EP2332215B1

EP2332215B1 - Antennenvorrichtung für hochfrequente elektromagnetische wellen

Info

Publication number: EP2332215B1
Application number: EP09740255.6A
Authority: EP
Inventors: Volker Ziegler; Bernhardt SCHÖNLINNER; Ulrich Prechtel
Original assignee: MBDA Deutschland GmbH
Current assignee: MBDA Deutschland GmbH
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: DE102008046975B4; WO2010028625A1; DE102008046975A1; EP2332215A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für hochfrequente elektromagnetische Wellen mit einer Mehrzahl von Einzelantennenvorrichtungen.
Kommerziell verfügbare Antennensysteme im Mikrowellenbereich basieren größtenteils auf sperrigen Parabolspiegel- oder Hornantennen, die nur sehr schlecht in die Hülle eines Luftfahrzeugs oder kleine Fahrzeuge integriert werden können. Weniger sperrige Antennen werden zur Zeit als Schlitzfelder ausgeführt. All diese Ausführungsformen bieten jedoch keine fortgeschrittenen Merkmale wie elektrische Strahlsteuerung, adaptives Nullen oder Strahlspaltung (split beam).
Elektrisch phasenverschobene Antennenfelder bieten diese Vorteile, können jedoch zur Zeit nur als sehr komplexe und teure Aufbauten hergestellt werden. Des weiteren sind sie wegen geometrischer Größenbeschränkungen nicht für höhere Frequenzen geeignet.
Zur Zeit basieren sämtliche kommerziellen Antennen auf Antennen mit festem Strahl (Schüssel, Horn oder Schlitzfeldantennen), die mehr oder weniger sperrig sind und mechanisch bewegt werden müssen. Wegen ihrer Größe und ihres Gewichts ist es schwer, sie in fliegende Plattformen oder kleine Fahrzeugen zu integrieren. Zusätzlich fehlen ihnen fortgeschrittene Strahlsteuerungsmerkmale wie die oben erwähnten. In der Literatur sind Ansätze gezeigt, sehr flache Spiegelungsantennenfelder mit elektrischer Strahlsteuerung basierend auf RF-MEMS herzustellen. Diese benötigen jedoch einen Mast um sie zu beleuchten, was andererseits eine flache Geometrie verhindert. Eine weitere Herangehensweise unter Verwendung von digitaler Strahlformung resultiert ebenfalls in einem sperrigen Aufbau der Antennen.
Das Dokument WO 00/45464 beschreibt eine planare Antennenvorrichtung für hochfrequente elektromagnetische Wellen, wobei die Antenne als Transmissionstyp mit einer Mehrzahl von planaren Schichten konzipiert ist. Neben einer Phasenschiebungsschicht mit Phasenschiebereinrichtungen weist die Antenne eine Abstrahlschicht und ein in der jeweiligen Schicht verlaufendes Verteilnetzwerk auf. Die Speisung der planaren Antenne erfolg über externe Antennen, wie beispielsweise Hornstrahler, was einer flächigen Bauweise der planaren Antenne widerspricht.
Im Dokument: Park H. J. et al: "A Plane-Wave Beam-Steering Lens Design Using Microstrip Switched-Line Phase Shifters" , International Journal of infrared and millimetre waves, Springer, Dordrecht, NL, Bd. 26, Nr. 1, 1, Januar 2005, Seiten 117-124, XP001232027 ISSN:0195-9271 ist eine kompakte Linsenantenne beschrieben, die auf beiden Seiten der Linse Patch-Antennen-Arrays aufweist.
Aus der JP 11074717 A ist eine planare Antenne mit einem Verteilnetzwerk zur Ansteuerung der Phasenschieber unter Verwendung von TFT-Schaltkreisen (thin film transistor-circuits) bekannt geworden.
Die Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, den Raumbedarf einer Antennenvorrichtung der eingangs genannten Art bei einfacher Herstellung und Handhabung noch weiter zu verkleinern.
Diese Aufgabe wird durch eine Antennenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Antennenvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Antennenvorrichtung als Transmissionstyp aufgebaut ist, wobei die Antennenvorrichtung wenigstens eine Einleitungsschicht, eine erste Phasenverschiebungsschicht mit Phasenschiebereinrichtungen, eine Abstrahlschicht und ein Verteilnetzwerk aufweist. Vorzugsweise sind die Schichten aperturgekoppelt. Die sich ergebende Antennenvorrichtung ist kostengünstig herstellbar und bewirkt eine sehr flache Antennenarchitektur. Des weiteren ist es möglich, mit dieser Antennenvorrichtung eine elektrische Strahlsteuerung zu realisieren.
Wenigstens ein Teil der Phasenschiebereinrichtungen kann durch RF-MEMS-Elemente gebildet sein. Derartige Elemente sind als Mikroschalter mit kurzen Schaltzeiten und geringen Verlusten verfügbar. Sie erlauben eine schnelle Steuerung der Formung der elektromagnetischen Wellen.
Wenigstens ein Teil der Phasenschiebereinrichtung kann durch integrierte Schaltkreise gebildet sein. Diese weisen ebenfalls kurze Schaltzeiten und geringe Verluste auf.
Vorteilhaft kann das Verteilnetzwerk entlang der Schichten verlaufen. Dies vereinfacht die Herstellung der Antennenvorrichtung, da die elektrischen Leitungen des Verteilnetzwerks nur zwischen die Schichten der Antennenvorrichtung eingebettet werden müssen.
Die Phasenschiebereinrichtungen können in einem Raster angeordnet sein, wobei jeweils die Phasenschiebereinrichtungen einer Zeile oder einer Spalte des Rasters mittels des Verteilnetzwerks zur gemeinsamen Ansteuerung verbunden sind. Dies erlaubt es, das Verteilnetzwerk einfach zu halten und somit eine kostengünstige Produktion zu gewährleisten.
Weiter ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine zweite Phasenschiebungsschicht vorgesehen ist, wobei die Phasenschiebereinrichtungen der ersten Phasenschiebungsschicht zur zeilenweisen und die Phasenschiebereinrichtungen der zweiten Phasenschiebungsschicht zur spaltenweisen Ansteuerung ausgebildet sind. Bei weiterhin geringen Produktionskosten ist es dadurch möglich, die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen in mehr als einer Raumrichtung abzulenken. Erfindungsgemäß verlaüft das Verteilnetzwerk quer zu den Schichten. Dies ermöglicht größere Freiheiten bei der Ausgestaltung des Verteilnetzwerks.
Vorteilhaft sind die Phasenschiebereinrichtungen individuell ansteuerbar ausgebildet. Dies erlaubt eine sehr individuelle Strahlformung, beispielsweise eine Strahlspaltung (Split beam).
Auf wenigstens einer Seite der Phasenschiebungsschicht ist eine Abstandsschicht angeordnet. Diese Abstandsschicht bewirkt, dass insbesondere bei Verwendung RF-MEMS-Elementen ausreichend Raum für die Bewegung dieser Elemente vorhanden ist. Des weiteren stellen die Abstandshalter einen ausreichenden Abstand der Schichten untereinander zur Aperturkopplung sicher.
Die Antennenvorrichtung kann zur quasioptischen Einspeisung der elektromagnetischen Wellen oder zur integrierten Einspeisung der elektromagnetischen Wellen ausgebildet sein.
Vorteilhaft weisen die Phasenschiebereinrichtungen Schalteinheiten auf, die eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Polarisationen der elektromagnetischen Wellen ermöglichen. Eine Nutzung der Antennenvorrichtung kann somit auch in Bereichen erfolgen, in denen elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Polarisation benötigt werden.
Die in der Abstrahlschicht vorgesehenen Antennenelemente können vorteilhaft zur Verwendung mit verschiedenen Polarisationen ausgebildet sein.
Einzelheiten und weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den die Ausführungsbeispiele lediglich schematisch darstellenden Zeichnungen veranschaulichen im Einzelnen:

Fig. 1: eine Explosionszeichnung einer Antennenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2: einen Strahlweg durch die Antennenvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3: einen Schnitt durch die zusammengesetzte Antennenvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 4: eine Explosionszeichnung einer Antennenvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5: einen Strahlweg durch die Antennenvorrichtung aus Fig. 4;
Fig. 6: einen Schnitt durch die zusammengesetzte Antennenvorrichtung gemäß Fig. 4;
Fig. 7: eine Explosionszeichnung einer dritten Ausführungsform der Antennenvorrichtung;
Fig. 8: einen Strahlweg durch Antennenvorrichtung aus Fig. 7;
Fig. 9: einen Schnitt durch die Antennenvorrichtung aus Fig. 7 und
Fig. 10: eine Explosionszeichnung einer Variante der Ausführungsformen eins bis drei mit doppelt polarisierten Antennenpatches.

Eine erste Ausführungsform einer Antennenvorrichtung 10, wie sie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, weist eine Einleitungsschicht 20, eine erste Phasenschiebungsschicht 30, eine Kopplungsschicht 40, eine zweite Phasenschiebungsschicht 50 und eine Abstrahlschicht 60 auf.
Die Einleitungsschicht 20 besteht aus einem RF-Material, beispielsweise LTCC. Auf dieses RF-Material sind Antennenpatches 22 aus Metall aufgebracht. Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Antennenpatches 22 an der Unterseite der Einleitungsschicht 20 angeordnet. Mittels Aperturen 24 sind die Antennenpatches an die erste Phasenschiebungsschicht 30 gekoppelt.
Die erste Phasenschiebungsschicht 30 besteht ebenfalls aus einem RF- oder Halbleitermaterial und weist an ihrer Oberseite Phasenschiebereinrichtungen 32 auf. Die Phasenschiebereinrichtungen 32 sind aus RF-MEMS-Elementen gebildet.
Abstandhalter 34 (siehe Fig. 3) sind vorgesehen, um einen Zwischenraum 38 zwischen der Kopplungsschicht 40 von den Phasenschiebereinrichtungen 32 zu bilden. Dieser Zwischenraum 38 ist für eine ausreichende Bewegungsfreiheit der RF-MEMS-Elemente vorgesehen.
Die Kopplungsschicht 40 weist zwei Abstandsschichten 42a, 42b auf. Zwischen diesen Schichten sind Kopplungselemente 44 vorgesehen, welche die erste Phasenschiebungsschicht 30 mittels Aperturen 46 an die zweite Phasenschiebungsschicht 50 koppeln.
Die zweite Phasenschiebungsschicht 50 ist mittels Abstandhaltern 52 von der Kopplungsschicht 40 beabstandet und weist in dem sich dadurch ergebenen Zwischenraum 54 Phasenschiebereinrichtungen 56 auf.
Die Abstrahlschicht 60 ist analog zu der Einleitungsschicht 20 aufgebaut und weist Antennenpatches 62 und Aperturen 64 auf.
Um Radarstrahlung auszusenden, wird die Einleitungsschicht 20 mit Radarwellen bestrahlt. Die Antennenpatches 22 nehmen die Radarstrahlung auf und übermitteln sie durch die Apertur 24 an die Phasenschiebereinrichtungen 32. Je nach Ansteuerung der Phasenschiebereinrichtungen 32 werden die Phasen der Radarwellen, die durch unterschiedliche Aperturen 24 auf unterschiedliche Phasenschiebereinrichtungen 32 verteilt werden, verschoben.
Durch die Aperturen 46 der Kopplungsschicht 40 werden die Radarwellen auf die Phasenschiebereinrichtungen 56 der zweiten Phasenschiebungsschicht 50 geleitet. Auch hier werden die Radarwellen, die durch die einzelnen Aperturen 46 hindurchgeleitet werden, je nach Ansteuerung der Phasenschiebereinrichtungen 56 verzögert.
Durch die Aperturen 64 werden die Radarwellen auf die Abstrahlschicht 60 mit den Antennenpatches 62 ausgekoppelt.
Figur 2 zeigt, wie ein Signal durch die Antennenvorrichtung 10 läuft, wenn Radarwellen empfangen werden. Die einfallenden Radarwellen werden zunächst mit den Antennenpatches 62 durch Aperturen 64 auf die Phasenschiebereinrichtung 56 der zweiten Phasenschiebungsschicht 50 gelenkt.
Nach Passieren der Phasenschiebereinrichtung 56 werden die Radarwellen durch die Apertur 46 auf die Phasenschiebereinrichtung 32 gelenkt und von dieser entsprechend der Ansteuerung phasenverschoben.
Schließlich werden die Radarwellen durch die Apertur 24 in das Antennenpatch 22 eingekoppelt, von wo aus sie in einen Empfangsschaltkreis, der hier nicht dargestellt ist, weitergeleitet werden.
Bei der in Figur 4 bis 6 gezeigten zweiten Ausführungsform sind in der Einleitungsschicht 20 Antennenpatches 22 vorgesehen, die mittels eines RF-Verbinders 70 unmittelbar durch ein Verteilnetzwerk als Antennen gespeist werden. Die Abstrahlung der Radiowellen erfolgt somit für jeden der Wege durch die Phasenschiebereinrichtungen 32, 56 und die Aperturen 24, 46, 64 mittels einer eigenen Radarantenne. Dies gilt ebenso für den Empfang von Radarwellen, bei dem die Radarwellen unmittelbar von den Antennenpatches 22 aufgenommen werden. Im Weiteren entspricht der Aufbau der zweiten Ausführungsform dem Aufbau der ersten Ausführungsform.
In den Figuren 1 und 4 sind auf den Phasenschiebungsschichten 30, 50 angeordnete Verteilnetzwerke 36, 58 gezeigt. Das Verteilnetzwerk 36 versorgt in dieser Darstellung die Phasenschiebereinrichtungen 32 spaltenweise mit Ansteuerungsinformationen. Mittels dieser Ansteuerungsinformationen kann der Radarstrahl, der die Antennenvorrichtung 10 verlässt, mittels Interferenz in eine bestimmte Richtung abgelenkt werden. Allerdings bleibt bei einer solchen spaltenweisen Ansteuerung nur die Möglichkeit, den Strahl in einer Ebene zu bewegen. Eine vollständige räumliche Ablenkung wäre allein mit Hilfe der ersten Phasenschiebungsschicht 30 nicht möglich.
Daher ist die zweite Phasenschiebungsschicht 50 vorgesehen, deren Verteilnetzwerk 58 die Phasenschiebereinrichtung 56 zeilenweise ansteuert.
Somit ist durch koordinierte Steuerung der Phasenschiebereinrichtungen 32, 56 mittels der Verteilnetzwerke 36, 58 eine Steuerung des Radarstrahls möglich.
Der Wellenlauf bei Empfang von Radarwellen ist in Figur 5 und ein Querschnitt durch eine Antennenvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform in Figur 6 dargestellt.
Bei der in den Figuren 7 bis 9 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind in der Einleitungsschicht 20 und der ersten Phasenschiebungsschicht 30 Öffnungen zur Aufnahme des Verteilnetzwerks 26, 36 vorgesehen. Durch den in Figur 9 gezeigten Verlauf des Verteilnetzwerks 36 ist es möglich, die Phasenschiebereinrichtungen 32 mittels Steueranschlüssen 72 einzeln anzusteuern. Dadurch ist nurmehr eine einzige Phasenschiebungsschicht 30 erforderlich; die zweite Phasenschiebungsschicht 50 kann eingespart werden.
Wie in Figur 9 erkennbar, wird der Aufbau dadurch wesentlich flacher. Insbesondere ist auch keine Kopplungsschicht 40 mehr nötig, sondern nur eine einzelne Abstandsschicht 48.
Figur 10 zeigt eine Aufbauvariante der drei Ausführungsformen. Die beiden dargestellten Schichten stellen die zweite Phasenschiebungsschicht 50 und die Abstrahlschicht 60 dar. Die Phasenschiebereinrichtungen 56 weisen zusätzlich einen Schalter auf, mit dem die Polarisation der phasenverschobenen Radarwellen umgestellt werden kann. Des weiteren sind die Antennenpatches 62 so ausgestaltet, dass sie Radarwellen in zwei unterschiedlichen Polarisationen abstrahlen können. Für die Schichten 20, 30, 40, 50, 60 können verschiedene RF-taugliche Materialien verwendet werden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang LTCC und teflonbasierte Werkstoffe wie beispielsweise Duoid 5880 zu nennen. Die Schichten 30 und 50 können auch aus hochohmigen Silizium bestehen.
Die Antennenvorrichtung 10 wird mit Frequenzen zwischen ungefähr 10 GHz und 100 GHz betrieben. Die Strukturgrößen der Antennenpatches 22, 62 sowie der Phasenschiebereinrichtung 32, 56 und auch die Aperturen 24, 46, 64 bewegen sich im Bereich der Hälfte einer Wellenlänge λ der verwendeten elektromagnetischen Wellen. Bei einer Frequenz von 30 GHz bewegen sich die Strukturgrößen also im Bereich um 5mm.
Die vorgestellte Herangehensweise kombiniert eine kostengünstige und sehr flache Antennenarchitektur, um eine elektrische Strahlsteuerung zu realisieren. Durch die Kombination verschiedener innovativer Herangehensweisen wie Aperturkopplung von Antennenelementen und Verteilnetzwerk 36, 58 Verwendung von fortgeschrittenen Phasenschiebereinrichtungen 32, 56 (RF-MEMS oder Halbleiterschaltkreise) und einer Konstruktion der Antenne zum Betrieb in einer Transmissionskonfiguration anstatt einer Reflexionskonfiguration kann eine ultraflache Antennenstruktur mit elektrischer Strahlsteuerung realisiert werden.
Durch Verwendung eines ultraflachen elektronisch steuerbaren Antennensystems wird eine Vielzahl von neuen Anwendungen im Aeronautikbereich erlaubt, da dies die erste Antenne ist, die aufgrund ihrer flachen Geometrie leicht in die Außenhülle eines Luftfahrzeugs integriert werden kann. Durch diese Antenne werden Anwendungen wie Brownout radar für Helikopter, Zwischenfahrzeugkommunikation für bemannte und unbemannte Luftfahrzeuge sowie Wirbelschleppendetektion an Bord von zivilen Luftfahrzeugen ermöglicht. Weitere Anwendungen sind Scharfschützendetektionsradare und Bodenplattformschutz (z.B. Konvoischutz).
Es sind ultraflache Antennenstrukturen z.B. mit einer Dicke im Bereich zwischen etwa 0,1 mm bis etwa 10 mm, insbesondere 1 bis 7 mm, erreichbar.

Bezugszeichenliste:

10: Antennenvorrichtung
20: Einleitungsschicht
22: Antennenpatch
24: Apertur
26: Verteilnetzwerk
30: erste Phasenschiebungsschicht
32: Phasenschiebereinrichtung
34: Abstandshalter
36: Verteilnetzwerk
38: Zwischenraum
40: Kopplungsschicht
42a: Abstandsschicht
42b: Abstandsschicht
44: Kopplungselement
46: Apertur
48: Abstandsschicht
50: zweite Phasenschiebungsschicht
52: Abstandsschicht
54: Zwischenraum
56: Phasenschiebereinrichtung
58: Verteilnetzwerk
60: Abstrahlschicht
62: Antennenpatch
64: Apertur
70: RF-Verbinder
72: Steueranschluss

Claims

Planare Antennenvorrichtung (10) für hochfrequente elektromagnetische Wellen mit einer Mehrzahl von Einzelantennenvorrichtungen, wobei die Antennenvorrichtung (10) als Transmissionstyp aus mehreren planaren Schichten (20, 30, 40, 60) aufgebaut ist, wobei die Antennenvorrichtung (10) wenigstens eine Einleitungsschicht (20), eine erste Phasenschiebungsschicht (30) mit Phasenschiebereinrichtungen (32), eine Abstrahlschicht (60) und ein Verteilnetzwerk (36, 58) zur Ansteuerung der Phasenschiebeeinrichtungen (32) aufweist, wobei die Phasenschiebereinrichtungen (32, 56) individuell ansteuerbar ausgebildet sind und wobei wenigstens ein Teil der Phasenschiebereinrichtungen (32, 56) durch RF-MEMS-Elemente gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilnetzwerk (36, 58) in der Einleitungsschicht (20) und der ersten Phasenschiebungsschicht (30) über Öffnungen zur Aufnahme des Verteilnetzwerks (26, 36) quer zu den Schichten (20, 30) verläuft.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenschiebereinrichtungen (32, 56) Schalteinheiten aufweisen, die eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Polarisationen der elektromagnetischen Wellen ermöglichen.
Antennenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abstrahlschicht (60) vorgesehene Antennenelemente zur Verwendung mit verschiedenen Polarisationen ausgebildet sind.
Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Phasenschiebereinrichtungen (32, 56) durch integrierte Schaltkreise gebildet sind.
Antennenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Seite der Phasenschiebungsschichten (30, 50) eine Abstandsschicht (42a, 42b, 48) angeordnet ist.
Antennenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenvorrichtung (10) zur quasioptischen Einspeisung der elektromagnetischen Wellen oder zur integrierten Einspeisung der elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist.
Antennenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (20, 30, 40, 60) aperturgekoppelt sind.