EP3161903B1

EP3161903B1 - Antennenvorrichtung mit einstellbarer abstrahlcharakteristik und verfahren zum betreiben einer antennenvorrichtung

Info

Publication number: EP3161903B1
Application number: EP15718481.3A
Authority: EP
Inventors: Juergen Hasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2018-06-27
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: CN106463826A; WO2015197228A1; US10243268B2; EP3161903A1; CN106463826B; DE102014212494A1; JP2017518721A; US20170133757A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung mit einstellbarer Abstrahlcharakteristik, insbesondere eine Antennenvorrichtung mit einer Antennenanordnung von matrixartig angeordneten Antennenelementen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Antennenvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung.

Stand der Technik

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, in denen es erwünscht oder notwendig ist, elektromagnetische Wellen mittels einer Antenne mit einer vorgegebenen Richtwirkung auszusenden, d.h. mit einer vorbestimmten Richtcharakteristik, welche auch Abstrahlcharakteristik genannt wird. Beispielsweise ist es in Radaranwendungen vorteilhaft, elektromagnetische Wellen mit einer gewissen Richtwirkung auszusenden, um so die an einem Objekt reflektierten und empfangenen elektromagnetischen Wellen der Position des Objekts zuordnen zu können.
Insbesondere in Radaranwendungen ist es notwendig, die Richtung, in welche die elektromagnetischen Wellen ausgestrahlt werden, zu variieren, um einen größeren räumlichen Bereich mittels des Radars überwachen zu können. Dabei kommen beispielsweise bewegliche bzw. schwenkbare Antennen zum Einsatz. Bei solchen Antennen ist eine Mechanik notwendig, die es ermöglicht, die auf der Mechanik angebrachte Antenne in geeigneter Weise zu bewegen.
Ferner sind heute sog. Phased-Array-Antennen bekannt, bei welchen das Antennendiagramm elektronisch schwenkbar ist. Phased-Array-Antennen bestehen dabei aus einer Vielzahl von Antennenelementen (Array), welche aus einer gemeinsamen Signalquelle gespeist werden. Um das Antennendiagramm einer solchen Phased-Array-Antenne zu schwenken, werden die einzelnen Sendeelemente der Phased-Array-Antenne mit einem geeignet phasenverschobenen Signal angesteuert. Dadurch überlagern sich die einzelnen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in der gewünschten Richtung mit einer konstruktiven Interferenz und bilden so beispielsweise ein Maximum oder Minimum ausgestrahlter Energie in der gewünschten Richtung.
Solche Phased-Array-Antennen weisen zur individuellen Einstellung von Phase und Amplitude für jedes der Sendeelemente einen Phasenschieber und ein Dämpfungsglied auf. Eine für den Einsatz in Radaranwendungen geeignete Antenne wird beispielsweise in der DE 10 2010 040 793 A1 gezeigt.
In der US 3 293 647 A ist ein Dopplerantennen-Array mit mehreren Schlitzantennen beschrieben.
In der US 2009/298421 A1 ist ein Antennen-Array für Mikrowellen beschrieben.
In der US 4 746 92 A ist ein sequentiell gespeistes Mikrostreifen-Antennenarray beschrieben.
In der DE 10 2012 210314 A1 ist eine Antennenanordnung mit einstellbarer Abstrahlcharakteristik beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Antennenvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie mit den Merkmalen der jeweils zugehörigen abhängigen Ansprüche. Demgemäß ist vorgesehen eine Antennenvorrichtung mit einstellbarer Abstrahlcharakteristik mit: einer Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung, mittels welcher ein erstes, zweites, drittes und viertes elektrisches Einspeisesignal bereitstellbar sind; wobei die elektrischen Einspeisesignale zueinander kohärent sind und zum Einstellen der einstellbaren Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung angepasste Phasen relativ zueinander aufweisen, wobei die Phasen mittels einer Einspeisesignal-Anpassungseinrichtung anpassbar sind; mit einer ersten Speisungsstrecke mit einer ersten Vielzahl von ersten Abzweigungseinrichtungen, wobei mittels einem ersten Einspeiseanschluss, welcher an einem ersten Ende der ersten Speisungsstrecke angeordnet ist, das erste elektrische Einspeisesignal in die erste Speisungsstrecke einspeisbar ist; und wobei mittels einem zweiten Einspeiseanschluss, welcher an einem zweiten Ende der ersten Speisungsstrecke angeordnet ist, das zweite elektrische Einspeisesignal in die erste Speisungsstrecke einspeisbar ist; mit einer zweiten Speisungsstrecke mit einer zweiten Vielzahl von zweiten Abzweigungseinrichtungen, wobei mittels einem dritten Einspeiseanschluss an einem ersten Ende der zweiten Speisungsstrecke das dritte elektrische Einspeisesignal in die zweite Speisungsstrecke einspeisbar ist; und wobei mittels einem vierten Einspeiseanschluss an einem zweiten Ende der ersten Speisungsstrecke das vierte elektrische Einspeisesignal in die zweite Speisungsstrecke einspeisbar ist; und einer dritten Vielzahl von Antennenspalten; wobei jede Antennenspalte eine jeweilige vierte Vielzahl von elektrisch verbundenen Antennenelementen aufweist; wobei die Antennenspalten jeweils zwischen einer der ersten Abzweigungseinrichtungen der ersten Speisungsstrecke und einer der zweiten Abzweigungseinrichtungen der zweiten Speisungsstrecke elektrisch eingekoppelt sind; wobei mittels jeder der ersten Abzweigungseinrichtungen Signale aus der ersten Speisungsstrecke zu der jeweiligen, an die erste Abzweigungseinrichtung gekoppelten Antennenspalte zum Anregen der Antennenelemente der jeweiligen Antennenspalte zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen mit der eingestellten Abstrahlcharakteristik leitbar sind; und wobei mittels jeder der zweiten Abzweigungseinrichtungen Signale aus der zweiten Speisungsstrecke zu der jeweiligen, an die zweite Abzweigungseinrichtung gekoppelte Antennenspalte zum Anregen der Antennenelemente der jeweiligen Antennenspalte zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen mit der eingestellten Abstrahlcharakteristik leitbar sind.
Unter einer Speisungsstrecke ist insbesondere eine Leitung zu verstehen, welche zum Speisen von Antennenspalten mit elektrischen Signalen verwendet wird, wobei die Speisungsstrecke auch ein oder mehrere Abzweigungen und/oder Signalanpassungseinrichtungen wie etwa Phasenschieber oder Verstärker aufweisen kann. Unter einer Anordnung eines Elements A "elektrisch zwischen" zwei anderen Elementen B soll insbesondere verstanden sein, dass elektrische Signale, welche auf dem elektrischen Weg mit dem geringsten Verlust, vorzugsweise entlang eines elektrischen Leiters, zwischen den zwei anderen Elementen B verlaufen, zwangsläufig das Element A durchqueren.
Weiterhin ist vorgesehen ein Verfahren zum Betreiben einer Antennenvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung, mit den Schritten: Erzeugen eines ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Signals, welche zueinander kohärent sind; Bereitstellen eines ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Einspeisesignals, durch Anpassen zumindest von relativen Phasen des ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Signals zum Einstellen der Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung; Anlegen des ersten Einspeisesignals an einen ersten Einspeiseanschluss der Antennenvorrichtung; Anlegen des zweiten Einspeisesignals an einen zweiten Einspeiseanschluss der Antennenvorrichtung; Anlegen des dritten Einspeisesignals an einen dritten Einspeiseanschluss der Antennenvorrichtung; und Anlegen des vierten Einspeisesignals an einen vierten Einspeiseanschluss der Antennenvorrichtung.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Abstrahlcharakteristik einer Antennenvorrichtung, welche matrixartig angeordnete Antennenelemente als Einzelstrahler aufweist, und welche mit vier oder mehr voneinander unabhängigen und individuell in Amplitude und/oder Phase variierbaren Einspeisesignalen an vier oder mehr verschiedenen Einspeiseanschlüssen gespeist wird, zweidimensional anpassbar ist. Das heißt, dass insbesondere eine Elevation und ein Azimut der Hauptkeule der Abstrahlcharakteristik anpassbar und die Hauptkeule somit elektronisch in zwei Dimensionen schwenkbar ist.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, eine Antennenvorrichtung mit vier oder mehr Einspeisesignalen, insbesondere gleichzeitig, zu speisen, welche derart angepasst sind, dass Antennenelemente der Antennenvorrichtung durch zueinander derart phasenverschobene elektrische Signale angeregt werden, dass die Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung, durch Überlagerung der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen, wie gewünscht ausgebildet wird.
Besonders vorteilhaft werden Einspeisesignale im Frequenzbereich von 1 bis 150 Gigahertz, insbesondere von 20 bis 100 Gigahertz. Die Abmessungen der einzelnen Antennenelemente können dann etwa im Millimeterbereich gewählt werden. Die Antennenanordnung kann einfach in Leiterplattentechnologie realisiert werden. Besonders bevorzugt werden Einspeisesignale in einem Frequenzbereich von 70 bis 85 Gigahertz sowie im Wesentlichen quadratische Antennenelemente mit einer Kantenlänge in der Größenordnung von einem Millimeter verwendet. Vorteilhafterweise ist die Antennenvorrichtung an einem Fahrzeug, insbesondere einem Straßenfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug, angeordnet.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen mindestens einem, insbesondere jedem Paar von zwei aufeinander entlang der ersten Speisungsstrecke folgenden Abzweigungseinrichtungen eine Signal-Anpassungseinrichtung angeordnet, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen dem Paar der zwei entlang der ersten Speisungsstrecke aufeinander folgenden Abzweigungseinrichtungen entlang der ersten Speisungsstrecke verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen mindestens einem, insbesondere jedem Paar von zwei aufeinander entlang der zweiten Speisungsstrecke folgenden Abzweigungseinrichtungen eine Signal-Anpassungseinrichtung angeordnet, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen dem Paar der zwei entlang der zweiten Speisungsstrecke aufeinander folgenden Abzweigungseinrichtungen entlang der zweiten Speisungsstrecke verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist. Somit kann ein besonders vorteilhaftes Verteilen der eingespeisten elektrischen Einspeisesignale zum Erlangen der gewünschten Abstrahlcharakteristik erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist elektrisch zwischen mindestens einer, insbesondere jeder, der Abzweigungseinrichtungen und einer jeweiligen, an der mindestens einen Abzweigungseinrichtung eingekoppelten Antennenspalte eine Signal-Anpassungseinrichtung angeordnet, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen der Abzweigungseinrichtung und der Antennenspalte verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist mindestens eine Signalanpassungseinrichtung einen Phasenschieber auf. Der mindestens eine, mittels der Signalanpassungseinrichtung anpassbare Parameter des elektrischen Signals ist demnach eine Phase des elektrischen Signals ist. Vorzugsweise ist jede der Signalanpassungseinrichtungen als Phasenschieber ausgebildet. Die Signalanpassungseinrichtung ist vorteilhafterweise als eckig oder geschwungen geführte Abweichung einer Leiterbahn von einer Führung der Leiterbahn auf einem kürzesten Weg zwischen zwei Abzweigungseinrichtungen oder zwischen einer Abzweigungseinrichtung und einer Antennenspalte ausgebildet. Hierdurch sind Phasenschieber mit besonders geringem technischen Aufwand realisierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine, vorzugsweise sind alle, der Abzweigungseinrichtungen als einfache Leitungsknoten, insbesondere als Drei-Leitungs-Knoten ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zumindest die erste und zweite Speisungssstrecke, die ersten und zweiten Abzweigungseinrichtungen, die Antennenspalten und die Antennenelemente in Mikrostreifentechnologie ausgebildet. Vorzugsweise ist die gesamte Antennenanordnung in Mikrostreifentechnologie ausgebildet. Somit ist die Antennenanordnung mit besonders geringem technischen Aufwand herstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Anlegen des ersten, zweiten, dritten und vierten Einspeiseanschlusses zumindest teilweise gleichzeitig. Hierdurch ist durch Überlagern der die Antennenelemente anregenden Signale, welche auf den Einspeisesignalen basieren, eine besonders genaue Einstellung der Abstrahlcharakteristik möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt: Anpassen der Phase und/oder der Amplitude mindestens eines des ersten, zweiten, dritten und vierten Einspeisesignals zum Anpassen der eingestellten Abstrahlcharakteristik. Hierdurch kann etwa eine elektronische Strahlschwenkung erfolgen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: ein schematisches Blockschaltbild der Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A: ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenanordnung 101 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B: ein schematische Aufsicht auf die Antennenanordnung 101 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A und Fig. 4B: beispielhafte eingestellte Abstrahlcharakteristiken der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 5A: ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenanordnung 201 einer Antennenvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5B: ein schematische Aufsicht auf die Antennenanordnung 201 der Antennenvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6: ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Betreiben einer Antennenvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der ersten Ausführungsform weist die Antennenvorrichtung 100 eine Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 auf, welche über erste bis vierte, kurz i-te, Leitungen L-1, L2, L3, L4, kurz L-i, mit einer Antennenanordnung der Antennenvorrichtung 100 elektrisch verbunden ist. Weiterhin weist die Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform eine Steuereinrichtung 400 zum Steuern steuerbarer Elemente der Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 auf. Über eine Schnittstelle 500 der Steuereinrichtung 400 kann, automatisch oder von einem Nutzer, die gewünschte einzustellende Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung eingegeben werden.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der ersten Ausführungsform weist die Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 eine Einspeisesignal-Erzeugungseinrichtung 310 und eine Einspeisesignal-Anpassungseinrichtung 340 auf. Basierend auf der gewünschten einzustellenden Abstrahlcharakteristik steuert die Steuereinrichtung 400 die Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300, insbesondere die Einspeisesignal-anpassungseinrichtung 340.
Die Einspeisesignal-Erzeugungseinrichtung 310 weist einen Signalgenerator 370 auf, mittels welchem ein kohärentes elektrisches Ursprungssignal D0 mit einer ursprünglichen Phase und einer ursprünglichen Amplitude erzeugbar ist. Das Ursprungssignal D0 wird an eine Teilungseinrichtung 320 übermittelt, welche das Ursprungssignal in ein erstes bis viertes Teilsignal T1, T2, T3, T4, im kurz T-i, aufteilt und diese an jeweils eine erste bis vierte, mittels der Steuereinrichtung 400 steuerbare, Phasenanpassungseinrichtung 360-1, 360-2, 360-3, 360-4, kurz 360-i, übermittelt. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Teilungseinrichtung 320 eine vierfache Leitungsaufspaltung, also ein Fünf-Leitungs-Knoten, mittels welcher das Ursprungssignal D0 in die vier Teilsignale T-i mit jeweils einer Leistung von einem Viertel einer Ursprungssignal-Leistung aufgeteilt wird.
Die i-te steuerbare Phasenanpassungseinrichtung 360-i, mit i von eins bis vier, ist dazu ausgelegt, eine i-te Phase des i-ten Teilsignals T-i um einen i-ten Phasenverschiebungswert Δϕ-i relativ zu der ursprünglichen Phase des Ursprungssignals zu verschieben. Unter einer "i-ten Phase" oder einer "i-ten Amplitude des i-ten Teilsignals T-i" soll nur eine Benennung verstanden sein, nicht etwa dass das i-te Teilsignal über mehrere Phasen oder Amplituden von einer ersten bis zu einer i-ten verfügt.
Beispielsweise ist die dritte steuerbare ΔPhasenanpassungseinrichtung 360-3 dazu ausgelegt, die dritte Phase des dritten Teilsignals T-3 um einen dritten Phasenverschiebungswert Δϕ-3 relativ zu der ursprünglichen Phase des Ursprungssignals zu verschieben. Einer oder mehrere der i-ten Phasenverschiebungswerte Δϕ-i können dabei auch verschwindend, also gleich Null sein, sodass das entsprechende i-te Teilsignal T-i phasengleich mit dem Ursprungssignal bleiben kann. Gemäß der ersten Ausführungsform sind die steuerbaren Phasenanpassungseinrichtungen 360-i als Phasenschieber ausgebildet.
Die jeweilige i-te steuerbare Phasenanpassungseinrichtung 360-i übermittelt das i-te Teilsignal mit der um den i-ten Phasenverschiebungswert Δϕ-i verschobenen i-ten Phase an eine jeweilige i-te Amplitudenanpassungseinrichtung 380-i, mittels welcher eine jeweilige i-te Amplitude des i-ten Teilsignals um einen jeweiligen i-ten Verstärkungswert dB-i verstärkbar oder verringerbar ist. Der i-te Verstärkungswert dB-i kann dabei auch eins betragen, sodass im Wesentlichen kein Verstärken oder Verringern der i-ten Amplitude stattfindet. Die jeweilige i-te Teilsignal mit der um den i-ten Phasenverschiebungswert Δϕ-i verschobenen i-ten Phase und der um den i-ten Verstärkungswert dB-i verstärkten oder verringerten i-ten Amplitude wird als i-tes, also als erstes, zweites, drittes oder viertes Einspeisesignal D1, D2, D3, D4 an einen jeweiligen i-ten Ausgabeanschluss 331-i der Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung 300 übermittelt. Beispielsweise wird das dritte Teilsignal mit der um den dritten Phasenverschiebungswert Δϕ-3 verschobenen Phase und der um den dritten Verstärkungswert dB-3 verstärkten dritten Amplitude als drittes Einspeisesignal D3 an den dritten Ausgabeanschluss 331-3 übermittelt.
Fig. 3A zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenanordnung 101 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3B zeigt ein schematische Aufsicht auf die Antennenanordnung 101 der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Antennenanordnung 101 ist gemäß der ersten Ausführungsform in Mikrostreifentechnologie mit Patch-Antennen ausgebildet.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist der jeweilige i-te Ausgabeanschluss 331-i über elektrische Leitungen, insbesondere direkt, über jeweils die i-te Leitung L-i mit einem jeweiligen i-ten Einspeiseanschluss 131, 132, 133, 134 elektrisch verbunden. Beispielsweise ist der dritte Ausgabeanschluss 331-3 über die dritte Leitung L-3 elektrisch mit dem dritten Einspeiseanschluss 133 verbunden.
Die Antennenanordnung 101 der Antennenvorrichtung 100 weist eine erste, im Wesentlichen linear ausgebildet Speisungsstrecke 110 und eine zweite, im Wesentlichen linear ausgebildete Speisungsstrecke 120 auf. In die erste Speisungsstrecke 110 ist an einem ersten von zwei Enden der ersten Speisungsstrecke 110 mittels des ersten Einspeisepunkts 131 das erste Einspeisesignal D1 einspeisbar und an einem zweiten der zwei Enden der ersten Speisungsstrecke 110 mittels des zweiten Einspeisepunkts 132 das zweite Einspeisesignal D2 einspeisbar. In die zweite Speisungsstrecke 120 ist an einem ersten von zwei Enden der zweiten Speisungsstrecke 120 mittels des dritten Einspeisepunkts 133 das dritte Einspeisesignal D3 einspeisbar und an einem zweiten der zwei Enden der zweiten Speisungsstrecke 120 mittels des vierten Einspeisepunkts 134 das vierte Einspeisesignal D4 einspeisbar.
Die erste Speisungsstrecke 110 weist eine erste Vielzahl von ersten Abzweigungseinrichtungen 150-i auf, welche entlang der ersten Speisungsstrecke 110 voneinander beabstandet angeordnet sind. Gemäß der ersten Ausführungsform beträgt die erste Vielzahl vier. Die ersten Abzweigungseinrichtungen 150-1, 150-2, 150-3, 150-4 sind jeweils, wie in Fig. 3B gezeigt, als einfache, T-förmige Drei-Leitungs-Knoten ausgebildet.
Die zweite Speisungsstrecke 120 weist eine zweite Vielzahl von zweiten Abzweigungseinrichtungen 151-i auf, welche entlang der zweiten Speisungsstrecke 120 voneinander beabstandet angeordnet sind. Gemäß der ersten Ausführungsform beträgt die zweite Vielzahl vier. Die zweiten Abzweigungseinrichtungen 151-1, 151-2, 151-3, 151-4 sind jeweils, wie in Fig. 3B gezeigt, als einfache, T-förmige Drei-Leitungs-Knoten ausgebildet. Jeweilige Teilungseigenschaften der ersten und zweiten Abzweigungseinrichtungen 150-i, 151-i können beispielsweise durch Impedanzeigenschaften und/oder verschieden breit ausgebildete Leitungsbreiten der drei an den Drei-Leitungs-Knoten zusammenlaufenden Leitungen eingestellt sein.
Zwischen je einer ersten Abzweigungseinrichtung 150-i und einer zweiten Abzweigungseinrichtung 151-i ist jeweils elektrisch eine einer dritten Vielzahl von Antennenspalten 140-i, hier von vier Antennenspalten 140-i, eingekoppelt. Jede der Antennenspalten 140-i weist eine jeweilige vierte Vielzahl von Antennenelementen 142-ij auf, welche gemäß der ersten Ausführungsform als Patch-Antennen ausgebildet sind. Gemäß der ersten Ausführungsform sind weiterhin alle vierten Vielzahlen gleich und haben den Wert fünf. Die Patchantennen können unterschiedliche groß ausgebildet sein, beispielsweise mit verhältnismäßig größeren Flächen in der Nähe der ersten und zweiten Einspeisungsstrecke 110, 120 und mit verhältnismäßig kleineren Flächen in der Nähe eines Mittelpunkts zwischen der ersten und zweiten Einspeisungsstrecke 110, 120.
Die Antennenspalten 140-i sind zueinander im Wesentlichen parallel. Die Antennenelemente 142-ij sind zum Ausbilden der Antennenspalten 140-i innerhalb einer jeweiligen Antennenspalte 140-i jeweils über eine lineare, in Mikrostreifentechnologie ausgebildete Leitung 144-i miteinander elektrisch verbunden. Die linear ausgebildeten ersten und zweiten Leistungsstrecken 110, 120 sind ebenfalls zueinander parallel und stehen vorteilhafter Weise im Wesentlichen senkrecht auf den Antennenspalten 140-i.
Elektrisch zwischen je zwei ersten, einander entlang der ersten Speisungsstrecke 110 aufeinanderfolgenden Abzweigungseinrichtungen 150-i ist jeweils ein erster Phasenschieber 160-i angeordnet, welcher eine Phase eines zwischen den jeweiligen zwei ersten Abzweigungseinrichtungen 150-i verlaufenden elektrischen Signals verschiebt. Elektrisch zwischen je zwei zweiten, einander entlang der zweiten Speisungsstrecke 120 aufeinanderfolgenden Abzweigungseinrichtungen 151-i ist jeweils ein zweiter Phasenschieber 161-i angeordnet, welcher eine Phase eines zwischen den jeweiligen zwei zweiten Abzweigungseinrichtungen 151-i verlaufenden elektrischen Signals verschiebt.
Wie in Fig. 3B gezeigt, sind gemäß der ersten Ausführungsform die ersten und zweiten Phasenschieber 160-i, 161-i als jeweils eine eckige, rechteckimpulsförmige geführte Abweichung einer elektrischen Leiterbahn zwischen den jeweiligen ersten oder zweiten Abzweigungseinrichtungen 150-i, 151-i von einer linearen Führung der Leiterbahn auf einem kürzesten Weg zwischen den jeweiligen aufeinanderfolgenden ersten oder zweiten Abzweigungseinrichtungen 150-i, 151-i ausgebildet. Die rechteckimpulsförmige Abweichung erfolgt dabei stets in eine von den Antennenspalten 142-ij abgewandte Richtung.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind Abmessungen der Phasenschieber 160-i, 161-i und der Speisungsstrecken 110, 120 derart gewählt, dass sich die Laufzeit mindestens eines in eine Speisungsstrecke 110, 120 eingespeisten Einspeisesignals T1, T2, T3, T4, vorzugsweise aller Einspeisesignale T1, T2, T3, T4, zwischen je zwei entlang der entsprechenden Speisungsstrecke 110, 120 aufeinanderfolgenden Abzweigungseinrichtungen 150-i, 150-i stets um den gleichen Laufzeit-Differenzbetrag erhöht. Beispielsweise sind die Abmessungen der Phasenschieber 160-i, 161-i und der Speisungsstrecken 110, 120 derart gewählt, dass das an dem ersten Einspeisepunkt 131 eingespeiste erste Einspeisesignal T1 zu einem Zeitpunkt t0 auf die erste Abzweigungseinrichtung 150-1 auftrifft, entlang der ersten Speisungsstrecke 110 zu einem Zeitpunkt t0+
t auf die zweite Abzweigungseinrichtung 150-2 auftrifft, entlang der ersten Speisungsstrecke 110 zu einem Zeitpunkt t0+2
t auf die dritte Abzweigungseinrichtung 150-3 auftrifft und entlang der ersten Speisungsstrecke 110 zu einem Zeitpunkt t0+3
t auf die vierte Abzweigungseinrichtung 150-4 auftrifft.
Somit kann durch gleichzeitiges Einspeisen von zwei, drei oder vier der ersten bis vierten Einspeisesignale T1, T2, T3, T4, jeweils mit den angepassten i-ten Phasen und/oder angepassten i-ten Amplituden gezielt gesteuert werden, mit welchen Signalen zu welchen Zeitpunkten welche Antennenelemente 142-ij zum Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden, wodurch eine aktuelle Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung der eingestellten Abstrahlcharakteristik entspricht. Durch weiteres Anpassen der i-ten Phasen und/oder i-ten Amplituden der ersten bis vierten Einspeisesignale T1, T2, T3, T4 kann ein elektronisches Strahlschwenken durchgeführt werden.
Fig. 4A und 4B zeigen beispielhafte eingestellte Abstrahlcharakteristiken der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Bei einer Anordnung der Antennenanordnung 101 in einer Ebene senkrecht zum Erdboden, mit den Speisungsstrecken 110, 120 parallel zum Erdboden, etwa in einem Fahrzeug, können so Elevationswinkel und Azimutwinkel θ einer Hauptkeule der Abstrahlcharakteristik eingestellt werden. Zum Ausbilden eines minimalen Azimut-Winkels
min können beispielsweise nur das erste und das zweite Einspeisesignal T1, T2 eingespeist werden, zum Ausbilden eines maximalen Azimut-Winkels
max können beispielsweise nur das dritte und das vierte Einspeisesignal T3, T4 eingespeist werden. Zum Ausbilden eines minimalen Elevations-Winkels können beispielsweise nur das erste und das dritte Einspeisesignal T1, T3 eingespeist werden, zum Ausbilden eines maximalen Elevations-Winkels können beispielsweise nur das zweite und das vierte Einspeisesignal T2, T4 eingespeist werden.
Fig. 4A zeigt eine Direktivität d in Dezibel als Funktion des Azimutwinkels
in Grad gemäß verschiedenen beispielhafte Abstrahlcharakteristiken A1, A2, A3, A4, A5, darunter eine erste Abstrahlcharakteristik A1, deren Hauptkeule K1 den Azimutwinkel
mit dem minimalen Azimut-Winkel
min aufweist und eine fünfte Abstrahlcharakteristik A5, deren Hauptkeule K5 den Azimutwinkel
mit dem maximalen minimalen Azimut-Winkels
max aufweist.
Fig. 4B zeigt die Direktivität d in Dezibel als Funktion des Azimutwinkels
in Grad gemäß zwei weiteren beispielhaften Abstrahlcharakteristiken A6, A7. Die sechste Abstrahlcharakteristik A6 weist eine maximale Hauptkeule K6 bei
=0 Grad auf, beispielsweise indem die Einspeisesignale T1, T2, T3, T4 zum positiven Interferieren bei
=0 angepasst werden. Die siebte Abstrahlcharak-teristik A7 weist eine minimale, verschwindende Hauptkeule K7 bei
=0 Grad auf, beispielsweise indem die Einspeisesignale T1, T2, T3, T4 zum negativen Interferieren bei
=0 ausgebildet oder angepasst werden. Dazu kann vorteilhafter Weise das dritte Einspeisesignal T3 als invertiertes, also im Vorzeichen umgekehrtes, erstes Einspeisesignal T1 und das zweite Einspeisesignal T2 als invertiertes viertes Einspeisesignal T4 ausgebildet oder angepasst werden.
Für eine Abstrahlcharakteristik mit einer Direktivität von im Wesentlichen Null bei null Grad im Elevationswinkel, in Fig. 4A mit einer Direktivität von -30 Dezibel dargestellt, kann vorteilhafter Weise das dritte Einspeisesignal T3 als invertiertes viertes Einspeisesignal T4 und das zweite Einspeisesignal T2 als invertiertes erstes Einspeisesignal T1 ausgebildet oder angepasst werden. Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik etwa um ein direkt vor der Antenne liegendes Objekt herum führbar sein.
Fig. 5A zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Antennenanordnung 201 einer Antennenvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Antennenvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform ist eine Variante der Antennenvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform, von welcher sie sich darin unterscheidet, dass sich die Antennenanordnung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform von der Antennenanordnung 101 gemäß der ersten Ausführungsform unterscheidet.
Fig. 5B zeigt ein schematische Aufsicht auf die Antennenanordnung 201 der Antennenvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Antennenanordnung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform ist eine Variante der Antennenanordnung 101 gemäß der ersten Ausführungsform und unterscheidet sich von dieser lediglich in der Ausbildung und Anordnung der Phasenschieber. Die Antennenanordnung 201 weist, wie in Fig. 5A gezeigt, jeweils geradlinige elektrische Verbindungen, welche in Mikrostreifentechnologie auf dem kürzesten Weg zwischen je zwei einander entlang der ersten oder zweiten Speisungsstrecke 210, 220 aufeinanderfolgenden ersten oder zweiten Abzweigungseinrichtungen 150-i, 151-i geführt sind, auf.
Im weiteren Gegensatz zur Antennenanordnung 101 weist die Antennenanordnung 201, wie in Fig. 5A gezeigt, jeweils einen ersten Phasenschieber 260-i elektrisch zwischen jeder ersten Abzweigungseinrichtung 150-i und einer jeweiligen, direkt über die erste Abzweigungseinrichtung 150-i an die erste Speisungsstrecke 210 angekoppelten Antennenspalte 140-i auf. Weiterhin weist die Antennenanordnung 201 jeweils einen zweiten Phasenschieber 261-i elektrisch zwischen jeder der zweiten Abzweigungseinrichtungen 151-i und einer jeweiligen, direkt über die zweite Abzweigungseinrichtung 151-i an die zweite Speisungsstrecke 220 angekoppelten Antennenspalte 140-i auf.
Wie in Fig. 5B gezeigt, sind gemäß der zweiten Ausführungsform die ersten und zweiten Phasenschieber 260-i, 261-i als jeweils eine abgewinkelt eckig oder geschwungen geführte Abweichung einer elektrischen Leiterbahn von einer linearen Führung der Leiterbahn auf einem kürzesten Weg zwischen der jeweiligen ersten oder zweiten Abzweigungseinrichtungen 150-i, 151-i und der jeweiligen Antennenspalte 140-i ausgebildet.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Betreiben einer Antennenvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform eignet sich insbesondere zum Betreiben der Antennenvorrichtung 100, 200 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für Details zu dem Verfahren wird auch auf die Erläuterungen zu den vorangehenden Figuren 1 bis 5 verwiesen. Das Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform kann vorteilhaft derart angepasst werden, dass auch die verschiedenen beschriebenen Varianten und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 100, 200 damit betrieben werden können.
In einem Schritt S01 wird das erste, zweite, dritte und vierte elektrische Teilsignal T1, T2, T3, T4 erzeugt, wie oben anhand von Fig. 2 näher erläutert.
In einem Schritt S02 wird das erste, zweite, dritte und vierte elektrische Einspeisesignal D1, D2, D3, D4, durch Anpassen zumindest von relativen Phasen des ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Teilsignals T1, T2, T3, T4 zum Einstellen der Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung 100; 200 bereitgestellt.
Zum Anregen der Antennenelemente 142-ij zum Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung mit der eingestellten Abstrahlcharakteristik wird: in einem Schritt S03 das erste Einspeisesignal D1 an den ersten Einspeiseanschluss 131 der Antennenvorrichtung 100; 200 angelegt; in einem Schritt S04 das zweite Einspeisesignal D2 an den zweiten Einspeiseanschluss 132 der Antennenvorrichtung 100; 200 angelegt; in einem Schritt S05 das dritte Einspeisesignal D3 an den dritten Einspeiseanschluss 133 der Antennenvorrichtung 100; 200 angelegt; und in einem Schritt S06 das vierte Einspeisesignal D1 an den vierten Einspeiseanschluss 134 der Antennenvorrichtung 100; 200 angelegt. Das Anlegen S03, S04, S05, S06 kann wiederholt, dauerhaft und/oder immer oder zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen.
In einem Schritt S07 wird die Phase und/oder die Amplitude mindestens eines des ersten, zweiten, dritten und vierten Einspeisesignals D1, D2, D3, D4 zum Anpassen der eingestellten Abstrahlcharakteristik angepasst. Dies kann beispielsweise durch die Einspeisesignal-Anpassungseinrichtung 340, gesteuert von der Steuereinrichtung 400, erfolgen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Beispielsweise können die Antennenspalten jeweils voneinander unterschiedliche vierte Vielzahlen von Antennenelementen aufweisen. Die Antennenelemente können auch innerhalb einer Antennenspalte unterschiedliche Abmessungen aufweisen, beispielsweise zum Rand einer matrixförmigen Antennenanordnung hin tendenziell kleiner sein als zur Mitte hin.

Claims

Antennenvorrichtung (100; 200) mit zweidimensional einstellbarer Abstrahlcharakteristik, mit:
einer Einspeisesignal-Bereitstellungseinrichtung (300), welche konfiguriert ist, ein erstes, zweites, drittes und viertes elektrisches Einspeisesignal (D1, D2, D3, D4), welche voneinander unabhängig und individuell in Amplitude und/oder Phase variierbar sind, bereitzustellen; wobei die elektrischen Einspeisesignale (D1, D2, D3, D4) zueinander kohärent sind und zum Einstellen der einstellbaren Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung (100; 200) angepasste Phasen relativ zueinander aufweisen, wobei die Phasen mittels einer Einspeisesignal-Anpassungseinrichtung (340) anpassbar sind;

einer ersten Speisungsstrecke (110; 210) mit einer ersten Vielzahl von ersten Abzweigungseinrichtungen (150-i), wobei mittels einem ersten Einspeiseanschluss (131), welcher an einem ersten Ende (111) der ersten Speisungsstrecke (110; 210) angeordnet ist, das erste elektrische Einspeisesignal (D1) in die erste Speisungsstrecke (110; 210) einspeisbar ist, wobei mittels einem zweiten Einspeiseanschluss (132), welcher an einem zweiten Ende (112) der ersten Speisungsstrecke (110; 210) angeordnet ist, das zweite elektrische Einspeisesignal (D2) in die erste Speisungsstrecke (110; 210) einspeisbar ist;

einer zweiten Speisungsstrecke (120; 220) mit einer zweiten Vielzahl von zweiten Abzweigungseinrichtungen (151-i), wobei mittels einem dritten Einspeiseanschluss (133) an einem ersten Ende (121) der zweiten Speisungsstrecke (120; 220) das dritte elektrische Einspeisesignal (D3) in die zweite Speisungsstrecke (120; 220) einspeisbar ist, wobei mittels einem vierten Einspeiseanschluss (134) an einem zweiten Ende (122) der ersten Speisungsstrecke (110; 210) das vierte elektrische Einspeisesignal (D4) in die zweite Speisungsstrecke (120; 220) einspeisbar ist; und

einer dritten Vielzahl von Antennenspalten (140-i); wobei jede Antennenspalte (140-i) eine jeweilige vierte Vielzahl von elektrisch verbundenen Antennenelementen (142-ij) aufweist,

wobei die Antennenspalten (140-i) jeweils zwischen einer der ersten Abzweigungseinrichtungen (150-i) der ersten Speisungsstrecke (110; 210) und einer der zweiten Abzweigungseinrichtungen (151-i) der zweiten Speisungsstrecke (120; 220) elektrisch eingekoppelt sind;

wobei mittels jeder der ersten Abzweigungseinrichtungen (150-i) Signale aus der ersten Speisungsstrecke (110; 210) zu der jeweiligen, an die erste Abzweigungseinrichtung (150-i) gekoppelten Antennenspalte (140-i) zum Anregen der Antennenelemente (142-ij) der jeweiligen Antennenspalte (140-i) zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen mit der eingestellten Abstrahlcharakteristik leitbar sind; und

wobei mittels jeder der zweiten Abzweigungseinrichtungen (151-i) Signale aus der zweiten Speisungsstrecke (110; 210) zu der jeweiligen, an die zweite Abzweigungseinrichtung (151-i) gekoppelte Antennenspalte (140-i) zum Anregen der Antennenelemente (142-ij) der jeweiligen Antennenspalte (140-i) zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen mit der eingestellten Abstrahlcharakteristik leitbar sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1,
wobei zwischen mindestens einem, insbesondere jedem, Paar von zwei aufeinander entlang der ersten Speisungsstrecke (110) folgenden Abzweigungseinrichtungen (150-i) eine Signal-Anpassungseinrichtung (160-i) angeordnet ist, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen dem Paar der zwei entlang der ersten Speisungsstrecke (110) aufeinander folgenden Abzweigungseinrichtungen (150-i) entlang der ersten Speisungsstrecke (110) verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist;
und/oder

wobei zwischen mindestens einem, insbesondere jedem, Paar von zwei aufeinander entlang der zweiten Speisungsstrecke (120) folgenden Abzweigungseinrichtungen (151-i) eine Signal-Anpassungseinrichtung (161-i) angeordnet ist, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen dem Paar der zwei entlang der zweiten Speisungsstrecke (120) aufeinander folgenden Abzweigungseinrichtungen (151-i) entlang der zweiten Speisungsstrecke (120) verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 und 2,
wobei elektrisch zwischen mindestens einer, insbesondere jeder, der Abzweigungseinrichtungen (150-i, 151-i) und einer jeweiligen, an der mindestens einen Abzweigungseinrichtung (150-i, 151-i) eingekoppelten Antennenspalte (140-i) eine Signal-Anpassungseinrichtung (260-i, 261-i) angeordnet ist, mittels welcher mindestens ein Parameter, insbesondere eine Phase und/oder eine Amplitude, eines zwischen der Abzweigungseinrichtung (150-i, 151-i) und der Antennenspalte (140-i) verlaufenden elektrischen Signals anpassbar ist.
Vorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 2 und 3,
wobei mindestens eine Signalanpassungseinrichtung (160-i, 161-i; 260-i, 261-i) einen Phasenschieber aufweist und wobei der mindestens eine, mittels der Signalanpassungseinrichtung (160-i, 161-i; 260-i, 261-i) anpassbare Parameter des elektrischen Signals eine Phase des elektrischen Signals ist.
Vorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei mindestens eine Signalanpassungseinrichtung (160-i, 161-i; 260-i, 261-i) als eckig oder geschwungen geführte Abweichung einer Leiterbahn von einer Führung der Leiterbahn auf einem kürzesten Weg zwischen zwei Abzweigungseinrichtungen (150-i, 151-i) oder zwischen einer Abzweigungseinrichtung (150-i, 151-i) und einer Antennenspalte (140-i) ausgebildet ist.
Vorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei mindestens eine, vorzugsweise alle, der Abzweigungseinrichtungen (150-i, 151-i) als einfache Leitungsknoten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei zumindest die erste und zweite Speisungsstrecke (110, 120; 210, 220), die ersten und zweiten Abzweigungseinrichtungen (150-i, 151-i), die Antennenspalten (140-i) und die Antennenelemente (142-ij) in Mikrostreifentechnologie ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Antennenvorrichtung (100; 200), insbesondere einer Antennenvorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten:
Erzeugen (S01) eines ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Signals (T1, T2, T3, T4), welche zueinander kohärent sind und welche voneinander unabhängig und individuell in Amplitude und/oder Phase variierbar sind;

Bereitstellen (S02) eines ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Einspeisesignals (D1, D2, D3, D4), durch Anpassen zumindest von relativen Phasen des ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Signals (T1, T2, T3, T4) zum Einstellen der Abstrahlcharakteristik der Antennenvorrichtung (100; 200);

Anlegen (S03) des ersten Einspeisesignals (D1) an einen ersten Einspeiseanschluss (131) der Antennenvorrichtung (100; 200);

Anlegen (S04) des zweiten Einspeisesignals (D2) an einen zweiten Einspeiseanschluss (132) der Antennenvorrichtung (100; 200);

Anlegen (S05) des dritten Einspeisesignals (D3) an einen dritten Einspeiseanschluss (133) der Antennenvorrichtung (100; 200); und

Anlegen (S06) des vierten Einspeisesignals (D4) an einen vierten Einspeiseanschluss (134) der Antennenvorrichtung (100; 200).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anlegen (S02, S03, S04, S05) des ersten, zweiten, dritten und vierten Einspeiseanschlusses (131, 132, 133, 134) zumindest teilweise gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, weiterhin mit:
Anpassen (S07) der Phase und/oder der Amplitude mindestens eines des ersten, zweiten, dritten und vierten Einspeisesignals (D1, D2, D3, D4) zum zweidimensionalen Anpassen der eingestellten Abstrahlcharakteristik.