DE69725253T2

DE69725253T2 - Komplementäre Bowtie-Antenne

Info

Publication number: DE69725253T2
Application number: DE69725253T
Authority: DE
Inventors: Michael S. Torrance Yonezaki
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1997-08-16
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-08-17
Also published as: JPH10190333A; EP0825676B1; EP0825676A3; JP3270720B2; DE69725253D1; US5774094A; EP0825676A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlerelement, insbesondere eine komplementäre Bowtie-Antenne, mit:
einem widerstandsbehafteten Film, der auf einer dielektrischen Platte ausgebildet ist, wobei der Film in einem komplementären Bowtie-Teilmuster ausgebildet ist, wobei das Fehlen einer widerstandsbehafteten Beschichtung das Bowtie-Teilmuster bildet, und einer Einspeise-Schaltung, die elektrisch mit dem widerstandsbehafteten Film an einem Einspeisungs-Rand verbunden ist.
Ein solches Strahlerelement ist beispielsweise aus US 5,166,697 bekannt. Weiterer Stand der Technik ist in dem Aufsatz "Bow-tie antennas on high dielectric substrates for MMIC and OEIC applications at millimetre-wave frequencies" von Mirshekar-Syahkal et al. in Electronics Letters, GB, IEE Stevenage, Vol. 31, Nr. 24, Seite 2060–2061 offenbart. Dieser Aufsatz zeigt planare Bowtie-Antennen. US 3,868,694 zeigt eine dreidimensionale dielektrische Richtungsantenne, die ein keilförmiges Dielektrikum mit leitenden Erregern benutzt. US 5,404,146 offenbart eine Antenne zum Koppeln von Infrarotstrahlung auf einen Detektor, indem eine metallisierte Schicht aus einem dicken dielektrischen Substrat verwendet wird. US 5,461,392 und US 5,264,860 zeigen Anordnungen mit konischem Schlitz, zeigen aber keine Bowtie-Muster in irgendeiner Form.
Diese Erfindung betrifft allgemein Radarantennen und insbesondere eine Anordnung von Bowtie-Strahlern, die in eine Anordnung von X-Band Strahlern integriert werden kann, um Niederfrequenzfunktionen mit minimaler Auswirkung auf die Strahlungs- und RCS-Leistung der X-Band Anordnung bereitzustellen.
Es gibt Radarsystemanwendungen, wie beispielsweise Bordsysteme für Kampfflugzeuge, die mehrere Funktionen innerhalb einer einzelnen Apertur benötigen. Zusätzlich ist die Minimierung des Radarquerschnitts (RCS) von hoher Priorität bei vielen neuen Radarprogrammen. Es gibt deshalb ein Bedürfnis nach einem Strahlerelement, das in eine x-Band Gruppenapertur integriert werden kann, um eine Niederfrequenzbandfunktion bei minimaler Auswirkung auf die Strahlungs- und RCS-Leistung der X-Band Anordnung bereitzustellen.
Das zuvor erwähnte Dokument US 5,166,697 zeigt ein Antennensystem, das zur Installation in dem führenden (vorne liegenden) Rand einer Tragfläche eines Flugzeugs geeignet ist. Das vorgeschlagene Antennensystem umfasst einen komplementären Bowtie-Dipol, der auf schrägen dielektrischen Oberflächen aufgebracht ist und auf geometrische Gesichtspunkte wie Symmetrieeigenschaften und Winkelbereiche zwischen symmetrischen Hälften der Antenne fokussiert ist.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Strahlerelement für eine Anordnung von Bowtie-Strahlern vorzusehen, das in einer Anordnung bzw. Gruppe von X-Band Strahlern bei minimaler Auswirkung auf die Strahlungs- und RCS-Leistung der X-Band Anordnung innerhalb einer einzelnen Apertur integriert werden kann.
Diese Aufgabe wird von dem erwähnten Strahlerelement dadurch gelöst, dass der Film einen spezifischen Widerstand besitzt, der von einem geringen spezifischen Widerstand an einem Einspeisungs-Rand zu einem hohen spezifischen Widerstand entfernt von dem Einspeisungs-Rand ansteigt.
Eine komplementäre Bowtie-Antenne ist beschrieben, die einen widerstandsbehafteten Film umfasst, der auf einer dielektrischen Platte ausgebildet ist, wobei der Film gekennzeichnet ist durch einen spezifischen Widerstand, der linear von einem niederen spezifischen Widerstand an einem Einspeisungs-Rand zu einem hohen spezifischen Widerstand an einem strahlenden Rand ansteigt. Der Film ist in einem Bowtie-Muster geschnitten. Die Antenne umfasst ferner eine Siliziumplatte, die mit einem Ferrit belastet ist, wobei die dielektrische Platte und die Siliziumplatte übereinanderliegend zusammengebracht sind. Eine Einspeise-Schaltung ist elektrisch mit dem widerstandsbehafteten Film an einer Position auf dem Film verbunden, die den geringsten spezifischen Widerstand besitzt. Eine Masseebene befindet sich benachbart zu dem widerstandsbehafteten Film auf der gleichen Ebene.
Eine Antenne entsprechend der Erfindung kann in eine Antennenöffnung einer X-Band Anordnung integriert werden, wie beispielsweise eine Anordnung von Strahlerelementen mit konischem Schlitz.
Die Eigenschaft des spezifischen Widerstands, der von dem widerstandsbehafteten Film geliefert wird, "mildert" die Auswirkungen eines Metallrands, was die Bowtie-Antenne so arbeiten lässt, als hätte sie keinen Metallrand, d. h. wie eine Antenne mit unendlicher Länge, obgleich die beispielhaften Abmessungen des Bowtie-Musters für einen beispielhaften L-Band Betrieb nur einige wenige cm sind.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
1 eine vereinfachte Draufsicht eines komplementären Bowtie-Strahlerelements ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert.
2 eine Querschnitts-Seitenansicht ist, wobei der Querschnitt längs der Linie 2-2 von 1 genommen wurde.
3 eine Explosions-Seitenansicht ist, die die Elemente des komplementären Bowtie-Strahlerelements von 1 zeigt.
Ein komplementäres Bowtie-Strahlerelement 50 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in den 1–3 gezeigt. Dieses Strahlerelement repräsentiert ein pseudo "komplementäres" Bowtie-Element, da die von diesem komplementären Bowtie-Strahlerelement erzeugten Felder ähnlich sind zu jenen, die von einem herkömmlichen Bowtie-Strahlerelement erzeugt werden, weil dessen leitendes Muster die Ergänzung ("complement") des Leitungsmusters ist, das ein herkömmliches Bowtie-Strahlerelement definiert. Im Gegensatz dazu würde eine echte "komplementäre" Antenne ein elektrisches Feld erzeugen, das um 90° gegenüber jenem gedreht ist, das von der Ergänzung ("complement") erzeugt wurde.
Das Strahlerelement 50 dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst einen widerstandsbehafteten Film 60, eine Platte 70 aus Silizium, das mit einem Ferritmaterial imprägniert ist, eine Platte 80 aus einem festen dielektrischen Schaum, wie beispielsweise jener, der unter dem Namen "STYROFOAM" vermarktet wird, und eine dünne Platte eines Dielektrikums, wie beispielsweise Fiberglas.
Der widerstandsbehaftete Film 60 umfasst eine widerstandsbehaftete Beschichtung, die auf einer dünnen dielektrischen Platte aufgebracht ist, die in einer beispielhaften Ausführungsform eine Schicht aus Mylar (TM) mit einer Dicke von etwa 8 mils ist. Der Film 60 wird von der Fiberglasplatte 90 getragen und kann mittels eines Klebemittels, wie beispielsweise "Spray Mount"-Zement, der von der Firma 3M Company erhältlich ist, auf der Platte 90 aufgeklebt werden. Die Beschichtung auf dem widerstandsbehafteten Film 60 ist in der Form eines Bereichs eines komplementären Bowtie-Strahlers ausgebildet, wie in 1 gezeigt, mit dreieckförmigen Gebieten 68A und 68B, die keine aufgebrachte widerstandsbehaftete Beschichtung besitzen. (Alternativ kann die Bowtie-Form durch Ausschneiden der dreieckförmigen Gebiete 68A und 68B aus dem Mylar-Film ausgebildet werden)
Der spezifische Widerstand der Beschichtung, die auf dem widerstandsbehafteten Film 60 aufgetragen ist, variiert mit einem Gradienten, der in 1 gezeigt ist, von 0 Ohm pro Quadrat-Inch (Inch = 2, 54 cm) an dem Rand 52 bis zu einem Widerstand von unendlich Ohm pro Quadrat-Inch an dem Rand 54. Die komplementäre Bowtie-Form bildet äußere widerstandsbehaftete Beschichtungsstreifen 62 und 64 und ein inneres Dreieckgebiet 66, das den Scheitelpunkt 66A bildet.
Die Platte 70 kann aus einem kommerziell erhältlichen Material mit dem Namen MAGRAM von GEC Marconi Materials, Co., 9630 Ridge Haven Court, San Diego, CA 92123, mit der Teilenummer 9641 hergestellt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform besitzt die Platte 70 eine Dicke von etwa 40 mils. Als Alternative zu einer Platte aus Silizium, das mit einem Ferritmaterial imprägniert ist, können andere dielektrische Materialien, die bezüglich Mikrowellenenergie absorbierend sind, alternativ verwendet werden, wie beispielsweise Schaum-Absorbierer, Synthetikschaum-Absorbierer, wabenförmige Absorbiererstrukturen und ähnliche.
Die dielektrische Schaumschicht 80 wird als Abstandshalter benutzt, um die Stufe auszufüllen, die durch die Spitzen 156 der X-Band Strahlerelemente 154 mit konischem Schlitz ausgebildet wird, die eine X-Band Anordnung 150 und die umgebende Masseebene 110 aufweisen.
Der Strahler 50 umfasst ferner eine ebene Masseebene 110, die benachbart des Rands 62 mit geringem spezifischen Widerstand angeordnet ist. Der Strahler 50 wird erregt, indem der Mittelleiter 102 einer 0,85 Inch Koaxialleitung 100 an dem am meisten leitenden Abschnitt des widerstandsbehafteten Materials am Scheitelpunkt 66 angelötet wird. Der äußere Leiter 104 der Koaxialleitung wird an ein Kupferband angelötet, das dann beispielsweise durch Löten an der Masseebene 110 angebracht wird. In gleicher Weise werden die Spitzen 62A und 64A der Streifengebiete 62 und 64 an den Kupferband-Elementen 112 bzw. 114 angelötet, die durch Löten an der Masseebene 110 angebracht sind.
Eine Befestigungsstruktur 120 trägt die Masseebene 110 der Antenne 50 benachbart des Rands 152 der X-Band Gruppe 150, so dass der Zusammenbau der Elemente 60, 60, 80 und 90 über den Spitzen der konischen Schlitze 154 von dem Rand 152 frei getragen wird. Die Struktur 120 hält radarabsorbierendes Material 122 unter der Masseebene 110. Nur einige wenige der Elemente der Gruppe 150 sind in 2 gezeigt; in ähnlicher Weise können eine Vielzahl von komplementären Bowtie-Antennen 50 entlang des Rands 152 angeordnet werden, abhängig von den Erfordernissen bzw. Anforderungen einer bestimmten Anwendung.
Bei einer beispielhaften Anwendung für einen L-Band Betrieb kann das Bowtie-Muster die folgenden beispielhaften Abmessungen besitzen: eine Gesamtbreite von 9,00 cm, eine Gesamthöhe von 7,62 cm (Abstand von dem Einspeisungs-Rand 52 zu dem oberen Rand 56), eine Entfernung von dem Rand 52 zum Scheitelpunkt des Gebiets 68A von 6,63 cm und eine Entfernung zwischen den inneren Rändern der Streifen 62 und 64 von 7,0 cm. Somit sind die Abmessungen des Strahlers bei einem L-Band Betrieb zentriert bei 1 GHz alle geringer als die halbe Wellenlänge bei dieser beispielhaften Ausführungsform. Natürlich könnte man auch einen größeren Strahler bauen. Die Kompaktheit des Strahlers ist ein Vorteil, insbesondere bei der Integration des Strahlers in ein Dualband-Antennensystem, wie in 2 dargestellt.
Die widerstandsbehaftete Beschichtung, die von der Schicht 60 geliefert wird, "mildert" die Auswirkungen eines Metall rands, was die Bowtie-Antenne so arbeiten lässt, als hätte sie keinen Metallrand, d. h. wie eine Antenne mit unendlicher Länge. Die Ferritschicht 70 stellt eine Abstimmung bereit und hilft dabei, die Bowtie-Antenne 50 gegenüber der X-Band Anordnung 150 zu isolieren.
Die komplementäre Bowtie-Antenne dieser Erfindung kann verglichen werden mit einem Schlitz oder Bowtie mit "Beinen", d. h. den Streifen 62 und 64 (1). Die Form eines Schlitzes in einer Masseebene würde einem Bowtie ähneln, und die elektrischen Felder, die von dem Bowtie erzeugt werden, würden jenen eines herkömmlichen Schlitzes ähneln, der entlang seiner schmalen Abmessung erregt wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist nur die Hälfte des "Schlitzes" ausgebildet, d. h. die Hälfte des Bowties, da die andere Hälfte durch dessen elektrische Abbildung auf der Masseebene 110 ausgebildet wird. Alternativ kann die Antenne dieser Erfindung mit einer herkömmlichen Bowtie verglichen werden, die diese "Beine" nicht besitzt. Wiederum ist jedoch nur die Hälfte des Bowtie ausgebildet, da die andere Hälfte durch dessen elektrische Abbildung ausgebildet wird. Darüber hinaus enthält weder der Schlitz noch der herkömmliche Bowtie die Verringerung der Leitfähigkeit in Richtung weg von der Einspeisungs-Position, wie bei dieser Erfindung.

Claims

Strahlerelement, insbesondere eine komplementäre Bowtie-Antenne (50), mit: – einem widerstandsbehafteten Film (60), der auf einer dielektrischen Platte ausgebildet ist und der Film (60) in einem komplementären Bowtie-Teilmuster ausgebildet ist, wobei das Fehlen einer widerstandsbehafteten Beschichtung das Bowtie-Teilmuster bildet; und – einer Einspeise-Schaltung (100), die elektrisch mit dem widerstandsbehafteten Film (60) an einem Einspeisungs-Rand (52) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – der Film (60) einen Widerstand besitzt, der von einem geringen Widerstand am Einspeisungs-Rand (52) zu einem hohen Widerstand entfernt von dem Einspeisungs-Rand (52) ansteigt.
Strahlerelement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Position (66A) auf dem Film (60) mit dem geringen -Widerstand in der Mitte des Bowtie-Musters am Einspeisungs-Rand liegt.
Strahlerelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Bowtie-Muster durch einen äußeren ersten und zweiten Streifen (62, 64) des widerstandsbehafteten Films (60) definiert ist, der sich quer zu dem Einspeisungs-Rand (52) erstreckt, und wobei Spitzen (62A, 64A) der Streifen (62, 64) am Einspeisungs-Rand (52) mit Masse verbunden sind.
Strahlerelement nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch eine Masseebene-Struktur (110), die entlang des Einspeisungs-Rands (52) und in einem allgemein ebenen Verhältnis zu der widerstandsbehafteten Beschichtung angeordnet ist, und wobei die Spitzen (62A, 64A) der Streifen (62, 64) mit der Masseebene-Struktur (110) verbunden sind.
Strahlerelement nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisungs-Schaltung (100) eine koaxiale Übertragungsleitung mit einem Mittelleiter (102), der elektrisch mit der Einspeisungs-Position (66A) verbunden ist, und einen äußeren Leiter (104) aufweist, der mit der Masseebene-Struktur (110) elektrisch verbunden ist.
Strahlerelement nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des widerstandsbehafteten Films linear von dem Einspeisungs-Rand (52), wo der Widerstand pro Quadrat-Inch etwa 0 Ohm pro Quadrat-Inch beträgt, zu einem Bereich (54) benachbart zu den Scheitelpunkten des Bowtie-Teilmusters ansteigt, der einen hohen Widerstand besitzt.
Strahlerelement nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Bowtie-Teilmuster ein halbes Bowtie-Muster ist, das aus zwei benachbarten dreieckförmigen Bereichen (68A, 68B) ausgebildet wird, die frei von einer widerstandsbehafteten Beschichtung sind.
Strahlerelement nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner gekennzeichnet durch eine dielektrische Schicht (70) eines Mikrowellen absorbierenden Materials, das benachbart zu der dielektrischen Platte angeordnet ist.
Strahlerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (70) eine Schicht aus einem mit Silizium imprägnierten Eisenmaterial aufweist.
Strahlerelement nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein Teil eines Zweiband-Antennensystems ist, das ein erstes Antennensystem mit einer Anordnung (50) von Strahlerelementen (154) aufweist, die in einer Antennenöffnung zum Betrieb in einem ersten Hochfrequenzband angeordnet sind, und ein zweites Antennensystem zum Betrieb in einem zweiten Niederfrequenzband bezüglich des ersten Frequenzbandes aufweist, wobei das zweite Antennensystem die komplementäre Bowtie-Antenne (50) umfasst.
Strahlerelement nach Anspruch 10, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (154) des ersten Antennensystems glockenförmige Schlitzstrahlerelemente aufweisen, und wobei die komplementäre Bowtie-Antenne benachbart zu Spitzen (156) der glockenförmigen Schlitzstrahlerelemente angeordnet ist.
Strahlerelement nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das erste Frequenzband im X-Band und das zweite Frequenzband im L-Band liegt.