DE4037695C2 - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Antennenanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Eine Antennenanordnung dieser Art ist in der US 37 74 223 beschrieben.

Derartige Antennen sind besonders dazu geeignet, gleichzei­ tig horizontal sowie vertikal polarisierte Mikrowellen zu empfangen, welche im SHF-Band von geostationären Rundfunksa­ telliten abgestrahlt werden, die in 36 000 km Höhe über der Erde im Weltraum stationiert sind.

Zum Empfang geostationärer Rundfunksatelliten werden über­ wiegend auf Hausdächern oder ähnlichem errichtete Parabolan­ tennen verwendet, die jedoch wegen ihres ausladenden dreidi­ mensionalen Aufbaus sehr windanfällig sind und sehr stabile Halterungen benötigen. Der Aufwand für die Halterung und für die Montage derartiger Antennen ist hoch.

Um diese Schwierigkeiten bei Parabolantennen zu beheben, wurden verschiedene Typen von Planarantennen vorgeschlagen, die in ihrem Gesamtaufbau abgeflacht sind, indem viele Mi­ krostreifenleiter auf einer ebenen Fläche angeordnet sind. Solche Planarantennen sind an vielen Stellen beschrieben, beispielsweise in der US 44 75 107. Ihre vereinfachte Struktur macht es möglich, diese Planarantennen direkt und preisgünstig an Außenwänden oder anderen geeigneten Stellen von Gebäuden anzubringen. Bei diesen Planarantennen ergibt sich jedoch ein beträchtlicher Verlust im Speisesystem von 1,5 bis 3,0 dB/m, mit dem ein Anwachsen des thermischen Rau­ schens einhergeht. Der Antennenverlust stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn es um Planarantennen mit großen Abmessungen geht.

Zur Verminderung des Antennenverlustes wird beispielsweise in der US 37 74 223 eine Grundstruktur einer Wellenlei­ terantenne vorgeschlagen, bei der ein Wellenleiter mit einer Hauptreflektorplatte gekoppelt ist und eine Nebenreflektor­ platte an der Vorderseite des Wellenleiters angeordnet ist. Ferner wird in der US 47 43 915 eine Hochfrequenzantenne beschrieben, bei der ein Paar von Wellenleitern so angeord­ net ist, daß ihre vier Endöffnungen in einer gemeinsamen Ebene verlaufen und die Wellenleiter über einen T-förmigen Wellenleiter miteinander verbunden sind. Ferner zeigt die US 47 95 993 eine bei Wellenleiterantennen einsetzbare Wellenleiter-Eckanordnung, bei welcher ein keilförmiger Re­ flektor mit mehrfach reflektierenden Oberflächen aus paral­ lel verlaufenden Stegen an der Außenseite jeder Ecke des Wellenleiters vorgesehen ist, so daß zwei sich gegenseitig in rechten Winkeln kreuzende Polarisationen gleichzeitig um­ gesetzt und weitergeleitet werden können. Die auf diesen technischen Grundlagen basierenden Antennen weisen einen re­ lativ geringen Verlust des Speisesystems auf und sind auch dann nutzbar einzusetzen, wenn große Abmessungen erforder­ lich sind.

Alle bekannten Anordnungen können die jeweiligen Polarisa­ tionskomponenten jedoch nur unzulänglich getrennt voneinan­ der mit dem Wellenleiter aufnehmen, der horizontal und ver­ tikal polarisierte Wellen simultan empfängt. Es besteht ein Bedarf nach einer wirkungsvollen Trennung unter gleichzeiti­ ger Vereinfachung der Wellenleiterstruktur. Gewünscht wird eine deutlich verbilligte Antenne mit einer Gruppe von Spei­ sewellenleitern vereinfachter Struktur.

Bei einer aus der US 47 16 415 bekannten Antenne werden durch eine Anordnung von Strahlungsschlitzen zwei voneinander unabhängige Wellentypen unterschiedlicher Polarisation erzeugt. Die Strahlungsschlitze sind in einer Deckplatte eines Hohlraums vorgesehen, der über Speiseschlitze im Querschnitt rechtwinkliger, am Umfang vorgesehener Hohlleiter angeregt wird. Zwei einander gegenüberliegende Sätze von in den Hohlraum mündenden Speiseschlitzen sind durch ein erstes magisches T miteinander verbunden, während zur Verbindung der beiden anderen einander gegenüberliegenden Sätzen von Speiseschlitzen ein zweites magisches T vorgesehen ist. Die nicht verwendeten Enden der magischen Ts sind kurzgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es bei einfachem, flachem Aufbau des Verzweigungsnetzwerkes gestattet, sowohl hinsichtlich der horizontal polarisierten Wellen als auch hinsichtlich der vertikal polarisierten Wellen jeweils zusammengesetzte Wellensignale entsprechender Polarisierung zu bilden und gleichzeitig die insbesondere hinsichtlich der unterschiedlichen Schwingungsrichtungen ursprünglich gegebene Trennung zwischen den horizontal und vertikal polarisierten Schwingungen aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Antennenanordnung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund dieser Ausbildung kann das gesamte Verzweigungsnetzwerk auf einfache Weise bei möglichst geringen Verlusten im wesentlichen in einer einzigen Ebene verwirklicht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Antennenanordnung mit einer Gruppe von Speisewellenleitern;

Fig. 2 ist eine vergrößerte, bruchstückhafte Perspektivansicht eines Antennenelements der Antennenanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt durch das Anten­ nenelement nach Fig. 2;

Fig. 4 zeigt das Grundprinzip des Aufbaus des Verzweigungsnetzwerks der Antennananordnung nach Fig. 1;

Fig. 5 und 6 verdeutlichen die Wirkung eines L-förmigen Kniestücks in dem Verzweigungsnetzwerk nach Fig. 4;

Fig. 7 und 8 verdeutlichen die Wirkung eines T-Stücks in dem Verzweigungsnetzwerk nach Fig. 4; und

Fig. 9 zeigt einen erweiterten Aufbau der Antennenanordnung nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Antennenanordnung, bei der eine Vielzahl von Antennenelementen 11 in horizontalen und ver­ tikalen Reihen angeordnet sind, so daß sie als Ganzes eine kurze Rückstrahlantenne bilden. Die Antennenelemente 11 enthalten jeweils, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, eine Haupt­ reflektorplatte 12 von der Form eines flachen, an seiner Frontseite offenen Kastens, einen an einer endseitigen Öffnung 14 an eine in der Mitte der Hauptreflektorplatte 12 ausgebildete Öffnung angeschlossenen Hohlleiter 13 und eine Nebenre­ flektorplatte 15, die einen viel geringeren Durchmesser als die Hauptreflektorplatte 12 aufweist, jedoch etwas größer ist als die Öffnung 14 und mit etwas Abstand zu der Öffnung 14 und in geeigneter Stellung zu der Hauptreflektorplatte 12 mittels einer nicht gezeigten Halteeinrichtung befestigt ist. Die gezeigte Ausführungsform enthält beim dargestellten Ausführungsbeispiel sechzehn Antennenelemente 11 in vier Reihen zu vier Stück. Der flache, kastenförmige Körper der Antennenanordnung kann aus Kunstharz geformt sein und 4×4 darin ausgebildete Vertie­ fungen aufweisen. Die Hauptreflektorplatten 12 der jeweili­ gen Antennenelemente 11 können dadurch gebildet sein, daß die Innenflächen der jeweiligen Vertiefungen mit einem Me­ tallüberzug versehen sind. Die Frontseite des Körpers, auf der sich die offenen Seiten der Hauptreflektorplatten 12 be­ finden, kann mit einem für Mikrowellen durchlässigen Radom 16 bedeckt sein und die Nebenreflektorplatten 15 können durch eine Metallbeschichtung auf dem Radom 16 ausgebildet sein.

Um die senkrecht zueinander horizontal und vertikal polari­ sierten Wellen gleichzeitig über die jeweiligen Antennenele­ mente 11 empfangen zu können, ist es insbesondere wichtig, daß die Hohlleiter 13 einen im wesentlichen quadratischen Quer­ schnitt besitzen, einschließlich des Teils der Öff­ nung 14.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform eines Verzweigungsnetzwerks weisen die Zuführungszweige 20 eines ersten T-Stücks am Eingang jeweils ein L-förmiges Kniestück auf. Durch das überdies mit einem Zusammenfassungszweig 21 ver­ sehene T-Stück werden zwei benachbarte Antennenelemente 11 zusammengefaßt. Hierzu unterscheiden sich bei einer Wellenlänge innerhalb des Hohl­ leiters von λg die Abstände der beiden Hohlleiter 13 zu der T-förmigen Abzweigung in den Zusammenfassungszweig 21 um λg/2. Dadurch ergibt sich ein relativ flaches Verzweigungsnetzwerk. Die horizontal polarisierten Wel­ len sind durch durchgezogene Pfeile gekennzeichnet und die verti­ kal polarisierten Wellen durch gestrichelte Pfeile. Die je­ weiligen L-förmigen Kniestücke wirken an ihrem Eingang wie ein L-förmiges Kniestück mit einer zur magnetischen Feldkomponente für die horizontal polarisierten Wellen pa­ rallelen Ebene, die im folgenden als H-Ebene bezeichnet wird. Gemäß Fig. 5 werden die horizontal polarisierten Wellen durch die L-förmigen Kniestücke dazu gebracht, ihre Ausbreitungs­ richtung zu ändern und eine gleichphasige Oszillation an einander entgegengesetzten Ebenen OP1 und OP2 des Paares L- förmiger Kniestücke durchzuführen. Zum Zusammensetzen der ho­ rizontal polarisierten und in Richtung einer Ebene parallel zu den Öffnungen 14 der beiden Hohlleiter 13 übertragenen Wellen wird eine in Fig. 7 gezeigte E-Ebenen-Abzweigung an der T-förmigen Abzweigung des Hohlleiterzweigs 21 verwen­ det, um die horizontal polarisierten Wellen in gleicher Ebe­ ne längs der Öffnungen 14 zu erhalten. Der Anschlußpunkt P der T-förmigen Abzweigung an dem Hohlleiterzweig 21 ist um λg/4 bezüglich einer in gleichem Abstand zu den einander gegen­ überliegenden Ebenen OP1 und OP2 befindlichen Stellung ver­ setzt, so daß zwischen den beiden Abständen zwischen den beiden Ebenen und dem Anschlußpunkt OP1-P und OP2-P ein Un­ terschied von λg/2 besteht. Die jeweils horizontal polari­ sierten Wellen, die an den einander entgegengesetzten Ebenen OP1 und OP2 gleichphasig sind, sind am Anschlußpunkt P ge­ genphasig und es entsteht eine mittels einer E-Ebenen-Ab­ zweigung wie in Fig. 7 entnehmbare zusammengesetzte hori­ zontal polarisierte Welle.

Für vertikal polarisierte Wellen, die in Fig. 4 mit gestri­ chelten Pfeilen gekennzeichnet sind, wirken die Eingänge der jeweiligen L-förmigen Kniestücke wie ein L-förmiges Kniestück einer zu der elektrischen Feldkomponente paralle­ len Ebene, wie in Fig. 6 gezeigt. Diese Ebene wird im fol­ genden als E-Ebene bezeichnet. Die vertikal polarisierten Wellen werden durch die L-förmigen Kniestücke veranlaßt, ih­ re Ausbreitungsrichtung zu ändern und gegenphasig an den einander entgegengesetzten Ebenen OP1 und OP2 des Paares L- förmiger Kniestücke zu oszillieren. Um die vertikal polari­ sierten Wellen, die in die Richtung entlang einer Ebene pa­ rallel zu den Öffnungen 14 der beiden benachbarten Hohl­ leiter 13 umgesetzt sind, miteinander zusammenzusetzen, wird eine H-Ebenen-Abzweigung, wie in Fig. 8 gezeigt, an der T- förmigen Abzweigung verwendet, um die vertikal polarisierten Wellen in der Richtung der Ebene mit den Öffnungen 14 zu erhalten. Wie beschrieben, führt der Unterschied λg/2 der Ab­ stände OP1-P und OP2-P zwischen den jeweiligen einander ge­ genüberliegenden Ebenen und dem Anschlußpunkt dazu, daß die vertikal polarisierten Wellen von den beiden Hohlleitern 13, die an den einander entgegengesetzten Ebenen OP1 und OP2 gegenphasig anstehen, am Anschlußpunkt P gleichphasig wer­ den, und es kann mittels der E-Ebenen-Abzweigung nach Fig. 7 eine zusammengesetzte vertikal polarisierte Welle entnommen werden.

Wenn ferner wie in Fig. 4 ein weiteres Paar benachbarter Antennenelemente 11 bzw. ein weiteres Paar von Hohlleitern 13 über jeweils ein L-förmiges Kniestück mit den beiden Eingängen eines zweiten, wiederum zwei Zuführungszweige 20a und einen Zusammenfassungszweig 21 aufweisenden T-Stücks verbunden und durch dieses zusammengefaßt wird, ergibt sich im wesentlichen die gleiche Wirkung wie bei dem ersten T-Stück, und die zusammengesetzte horizontal oder vertikal polarisierte Welle erhält man in dem Zusammenfassungszweig 21 des zweiten T-Stücks. Hierbei ist die von dem zweiten T-Stück mit den Zuführungszweigen 20a er­ haltene zusammengesetzte horizontal polarisierte Welle in entgegengesetzter Phase zu derjenigen von dem ersten T-Stück mit den Zuführungszweigen 20, während die zusammengesetzte vertikal pola­ risierte Welle gleichphasig ist. Ferner sind die Zusammenfassungszweige 21 des ersten und des zweiten T-Stücks über ein drittes T-Stück zusammengefaßt, dessen beide Zuführungszweige gleich lang sind. Demnach werden die zusammengesetzen horizontal oder vertikal polarisierten Wel­ len von dem ersten und dem zweiten T-Stück an einem mittigen Punkt CP zwischen den Zusammenfassungszweigen 21 des ersten und des zweiten T-Stücks, die gleichzeitig die beiden Zuführungszweige des dritten T-Stücks bilden, zusammengesetzt, so daß die Wirkung der E-Ebenen-Abzweigung an dem mittigen Punkt CP bezüglich der horizontal polarisierten Wellen eintritt bzw. die Wirkung der H-Ebenen-Abzweigung be­ züglich der vertikal polarisierten Wellen. Die im folgenden zusammengesetzten horizontal oder vertikal polarisierten Wellen können nutzbar an dem Zusammenfassungszweig 22 des dritten T-Stücks entnommen werden.

Aus Fig. 9 wird deutlich, wie es möglich wird, die gleich­ zeitig an acht Antennenelementen 11 empfangenen horizontal und vertikal polarisierten Wellen simultan zusammenzusetzen. Zwei der vorbeschriebenen Anordnungen aus dem Paar von Hohlleiterzweigen 20 und 20a und den Hohlleiterzweigen 21 und 22 einer zweiten Stufe werden bereitgestellt und beide Hohlleiterzweige 22 der zweiten Stufe mit einem Hohlleiterzweig 23 einer dritten Stufe an einem mittigen Punkt des Hohleiterzweigs 22 über ein weiteres T-Stück miteinander verbunden, wobei die horizontal und vertikal po­ larisierten Wellen voneinander getrennt bleiben. Wenn ferner zwei der gemäß Fig. 9 gepaarten Anordnungen aus Hohlleiterzweigen 20, 20a und Hohlleiterzweigen 21 bis 23 der ersten bis dritten Stufe miteinander mittels eines Hohlleiterzweigs einer vierten Stufe an einem mittleren Punkt des Hohlleiterzweigs 23 der dritten Stufe über ein weiteres T-Stück miteinander gekoppelt sind, können die jeweils an den sechzehn Antennenelementen 11 aus Fig. 1 gleichzeitig empfangenen jeweiligen horizontal und vertikal polarisierten Wellen in organischer Weise zusammen­ gesetzt werden. In Fig. 9 sind die vertikal polarisierten Wellen durch Pfeile gekennzeichnet und die horizontal pola­ risierten Wellen durch Pfeilspitzen und -schwänze.

Das Verzweigungsnetzwerk der zuvor beschriebenen Antennenanordnung dient dazu, die horizontal und vertikal polarisierten Wellen ent­ lang einer zu der Gruppe der Hohlleiteröffnungen parallelen Ebene fortzuleiten. Das gesamte Verzweigungsnetzwerk kann leicht längs dieser Ebene aufgebaut werden.

Claims (1)

1. Antennenanordnung für den Empfang von horizontal und vertikal polarisierten Wellen, mit einem Verzweigungsnetzwerk, an dessen Ausgang die Horizontal- und Vertikalkomponenten getrennt voneinander vorliegen und das durch beide Wellentypen führende, im Querschnitt quadratische Hohlleiter (13, 20-23) gebildet ist, sowie mit einer Gruppe von Antennenelementen (12, 15), die jeweils im Endbereich des Verzweigungsnetzwerks benachbart zur Öffnung jedes jeweiligen Hohlleiters angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsnetzwerk im wesentlichen in einer Ebene liegt, wobei zwei benachbarte Antennenelemente (12, 15) über jeweils ein L-förmiges Kniestück mit den beiden Eingängen eines ersten T-Stücks verbunden und durch dieses zusammengefaßt sind, wobei sich die beiden Zuführungszweige des ersten T-Stücks in ihrer Länge um λg/2 unterscheiden, wobei λg die Hohlleiterwellenlänge ist, daß ein weiteres Paar benachbarter Antennenelemente (12, 15) über jeweils ein L-förmiges Kniestück mit den beiden Eingängen eines zweiten T-Stücks verbunden und durch dieses zusammengefaßt ist, wobei sich die beiden Zuführungszweige des zweiten T-Stücks wiederum um λg/2 unterscheiden, und daß die zusammenfassungszweige des ersten und des zweiten T-Stücks über ein drittes T-Stück zusammengefaßt sind, dessen beide Zuführungszweige gleich lang sind.