DE4106250A1 - Dipol-array-antenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dipol-Array-Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikrowellenantennen sind in den Bereichen der Kommuni­ kationstechnik, Radioastronomie, Radiotelemetrie und Radartechnik usw. weit verbreitet. Es wurde auch bereits vorgeschlagen und versucht, elektromagnetische Strahlung zur Energieübertragung zwischen zwei Orten zu verwenden. Es besteht daher Bedarf nach einer kostengünstigen Vor­ richtung zum Empfang zur Umwandlung elektromagnetischer Energie in Gleichstrom, welche sich beispielsweise auch für den Einsatz auf beweglichen Trägern eignet. Eine gleichrichtende Antenne, die üblicherweise Rectenna ge­ nannt wird, beinhaltet Antennenelemente und damit direkt verbundene Gleichrichter, was zu einem Gleichstromausgangs­ signal führt. Ein Anwendungsbeispiel einer solchen Rectenna findet sich bei leichten elektrisch angetriebenen Flugzeu­ gen, welche eine Leistung von mindestens 30 KW zum Antrieb und zur Kommunikation benötigen. Im Betrieb würde ein solches Flugzeug über festinstallierten Bodenantennen­ systemen kreisen, welche Energie im 2,4 bis 2,5 GHz Mikro­ wellen ISM-Band übertragen. Auf diese Weise könnte das Flugzeug über Wochen oder Monate in der Luft gehalten werden und Kommunikationssignale zwischen entfernten Orten übertragen.

Natürlich gibt es auch viele andere Anwendungsbeispiele, bei denen die Energieversorgung einer entfernten Station in Form elektromagnetischer Strahlung erwünscht ist, um sich die Herstellung einer festen Verbindung zu erspa­ ren und die Station beweglich zu belassen. Dabei ist es vorteilhaft, Antennen zu verwenden, welche bei ver­ schiedenen Mikrowellenpolarisationen funktionieren.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für Antennenarrays bei Mikrowellenfrequenzen und darüber ist ihr Einsatz als ortsauflösender Detektor. Dabei erhält man Informationen über die elektromagnetische Energie, die von jedem ein­ zelnen Antennenelement empfangen wird.

Zum Stand der Technik sei auf den Aufsatz <New Techniques for Combining Solid State Circuits" von Staiman im IEEE Journal Solid State Circuits, Vol. SC-3, Sept. 1968, pp 238-243 verwiesen, in welchem das Zusammenwirken von Einzeldipolantennen diskutiert wird. In "Field Theory of Guided Waves" von Collin, McGraw-Hill, New York, 1960, p 271 werden außerdem Antennenreaktanzen in kleinen Anten­ nenarrays diskutiert.

Es besteht die Aufgabe, das Dipol-Antennen-Array so auszu­ bilden, daß es einfach herzustellen ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Weitere Vorzüge des Dipol-Antennen-Arrays gemäß der vor­ liegenden Erfindung sind seine besseren Leistungsüber­ tragungseigenschaften und sein großer Empfangswinkelbe­ reich, welcher eine Relativbewegung zwischen Empfangs­ und Sendesystemen ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Antenneneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei identischen Anschlußleitungen, welche mit den Enden eines Dipolantennenelements verbun­ den sind.

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Kompo­ nente des Antennen-Arrays, der sechs symme­ trisch angelegte in X-Richtung orientierte Antenneneinheiten enthält, um eine Polarisa­ tionsebene der Welle zu empfangen.

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil des vollständi­ gen Antennen-Arrays, wobei die Verbindung zwischen den Antennenelementen und Anschluß­ leitungen dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt eine einzelne Antenneneinheit 1 gemäß der vor­ liegenden Erfindung, welche so angeordnet ist, daß sie einen Teil einer senkrecht zur Zeichenebene (x, y-Ebene), also in z-Richtung einfallenden elektromagnetischen Welle empfangen kann. Die entfernte Sendeantenne emittiert zwei zueinander senkrecht polarisierte Wellen, welche sich in Amplitude und Phase unterscheiden können. Diese beiden orthogonalen Feldkomponenten der einfallenden Welle können in Komponenten in x- und y-Richtung zerlegt werden, wobei die x-Richtung parallel zum Dipolelement ist. Das Dipolelement kann also selektiv die in x-Richtung orientierte Komponente des einfallenden Wellenfelds empfangen. Eine Antenneneinheit besteht aus einem Dipolantennenelement 2 der Länge l und zwei identischen Anschlußleitungen 3 und 5, die symmetrisch an dem Dipolelement angebracht sind. Dabei ist l im wesentlichen die Wellenlänge λ oder ein geeigneter Bruchteil davon. Jede Anschlußleitung enthält Filter 7 und 9 und Gleichrichterdioden 11 und 13. Fig. 1 zeigt auch die Polarität der Gleichspannung, die sich zwischen den Anschlußleitungen über die Kondensatoren 15 und 17 aufbaut.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Komponente des Antennen- Arrays, welches aus einem Array aus 6 Antenneneinheiten gemäß Fig. 1 besteht. Es ist zu beachten, daß sich die jeweils benachbarten in x-Richtung kolinearen Dipole lückenlos berühren, beispielsweise die Dipolelemente 21 und 23. Diese Konstruktion gestattet die Verkürzung der Länge l einer Antenneneinheit auf Werte, welche klein sind im Vergleich zur Wellenlänge, ohne daß dabei der Blindwiderstand der Antenne stark ansteigt, wie es bei voneinander getrennten Dipolen kleiner Abmessung gemäß dem erwähnten Artikel von Staiman gefunden wird. Dieses unvermeidliche Ansteigen des Blindwiderstandes der Antenne bei Verringerung der Antennenlänge vereitelt den Gebrauch einzelner Dipolrectennen bei hohen Packungsdichten, weil der hohe Blindwiderstand nicht durch einen geeigneten Abschluß der Anschlußleitungen der Einheitszellen ausgere­ gelt werden kann, so wie es bei kleinen Blindwiderständen nach der erwähnten Druckschrift von Collin der Fall ist.

Die Gleichrichterdioden benachbarter Antenneneinheiten sind gegenpolig in die Anschlußleitungen geschaltet, was in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Tatsache ist wichtig und wird im folgenden mit Hilfe der Fig. 3 erklärt.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil der vollstän­ digen Array-Antenne, wobei Antenneneinheiten für den Empfang von x- und y-polarisierten Komponenten der einfallenden Welle in derselben Ebene miteinander kombiniert sind. Das Ausgangsfilter jeder Rectenneneinheit ist vom jeweils nächsten Antennenelement isoliert, so daß ein λ/4 Abstand in den Anschlußleitungen zwischen dem Ausgangsfilter und dem nächsten Dipol nicht notwendig ist. Auf diese Weise können die Anschlußleitungen und Netzwerkelemente auf die Größe des Antennenelements reduziert werden, was hohe Packungsdichten ergibt. Es ist außerdem eine leitfähige Reflektorebene (nicht dargestellt) vorgesehen, welche sich auf der anderen Seite der dielektrischen Schicht in einem Abstand von im wesentlichen λ/4 von den Antennen­ einheiten entfernt befindet, wobei dieser Abstand jedoch zur Kompensation des Blindwiderstands der Antenne und der Anschlußleitungen veränderbar ist.

Die Gleichstromsammlung an den Enden jeder Antenneneinheit erfolgt durch einen Verbindungsdraht 31, der die Diagonale in den die Antenneneinheiten verbindenden Rechtecken, in deren Seiten Kondensatoren sitzen, bildet.

Aufgrund der hochsymmetrischen Anordnung der Antennen und übertragungsleitungen kann das Problem der Energieüber­ tragung auf ein großes Antennen-Array (wie in Fig. 3) ersetzt werden durch ein Netzwerkmodell einer Einheits­ zellenübertragungsleitung. Dieses Problem kann dann mit Hilfe von Standardschaltkreismethoden gelöst werden. Die Methode ist für jeden Einfallswinkel, einschließlich des senkrechten Einfalls, anwendbar und ist geeignet um Varia­ tionen bei der Empfangseffizienz zu begrenzen, wenn der Einfallswinkelbereich nicht sorgfältig begrenzt werden kann.

Wenn außerdem das Doppelpolarisationssystem gemäß der Konfiguration der vorliegenden Erfindung als Netzwerk beschrieben ist, können die Auswirkungen von Änderungen oder Modifikationen des Systems quantifiziert und kompen­ siert werden. Beispielsweise kann eine dielektrische An­ tennenkuppel direkt über der Antennenebene plaziert werden, um das System vor Umwelteinflüssen zu schützen. Dies führt zu Änderungen in der Wellenlänge und charakte­ ristischen Impedanz in einem kleinen Bereich der Zelle über der Array-Antenne.

In der Konfiguration aus Fig. 3 können die Abmessungen jeder einzelnen Rectenneneinheit auf einen kleinen Bruch­ teil der Wellenlänge reduziert werden. Diese hohe Packungs­ dichte ermöglicht eine höhere Leistung pro Einheitsfläche bei Verwendung derselben Hochleistungsgleichrichterdioden für jede Rectenneneinheit. Umgekehrt lassen sich dieselben Leistungen wie bei den bekannten Systemen erzielen, wenn man leistungsarme billige Dioden anstelle der teuren Hoch­ leistungseinheiten verwendet, welche bislang notwendig waren.

Da alle wärmeerzeugenden Bauteile (zwei Dioden pro Polari­ sationsrichtung pro Rectenneneinheit) auf einer einzigen Ebene angebracht sind, ist die Kühlung gegenüber Mehr­ schichtrectennensystemen erheblich vereinfacht.

Die planare Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einander berührende Dipole begrenzt, sondern sie läßt sich auch auf den allgemeineren Fall separater Dipole anwenden.

Obwohl im Ausführungsbeispiel lediglich ein quadratisches Dipolantennenelement in einem quadratischen Antennenarray beschrieben wurde, gilt das Gesagte auch für Antennenarrays, welche ein hohes Maß an Symmetrie aufweisen, aber nicht quadratisch sind.

Darüber hinaus lassen sich unter Zugrundlegung der erwähnten Prinzipien auch nichtebene rotationssymmetrische An­ tennenarrays konstruieren. Beispiele hierfür sind Antennen­ arrays auf dem zylindrischen Rumpf eines Flugzeugs oder einer Rakete und zylindrische Rectennenarrays in der Nähe des Brennpunkts eines Mikrowellenleistungskonzentrators.

Claims (5)

1. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array zur übertragung elektromagnetischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Vielzahl im wesentlichen identischer Antennen­ einheiten symmetrisch in einem zweidimensionalen Array angeordnet ist,
• b) jede dieser Antenneneinheiten ein Dipolelement mit zwei symmetrisch daran angebrachten Anschluß­ leitungen, wobei jede dieser Anschlußleitungen im wesentlichen identische Wellenfilter aufweist, und eine Endstelle für den Anschluß der Antenne enthält,
• c) eine dielektrische Schicht vorgesehen ist, auf deren einer Seite die besagte Vielzahl identischer Antenneneinheiten symmetrisch in besagtem Array angeordnet ist, indem geeignete Anschlußleitungen benachbarter Antenneneinheiten gleichspannungs­ mäßig miteinander verbunden werden und
• d) eine Reflektorebene auf der anderen Seite besagter dielektrischer Schicht in einer bestimmten Distanz von den Antenneneinheiten vorgesehen ist.

2. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vielzahl identischer Antenneneinheiten symme­ trisch in einem rechteckigen Array in besagten zwei Dimensionen angeordnet ist.

3. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dipolelement jeder Antenneneinheit mit dem Dipolelement der benachbarten Antenneneinheit in glei­ cher Richtung in Berührung steht.

4. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Distanz zwischen der Reflektorebene und den Antenneneinheiten einstellbar ist.

5. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht und der Reflektor ge­ krümmt sind.