DE3917138A1 - Ebene antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ebene Antennen und insbesondere auf eine ebene Antenne mit zwei Speisekreisen zur Realisierung einer Speisung bezüglich zweier in verschie­ denen Richtungen polarisierter Wellen, wobei die Antenne eine verbesserte Charakteristik aufweist.

Die ebenen Antennen der erwähnten Art werden wirkungsvoll beim Empfang der polarisierten Wellen, die in einem SHF-Trägerbereich (Suprahohe Frequenz), im besonderen auf einem Band von 12 GHz oder mehr, von einem geostationären Rundfunksatelliten übertragen werden, der in eine Entfernung von 36 000 km von der Erde in den Weltraum gebracht worden ist.

Sicherlich werden Parabolantennen, die auf dem Dach oder an ähnlichen Stellen von Gebäuden errichtet sind, allgemein als die Antenne für den Empfang der elektrischen Wellen vom geo­ stationären Satelliten verwendet; die Parabolantennen weisen jedoch den Mangel auf, daß sie gegen starken Wind anfällig sind und aufgrund ihrer sperrigen dreidimensionalen Struktur leicht herunterfallen, so daß zusätzliche Einrichtungen zu ihrer stabilen Halterung angewendet werden müssen, und daß eine solche Halterungseinrichtung außerdem hohe Montagekosten und eine immer noch umständliche Installation erfordert.

Die JP-Offenlegungsschrift 99 803/1982 (die der US-PS 44 75 107 oder der DE-OS 31 49 00.2 entspricht), schlägt zur Beseitigung dieser Probleme der Parabolantennen eine ebene Antenne vor, die in ihrer Gesamtheit flach ausgestaltet ist, wodurch der Aufbau sehr vereinfacht werden kann und es mög­ lich wird, die Antenne direkt auf einer Außenwand oder an einer ähnlichen Stelle an den Gebäuden zu montieren, so daß sie kostengünstiger wird.

Außerdem sollte die ebene Antenne hohen Gewinn aufweisen, zu welchem Zwecke verschiedene Versuche unternommen worden sind, die Einfügungsverluste zu vermindern. So ist z.B. in der US-Patentanmeldung Nr. 15 009 von K. Tsukamoto et al. (der die GB-Patentanmeldung Nr. 87 03 640, die DE-Patentanmeldung P 37 06 051.1, oder die FR-Patentanmeldung Nr. 87 02 421 ent­ spricht) vor der vorliegenden Erfindung eine ebene Antenne offenbart, in der der Speisekreis und der Strahlerkreis nicht direkt miteinander verbunden, sondern zur Speisung des Strah­ lerkreises von dem Speisekreis aus elektromagnetisch gekop­ pelt sind, während die beiden Kreise sowie ein Masseleiter jeweils auf einzelnen Isolierplatten getragen werden, die mittels einer Abstands-Halteeinrichtung voneinander getrennt sind. Daher kann der Speisekreis auch in dem so gehaltenen Zwischenraum angeordnet werden, so daß die Verluste für die Verbesserung der Zusammenbaueigenschaften minimiert werden und die Einfügungsverluste effektiv gesenkt werden können.

Weiter wurde vor der vorliegenden Erfindung in der US-Patent­ anmeldung Nr. 88 265 von T. Abiko et al. (der die GB-Patent­ anmeldung Nr. 87 19 750, die DE-Patentanmeldung P 87 12 274, oder die FR-Patentanmeldung Nr. 87 12 274 entspricht) eine andere ebene Antenne vorgeschlagen, in der ein Strahlerkreis mit vielen Schlitzen versehen ist, in denen jeweils ein fleckförmiges Teil angeordnet ist, und ein solcher Strah­ lerkreis ist an den fleckförmigen Teilen in den Schlitzen elektromagnetisch an entgegengesetzte Speisungsanschlüsse eines Speisekreises gekoppelt, so daß die Verluste weiter vermindert werden, während die Zusammenbaueigenschaften zusätzlich verbessert werden.

Nach den vorstehenden zwei Anmeldungen zum Stand der Technik ist es möglich, die Einfügungsverluste zu verringern und die Zusammenbaueigenschaften zu verbessern, um die Serienpro­ duktion der Antenne sehr zu vereinfachen, aber es soll immer noch ein höherer Gewinn erreicht werden. Außerdem wird der Satellitenrundfunk sicherlich schon in der Praxis angewendet, wobei jedoch die zulässige Anzahl, in der geostationäre Sa­ telliten in eine Umlaufbahn gebracht werden können, eine Grenze darstellt; damit wird es erforderlich, Signale zu ver­ wenden, die dieselbe Frequenz haben, aber sich im Typ der po­ larisierten Welle unterscheiden, um die Signalausbeute mehr als jemals zuvor geschehen zu erhöhen. In diesem Fall ist es erforderlich, die ebene Antenne mit zwei Speisekreisen ver­ schiedenen Typs zu versehen, und B. Dietmer schlägt in der DE-Offenlegungsschrift Nr. 35 14 880 eine Anordnung zur Verbesserung der Ausbeute vor, bei der zwei Speisekreise bezüglich eines Strahlerkreises vorgesehen sind, aber diese Anordnung ist noch nicht in der Lage, gleichzeitig und ver­ lustarm linearpolarisierte Wellen im besonderen zu empfangen.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ebene Antenne bereitzustellen, die einen genügend hohen Gewinn der Antenne aufrechterhalten kann, wobei ihre Verluste minimiert werden, und die zwei verschieden gerichtete linear­ polarisierte Wellen gleichzeitig und extrem verlustarm emp­ fangen kann.

Nach der vorliegenden Erfindung kann diese Aufgabe durch eine ebene Antenne gelöst werden, bei der die jeweiligen Platten eines Masseleiters, eines ersten Speisekreises, eines ersten Strahlerkreises, eines zweiten Speisekreises und eines zwei­ ten Strahlerkreises sequentiell angeordnet sind, wobei sie in einem vorbestimmten Abstand voneinander unabhängig angeordnet sind; dabei sind die Platten der beiden Speisekreise mit Speisekreis-Leiterenden versehen, während die zwei Strahler­ kreis-Platten mit Strahlerelementen, die jeweils jedem der Speisekreis-Enden entsprechen, versehen sind, und die Speisekreis-Enden und die Strahlerelemente sind jeweils wechselseitig zum Empfang von polarisierten Wellen, die von einem Satelliten kommen, wobei ein SHF-Band verwendet wird, elektromagnetisch gekoppelt. Die Antenne ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlerelemente in der ersten Strahler­ kreis-Platte jeweils ein Paar schmaler oder flach-rechteckig gestalteter Schlitze aufweisen und daß die Strahlerelemente in der zweiten Strahlerkreisplatte jeweils einen Ringschlitz aufweisen, der dadurch gebildet wird, daß ein rechteckiges fleckförmiges Teil innerhalb einer quadratischen Öffnung in einer Leiterschicht angeordnet wird, wobei die Schlitze so angeordnet werden, daß sie sich unter den Ringschlitzen befinden.

Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindungen werden im folgenden mittels der Zeichnungen für ein Aus­ führungsbeispiel näher erläutert. Dabei ist

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbei­ spiels der in die sie jeweils ausmachenden Platten zerlegten Antenne nach der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil von ihnen entfernt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Antenne nach Fig. 1 in Vergrößerung,

Fig. 3 eine Teil-Schnittansicht der Antenne nach Fig. 1 in Vergrößerung,

Fig. 4 eine Teil-Draufsicht der Antenne nach Fig. 1, die die Beziehung zwischen einem der Leiterenden des Speisekreises in der ersten Speisekreis-Platte und einem Paar der Strahlerele­ mente in der ersten Strahlerkreis-Platte erläutert,

Fig. 5 eine Teil-Draufsicht der Antenne nach Fig. 1, die die Beziehung zwischen einem der Leiterenden des Speisekreises in der zweiten Speisekreis-Platte und einem der Strahlerelemente in der zweiten Strahlerkreis-Platte erläutert,

Fig. 6 eine Teil-Draufsicht der Antenne nach Fig. 1, die die Beziehung zwischen den Leiterenden des Speisekreises in den ersten und zweiten Speisekreis-Platten,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Gewinncharakteristik in einem Aspekt der ebenen Antenne nach Fig. 1 zeigt; und

Fig. 8 ein Diagramm, das die Gewinncharakteristik in einem anderen Aspekt der ebenen Antenne nach Fig. 1 zeigt.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte ebene Antenne 10 weist ganz allgemein eine Masseleiterplatte 11, eine erste Speisekreis-Platte 12, eine erste Strahlerkreis-Platte 13, sowie eine zweite Speisekreis-Platte 14 und eine zweite Strahlerkreis-Platte 15 auf, wobei diese Platten 11 bis 15 sequentiell gestapelt und in einem vorbestimmten Abstand unabhängig voneinander angeordnet sind. Die Masseleiterplatte 11 wird durch ein leitendes Element wie eines aus Aluminium, Kupfer, Silber, Astatin, Eisen, Gold oder ähnlichem ausgebil­ det. Die zwei Speisekreis-Platten 12 und 14 sind jeweils mit einem Speisungsnetzwerk 16 oder 17 aus dem gleichen leitenden Material wie die Masseleiterplatte 11, d.h. aus Aluminium, Kupfer, Silber, Astatin, Eisen, Gold oder ähnlichem ausgebil­ det und auf einer Platte aus Kunstharz, wie z.B. aus Poly­ äthylen, Polypropylen, Polyester, einer Akrylverbindung, Polycarbonat, ABS-Harz und PVC-Harz alleine oder in einer Mischung aus wenigstens zwei der genannten. Die zwei Strah­ lerkreise 13 und 15 sind jeweils ebenfalls dadurch ausgebil­ det, daß ein Strahlernetzwerk 18 oder 19 aus dem gleichen leitenden Material wie die Speisungsnetzwerke 16 und 17 auf einer Platte aus Kunstharz aus dem gleichen Material wie oben befestigt wird.

Die Speisenetzwerke 16 und 17 der Speisekreis-Platten 12 und 14 sind jeweils in einem Muster ausgebildet, das eine große Anzahl von Speisekreis-Leiterenden 16 a oder 17 a umfaßt, und diese Speisekreis-Leiterenden 16 a oder 17 a des Speisenetz­ werks 16 sind alle so angeordnet, daß sie, in Wellenempfangs­ richtung gesehen, d.h. in Draufsicht auf die Antenne, in einer Richtung rechtwinklig zu einer Richtung verlaufen, in der die Speisekreis-Leiterenden 17 a des Speisenetzwerks 17 verlaufen, so daß die beiden Netzwerke 16 und 17 zwei in ver­ schiedenen Richtungen linearpolarisierte Wellen empfangen können. Andererseits sind die Strahlernetzwerke 18 und 19 der Strahlerkreis-Platten 13 und 15 jeweils in einem Muster aus­ gebildet, das eine große Anzahl von Strahlerelementen 18 a oder 19 a umfaßt, in dem jedes Strahlerelement 18 a in dem Strahlernetzwerk 18, das die erste Strahlerkreis-Platte 13 bildet, in einem Paar von schlanken oder flach-rechteckig gestalteten Schlitzen 18 b ausgebildet ist, während jedes Strahlerelement 19 a in dem Strahlernetzwerk 19, das die zwei­ te Strahlerkreis-Platte 15 bildet, als ein Ringschlitz 19 b vorgesehen ist, der mit einer quadratischen Öffnung 19 c aus dem gleichen leitenden Material auf der Harzplatte und einem rechteckigen fleckförmigen Teil 19 d aus dem leitenden Mate­ rial, das innerhalb der Öffnung 19 c angeordnet ist, ausgebil­ det ist. Die Leiterenden 16 a des Speisekreises in der ersten Speisekreis-Platte 12 und die Strahlerelemente 18 a der ersten Strahlerkreis-Platte 13 sind jeweils als in der Draufsicht zueinander fluchtend in Abstand und elekromagnetisch mitei­ nander gekoppelt angeordnet (vgl. auch Fig. 4), und eine erste Antenne ist dadurch ausgebildet. Gleichzeitig sind die Leiterenden 17 a der zweiten Speisekreis-Platte 14 und die Strahlerelemente 19 a der zweiten Strahlerkreis-Platte 15 zueinander fluchtend ausgerichtet in Abstand und elektromag­ netisch miteinander gekoppelt angeordnet (vgl. auch Fig. 5), und eine zweite Antenne ist dadurch ausgebildet. Wie unter Bezug auf Fig. 6 in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 noch deutlich wird, sind die Schlitze 18 b fluchtend mit den Ring­ schlitzen 19 b und in Draufsicht unter ihnen angeordnet, so daß die zwei in Draufsicht zueinander fluchtend ausgerich­ teten Antennen zulassen, daß sich zwei in verschiedenen Rich­ tungen linearpolarisierte Wellen rechtwinklig schneiden (z.B. horizontal und vertikal linearpolarisierte Wellen), so daß sie ohne wechselseitige Interferenzen gleichmäßig emp­ fangen werden können.

Beim Stapeln der jeweiligen Leiter- und Kreis-Platten 11 bis 15 werden sie vorzugsweise mit einem Abstandshalter aus ge­ schäumtem Kunstharz zwischen den jeweiligen Platten zusam­ mengebaut. Für die erste Strahlerkreis-Platte 13 läßt sich z.B. eine Metallplatte, bei der die radialen Schlitze durch Stanzen gebildet werden, verwenden statt der oben genannten Schaltplatte des Strahlernetzwerks aus dem leitenden Mate­ rial, das auf der Kunstharz-Platte angebracht ist, und wenn eine solche Metallplatte als die erste Strahlerkreis-Platte 13 verwendet wird, dann wirkt die spezielle Platte 13 als ein Masseleiter bezüglich der zweiten Strahlerkreis-Platte 14.

Die Strahlerelemente 18 a der ersten Strahlerkreis-Platte 13 werden noch praktischer jeweils mit einem Paar Schlitze 18 b als einem Element ausgebildet, von denen jeder 15 mm lang und 3 mm breit ist, und wobei das Paar im Abstand von 15 mm ange­ ordnet ist, und die erste Strahlerkreis-Platte 13 wird durch die Anordnung von 256 solcher Strahlerelemente 18 a in Gestalt einer Matrix hergestellt. Hier hat sich herausgestellt, daß die Kreuzpolarisationscharakteristik dadurch verbessert wer­ den kann, daß die Länge der gepaarten Schlitze 18 b, die das Strahlerelement 18 a bilden, im wesentlichen auf λ g/2 einge­ stellt wird. Außerdem sind die Strahlerelemente 19 a der zwei­ ten Strahlerkreis-Platte 15 jeweils mit der quadratischen Öffnung 19 c mit einer Seitenlänge von 15 mm und dem fleckför­ migen Teil 19 d mit Rechtecksmaßen von 10 × 4 mm als einem Element ausgeformt, und die zweite Strahlerkreis-Platte 15 wird durch die Anordnung von 256 solcher Strahlerelemente 19 a in Gestalt einer Matrix hergestellt.

Außerdem können die zwei Speisekreis-Platten 12 und 14 sowie die zwei Strahlerkreis-Platten 13 und 15 mittels eines Ätz­ verfahrens ausgebildet werden, so daß sie ein vorbestimmtes Schaltmuster auf einem gedruckten Substrat aus beispielsweise einem Polyesterfilm mit einer auflaminierten Kupferfolie bilden, und diese Schaltplatten 12 bis 15 werden sequentiell auf der Masseleiterplatte 11, die z.B aus einer 2 mm dicken Aluminiumplatte mit einer 2 mm dicken Platte aus geschäumtem Styrol, die als der Abstandshalter zwischen den jeweiligen Platten liegt, gestapelt.

Es hat sich bezüglich der oben beschriebenen ebenen Antenne nach der vorliegenden Erfindung herausgestellt, daß sich, wenn die polarisierten Wellen eine Frequenz von 11,7 bis 12,5 GHz haben, ein Gewinn von 32,5 dBi bezüglich der horizontalen linearpolarisierten Wellen, die von der ersten Antenne der ersten Speisekreis-Platte 12 und der ersten Strahlerkreis- Platte 13 empfangen werden, ein Gewinn von 32 dBi bezüglich der vertikalen linearpolarisierten Wellen, die über die zwei­ te Antenne der zweiten Speisekreis-Platte 14 und der zweiten Strahlerkreis-Platte 15 empfangen werden, und eine Kreuzpola­ risationscharakteristik von mehr als 30 dB für die nach bei­ den Typen polarisierten Wellen ergeben. Außerdem wurde eine im wesentlichen gleiche Charakteristik wie oben unter der gleichen Frequenzbedingung sogar dann erreicht, wenn der Ab­ standshalter aus der Platte aus geschäumtem Styrol zwischen den jeweiligen Platten 11 bis 15 durch einen Montagerahmen, der nur in Eingriff mit Umfangskanten der jeweiligen Platten 11 bis 15 vorgesehen war, so daß nur Luft zwischen die we­ sentlichen Teile der Plattenkörper gelassen wurde, oder durch einen wabenartig gestalteten Abstandshalter aus geschäumtem Styrol zwischen den jeweiligen Platten (vgl. Fig. 1) ersetzt wurde. Der Gewinn bezüglich der horizontalen linearpolari­ sierten Wellen konnte um 0,2 dB verbessert werden, indem jede Seitenlänge der quadratischen Öffnung 19 c des Strahlerele­ ments 19 a in der zweiten Strahlerplatte 15 auf 18 mm verän­ dert wurde. Als die Größe des rechteckigen fleckförmigen Elements 19 d auf 10 × 0,2 mm verändert wurde, wurde die Kreuzpolarisationscharakteristik um 2 dB verbessert.

Außerdem ist es bei der oben beschriebenen Struktur in der Praxis vorzuziehen, daß sich das erste Speisenetzwerk 16 auf der oberen Fläche der ersten Speisekreis-Platte 12, das erste Strahlernetzwerk 18 auf der unteren Fläche der ersten Strah­ lerkreis-Platte 13, das zweite Speisenetzwerk 17 auf der oberen Fläche der zweiten Speisekreis-Platte 14 und das zwei­ te Strahlernetzwerk 19 auf der unteren Fläche der zweiten Strahlerkreis-Platte 15 befindet, so daß die Netzwerke 16 und 18 in der ersten Antenne und die Netzwerke 17 und 19 in der zweiten Antenne sich direkt gegenüberliegen. Bei dieser Struktur werden sich der Gewinn der ersten Antenne, nämlich am Bodenteil der gesamten ebenen Antenne, und der Gewinn der zweiten Antenne am oberen Teil verhalten, wie es in den Kur­ ven B 1 und T 1 in Fig. 7 jeweils gezeigt ist; und die Gewinne sind im allgemeinen zufriedenstellend. Soll der Gewinn an der zweiten Antenne weiter verbessert werden, so bringt, wie sich herausgestellt hat, ein Ersetzen der ersten Strahlerkreis- Platte 13 des gedruckten Substrats mit dem geätzten Schaltmu­ ster durch die Aluminiumplatte mit vielen gestanzten radialen Schlitzen den Gewinn des Bodenteils B 2 nahe an den Gewinn des Oberteils T 2 heran, wie das in Fig. 8 gezeigt ist, also im wesentlichen auf das gleiche Niveau.

Claims (5)

1. Ebene Antenne, in der jeweils eine Masseleiterplatte, eine erste Speisekreis-Platte, eine erste Strahlerkreis-Plat­ te, eine zweite Speisekreis-Platte und eine zweite Strahler­ kreis-Platte sequentiell mit einem vorbestimmten Zwischenraum angeordnet sind, so daß sie voneinander unabhängig sind, wobei die erste und die zweite Speisekreis-Platte mit Speise­ kreis-Leiterenden versehen sind, während die erste und die zweite Strahlerkreis-Platte mit Strahlerelementen versehen sind, die jeweils jedem der Speisekreis-Leiterenden entspre­ chen, und wobei die Speisekreis-Leiterenden und die Strahler­ elemente zum Empfang von polarisierten Wellen, die von einem Satelliten im SHF-Band zurückgesendet werden, wechselseitig elektromagnetisch gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlerelemente in der ersten Strahlerkreis-Platte jeweils ein Paar Schlitze aufweisen,
daß die Strahlerelemente in der zweiten Strahlerkreis-Platte jeweils einen Ringschlitz aufweisen, der durch die Anordnung eines rechteckigen fleckförmigen Elements innerhalb einer quadratischen Öffnung, die in der Leiterschicht eingebracht ist, ausgebildet ist, und
daß die Schlitze so angeordnet sind, daß sie sich unter den ring­ förmigen Schlitzen befinden.

2. Ebene Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strahlerkreis-Platte aus einer Metallplatte gebildet ist.

3. Ebene Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Speisekreis-Platte und die erste Strahlerkreis- Platte eine erste Antenne bilden, während die zweite Speise­ kreis-Platte und die zweite Strahlerkreis-Platte eine zweite Antenne bilden, wobei die erste und die zweite Antenne je­ weils zum Empfang einer von zwei in verschiedenen Richtungen linearpolarisierten Wellen, die sich rechtwinklig schneiden, ausgebildet sind.

4. Ebene Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze, die die Strahlerelemente der ersten Strah­ lerkreis-Platte bilden, und die Ringschlitze, die die Strah­ lerelemente der zweiten Strahlerkreis-Platte bilden, im we­ sentlichen fluchtend miteinander in einer Richtung ausgerich­ tet sind, in der polarisierte Wellen empfangen werden, und daß die Schlitze unter den Ringschlitzen angeordnet sind.

5. Ebene Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der Strahlerkreis-Platte auf eine Länge von im wesentlichen λ g/2 eingestellt sind.