EP3482457A1 - Phasengesteuerte gruppenantenne - Google Patents

Phasengesteuerte gruppenantenne

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EP3482457A1
EP3482457A1 EP17733819.1A EP17733819A EP3482457A1 EP 3482457 A1 EP3482457 A1 EP 3482457A1 EP 17733819 A EP17733819 A EP 17733819A EP 3482457 A1 EP3482457 A1 EP 3482457A1
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EP
European Patent Office
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phase
antenna according
antenna
waveguide radiator
group antenna
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EP17733819.1A
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EP3482457B1 (de
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Jörg Oppenländer
Alexander Mössinger
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Lisa Draexlmaier GmbH
Original Assignee
Lisa Draexlmaier GmbH
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Publication date
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Publication of EP3482457A1 publication Critical patent/EP3482457A1/de
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Publication of EP3482457B1 publication Critical patent/EP3482457B1/de
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    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/182—Waveguide phase-shifters
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0241—Waveguide horns radiating a circularly polarised wave
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H01Q15/244—Polarisation converters converting a linear polarised wave into a circular polarised wave
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    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/32—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by mechanical means
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

Definitions

  • the invention relates to a phased array antenna, in particular for the GHz frequency range and for use on mobile carriers such as motor vehicles, aircraft or
  • the phase control of the array antenna has the function of always optimally aligning the main beam of the array antenna to a target during the spatial movement of a mobile carrier.
  • a permanent radio link to the target antenna must be reliably maintained even with rapid movement of the carrier.
  • phase control can also with a
  • phase shifters variable, controllable phase actuators
  • phase actuators thereby change the relative phase of the signals from different individual members of the
  • phase actuators are mostly off
  • solid state phase shifters mostly ferrites, microswitches (MEMS technology, binary switches), or liquid crystals ("liquid cristals”).
  • MEMS technology microswitches
  • liquid crystals liquid crystals
  • High frequency power is dissipated in the phase actuators. Especially in applications in the GHz range, the sinks
  • phase actuators must always be accommodated in the feed networks of the array antennas, which typically makes such array antennas very heavy or their thickness very large.
  • phased array antennas in which
  • phased array antenna in particular in the GHz frequency range and in particular for use on mobile carriers to provide, which
  • phased array antenna according to the invention with the features of claim 1.
  • the phased array antenna according to the invention comprises at least four, via at least one feed network (12).
  • Antenna elements each include a waveguide radiator (2) with a signal extraction or coupling (8), a
  • Phase actuator (3) which is rotatably mounted in the waveguide radiator (1), a holder (4) and at least two
  • Polarizers (5) a circularly polarized signal into a linear can convert polarized signal.
  • the antenna elements comprise a connecting element (6) and a drive unit (7) mounted on a support (9) and passing over the
  • the group antenna further comprises a computing unit (13) which is connected via control lines (10) to the drive unit or units (7) of the phased array antenna elements (1) and adjusts the rotation of the respective phase control members (3).
  • Group antenna is shown in Fig. 1.
  • four antenna elements (1) are arranged in a row.
  • it can also be an arrangement of the antenna elements (1) with a larger number and / or in several rows, so two-dimensionally done.
  • a computing unit (13) controls the entire
  • Each of the antenna elements (1) has its own drive unit (7). This can also be further simplified as shown below, in which common drive units (7) are used for a plurality of antenna elements (1).
  • Antenna element is shown in Fig. 2. One in the
  • Polarizer (5a) rotates, the circular shaft (14c), which is generated by the second polarizer (5b), now has a phase angle of ⁇ + 2 ⁇ .
  • the circular wave (14c) with phasing ⁇ + 2 ⁇ can then be detected by means of the signal extraction or coupling
  • the drive unit (7) is mounted on a carrier (9) and is supplied via supply lines with the required energy and via control lines (10) by means of the arithmetic unit (13) with the information necessary for rotation through the angle ⁇ .
  • Antenna element (1) is the dependence of
  • any phase rotation or phase shift can be adjusted continuously by the drive unit (7).
  • phase actuator (3) is a purely passive component which contains no non-linear components, its function is completely reciprocal. That is, a shaft which passes from bottom to top through the phase actuator (3) is rotated in phase in the same manner as a shaft which passes from top to bottom through the phase actuator (3).
  • Antenna element (1) sent or received signal can thus be set arbitrarily.
  • the simultaneous transmission and reception operation is also possible.
  • the signal extraction or coupling (8) is executed in the illustration of FIG. 2 as a microstrip line (8) on a substrate (81).
  • the waveguide radiator (2) of the antenna element (1) is for this purpose at the point of input or output coupling with a
  • vias electrically conductive vias
  • a recess (82) in the substrate (81) is provided, through which the axis (6) which connects the drive unit (7) with the phase actuator (3) can be guided.
  • FIG. 1 A phased array antenna according to the invention. This is shown schematically in FIG. 1
  • Fig. 3a shows schematically the array antenna
  • Fig. 3b the
  • associated feed network (12) It consists of two networks (12a) and (12b), each processing orthogonal polarization.
  • the control of the drives (7) of the individual phase controllers is carried out by a computing unit (13), which e.g. one
  • Feed networks (12a) and (12b) are implemented as a microstrip line (8a, b) on a substrate, analogously to the illustration in FIG. 2.
  • the signal extraction or coupling (8) is also in two parts designed as a pin-shaped, orthogonal microstrip line (8a) and (8b) on separate substrates.
  • Such embodiments may be advantageous when the group antenna is to receive and / or transmit two orthogonal polarization signals simultaneously. Also can
  • Phase imbalances are compensated when the signals are processed in an orthogonal system.
  • phase controls (3) are now adjusted with the aid of the arithmetic unit (13) such that a constant relative phase difference ⁇ exists between the signals of the individual elements, then the main beam of the group antenna points into a specific one of the
  • the antenna pattern of the array antenna in each state is
  • Group antenna i.e., at any time
  • the array antennas contain several thousand individual antennas, as e.g. In the frequency range above 10 GHz is typically the case, with the help of a Fast Fourier Transformation (FFT), the corresponding antenna pattern with relatively low computing power can be calculated very accurately.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • phase control phase actuator (3), connection (6) and drive unit (7)
  • the weight of the phase control (phase actuator (3), connection (6) and drive unit (7)) of the individual antenna elements (1) is typically very small.
  • the weight of the phase control is typically only a few grams. Therefore, only very small and light actuators, such as micro-electric motors, are required for the drive unit. The weight of such micro-electric motors is also in the gram range.
  • Group antennas which use conventional semiconductor phase shifters or MEMS phase shifters, at least in the transmission mode due to the high losses of a complex active cooling
  • the feed networks (12) of the phased array antenna can as shown in Fig. 3b schematically shown
  • Microstrip lines on a suitable RF substrate can also be used as suspended microstrip lines ("suspended Striplines "), so in coaxial design, can also be parts of the feed networks (12) consist of waveguides, which can reduce the losses even further.
  • Feed networks (12) then allow high antenna element density. If the long ways, e.g. However, in large array antennas, waveguide technology, the losses are still limited.
  • the wave impedance of the antenna element (1) is the wave impedance of the antenna element (1)
  • the waveguide radiator (2) is preferably designed so that it includes at least one cylindrical waveguide piece. This is sure to ensure that in its interior a
  • Cylindrically symmetric electromagnetic vibration mode (fashion) can form circular polarization, which of the
  • Polarizers (5) can be transformed into a linear polarization mode.
  • both the waveguide termination of the waveguide radiator and its opening (aperture) need not necessarily have a circular cross-section.
  • the waveguide termination may be performed, for example, conical or unilaterally stepped.
  • Hollow radiator may e.g. when used in
  • the waveguide radiator For applications above 10 GHz, it may be advantageous for densely packed array antennas to form the waveguide radiator as a circular waveguide, since such waveguides allow the highest packing density and also cylindrically symmetric
  • Waveguide radiator designed as a horn.
  • Waveguide radiator (2) for a specific operating frequency band the known methods of antenna technology.
  • the axis of rotation (11) of the phase actuators (3) is preferably in the axis of symmetry of the respective cylindrical
  • the polarizers (5a) and (5b) are preferably mounted perpendicular to the axis of rotation (11) and parallel to each other in the holder (4).
  • a rotation of a quarter circle (-45 ° to + 45 °) is typically sufficient to realize a pivoting range of -90 ° to + 90 ° for a group antenna and thus to cover the entire hemisphere over the antenna ,
  • phase control works practically lossless, since with appropriate design, the losses induced by the polarizers (5a, b) and the dielectric holder (4) are very small. At frequencies of 20 GHz, for example, the total losses are less than 0.2 dB, which corresponds to an efficiency of more than 95%.
  • conventional phase shifters have
  • Antenna efficiency in antenna fields are used. Are such antenna arrays as inventive phase-controlled
  • Realized array antennas then change the RF characteristics, in particular antenna gain and antenna efficiency, the
  • Phase control realize very cost-effective. Also large phased array antennas with many thousands
  • the drive elements are SMD components, which can be soldered directly to a suitable board as a carrier (9).
  • the supply and control lines (10) can then as
  • Microstrip lines are running, which is a high
  • the connecting element (6) is preferably designed as an axle and consists preferably of a non-metallic,
  • dielectric plastic material such as e.g. Plastic. This has the advantage that cylindrical cavity modes are not disturbed, or only very little if the axis is symmetrical in the
  • Waveguide radiator (1) is mounted.
  • Connecting element (6) e.g. consists of a belt which is guided through small lateral openings in the waveguide radiator, thus driving the phase actuator.
  • Phase actuator (3) contactless, e.g. about a rotating
  • a magnetic rotator is mounted over the termination of the waveguide radiator, which then together with the rotating magnetic field as
  • Connecting element (6) acts when e.g. Parts of the polarizer consist of magnetic materials.
  • the polarizers (5a, b) may be e.g. from simple, even
  • Meander polarizers exist, which on a conventional
  • Carrier material are applied. These polarizers can be produced by known etching processes or by additive processes ("circuit printing").
  • Polarizers (5a) and (5b) preferably a symmetrical to the axis (11) shape, so that they are in the cylindrically symmetric
  • Waveguide piece of the waveguide radiator in a simple manner
  • the polarizer (5a, b) shown in FIG. 4 is referred to as
  • Meander polarizer executed.
  • Advantageous in this case are multi-layer meander polarizers, since these can have large frequency bandwidths and thus enable broadband operation.
  • Polarization can transform into a wave of linear polarization.
  • the signal polarization is converted not by planar polarizers but by structures distributed spatially in the holder (e.g., septum polaristors).
  • structures distributed spatially in the holder e.g., septum polaristors.
  • holder (4) e.g. low density closed cell foams which are known to have very low RF losses, but also use plastic materials such as polytetrafluoroethylene (Teflon) or polyimides. Because of the small size of the particular at frequencies above 10 GHz
  • phase actuator (3) Since the dimensioning of the phase actuator (3) takes place at a certain operating frequency in a similar manner as the dimensional design of the waveguide radiator (2) at a certain operating frequency electrodynamically, the phase actuator (3) typically readily in the interior of the waveguide radiator (2) attached become.
  • Waveguide radiator (2) is chosen very small, by corresponding choice of the dielectric constant for the material of the holder (4), the phase actuator (3) are made so small that it fits into the waveguide radiator (2).
  • Waveguide radiator whose minimum diameter is typically in the range of a wavelength of the operating frequency.
  • the extension of the waveguide radiator in the direction of the incident waves is typically at some wavelengths of the operating frequency.
  • the polarizers (5a) and (5b) and their distance (e.g., half wavelength) to each other also correspond to the wavelength of the operating frequency according to the known methods of the
  • the dimensions of the phase actuator are always in the range of the dimensions of the
  • the dimensions of the phase actuator (3) are typically in the range less than one wavelength, i. about learning x learning. If the holder (4) designed as a dielectric filling body and the
  • FIG. 1 Figure an antenna element with additional polarizer, Figure an antenna element with filler, 8 shows an antenna element with a rotatable additional
  • Figure 9 shows a group antenna with common additional
  • FIG. 10 shows a group antenna with a common drive unit for a plurality of antenna elements.
  • Fig. 5 is an embodiment of a schematic
  • the antenna elements (1) are arranged in a two-dimensional field and the control lines (10) of the drive units (7) of the individual phased array antenna elements (1) are connected to a microprocessor unit (13) as a computing unit.
  • Phased array antenna elements (1) the main lobe of the antenna pattern of the antenna field, which is a
  • Two-dimensional antenna array swing in any direction in the hemisphere above the field.
  • antenna beam The alignment of the antenna beam (“antenna beam”) takes place in a manner analogous to representation in FIG. 3a in that the drive units (7) of the individual antenna elements are controlled by the microprocessor unit (13) in such a way that the
  • Phase actuators of the individual antenna elements (1) are rotated so that a certain relative phase relationship between the antenna elements (1) of the array antenna prevails.
  • phase position of the individual signals can be set granular only in certain steps.
  • a high-precision alignment of the antenna diagram is not possible in principle.
  • phased array antenna The direct reception or transmission of linear polarization signals by the phased array antenna becomes possible through the use of special phased array antenna elements (1).
  • Such an antenna element is shown schematically in Fig. 6 and characterized in that in the waveguide radiator (2) of the phased array antenna element (1) in front of the phase actuator (3) at least one further polarizer (15) is mounted, which signals with linear polarization in signals
  • the phase actuator (3) further consists of the holder (4) and the polarizers (5a) and (5b) and has a
  • phase actuator (3) can readily perform its function.
  • the polarizer (16) which is mounted after the phase actuator (3) and before the output (8), then transforms the signal generated by the phase actuator (3) circular polarization back into a signal of linear polarization, which of a corresponding for linear modes designed outcoupling (8) can be coupled directly.
  • Polarizer (16) is transformed into a circular mode. This circular mode is with the phase actuator (3) one of
  • the arrangement shown in Fig. 6 also works for two simultaneously incident orthogonal linear polarizations when the signal extraction or coupling (8) is designed according to two orthogonal linear modes, for example, as shown in Fig. 3.
  • the simultaneous transmission and reception of signals of similar or different polarization is also possible.
  • FIG. 6 An embodiment of the antenna element shown in Fig. 6 is shown schematically in Fig. 7.
  • the signal extraction or coupling (8) is analogous to
  • FIG. 2 Representation of FIG. 2 in one piece as a microstrip line on a substrate.
  • the additional polarizers (15) and (16) are each embedded in a dielectric filling body (17a) or (17b) and
  • Waveguide termination below the extraction or coupling (8) is also filled with a dielectric filling body (17).
  • This structure has the advantage that the entire interior of the waveguide radiator (2) is filled with a typically similar dielectric and thus it is not too
  • the polarizer (16) and its dielectric filling body (17a) as well as the dielectric filling body (17) have a
  • the coupling (8) can be designed in two parts for two orthogonal linear modes.
  • Such an arrangement is particularly advantageous when, in mobile arrangements, due to movement of the carrier, rotation of the polarization vector of the incident wave occurs relative to the array antenna fixedly mounted on the carrier.
  • FIG. 1 A corresponding embodiment is shown schematically in FIG.
  • the first additional polarizer (15) is rotatable in
  • Waveguide radiator (2) mounted and connected by means of an axis (18) with its own drive (19), so that the drive (19) can rotate the polarizer (15) about the axis (11).
  • Polarizer (15) with its drive (19) connects. Since the plane of polarization of a wave with linear polarization is defined only in an angular range of 180 °, for the rotation of the polarizer (15) an angular range of -90 ° to + 90 °, ie a half-circle rotation, is sufficient.
  • the second additional polarizer (16) is fixed in the
  • Waveguide radiator (2) attached, since its orientation the
  • Orientation of the linear mode determines which is coupled or disconnected from the coupling or coupling (8).
  • the fixed orientation of the polarizer (16) therefore depends on the position of the ⁇ or coupling (8).
  • the coupling or coupling (8) is realized in two parts, e.g. as in the embodiment of Figs. 3a and 3b, then can be dispensed with the polarizer (16), since the from
  • Phase actuator generated circularly polarized signal in principle contains all the information of the incident wave.
  • a 90 ° hybrid coupler is used, in which the signal divided into the components of the coupling (8a) and (8b) is fed.
  • phased array antenna For the phased array antenna, then, due to the construction of the phase control according to the invention, only a single 90 ° hybrid coupler is required, e.g. at the base of the feed network (12) of the group antenna in the feed network (12) can be integrated.
  • Affecting group antenna in the same way is also one
  • phased array antenna element (1) which is equipped with a polarizer (21) rotatably disposed over the antenna array, is shown in FIG. 9
  • the array of Fig. 9 consists of 52 antenna elements (1), which are arranged in a circle in a two-dimensional field.
  • a common polarizer (21) is rotatably mounted above the antenna group and covers a plurality, in particular also all antenna elements (1).
  • the polarizer (21) is designed here as a meander polarizer and can be rotated about an axis (22) which is perpendicular to the antenna field.
  • the polarizer (21) can be rotated so that it transforms this wave of linear polarization into a wave of circular polarization.
  • this is a rotation angle at which the axes of the meander lines coincide with the polarization vector of the
  • Array antenna e.g. are designed according to the embodiments described in FIGS. 3, 7 or 8, fed.
  • the phase of the signal can then be in the already
  • phase actuators (3) of the individual Antenna elements (1) are set and the main beam of the antenna group are controlled accordingly.
  • the array antenna consists of a two-dimensional array of 16 phased array antenna elements
  • the top row has no drive.
  • the phase actuators of these antenna elements are set equal and thus determine the reference phase ⁇ .
  • Main beam of the array antenna arrives only on the relative phase angles of the signals of the antenna elements is such
  • Antenna field is, can be rotated, then the
  • Main beam of the arrangement can be controlled again in any direction in the lying above the arrangement hemisphere.
  • the advantage of the embodiment is that the number of required drive units (7) is greatly reduced. In general, no more N drives, if N denotes the number of antenna elements of a group antenna, but only N drives required. In addition, there is only one more drive for the rotation of the array antenna as a whole.
  • the embodiment may therefore be advantageous.
  • the antenna array is e.g. mounted on a flatbed bearing and is rotated by an external drive and the
  • Cable wraps (“cable wraps") led to the antenna group.
  • the drive units (7) of the individual rows can, for example, rotate the axes of the phase actuators (3) of the antenna elements (1) of a row by means of toothed wheels or drive belts. Worm gears or screw drives are possible, for example as connecting elements (6).

Abstract

Die erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne umfasst mindestens vier, über ein Speisenetzwerk (12) verbundene phasengesteuerte Antennenelemente (1). Die Antennenelemente umfassen jeweils einen Hohlleiterstrahler (2) mit einer Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8), ein Phasenstellglied (3), das im Hohlleiterstrahler (1) drehbar angebracht ist und eine Halterung (4) und zwei Polarisatoren (5) enthält, wobei jeder der zwei Polarisatoren (5) ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann. Weiterhin umfassen die Antennenelemente ein Verbindungselement (6) und eine, auf einem Träger (9) angebrachte Antriebseinheit (7), die über das Verbindungselements (6) mit dem Phasenstellglied (3) derart verbunden ist, dass die Antriebseinheit (7) das Phasenstellglied (3) um eine Achse (11) des Hohlleiterstrahlers (2) drehen kann. Die Gruppenantenne umfasst weiterhin eine Recheneinheit (13), die über Steuerleitungen (10) mit der oder den Antriebseinheiten (7) der phasengesteuerten Antennenelemente (1) verbunden ist und die Drehung der jeweiligen Phasenstellglieder (3) einstellt.

Description

Phasengesteuerte Gruppenantenne
Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Gruppenantenne, insbesondere für den GHz-Frequenzbereich und für die Anwendung auf mobilen Trägern wie etwa Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder
Schiffen .
In mobilen Anwendungen hat die Phasensteuerung der Gruppenantenne die Funktion, den Hauptstrahl der Gruppenantenne während der räumlichen Bewegung eines mobilen Trägers immer optimal auf ein Ziel auszurichten. In vielen Fällen muss dabei eine permanente Richtfunkverbindung zur Zielantenne auch bei schneller Bewegung des Trägers zuverlässig aufrechterhalten werden.
Mit Hilfe der Phasensteuerung kann jedoch auch mit einer
stationären oder mobilen Gruppenantenne ein sich bewegendes Ziel verfolgt werden, wie dies etwa bei Radaranwendungen der Fall ist.
Es ist bekannt, dass sich mit Hilfe von variablen, steuerbaren Phasenstellgliedern ("phase shifters") das Antennendiagramm von stationären Antennengruppen räumlich verändern und so der
Hauptstrahl in verschiedene Richtungen schwenken lässt.
Die Phasenstellglieder verändern dabei die relative Phasenlage der Signale, die von verschiedenen einzelnen Mitgliedern der
Gruppenantennen empfangen oder gesendet werden. Wird die relative Phasenlage der Signale der einzelnen Antennen mit Hilfe der Phasenstellglieder entsprechend eingestellt, dann zeigt die Hauptkeule ("main beam") des Antennenrichtdiagramms der
Gruppenantenne in die gewünschte Richtung.
Die derzeit bekannten Phasenstellglieder sind meist aus
nichtlinearen Festkörpern ("solid State phase shifters"), meist Ferriten, Mikroschaltern (MEMS-Technologie, binäre Schalter) , oder Flüssigkristallen ("liquid cristals") aufgebaut. Alle diese Technologien haben jedoch den Nachteil, dass sie zu einem oft erheblichen Signalverlust führen, da ein Teil der
Hochfrequenzleistung in den Phasenstellgliedern dissipiert wird. Insbesondere bei Anwendungen im GHz-Bereich sinkt die
Antenneneffizienz der Gruppenantennen dadurch stark ab.
Dies stellt, insbesondere für Gruppenantennen, welche auf mobilen Trägern zum Einsatz kommen sollen, eine erhebliches Problem dar, weil bei diesen Anwendungen wegen des begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraumes, Antennen mit möglichst hoher Effizienz benötigt werden. Die Antennen müssen möglichst klein und leicht sein, was sich mit den bekannten Phasensteuerungen nicht erreichen lässt .
Herkömmliche Phasenstellglieder müssen darüber hinaus immer in den Speisenetzwerken der Gruppenantennen untergebracht werden, was solche Gruppenantennen typischerweise sehr schwer oder ihre Dicke sehr groß macht .
Im Gegensatz dazu sind insbesondere für Anwendungen auf sich schnell bewegenden Trägern wie Flugzeugen und Zügen, kleine und leichte Antennensysteme mit niedrigem Profil erwünscht.
Zudem sind phasengesteuerte Gruppenantennen, bei denen
herkömmliche Phasenstellglieder verwendet werden sehr teuer. Insbesondere für zivile Anwendungen oberhalb von 10 GHz verhindert dies eine Verwendung.
Ein weiteres Problem stellen die Anforderungen an die genaue
Kontrolle des Antennendiagramms der Gruppenantennen dar. Werden die Gruppenantennen in Riehtfunkanwendungen mit Satelliten
eingesetzt, dann bestehen strenge Anforderungen an die
regulatorische Konformität des Antennendiagramms. Für jede
HauptStrahlrichtung muss im Sendebetrieb das Diagramm der
regulatorischen Maske gehorchen. Dies kann nur dadurch zuverlässig gewährleistet werden, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl die Amplitude als auch die Phase jedes einzelnen Antennenelements der
Gruppenantenne bekannt ist.
Keine der derzeit bekannten Technologien für Phasenstellglieder erlaubt jedoch die zuverlässige instantane, d.h. sofortige, ohne weitere Berechnung zur Verfügung stehende Bestimmung der
Phasenlage des Signals nach dem Phasenstellglied. Hierzu wäre es erforderlich den Zustand des Phasenstellglieds jederzeit
zuverlässig bestimmen zu können. Dies ist jedoch praktisch weder bei Festkörper-, noch bei MEMS- oder
Flüssigkristallphasenschiebern möglich .
Aus der DE 37 41 501 Cl ist Speisesystem für eine Antenne bekannt, das unterschiedliche polarisierte Wellen übertragen kann. Das Speisesystem verwendet einen festen 90° Phasenschieber und eine beweglichen 180° Phasenschieber, so dass die Phasenlage beider Wellen zueinander einstellbar ist. Aus der US 6 822 615 B2 ist ein Antennenfeld mit Phasenschiebern zwischen einem ersten und einem zweiten Teil des Antennenfeldes bekannt. Schließlich zeigt die DE 10 2010 014 916 B4 eine Gruppenantenne mit einem Speisenetzwerk, das kohärente Gruppen von Einzelstrahlern bildet. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine
phasengesteuerte Gruppenantenne, insbesondere im GHz- Frequenzbereich und insbesondere für die Anwendung auf mobilen Trägern, zur Verfügung zu stellen, welche
1. die exakte Ausrichtung und Steuerung des Hauptstrahls der
Gruppenantenne erlaubt,
2. die exakte Steuerung und Kontrolle der relativen Phasenlage der Signale der verschiedener Antennenelemente der Gruppenantenne ermöglicht ,
3. zu jedem Zeitpunkt die instantane Bestimmung der Phasenlage und der relativen Amplitude des an einem Antennenelement der
Gruppenantenne anliegenden Signals und damit zu jedem Zeitpunkt und in jedem Zustand der Gruppenantenne die Bestimmung ihres Antennendiagramms zulässt,
4. keine oder nur sehr geringe Verluste hat,
5. ein niedriges Profil und ein geringes Gewicht besitzt, und
6. kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne umfasst mindestens vier, über mindestens ein Speisenetzwerk (12)
verbundene phasengesteuerte Antennenelemente (1). Die
Antennenelemente umfassen jeweils einen Hohlleiterstrahler (2) mit einer Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8), ein
Phasenstellglied (3), das im Hohlleiterstrahler (1) drehbar angebracht ist, eine Halterung (4) und mindestens zwei
Polarisatoren (5) enthält, wobei jeder der mindestens zwei
Polarisatoren (5) ein zirkulär polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann. Weiterhin umfassen die Antennenelemente ein Verbindungselement (6) und eine, auf einem Träger (9) angebrachte Antriebseinheit (7), die über das
Verbindungselements (6) mit dem Phasenstellglied (3) derart verbunden ist, dass die Antriebseinheit (7) das Phasenstellglied (3) um eine Achse (11) des Hohlleiterstrahlers (2) drehen kann. Die Gruppenantenne umfasst weiterhin eine Recheneinheit (13), die über Steuerleitungen (10) mit der oder den Antriebseinheiten (7) der phasengesteuerten Antennenelemente (1) verbunden ist und die Drehung der jeweiligen Phasenstellglieder (3) einstellt.
Eine beispielhafte räumliche Anordnung der Elemente der
Gruppenantenne ist in Fig. 1 gezeigt. Hierbei sind beispielhaft vier Antennenelemente (1) in einer Reihe angeordnet. Es kann jedoch auch eine Anordnung der Antennenelemente (1) mit einer größeren Anzahl und/oder in mehreren Reihen, also zweidimensional, erfolgen. Eine Recheneinheit (13) steuert die gesamte
Gruppenantenne. Jedes der Antennenelemente (1) hat eine eigene Antriebseinheit (7) . Dies kann wie später gezeigt auch weiter vereinfacht werden, in dem gemeinsame Antriebseinheiten (7) für mehrere Antennenelemente (1) genutzt werden.
Die prinzipielle Funktionsweise eines phasengesteuerten
Antennenelements ist in Fig. 2 dargestellt. Eine in den
Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) einfallende Welle
(14a) mit zirkularer Polarisation und Phasenlage φ wird durch den ersten Polarisator (5a) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle mit linearer Polarisation (14b) transformiert. Diese Welle
linearer Polarisation wird durch den zweiten Polarisator (5b) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle mit zirkularer Polarisation
(14c) rückverwandelt. Wird das Phasenstellglied (3) jetzt mit Hilfe der Antriebseinheit
(7) und dem Verbindungselement (6) um einen Winkel ΔΘ gedreht, dann rotiert der Polarisationsvektor (14b) der linearen Welle zwischen den beiden Polarisatoren (5a) und (5b) in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung mit. Da sich auch der
Polarisator (5a) mit dreht, hat die zirkuläre Welle (14c), welche vom zweiten Polarisator (5b) generiert wird, jetzt eine Phasenlage von φ + 2 ΔΘ . Die zirkuläre Welle (14c) mit Phasenlage φ + 2 ΔΘ kann daraufhin mit Hilfe der Signalauskopplung bzw. -einkopplung
(8) aus dem Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) ausgekoppelt bzw. in den Hohlleiterstrahler (2) eingekoppelt werden .
Die Antriebseinheit (7) ist auf einem Träger (9) montiert und wird über Versorgungsleitungen mit der erforderlichen Energie und über Steuerleitungen (10) mit Hilfe der Recheneinheit (13) mit der für die Drehung um den Winkel ΔΘ notwendigen Information versorgt.
Bedingt durch die Konstruktion der Phasensteuerung des
Antennenelements (1) ist die Abhängigkeit der
Phasenwinkeldifferenz zwischen auslaufender (14c) und einlaufender (14a) zirkularer Welle von der Drehung des Phasenstellglieds (3) streng linear, stetig und streng 2n periodisch. Zudem kann jede beliebige Phasendrehung bzw. Phasenschiebung kontinuierlich durch die Antriebseinheit (7) eingestellt werden.
Da es sich beim Phasenstellglied (3) elektrodynamisch betrachtet um ein rein passives Bauelement handelt, welches keinerlei nichtlineare Komponenten enthält, ist seine Funktion vollständig reziprok. D.h., dass eine Welle, welche von unten nach oben durch das Phasenstellglied (3) läuft, in gleicher Weise in ihrer Phase gedreht wird wie eine Welle, welche von oben nach unten durch das Phasenstellglied (3) läuft. Die Phasenlage eines vom Hohlleiterstrahler (2) des
Antennenelements (1) abgesendeten bzw. empfangenen Signals kann damit beliebig eingestellt werden. Auch der simultane Sende- und Empfangsbetrieb ist möglich.
Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist in der Darstellung der Fig. 2 als Mikrostreifenleitung (8) auf einem Substrat (81) ausgeführt. Der Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) ist hierzu an der Stelle der Ein- bzw. Auskopplung mit einer
Aussparung versehen, die es erlaubt die Mikrostreifenleitung samt Substrat in den Hohlleiterstrahler (2) einzuführen. Damit die an den Innenwänden des Hohlleiterstrahlers (2) fließenden
Hochfrequenzströme nicht gestört werden, sind elektrisch leitende Durchkontaktierungen ("vias") (83) vorgesehen, welche einen elektrischen Kontakt zwischen der Ober- und der Unterseite des Hohlleiterstrahlers (2) herstellen. Zudem ist eine Aussparung (82) im Substrat (81) vorgesehen, durch welche die Achse (6), die die Antriebseinheit (7) mit dem Phasenstellglied (3) verbindet, geführt werden kann.
Werden nun mehrere phasengesteuerte Antennenelemente (1)
miteinander verschaltet, dann entsteht eine erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne. Dies ist in Fig. 3 schematisch gezeigt
Fig. 3a zeigt schematisch die Gruppenantenne, Fig. 3b das
zugehörige Speisenetzwerk (12). Es besteht aus zwei Netzwerken (12a) und (12b), die jeweils orthogonale Polarisation verarbeiten.
Die Signale aller vier Antennenelemente (1) werden über die
Speisenetzwerke (12a) und (12b), welche die Ein- bzw. Auskopplungen (8a) und (8b) enthalten, zusammengeführt bzw. im Sendebetrieb verteilt.
Die Steuerung der Antriebe (7) der einzelnen Phasensteuerungen erfolgt durch eine Recheneinheit (13), welche z.B. ein
Mikroprozessor sein kann, der an die Signalleitungen (10), welche alle Antriebseinheiten mit der Recheneinheit verbinden,
angeschlossen ist.
Die Ein- bzw. Auskopplungen (8a) und (8b) sowie die
Speisenetzwerke (12a) und (12b) sind als Mikrostreifenleitung (8a, b) auf einem Substrat ausgeführt, analog zur Darstellung in Fig. 2.
Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist zudem zweigeteilt als stiftförmige, orthogonale Mikrostreifenleitung (8a) und (8b) auf separaten Substraten ausgeführt.
Solche Ausführungsformen können von Vorteil sein, wenn mit der Gruppenantenne zwei Signale orthogonaler Polarisation gleichzeitig empfangen und/oder gesendet werden sollen. Auch können
Phasenungleichgewichte ("phase imbalances") kompensiert werden, wenn die Signale in einem orthogonalen System verarbeitet werden.
Werden die Phasensteuerungen (3) nun mit Hilfe der Recheneinheit (13) so eingestellt, dass zwischen den Signalen der Einzelelemente eine konstante relative Phasendifferenz Δφ besteht, dann zeigt der Hauptstrahl der Gruppenantenne in eine bestimmte, von der
Phasendifferenz Δφ abhängige Richtung.
Da über das Speisenetzwerk (12) die Amplitudenrelationen der gesendeten bzw. empfangenen Signale der einzelnen Antennenelemente (1) genau bekannt sind und zusätzlich über die Phasensteuerungen (3) die Phasenlage jedes dieser Signale genau bestimmbar ist, ist das Antennendiagramm der Gruppenantenne in jedem Zustand der
Gruppenantenne (d.h. auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt)
vollständig deterministisch bestimmt.
Wenn die erforderliche Rechenleistung in einem Mikroprozessor oder an einer anderen Stelle des Antennensystems zur Verfügung steht, ist es daher möglich, das gesamte Antennendiagramm zu jedem
Zeitpunkt mit sehr hoher Genauigkeit analytisch zu berechnen. Dies stellt, insbesondere im Hinblick auf die typischerweise in zivilen Anwendungen geforderte regulatorische Konformität des
Antennendiagramms, einen wesentlichen Vorteil erfindungsgemäßer Anordnungen dar.
Auch wenn die Gruppenantennen mehrere tausend Einzelantennen beinhalten, wie dies z.B. im Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz typischerweise der Fall ist, kann mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation (FFT) das entsprechende Antennendiagramm mit relativ geringer Rechenleistung sehr genau berechnet werden.
Entsprechend schnelle FFT Algorithmen sind hinlänglich bekannt.
Das Gewicht der Phasensteuerung (Phasenstellglied (3) , Verbindung (6) und Antriebseinheit (7)) der einzelnen Antennenelemente (1) ist typischerweise sehr klein. Werden die Polarisatoren (5) in Dünnschichttechnologie auf dünnen HF-Substraten ausgeführt, und wird die Halterung aus geschlossenzelligem Schaum hergestellt, dann beträgt das Gewicht der Phasensteuerung typischerweise nur wenige Gramm. Daher sind auch für die Antriebseinheit nur sehr kleine und leichte Aktuatoren, wie etwa Mikro-Elektromotoren, erforderlich. Das Gewicht solcher Mikro-Elektromotoren liegt ebenfalls im Grammbereich. Das Gewicht einer einzelnen Phasensteuerung, insbesondere im
Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz, beträgt dann nur einige
Gramm, was selbst bei Gruppenantennen mit tausend Einzelstrahlern ein Gesamtgewicht der gesamten Phasensteuerung der Gruppenantenne von nur einigen Kilogramm ergibt. Dies ist insbesondere bei
Anwendungen auf Flugzeugen, bei denen das Gewicht so gering wie möglich sein sollte, von Vorteil.
Hinzu kommt die sehr geringe Dissipation der erfindungsgemäßen Phasensteuerung. Der Wärmeeintrag der Phasenstellglieder ist wegen der sehr geringen Ohmschen Verluste vernachlässigbar. Werden
Elektromotoren als Antriebseinheiten verwendet, dann beträgt deren Wirkungsgrad typischerweise > 95%, so dass auch die
Antriebseinheiten praktisch keinen Wärmeeintrag hervorrufen. Zudem liegt die Leistungsaufnahme etwa von Mikro-Motoren lediglich im mW-Bereich, so dass der Leistungsbedarf der Phasensteuerungen selbst bei Gruppenantennen mit tausend Einzelstrahlern nur bei einigen Watt liegt.
Dies ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Phasensteuerung. Selbst bei Gruppenantennen mit vielen tausend Einzelstrahlern ist weder im Sendebetrieb noch im Empfangsbetrieb eine aktive Kühlung erforderlich. Im Gegensatz dazu ist bei
Gruppenantennen, welche herkömmliche Halbleiter-Phasenschieber oder MEMS-Phasenschieber verwenden, mindestens im Sendebetrieb wegen der hohen Verluste eine aufwändige aktive Kühlung
unerlässlich .
Die Speisenetzwerke (12) der phasengesteuerten Gruppenantenne können wie in Fig. 3b schematisch dargestellt aus
Mikrostreifenleitungen auf einem geeigneten HF-Substrat bestehen. Zur Minimierung von Verlusten können diese Mikrostreifenleitungen auch als aufgehängte Mikrostreifenleitungen ("suspended striplines"), also in koaxialer Bauweise, ausgeführt werden. Auch können Teile der Speisenetzwerke (12) aus Hohlleitern bestehen, was die Verluste noch weiter reduzieren kann.
So ist es z.B. vorteilhaft, Gruppen von phasengesteuerten
Antennenelementen (1) innerhalb der Gruppenantennen über
Mikrostreifenleitungen zu verbinden und diese Gruppen dann weiter über Hohlleiter zusammenzuschalten. Solche hybriden
Speisenetzwerke (12) lassen dann eine hohe Antennenelementdichte zu. Wenn die langen Wege, z.B. bei großen Gruppenantennen, in Hohlleitertechnik ausgeführt werden, bleiben die Verluste aber dennoch begrenzt.
Die Wellenimpedanz des Antennenelements (1) ist
konstruktionsbedingt vollkommen unabhängig von der relativen
Phasenlage von ein- und auslaufender Welle. Bei Antennenelementen, welche mit Hilfe von nichtlinearen Phasenschiebern wie etwa
Halbleiterphasenschiebern oder Flüssigkristallphasenschiebern in ihrer Phasenlage gesteuert werden, ist dies typischerweise nicht der Fall. Dort ist die Wellenimpedanz von der relativen Phasenlage abhängig, was diese Bauteile schwierig zu steuern macht.
Der Hohlleiterstrahler (2) ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er mindestens ein zylinderförmiges Hohlleiterstück beinhaltet. Damit ist sicher gewährleistet, dass sich in seinem Innern eine
zylindersymmetrische elektromagnetische Schwingungsmode (Mode) zirkularer Polarisation ausbilden kann, welche von den
Polarisatoren (5) in eine Mode linearer Polarisation transformiert werden kann.
Sowohl der Hohlleiterabschluss des Hohlleiterstrahlers, als auch seine Öffnung (Apertur) müssen hingegen nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Je nach Art der Aus- bzw. Einkopplung (8) kann der Hohlleiterabschluss z.B. konisch oder einseitig gestuft ausgeführt sein. Die Apertur des
Hohleiterstrahlers kann z.B. bei der Anwendung in
zweidimensionalen Antennenfeldern z.B. auch konisch
(Hornstrahler), quadratisch oder rechteckig ausgelegt werden.
Da sich zylindersymmetrische Moden auch in Hohlleitern mit nicht¬ kreisförmigen Querschnitten, wie z.B. elliptischen oder
vieleckigen Querschnitten, ausbreiten können, sind jedoch auch andere Bauformen des Hohlleiterstrahlers denkbar.
Für Anwendungen oberhalb von 10 GHz kann es für dicht gepackte Gruppenantennen von Vorteil sein, den Hohlleiterstrahler als Rundhohlleiter auszubilden, da solche Hohlleiter die höchste Packungsdichte erlauben und zudem zylindersymmetrische
Hohlraummoden unterstützen.
Um den Antennengewinn des phasengesteuerten Antennenelements zu verbessern, kann es darüber hinaus von Vorteil sein, den
Hohlleiterstrahler als Hornstrahler auszulegen.
Im Übrigen erfolgt die dimensionsmäßige Auslegung des
Hohlleiterstrahlers (2) für ein bestimmtes Betriebsfrequenzband den bekannten Verfahren der Antennentechnik.
Die Drehachse (11) der Phasenstellglieder (3) liegt vorzugsweise in der Symmetrieachse des jeweiligen zylinderförmigen
Hohlleiterstücks, welches jeder Hohlleiterstrahler (2)
vorzugsweise beinhaltet.
Die Polarisatoren (5a) und (5b) sind vorzugsweise senkrecht zur Drehachse (11) und parallel zueinander in der Halterung (4) angebracht . Für die Drehung des Phasenstellglieds (3) ist eine Drehung um einen Viertelkreis (-45° bis +45°) typischerweise ausreichend um bei einer Gruppenantenne einen Schwenkbereich von -90° bis +90° zu realisieren und damit die gesamte Hemisphäre über der Antenne abzudecken .
Die Phasensteuerung arbeitet dabei praktisch verlustlos, da bei entsprechender Auslegung die durch die Polarisatoren (5a, b) und den dielektrischen Halter (4) induzierten Verluste sehr klein sind. Bei Frequenzen von 20 GHz zum Beispiel betragen die gesamten Verluste weniger als 0, 2 dB, was einer Effizienz von mehr als 95% entspricht. Konventionelle Phasenschieber dagegen haben
typischerweise bei diesen Frequenzen bereits Verluste von mehreren dB.
Bezüglich seiner Hochfrequenzeigenschaften ist die
erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne daher kaum von einem entsprechenden Antennenfeld ohne Phasensteuerung
unterscheidbar .
So ist bekannt, dass z.B. dielektrisch gefüllte Hornstrahler, insbesondere bei Frequenzen größer 20 GHz, wegen ihrer hohen
Antenneneffizienz in Antennenfeldern zum Einsatz kommen. Werden solche Antennenfelder als erfindungsgemäße phasengesteuerte
Gruppenantennen realisiert, dann ändern sich die HF-Eigenschaften, insbesondere Antennengewinn und Antenneneffizienz, der
Antennenfelder trotz der zusätzlichen Phasensteuerung
vorteilhafterweise nicht.
Wird die Antriebseinheit (7) mit einem Winkellagegeber
ausgestattet, oder ist sie selbst schon winkellagegebend (wie z.B. manche Piezomotoren) , so kann die Phasenlage der vom Holleiterstrahler abgestrahlten Welle (14a) zu jedem Zeitpunkt instantan exakt bestimmt werden.
Wegen des einfachen Aufbaus des Phasenstellglieds (3) und der Tatsache, dass lediglich sehr einfach aufgebaute Antriebe (7) für die Viertelkreisdrehung erforderlich sind, lässt sich die
Phasensteuerung sehr kostengünstig realisieren. Auch große phasengesteuerte Gruppenantennen mit vielen tausend
Antennenelementen sind ohne weiteres möglich.
Als Antriebseinheiten (7) kommen zum Beispiel sowohl
kostengünstige Elektromotoren bzw. Mikro-Elektromotoren, als auch Piezomotoren, oder einfache Aktuatoren, die aus elektroaktiven Materialen aufgebaut sind, in Frage.
Vorzugsweise sind die Antriebselemente SMD-Bauteile, welche direkt auf eine geeignete Platine als Träger (9) gelötet werden können. Die Versorgungs- und Steuerleitungen (10) können dann als
Mikrostreifenleitungen ausgeführt werden, was eine hohe
Integrationsdichte erlaubt.
Das Verbindungselement (6) ist bevorzugt als Achse ausgeführt und besteht dabei vorzugsweise aus einem nichtmetallischen,
dielektrischen KunstStoffmaterial wie z.B. Plastik. Dies hat den Vorteil, dass zylindrische Hohlraummoden nicht, oder nur sehr wenig gestört werden, wenn die Achse symmetrisch im
Hohlleiterstrahler (1) angebracht wird.
Werden zum Betrieb des Hohlleiterstrahlers (2) Koaxialmoden verwendet, dann können allerdings auch metallische Achsen zur Anwendung kommen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Antriebseinheit (7) z.B.
neben dem Hohleiterstrahler (2) angebracht ist und das
Verbindungselement (6) z.B. aus einem Riemen besteht, der durch kleine seitliche Öffnungen im Hohlleiterstrahler geführt wird, und so das Phasenstellglied antreibt.
Zudem ist denkbar, dass die Antriebseinheit (7) das
Phasenstellglied (3) kontaktlos, z.B. über ein rotierendes
magnetisches Feld, dreht. Hierzu kann z.B. über dem Abschluss des Hohlleiterstrahlers ein magnetischer Rotator angebracht werden, der dann zusammen mit dem rotierenden magnetischen Feld als
Verbindungselement (6) wirkt, wenn z.B. Teile des Polarisators aus magnetischen Materialien bestehen.
Die Polarisatoren (5a, b) können z.B. aus einfachen, ebenen
Mäanderpolarisatoren bestehen, welche auf ein herkömmliches
Trägermaterial aufgebracht sind. Hergestellt werden können diese Polarisatoren durch bekannte Ätzverfahren oder durch additive Verfahren ("circuit printing").
Wie in Fig. 4 dargestellt, besitzen die mindestens zwei
Polarisatoren (5a) und (5b) vorzugsweise eine zur Achse (11) symmetrische Form, so dass sie im zylindersymmetrischen
Hohlleiterstück des Hohlleiterstrahlers in einfacher Weise
untergebracht werden können.
Der in Fig. 4 dargestellte Polarisator (5a, b) ist als
Mäanderpolarisator ausgeführt. Vorteilhaft sind dabei Mehrschicht- Mäanderpolarisatoren, da diese große Frequenzbandbreiten aufweisen können und so einen breitbandigen Betrieb ermöglichen.
Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es jedoch auch eine Vielzahl von anderen möglichen Ausführungsformen von Polarisatoren für elektromagnetische Wellen, welche eine Welle zirkularer
Polarisation in eine Welle linearer Polarisation transformieren können .
So sind z.B. Ausführungsformen denkbar, bei denen die Umwandlung der Signalpolarisation nicht durch ebene Polarisatoren sondern durch räumlich in der Halterung verteilte Strukturen erfolgt (z.B. Septum-Polaristoren) . Für die Funktion der Erfindung kommt es lediglich darauf an, dass diese Strukturen eine in den
Hohlleiterstrahler (2) einfallende Welle mit zirkularer
Polarisation zunächst in eine Welle mit linearer Polarisation transformieren und anschließend in eine Welle mit zirkularer
Polarisation zurücktransformieren können.
Für die Halterung (4) können z.B. geschlossenzellige Schäume mit geringer Dichte, welche bekanntermaßen sehr geringe HF-Verluste aufweisen, aber auch Plastikmaterialien wie Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyimide verwendet werden. Wegen der insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz geringen Größe des
Phasenstellglieds im Bereich einer Wellenlänge, bleiben die HF- Verluste bei entsprechender Impedanzanpassung an die entsprechende elektromagnetische Mode im Hohlleiterstrahler (1) auch hier sehr klein .
Da elektrodynamisch betrachtet die dimensionsmäßige Auslegung des Phasenstellglieds (3) bei einer bestimmten Betriebsfrequenz in ähnlicher Weise erfolgt wie die dimensionsmäßigen Auslegung des Hohlleiterstrahlers (2) bei einer bestimmten Betriebsfrequenz, kann das Phasenstellglied (3) typischerweise ohne weiteres im Inneren des Hohlleiterstrahlers (2) angebracht werden.
In jedem Fall kann, auch wenn die Dimension des
Hohlleiterstrahlers (2) sehr klein gewählt wird, durch entsprechende Wahl der Dielektrizitätszahl für das Material des Halters (4), das Phasenstellglied (3) so klein gemacht werden, dass es im Hohlleiterstrahler (2) Platz findet.
So liegt nach den bekannten Auslegungsvorschriften für einen
Hohlleiterstrahler dessen minimaler Durchmesser typischerweise im Bereich einer Wellenlänge der Betriebsfrequenz. Die Ausdehnung des Hohlleiterstrahlers in Richtung der einfallenden Wellen liegt typischerweise bei einigen Wellenlängen der Betriebsfrequenz.
Da die Polarisatoren (5a) und (5b) und ihr Abstand (z.B. halbe Wellenlänge) zueinander ebenfalls entsprechend der Wellenlänge der Betriebsfrequenz nach den bekannten Verfahren der
Impedanzanpassung ausgelegt werden, liegen die Dimensionen des Phasenstellglieds immer im Bereich der Dimensionen des
Hohlleiterstrahlers .
Bei einer Frequenz von 20 GHz z.B. liegen die Abmessungen des Phasenstellglieds (3) typischerweise im Bereich kleiner als eine Wellenlänge, d.h. ca. lern x lern. Wird die Halterung (4) als dielektrischer Füllkörper ausgelegt und die
Dielektrizitätskonstante entsprechend groß gewählt, dann können auch sehr viel kleiner Formfaktoren realisiert werden. Die
Ohmschen Verluste steigen dann zwar leicht an, liegen aber immer noch lediglich im Prozentbereich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Figuren weitere erläutert, dabei zeigen:
Figur eine quadratische Gruppenantenne,
Figur ein Antennenelement mit zusätzlichem Polarisator, Figur ein Antennenelement mit Füllkörper, Figur 8 ein Antennenelement mit drehbarem zusätzlichen
Polarisator,
Figur 9 eine Gruppenantenne mit gemeinsamen zusätzlichen
Polarisator, und
Figur 10 eine Gruppenantenne mit gemeinsamer Antriebseinheit für mehrere Antennenelemente.
In Fig. 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer
quadratischen Gruppenantenne mit 8 x 8 = 64 phasengesteuerten Antennenelementen (1) dargestellt.
Die Antennenelemente (1) sind in einem zweidimensionalen Feld angeordnet und die Steuerleitungen (10) der Antriebseinheiten (7) der einzelnen phasengesteuerten Antennenelemente (1) sind mit einer Mikroprozessoreinheit (13) als Recheneinheit verbunden.
Mit Hilfe solcher zweidimensionaler Anordnungen von
phasengesteuerten Antennenelementen (1) lässt sich die Hauptkeule des Antennendiagramms des Antennenfelds, welches eine
zweidimensionale Gruppenantenne bildet, in jede beliebige Richtung in der Halbkugel oberhalb des Feldes schwenken.
Die Ausrichtung der Antennenstrahls ("antenna beam") erfolgt dabei in einer zu Darstellung in Fig. 3a analogen Weise dadurch, dass durch die Mikroprozessoreinheit (13) die Antriebseinheiten (7) der einzelnen Antennenelemente derart gesteuert werden, dass die
Phasenstellglieder der einzelnen Antennenelemente (1) so gedreht werden, dass eine bestimmte relative Phasenbeziehung zwischen den Antennenelementen (1) der Gruppenantenne herrscht.
Die Präzision der Ausrichtung des Hauptstrahls ist dabei sehr hoch, weil sich die Phasenlage der von den einzelnen
Antennenelementen (1) abgestrahlten bzw. empfangenen Signale mit Hilfe der Phasensteuerung beliebig, und prinzipiell auch beliebig genau, einstellen lässt.
Die stellt einen weiteren erheblichen Vorteil solcher
Gruppenantennen z.B. im Vergleich mit phasengesteuerten
Gruppenantennen, welche binäre Phasenschieber verwenden, dar. Denn bei binären Phasenschiebern kann prinzipiell die Phasenlage der Einzelsignale nur in bestimmten Schritten granulär eingestellt werden. Eine hochpräzise Ausrichtung des Antennendiagramms ist so prinzipiell nicht möglich.
Der direkte Empfang bzw. das Senden von Signalen mit linearer Polarisation durch die phasengesteuerte Gruppenantenne wird durch die Verwendung spezieller phasengesteuerter Antennenelemente (1) möglich .
Ein solches Antennenelement ist in Fig. 6 schematisch dargestellt und dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlleiterstrahler (2) des phasengesteuerten Antennenelements (1) vor dem Phasenstellglied (3) mindestens ein weiterer Polarisator (15) angebracht ist, welcher Signale mit linearer Polarisation in Signale mit
zirkularer Polarisation transformieren kann, und nach dem
Phasenstellglied (3) und vor der Auskopplung (8) mindestens ein weiterer Polarisator (16) angebracht ist, welcher Signale
zirkularer Polarisation in Signale linearer Polarisation
transformieren kann.
Das Phasenstellglied (3) besteht weiterhin aus der Halterung (4) und den Polarisatoren (5a) und (5b) und verfügt über eine
Antriebseinheit (7), welche über das Verbindungselement (6) mit dem Phasenstellglied (3) bzw. der Halterung (4) derart verbunden ist, dass das Phasenstellglied (3) im Hornstrahler (2) gedreht werden kann. Dadurch, dass der erste zusätzliche Polarisator (15) ein
einfallendes Signal mit linearer Polarisation in ein Signal mit zirkularer Polarisation umwandelt, kann das Phasenstellglied (3) seine Funktion ohne weiteres ausüben.
Der Polarisator (16), welcher nach dem Phasenstellglied (3) und vor der Auskopplung (8) angebracht ist, transformiert das vom Phasenstellglied (3) erzeugte Signal zirkularer Polarisation dann wieder zurück in ein Signal linearer Polarisation, welches von einer entsprechend für lineare Moden ausgelegten Auskopplung (8) direkt ausgekoppelt werden kann.
Die Funktion der Anordnung ist wieder vollständig reziprok. Im Sendefall wird durch die Einkopplung (8) eine lineare Mode im Hohlleiterstrahler (2) angeregt, welche durch den zweiten
Polarisator (16) in eine zirkuläre Mode transformiert wird. Dieser zirkulären Mode wird mit dem Phasenstellglied (3) eine vom
Drehwinkel des Phasenstellglieds (3) um die Achse (11) abhängige Phasenlage aufgeprägt. Das zirkulär polarisierte Signal mit der eingestellten Phasenlage, welches das Phasenstellglied (3) verlässt, wird vom ersten zusätzlichen Polarisator (15) in ein Signal mit linearer Polarisation und der aufgeprägten Phasenlage transformiert und vom Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) abgestrahlt.
Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung funktioniert zudem auch für zwei simultan einfallende orthogonale lineare Polarisationen, wenn die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) entsprechend für zwei orthogonale lineare Moden ausgelegt ist, z.B. so wie in Fig. 3 dargestellt . Das simultane Senden und Empfangen von Signalen gleichartiger oder unterschiedlicher Polarisation ist ebenfalls möglich.
Eine Ausführungsform des in Fig. 6 gezeigten Antennenelements ist in Fig. 7 schematisch dargestellt.
Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist analog zur
Darstellung der Fig. 2 als Mikrostreifenleitung auf einem Substrat einteilig ausgeführt.
Die zusätzlichen Polarisatoren (15) und (16) sind jeweils in einen dielektrischen Füllkörper (17a) bzw. (17b) eingebettet und
typischerweise fest im Hohlleiterstrahler (2) montiert. Der
Hohlleiterabschluss unterhalb der Aus- bzw. Einkopplung (8) ist ebenfalls mit einem dielektrischen Füllkörper (17) gefüllt.
Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass der gesamte Innenraum des Hohlleiterstrahlers (2) mit einem typischerweise gleichartigen Dielektrikum gefüllt ist und es damit nicht zu
Modendiskontinuitäten kommen kann.
Der Polarisator (16) und sein dielektrischer Füllkörper (17a) besitzen ebenso wie der dielektrische Füllkörper (17) eine
Aussparung für das Verbindungselement (6) analog zum Substrat (vgl. Fig. 2 (81)), so dass das Verbindungselement (6) frei gedreht werden kann.
Analog zur der in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellten zweiteiligen Auskopplung (8a, b) kann auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 die Auskopplung (8) zweiteilig für zwei orthogonale lineare Moden ausgelegt werden. Um eine Polarisationsdrehung einer einfallenden Welle zu
kompensieren, ist es zudem denkbar, den ersten zusätzlichen
Polarisator (15) drehbar zu gestalten und mit einem eigenständigen Antrieb auszustatten, so dass dieser Polarisator (15) unabhängig vom Phasenstellglied (3) im Hohlleiterstrahler (2) um die Achse (11) gedreht werden kann.
Eine solche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in mobilen Anordnungen wegen der Bewegung des Trägers eine Drehung des Polarisationsvektors der einfallenden Welle relativ zur fest auf dem Träger montierten Gruppenantenne auftritt.
Da eine solche Polarisationsdrehung im Allgemeinen unabhängig von der Phasendrehung ist, welche der räumlichen Ausrichtung des Antennenstrahls dient, muss die Drehung des Polarisators (15) unabhängig von der Drehung des Phasenstellglieds (3) erfolgen können .
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 schematisch dargestellt .
Der erste zusätzliche Polarisator (15) ist drehbar im
Hohlleiterstrahler (2) montiert und mit Hilfe einer Achse (18) mit einem eigenen Antrieb (19) verbunden, so dass der Antrieb (19) den Polarisator (15) um die Achse (11) drehen kann.
Die unabhängige Drehung des Polarisators (15) von der Drehung des Phasenstellglieds (3) ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 so realisiert, dass die Achse (6), welche das Phasenstellglied (3) mit seinem Antrieb (7) verbindet, als Hohlachse ausgeführt ist. In dieser Hohlachse befindet sich die Achse (18), welche den
Polarisator (15) mit seinem Antrieb (19) verbindet. Da die Polarisationsebene einer Welle mit linearer Polarisation nur in einem Winkelbereich von 180° definiert ist, ist für die Drehung des Polarisators (15) ein Winkelbereich von -90° bis +90°, d.h. eine Halbkreisdrehung, ausreichend.
Der zweite zusätzliche Polarisator (16) ist fest im
Hohlleiterstrahler (2) angebracht, da seine Ausrichtung die
Ausrichtung der linearen Mode bestimmt, welche von der Aus- bzw. Einkopplung (8) aus- bzw. eingekoppelt wird. Die feste Ausrichtung des Polarisators (16) richtet sich daher nach der Lage der Aus¬ bzw. Einkopplung (8) .
Wird die Aus- bzw. Einkopplung (8) zweigeteilt realisiert, z.B. so wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3a und 3b, dann kann auf den Polarisator (16) auch verzichtet werden, da das vom
Phasenstellglied erzeugte zirkulär polarisierte Signal prinzipiell alle Information der einfallenden Welle enthält. Zur Rekombination des ursprünglichen Signals kann dann z.B. ein 90° Hybridkoppler verwendet werden, in welchem das in die Anteile der Kopplung (8a) und (8b) aufgeteilte Signal eingespeist wird.
Für die phasengesteuerte Gruppenantenne ist dann, bedingt durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Phasensteuerung, nur ein einziger 90° Hybridkoppler erforderlich, der z.B. am Fußpunkt des Speisenetzwerks (12) der Gruppenantenne in das Speisenetzwerk (12) integriert werden kann.
Da Polarisationsdrehungen einer einfallenden Welle linearer
Polarisation alle Antennenelemente einer phasengesteuerten
Gruppenantenne in gleicher Weise betreffen, ist auch eine
Ausführungsform denkbar, bei der über der Gruppenantenne ein drehbarer Polarisator angebracht ist. Ein Ausführungsbeispiel einer Gruppenantenne, welche aus
erfindungsgemäßen phasengesteuerten Antennenelementen (1) besteht, und welche mit einem Polarisator (21) ausgestattet ist, der sich drehbar über der Antennengruppe befindet, wird in Fig. 9
schematisch dargestellt.
Die Gruppenantenne der Fig. 9 besteht aus 52 Antennenelementen (1), welche in einem zweidimensionalen Feld kreisförmig angeordnet sind. Über der Antennengruppe ist ein gemeinsamer Polarisator (21) drehbar angebracht, welcher eine Mehrzahl, insbesondere auch alle Antennenelemente (1) abdeckt.
Der Polarisator (21) ist hier als Mäanderpolarisator ausgelegt und kann um eine Achse (22), welche senkrecht zum Antennenfeld steht, gedreht werden.
Fällt nun eine Welle linearer Polarisation auf die Anordnung ein, dann kann der Polarisator (21) so gedreht werden, dass er diese Welle linearer Polarisation in eine Welle zirkularer Polarisation transformiert .
Bei einem Mäanderpolarisator ist dies ein Drehwinkel, bei dem die Achsen der Mäanderlinien mit dem Polarisationsvektor der
einfallenden Welle einen Winkel von 45° einschließen. Bei anderen Drehwinkeln würde hingegen eine Welle mit allgemeiner elliptischer Polarisation entstehen.
Das so in ein Signal zirkularer Polarisation transformierte Signal wird in die phasengesteuerten Antennenelemente (1) der
Gruppenantenne, welche z.B. entsprechend der in den Fig. 3, 7 oder 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgelegt sind, eingespeist. Die Phasenlage des Signals kann dann wieder in der bereits
beschriebenen Weise über die Phasenstellglieder (3) der einzelnen Antennenelemente (1) eingestellt und der Hauptstrahl der Antennengruppe entsprechend gesteuert werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 schematisch dargestellt. Die Gruppenantenne besteht aus einen zweidimensionalen Feld von 16 phasengesteuerten Antennenelementen
(1), welche quadratisch angeordnet sind. Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen besitzt hier jedoch nicht jedes Antennenelement einen eigenen Antrieb (7), sondern jeweils 4 in einer Reihe liegende Antennenelemente haben einen gemeinsamen Antrieb. Die Antriebe (7) sind mit Hilfe der Verbindungselemente
(6) mit jedem der Phasenstellglieder (3) der 4 Antennenelemente
(1) verbunden.
Die oberste Reihe hat keinen Antrieb. Die Phasenstellglieder dieser Antennenelemente sind gleich eingestellt und bestimmen damit die Referenzphase φ. Da es für die Ausrichtung des
Hauptstrahls der Gruppenantenne nur auf die relativen Phasenlagen der Signale der Antennenelemente ankommt, ist eine solche
Anordnung ganz allgemein möglich.
Die Richtungen, in die der Hauptstrahl der Gruppenantenne
geschwenkt werden kann, sind mit dieser Anordnung allerdings eingeschränkt auf eine Ebene, die senkrecht zum zweidimensionalen Antennenfeld und parallel zu der in Fig. 10 bezeichneten Linie A A' liegt. Nur in dieser Ebene kann der Hauptstrahl geschwenkt werden .
Werden die Phasenstellglieder der verschiedenen Reihen der
Antennengruppe nun mit Hilfe der Antriebe (7) so eingestellt, dass eine feste relative Phasendifferenz von Δφ zwischen den Reihen besteht, dann schwenkt der Antennenstrahl der
Gruppenantenne von der Normalen des zweidimensionalen Feldes in dieser Ebene weg. Der Schwenkwinkel ist wieder
proportional zur Phasendifferenz Δφ .
Die Einschränkung des Schwenkbereichs auf eine Ebene rauss für viele Anwendungen jedoch keine Einschränkung des
Funktionsumfangs der so gebildeten Gruppenantennen
darstellen .
Wenn die Gruppenantenne auf einem drehbaren Träger (23) angebracht wird, und um eine Achse, die senkrecht zum
Antennenfeld steht, gedreht werden kann, dann kann der
Hauptstrahl der Anordnung wieder in jede Richtung in der über der Anordnung liegenden Halbkugel gesteuert werden.
Der Vorteil der Ausführungsform liegt darin, dass die Zahl der erforderlichen Antriebseinheiten (7) stark reduziert wird. Im Allgemeinen sind nicht mehr N Antriebe, wenn N die Zahl der Antennenelemente einer Gruppenantenne bezeichnet, sondern nur noch N Antriebe erforderlich. Hinzu kommt dann lediglich noch ein Antrieb für die Drehung der Gruppenantenne als Ganzes.
Für Anwendungen bei denen es lediglich um ein möglichst niedriges Profil der Gruppenantenne geht, und bei denen keine allzu hohen Strahlschwenkgeschwindigkeiten erforderlich sind, kann die Ausführungsform daher von Vorteil sein.
Da der in einer Ebene senkrecht zum Antennenfeld liegende Schwenkbereich einen Winkelbereich von -90° bis +90° umfasst, ist der für die Drehung der Antennengruppe erforderliche Winkelbereich lediglich ebenfalls nur 180°. Es ist also keine vollständige Drehung notwendig. Aufwändige
Hochfrequenzdrehdurchführungen sind nicht erforderlich.
In einer einfachen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Antennengruppe z.B. auf einem Flachbettlager montiert und wird von einem außen liegenden Antrieb gedreht und die
Signalleitungen, sowie die Versorgungs- und Steuerleitungen der Antriebe werden mit Hilfe von flexiblen Kabeln und
Kabelwicklern ("cable wraps") zur Antennengruppe geführt.
Die Antriebseinheiten (7) der einzelnen Reihen können z.B. mit Hilfe von Zahnrädern oder Treibriemen die Achsen der Phasenstellglieder (3) der Antennenelemente (1) einer Reihe drehen. Auch Schneckengetriebe oder Schraubenantriebe sind z.B. als Verbindungselemente (6) möglich.
Bezugs zeichen
Antennenelemente 1
Hohlleiterstrahler 2
Phasenstellglied 3
Halterung 4
Polarisator 5
Ver indungselement 6
Antriebseinheit 7
Signalaus/einkopplung, Mikrostreifenleit. 8, 8a, 8b
Träger 9
Steuerleitungen 10
Achse 11
Speisenetzwerk 12, 12a, 12b
Recheneinheit, Mikroprozessor 13
Welle 14, 14a, 14b, 14c
Zusätzliche Polarisatoren 15, 16
Füllkörper 17, 17a, 17b
Achse des zusätzlichen Polarisators 18
Antrieb des zusätzlichen Polarisators 19
Polarisator für mehrere Antennenelemente 21
Achse des Polarisators 22
Drehbarer Träger 23
Substrat 81
Aussparung 82
Durchkontaktierung 83

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Phasengesteuerte Gruppenantenne, mit
mindestens vier, über mindestens ein Speisenetzwerk (12)
verbundenen phasengesteuerten Antennenelementen (1), wobei ein phasengesteuertes Antennenelement (1) besteht aus
• einem Hohlleiterstrahler (2) mit einer Signalauskopplung bzw.
-einkopplung (8),
• einem Phasenstellglied (3), das im Hohlleiterstrahler (1)
drehbar angebracht ist und eine Halterung (4) und mindestens zwei Polarisatoren (5) enthält, wobei jeder der mindestens zwei Polarisatoren (5) ein zirkulär polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann,
• einem Verbindungselement (6), und
• einer, auf einem Träger (9) angebrachten Antriebseinheit (7), die über das Verbindungselement (6) mit dem Phasenstellglied (3) derart verbunden ist, dass die Antriebseinheit (7) das Phasenstellglied (3) um eine Achse (11) des
Hohlleiterstrahlers (2) drehen kann,
r
und
einer Recheneinheit (13), die über Steuerleitungen (10) mit den Antriebseinheiten (7) der phasengesteuerten Antennenelemente (1) verbunden ist und die Drehung der jeweiligen Phasenstellglieder (3) einstellt.
2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, wobei der Hohlleiterstrahler (2) einen zylinderförmigen Hohlleiterabschnitt besitzt.
3. Gruppenantenne nach Anspruch 1, wobei der Hohlleiterstrahler (2) als Rundhohlleiter ausgelegt ist.
4. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiterstrahler (2) als Hornstrahler ausgebildet ist.
5. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5) senkrecht zur Achse (11) des
Hohlleiterstrahlers (2) und parallel zueinander an der Halterung (4) angebracht sind.
6. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5) als Mäanderpolarisatoren ausgebildet sind.
7. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5) eine zur Drehachse (11) symmetrische Form aufweisen .
8. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) als Achse ausgeführt ist, welche das Phasenstellglied (3) mit der Antriebseinheit (7) verbindet.
9. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (4) aus Kunststoff besteht.
10. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (4) aus geschlossenzelligem Schaum besteht.
11. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenstellglied (3) eine achsensymmetrische Form aufweist.
12. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (7) einen Elektromotor oder einen Piezomotor enthält .
13. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Antriebseinheit (7) einen Aktuator enthält, welcher elektroaktive Materialen beinhaltet.
14. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) oder die Antriebseinheit (7) mit einem Winkellagegeber ausgestattet ist.
15. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) eine schlaufenförmige oder stiftförmige metallische Struktur enthält.
16. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) in
Mikrostreifenleitungstechnik ausgeführt ist.
17. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) zweiteilig derart ausgeführt ist, dass zwei orthogonale Moden des
Hohlleiterstrahlers (1) getrennt ein- bzw. ausgekoppelt werden können .
18. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Hohlleiterstrahler (2) zumindest einen zusätzlichen
dielektrischen Füllkörper enthält, der den Hohleiterstrahler (2) ganz oder teilweise ausfüllt.
19. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einer Apertur des Hohlleiterstrahlers (2) und dem
Phasenstellglied (3) und/oder zwischen dem Phasenstellglied (3) und der Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) mindestens ein zusätzlicher Polarisator (15, 16), welcher ein Signal mit linearer Polarisation in ein Signal mit zirkularer Polarisation umwandeln kann, im Hohlleiterstrahler (2) angebracht ist.
20. Gruppenantenne nach Anspruch 19, wobei der zwischen der
Apertur des Hohlleiterstrahlers (2) und dem Phasenstellglied (3) angebrachte, mindestens eine zusätzliche Polarisator (15) drehbar im Hohlleiterstrahler (2) angebracht ist, und über einen
zusätzlichen Antrieb (19) und eine zusätzliche Achse (18) verfügt, so dass der Antrieb (19) mit Hilfe der Achse (18) den Polarisator (15) unabhängig vom Phasenstellglied (3) um die Achse (11) des Hohlleiterstrahlers (2) drehen kann.
21. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die phasengesteuerten
Antennenelemente (1) in einem ein- oder zweidimensionalen
Antennenfeld angebracht sind.
22. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Speisenetzwerk (12) zumindest teilweise in Mikrostreifenleitungstechnik ausgeführt ist.
23. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens einen Speisenetzwerk (12) zumindest teilweise mit aufgehängten Mikrostreifenleitungen ("suspended strip lines") realisiert ist.
24. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Speisenetzwerk (12) Hohlleiter enthält.
25. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Polarisator (21), der drehbar über einer Mehrzahl von phasengesteuerten Antennenelementen (1) angebracht ist und eine Welle linearer Polarisation in eine Welle zirkularer Polarisation umwandeln kann.
26. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die phasengesteuerten Antennenelemente (1) der Gruppenantenne in Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe von Antennenelementen (1) über eine gemeinsame Antriebseinheit (7) und mehrere
Verbindungselemente (6) verfügt, so dass die Phasenstellglieder (3) dieser Reihe von diesem Antriebselement (7) gedreht werden können .
27. Gruppenantenne nach Anspruch 26, wobei die Verbindungselemente (6) Zahnräder, Schneckengetriebe oder Treibriemen enthalten.
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