DE3885727T2

DE3885727T2 - Mikrowellen-Streifenleiterantenne.

Info

Publication number: DE3885727T2
Application number: DE3885727T
Authority: DE
Inventors: Peter John Gibson
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: GB8729876D0; JPH01196902A; DE3885727D1; US4873529A; GB2213996A; EP0323664A3; EP0323664B1; EP0323664A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellen-Streifenleiterantenne mit einer bedeckenden Schicht aus dielektrischem Material, mit einem Fleck (Engl.: "Patch") aus leitendem Material auf einer Hauptfläche der Schicht aus dielektrischem Material, mit einer Basisplatte aus leitendem Material auf der genannten Hauptfläche der dielektrischen Schicht, wobei diese Basisplatte den Fleck aus leitendem Material im wesentlichen umgibt und in einem Abstand davon liegt, und mit Mitteln zum Zuführen elektrischer Signale zu der Antenne. Eine Ausführungsform einer Streifenleiterantenne der eingangs beschriebenen Art ist beschrieben in einem Artikel: "Coplanar Stripline Antenna" von John W. Greiser in "Microwave Journal", Oktober 1976, Seiten 47 bis 49, sowie in dem US Patent Nr. 4.063.246. In dem Artikel ist der leitende Fleck unmittelbar mit dem Streifenleiter eines in der Basisplatte auf der erstgenannten Hauptfläche der dielektrischen Schicht gebildeten koplanaren Streifenleiters verbunden, während eine weitere Basisplatte auf der anderen Hauptfläche vorgesehen ist, wobei die dielektrische Schicht relativ dünn ist, so daß die weitere Basisplatte sich in dem Randgebiet zwischen dem Streifenleiter und der erstgenannten Basisplatte befindet.
Diese Vorrichtung weist einen unbequem hohen Speisepunktwiderstand von etwa 400 Ohm auf.
Die Erfindung hat nun u.a. zur Aufgabe, eine verbesserte Mikrowellen- Streifenleiterantenne mit einem Speisepunktwiderstand zu schaffen, der viel näher bei der typischen Systemimpedanz von 50 Ohm liegt.
Nach der Erfindung wird eine Mikrowellen-Streifenleiterantenne mit einer bedeckenden Schicht aus einem dielektrischen Material, einem Fleck aus leitendem Material auf einer Hauptfläche der Schicht aus dielektrischem Material, einer Basisplatte aus leitendem Material auf der genannten Hauptfläche der Schicht aus dielektrischem Material, wobei diese Basisplatte den Fleck aus leitendem Material im wesentlichen umgibt und in einem Abstand davon liegt, mit dem Kennzeichen, daß die Mittel zum Zuführen elektrischer Signale zu der Antenne eine in der genannten Basisplatte aus leitendem Material gebildete Schlitzleitung mit einer Öffnung in den Raum zwischen der Basisplatte und dem Fleck aus leitendem Material hinein aufweisen.
Der durch den Raum zwischen der Basisplatte und dem Fleck aus leitendem Material gebildete Umfang kann eine Länge haben entsprechend einer ungeraden Anzahl Wellenlängen mit der Arbeitsfrequenz zum Bilden einer Resonanzanordnung. Der Fleck aus leitendem Material kann rund, rechteckig oder quadratisch sein, und es kann eine weitere Schlitzleitung in der Basisplatte gebildet werden, die eine Öffnung in den Raum zwischen der Basisplatte und dem Fleck aus leitendem Material hinein aufweist an einer Stelle in einem Abstand von dem Umfang des Flecks von der Öffnung für die erstgenannte Schlitzleitung, beispielsweise entsprechend einem Vielfachen oder einer ungeraden Anzahl Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge mit der Arbeitsfrequenz.
Eine Anordnung mit zwei Speiseleitungen, die auf effektive Weise dadurch gegenüber einander isoliert sind, daß sie mit einer Differenz entsprechend einer Viertelwellenlängenstrecke um eine Resonanzschleife herum vorgesehen sind, kann auf jede der nachfolgenden Weisen verwendet werden, u.a. zum Trennen einer Sende- und einer Empfangsbetriebsart, beispielsweise bei Radar, für Polarisationsdiversity, weil die Speiseleitungen Sendung und Empfang mit senkrecht aufeinander stehenden Polarisationen schaffen können, oder zum Erzeugen kreisförmiger Polarisation unter Verwendung einer geeigneten Phasenverzögerung in einer Speiseleitung. Im allgemeinen würde eine quadratische Streifenleiterantenne verwendet werden, aber eine kreisförmige Antenne hat Vorteile beispielsweise für kreisförmige Polarisation.
Eine koplanare Mikrowellenantenne nach der Erfindung bietet den Vorteil, daß die Speisepunktimpednz der Reihenschlitzleitungsspeiseleitung relativ nahe bei der typischen Systemimpedanz von 50 Ohm liegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer koplanaren Mikrowellenantenne nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil der Antenne nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine Abwandlung der Antenne nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt auf schematische Weise eine koplanare Mikrowellenantenne nach der Erfindung und Fig: 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Fig. 1. Die Antenne wird auf einer bedeckenden Schicht 1 aus einem geeigneten dielektrischen Material mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten, wie DUROID 6010, gebildet, die einen Träger für eine gedruckte Schaltung aufweisen kann, und hat einen Fleck 2 aus elektrisch leitendem Material und eine Basisplatte 3, ebenfalls aus leitendem Material, welche den Fleck 2 im wesentlichen umgibt und mit einem umlaufenden Spalt 4 in einem Abstand davon liegt. Der Fleck 2 und die Basisplatte 3 liegen auf der dielektrischen Schicht 1 und das Gebilde kann mit Hilfe eines Verfahrens zur Herstellung einer gedruckten Schaltung aus einer Printplatte hergestellt werden. Die dielektrische Trägerplatte kann aber auch Aluminium sein auf der eine Metallschicht durch Aufdampfen aufgetragen ist.
Soweit entspricht die koplanare Streifenleiterantenne der Antenne aus dem US Patent Nr. 4.063.246, obschon die darin beschriebene Antenne über eine koplanare Streifenleitung mit einer in sehr geringem Abstand liegenden Trägerplatte im Randbereich der Streifenleitung gespeist wird, und daß die Anordnung einen hohen Speisepunktwiderstand von etwa 500 Ohm hat, was zum Zusammenarbeiten mit typischen Systemelementen, die eine Impedanz in der größenordnung von 50 Ohm haben, unbequem ist.
Diese Schwierigkeit wird in einer erfindungsgemäßen koplanaren Streifenleiterantenne dadurch verringert, daß elektrische Signale zu der Antenne mittels einer Schlitzleitung 5 zugeführt werden, wobei diese Leitung als Spalt in der Basisplatte 3 gebildet ist, die an einer Stelle A in einen Umfangsraum 4 zwischen der Basisplatte 3 und dem Fleck 2 mündet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Umfang des Flecks 2 durch einen Raum 4 zwischen der Basisplatte 3 und dem Fleck 2 gebildet, hat eine Länge von nahezu einer Wellenlänge mit der Arbeitsfrequenz der Antenne, wodurch der Umfangsteil der durch den Spalt 4 gebildeten Schlitzleitung in den Resonanzring gebildet wird.
Der Fleck 2 und folglich die durch den Raum 4 gebildete entsprechende Umfangsschlitzleitung kann kreisförmig oder rechteckig sein. In dem vorliegenden Beispiel ist der Fleck 2 quadratisch.
HF-Signale mit der Arbeitsfrequenz, die dem Ende der Schlitzleitung 5 am Port 6 zugeführt werden, und zwar auf geeignete Weise über einen Mikrostreifen zu der Schlitzleitungskopplung, werden am Knotenpunkt A mit dem Umfangsraum 4 in zwei gleiche aber gegenphasige Komponenten verteilt, die im Uhrzeigersinn bzw. im Urzeigergegensinn um den Resonanzschlitzleitungsring laufen. An der diametral gegenüberliegenden Stelle B an dem Schlitzleitungsring treffen sich diese gegenphasigen Signalkomponenten und erzeugen durch Interferenz einen virtuellen Kurzschluß am Resonanzschlitzleitungsteil bei Punkt B. Dieser Reflexionsprozeß bildet eine derartige stehende Welle um den Umfang des Flecks 2, daß das elektrische Feld von den jeweiligen Gebieten des Ringes Strahlungsfelder erzeugen, die sich konstruktiv in die Ebene senkrecht zu der Ebene der Antenne addieren und die Schlitzleitung 5 halbieren. Im Falle eines quadratischen Flecks, wie in Fig. 1 dargestellt, addieren sich die aus den horizontalen oberen und unteren Schenkel des Schlitzleitungsringes, d.h. durch die Punkte C und D, herrührenden Felder konstruktiv längs der Senkrechten auf der Mitteffinie des Flecks, während die Felder aus den beiden vertikalen Schenkeln durch die Punkte A und B einander aufheben. Das elektromagnetische Feld, das durch Speisung des Portes 6 ausgestrahlt wird, wird den elektrischen Vektor vertikal haben, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Speisepunktwiderstand einer koplanaren Streifenleiterantenne nach der Erfindung und wie in Fig. 1 dargestellt, beträgt etwa 50 Ohm.
Die Antenne nach Fig. 1 ist außerdem mit einer weiteren Schlitzleitung 7 versehen, die ebenfalls gebildet als Schlitz in der Basisplatte 3, und am Punkt C in den Umfangsraum 4 zwischen der Basisplatte 3 und den Fleck 2 mündet. Der Punkt C liegt in einem Abstand von einem Vierten des Umfangs längs des Schlitzleitungsrings von dem Punkt A an der Öffnungsverbindung der ersten Schlitzleitung 5. Auf diese Weise sind die beiden Schlitzleitungsspeiseleitungen 5 und 7 orthogonal und haben einen hohen Isolationsgrad gegenüber einander, was herrührt aus der symmetrischen Gestaltung des elektrischen Feldes und des örtlichen Nullstroms der von einer Speiseleitung erzeugten stehenden Welle an dem Speisepunkt der anderen Speiseleitung.
Wie obenstehend angegeben, verursacht an dem Port 6 zu der Schlitzleitung 5 zugeführte Erregung eine auszustrahlende vertikal polarisierte elektromagnetische Welle, und durch das Reziprozitätsprinzip, wird eine von der Antenne empfangene vertikal polarisierte elektromagnetische Welle ein Signal am Port 6 herbeiführen. Wenn aber über ein zweites Port 8 der Schlitzleitung 7 Erregung zugeführt oder ein Signal detektiert wird, wird eine horizontal polarisierte elektromagnetische Welle gesendet bzw. empfangen.
Der hohe Isolationsgrad zwischen den beiden Speiseleitungen über die Porte 6 und 8 kann nützlich sein zum Trennen der Sende- und Empfangsfunktionen beispielsweise für Radar, oder kann zur Polarisationsdiversitykommunikation benutzt werden. Die Antenne kann ebenfalls eingerichtet sein zum Senden oder Empfangen von Kreispolarisation durch Einführung einer 90-Grad-Phasenverschiebung in die Speiseleitung zu einem der Porte 6 und 8. In diesem Fall kann eine kreisförmige Ausführungsform des Flecks 2 vorteilhaft sein.
Es sei bemerkt, daß auch eine Resonanzringkonfiguration vorgesehen werden kann, wenn der durch den Raum 4 gebildete Umfang ein ungerades Vielfaches nur einer Wellenlänge mit der Arbeitsfrequenz ist und Speiseleitungsisolation kann in der Vorrichtung dadurch beibehalten werden, daß zwei Speisepunkte 6 und 8 benutzt werden, wenn die Stellen, an denen die entsprechenden Schlitzleitungsspeiseleitungen 5 und 7 in den Umfangsraum 4 münden, durch eine ungerade Anzahl Viertelwellenlängen voneinander getrennt sind.
Die in Fig. 1 dargestellte Antenne hat einigermaßen eine Asymmetrie durch das Vorhandensein der Schlitzleitungsspeiseleitungen 5 und 7. Eine optimale Kopplung kann deswegen erfordern, daß die Abmessungen der Antenne einigermaßen verringert werden, so daß der Umfang kleiner ist als eine Wellenlänge. Dies sorgt dafür, daß die mechanischen und die elektrischen Symmetrielinien voneinander abweichen und unbequem werden.
Diese Problem läßt sich durch die in Fig. 3 dargestellte schematische Anordnung lösen, wobei zwei weitere Schlitzleitungsspeiseleitungen 9 und 10 als weitere Schlitze derart in der Basisplatte 3 vorgesehen sind, daß sie an entsprechenden Stellen B und D in den Umfangsraum 4 zwischen der Basisplatte 3 und dem Fleck 2 münden. Der Punkt B liegt in einem Abstand von einem Viertel des Umfangs längs des Schlitzleitungsrings von dem Punkt C, und der Punkt D liegt in demselben Abstand von dem Punkt B und dem Punkt A. Die Enden der Speiseleitungen 9 und 10 bilden weitere betreffende Porte 11 bzw. 12. Zum Wiederherstellen der elektrischen Symmetrie läßt sich eines von zwei Verfahren anwenden. In Fig. 3 wird jedes der weiteren Porte 11 und 12 durch einen Belastungswiderstand 13 bzw. 14 abgeschlossen, welche die Impedanz der Schitzleitungen 9 und 10 anpassen.
Eine andere Methode ist, Paare einander gegenüberliegender Porte, d.h. 6 und 11 oder 8 und 12, über je ein 180-Grad-Hybrid, zu speisen.

Claims

1. Mikrowellen-Streifenleiterantenne mit einer bedeckenden Schicht aus dielektrischem Material (1), mit einem Fleck (2) aus leitendem Material auf einer Hauptfläche der Schicht aus dielektrischem Material, mit einer Basisplatte (3) aus leitendem Material auf der genannten Hauptfläche der dielektrischen Schicht, wobei diese Basisplatte den Fleck aus leitendem Material im wesentlichen umgibt und in einem Abstand davon liegt, und mit Mitteln (6) zum Zuführen elektrischer Signale zu der Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuführen elektrischer Signale zu der Antenne eine in der genannten Basisplatte aus leitendem Material gebildete Schlitzleitung (5) mit einer Öffnung in den Raum (4) zwischen der Basisplatte (3) und dem Fleck aus leitendem Material (2) hinein aufweisen.

2. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Raum (4) zwischen der Basisplatte (3) und dem Fleck aus leitendem Material (2) gebildete Umfang eine Länge hat entsprechend einer ungeraden Anzahl Wellenlängen mit der Arbeitsfrequenz zum Bilden einer Resonanzanordnung.

3. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Raum (4) zwischen der Basisplatte (3) und dem Fleck aus leitendem Material (2) gebildete Umfang im wesentlichen einer ungeraden Vielfachen einer Wellenlänge mit der Arbeitsfrequenz entspricht zum Bilden einer Resonanzanordnung.

4. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fleck (2) aus leitendem Material rechteckig ist.

5. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fleck (2) aus leitendem Material quadratisch ist.

6. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer zweiten Schlitzleitung (7) in der Basisplatte 3 versehen ist, wobei diese zweite Schlitzleitung (7) in den Raum zwischen der Basisplatte und dem Fleck aus leitendem Material an der Stelle einer ungeraden Anzahl Viertelwellenlängen um den Umfang des Flecks aus leitendem Material von der Öffnung für die erstgenannte Schlitzleitung mündet.

7. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Schlitzleitung (9,10) in der genannten Basisplatte (3), wobei diese dritte und vierte Schlitzleitung (9,10) in den Raum (4) zwischen der Basisplatte (3) und dem Fleck (2) in einem Abstand von einem Viertel des Umfangs des genannten Raumes (4) von der Öffnung der zweit- und erstgenannten Schlitzleitung (7 bzw. 5) münden, und durch Belastungswiderstände (11,12) mit einem Wert, der die Impedanz der die Porte (11, 12) der genannten Schlitzleitungen (9, 10) abschließenden dritten und vierten Schlitzleitung (9 bzw 10) anpassen.

8. Mikrowellen-Streifenleiterantenne nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Schlitzleitung (9, 10) in der genannten Basisplatte (3), wobei diese dritte und vierte Schlitzleitung (9, 10) in den Raum (4) zwischen der Basisplatte (3) und dem Fleck (2) in einem Abstand von einem Viertel des Umfangs des genannten Raumes (4) von der Öffnung der zweit- und erstgenannten Schlitzleitung (7, 5) münden, und durch ein erstes und zweites 180-Grad-Hybrid, das zwischen den Porten (6,11 und 8,14) der ersten und dritten Schlitzleitungen (5, 9) bzw. den zweiten und vierten Schlitzleitungen (7, 10) vorgesehen sind.