DE60130561T2

DE60130561T2 - Doppelpolarisierter aktiver mikrowellenreflektor, insbesondere für antenne mit elektronischer strahlschwenkung

Info

Publication number: DE60130561T2
Application number: DE60130561T
Authority: DE
Inventors: Claude Chekroun; Serge Drabowitch
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: EP1305846B1; JP2004505582A; FR2812457B1; US6703980B2; AU2001279889A1; WO2002011238A1; FR2812457A1; DE60130561D1; EP1305846A1; CA2385787A1; US20020145492A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Mikrowellenreflektor mit elektronischer Strahlschwenkung und mit Zweifachpolarisation, der durch eine Mikrowellenquelle angestrahlt werden kann, um eine Antenne zu bilden.
Es ist bekannt, Antennen zu verwirklichen, die einen aktiven Mikrowellenreflektor enthalten. Dieser Letztere, der übrigens in der angelsächsischen Literatur mit "Reflect Array" bezeichnet wird, ist ein Netz aus Phasenschiebern, die elektronisch gesteuert werden können. Dieses Netz erstreckt sich in einer Ebene und enthält ein Netz aus phasengesteuerten Elementen oder ein Phasenverschiebungsnetz (réseau phasé), das vor Reflektormitteln angeordnet ist, die beispielsweise durch eine metallische Masseebene, die die Masseebene bildet, gebildet sind. Das Reflektornetz enthält insbesondere Elementarzellen, die jeweils für die Mikrowelle, die sie empfangen, die Reflexion und die Phasenverschiebung, die durch elektronische Steuerung veränderlich sind, ausführen. Eine solche Antenne verleiht eine große Strahlenbündelagilität. Eine Primärquelle, beispielsweise ein Hornstrahler, der vor dem Reflektornetz angeordnet ist, sendet zu diesem Letzteren Mikrowellen aus.
Das Patent US-A-3 706 998 stellt eine Antenne mit zwei Polarisationen mit verschachtelten Netzen dar.
Ein Ziel der Erfindung ist es insbesondere, die Verwirklichung einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung zu schaffen, die ein aktives Reflektornetz verwendet und in zwei unabhängigen Polarisationen arbeitet. Hierzu hat die Erfindung einen aktiven Mikrowellenreflektor zum Gegenstand, der eine elektromagnetische Welle empfangen kann und zwei verschachtelte Wellenleiternetze enthält. Der Boden jedes Leiters ist durch eine Schaltung abgeschlossen, die die Reflexion und die Phasenverschiebung der Welle, die sie empfängt, verwirklicht, wobei eines der Netze dazu bestimmt ist, eine der Polarisationen zu empfangen, und das andere Netz dazu bestimmt ist, eine zu der Vorhergehenden senkrechte Polarisation zu empfangen.
Eine Ausführungsform kann wie im Anspruch 1 definiert beschaffen sein.
Die Erfindung hat außerdem eine Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung zum Gegenstand, die einen Reflektor wie oben definiert enthält. Diese Antenne kann beispielsweise vom "Reflect Array"-Typ oder vom Cassegrain-Typ sein.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass sie ermöglicht, einen kompakten Reflektor mit geringem Gewicht zu erhalten, der einfach herzustellen ist und kostengünstig ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung, die unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung mit aktivem Mikrowellenreflektor zeigt;
2 eine Veranschaulichung des Verwirklichungsprinzips eines Reflektors gemäß der Erfindung zeigt;
3 ein Ausführungsbeispiel einer Phasenverschiebungszelle zeigt;
4a, 4b und 4c eine Veranschaulichung einer möglichen Verschachtelungsart der Leiternetze eines Reflektors gemäß der Erfindung zeigen;
5 in einer Schnittansicht die möglichen aufeinander folgenden Schichten eines Reflektors gemäß der Erfindung zeigt;
6 eine mögliche Ausführungsform der Leiternetze eines Reflektors gemäß der Erfindung zeigt;
7 eine komplementäre Ausführungsform zeigt, die insbesondere die Verringerung des Anteils stationärer Wellen ermöglicht.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung mit aktivem Reflektornetz gegenüber einem orthonormierten Koordinatensystem Oxyz. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Mikrowellenverteilung beispielsweise vom sogenannten optischen Typ, d. h., dass sie beispielsweise mit Hilfe einer Primärquelle sichergestellt ist, die das Reflektornetz bestrahlt. Hierzu enthält die Antenne eine Primärquelle 1, beispielsweise einen Hornstrahler. Die Primärquelle 1 sendet Mikrowellen 3 zum aktiven Reflektornetz 4 aus, der in der Ebene Oxy angeordnet ist. Dieses Reflektornetz 4 enthält eine Gruppe von Elementarzellen, die die Reflexion und die Phasenverschiebung der Wellen, die sie empfangen, verwirklichen. Somit ist es durch Steuerung der Phasenverschiebungen, die der empfangenen Welle durch jede Zelle aufgeprägt wird, möglich und auch bekannt, ein Mikrowellenstrahlenbündel in der gewünschten Richtung zu erzeugen. Mit einem Reflektor gemäß der Erfindung kann die Primärquelle 1 eine Zweifachpolarisation aufweisen.
2 veranschaulicht das Ausführungsprinzip eines Reflektors gemäß der Erfindung. Dieser Letztere enthält zwei verschachtelte Wellenleiternetze 21, 22. Diese Leiter werden in Richtung F betrachtet, d. h. in einer Vorderansicht des Reflektors 4. Die Figur zeigt somit insbesondere den Querschnitt der Leiter in der Ebene Oxy, wobei sich die Wände der Leiter in der Richtung Oz erstrecken. Jeder Leiter gehört zu einer Elementarzelle, wie oben erwähnt worden ist. Ein erstes Leiternetz 21 ist dazu bestimmt, die vertikale Polarisation zu empfangen, während ein zweites Leiternetz 22 dazu bestimmt ist, die horizontale Polarisation zu empfangen. Die Mikrowellen 3, die auftreffen, dringen in die Leiter ein. Jeder Leiter 21, 22 ist durch einen Phasenschieber, wie er beispielsweise in der französischen Patentanmeldung Nr. 97 01326 beschrieben ist, der durch zwei bis vier Bits oder mehr steuerbar ist, kurzgeschlossen.
3 zeigt schematisch eine Phasenverschiebungszelle. Diese enthält somit einen Leiter 21, 22 und eine Phasenverschiebungsschaltung 31, wobei diese Letztere auf dem Boden des Leiters in der Ebene Oxy angeordnet ist. Eine Phasenverschiebungsschaltung 31 enthält wenigstens einen Leiterdraht 32, 33, der seinerseits wenigstens zwei Halbleiter D₁, D₂, beispielsweise Dioden mit zwei Zuständen, trägt. Die Leiterdrähte und die Dioden sind auf einem dielektrischen Träger 34 angeordnet, dessen gegenüberliegende Seite eine Leiterebene besitzt, die die Mikrowelle reflektiert. Diese Leiterebene ist beispielsweise mit den Wänden des Leiters 21, 22 in elektrischem Kontakt. Eine Elementarzelle 31 verwirklicht somit die Reflexion und die Phasenverschiebung der Mikrowelle 3, die sie als Komponente der Welle empfängt, deren Polarisation im Wesentlichen zu den Leiterdrähten 32, 33 parallel ist. Beispielsweise wirkt die Zelle wie eben durch 3 veranschaulicht auf eine Welle ein, die in der Richtung Oy polarisiert ist, die zu der Richtung der Leiterdrähte 32, 33 der Zelle parallel ist. Bei horizontaler Polarisation sind nur die Leiter, die dazu bestimmt sind, diese Polarisation zu empfangen, aktiv, während die anderen kurzgeschlossen sind. Ebenso sind bei vertikaler Polarisation nur jene Leiter, die dazu bestimmt sind, diese Polarisation zu empfangen, aktiv, während die anderen kurzgeschlossen sind.
Die 4a, 4b und 4c veranschaulichen eine mögliche Verschachtelungsweise der zwei Leiternetze. 4a zeigt drei Leiter 21 des ersten Netzes, die eine Masche repräsentieren und die beispielsweise dazu bestimmt sind, die vertikale Polarisation zu empfangen. 4b zeigt drei Leiter 22 des zweiten Netzes, die eine Masche repräsentieren und dazu bestimmt sind, beispielsweise die horizontale Polarisation zu empfangen. In jedem Fall sind die beiden Netze dazu bestimmt, Wellen mit gekreuzten Polarisationen zu empfangen, wobei das zweite Leiternetz 22 von einer Polarisation beeinflusst wird, die zu der Polarisation des ersten Leiternetzes 21 senkrecht ist. Der Querschnitt jedes Leiters weist einen Mittelpunkt C auf. Da dieser Querschnitt eckig ist, ist der Mittelpunkt C der Schnittpunkt seiner zwei Medianlinien. Die Querschnitte der Leiter sind in der Ebene Oxy des Reflektors gezeigt. Beispielsweise wird davon ausgegangen, dass die Achse Ox der Richtung einer ersten Polarisation entspricht. Ebenso wird davon ausgegangen, dass die Achse Oy der Richtung der zweiten Polarisation, die zu der Vorhergehenden gekreuzt ist, entspricht. Zur Vereinfachung und beispielsweise kann im Folgenden angenommen werden, dass die Richtung Oy die vertikale Richtung ist und die Richtung Ox die horizontale Richtung ist.
4a zeigt somit ein erstes Netz von Leitern 21, die dazu bestimmt sind, die vertikalen Polarisationen zu empfangen. Das Netz enthält mehrere Gesamtheiten von aufeinander ausgerichteten Leitern. Eine Leiterlinie erstreckt sich in horizontaler Richtung Ox, wobei sich die Gesamtheit der Linien in der vertikalen Richtung Oy erstreckt. Für dieselbe Linie sind die aufeinander folgenden Zentren C von zwei Leitern 21 durch einen Abstand d voneinander getrennt. Zwei aufeinander folgende Linien sind um einen Abstand h in Richtung Oy voneinander getrennt und zueinander um den Abstand d/2 in Richtung Ox versetzt. Mit anderen Worten, zwei aufeinander folgende Medianlinien 41, 42 sind um h beabstandet, wobei die Medianlinien jene Medianlinien der Leiter in Richtung Ox sind. Zwischen zwei aufeinander folgenden Linien ist ein Versatz von d/2 der Mittelpunkte der Leiter vorhanden.
4b zeigt das zweite Netz von Leitern 22, die dazu bestimmt sind, die horizontale Polarisation zu empfangen. Die Anordnung der Leiter ist zu jener des Netzes von 4a ähnlich, die Gesamtheit ist jedoch um 90° gedreht. In diesem Fall erstrecken sich die Linien entlang der Achse Oy, wobei sich die Gesamtheit der Linien entlang der Achse Ox erstreckt. Für dieselbe Linie sind die Zentren C von zwei aufeinander folgenden Leitern 22 um einen Abstand d getrennt. Zwei aufeinander folgende Linien sind um einen Abstand h in Richtung Ox getrennt und relativ zueinander um den Abstand d/2 in Richtung Oy versetzt. Mit anderen Worten, zwei aufeinander folgende Medianlinien 43, 44 sind um h beabstandet, wobei die Medianlinien jene Medianlinien der Leiter in Richtung Oy sind. Zwischen zwei aufeinander folgenden Linien ist ein Versatz von d/2 der Mittelpunkte der Leiter vorhanden.
4c definiert die Verschachtelung von zwei Leiternetzen, in dem sie zeigt, wie ein Leiter 22 eines Netzes in Bezug auf die Leiter 21 des anderen Netzes angeordnet ist. Dieser Leiter 22 grenzt ausschließlich an Leiter 21 des anderen Netzes an. Im Fall von 4c grenzt der Leiter 22 an vier Leiter 21 des anderen Netzes an. Der Mittelpunkt C dieses Leiters 22 ist auf die Mittelpunkte der zwei Paare von Leitern 21, die den Leiter 22 umgeben, ausgerichtet. Auf diese Weise wird ein Maschenwerk wie in 2 gezeigt erhalten. Die inneren Abmessungen der Wellenleiter 21, 22 sind beispielsweise 0,6λ und 0,3λ (λ = Wellenlänge 3) in Längen- bzw. Breitenrichtung, wobei sich die Länge der Leiter in Richtung der Linien der Netze erstreckt. Der Abstand d zwischen den Mittelpunkten C von zwei aufeinander folgenden Leitern derselben Linie ist dann beispielsweise gleich λ, während der Abstand h zwischen den Medianlinien 41, 42, 43, 44 von zwei aufeinander folgenden Linien beispielsweise durch λ/2 gegeben ist. Beispielsweise sind für eine Mikrowelle von 3 bis 10 gHz die inneren Abmessungen eines Wellenleiters 1,8 cm bzw. 0,9 cm, während die Abstände d und h 3 cm bzw. 1,5 cm sind. Dieses Maschenwerk ermöglicht insbesondere eine Erweiterung (dépointage) des durch den Reflektor 4 reflektierten Strahlenbündels auf einen Kegel von etwa 60°.
5 zeigt in einer Schnittansicht die möglichen aufeinander folgenden Schichten eines Reflektors gemäß der Erfindung. Er enthält wenigstens drei Schichten 51, 52, 53. Eine erste Schicht 51 enthält die Phasenverschiebungs-Mikrowellenschaltungen, d. h. insbesondere die Dioden D₁, D₂, die Leiterdrähte, die sie tragen, und die zugeordneten Anschlussschaltungen. Die Mikrowellenschaltungen werden beispielsweise durch ein Substrat 54 unterstützt. Auf der den Mikrowellenschaltungen gegenüberliegenden Seite ist dieses Substrat mit einer Metallisierungsschicht 56 abgedeckt, die eine Leiterebene bildet, die insbesondere die Funktion hat, Mikrowellen 3 zu reflektieren. Im X-Band liegt die Dicke e_h des Substrats beispielsweise in der Größenordnung von 3 mm, während die relative Dielektrizitätskonstante ε_r in der Größenordnung von 2,5 liegt. Eine zweite Schicht 52 enthält die Steuerschaltungen 55 der Dioden D₁, D₂ der Phasenschieber. Diese Schicht gewährleistet außerdem die Verbindung zwischen den Steuerschaltungen und den Dioden. Hierzu hat sie beispielsweise die Struktur einer gedruckten Mehrschichtschaltung, die die Zwischenverbindungsebenen der Steuerschaltungen mit den Mikrowellenschaltungen enthält. Schließlich enthält eine dritte Schicht 53, die gegenüber den Mikrowellenschaltungen D₁, D₂ angeordnet ist, die zwei Wellenleiternetze.
6 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Wellenleiterschicht 53. Diese Ausführungsform ist vor allem einfach auszuführen. Die Wände der Leiter 21, 22 sind durch metallisierte Löcher 61, 62 verwirklicht, die in Richtung Oz orientiert sind. Diese metallisierten Löcher könnten durch Leiterdrähte ersetzt sein, d. h. durch geradlinige elektrische Leiter, die in Richtung Oz orientiert sind. Die auf diese Weise verwirklichten Leiter haben beispielsweise gemeinsame Wandabschnitte, d. h., dass drei metallisierte Löcher 63, 64 zwei Leitern gemeinsam sind. In diesem Fall haben zwei benachbarte Leiter drei metallisierte Löcher gemeinsam. Die metallisierten Löcher sind in einer Platte aus einem dielektrischen Material mit einer Dicke e_g verwirklicht, wobei diese Dicke die Länge der Leiter bildet. Die metallisierten Löcher sind ausreichend nahe nebeneinander angeordnet, um die Rolle von Wänden von Wellenleitern zu spielen. Diese drei metallisierten Löcher 61, 62 durchlaufen somit jede dritte Schicht 53. Sie sind in der Mikrowellenschicht 51 verlängert, um die Leiterebene 56 zu erreichen. Sie ermöglichen somit außerdem die elektromagnetische Entkopplung jener Phasenverschiebungsschaltung 32, 33, D₁, D₂ von ihren Nachbarn, indem sie eine elektromagnetische Abschirmung bilden. Es erfolgt daher keine Wellenausbreitung von einer Zelle zur anderen. Vorteilhaft können bestimmte metallisierte Löcher 61, 64 in die Schicht 52 verlängert sein, die die Steuerschaltungen trägt. Diese Löcher, die verlängert sind, ermöglichen insbesondere die elektrische Verbindung der Steuerschaltungen mit den Dioden der Phasenschieberschaltungen der Mikrowellenschicht 51. Diese metallisierten Löcher 61, 64 transportieren somit die Steuerung der Dioden sowie die elektrische Versorgung der Schaltungen. Sie sind beispielsweise mit verschiedenen Zwischenverbindungsebenen der Steuerschicht 52 verbunden. Beispielsweise werden die schwarz dargestellten metallisierten Löcher 61, 64 auch für die Versorgung und die Steuerung der Mikrowellenschaltungen verwendet. Diese Löcher 61, 64 durchqueren insbesondere die Leiterebene 56 ohne elektrischen Kontakt mit dieser Letzteren. Die anderen Löcher 62, 63 enden beispielsweise auf Höhe dieser Leiterebene 56 und sind mit dieser Letzteren in elektrischem Kontakt. Die Dicke e_g der Wellenleiterschicht liegt beispielsweise in der Größenordnung eines Zentimeters. Es müssen beispielsweise in dieser Leiterschicht 53 Hohlräume vorgesehen sein, um die Dioden D₁, D₂ der Mikrowellenschicht 51 unterzubringen. Vorteilhaft ist das Gewicht eines Reflektors gemäß der Erfindung auf Grund des geringen Gewichts der verschiedenen Schichten gering. Außerdem bleibt der Reflektor trotz der Wellenleiterschicht stets kompakt.
7 veranschaulicht eine komplementäre Ausführungsform, die insbesondere die Verringerung des aktiven Anteils stationärer Wellen (TOS) ermöglicht. Der Eingang der Leiter 21, 22 weist eine Iris 71 mit rechtwinkliger Öffnung auf, wobei die Gesamtheit durch ein dielektrisches Blättchen 72 verschlossen ist. In dieser Ausführungsform kann die Wellenleiterschicht 53 durch eine Schicht abgedeckt sein, die die Iriselemente bildet, wobei die Gesamtheit durch eine dielektrische Schicht verschlossen ist.
Ein Reflektor gemäß der Erfindung kann für verschiedene Typen von Antennen verwendet werden. Er kann wie in 1 gezeigt verwendet werden, um eine Antenne des "Reflect Array"-Typs zu bilden. Ebenso kann er in einer Antenne des Cassegrain-Typs verwendet werden. In diesem letzteren Fall ist die Primärquelle im Zentrum des Reflektors angeordnet und bestrahlt einen Hilfsreflektor. Dieser Letztere bestrahlt seinerseits durch Reflexion den Reflektor gemäß der Erfindung.
Ein Reflektor oder eine Antenne gemäß der Erfindung sind einfach auszuführen. Sie sind außerdem kostengünstig, weil die Komponenten und die Technologien, die verwendet werden, kostengünstig sind. Die Erfindung hat außerdem alle Vorteile, die mit der Zweifachpolarisation einhergehen. Eine Antenne gemäß der Erfindung kann somit beispielsweise für Polarimetriemessunen an Zielen verwendet werden, insbesondere durch Aussenden auf einer Polarisation und durch Empfangen auf einer anderen Polarisation. Sie kann in Anwendungen der Telekommunikation beispielsweise im Bi-Band verwendet werden.

Claims

Aktiver Mikrowellenreflektor, der eine elektromagnetische Welle (3) empfangen kann, mit zwei Netzen von Wellenleitern (21, 22), wobei der Boden jedes Wellenleiters von einer Phasenverschiebungsschaltung (31) verschlossen wird, die die Reflexion und die Phasenverschiebung der Welle durchführt, die sie empfängt, wobei ein Netz dazu bestimmt ist, eine Polarisation zu empfangen und das andere Netz dazu bestimmt ist, eine Polarisation lotrecht zur vorhergehenden zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Netze so verschachtelt sind, dass: – ein erstes Netz mehrere Gruppen von fluchtend ausgerichteten Wellenleitern (21) mit Rechteckquerschnitt aufweist, wobei sich eine Zeile gemäß einer Richtung Ox erstreckt und sich die Gesamtheit der Zeilen gemäß einer lotrechten Richtung Oy erstrecken, wobei in einer Zeile die Mitten C der Querschnitte von zwei aufeinanderfolgenden Wellenleitern (21) um einen Abstand d getrennt sind, während zwei aufeinanderfolgende Zeilen um einen Abstand h = d/2 gemäß Oy getrennt und zueinander um den Abstand d/2 gemäß Ox verschoben sind; – das zweite Netz mehrere Gruppen von Wellenleitern (22) aufweist, die in der gleichen Weise wie im ersten Netz fluchtend ausgerichtet sind, wobei die Zeilen winkelmäßig um 90° bezüglich denjenigen des ersten Netzes verschoben sind.
Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens drei Schichten aufweist: – eine Schicht (51), die die Phasenverschiebungsschaltungen aufweist; – eine Schicht (52), die die Steuerschaltungen (55) der Phasenverschiebungsschaltungen aufweist, wobei diese Schicht außerdem die Verbindung zwischen den Steuerschaltungen und den Dioden gewährleistet; – eine Schicht (53), die gegenüber den Phasenverschiebungsschaltungen angeordnet ist und die zwei Netze von Wellenleitern (21, 22) aufweist.
Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Wellenleiter (21, 22) von geradlinigen angenäherten elektrischen Leitern (61, 62, 63, 64) hergestellt werden, die die Schicht (53) durchqueren und lotrecht zur Ebene (Oxy) der Phasenverschiebungsschaltungen ausgerichtet sind.
Reflektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (21, 22) außerdem die Schicht (51) durchqueren, die die Phasenverschiebungsschaltungen aufweist, wobei die Leiter die Mikrowellenentkopplung zwischen benachbarten Phasenverschiebungsschaltungen gewährleisten.
Reflektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leiter in die Steuerschicht (52) eindringen, um Steuersignale zu der Schicht (51) zu transportieren, die die Phasenverschiebungsschaltungen enthält.
Reflektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter metallbeschichtete Löcher sind.
Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungsschaltung (31) mindestens einen Leiterdraht (32, 33) aufweist, der selbst mindestens zwei Halbleiter (D₁, D₂) mit zwei Zuständen trägt, wobei die Leiterdrähte und die Halbleiter auf einem dielektrischen Träger (34) angeordnet sind, dessen gegenüberliegende Seite eine leitende Ebene aufweist, die die Mikrowelle reflektiert, wobei die Phasenverschiebungsschaltung die Welle, die sie empfängt, für die Komponente der Welle reflektiert und in Phase verschiebt, deren Polarisation im Wesentlichen parallel zu den Leiterdrähten ist.
Mikrowellenantenne mit elektronischer Abtastung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Mikrowellenquelle (1) aufweist, die den Reflektor beleuchtet.
Mikrowellenantenne mit elektronischer Abtastung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, um eine Antenne vom Typ Cassegrain zu bilden, wobei eine Mikrowellenquelle nahe der Mitte des Reflektors (4) angeordnet ist, um einen Hilfsreflektor zu beleuchten, der den Reflektor (4) durch Reflexion beleuchtet.