DE4130493A1 - Antennenstrahler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antennenstrahler, der ein als Massefläche dienendes Grundelement ein darüber im Abstand angeordnetes, eine leitende Fläche bildendes Patchelement, wobei sich zwischen dem Grundelement und dem Patchelement verlustarmes Dielektrikum befindet, und eine koaxiale Speiseleitung aufweist, deren Außenleiter mit dem Grundelement und deren Innenleiter mit dem Patchelement verbunden ist.

Mit Patch werden die Einzelelemente von Mikrostrip-Antennen bezeichnet. Der Strahlungsmechanismus solcher Strahler ist in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben worden und kann daher als bekannt vorausgesetzt werden. Da die Mikrostrip- Antennen in der Regel aus einer großen Zahl von Einzelstrahlerelementen bestehen, die je nach Verwendungszweck in einer Ebene liegend in Zeilen und/oder Spalten angeordnet und durch ein Verteilernetzwerk entweder gleichphasig oder mit veränderlicher Amplitude und/oder Phase gespeist werden, hat sich für deren Herstellung die bei gedruckten Schaltungen bewährte Technologie als kostengünstig erwiesen und wird auch allgemein angewendet. Den technologischen und ökonomischen Vorteilen der Mikrostrip-Technologie stehen die Nachteile geringer Bandbreite und dielektrischer Verluste gegenüber.

Bei Verwendung eines einzelnen Strahlerelementes ist man nicht an die vorher beschriebenen ökonomischen Zwänge gebunden und hat daher mehr Freiheiten in der konstruktiven Gestaltung hinsichtlich der Erzielung bestimmter Eigenschaften für einen beabsichtigten Verwendungszweck. So läßt sich beispielsweise die Bandbreite durch Vergrößern des Abstandes zwischen Patch und Grundfläche erweitern; beschrieben in "Microstrip Antenna Technologie" von K. R. Carver und J. W. Mink, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, January 1981, Volume AP-29 Number 1.

Eine besondere Ausführungsform ist aus DE OS 34 36 227 bekannt geworden. Hier wird das Strahlerelement eines Antennenstrahlers beschrieben, welches in Mikro-Strip- Technologie hergestellt ist. Es ist gekennzeichnet durch Dielektrika, die eine untere, als Masse dienende Metallschicht, einen inneren Metallbelag und einen oberen Metallbelag trennen. Das Strahlerelement weist jeweils nur eine strahlende Kante auf während die andere kurzgeschlossen ist. Diese Ausführungsform ist besonders zur Realisierung anpaßbarer Antennen geeignet, die halbkugelförmige Antennencharakteristik haben. Nicht geeignet ist sie daher für den Einsatz als Erreger für Spiegelantennen, wenn möglichst gleiche Strahlbreiten in E- und H-Ebene bei größtmöglicher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad gefordert sind. Üblicherweise kommen hierfür Dipolerreger zur Anwendung, die jedoch die Forderung nach gleichen Strahlbreiten nicht erfüllen. Dipolerreger erfordern außerdem einen hohen Fertigungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Patch-Antenne zu schaffen, die neben einer möglichst großen Bandbreite auch gleiche Strahlbreiten in der E- und H-Ebene aufweist und damit u. a. geeignet ist zur Erregung von achsensymmetrischen und Offset-Parabolspiegeln. Dabei soll der Fertigungsaufwand gegenüber den bei achsensymmetrischen Spiegeln üblicherweise verwendeten Dipolerregern deutlich reduziert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Patch-Antenne mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafterweise wird für das dielektrische Trägermaterial Luft verwendet, wodurch der Abstand zwischen Patch und Grundfläche frei wählbar ist. Die Abmessungen des Patchelements und des Grundelements sind dabei so gewählt, daß sich gleiche Strahlbreiten in der E- und H-Ebene ergeben, was für die gleichmäßige Ausleuchtung des Parabolspiegels vorteilhaft ist. Der Abstand zwischen Patch und Grundfläche wiederum kann so gewählt werden, daß die Anpassung an den Wellenwiderstand der Eingangsbuchse bei möglichst großer Bandbreite auf einfachste Weise realisierbar ist. Ferner wird durch geeignete Wahl der Brennweite des Parabolspiegels erreicht, daß der für ausreichenden Gewinn bei guter Nebenstrahlungsdämpfung erforderliche Randabfall des Erregerpegels einerseits und der zur Vergrößerung der Bandbreite bezüglich eines geforderten Eingangs-VSWR notwendige Abstand zum Spiegelscheitel andererseits erfüllbar ist.

Eine mit der erfindungsgemäßen Patch-Antenne als Strahler aufgebaute Parabolantenne weist im Vergleich mit einer Antenne mit Dipolspeisung die folgenden Merkmale auf. Die Strahlungsdiagramme der Antenne in der E- und H-Ebene sind nahezu gleich. Die Nebenstrahlungsdämpfung in der H-Ebene im Winkelbereich von 35 Grad bis etwa 100 Grad von der Hauptstrahlrichtung ist ca. 10 dB höher. Der Gesamtwirkungsgrad ist gleich, obwohl wegen der gleichmäßigeren Ausleuchtung ein höherer Wirkungsgrad erwartet werden können. Die Ursache liegt in dem Phasenfehler in der Spiegelapertur, der in dem nicht punktförmigen Phasenzentrum des Patch-Erregers zu suchen ist. Die relative Bandbreite ist etwa 1% bis 2% kleiner. Der Fertigungsaufwand ist wesentlich geringer. Der Erregerwirkungsgrad, z. B. bei Verwendung als separate Antenne, ist mit 95% vergleichbar sehr hoch.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht und

Fig. 2 eine Draufsicht nach Fig. 1.

Auf einem Grundelement 1 ist eine als Speiseleitung 2 dienende Koax-Eingangsbuchse montiert, deren Außenleiter 3 mit dem Grundelement 1 leitend verbunden ist. Der verlängert ausgebildete Innenleiter 4 durchdringt isoliert das Grundelement 1 und trägt ein parallel zu dieser ausgerichtetes Patchelement 5, welches wiederum leitend, aber in diesem Fall mit dem Innenleiter 4 verbunden ist. Als Dielektrikum zwischen Grundelement 1 und Patchelement 5 dient in dieser Ausführung Luft.

Aus Fig. 2 ist die als Sechseck ausgebildete geometrische Form des Patchelementes 5, die aus zwei spiegelbildlichen Trapezflächen gebildet ist, erkennbar, wobei die Abmessung L der Trapezgrundseite ca. das 0,5fache, die Abmessung B der zur Trapezgrundseite parallelen Seite das 0,25fache und die Abmessung der doppelten Trapezhöhe A das 1fache der mittleren Betriebswellenlänge betragen.

Das Grundelement 1 hat bei gleicher Form des Patchelements 5 zweckmäßigerweise eine um den Faktor 2 größere Flächenabmessungen A′, B′, C′ als das Patchelement 5.

Das Patchelement 5 könnte auch die Form eines Rhombus haben. Egal aber welche Form das Patchelement 5 hat, kann sie durch ein Vieleck angenähert werden.

Um eine Anpassung zwischen Grund-, Patchelement und Speiseleitung zu erwirken, sollte der Abstand H zwischen dem Grundelement 1 und dem Patchelement etwa dem 0,1fachen der mittleren Betriebswellenlänge entsprechen.

Wird der Innenleiter 4 der Speiseleitung biegesteif ausgebildet, so kann er als Kalter für das Patchelement (5) dienen.

Am Rand des Grundelements 1 können abgewinkelte Befestigungslaschen (in der Zeichnung nicht dargestellt) für Haltestreben vorgesehen werden, mit denen der Antennenstrahler z. B. in einem Parabolspiegel befestigt werden kann.

Claims (9)

1. Antennenstrahler, der ein als Massefläche dienendes Grundelement ein darüber im Abstand angeordnetes, eine leitende Fläche bildendes Patchelement, wobei sich zwischen dem Grundelement und dem Patchelement verlustarmes Dielektrikum befindet, und eine koaxiale Speiseleitung aufweist, deren Außenleiter mit dem Grundelement und deren Innenleiter mit dem Patchelement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Patchelement (5) eine ellipsenähnliche Form besitzt und daß der Abstand (H) zwischen dem Grundelement (1) und dem Patchelement (5) so gewählt ist, daß zwischen diesen beiden Elementen (1, 5) und der Speiseleitung (2, 3, 4) eine Widerstandsanpassung herrscht.

2. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum Luft ist.

3. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Patchelement (5) die Form eines Sechseckes hat, das aus zwei spiegelbildlichen Trapezflächen gebildet ist, wobei die Abmessung (L) der Trapezgrundseite ca. das 0,5fache, die Abmessung (B) der zur Trapezgrundseite parallen Seite das 0,25fache und die Abmessung der doppelten Trapezfläche (A) das 1fache der mittleren Betriebswellenlänge betragen.

4. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Patchelement, die Form eines Rhombus hat.

5. Antennenstrahler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Patchelements (5) durch ein Vieleck angenähert ist.

6. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Grundelementes (1) der Form des Patchelementes (5) angenähert ist, wobei die Flächenabmessungen (A′, B′, C′) des Grundelementes (1) um den Faktor 2 größer sind als die des Patchelements (5).

7. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Grundelement (1) und dem Patchelement (5) ca. das 0,1fache der mittleren Betriebswellenlänge entspricht.

8. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Patchelement (5) von dem biegesteif ausgebildeten Innenleiter 4 der koaxialen Speiseleitung gehalten wird.

9. Antennenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundelement (1) am Rand abgewinkelte Befestigungslaschen aufweist.