DE3835072C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne für den Empfang von kreispolarisierten Wellen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Planarantennen dieser Art, deren Gattung aus der DE 37 06 051 A1 bekannt ist, werden zum störungsfreien Empfang von kreispolarisierten Wellen verwendet, die im SHF-Band geträgert - insbesondere im 12 GHz-Band - von einem geostationären Rundfunksatelliten gesendet werden, der in einer Höhe von 36 000 km stationiert ist.

Planarantennen, die im Gegensatz zu Parabolantennen eine direkte Befestigung an einer Außenwand oder anderen Gebäudeteilen ermöglichen, sollen einen hohen Gewinn aufweisen, weshalb verschiedene Versuche unternommen wurden, um die Einfügungsverluste zu verringern. Nach der DE 37 06 051 A1 sind Speisesystem und Strahlersystem nicht direkt miteinander verbunden sondern zur Energieübertragung zwischen Speisesystem und Strahlersystem elektromagnetisch gekoppelt. Die beiden Systeme sowie ein Masseleiter werden jeweils von einer Isolierplatte getragen, die über Abstandshalter voneinander getrennt sind. Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Speisesystem in dem aufgespannten Zwischenraum anzuordnen, um die Verluste zu verringern, die Charakteristik zu verbessern und die Einfügungsverluste abzusenken.

Ferner ist in der DE 37 29 750 A1 eine Planarantenne vorgeschlagen, in der ein Strahlersystem mit zahlreichen Schlitzen versehen ist, in denen jeweils ein Flächenelement angeordnet ist. Das Strahlersystem ist elektromagnetisch an den Flächenelementen der Schlitze mit gegenüberliegenden Speisesystemanschlüssen eines Speisesystems gekoppelt, damit die Verluste bei zusätzlicher Verbesserung der Charakteristika weiter abgesenkt werden.

Die Breite des Betriebsfrequenzbandes bei den bekannten Planarantennen liegt im allgemeinen unter 300 MHz, und für die Kreuzpolarisationscharakteristik ist ein Wert von nur ungefähr 20 dB erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Planarantenne dahingehend weiterzubilden, daß bei nahezu gleichbleibendem hohen Gewinn die Bandbreite vergrößert und eine Verbesserung der Kreuzpolarisationscharakteristik erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsbildenden Planarantenne erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer zerlegt dargestellten Ausführungsform der Planarantenne;

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 gemessenen 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.

Es wird zuerst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. Eine Planarantenne 10 weist allge­ mein eine Strahlerschaltungsplatine 11, eine Speisekreisschal­ tungsplatine 12 und eine Masseleiterplatte 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 Masseleiter­ 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 Masseleiterplatte 13 sind zweckmäßigerweise Abstandshalter, z.B. aus einem Kunstharz, in Form von Zwischenlagen 18 und 19 eingefügt. Das Kunstharz ist beispielsweise 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 - z. B. 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 Haube 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 Haube erhält nicht nur die Antennenoberfläche, sondern auch die gesamte Planarantenne eine ausreichende Festigkeit, so daß auch einer Ver­ kleinerung der Höhe der Zwischenräume 20 und 21 vorgebeugt wird.

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 23A ausgebildet sind. Wie weiter im Detail in Fig. 3 gezeigt, weisen die Strahlerelemente 23 und 23A in den jeweiligen Paaren zwei Öffnungen 24 und 24a in der Leiterschicht des Strahlerschaltungsnetzwerkes 14 und gleichfalls zwei Flä­ chenelemente 25 und 25a auf, die jeweils in einer Öffnung 24 bzw. 24a angeordnet sind. Das Paar von Strahlerelementen 23 und 23A 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 23A in der Abmessung und sind jeweils mit einem Paar von Speisesystemanschlüssen 26 und 26a des Speisekreisschaltungsnetzwerks 16 auf der Speise­ kreisschaltungsplatine 12 elektromagnetisch gekoppelt. Die Öffnung 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 die Öffnung 24a und das Flächenelement 25a des anderen Strahlerelementes 23A auf der Seite, die in der Phase vorauseilt. Die Öffnungen 24 und 24a, 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 23A, und die Öffnung 24a weist einen größeren Flächen­ inhalt auf. Die beiden Flächenelemente 25 und 25a 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 Öffnungen 24 oder 24a angeordnet ist. Das Flächenelement 25a des Strah­ lerelementes 23A ist in seinem Flächeninhalt größer ausgebil­ det als das Flächenelement 25 des Strahlerelements 23.

Die Speisesystemanschlüsse 26 und 26A des Speisekreisschaltungs­ netzwerkes 16 sind zusätzlich zu der elektromagnetischen Kopp­ lung durch Anordnen gegenüberliegend zu den Flächenelementen 25 und 25a in den Strahlerelementen 23 und 23A so angeordnet, daß die Speisefunktion zu den gepaarten Strahlerelementen 23 und 23A mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° ausge­ führt wird. Die Speisesystemanschlüsse 26 und 26a, 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 Öffnungen 24 und 24a verlaufen, um senkrecht zur Ebene der An­ tenne 10 eine Stellung einzunehmen, in der sie die Flächenele­ mente 25 bzw. 25a überlappen. Im Detail erstreckt sich ein Speisesystemanschluß 26 von einem T-förmigen Zweigabschnitt 16a des Speisekreisschaltungsnetzwerkes 16 dreifach abgebogen in U-Form, während sich der andere Speisesystemanschluß 26a von dem Zweigabschnitt 16a 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, 27a und 27b des Anschlusses 26 so­ wie den Abschnitten 28 und 28a des anderen Anschlusses 26a diejenigen, die von den freien Enden dieser Anschlüsse 26, 26a 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 23A um 0%, 1%, 4% und 7% (die entsprechenden Meß­ ergebnisse sind als Kurven O, P, Q bzw. R dargestellt) verkleinert 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 23A 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 Öffnungen 24 eine längere Seite mit 15 mm und eine kürzere Seite mit 13 mm. Die Flächenelemente 25 in den Öffnungen 24, die durch einen Ätzvorgang ausgebildet werden, weisen eine sechseckige Form auf, die durch Abtrennen von zwei diagonalen Ecken einer quadratischen Form mit einer Seitenlän­ ge von 8 mm ausgebildet werden. Die anderen Strahlerelemente 23A 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 23A 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 26a von dem T-förmigen Zweigabschnitt 16a in der U-Form und L-Form er­ strecken, damit die elektromagnetische Kopplung bezüglich der gepaarten Strahlerelemente 23 und 23A mit der Phasendifferenz von 90° erfolgt. Die Masseleiterplatte 13 wird aus einer Alumi­ niumplatte von 2 mm Dicke hergestellt, wie sie üblicherweise lieferbar ist. Eine Planarantenne wird damit durch Übereinan­ derschichten der Masseleiterplatte 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 Masseleiter­ platte 13 liegen.

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

In dem Strahlerelement können die Öffnung oder das Flächenele­ ment oder beide in verschiedenen Formen ausgebildet werden. Wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt, kann ein Flächenelement 35, das in einer rechteckigen Öffnung 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 eine Öffnung 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 der Öffnung 44 ausgebildet sind. Nach Fig. 8 weisen eine Öffnung 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 einer quadratischen Öffnung 74 vorgesehen sein, die ein fünfeckiges Flächenelement 75 aufweist, wobei eine Ecke auf die Mitte einer angrenzenden Seite der quadratischen Öffnung 74 gerichtet ist.

Für die Speisesystemanschlüsse 26 und 26a des Speisekreisschal­ tungsnetzwerkes 16 können andere Anordnungen als beschrieben verwendet werden, soweit die Ankopplung an die jeweiligen Paare von Strahlerelementen 23 und 23A 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 (4)

1. Planarantenne zum Empfang von kreispolarisierten 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 im Abstand voneinander in verschiedenen Ebenen unter Zwischenfügung einer Schicht dielektrischen Materials angeordnet sind, wobei das Strahlersystem gepaarte, reihenweise nebeneinander angeordnete Strahlerelemente aufweist, die jeweils durch eine Öffnung einer leitenden ebenen Fläche und ein darin liegendes Flächenelement gebildet und jeweils elektromagnetisch mit paarweise zusammengefaßten Speisesystemanschlüssen des Speisesystems gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Paar von Strahlerelementen (23, 23A) diese Strahlerelemente in ihrer Lage um 90° gegeneinander verdreht sind und eines (23A) der Strahlerelemente geringfügig größere Abmessungen als das andere (23) aufweist und daß die Strahlerelemente (23, 23A) jedes Paares über die Speisesystemanschlüsse (26, 26a) des Speisesystems (12) mit einer Phasendifferenz von 90°C gegeneinander gespeist sind.

2. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasjenige (23) der Strahlerelemente (23, 23A) jedes Paares, das auf der bezüglich der Drehrichtung der Polarisationsebene der zirkularpolarisierenden Wellen phasenverzögerten Seite liegt, kleiner ist als das andere Strahlerelement (23A).

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

4. Planarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisesystemanschlüsse (26, 26a) jeweils einen Abschnitt (27a, 27b), der sich auf der phasenverzögerten Seite von einem T-förmigen Zweigabschnitt (16, 16a) des Speisesystems (12) U-förmig fort erstreckt, und auf der anderen Seite einen sich von dem T-förmig Zweigabschnitt (16, 16a) L-förmig fort erstreckenden Abschnitt (28, 28a) aufweist.