EP2381533A1

EP2381533A1 - Phase array antenna system

Info

Publication number: EP2381533A1
Application number: EP10401056A
Authority: EP
Inventors: Ronny Hahnel; Dirk Plettemeier; Albrecht Mugler; Michael Müller
Original assignee: Mugler AG
Current assignee: Mugler AG
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: EP2381533B1; ATE550807T1; ES2383884T3

Abstract

The phase-array-antenna system (1) has a wide-band antenna segment (2), where the antenna segment has multiple slit antenna elements (3) which emit linear polarized waves. The antenna element has a structure of a Vivaldi antenna which has a circular free space in a metal surface and a slot outgoing from the free space. An internal surface area of the antenna element is arranged opposite to the slit sides of the antenna element. An independent claim is also included for a method for producing an electrical field with temporally varying polarization.

Description

Die Erfindung betrifft ein Phasen-Array-Antennensystem, das wenigstens ein breitbandiges Antennensegment aufweist, wobei das Antennensegment mehrere geschlitzte Antennenelemente aufweist, die linear polarisierte Wellen abstrahlen, und wobei wenigstens zwei Antennenelemente rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind und das Antennensegment somit zur Abstrahlung von Wellen zweier, rechtwinklig zueinander stehender Polarisationsrichtungen ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen mit zeitlich und räumlich variierender Polarisation.The invention relates to a phase array antenna system having at least one broadband antenna segment, the antenna segment having a plurality of slotted antenna elements emitting linearly polarized waves, and wherein at least two antenna elements are oriented at right angles to each other and thus the antenna segment for the radiation of waves of two, is formed at right angles to each other standing polarization directions. The invention further relates to a method for generating electromagnetic waves with temporally and spatially varying polarization.

Derzeit befindet sich die terrestrische Rundfunk- und Fernsehversorgung in einer Umbruchphase, in welcher die überlebte Analogtechnik durch moderne Digitaltechnik ersetzt wird. Bei dieser Umstellung wird in der Regel zunächst die vom Analogfunk vorhandene Sendeantennentechnik für den Digitalfunk übernommen. Bei der Umstellung auf Digitalfunk werden die Frequenzbereiche vom Analogfunk im Wesentlichen übernommen, daher können auch die Sendeantennen zunächst weiter verwendet werden. Das Konzept des Digitalfunks weist aber einige prinzipielle Unterschiede zum Analogfunk auf.Currently, the terrestrial broadcasting and television supply is in a phase of change, in which the surviving analog technology is replaced by modern digital technology. In this changeover, the transmission antenna technology for digital radio, which is available from the analogue radio, is generally adopted first. When switching to digital radio, the frequency ranges are essentially taken over by the analog radio, therefore, the transmit antennas can continue to be used first. The concept of digital radio, however, has some fundamental differences to analog radio.

Im analogen Funk werden zur effektiven Ausnutzung der knappen Rundfunksendefrequenzen an möglichst wenigen Standorten möglichst hohe Antennen und möglichst große Leistungen verwendet, um mit einer Antenne große Gebiete zu versorgen. Die Sender strahlen die elektromagnetischen Wellen mit fester Polarisation ab, die entweder horizontal oder vertikal gerichtet ist. Für den stationären Empfang dieser Signale werden Empfangsantennen mit großem Gewinn ausgerichtet auf den Senderstandort und in der gleichen Polarisationsrichtung wie der Sender angewendet. Benachbarte Sendeantennen müssen mit anderen Frequenzen arbeiten, da es bei der Analogtechnik in einem Überschneidungsbereich zwischen zwei mit gleicher Frequenz betriebenen Antennen zu Interferenzen und damit zu lokalen Empfangslücken und Störungen des Empfangs kommen würde. In digitalen Rundfunkversorgungssystemen wird durch die digitale Signalverarbeitung ermöglicht, dass mehrere Sender auf der gleichen Frequenz senden können. Alle Signale dieser Sender werden am Empfänger ausgewertet und verbessern dadurch wesentlich die Empfangsbedingungen. Voraussetzung ist die zeitsynchrone Abstrahlung mit gleichen Inhalten. Damit ist es möglich, den Digitalfunk als sogenanntes Gleichwellenfunknetz auszubilden.In analogue radio, the highest possible antennas and the highest possible power are used to effectively exploit the scarce broadcasting transmission frequencies at as few locations as possible in order to supply large areas with one antenna. The transmitters emit the electromagnetic waves with fixed polarization, which is directed either horizontally or vertically. For stationary reception of these signals, receive antennas are used with great gain aligned to the transmitter site and in the same polarization direction as the transmitter. Neighboring transmit antennas must operate at different frequencies, as in the case of analog technology interference would occur in an overlap area between two antennas operated at the same frequency, resulting in local receive gaps and interference in reception. In digital broadcasting systems, digital signal processing allows multiple transmitters to transmit on the same frequency. All signals of these transmitters are evaluated and improved at the receiver This significantly affects the reception conditions. Prerequisite is the time-synchronized radiation with the same content. This makes it possible to form the digital radio as a so-called simulcast radio network.

Durch die Installation von Gleichfunknetzen ist es nicht mehr nötig, mit leistungsstarken Sendern große Gebiete abzudecken. Stattdessen ist eine kleinzellige Versorgung durch mehrere Sendeantennen möglich. Das Ziel der Antennenentwicklung für solche kleinzelligen digitalen Rundfunknetze ist eine lückenlose Versorgung aller Gebiete und ein überall guter Empfang auch mit mobilen Geräten.Installing radar networks eliminates the need to cover large areas with powerful transmitters. Instead, a small-cell supply through multiple transmit antennas is possible. The aim of the antenna development for such small-cell digital broadcasting networks is a seamless supply of all areas and a good reception everywhere, even with mobile devices.

Für mobile Geräte, deren Empfangsort variabel ist und sich zeitlich ändert, wenn der Empfänger in Bewegung ist, ist eine gute Funkversorgung eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Mobile Geräte verwenden nur kleine Antennen, und die kleinen Antennen können zudem nicht optimal auf eine horizontale oder eine vertikale Polarisation von im Analogfunk verwendeten Sendeantennen ausgerichtet werden. Derzeit werden große Feldstärken verwendet, um einen ausreichenden Signal-Rausch-Abstand für mobile Empfangsgeräte zu erreichen. Zur Vermeidung von Elektrosmog und Energieverschwendung sind jedoch möglichst kleine Sendeleistungen wünschenswert; kleinzellige Versorgungsstrukturen können mit einer reduzierten Gesamtsendeleistung betrieben werden. Zudem weisen kleinzellige Versorgungsstrukturen eine für einen störungsfreien Empfang günstige Signalpegelgleichmäßigkeit, also eine geringe Pegeldynamik auf.For mobile devices whose reception is variable and changes over time when the receiver is in motion, good radio coverage is a particularly demanding task. Mobile devices use only small antennas, and the small antennas also can not be optimally aligned to a horizontal or vertical polarization of transmitting antennas used in analog radio. Currently, large field strengths are used to achieve a sufficient signal-to-noise ratio for mobile receivers. To avoid electrosmog and waste of energy, however, the lowest possible transmission powers are desirable; Small cell supply structures can be operated with a reduced total transmit power. In addition, small-cell supply structures have a signal level uniformity that is favorable for trouble-free reception, ie low level dynamics.

Der Aufbau von kleinzelligen Gleichwellenfunknetzen ist vor allem für urbane Gebiete attraktiv. Zur Erreichung einer optimalen Flächenabdeckung in einem Gleichwellenfunknetz ist die Möglichkeit einer geeigneten Diagrammformung der Sendeantennen wünschenswert. In einem Gleichwellenfunknetz kann nicht nur die Leistung reduziert werden, durch gezielt eingesetzten Mehrwegeempfang kann auch das Gesamtempfangssignal und die Empfangsqualität um ein Vielfaches verbessert werden. Für den Aufbau eines Gleichwellenfunknetzes ist es günstig, Sendeantennen mit einem hohen Gewinn und einer großen Bandbreite einzusetzen. Durch den hohen Gewinn wird die Sendeleistung auf den zu versorgenden Bereich konzentriert, und durch die Breitbandigkeit wird das Abstrahlen verschiedener Frequenzen möglich. Zudem soll im Hinblick auf eine gute Empfangsqualität in mobilen Empfängern mit zufälliger Orientierung der Empfangsantenne am Empfangsort eine Versorgung mit Wellen jeder transversalen Polarisationsrichtung erfolgen, was durch zirkulare Polarisation erreicht werden kann.The construction of small-celled single-frequency radio networks is particularly attractive for urban areas. In order to achieve optimal area coverage in a simulcast radio network, the possibility of suitable diagram shaping of the transmission antennas is desirable. In a simulcast radio network, not only can the power be reduced, but also the total received signal and the reception quality can be improved many times over by selectively used multipath reception. For the construction of a simulcast radio network, it is favorable to use transmit antennas with a high gain and a large bandwidth. Due to the high gain, the transmission power is concentrated on the area to be supplied, and the broadband makes it possible to radiate different frequencies. In addition, with a view to a good reception quality in mobile receivers with random orientation of the receiving antenna at the receiving location a supply of waves of each transverse polarization direction, which can be achieved by circular polarization.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein hoher Gewinn von Antennen beispielsweise durch die Kombination mehrerer Antennen zu einem Antennenarray erreicht werden kann. Bekannte Lösungen zur Realisierung breitbandiger Antennen sind beispielsweise Vivaldi-Antennen-Strukturen. Vivaldi-Antennen sind zweidimensionale Strukturen, die beispielsweise aus zweiseitigem Leiterplattenmaterial hergestellt sind, wobei eine auf eine dielektrische Unterlage aufgebrachte dünne Metallschicht oder ein entsprechender, auf dielektrischem Material aufgebrachter Microstrip einen Schlitz in Senderichtung aufweist und wobei der Schlitz zum Abstrahlende der Metallschicht hin exponentiell verbreitert ist. Eine solche Antenne strahlt linear polarisierte Wellen ab, wobei die Polarisationsrichtung der elektrischen Feldstärke der erzeugten Radiowelle in der Leiterplattenebene und senkrecht zur Abstrahlrichtung liegt. Zur Speisung der bekannten Vivaldi-Antennen wird eine zweite Leiterplattenebene benötigt, in welcher eine Schlitzleitung ausgebildet ist.It is known from the prior art that a high gain of antennas can be achieved, for example, by combining a plurality of antennas into an antenna array. Known solutions for the realization of broadband antennas are, for example, Vivaldi antenna structures. Vivaldi antennas are two-dimensional structures made, for example, of two-sided circuit board material, wherein a thin metal layer or dielectric layer applied to a dielectric substrate has a slot in the transmission direction and wherein the slot is exponentially widened toward the radiating end of the metal layer , Such an antenna radiates linearly polarized waves, wherein the polarization direction of the electric field strength of the generated radio wave lies in the circuit board plane and perpendicular to the emission direction. To power the known Vivaldi antennas, a second circuit board level is needed, in which a slot line is formed.

Vivaldi-Antennen können kostengünstig mittels bekannter Leiterplattentechnik hergestellt werden. Es sind auch Arrays von orthogonal gekreuzten Vivaldi-Antennenstrukturen bekannt, die Antennenstrukturen für zwei Polarisationsrichtungen aufweisen. Ein Antennenarray aus gekreuzten Vivaldi-Strukturen ist beispielsweise in der Druckschrift EP 0 349 069 A1 beschrieben. Eine solche Antenne ist aus preiswerten Elementen zusammengesetzt. Die Montage und der Anschluss einer solchen Antenne ist aber aufwändig, sodass hohe Gesamtkosten für eine solche Antenne entstehen.Vivaldi antennas can be inexpensively manufactured by known printed circuit board technology. Also known are arrays of orthogonally crossed Vivaldi antenna structures having antenna structures for two polarization directions. An antenna array of crossed Vivaldi structures, for example, in the document EP 0 349 069 A1 described. Such an antenna is composed of inexpensive elements. The installation and connection of such an antenna is complex but so high total cost of such an antenna arise.

Bei einer Ansteuerung einer solchen Antenne mit einem phasenverschobenen Signal für die gekreuzten Antennenstrukturen können auch zirkular polarisierte Wellen ausgestrahlt bzw. empfangen werden. Ein Antennenarray zur Abstrahlung zirkular polarisierter Wellen ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 89/08933 bekannt.When driving such an antenna with a phase-shifted signal for the crossed antenna structures and circularly polarized waves can be emitted or received. An antenna array for emitting circularly polarized waves is for example from the document WO 89/08933 known.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein breitbandiges Antennensystem aufzuzeigen, das zirkular polarisierte Wellen abstrahlen kann und welches technologisch einfach und mit kompakten Abmessungen herstellbar ist. Zudem soll ein geeignetes Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Feldes mit zeitlich variierender Polarisation basierend auf einem solchen Antennensystem zur Verfügung gestellt werden.Based on this prior art, it is the object of the present invention to provide a broadband antenna system that can radiate circularly polarized waves and which is technologically simple and compact dimensions to produce. In addition, a suitable method for generating an electrical Fields are provided with time-varying polarization based on such an antenna system.

Die Aufgabe wird durch ein Antennensystem der oben genannten Gattung gelöst, wobei die Antennenelemente aus Metallblech ausgebildet sind. Durch die Ausbildung der Antennenelemente, die als Einzelantennen in einem Antennenarray verstanden werden können, aus Metallblech wird eine deutliche Vereinfachung der Herstellungstechnologie im Vergleich zu der im Stand der Technik bekannten Leiterplattentechnologie erreicht. Das Metallblech besteht im einfachsten Fall nur aus einer Metalllage, die besonders einfach zugeschnitten und bearbeitet, beispielsweise gebogen, werden kann. Aus der guten Bearbeitbarkeit von Metallblechen im Vergleich zu doppelseitigem Leiterplattenmaterial ergibt sich einerseits ein einfaches Herstellungsverfahren, andererseits stehen für das Design des Antennensystems auch andere technische Möglichkeiten als beim Einsatz von Leiterplattenmaterialien offen. Zudem kann das Metallblech derart umgeformt werden, dass das Antennensystem mit sehr guter Strahlcharakteristik und dennoch kompakt zur Verfügung gestellt werden kann. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Antennensystem insbesondere zum Aufbau von kleinzelligen Gleichwellenfunknetzen.The object is achieved by an antenna system of the above-mentioned type, wherein the antenna elements are formed from sheet metal. The design of the antenna elements, which can be understood as individual antennas in an antenna array, made of sheet metal, a significant simplification of the manufacturing technology is achieved in comparison to the known in the art printed circuit board technology. The metal sheet consists in the simplest case only of a metal layer, which is particularly easy to cut and processed, for example, bent, can be. From the good workability of metal sheets compared to double-sided PCB material results on the one hand, a simple manufacturing process, on the other hand are available for the design of the antenna system, other technical options than when using printed circuit board materials. In addition, the metal sheet can be reshaped so that the antenna system with very good beam characteristics and yet compact can be made available. Thus, the antenna system according to the invention is particularly suitable for the construction of small-cell simplex radio networks.

In einer günstigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems sind jeweils wenigstens zwei Antennenelemente gemeinsam unter Ausbildung wenigstens einer Antennenelementreihe in einem Metallblechstreifen ausgebildet; und wenigstens zwei Antennenelementreihen sind wenigstens einmal zueinander gekreuzt unter Ausbildung eines Antennenelementarrays angeordnet, indem jeweils zwischen den Antennenelementen ausgebildete Montageschlitze ineinander geführt sind. Die Ausbildung mehrerer Antennenelemente in einem Metallblechstreifen ist eine besonders einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von Antennenelementen. Das Vorsehen von Montageschlitzen in den Metallblechstreifen und das Ineinanderführen der Montageschlitze zur Ausbildung von Antennenelementarrays sind besonders einfache Herstellungsmethoden zur Herstellung eines Antennenarrays. Durch das Kreuzen der Metallblechstreifen wird eine orthogonale Anordnung von Antennenelementen erreicht, die zur Erzeugung beliebiger transversaler Polarisationsrichtungen, wie z.B. zirkular polarisierter Wellen, erforderlich ist.In a favorable embodiment of the antenna system according to the invention, in each case at least two antenna elements are formed together to form at least one row of antenna elements in a sheet metal strip; and at least two rows of antenna elements are at least once crossed with each other to form an antenna element array, by arranging mounting slots formed between the antenna elements, respectively. The formation of a plurality of antenna elements in a sheet metal strip is a particularly simple and inexpensive method for the production of antenna elements. The provision of mounting slots in the sheet metal strips and the nesting of the mounting slots for the formation of antenna element arrays are particularly simple production methods for producing an antenna array. By crossing the sheet metal strips, an orthogonal arrangement of antenna elements is achieved, which is required for generating any transverse polarization directions, such as circularly polarized waves.

In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems ist der Metallblechstreifen unter Ausbildung wenigstens zweier Antennenelementreihen abgewinkelt. Metallblechstreifen können auch mehrfach gebogen oder beispielsweise in Zickzackform abgewinkelt werden, wodurch aus zwei Metallblechstreifen einfach und kostengünstig eine stabile Arraystruktur hergestellt werden kann.In an advantageous embodiment of the antenna system according to the invention, the sheet metal strip is bent to form at least two rows of antenna elements. Sheet metal strips can also be bent several times or angled, for example, in a zigzag shape, which can be easily and inexpensively a stable Arraystruktur can be made of two metal strips.

In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems weisen die Antennenelemente die Struktur einer Vivaldi-Antenne auf, welche einen kreisförmigen Freiraum in einer Metallfläche und einen von dem Freiraum ausgehenden Schlitz aufweist, dessen Breite in Abstrahlrichtung zunimmt; wobei Flächenbereiche der Antennenelemente, die sich gegenüber den geschlitzten Seiten der Antennenelemente befinden, quer zur Abstrahlrichtung abgekantet sind. Vorzugsweise erfolgt diese Abkantung so, dass die abgekanteten Flächenbereiche aneinander angrenzender Vivaldi-Antennen einander nicht überlappen. Die erfindungsgemäßen breitbandigen Antennenelemente sind während der Herstellung zunächst flächige Strukturen, die in einer Ebene realisiert sind. In der konkreten Ausbildung werden als Antennenelemente sogenannte Vivaldi-Strukturen verwendet. Solche Antennenelemente können zur Beschreibung in einen äu-βeren Flächenbereich und einen inneren Flächenbereich unterteilt werden, wobei der äußere Flächenbereich der ist, von welchem ein Antennensignal ausgestrahlt oder empfangen wird und der innere Flächenbereich der gegenüber liegende Teil der Antennenstruktur ist. Bei der Vivaldi-Struktur ist der äußere Flächenbereich durch den sich verbreiternden Schlitz gekennzeichnet und der innere Flächenbereich durch den Abschluss des Schlitzes in dem kreisförmigen Freiraum innerhalb der Metallfläche. An den inneren Flächenbereich der Antennenelemente wird die Signaleinspeisung angeschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der innere Flächenbereich der Antennenstruktur in einem Winkel, beispielsweise um etwa 90°, zur Abstrahlrichtung abgewinkelt. Bei dem Abwinkeln ist zu beachten, dass die Knickstelle nicht scharfkantig sein darf. Dadurch wird bei gleichen HF-technischen Parametern der Antennenelemente eine Reduzierung der Bauhöhe um ein Drittel erreicht. Durch die reduzierte Länge der Antennenelemente wird letztendlich eine größere Kompaktheit des gesamten Antennensystems erreicht.In a preferred embodiment of the antenna system according to the invention, the antenna elements have the structure of a Vivaldi antenna, which has a circular free space in a metal surface and a slot extending from the free space whose width increases in the emission direction; wherein surface areas of the antenna elements, which are located opposite the slotted sides of the antenna elements, are bent transversely to the emission direction. This bending preferably takes place in such a way that the folded surface areas of mutually adjacent Vivaldi antennas do not overlap one another. The broadband antenna elements according to the invention are initially planar structures that are realized in one plane during production. In the concrete training so-called Vivaldi structures are used as antenna elements. Such antenna elements may be subdivided into an outer surface area and an inner area area for description, the outer area area being that from which an antenna signal is emitted or received and the inner area area being the opposite part of the antenna structure. In the Vivaldi structure, the outer surface area is characterized by the widening slot and the inner area area by the termination of the slot in the circular space within the metal surface. At the inner surface area of the antenna elements, the signal feed is connected. In a preferred embodiment of the present invention, the inner surface area of the antenna structure is angled at an angle, for example by about 90 °, to the emission direction. When bending, it should be noted that the kink must not be sharp-edged. As a result, with the same RF technical parameters of the antenna elements, a reduction of the overall height by one third is achieved. The reduced length of the antenna elements ultimately a greater compactness of the entire antenna system is achieved.

In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems umfasst der abgekantete Flächenbereich der Antennenelemente auch den kreisförmigen Freiraum, und der Schlitz der Antennenelemente erstreckt sich von dem nicht abgekanteten Flächenbereich in den abgekanteten Flächenbereich. Durch die Abkantung der inneren Flächenbereiche der Antennenelemente werden die Speisepunkte der Antennenelemente auf eine Ebene gebogen, deren Flächennormale in Abstrahlrichtung der Antennenelemente orientiert ist. Die inneren Flächenbereiche der Antennenelemente bilden mit anderen Worten teilweise eine Rückenfläche für das Antennenelementarray. Auf dieser Rückenfläche sind die Speisepunkte der Antennenelemente besonders einfach kontaktierbar, und das Array kann besonders einfach auf eine Rückwand montiert werden.In a particularly favorable development of the antenna system according to the invention, the beveled surface area of the antenna elements also includes the circular one Free space, and the slot of the antenna elements extends from the non-folded surface area in the folded area. Due to the bending of the inner surface regions of the antenna elements, the feed points of the antenna elements are bent to a plane whose surface normal is oriented in the emission direction of the antenna elements. In other words, the inner surface areas of the antenna elements partially form a back surface for the antenna element array. On this back surface, the feeding points of the antenna elements are particularly easy to contact, and the array can be easily mounted on a back wall.

In einer vorteilhaften Ausbildung des Antennensystems ist das Antennensegment auf einer dielektrischen Rückwand montiert. Die dielektrische Rückwand wird als mechanischer Träger des Antennensegments bzw. als mechanischer Träger für das Antennenelementarray verwendet. Durch die dielektrischen Eigenschaften der Rückwand wird die Antennencharakteristik zunächst nicht beeinflusst.In an advantageous embodiment of the antenna system, the antenna segment is mounted on a dielectric backplane. The dielectric backplane is used as a mechanical support of the antenna segment or as a mechanical support for the antenna element array. The dielectric properties of the rear wall initially do not affect the antenna characteristic.

In einer optionalen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antennensystems weist die dielektrische Rückwand Zuführungs- und Betriebselemente des Antennensystems auf. Jedem Antennensegment in dem erfindungsgemäßen Antennensystem müssen Signale zugeführt werden. Die Signalzuführungen können besonders einfach und kostengünstig durch Strukturierungen von metallischen Schichten auf dielektrischen Platten in der sogenannten Leiterplattentechnik oder koaxial hergestellt werden. Als bevorzugtes Material für die dielektrische Rückwand kann beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff, wie Tecryl, verwendet werden. Es können aber auch andere geeignete Materialien eingesetzt werden. Des Weiteren müssen die Signale verstärkt werden, und für jedes Antennenelement muss eine gewünschte Phasenverschiebung realisiert werden. Diese Aufgaben werden von den Betriebselementen des Antennensystems realisiert. Die Betriebselemente, also die Signalverstärker und die Phasen-Schieber, werden möglichst nahe an den Antennenelementen, also auf der dielektrischen Rückwand oder direkt auf dem Antennenelement, realisiert.In an optional embodiment of the antenna system according to the invention, the dielectric backplane has supply and operating elements of the antenna system. Each antenna segment in the antenna system according to the invention signals must be supplied. The signal feeds can be produced in a particularly simple and cost-effective manner by structuring metallic layers on dielectric plates in the so-called printed circuit board technology or coaxially. As the preferred material for the dielectric backplane, for example, a fiber reinforced plastic such as Tecryl may be used. However, other suitable materials can also be used. Furthermore, the signals must be amplified and a desired phase shift must be realized for each antenna element. These tasks are realized by the operating elements of the antenna system. The operating elements, that is to say the signal amplifiers and the phase shifters, are realized as close as possible to the antenna elements, that is to say on the dielectric rear wall or directly on the antenna element.

In einer weiteren günstigen Variante des erfindungsgemäßen Antennensystems können auf der dielektrischen Rückwand auch Reflektoren vorgesehen sein. Reflektoren können in Richtung der dielektrischen Rückwand von den Antennenelementen ausgehende elektromagnetische Strahlung in die gewünschte Abstrahlrichtung reflektieren und so zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik eingesetzt werden.In a further favorable variant of the antenna system according to the invention, reflectors can also be provided on the dielectric rear wall. Reflectors may emanate towards the dielectric backplane from the antenna elements Reflect electromagnetic radiation in the desired direction of radiation and are used to optimize the radiation characteristics.

Es ist besonders von Vorteil, wenn das Antennensystem ein aus einem dielektrischen Material bestehendes Radom aufweist. Da die Antennen für den Außeneinsatz vorgesehen sind und bei ihrem Einsatz Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, ist es günstig, für das Antennensystem eine Verkleidung, ein sogenanntes Radom, vorzusehen, die einen Einfluss der Witterung auf die Eigenschaften des Antennensystems verhindern kann. Durch das Radom werden beispielsweise Regen- und Schneeablagerungen auf den Antennenelementen verhindert, welche die Eigenschaften der Antennencharakteristik beeinflussen würden. Als Material für die Herstellung des Radoms hat sich der faserverstärkte Kunststoff Tecryl bewährt. Es können jedoch auch andere geeignete Materialien verwendet werden.It is particularly advantageous if the antenna system has a radome consisting of a dielectric material. Since the antennas are intended for outdoor use and are exposed to weather conditions during their use, it is advantageous for the antenna system to provide a lining, a so-called radome, which can prevent the influence of the weather on the properties of the antenna system. For example, the radome prevents rain and snow deposits on the antenna elements that would affect the antenna characteristics. As a material for the production of the radome, the fiber-reinforced plastic Tecryl has proven itself. However, other suitable materials may be used.

Entsprechend einer günstigen Weiterbildung der Erfindung sind in oder auf dem Radom Direktoren vorgesehen. Direktoren sind Strukturelemente, die das Antennendiagramm der Antenne beeinflussen. In der Regel sind die Direktoren metallische Strukturen. Es kann jedoch auch die Form und die Materialzusammensetzung des Radoms zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik der Antenne eingesetzt werden.According to a favorable development of the invention, directors are provided in or on the radome. Directors are structural elements that influence the antenna pattern of the antenna. As a rule, the directors are metallic structures. However, it is also possible to use the shape and the material composition of the radome to optimize the emission characteristic of the antenna.

In einem weiteren möglichen Ausführungsbeispiel sind die Antennenelemente des erfindungsgemäßen Antennensystems dem für sie vorgesehenen Wellenlängenbereich entsprechend skaliert. Eine Skalierung der geometrischen Struktur der Antennenelemente ermöglicht die Anwendung der Erfindung über einen großen Frequenzbereich hinweg.In a further possible exemplary embodiment, the antenna elements of the antenna system according to the invention are scaled correspondingly to the wavelength range provided for them. Scaling the geometric structure of the antenna elements allows the application of the invention over a wide frequency range.

In einer besonders hoch entwickelten Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems ist die Phase und/oder die Leistung für jedes Antennenelement separat einstellbar und/oder veränderbar. Für jedes Antennenelement ist also beispielsweise ein eigener HF-Verstärker oder ein eigener HF-Verstärkerkanal und/oder eine eigene Phasenregelung vorgesehen. Dadurch kann das Antennensegment mit den einzelnen Antennenelementen besonders flexibel betrieben werden, und es bestehen maximale Einflussmöglichkeiten auf das Antennendiagramm, mit Abstrahlrichtung und Abstrahlcharakteristik, sowie auf die Polarisation.In a particularly sophisticated embodiment of the antenna system according to the invention, the phase and / or the power for each antenna element is separately adjustable and / or changeable. For example, a separate RF amplifier or a separate RF amplifier channel and / or a separate phase control is provided for each antenna element. As a result, the antenna segment can be operated particularly flexibly with the individual antenna elements, and there is maximum influence on the antenna diagram, with emission direction and emission characteristic, as well as on the polarization.

Gemäß einer besonders geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems ist für jedes Antennenelement ein HF-Ansteuerschaltkreis mit einem Leistungsverstärker und einer Phasenansteuerung vorgesehen, wobei die Position des HF-Ansteuerschaltkreises an dem Ansteuerpunkt des Antennenelementes vorgesehen ist und wobei das Antennenelement als Kühlkörper für den HF-Ansteuerschaltkreis vorgesehen ist. Durch das Vorsehen eines Leistungsverstärkers für jedes Antennenelement wird die HF-Leistung direkt an dem Ort erzeugt, wo sie benötigt wird und wo sie abgestrahlt werden soll. Dadurch werden Verluste auf langen Übertragungswegen ausgeschlossen. Durch die Realisierung der Phasenansteuerung direkt in dem HF-Ansteuerschaltkreis an dem Antennenelement kann die Phase für das Antennenelement exakt eingestellt werden. Durch die räumliche Nähe von Antennenelement und HF-Ansteuerschaltkreis ist es zudem möglich, das Antennenelement zusätzlich zu seiner Funktion der Radiowellenabstrahlung auch als Kühlkörper für den HF-Ansteuerschaltkreis zu verwenden. Auf diese Weise können Kosten für separate Kühlkörper eingespart werden, und das Antennensystem kann besonders kompakt realisiert werden.According to a particularly suitable embodiment of the antenna system according to the invention, an RF drive circuit with a power amplifier and a phase drive is provided for each antenna element, wherein the position of the RF drive circuit is provided at the drive point of the antenna element and wherein the antenna element is provided as a heat sink for the RF drive circuit is. By providing a power amplifier for each antenna element, the RF power is generated directly at the location where it is needed and where it is to be radiated. This eliminates losses on long transmission paths. By realizing the phase drive directly in the RF drive circuit on the antenna element, the phase for the antenna element can be set exactly. Due to the spatial proximity of antenna element and RF drive circuit, it is also possible to use the antenna element in addition to its function of the radio wave radiation as a heat sink for the RF drive circuit. In this way, costs for separate heatsink can be saved, and the antenna system can be realized very compact.

In einer optionalen Erweiterung des erfindungsgemäßen Antennensystems sind die Antennenelemente wenigstens teilweise mit einem dielektrischen Material beschichtet. Durch die Beschichtung mit dielektrischen Materialien kann eine Optimierung der gewünschten Antennencharakteristik erreicht werden.In an optional extension of the antenna system according to the invention, the antenna elements are at least partially coated with a dielectric material. By coating with dielectric materials, an optimization of the desired antenna characteristic can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antennensystems ist das Antennensystem aus wenigstens zwei Antennensegmenten ausgebildet, die derart angeordnet und angesteuert sind, dass ein vorgegebener Raumwinkelbereich versorgt wird. Die beschriebenen Antennensegmente zeichnen sich durch eine Richtwirkung aus. Mitunter kann mit einem Antennensegment bereits eine Bestrahlungsaufgabe erfüllt werden, beispielweise wenn ein langgestrecktes Dorf von der Abstrahlcharakteristik eines Antennensegmentes beleuchtet wird. In anderen Fällen ist aber eine größere Abdeckung, beispielsweise eine 360°-Abdeckung, um den Antennenstandort gefordert. In diesen Fällen werden mehrere Antennensegmente so kombiniert und eingerichtet, dass sie den in der Aufgabe definierten Versorgungsbereich optimal bedienen.In an advantageous embodiment of the antenna system according to the invention, the antenna system is formed from at least two antenna segments, which are arranged and controlled such that a predetermined solid angle range is supplied. The antenna segments described are characterized by a directivity. Sometimes an irradiation task can already be fulfilled with an antenna segment, for example if an elongated village is illuminated by the emission characteristic of an antenna segment. In other cases, however, greater coverage, such as 360 ° coverage, is required around the antenna site. In these cases, multiple antenna segments are combined and set up to best serve the coverage area defined in the task.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Feldes mit zeitlich variierender Polarisation gelöst, bei welchem ein Phasen-Array-Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Rundfunkantennensystem verwendet wird. Da, wie oben beschrieben, das erfindungsgemäße Phasen-Array-Antennensystem mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen emittiert, können hierdurch Signale erzeugt werden, welche am Empfangsort praktisch alle Polarisationsrichtungen einnehmen. Da zudem durch das erfindungsgemäße Phasen-Array-Antennensystem ein hoher Gewinn und eine große Bandbreite erzielbar ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hochfrequenzleistung mittels des hohen Gewinns auf den zu versorgenden Bereich konzentriert werden und eine Abstrahlung mehrerer Signale auf verschiedenen Frequenzen mit ein und demselben Antennensystem realisiert werden. Im Ergebnis kann eine verbesserte Funkversorgung, insbesondere für mobile Empfangsgeräte in kleinzelligen digitalen Rundfunknetzen, zur Verfügung gestellt werden.The object is further achieved by a method for generating an electric field with time varying polarization, in which a phase array antenna system according to one of claims 1 to 14 is used as a broadcast antenna system. Since, as described above, the inventive phase array antenna system emits with different polarization directions, thereby signals can be generated, which occupy virtually all polarization directions at the receiving location. In addition, since a high gain and a wide bandwidth can be achieved by the inventive phase array antenna system, the high frequency power can be concentrated by means of the high gain on the area to be supplied and a radiation of several signals at different frequencies with one and the same Antenna system can be realized. As a result, an improved radio coverage, especially for mobile receivers in small cell digital broadcasting networks, can be provided.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei

Figur 1: eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 2: schematisch ein Beispiel für ein Antennensegment des erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 3: schematisch eine Vivaldi-Struktur als Beispiel für ein Antennenelement des erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 4: schematisch eine Antennenelementreihe einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 5: schematisch abgewinkelte Metallblechstreifen mit Antennenelementreihen gemäß Fig. 4 zeigt;

Figur 6: schematisch Beispiele für Antennendiagramme von Antennensegmenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 7: schematisch einen HF-Ansteuerschaltkreis für ein Antennensegment eines erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt;
Figur 8: schematisch zwei unterschiedlich skalierte Antennensegmente für unterschiedliche erfindungsgemäße Phasen-Array-Antennensysteme mit unterschiedlichen Frequenzbereichen zeigt; und
Figur 9: schematisch ein Radom für ein Antennensegment eines erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems zeigt.

Preferred embodiments of the present invention, their structure, function and advantages are explained in more detail below with reference to figures, wherein

FIG. 1: shows a schematic view of an embodiment of a phase array antenna system according to the invention;
FIG. 2: schematically shows an example of an antenna segment of the phase array antenna system according to the invention;
FIG. 3: schematically shows a Vivaldi structure as an example of an antenna element of the phase array antenna system according to the invention;
FIG. 4: schematically shows an antenna element row of an embodiment of the phase array antenna system according to the invention;
FIG. 5: schematically angled sheet metal strips with antenna element rows according to Fig. 4 shows;

FIG. 6: schematically shows examples of antenna patterns of antenna segments of an embodiment of the inventive phase array antenna system;
FIG. 7: schematically shows an RF drive circuit for an antenna segment of a phase array antenna system according to the invention;
FIG. 8: schematically shows two differently scaled antenna segments for different inventive phase array antenna systems with different frequency ranges; and
FIG. 9: schematically shows a radome for an antenna segment of a phase array antenna system according to the invention.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystems 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das dargestellte Antennensystem 1 weist vier Antennensegmente 2 auf, welche wiederum jeweils mehrere aus Metallblech ausgebildete Antennenelemente 3 aufweisen. Die Antennensegmente 2 sind durch ein Radom 12 verkleidet und in dem gezeigten Beispiel an einem Mast 13 befestigt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Antennensystem 1 ist für die Radioversorgung eines Versorgungsgebietes vorgesehen, welches sich im Umkreis um den Antennenmast 13 befindet. Jedes Antennensegment 2 ist dabei für die Beleuchtung eines Teiles des Versorgungsgebietes, konkret eines Kreissektors mit einem Mittelpunktwinkel von etwa 90°, vorgesehen. Die Abstrahlrichtung der Antennensegmente 2 ist vom Antennenmast 13 radial nach außen gerichtet. Fig. 1 is a schematic representation of a phase array antenna system 1 according to the invention in a perspective view. The illustrated antenna system 1 has four antenna segments 2, which in turn each have a plurality of antenna elements 3 formed from sheet metal. The antenna segments 2 are clad by a radome 12 and secured to a mast 13 in the example shown. The illustrated embodiment of an inventive antenna system 1 is provided for the radio coverage of a coverage area, which is located in the vicinity of the antenna mast 13. Each antenna segment 2 is provided for the illumination of a part of the coverage area, specifically a circular sector with a center angle of about 90 °. The emission direction of the antenna segments 2 is directed radially outwards by the antenna mast 13.

In anderen, nicht dargestellten erfindungsgemäßen Antennensystemen kann auch eine andere Anzahl von Antennensegmenten 2 eingesetzt werden. Beispielsweise kann nur ein Antennensegment 2 zur Radioversorgung eines einseitigen Versorgungsgebietes oder es können beispielsweise acht Antennensegmente 2 zur Rundumversorgung verwendet werden.In other, not shown antenna systems according to the invention, a different number of antenna segments 2 can be used. For example, only one antenna segment 2 can be used for radio coverage of a single-sided coverage area or, for example, eight antenna segments 2 can be used for all-round coverage.

Fig. 2 zeigt schematisch ein einzelnes Antennensegment 2, das aus einem Antennenelementarray von zwei mal sechs Antennenelementen 3 ausgebildet ist. In dem Antennenelementarray sind die Antennenelemente 3 in zwei orthogonalen Orientierungen angeordnet. Eine dielektrische Rückwand 4 bildet die mechanische Grundlage des Antennensegments 2. Jedes Antennensegment 2 weist neben den Antennenelementen 3 auch eine Signalzuführung 20, ein Vernetzungselement 21 und Speiseleitungen 22 auf, wobei in der Darstellung von Fig. 2 nur zwei der hier verwendeten zwölf Speiseleitungen 22 skizziert sind. Das Vernetzungselement 21 kann jedes Antennenelement 3 des Antennensegments 2 mit einer einstellbaren Amplitude und Phasenlage speisen. Antennenelemente 3 mit einer ersten Orientierung werden vorzugsweise mit einer Phasenlage gespeist, und Antennenelemente 3 mit einer anderen Orientierung werden vorzugsweise mit einer um etwa 90° verschobenen Phasenlage gespeist, sodass das Antennensegment 2 zirkular polarisierte Wellen abstrahlt. Die Phasenlage jedes einzelnen Antennenelementes 3 wird dabei zur Optimierung der Abstrahlcharakterisik feineingestellt. Neben einer symmetrischen Speisung mit gleicher Leistung für Antennenelemente 3 beider Orientierungen kann auch eine unsymmetrische Speisung erfolgen, wobei dann in der abgestrahlten Welle die Polarisation der mit höherer Leistung gespeisten Antennenelementorientierung überwiegt. Eine differenzierte Leistungsansteuerung einzelner Antennenelemente 3 kann zur Optimierung der Abstrahlrichtung des Antennensegments 2 eingesetzt werden. Fig. 2 schematically shows a single antenna segment 2, which is formed from an antenna element array of two by six antenna elements 3. In the antenna element array the antenna elements 3 are arranged in two orthogonal orientations. A dielectric backplane 4 forms the mechanical basis of the antenna segment 2. Each antenna segment 2 has, in addition to the antenna elements 3, also a signal feed 20, a crosslinking element 21 and feed lines 22, in the illustration of FIG Fig. 2 only two of the twelve feed lines 22 used here are outlined. The crosslinking element 21 can feed each antenna element 3 of the antenna segment 2 with an adjustable amplitude and phase angle. Antenna elements 3 with a first orientation are preferably fed with a phase position, and antenna elements 3 with a different orientation are preferably fed with a shifted by about 90 ° phase position, so that the antenna segment 2 radiates circularly polarized waves. The phase angle of each individual antenna element 3 is fine-tuned to optimize the Abstrahlcharakterisik. In addition to a symmetrical feed with the same power for antenna elements 3 of both orientations, an asymmetrical feeding can also take place, in which case the polarization of the antenna element orientation fed with higher power predominates in the radiated wave. A differentiated power control of individual antenna elements 3 can be used to optimize the emission direction of the antenna segment 2.

Die Speiseleitungen 22 sind in den dargestellten Beispielen als separate Leitungen ausgeführt. In anderen, nicht dargestellten Varianten der Erfindung können sie auch in Schichten auf der dielektrischen Rückwand 4 oder zwischen Lagen der dielektrischen Rückwand 4 ausgebildet sein. Die dielektrische Rückwand 4 ist vorzugsweise aus dem dielektrischen Material Tecryl gefertigt. Die Rückwand 4 kann aber auch aus anderen dielektrischen Materialien oder aus Metall bestehen.The feed lines 22 are designed as separate lines in the examples shown. In other variants of the invention, not shown, they may also be formed in layers on the dielectric backplane 4 or between layers of the dielectric backplane 4. The dielectric back wall 4 is preferably made of the dielectric material Tecryl. The rear wall 4 may also consist of other dielectric materials or of metal.

Fig. 3 zeigt eine Vivaldi-Struktur als Beispiel für ein Antennenelement 3. Die Vivaldi-Struktur ist in einer Metallfläche eines Metallbleches ausgebildet. Sie ist durch einen Schlitz 6, durch einen kreisförmigen Freiraum 8 und eine Verbreiterung des Schlitzes 7 in Abstrahlrichtung gekennzeichnet. Diese Verbreiterung ist zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel exponentiell, kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch anders geometrisch gestaltet sein, wie es im Stand in der Technik bekannt ist. Die Abstrahlrichtung der Vivaldi-Struktur ist vom kreisförmigen Freiraum 8 zur Verbreiterung hin gerichtet. Die von einem Vivaldi-Element abgestrahlte Welle ist linear polarisiert, wobei der elektrische Feldvektor in der Ebene der Vivaldi-Struktur und orthogonal zur Abstrahlrichtung liegt. Eine Vivaldi-Struktur ist durch die Verbreiterung des Schlitzes 7 und durch den kreisförmigen Freiraum 8 für das Aussenden oder Empfangen eines breiten Frequenzbereiches geeignet. Sie ist daher ein breitbandiges und universelles Antennenelement 3. Je nach zu erfüllender Aufgabe für das erfindungsgemäße Antennensystem 1 können jedoch auch andere Antennenelementstrukturen verwendet werden, die beispielsweise schmalbandige Antennenelemente 3 sind, die für eine konkrete Frequenz optimiert sind. Für die weitere Beschreibung ist es günstig, die Vivaldi-Struktur in einen äußeren Flächenbereich 31, der auf der abstrahlenden Seite des Vivaldi-Elementes liegt, und in einen inneren Flächenbereich 30, in dem der kreisförmige Freiraum 8 des Vivaldi-Elementes liegt, zu unterteilen. Fig. 3 shows a Vivaldi structure as an example of an antenna element 3. The Vivaldi structure is formed in a metal surface of a metal sheet. It is characterized by a slot 6, by a circular space 8 and a broadening of the slot 7 in the emission direction. While this broadening is exponential in the embodiment shown, in other embodiments of the invention it may be otherwise geometrically designed, as is well known in the art. The radiation direction of the Vivaldi structure is directed from the circular space 8 to the broadening out. The emitted by a Vivaldi element wave is linearly polarized, wherein the electric field vector lies in the plane of the Vivaldi structure and orthogonal to the emission direction. A Vivaldi structure is suitable by the broadening of the slot 7 and the circular space 8 for the transmission or reception of a wide frequency range. It is therefore a broadband and universal antenna element 3. Depending on the task to be performed for the antenna system 1 according to the invention, however, other antenna element structures may be used which are, for example, narrow-band antenna elements 3 optimized for a specific frequency. For the further description, it is favorable to subdivide the Vivaldi structure into an outer surface region 31 which lies on the radiating side of the Vivaldi element and into an inner surface region 30 in which the circular free space 8 of the Vivaldi element lies ,

Fig. 4 zeigt schematisch eine aus einem Metallblech ausgebildete Antennenelementreihe 5, die in dem dargestellten Beispiel aus zwei Vivaldi-Strukturen besteht. In anderen, nicht dargestellten Ausbildungen kann die Antennenelementreihe 5, wie in Fig. 5 gezeigt, deutlich mehr als zwei Antennenelemente 3 aufweisen. Fig. 4 schematically shows an antenna element row 5 formed from a metal sheet, which consists in the illustrated example of two Vivaldi structures. In other embodiments, not shown, the antenna element row 5, as in Fig. 5 shown to have significantly more than two antenna elements 3.

Fig. 5 zeigt schematisch Metallblechstreifen, die zur Ausbildung von Antennensegmenten 2 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Phasen-Array-Antennensystem 1 vorgesehen sind. In den Metallblechstreifen sind durch zickzackförmiges Knicken der Metallblechstreifen Antennenelementreihen 5 mit jeweils zwei Antennenelementen 3 ausgebildet. Das heißt, in dem hier gezeigten Beispiel sind die Metallblechstreifen nach jedem zweiten Antennenelement 3 unter Ausbildung von Antennenelementreihen 5 mit jeweils zwei Vivaldi-Strukturen abgekantet. In den Antennenelementreihen 5 an der Grenze zwischen zwei Antennenelementen 3 sind Montageschlitze 10, 11 derart ausgebildet, dass die Montageschlitze 11 in die Montageschlitze 10 des anderen Metallblechstreifens unter Ausbildung eines Gitterrostes geführt werden können. Fig. 5 schematically shows sheet metal strips, which are provided for the formation of antenna segments 2 for use in a phase array antenna system 1 according to the invention. Antenna element rows 5, each with two antenna elements 3, are formed in the metal sheet strips by zigzag-shaped buckling of the sheet metal strips. That is, in the example shown here, the metal sheet strips are bent to every other antenna element 3 to form antenna element rows 5, each with two Vivaldi structures. In the antenna element rows 5 at the boundary between two antenna elements 3 mounting slots 10, 11 are formed such that the mounting slots 11 can be guided in the mounting slots 10 of the other sheet metal strip to form a grid.

Die inneren Flächenbereiche 30 der Antennenelemente 3 sind aus der Ebene der Antennenelemente 3 heraus abwechselnd in die eine und die andere Richtung jeweils um 90° abgekantet. Die Abkantung erfolgt nicht scharfkantig. Vorzugsweise erfolgt die Abkantung so, dass sich die abgekanteten Flächenbereiche 30 aneinander angrenzender Antennenelemente 3 nicht überlappen. Durch die Abkantung kann die Höhe der Metallblechstreifen in Abstrahlrichtung um etwa ein Drittel reduziert werden. Die HF-technischen Parameter der Antennenelemente 3 werden durch dieses Abkanten nicht verändert. Randbereiche der inneren Flächenbereiche 30 von Antennenelementen 3 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Reduzierung der Außenabmessungen des Antennenelementarrays an einer Kante 16 abgeschnitten. Durch das Beschneiden des inneren Flächenbereiches 30 der Antennenelemente 3 kann auch Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik des Antennensegmentes 2 genommen werden.The inner surface portions 30 of the antenna elements 3 are bent out of the plane of the antenna elements 3 alternately in one direction and the other direction by 90 °. The fold does not take place sharp-edged. The bending preferably takes place in such a way that the bevelled surface regions 30 of antenna elements 3 which adjoin one another do not overlap. Due to the fold, the height of the sheet metal strips in the direction of radiation can be reduced by about one third. The HF technical Parameters of the antenna elements 3 are not changed by this folding. Edge regions of the inner surface regions 30 of antenna elements 3 are cut off at an edge 16 in the illustrated embodiment in order to reduce the outer dimensions of the antenna element array. By trimming the inner surface region 30 of the antenna elements 3, it is also possible to influence the emission characteristic of the antenna segment 2.

Erfindungsgemäß werden zur Ausbildung der Antennensegmente 2 vorzugsweise Metallbleche verwendet, da diese besonders einfach und kostengünstig bearbeitbar sind. Unter einem Metallblech wird erfindungsgemäß in erster Linie eine flächige, beispielsweise durch Biegen umformbare Lage aus einem metallischen Material verstanden. Dabei kann die Lage auch aus mehreren, nebeneinander oder übereinander vorgesehenen metallischen Materialien ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, als Metallblech gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus metallischen und nichtmetallischen Materialien vorzusehen, insofern diese Kombination ähnlich wie ein einfaches Metallblech umformbar ist bzw. wenn die Umformung dieses Materials nur mit geringfügig erhöhtem Aufwand im Vergleich zum Umformen von einfachen Metallblechen möglich ist.According to the invention, metal sheets are preferably used to form the antenna segments 2, since they are particularly easy and inexpensive to machine. According to the invention, a metal sheet is primarily understood to mean a planar layer of a metallic material that can be deformed, for example, by bending. In this case, the layer may also be formed from a plurality of metallic materials provided next to one another or above one another. In principle, it is also possible to provide as a metal sheet according to the present invention, a combination of metallic and non-metallic materials, insofar as this combination is deformable similar to a simple metal sheet or if the deformation of this material only with slightly increased effort compared to forming of simple metal sheets is possible.

Die Metallflächen im äußeren Bereich der Antennenelemente 3, die nicht an Montageschlitze 10, 11 grenzen, sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit Einkerbungen 9 versehen, welche zur Optimierung des Frequenzverhaltens der Antennenelemente 3 dienen.The metal surfaces in the outer region of the antenna elements 3, which do not adjoin mounting slots 10, 11, are provided in the embodiment shown with notches 9, which serve to optimize the frequency response of the antenna elements 3.

Fig. 6 zeigt schematisch zwei übereinander aufgetragene Antennendiagramme 32, 33 von Antennensegmenten 2, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Die dargestellten Antennendiagramme sind horizontale Polarkoordinatendiagramme, welche die abgestrahlte Leistungsdichte in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel darstellen. Der Winkel bezeichnet die Abstrahlrichtung und der Radius die logarithmisch aufgetragene Leistungsdichte. Das Antennendiagramm 32 zeigt die Abstrahlcharakteristik eines nicht optimierten Antennensegments 2, dessen höchste Leistungsdichte bei 90° liegt, was gut an der Orientierung der sogenannten Hauptkeule erkennbar ist. Neben der Hauptkeule weist das Antennendiagramm 32 des nicht optimierten Antennensegments 2 auch unerwünschte Nebenkeulen bei 40° und 140° auf. Das in Fig. 2 dargestellte Antennensegment 2 weist bei einer optimierten Ansteuerung der Antennenelemente 3 das in Fig. 6 dargestellte Antennendiagramm 33 auf, bei dem die Nebenkeulen bei 40° und 140° vollständig eliminiert sind und bei dem die Breite der Hauptkeule von 60° auf nahezu 90° erhöht ist. Fig. 6 schematically shows two superimposed antenna diagrams 32, 33 of antenna segments 2, as shown in FIG Fig. 2 are shown. The illustrated antenna diagrams are horizontal polar coordinate diagrams representing the radiated power density as a function of the angle of radiation. The angle denotes the emission direction and the radius the logarithmically applied power density. The antenna diagram 32 shows the emission characteristic of a non-optimized antenna segment 2 whose highest power density is 90 °, which can be clearly recognized by the orientation of the so-called main lobe. In addition to the main lobe, the antenna diagram 32 of the non-optimized antenna segment 2 also has undesirable side lobes at 40 ° and 140 °. This in Fig. 2 shown antenna segment 2 has at a optimized control of the antenna elements 3 in the Fig. 6 illustrated antenna diagram 33, in which the sidelobes are completely eliminated at 40 ° and 140 ° and in which the width of the main lobe of 60 ° is increased to nearly 90 °.

Fig. 7 zeigt schematisch eine günstige Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems 1, bei welcher direkt an dem Antennenelement 3 ein HF-Ansteuerschaltkreis 24 vorgesehen ist. Durch die direkte Positionierung des HF-Ansteuerschaltkreises 24 am Ansteuerpunkt 25 entfällt die aufwendige Dimensionierung von Speiseleitungen. Da der HF-Ansteuerschaltkreis 24 die Leistungsverstärkung für das HF-Signal übernimmt, müssen über die Signal- und Informationsleitung 23 nur ein HF-Signal geringer Leistung und unproblematische Versorgungs- und Informationsströme zugeführt werden. Mit einer solchen Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems 1 können die Antennenelemente 3 optimal individuell angesteuert werden, und das Antennensystem 1 kann hocheffektiv und energieeffizient realisiert werden. Zudem kann durch die Verlustleistung des HF-Ansteuerschaltkreises 24 entstehende Wärme direkt über die Metallflächen der Antennenelemente 3 abgeführt werden. Über die Signal- und Informationsleitung 23 ist eine einfache Abänderung von Einstellungen oder auch eine adaptive Regelung des Antennensystems 1 möglich. Fig. 7 schematically shows a favorable embodiment of the antenna system 1 according to the invention, in which directly at the antenna element 3, an RF drive circuit 24 is provided. The direct positioning of the RF drive circuit 24 at the control point 25 eliminates the costly dimensioning of supply lines. Since the RF drive circuit 24 takes over the power amplification for the RF signal, only a low-power RF signal and unproblematic supply and information streams must be supplied via the signal and information line 23. With such a design of the antenna system 1 according to the invention, the antenna elements 3 can be controlled optimally individually, and the antenna system 1 can be realized highly effective and energy-efficient. In addition, heat generated by the power loss of the HF drive circuit 24 can be dissipated directly via the metal surfaces of the antenna elements 3. About the signal and information line 23 is a simple modification of settings or an adaptive control of the antenna system 1 is possible.

Fig. 8 zeigt schematisch zwei unterschiedlich geometrisch skalierte Antennensegmente 2, 2', welche in Anpassung an den jeweiligen Frequenzbereich unterschiedlich große Strukturabmessungen aufweisen. Das Antennensegment 2 ist in dem dargestellten Beispiel für einen 8 Kanäle mit je 8 MHz Breite umfassenden UHF-Frequenzbereich von 474 MHz bis 538 MHz vorgesehen. Das Antennensegment 2' ist hingegen für einen Bereich höherer Frequenzen von 656 MHz bis 720MHz ausgelegt. Um die erfindungsgemäßen Antennensysteme 1 möglichst kostengünstig ausbilden zu können, können für die Antennensegmente 2 und 2' Rückwände 4 gleicher Größe verwendet werden. Dadurch können weitere Elemente der Antennensysteme 1, wie beispielsweise Radome 12, 14 oder Befestigungselemente universell verwendet werden. Außer den dargestellten Antennensegmenten 2, 2' können auch andere Antennensegmente 2 für andere Frequenzbereiche oder mit anderer Arraygröße für andere Abstrahlcharakteristiken realisiert werden. Fig. 8 schematically shows two differently geometrically scaled antenna segments 2, 2 ', which have different sized structure dimensions in adaptation to the respective frequency range. The antenna segment 2 is provided in the illustrated example for a UHF frequency range of 474 MHz to 538 MHz comprising 8 channels with 8 MHz width each. The antenna segment 2 ', however, is designed for a range of higher frequencies from 656 MHz to 720 MHz. To be able to form the antenna systems 1 according to the invention as inexpensively as possible, back walls 4 of the same size can be used for the antenna segments 2 and 2 '. As a result, further elements of the antenna systems 1, such as radome 12, 14 or fasteners can be used universally. Apart from the illustrated antenna segments 2, 2 ', it is also possible to implement other antenna segments 2 for other frequency ranges or with a different array size for other emission characteristics.

Fig. 9 zeigt ein Radom 14 für ein einzelnes Antennensegment 2. Das Radom 14 besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, wie Tecryl, in den metallische Komponenten 15 integriert sind. Das Radom 14 ist zur abgedichteten Befestigung eines oben beschriebenen Antennensegmentes 2 vorgesehen. Das Radom 14 schützt das Antennensegment 2 mechanisch und gegen Umwelteinflüsse. Die Form und die Materialzusammensetzung des Radoms 14 kann zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik eingesetzt werden. Es können daher auch andere Radomformen und Materialien als hier dargestellt eingesetzt werden. Fig. 9 shows a radome 14 for a single antenna segment 2. The radome 14 is preferably made of a fiber reinforced plastic, such as Tecryl, in which metallic components 15 are integrated. The radome 14 is provided for the sealed attachment of an antenna segment 2 described above. The radome 14 protects the antenna segment 2 mechanically and against environmental influences. The shape and material composition of the radome 14 can be used to optimize the radiation characteristics. It is therefore possible to use other radomes and materials than those shown here.

Claims

A phased array antenna system (1) comprising at least one broadband antenna segment (2), the antenna segment (2) comprising a plurality of slotted antenna elements (3) radiating linearly polarized waves, and at least two antenna elements (3) aligned at right angles to each other are and the antenna segment (2) thus for the radiation of waves of two, mutually perpendicular polarization directions is formed, characterized in that the antenna elements (3) are formed of sheet metal.

Phase array antenna system according to claim 1, characterized in that in each case at least two antenna elements (3) are formed together to form at least one antenna element row (5) in a sheet metal strip; and at least two antenna element rows (5) are arranged crossed at least once to form an antenna element array, in that mounting slots (10, 11) formed between the antenna elements (3) are guided into each other.

Phase array antenna system according to claim 2, characterized in that the sheet metal strip is bent to form at least two antenna element rows (5).

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna elements (3) have the structure of a Vivaldi antenna, which has a circular clearance (8) in a metal surface and a slot (7) emanating from the free space, whose width increases in the direction of radiation; wherein inner surface regions (30) of the antenna elements (3), which are located opposite the slotted sides of the antenna elements (3), are bent transversely to the emission direction.

Phase array antenna system according to claim 4, characterized in that the beveled area of the antenna elements (3) also includes the circular space and that the slot of the antenna elements (3) extends from the non-folded surface area in the folded area.

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna segment (2) is mounted on a dielectric rear wall (4).

Phase array antenna system according to claim 6, characterized in that the dielectric backplane (4) comprises supply and operating elements (20, 21, 22) of the phase array antenna system (1).

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the phase array antenna system (1) comprises a radome (12) made of a dielectric material.

Phase array antenna system according to claim 8, characterized in that in or on the radome (12, 14) are provided directors.

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna elements of the phase array antenna system (1) are scaled according to the wavelength range provided for them.

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the phase and / or the power for each antenna element (3) is separately adjustable and / or variable.

Phase array antenna system according to claim 11, characterized in that for each antenna element (3) an HF drive circuit (24) is provided with a power amplifier and a phase drive, wherein the position of the RF drive circuit (24) at a Ansteuerpunkt (25 ) of the antenna element (3) is provided and wherein the antenna element (3) is provided as a heat sink for the RF drive circuit.

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna elements (3) are at least partially coated with a dielectric material.

Phase array antenna system according to one of the preceding claims, characterized in that the phase array antenna system (1) is formed from at least two antenna segments (2) which are arranged and controlled so that a predetermined solid angle range is supplied.

A method for generating an electric field with time-varying polarization, in which a phase array antenna system (1) according to any one of claims 1 to 14 is used as a broadcast antenna system.