DE4340391A1

DE4340391A1 - Mikrowellenantenne

Info

Publication number: DE4340391A1
Application number: DE19934340391
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Lange; Steffen Dr Ing Haffa; Thomas Dipl Ing Kaczmarek
Original assignee: Hirschmann Richard Co GmbH
Current assignee: Hirschmann Richard Co GmbH
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 1995-06-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit einem Hohlleiter.

Mikrowellenantennen sind in vielfältigster Ausführungs form beispielsweise als Primärstrahler in Reflektoran tennen bekannt. Derartige Mikrowellenantennen liegen als Pyramiden-, Trichter-, Exponential- oder Rillenhörner oder aber auch als seit Jahrzehnten bekannte dielektri sche Stielstrahler vor. Derartige bekannte Mikrowellenan tennen sind großvolumig mit hohem Platzbedarf, so daß sie bei den heutzutage besonders interessanten Anwendungen im Zusammenhang mit sogenannten Multifeedsystemen nur in be grenztem Maße verwendbar sind. Der Abstand von Orbitposi tionen benachbarter Satelliten beträgt nämlich typischer weise nur 3°, so daß dementsprechend auch der Abstand von zwei Erregerhörnern, die typischerweise bei Doppelfeed- Empfangsanlagen verwendet werden, gering ist. Mit den be kannten Mikrowellenantennen läßt sich daher der notwendi ge kleine Abstand für einen optimalen Wirkungsgrad häufig nicht verwirklichen. Darüber hinaus ist der konstruktive Aufwand, der Materialbedarf und damit der Kostenaufwand bei den herkömmlichen Mikrowellenantennen hoch und die Gestaltungsfreiheit bezüglich der Wahl und Vorgabe der Antennencharakteristika und Diagrammformung gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mi krowellenantenne zu schaffen, die einen geringen Raumbe darf erfordert, mit geringem Material und Fertigungsauf wand insbesondere auch bei Serienfertigung herstellbar ist und bei der die Antennencharakteristik über geome trische Parameter einstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Mikrowellenantenne mit einem Hohlleiter dadurch gelöst, daß in einem Abstand von der Hohlleiteröffnung wenigstens ein Streukörper vor gesehen ist. Eine derartige Mikrowellenantenne ist denk bar einfach aufgebaut und sehr platzsparend. Darüber hin aus ergibt sich eine hohe Gestaltungsfreiheit bezüglich der Diagrammformung und Filterwirkung durch die geome trische Ausbildung des Streukörpers.

Vorzugsweise ist der Streukörper planar bzw. konformal.

Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be steht darin, daß die Hohlleiteröffnung in der Ebene einer leitenden Fläche, beispielsweise einer Metallfläche oder einer metallisierten Fläche, liegt. Im Sendefall werden im Streukörper, der vorzugsweise ein dielektrischer Kör per ist, Ströme durch die vom Hohlleiter abgestrahlten Wellen induziert, wobei die Ströme wiederum Wellen emi ttieren, die an der leitenden Fläche reflektiert werden. Durch die Überlagerung dieser reflektierten Wellen mit den vom Hohlleiter abgestrahlten Wellen und den vom Streukörper emittierten Wellen ergibt sich die Möglich keit über geometrische Parameter Einfluß auf die Dia grammformung und Filterwirkung, sowie die Phasenlage der Mikrowellenantenne zu nehmen.

Vorzugsweise weist die leitende Fläche Abmessungen auf, die größer als die halbe Wellenlänge der zu sendenden oder zu empfangenden Welle sind. Die leitende Fläche ist gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ein die Hohlleiter öffnung umgebender Kranz oder Flansch, oder auch Teil eines Gehäuses, das beispielsweise einen Konverter, etwa einen heutzutage verwendeten Low-Noise-Konverter zu des sen Schutz umgibt. Vorzugsweise ist dabei der Streukörper am Gehäuse angeordnet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er findung weist der Streukörper metallisch leitende Streu elemente auf. Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfin dung sind die Streuelemente schleifenförmig und/oder ringförmig ausgebildet, eindimensional oder zweidimen sional symmetrisch, quadratische Rahmen oder rautenför mig, wobei die einzelnen Streuelemente gleiche Abmes sungen oder unterschiedliche Abmessungen aufweisen kön nen, und/oder zur Hohlleiteröffnung versetzt angeordnet sind. Weitere Ausführungsformen der Streuelemente be stehen darin, daß sie in mindestens zwei Ebenen überein ander angeordnet bzw. als Multilayer-Struktur aufgebaut sind. All diese Ausführungsformen sind je nach den ge wünschten Strahlformen, Antennencharakteristika, Dia grammformen und Filterwirkungen wählbar, um die Empfangs- bzw. Sendeeigenschaften der Mikrowellenantenne zu opti mieren.

Bezüglich der Ausbildung und Fertigung der Streuelemente ist es vorteilhaft, wenn diese in bzw. auf einer metal lischen Fläche ausgebildet sind, die Aussparungen auf weist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Streu elemente mittels auf einer dielektrischen Schicht aufge brachten, elektrisch leitenden Bereichen auszubilden.

Eine Verbesserung der Strahlungseigenschaften der Mikro wellenantenne besteht gemäß einer weiteren Ausführungs form der Erfindung darin, daß wenigstens ein Teil des Raumes zwischen den Streuelementen und der Hohlleiter öffnung bzw. der leitenden Fläche mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist.

Vorzugsweise weisen die Streuelemente einen Umfang in der Größenordnung der Wellenlänge einer abgestrahlten oder empfangenen Freiraumwelle auf. Die Amplitude der indu zierten Ströme ist für diesen Fall, etwa bei Verwendung von quadratischen Rahmen als Streuelemente, so groß, daß die Strahlformung auf effiziente Weise erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist die Resonanzfrequenz der Streuelemente durch deren Abmessungen bestimmt. Vorzugsweise ist auch die An regungsphase der Streuelemente durch deren Abmessungen bestimmt. Die Anregungsphase der Streuelemente kann je doch alternativ oder zusätzlich durch den Abstand der Streuelemente zur Hohlleiteröffnung, d. h. im Sendefalle zum Erregerfeld bestimmt werden.

Die Charakteristik bzw. Diagrammform der Mikrowellenan tenne ist vorzugsweise einstellbar durch die Anzahl der Streuelemente, und/oder der Abmessungen der Streuelemente und/oder der Positionierung der Streuelemente relativ zu einander und/oder relativ zur Hohlleiteröffnung, also be züglich des Erregerfelds, durch den Abstand der Streuele mente zur Hohlleiteröffnung, also zum Erregerfeld, und/oder durch die Anzahl der Schichten, d. h. durch die Verwendung einer Multilayer-Struktur.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungs gemäßen Mikrowellenantenne als Erregersystem für Para bolreflektoren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Mikrowellenantenne in schematischer Darstellung mit schematischer Skizzierung des Verlaufs der Wellen im Sendefall;

Fig. 2 die Anordnung der Streuelemente auf dem Streukör per gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform für die Anordnung der Streuelemente auf den Streukörper;

Fig. 4 eine Ausführungsform in schematischer Darstellung, bei der der Streukörper am Gehäuse eines Konver ters angebracht ist;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Dielektrikum zwischen Streukörper und Hohl leiteröffnung bzw. leitender Fläche, in schema tischer Darstellung;

Fig. 6 die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikrowellen antenne im Zusammenhang mit einem Parabolreflektor und

Fig. 7 zwei Mikrowellenantennen, wie sie platzsparend beispielsweise für ein Multifeedsystem angeordnet sind.

Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen schematischen Schnitt darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne ist ein Hohlleiter 1 mit einer als Flansch oder Kranz ausgebildeten leitenden Fläche 2 vor gesehen, die in der Ebene einer Hohlleiteröffnung 3 ange ordnet ist. In einem Abstand a gegenüber der Hohlleiter öffnung 3 bzw. der leitenden Fläche 2 befindet sich ein Streukörper 4, vorzugsweise ein dielektrischer Körper, in oder auf dem sich Streuelemente 5 befinden.

Anhand der in Fig. 1 schematisch dargestellten Wellenver läufe für den Sendefall wird die Funktionsweise der er findungsgemäßen Mikrowellen nachfolgend erläutert. Im Sendefall strahlt der Hohlleiter 1 über seine Hohlleiter öffnung 3 eine elektromagnetische Welle E₁ mit der Phase ϕ₁ ab; sie trifft auf den Streukörper 4 mit den elek trisch leitenden, vorzugsweise metallischen Streuelemen ten 5 auf, in denen dadurch Ströme induziert werden. Diese Ströme bewirken, daß die Streuelemente 5 Streufel der E_2r bzw. E_2t mit den Phasen ϕ_2r bzw. ϕ_2t abstrahlen, die sich dem vom Hohlleiter 1 direkt abgestrahlten elektromagnetischen Feld überlagern. Die Streufelder E_2r, die auf die leitende, die Hohlleiteröffnung 3 umgebende Fläche 2 auftreffen, werden an ihr reflektiert und als Feld E₃ mit der Phase ϕ₃ emittiert. Das Fernfeld der Mikrowellenantenne ergibt sich also als Superposition von′ drei elektromagnetischen Feldern.

Eine Strahlformung ist nun durch Einstellung der Phasen lage der sich überlagernden Felder bzw. Komponenten mög lich, weil sich die Feldanteile als komplexe vektorielle Großen überlagern. Dadurch ist es auf einfache Weise im wesentlich durch die Geometrie und Anordnung der Streu elemente und deren Abstand a von der Hohlleiteröffnung 3 möglich, durch Verändern bzw. Einstellen der Phasenlage der Streufelder den Öffnungswinkel der Mikrowellenantenne beispielsweise an die auszuleuchtende Fläche eines Para bolreflektors optimal anzupassen.

Die Phase der Streufelder kann mittels leichter Verstim mung der Resonanzfrequenz der als Resonatoren wirkenden Streuelemente gegenüber dem vom Hohlleiter 1 abgestrahl ten Erregerfeld leicht verstimmt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es weiterhin möglich, die Phasenlagen der Feldanteile durch Wahl des Abstands a der als Resonatoren dienenden Streuelemente 5 einzustellen.

Die Phase ϕ_2r des auf die leitende Fläche 2 gestreuten Streufelds E_2r ergibt sich aus der Bezugsphase ϕ₁ der vom Hohlleiter abgestrahlten elektromagnetischen Welle E₁, dem Abstand a zwischen leitender Fläche 2 bzw. Hohllei teröffnung 3 und dem Streukörper 4 bzw. den Streuelemen ten 5, sowie der Verstimmung der als Resonatoren dienen den Streuelemente 5. Die Phase des an der leitenden Fläche 2 reflektierten Feldes E₃ ergibt sich aus der doppelten Weglänge 2a zwischen leitender Fläche 2 und Streukörper 4 bzw. den Streuelementen 5 mit einem Pha sensprung von 180°.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Struktur bzw. Anordnung der Streuelemente 5 auf dem Streukörper 4 sind die einzelnen Streuelemente 5 als rechteckigförmige Rahmen ausgebildet, die in gleichmäßi gen Abständen in einem symmetrischen Muster von 3×3 Streuelementen 5 im wesentlichen symmetrisch zur Hohl leiteröffnung 3 angeordnet sind.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls rechteckförmige Rahmenstrukturen für die Streu elemente vorgesehen, die jedoch in einer anderen Winkel lage als der in Fig. 2 auf dem Streukörper 4 angeordnet sind. Der wenigstens eine Streukörper 4 bzw. die an oder auf diesen angebrachten Streuelemente 5 sind vorzugsweise planare bzw. konformale Strukturen.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist der eigentliche Konverter, beispielsweise ein Low-Noise Kon verter von einem Gehäuse 6 umgeben, das in der üblichen Weise auf den Konverter aufgesetzt bzw. übergestülpt wird, um ihn vor Witterungseinflüssen zu schützen. Der Streukörper 4 ist dabei mit dem Gehäuse 6 verbunden bzw. einstückig mit ihm ausgebildet, und die Streuelemente 5 werden also mit Aufsetzen des Gehäuses 6 vor der Hohl leiteröffnung 3 des Hohlleiters 1 auf einfache Weise an geordnet. Die dem Streukörper 4 bzw. den Streuelementen 5 gegenüberliegende Außenfläche des Hohlleiters 1, dient dabei als leitende Fläche für die Reflexion der gestreu ten Wellen. Die leitende Fläche kann auch Teil des Ge häuses 6 selbst sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung gemäß Fig. 5 befindet sich zwischen der Hohllei teröffnung 3 bzw. der die Holleiteröffnung 3 umgebenden leitenden, nach außen gerichteten Fläche 2, und dem Streukörper 4 bzw. dessen Streuelementen 5 ein Dielek trikum 7, das den Zwischenraum ganz oder teilweise aus füllt und zur Verbesserung der Strahleigenschaften der Mikrowellenantenne beiträgt.

Die in Fig. 6 dargestellte schematische Anordnung zeigt die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne im Zusammenhang mit einem Parabolreflektor 8, auf dessen auszuleuchtende Fläche der Öffnungswinkel der Antenne durch die geome trischen Eigenschaften des Streukörpers 4 bzw. dessen Streuelemente 5 und/oder dem Abstand derselben zur Hohl leiteröffnung 3 optimal angepaßt werden kann.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Mikrowellenantennen nebeneinander. Auf Grund des geringen Platzbedarfs der Einzelantennen sind diese für Multifeed- Systeme besonders vorteilhaft.

Claims

1. Mikrowellenantenne mit einem Hohlleiter (1), dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand (a) von einer Hohlleiteröffnung (3) wenigstens ein Streukörper (4) vorgesehen ist.

2. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Streukörper (4) planar ist.

3. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiteröffnung (3) in der Ebene einer leitenden Fläche (2) liegt.

4. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (2) Abmessungen aufweist, die größer als die halbe Wellenlänge der zu sendenden oder zu empfan genden Welle sind.

5. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (2) ein die Hohlleiteröffnung (3) umgebender Kranz ist.

6. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (2) ein die Hohlleiteröffnung (3) umgebender Flansch ist.

7. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (2) Teil eines Gehäuses (6) ist.

8. Mikrowellenantenne nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Streukörper (4) am Gehäuse (6) angeordnet ist.

9. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) metallisch leitende Streuelemente (5) aufweist.

10. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) schleifenförmig ausgebildet sind.

11. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) ringförmig ausgebildet sind.

12. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) symmetrisch ausgebildet sind.

13. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) zweidimensisonal symmetrisch ausgebildet sind.

14. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) quadratische Rahmen sind.

15. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) rautenförmig sind.

16. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) gleiche Abmessungen aufweisen.

17. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) unterschiedliche Abmessungen aufweisen.

18. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) zur Hohlleiteröffnung zentriert angeordnet sind.

19. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) versetzt zur Hohlleiteröffnung (2) ange ordnet sind.

20. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) in mindestens zwei Ebenen übereinander an geordnet sind.

21. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) als Multilayer-Struktur aufgebaut sind.

22. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) in bzw. auf einer metallischen Fläche aus gebildet sind, die Aussparungen aufweist.

23. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) als auf einer dielektrischen Schicht auf gebrachte, elektrisch leitende Bereiche ausgebildet sind.

24. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Raumes zwischen den Streuelementen (5) und der Halbleiteröffnung (3) bzw. der leitenden Fläche (2) mit einem Dielektrikum (7) ausgefüllt ist.

25. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuele mente (5) einen Umfang in der Größenordnung der Wellenlänge einer abgestrahlten oder empfangenen Freiraumwelle aufweisen.

26. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanz frequenz der Streuelemente (5) durch ihre Abmes sungen bestimmt ist.

27. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungs phase der Streuelemente (5) durch ihre Abmessungen bestimmt ist.

28. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichne, daß die Anregungs phase der Streuelemente (5) durch ihren Abstand zur Hohlleiteröffnung (3) bestimmt ist.

29. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakte ristik der Mikrowellenantenne durch die Anzahl an Streuelementen (5) und/oder den Abmessungen der Streuelemente (5) und/oder der Positionierung der Streuelemente (5) relativ zueinander und/oder be züglich der Hohlleiteröffnung (3), und/oder den Ab stand der Streuelemente (5) zur Hohlleiteröffnung (3) und/oder die Anzahl der Schichten für die Streu elemente (5) einstellbar ist.

30. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (4) ein dielektrischer Träger ist.

31. Mikrowellenantenne nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Er regersystem für Reflektorantennen (8).