DE4120522A1 - Speisekreis für plattenförmige Gruppenantennen mit gekreuzter Polarisation sowie mit einem solchen Speisekreis ausgestattete Gruppenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft plattenförmige Antennen oder Planaran­ tennen und insbesondere einen Speisekreis oder "Verteiler" für eine Gruppe von Flachantennen mit doppelter gekreuzter Polarisation, vorzugsweise als gedruckte Schaltung ausgebil­ det, sowie eine mit einer solchen Einrichtung ausgestattete Gruppe.

Die erfindungsgemäße Speiseeinrichtung ist besonders ausge­ legt, um vollständig in die gedruckte Schaltung integriert werden zu können, die mehrere hundert Planarantennen enthal­ ten kann.

Zwar ist es leicht möglich, bei einer Gruppe von flachen An­ tennen mit linearer Polarisation eine Speiseeinrichtung auf derselben gedruckten Schaltung einzufügen (was für eine Grup­ pe mit linearer Polarisation durch einen Verteiler mit Baum­ struktur geschieht), die durch zwei aneinandergefügte ge­ druckte Schaltungen verwirklicht ist, es ist jedoch nicht möglich, zwei Verteiler mit Baumstruktur in gleicher Weise zu integrieren, von denen jeder einer Polarisation zugeordnet ist, weil nicht zu vermeiden ist, daß sie einander kreuzen.

Zur Lösung dieses Problems wurde bereits eine Isolierung die­ ser beiden Verteilersysteme mit Baumstruktur (jeweils einer von zwei Polarisationen zugeordnet) durch eine dielektrische Schicht vorgeschlagen. Eine solche Lösung erfordert aber für die Gruppe die Verwendung von wenigstens drei gedruckten Schaltungen. Ferner sind unerwünschte Kopplungskapazitäten an den zahlreichen Überdeckungszonen der beiden Speisekreise vorhanden, die den Übergang von Energie zwischen diesen Krei­ sen unterstützen. Die Entkopplung zwischen den beiden Polari­ sationen wird dann für einige Anwendungen unzureichend.

Eine andere Lösung würde darin bestehen, dafür zu sorgen, daß eines der Verteilersysteme mit Baumstruktur sich auf dem ge­ druckten Schaltkreis der Strahlerelemente befindet und der andere auf einer anderen gedruckten Schaltung, mit ebensovie­ len Durchgängen wie Strahlerquellen (z. B. vom Koaxialtyp). Diese Lösung, die in einer "Dreiplattenausführung" die Ver­ wendung von vier gedruckten Schaltkreisen erfordern würde, ist schwierig auszuführen, wenn mehrere hundert Strahlerquel­ len verwendet werden sollen.

Überdies erfordern alle ohne weiteres zugänglichen Lösungen eine große mechanische Genauigkeit bei der Ausfluchtung der verschiedenen gedruckten Schaltkreise, was mit zunehmend ho­ hen Frequenzen nicht mehr vereinbar ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Speiseeinrichtung für eine Gruppe von Flachantennen mit doppelter, gekreuzter Polarisa­ tion, durch welche die Mängel von derartigen Lösungen vermie­ den werden, die leicht zu verwirklichen ist und über ausge­ zeichnete Kenndaten verfügt.

Gemäß der Erfindung ist eine Speiseeinrichtung für eine Grup­ pe von Flachantennen mit gekreuzter doppelter Polarisation, die aus N Quellen gebildet ist, welche matrixförmig in n Spalten und p Zeilen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Verteilersysteme D und D′ enthält, die auf der­ selben gedruckten Schaltungsplatte ohne Kreuzung verwirklicht sind und jeweils von einem Speisepunkt P bzw. P′ ausgehend ein partielles Verteilersystem mit Baumstruktur aufweisen, von denen das erste über der ersten Zeile von Quellen und das zweite unter der letzten Zeile von Quellen angeordnet ist, wobei jedes partielle Verteilersystem mit Baumstruktur eben­ soviele Zweige aufweist wie Spalten von Quellen vorhanden sind, mit jeweils n Spalten-Leitern, die jeweils an eine von n Spalten der Quellen angeschlossen sind, wobei die Spalten- Leiter der zwei Verteilersysteme, die einer selben Spalte von Quellen zugeordnet sind, sich beiderseits der Spalte von Quellen befinden und mit den entsprechenden Zweigen der par­ tiellen Verteilersysteme über ihre Mittelpunkte verbunden sind.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Gruppe von Flachan­ tennen mit doppelter, gekreuzter Polarisation, die mit der oben angegebenen Speiseeinrichtung ausgestattet ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Gruppe von Flachan­ tennen, die in n Spalten und p Zeilen von Quellen organisiert ist und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mit einer Speise­ einrichtung versehen ist, welche aus zwei Verteilersystemen D, D′ gebildet ist, die jeweils einer der beiden Polarisatio­ nen zugeordnet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht der Gruppe von Flachantennen mit doppelter, gekreuzter Polarisation und ihre Spei­ seeinrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung, welche die Ausbildung der Gruppe veranschaulicht.

In Fig. 1 sind matrixförmig angeordnete Strahler dargestellt: N = 16 Strahler, die in 4 Zeilen und 4 Spalten angeordnet sind und mit S₁, S₂, . . . S₁₆ bezeichnet sind.

Allgemein enthält eine Gruppe von Flachantennen N = n·p Strahler, die in p Zeilen und n Spalten organisiert sind. Die Speiseeinrichtung für diese Strahler ist aus zwei Verteiler­ systemen D, D′ gebildet, von denen das eine der einen und das andere der anderen der beiden Polarisationen zugeordnet ist; das eine System ist mit durchgezogenen, das andere mit ge­ strichelten Linien dargestellt.

Jedes dieser beiden Verteiler- bzw. Speisesysteme für eine Polarisation enthält einerseits eine Menge von n parallelen Spalten-Leitern C₁ . . . C_n sowie C′₁ . . . C′_n und andererseits ein partielles Verteilersystem, das eine Baumstruktur mit n Eingängen aufweist, welche an die Mittelpunkte der n Spalten- Leiter angeschlossen sind, die ihnen zugeordnet sind, sowie einen Ausgang.

Die zwei partiellen Verteilersysteme mit Baumstruktur in den Verteilersystemen D und D′ liegen beiderseits der strahlenden Gruppe und sind mit den Speisepunkten P und P′ des zugehöri­ gen Koaxialausganges oder Dreiplatten-Ausganges verbunden, welcher jeweils einer der beiden Polarisationen entspricht.

Der Abstand der Strahler entlang den Spalten C₁ . . . C_n sowie C′₁ . . . C′_n ist jeweils gleich d, und der der Strahler von zwei benachbarten Spalten gleich dc.

Man erkennt in dem unteren und oberen Teil der Fig. 1 die partiellen Verteilersysteme in "Baumstruktur", die breitban­ dig sind und bei der gezeigten Ausführungsform T-Teiler T₁, T₂ und T₃ für D bzw. T′₁, T′₂ und T′₃ für D′ aufweisen.

Jeder der vier Ausgänge eines der beiden partiellen Vertei­ lersysteme ist mit dem Mittelpunkt der Spalten-Speiseleitung der entsprechenden strahlenden Untergruppe verbunden, nämlich M₁, M₂, M₃ und M₄ für die Spalten C₁ . . . C₄ von D und M′₁, M′₂, M′₃, M′₄ für die Spalten C′₁ . . . C′₄ von D′. Diese Spei­ sung über den Mittelpunkt der Spalten ermöglicht die gleich­ phasige Speisung aller Strahler und zugleich eine abgegliche­ ne bzw. symmetrische Gruppe aufgrund der Symmetrie bei der Speisung der Strahler einer selben Untergruppe.

Die Verteilersysteme sind als Dreiplatten-Leitung verwirk­ licht, und ihre zentralen Leiter sind in Fig. 1 durch gestri­ chelte oder durchgehende Linien veranschaulicht. Die Strah­ lerquellen S₁ . . . S_i . . . S₁₆ für breitbandigen Betrieb und mit doppelter, gekreuzter Polarisation sind in der FR-PS 86 05990 beschrieben.

Die Strahlerquellen einer Spalte der Ordnungszahl i der Ma­ trix von Strahlern, die eine Untergruppe bilden, sind gleich­ zeitig mit den Spalten-Speiseleitungen gleicher Ordnungszahl C_i und C′_i der Verteilersysteme D und D′ verbunden; diese beiden Spalten-Speiseleitungen liegen beiderseits der Spalte von Strahlern; die Endleiter bei diesen Strahlern, die je­ weils mit diesen Spalten verbunden sind, sind orthogonal.

Jedes Ende eines der Verteilersysteme ist auf der Höhe der Quelle mit einem der Enden des anderen Verteilersystems ge­ kreuzt, in solcher Weise, daß ihre Überstände über den Kreu­ zungspunkt hinaus eine Länge in der Größenordnung einer vier­ tel Wellenlänge aufweisen (offene Leitungen).

Die vollständige Gruppe besteht somit aus n Untergruppen und umfaßt insgesamt N = np Strahler.

Jede Untergruppe ist vom Typ einer Resonanz-Gruppe, und der Abstand d zwischen benachbarten Strahlern ist (für die Wel­ lenlänge λo in Luft normiert) so gewählt, daß

Darin sind εr der relative Dielektrizitätskoeffizient des Substrates der gedruckten Schaltung und λp die Phasen-Wellen­ länge.

Unter der Annahme, daß die untereinander völlig gleichen Strahler eine ausreichend große Bandbreite aufweisen (z. B. mehr als 10% für ein Stehwellenverhältnis von weniger als 1,5), ist das Durchlaßband der Gruppe durch das Durchlaßband jeder Untergruppe beschränkt, welches im allgemeinen schmaler ist als das Durchlaßband der Strahler.

Jedes der zwei partiellen Verteilersysteme "mit Baumstruktur" enthält eine bestimmte Anzahl von Teilern in Kaskade und ist breitbandig.

Das Durchlaßband der Gruppe ist also das jeder Resonanz-Un­ tergruppe und hängt daher allein von der Anzahl p von Strah­ lern in der Untergruppe ab: das Durchlaßband dieser Unter­ gruppe ist umso kleiner, desto größer die Anzahl p von Strah­ lern in einer Untergruppe ist.

Das Durchlaßband ist durch folgenden Ausdruck näherungsweise gegeben:
B(%) = ± 18/p.

Dies gilt für ein Stehwellenverhältnis von weniger als 1,5.

Für p = 8 ist beispielsweise ein Durchlaßband von 4,5% mög­ lich.

Wenn n = 32 gewählt wird, gelangt man zu einer Gruppe von N = 256 Strahlern, die in dem Band von 11,7 bis 12,1 GHz (D.B.S.-Band) korrekt arbeiten können (Band 3,36%). In die­ sem Falle liegen die 3 dB-Werte der Gruppe, welche von den Wichtungsgesetzen für die Energie abhängen, bei etwa 2° und 9°, und die maximale Richtwirkung liegt in der Größenordnung von 32 dB.

Allgemein enthält die Gruppe für eine Antenne mit hohem Ge­ winn und ein Durchlaßband von wenigstens einigen Prozent eine größere Anzahl von Untergruppen (n) als Strahler (p) pro Un­ tergruppe: p < n. Die benachbarten Strahler jeder Untergruppe haben notwendigerweise einen Abstand von λo/√ (d = 0,674 λo für εr = 2,2), und die benachbarten Spalten, welche die Un­ tergruppen bilden, können einen größeren Abstand von bei­ spielsweise 0,9 λo aufweisen, um zwischen den Spalten von Strahlern die Spalten-Leiter C′_i und C_i+1 sowie die entspre­ chenden Verzweigungen der partiellen Baumstruktur-Verteiler­ systeme unterbringen zu können, wobei natürlich vermieden wird, daß ein "Gruppen-Nebenzipfel" auftritt.

In der Hauptebene der Gruppe, die dem Diagramm mit stärkster Richtwirkung entspricht, kann der Pegel der Nebenzipfel ge­ ring gehalten werden, indem die Teiler T, T′ der partiellen Verteilersysteme sorgfältig optimiert werden.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Gruppe von Flachantennen im Schnitt. Sie besteht hauptsächlich aus zwei übereinanderlie­ genden gedruckten Schaltungsplatten P₁ und P₂. Auf der Ober­ fläche der ersten Platte sind die obere Masseebene M₁ und die Leiter angeordnet, welche den Strahlern S₁ . . . S_N zugeordnet sind. Die zentralen Leiter der Verteilersysteme D und D′ sind auf der anderen Fläche der Platte P₁ gebildet, denn sie haben keinerlei Kreuzungspunkt, außer an den Strahlern. Dann wird die zweite Platte P₂ auf die Fläche aufgesetzt, welche die Verteilersysteme trägt, und eine untere Masseebene M₂ wird auf der freien Oberfläche der zweiten Platte P₂ gebildet.

Das gleichzeitige Vorhandensein der Strahler auf einer der beiden Flächen und der "Bahnen" der beiden Verteilersysteme auf der anderen Fläche desselben gedruckten Schaltungskreises ermöglicht eine sehr genaue Positionierung relativ zueinander (in der Größenordnung von ± 2/100 mm).

Für eine gegebene Polarisation erfordert die Kopplung jedes Verteilersystems mit den verschiedenen Strahlern, denen es zugeordnet ist, keine direkte Lötverbindung, denn sie erfolgt über eine offene viertel Wellenlängen-Leitung; die technolo­ gische Verwirklichung einer solchen Gruppe wird stark er­ leichtert.

Claims (5)

1. Speiseeinrichtung für eine Gruppe von Flachantennen mit doppelter, gekreuzter Polarisation, aus N Strahlern, die als Matrix von n Spalten und p Zeilen organisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Verteilersysteme D, D′ enthält, die kreuzungslos auf derselben gedruckten Schaltungsplatte verwirklicht sind und jeweils von einem Speisepunkt P bzw. P′ ausgehend ein partielles Verteilersystem mit Baumstruktur aufweisen, von denen das eine oberhalb der ersten Zeile von Strahlern und das andere unterhalb der letzten Zeile von Strahlern angeordnet ist, wobei jedes partielle Verteilersy­ stem mit Baumstruktur ebensoviele Zweige aufweist wie Spalten von Strahlern vorhanden sind und n Spalten-Leiter aufweist, die den n Spalten von Strahlern zugeordnet sind, und wobei die Spalten-Leiter der zwei Verteilersysteme (C_i, C′_n), die derselben Spalte von Strahlern zugeordnet sind, beiderseits der Spalte von Strahlern gelegen sind und mit den entspre­ chenden Zweigen der partiellen Verteilersysteme über ihre Mittelpunkte (M_i, M′_i) verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Strahler entlang den Spalten d = λo/√ be­ trägt, worin λo die Wellenlänge der Strahlung in Luft und εr die relative Dielektrizitätskonstante der gedruckten Schal­ tung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalten von Strahlern einen Abstand von dc aufweisen, wobei dc größer als d sein kann, um zwischen den Spalten von Strahlern die Spalten-Leiter und die entsprechenden Zweige der partiellen Baumstruktur-Verteilersysteme anordnen zu kön­ nen.

4. Gruppe von Flachantennen, die in n Spalten und p Zeilen von Strahlern organisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Speiseeinrichtung nach einem der vorstehenden An­ sprüche aufweist, die aus zwei Verteilersystemen D und D′ gebildet ist, die jeweils einer der beiden Polarisationen zugeordnet sind.

5. Gruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Dreiplattenleitungs-Technik ausgehend von zwei einander über­ lagerten gedruckten Schaltungsplatten (P₁ und P₂) verwirk­ licht ist, wobei die beiden Verteilersysteme auf derselben Fläche der Platte angeordnet sind, die auf ihrer anderen Flä­ che die Strahlerelemente und eine obere Masseebene trägt, während die andere Platte eine untere Masseebene trägt.