DE3927141A1 - Kreispolarisations-antennensystem - Google Patents
Kreispolarisations-antennensystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreispolarisations-
Antennensystem, insbesondere ein Radar- und/oder Satel
litenkommunikationssystem.
Eine Antenne in einem Radar- und/oder Satellitenkommuni
kationssystem muß einen hohen Antennengewinn und gleich
zeitig kleine Abmessungen aufweisen, wenn der Raum für
die Unterbringung des Antennensystems beschränkt ist.
Die Fig. 11 bis 13 zeigen bekannte Kreispolarisations-An
tennensysteme, die in der Zeitschrift "IEEE transactions
on antennas and propagation", Vo. AP-32, No. 8, August
1984, Seiten 836 bis 840 dargestellt sind.
Nach Fig. 11 hat eine erste bekannte Antenne einen recht
eckigen Wellenleiter 1, dem eine elektromagnetische
Welle zugeführt wird, und mehrere Wendelantennenelemente
2, die am Wellenleiter 1 so angebracht sind, daß jedes
Wendelantennenelement elektromagnetisch mit dem Wellen
leiter gekoppelt ist. Dieser Aufbau wird auch als Wendel
reihenantenne bezeichnet.
Das zweite bekannte Antennensystem nach Fig. 12 ist
ein Kreispolarisations-Antennensystem mit mehreren paral
lenen Wendelreihenantennensystemen 3 nach Fig. 11. Jedem
Wendelantennensystem 3 wird eine elektromagnetische
Welle über ein Dämpfungsglied 4 und einen Phasenschie
ber 5 zugeführt.
Die dritte bekannte Antenne nach Fig. 13 ist eine Para
bolantenne mit einem Reflektor 6 und einem Hauptstrah
ler 7 im Brennpunkt des Reflektors 6.
Die bekannten Antennensysteme haben jedoch die folgenden
Nachteile:
Die erste bekannte Antenne nach Fig. 11 hat den Nach
teil, daß der Antennengewinn niedrig ist. Um einen höhe
ren Antennengewinn zu erzielen, müssen mehrere Wendel
antennensysteme gemäß Fig. 12 angeordnet werden. Die
Anordnung nach Fig. 12 hat jedoch den Nachteil, daß
sie große Abmessungen aufweist und das Sendeleistungs
zuführsystem mit Dämpfungsgleidern und Phasenschiebern
aufwendig ist.
Ferner hat die Antenne nach Fig. 13 den Nachteil, daß
sie einen großen Raumbedarf aufweist, weil der Haupt
strahler 7 vom Stahler 6 getrennt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreispola
risations-Antennensystem mit kleinen Abmessungen, hohem
Antennengewinn und einfacher Stromzuführung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 ange
geben.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angeführt.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste
hend anhand der Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei
spiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Kreis
polarisations-Antennensystem,
Fig. 2 den Querschnitt II-II nach Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Antennenele
ments nach Fig. 1,
Fig. 4 eine Abwandlung eines Antennenelements,
Fig. 5 eine weitere Abwandlung eines Antennenelements,
Fig. 6 einen Querschnitt der Fig. 5,
Fig. 7 eine weitere Abwandlung eines Antennenelements,
Fig. 8 einen Querschnitt der Fig. 7,
Fig. 9 eine weitere Abwandlung eines Antennenelements,
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Stromzuführeinrichtung,
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines bekannten
Kreispolarisations-Antennensystems,
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines weiteren
bekannten Kreispolarisations-Antennensystems
und
Fig. 13 eine Seitenansicht noch eines bekannten Kreis
polarisations-Antennensystems.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach den
Fig. 1 und 2 ist mit 10 eine erste elektrisch leitende
kreisförmige Scheibe und mit 11 eine zweite elektrisch
leitende kreisförmige Scheibe bezeichnet. Die Scheiben
10 und 11 sind parallel zueinander angeordnet, so daß
ihr Abstand kleiner als die Wellenlänge der von dem
Antennensystem abgestahlten elektromagnetischen Welle
ist. Mit 12 ist ein kreisförmiger elektrisch leitender
Ring bezeichnet, der den Umfangsteil der Scheiben 10
und 11 kurzschließt, so daß sich ein dünner zylindri
scher Antennenkörper aus den beiden Scheiben und dem
Ring ergibt. Der Radius der ersten Scheibe 10 ist gleich
dem der zweiten Scheibe 11 und des Rings 12.
In der Mitte der ersten Scheibe 10 ist ein Loch 13 für
eine mittlere Zuleitung ausgebildet. Die zweite Schei
be 11 hat mehrere Löcher 14 zur Aufnahme von Antennen
elementen 20. Der Boden eines elektrisch leitenden An
passungselements 15 in Form eines Konus ist in der Mitte
der zweiten Scheibe 11 befestigt, und die Spitze des
Anpassungselements 15 ist mit dem Ende einer mittleren
Zuleitung 17 eines Koaxialkabels 16 verbunden, das in
dem Loch 13 befestigt ist. Das Anpassungselement 15
hat einen kreisförmigen Querschnitt, und vorzugsweise
nimmt sein Radius oder Durchmesser zur zweiten Scheibe
11 hin allmählich zu. Der Äußere Leiter 18 des Koaxial
kabels 16 ist mit der ersten leitenden Platte 10 elek
trisch verbunden.
Fig. 3 stellt ein Wendelantennenelement 20 dar, das
einen Spulenteil 20 a und einen geradlinigen, sich in
der Achse des Wendelantennenelements 20 a am Ende des
Spulenteils 20 a erstreckenden Teil 21 aufweist.
In allen Löchern 14 der zweiten leitenden Scheibe 11
ist ein dielektrisches Element 22 angeordnet, wobei
das Antennenelement 20 mit dem zylindrischen Antennen
körper, der durch die beiden Scheiben 10 und 11 sowie
den leitenden Ring 12 gebildet wird, dadurch elektromag
netisch verbunden ist, daß der geradlinige Teil 21 durch
das dielektrische Element 22 hindurch in den zylindri
schen Antennenkörper eingeführt ist. Dabei wird das
Antennenelement 20 durch das dielektrische Element 22
gehalten.
Der Antennengewinn und der Frequenzbereich des Antennen
elements 20 können durch entsprechende Wahl des Wendel
neigungswinkels der Spule, der Umfangslänge C der Spule
und der Anzahl der Windungen der Spule festgelegt werden.
Bei dem einen Ausführungsbeispiel sind mehrere Antennen
elemente 20 in zum Mittelpunkt der Scheibe 11 konzentri
schen Kreisen und in der gleichen Ebene auf der zweiten
Scheibe 11 angeordnet. Mit anderen Worten, die Löcher 14
sind in konzentrischen Kreisen um den Mittelpunkt der
Scheibe 11 herum angeordnet. Alternativ können die Anten
nenelemente auf einer spiralförmigen oder einer recht
winkligen Kurve auf der Scheibe 11 statt auf konzentri
schen Kreisen angeordnet sein.
Vorzugsweise ist ein ringförmgier Wellenabsorbierer 23
an der Innenseite des leitenden Rings 12 zur Absorbierung
der elektromagnetischen Energie angeordnet. Die über
das Koaxialkabel 16 zugeführte elektromagnetische Energie
breitet sich in dem zylindrischen Antennenkörper von
der Mitte in radialer Richtung zwischen den leitenden
Scheiben 10 und 11 aus und erregt die Antennenelemente
20. Die elektromagnetische Energie wird vorzugsweise
vollständig in die Antennenelemente übertragen, ohne
den Umfangsring 12 zu erreichen. Wenn dennoch elektro
magnetische Energie oder Leistung den Ring 12 erreicht,
wird sie durch den Wellenabsorbierer 23 aufgenommen,
so daß keine elektromagnetische Wellen durch den Ring
12 reflektiert werden.
Wie bereits erwähnt, werden die elektromagnetischen
Wellen über mehrere Antennenelemente 20 abgestrahlt.
Der Antennengewinn der Antenne ist hoch, weil mehrere
Antennenelemente auf der Scheibe 11 angeordnet sind,
so daß die Öffnungsweite oder Halbwertsbreite des Strah
lungsbündels gering ist, und ferner ist der Betriebs
frequenzbereich dieses Antennensystems groß, weil der
Wanderwellenstrom (TEM-Modus) auf die Antennenelemente
verteilt wird. Ferner sei darauf hingewiesen, daß kein
Dämpfungsglied und kein Phasenschieber zur Stromversor
gung der Antenne erforderlich ist, so daß der Aufbau
dieser Antenne weiter vereinfacht ist.
Die Strahlungsphase jedes Antennenelements kann durch
Lageausrichtung des Anfangsteils der Wendel eingestellt
werden. Die Strahlungsleistung jedes Wendelantennen
elements hängt von dem Abstand des Wendelantennenelements
vom Mittelpunkt der Scheibe 11 ab.
Wenn die Radien der Scheiben 10 und 11 groß sind und
keine Strahlungsleistung den Randteil der Scheiben er
reicht, ist kein Wellenabsorber 23 erforderlich.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, bei der
ein dielektrisches Element 22 a, das in das Loch 14 zur
Befestigung des Antennenelements 20 eingesetzt ist,
einen Flansch 25 an seinem einen Ende aufweist. Dieser
Flansch 25 verhindert einen Kurzschluß der Wendel oder
Spule 20 a mit der Scheibe 11 und hält den Abstand T
zwischen dem Ende der Spule 20 a und der Scheibe 11 kon
stant. Wenn daher mehrere Antennenelemente auf der lei
tenden Scheibe 11 befestigt sind, lassen sich gleiche
elektrische Bedingungen für alle Antennenelemente er
zielen, indem mittels der Flansche 15 für gleiche Ab
stände T gesorgt wird.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Abwandlung des Anten
nenelements, bei dem eine Spiralantenne 30 als Antennen
element verwendet wird. Die Spiralantenne 30 hat eine
flache Spule. Eine Zuleitung 31, die senkrecht zur Ebene
der flachen Spule steht, ist mit der Mitte der flachen
Spule verbunden.
Die Stromzuführung zur flachen Spule 30 erfolgt über
ein koaxiales dielektrisches Element 32, das in dem
Loch 14 der leitenden Scheibe 11 angeordnet ist. Das
zylindrische dielektrische Element 32 hat einen einen
Mantel bildenden äußeren Leiter 33, und die Zuleitung
des flachen Antennenelements 30 ist durch die Mitte
des dielekrischen Elements 32 hindurchgeführt. Das ko
axiale dielektrische Element 32 und der äußere Leiter
33 sind länger als es der Dicke der leitenden Platte
11 entspricht, so daß sich ein Abstand H zwischen der
Ebene des flachen Antennenelements 30 und der leitenden
Platte 11 ergibt. Der äußere Leiter 33 verhindert eine
Streustrahlung aus dem koaxialen dielektrischen Element
32.
Die Umfangslänge C des Antennenelements 30 liegt zwi
schen dem Einfachen und dem Doppelten der Wellenlänge.
Der Abstand H der Ebene der flachen Antenne 30 von der
leitenden Scheibe 11 ist kleiner als die halbe Wellen
länge und vorzugsweise ein Viertel der Wellenlänge,
um das Strahlungsbündel zu formen.
Die Abwandlung nach den Fig. 5 und 6 hat den Vorteil,
daß die Höhe der gesamten Antenne gering ist, weil die
Antennenelemente flach sind. Der Betriebsfrequenzbereich
der Abwandlung nach den Fig. 5 und 6 ist groß, weil
das Zuführsignal ein Wanderwellensignal ist.
Die Fig. 7 und 8 stellen eine weitere Abwandlung des
erfindungsgemäßen Antennenelements dar. Die Besonderheit
dieser Abwandlung ist ein Antennenelement in Form einer
flachen Scheibe 40. Das flache Scheibenantennenelement
40 besteht aus einer kreisförmigen flachen Scheibe 41
mit zwei Ausschnitten 42 an den entgegengesetzten Enden
eines Durchmessers der Scheibe 41. Eine Zuleitung 43
ist senkreicht an der flachen Scheibe 41 angeschlossen.
Die Zuleitung 43 liegt auf einer radialen Linie 42 b
der Scheibe 41 mit einem Winkelabstand von 45° zu dem
Durchmesser 42 a zwischen den Mitten der Ausschnitte
42, und der Abstand d des Mittelpunkts der Scheibe 41
von der Anschlußstelle der Zuleitung 43 beträgt ein
Drittel des Radius der Scheibe 41. Das Antennenelement
40 ist an der leitenden Scheibe 11 durch die Zuleitung
43 befestigt, die in ein dielektrisches Element 44 im
Loch 14 der Scheibe 11 eingeführt ist. Der Abstand H
zwischen der flachen Scheibe 40 und der leitenden Scheibe
11 beträgt weniger als ein Zehntel der Wellenlänge.
Die Abwandlung nach den Fig. 7 und 8 hat den Vorteil,
daß der Aufbau eines Antennenelements einfach und die
Höhe der gesamten Antenne niedrig ist. Der Betriebsfre
quenzbereich ist jedoch etwas geringer als bei den vor
hergehenden Ausführungsbeispielen.
Die Besonderheit der Abwandlung nach Fig. 9 ist die
Verwendung eines flachen dielektrischen Substrats 50,
das parallel zur leitenden Scheibe 11 angeordnet ist.
Das gewünschte Antennenelementmuster ist auf dem Substrat
50 durch ein Dickschicht-Druckverfahren, Dünnschicht-
Druckverfahren oder Photolithographie-Ätzverfahren auf
gebracht. Das auf dem Substrat 50 aufgebrachte Antennen
elementmuster kann entweder ein flaches Spulenmuster,
wie es in Fig. 5 dargestellt ist, oder ein flaches Schei
benmuster nach Fig. 7 sein.
Das Antennenelementmuster 51 auf dem Substrat 50 ist
mit einer Zuleitung 52 verbunden, die senkrecht zum
Substrat 50 steht. Das Substrat 50 ist an der leitenden
Scheibe 11 mittels einer in ein dielektrisches Element
53 eingesetzten Zuleitung 52 befestigt, wobei das di
elektrische Element 53 in dem Loch 14 der leitenden
Scheibe 11 befestigt ist. Das dielektrische Element
53 ist länger als es der Dicke der leitenden Scheibe 11
entspricht, und die äußere Oberfläche des dielektrischen
Elements 53 ist von einem einen Mantel bildenden äußeren
Leiter 54 umgeben, so daß die innere Zuleitung 52, das
dielektrische Element 53 und der äußere Leiter 54 ein
Koaxialkabel bilden und keine elektromagnetischen Wellen
von der Zuleitung 52 abgestrahlt werden.
Die Abwandlung nach Fig. 9 hat den Vorteil, daß eine
einfache Serienherstellung des Antennensystems möglich
ist, weil der Aufbau der Antennenelemente einfach ist.
Das einzige Substrat wird für alle Antennenelemente
gemeinsam verwendet, die auf dem Substrat durch ein
Druckverfahren oder photolithographisches Ätzverfahren
aufgebraucht werden.
Die Besonderheit des Antennensystems nach Fig. 10 ist
eine Sonde 17 a, die eine Verlängerung des inneren Lei
ters 17 des Koaxialkabels 16 bildet. Die elektromagne
tische Energie wird über diese Sonde 17 a in den zylindri
schen Antennenkörper abgestrahlt, der durch die beiden
leitenden Scheiben 10 und 11 sowie den Ring 12 gebildet
ist. Die Sonde 17 a ersetzt das konusförmige Anpassungs
element nach Fig. 2. Dieses Ausführungsbeispiel hat
den Vorteil, daß die Anpassungsbedingung durch entspre
chende Wahl der Länge h der Sonde 17 a einstellbar ist.
Obwohl Fig. 10 eine Kombination des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 10 mit einer Sonde 17 a darstellt, ist es auch
möglich, die Sonde 17 a anstelle des Anpassungselements
15 bei den anderen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4
bis 9 zu verwenden.
Wenn das vorliegende Antennensystem als Satellitenfern
sehempfangsantenne verwendet wird, wird es mit einer
Wandlerschaltung zur Frequenzumwandlungssignalverstär
kung verbunden. Dieser Wandler kann an der Rückseite
der leitenden Scheibe 10 befestigt sein und wird mit
dem Antennensystem über das Koaxialkabel 16, ohne zu
sätzliches Koaxialkabel und ohne Koppelelement, elek
trisch verbunden. Alternativ kann der Wandler auf der
Rückseite der Scheibe 10 über einen Wellenleiter mit
dem Antennensystem verbunden sein.
Obwohl bei den dargestellten Ausführungsbeispielen die
leitenden Scheiben 10 und 11 kreisförmig und mithin
das Antennensystem kreisförmig ist, können die leitenden
Scheiben 10 und 11 auch eine rechteckige und/oder poly
gonale Form haben.
Claims (14)
1. Kreispolarisations-Antennensystem mit:
einer ersten flachen leitenden Scheibe,
einer zweiten flachen leitenden Scheibe, die paral lel zur ersten flachen leitenden Scheibe in einem Abstand zu dieser angeordnet ist, der kleiner als die Wellenlänge ist, und die mehrere kleine Löcher aufweist,
mehreren Antennenelementen, die jeweils an der zweiten flachen leitenden Scheibe zum Teil in dem Loch befestigt sind, so daß ein Ende jedes Antennen elements in einen Antennenkörper zwischen den leiten den Scheiben ragt, und
ein Zuleitungsmittel, das in der Mitte der ersten flachen leitenden Scheibe angeschlossen ist, um elek tromagnetische Energie in den Antennenkörper zwischen den beiden Scheiben abzustrahlen.
einer ersten flachen leitenden Scheibe,
einer zweiten flachen leitenden Scheibe, die paral lel zur ersten flachen leitenden Scheibe in einem Abstand zu dieser angeordnet ist, der kleiner als die Wellenlänge ist, und die mehrere kleine Löcher aufweist,
mehreren Antennenelementen, die jeweils an der zweiten flachen leitenden Scheibe zum Teil in dem Loch befestigt sind, so daß ein Ende jedes Antennen elements in einen Antennenkörper zwischen den leiten den Scheiben ragt, und
ein Zuleitungsmittel, das in der Mitte der ersten flachen leitenden Scheibe angeschlossen ist, um elek tromagnetische Energie in den Antennenkörper zwischen den beiden Scheiben abzustrahlen.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, mit einem leitenden
Ring, der Umfangsteile der ersten und zweiten Scheibe
kurzschließt.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, bei dem ein Absorber
an der Innenseite des leitenden Rings vorgesehen
ist, um elektromagnetische Energie um den leitenden
Ring herum zu absorbieren.
4. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem ein leitendes
Anpassungselement mit etwa konusförmigem Querschnitt
in der Mitte der zweiten leitenden Scheibe angeordnet
und ein spitzes Ende des Anpassungselements mit dem
Ende des inneren Leiters des Zuleitungsmittels verbun
den ist.
5. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem das Antennen
element eine Spule mit einer zur zweiten flachen
leitenden Scheibe senkrechten Achse ist.
6. Antennensysten nach Anspruch 1, bei dem das Antennen
element eine flache Spule ist, die in einer zur zwei
ten flachen leitenden Scheibe parallelen Ebene ange
ordnet ist.
7. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem das Antennen
element eine flache leitende Scheibe mit zwei sich
diametral gegenüberliegenden Ausschnitten im Rand
der Scheibe ist.
8. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem ein dielektri
sches Substrat parallel zur zweiten flachen leitenden
Scheibe zur Anbringung der Antennenelemente vorge
sehen ist.
9. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem ein dielektri
sches Element in dem Loch der zweiten flachen leit
tenden Scheibe vorgesehen ist und das Antennenelement
von dem dielektrischen Element gehalten wird.
10. Antennensystem nach Anspruch 9, bei dem das dielek
trische Element einen Flansch auf der zweiten fla
chen leitenden Scheibe aufweist.
11. Antennensystem nach Anspruch 9, bei dem die Länge
des dielektrischen Elements größer als die Dicke
der zweiten flachen leitenden Scheibe ist und das
dielektrische Element von einem äußeren Leiter um
geben ist.
12. Antennensystem nach Anspruch 1, bei dem eine Sonde
von dem Zuleitungsmittel aus in den Antennenkörper
zwischen den leitenden Scheiben ragt.
13. Antennensystem nach Anspruch 6, bei dem die Umfangs
länge der flachen Spule zwischen dem Einfachen und
Doppelten der Wellenlänge liegt und der Abstand
(H) der flachen Spule von der zweiten leitenden
Scheibe kleiner als die halbe Wellenlänge ist.
14. Antennensystem nach Anspruch 7, bei dem die Zuführung
der elektromagnetischen Energie zu der das Antennen
element bildenden flachen leitenden Scheibe an einer
Stelle erfolgt, die auf einer radialen Linie in
einem Winkelabstand von 45° von einer radialen Mit
tellinie der Ausschnitte liegt, und bei dem der
Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Scheibe und
der Zuführungsstelle etwa ein Drittel des Radius
des scheibenförmigen Antennenelements beträgt.
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