DE68908628T2

DE68908628T2 - Abwärtsumsetzerblock mit schwachem Rauschen für Empfänger von direktem Satelliten-Rundfunk mit einer intergrierten flachen Platte.

Info

Publication number: DE68908628T2
Application number: DE89850194T
Authority: DE
Inventors: Bernhard D Geller; Amir I Zaghloul
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-06-13
Also published as: DK309389A; NO892605L; KR910002037A; NO892605D0; JPH0244903A; IN171705B; EP0348370B1; AU3597589A; CA1327643C; KR970004773B1; DE68908628D1; EP0348370A2; AU619557B2; IL90678A0; DK309389D0; US5125109A; EP0348370A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vielschicht-Flachleiterplattenantenne, bei der Elemente von benachbarten Schichten kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Ein Flachplattenempfänger ist in die Schichten eingebaut und durchsetzt ein oder mehr der Schichten, wodurch eine kompaktere Struktur gebildet und die Empfindlichkeit erhöht wird.
Die Erfindung ist eine einer fortlaufenden Serie von Erfindungen, für die eine Reihe von damit verwandten, gleichzeitig anhängigen Anmeldungen eingereicht wurden, von denen eine zum Patent geführt hat. Die US-PS 4 761 654 (= EP-A-0 207 029) betrifft eine Vielschicht-Leiterplattenantenne, die kapazitive Kopplung zwischen den Schichten verwendet. EP-A-0 271 458 betrifft eine Leiterplattenantenne mit kapazitiver Kopplung, wobei die Strahlungselemente Schlitze sind.
Die in dem vorstehenden Patent bzw. der Anmeldung gezeigten und beanspruchten Antennen arbeiten in einer einzigen Polarisationsrichtung, die entweder kreisförmig oder linear sein kann, und zwar in Abhängigkeit von der Konfiguration der Elemente, wobei die Elemente von jeweiligen einzelnen Speiseleitern in einem Leistungsverteilungsnetzwerk (PDN) gespeist werden. Die gleichzeitig anhängige Anmeldung Serial- Nr. 165 332 vom 8. März 1988 (entsprechend US-A-4 929 959) betrifft eine Vielschichtstruktur mit Zweifachpolarisation, wobei zwei verschiedene, orthogonale Polarisationsrichtungen von einer einzigen Antenne empfangen werden können.
Die in jeder der vorgenannten, gleichzeitig anhängigen Anmeldungen angegebene Antenne, ob sie nun in Mikrostrip-, Streifenleitungs-, Schlitzleitungs-, Finleitungs- oder koplanarer Wellenleiter-Technologie implementiert ist, benötigt einen Verstärkerblock (einen rauscharmen Abwärtsumsetzerblock oder LNB), der außerhalb der Antennenkonstruktion selber ausgebildet ist. Diese Konstruktion funktioniert zwar gut, sie weist jedoch einige Nachteile auf. Dadurch, daß es notwendig ist, die Antenne mit einem rauscharmen Abwärtsumsetzerblock außerhalb der Antenne zu koppeln, treten erstens inhärente HF-Kreis-Verluste auf. Somit hat der Empfänger verringerte Empfindlichkeit. Da zweitens der Empfängerblock von der Antenne getrennt ist, ist die Montage der Gesamtkonstruktion wegen ihrer großen Größe erschwert und eingeschränkt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfinder haben entdeckt, daß es möglich ist, den rauscharmen Abwärtsumsetzerblock innerhalb des Umfangs der Antennenschichten einschließlich der Schicht, in der das Lei-Stungsverteilungsnetzwerk (PDN) vorgesehen ist, anzuordnen. Da der rauscharme Abwärtsumsetzerblock einen gewissen Raum einnimmt, muß ein Teil des Leistungsverteilungsnetzwerks entfallen, und entsprechende Strahlungselemente, ob es sich nun um Schlitze oder Felder handelt, werden ebenfalls weggelassen. Um nachteilige Auswirkungen zu minimieren, werden die wegzulassenden Elemente, wann immer dies praktikabel ist, aus einem Bereich in der Anordnung gewählt, der nicht ebenso wirkungsvoll wie andere Bereiche abstrahlt. Durch Anordnen des rauscharmen Abwärtsumsetzerblocks auf dem Leistungsverteilungsnetzwerk wird die Hochfrequenz-Empfindlich keit des Empfängers verbessert, und gleichzeitig werden Schaltungsverluste herabgesetzt. Außerdem wird die Montage einschließlich einer bündigen Montage erleichtert, weil der rauscharme Abwärtsumsetzerblock nicht von der Rückseite der Flachantenne vorspringt.
Im Hinblick auf die obigen Erläuterungen wird durch die vorliegende Erfindung eine Vielschicht-Antennenkonstruktion bereitgestellt, die aufweist: eine Groundplane; eine Leistungsverteilungs-Netzwerkanordnung, die über der Groundplane angeordnet ist; und eine Schicht von Strahlungselementen, die über dem Leistungsverteilungsnetzwerk liegt, wobei alle diese Schichten kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Die Leistungsverteilungsschicht weist ferner einen rauscharmen Abwärtsumsetzerblock auf, der auf einem Substrat auf der Schicht angeordnet ist, wobei einige der Elemente der Leistungsverteilungsschicht entfallen, um Platz für den rauscharmen Abwärtsumsetzerblock zu schaffen, und entsprechende Strahlungselemente in der Strahlungselementschicht entfallen, da durch das Vorhandensein des rauscharmen Abwärtsumsetzerblocks keine Einspeisungsstruktur für diese Elemente vorhanden ist. Das Substrat, auf dem der rauscharme Abwärtsumsetzerblock angeordnet ist, ist bevorzugt ein verlustarmes Keramik- oder Glasmaterial. Die Erfinder haben entdeckt, daß diese Struktur zwar die Beseitigung einiger Elemente verlangt, aber über eine große Bandbreite verbesserte Resultate liefert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung werden nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Einfachpolarisations-Vielschichtstruktur, in die ein rauscharmer Abwärtsumsetzerblock integriert ist;
Fig. 2A und 2B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Verbindung des Streifenleiter-Leistungsverteilungsnetzwerks mit einer koplanaren Wellenleiterkonstruktion gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3 ein Blockschaltbild des rauscharmen Abwärtsumsetzerblocks, der auf einem Keramik- oder Glassubstrat vorgesehen ist; und
Fig. 4 eine Implementierung der Erfindung in Zweifachpolarisationsform, wobei rauscharme Abwärtsumsetzerblöcke auf jeweiligen Leistungsverteilernetzwerken angeordnet sind.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSF0RM

Die Ausführungsform, die nachstehend als derzeit bevorzugt beschrieben wird, umfaßt die Streifenleiter-Implementierung der Antenne mit Anschluß an eine koplanare Wellenleiterkonstruktion außerhalb der Antenne. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, die Implementierung in Mikrostrip-, Schlitzleitungs-, Finleitungs-Technologie oder sonstigen bekannten Technologien vorzusehen.
Gemäß Fig. 1 hat die Flachantennenanordnung, in die der rauscharme Abwärtsumsetzerblock bzw. LNB 150 integriert ist, eine Vielschichtstruktur mit einer Groundplane 10, einer Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht (PDN) 20 und einer Strahlungselementschicht 30. Die Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht 20 ist in Streifenleiterform gedruckt, wobei Leiter die entsprechenden Strahlungselemente durch kapazitive Kopplung speisen und kein direkter Kontakt zwischen den Leitern und den Elementen besteht. Eine untere Groundplane ist als die unterste Schicht der Struktur vorgesehen, wobei die die Strahlungselemente enthaltende Schicht als eine obere Groundplane wirkt.
Der LNB-Empfänger 100 ist bevorzugt auf einem Keramik- oder einem Glassubstrat 102 in der Mitte des Leistungsverteilungsnetzwerks vorgesehen, da dies die Implementierung mit den geringsten Verlusten ergibt. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, bestimmte Strahlungselemente zur Mitte der Schicht 30 hin wegzulassen und den LNB-Block 150 dort zu positionieren, wo diese Elemente entfernt wurden. Die oben angesprochenen "weggelassenen" Elemente können irgendwelche der Elemente sein, die in jeder der vorgenannten gleichzeitig anhängigen Anmeldungen beschrieben sind.
Es ist bekannt, bestimmte Strahlungselemente in einer Anordnung "wegzulassen", allerdings aus anderen Gründen als bei der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise haben einige bekannte Antennen wie etwa ein von Sony Corporation hergestelltes Modell an solchen Stellen keine Strahlungselemente, an denen Befestigungsstützen und sonstige Hardware (wie etwa Verbindungen mit einem extern positionierten LNB-Block) mit der Antenne verbunden sind.
Das Anbringen des LNB-Blocks 150 in der Mitte der Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht 20 ergibt zwar die geringsten Verluste, da sich die Einspeisung in die Schicht 20 in der Mitte der Anordnung befindet; es sind aber im Rahmen der Erfindung Situationen vorstellbar, bei denen eine Anordnung auf solche Weise verjüngt ist, daß bestimmte Bereiche der Anordnung nicht viel zu der Gesamtleistung der Antenne beitragen, d. h., daß bestimmte Elemente nicht oder nur schwach erregt werden. Bei solchen verjüngten Anordnungen kann die Einspeisungskonstruktion für diese nichterregten Elemente durch den LNB-Block ersetzt werden.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines koaxialen Ubergangs 210 zwischen dem Streifenleiter 202 im Leistungsverteilungsnetzwerk der Antenne und dem koplanaren Wellenleiter 204 außerhalb des Netzwerks. Der Streifenleiter 202 und der koplanare Wellenleiter 204 sind widerstandsangepaßt. Der äußere Bereich 216 des koaxialen Ubergangs 210 ist mit der Groundplane 10 und mit der Strahlungselementschicht 30 verbunden, die als die obere Groundplane für die Streifenleiterstruktur wirkt. Die koaxiale Verbindung auf der Seite des koplanaren Wellenleiters ist in Kontakt mit Groundplanes, die orthogonal zu den Groundplanes auf der Streifenleiterseite angeordnet sind. Infolgedessen ermöglicht der tibergang von dem Streifenleiter zu dem koaxialen Wellenleiter eine Feldrotation.
Die Dimensionen der Substratdicke des koaxialen Wellenleiters und des Abstands zwischen seiner nichtmetallisierten Seite und der unteren Groundplane der Antenne sind derart, daß der LNB-Block 150 mit der Antennen-Groundplane bündig ist. Der Abstand zwischen der metallisierten Seite des Wellenleiter-Substrats und der oberen Groundplane des Leistungsverteilungsnetzwerks oder den Strahlungselementen ist ebenfalls derart, daß der LNB-Block an der Oberseite der Antenne nicht vorspringt.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Schaltkreise, die auf der Mutterplatte 102 des Wellenleiters vorgesehen sind, und umfaßt einen rauscharmen Verstärker bzw. LNA 112 als aktiven Miniatur-Mikrowellenkreis (MMAC) (auch als quasimonolithisch bezeichnet). Der LNA 112 empfängt die Antennenausgangsleistung, verstärkt sie und liefert das verstärkte Ausgangssignal an einen als monolithischen integrierten Mikrowellen-Schaltkreis (MMIC) ausgebildeten LNA/Mischer 114. Der LNA/Mischer 114 empfängt das Ausgangssignal eines Uberlagerungsoszillators 116 (der ebenfalls in MMAC-Technik implementiert sein kann). Ein Bandpaßfilter 118 ist zwischen die LNA- und Mischer-Bereiche des LNA/Mischers 114 geschaltet, so daß der Mischerbereich das Ausgangssignal des Uberlagerungsoszillators 116 und ein bandpaßgefiltertes Ausgangssignal des in MMIC-Technik implementierten LNA 112 vereinigt. Das Ausgangssignal des LNA/Mischers 114 wird einem Tiefpaßfilter 120 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem ZF- Verstärker 122 zugeführt wird, der ebenfalls in MMAC-Technik implementiert sein kann. Der ZF-Ausgang des Abwärtsumsetzerblocks ist ein 75-Ω-Koaxialverbinder, der das ZF-Signal zu einer Hausempfangseinheit leitet und gleichzeitig dem Abwärtsumsetzerblock Gleichstrom zuführt.
Fig. 4 zeigt eine doppeltpolarisierte Version der Erfindung, wobei die LNB-Blöcke auf jedem der Leistungsverteilungsnetzwerke vorgesehen sind, wobei die untere Schicht von Strahlungselementen als eine untere Groundplane für die obere Anordnung dient, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Serial-Nr. 165 332 (= US-A-4 929 959) beschrieben ist. Wie in der letztgenannten Anmeldung beschrieben wird, kann mit der zweifachpolarisierten Antenne eine Quadraturverzweigung 200 verbunden sein, um eine einfache oder zweifache kreisförmige Polarisation oder eine rotierende lineare Polarisation vorzusehen. Die Strahlungselemente und die Leistungsverteilungsnetzwerke für die jeweiligen Schichten sind orthogonal zueinander angeordnet, um orthogonale Polarisationsrichtungen zu erhalten, und zwar entweder direkt für den Fall der zweifachen linearen Polarisation oder durch die Quadraturverzweigung 200 für kreisförmige oder rotierende lineare Polarisation.
In Fig. 4 sind eine zweite Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht 40 und eine zweite Strahlungselementschicht 50 den Schichten 10-30 von Fig. 1 hinzugefügt. Die Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht 40 umfaßt einen LNB-Block 150', der hinsichtlich seines Aufbaus demjenigen von Fig. 1 gleicht. Aus der Strahlungselementschicht 50 ist eine Reihe von Elementen weggelassen, und zwar entsprechend der Einspeisungsnetzwerk-Struktur, die in der Leistungsverteilungs- Netzwerkschicht 40 fehlt. Auch dies gleicht den Maßnahmen bezüglich der Schichten 20 und 30.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der Erfindung ein Abwärtsumsetzerblock bzw. LNB auf einer Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht einer Flachantenne integriert, und es wird eine kompaktere Konstruktion mit geringeren HF-Verlusten sowie mit zufriedenstellender Empfindlichkeit über eine große Bandbreite erhalten.

Claims

l. Kombination aus einer Direktempfangssatellit-Flachantenne und einem Empfänger, die aufweist:

eine Groundplane;

eine Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht, die über der Groundplane angeordnet und damit kapazitiv gekoppelt ist;

eine Strahlungselementanordnung, die über der Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht angeordnet und damit kapazitiv gekoppelt ist, wobei einzelne der Strahlungselemente in der Strahlungselementanordnung an wenigstens einem einzigen Punkt von entsprechenden Elementen des Leistungsverteilungsnetzwerks gespeist werden; und

einen rauscharmen Abwärtsumsetzerblock, der auf einem Substrat angeordnet und auf der Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht vorgesehen ist.
2. Kombination nach Anspruch 1, wobei der rauscharme Abwärtsumsetzerblock aufweist:

einen ersten und einen zweiten rauscharmen Verstärker, wobei ein Ausgang des ersten Verstärkers mit einem Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist;

ein Bandpaßfilter, das ein Ausgangssignal des zweiten Verstärkers empfängt;

einen Überlagerungsoszillator;

einen Mischer, der Ausgangssignale des Bandpaßfilters und des Überlagerungsoszillators empfängt;

ein Tiefpaßfilter, das mit einem Ausgang des Mischers verbunden ist; und

einen Zwischenfrequenzverstärker, der mit einem Ausgang des Tiefpaßfilters verbunden ist,

wobei der erste Verstärker ein Ausgangssignal der Antenne empfängt.
3. Kombination nach Anspruch 2, wobei die Antenne als Streifenleiter implementiert ist und der rauscharme Block über eine Koaxialverbindung mit der Antenne verbunden ist, wobei die rauscharme Blockverbindung als koplanare Wellenleiterstruktur implementiert ist.
4. Kombination nach Anspruch 3, wobei die Koaxialverbindung einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich mit der Groundplane und mit der Strahlungselementschicht verbunden ist, der zweite Bereich der Koaxialverbindung mit der Groundplanestruktur auf eine Weise in Kontakt gebracht ist, die zu der Verbindung des ersten Bereichs mit der Groundplane orthogonal ist, wobei ein Feld, das von der Antenne abgegeben wird, über die Koaxialverbindung gedreht wird.
5. Kombination nach Anspruch 1, wobei der rauscharme Abwärtsumsetzerblock an einem zentralen Bereich der Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht angeordnet ist.
6. Kombination nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine zweite Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht, die über der Strahlungselementschicht angeordnet ist, und eine zweite Strahlungselementschicht, die über der zweiten Leistungsverteilungs-Netzwerkschicht angeordnet ist, wobei die Kombination ferner einen zweiten rauscharmen Abwärtsumsetzerblock aufweist, der auf einem Glassubstrat auf dem zweiten Leistungsverteilungsnetzwerk angeordnet ist.
7. Kombination nach Anspruch 1, wobei das Substrat entweder ein verlustarmes Kermiksubstrat oder ein Glassubstrat aufweist.