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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gruppenantennen mit kontinuierlichen
Querelementen, und insbesondere die Benutzung von Phasenabstimmungs-Abschnitten
in einer Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen, die
ein Abstimmen der Phase jedes Elements erlauben, so daß die Elemente
periodisch beabstandet werden können.
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Gruppenantennen
mit kontinuierlichen Querelementen sind in
US-Patent Nr. 5,266,961 , erteilt am 30.
November 1993, mit dem Titel "Continuous Transverse
Stub Element Devices and Method of Making Same" und US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/104,020,
angemeldet am 10. August 1993, mit dem Titel "Continuous Transverse Stub Element Antenna
Arrays" beschrieben,
wobei beide auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen
wurden. Die Elemente der Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen
müssen
abgestimmt werden, um die Leistung der Gruppe zu optimieren.
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Der
Aufsatz ”Design
of Multisection Impedance-Matched Dielectric-Slab Filled Waveguide Phase
Shifters”,
Fritz Arndt al., IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques,
Vol. MTT-32, Nr. 1, Januar 1984, Seiten 34–39, beschreibt eine Feldtheorieanalyse
eines Phasenschiebers mit dielektrischer Platte und mehrteiligen
Umformerenden.
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Das
aktuelle Verfahren zur Abstimmung jedes Elements besteht darin,
den Abstand zwischen benachbarten Antennenelemen ten zu variieren.
Sobald die Elemente verschoben sind, um der Abstimmung Rechnung
zu tragen, ist eine Einstellung der Amplitude und Phase der Gruppe
erforderlich. Durch einen Iterationsprozeß wird die interpolierte Amplitude
und Phase jedes Elements erhalten. Das Ergebnis ist eine Gruppe,
die bezüglich
des Abstands aperiodisch und bezüglich
Amplitude und Phase an jedes Element angenähert ist.
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Die
Nachteile der aperiodischen Gruppen bestehen darin, daß Antennenmuster
breite Strahlbreiten, höhere
Nebenkeulenpegel und demzufolge niederere Verstärkungen aufweisen als gleichmäßig periodisch
beabstandete Gruppen. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit,
die Beabstandung zwischen Antennenelementen in einer Gruppenantenne
mit kontinuierlichen Querelementen zu variieren.
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Deshalb
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gegenstand
mit kontinuierlichen Querelementen vorzusehen, die Phasenabstimmungs-Abschnitte
verwendet, um jedes Element hinsichtlich der Phase abzustimmen,
so daß die
Elemente periodisch beabstandet werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um
die zuvor genannte und andere Aufgaben zu erfüllen, ist die vorliegende Erfindung
eine Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen, die Phasenabstimmungs-Abschnitte
umfaßt,
die zwischen benachbarten (in einer Längsrichtung) Querelemente bzw.
Stichleitungselementen angeordnet sind. Insbesondere liefert die
vorliegende Erfindung eine Gruppenantennen mit kontinuierlichen Querelementen,
die eine Schicht eines dielektri schen Materials aufweist, und eine
Vielzahl von Querelementen besitzt, die sich senkrecht von einer
ersten Oberfläche
davon erstrecken und sich in eine seitliche Richtung erstrecken.
Eine erste Metallschicht ist auf der ersten Oberfläche und
Seitenflächen
jedes Querelements vorgesehen und eine zweite Metallschicht ist
auf einer zweiten Oberfläche
der Schicht eines dielektrischen Materials angeordnet, die eine Masseebene
der Gruppe bildet. Eine Vielzahl von Abstimmungsabschnitten sind
in der Schicht eines dielektrischen Materials ausgebildet und zwischen
jedem Querelement angeordnet. Die Vielzahl von Abstimmungsabschnitten
erstreckt sich seitlich über
die Schicht eines dielektrischen Materials entlang der seitlichen
Richtung der Querelemente. Die Vielzahl von Abstimmungsabschnitten
besitzt einen Querschnitt in Form eines umgekehrten ”T”s, und
die Masseebene umschließt
jeden der Abstimmungsabschnitte.
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Jeder
der Abstimmungsabschnitte umfaßt
einen ersten parallelen Plattenabschnitt, der benachbart zu einem
ersten Querelement angeordnet ist, der mit einem dielektrischen
Material gefüllt
ist. Ein erster Viertelwellen-Umformer-Abschnitt ist benachbart
zu dem ersten parallelen Plattenabschnitt angeordnet. Ein zweiter
paralleler Plattenabschnitt ist benachbart zu dem Viertelwellen-Umformer-Abschnitt angeordnet,
der teilweise mit dielektrischem Material gefüllt ist. Ein zweiter Viertelwellen-Umformer-Abschnitt
ist benachbart zu dem zweiten parallelen Plattenabschnitt angeordnet,
der teilweise mit dielektrischem Material gefüllt ist. Ein dritter paralleler
Plattenabschnitt ist zwischen dem zweiten Viertelwellen-Umformer-Abschnitt
und einem zweiten Querelement angeordnet, der vollständig mit
dielektrischem Material gefüllt
ist. Die Breite des ersten und des zweiten parallelen Plattenabschnitts
und die Breite des ersten und des zweiten Viertelwellen-Umformer-Abschnitts
sind im wesentlichen gleich. Ein Variieren der Breitenabmessung
des zweiten parallelen Plattenabschnitts stimmt die Phase zwischen
den benachbarten Querelementen ab.
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Die
Verwendung von Phasenabstimmungs-Abschnitten zwischen Elementen
der Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen läßt eine
periodische Beabstandung der Elemente zu. Die Phasenabstimmungs-Abschnitte
werden verwendet, um die Phase jedes Elements in der Gruppenantenne
abzustimmen, so daß die
Elemente in der Gruppe periodisch beabstandet werden können.
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Durch
Verwendung der vorliegenden Phasenabstimmungs-Abschnitte zwischen Elementen einer
Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen können die
nachfolgenden Vorteile erreicht werden. Eine verbesserte Strahlbreite
und eine verbesserte Nebenkeulen-Pegelleistung werden aufgrund der
periodischen Beabstandung und der erhöhten Genauigkeit bei der Elementanregung
erreicht. Eine verbesserte Effizienz wird erreicht, da die Luftbereiche
weniger verlustbehaftet sind als dielektrische Festkörpergebiete.
Eine verbesserte Verstärkung
wird erreicht aufgrund der reduzierten Strahlbreite, der reduzierten
Nebenkeulenpegel und der verbesserten Effizienz.
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Die
Phasenabstimmungs-Abschnitte können leicht
in der Gruppenantenne mit kontinuierlichen Querelementen hergestellt
werden und sind damit kostengünstig.
Die Phasenabstimmungs-Abschnitte lassen
sich leicht modulieren, indem ein Hochfrequenz-Struktursimulator,
der von Hewlett Packard Company verfügbar ist, benutzt wird.
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Da
eine feste metallene Rückplatte
die Kupferbeschichtung der Rückseite
der Gruppe ersetzt, wird die Festigkeit der Antenne verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer metallenen Rückplatte
besteht darin, daß die
Zeit, während
der die Gruppe während
dem Plattierungsvorgang hohen Temperaturen ausgesetzt wird, reduziert
wird, so daß die
Wahrscheinlichkeit von Wölbungen
in der Gruppe vermindert wird.
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Die
Zeit, die zur Herstellung einer arbeitenden Gruppe erforderlich
ist, wird ebenso reduziert. Bei einer aperiodischen Beabstandung
wird eine Interpolation der Elementanregung erforderlich. Die Genauigkeit
der Interpolation ist nicht bekannt, bis eine Apparatur hergestellt
wird und kann ein oder zwei Iterationen erfordern. Die Verwendung
der vorliegenden Abstimmungsabschnitte beseitigt zumindest einen
dieser Iterationen, da die Elementanregung genau von Beginn des
Entwurfsprozesses bekannt ist.
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Indem
die vorliegenden Abstimmungsabschnitte in Gruppenantennen mit kontinuierlichen Querelementen
verwendet werden, werden kostengünstige,
hocheffiziente Gruppenantennen geliefert und wird die Zykluszeit
von Entwurf zu Produktion verkürzt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich leichter mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung
in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, wobei ähnliche
Bezugszeichen ähnliche
strukturelle Elemente bezeichnen und in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Gruppenantenne mit kontinuierlichen
Querelementen darstellt, die Abstimmungsabschnitte entsprechend
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet; und
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2 Details
eines beispielhaften Abstimmungsabschnitts entsprechend der vorliegenden
Erfindung zeigt, die in der Gruppenantenne mit kontinuierlichen
Querelementen von 1 verwendet wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug
nehmend auf die gezeichneten Figuren zeigt 1 eine perspektivische
Ansicht einer Gruppenantenne 10 mit kontinuierlichen Querelementen,
die Abstimmungsabschnitte 11 gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung verwendet. Wie in 1 gezeigt,
umfaßt
die Gruppenantennen mit kontinuierlichen Querelementen 10 eine
Schicht eines dielektrischen Materials 12, die darauf eine Vielzahl
von Querelementen 13 aufweist, die sich von einer ersten
Oberfläche 14 erstrecken.
Die erste Oberfläche 14 und
Seitenflächen 15 jedes
Querelements 13 sind plattiert oder haben anderenfalls
eine darauf angeordnete erste Metallschicht 16. Eine zweite
Oberfläche 17 oder
eine Bodenfläche 17 der Schicht
eines dielektrischen Materials 12 besitzt eine zweite Metallschicht 16,
die darauf angeordnet ist, um eine Masseebene 18 der Gruppe 10 auszubilden.
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Zusätzliche
Details hinsichtlich der Gruppenantennen mit kontinuierlichen Querelementen
10 können im
US-Patent Nr. 5,266,961 ,
erteilt am 30. Nov. 1993, mit dem Titel ”Continuous Transverse Stub
Element Devices and Method of Making Same” und US-Patentanmeldung Nr.
08/104,020, eingereicht am 10. Aug. 1993, mit dem Titel ”Continuous Transverse
Stub Element Antenna Arrays” gefunden werden,
wobei beide auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen
wurden.
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Eine
Vielzahl von Abstimmungsabschnitten 11 sind in der dielektrischen
Materialschicht 12 ausgebildet und zwischen Ebenen der
Querelemente 13 angeordnet. Jeder der Vielzahl von Abstimmungsabschnitten 11 besitzt
einen Querschnitt in Form eines invertierten ”T”s. Die Vielzahl von Abstimmungsabschnitten 11 sind
benachbart zu der zweiten Oberfläche 17 der
dielektrischen Materialschicht 12 angeordnet und erstrecken
sich seitlich über
die dielektrische Materialschicht 12 entlang der Abmessung
der Querelemente 13. Demgemäß umgibt die zweite Metallschicht 16,
die die Masseebene 18 der Gruppe 10 bildet, jeden
der Abstimmungsabschnitte 11.
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2 zeigt
Details eines beispielhaften Abstimmungsabschnitts entsprechend
der vorliegenden Erfindung, die in der Gruppenantenne mit kontinuierlichen
Querelementen der 1 eingesetzt, wird. Bezug nehmend
auf 2 kann die periodische Beabstandung zwischen Mittelpunkten
benachbarter Querelemente 13 der Gruppe 10 als
d definiert werden. L1 definiert die Abmessung eines ersten parallelen
Plattenabschnitts 21, der mit einem dielektrischen Material 12 gefüllt ist.
Der erste parallele Plattenabschnitt 21 ist zwischen der
Mitte eines ersten Querelements 13 und einer ersten Kante 11a des
Abstimmungsabschnitts 11 angeordnet. Der erste parallele
Plattenabschnitt 21 besitzt eine Wellenlänge, die durch λd1 vorgegeben
ist. L2 definiert die Abmessung eines ersten Viertelwellen-Umformer-Abschnitts 22 des
Abstimmungsabschnitts 11. Der erste Viertel wellen-Umformer-Abschnitt 22 besitzt
eine Wellenlänge, die
durch λd2, L2 = λd2/4 vorgegeben ist. L3 definiert die Abmessung
eines zweiten parallelen Plattenabschnitts 23 des Abstimmungsabschnitts 11,
der teilweise mit dielektrischem Material gefüllt ist. Der zweite parallele
Plattenabschnitt 23 besitzt eine Wellenlänge λd3.
L4 definiert die Abmessung eines zweiten Viertelwellen-Umformer-Abschnitts 24,
der teilweise mit dielektrischem Material 12 gefüllt ist.
Der zweite Viertelwellen-Umformer-Abschnitt 24 besitzt
eine Wellenlänge,
die durch λd2 und L4 = λd2/4
gegeben ist. L5 definiert die Abmessung eines dritten parallelen Plattenabschnitts 25 des
Abstimmungsabschnitts 12, der zwischen der Mitte eines
zweiten Querelements 13 und einer zweiten Kante 11b des
Abstimmungsabschnitts 11 angeordnet ist, der vollständig mit
dielektrischem Material 12 gefüllt ist. Der dritte parallele Plattenabschnitt 25 besitzt
eine Wellenlänge,
die durch λd1 gegeben ist.
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Die
Beziehungen zwischen den Abmessungen der zuvor definierten Abschnitte 21 bis 25 sind: λd1 < λd2 < λd3 λd2 = (λd1 × λd3)1/2 L1 = L5 L2 = L4, und L1 + L2 +
L3 + L4 + L5 = d.
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Es
ist für
den Durchschnittsfachmann leicht erkennbar, daß durch Variieren der Breitenabmessung
L3 die Phase zwischen benachbarten Querelementen 13 abgestimmt
werden kann, um eine komplexe Anregungsverteilung vorzusehen, oder
den Phasenunter schied zwischen Querelementen 13 herauszubringen,
die unterschiedliche Abmessungsbreiten in einer rein realen Anregungsverteilung
besitzen.
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Somit
wurde eine neue und verbesserte Gruppenantenne mit kontinuierlichen
Querelementen beschrieben, die Abstimmungsabschnitte verwendet,
um jedes Element bezüglich
der Phase abzustimmen, so daß die
Elemente periodisch beabstandet werden können.