DE69116671T2

DE69116671T2 - Schichtartig aufgebaute Mikrowellen-Streifenleitungsantenne

Info

Publication number: DE69116671T2
Application number: DE69116671T
Authority: DE
Inventors: Xavier Delestre
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: US5270722A; FR2671234B1; EP0493190B1; EP0493190A1; DE69116671D1; FR2671234A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrowellen-Antenne von Patch-Typ.
Die auf ein dielektrisches Substrat aufgedruckten Antennen vom "Patch"-Typ (aus dem Englischen = Fleck) werden vielfach im Mikrowellenbereich verwendet. Eine zweifache Anregung dieser Flecken über zwei getrennte Eingänge ermöglicht eine Aussendung von zwei Arten unterschiedlicher Strahlungen von dem gleichen strahlenden Element. Im allgemeinen erzeugen die an die beiden Eingänge angelegten Signale je eine linear polarisierte Strahlung, wobei die beiden erzeugten Polarisationen aufeinander senkrecht stehen (beispielsweise eine vertikale und eine horizontale Polarisation). Eine geeignete Verteilung der Amplituden und Phasen dieser beiden Signale ermöglicht auch eine Strahlung mit Zirkularpolarisation.
Die Isolierung der beiden Eingänge im Mikrowellenbereich hängt im wesentlichen von der geometrischen Form des Flecks (aufgedruckter metallischer Leitfleck) ab, an den diese Eingänge (galvanisch oder über eine Kopplung) angeschlossen sind.
Bei Netzantennen mit elektronischer Strahlablenkung ist es schwer, die verschiedenen strahlenden Elemente des Netzes zu speisen, wenn diese Elemente je zwei Eingänge besitzen. Man muß nämlich eine zweifache Verteilung der Mikrowellenenergie einsetzen. Man kann auch die Strahlungsart dieser Antennen umschalten. Es ist dann notwendig, jedes strahlende Element über einen Schalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen zu speisen, wobei diese Ausgänge an die Eingänge des strahlenden Elements angeschlossen sind. Abhängig vom Zustand eines elektrischen Steuersignals und von der Art des verwendete Schalters kann die erhaltene Strahlung entweder linear (horizontal oder vertikal) oder zirku lar (links- oder rechtsdrehend) polarisiert sein.
Für Netzantennen mit elektronischer Strahlablenkung müssen die äußeren Abmessungen der strahlenden Elemente kleiner als die Maschenweite des Netzes sein. Diese Forderung führt dazu, daß die strahlenden Elemente in Querrichtung angesteuert werden, wodurch ihr Raumbedarf begrenzt wird. Man verwendet hierzu koaxiale Leitungen, deren Innenleiter elektrisch an den leitenden Flecken angeschlossen sind. Die beiden Eingänge des strahlenden Elements sind daher nicht gegeneinander hinsichtlich Gleichstrom isoliert.
Die bekannten Schalter, die einen Übergang von einer linearen zu einer zirkularen Polarisation und umgekehrt erlauben, enthalten eine oder mehrere Dioden, die unmittelbar zwischen den Ausgängen dieser Schalter liegen. Diese Schalter können nur funktionieren, wenn ihre beiden Ausgänge gegeneinander gleichstrommäßig isoliert sind. Diese Bedingung ist nicht erfüllt, wenn diese Ausgänge an die beiden Eingänge einer "Patch"-Antenne gemäß dem Stand der Technik angeschlossen sind.
Eine einfache, aber teure bekannte Lösung besteht darin, einen Kondensator in Reihe zwischen einen der Ausgänge des Schalters und einen der Eingänge des strahlenden Elements einzufügen. Dieser Kondensator, der die Gleichstromisolierung gewährleistet, muß für Mikrowellen eine vernachlässigbare Impedanz besitzen.
Die bekannten strahlenden Elemente vom "Patch"-Typ mit zweifacher Polarisierung enthalten zwei Eingänge, die unmittelbar an einen einzigen metallischen Leiter angeschlossen sind, der auf ein dielektrisches Substrat aufgedruckt ist. Dieser Leiter, der auch Quellenpatch genannt wird, ist im allgemeinen quadratisch oder kreisförmig, um eine identische Abstrahlung in beiden Polarisationen zu erlauben. Um das Betriebsfrequenzband dieser strahlenden Elemente zu erweitern, kann man oberhalb des Quellenpatchs einen oder mehrere weitere Flecken anordnen, die elektromagnetisch gekoppelt und von einem Isoliermaterial getragen werden.
Um ein zweifach polarisiertes strahlendes Element mit zwei gleichstrommäßig isolierten Eingängen zu realisieren, könnte man das gemeinsame Element durch zwei in einer Polarisation strahlende unabhängige Elemente ersetzen, die gemäß zueinander senkrecht stehenden Polarisationen eine Strahlung aussenden. Diese Lösung scheidet im allgemeinen aus Gründen des Raumbedarfs aus.
Aus der Druckschrift US-A-4 089 003 ist eine Mikrowellenantenne mit übereinanderliegenden, kreisförmigen Flecken bekannt, wobei der untere Fleck größer als der obere ist und die Antenne bei zwei unterschiedlichen Frequenzen arbeitet.
Gegenstand der Erfindung ist ein in zwei Richtungen polarisiertes strahlendes Element nach Anspruch 1 mit zwei gleichstrommäßig isolierten Eingängen, das keine Isolationskondensatoren erfordert und sehr wenig Raum benötigt.
Das erfindungsgemäße strahlende Element vom Patch-Typ mit auf einem dielektrischen Substrat aufgedruckten Flecken enthält mindestens zwei übereinanderliegende Flecken, die gegeneinander durch eine Luftschicht oder eine Schicht aus dielektrischem Material isoliert sind, wobei mindestens der untere Fleck zwei konkave gegenüberliegende Seiten hat und der untere Fleck auf die Oberseite eines dielektrischen Substrats aufgedruckt ist, dessen Unterseite metallbeschichtet ist, wobei die Mitte einer geradlinigen Seite jedes der beiden ersten Flecken an eine Speiseleitung angeschlossen ist und die Speiseleitung des oberen Flecks in der Nähe einer konkaven Seite des unteren Flecks vorbeiläuft. Die beiden gegenüberliegenden konkaven Seiten des unteren Flecks liegen im wesentlichen parallel zum durch den unteren Fleck abgestrahlten elektrischen Feld. Dies ist die einzige Anordnung, bei der die Speiseleitung für den oberen Fleck angeordnet werden kann, ohne den unteren Fleck zu durchqueren.
Die Erfindung wird nun anhand von mehreren nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 ist eine vereinfachte Perspektivansicht eines in zwei Richtungen polarisierten strahlenden Elements nach dem Stand der Technik.
Figur 2 ist eine vereinfachte Perspektivansicht eines in zwei Richtungen polarisierten strahlenden Elements gemäß der Erfindung.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen Ansichten verschiedener Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Flecken.
Das in zwei Richtungen polarisierte strahlende Element 1 gemäß Figur 1 enthält ein dielektrisches Substrats 2, dessen Unterseite fast ganz metallbeschichtet ist. Auf der Oberseite des Substrats 2, die ebenfalls metallbeschichtet ist, werden einer oder mehrere Flecken 3 beispielsweise quadratischer Form durch Gravur ausgeschnitten. In Höhe der Mitte 4 und 5 zweier Seiten des Quadrats 3 ist das Substrat 2 und seine Metallbeschichtung durchbohrt, um die Innenleiter von koaxialen Kabeln 6 und 7 zur Speisung des Flecks 3 durchzulassen. Das Kabel 6 entspricht beispielsweise der vertikalen Polarisierung und das Kabel 7 der horizontalen Polarisierung. Wie oben angegeben, erfordert ein solches strahlendes Element die Verwendung von Kondensatoren zur galvanischen Isolierung zwischen dem Polarisationsschalter und diesem Element.
Das erfindungsgemäße strahlende Element 8, das in Figur 2 gezeigt ist, enthält im wesentlichen ein erstes dielektrisches Substrat 9 als Träger. Die Unterseite 10 des Substrats 9 (unten im Sinn der Zeichnung; die Oberseite ist die wirklich strahlende Seite) ist metallbeschichtet. Die Oberseite des Substrats 9 wird erst metallbeschichtet und dann graviert. Man schneidet durch Gravur einen oder mehrere Flecken aus (mehrere Flecken, um ein Netz zu erhalten). In der Zeichnung ist nur ein solcher Fleck 11 gezeigt. Dieser Fleck 11 hat die allgemeine Form eines Quadrats, aber zwei gegenüberliegende Seiten 12 und 13 sind leicht konkav (die Einbuchtung F beträgt etwa 10 bis 20% der Seitenlänge des Quadrats, siehe Figur 3). Diese beiden Seiten (oder genauer, die entsprechenden Seiten des ursprünglichen Quadrats) liegen parallel zum elektrischen Feld, das von dem Element abgestrahlt wird. Auf der Oberseite des Substrats 9 (der Seite, auf der der Fleck 11 ausgebildet ist) wird beispielsweise durch Kleben ein festes Dielektrikum 14 aufgebracht, dessen Dicke geringer als die des Substrats 9 ist (z.B. 5 bis 10 mal geringer). Die Oberseite des Dielektrikums 14 wird erst metallbeschichtet und dann graviert, um ein strahlendes Element 15 (oder mehrere strahlende Elemente im Fall eines Netzes) der gleichen Form und Abmessung wie das Element 11 auszubilden. Das Zentrum des Elements 15 liegt dem des Elements 11 gegenüber, aber diese Elemente sind um 90º gegeneinander verdreht, d.h. eine konkave Seite eines Flecks liegt einer geradlinigen Seite des anderen gegenuber.
In Höhe der Mitte 16 einer geradlinigen Seite des Elements 11 befindet sich ein Loch im Substrat 9 und seiner Metallbeschichtung für den Durchlaß des Innenleiters 17 eines koaxialen Speisekabels 18. In Höhe der Mitte 19 einer geradlinigen Seite des Elements 15 befindet sich im Dielektrikum 14, dem Substrat 9 und seiner Metallbeschichtung 10 ein Loch für den Durchlaß des Innenleiters 20 eines koaxialen Speisekabels 21 für das Element 15. Da der Punkt 19 sich oberhalb einer Zone der Oberfläche des Substrats 9 befindet, in der keine Metallbeschichtung vorliegt (aufgrund der konkaven Form der entsprechenden Seite des Elements), kann das Loch für den Durchlaß des Innenleiters 21 tangential zum Punkt 19 (und senkrecht zur Oberseite des Dielektrikums 14 und des Substrats 9) verlaufen, ohne daß die Gefahr eines Kontakts zwischen diesem Innenleiter und dem Element 11 besteht. So ist der Raumbedarf in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung des strahlenden Elements möglichst gering, so daß ein sehr dichtes Netz gebildet werden kann.
Die Elemente 11 und 15 wurden in Figur 3 von oben betrachtet dargestellt. Anstatt der kreisförmigen konkaven Seiten könnte man ihre gegenüberliegenden konkaven Seiten beispielsweise V-förmig ausbilden, wie in Figur 4 gezeigt, oder trapezförmig, wie in Figur 5 gezeigt. Diese Formen beschränken jedoch die Erfindung nicht. Andere Formen können verwendet werden, solange die wichtige Bedingung respektiert wird, daß genug Material auf mindestens einer Seite des unteren Flecks entfernt wird, um den Innenleiter des Speisekabels für den oberen Fleck durchzulassen, ohne daß damit zusätzlicher Raum in Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des strahlenden Elements erforderlich wird.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann das Dielektrikum 14 durch eine Luftschicht ersetzt werden. In diesem Fall kann der obere Fleck gemäß der Dreiplatten-Hängetechnik realisiert werden. Der obere Fleck ist auf einer dünnen Trägerfohe ausgebildet, die auf kleinen Stützen aus Isoliermaterial befestigt ist.
Die dielektrische Schicht 14 bedeckt nicht unbedingt die Gesamtheit der Oberseite des Substrats 9. Sie kann beispielsweise Ausschnitte in Höhe der konkaven Seite des Elements 15 besitzen. Man kann so leicht Zugang zu den geradlinigen Seiten des Elements 11 erhalten, insbesondere zu seinem Speisepunkt 16.
In gleicher Weise wie für einen Quellenfleck des Stands der Technik kann man für das erfindungsgemäße Element eine Erweiterung des Durchlaßbandes erzielen, indem man andere, nicht gespeiste und durch elektromagnetische Kopplung angeregte Elemente oberhalb des oberen Elements 15 anordnet. Diese Elemente können quadratisch oder nahezu quadratisch sein und besitzen zwei konkave gegenüberliegende Seiten gleicher oder geringerer Abmessungen als die der Flecken 15. Diese zusätzlichen Elemente können auch andere Formen als der Fleck 15 haben.
Das erfindungsgemäße strahlende Element weist außer seiner einfachen Herstellung folgende Vorteile auf:
- eine Gleichstromisolierung der beiden Eingänge;
- eine gute Zugänglichkeit zu den Speisepunkten (16, 19) der beiden strahlenden Flecken;
- die Positionen der beiden Elemente 11 und 15 fallen hinsichtlich ihrer Mikrowellenstrahlung zusammen;
- der Amplituden-Reflexionskoeffizient am Eingang der beiden Elemente ist vergleichbar;
- die Mikrowellen-Entkopplung zwischen den Eingängen der beiden Elemente ist sehr gut;
- ähnliche Eigenschaften wie die des ursprünglichen strahlenden Elements, und insbesondere ein Erhalt der Symmetrie.
Das erfindungsgemäße strahlende Element kann in Antennen mit einem oder mehreren aktiven oder passiven Elementen verwendet werden, die mit linearer und/oder zirkularer Polarisation, ggf. umschaltbar, arbeiten können. Die Flecken dieses strahlenden Elements können auch durch andersartige Leitungen gespeist werden, beispielsweise durch Mikrostreifenleitungen (microstrip).

Claims

1. Strahlendes Mikrowellenelement vom "Patch"-Typ, das auf ein dielektrisches Substrat aufgedruckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei übereinanderliegende Flekken (11, 15) besitzt, die gegeneinander isoliert sind und je gemäß einer von zwei zueinander orthogonalen Polarisationen senden, wobei mindestens der untere Fleck (11) zwei einander gegenüberliegende konkave Seiten besitzt und der untere Fleck auf die Oberseite eines dielektrischen Substrats aufgedruckt ist, dessen Unterseite metallbeschichtet ist, und daß die Mitte einer geradlinigen Seite jedes der beiden ersten Flecken (11, 15) an die ihm zugeordnete Speiseleitung (18, 21) angeschlossen ist,

2. Strahlendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flecken durch eine Schicht eines dielektrischen Materials (14) gegeneinander isoliert sind.

3. Strahlendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flecken durch eine Luftschicht gegeneinander isoliert sind.

4. Strahlendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flecken durch koaxiale Leitungen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung des oberen Flecks (15) in der Nähe einer konkaven Seite des unteren Flecks verläuft.

5. Strahlendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Flecken um 900 gegeneinander gedreht sind.

6. Mikrowellenantenne, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine aktive Antenne handelt.

8. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine passive Antenne handelt.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an die beiden ersten Flecken jedes Elements angelegten Signale so gewählt sind, daß sich eine Strahlung mit linearer Polarisation ergibt.

10. Antenne nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen und Amplituden der an die beiden ersten Flecken jedes Elements angelegten Signale so gewählt sind, daß sich eine Strahlung mit Zirkularpolarisation ergibt.