DE4000763A1 - Gruppenantenne in streifenleitungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne in Streifenlei­ tungstechnik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Gruppenantenne ist z. B. bekannt aus der Druck­ schrift D.H. Schaubert "Printed Circuit Antenna Techno­ logy", Microwave Antennas for Avionics, AGARD Lecture Se­ ries LS 151, May 1987, Seiten 8-1 bis 8-14. Derartige An­ tennen können einen hohen Gewinn bzw. kleine Keulenweiten besitzen und werden in der Telekommunikation sowie der Radartechnik eingesetzt. Bei einer solchen Gruppenantenne bestimmt die Anzahl und die Anordnung der Einzelantennen die Weite der Hauptstrahlungskeule und damit den Gewinn. Zur kostengünstigen Herstellung von flachen und leichten Gruppenantennen sind als Einzelantennen (Strahlerelemente) geätzte Metallflächen auf einem dielektrischen Substrat, sog. "Patch"-Strahler, geeignet. Diese Metallflächen kön­ nen verschiedene Formen besitzen. Im Prinzip handelt es sich um Streifenleitungen mit Resonanzabmessungen, auf denen Resonanzschwingungen angeregt werden durch Ankopp­ lung an eine Speiseleitung. Die Streifenleitungsstruktur kann aus einem oder mehreren Metallstreifen oder Metall­ flächen (Patch) bestehen. Das Substrat kann aus einer oder mehreren Platten aus dielektrischem Material bestehen. Die Ankopplung der Speiseleitung kann über eine metallische Sonde, eine angeschlossene Streifenleitung oder über Schlitz- oder (elektromagnetische) Feldkopplung mit einer weiteren Leitung geschehen. Den vielen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß der Strahler erhebliche Strahlungsan­ teile in der Kreuzpolarisation besitzt, d. h. in einer un­ erwünschten Polarisation. Eine Begründung dafür ist die unsymmetrische elektrische Speisung der Strahlerelemente, was im folgenden näher erläutert wird.

Die Fig. 1a, 1b zeigen eine Aufsicht bzw. einen Schnitt, an der strichpunktierten Linie in Fig. 1a, durch ein ein­ zelnes Strahlerelement. Dieses besteht aus einem platten­ förmigen Substrat 1 aus einem dielektrischen Material. Da­ bei ist die Unterseite im wesentlichen ganzflächig metal­ lisiert. Auf der Oberseite befindet sich z. B. eine geätzte kreisförmige Metallfäche 2 (Patch). Diese wird elektrisch gespeist durch einen koaxialen Anschluß, dessen Außenlei­ ter 3 elektrisch leitend mit der metallisierten Unterseite des Substrates verbunden ist und dessen Mittelleiter 4 elektrisch isoliert durch das Substrat 1 hindurchgeführt und elektrisch leitend mit der Metallfäche 2 verbunden ist, so daß dort eine Speisesonde 5 entsteht. Durch die geometrische Lage der Speisesonde 5, z. B. deren Abstand von dem Rand der Metallfäche 2, ist die Impedanz des Strahlerelementes bestimmbar.

Die Fig. 2a, 2b zeigen die zugehörigen Stromverteilungen. Gemäß Fig. 2b fließt der Strom auf dem Mittelleiter 4 in Richtung des Pfeiles. Dieser Strom bewirkt gemäß Fig. 2a auf der Metallfäche 2 einen Stromfluß in Richtung der dar­ gestellten Pfeile.

Die Fig. 3a, 3b zeigen die zugehörigen prinzipiellen Ver­ läufe der Feldstärken (im Fernfeld) in der E-Ebene (Fig. 3a) und der H-Ebene (Fig. 3b). Die daraus ableitbaren ab­ gestrahlten Leistungsdichten haben gleiche Verläufe. Dabei ist mit δ=0° und ϕ=0° die Hauptabstrahlrichtung des Strahlerelements bezeichnet, d. h. die Richtung, die senk­ recht auf der Oberseite des Substrates steht. Aus Fig. 3a, 3b geht hervor, daß die erwünschte Kopolarisation 6 (Nutz­ polarisation) im wesentlichen einen halbkreisförmigen Ver­ lauf besitzt. Diesem ist insbesondere in der H-Ebene (Fig. 3b) eine störende Kreuzpolarisation 7 überlagert, die von den unsymmetrischen Strömen der Strahler verursacht wird. Die Stromverteilung auf dem Patch-Strahler ist fre­ quenzabhängig, d. h. bei Resonanz können nahezu symmetri­ sche Feldzustände erreicht werden und damit ein geringer Kreuzpolarisationsanteil. Außerhalb der Resonanz treten allerdings sehr starke Unsymmetrien auf mit der Folge er­ höhter Kreuzpolarisationsanteile. Insgesamt werden die Kreuzpolarisationsanteile der Patch-Strahlung jedoch von der Überlagerung mit den Anteilen der Direktabstrahlung der Speisesonden gebildet.

Zur Verringerung dieser störenden Kreuzpolarisation ist es aus der Druckschrift R. J. Mailloux et al "Microstrip Array Technology", IEEE Transactions on Antennas and Propaga­ tion, Vol. AP-29, No. 1., Jan. 1981, Seiten 25 bis 27 be­ kannt, gemäß Fig. 4a, 4b die Metallfäche 2 über zwei sym­ metrisch angeordnete Speisesonden 5, 5′ zu speisen. In diese werden die Ströme -I bzw. I (Fig. 4b) über zwei ko­ axiale Anschlüsse mit den Mittelleitern 4 bzw. 4′ einge­ speist. Die Metallfläche 2 wird daher immer genau im Ge­ gentakt angeregt. Die zugehörigen Stromverteilungen sind daher symmetrisch erzwungen. Die Anteile der Direktab­ strahlung der Speisesonden löschen sich daher in erster Näherung nahezu aus. Eine solche an sich ideale Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß mit derartigen einzelnen Strahlerelementen der Aufbau einer Gruppenantenne, z. B. in Form einer linearen oder matrixförmigen Anordnung der ein­ zelnen Strahlerelemente, nur in unwirtschaftlicher Weise möglich ist. Denn jedes einzelne Strahlelement benötigt zwei koaxiale Anschlüsse, deren zugehörige Speisesonden genau justiert sein müssen, damit die erwähnte elektrische Symmetrie gewährleistet ist.

Außerdem ist in nachteiliger Weise für jedes einzelne Strahlerelement ein elektrisches Symmetriernetzwerk (Ba­ lun) erforderlich, das eine Aufteilung der Speiseleitung in zwei Speisungen mit Gegenphase für die beiden An­ schlüsse bewirkt. Zusätzlich müssen außerdem die einzelnen Strahlerelemente mit einer aufeinander abgestimmten, genau balancierten Speisung versorgt werden. Ein solches Netz­ werk ist nachteiligerweise kostenungünstig herstellbar und außerdem räumlich so groß, daß keine kompakte Antennenan­ lage herstellbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Anordnung dahingehend zu verbessern, daß eine räumlich kompakte Gruppenantenne mit hohem Gewinn und ver­ nachlässigbarem Kreuzpolarisationsanteil in kostengün­ stiger Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ledig­ lich ein Anschluß pro Strahlerelement und kein Symmetrier­ netzwerk erforderlich ist. Dadurch können auch für kurze Wellenlängen, z. B. den Millimeterwellenlängenbereich, leichte und räumlich komptakte Gruppenantennen hergestellt werden.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß der bereits er­ wähnte Wegfall des Symmetriernetzwerkes auch zu einer Ver­ einfachung der Ansteuerung der Gruppenantenne führt. Denn es ist nur nötig, benachbarte Strahlerelemente mit jeweils gegenphasigem Speisestrom anzusteuern. Dieses kann in ko­ stengünstiger Weise z. B. durch einen Phasenrechner und/oder durch eine entsprechende Leitungslängendifferenz der Speisezuführung, insbesondere bei Strahler-Elementpaa­ ren, erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Die Fig. 5a, 5b zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer matrixförmigen Anordnung von Strahlerelementen gemäß Fig. 1a, 1b. Dabei zeigt Fig. 5a eine Aufsicht und Fig. 5b einen Schnitt an der strichpunktierten Linie der Fig. 5a des Ausführungsbeispiels.

Das plattenförmige Substrat 1 besteht aus einem dielektri­ schen Material, z. B. einem Kunststoff, der unter dem Han­ delsnamen Teflon bekannt ist, oder einem geschäumten Mate­ rial, und hat eine Dicke von ungefähr λ/10, wobei λ die benutzte Wellenlänge im Dielektrikum ist. Auf dem Substrat 1 sind mehrere kreisförmige Metallflächen 2, die einen Durchmesser von ungefähr λ/2 besitzen, auf Geraden 8 ange­ ordnet, so daß eine matrixförmige Anordnung entsteht. Da­ bei ist der Abstand a zwischen den Metallfächen 2 kleiner gleich λ/2, so daß ein unerwünschtes Auftreten von sog. "Grating Lobes", das sind unerwünschte Strahlungskeulen zweiter Ordnung, vermieden wird. Die auf einer Geraden 8 liegenden benachbarten Metallflächen 2 besitzen zugehörige Speisesonden 5, die symmetrisch liegen bezüglich von Sym­ metrieachsen 9, die in der Mitte zwischen den Metallfächen 2 verlaufen und senkrecht auf den Geraden 8 stehen. Beson­ ders vorteilhaft ist es, wenn die Speisesonden 5 und die Kreismittelpunkte der Metallflächen 2 auf der Geraden 8 liegen. Sind matrixförmig angeordnete Metallflächen 2 vor­ handen, die auf mehreren parallel verlaufenden Geraden 8 liegen, so ist es vorteilhaft, die zu verschiedenen Gera­ den gehörenden Speisesonden so anzuordnen, daß diese sym­ metrisch bezüglich einer weiteren Symmetrieachse 10 lie­ gen. Diese liegt in der Mitte zwischen den Metallflächen 2 und verläuft parallel zu den Geraden 8. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, eine zumindest teilweise Aus­ löschung von Kreuzpolarisationsanteilen der Elemente durch ein Nachbarelement zu bewirken. Denn die Symmetrierung ist auf zwei Elemente verlagert mit der Folge, daß die Einzel­ elemente einfach aufgebaut sind und daß kein eigener Balun zur Speisung jedes Elements benötigt wird. Die Umkehr der Speisephase von einem Element zum anderen wird z. B. in phasengesteuerten Antennen durch entsprechende Programmie­ rung des Phasenrechners erledigt, bei festeingestellten Antennen durch z. B. eine entsprechende Leitungslängendif­ ferenz der Speisezuführungen von Elementpaaren.

Mit solchen Anordnungen sind Unterdrückungen der Kreuzpo­ larisation von 10 dB bis 15 dB gegenüber der Kopolarisa­ tion in allen Winkelbereichen möglich. Dagegen besitzt ein unkompensiertes, unbalanciertes Strahlerelement gemäß Fig. 1 bei Winkeln oberhalb von ungefähr 45° sogar Überschnei­ dungen der Polarisationsanteile, d.h. die Unterdrückung ist schlechter als 0 dB, vgl. auch Fig. 3b.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar, beispielsweise auf eine linienförmige Anordnung (Ar­ ray) der Metallflächen 2. Außerdem können diese eine an­ dere Form, z. B. Quadrat, Rechteck oder Raute, besitzen. Außerdem können die Speisesonden 5 außerhalb der Geraden 8 liegen.

Claims (8)

1. Gruppenantenne in Streifenleitungstechnik, zumindest bestehend aus

• - einem aus dielektrischem Material bestehenden platten­ förmigen Substrat, dessen Unterseite im wesentlichen ganzflächig metallisiert ist und auf dessen Oberseite mehrere Metallflächen elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und
• - mehreren koaxialen Anschlüssen, bestehend aus einem Mittelleiter und einem diesen umgebenden Außenleiter, wobei der Außenleiter elektrisch leitend mit der metal­ lisierten Unterseite verbunden ist und der Mittelleiter elektrisch isoliert durch das Substrat hindurchgeführt und auf der Oberseite mit jeweils einer Metallfläche elektrisch verbunden ist, so daß auf letzterer eine elektrische Speisesonde entsteht,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens zwei Metallflächen (2) auf einer Geraden (8) angeordnet sind und
• - daß die zugehörigen Speisesonden (5) symmetrisch ange­ ordnet sind bezüglich einer Symmetrieachse (9), die in der Mitte zwischen den Metallflächen (2) verläuft und die senkrecht auf der Geraden (8) steht.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallflächen (2) deckungsgleich sind und durch eine parallele Verschiebung in gleichem Abstand auf der Geraden (8) angeordnet sind.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Metallflächen (2) im wesentlichen kreisförmig sind und im wesentlichen gleiche Durchmesser besitzen und
• - daß die zugehörigen Kreismittelpunkte und die zugehöri­ gen Speisesonden (5) auf der Geraden (8) angeordnet sind.

4. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Geraden (8) mit darauf angeordneten Metallflächen (2) parallel an­ geordnet sind, so daß eine matrixförmige Anordnung der Me­ tallflächen entsteht.

5. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer matrixförmigen Anordnung der Metallflächen (2) die Speisesonden (5) sym­ metrisch zu einer weiteren Symmetrieachse (10) liegen, die senkrecht auf der Symmetrieachse (9) steht.

6. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer matrixförmigen Anordnung die Metallflächen (2) in Form eines quadrati­ schen Rasters angeordnet sind.

7. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallflächen (2) kreisförmig sind, einen Durchmesser von ungefähr λ/2 be­ sitzen und das Substrat eine Dicke von ungefähr λ/10 be­ sitzt, wobei λ die Wellenlänge der abzustrahlenden und/oder zu empfangenden Strahlung im Material des Sub­ strates ist.