DE69626888T2

DE69626888T2 - Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur

Info

Publication number: DE69626888T2
Application number: DE69626888T
Authority: DE
Inventors: I-Ping Yu; Gary Salvail
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: IL118453A0; EP0747992A3; CA2176877C; AU686944B2; CA2176877A1; TR199600473A2; JP2980842B2; JPH0955622A; AU5228696A; DE69626888D1; NO962341D0; NO319255B1; ES2196122T3; EP0747992A2; EP0747992B1; NO962341L; US5619218A; IL118453A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antennen und, genauer gesagt, eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern und gemeinsamer Apertur.
Der Raum für Antennen ist charakteristischer Weise ein an erster Stelle stehender Gesichtspunkt auf Flugkörpern und anderem Fluggerät. Wenn zwei Antennen sich in großer Nähe zueinander befinden und eine Antenne zur Sendung verwendet wird, während die andere gleichzeitig zum Empfang verwendet wird, dann kann die sendende Antenne den Empfänger der empfangenen Antenne überlasten, was zu einer Fehlfunktion oder einer Zerstörung des Systems führen kann. Dieses Problem wird in herkömmlicher Weise dadurch überwunden, daß die Antennen in größerer Entfernung voneinander angeordnet werden, oder daß die Empfangsantenne abgeschaltet wird, während die andere Antenne sendet. Dies ist kostspielig und ergibt ein komplizierteres System als dies wünschenswert ist.
Eine Form einer Antenne nach dem Stande der Technik, welche in dieser Situation verwendet wird, sieht die Verwendung von zwei gegensinnigen Spiralantennen vor. Der Nachteil dieser Antennenkonfiguration besteht darin, daß zwei Antennen vorgesehen sind, welche eine verhältnismäßig große Fläche einnehmen, grob gesagt, das Zweifache der Fläche gegenüber der vorliegenden Erfindung. Eine andere Antennenform ist eine Sinus-Spiralantenne, welche gleichzeitig beide Signalarten empfängt. Der Nachteil bei der Sinus-Spiralantenne besteht darin, daß sie nicht gleichzeitig die beiden Signale bei den unterschiedlichen Frequenzen empfangen kann und sie auf unterschiedliche Kanäle eines Empfängers aufteilen kann. Aus diesem Grunde liegt keine Isolation der beiden Signale vor.
Die US-Patentschrift 4,559,539 offenbart eine Antenne, welche ein Substrat und darauf gebildet Spiralantennen entgegengesetzten Richtungssinnes für ein tiefes Frequenzband und ein hohes Frequenzband enthält, um eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur zu schaffen. Die Spiralantenne für das Hochfrequenzband ist in Nachbarschaft zum Zentrum des Substrates gebildet, während die Spiralantenne für das niedrige Frequenzband in Nachbarschaft zum Rand des Substrates gebildet ist. Das Hochfrequenzende der Antenne für das niedrige Frequenzband ist am Niederfrequenzende der Antenne für das Hochfrequenzband angeschnitten, und das Niederfrequenzende der Antenne für das hohe Frequenzband ist am Hochfrequenzende der Antenne für das niedrige Frequenzband abgeschnitten, um eine gegenseitige Isolation zwischen den Frequenzbändern vorzusehen.
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur zu schaffen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Antenne zu schaffen, bei der gleichzeitig eine Sendung und ein Empfang von zwei unterschiedlichen Frequenzen in relativ gedrängter Packung vorgesehen wird, wobei diese beiden unterschiedlichen Frequenzen voneinander isoliert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zum Erreichen des obigen und weiterer Ziele schafft die Erfindung eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamter Apertur, wobei die Antenne folgendes enthält:
ein Substrat; und
eine erste Spiralantenne, welche auf dem Substrat gebildet ist; wobei die Antenne dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Spiralantenne eine Niedrigfrequenzband-Spiralantenne ist, welche folgendes enthält:
einen ersten Anschluß;
eine erste leitfähige Metallisierung, die auf dem Substrat angeordnet ist und mit dem ersten Anschluß gekoppelt ist und die sich spiralig in einer ersten Richtung über einen vorbestimmten Abstand hinweg von dem ersten Anschluß aus erstreckt und danach spiralig in eine entgegengesetzte Richtung verläuft;
eine erste Einspeisung, welche mit der ersten leitfähigen Metallisierung gekoppelt ist und Energie zu und von der ersten leitfähigen Metallisierung koppelt; und
daß die Antenne weiter dadurch gekennzeichnet ist,
daß eine zweite Spiralantenne auf dem Substrat gebildet ist, wobei die zweite Spiralantenne eine Hochfrequenzband-Spiralantenne ist, welche folgendes enthält:
einen zweiten Anschluß;
eine zweite leitfähige Metallisierung, welche auf dem Substrat innerhalb der ersten leitfähigen Metallisierung gelegen ist, und mit dem zweiten Anschluß gekoppelt ist, und die spiralig vom zweiten Anschluß in einer zweiten Richtung verläuft und welche danach spiralig in einer entgegengesetzten Richtung verläuft; und
eine zweite Einspeisung, welche Energie zu und von der zweiten leitfähigen Metallisierung koppelt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher mit einem Antennensubstrat aufgebaut, das zwei Spiralantennen enthält. Die beiden Spiralantennen arbeiten bei unterschiedlichen Frequenzbändern. Die beiden Spiralantennen sind so konfiguriert, daß sie entgegengesetzten Richtungssinn haben und gesondert eingespeist werden. Die vorliegende Antenne weist eine gedrängte Packung auf und enthält die beiden Spiralantennen, welche sich in derselben Apertur teilen, wobei eine hervorragende Isolation zwischen den beiden Frequenzbändern herrscht.
Die vorliegende Erfindung nimmt den Raum einer einzigen Antenne ein, während sie die Funktionen von zwei Antennen bietet. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Antenne eine gute Isolation zwischen den beiden Frequenzbändern. Die vorliegende Erfindung verwendet zwei Spiralantennen entgegengesetzten Richtungssinnes auf demselben Substrat, welche vorzugsweise über einen gemeinsamen Einspeisungshohlraum gespeist werden.
Die vorliegende Antenne kann unter Verwendung eines Koaxialkabels aufgebaut werden, um die Antennenlinien zu bilden. Wenn solche Kabel verwendet werden, ist es zweckmäßig einen Symmetrieübertrager durch Verbinden der Mittelleiter mit den Außenleitern des Kabels zu bilden. Die vorliegende Antenne kann auch unter Verwendung von Streifenleitungen zur Bildung der leitfähigen Linien der Spirale gebaut werden. Der Symmetrieübertrager ist jedoch nicht so einfach zu bilden wie im Falle des Koaxialkabels. Keine Ausführungsform (Koaxialkabel oder Streifenleitung) erfordert die Verwendung eines Symmetrieübertragers, doch die Verwendung eines Symmetrieübertragers führt zu einer effizienteren Antenne.
Die vorliegende Antenne kann auch ohne einen Hohlraum arbeiten, nicht jedoch beispielsweise auf einem Raketenkörper. Das Hochfrequenzende der Spiralantenne für das niedrige Frequenzband ist am Niederfrequenzende der Spiralantenne für das hohe Frequenzband abgeschnitten. Das Niederfrequenzende der Spiralantenne für das hohe Frequenzband ist auch an dem Hochfrequenzende der Spiralantenne für das niedrige Frequenzband abgeschnitten. Dies trägt zu einer gegenseitigen Isolation zwischen den Frequenzbändern der beiden Antennen bei.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch verständlicher unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszahlen jeweils gleiche bauliche Teile bezeichnen, und in welchen
1 eine Aufsicht auf eine herkömmliche Antenne für zwei Frequenzbänder ist;
2 eine Seitenansicht der herkömmlichen Antenne gemäß 1 für zwei Frequenzbänder ist;
3 eine Aufsicht auf eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 eine Seitenansicht der Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur von 3 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es sei nun auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen. 1 ist eine Aufsicht auf eine herkömmliche Antenne 10 mit zwei Frequenzbändern, während 2 eine Seitenansicht der Antenne 10 von 1 ist. Eine herkömmliche Dualfrequenzbandantenne 10 enthält zwei gesonderte Antennen 11, 11a, welche ein kreisförmiges Substrat 12 aufweisen, auf welchem eine Spiralantenne 13 gebildet ist. Die Spiralantenne 13 ist an einem Ende durch einen Abschluß 14 nahe dem Rand des Substrates 12 abgeschlossen. Eine leitfähige Metallisierung 15 ist auf einer Oberfläche des Substrates 12 angeordnet und verläuft spiralig, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn, von dem Abschluß 14 zu der Mitte des Substrates 12. In der Mitte des Substrates 12 koppelt ein leitfähiger Bügel 16 mit einer leitfähigen Metallisierung 15, die spiralig im Uhrzeigersinn von der Mitte des Substrates 12 zu einem Verbinder 17 verläuft, beispielsweise einem SMA-Verbinder 17, der nahe dem Rand des Substrates 12 angeordnet ist. Die beiden Spiralantennen 11, 11a sind übereinandergestapelt angeordnet und sind mit einem Hohlraum 18 gekoppelt. Die eine Antenne 11 umfaßt eine Sendeantenne, während die andere Antenne 11a eine Empfangsantenne umfaßt.
Es sei nun 3 betrachtet. Hier ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Antenne 20 gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur dargestellt, während 4 eine Seitenansicht der Antenne 20 von 3 ist. Die Antenne 20 mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur enthält zwei getrennte, konzentrisch angeordnete Spiralantennen 21, 22, die auf einem einzigen kreisförmigen Substrat 12 gebildet sind. Die eine Spiralantenne 21 bildet eine Spiralantenne 21 für ein niedriges Frequenzband, während die andere Spiralantenne 22 eine Spiralantenne 22 für ein hohes Frequenzband bildet und innerhalb der Spiralantenne 21 für das niedrige Frequenzband angeordnet ist.
Die Spiralantenne 21 für das niedrige Frequenzband ist an einem Ende durch einen ersten Abschluß 14 abgeschlossen, welcher sich nahe dem Rande des Substrates 12 befindet. Eine leitfähige Metallisierung 15 ist auf einer ersten Oberfläche des Substrats 12 angeordnet und verläuft spiralig in einer ersten Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn, von dem ersten Abschluß 14 in Richtung auf die Mitte des Substrates 12 bis zu einem Abstand von etwa dem halben Radius des Substrates 12. An diesem Punkt geht die leitfähige Metallisierung 15 zu einer zweiten Oberfläche des Substrats 12 über eine erste Durchkontaktierung 25 und in eine Metallisierung 15b auf der zweiten Oberfläche über, welche Verbindung zu einer zweiten Durchkontaktierung 25a und zurück zu der Metallisierung 15 auf der ersten Oberfläche des Substrates 12 hat. Die Metallisierung 15 verläuft spiralig in einer zweiten Richtung, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn, bei sich vergrößerndem Durchmesser, während sie in Richtung auf den Rand des Substrates 12 fortschreitet. An dem Rand des Substrates 12 endet die Metallisierung 15 an einem ersten Verbinder 17a, beispielsweise einem SMA-Verbinder 17a. Der erste Verbinder 17a oder die Einspeisung 17a koppelt Energie von dem Hohlraum 18 in die Spiralantenne 21 für das niedrige Frequenzband ein oder koppelt Energie ohne Verwendung des Hohlraumes 18 unmittelbar von Sende- oder Empfangsquellen, ein.
Die Antenne 22 für das hohe Frequenzband, welche sich innerhalb der Antenne 21 für das niedrige Frequenzband befindet, ist an einem Ende durch einen zweiten Abschluß 14a abgeschlossen, der nahe eines innersten Spiralganges der Metallisierung 15 der Antenne 21 für das niedrige Frequenzband gelegen ist. Die leitfähige Metallisierung 15a befindet sich auf der ersten Oberfläche des Substrates 12 und verläuft spiralig in der zweiten Richtung im Gegenuhrzeigersinn von dem zweiten Abschluß 14a aus in Richtung auf die Mitte des Substrates 12. In der Mitte des Substrates 12 bewirkt ein leitfähiger Überbrücker 16 eine Kopplung zu der leitfähigen Metallisierung 15a, welche in der ersten Richtung im Uhrzeigersinn von der Mitte des Substrates 12 spiralig zu einer zweiten Einspeisung 17b oder einem Verbinder 17b verläuft, welcher Energie zu der Spiralantenne 22 bzw. von der Spiralantenne 22 einkoppelt bzw. auskoppelt. Der Verbinder 17b kann beispielsweise ein SMA-Verbinder 17b sein, der nahe dem innersten Spiralgang der Metallisierung 15 der Antenne 21 für das niedrige Frequenzband gelegen ist. Die beiden Spiralantennen 21, 22 können nach Wunsch auch mit dem Hohlraum 18 mittels des ersten und zweiten Verbinders 17a, 17b oder mittels der Einspeisungen 17a, 17b gekoppelt sein.
Die Antennen 21 und 22 für das niedrige Frequenzband und das hohe Frequenzband sind von entgegengesetztem Richtungssinn, d. h., sie verlaufen spiralig in entgegengesetzte Richtungen, und werden gesondert durch rechtshändig bzw. linkshändig zirkular polarisierte Energie beaufschlagt. Dies minimiert die Kopplung zwischen den Antennen 21 und 22 zusätzlich zu der Tatsache, daß die Antennen in unterschiedlichen Frequenzbändern abstrahlen bzw. empfangen. Das Hochfrequenzende der Spiralantenne 21 für das niedrige Frequenzband ist an dem Niederfrequenzende der Spiralantenne 22 für das hohe Frequenzband abgeschnitten. Auch ist das Niederfrequenzende der Spiralantenne 22 für das hohe Frequenzband an dem Hochfrequenzende der Spiralantenne 21 für das niedrige Frequenzband abgeschnitten.
Dies trägt weiter zur gegenseitigen Isolation zwischen den Frequenzbändern bei, mit denen die beiden Antennen 21 und 22 senden und empfangen.
Die vorliegende Antenne 20 kann unter Verwendung von Leitern beispielsweise nach Art eines Koaxialkabels zur Bildung der Antennenlinien aufgebaut werden. Wenn Koaxialkabel verwendet werden, ist es zweckmäßig, einen Symmetrieübertrager zu bilden, indem die Mittelleiter mit den Außenleitern des Kabels verbunden werden. Ein typischer Symmetrieübertrager ist beispielsweise durch die Verwendung der Metallisierung 15b auf der zweiten Oberfläche in den 3 und 4 aufgezeigt. Die vorliegende Antenne 20 kann auch unter Verwendung von Streifenleitungen verwirklicht werden, um die leitfähige Metallisierung 15 bzw. 15a der Spirale zu bilden. Der Symmetrieübertrager ist dann jedoch nicht so leicht herzustellen wie im Falle der Metallisierung nach Art eines Koaxialkabels. Wichtiger ist, daß keine Ausführungsform (Koaxialkabelart oder Streifenleitungsart) die Verwendung eines Symmetrieübertragers notwendig macht, doch führt eine solche Verwendung des Symmetrieübertragers zu einer wirkungsvolleren Antenne 20. Weiter sind die Abschlüsse 14, 14a nicht für alle Anwendungsformen erforderlich, doch bewirkt ihre Verwendung typischerweise, daß eine effizientere Antenne 20 entsteht. Zusätzlich kann die Antenne 21 für das niedrige Frequenzband an den Enden der Spiralen nahe der leitfähigen Überbrückung 16 gespeist werden (, welche dann nicht verwendet würde) anstatt eine Speisung an den Einspeisungen 17a, 17b vorzusehen.
Die Antenne 20 mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur wurde entwickelt, um die Antennenanforderungen für ein Evolved Sea Sparrow Missile (ESSM)-Programm zu erfüllen, das für die Entwicklung durch den Zessionar der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Es ist sehr wenig Raum in dem Flugkörper dieser Rakete für eine Antenne vorhanden und es wird ein minimales Antennennebensprechen gefordert. Die vorliegende Antenne 20 erfüllt diese Anforderungen durch Schaffung einer Betriebsmöglichkeit mit dualen Frequenzbändern bei einem minimalen Nebensprechen aufgrund der einzigartigen Konstruktion. Die vorliegende Antenne 20 kann auch in Anwendungen auf dem Automobilsektor verwendet werden, beispielsweise in Kollisionsverhinderungs-Radarsystemen, bei denen mehr als eine Frequenz bei einem kompakten Aufbau der Antenne wünschenswert ist und ein Nebensprechen minimal gehalten werden muß. Somit ist eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Apertur hier offenbart.

Claims

Antenne (20) mit zwei isolierten Frequenzbändern bei gemeinsamer Appertur, wobei die Antenne folgendes enthält: ein Substrat (12); eine erste Spiralantenne (21, 22), welche auf dem Substrat (12) gebildet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spiralantenne eine Niedrigfrequenzband-Spiralantenne (21) ist, welche folgendes enthält: einen ersten Anschluß (14); eine erste leitfähige Metallisierung (15), welche auf dem Substrat (12) angeordnet ist und mit dem ersten Anschluß (14) gekoppelt ist und die sich spiralig in einer ersten Richtung über einen vorbestimmten Abstand hinweg von dem ersten Anschluß (14) aus erstreckt und danach spiralig in eine entgegengesetzte Richtung verläuft; eine erste Einspeisung (17), welche mit der ersten leitfähigen Metallisierung (15) gekoppelt ist und Energie zu und von der ersten leitfähigen Metallisierung (15) koppelt; und daß eine zweite Spiralantenne auf dem Substrat (12) gebildet ist, wobei die zweite Spiralantenne eine Hochfrequenzband-Spiralantenne (22) ist, welche folgendes enthält: einen zweiten Anschluß (14a); eine zweite leitfähige Metallisierung (15a), welche auf dem Substrat (12) innerhalb der ersten leitfähigen Metallisierung (15) gelegen ist, und mit dem zweiten Anschluß (14a) gekoppelt ist, und die spiralig von dem zweiten Anschluß (14a) in einer zweiten Richtung verläuft und welche danach spiralig in einer entgegengesetzten Richtung verläuft; und eine zweite Einspeisung (17b), welche Energie zu und von der zweiten leitfähigen Metallisierung (15a) koppelt.
Antenne (20) nach Anspruch 1 bei welcher die erste leitfähige Metallisierung (15) an einem Ende an den zweiten Anschluß (14) angekoppelt ist.
Antenne (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher die erste Einspeisung (17a) mit einem zweiten Ende der ersten leitfähigen Metallisierung (15) gekoppelt ist
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die zweite leitfähige Metallisierung (15a) an einem Ende mit dem zweiten Anschluß (14a) gekoppelt ist.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Substrat (12) eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist; bei welcher der Anschluß (14) nahe dem Randes des Substrates (12} gelegen ist; und bei welcher die erste leitfähige Metallisierung (15) auf der ersten Oberfläche des Substrates (12) angeordnet ist.
Antenne (20) nach Anspruch 5, bei welcher: erste und zweite Durchkontaktierungen (25, 25a) sich durch das Substrat (12) erstrecken, um die erste leitfähige Metallisierung (15) mit der zweiten Oberfläche des Substrates (12) zu verbinden; eine zweite Oberflächenmetallisierung (15b) auf der zweiten Oberfläche des Substrats (12) angeordnet ist und zwischen die erste und die zweite Durchkontaktierung (25, 25a) geschaltet ist; und bei welcher die erste leitfähige Metallisierung (15) mit der zweiten Durchkontaktierung (25a) gekoppelt ist und spiralig in einer zweiten Richtung unter Vergrößerung des Durchmessers in Fortschrittrichtung gegen den Rand des Substrates (12) hin verläuft.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der zweite Anschluß (14a) benachbart einer ersten Spiralwindung der Metallisierung (15) der Niedrigfrequenzband-Antenne (21) angeordnet ist.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, bei welcher: die zweite leitfähige Metallisierung (15a) sich spiralig in der zweiten Richtung von dem zweiten Anschluß (14a) in Richtung auf die Mitte des Substrates (12) hin erstreckt; die zweite leitfähige Metallisierung (15a) sich von der Mitte des Substrates (12) spiralig in die erste Richtung auf die innerste Spiralwindung der Metallisierung (15) der Niedrigfrequenzband-Antenne (21) hin erstreckt; und eine leitfähige Brücke (16) zwischen die Teile der zweiten leitfähigen Metallisierung (15a) geschaltet ist, die sich spiralig in der ersten und in der zweiten Richtung erstrecken.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher das Hochfrequenzende der Niedrigfrequenzband-Spiralantenne (21) am Niedrigfrequenzband-Ende der Hochfrequenzband-Spiralantenne (22) zugeschnitten ist, und bei welcher das Niederfrequenzende der Hochfrequenzband-Spiralantenne (22) an dem Hochfrequenzende der Niedrigfrequenzband-Spiralantenne (21) zugeschnitten ist, um eine gegenseitige Isolation zwischen den Frequenzbänder zu schaffen.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, welche weiter einen Hohlraum (18) aufweist, der benachbart der zweiten Oberfläche des Substrates angeordnet ist, um Energie zu und von der Niedrigfrequenzband-Antenne und der Hochfrequenzband-Antenne (21, 22) zu koppeln.
Antenne (20) nach Anspruch 10, bei welcher die erste und die zweite Einspeisung (17a, 17b) Energie zu und von dem Hohlraum (18) zu beziehungsweise aus der Niedrigfrequenzband-Antenne und der Hochfrequenzband-Antenne (21, 22) koppeln.
Antenne (20) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die zweite leitfähige Metallisierung (15a) auf dem Substrat (12) konzentrisch angeordnet ist.