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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Antennen und, genauer gesagt, eine Antenne mit zwei isolierten
Frequenzbändern
und gemeinsamer Apertur.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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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
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1 eine
Aufsicht auf eine herkömmliche Antenne
für zwei
Frequenzbänder
ist;
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2 eine
Seitenansicht der herkömmlichen Antenne
gemäß 1 für zwei Frequenzbänder ist;
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3 eine
Aufsicht auf eine Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei
gemeinsamer Apertur gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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4 eine
Seitenansicht der Antenne mit zwei isolierten Frequenzbändern bei
gemeinsamer Apertur von 3 zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies trägt weiter zur gegenseitigen
Isolation zwischen den Frequenzbändern
bei, mit denen die beiden Antennen 21 und 22 senden
und empfangen.
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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.
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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.