EP0674356A1 - Antennenarray - Google Patents

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EP0674356A1 EP95103628A EP95103628A EP0674356A1 EP 0674356 A1 EP0674356 A1 EP 0674356A1 EP 95103628 A EP95103628 A EP 95103628A EP 95103628 A EP95103628 A EP 95103628A EP 0674356 A1 EP0674356 A1 EP 0674356A1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements
    • H01Q19/175—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements arrayed along the focal line of a cylindrical focusing surface
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device

Definitions

  • the invention relates to an antenna array according to the preamble of patent claim 1
  • Such an antenna array is known, for example, from US Pat. No. 5,091,731, in which a plurality of individual radiating elements are arranged on a common substrate.
  • the substrate contains mixer diodes for frequency conversion, so that only low-frequency output signals have to be dissipated.
  • circuit group for signal processing on the substrate, such a circuit group can be used for reasons of space and interfering couplings not to be arranged on the substrate at the location of the radiator element, but requires separate space, which leads to lead problems for the internal individual radiators in antenna arrays with ⁇ 3 x 3 elements.
  • the object of the present invention is to provide an antenna array which comprises a plurality of individual radiating elements with associated switch groups in an advantageous arrangement.
  • single radiator elements E are arranged in a matrix of rows and columns.
  • a single radiator element E is designed as a horn radiator with a funnel-shaped reflector, as it is e.g. from IEEE Transactions AP Vol 39, No. 6, June 1991, pp. 820-825.
  • FIG. 2 is an advantageous structure of one of the in FIG. 1 provided radiator elements outlined.
  • a reflector body K arranged on a substrate is conical or pyramid-shaped on the inside and forms a horn for an antenna element located in a window at the foot of the funnel. This is via leads L with preferably monolithically integrated components of a circuit assembly Sch connected.
  • the circuit groups Sch are arranged outside the space occupied by the single radiator element on the same substrate.
  • the substrate consists of GaAs, for example.
  • the back of the substrate advantageously has a full-area metallization M.
  • the main beam direction of the emitter element runs perpendicular to the substrate plane.
  • the special design of the individual radiator elements is largely arbitrary.
  • the invention applies in general to antenna arrays with single radiator elements, the main radiation direction of which runs transversely, in particular perpendicularly, to a plane of the carrier substrate.
  • embodiments emitting through the substrate can also be used.
  • the one-sided flat substrate metallization additionally shows the advantage of shielding the circuit groups Sch against undesired coupling and decoupling of high-frequency signals.
  • FIG. 2 so arranged on the substrate that it lies on an edge of the substrate and / or forms an edge of the substrate and emitter element arrangement.
  • the individual radiator elements are preferably grouped together in such a way that they form an element row with individual radiator elements successive in the row direction Z on a common substrate.
  • Each element on the common substrate is preferably a strip extending in the column direction Sp (perpendicular to the row direction) for the associated circuit assemblies Sch associated with what is shown in FIG. 1 is indicated by the dotted lines on a substrate surface.
  • the various substrates are now as shown in FIG. 1 can be seen arranged in different elements, which are parallel in the sketched example, but can also be slightly inclined towards one another.
  • the individual radiator elements must not overlap, but the largest possible fill factor should be aimed for.
  • FIG. 1 abut the outer edges of the element row of a substrate directly against the elements of the substrate arranged underneath, so that there is a completely area-filling arrangement.
  • the distance d between two substrates can be the same for all substrate sequences, but can also be variably chosen to approximate the stepped element row sequence to a specific curve shape, for example the curved focal surface F of a lens or a reflector as an imaging element T, as shown in FIG. 3 for an antenna array with a lens L and a plurality of substrates arranged in different parallel elements with single radiating elements in line formation.
  • the imaging element can also be designed as a reflector.
  • the circuit groups contain in particular means for frequency conversion of high-frequency received signals with a local oscillator signal into a baseband or intermediate frequency position, these means preferably being integrated monolithically.
  • the means not shown in the sketches for connecting the substrates to external supply and evaluation devices via supplying HF and Control signal as well as feed lines and dissipating IF signal lines are generally known.
  • the arrangement can be as shown in FIG. 3 outlined with an imaging element (lens or reflector) as an imaging device or without an imaging element as a phase-controlled group antenna.
  • the antennas A of the single radiator elements are preferably designed for two orthogonal polarizations and the antenna array is then advantageously polarimetric, i.e. Operated simultaneously or in time division multiplex in different polarizations.

Abstract

Es wird ein Antennenarray mit einer Mehrzahl von Einzelstrahlerelementen angegeben, die gemeinsam mit zugeordneten Schaltungsgruppen auf mehreren Substraten angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Einzelstrahlerelemente zeilenweise auf einem gemeinsamen Substrat und die mehreren Substrate stufenversetzt in unterschiedlichen Ebenen gruppiert sind. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antennenarray nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
  • Ein derartiges Antennenarray ist beispielsweise bekannt aus der US-A- 5 091 731, bei welchem eine Mehrzahl von Einzelstrahlerelementen auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Das Substrat enthält zur Frequenzumsetzung Mischerdioden, so daß nur niederfrequente Ausgangssignale abzuführen sind.
  • Bei komplexeren Schaltungsgruppen zur Signalverarbeitung auf dem Substrat kann eine solche Schaltungsgruppe aus Gründen des Platzbedarfs und störender Verkoppelungen nicht am Ort des Strahlerelements auf dem Substrat angeordnet werden, sondern benötigt separaten Platz, was bei Antennenarrays mit ≧ 3 x 3 Elementen zu Zuleitungsproblemen für die innenliegenden Einzelstrahler führt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antennenarray anzugeben, das eine Mehrzahl von Einzelstrahlerelementen mit zugeordneten Schaltergruppen in einer vorteilhaften Anordnung umfaßt.
  • Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht.
  • In der skizzierten bevorzugten Ausführungsform nach FIG. 1 sind Einzelstrahlerelemente E in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet. Ein Einzelstrahlerelement E sei als Hornstrahler mit einem trichterförmigen Reflektor ausgebildet, wie es an sich z.B. aus IEEE Transactions AP Vol 39, No. 6, Juni 1991, S. 820-825 bekannt ist.
  • In FIG. 2 ist ein vorteilhafter Aufbau eines der in FIG. 1 vorgesehenen Strahlerelemente skizziert. Ein auf einem Substrat angeordneter Reflektorkörper K ist innen konisch bzw. pyramidenförmig geformt und bildet ein Horn für ein in einem Fenster am Fuß des Trichters befindliches Antennenelement. Dieses ist über Zuleitungen L mit vorzugsweise monolithisch integrierten Bauelementen einer Schaltungsbaugruppe Sch verbunden. Die Schaltungsgruppen Sch sind außerhalb des vom Einzelstrahlerelement beanspruchten Platzes auf demselben Substrat angeordnet. Das Substrat besteht beispielsweise aus GaAs. Die Rückseite des Substrats trägt vorteilhafterweise eine ganzflächige Metallisierung M. Die Hauptstrahlrichtung des Strahlerelements verläuft senkrecht zur Substratebene.
  • Die spezielle Ausgestaltung der Einzelstrahlerelemente ist weitgehend beliebig. Die Erfindung gilt allgemein für Antennenarrays mit Einzelstrahlerelementen, deren Hauptstrahlungsrichtung quer, insbesondere senkrecht zu einer Trägersubstratebene verläuft. Insbesondere können auch durch das Substrat strahlende Ausführungsformen eingesetzt werden. Die einseitige flächige Substratmetallisierung zeigt zusätzlich den Vorteil der Abschirmung der Schaltungsgruppen Sch gegen unerwünschte Ein- und Auskopplung von hochfrequenten Signalen.
  • Ein Einzelstrahlerelement ist Gemäß FIG. 2 so auf dem Substrat angeordnet, daß es an einem Rand des Substrats liegt und/oder einen Rand der Substrat und Strahlerelement umfassenden Anordnung bildet.
  • Vorzugsweise sind die Einzelstrahlerelemente zu mehreren so zusammengefaßt, daß sie auf einen gemeinsamen Substrat eine Elementzeile mit in Zeilenrichtung Z aufeinanderfolgenden Einzelstrahlerelementen bilden. Vorzugsweise ist jedem Element auf dem gemeinsamen Substrat ein sich in Spaltenrichtung Sp (senkrecht zur Zeilenrichtung) erstreckender Streifen für die zugehörigen Schaltungsbaugruppen Sch zugeordnet, was in FIG. 1 durch die punktierten Linien auf einer Substratoberfläche angedeutet ist.
  • Die verschiedenen Substrate sind nun wie aus FIG. 1 ersichtlich in verschiedenen Elementen angeordnet, die im skizzierten Beispiel parallel liegen, aber auch gegeneinander leicht geneigt sein können. Die Einzelstrahlerelemente dürfen sich dabei nicht überdecken, es ist aber ein möglichst großer Flächenfüllfaktor anzustreben. Im Beispiel nach FIG. 1 stoßen die außenliegenden Ränder der Elementzeile eines Substrats unmittelbar an die Elemente des darunter angeordneten Substrats, so daß sich eine vollständig flächenfüllende Anordnung ergibt. Der Abstand d zwischen zwei Substraten kann für alle Substratfolgen gleich sein, kann aber auch zur Annäherung der gestuften Elementzeilenfolge an eine bestimmte Kurvenform, beispielsweise die gekrümmte Fokusfläche F einer Linse oder eines Reflektors als abbildendem Element T variabel gewählt werden, wie in FIG. 3 für ein Antennenarray mit einer Linse L und mehreren in verschiedenen parallelen Elementen angeordneten Substraten mit Einzelstrahlerelementen in Zeilenformation skizziert ist. Das abbildende Element kann auch als Reflektor ausgeführt sein.
  • Die Schaltungsgruppen enthalten insbesondere Mittel zur Frequenzumsetzung hochfrequenter Empfangssignale mit einem Lokaloszillatorsignal in eine Basisband- oder Zwischenfrequenzlage, wobei diese Mittel vorzugsweise monolithisch integriert sind. Die in den Skizzen nicht mit eingezeichneten Mittel zum Anschluß der Substrate an externe Versorgung- und Auswerteeinrichtungen über zuführende HF- und Steuersignal- sowie Speiseleitungen und abführende ZF-Signalleitungen sind allgemein bekannt.
  • Die Anordnung kann sowohl wie in FIG. 3 skizziert mit einem abbildenden Element (Linse oder Reflektor) als bildgebende Einrichtung oder ohne abbildendes Element als phasengesteuerte Gruppenantenne eingesetzt sein.
  • Die Antennen A der Einzelstrahlerelemente sind vorzugsweise für zwei orthogonale Polarisationen ausgelegt und das Antennenarray ist dann vorteilhafterweise polarimetrisch, d.h. gleichzeitig oder im Zeitmultiplex in unterschiedlichen Polarisationen betrieben.

Claims (11)

  1. Antennenarray mit einer Mehrzahl von Einzelstrahlerelementen und diesen jeweils zugeordneten Schaltungsgruppen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Substrate in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind und daß jedes Einzelstrahlerelement mit der zugeordneten Schaltungsgruppe auf einem Substrat kombiniert ist.
  2. Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein für alle Einzelstrahlerelemente gemeinsames abbildendes Element vorgesehen ist.
  3. Antennenarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahlerelemente in der Brennfläche des abbildenden Elements angeordnet sind.
  4. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler auf den Substraten randständig angeordnet sind.
  5. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahlerelemente in parallelen Zeilen angeordnet sind und zeilenweise auf einem gemeinsamen Substrat zusammengefaßt sind.
  6. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahlerelemente flächenfüllend aneinander angrenzen.
  7. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Einzelstrahlerelementen zumindest in einer Richtung der gekrümmten Fokusfläche des abbildenden Elements folgt.
  8. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate eine Rückseitenmetallisierung aufweisen.
  9. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Substratebenen parallel zueinander liegen.
  10. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Substraten Schaltungsgruppen zur Sende- und Empfangssignalverarbeitung integriert werden
  11. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahlerelemente jeweils getrennt betreibbare Antennenelemente in unterschiedlichen Polarisationen aufweisen.
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