DE60302766T2

DE60302766T2 - Wellenleiter

Info

Publication number: DE60302766T2
Application number: DE60302766T
Authority: DE
Inventors: Francisco Javier Vazquez Majadahonda SANCHEZ; Robert A. Rushmoor PEARSON
Original assignee: ERA PATENTS Ltd LEATHERHEAD; ERA Patents Ltd
Current assignee: ERA PATENTS Ltd LEATHERHEAD; ERA Patents Ltd
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: EP1331688A1; ATE313156T1; US20050128028A1; EP1470610B1; ES2251692T3; US7142165B2; DE60302766D1; WO2003065497A1; EP1470610A1

Description

Einleitung
Diese Erfindung betrifft Wellenleiter und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Wellenleiter, die mechanisch bewegbare Teile enthalten, um deren elektrischen Eigenschaften zu verändern.
Auf dem Fachgebiet der Mikrowellen gibt es viele Anwendungen für Übertragungsleitungen und insbesondere Wellenleiter, wie z.B. RF-Strahlbündler, Filter, Drehkopplungen und Phasenschieber. Die Anwendung kostengünstiger Herstellungstechniken, inklusive der Verwendung von metallisierten Kunststoffen für die Verwirklichung von Multilevel-Strahlbündelungs-Architekturen wurde bspw. in der EP-A-1148583 beschrieben. Derartige Strukturen erfordern im allgemeinen, dass die metallisierten Kunststoff-Wellenleiterteile geschlitzt werden, im Falle rechteckiger Wellenleiter idealerweise entlang der Mitte der Breitbahn (E-Ebene). Es ist jedoch weithin bekannt, dass Schlitze in den engen Wänden rechteckiger Wellenleiter wegen der über die Schlitz-Diskontinuität fließenden großen Ströme zu einer hohen Dämpfung führen.
Derartige Spaltkonstruktionen ermöglichen es, Multilevel-Strahlbündler zu realisieren, indem einzelne Teile hergestellt werden, die anschließend in einer solchen Weise zusammengefügt werden, dass der Einfluss der Verbindung minimiert ist. Im Falle metallischer Wellenleiter wird hierzu gelegentlich Tauchlöten verwendet, oder im Falle von metallisiertem Kunststoff beschränkt dies im Falle rechteckiger Wellenleiter die Position der Verbindung entlang der Mitte der Breitbahn.
Derartige Beschränkungen fallen bei tauchgelöteten Komponenten nicht an, diese sind jedoch für eine Massenherstellung nicht gut geeignet.
Wellenleitervorrichtungen mit sich bewegenden Teilen (z.B. Drehkupplungen für Radarantennen, phasengesteuerte Anordnungen, RF-Schalter, umkonfigurierbare Filter und Phasenschieber) sind schwer zu verwirklichen, da Wellenleiter für gewöhnlich auf geschlossenen Metallhohlräumen basieren. Es gibt daher eine Beschränkung hinsichtlich der Verwirklichung mechanisch betätigter, auf Wellenleitern basierender, phasenverschiebender Vorrichtungen, da metallene oder dielektrische Teile, inklusive des Aktuators, im Innern des Wellenleiters angebracht werden müssen und so Verluste und Verzerrungen hervorrufen und ein vergleichsweise komplexes Design erfordern. Ein Beispiel einer mechanisch betätigten phasenverschiebenden Vorrichtung ist in der FR-A-2581255 offenbart.
Gesteuerte Phasenverschiebung unter Verwendung elektronischer Bauteile, wie z.B. Ferrit-Phasenschiebern und elektronischen Schaltern (d.h. PIN-Dioden) wurde in den letzten 30 Jahren entwickelt, und diese hat ausgedehnte Anwendung in Radar- und Funkortungssystemen gefunden als eine Möglichkeit zum Steuern bzw. Rekonfigurieren von Antennen-Abstrahl-Mustern.
Ein Haupthindernis für die Verwendung von elektrisch gesteuerten Phasenschiebern liegt in vielen Abtaststrahl-Antennenanwendungen in den hohen Kosten und in der hohen Anzahl der für die Strahllenkung erforderlichen phasenverschiebenden Vorrichtungen. Die Herstellungskosten elektronisch gescannter Antennen sind noch immer sehr hoch, auch wenn signifikante Mengen hergestellt werden. Zudem führen elektronische Phasenschieber zu zusätzlichen Verlusten und zu einem merklichen Verbrauch an Gleichstromleistung, die deren Anwendung für solche Systeme beschränkt, die Batterien für eine Energieversorgung nutzen, wie z.B. mobile/personalisierte Kommunikationsvorrichtungen.
Mechanische Phasenschieber sind eine attraktive, kostengünstige Lösung für Antennenanwendungen, die kein schnelles (im Bereich von Millisekunden) Scannen des Strahls erfordern. Mobile Satellitenkommunikationsverbindungen auf stabilen Plattformen, wie z.B. Autos, Schiffen und kommerziellen Luftfahrzeugen, erfordern Abtastraten in der Größenordnung von lediglich Zehnteln einer Sekunde, welche mit mechanischen Mitteln erreicht werden können.
In den letzten Jahren wurde eine Zahl von mechanischen Phasenschiebern entwickelt. Die meisten von ihnen, wie z.B. EP-A-1033773 und US-A-5504466 basieren auf der Veränderung der physikalischen Abmessungen (inklusiver der Länge) eines Wellenleiters oder einer Übertragungsleitung. Andere, wie z.B. die EP-A-0984509 und die US-A-5940030 basieren auf beweglichen dielektrischen Elementen im Innern oder nahe bei den Übertragungsleitungen. Ein weiterer Zugang basiert auf einer periodischen räumlichen Ladung der Übertragungsleitungen und ist in der EP-A-1235296 beschrieben, wobei die durch die periodische Struktur hervorgerufene Menge der elektrischen Ladung auf der Leitung durch Verwendung einer sich bewegenden Metallplatte in der Nähe der periodischen Struktur auf der Leitung gesteuert wird.
Die meisten dieser Vorrichtungen sind einfach herzustellen, haben akzeptabel niedrige Verluste und können. in einem Niedrigfrequenzband (typischerweise L-Band und S-Band) für koaxiale Leitungen und für andere TEM-Leitungen, wie z.B. Streifenleiter und Mikrostreifen, einfach implementiert werden. Ein Einbringen dieser elektromechanischen Techniken für höhere Frequenzen (typischerweise Ku-Band, Ka-Band und Millimeter-Wellenlängen) in Wellenleiterstrukturen ist wesentlich schwieriger; insbesondere da Hochfrequenz- Wellenleiter durch eine Umschließung aus massivem Metall gebildet werden, welche verlustreich wird, wenn sie mit Dielektrika gefüllt wird.
Ein möglicher Weg, um einen elektromechanischen Phasenschieber zu realisieren, besteht darin, eine zweite, bewegbare Wand im Innern eines Metall-Wellenleiters zu bilden, wie dies in der US-A-3789330 offenbart ist, jedoch ist dieses Vorgehen schwer zu realisieren, da die zweite Wand mit dem Wellenleiter nicht verbunden werden kann, wenn sie frei bewegbar sein soll. Dies kann zu der Erzeugung von Nebenwellen und zusätzlichen Wellenleitermoden führen, welche sehr schwer zu kontrollieren sind. Ein weiterer Punkt ist die Anordnung der Steuervorrichtung. Wenn die Vorrichtung im Innern des Wellenleiters platziert wird (d.h. ein piezoelektrischer Kristall), kann diese eine schwerwiegende Verzerrung der Wellenleitermoden sowie hohe Verluste hervorrufen. Wenn die Vorrichtung sich außerhalb des Wellenleiters befindet, wie z.B. in der oben erwähnten FR-A-2581255, muss die metallische Umschließung durchstoßen werden, um einen Zugang zu dem beweglichen Teil zu ermöglichen, was zusätzliche Verzerrung und Verluste verursacht.
Die Kombination einer mechanischen Antennendrehung mit einem Ein-Ebenen-Scannen unter Verwendung von Phasenschiebern wurde beschrieben in „An Array-fed Dual Reflector Antennas for Limited Sector Beam Scanning", R A Pearson, PhD Thesis, University of London, April 1988, wobei eine gleichmäßig beabstandete Anordnung von Wellenleiter-Strahlern unter Verwendung von Hörnern entlang der Länge der Phasen-Scan-Ebene gefüllt ist, wobei die gesamte Struktur gedreht wird, um den Strahl in jeder beliebigen Ebene zu scannen. In dieser Ausgestaltung wurde die primäre abstrahlende Struktur zudem mit einem Dual-Reflektor-System kombiniert, um die Strahleröffnung zu vergrößern.
Alternative Wellenleiterkonfigurationen, die als Photonic Band Gap (PBG) Kristalle bekannte periodische Strukturen verwenden, wurden in dem letzten Jahrzehnt vorgeschlagen, um die Herstellung von dielektrischen Wellenleitern zu vereinfachen, insbesondere im infraroten und sichtbaren Bereich des Spektrums (s. z.B. „Photonic Crystals: Molding the flow of light", J D Joannopoulos, Princeton University Press, NJ 1995). Die meisten dieser Wellenleiter basieren auf Verteilungen dielektrischen Materials mit fester Periode, welches als Grenzen für die geführte elektromagnetische Welle dient. Praktische Anwendungen dieser Techniken auf RF sind viel weniger entwickelt, obwohl Beispiele in „A Novel Waveguide using Uniplanar Compact Photonic Bandgap (UC PBG) Structure", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, Nr. 11, November 1999 und unserer Europäischen Patentanmeldung Nr. EP 01304526.5 gezeigt sind. Trotz ihres Potenzials überwinden diese Wellenleiterkonfigurationen, die periodische Strukturen verwenden, die mit dem Kontakt zwischen sich bewegenden Wellenleiterteilen zusammenhängenden Probleme bei der Herstellung nicht, und sie erlauben keine sich bewegenden Teile innerhalb der Struktur, um mechanische Phasenschieber, Drehkupplungen und andere rekonfigurierbare Vorrichtungen für Funkschaltkreise zu verwirklichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellenleiter anzugeben, der zumindest ein gutes Stück geht auf dem Weg, die oben genannten Nachteile zu überwinden, bzw. der der Industrie zumindest eine nützliche Alternative bietet.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung aus einem Wellenleiter mit:
einer ersten elektrisch leitenden Grundebene,
einer zweiten elektrisch leitenden Grundebene, die von der ersten elektrisch leitenden Grundebene beabstandet und parallel zu dieser ist,
einer ersten Reihe elektrisch leitender, beabstandeter Pfeiler, die an der ersten Grundebene befestigt sind und sich im wesentlichen senkrecht von dieser weg hin zu der zweiten Grundebene erstrecken, ohne letztere jedoch zu berühren,
einer zweiten Reihe elektrisch leitender, beabstandeter Pfeiler, die an der zweiten Grundebene befestigt sind und sich im wesentlichen senkrecht von dieser weg hin zu der ersten Grundebene erstrecken, ohne letztere jedoch zu berühren,
wobei das zwischen der ersten und der zweiten Grundebene und der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler begrenzte Volumen einen Wellenführungsbereich bildet, entlang dessen elektromagnetische Strahlung fortschreiten kann.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Reihe Pfeiler parallel, so dass der Wellenführungsbereich einen im wesentlichen konstanten Querschnitt hat.
Vorzugsweise sind die Pfeiler der ersten und der zweiten Reihe alle von derselben Länge, welche geringer ist als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grundebene.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grundebene etwa eine halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz, und die Pfeiler haben eine Länge von etwa einem Viertel einer Wellenlänge.
Vorzugsweise beträgt die Breite der Pfeiler etwa 1/3 der Höhe der Pfeiler.
Vorzugsweise enthält eine der ersten oder zweiten Grundebene zwischen und parallel zu der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler eine kontinuierliche Stufe.
Vorzugweise sind an eine oder beide der Grundebenen Aktuatormittel angeschlossen, um für eine Relativbewegung zwischen den Reihen der Pfeiler zu sorgen, indem die erste und die zweite Grundebene relativ zueinander bewegt werden, um so die Ausbreitungskonstante der geführten elektromagnetischen Welle einzustellen.
Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler verändert, bleibt der Abstand zwischen den Grundebenen jedoch durch die Relativbewegung unverändert.
Alternativ wird der Abstand zwischen den Grundebenen verändert, bleibt der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler durch die Relativbewegung jedoch unverändert.
Vorzugsweise weist die erste Grundebene eine Vielzahl paralleler, voneinander beabstandeter erster Reihen von Pfeilern auf, und die zweite Grundebene ist mit einer Vielzahl paralleler, voneinander beabstandeter zweiter Reihen von Pfeilern versehen.
In einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in einem passiven, rekonfigurierbaren Filter, welcher einen Wellenleiter gemäß dem ersten Aspekt enthält sowie ein mit einer oder beiden der Grundebenen verbundenes Aktuatormittel, um eine Relativbewegung zwischen den Reihen von Pfeilern zu erzeugen, indem die erste und die zweite Grundebene relativ zueinander bewegt werden, um so die Frequenzantwort des Wellenleiters einzustellen.
In einem dritten Aspekt besteht die Erfindung in einer phasenverschiebenden Vorrichtung mit einem Wellenleiter gemäß dem ersten Aspekt, zwei Übergängen, die festgelegte, massive Wellenleiter an dem Eingang und dem Ausgang der Vorrichtung mit dem Wellenleiter gemäß dem ersten Aspekt verbinden, und einem Aktuatormittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Reihen von Pfeilern, um so die Ausbreitungskonstante des Wellenleiters einzustellen.
In einem vierten Aspekt besteht die Erfindung in einem Array parallel ausgerichteter Wellenleiter nach dem ersten Aspekt, wobei alle Wellenleiter sich eine gemeinsame erste Grundebene und eine gemeinsame zweite Grundebene teilen.
In einem fünften Aspekt besteht die Erfindung in einer strahlscannenden Antennenanordnung mit einem Array parallel ausgerichteter Wellenleiter gemäß dem dritten Aspekt, wobei jeder Wellenleiter zumindest einen abstrahlenden Schlitz aufweist, wobei die Schlitze aller Wellenleiter entweder nur in der ersten oder nur in der zweiten Grundebene vorgesehen sind und jeder Schlitz mit der Ausbreitungsrichtung des Wellenführungsbereiches ausgerichet ist oder senkrecht zu dieser liegt, und mit einem mit einer oder beiden der gemeinsamen Grundebenen verbundenen Aktuatormittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Reihen von Pfeilern durch Bewegen der ersten und der zweiten Grundebene relativ zueinander, um so den Antennenstrahl in der Elevationsebene der Antennenanordnung zu lenken.
Vorzugsweise sind Drehmittel vorgesehen, um die scannende Antennenanordnung in einer Ebene senkrecht zu der Elevationsebene zu drehen.
Vorzugsweise ist innerhalb jedes Wellenleiters zudem eine periodische Struktur angeordnet, um die geführte elektromagnetische Welle zu verzögern und so den Winkel-Scan-Bereich des Antennenstrahls auszuweiten.
Vorzugsweise ist zudem ein Array radialer Hörner oder dielektrischer Linsen angeordnet, wobei jede(s) radiale Horn bzw. dielektrische Linse berührend an den wenigstens einen abstrahlenden Schlitz des jeweiligen Wellenleiters angrenzt.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der oberen oder unteren Grundebenen aus einer dielektrischen Platte gebildet, wobei die Pfeiler einstückig mit dieser geformt sind, wobei die Pfeiler und lediglich die der anderen Grundebene zugewandte Oberfläche der dielektrischen Platte mit einem leitenden Material beschichtet sind, wobei die abstrahlenden Schlitze in der Metallbeschichtung gebildet sind und wobei die dielektrischen Linsen einstückig mit der dielektrischen Platte geformt sind.
Demnach kann der Wellenleiter zwei parallele Metallplatten und eine periodische Struktur metallener Pfeiler aufweisen, die entweder mit der einen oder mit der anderen der Platten verbunden sind, ohne gleichzeitig physikalischen Kontakt mit beiden zu haben. Bei einigen Frequenzen erzeugt die periodische Struktur einen virtuellen Kurzschluss zwischen den parallelen Platten, was ein Entweichen von Energie aus dem Wellenleiter verhindert. Unter Anwendung der Erfindung können Strukturen wie Wellenleiter, Strahlbündler und Drehkopplungen gebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bestimmte Beispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer rechteckigen Wellenleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine Querschnittsansicht des rechteckigen Wellenleiters aus 1 entlang der Linie 2-2 ist,
3 eine perspektivische Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Steghohlleiters ist,
4 ein scannendes Array abstrahlender Schlitze auf Wellenleitern gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
5 eine perspektivische Ansicht einer phasenverschiebenden Vorrichtung mit einem Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung, zwei Übergängen und zwei festgestellten, massiven Wellenleitern ist und
6 eine perspektivische Ansicht eines scannenden Arrays abstrahlender Schlitze auf Wellenleitern gemäß der vorliegenden Erfindung mit beweglichen dielektrischen Stützen ist.
Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels
Es wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 und 2 Bezug genommen. Dort ist ein Wellenleiter gezeigt, welcher zwei elektrisch leitende Platten aufweist, die eine obere 1 und eine untere 2 Grundebene bilden. Die Grundebenen 1, 2 sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und durch eine Serie leitender Pfeiler 3 voneinander getrennt. Die leitenden Pfeiler 3 sind im wesentlichen senkrecht zu beiden Grundebenen 1, 2 angeordnet. Die Grundebenen 1, 2 und die Pfeiler 3 können z.B. aus Metall oder aus einem metallisierten Kunststoffmaterial bestehen.
Die Pfeiler 3 sind typischerweise periodisch entlang gerader Linien in einer oder mehreren Reihen auf jeder Seite eines zentralen Wellenführungsbereiches 4 verteilt, welcher frei von Pfeilern ist und in welchem elektromagnetische Energie geleitet und eingeschlossen wird. Die Abstände benachbarter Pfeiler in einer Reihe sind nicht notwendig gleich bleibend, der Abstand zwischen benachbarten parallelen Reihen ist nicht notwendig der gleiche, und der Abstand der Pfeiler in unterschiedlichen Reihen ist nicht notwendig der gleiche. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Pfeiler in jeder Reihe gleichmäßig beabstandet sind und dass der Abstand in allen Reihen konstant ist. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen benachbarten Reihen etwa λ/10, und der Abstand zwischen den Pfeilern in einer Reihe ist weniger als etwa λ/4, wobei λ die Wellenlänge bei der zentralen Frequenz des Betriebsbandes ist.
Jeder leitende Pfeiler 3 ist mit nur einem seiner Enden mit einer der beiden Grundebenen verbunden, wobei zwischen jedem Pfeiler 3 und der gegenüberliegenden Grundebene 1 bzw. 2 ein Spalt 5 belassen ist. Die Wellenleiterkonstruktion kann daher als „kontaktfrei" angesehen werden, da die obere 1 und die untere 2 Grundebenen effektiv nicht über herkömmliche Seitenwände verbunden sind. Die Pfeiler 3 können an die zugehörige Grundebene gebondet oder mit dieser verlötet sein, oder sie können mit dieser einstückig ausgebildet sein.
Jeder Pfeiler 3 auf der einen Seite des Wellenführungsbereichs 4 ist mit der oberen Grundebene 1 verbunden, während jeder der Pfeiler 3 auf der anderen Seite des Wellenführungsbereichs 4 mit der unteren Grundebene 2 verbunden ist. Da die Pfeiler 3 in geraden Reihen angeordnet sind und senkrecht zu den Grundebenen 1, 2 stehen, ist die Form des zentralen Wellenführungsbereichs 4 im wesentlichen rechteckig, wie dies in 2 gezeigt ist, mit einer Weite w, wie in 1 dargestellt. In dem Betriebsfrequenzband wird zwischen der oberen 1 und der unteren 2 Grundebene aufgrund der Resonanz der mit den Pfeilern verbundenen Induktivität und Kapazität ein virtueller Kurzschluss (Null-Impedanz) erzeugt. Eine geführte Welle schreitet daher in dem Wellenführungsbereich 4 in der Richtung parallel zu den Reihen aus Pfeilern 3 fort, wie dies durch den Pfeil 6 in 2 dargestellt ist.
In dem Betriebsfrequenzband liegt der Abstand zwischen den parallelen Platten bei weniger als einer halben Wellenlänge, vorzugsweise zwischen etwa 0,3λ und etwa 0,4λ. Die Höhe der Pfeiler 3 ist in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge bei der zentralen Frequenz des Betriebsbandes und besonders bevorzugt zwischen etwa 0,2λ und 0,3λ, jedoch hängt die Höhe der Pfeiler wegen der wechselseitigen Kopplung zwischen benachbarten Pfeilern auch von dem Durchmesser der Pfeiler und dem Abstand zwischen diesen ab. Die Querschnittsform der Pfeiler kann z.B. rechteckig (auch quadratisch), kreisförmig oder elliptisch sein und kann basierend auf dem verwendeten Herstellungsverfahren gewählt werden. Andere Querschnittsformen sind auch möglich, wenn sie für die Herstellung passend sind und solange sie eine ausreichende, damit verbundene Induktivität und Kapazität haben, dass innerhalb einer verwendbaren Frequenzspanne Resonanz auftritt. Der Durchmesser der Pfeiler ist wesentlich geringer als die Höhe und kann z.B. kleiner oder gleich etwa 1/3 der Pfeilerhöhe sein.
Wie zuvor erwähnt, erzeugen die leitenden Pfeiler 3 im Betriebsfrequenzband eine virtuelle leitende Wand bzw. einen virtuellen Kurzschluss. Tatsächlich verhalten sich die Pfeiler 3 wie ein äquivalenter parallel zu den Grundebenen 1, 2 geschalteter Resonanzschaltkreis. Eine Reihe Pfeiler 3 erzeugt eine Grenze geringer Impedanz, ähnlich einer metallenen Wand, die die obere 1 und untere 2 Ebenen miteinander verbindet, so dass sie so die Funktion ebener Seitenwände in herkömmlichen rechteckigen Wellenleitern effektiv simuliert. Die Kombination mehrerer Reihen Pfeiler 3 kann verwendet werden, um verglichen mit dem Fall durch je eine Reihe von Pfeilern 3 gebildeter virtueller Wände die Bandbreite des Wellenleiters auszudehnen.
Für einen rechteckig geformten, kontaktfreien Wellenleiter ist die fundamentale elektromagnetische Mode im Innern des Wellenleiters sehr ähnlich (außerhalb der Pfeilerbereiche) der TE₁₀-Mode eines herkömmlichen rechteckigen Wellenleiters mit einer äquivalenten Weite, die annähernd gleich (typischerweise 1–2% geringer) der Weite w des zentralen Wellenführungsbereichs 4 des kontaktfreien Wellenleiters ist.
Da die obere 1 und die untere 2 Grundebenen physikalisch nicht miteinander verbunden sind, ist es möglich, die eine relativ zu der anderen zu verlagern, indem eine oder beide Grundplatte(n) 1, 2 (und damit die Reihen Pfeiler 3) in der Richtung der Pfeile 7 und 8 in 1 bewegt werden. Diese Relativbewegung verändert die Weite des Wellenführungsbereichs 4. Dies erzeugt eine Modifikation der Impedanz und der Wellenausbreitungskonstante des Wellenleiters und kann daher genutzt werden, um die elektrischen Eigenschaften eines Wellenleiters oder einer auf dem erfindungsgemäßen Wellenleiter basierenden Vorrichtung bzw. eines solchen Schaltkreises zu rekonfigurieren.
Die Abmessungen des Wellenleiters können so ohne die Verwendung zusätzlicher innen liegender dielektrischer oder metallischer Teile, die mit den Feldern im Innern des Wellenleiters interferieren könnten, verändert werden, um entlang des Wellenleiters eine Phasenveränderung zu erzeugen. Der Wellenleiter gemäß der Erfindung kann daher als ein Phasenschieber wirken. Wenn eine der Grundebenen 1, 2 relativ zu der anderen seitlich verlagert wird, wird auch die virtuelle Kurzschluss-Wand verlagert, wobei die rechteckige Grundform des Wellenleiters unverändert bleibt. Die Phase der Welle am Ende des Wellenleiters wird verändert, da die Ausbreitungskonstante für die Welle innerhalb des Wellenleiters direkt von der Weite w des Wellenleiters abhängt. Die Ausbreitungskonstante der fundamentalen Mode des Wellenleiters kann berechnet werden unter Verwendung der Formel:
wobei k eine Konstante ist, w die Weite des Kanals zwischen den inneren Reihen Pfosten 3 und ϕ₁₁ die Phase im Bogenmaß des Reflexionskoeffizenten der Pfeiler 3 zu einer einfallenden ebenen, parallelen TEM-Welle. Im allgemeinen hängt ϕ₁₁ von der Frequenz und dem Einfallswinkel ab, welche unmittelbar mit der Ausbreitungskonstante γ zusammenhängen.
Relative vertikale Verlagerungen der Grundebenen 1, 2 können auch verwendet werden, um Phasenverschiebungen für eine kontaktfreie Version des Wellenleiters und insbesondere eine kontaktfreie Version eines wie in 3 gezeigten Steghohlleiters zu erzeugen. In 3 können die Pfeiler 3 (in diesem Beispiel als einen quadratischen Querschnitt aufweisend gezeigt) und ein leitender Steg 9, der sich parallel zu den Reihen Pfeilern erstreckt, sämtlich an derselben Grundebene 1, 2 festgelegt sein. Alternativ können die Pfeiler 3 auf einer Seite des zentralen Wellenführungsbereichs 4 und der Steg 9 an derselben Grundebene 1, 2 festgelegt sein, und die Pfeiler 3 auf der anderen Seite des mittleren Wellenführungsbereichs 4 können mit der anderen Grundebene 2, 1 verbunden sein.
Der Abstand zwischen dem Steg 9, der in dem gezeigten Beispiel an der oberen Grundebene 1 befestigt ist, und der gegenüberliegenden unteren Grundebene 2 beeinflusst in hohem Maße die Ausbreitungskonstante. In diesem Fall ist die maximal zulässige Relativverlagerung zwischen den Grundebenen durch den zulässigen Spalt g zwischen den Pfeilern 3 und der jeweils gegenüberliegenden Grundebene 1, 2 beschränkt. Es wird verstanden werden, dass, wenn dar Spalt g einen Schwellwert übersteigt, die Pfeiler 3 dann aufhören können, als virtuelle Wände zu wirken, und so die Antwort des Wellenleiters beeinflusst werden wird.
Wohl bekannte lineare Wandler (Transducer) oder elektrische Motoren können in geeigneter Weise mit der äußeren Fläche einer oder beider Grundebene(n) 1, 2 verbunden werden, um die erforderliche Relativbewegung in lateraler oder vertikaler Richtung zu bewerkstelligen. Laterale und vertikale Verlagerung können in dem Design eines einzigen Wellenleiters verwirklicht werden.
Kontaktfreie Wellenleiter können auch verwendet werden, um Leistungsteiler, Filter, Koppler und andere passive Vorrichtungen, wie sie typischerweise in Funk- oder Mikrowellennetzen verwendet werden, zu bilden. Die elektrischen Eigenschaften dieser Vorrichtungen können ebenfalls durch die Relativverlagerung der oberen 1 und der unteren 2 Grundebenen und deren zugehöriger Pfeiler 3 verändert werden.
Es ist auch möglich, Strukturen zu realisieren, die den kontaktfreien Aspekt der Erfindung nutzen, um mechanische Verlagerungen zu verwirklichen, z.B. zum Lenken des von einer integralen oder separaten Strahlungsstruktur gesendeten oder empfangenen Stahls oder als Teil einer Drehkopplung, in welcher die elektrisch signifikanten Teile physikalisch getrennt sind und Teile, die elektrisch nicht kritisch sind, für eine Realisierung der mechanischen Rotation verwendet werden. Rekonfigurierbare Wellenleiter-Filter können auch verwirklicht werden, indem der kontaktfreie Wellenleiter verwendet wird, da die Weite der in Resonanz tretenden Abschnitte des Wellenleiters durch seitliche Verlagerung verändert werden können, wodurch die Frequenzantwort des Wellenleiters beeinflusst wird.
Es ist möglich, Phasenschieber in mehreren zugehörigen Wellenleitern, die sich dieselben Grundebenen 1, 2 teilen, gleichzeitig zu steuern. Die Wellenleiter können unterschiedliche Weiten w haben und bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, jedoch müssen sie dieselbe Höhe haben, da der Abstand zwischen den Grundebenen 1, 2 für alle von ihnen derselbe ist.
Kontaktfreie Wellenleiter gemäß dieser Erfindung können auch elektromagnetische Wellen abstrahlen oder aufnehmen und können daher als Antennen wirken durch kontrollierte Freisetzung bzw. Absorption von Energie durch Öffnungen in einer oder beiden Grundebene(n) 1, 2. Das Abstrahlen/die Absorption durch diese Öffnungen hängt von deren relativer Position und Orientierung in den Grundebenen ab, in ähnlicher Weise wie bei Öffnungen in herkömmlichen rechteckigen Wellenleitern.
Wegen der Ähnlichkeit zwischen den Feldern in den vorliegenden kontaktfreien und in herkömmlichen rechteckigen Wellenleitern ist es möglich, kontaktfreie Versionen herkömmlicher geschlitzter Wellenleiteranordnungen und herkömmlicher, einen Längsschlitz verwendender Strahler zu verwirklichen, indem der Wellenleiter gemäß dieser Erfindung genutzt wird.
4 zeigt ein Beispiel eines scannenden Arrays abstrahlender Schlitze (zwei abstrahlende Schlitze 10, 11 in der oberen Grundebene 1 sind gezeigt) auf kontaktfreien Wellenleitern gemäß dieser Erfindung. Die Ausbreitungskonstante der geschlitzten Wellenleiter gemäß dieser Erfindung kann gleichzeitig gesteuert werden durch eine einzige laterale Verlagerung zwischen den Grundebenen 1, 2 in Richtung des Pfeils 12. In 4 sind lediglich zwei Wellenleiter 13, 14 gezeigt, die sich beide die gemeinsamen obere 1 und untere 2 Grundebenen teilen, wobei jeweils virtuelle Seitenwände aus Reihen leitender Pfeiler 3 gebildet sind. Die Pfeilerreihen 15 und 16 bilden virtuelle Seitenwände für den Wellenleiter 13, während die Pfeilerreihen 17 und 18 virtuelle Seitenwände für den Wellenleiter 14 bilden. Die Pfeiler 3 in den Reihen 15 und 17 sollten mit nur einer, und zwar derselben Grundebene 1 oder 2 verbunden sein, während die Pfeiler in den Reihen 16 und 18 mit nur einer, und zwar der anderen Grundebene 2 oder 1 verbunden sein sollten.
Um die Abstrahleffizienz der Schlitze zu verbessern, kann ein Array von radialen Hörnern oder ein Array von dielektrischen Linsen angrenzend an die obere Grundplatte 1 positioniert sein, wobei jedes der Hörner bzw. jede der Linsen mit einem zugehörigen abstrahlenden Schlitz ausgerichtet ist. In dem Fall, dass dielektrische Linsen hinzugenommen werden, kann das Array aus Linsen, Schlitzen und Pfeilern einstückig mit einander und mit einer der Grundebenen verbunden gebildet werden. Dies kann verwirklicht werden, indem eine der Grundebenen (zum Beispiel die obere Grundebene 1) unter Verwendung metallisierten Kunststoffes gebildet wird, wobei eine Platte eines Kunststoffmaterials verwendet wird, um eine Schicht eines einzigen, festen Arrays dielektrischer Linsen zu bilden, welche auf einer Seite (die andere, äußere Seite muss nicht metallisiert werden) mit Metall beschichtet wird, um die obere Grundebene zu bilden, welche der unteren Grundebene 2 gegenüberliegt. Schlitze 10, 11 etc. werden in die Metallschicht geätzt und Pfeiler werden geformt oder einstückig mit der Kunststoffplatte gebildet, und zwar auf derselben Seite wie die geätzte, metallisierte Grundebene, und ebenfalls metallisiert. Diese Konstruktion liefert eine robuste mechanische Struktur. Die Schlitze 10, 11 können eine Schlitzweite haben, welche periodisch variiert werden kann. Die Schlitze 10, 11 können auch mit einer dünnen Schicht eines dielektrischen Materials bedeckt werden, um eine Abstrahlung von Schlitzlinienwellen zu verhindern.
Jede radiale Hornöffnung oder dielektrische Linsenstruktur kann mit einer integralen Polarisationsstruktur versehen sein, um bspw. beim Senden zirkular polarisierte Wellen zu erzeugen oder um eine zirkular polarisierte Welle in eine linear polarisierte Welle umzuwandeln, um so eine effiziente Ankopplung beim Empfangen zu schaffen.
Die Richtung des durch diese Arrays erzeugten (oder empfangenen) Strahls ist direkt mit der Ausbreitungskonstante im Innern des Wellenleiters verknüpft. Als ein Ergebnis wird durch die relative Verlagerung der Grundebenen 1, 2 der Antennenstrahl in der Elevationsebene gelenkt. Bei Mikrowellenfrequenzen (Ku-Band und Ka-Band) liegt die zum Scannen eines Strahls von 30° bis 60° erforderliche laterale Verlagerung in der Größenordnung mehrerer Millimeter und kann bspw. mittels herkömmlicher, preiswerter Elektromotoren realisiert werden.
Rillungen bzw. Wellungen oder eine ähnliche periodische leitende oder dielektrische Struktur kann entweder im Innern des Wellenleiters angeordnet werden oder einen integralen Bestandteil der inneren, leitenden Fläche der oberen 1 oder der unteren Grundebene bilden. Die periodische Struktur verzögert die elektromagnetische Welle innerhalb des Wellenleiters bzw. verringert deren Geschwindigkeit und dehnt so im Zusammenhang mit dem Wellenleiter gemäß dieser Erfindung den Winkel-Scan-Bereich des Antennen-Scan-Strahls aus.
Besonders für die zirkulare Polarisation geeignete Antennenstrukturen können so unter Verwendung dieser Erfindung hergestellt werden, mit einem Strahl-Scannen entlang der Länge des Wellenleiters, um so ein Vollstrahl-Scannen als Teil einer Niedrig-Profilstruktur zu realisieren, indem die gesamte Struktur rechtwinkelig zu der Ebene der Antennenöffnung gedreht wird.
Das scannende Array kann ferner mobile dielektrische Stützen 23 zwischen der ersten und der zweiten Grundebene 1, 2 innerhalb der durch die Reihen von Pfeilern 15, 16, 17, 18 gebildeten Hohlräume aufweisen, um die mechanische Stabilität des Arrays sicherzustellen, ohne die Bewegung der Grundebenen 1, 2 zu behindern.
5 zeigt ein Beispiel einer phasenverschiebenden Vorrichtung mit zwei feststehenden, soliden Wellenleitern 19, 22 und einem Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung.
Einer der feststehenden, soliden Wellenleiter 19 ist an dem Eingang der phasenverschiebenden Vorrichtung angeordnet und mit dem Wellenleiter über einen Übergang 20 verbunden. Der andere feststehende, solide Wellenleiter 22 ist an dem Ausgang der phasenverschiebenden Vorrichtung angeordnet und mit dem Wellenleiter über einen weiteren Übergang 21 verbunden. Aktuatormittel können mit einer oder beiden Grundebene(n) 1, 2 des Wellenleiters verbunden sein, um die Relativbewegung zwischen den Pfeilerreihen zu besorgen und so die Ausbreitungskonstante des Wellenleiters einzustellen. Demgemäß kann ein kontrolliertes Phasenschieben durchgeführt werden.

Claims

Wellenleiter mit: einer ersten elektrisch leitenden Grundebene (1), einer zweiten elektrisch leitenden Grundebene (2), die von der ersten elektrisch leitenden Grundebene beabstandet und parallel zu dieser ist, einer ersten Reihe elektrisch leitender, beabstandeter Pfeiler (3), die an der ersten Grundebene (1) befestigt sind und sich im wesentlichen senkrecht von dieser weg hin zu der zweiten Grundebene (2) erstrecken, ohne letztere jedoch zu berühren, einer zweiten Reihe elektrisch leitender, beabstandeter Pfeiler (3), die an der zweiten Grundebene (2) befestigt sind und sich im wesentlichen senkrecht von dieser weg hin zu der ersten Grundebene (1) erstrecken, ohne letztere jedoch zu berühren, wobei das zwischen der ersten und der zweiten Grundebene und der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler begrenzte Volumen einen Wellenführungsbereich (4) bildet, entlang dessen elektromagnetische Strahlung fortschreiten kann.
Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Reihe Pfeiler (3) parallel sind, so dass der Wellenführungsbereich (4) einen im wesentlichen konstanten Querschnitt hat.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfeiler (3) der ersten und der zweiten Reihe alle von derselben Länge sind, welche geringer ist als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2).
Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2) etwa eine halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz beträgt, und dass die Pfeiler (3) eine Länge von etwa einem Viertel einer Wellenlänge haben.
Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Pfeiler (3) etwa 1/3 der Höhe der Pfeiler beträgt.
Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten oder zweiten Grundebenen (1, 2) zwischen und parallel zu der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler (3) eine kontinuierliche Stufe aufweist.
Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an eine oder beide der Grundebenen (1, 2) Aktuatormittel angeschlossen sind, um für eine Relativbewegung zwischen den Reihen der Pfeiler (3) zu sorgen, indem die erste und die zweite Grundebene (1, 2) relativ zueinander bewegt werden, um so die Ausbreitungskonstante der geführten elektromagnetischen Welle einzustellen.
Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler (3) verändert wird, der Abstand zwischen den Grundebenen (1, 2) jedoch durch die Relativbewegung unverändert bleibt.
Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Grundebenen (1, 2) verändert wird, der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Reihe Pfeiler (3) durch die Relativbewegung jedoch unverändert bleibt.
Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundebene (1) eine Vielzahl paralleler, voneinander beabstandeter erster Reihen von Pfeilern (3) aufweist, und dass die zweite Grundebene (2) mit einer Vielzahl paralleler, voneinander beabstandeter zweiter Reihen von Pfeilern (3) versehen ist.
Passives, rekonfigurierbares Filter mit einem Wellenleiter gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2) die Frequenzantwort des Wellenleiters einstellt.
Phasenverschiebende Vorrichtung mit einem Wellenleiter gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 und mit zwei Übergängen (20, 21), die zwei massive Wellenleiter (19, 22) mit dem Wellenleiter verbinden, wobei die Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2) die Ausbreitungskonstante des Wellenleiters einstellt.
Array parallel ausgerichteter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei alle Wellenleiter sich eine gemeinsame erste Grundebene (1) und eine gemeinsame zweite Grundebene (2) teilen.
Strahlscannende Antennenanordnung mit einem Array parallel ausgerichteter Wellenleiter (13, 14) gemäß Anspruch 13, wobei jeder Wellenleiter (13, 14) zumindest einen abstrahlenden Schlitz aufweist, wobei die Schlitze (10, 11) aller Wellenleiter entweder nur in der ersten oder nur in der zweiten Grundebene (1, 2) vorgesehen sind und jeder Schlitz (10, 11) mit der Ausbreitungsrichtung des Wellenführungsbereiches (4) ausgerichet ist oder senkrecht zu dieser liegt, und mit einem mit einer oder beiden der gemeinsamen Grundebenen (1, 2) verbundenen Aktuatormittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Reihen Pfeilern (15, 16, 17, 18) durch Bewegen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2) relativ zueinander, um so den Antennenstrahl in der Elevationsebene der Antennenanordnung zu lenken.
Strahlscannende Antennenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Drehmittel aufweist, um die scannende Antennenanordnung in einer Ebene senkrecht zu der Elevationsebene zu drehen.
Strahlscannende Antennenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzweite als die kleinere Schlitzabmessung bestimmt ist, wobei die Schlitzweite periodisch verändert ist, oder dass der Schlitz (10, 11) mit einer dünnen Schicht eines Dielektrikums bedeckt ist, um das Abstrahlen von Schlitzlinien-Wellen zu verhindern.
Strahlscannende Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner innerhalb jedes Wellenleiters (13, 14) eine periodische Struktur aufweist, um die geführte elektromagnetische Welle zu verzögern und so den Winkel-Scan-Bereich des Antennenstrahls auszuweiten.
Strahlscannende Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie zudem ein Array radialer Hörner oder dielektrischer Linsen aufweist, wobei jede(s) radiale Horn bzw. dielektrische Linse berührend an den wenigstens einen abstrahlenden Schlitz (10, 11) des jeweiligen Wellenleiters angrenzt.
Strahlscannende Antennenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der oberen oder unteren Grundebenen (1, 2) aus einer dielektrischen Platte gebildet ist, wobei die Pfeiler (15, 16, 17, 18) einstückig mit dieser geformt sind, wobei die Pfeiler (15, 16, 17, 18) und lediglich die der anderen Grundebene zugewandte Oberfläche der dielektrischen Platte mit einem leitenden Material beschichtet sind, wobei die abstrahlenden Schlitze (10, 11) in der Metallbeschichtung gebildet sind und wobei die dielektrischen Linsen einstückig mit der dielektrischen Platte geformt sind.
Strahlscannende Antennenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie innerhalb durch die Reihen aus Pfeilern (15, 16, 17, 18) gebildeter Hohlräume ferner bewegliche dielektrische Stützen (23) zwischen der ersten und der zweiten Grundebene (1, 2) aufweist, um die mechanische Stabilität der Anordnung sicherzustellen, ohne die Bewegung der Grundebenen (1, 2) zu behindern.