EP1104587A2

EP1104587A2 - Breitband-planarstrahler

Info

Publication number: EP1104587A2
Application number: EP98917080A
Authority: EP
Inventors: Lutz Rothe; Walter Gerhard
Original assignee: Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
Current assignee: Pates Technology Pantentverwertungsgesellschaft fur Satelliten- und Moderne Informationstechnologien Mbh
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2001-06-06
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: AU7041498A; DE59809361D1; US6456241B1; CA2284643A1; IL131994A; WO1998026642A2; EP1104587B1; ES2209128T3; WO1998026642A3; DE19712510A1; ATE247870T1; KR20010005719A; IL131994A0; JP2001524276A

Description

Breitband-Planarstrahier

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne zum Empfang und Senden von linear polarisierten Wellen, mit zwei flächenparallel zueinander angeordneten Strahlerebenen mit jeweils mehreren in Zeilen und Spalten angeordneten Strahlerelementen, wobei die Strahlerelemente jeder Strahlerebene über jeweils ein Kopplungsnetzwerk phasen- und amplitudengleich auf jeweils einen zentralen Punkt gekoppelt sind, und die beiden Strahlerebenen zueinander orthogonal polarisierte Wellen empfangen oder abstrahlen.

Die Planarantenne, ist als Strahlersystem für den Rieht empfang höchstfrequenter elektromagnetischer Strahlungsfelder auf Grundlage einer planaren Lösungskonzeption ausgelegt, mittels der gerichtete Informationsübertragungsstrek- ken, vorzugsweise für den Bereich der satellitengestützten Daten-, Audio- und Videoübertragung, betreibbar sind. Hier- bei bezieht sich die Erfindung vordergründig auf die Konzeption der Einzelstrahler sowie deren netzwerkseitige Kopplung.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt ferner die sta- tionäre sowie mobile Fernsprech- bzw. Informationsübertragung auf der Basis der satellitengestützten Nachrichtenübertragung sowie den Sektor der terrestrischen Informationsübertragung auf der Grundlage definierter Punkt-ZuPunkt-Verbindungen. Hierbei sind insbesondere der Bereich der satellitengestützten analogen und digitalen Signalüber-

ßESTÄTIGUNGSKOPIE tragung, vorzugsweise innerhalb des Spektralbereiches zwischen 10,70 GHz und 12,75 GHz, sowie der Bereich der terrestrischen Punkt-Zu-Punkt-Übertragung, vorzugsweise innerhalb des Spektralbereiches zwischen 10,00 GHz und 10,40 GHz, zielgemäße Applikationsschwerpunkte.

Gegenwärtig bekannte planare Strahlerlösungen für den Empfang hochfrequenter elektromagnetischer Strahlungsfelder basieren auf der elektromagnetischen Anregung von Blenden- feldern mit rechteckiger, quadratischer, kreisförmiger oder rombischer Blendenberandung, deren elektromagnetische Speisung mittels geometrieseitig definiert bemessener Streifenleiter erfolgt.

Die wechselseitige Anordnung der anregenden Streifenleiter bzw. angeregten Blenden sowie die jeweilige Auslegung der Blendenkontur bestimmen in ihrer Kombination die Charakte ristik des erzeugbaren elektromagnetischen Strahlungsfeldes. Hierbei beruhen die bekannten Anordnungen auf der Erzeugung zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlungsfelder mittels gleichphasig erregter Blendengruppen, wobei die einzelnen Blenden jeweils mittels eines Paares geometrieseitigen definiert bemessener Streifenleiter mit einer gegenseitig räumlichen und zeitlichen Versetzung von 90° angeregt werden oder aber auf der Erzeugung linear polarisierter elektromagnetischer Strahlungsfelder mittels gleichphasig erregter Blendengruppen, wobei die einzelnen Blenden jeweils mittels eines geometrieseitig definiert bemessenen Streifenleiters, dessen geometrische Anordnung die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors bestimmt, erfolgt. Bekannte Lösungen zur Gestaltung der Strahlerelemente basieren ferner auf der Verwendung geometrieseitig definiert bemessener, aus einem oder mehreren gleichen oder ungleichen Flächenelementen bestehender und galvanisch oder feldgestützt gekoppelter Leiterflächen mit quadratischer,

- 1- rechteckiger, kreisförmiger oder trapezförmiger Flächenbe- randung, die zur Anregung der Blendenfelder führen, wobei die Polarisation über den Ort der Signaleinkopplung bestimmt wird.

Darüber hinausgehende verwendete Lösungen beruhen auf der Konfiguration von Flächenresonatoren in Microstrip- oder Koplanartechnik mit quadratischer, rechteckiger oder kreisförmiger Flächenberandung. Hierbei sind sowohl galvanische als auch feldgestützte Ausführungen der Signaleinkopplung bekannt. Weitere bekannte Lösungen beruhen auf Microstripkonfigurationen in Ring- oder Rahmenausführung mit resonan- ter geometrischer Ring- bzw. Rahmenlänge. Die bekannten Lösungen der Anregungsnetzwerke für den Fall der Grup- penanordnung beruhen auf der Parallelspeisung der Strahlerelemente oder auf der Parallelspeisung seriengespeister Strahleruntergruppen. Hierbei werden für die Ausführung der Kopplungsnetzwerke Microstrip-, Schlitzleitungs-, Triplate- oder Koplanartechniken verwendet.

Die Erzeugung zweier orthogonaler Polarisationen beruht nach bekanntem Stand auf der entlang der Flächennormalen der Blenden bzw. Flächenresonatoren gestockten Anordnungsweise der Strahlerelemente. Bekannte planare Richtstrahler- anordnungen mit hoher Richtwirkung sind ausschließlich als schmalbandige bzw. für den Fall der satellitengestützten Informationsübertragung als Single-Band-Systeme konfiguriert. Die Signalein- bzw. -auskopplung erfolgt bekannter Weise über einen Hohlleiter mit kapazitiver Sonde, wobei die Hohlleitergeometrie die Ausbreitungsbedingung des Feldtyps der höchsten Grenzwellenlänge abbildet.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung pla- narer Sende- und Empfangsmodule, mittels derer gerichtete sowohl direkte als auch transpondergestützte Infor ations- Übertragungsstrecken vorrangig im Rahmen des mobilen terrestrischen Fernsprech- bzw. Informationsübertragungssektors sowie satellitengestützter Kommunikationslinien konzipierbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Planarantenne bereit zu stellen, deren geometrische Abmessungen möglichst klein sind, wobei die Antenne möglichst spektralbreitbandig mit hohem Flächenwirkungsgrad sowie ho- her Richtwirkung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Planarantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Planarantenne weist vorteilhaft quadratische Blenden auf, die gegenüber runden Blenden eine viel höhere Breitbandigkeit sowie eine größere Polarisa- tionsreinheit aufweisen. Quadratische Blenden haben jedoch den Nachteil der erhöhten elektromagnetischen Verkopplung und der gegenseitigen Beeinflussung benachbarter Strahlerelemente. Zudem benötigen quadratische Blenden einen höheren Platzbedarf, welcher sich nachteilig auf die Re- alisierung des Speisenetzwerks bemerkbar macht. Dies ist dadurch bedingt, daß lediglich die die Blenden anregenden Streifenleiter des Kopplungsnetzwerkes in den Blendenraum hineinragen dürfen und nicht das Kopplungsnetzwerk, welches die anregenden Streifenleiter mit dem Kopplungspunkt ver- bindet. Als Optimum zwischen elektrischer Breitbandigkeit und notwendigem geometrischen Platzbedarf wird deshalb eine quadratische Blende mit abgerundeten Ecken verwendet. Quadratische oder rechteckige Blenden mit anderen vorstellbaren Ecken- oder Seitendeformationen sind ebenfalls denkbar. Die Anregung des Einzelstrahlers erfolgt über ein in die Blende hineinragendes Leiterstück. Die Leiterform, die Form der Berandung der Blenden, sowie die Position des Leiters zur Blende bestimmen die Fußpunktimpedanz des Strahlerele- mentes „Blende-Leitung". Die Strahlerelemente werden impedanzrichtig sowie amplituden- und phasengleich durch ein ebenfalls planares Speise- bzw. Kopplungsnetzwerk verbunden und zu einem gemeinsamen Summationspunkt (Kopplungspunkt) geführt. Üblicherweise wird hierbei eine parallele Speisung zwischen den Einzelstrahlern verwendet. Allerdings ist dies bei Einzelstrahlern mit quadratischer Blendenform aufgrund des fehlenden Platzbedarfs nicht sinnvoll möglich. Durch die Notwendigkeit einer impedanzrichtigen reflexionsarmen Einzelstrahlerankopplung sowie von notwendigen Impedanz- transformationen ergeben sich entsprechende Leiterbreiten, die die praktischen Realisierungsmöglichkeiten weitgehend ausschließen. Beim Stand der Technik müssen daher mindestens zwei Speiseleitungen zwischen zwei Blenden ausgeführt werden, was zur erheblichen mechanischen und elektrischen Schwierigkeiten führt und eine praktische Realisierung so gut wie unmöglich machen wird.

Dieses prinzipielle Problem wird in der vorliegenden Erfindung mit einer neuen seriellen Speisetechnik zwischen zwei benachbarten Strahlerelementen gelöst. Durch die serielle Speisetechnik ist es möglich, das gesamte Speisenetzwerk mechanisch vereinfacht auszulegen und zugleich das Platzproblem bei der Speisung von quadratischen Blenden zu lösen. Außerdem werden die elektrischen Eigenschaften der Speiseleitung erheblich verbessert, weil keine zwischen den Blenden parallel verlaufenden Speiseleitungen auftreten und demzufolge keine elektromagnetischen Verkopplungserschei- nungen, die die gesamte Funktionsfähigkeit nachteilig be einflußen, auftreten können.

y ~ Die Speisung der Blenden erfolgt durch Leitungsstücke, welche alternierend in der Ebene der elektrischen Polarisation (E-Ebene) angeordnet sind. Damit sind alle Strahlerelemente immer um 180° gegensinnig ausgerichtet und polarisiert. Um eine phasengleiche Speisung aller Elemente zu gewährleisten, wird durch eine Phasenumleitung zwischen zwei benachbarten Blenden eine 180° Phasendifferenz erzeugt. Diese Speisung hat ebenfalls den Vorteil, daß angeregte ausbreitungsfähige parasitäre Wellen, die durch Un- Symmetrien bei der Anregung der Blende durch die Triplate- Speiseleitung entstehen, durch die serielle Speisung weitgehend ausgelöscht werden und ihre negative Beeinflussung auf die elektrische Funktionsweise beträchtlich reduziert wird. Die vorteilhafte Kombination von quadratischer Blende mit abgerundeten Ecken und serieller Speisung führt zu sehr guten elektrischen Kennwerten hinsichtlich der Polarisationsreinheit, Isolation, des Vor/Rückverhältnisses sowie Flächenwirkungsgrades .

Die anregenden Streifenleiter dienen zur Anregung eines sowohl durch die Blendengeometrie bzw. -kontur bestimmten, als auch durch die geometrische Lage und Geometrie des anregenden Streifenleiters festgelegten Feld- bzw. Schwingungstyps innerhalb der Blende. Dies bedeutet, daß die Aus- bildung des resultierenden Feld- bzw. Strahlungstyps der Blende durch die Überlagerung der durch die Anordnungsweise und Geometrie des Streifenleiters festgelegten Quell- bzw. Anregungsbedingung sowie der durch die Blendenkontur und -geometrie festgelegten Ausbreitungs- bzw. Existenzbedin- gung bestimmt wird. Über die gezielte Erzeugung eines definierten Impedanzprofils innerhalb des Blendenraums mittels der anordnungs- sowie geometrieseitigen Bemessung des anregenden Streifenleiters wird mit der Feldtypgeneration der Polarisationszustand des Blendenfeldes festgelegt, so daß für den Fall gleicher Blendenkontur sowohl die or- thogonalen linearen Polarisationen als auch die orthogonalen zirkulären Polarisationen generiert werden. Komplementär werden für den Fall der gleichen Anregungselemente, das heißt, der gleichen anregenden Streifenleiter über die gezielte Erzeugung definierter Blindelemente innerhalb des Blendenraums mittels der kontur- sowie geometrieseitigen Bemessung der Blende die Ausbildung- bzw. Existenzbedin gungen sowohl der orthogonalen linearen Polarisation als auch der orthogonalen zirkulären Polarisation erzeugt. Mit- tels eines zusätzlichen Polarisieres kann die lineare Polarisation in eine zirkuläre Polarisation umgewandelt werden.

Um die Breitbandigkeit des Einzelstrahlers und des Speise- netzwerks zu erhalten, ist eine frequenzbreitbandige Kopplung zwischen dem gemeinsamen Speisepunkt der Antenne und der nachfolgenden Elektronik (LNC) notwendig. Die erfindungsgemäße Planarantenne hat hierfür einen angepaßten, reflektionsarmen und frequenzbreitbandigen Übergang von einer koaxialen Leitung zu einer Triplate-Leitung. Die Schwierigkeit bei dieser Art von Kopplung besteht in der Realisierung einer höchstfrequenten Masseverbindung zwischen dem koaxialen Außenleiter (Masse) und den zwei Masseleitungen einer Triplate-Leitung bei rückwärtiger Ankop- plung. Dieses Problem wurde durch die Verwendung eines Hohlprofilsegmentes gelöst. Hierbei ist die gute Masseverbindung zwischen dem Hohlprofilsegment, den Blendenmasken und der koaxialen Ein- bzw. Auskopplung entscheidend. Das ausgebildete „Hohlprofil" oder „Tunnel" ist so gewählt, daß eine möglichst reflektionsarme Auskopplung der Antennensig- nalleistung möglich ist. Die äußere Form des hohlprofilen Segmentes ist für die elektrischen Eigenschaften unbedeutend und ist aus Fertigungsgesichtspunkten bestimmt. Somit sind beliebig viele mechanische Hohlprofilsegmentformen denkbar .

- V Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand und zusätzliche Ausführungsformen davon anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Schnittzeichnung durch die erfindungsgemäße Planarantenne;

Figur 2 und 3: die Kopplungsnetzwerke der Planarantenne;

Figur 4: eine leitfähige Schicht mit matrixför- mig angeordneten Blenden;

Figur 5: zwei benachbarte Blenden mit den sie anregenden Streifenleitern, welche mittensymmetrisch in den Blendenraum hineinragen;

Figur 6: zwei benachbarte Blenden mit nicht mittensymmetrisch in den Blendenraum eingreifenden anregenden Streifenleitern;

Figur 7: Überlagerung der beiden Kopplungsnetzwerke samt Darstellung der Blendenräume;

Figur 8 bis 10: beispielhafte Blendenformen;

Figur 11 und 12: Querschnittsdarstellung durch die Kopplungspunkte zwischen koaxialem Wellenleiter und Triplate-Netzwerk;

Figur 13: Draufsicht auf einen Kopplungspunkt; Figur 14: einen Distanzring zur Bildung des Hohlprofilsegmentes ;

Figur 15: Führungsbuchse.

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ausschnittszeichnung aus der erfindungsgemäßen Planarantenne, bei der flächenparallel zueinander die drei leitfähigen Schichten (Blendenmasken) 3, 4 und 5 zu den Kopplungsnetzwerken 1 und 2 sowie der Grundplatte 12 angeordnet sind. Die Blenden 6 der leitfähigen Schichten 3, 4, 5 sind jeweils übereinander angeordnet und bilden zusammen die Blendenräume, welche von den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Kopplungsnetzwerken und insbesondere durch die streifenförmi- gen anregenden Streifenleiter 16a und 16b angeregt werden. Die Grundplatte 12 befindet sich in einem Abstand von ca. λ/4 zu der leitfähigen Schicht 4 und dient zur Abschirmung der in die Richtung der Grundplatte 12 abgestrahlten Strahlung sowie zur Reflexion eben dieser. Die Zwischen- räume zwischen den leitfähigen Schichten 3, 4 und 5 sowie der Grundplatte 12 und den Kopplungsnetzwerken 1 und 2 sind mittels dielektrischer Schichten 7, 8, 9, 10 und 11 ausgefüllt, wobei die dielektrischen Schichten aus Folien bzw. Matten hergestellt sind und zwischen die einzelnen Schich- ten gelegt und positioniert werden. Die leitfähigen Schichten 3 und 4 bilden mit ihren Blenden 6 zusammen mit dem Kopplungsnetzwerk 1 n x m-Strahlerelemente . Die leitfähigen Schichten 4 und 5 mit ihren Blenden 6 bilden zusammen mit dem Kopplungsnetzwerk 2 ebenfalls n x m-Strahlerelemente . Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, sind sämtliche anregenden Streifenleiter 16a und 16b über die Kopplungsnetzwerke phasen- und amplitudenhomogen auf jeweils einen zentralen Kopplungspunkt 17 bzw. 22 innerhalb der Netzwerkebene gekoppelt. Jedes Kopplungsnetzwerk besteht aus Stammzweigen 13a bzw. 13b an die weitere Zweige 13a, 13b, 14a, 14b angeschlossen sind. Der letzte Zweig des Netzwerkes, bevor die anregenden Streifenleiter erreicht werden, wird im nachfolgenden als Ast bezeichnet. An diesen Ast 15, 31 ist wie aus Figur 5 ersichtlich über eine kurze Anschlußleitung 36 die erste anregende Streifenleitung 16 angeschlossen. An dem Ast 15, 31 ist ebenfalls eine U- förmige Anschlußleitung 32, 33, 34 mit ihrem einen Schenkel 32 angeschlossen, wobei an dem anderen Schenkel 34 recht- winkelig über einen weiteren kurzen Anschlußleiter 35 die zweite anregende Streifenleitung 16 angeschlossen ist. Die beiden an den Ast 15, 31 angeschlossenen anregenden Streifenleiter 16 bilden zusammen eine Zweiergruppe. Die Streifenleiter 16a des Kopplungsnetzwerks 1, sowie die Streifenleiter 16b des Kopplungsnetzwerks 2, welche jeweils auf einer Linie liegen, bilden zusammen jeweils eine Zeile eines Kopplungsnetzwerks. Die Streifenleiter, welche parallel zueinander angeordnet sind, bilden jeweils eine Spalte. Wie in Figur 6 dargestellt, ist es auch möglich, daß die eine Zweiergruppe bildenden Streifenleiter 16' nicht auf einer Linie, sondern zueinander achsparallel angeordnet sind. Hierdurch wird die Anregung bzw. Impedanz der Planarantenne bestimmt.

Der U-förmige Anschlußleiter 32, 33, 34 ist in seiner geometrischen Länge sowie kopplungsprofilseitigen Anordnungsweise derart bemessen, daß jeweils zwischen der ersten und zweiten, dritten und vierten, fünften und sechsten usw. Zeilenblende unter Berücksichtigung der wechselseitigen Blendenkopplung jeweils in der Ebene des elektrischen Feldvektors der Zustand der Gegenphasigkeit erzeugt wird.

Die zur 180° Phasenverschiebung dienende Anschlußleitung

32, 33, 34 muß nicht U-förmig ausgebildet sein, sondern kann jede beliebige andere Form und Gestalt aufweisen. Die

- to - U-form hat jedoch hinsichtlich des benötigten Platzes große Vorteile .

Die anregenden Streifenleiter 16a, 16b sind jeweils mitten- symmetrisch (Fig. 5) oder mittenunsymmetrisch (Fig.6), vorzugsweise mittensymmetrisch zur jeweils der einen Kante 6b der Blenden 6 angeordnet. Die Streifenleiter 16a, 16b verlaufen zueinander senkrecht. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit der Erzeugung entkoppelter orthogonaler linearer Polarisation oder die Möglichkeit der Erzeugung gekoppelter und phasenmäßig versetzter orthogonaler Polarisation bzw. zirkularer Polarisation gegensinnigen Drehsinnes des Feldvektors .

Wie aus Figur 7 ersichtlich, sind die einzelnen anregenden Streifenleiter 16a, 16b der Kopplungsnetzwerke 1 und 2 zueinander orthogonal angeordnet, so daß mittels der erfindungsgemäßen Planarantenne zwei zueinander orthogonal polarisierte Wellen sendbar bzw. empfangbar sind.

Die Figuren 8 bis 10 zeigen unterschiedliche Blendenberan- dungen. Die Figur 8 zeigt eine quadratische Blende 6 mit geraden Kanten 6b, welche mittels Kreisbogensegmenten 6c miteinander in Verbindung sind. Die Figur 9 zeigt eine ebenfalls quadratische Blende 6 wobei die Ecken 6c abgeschrägt sind.

Eine weitere Möglichkeit mittels der Blendenberandung unter anderem die Breitbandigkeit der Planarantenne zu variieren bzw. einzustellen, ist in Figur 10 dargestellt. Hier sind die Kanten 6b'' nicht gerade, sondern kreis-, ellipsen- oder hyperbelförmig nach innen gedrückt.

Die Blenden 6 der einzelnen leitenden Schichten 3, 4 und 5 werden jeweils derartig zueinander angeordnet, daß die Schnittpunkte ihrer Symmetrielinien übereinander liegen. Wie aus der Figur 4 ersichtlich, sind die Blenden 6 einer Ebene im gleichem Abstand zueinander angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Blenden einer Ebene in nicht gleich- mäßigen Abständen zueinander anzuordnen. Auch können die Blenden spalten- bzw. zeilenweise gegeneinander verschoben angeordnet sein.

Die dielektrischen Schichten 7, 8, 9, 10 und 11 können die gleichen oder unterschiedliche Suszeptibilitätsprofile aufweisen. Die einzelnen Schichten können entweder homogen oder aus mehr als einer Teilschicht mit gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, Schichthöhe sowie gleicher oder ungleicher, vorzugsweise gleicher, dielektrischer Suszeptibilitätsprofile konfiguriert sein. Das Kopplungsnetzwerk ist entweder trägerlos oder mittels einer niederdielektrischen Lage, vorzugsweise einer niederdielektrischen Folie mit minimalem dielektrischen Verlustwinkel mechanisch geführt bzw. stabilisiert. Die Konfiguration der Kopplungsnetzwerke samt anregender Streifenleiter erfolgt mittels additiver Techniken oder subtraktiver Verfahren, vorzugsweise subtraktiver Verfahren, wobei vorzugsweise PTFE- oder PET-Kompositionen, Polyethylen-Ko positionen, Poly-4-Methylpenten oder Poly-4-Methylhexen als Struk- turträger verwendet werden.

Wie aus den Figuren hervorgeht, besitzt jedes Kopplungsnetzwerk 1 und 2 Stammzweige 13a, 13b (Figuren 2 und 3) und 51 (Fig. 13), welche jeweils die eine Hälfte des Kopplungsnetzwerkes mit dem Kopplungspunkt verbinden. Zwischen den Stammzweigen 51 ist ein gradlinig ausgebildeter Streifenleiterabschnitt 50 angeordnet, welcher mittig mit dem Innenleiter 42 eines koaxialen Wellenleiters, welcher zur Verbindung der Planarantenne mit dem nachgeschalteten nicht dargestellten Low-Noise-Converter (LNC) dient, galva- nisch verbunden. Vorzugsweise wird der Innenleiter 42, welcher durch die Leiterbahn 50 durchgreift mit diesem mittels einer Lötverbindung galvanisch verbunden. Der streifenförmige Leiterabschnitt 50 wird von zwei Vor- Sprüngen 43a eines Distanzringes 43 in jeweils gleichem Abstand berandet. Die Vorsprünge 43a bzw. 43a' verbinden die leitfähigen Schichten 3 und 4 bzw. 4 und 5 miteinander, so daß ein Hohlprofilsegment entsteht. Dieses Hohlprofilsegment ist vorzugsweise rechteckig, kann jedoch auch kreis- förmig oder elliptisch sein. Die Länge des Streifenleiters 50 bestimmt sich jeweils aus der geforderten Impedanz sowie den Leitungsbedingungen. Wie in Figur 11 dargestellt, ist auf der Grundplatte 12 ein Außenleiterteil 40 angeordnet, welches mit seinem einen Vorsprung 40a durch die Grund- platte in Richtung des Low-Noise-Converters durchgreift. Wahlweise kann dieses Außenleiterteil 40 mit der Grundplatte 12 verschraubt sein. Hierzu ist ein Außengewinde an dem Außenleiterteil 40a im Bereich der Grundplatte 12 notwendig, welche ihrerseits ein korrespondierendes Innenge- winde aufweisen muß. Der Außenleiter 40 liegt mit seinem Kragen 40b an der Grundplatte 12 an. Dieser Kragen 40b hat eine Vier- oder Sechskantform, so daß er mittels eines Schraubenschlüssels zusammenwirken kann. An den Kragen 40b schließt sich in Richtung der leitfähigen Schichten 3, 4, 5 ein insbesondere zylinderförmiger Teil 40c an, welcher mit seiner Stirnseite die Auflagefläche für den Distanzring 43 bildet. Ein weiterer zylindrischer Vorsprung 40d mit kleinerem Durchmesser schließt sich verjüngend an den den Kragen bildenden Vorsprung 40c an. Dieser Vorsprung 40d wird von dem Distanzring 43 umgriffen und durchgreift weiterhin die leitende Schicht 5 und schließt mit deren Oberfläche fluchtend ab. Das Außenleiterteil 40 bildet zusammen mit dem Innenleiter 42 und der aus nicht leitfähigem Material bestehenden Buchse 41 einen koaxialen Wellen- leiter zum Anschluß des nachgeschalteten Low-Noise- Converters. Der die Grundplatte 12 durchgreifende Vorsprung 40a hat ein Außengewinde zur Befestigung des Low-Noise- Converters. Die Dicke der Grundplatte 43b des Distanzringes 43 zusammen mit der Lange des zylindrischen Teils 40c und der Lange des Kragens 40b entspricht zusammen dem Abstand zwischen der Grundplatte und der leitfahigen Schicht 5. Zusätzliche Distanzhulsen 45 halten die Grundplatte 12 und die leitfahige Schicht 5 auf Abstand. Mittels Schrauben 47 werden die leitfahigen Schichten 4 und 5 zusammengedruckt bzw. -gehalten. Hierzu sind m den leitfahigen Schichten 4 und 5 entsprechende Bohrungen bzw. Aussparungen 46, 30 vorhanden. Auch die Netzwerkebene 2 hat eine entsprechende Bohrung 24.

Die Figur 12 zeigt die Kopplung zwischen koaxialem Wellenleiter und der Tπplate-Wellenleitung des Netzwerkes 1. Hierzu verbindet der aus leitfahigem Material bestehende Distanzring 43 ^λ die beiden leitfahigen Schichten 3, 4 und durchgreift ebenfalls die Netzwerkebene 1. Mittels Distanz- buchsen 45 und zugehöriger Schrauben 47 werden die leitfahigen Schichten 3 und 4 gegeneinander druckbeaufschlagt. Das leitfahige Außenleiterteil 40 verbindet die Grundplatte 12 leitfahig mit dem Distanzring 43 so daß die Grundplatte 12 zusammen mit den leitfahigen Schichten 3, 4 auf dem gleichen Potential liegen. Sämtliche Teile der Figur 12 entsprechen m ihrer Funktion denen der Figur 11. Funktionsgieiche Teile sind daher mit dem gleichen , jedoch gestrichenen Bezugszeichen benannt.

Nachfolgend werden relevante Abmessungen der Planarantenne für den Empfang von Wellen des Frequenzbereichs zwischen ca. 10 GHz und 13 GHz aufgeführt.

Der Abstand zwischen der Grundplatte 12 und der leitfahigen Schicht 5 betragt 4 mm und wird durch die Distanzbuchsen 45 sowie den Führungsbuchsen 54 gemäß der Figur 15 und dem Außenleiter 40 zusammen mit dem Distanzring 43 eingestellt. Der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 12 und der leitfähigen Schicht 5 ist mit einer Schaummatte, deren ε_r unge- fähr gleich 1 ist, ausgefüllt. Zwischen einer leitfähigen Schicht 3, 4, 5 und dem jeweils angrenzenden Kopplungsnetzwerk 1 oder 2 befindet sich eine Polyethylen- schaumfolie der Dicke 1 mm. Die leitfähigen Schichten bestehen aus Aluminiumblechen der Dicke 0,5 mm. Zwischen den leitfähigen Schichten 3, 4, 5 befindet sich mittensymmetrisch jeweils ein Kopplungsnetzwerk 1 oder 2, welches auf einer wahlweise glasfaserverstärkten PTFE-Folie (TLY) oder PET-Folie, der relativen Dielektrizitätszahl von 2,2 sowie der Dicke von 127 μm angeordnet ist.

Der Distanzring 43 hat einen Außendurchmesser von 12 mm. Der Innendurchmesser der axialen Bohrung 43c hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Nut 43d hat eine Breite von 6 mm. Die Breite der Stammzweige 51 gemäß der Figur 13 beträgt 2,1 mm, die Breite der Streifenleiter 50 beträgt 1,2 mm. Im Bereich der galvanischen Lötverbindung zwischen Innenleiter 42 und Streifenleiter 50 ist der Streifenleiter 50 verdickt ausgeführt, insbesondere mittels Kreissegmentabschnitte, deren Radius 0,85 mm beträgt. Die Höhe der Grundplatte 43b des Distanzrings 43 beträgt 2 mm. Die Höhe der Vorsprünge 43a beträgt 2,625 mm. Die Blenden haben eine Breite und eine Länge von jeweils 16 mm. Die Ecken sind abgerundet, wobei die Rundung einem Kreissegment mit einem Radius von 5 mm entspricht. Die Mittelpunkte der Blenden 6 sind jeweils 21,5 mm voneinander entfernt.

Die anregenden Streifenleiter 16a für die Horizontalebene haben eine Länge von 6 mm und eine Breite von 1,5 mm. Der Abstand der beiden Schenkel des U-förmigen Anschlußleiters 33 beträgt 2,3 mm. Der Radius des Kreisabschnitts beträgt 1,15 mm. Der Abstand von der Kante 6b einer Blende zur Mittellinie des nächstliegenden Schenkels 32, 34 beträgt 1,6 mm. Die Länge des Astes 31a beträgt 5 mm. Die Geometrie der Strahlungselemente für die Vertikalebene unterscheidet sich nur unwesentlich von der der Strahlerelemente der Horizontalebene. Die Blendenform ist gleich. Auch beträgt die Länge der anregenden Streifenleiter 16b 6 mm. Die Breite der anregenden Streifenleiter 16b beträgt jedoch 1 mm.

Es versteht sich von selbst, daß die genannten Größenangaben nur für ein bestimmtes Frequenzband und für entsprechend gewählte Materialien ihre Gültigkeit haben. Je nach gefordertem Frequenzspektrum der Planarantenne müssen die Geometrien jeweils anders gewählt werden.

Bezugszeichen :

1,2 Kopplungsnetzwerke mit anregenden Streifenleitern 3,4,5 leitfähige Schichten mit matrixförmig angeordneten Blenden 6

6,6\6^,λ Blenden

6a Zwischenraum zwischen den Blenden

6b,6b^λ,6b^Xλ Kanten der Blende 6c,6c^λ abgerundete bzw. abgeschrägte Ecken der Blende

7,8,9,10,11 Dielektrische Schichten

12 Grundplatte

13a, 14a, 13b, 14b Zweige des Kopplungsnetzwerks

13a^λ,13b ,50 Stammzweig, mit Innenleiter galvanisch verbunden

15, 15a, 15b,

31, 31a, 31b Ast an dem die anregenden Streifenleiter 16, 16 16a, 16b anschließen

16,16\

16a, 16b anregende Streifenleiter

17.22 Kopplungspunkt; galvanischer Verbindungspunkt zwischen Innenleiter und Stammzweig 18,24 Bohrungen/Aussparung für Schrauben 47,47^x

19a, 19b, 25 Bohrungen für Führungsbuchse 54

20.23 Aussparungen für die das Kopplungsnetzwerk durchgreifenden Vorsprünge 43a, 43a des Distanzrings 43,43 21 Aussparung für das Außenleiterteil 40 ^λ Bohrung für den zylindrischen Teil 40c des Außenleiterteils 40' Bohrungen für die Distanzbuchsen 45 ^λ Bohrung für den zylindrischen Teil 40d des Außenleiterteils 40 Bohrung für die das Kopplungsnetzwerk 2 durchgreifenden Vorsprünge 43a des Distanzrings 43 Bohrungen ,34 Schenkel der U-förmigen Anschlußleitung , 33a, 33b U-förmige Anschlußleitung ,36 kurze Anschlußleitungen zu den anregenden

Streifenleitern ,40^v Außenleiterteil a, 40a die Grundplatte 12 durchgreifender Teil b, 40b ^λ Plan an der Grundplatte 12 anliegender Teil des Außenleiterteils c, 40c ^x Den Kragen bildenden Teil, an dem der Distanzring 43,43 anliegt d, 40d^λ Weiterer Kragen des Außenleiters, der durch die leitende Schicht greift und mit dieser plan abschließt e,40e Außengewinde zur Befestigung von koaxialen

Wellenleitern oder eines Low-Noise-Converters ,41 Isolationsbuchse zwischen Innenleiter 42,42^v und Außenleiter 40,40^λ ,42 Innenleiter ,43^Λ Distanzring a, 43a ^x Die leitfähige Schicht und das Kopplungsnetz- werk durchgreifende Vorsprünge; Bilden die

Seitenwände der Nut 43d b Grundplatte des Distanzrings 43 c Axiale Bohrung

-/ό>~ d Das Hohlprofilsegment bildende Nut , 44 ' Lötverbindung zwischen Innenleiter 42,42' und Stammzweig des Kopplungsnetzwerks , 45 ' Distanzstück, insbesondere Nietbuchse, aus leitfähigem oder nicht leitfähigem Material a , 45a ' In die Grundplatte eingetriebener Abschnitt des Distanzstücks 45,45' b , 45b' Innengewinde des Distanzstücks 45,45' , 4 6 ' Bohrung bzw. Aussparung für die Durch- greifende leitfähige Schraube 47,47' ,47' Schraube, aus leitfähigem oder nicht leitfähigem Material a, 47a' Außengewinde der Schraube 47 b, 47b' Kopf der Schraube 47 ,48' Distanzelement gerader streifenförmiger Leiter; mittensymmetrisch zu den Kanten der durch die Vorsprünge 43a gebildeten Nut 43d des Distanzrings 43 Stammzweige des Kopplungsnetzwerkes Führungsbuchse Abschnitt der Führungsbuchse mit vergrößertem Durchmesser zur Einstellung des Abstands zwischen Grundplatte und leitfähiger Schicht 5 Sackbohrung mit Innengewinde Anlagefläche an Grundplatte 12 Anlagefläche an leitfähige Schicht 5

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Claims

Patentansprüche

1. Planarantenne zum Empfang und Senden von linear polarisierten Wellen, mit zwei flächenparallel zueinander angeordneten Strahlerebenen mit jeweils mehreren in Zeilen und Spalten angeordneten Strahlerelementen, wobei die Strahlerelemente jeder Strahlerebene über jeweils ein Kop- plungsnetzwerk phasen- und amplitudengleich auf jeweils einen zentralen Punkt gekoppelt sind, und die beiden Strahlerebenen zueinander orthogonal polarisierte Wellen empfangen oder abstrahlen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß jedes Strahlerelement Blenden (6) und einen geradlinigen anregenden Streifenleiter (16, 16 ^λ, 16a, 16b) hat, und

- daß die anregenden Streifenleiter (16, 16 , 16a, 16b) jeweils in Zweiergruppen an den Enden der Äste

(15,31) der Kopplungsnetzwerke (1,2) angeschlossen sind, und

- daß die Streifenleiter (16, 16 , 16a, 16b) jeder Zweiergruppe auf einer Achse oder achsparallel zueinander angeordnet sind, wobei die zugewandten Enden der beiden Streifenleiter (16, 16 16a, 16b) über jeweils mindestens eine Anschlußleitung

(32,33,34,35,36) mit einem Ende eines Asts (15,31) verbunden sind, und

daß mittels zumindest einer Anschlußleitung (32,33,34) eines Streifenleiters (16, 16\ 16a, 16b) eine Phasendifferenz von 180 Grad zwischen den bei- den Strahlerelementen (6,16) erzeugt wird.

-2o-

2. Planarantenne nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anschlußleitungen sich in der Länge entsprechend einer halben Wellenlänge voneinander unterscheiden.

3. Planarantenne nach Anspruch 1 oder 2, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die längere der beiden Anschlußleitungen eine U-Form mit zwei parallelen Schenkeln (32,34) hat, wobei das Ende des einen Schenkels (32) an den Ast (15,31) des Kopplungsnetzwerks (1,2) anschließt und sich an das Ende des anderen Schenkels (34) im rechten Winkel ein kurzer Streifenleiter (35) anschließt, an dem sich der anregende Streifenleiter (16, 16 ^λ, 16a, 16b) anschließt .

4. Planarantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da du r ch ge k e n n z e i chn e t , daß flächenparallel in einem bestimmten Abstand zu jedem Kopplungsnetzwerk (1,2) eine leitfähige Schicht (3,4,5) mit Blenden (6) angeordnet ist, wobei die Blenden (6) jeweils über einem Streifenleiter (16, 16 ^λ, 16a, 16b) angeordnet sind.

5. Planarantenne nach Anspruch 4, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß zwischen den leitfähigen Schichten (3,4,5) und den Kopplungsnetzwerken (1,2) jeweils mindestens eine dielektrische Schicht (7,8,9,10) angeordnet ist, deren Dicke den Abstand zwischen der jeweiligen leitfähigen Schicht (3,4,5) und des jeweiligen Kopplungsnetzwerks (1,2) bestimmt.

6. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das Kopplungsnetzwerk (1,2) und die anregenden Streifenleiter (16, 16 16a, 16b) auf einer insbesondere glasfaserverstärkten PTFE- oder PET-Folie aufgebracht sind.

-JLi-

7. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß die anregenden Streifenleiter (16, 16 ^Λ, 16a, 16b) einer Zeile auf einer Linie oder achsparallel zueinander angeordnet sind, wo- bei diese Streifenleiter (16, 16 ^λ, 16a, 16b) alternierend mit ihrer ersten und mit ihrer zweiten schmalen Stirnseite an das Kopplungsnetzwerk (1,2) angeschlossen sind.

8. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die Wellenleiter der Planarantenne in Triplate-Technik ausgebildet sind.

9. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß jedes Kopplungsnetzwerk (1,2) einen Ein- bzw. Auskopplungspunkt

(17,22) hat, wobei die Kopplungspunkte (17,22) als Wellenleiterübergänge zwischen Triplate-Technik und koaxialer Ein- bzw. Auskopplung ausgebildet sind.

10. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die Blenden

(6) rechteckig, insbesondere quadratisch, mit oder ohne abgerundeten oder abgeschrägten Ecken (6c,6c^λ) sind, wobei der Radius der abgerundeten Ecken oder der Grad der Abschrägung unter anderem die Frequenzbandbreite und Eingangsimpedanz bestimmt.

11. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die Kontur der Blenden (6) eine Anzahl von n geraden Seiten ( 6b, 6b , 6 ^{Λ x} ) hat, die durch Bögen miteinander verbunden sind.

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12. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch ge k e n n z e i c h n e t , daß sich die Be- randung der Blenden (6) aus einer Anzahl von n Kreis-, Ellipsen- oder Hyperbelsegmenten zusammensetzt.

13. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß jeweils ein anregender Streifenleiter (16, 16 , 16a, 16b) in den Blenderaum hineinragt, wobei der Streifenleiter (16, 16 , 16a, 16b) senkrecht zu der Berandungsseite angeordnet ist, über die er in den Blendenraum hineinragt.

14. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß die anregen- den Streifenleiter (16, 16 16a, 16b) zweier zeilenweise benachbarter Blenden (6) alternierend von den jeweils gegenüberliegenden Kanten ( 6b, 6b , 6b ^{λ λ} ) ausgehend in den Blendenraum führend angeordnet sind.

15. Planarantenne nach Anspruch 13 oder 14, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß der geradlinige Streifenleiter (16, 16 ^λ, 16a, 16b) innerhalb des Blendenraumes aus mehreren geradlinigen Streifenleiterabschnitten gleicher oder differenter Abschnittslänge sowie gleicher oder differenter Abschnittsbreite gebildet ist.

16. Planarantenne nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadu r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß der ab- schnittförmig ausgeführte Streifenleiter aus galvanisch oder mittels eines Spaltes definierter Spaltbreite gekoppelten Leiterabschnitten gebildet ist.

17. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche 13 bis 16, dadu r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß der anregende Streifenleiter (16, 16 , 16a, 16b) mittensymmetrisch oder versetzt zur Berandungsseite des jeweils zugehörigen Blendenraumes angeordnet ist.

18. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadu r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß der zentrale Kopplungspunkt (17,22) derart ausgebildet ist, daß der Innenleiter (42,42 ) eines koaxialen Wellenleiters, mittels dem die Signale von der Planarantenne hin zum Low-Noise- Converter (LNC) ein- bzw. ausgekoppelt werden, mit dem den Stammzweig (51) bildenden Streifenleiterabschnitt des Kopplungsnetzwerks (1,2) galvanisch in Verbindung ist, wobei der Streifenleiterabschnitt (51) im Bereich der galvanischen Verbindung zum Innenleiter (42,42^x) geradlinig und mittensymmetrisch durch ein leitfähig berandetes profiliertes Hohlprofilsegment führt.

19. Planarantenne nach Anspruch 18, d a du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das Hohlprofilsegment durch eine leitfähige Verbindung zwischen den das Kopplungsnetzwerk (1,2) einschließenden Blenden (6) aufweisenden leitfähigen Schichten und diesen selbst gebildet ist.

20. Planarantenne nach Anspruch 19, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß ein Distanzring (43, 43 ^v) , der das Hohlprofilsegment bildet, mit an seiner ersten flachen Seite angeformten Vorsprüngen (43a, 43a ) definierter Länge die beiden leitfähigen Schichten (3, 4; 4, 5) miteinander leitfähig verbindet, und der Distanzring (43,43 ) sich auf einem Kragen (40c, 40c ^Λ) des den Außenleiter des koaxialen Wellenleiters bildenden Teils (40, 40') mit seiner zweiten flachen Seite abstützt, wobei die Vorsprünge (43a,43a ) die eine leitfähige Schicht (4,5) sowie das Kopplungsnetzwerk (1,2) durchgreifen und an der anderen leitfähigen Schicht (3,4) anstoßen.

21. Planarantenne nach Anspruch 20, dadu r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß der Distanzring (43,43^λ) einen am Kragen (40c,40c ) des Außenleiters (40,40^λ) angrenzenden zylindrischen Vorsprung (40d,40d ) umgreift und der zylindrische Vorsprung (40d,40d^λ) eine leitfahige Schicht (4,5) durchgreift und mit deren Oberflache fluchtend abschließt.

22. Planarantenne nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadu r ch ge k e n n z e x ch n e t , daß der Distanzring (43,43 ) eine Scheibe mit axialer Bohrung (43c) ist, m deren einer flachen Seite mittensymmetrisch eine Nut (43d) ist, deren Tiefe der Langenaddition der Dicke der einen leitfahigen Schicht (4,5) und des Abstandes der beiden leitfahigen Schichten (3, 4; 4, 5) entspricht.

23. Planarantenne nach einem der Ansprüche 20 bis 22, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das den Aus- senleiter bildende Teil (40,40^λ) einen weiteren Kragen (40b, 40b ) hat, welcher an eine leitfahigen Gundplatte (12) anliegt .

24. Planarantenne nach einem der Ansprüche 20 bis 23, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das den Aus- senleiter bildende Teil (40,40^Λ) eine axiale Bohrung hat, m der eine nicht leitfahige Buchse (41,41^Λ) aus insbesondere PTFE einliegt, in der der Innenleiter (42,42 ) angeordnet ist, wobei die Buchse mit ihrer einen Stirnseite an die Unterseite des Kopplungsnetzwerks (1,2) anstoßt.

25. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , daß die Grundplatte (12) und die Blenden (6) aufweisenden leitfahigen Schichten (3,4,5) mittels insbesondere leitfahigen Distanz- stucken insbesondere Nietbuchsen, welche m die Grundplatte (12) eingetrieben sind, auf Abstand gehalten werden, wobei die Distanzstücke (45,45 ) ein Innengewinde (45b,45b ) aufweisen, in welches Schrauben (47,47 ) eingreifen, wobei mittels der Schrauben (47,47^Λ) jeweils mit ihrem Kopf eine leitfähige Schicht (3,4) gegen den Distanzring (43,43 ) druckbeaufschlagt .

26. Planarantenne zum Empfang und Senden von linear polarisierten Wellen lediglich einer Polarisationsebene nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die Planarantenne nur eine Strahlerebene mit nur einem Kopplungsnetzwerk (2) und lediglich zwei jeweils Blenden (6) aufweisenden leitfähigen Schichten (4,5) hat.

27. Planarantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß mittels eines Polarisierers, welcher über der Planarantenne im Strahlungsraum angeordnet ist, zirkuläre Polarisation empfang- bzw. sendbar ist.

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