DE3941125A1 - Zweiseitige planare breitband-antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zweiseitige planare Breitband- Antenne, im weiteren DSNA (Double-Sided Notch-Antenna) ge­ nannt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. in Flugkörpern und Lenkgeschossen eingesetzt und kommt daher beispiels­ weise im Bereich der strategischen Munition zur Anwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art auszubilden, die ein geringes Bauvolumen aufweist, breitbandig ist, durch einen großen Gewinn charakterisiert ist und dessen H- und E-Ebene annä­ hernd gleich sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sowie ihre ent­ sprechenden Weiterbildungen sollen dabei zusätzlich leicht herstellbar, preiswert und materialsparend ausfallen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte An­ wendungen der Erfindung aufgeführt.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß eine Streifenleitung, auch Stripline genannt, zwischen zwei symmetrisch aufgebauten planaren Breitband-Antennen, auch Tapered-Slot-Antenna genannt, ausgebildet ist. Der Schlitz dieser planaren Breitband-Antennen weist hierbei einen gekrümmten Verlauf auf und ist vorzugsweise nicht vollständig von Metall berandet.

Mittels der vorliegenden Anordnung ist eine preiswerte planare Antenne mit großem Gewinn und einer Breitbandig­ keit über mehr als zwei Oktaven ralisiert, die ein gerin­ ges Bauvolumen aufweist, keine Abstrahlung über die entsprechenden Speiseleitungen - auch Triplate genannt - hervorruft, phasengleich ansteuerbar ist und die Aufgabenstellung in vollem Umfang erfüllt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Anordnung;

Fig. 2 die H- bzw. E-Ebene der Anordnung nach Fig. 1, ein­ gezeichnet in ein polares Koordinatensystem.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 1 besteht aus zwei miteinander beliebig verbundenen kaschierten Platten 71 und 72. Zwischen diesen Platten ist in etwa mittig eine vorzugsweise parallel zu einer der Längskanten verlaufende Streifenleitung 77 ausgebildet. Ihre Länge und Breite sind vorzugsweise so gewählt, daß sie eine Schlitzbreite 31 in­ nerhalb der Schlitzleitung aufweisen.

Der Schlitz 7 der Schlitzleitung auf der Vorderseite der DSNA ist vorteilhafterweise symmetrisch zum vorzugsweise gleichgestalten Schlitz 7 auf der Antennenrückseite ausge­ bildet. Die breitere Seite des Schlitzes 7 ist vorteilhaf­ terweise orthogonal zur Streifenleitung 778 ausgebildet. Er ist aus der Metallisierung der zugehörigen Me­ tallkaschierung z. B. herausgeätzt und seine Berandungen weisen auf einer Länge 333 vorzugsweise einen spiegelsym­ metrischen exponentiellen Verlauf (bzw. parabelförmigen Verlauf) auf, der in einen parallelen Verlauf übergeht. Dieser parallele Verlauf ist parallel zur breiten Kante ausgebildet und ist Bestandteil des Schlitzes 7. Eine breite Kante ist vorzugsweise orthogonal zur Längskante ausgebildet. Dieser parallele Verlauf endet in etwa kurz hinter der Mitte der breiten Kante. An der Längskante weist die oben beschriebene metallfreie Struktur (in Schlitz 7 übergehende, exponentiell verlaufende Struktur) eine Ausdehnung 32 auf.

Die Gesamtlänge 33 der Längskante ist 2 λ₀, wobei λ₀ die durchschnittliche Freiraumwellenlänge ist. Die weiteren Abmessungen dieser Geometrie sind:

31 gleich in etwa 0,24 λ₀,
32 gleich in etwa λ₀,
333 gleich in etwa λ₀,
303 gleich in etwa 0,13 λ₀,

bei einer Dielektrizitätskonstante von ε_r vorzugsweise 2,33.

Die Streifenleitung 77 weist je nach Größenverhältnis vor­ zugsweise in etwa eine Impedanz Z₀ von ca. 50 Ω auf.

Die Funktionsweise dieser Antenne ist folgende: Auf den jeweiligen äußeren Seiten befindet sich die aus der Kaschierung herausgeätzte "Tapered-Slot-Antenna", die an ihrem schmaleren Ende in eine hochohmige (ZL_s ≈ 320 Ω) Schlitzleitung übergeht.

Wird dieser Schlitz 7 erregt, so läuft eine elektromagne­ tische Welle über sie in den sich immer mehr erweiternden Schlitz 7 und wird schließlich abgestrahlt (Travelling Wave Antenna). Die Abstrahlung findet im Bereich statt, in dem der Wellenwiderstand der Schlitzleitung mit dem Schlitz 7 gleich dem Freiraumwellenwiderstand ist (ZL_s = Z₀ ≈ 377 Ω).

Da der Wellenwiderstand der Schlitzleitung sehr fre­ quenzabhängig ist, verlagert sich der Ort der Abstrahlung bei einer breitbandigen Anwendung je nach Frequenz ent­ sprechend. Dies hat negative Auswirkung auf das Strah­ lungsdiagramm.

Um diesen Effekt klein zu halten, wurde eine sehr hohe Schlitzleitungsimpedanz gewählt, welche dann relativ leicht durch einen optimierten Öffnungsverlauf auf den Freiraumwellenwiderstand transformiert werden kann (ZL_s ≈ 320 Ω auf Z₀ ≈ 377 Ω). Es hat sich bezüglich Anpassung und Abstrahlung ein parabelförmiger Taper-Verlauf als günstig erwiesen.

Die Öffnungsweite 32 ist gleich der Wellenlänge λ₀ bei Mittenfrequenz oder λ₀/2 bei der untersten Betriebsfre­ quenz.

Das Strahlungsdiagramm (Fig. 2) in H- und E-Ebene wird we­ sentlich durch das Verhältnis der Antennenlänge 333 des pa­ rabelförmigen Verlaufes zur Wellenlänge der Mittenfrequenz L/λ₀ und durch die Kaschierung im Öffnungsbereich, also durch die Größe 33 (≈ L), bestimmt.

Wählt man Größe 33 gleich 2 λ₀ und L/λ₀ gleich 1, so er­ hält man ein Diagramm, das in der H- und E-Ebene eine an­ nähernd gleiche 3 dB-Keulenbreite über dem gesamten Fre­ quenzbereich aufweist (Fig. 2).

Beide Antennen auf Vorder- und Rückseite werden über die gemeinsame Streifenleitung 77 phasengleich gespeist. Damit die Beeinflussung der elektrischen Felder im Dielek­ trikum gering ist, muß ein Plattenmaterial mit möglichst großer Dicke 303 verwendet werden (d ≈ 0,13/λ_o). Durch den parallelen Betrieb der beiden Antennen sind die Strahlungsdiagramme (Fig. 2) zu beiden Seiten total symme­ trisch.

Die Einspeisung in die Schlitzleitung wird durch eine ge­ meinsame, zwischen den beiden Platten befindliche Strei­ fenleitung 77 realisiert. Dabei muß die Streifenleiterim­ pedanz von ZL ≈ 50 Ω auf die Schlitzleiterimpedanz von ZL_s ≈ 320 Ω breitbandig transformiert werden.

In Fig. 2 ist der zugehörige H- bzw. E-Plan in einem wie üblich vorzugsweise planaren Koordinatensystem darge­ stellt.

Hierbei ist die H-Ebene mit der Bezugsnummer 12 und die E- Ebene mit der Bezugsnummer 11 gekennzeichnet.

Durch optimale Auslegung der Transformation der Streifen­ leitung 77 auf den Schlitz 7 (Antenneneingangswiderstand ZL ≈ 320 Ω) ist eine Anpassung von ca. 10 dB über einen Frequenzbereich von vorzugsweise zwei Oktaven erreicht. Dabei kann der Schlitz 7 z. B. nach Fig. 3 an seiner brei­ teren Seite runde metallische Einwölbungen aufweisen und die Streifenleitung 77 im Bereich des Schlitzes 7 aufge­ weitet sein.

Durch diese Maßnahmen erfolgt eine Optimierung des Über­ gangs zwischen Schlitzleitungs-Schlitz 7 und Streifenlei­ tung 77.

Über dem gesamten Frequenzbereich weisen die Strahlungs­ diagramme in H- und E-Ebene im Bereich ±15° zur Haupt- Strahlrichtung annähernd gleichen Verlauf auf.

Der Gewinn beträgt je nach Frequenzbereich 6 bis 10 dB trotz der relativ kurzen Bauform.

Bei entsprechender Dimensionierung läßt sich die Antenne im gesamten Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich ein­ setzen.

Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei­ bung stellen sich die bereits genannten Vorteile ein.

Claims (5)

1. Zweiseitige planare Breitband-Antenne für den HF-Be­ reich, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Streifenleitung 77 zwischen zwei symmetrisch aufgebauten planaren Breitband-Antennen ausgebildet ist;
• - daß jeweils ein zugehöriger Schlitz 7 einen gekrümmten Verlauf aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhafterweise an dem Schlitz 7 an seiner breiten Seite runde metallische Einwölbungen ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung 77 im Bereich des Schlitzes 7 aufge­ weitet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vorteilhafterweise der spiegelsymmetrisch und exponentiell ähnlich verlaufende Schlitz 7 auf der Vorderseite der gesamten Anordnung symmetrisch zu jenem auf der Rückseite derselben Anordnung ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlitz 7 nicht vollständig berandet ist.