DE60208589T2

DE60208589T2 - Vivaldi-antenne

Info

Publication number: DE60208589T2
Application number: DE60208589T
Authority: DE
Inventors: James Joseph Fisher
Original assignee: Roke Manor Research Ltd
Current assignee: Roke Manor Research Ltd
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: EP1425818B1; GB2379088A; DE60208589D1; ATE315279T1; EP1425818A1; GB0120615D0; WO2003019716A1; ES2254777T3; US20050012672A1; US7088300B2; GB2379088B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Antennen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Breitbandantennen aus der Familie der Vivaldi-, Nuten- oder getaperten Schlitz (Tapered Slot)-Antennen.
Das Vivaldi-Antennenelement wurde von Gibson 1979 vorgeschlagen (P. J. Gibson, The Vivaldi Aerial, im Tagungsbericht zur 9. European Microwave Conference, GB, Juni 1979, Seiten 101–105). Die ursprünglichen Vivaldi-Antennen waren getaperte Nutenantennen mit Schlitzen, die in einer exponentiellen Trichterform aufgeweitet sind. Sie waren in herkömmlichen lithografischen Dünnfilm-Verfahren für Mikrowellen auf Trägermaterialien aufgebaut, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufwiesen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Arbeit von Gibson wurde seither fortentwickelt und umfasst jetzt auch Vivaldi-Antennen mit hohem Antennengewinn, die statt auf Aluminiumoxid auf keramischen Trägermaterialien aufgebaut sind, welche hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen, sowie auf Trägermaterialien, welche niedrige Dielektrizitätskonstanten aufweisen, beispielsweise Kunststoff. Mit Kupfer beschichtete Kunststoffe (CU-beschichtet), beispielsweise PTFE, RT/Duroid (Warenzeichen) (die verschiedene Werte haben, üblicherweise ε_T = 2,2 oder 2,94) oder Kapton (Warenzeichen) (ε_T = 3,5) werden heute konventionell verwendet, wenn einfache Fertigung, Oberflächenhaftung und Preis vorrangige Bedeutung haben. Alternativ können die leitenden Schichten auch aus anderen Materialien mit hoher Leitfähigkeit ausgebildet werden, etwa aus Gold oder aus vergoldetem Kupfer.
Vivaldi- und ähnliche Antennen werden erörtert in Langley J. D. S. et al.: „Balanced antipodal Vivaldi antenna for wide bandwidth phased arrays" (Symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne für phasengesteuerte Gruppenantennen mit großer Bandbreite), IEE Tagungsprotokoll: Microwaves, Antennas and Propagation, IEE, Stevenage, Herts, GB, Bd. 143, Nr. 2, 18. April 1996 (1996-04-18), Seiten 97–102, XP006006551 ISSN: 1350-2417; sowie Kotthaus U. et al.: „Investigation of Planar Antennas for Submillimeter Receivers" (Untersuchung von Planarantennen für Submillimeter-Empfänger), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, IEEE Inc. New York, USA, Bd. 37, Nr. 2, 1. Februar 1989 (1989-02-01), Seiten 375–380, XP000048072 ISSN: 0018-9480.
Die exponentielle Trichterform wurde ursprünglich gewählt, um eine Forderung nach einer Antenne mit konstanter Keulenbreite zu erfüllen, die den Mikrowellen-Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 20 GHz abdecken könnte. Wie Gibson in dem vorstehend erwähnten Papier erläutert, muss die Form, die die Kante des getaperten Schlitzes annimmt, vollständig in dimensionslosen, normierten Wellenlängengrößen spezifiziert werden, damit die Keulenbreite konstant gehalten wird. Exponentialkurven sind gut geeignet für Formen, die auf diese Weise spezifiziert werden.
Näherungen zu Antennen mit konstanter Keulenbreite können auch unter Verwendung von alternativen Kurventypen anstelle von Exponentialkurven erzielt werden; zu diesen Alternativen zählen Sinus-, parabolische, hyperbolische und polynomiale Kurven. Die Kanten des Schlitzes können auch als gerade Linien ausgebildet sein, in welchem Fall die Antenne auch als LTSA-Antenne (Longitudinal – oder Linear – Tapered Slot Antenna; längsgerichtete bzw. lineare Tapered Slot-Antenne) bezeichnet werden kann.
Jede herkömmliche Tapered Slot-Antenne ist aus einer dünnen leitfähigen Schicht aufgebaut, die mithilfe von lithografischen Thin Film-Verfahren auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Ein Schlitz, der an einem Ende offen ist (auch als Nut bezeichnet), wird in der leitfähigen Schicht ausgebildet, und der Spalt zwischen den Seiten des Schlitzes verbreitert sich von einer minimalen Breite an dem geschlossenen Ende des Schlitzes, auch als ein „Stumpf" bezeichnet, auf eine maximale Breite am offenen Ende. Bei herkömmlichen Vivaldi-Antennen ist der Spalt spiegelsymmetrisch entlang einer Achse durch das Zentrum des Schlitzes, wobei jede Seite der leitfähigen Schicht gemäß einer vorab definierten Exponentialformel trichterförmig aufgeweitet ist. Der trichterförmig aufgeweitete Schlitz ist ein effektives Abstrahlelement.
Im Betrieb strahlt die Antenne vorzugsweise von dem offenen Ende des Schlitzes in eine von dem Schlitz weg führende Richtung und entlang der Symmetrieachse. Somit kann die Antenne als ein Längsstrahler eingestuft werden.
Jeder Bereich der leitfähigen Schicht, der eine trichterförmig aufgeweitete Kante aufweist, wird im Folgenden als ein Flügel der Antenne bezeichnet entsprechend dem äußeren Erscheinungsbild der leitfähigen Schicht. Es hat sich als wirkungsvoll herausgestellt, zwei Paar spiegelsymmetrischer Flügel auf einer dünnen Trägermaterialschicht anzuordnen: ein Paar auf jeder planaren Oberfläche der Trägermaterialschicht. Die Paare sind vorzugsweise identisch, und der von einem Paar gebildete Schlitz ist vorzugsweise parallel zu dem Schlitz angeordnet, der von dem anderen Paar gebildet wird.
Das geschlossene Ende der Schlitzleitung kann durch eine von einer Mehrzahl von Übertragungsleitungen gespeist werden, unter anderem Mikrostreifen-, Streifen-, Fin-Leitungen (wie etwa in Hohlleitern) und Koppelsonden. Eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung umfasst in der Regel eine Leiterbahn (üblicherweise Kupfer) auf einem isolierenden Trägermaterial. Auf der gegenüber liegenden Seite des Trägermaterials ist eine Grundplatte (oder „Backplane") aus leitfähigem Material ausgeführt, die als Rückleiter dient.
Bestimmte Anordnungen von Tapered Slot-Antennen können von zwei parallelen Leiterstreifen auf jeder Fläche eines flachen Trägermaterials in einer Übertragungsleitungsformation gespeist werden. Dies ist als eine Zweidrahtleitungsspeisung bekannt. Variationen der Struktur der Vivaldi-Antenne, für die eine Zweidrahtleitungsspeisung angemessen ist, beinhalten die (nicht symmetrische) antipodale Vivaldi-Antenne und die symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne.
Bei Antennen, die über Zweidrahtleitungen gespeist werden, sind die leitfähigen Flügelbereiche jeweils so angeordnet, dass sie eine innere Kante und eine äußere Kante haben. In derselben Weise, in der die Kante des Schlitzes in einer herkömmlichen Vivaldi-Antenne einer trichterförmigen Kurve folgt, können die inneren Kanten der leitfähigen Flügelbereiche so ausgeformt werden, dass sie einer ähnlichen trichterförmigen Kurve entsprechen. Im Gegensatz zu der unbestimmten Ausdehnung der leitfähigen Schicht weg von dem Schlitz in einer herkömmlichen Vivaldi-Antennenanordnung kann eine zweite äußere Kante das Außenmaß jedes leitfähigen Flügels definieren. Die äußere Kante kann ebenfalls so ausgeformt sein, dass sie einer breiteren trichterförmigen Kurve folgt.
Die (nicht symmetrische) antipodale Vivaldi-Antenne wurde 1988 von Gazit entwickelt (E. Gazit, Improved design of the Vivaldi antenna – Verbesserte Konstruktion der Vivaldi-Antenne, in IEE Tagungsprotokoll, Bd. 135, Pt. H, Nr. 2, April 1988, Seiten 89–92) und ist auf einem einzigen Bogen eines dielektrischen Mikrowellen-Trägermaterials aufgebaut und wird von einer Zweidrahtleitungs-Übertragungsleitung gespeist. Der Leiterstreifen auf einer Seite der Zweidrahtleitung speist einen ersten Flügel auf einer ersten Seite des Trägermaterials, und der andere Leiterstreifen speist einen zweiten Flügel auf der zweiten Seite des Trägermaterials. Der erste und der zweite Flügel sind so angeordnet, dass bei Betrachtung im rechten Winkel zur Ebene des Trägermaterials ein trichterförmig aufgeweiteter Schlitz zu erkennen ist.
Die symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne, die von J. D. S. Langley, P. S. Hall und P. Newham 1996 entwickelt wurde, ist in Sandwich-Bauweise mit mindestens zwei Bogen eines dielektrischen Trägermaterials aufgebaut und wird durch eine symmetrische Zweidrahtleitung gespeist.
Eine symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne kann aus einem ersten Flügel auf einer Seite eines ersten Bogens eines dielektrischen Trägermaterials sowie aus einem zweiten Flügel auf der anderen Seite des ersten Bogens aufgebaut sein. Ein zweiter Bogen eines dielektrischen Trägermaterials wird mit einem dritten Flügel auf einer äußeren Seite ausgestattet. Der erste Bogen und der zweite Bogen sind in Sandwich-Bauweise zusammengefügt, sodass der erste und der dritte Flügel an den Außenseiten liegen, und so, dass jeweils ein Bogen eines dielektrischen Trägermaterials zwischen dem ersten Flügel und dem zweiten Flügel sowie zwischen dem dritten Flügel und dem zweiten Flügel liegt. Der erste und der dritte Flügel sind so angeordnet, dass sie in einer ersten Kurvenform trichterförmig aufgeweitet sind. Der zweite Flügel ist so angeordnet, dass er in einer zweiten Kurvenform trichterförmig verläuft – wobei die zweite Kurvenform das Spiegelbild der ersten Kurvenform ist. Bei Betrachtung in einem rechten Winkel zur Ebene des Trägermaterials bilden der erste und der dritte Flügel auf einer Seite sowie der zweite Flügel auf der anderen Seite einen trichterförmig aufgeweiteten Schlitz.
In der Theorie sollte eine Vivaldi-Antenne hochfrequente (HF-) elektromagnetische Wellen mit einer gegebenen Wellenlänge abstrahlen, wenn die Breite des sich verbreiternden Schlitzes (in rechten Winkeln zur Symmetrieachse) in etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge ist. Die Leistung von physikalischen Implementierungen herkömmlicher Antennen wird durch eine Anzahl komplizierender Faktoren beeinträchtigt. Insbesondere nimmt die Kante des trichterförmig aufgeweiteten Schlitzes an jedem der Enden eines begrenzten Bereichs von Frequenzen eine lineare Form an.
In Versuchen wurde festgestellt, dass die herkömmliche exponentielle, trichterförmige Vivaldi-Antenne bei extra hohen Bandbreiten eine unzureichende Leistung aufweist. Die strikten Abstrahlungseigenschaften der exponentiellen Trichterantenne fallen weg, wenn sich die Betriebsfrequenz über die Grenzen eines charakteristischen Bereichs hinaus erhöht bzw. wenn die Frequenz unter einen bestimmten Schwellenwert sinkt.
Es wurde festgestellt, dass Antennen, die nach derselben grundlegenden Exponentialkurve aufgebaut wurden, einen äußerst zuverlässigen Frequenzbereich aufweisen, der von dem charakteristischen Längenmaßstab der Antenne abhängig ist. Beispielsweise hat eine Antenne, die eine maximale Trichterweite von zwei Zentimetern aufweist, eine relativ zuverlässige Leistung über den Frequenzbereich 15 bis 40 GHz; wohingegen eine größere Antenne mit einer maximalen Trichterweite in der Größenordnung von 10 Zentimetern eine bessere Leistung bei niedrigeren Frequenzen, zwischen 1 und 10 GHz, hat. In diesen Beispielen betrug die Dielektrizitätskonstante des Trägermaterials der Antennen 2,94.
Eine perfekte Antenne würde elektromagnetische Wellen einer gegebenen Frequenz an einem Punkt entlang der Mittellinie des Schlitzes abstrahlen, an dem die Breite des sich verbreiternden Schlitzes gleich der Hälfte der Wellenlänge entsprechend der gegebenen Frequenz ist. In der Realität funktionieren Antennen nicht so direkt. Wenn sich die gegebene Frequenz erhöht, verlagert sich der Punkt der Abstrahlung hin zu dem geschlossenen Ende des Schlitzes. Je enger der Schlitz wird, desto kleiner wird der Gradient der Exponentialkurve der Kante des Schlitzes in der Richtung des geschlossenen Endes und wird damit zu flach, um effektiv abzustrahlen. Ferner verlagert sich, wenn die gegebene Frequenz sinkt, der Punkt der Abstrahlung hin zum offenen Ende des Schlitzes. Je weiter der Schlitz wird, desto größer wird der Gradient der Exponentialkurve und wird damit zu steil, um effektiv abzustrahlen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme zu beseitigen oder zumindest zu verringern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine planare Antennenanordnung für die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen in einer Längsstrahlrichtung bereitgestellt, wobei die Antennenanordnung Folgendes umfasst: eine Mehrzahl leitfähiger Schichten; und mindestens eine Trägermaterialschicht, wobei die leitfähigen Schichten so angeordnet sind, dass sie einen Schlitz bilden, wobei der Schlitz ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist und wobei die Längsstrahlrichtung der Richtung von dem geschlossenen Ende zum offenen Ende entspricht, wobei jede leitfähige Schicht mindestens einen leitfähigen Flügel umfasst, jeder leitfähige Flügel an einer inneren Kante an den Schlitz grenzt und wobei die innere Kante jedes leitfähigen Flügels so angeordnet ist, dass sie einer zusammengesetzten Kurve entspricht, wobei die zusammengesetzte Kurve eine Mehrzahl von unmittelbar benachbarten Kurvenabschnitten umfasst.
Vorteilhafterweise ist die zusammengesetzte Kurve in der Längsstrahlrichtung monoton steigend.
Jeder der Kurvenabschnitte kann ein Abschnitt einer Exponentialkurve sein.
Vorzugsweise sind die Kurvenabschnitte selbstähnlich. Jeder selbstähnliche Kurvenabschnitt kann mit einer entsprechenden Kurvenformel konform sein, wobei die Kurvenformel, die den benachbarten Kurvenabschnitten entspricht, von diesen um einen wesentlichen Skalierungsfaktor abweicht; und wobei die selbstähnlichen Kurvenabschnitte in dem Maßstab größer werden können, wie sich der Schlitz zum offenen Ende hin verbreitert, wobei jeder Kurvenabschnitt, der näher zum offenen Ende des Schlitzes hin liegt, um den wesentlichen Skalierungsfaktor größer ist als jeder benachbarte Kurvenabschnitt, der näher zum geschlossenen Ende des Schlitzes hin angeordnet ist.
Es wird vorgezogen, dass die zusammengesetzte Kurve einen ersten Kurvenabschnitt und einen zweiten Kurvenabschnitt umfasst, wobei ein Ende des ersten Kurvenabschnitts an dem geschlossenen Ende des Schlitzes angeordnet ist und das verbleibende Ende des ersten Kurvenabschnitts ein Ende des zweiten Kurvenabschnitts an einem ersten Knotenpunkt berührt und wobei der zweite Kurvenabschnitt dieselbe Kurvenform aufweist wie der erste Kurvenabschnitt.
Die zusammengesetzte Kurve kann einen weiteren Kurvenabschnitt umfassen, wobei der besagte weitere Kurvenabschnitt das verbleibende Ende des zweiten Kurvenabschnitts an einem weiteren Knotenpunkt berührt und dieselbe Kurvenform aufweist wie der erste und der zweite Kurvenabschnitt.
Die zusammengesetzte Kurve kann ferner noch weitere Kurvenabschnitte umfassen, wobei die bzw. jeder der besagten weiteren Kurvenabschnitte ein verbleibendes Ende des jeweils vorherigen Kurvenabschnitts an weiteren Knotenpunkten berührt/berühren und dieselbe Kurvenform aufweist/aufweisen wie der erste und der zweite Kurvenabschnitt.
Vorteilhafterweise können die bzw. kann jeder der besagten Knoten geglättet werden, um Diskontinuitäten zu vermeiden.
Jeder folgende Kurvenabschnitt ist vorzugsweise länger in der Längsstrahlrichtung als jeder jeweils vorherige Kurvenabschnitt.
Die leitfähigen Schichten können vorteilhafterweise durch eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung gespeist werden.
Alternativ können die leitfähigen Schichten auch über eine Zweidrahtleitung gespeist werden. Die Antenne kann eine antipodale Antenne sein. Die Antenne kann auch eine symmetrische antipodale Antenne sein. In jedem Fall wird die hintere Kante jedes leitfähigen Flügels vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie einer weiteren zusammengesetzten Kurve entspricht.
Die vorliegende Erfindung geht auf Probleme ein, die mit der exponentiellen Trichterform in Zusammenhang stehen, wie sie in bekannten Vivaldi-Antennen verwendet wird, indem eine kurvenförmige Form angenommen wird, die einer zusammengesetzten Kurve entspricht. Wenn die zusammengesetzte Kurve aus einer Abfolge von selbstähnlichen Kurvenabschnitten gebildet wird, kann man davon sprechen, dass die Trichterform fraktal ist.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen und insbesondere die 6a bis 10, wobei:
1 ein Diagramm einer Exponentialkurve ist, die für eine herkömmliche Vivaldi-Antenne geeignet ist;
2 eine allgemeine diagrammförmige Darstellung einer herkömmlichen Mikrostreifen-Übertragungsleitung ist;
3A eine Anordnung aus leitfähigen Flügeln zeigt, die für die Verwendung in einer herkömmlichen Vivaldi-Antenne geeignet ist;
3B eine herkömmliche Vivaldi-Antennenanordnung darstellt;
4 eine herkömmliche nicht symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne darstellt;
5 eine herkömmliche symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne darstellt;
6A eine Anordnung von leitfähigen Flügeln zeigt, die für die Verwendung in einer Vivaldi-Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
6B eine alternative Anordnung von leitfähigen Flügeln zeigt, die für die Verwendung in einer Vivaldi-Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
7A bis 7E Beispiele für geglättete und nicht geglättete Exponentialkurven darstellen, die unter Umständen die Kurve der Kante der leitfähigen Flügel gemäß der vorliegenden Erfindung definieren;
8 eine Vivaldi-Antennenanordnung gemäß der Erfindung zeigt;
9 eine nicht symmetrische antipodale Vivaldi-Antennenanordnung gemäß der Erfindung darstellt; und
10 eine symmetrische antipodale Vivaldi-Antennenanordnung gemäß der Erfindung darstellt.
1 ist ein Diagramm einer Exponentialkurve 120 und kann dazu dienen, die Funktionsweise einer herkömmlichen Vivaldi-Antenne über einen Bereich von Frequenzen zu veranschaulichen. Eine herkömmliche Vivaldi-Antenne beinhaltet eine leitfähige Schicht, die zwei symmetrische leitfähige Flügel umfasst. Jeder dieser leitfähigen Flügel besitzt eine innere Kante, die entlang einer Exponentialkurve geschnitten ist. Dadurch wird zwischen den beiden leitfähigen Flügeln ein trichterförmig aufgeweiteter Schlitz ausgebildet. Funkfrequenzwellen mit einer gegebenen Frequenz werden von einem entsprechenden Punkt entlang der Symmetrieachse X abgestrahlt. Der entsprechende Punkt ist der Punkt, an dem die Breite des trichterförmig aufgeweiteten Schlitzes gleich der Hälfte der Wellenlänge ist.
Im Prinzip werden zunehmend höhere Frequenzen abgestrahlt, je näher die Punkte zur linken Seite der dargestellten Exponentialkurve liegen. Die effektive Strahlung ist sowohl an einem unteren als auch an einem oberen Frequenzschwellenwert, 112 bzw. 114, begrenzt.
In dem Maß, wie sich die gegebene Frequenz erhöht, verlagert sich der entsprechende Punkt der Abstrahlung hin zum geschlossenen Ende des trichterförmig aufgeweiteten Schlitzes. An Punkten links von dem unteren Frequenzschwellenwert 112 wird der trichterförmig aufgeweitete Schlitz so schmal, dass der Gradient der Exponentialkurve 120 zu flach wird, um effektiv abstrahlen zu können.
Wenn die gegebene Frequenz abnimmt, verschiebt sich der entsprechende Punkt der Abstrahlung hin zum offenen Ende des trichterförmig aufgeweiteten Schlitzes. An Punkten rechts von einem zweiten Frequenzschwellenwert 114 wird der trichterförmig aufgeweitete Schlitz so breit, dass der Gradient der Exponentialkurve 120 zu steil wird, um effektiv abstrahlen zu können.
Ein geeigneter Speisungsmechanismus für bestimmte Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung wäre eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung. Wie anhand von 2 zu sehen, umfasst eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung im Allgemeinen eine Leiterbahn 220 (üblicherweise aus Kupfer) auf einem isolierenden Trägermaterial 240. Auf der gegenüber liegenden Seite des Trägermaterials 240 ist eine Grundplatte (oder „Backplane") 230 aus leitfähigem Material ausgeführt, die als Rückleiter dient.
Die 3A bis 5 zeigen Anordnungen von verschiedenen leitfähigen Flügeln, die für die Verwendung in einer herkömmlichen Antenne geeignet sind. 3B stellt eine herkömmliche Vivaldi-Antennenanordnung dar. Die 4 und 5 zeigen herkömmliche unsymmetrische bzw. symmetrische antipodale Vivaldi-Antennenanordnungen.
3A zeigt das Muster, in dem eine einzelne leitfähige Schicht beim Aufbau einer herkömmlichen Vivaldi-Antenne 300 auf einem Trägermaterial angeordnet ist. Ein Schlitz 316 ist in der leitfähigen Schicht ausgebildet, und der Spalt zwischen den Seiten des Schlitzes (den beiden „Flügeln") verbreitert sich von einem kleinsten Maß 312 am geschlossenen Ende des Schlitzes bis auf ein maximales Maß 318 am offenen Ende. Der Spalt ist spiegelsymmetrisch entlang einer Achse 314 durch das Zentrum des Schlitzes 316, wobei jede Seite 304 bzw. 306 der leitfähigen Schicht gemäß einer vorab definierten Exponentialformel trichterförmig aufgeweitet ist.
Wie anhand von 3B zu sehen, kann eine Vivaldi-Antenne aus zwei Paar spiegelsymmetrischen Flügeln 304 und 306 bzw. 304' und 306' auf einer dünnen Trägermaterialschicht 310 zusammengesetzt sein: ein Paar auf jeder Planaren Fläche 320 bzw. 330 der Trägermaterialschicht 310. Die Paare 304 und 306 sowie 304' und 306' sind vorzugsweise identisch, und der Schlitz 316, der von einem Paar gebildet wird, ist vorzugsweise parallel angeordnet zu dem Schlitz 316', der von dem anderen Paar gebildet wird.
Die Antennen 300 in 3 werden am geschlossenen Ende des Schlitzes 302 von einer Übertragungsleitung, beispielsweise etwa der in 2 dargestellten Mikrostreifen-Leitung, gespeist.
Wie vorstehend bereits erläutert, umfasst die Klasse der Vivaldi-Antennen unsymmetrische ebenso wie symmetrische antipodale Vivaldi-Antennen. Beispiele für antipodale Vivaldi-Antennen sind in den 4 und 5 dargestellt.
Bei antipodalen Vivaldi-Antennen sind die leitfähigen Flügelbereiche 404, 406, 504, 506 und 508 jeweils so angeordnet, dass sie eine innere Kante 414 und eine äußere Kante 412 aufweisen. In derselben Weise, wie die Kante jedes Flügels 304 bzw. 306 in 3A einer trichterförmigen Kurve folgt, kann die innere Kante 414 der leitfähigen Flügelbereiche in den 4 und 5 so ausgebildet sein, dass sie einer ähnlichen trichterförmigen Kurve folgt. Im Gegensatz zu der unbestimmten Ausdehnung der leitfähigen Schicht weg von dem Schlitz in einer herkömmlichen Vivaldi-Antennenanordnung 300 kann eine äußere Kante 412 das, Außenmaß jedes leitfähigen Flügels definieren. Die äußere Kante 412 kann ebenfalls so ausgeformt sein, dass sie einer breiteren trichterförmigen Kurve folgt.
Wie in 4 gezeigt, ist die unsymmetrische antipodale Vivaldi-Antenne 400 auf einem einzigen Bogen eines dielektrischen Mikrowellen-Trägermaterials 410 aufgebaut und wird von einer Zweidrahtleitung 402 gespeist. Der Leiterstreifen auf einer Seite der Zweidrahtleitung speist einen ersten Flügel 406 auf einer ersten Seite 430 des Trägermaterials, und der andere Leiterstreifen speist einen zweiten Flügel 404 auf der zweiten Seite 420 des Trägermaterials. Der erste und zweite Flügel 404 bzw. 406 sind so angeordnet, dass bei Betrachtung in einem rechten Winkel zur Ebene des Trägermaterials 410 ein trichterförmig aufgeweiteter Schlitz 416 zu erkennen ist.
In einer ähnlichen Weise ist die symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne 500, die in 5 dargestellt ist, in Sandwich-Bauweise mit mindestens zwei Bogen eines dielektrischen Trägermaterials 510 und 550 aufgebaut und wird durch eine symmetrische Zweidrahtleitung 502 gespeist.
Eine symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne 500 kann aus einem ersten Flügel 506 auf einer Seite 530 eines ersten Bogens eines dielektrischen Trägermaterials 510 sowie aus einem zweiten Flügel 504 auf der anderen Seite 520 des ersten Bogens 510 aufgebaut sein. Ein zweiter Bogen eines dielektrischen Trägermaterials 550 wird mit einem dritten Flügel 508 auf einer äußeren Seite 560 ausgestattet. Der erste Bogen 510 und der zweite Bogen 550 sind in Sandwich-Bauweise zusammengefügt, sodass der erste und der dritte Flügel 506 bzw. 508 an den Außenseiten liegen, und so, dass jeweils ein Bogen eines dielektrischen Trägermaterials zwischen dem ersten Flügel 506 und dem zweiten Flügel 504 sowie zwischen dem dritten Flügel 508 und dem zweiten Flügel 504 liegt. Der erste und der dritte Flügel 506 bzw. 508 sind so angeordnet, dass sie in einer ersten Kurvenform trichterförmig aufgeweitet sind. Der zweite Flügel 504 ist so angeordnet, dass er in einer zweiten Kurvenform trichterförmig verläuft – wobei die zweite Kurvenform das Spiegelbild der ersten Kurvenform ist. Bei Betrachtung in einem rechten Winkel zur Ebene des Trägermaterials bilden der erste und der dritte Flügel auf einer Seite sowie der zweite Flügel auf der anderen Seite einen trichterförmig aufgeweiteten Schlitz 516.
Der Frequenzbereich, über den eine herkömmliche Vivaldi-Antenne arbeiten kann, ist durch die unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Phänomene begrenzt. Es wurde festgestellt, dass, indem ein trichterförmig aufgeweiteter Schlitz so ausgebildet wird, dass er einer bestimmten zusammengesetzten Kurve entspricht, der Frequenzbereich, über den eine Antenne arbeiten kann, drastisch vergrößert werden kann.
Die 6 und 7 veranschaulichen, wie eine solche zusammengesetzte Kurve ausgeführt sein sollte. Wie anhand der 6A und 6B zu sehen, ist die Kurve aus zwei oder mehr kleineren Kurven zusammengesetzt. Diese kleineren Kurven können zu einer Mehrzahl von Kategorien gehören, beispielsweise Exponential-, Sinus- und parabolische Kurven. Die 6A und 6B zeigen Versionen einer Antenne. In beiden Fällen wird die Antenne von einer Schlitzleitung gespeist. Die Kurve in 6A wird von einer zusammengesetzten Kurve gebildet, die aus zwei Exponentialkurvenabschnitten 602 und 602' besteht. In ähnlicher Weise wird die Kurve in 6B aus einer zusammengesetzten Kurve aus vier Exponentialkurvenabschnitten 604, 604', 604'' und 604''' gebildet.
In 6B ist zu erkennen, dass jeder folgende Kurvenabschnitt 604, 604', 604'' und 604''' ähnlich dem benachbarten Kurvenabschnitt ist, jedoch um einen Skalierungsfaktor skaliert. In Fällen, in denen die Kurvenabschnitte skalierte Versionen der benachbarten Abschnitte sind, ist es angemessen, die zusammengesetzte Kurve als Fraktal oder fraktale Kurve zu bezeichnen, und können die einzelnen Kurvenabschnitte als selbstähnlich bezeichnet werden.
Die Ausführungsformen solcher fraktalen Trichterformen, wie sie hier beschrieben werden, haben lediglich Beispielcharakter, und die Anzahl der Kurvenabschnitte in jeder zusammengesetzten Kurve, die Form, die jeder Kurvenabschnitt annimmt, und der Skalierungsfaktor werden natürlich entsprechend den jeweiligen Anforderungen einer speziellen Implementierung variieren.
Dieselben zusammengesetzten Kurven 610 und 620 sind auch in den 7B und 7D dargestellt. Um Probleme zu überwinden, die mit den scharfen Diskontinuitäten einhergehen (beispielsweise eine Null im Gewinnbild in Peilrichtung bei spezifischen Frequenzen), können die Kurven, die zusammengesetzte Kurven umfassen, bis zu einem gewissen Grad geglättet werden. Beispiele für geglättete Kurven sind in den 7A, 7C und 7E dargestellt.
In 7C ist die zusammengesetzte Kurve 610, die aus zwei Exponentialkurvenabschnitten gebildet ist, als teilweise geglättet 706 dargestellt. Dies steht im Gegensatz zu einer vollständig geglätteten Version 702, wie sie in 7A gezeigt wird. Die scharfe Diskontinuität 710 ist geglättet, sodass ein Wendepunkt 712 zurückbleibt.
7E zeigt eine teilweise geglättete Version 710 der zusammengesetzten Kurve 620 aus 7D. Auch hier werden wieder scharfe Diskontinuitäten vermieden.
Wie einzusehen ist, finden die vorgeschlagenen Verbesserungen der Kurvenformen der Innenseiten der leitfähigen Flügelbereiche gleichermaßen Anwendung für herkömmliche Vivaldi-Antennen, nicht symmetrische antipodale Vivaldi-Antennen und symmetrische antipodale Vivaldi-Antennen.
8 zeigt eine Vivaldi-Antennenanordnung 800 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Antenne wird über eine Schlitzleitung 802 gespeist und ist aus einem einzigen Bogen eines doppelseitigen, mit Kupfer beschichteten dielektrischen Trägermaterials 810 aufgebaut.
Bei dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zusammengesetzte fraktale Kurve 620, die aus vier Exponentialkurvenabschnitten gebildet wird, an der inneren Kante der Flügelbereiche 804, 806, 804', 806' implementiert.
Die in 9 dargestellte Antennenanordnung ist ebenfalls aus einem einzigen Bogen 910 eines doppelseitigen, mit Kupfer beschichteten dielektrischen Trägermaterials aufgebaut. Dieses Mal wird jedoch die Antenne über eine Zweidrahtleitung 902 gespeist.
9 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die zusammengesetzte fraktale Kurve 620 an den inneren Kanten 914 der leitfähigen Flügelbereiche 904 bzw. 906 in einer nicht symmetrischen antipodalen Konfiguration 900 angewandt wird.
Es ist offensichtlich, dass die hinteren Kanten 912 der leitfähigen Flügelbereiche ebenfalls entsprechend einer zusammengesetzten fraktalen Kurve gebildet sind. Ferner kann die Folge von Kurvenabschnitten, aus denen die fraktale hintere Kante 912 zusammengesetzt ist, wie in den 7A bis 7E dargestellt geglättet sein. Die Verwendung von zusammengesetzten Kurven an der hinteren Kante 912 kann dazu beitragen, die Niederfrequenz-Rückflussdämpfung zu reduzieren.
Die symmetrische antipodale Vivaldi-Antenne, die in 10 dargestellt ist, ist aus zwei Bogen eines doppelseitigen, mit Kupfer beschichteten dielektrischen Trägermaterials 1030 bzw. 1050 aufgebaut, die in Sandwich-Technik zusammengefügt wurden, und wird von einer symmetrischen Zweidrahtleitung 1002 gespeist.
10 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die zusammengesetzte fraktale Kurve 620 auf die inneren Kanten 1014 der leitfähigen Flügelbereiche 1004 und 1006 in einer symmetrischen antipodalen Konfiguration 1000 angewandt wird.
Auch hier sind die hinteren Kanten 1012 der leitfähigen Flügelbereiche 1004 und 1006 wieder entsprechend einer zusammengesetzten fraktalen Kurve gebildet.
Wie sich von selbst versteht, können Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem dielektrischen Mikrowellen-Trägermaterial bestehen, das mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, wie dies auch bei herkömmlichen Vivaldi-Antennen der Fall ist. Dabei hängt die jeweilige Art des Aufbaus ab von der Art der Speisung der Antenne, die wiederum abhängig ist von der betreffenden Klasse der implementierten Antenne.
In der vorstehenden Erörterung wurde die Anordnung einer einzelnen Antenne betrachtet. Es ist jedoch ein in der Technik ausreichend bekanntes Verfahren, Gruppen aus einer Mehrzahl gleichartiger Antennen zu bilden. Ferner ist es bekannt, Antennen mit identischen Längsstrahlrichtungen auszustatten, jedoch in einem Winkel in Bezug zueinander um die Längsstrahlachse gedreht, um eine Abstrahlung mit unterschiedlicher Polarisation zu ermöglichen. Es versteht sich von selbst, dass Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung als Elemente einer Gruppenantenne sowie in orthogonalen Paaren für doppelt polarisierte Funktionalität verwendet werden können. Ferner wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Erfindung auch auf Gruppen doppelt polarisierter Antennenpaare anwendbar ist.

Claims

Planare Antennenanordnung zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen in einer Längsstahlrichtung, wobei die Antennenanordnung Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von leitfähigen Schichten (220); und mindestens eine Trägermaterialschicht (240), wobei die leitfähigen Schichten so angeordnet sind, dass sie einen Schlitz (316) bilden, wobei der Schlitz ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist und die Längsstrahlrichtung der Richtung von dem geschlossenen Ende zu dem offenen Ende entspricht, wobei jede leitfähige Schicht mindestens einen leitfähigen Flügel (404, 406) umfasst und jeder leitfähige Flügel an einer inneren Kante an den Schlitz grenzt, und wobei die innere Kante jedes leitfähigen Flügels (304, 306) so angeordnet ist, dass sie einer zusammengesetzten Kurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzte Kurve eine Mehrzahl von unmittelbar benachbarten Kurvenabschnitten umfasst.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die zusammengesetzte Kurve in Längsstrahlrichtung monoton steigend ist.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Kurvenabschnitte ein Abschnitt einer Exponentialkurve ist.
Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kurvenabschnitte selbstähnlich sind.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 4, wobei jeder selbstähnliche Kurvenabschnitt mit einer entsprechenden Kurvenformel konform ist, wobei die Kurvenformel, die den benachbarten Kurvenabschnitten entspricht, von diesen um einen wesentlichen Skalierungsfaktor abweicht; und wobei die selbstähnlichen Kurvenabschnitte in dem Maßstab größer werden können, wie sich der Schlitz zum offenen Ende hin verbreitert, wobei jeder Kurvenabschnitt, der näher zum offenen Endes des Schlitzes hin liegt, um den wesentlichen Skalierungsfaktor größer ist als jeder benachbarte Kurvenabschnitt, der näher zum geschlossenen Ende des Schlitzes hin angeordnet ist.
Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zusammengesetzte Kurve einen ersten Kurvenabschnitt (602) und einen zweiten Kurvenabschnitt (602^I ) umfasst, wobei ein Ende des ersten Kurvenabschnitts an dem geschlossenen Ende des Schlitzes angeordnet ist und das verbleibende Ende des ersten Kurvenabschnitts ein Ende des zweiten Kurvenabschnitts an einem ersten Knotenpunkt berührt und der zweite Kurvenabschnitt dieselbe Kurvenform aufweist wie der erste Kurvenabschnitt.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 6, wobei die zusammengesetzte Kurve einen weiteren Kurvenabschnitt (604^II ) umfassen kann, wobei der besagte weitere Kurvenabschnitt das verbleibende Ende des zweiten Kurvenabschnitts (604^I ) an einem weiteren Knotenpunkt berührt und dieselbe Kurvenform aufweist wie der erste und der zweite Kurvenabschnitt.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die zusammengesetzte Kurve ferner noch weitere Kurvenabschnitte (604^III ) umfassen kann, wobei die bzw. jeder der besagten weiteren Kurvenabschnitte ein verbleibendes Ende des jeweils vorherigen Kurvenabschnitts an weiteren Knotenpunkten berührt/berühren und dieselbe Kurvenform aufweist/aufweisen wie der erste und der zweite Kurvenabschnitt.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die bzw. jeder der besagten Knoten geglättet sind/ist, um Diskontinuitäten zu vermeiden.
Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei jeder folgende Kurvenabschnitt in der Längsstrahlrichtung länger ist als jeder jeweils vorangehende Kurvenabschnitt (620).
Antennenanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitfähigen Schichten durch eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung gespeist werden.
Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die leitfähigen Schichten über eine Zweidrahtleitung (902) gespeist werden.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 12, wobei die Antenne eine antipodale Antenne ist.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 13, wobei die Antenne eine symmetrische antipodale Antenne ist.
Antennenanordnung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die hintere Kante jedes leitfähigen Flügels so angeordnet ist, dass sie einer weiteren zusammengesetzten Kurve entspricht.