DK163158B - Antennegruppe med resonatorkoblede skruelinieantenner og anvendelse heraf. - Google Patents

Description

i

DK 163158 B

Den foreliggende opfindelse angår en antennegruppe med et antal skruelinieelementer, hvis udgangssignaler kombineres til et fælles udgangssignal, og især, men ikke udelukkende, en antennegruppe til modtagelse af direkte udsendte satellitfjern-5 synssign.aler (såkaldt DBS, Direct Broadcast Satellite).

US PS 2.496.242 beskriver et fødesystem til antenner, som gør det muligt at stable antenner, der fødes fra samme ende. Hver enkelt antenne i antennegruppen består af en koaksialresona-10 tor, der kortsluttet i den ene ende, og som drives fra den anden ende via en koaksial 1 inie med dipolelementer, som er koblet til resonatoren, og som ligger med en indbyrdes afstand på en halv bølgelængde. Inderlederen af koaksia 1resonatoren til den nederste antennegruppe er hul og indeholder en yderii-15 gere koncentrisk fødeanordning, som strækker sig i forlængelse af den nederste antennestruktur og ind i den øverste antennegruppes koaksial resonator. Den ekstra koncentriske fødeanord-ning kan derfor fungere som transmissionslinie for den øverste antennestruktur.

20 GB patentskrift nr. 1.234.751 viser en antennegruppe med en flad cirkulær kopformet del, som er lukket med en cirkulær metalplade, således at der dannes et fladt kammer med et cirkulært tværsnit. Den kopformede del er opdelt af radiale og 25 bueformede skillevægge, således at der dannes et antal bølge-ledere med rektangulært tværsnit, der strækker sig fra centeret til skivens ydervæg. Inderst er bølgelederne afsluttet med kortslutninger. Et antal dipolformede eller spiralformede antenneelementer er anbragt med konstante mellemrum langs med 30 bølgelederen, og de indbyrdes afstande svarer til en halv bølgelængde af den stråling, som skal udsendes fra antennen.

Engelsk patentansøgning nr. 2.079.063 beskriver en kompakt letvægtsantennegruppe bestående af et antal skruelinieformede 35 antenneelementer, der er anbragt på en cirkulær reflektor. Der er indrettet metalkanter, som omgiver hvert af de skruelinie-formede elementer for at undertrykke den gensidige kobling

DK 163158 B

2 mellem antenneelementerne for at undgå en forringelse af antennens egenskaber. Metalkanterne gør det derfor muligt at placere antenneelementerne tættere ved hinanden og giver dermed mulighed for en mere kompakt antennegruppe uden at for-5 ringe antennes egenskaber. Der beskrives ikke en optimering af selve kombinationen af signalerne.

Det er blevet foreslået, at DBS-netværkene i Europa skal arbejde på en bærefrekvens på ca. 12 GHz. Flade pladeantenner 10 til dette frekvensområde fremstilles som en gruppe af elementer, der hver især kan modtage 12 GHz signalerne. På grund af den korte bølgelængde (2,5 cm) er elementerne små. For at levere tilstrækkelig energi til TV-billederne kræves en stor elementgruppe. Af æstetiske årsager bør denne elementgruppe 15 dog ikke være større end ca. 1 m2. Det signal, som modtages fra hver af disse elementer skal transmitteres med korrekt fase til et fælles punkt, således at det kombinerede signal kan fødes til frontenden af modtagermodulet. Ved overførselen af disse individuelle signaler til det fælles samlingspunkt 20 kan en væsentlig del af signalet gå tabt.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en billig antenne med en moderat størrelse, f.eks. til modtagelse af DBS signaler som nævnt ovenfor, og som er mere 25 effektiv end hidtil kendt i forhold til sin størrelse.

Ifølge den foreliggende opfindelse tilvejebringes en antennegruppe omfattende flere skruelinieformede antenneelementer, der hver især er forbundet til en fælles resonanskavitet for 30 derved at kombinere de signaler, som modtages af de skrueli-nieformede elementer.

Ved at kombinere signalerne i en fælles resonanskavitet kan man opnå en mere effektiv kobling af signalerne fra de enkelte 35 antenneelementer til den fælles udgang. Denne løsning indebærer en række muligheder, som er nærmere angivet i underkravene, for at justere kaviteten således, at signalerne kombineres optimalt (dvs. i fase).

DK 163158 B

3

Fortrinsvis har gruppen organer til at bevirke en elektrisk kortslutning på tværs af kaviteten mindst et sted i kaviteten.

I et eksempel omfatter organerne til at bevirke en elektrisk kortslutning en eller flere elektrisk ledende stave, som 5 strækker sig tværs over kaviteten.

Organerne til at bevirke en elektrisk kortslutning kan være anbragt i kaviteten for at adskille de skruelinieformede elementer i to eller flere grupper, hvorved udgangssignalerne fra 10 de skruelinieformede elementer i en gruppe anvendes til at danne en stående bølgetype eller -typer inden for kaviteten forud for kombinationen med tilsvarende bølgetyper fra andre grupper.

15 Fortrinsvis er de skruelinieformede elementer monteret på en fælles elektrisk ledende plade af en tykkelse, der svarer til i hovedsagen en halv bølgelængde for den ønskede stråling (det signal man ønsker at modtage).

20 I en udførelsesform ifølge den foreliggende opfindelse omfatter en antenne flere antennegrupper af den oven for beskrevne art, hvis udgange er elektrisk forbundne for at bevirke en addition af de modtagne signaler, og hvor i hvert fald nogle af grupperne hver især har flere skruel inie-antenneelementer, 25 der er forbundet til en resonantkavitet, der er fælles for elementerne i den pågældende gruppe, for derved inden for kaviteten at kombinere udgangssignalerne fra de skruelinieformede elementer i den gruppe.

30 Opfindelsen omfatter også en anvendelse af disse antennegrupper, i form af en antenne, bestående af flere antennegrupper som beskrevet ovenfor, hvis udgange er elektrisk forbundne.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ud fra et 35 eksempel under henvisning til de ledsagende tegninger, hvor fig. 1 viser et tværsnit af en del af en antenne ifølge opfindelsen,

DK 163158B

4 fig. 2 en anden udførelsesform set bagfra, fig. 3 endnu en udførelsesform af en antennegruppe ifølge opfindelsen set bagfra, 5 fig. 4 et snit gennem en del af antennegruppen i fig. 3, og fig. 5 et snit gennem en del af en anden antenne ifølge opfindelsen.

10

Hver af de viste antenner er konstrueret til at være særligt velegnet til at modtage signaler af det format, der antageligt vil blive anvendt ved DBS midt i Europa. Hver antenne har således elementer af skruel inieform (særligt velegnet til modta-15 gelse af signaler med cirkulær polarisation, en af egenskaberne ved DBS-signaler) og kan direkte modtage signaler med frekvenser i området 12 6Hz (de bærefrekvenser, der skal anvendes i DBS-nettene, vil ligger omkring 12 GHz). Hver af antennerne er opbygget i form af en flad plade for at gøre det 20 overfladesignal, der er til rådelighed for signalmodtagelse, størst muligt i forhold til det anvendte rumfang.

Af fig. 1 ses, at den kun delvist viste antenne har et antal grupper, hvoraf kun gruppe 2 er vist i helt snit, medens grup-25 pe 1 og 3 er antydet. Hver gruppe har seksten skrueelementer 4, der hver har otte vindinger i skrueliniesektionen og i den modsatte ende af antennelementet en "sonde" 5 i form af en retlinet lederende, der rager ind i en resonanskavitet 6, der er fælles for alle elementerne 4 i den pågældende gruppe. På 30 denne måde er der en elektrisk kobling imellem alle elementerne 4 i gruppen 2 og kaviteten 6, således at alle signalkomponenter for det elektriske felt, der modtages af elementerne 4 i gruppen 2 føres ind i kaviteten 6. Kaviteten 6 anvendes således til at kombinere alle udgangssignalerne fra elemen-35 terne 4. Resonanskaviteten 6 er afgrænset af en elektrisk ledende belægning eller foring 7 (f.eks. en aluminiumlegering, kobber, guld eller sølv) på den indvendige overflade (og har

DK 163158 B

5 målene 126 mm gange 126 mm gange 10 mm) i en kasse 8, der er fremstillet af et isolerende materiale.

For at fastholde elementerne 4 sikkert på kassen 8, har hvert 5 element på en "hals" mellem skrueliniesektionen og sonden 5 en prop 9 af PTFE-mater i ale, som sidder i en prespasning i et hul i den øverste overflade af kassen 8. Selv om proppen 9 griber om halsen af elementet 4 tilstrækkeligt kraftigt til at forhindre dens bevægelse under normal brug, kan elementet 4 sta-10 dig glide i begge retninger i forhold til proppen 9, for at tillade justering af sondens position i kaviteten 6. Skrueli-nidelen af elementerne 4 i hver gruppe er indlejret i en ekspanderet polystyren 10, som understøtter antenneelementerne og nedsætter risikoen for beskadigelse. Ekspanderet polystyren 15 10 er et materiale med en meget lav dielektricitetskonstant og meget lave dielektriske tab, således at dets tilstedeværelse kun har en helt ubetydelig effekt på antennens egenskaber. Den ekspanderede polystyren 10 har en udvendig overfladebelægning 11 af et vandafvisende plastmateriale for at forhindre absorp-20 tion af vand.

Den ekspanderede polystyren 10 og overfladebelægningen 11 kan erstattes af et andet passende materiale (eller kombination af materialer) med tilsvarende egenskaber, hvad angår dielektri-25 citetskonstant, dæmpning af RF-signaler og vand-absorption.

Elementerne 4 på gruppen 2 er indrettet oven på kassen 8 således, at sonderne 5 er placeret i spændingsmaksima, dvs. midt mellem knudepunkerne for resonansfeltet, og der, hvor reso-30 nansfeltet opnår den største spænding, for at gøre koblingsgraden støst mulig. På tilsvarende vis er udgangssonden 12 for hver kavitet 6 også placeret i et spændingsmaksimum. Udgangssonden 12 lader det kombinerede signal i kaviteten 6 fortsætte ind i en bølgeleder 13, som også er forbundet til andre grup-35 per 1 og 3, for at blive ført videre til en tv-modtager.

Antennen vist i fig. 2 består af fire grupper, der hver især i hovedsagen ligner gruppen i fig. 1 med undtagelse af, at de er

DK 163158 B

6 modificerede således, at de danner fire resonanskaviteter 20, 21, 22 og 23 som en enkel enhed med fælles vægge 24, 25, 26 og 27. Endvidere deler alle fire kaviteter en enkelt udgangssonde 28, der er placeret i et maksimum i hver kavitet i et område 5 af et af dens hjørner. Denne form for antenne kræver således ikke en bølgeleder, som forbinder de fire kaviteter og reducerer derved muligheden for signaltab og giver en kompakt konstruktion. Det er klart, at der stadig vil være en bølgeleder, der forbinder udgangssonden 28 til tv-modtageren (og muligvis 10 til andre enheder, hver på fire kaviteter).

I en anden udførelsesform er antennen udformet som fire grupper, hvis udgange er forbundet indbyrdes af en bølgeleder, og hvor hver gruppe har seksten skruelinieantenneelementer, op-15 delt i fire ens grupper, hvor hver gruppe føder en resonanskavitet. De fire resonanskaviteter danner en enkelt enhed med visse vægge fælles på lignende måde som vist i fig. 2.

I hver af de ovennævnte antenner er højden af resonanskavite-20 ten valgt således, at muligheden for at danne lodrette stående bølger er nedsat.

I en modifikation af hver af disse antenner kan der anvendes sløjfer i stedet for sonderne 5, og i dette tilfælde anbringes 25 skruelinieelementerne således, at sløjferne er anbragt i strømmaksima (hvor H-feltet varierer maksimalt) i resonanskaviteten 6.

Kasserne 8, som indvendigt er forsynet med en belægning 7, og 30 som danner resonanskaviteterne i de ovenfor beskrevne antenner, kan fremstilles billigt og hurtigt, og er særdeles velegnede til masseproduktion. Da disse kasser erstatter de relativt dyre mikrostriptransmissionslinier i konventionelle antenner, kan deres anvendelse i antenner ifølge opfindelsen 35 medføre en reduktion af den samlede udgift til sådanne antenner.

DK 163158 B

7

Fig. 3 er et skematisk plant billede af en anden antennegruppe 40 ifølge den foreliggende opfindelse og set bagfra. Fig. 4 viser en del af et tværsnit gennem denne antennegruppe 40.

5 Antenneg.ruppen 40 har seksten skruel i nieantenneelementer 41, som er af samme opbygning som elementerne 4 og er monteret på samme måde i en resonantkavitet 42. I dette tilfælde er kaviteten 42 afgrænset af en metallisk, elektrisk ledende plade 43 og af en elektrisk ledende belægning 44 på sidevæggene 45 og 10 på en basis eller grundflade 46, hvor sidevæggene og grund fladen 46 er af elektrisk isolerende materiale.

Det har vist sig, at ved at indrette en plade 43 med en tykkelse, der svarer til ca. en kvart bølgelængde ved den an- 15 vendte mikrobølgefrekvens, forbedres forstærknings- og båndbreddeegenskaberne af antennen ved denne mikrobølgefrekvens betydeligt sammenlignet med den antenneform, der er vist i fig. 1. Endvidere kan forstærknings- og båndbreddeegenskaberne forbedres væsentligt ved at indrette en plade 43 med en tyk-20 kelse svarende til en halv bølgelængde ved den mikrobølgefrekvens, som antennen indrettes til. Pladen 43 kan således være 8 mm i tykkelse.

Tykkelsen af pladen 43 anvendes som et middel til at styre den 25 impedans, som skruelinieantenneelementet 4 har, set ud fra re-sonanskavtiten. Impedansen af alle antenneelementerne kan ændres samtidig ved, at ændre tykkelsen af lågpladen 43. stammen eller den retlinede del af skruelinieelementet, som går gennem lågpladen 43, danner sammen med den ledende lågplade et stykke 30 koaksialleder, som kan udnyttes som impedanstransformer. Ved et passende valg af diameteren af proppen og af tykkelsen af den elektrisk ledende plade (hvad enten det er en massiv plade 43 som vist i fig. 7, eller en belægning eller foring 7 som vist i fig. 1), kan man opnå en ønsket særlig impedanstilpas-35 ning ud fra et stort antal muligheder. I de antenneformer, der er beskrevet og vist heri, betragtes visse tilpasningsegenskaber som særligt fordelagtige, men den foreliggende opfindelse er naturligvis ikke begrænset til disse specifikke værdier.

DK 163158B

8

Et antal kortslutningstappe eller pinde 47, som er i elektrisk kontakt både med pladen 43 og belægningen 44, er placeret jævnt fordelt over hele kaviteten 42, f.eks. som vist i fig.

3, hvor de punkterede ringe angiver antenneelementer 41 og 5 prikkerne angiver kortslutningspinde 47. På denne måde danner de resulterende linier af pinde 47 effektivt barrierer, der forhindrer overførslen af elektriske ladninger, således at med det formål at opstille og udbrede stående bølger, er de seksten elementer 41 opdelt i fire grupper, der hver består af 10 fire elementer. Ved et passende valg af kavitetsdimensioner, kan udgangen 48 fra kaviteten 42 konstrueres således, at signaler med den ønskede bølgelængde forstærkes, medens signaler på andre bølgelængder undertrykkes.

15 Kortslutningspindene 47 omformer i realiteten kaviteten 42 til den form, der er vist i fig. 2, uden det er nødvendigt at anvende faste vægge.

Kaviteten 42 har en udgangssonde 48, som står i forbindelse 20 med den ene arm af en H-formet bølgeleder, som ligeledes fødes med signalerne fra tre andre antennegrupper, der er identiske med antennegruppen 40, således at de fire antennegrupper danner en enkelt flad pladeantenne til modtagelse af DBS tv-sig-naler. I et andet specifikt eksempel er en sådan antenne dan-25 net af fire antennegrupper, der hver har en modtageflade på 125 mm2, en resonanskavitetshøjde på 10 mm, en skruelinieele-mentafstand på 37,5 mm og en samlet antennedybde på 70 mm. Denne antenne kunne give en forstærkning på 23 db for en indfaldende stråling på 12 Gigaherz og rettet imod antennens 30 bredside.

Anbringelsen af pindene 47 giver endvidere antennegruppen 40 en forbedret mekanisk stivhed sammenlignet med antennegruppen 2.

35 I en anden udførelsesform af antennegruppen 40 er pindene 47 anbragt igennem hele kaviteten 42, således at hvert element 41

DK 163158B

9 har en eller flere tilhørende pinde 47 for at undertrykke uønskede stående bølgetyper.

Det har vist sig, at en antennegruppe, dannet af grupper med 5 fire skruelinieelementer, er mere effektiv, udtrykt ved antennef orstærkning per arealenhed, end grupper med andre antal (f.eks. ni skruelinieelementer).

Den antenne, hvoraf en del af vist i fig. 5, afviger fra an-10 tennen i fig. 1 ved, at alle skruel inieelementerne 4 i en gruppe er monteret på et fælles trykt kredsløbskort 60, og at stammen eller stilken af hvert element strækker sig gennem et hul i jordplanen af kortet 60 og er loddet til metalstrimmelen 61, der er trykt på den modsatte side, for at overføre ethvert 15 modtaget signal til tv-modtageren med det korrekte faseforhold.

En eller flere af antennerne kan være modificeret således, at der er en variation i signaltransmissionsvirkningsgraden af 20 skruelinieelementerne for at danne en særlig amplitudefordeling hen over antenneområdet. Denne variation kan f.eks. opnås ved at nogle elementer har et andet antal vindinger i skrueli-niesektionen eller ved at justere koblingen mellem visse elementer og resonanskaviteten. Yderligere eller alternativt kan 25 der være en variation i orienteringen (i forhold til antennegruppens længdeakse) af nogle af skruelinieelementerne for at give en fasefordeling af signalerne, som modtages hen over antennens overflade. Skruelinieelementerne har fortrinsvis samme hældningsvinkel. Alternativt kan der være flere forskellige 30 hældningsvinkler i en gruppe skruelinieelementer.

En eller flere af disse modifikationer kan anvendes til at give antennen en hovedstråleretning, der står skråt i forhold til retningen vinkelret på antennens hovedplan. Antennen kan 35 have en hovedstråle med en konstant hældning, eller med en hældningsvinkel, der kan varieres efter behov.

Claims (10)

1. Antennegruppe med et antal skruelinieelementer, hvis ud-5 gangssignaler kombineres til et fælles udgangssignal, kendetegnet ved, at skruelinieelementerne (4, 41), hver især er forbundet til en fælles resonanskavitet (6, 42), for derved at kombinere de signaler, som modtages af skruelinieelementerne.

2. Antennegruppe ifølge krav 1, kendetegnet ved organer (47) til at bevirke en elektrisk kortslutning på tværs af kaviteten mindst ét sted indvendigt i kaviteten (42).

3. Antennegruppe ifølge krav 2, kendetegnet ved organerne (47) til at bevirke en elektrisk kortslutning omfatter en eller flere elektrisk ledende pinde, som strækker sig tværs over kaviteten (42).

4. Antennegruppe ifølge krav 2 eller 3, kendeteg net ved, at organerne (47) til at bevirke en elektrisk kortslutning er anbragt indenfor kaviteten (42) for at adskille de skruelinieformede elementer (41) i to eller flere grupper, hvorved udgangssignalerne fra skruelinieelementerne i en 25 gruppe i brug anvendes til at danne en eller flere bølgetyper i kaviteten (42), før de kombineres med signalerne fra andre grupper.

5. Antennegruppe ifølge et eller flere af de foregående krav, 30 kendetegnet ved, organer til at styre den impedans, som de skruelinieformede elementer har i forhold til kaviteten (som kaviteten ser ind i), hvilke impedansstyreorganer udgøres af en forud bestemt værdi for tykkelsen af et elektrisk leden-. de materiale (7, 43) i en vægdel, som bærer de skrueliniefor-35 mede antenneelementer.

6. Antennegruppe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at impedansstyreorganerne udgøres af en elektrisk ledende DK 163158B foring eller belægning (7), som er lagt på et substrat (8) af et elektrisk isolerende materiale, hvilket substrat definerer vægdelen.

7. Antennegruppe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at impedansstyreorganerne udgøres af en elektrisk ledende plade (43) med en tykkelse, der svarer omtrent til en halv bølgelængde af den mikrobølgestråling, hvortil antennegruppen er konstrueret. 10

8. Antennegruppe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at impedansstyreorganerne udgøres af en elektrisk ledende plade (43), der er 8 mm tyk.

9. Antennegruppe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at impedansstyreorganerne udgøres af en elektrisk ledende plade (43) med en tykkelse svarende til omtrent en kvart bølgelængde af den mikrobølgestråling, som antennegruppen er konstrueret til. 20

10. Antenne, kendetegnet ved flere antennegrupper (2,40) ifølge et eller flere af kravene 1 til 9, og hvor antennegruppernes udgange er elektrisk forbundet for at bevirke en summation af de modtagne signaler. 25 30 35