DE69202160T2 - Strahlerstruktur einer ebenen Antenne. - Google Patents
Strahlerstruktur einer ebenen Antenne.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine strahlende Vorrichtung für eine ebene Antenne, und insbesondere für eine Netzantenne.
- Eine Netzantenne hat die Besonderheit, eine Öffnung aufzuweisen, die von einer großen Anzahl von strahlenden Elementen gebildet wird; die Strahlung dieser Antenne ist die Synthese der Strahlungen jedes der strahlenden Elemente. Die Entwicklung solcher Antennen ist neu und sie werden derzeit in sehr verschiedenen Anwendungsbereichen verwendet, wie z.B.:
- - Kontrolle des Luftverkehrs,
- - Empfang über Satellit (Fernsehen, Verkehrsunternehmen, Verbindung mit Mobiltelefonen),
- - Raumantennen: Fernerfassung und Beobachtung der Erde (Radare), Datenrelaisstationen, Fernmeldeantennen.
- Die überdeckten Frequenzbereiche gehen von UHF- und VHF-Wellen bis zu den Millimeterwellen. Wenn die strahlenden Elemente individuell nach Amplituden und/oder Phase gesteuert sind, spricht man von einer aktiven Antenne: Es ist dann nämlich möglich, die Form des Strahlungsdiagramms der Antenne derart zu wählen, daß zum Beispiel sehr unterschiedliche Überdeckungsbereiche gewählt werden (schmale, breite oder geformte Keule) oder eine elektronische Abtastung durchgeführt wird.
- Die die Antenne bildenden strahlenden Elemente bedingen die endgültigen Eigenschaften, die technischen Merkmale (Masse, Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüsse, Verläßlichkeit) und die Kosten der Antenne, aufgrund ihrer ihnen innewohnenden funkelektrischen Eigenschaften, der Möglichkeit, sie in einem Netz zu vereinen, und ihrer Technologie.
- Da eine Antenne aus einigen zehn bis zu einigen tausend solcher strahlenden Elemente besteht, bestimmt deren Einzelpreis den globalen Preis der Antenne. Die gleiche Überlegung kann auch hinsichtlich anderer Parameter, wie z.B. der Masse angestellt werden. Die Wahl der Technologien ist wichtig, da sie es ermöglicht, die Anpassung der Antenne an ihr Umfeld zu vereinfachen: Zum Beispiel ist es für Raumanwendungen im geostationären Umlauf wichtig, die Antenne mit einfachen Mitteln thermisch zu kontrollieren (Wärmeabschirmung, Lacke), ohne auf eine Heizleistung zurückgreifen zu müssen, die die Energiebilanz des Systems belastet. Unter diesen Bedingungen können Temperaturbereiche von -150ºC bis 120ºC unter Berücksichtigung der thermooptischen Merkmale der Oberflächen beherrscht werden. Eine solche Antenne ist außerdem Strömen von geladenen Partikeln ausgesetzt, die weder die Materialien beschädigen, noch elektrostatische Entladungen nach Akkumulierung auf isolierenden oder schlecht mit Masse verbundenen Bereichen hervorrufen dürfen.
- Eine Antenne darf außerdem alle ihre funkelektrischen Eigenschaften nicht verlieren, nachdem sie den starken mechanischen Belastungen beim Raketenstart unterworfen war.
- Einige dieser Eigenschaften, insbesondere die Fähigkeit, nur sehr schwache Pegel von passiven Intermodulationsprodukten zu erzeugen, sind sehr stark an die verwendeten Technologien (Zusammenstellung der verschiedenen Materialien, Geometrie der Elemente) und an die Art gebunden, wie sie die dem Umfeld im Betrieb standhalten (insbesondere in Bezug auf Wärme).
- Die Erfindung hat zum Ziel, diese verschiedenen Probleme zu lösen.
- Sie schlägt zu diesem Zweck eine strahlende Vorrichtung für eine ebene Antenne mit einer ersten und einer zweiten Masseebene vor, wobei ein Schlitz in der ersten Masseebene durch elektromagnetische Kopplung von einer Speiseleitung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere miteinander zusammengebaute leitende Teile geringer Dicke aufweist, wobei der mittlere Bereich des strahlenden Schlitzes ein leitendes Teil ist, das in seiner Mitte von einer Stützsäule getragen wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform enthält diese Vorrichtung einen einen Hohlraum bildenden Körper, der ein spanend bearbeitetes Metallteil ist, das die verschiedenen Funktionen der unteren Masseebene für den zentralen Bereich des strahlenden Schlitzes und für die Speiseleitung, einer mechanischen Struktur der Gesamtheit der Vorrichtung, einer Schnittstelle mit einer Trägerstruktur für die Gesamtheit des strahlenden Schlitzes und eines Trägers für die elektrische Schnittstelle zwischen der Speiseleitung und diesem Schlitz erfüllt. Diese Vorrichtung enthält einen auf den Körper aufgesetzten leitenden Deckel, um die obere Masseebene zu bilden, die die Ausbreitung in der Leitung erlaubt, wobei diese Leitung eine Leiterbahn ist, die in der Mitte der Masseebenen von dielektrischen Zwischenstegen gehalten wird. Diese Vorrichtung weist außerdem ein Koaxialkabel für die Speisung der Leitung auf, dessen Innenleiter auf diese Leitung gelötet oder geschweißt ist, und dessen Außenleiter direkt auf den Körper geschweißt oder gelötet ist.
- In einer Ausführungsform kann diese Vorrichtung in Form eines Unternetzes von vier identischen elementaren strahlenden Elementen ausgeführt sein, die in einer einzigen mechanischen Einheit hergestellt sind; eine Ausbreitungsleitung, die vier ringförmige Schlitze speist, enthält einen Teilerbereich durch vier zwischen den strahlenden Elementen.
- Vorteilhafterweise weist eine solche strahlende Vorrichtung eine geringe Masse, einen niedrigen Herstellungspreis und bemerkenswerte funkelektrische Eigenschaften auf. Diese Vorrichtung kann sowohl einzeln als auch innerhalb einer Netzantenne verwendet werden. Sie weist technische und wirtschaftliche Eigenschaften auf, die besonders für eine Raumanwendung geeignet sind, obwohl einfache Veränderungen eventuelle Anwendungen in anderen Bereichen ermöglichen.
- Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen außerdem aus der nachfolgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Figuren hervor.
- Figur 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
- Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
- Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- Das strahlende Element, wie es in Figur 1 gezeigt ist, wird allgemein Ringschlitz genannt. Ein solches Element ist in dem Aufsatz mit dem Titel "A new circularly polarised planar antenna fed by electromagnetical coupling and its subarray" von M. Haneishi, Y. Hakura, S. Saito und T. Hasegawa ("18th european microwave conference proceeding", 12. bis 15. September 1988, Stockholm, Seiten 1074 bis 1079) beschrieben. In einem solchen strahlenden Element ist ein Schlitz 10 in eine erste Masseebene 11 eingeschnitten. Er wird durch elektromagnetische Kopplung von einer Dreiplatten-Speiseleitung 12 gespeist, die sich auf einem tieferen Niveau zwischen der ersten Masseebene 11 und einer zweiten Masseebene 13 befindet; diese Leitung wird mit Hilfe eines dielektrischen Elements 14 in Stellung gehalten.
- Die erfindungsgemäße strahlende Vorrichtung ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Sie besitzt einen einen Hohlraum 24 bildenden Körper 16, einen strahlenden ringförmigen Schlitz 25, der zwischen diesem und einer zentralen Scheibe (oder "patch") 15 ausgebildet ist, und eine Speiseleitung 17. Der Körper 16 ist ein leitendes Teil, zum Beispiel aus Metall, das vorzugsweise aus einem Stück gearbeitet ist und die verschiedenen Funktionen der unteren Masseebene für den "patch" 15 und für diese Speiseleitung 17, der mechanischen Haltestruktur der Gesamtheit der Vorrichtung, der Schnittstelle mit einer Trägerstruktur für die Einheit des strahlenden Schlitzes 25 und als Träger für die elektrische Schnittstelle zwischen der Speiseleitung und diesem Schlitz erfüllt. Der "patch" 15 ist aus einem z.B. kreisförmigen leitenden Teil gebildet und wird von einer Stützsäule 18 getragen. Ein leitender Deckel 19 ist auf den Körper 16 aufgesetzt, um die obere Masseebene zu bilden, die die Ausbreitung in der Leitung 17 erlaubt. Diese Leitung 17 ist eine Leiterbahn, monolithisch oder durch Ätzen hergestellt, die durch dielektrische Stege 20 in der Mitte der Masseebenen 16 und 19 gehalten wird. Sie kann zum Beispiel aus einer Koaxialleitung 21 gespeist werden.
- In einer Anwendung, bei der eine möglichst geringe Erzeugung von passiven Intermodulationsprodukten (PIMP) gewünscht wird, kann der Innenleiter 22 dieser Koaxialleitung 21 auf die Leitung 17 geschweißt oder gelötet werden, während der Außenleiter 23 direkt an den Körper 16 angeschweißt oder angelötet wird. Ein Paar von koaxialen Verbindern wird so vermieden. Außerdem stellt man ausgezeichnete Kontakte zwischen diesen verschiedenen Elementen her. Diese Elemente können entweder ausgehend von einem einzigen Materialblock erhalten werden oder miteinander verschweißt (Laser, Elektronenbeschuß, Plasma, usw.) oder mit einem für seine guten Eigenschaften in Bezug auf die PIMP-Erzeugung bekanntes Lötmetall angelötet werden.
- Diese strahlende Vorrichtung, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, kann alleine oder mit anderen in einem Unternetz gruppiert verwendet werden, wobei letzteres die vorteilhafte Möglichkeit ergibt, den Verteilkreis dieses Unternetzes auf einem gemeinsamen Niveau der Dreiplatten-Leitung herzustellen.
- Die Erfindung schlägt also eine konkrete, industrielle, wirtschaftliche technologische Lösung vor, die außergewöhnliche funkelektrische Eigenschaften aufweist, insbesondere in Bezug auf Verluste und die Erzeugung passiver Intermodulationsprodukte (PIMP). Sie weist außerdem eine große Stabilität gegenüber dem Umfeld vor, indem die Bedingungen der Wärmekontrolle und des Schutzes gegen Strahlungen ("Electro Static Discharge-Erscheinungen) vereinfacht werden.
- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die verschiedenen verwendeten leitenden Teile aus sehr leichten Legierungen, Verbundmaterialien mit Metallmatrix oder jedem anderen isolierenden oder leitenden Material hergestellt, vorausgesetzt, daß es metallisiert ist; diese Teile werden miteinander durch Schweißen und/oder durch Löten mit Lötmetallen verbunden, die aufgrund ihrer geringen PIMP-Erzeugung ausgewählt werden. Diese Teile haben Wände mit sehr geringer Dicke: die Steifheit oder der notwendige zusätzliche Widerstand werden von örtlichen Verstärkungen geliefert. Dagegen kann die Stützsäule 18 eventuell aus dielektrischem Material sein und die Stege 20 sind aus dielektrischem Material.
- Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Figur 4 dargestellt ist, betrifft eine einfache strahlende Vorrichtung in L-Form und mit kreisförmiger Monopolarisation. Das verwendete Metall ist eine Aluminiumlegierung. Der Körper ergibt sich durch eine Fräse mit digitaler Steuerung, wobei so geringe Wandstärken wie etwa 0,6 mm gelassen werden, und örtliche Verstärkungen, um die Belastungen eines Satellitenstarts aushalten zu können. Der "patch" 15 sowie der Deckel 19 werden durch Stanzen eines Blechs einer Aluminiumlegierung geringer Dicke (zum Beispiel etwa 5/10 mm) erhalten. Diese Elemente werden auf die Stützsäule 18 bzw. auf den Körper 16 durch Laserschweißen (ohne Zusatzmetall) aufgesetzt. Die Leiterbahn 17 wird aus einem Blech einer Kupferlegierung ausgeschnitten (beispielsweise einer Dicke von etwa 3/10 mm). Sie wird zwischen den Masseebenen durch dielektrische Stege 20 gehalten. Die Leiterbahn 17 wird durch ein Koaxialkabel 21 gespeist, dessen Außenleiter mit Gold/Zinn auf den versilberten Körper 16 gelötet wird (23), während der Innenleiter durch Laserschweißen 22 auf die Leiterbahn 17 vor dem Verschließen durch den Deckel aufgeschweißt wird. Nach einer funkelektrischen Optimierung stellte sich heraus, daß zwei Etagen eines "patch" 15 und 15' notwendig waren, um die gesuchten funkelektrischen Eigenschaften zu erhalten. Diese strahlende Vorrichtung wurde zufälligen Vibrationen mit einem integrierten Niveau zwischen 20 und 2000 Hz von 70 gRMS (RMS = mittlerer quadratischer Wert) ohne Störerscheinungen unterworfen. Ihre Eigenschaften sind die folgenden:
- - Richtwirkung: 9,7 dB
- - Verluste: < 0,3 dB
- - TE: < 2 dB
- - Stehwellenverhältnis: < -20 dB
- - Durchlaßband: 5,5%
- - Maße: Dicke 20 mm; Breite 12 cm; Länge 18 cm
- - Masse: 0,1 kg
- In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine strahlende Vorrichtung der Art Unternetz im Band L mit kreisförmiger Monopolarisation betrachtet. Diese Vorrichtung enthält ein Unternetz aus vier strahlenden elementaren Elementen identisch dem vorhergehenden Element. Dieses Unternetz ist als gemeinsame mechanische Einheit hergestellt. Die die ringförmigen Schlitze speisende Ausbreitungsleitung besitzt dann einen Teiler durch vier (25) zwischen den strahlenden Elementen. Die Herstellungstechnologie ist in allen Punkten identisch der vorhergehenden.
- Die gemessenen Eigenschaften sind die folgenden:
- - Richtwirkung: 15 dB
- - Verluste: < 0,3 dB
- - TE: < 2 dB
- - Stehwellenverhältnis: < -20 dB
- - Durchlaßband: 10%
- - Leistungsvermögen: 100W
- - PIMP-Pegel der Ordnung 7 und 9 unter 2 40 W, zwischen -110ºC und +110ºC: < 155 dBc (dBc: dB unterhalb des Spitzenwerts der übertragenen Leistung)
- - Maße Dicke 7 mm; Breite 35 cm; Länge 35 cm
- - Masse: etwa 0,4 kg.
- Unter Verwendung der Merkmale der Erfindung ist es auch möglich, andere strahlende Vorrichtungen herzustellen, wie z.B..
- . ein einfaches Element im Band C einfacher Linearpolarisation,
- . ein einfaches Element und ein Vierer-Unternetz im Band Ku mit einfacher Linearpolarisation,
- . ein einfaches Element im Band Ku mit doppelter Linearpolarisation.
Claims (8)
1. Strahlende Vorrichtung für eine ebene Antenne, die eine
untere und eine obere Masseebene aufweist, wobei ein Schlitz
(25) in der oberen Masseebene um einen zentralen Bereich herum
mittels elektromagnetischer Kopplung ausgehend von einer
Speiseleitung (17) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie
mehrere miteinander zusammengebaute leitende Teile geringer
Dicke aufweist, zu denen ein Körper (16) enthält, der einen
Hohlraum (24) bildet und der ein spanend bearbeitetes
Metallteil ist, das die verschiedenen Funktionen der unteren
Masseebene für den zentralen Bereich (15) des strahlenden Schlitzes
und für die Speiseleitung (17) und einer mechanischen
Haltestruktur für die ganze Vorrichtung ausübt, wobei der mittlere
Bereich des strahlenden Schlitzes (25) ein leitendes Teil (15)
ist, das im Hohlraum (24 angeordnet ist und in seiner Mitte
von einer Stützsäule (18) getragen wird, die selbst vom Körper
(16) gehalten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Körper (16) auch als Schnittstelle mit einer
Trägerstruktur für den ganzen strahlenden Schlitz (25) und als Träger für
die elektrische Schnittstelle zwischen der Speiseleitung und
diesem Schlitz (25) dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
sie einen auf den Körper (16) aufgesetzten leitenden Deckel
(19) aufweist, um die obere Masseebene zu bilden, die die
Ausbreitung in der Leitung (17) erlaubt, wobei diese Leitung
(17) eine Leiterbahn ist, die von dielektrischen
Zwischenstegen (20) in der Mitte zwischen den Masseebenen gehalten wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sie ein Koaxialkabel (21) für die Speisung der Leitung (17)
aufweist, dessen Innenleiter auf diese Leitung (17) gelötet
oder geschweißt ist und dessen Außenleiter (23) direkt auf den
Körper (16) geschweißt oder gelötet ist.
5. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Unternetz von
vier identischen elementaren strahlenden Elementen aufweist,
die als gemeinsame mechanische Einheit hergestellt sind, wobei
eine Ausbreitungsleitung, die vier ringförmige Schlitze
speist, einen Teilerbereich (25) durch vier zwischen den
strahlenden Elementen enthält.
6. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Teil (15)
von mindestens einer weiteren schwingenden Vorrichtung (15')
bedeckt ist, die ihre funkelektrischen Eigenschaften ändern
soll.
7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Teile aus leichten
Legierungen, aus Verbundmaterialien mit Metallmatrix oder
jedem anderen isolierenden oder leitenden Material hergestellt
sind, vorausgesetzt es ist metallisiert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die leitenden Teile miteinander durch Schweißen (Laser,
Elektronenstrahl usw.) oder Löten oder mittels Schrauben verbunden
sind.
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