EP1202387B1

EP1202387B1 - Planarantenne mit verbesserter Richtcharakteristik

Info

Publication number: EP1202387B1
Application number: EP01124351A
Authority: EP
Inventors: Leila Dr Bekraoui; Thomas Dipl.-Ing. Eibeck
Original assignee: Technisat Digital GmbH
Current assignee: Technisat Digital GmbH
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: DE50103383D1; DE10052748A1; ATE274756T1; EP1202387A2; EP1202387A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Planarantenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Planarantennen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der DE 198 50 895 A1 und der US 6,031,491 A bekannt. Eine andere Planarantenne ist ferner aus der Offenlegungsschrift DE 198 55 115 A1 bekannt. Die Planarantennen dienen beispielsweise zum Empfang von Satellitenrundfunksignalen im Frequenzbereich von 10,7 bis 12,75 GHz. Die Planarantennen weisen gegenüber den Parabolantennen eine Reihe von Vorteilen auf; beispielsweise bieten sie weniger Angriffsfläche für den Wind, sind nicht so voluminös und finden aufgrund ihres besseren optischen Eindrucks breitere Akzeptanz. Jedoch haben bekannte Planarantennen gegenüber Parabolspiegel-LNB-Antennen einige Nachteile bei den elektrischen Charakteristika, beispielsweise eine geringere Kreuzpolarisationsentkopplung, schlechtere Richtcharakteristika und stärkere Nebenkeulen. Bei der in der DE 198 55 115 A1 beschriebenen verbesserten Planarantenne wurde u. a. durch eine spezielle Gestaltung der Patch-Elemente der Antennenelemente eine verbesserte Kreuzpolarisationsentkopplung und Nebenkeulenunterdrückung erreicht.

Die aus der DE 198 55 115 A1 bekannte mehrschichtige Antennenanordnung umfaßt unter anderem eine dem Satelliten zugewandte obere metallische Schicht, in der Patch-Elemente ausgebildet sind. Die Patch-Elemente sind beispielsweise von rechteckiger Form. In einer aus Sicht des Satelliten hinter der Ebene der Patch-Elemente angeordneten Ebene sind metallische Leiterzüge ausgebildet, die ein die Antennenelemente speisendes Speiseleitungsnetzwerk bilden. Vorzugsweise sind unter den Patch-Elementen zwei Ebenen von Speiseleitungsnetzwerken ausgebildet, eines zur Speisung der horizontalen Polarisation und eines zur Speisung der vertikalen Polarisation. Aufgrund der dazwischen angeordneten Isolationsschichten sind die beiden Speiseleitungsnetzwerke unterschiedlich weit von den in der oberen Ebene angeordneten Patch-Elementen beabstandet. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Patch-Elemente bei gleicher Anregungsfrequenz in vertikaler und horizontaler Richtung dennoch nicht quadratisch, sondern rechteckig ausgebildet sind.

Die einzelnen mehrschichtigen Antennenelemente sind in einer Ebene matrixartig in N Spalten und M Zeilen angeordnet, wobei im wesentlichen jede der N Spalten M Antennenelemente aufweist. Eine Prinzipskizze der Anordnung der Antennenelemente ist in Figur 1 gezeigt. Nach entsprechender Ausrichtung auf den Satelliten verlaufen die Zeilen in Azimut-Richtung und die Spalten in Richtung der Elevation. Die einzelnen Antennenelemente sind vorzugsweise äquidistant sowohl in Azimut-Richtung als auch in Elevation-Richtung angeordnet, wobei die Abstände in den beiden Richtungen unterschiedlich sein können. Bei der bekannten Patch-Planarantennenanordnung ist die in den beiden Richtungen unterschiedliche Beabstandung der Antennenelemente ebenfalls zum Teil auf die unterschiedlichen Abstände der Speiseleitungsnetzwerke zu der oberen Ebene der Patch-Elemente zurückzuführen.

Eine Planarantenne ist unter anderem durch ihre Strahlungscharakteristik gekennzeichnet, welche sich aus dem Produkt der Charakteristik des einzelnen Antennenelements (bei Verwendung gleicher Antennenelemente) und einem Gruppenfaktor (einer vom Raumwinkel abhängigen Funktion) ergibt. Die Gesamtanzahl der Antennenelemente bestimmt den Gewinn der Antenne, während die Anzahl der in Azimut- oder Elevation-Richtung angeordneten Elemente den Öffnungswinkel in der jeweiligen Richtung bestimmt. Die Strahlungscharakteristik (Strahlungsdiagramm) enthält Nullstellen und Nebenkeulen (Maxima), welche von dem Gruppenfaktor eingebracht werden. Es wurde festgestellt, daß für eine vollständige, rechteckige Matrix die Dämpfung an der ersten Nebenkeule etwa 13 dB beträgt. Bei einem direkten Satellitenempfang (geostationäre Rundfunksatelliten) ist dieser Wert zu gering; es wird eine Dämpfung bei der ersten Nebenkeule von mindestens 20 dB gefordert. Eine derartige Dämpfung ist zumindest an denjenigen Stellen (Raumwinkeln) erforderlich, die einer Position von im gleichen Frequenzbereich arbeitenden Satelliten, deren Ausstrahlungen nicht empfangen werden sollen, entsprechen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Dämpfung unerwünschter Signale sowie die Unterdrückung von Störsignalen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Planarantenne mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Planarantenne weist eine Mehrzahl von Antennenelementen auf, die unter Bildung einer orthogonalen Matrix im wesentlichen lükkenlos an Kreuzungspunkten von N Spalten und M Zeilen angeordnet sind. Eine "im wesentlichen lückenlose" Anordnung bezeichnet eine Anordnung, bei der zwischen zwei in einer Spalte oder Zeile benachbarten Antennenelementen sich in der Regel kein unbesetzter Kreuzungspunkt befindet, es aber dennoch möglich ist, daß innerhalb der Matrix aufgrund konstruktiver Ausnahmen (beispielsweise der Anordnung eines Speisepunktes) einige Kreuzungspunkte unbesetzt sind. Die Antennenelemente sind unter Bildung wenigstens einer mittleren Spalte spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine in Richtung der Spalten verlaufende Symmetrielinie verteilt angeordnet. Bei einer ungeraden Anzahl von Spalten weist die Planarantenne wenigstens eine mittlere Spalte im Sinne dieser Definition auf, bei einer geraden Anzahl von Spalten wenigstens zwei mittlere Spalten. Die wenigstens eine mittlere Spalte weist eine Anzahl von M Antennenelementen auf. Erfindungsgemäß haben zumindest die beiden außen angeordneten Spalten eine geringere Anzahl von Antennenelementen. Die Anzahl der Antennenelemente in jeder Spalte ist jeweils nicht größer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte. Dies bedeutet, daß die Anzahl der Antennenelemente ausgehend von der Mitte der Planarantenne nach außen hin abnimmt, wobei aber mehrere benachbarte Spalten eine gleiche Anzahl von Antennenelementen aufweisen können. Eine Ausnahme von dieser grundsätzlichen Regel kann durch die bereits genannte konstruktive Ausnahme eines Speisepunktes inmitten der Matrix von Antennenelementen entstehen, wenn an dieser Stelle einige wenige Antennenelemente fortgelassen werden. Bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist ein Speisenetzwerk mit einem Speisepunkt und einem von diesem Speisepunkt zu sämtlichen Antennenelementen führenden verzweigten Netzwerk von Speiseleitungen vorgesehen, wobei das Netzwerk so ausgebildet ist, daß sich ein im wesentlichen gleich langer Leitweg von dem Speisepunkt zu jedem Antennenelement ergibt. Der Entwurf eines derartigen Speisenetzwerks wäre im Falle einer herkömmlichen Antennenanordnung mit einer konstanten Anzahl von Antennenelementen in jeder Spalte auf relativ einfache Weise symmetrisch zu realisieren. Die Realisierung wird jedoch schwierig im Falle der erfindungsgemäßen Antennenanordnung, bei der äußere Spalten und Zeilen eine geringere Anzahl von Antennenelementen aufweisen. Die Anzahl der Zeilen und Spalten entspricht Zweierpotenzen (N = 2^a und M = 2^b, wobei a und b ganze Zahlen größer als 1 sind). Das Netzwerk von Speiseleitungen wird ausgebildet, indem (a) von einer fiktiven rechteckigen Anordnung von N Spalten mit jeweils M Antennenelementen ausgegangen wird, (b) ein fiktives Speisenetzwerk konstruiert wird, indem (b1) für sämtliche Antennenelemente der N Spalten und M Zeilen die Speiseleitungen von jeweils zwei in einer Zeile oder Spalte benachbarten Antennenelementen zu jeweils einer ersten Gruppe zusammengeführt werden, wobei jeweils ein Speiseleitungsverzweigungspunkt gebildet wird, von dem im wesentlichen gleich lange Speiseleitungen zu den Antennenelementen führen, (b2) für sämtliche ersten Gruppen die Speiseleitungen von jeweils zwei in Spalten- oder Zeilenrichtung benachbarten ersten Gruppen zu jeweils einer weiteren Gruppe zusammengeführt werden, wobei jeweils ein weiterer Speiseleitungsverzweigungspunkt gebildet wird, von dem im wesentlichen gleich lange Speiseleitungen zu den zuvor gebildeten Speiseleitungsverzweigungspunkten führen, (b3) für sämtliche weiteren Gruppen dieses Zusammenführen so oft wiederholt wird, bis die Speiseleitungen sämtlicher Antennenelemente an den Speisepunkt zusammengeführt sind, (b4) aus der so gebildeten fiktiven Anordnung von N*M Antennenelementen diejenigen Antennenelemente eliminiert werden, die in der Planarantenne nicht enthalten sind, (b5) diejenigen Zweige der fiktiven Speiseleitungen, die ausschließlich zu den im Schritt (b4) eliminierten Antennenelementen führen, eliminiert werden, und (b6) jeder eliminierte Zweig des fiktiven Speisenetzwerks durch ein die Wirkung des eliminierten Zweigs (Leitung + Antennenelement) nachbildendes Gewicht ersetzt, wobei das Gewicht an demjenigen Speiseleitungsverzweigungspunkt des Speisenetzwerks hinzugefügt wird, von dem eine direkte Zweigleitung zu demjenigen fiktiven Speiseleitungsverzweigungspunkt führt, an dem der eliminierte Zweig endete, und (c) das Netzwerk von Speiseleitungen entsprechend dem im Schritt (b) gebildeten fiktiven Speisenetzwerk ausgebildet wird. Bei einer Planarantenne der bevorzugten Ausführungsform mit einer rhombusförmigen Außenkontur werden zusätzlich im Schritt (c) die sich über die rhombusförmige Außenkontur hinaus erstreckenden Leitungsabschnitte des fiktiven Speisenetzwerks durch etwa gleich lange Leitungsabschnitte innerhalb der rhombusförmigen Außenkontur ersetzt. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Speisenetzwerks gestattet eine symmetrische Speisung, die Phasenfehler vermeidet und eine gute Richtcharakteristik mit geringen Nebenkeulen hervorbringt. Unter "im wesentlichen gleich langen" Speiseleitungen sollen in erster Näherung Speiseleitungen mit gleicher geometrischer Länge verstanden werden. Selbstverständlich sollen darunter auch solche Speiseleitungen verstanden werden, die eine gleiche "Leitweglänge" derart aufweisen, daß die sich im bevorzugten Frequenzbereich entlang der Leitung ausbreitenden Signale mit etwa der gleichen Phasenlage am Speisepunkt eintreffen. Es hat sich gezeigt, daß durch die symmetrische Verteilung der Anzahl der Antennenelemente in jeder Spalte, welche nach außen hin abnimmt, eine neuartige Planarantenne mit geringeren Nebenkeulen in Richtung der Zeilen der Matrix geschaffen wird. Das Hinzufügen der Kompensationsgewichte verbessert die Richtcharakteristik, indem eine Schwenkung der Hauptkeule vermieden wird.

vorzugsweise sind die Antennenelemente zusätzlich spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine in Richtung der Zeilen verlaufende Symmetrielinie angeordnet. Dadurch ergibt sich, daß in der Nähe der in Zeilenrichtung verlaufenden Symmetrielinie angeordnete mittlere Zeilen die größe Anzahl von Antennenelementen aufweisen und zumindest die beiden außen angeordneten Zeilen eine geringere Anzahl von Antennenelementen aufweisen. Dies schafft eine Planarantenne, deren Nebenkeulendämpfung auch in der Spaltenrichtung verbessert ist, das heißt, die bevorzugte Antennenanordnung hat bei entsprechender Ausrichtung zum Satelliten eine erhöhte Nebenkeulendämpfung sowohl in Azimut-Richtung als auch in Richtung der Elevation.

Die Abhängigkeit der Anzahl der Antennenelementen in den Spalten vom Abstand von der Symmetrielinie stellt in jedem Fall eine monoton fallende Funktion dar, das heißt, die Anzahl der Antennenelemente einer weiter außen liegenden Spalte ist nicht größer als die Anzahl der Antennenelemente einer weiter innen liegenden Spalte. Bei einer Ausführungsform kann die Anzahl der Antennenelemente in jeder Spalte jeweils geringer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Antennenelemente in einer Spalte entweder gleich der Anzahl oder um eine Zahl x geringer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte. Darüber hinaus haben jeweils n benachbarte Spalten die gleiche Anzahl von Antennenelementen. Die Anzahl der Spalten n ist somit gleich dem 2*n-fachen des auf die nächstgrößere ganze Zahl gerundeten Quotienten M/x. Die Zahl x ist vorzugsweise eine gerade Zahl, beispielsweise x = 2. Darüber hinaus sind die Antennenelemente vorzugsweise spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine zwischen zwei mittleren Zeilen liegende weitere Symmetrielinie verteilt angeordnet, so daß die Antennenelemente innerhalb einer rhombusförmigen Außenkontur angeordnet sind. Beispielsweise weist eine Planarantennenanordnung dieser Art 32 Spalten und Zeilen auf (N = M = 32), wobei sich vier mittlere Zeilen bzw. Spalten mit jeweils 32 Elementen ergeben und wobei jeweils zwei benachbarte Spalten die gleiche Anzahl von Elementen aufweisen, wobei diese Anzahl um vier geringer ist als die des weiter innen liegenden Spaltenpaars (x = 4 und n = 2). Im übrigen sind die Antennenelemente in jeder Spalte bzw. jeder Zeile äquidistant angeordnet, wobei sich aus den oben genannten Gründen der Spaltenabstand von dem Zeilenabstand unterscheiden kann. Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Planarantenne ein Öffnungswinkel zwischen 2° und 3° erreichbar ist (gefordert wird ein Öffnungswinkel von weniger als etwa 3,4° für den direkten Satellitenempfang). Darüber hinaus zeigte eine derartige Antennenanordnung eine Nebenkeulendämpfung von mindestens 25 dB. Schließlich gestattet die Symmetrie der Antennenstruktur eine Rotation der Antenne um 90°, wobei die Zeilen mit den Spalten funktionell vertauscht werden. Diese Antennenanordnung ist demzufolge für Satellitensignale mit horizontaler und vertikaler Polarisation gleichermaßen gut geeignet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher 5 beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Anordnung der Antennenelemente bei einer bekannten Planarantenne;

Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen symmetrischen Anordnung von Spalten von Antennenelementen;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten symmetrischen Anordnung von Spalten mit vorgegebenen Anzahlen von Antennenelementen;

Figur 4 eine schematische Darstellung der symmetrischen Anordnung der Antennenelemente innerhalb einer rhombusförmigen Außenkontur;

Figur 5 eine schematische Darstellung der Ausbildung des Speiseleitungsnetzwerks bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung; und

Figur 6 eine Darstellung des Speiseleitungsnetzwerks bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Planarantenne.

Figur 1 zeigt schematisch die bereits einleitend beschriebene bekannte Anordnung von Antennenelementen. Die Planarantennenanordnung 1 weist eine Vielzahl von Antennenelementen 2 auf, die an Kreuzungspunkten von orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet sind. In Figur 1 sind die Antennenelemente als kreisförmige Flecke dargestellt. Die Antennenelemente können jedoch von irgendeiner geeigneten Form sein, beispielsweise die in der eingangs genannten Offenlegungsschrift DE 198 55 115 A1 beschriebene rechteckige Form haben. Die Gruppenantenne 1 besteht aus N Spalten mit jeweils M Antennenelementen. Wird die Antenne 1 zu einem Satelliten hin ausgerichtet, so erstrecken sich die Zeilen in Azimut-Richtung, während die Spalten in Richtung der Elevation ausgerichtet sind. Die Antennenelemente 2 sind äquidistant angeordnet, wobei der Abstand d_a der Antennenelemente 2 in Azimut-Richtung verschieden vom Abstand d_e der Antennenelemente 2 in Richtung der Elevation sein kann.

Figur 2 veranschaulicht ein Grundprinzip der Anordnung 5 der Antennenelemente bei der erfindungsgemäßen Planarantenne. Wie auch bei dem in Figur 1 veranschaulichten Stand der Technik sind die Antennenelemente in Spalten angeordnet, wobei jede Spalte eine vorgegebene Anzahl von Antennenelementen aufweist. Die Spalten sind wiederum äquidistant mit dem Abstand d_a angeordnet. Die beiden äußeren Spalten 3 weisen eine Anzahl A von Antennenelementen auf. Die den äußeren Spalten benachbarten Spalten 4 umfassen jeweils B Antennenelemente. Die nachfolgenden, weiter innen angeordneten Spalten 5 haben jeweils C Antennenelemente. Diese Symmetrie setzt sich nach innen fort, so daß für die Anordnung der Antennenelemente eine sich in Spaltenrichtung bzw. in Richtung der Elevation erstreckende Symmetrielinie 6 gebildet wird. Die Anzahl A, B, C, ... der Antennenelemente in jeder Spalte steigt in Richtung der Symmetrielinie 6 an, wobei die Anzahl der Antennenelemente in einer Spalte nicht größer als die Anzahl der Antennenelemente in einer näher an der Symmetrielinie 6 liegenden Spalte ist.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung von Spalten 7 von Antennenelementen, deren Anzahl symmetrisch zur Symmetrielinie 6 verteilt ist. Bei dieser Anordnung weisen die am nächsten an der Symmetrielinie 6 liegenden Spalten eine maximale Anzahl M von Antennenelementen auf. Die Anzahl der Antennenelemente nimmt dann nach außen hin von Spalte zu Spalte um jeweils x Antennenelemente ab. Die äußeren Spalten weisen M-kx Antennenelemente auf, wobei k gleich der um 1 verminderten Hälfte der Spaltenanzahl N (k = N/2-1) ist. Die Spalten sind wiederum äquidistant mit dem Abstand d_a angeordnet.

In den Figuren 2 und 3 sind weder die einzelnen Antennenelemente noch deren Ausrichtung in Zeilenrichtung dargestellt. Es sei aber darauf hingewiesen, daß sich die benachbarten Antennenelemente der benachbarten Spalten (soweit vorhanden) in etwa der gleichen vertikalen Position (Elevation) befinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Antennenelemente darüber hinaus auch in vertikaler Richtung symmetrisch angeordnet, so daß sich eine orthogonale weitere Symmetrielinie zwischen den mittleren Zeilen oder auf der mittleren Zeile ergibt.

Figur 4 zeigt eine derartige bevorzugte Anordnung der Antennenelemente, bei der die Anzahl M der Zeilen und die Anzahl N der Spalten gerade Zahlen sind und die Anzahl der Antennenelemente von Spalte zu Spalte nach außen um jeweils zwei Antennenelemente abnimmt. Dadurch ergibt sich die in Figur 4 dargestellte Rhombusform.

Figur 5 veranschaulicht die Ausbildung der Speiseleitungen bzw. des sich symmetrisch verzweigenden Speiseleitungsnetzwerks, wobei zur Vereinfachung nur die Speiseleitungen für eine Anregungsrichtung (z. B. vertikal) dargestellt sind. Zunächst wird von einer fiktiven Anordnung von Antennenelementen in N Spalten und M Zeilen ausgegangen, bei der jede Spalte M Elemente aufweist. Die in der daraus abgeleiteten, erfindungsgemäßen Antennenanordnung belassenen Antennenelemente sind grau schattiert dargestellt, während die später entfallenden Antennenelemente der fiktiven Anordnung durch eine gepunktete Umrißlinie veranschaulicht sind. Ausgehend von dieser fiktiven Gesamtanordnung der Antennenelemente werden über die gesamte Matrix hinweg jeweils zwei in Spaltenrichtung benachbarte Antennenelemente zusammengefaßt, das heißt, es werden die Speiseleitungen dieser zusammengefaßten Antennenelemente an einem ersten Verzweigungspunkt derart zusammengeführt, daß die Längen der beiden Speiseleitungen von diesem Verzweigungspunkt zu den Antennenelementen gleich sind. Nachdem sämtliche Antennenelemente der fiktiven Anordnung auf diese Weise paarweise zusammengeführt sind, werden jeweils zwei in Zeilenrichtung benachbarte Paare oder Zweiergruppen zusammengefaßt, indem die Speiseleitungen ausgehend von den ersten Verzweigungspunkten dieser Paare zu einem gemeinsamen weiteren Verzweigungspunkt durch gleich lange Leitungen verbunden werden. Somit werden 4er-Gruppen von Antennenelementen gebildet. Anschließend werden wiederum in Spaltenrichtung benachbarte 4er-Gruppen von Antennenelementen zusammengefaßt, indem gleich lange Speiseleitungen von den zuletzt gebildeten Verzweigungspunkten der 4er-Gruppen zu einem weiteren Verzweigungspunkt einer 8er-Gruppe zusammengeführt werden. Schließlich ist auf der rechten Seite von Figur 5 noch dargestellt, wie in Zeilenrichtung benachbarte 8er-Gruppen von Antennenelementen zusammengefaßt werden, indem gleich lange Leitungen von den zuletzt gebildeten Verzweigungspunkten der 8er-Gruppen zu einem gemeinsamen Verzweigungspunkt einer 16er-Gruppe zusammengeführt werden. Von diesem zuletzt gebildeten Verzweigungspunkt, der auf der rechten Seite von Figur 5 mittig dargestellt ist, führt eine gemeinsame Speiseleitung der 16er-Gruppe nach unten. Wie sich aus der Darstellung auf der linken Seite von Figur 5 entnehmen läßt, gibt es vier derartige Gruppen von 16 Antennenelementen, wobei die Speiseleitungen von jeweils zwei in Spaltenrichtung benachbarten Gruppen von 16 Antennenelementen zusammengeführt werden. Schließlich werden die beiden jeweils 32 Antennenelemente speisenden Leitungen in der Mitte des Rhombus an einem Speisepunkt zusammengeführt (nicht dargestellt in Figur 5).

Von dem so gebildeten fiktiven Speisenetzwerk gelangt man zu dem Speisenetzwerk der erfindungsgemäßen Antennenanordnung, indem zunächst die außerhalb der rhombusförmigen Umrandung liegenden Antennenelemente fortgelassen werden und anschließend diejenigen Speiseleitungen eliminiert werden, die ausschließlich zu eliminierten Antennenelementen führen. Diese sind auf der rechten Seite von Figur 5 durch gepunktete Linien dargestellt. Das in Figur 5 mit durchgezogenen Linien schematisch dargestellte verbleibende Speisenetzwerk wird nunmehr auf der erfindungsgemäßen Antennenanordnung realisiert. Die eliminierten Antennenelemente mit ihren zugehörigen Speiseleitungen werden anschließend durch geeignete Gewichte an den verbliebenen, nunmehr asymmetrischen Speiseleitungen ersetzt. Diese Gewichte, die an geeigneten Stellen der Verzweigungspunkte angeordnet werden, sind in Figur 5 nicht gezeigt.

Figur 6 zeigt ein Speiseleitungsnetzwerk einer Ebene für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Planarantenne. Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Planarantenne weist 32 Spalten und 32 Zeilen auf (N = M = 32). Es gibt jeweils vier mittlere Spalten bzw. Zeilen mit jeweils 32 Antennenelementen. Nach außen hin nimmt die Anzahl der Antennenelemente in den Spalten ab, wobei jeweils ein Paar benachbarter Spalten die gleiche Anzahl von Antennenelementen aufweist und wobei die Anzahl der Antennenelemente dieses Spaltenpaares um 4 geringer ist als die Anzahl der Antennenelemente des näher an der Symmetrielinie liegenden Spaltenpaares. Eine Ausnahme bilden lediglich die beiden mittleren Spalten, die unmittelbar rechts neben der Symmetrielinie angeordnet sind. Dort sind in den beiden oberhalb der waagerechten Symmetrielinie angeordneten Zeilen die Antennenelemente fortgelassen, um ausreichend Platz für die Montage des Speisepunktes zu schaffen. Die Gesamtzahl der Antennenelemente beträgt somit 4 * (256-112) - 4 = 576 - 4 = 572.

Figur 6 zeigt die bevorzugte Ausführungsform des Speisenetzwerks für eine Polarisationsrichtung. Der Speisepunkt befindet sich etwa in der Mitte der symmetrischen Anordnung, wobei an dieser Stelle eine Gruppe von vier Antennenelementen fortgelassen wurde. Auf der rechten Seite von Figur 6 ist eine Ausschnittsvergrößerung dargestellt. In dieser Ausschnittsvergrößerung sind die zur Kompensation der Wirkung der fortgelassenen Antennenelemente eingefügten Gewichte 8 veranschaulicht. Diese Gewichte sind als Verbreiterungen der Leiterzüge des Speiseleitungsnetzwerks sichtbar. Sie sind jeweils an den Speiseleitungsverzweigungspunkten 9 ausgebildet, von denen jeweils eine direkte Zweigleitung 10 zu denjenigen Punkten 11 führt, an denen das fiktive vollständige Speiseleitungsnetzwerk jeweils eine Verzweigung zu der fortgelassenen Gruppe von Antennenelementen aufwies. Die verbreiterten Leiterzüge 8 beginnen an den jeweiligen Verzweigungspunkten 9 und erstrecken sich entgegen der Richtung der direkten Zweigleitungen 10.

Bei dem bevorzugten Speiseleitungsnetzwerk gemäß Figur 6 ist ferner zu erkennen, daß Leiterzüge des fiktiven Speisenetzwerks der vollständigen Matrix der Gruppenantenne, die sich über den Rand der rhombusförmigen Außenkontur erstrekken würden, durch Leiterzüge 12, 13 ersetzt wurden, die innerhalb der rhombusförmigen Umrandung liegen, aber dennoch etwa die gleiche Länge wie die ursprünglichen fiktiven Leiterzüge aufweisen. Diese Leiterzüge umfassen eine in der Nähe der rhombusförmigen Außenkontur liegende Abkürzungsstrekke 12 und eine diese Leiterzugverkürzung kompensierende Mäanderschleife 13.

Messungen an einer praktisch ausgeführten Planarantenne der bevorzugten Ausführungsform ergaben Nebenkeulen, die im gesamten Frequenzband (10,70 GHz bis 12,75 GHz) mehr als 20 dB unterhalb der Maximalempfindlichkeit in der Hauptkeule lagen. Bei einigen Frequenzen war die Dämpfung größer als 35 dB. Die sich in der Hauptrichtung (0°) erstreckende Hauptkeule wies einen Öffnungswinkel zwischen 2° und 3° auf.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche alternative Ausführungsformen denkbar. Während die Antennenelemente bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für eine vertikale und horizontale Polarisation ausgebildet sind, lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf Antennenelemente mit zirkularer Polarisation anwenden. Dabei bleibt die Anordnung der Antennenelemente unverändert; es wird lediglich der Art der Anregung verändert.

Claims

Planarantenne mit einer Mehrzahl von Antennenelementen (2), die unter Bildung einer orthogonalen Matrix im wesentlichen lückenlos an Kreuzungspunkten von N Spalten und M Zeilen angeordnet sind,
wobei die Antennenelemente (2) unter Bildung wenigstens einer mittleren Spalte spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine in Richtung der Spalten verlaufende Symmetrielinie (6) verteilt angeordnet sind,
wobei die wenigstens eine mittlere Spalte eine Anzahl von M Antennenelementen aufweist und zumindest die beiden außen angeordneten Spalten eine geringere Anzahl von Antennenelementen aufweisen und die Anzahl der Antennenelemente in jeder Spalte jeweils nicht größer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte ist,
wobei ein Speisenetzwerk mit einem Speisepunkt und einem von diesem Speisepunkt zu sämtlichen Antennenelementen führenden verzweigten Netzwerk von Speiseleitungen so ausgebildet ist, daß sich ein im wesentlichen gleich langer Leitweg von dem Speisepunkt zu jedem Antennenelement ergibt,
dadurch gekennzeichnet, daß N = 2^a und M = 2^b ist, wobei a und b ganze Zahlen größer als 1 sind, und
daß das Netzwerk von Speiseleitungen ausgebildet ist wie ein Netzwerk, das hergestellt wird, indem

a) von einer fiktiven rechteckigen Anordnung von N Spalten mit jeweils M Antennenelementen ausgegangen wird,

b) ein fiktives Speisenetzwerk konstruiert wird, indem

b1) für sämtliche Antennenelemente der N Spalten und M Zeilen die Speiseleitungen von jeweils zwei in einer Zeile oder Spalte benachbarten Antennenelementen zu jeweils einer ersten Gruppe zusammengeführt werden, wobei jeweils ein Speiseleitungsverzweigungspunkt gebildet wird, von dem im wesentlichen gleich lange Speiseleitungen zu den Antennenelementen führen,

b2) für sämtliche ersten Gruppen die Speiseleitungen von jeweils zwei in Spalten- oder Zeilenrichtung benachbarten ersten Gruppen zu jeweils einer weiteren Gruppe zusammengeführt werden, wobei jeweils ein weiterer Speiseleitungsverzweigungspunkt gebildet wird, von dem im wesentlichen gleich lange Speiseleitungen zu den zuvor gebildeten Speiseleitungsverzweigungspunkten führen,

b3) für sämtliche weiteren Gruppen dieses Zusammenführen so oft wiederholt wird, bis die Speiseleitungen sämtlicher Antennenelemente an dem Speisepunkt zusammengeführt sind,

b4) aus der so gebildeten fiktiven Anordnung von N*M Antennenelementen diejenigen Antennenelemente eliminiert werden, die in der Planarantenne nicht enthalten sind,

b5) diejenigen Zweige der fiktiven Speiseleitungen, die ausschließlich zu den im Schritt b4) eliminierten Antennenelementen führen, eliminiert werden, und

b6) jeder eliminierte Zweig des fiktiven Speisenetzwerks durch ein die Wirkung des eliminierten Zweigs nachbildendes Gewicht (8) ersetzt wird, wobei das Gewicht (8) an demjenigen Speiseleitungsverweigungspunkt (9) des Speisenetzwerks hinzugefügt wird, von dem eine direkte Zweigleitung (10) zu dem fiktiven Speiseleitungsverweigungspunkt (11), an dem der eliminierte Zweig endete, führt, und

c) das Netzwerk von Speiseleitungen entsprechend dem im Schritt b) gebildeten fiktiven Speisenetzwerk ausgebildet wird.
Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente zusätzlich spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine in Richtung der Zeilen verlaufende Symmetrielinie angeordnet sind.
Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Antennenelemente in jeder Spalte jeweils geringer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte ist.
Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalten von Antennenelementen äquidistant in einem ersten Abstand (d_a) voneinander angeordnet sind und daß die zeilen von Antennenelementen äquidistant in einem zweiten Abstand (d_e) voneinander angeordnet sind.
Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Antennenelemente in einer Spalte entweder gleich der Anzahl oder um eine Zahl x geringer als die Anzahl der Antennenelemente in der näher an der Symmetrielinie liegenden benachbarten Spalte ist und
daß jeweils n benachbarte Spalten die gleiche Anzahl von Antennenelementen haben, wobei die Anzahl der Spalten N gleich dem 2*n-fachen des auf die nächstgrößere ganze Zahl gerundeten Quotienten M/x ist.
Planarantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß x eine gerade Zahl ist.
Planarantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine zwischen zwei mittleren Zeilen liegende weitere Symmetrielinie verteilt angeordnet sind, so daß die Antennenelemente innerhalb einer rhombusförmigen Außenkontur angeordnet sind.
Planarantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß N = M = 32, x = 4 und n = 2 sind.