DE4013165A1 - Array-antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Array-Antenne in Mikrostreifenleitungstechnik mit Janus-Richtcharakteri­ stik, mit mehreren zentral gespeisten Einzelstrahlern in Form von planaren Streifenleitungselementen, wobei jeder dieser Einzelstrahler ein strahlendes Flächenele­ ment auf der einen Seite eines dielektrischen Substrats und ein auf Erdpotential liegendes Masseelement auf der anderen Seite des dielektrischen Substrats aufweist.

In der Mikrowellentechnik werden vermehrt planare An­ tennen auf dielektrischem Substratträger eingesetzt. Diese Antennen haben den Vorteil, daß sie kostengünstig durch Ätzverfahren oder selektive Beschich­ tungsverfahren zusammen mit dem zugehörigen Speisenetz­ werk hergestellt werden können. Deshalb eignen sie sich besonders für die Anordnung in Antennenarrays.

Für spezielle Anwendungen, wie z. B. in der Sensortech­ nik, werden oftmals Antennen mit mehreren Hauptstrahl­ richtungen benötigt. Durch den Empfang aus mehreren Richtungen können beispielsweise Lageänderungen und Verkippungen detektiert bzw. ausgeglichen werden.

Eine Sonderform der Mehrkeulen-Richtcharakteristik kann durch die sog. Janus-Antenne erzeugt werden. Das Dia­ gramm einer solchen Janus-Antenne ist in Bild 1 dar­ gestellt. Es besteht aus zwei bzw. 4 Hauptkeulen, die jeweils symmetrisch zu den Hauptnormalenebenen des Ar­ rays liegen und um die Winkel ϑ_o bzw. ϑ_o und ψ_o aus diesen Hauptnormalenebenen ausgelenkt sind.

Zur Erzeugung einer Janus-Richtcharakteristik werden bisher meist zwei separate Antennen zusammengeschaltet. Die gewünschte Neigung der Keulen wird dabei entweder durch mechanische Neigung der Einzelantennen erreicht, oder durch Antennen, die jeweils eine einzelne schräg abstrahlende Keule besitzen.

Zur Erzeugung einer Janus-Richtcharakteristik mittels einer Array-Antenne müssen die Einzelstrahler in Form von planaren Streifenleitungselementen in der Richtung, in der die Janus-Richtcharakteristik erzeugt werden soll, mit einer wechselseitigen Phasendifferenz von 180° gespeist werden. Für die Erzeugung dieser 180° Phasendifferenz werden in der Regel phasenschiebende Bauelemente, wie z. B. aktive Phasenschieber oder zu­ sätzliche Leitungslängen eingesetzt.

Bei einer derart konventionell aufgebauten Array-An­ tenne ist die geforderte Phasendifferenz von 180° nur bei der Entwurfsfrequenz gegeben. Ferner ist das Spei­ senetzwerk bezüglich der Phase und der Leitungsverluste unsymmetrisch aufgebaut. Schließlich ist ein derart komplexes Speisenetzwerk ungeeignet für den modularen Aufbau größerer Array-Antennen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Array-Antenne eingangs genannter Art anzugeben, die sich durch ihren einfachen symmetrischen Aufbau, durch ihre Eignung für den modularen Aufbau großer Arrays und insbesondere durch ihre Breitbandigkeit und damit Frequenzinvarianz bezüglich der Janus-Richtcharakteristik auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Richtung, in der die Janus-Richtcharakteristik erzeugt werden soll, unmittelbar aufeinanderfolgende Einzelstrahler auf jeweils gegenüberliegenden Seiten über ein bezüglich der elektrischen Weglänge symmetri­ sches Speisenetzwerk von einem zentralen Speisepunkt aus gespeist werden.

Die erfindungsgemäße Lösung beschreibt die Erzeugung einer Janus-Richtcharakteristik mittels einer Array- Anordnung aus planaren Streifenleitungselementen. Es wird dabei die Feldverteilung auf dem Einzelstrahler zur Einstellung der notwendigen 180° Phasendifferenz genutzt. Durch die Speisung aufeinanderfolgender Einzelstrahler auf jeweils gegenüberliegenden Seiten kann, je nach Anordnung dieser Einzelstrahler zueinan­ der, eine Janus-Richtcharakteristik in der E- oder H- Ebene erzeugt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Array-Antenne ist die elek­ trische Weglänge von einem zentralen Speisepunkt aus zu jedem Einzelstrahler gleich groß, so daß die erfin­ dungsgemäße Array-Antenne weitgehend frequenzinvariant und damit sehr breitbandig bezüglich der Richtcharakte­ ristik ist. Ferner ermöglicht der symmetrische Aufbau des Speisenetzwerkes einen einfachen, modularen Aufbau von größeren Antennenarrays.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Es zeigen

Bild 1 Richtdiagramme einer Janus-Antenne,

Bild 2 die Erzeugung von Janus-Diagrammen durch wechselseitige Ansteuerung von Einzelstrah­ lern mit einer Phasendifferenz von 180°,

Bild 3 herkömmliche Realisierung einer 180° Phasendifferenz,

Bild 4 Speisung für 180° Phasendifferenz in der H-Ebene (a) und in der E-Ebene (b),

Bild 5 Verteilung der elektrischen Feldstärke an einem Einzelstrahler,

Bild 6 Janus in der H-Ebene,

Bild 7 Janus in der E-Ebene,

Bild 8 Janus in der E- und H-Ebene,

Bild 9 Janus bei zirkularer Polarisation,

Bild 10 modular aufgebaute 4×8 Antennen-Arrays.

Für spezielle Anwendungen, wie z. B. in der Sensorik, werden oftmals Antennen mit mehreren Hauptstrahlrich­ tungen, d. h. mit einer Mehrkeulen-Richtcharakteristik benötigt. Eine Sonderform der Mehrkeulen-Richtcharakte­ ristik kann durch die sog. Janus-Antenne erzeugt wer­ den. Das Diagramm einer solchen Janus-Antenne ist in Bild 1 dargestellt. Es besteht aus zwei bzw. vier Hauptkeulen, die jeweils symmetrisch zu den Hauptnorma­ lenebenen des Arrays liegen und um die Winkel ϑ₀ bzw. ϑ₀ und ψ₀ aus diesen Hauptnormalenebenen ausgelenkt sind.

Zur Erzeugung einer Janus-Richtcharakteristik werden bisher meist zwei separate Antennen zusammengeschaltet. Die gewünschte Neigung der Keulen wird dabei entweder durch mechanische Neigung der Einzelantennen erreicht, oder durch Antennen, die jeweils eine einzelne schräg abstrahlende Keule besitzen. Zur Erzeugung einer Janus- Richtcharakteristik mittels einer Array-Antenne müssen die Einzelstrahler in der Richtung, in der das Janus- Diagramm erzeugt werden soll, mit einer wechselseitigen Phasendifferenz von 180° gespeist werden. Dies ist in Bild 2 dargestellt.

Für die Erzeugung dieser 180° Phasendifferenz werden in der Regel phasenschiebende Bauelemente, wie z. B. ak­ tive Phasenschieber oder, wie in Bild 3 dargestellt, zusätzliche Leitungslängen verwendet. Die Winkel ϑ₀ und ψ₀ lassen sich durch den Abstand zwischen den Ein­ zelstrahlern variieren.

Werden in der H-Ebene unmittelbar aufeinanderfolgende Einzelstrahler einer Array-Antenne auf jeweils gegen­ überliegenden Seiten gespeist, so wird eine Janus- Richtcharakteristik in der H-Ebene erzeugt. Dies ist in Bild 4a dargestellt. In Bild 4b ist die Speisung un­ mittelbar aufeinanderfolgender Einzelstrahler einer Ar­ ray-Antenne auf jeweils gegenüberliegenden Seiten in der E-Ebene gezeigt. Durch die in Bild 4b dargestellte Speisung der Einzelstrahlelemente wird eine Janus- Richtcharakteristik in der E-Ebene erzeugt.

In Bild 5 ist das Strahlungsverhalten eines Einzel­ strahlers dargestellt. Die Abstrahlung eines Einzel­ strahlers in Form eines planaren Streifenleitungsele­ mentes resultiert aus den Randfeldern zwischen den Kan­ ten des Strahlelementes, auch Patch genannt, und der Massefläche. Betrachtet man nur die Verteilung der elektrischen Feldstärke über der Länge des Einzelstrah­ lers, so kann man sich den Einzelstrahler auch aus zwei Schlitzen im Abstand von etwa λ_ε vorstellen, die in Phase erregt werden und in den Halbraum oberhalb der Massefläche abstrahlen. λ_ε ist dabei die Substratwel­ lenlänge, d. h. die Wellenlänge des dielektrischen Trä­ germaterials. Im Idealfall sollte das εϑ des dielek­ trischen Trägermaterials niedrig sein (εϑ ≈ 2,5), um die Randfelder zu vergrößern, auf die die Abstrahlung zurückzuführen ist.

Praktische Realisierungsformen solcher Antennen-Arrays mit Janus-Richtcharakteristik sind in den Bildern 6 bis 10 dargestellt. Die Bilder 6 bis 8 zeigen Speisenetz­ werke für lineare Polarisation, das Bild 9 zeigt eine entsprechende, zirkular polarisierte Anordnung. Bei der Anordnung nach Bild 6 wird eine Janus-Richtcharakteri­ stik in der H-Ebene erzeugt. Im Unterschied zur Anord­ nung nach Bild 6 wird bei der Anordnung nach Bild 7 eine Janus-Richtcharakteristik in der E-Ebene erzeugt. Bei der in Bild 8 dargestellten Anordnung wird eine Doppel-Janus-Richtcharakteristik, d. h. eine Janus- Richtcharakteristik sowohl in der E- als auch in der H- Ebene erzeugt. Die in den Bildern rechteckförmig dargestellten Einzelstrahler stehen stellenvertretend für rechteckförmige quadratische oder kreisförmige Einzelstrahler.

Die in Bild 10 auf der linken Seite dargestellte Anord­ nung zeigt eine modular aufgebaute 4×8 Array-Antenne mit Janus-Richtcharakteristik in der E-Ebene. Im Unter­ schied zu der Anordnung auf der linken Seite des Bildes 10 zeigt die Anordnung auf der rechten Seite des Bil­ des 10 eine modular aufgebaute 4×8 Array-Antenne mit Janus-Richtcharakteristik in der H-Ebene.

Claims (1)

1. Array-Antenne in Mikrostreifenleitungstechnik mit Ja­ nus-Richtcharakteristik, mit mehreren zentral gespei­ sten Einzelstrahlern in Form von planaren Streifenele­ menten, wobei jeder dieser Einzelstrahler ein strahlen­ des Flächenelement auf der einen Seite eines dielektri­ schen Substrats und ein auf Erdpotential liegendes Mas­ seelement auf der anderen Seite des dielektrischen Sub­ strats aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Richtung, in der die Janus-Richtcharakteristik erzeugt werden soll, unmittelbar aufeinanderfolgende Einzel­ strahler auf jeweils gegenüberliegenden Seiten über ein bezüglich der elektrischen Weglänge symmetrisches Spei­ senetzwerk von einem zentralen Speisepunkt aus gespeist werden.