse 26 und 26 a des Speisekreisschal­ tungsnetzwerkes 16 können andere Anordnungen als beschrieben verwendet werden, soweit die Ankopplung an die jeweiligen Paare von Strahlerelementen 23 und 23 A mit der Phasendifferenz von 90° erfolgt. Es wurde gefunden, daß durch Ausbildung der An­ schlüsse mit nacheinander im wesentlichen rechtwinklig abgebo­ genen Abschnitten die so gebogenen Anschlußabschnitte in dem Speisekreisschaltungsnetzwerk als ein Teil des Strahlerschal­ tungsnetzwerkes wirken, wodurch eine ausgezeichnete Kreispola­ risations-Empfangscharakteristik erzielt wird.

Claims (6)

1. Planarantenne zum Empfang von polarisierten Wellen, die im SHF-Band von einem Satelliten ausgestrahlt werden, mit einem Strahlersystem, einem Speisesystem und einem Masseleiter, die jeweils aus leitendem Werkstoff ausgebildet sind und voneinan­ der unabhängig unter Zwischenfügung einer Schicht dielektri­ schen Materials angeordnet sind, wobei das Strahlersystem Strahlerelemente aufweist, die jeweils in einem Schlitz lie­ gen, worin sich ein Flächenelement befindet, welches elektro­ magnetisch mit Speisesystemanschlüssen des Speisesystems ge­ koppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente des Strahlersystems jeweils paarweise angeordnet sind und die Strahlerelemente in ihrer Lage um 90° gegeneinander verdreht sind sowie verschiedene Abmessungen aufweisen, und daß die Strahlerelemente jedes Paares über die Speisesystemanschlüsse des Speisesystems mit einer Phasendifferenz von 90° gegenein­ ander gespeist sind.

2. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Strahlerelemente jedes Paares, das auf der bezüglich der Drehrichtung der Polarisationsebene der zirkularpolari­ sierten Wellen phasenverzögerten Seite liegt, kleiner ist als das Strahlerelement, welches mit einer Phasenvoreilung behaf­ tet ist.

3. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Phasenverzögerung behaftete Strahlerelement um etwa 1 bis 7% kleiner ausgebildet ist als das mit Phasenvoreilung behaftete andere Strahlerelement.

4. Planarantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Strahlersystem eine Mehrzahl von Paaren von Strahlerelementen umfaßt.

5. Planarantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Speisesystemanschlüsse des Spei­ sesystems sich in einer Ebene erstrecken und darin sequentiell so abgebogen sind, daß sie sich jeweils über einen der Schlit­ ze erstrecken und je einem Flächenelement gegenüberliegen.

6. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisesystemanschlüsse des Speisesystems paarweise vorge­ sehen sind und jedes Paar einen Anschluß aufweist, der sich von einem T-förmigen Zweigabschnitt des Speisesystems U-förmig fort erstreckt und elektromagnetisch mit dem Strahlerelement auf der phasenverzögerten Seite gekoppelt ist, während der an­ dere Anschluß sich von dem T-förmigen Zweigabschnitt L-förmig fort erstreckt und elektromagnetisch mit dem Strahlerelement auf der mit Phasenvoreilung behafteten Seite gekoppelt ist.