EP3482457B1 - Phasengesteuerte gruppenantenne - Google Patents

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EP3482457B1
EP3482457B1 EP17733819.1A EP17733819A EP3482457B1 EP 3482457 B1 EP3482457 B1 EP 3482457B1 EP 17733819 A EP17733819 A EP 17733819A EP 3482457 B1 EP3482457 B1 EP 3482457B1
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EP
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phase
antenna
array antenna
waveguide radiator
polarizers
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Jörg Oppenländer
Alexander Mössinger
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Lisa Draexlmaier GmbH
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Lisa Draexlmaier GmbH
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    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/182—Waveguide phase-shifters
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    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0241—Waveguide horns radiating a circularly polarised wave
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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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    • H01Q3/26—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 phase-controlled group antenna, in particular for the GHz frequency range and for use on mobile carriers such as motor vehicles, aircraft or ships.
  • the phase control of the group antenna has the function of always optimally aligning the main beam of the group antenna with a target during the spatial movement of a mobile carrier.
  • a permanent radio link to the target antenna must be reliably maintained even when the wearer moves quickly.
  • a moving target can also be tracked with a stationary or mobile group antenna, as is the case with radar applications.
  • the antenna diagram of stationary antenna groups can be spatially changed with the aid of variable, controllable phase shifters and the main beam can thus be pivoted in different directions.
  • the phase control elements change the relative phase position of the signals that are received or sent by various individual members of the group antennas. If the relative phase position of the signals from the individual antennas is determined using the Phase control elements adjusted accordingly, then the main lobe ("main beam") of the antenna directional diagram of the group antenna points in the desired direction.
  • phase actuators are mostly composed of non-linear solids ("solid state phase shifters”), mostly ferrites, microswitches (MEMS technology, binary switches), or liquid crystals ("liquid crystals”).
  • solid state phase shifters mostly ferrites, microswitches (MEMS technology, binary switches), or liquid crystals
  • MEMS technology microswitches
  • liquid crystals liquid crystals
  • phase control elements must always be accommodated in the feed networks of the group antennas, which typically makes such group antennas very heavy or their thickness very large.
  • phased array antennas that use conventional phase actuators are very expensive. This prevents use in particular for civil applications above 10 GHz.
  • the requirements for precise control of the antenna pattern of the group antennas represent a further problem. If the group antennas are used in radio relay applications with satellites, then there are strict requirements for the regulatory conformity of the antenna pattern. For each main beam direction, the diagram of the regulatory mask must obey the transmission mode. This can only be reliably guaranteed if both the amplitude and the phase of each individual antenna element of the group antenna are known at all times.
  • phase actuators allows the reliable instantaneous, i. immediate determination of the phase position of the signal after the phase control element, which is available without further calculation. For this it would be necessary to be able to reliably determine the state of the phase control element at any time. However, this is practically impossible with solid-state, MEMS or liquid-crystal phase shifters.
  • the WO 02/084797 A1 a phased array antenna with a plurality of circularly polarized radiator elements, the array antenna comprising movement means which are used for the independent and angular rotation of at least a part of the radiator elements.
  • the phase-controlled array antenna comprises at least four phase-controlled antenna elements (1) connected via at least one feed network (12).
  • the Antenna elements each comprise a waveguide radiator (2) with a signal decoupling or coupling (8), a phase control element (3) which is rotatably mounted in the waveguide radiator (1), a holder (4) and at least two polarizers (5), wherein each of the at least two polarizers (5) can convert a circularly polarized signal into a linearly polarized signal.
  • the antenna elements comprise a connection element (6) and a drive unit (7) mounted on a carrier (9), which is connected to the phase control element (3) via the connection element (6) in such a way that the drive unit (7) controls the phase control element ( 3) can rotate around an axis (11) of the waveguide radiator (2).
  • the group antenna also includes a computing unit (13) which is connected to the drive unit (s) (7) of the phase-controlled antenna elements (1) via control lines (10) and which sets the rotation of the respective phase control elements (3).
  • FIG. 1 An exemplary spatial arrangement of the elements of the group antenna is shown in Fig. 1 shown.
  • the antenna elements (1) can also be arranged with a larger number and / or in several rows, that is to say two-dimensionally.
  • a computing unit (13) controls the entire group antenna.
  • Each of the antenna elements (1) has its own drive unit (7). As shown later, this can also be further simplified by using common drive units (7) for several antenna elements (1).
  • Fig. 2 The basic functionality of a phase-controlled antenna element is shown in Fig. 2 shown.
  • a wave (14a) incident in the waveguide radiator (2) of the antenna element (1) with circular polarization and phase position ⁇ is converted into a wave by the first polarizer (5a) of the phase control element (3) transformed with linear polarization (14b).
  • This wave of linear polarization is converted back into a wave with circular polarization (14c) by the second polarizer (5b) of the phase control element (3).
  • the phase control element (3) is now rotated by an angle ⁇ with the aid of the drive unit (7) and the connecting element (6), the polarization vector (14b) of the linear wave between the two polarizers (5a) and (5b) rotates in one plane perpendicular to the direction of propagation with. Since the polarizer (5a) also rotates, the circular wave (14c), which is generated by the second polarizer (5b), now has a phase position of ⁇ + 2 ⁇ . The circular wave (14c) with phase position ⁇ + 2 ⁇ can then be decoupled from the waveguide radiator (2) of the antenna element (1) or coupled into the waveguide radiator (2) with the aid of the signal decoupling or coupling (8).
  • the drive unit (7) is mounted on a carrier (9) and is supplied with the necessary energy via supply lines and with the information necessary for the rotation through the angle ⁇ via control lines (10) with the aid of the computing unit (13).
  • phase control of the antenna element (1) Due to the design of the phase control of the antenna element (1), the dependence of the phase angle difference between the outgoing (14c) and incoming (14a) circular wave on the rotation of the phase control element (3) is strictly linear, continuous and strictly 2n periodic. In addition, any desired phase rotation or phase shift can be set continuously by the drive unit (7).
  • phase control element (3) Since the phase control element (3) is a purely passive component from an electrodynamic point of view, it does not have any contains nonlinear components, its function is completely reciprocal. This means that a shaft which runs from bottom to top through the phase control element (3) is rotated in its phase in the same way as a shaft which runs from top to bottom through the phase control element (3).
  • phase position of a signal sent or received by the waveguide radiator (2) of the antenna element (1) can thus be set as desired. Simultaneous transmission and reception is also possible.
  • the signal decoupling or coupling (8) is shown in FIG Fig. 2 designed as a microstrip line (8) on a substrate (81).
  • the waveguide radiator (2) of the antenna element (1) is provided with a cutout at the point of coupling or decoupling, which allows the microstrip line including the substrate to be introduced into the waveguide radiator (2).
  • electrically conductive vias (83) are provided which establish electrical contact between the top and bottom of the waveguide radiator (2).
  • a recess (82) is provided in the substrate (81) through which the axis (6), which connects the drive unit (7) to the phase control element (3), can be guided.
  • a phase-controlled group antenna according to the invention is created.
  • Fig. 3 shown schematically Fig. 3a shows schematically the group antenna, Figure 3b the associated feed network (12). It consists of two networks (12a) and (12b), each of which processes orthogonal polarization.
  • the signals from all four antenna elements (1) are brought together or distributed in transmission mode via the feed networks (12a) and (12b), which contain the inputs and outputs (8a) and (8b).
  • the drives (7) of the individual phase controls are controlled by a computing unit (13) which e.g. can be a microprocessor which is connected to the signal lines (10) which connect all drive units to the computing unit.
  • a computing unit (13) which e.g. can be a microprocessor which is connected to the signal lines (10) which connect all drive units to the computing unit.
  • the couplings in and out (8a) and (8b) and the feed networks (12a) and (12b) are designed as microstrip lines (8a, b) on a substrate, analogous to the illustration in FIG Fig. 2 .
  • the signal decoupling or coupling (8) is also designed in two parts as a pin-shaped, orthogonal microstrip line (8a) and (8b) on separate substrates.
  • Such embodiments can be advantageous if two signals of orthogonal polarization are to be received and / or transmitted simultaneously with the group antenna. Phase imbalances can also be compensated if the signals are processed in an orthogonal system.
  • phase controls (3) are now set with the aid of the arithmetic unit (13) so that there is a constant relative phase difference ⁇ Sign between the signals of the individual elements, then the shows Main beam of the group antenna in a certain direction dependent on the phase difference ⁇ .
  • the antenna diagram of the group antenna is in every state of the Group antenna (ie also at any point in time) determined completely deterministically.
  • the corresponding antenna diagram can be calculated very precisely with the aid of a Fast Fourier Transformation (FFT) with relatively little computing power.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • phase control phase control element (3), connection (6) and drive unit (7)
  • the weight of the phase control (phase control element (3), connection (6) and drive unit (7)) of the individual antenna elements (1) is typically very small. If the polarizers (5) are implemented in thin-film technology on thin HF substrates and the holder is made from closed-cell foam, the phase control typically only weighs 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.
  • the weight of an individual phase control is then only a few grams, which results in a total weight of the entire phase control of the group antenna of only a few kilograms, even with group antennas with a thousand individual radiators. This is particularly advantageous in aircraft applications, where the weight should be as low as possible.
  • phase control there is the very low dissipation of the phase control according to the invention.
  • the heat input of the phase control elements is negligible because of the very low ohmic losses. If electric motors are used as drive units, their efficiency is typically> 95%, so that the drive units also cause practically no heat input.
  • the power consumption of micro-motors, for example is only in the mW range, so that the power requirement of the phase controls is only a few watts, even with group antennas with a thousand individual radiators.
  • phase control is a further advantage of the phase control according to the invention. Even in the case of group antennas with many thousands of individual radiators, active cooling is not required, neither in transmission nor in reception. In contrast to this, in the case of group antennas which use conventional semiconductor phase shifters or MEMS phase shifters, complex active cooling is essential, at least in transmission mode, because of the high losses.
  • the feed networks (12) of the phased array antenna can as in Figure 3b shown schematically consist of microstrip lines on a suitable RF substrate. To minimize losses, these microstrip lines can also be designed as suspended microstrip lines, that is to say in a coaxial construction. Parts of the feed networks (12) can also consist of waveguides, which can further reduce the losses.
  • the wave impedance of the antenna element (1) is completely independent of the relative phase position of the incoming and outgoing wave. In the case of antenna elements which are controlled in their phase position with the aid of non-linear phase shifters such as semiconductor phase shifters or liquid crystal phase shifters, this is typically not the case. There the wave impedance depends on the relative phase position, which makes these components difficult to control.
  • the waveguide radiator (2) is preferably designed in such a way that it contains at least one cylindrical waveguide section. This ensures that a cylindrically symmetrical electromagnetic oscillation mode (mode) of circular polarization can develop in its interior, which is dependent on the Polarizers (5) can be transformed into a linear polarization mode.
  • mode cylindrically symmetrical electromagnetic oscillation mode
  • the waveguide termination can e.g. be conical or stepped on one side.
  • the aperture of the waveguide radiator can e.g. when used in two-dimensional antenna fields e.g. can also be designed conical (horn antenna), square or rectangular.
  • the waveguide radiator For applications above 10 GHz, it can be advantageous for densely packed group antennas to design the waveguide radiator as a round waveguide, since such waveguides allow the highest packing density and also support cylinder-symmetrical cavity modes.
  • the waveguide radiator As a horn radiator.
  • the dimensional design of the waveguide radiator (2) for a specific operating frequency band is carried out using the known methods of antenna technology.
  • the axis of rotation (11) of the phase control elements (3) preferably lies in the axis of symmetry of the respective cylindrical Waveguide piece, which each waveguide radiator (2) preferably contains.
  • the polarizers (5a) and (5b) are preferably mounted in the holder (4) perpendicular to the axis of rotation (11) and parallel to one another.
  • a rotation of a quarter circle (-45 ° to + 45 °) is typically sufficient to realize a swivel range of -90 ° to + 90 ° with a group antenna and thus to cover the entire hemisphere above the antenna .
  • phase control works practically without losses, since with a suitable 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, on the other hand, typically already have losses of several dB at these frequencies.
  • the phase-controlled array antenna according to the invention can therefore hardly be distinguished from a corresponding antenna array without phase control.
  • dielectrically filled horn radiators in particular at frequencies greater than 20 GHz, are used in antenna fields because of their high antenna efficiency. If such antenna fields are implemented as phase-controlled group antennas according to the invention, then the HF properties, in particular antenna gain and antenna efficiency, change Antenna fields advantageously not despite the additional phase control.
  • the phase position of the shaft (14a) emitted by the Holleiter emitter can be determined instantaneously and exactly at any time.
  • phase control element (3) Due to the simple structure of the phase control element (3) and the fact that only very simply structured drives (7) are required for the quarter-circle rotation, the phase control can be implemented very inexpensively. Large phased array antennas with many thousands of antenna elements are also easily possible.
  • drive units (7) for example, both inexpensive electric motors or micro-electric motors, as well as piezomotors, or simple actuators made of electroactive materials come into question.
  • the drive elements are preferably SMD components which can be soldered directly onto a suitable circuit board as a carrier (9).
  • the supply and control lines (10) can then be designed as microstrip lines, which allows a high integration density.
  • the connecting element (6) is preferably designed as an axle and is preferably made of a non-metallic, dielectric plastic material such as plastic. This has the advantage that cylindrical cavity modes are not, or only very slightly, disturbed when the axis is attached symmetrically in the waveguide radiator (1).
  • the drive unit (7) e.g. next to the waveguide radiator (2) and the connecting element (6) e.g. consists of a belt that is fed through small openings in the side of the waveguide radiator and thus drives the phase control element.
  • the drive unit (7) controls the phase control element (3) in a contactless manner, e.g. via a rotating magnetic field, rotates.
  • a magnetic rotator can be attached above the termination of the waveguide radiator, which then acts together with the rotating magnetic field as a connecting element (6), if e.g. Parts of the polarizer are made of magnetic materials.
  • the polarizers (5a, b) can e.g. consist of simple, flat meander polarizers which are applied to a conventional carrier material. These polarizers can be manufactured by known etching processes or by additive processes ("circuit printing").
  • the at least two polarizers (5a) and (5b) preferably have a shape symmetrical to the axis (11), so that they can be accommodated in a simple manner in the cylindrically symmetrical waveguide section of the waveguide radiator.
  • the in Fig. 4 The polarizer (5a, b) shown is designed as a meander polarizer. Multi-layer meander polarizers are advantageous here, since these can have large frequency bandwidths and thus enable broadband operation.
  • Embodiments are conceivable in which the signal polarization is not converted by plane polarizers but by structures spatially distributed in the holder (e.g. septum polaristors). For the function of the invention, it is only important that these structures first transform a wave with circular polarization incident into the waveguide radiator (2) into a wave with linear polarization and then transform it back into a wave with circular polarization.
  • structures spatially distributed in the holder e.g. septum polaristors
  • the holder e.g. closed-cell foams with low density, which are known to have very low HF losses, but plastic materials such as polytetrafluoroethylene (Teflon) or polyimides are also used. Because of the small size of the phase control element in the range of one wavelength, especially at frequencies above 10 GHz, the HF losses remain very small here too with appropriate impedance matching to the corresponding electromagnetic mode in the waveguide radiator (1).
  • plastic materials such as polytetrafluoroethylene (Teflon) or polyimides are also used.
  • phase control element (3) Since, from an electrodynamic point of view, the dimensional design of the phase control element (3) at a certain operating frequency is similar to the dimensional design of the waveguide radiator (2) at a certain operating frequency, the phase control element (3) can typically easily be attached inside the waveguide radiator (2).
  • the phase control element (3) can be made so small that it is in the waveguide radiator (2) by selecting the dielectric constant for the material of the holder (4). Takes place.
  • its minimum diameter is typically in the range of one wavelength of the operating frequency.
  • the expansion of the waveguide radiator in the direction of the incident waves is typically a few wavelengths of the operating frequency.
  • the dimensions of the phase control element are always in the range of the dimensions of the waveguide radiator.
  • the dimensions of the phase control element (3) are typically in the range smaller than one wavelength, i.e. approx. 1cm x 1cm. If the holder (4) is designed as a dielectric filling body and the dielectric constant is selected to be correspondingly large, then much smaller form factors can also be implemented. The ohmic losses then increase slightly, but are still only in the percentage range.
  • the antenna elements (1) are arranged in a two-dimensional field and the control lines (10) of the drive units (7) of the individual phase-controlled antenna elements (1) are connected to a microprocessor unit (13) as a computing unit.
  • the main lobe of the antenna diagram of the antenna field which forms a two-dimensional group antenna, can be pivoted in any direction in the hemisphere above the field.
  • antenna beam The alignment of the antenna beam (“antenna beam”) takes place in a diagram shown in FIG Fig. 3a analogous way 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 there is a certain relative phase relationship between the antenna elements (1) of the group antenna .
  • the precision of the alignment of the main beam is very high because the phase position of the signals emitted or received by the individual antenna elements (1) can be set as desired and in principle also as precisely as desired with the aid of the phase control.
  • phase-controlled group antennas which use binary phase shifters.
  • phase position of the individual signals can only be set granularly in certain steps.
  • a highly precise alignment of the antenna diagram is not possible in principle.
  • phase-controlled group antenna The direct reception or transmission of signals with linear polarization by the phase-controlled group antenna is possible through the use of special phase-controlled antenna elements (1).
  • One such antenna element is in Fig. 6 shown schematically and characterized in that in the waveguide radiator (2) of the phase-controlled antenna element (1) in front of the phase control element (3) at least one further polarizer (15) is attached, which can transform signals with linear polarization into signals with circular polarization, and after Phase control element (3) and at least one further polarizer (16), which can transform signals of circular polarization into signals of linear polarization, is attached upstream of the coupling-out (8).
  • the phase control element (3) also consists of the holder (4) and the polarizers (5a) and (5b) and has a Drive unit (7) which is connected via the connecting element (6) to the phase control element (3) or the holder (4) in such a way that the phase control element (3) can be rotated in the horn antenna (2).
  • the phase control element (3) can easily perform its function.
  • the polarizer (16) which is attached after the phase control element (3) and before the decoupling (8), then transforms the signal of circular polarization generated by the phase control element (3) back into a signal of linear polarization, which is generated by a signal corresponding to linear modes designed decoupling (8) can be decoupled directly.
  • the coupling (8) excites a linear mode in the waveguide radiator (2), which is transformed into a circular mode by the second polarizer (16).
  • the phase control element (3) With the phase control element (3), a phase position which is dependent on the angle of rotation of the phase control element (3) about the axis (11) is impressed on this circular mode.
  • the circularly polarized signal with the set phase position, which leaves the phase control element (3), is transformed by the first additional polarizer (15) into a signal with linear polarization and the impressed phase position and emitted by the waveguide radiator (2) of the antenna element (1).
  • FIG. 6 An embodiment of the in Fig. 6 antenna element shown is in Fig. 7 shown schematically.
  • the signal decoupling or coupling (8) is analogous to the illustration in FIG Fig. 2 designed 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 are typically permanently mounted in the waveguide radiator (2).
  • the waveguide termination below the coupling-out or coupling-in (8) is also filled with a dielectric filler (17).
  • This structure has the advantage that the entire interior of the waveguide radiator (2) is filled with a dielectric, typically of the same type, so that mode discontinuities cannot occur.
  • the first additional polarizer (15) rotatable and to equip it with an independent drive so that this polarizer (15) turns independently of the phase control element (3) in the waveguide radiator (2) the axis (11) can be rotated.
  • Such an arrangement is particularly advantageous when, in mobile arrangements, the movement of the carrier causes a rotation of the polarization vector of the incident wave relative to the array antenna fixedly mounted on the carrier.
  • FIG. 8 A corresponding embodiment is shown in Fig. 8 shown schematically.
  • the first additional polarizer (15) is rotatably mounted in the waveguide radiator (2) and connected to its own drive (19) with the aid of an axis (18) so that the drive (19) moves the polarizer (15) around the axis (11) can turn.
  • FIG Fig. 8 The independent rotation of the polarizer (15) from the rotation of the phase control element (3) is shown in FIG Fig. 8 realized in such a way that the axis (6) which connects the phase control element (3) with its drive (7) is designed as a hollow axis.
  • This hollow axis is the axis (18) which connects the polarizer (15) with its drive (19).
  • the second additional polarizer (16) is firmly attached in the waveguide radiator (2), since its alignment determines the alignment of the linear mode which is coupled out or coupled in by the coupling out or coupling (8).
  • the fixed alignment of the polarizer (16) therefore depends on the position of the coupling-out or coupling-in (8).
  • the coupling out or coupling (8) is implemented in two parts, for example as in the embodiment of FIG Fig. 3a and 3b
  • the polarizer (16) can also be dispensed with, since the circularly polarized signal generated by the phase control element contains in principle all the information of the incident wave.
  • a 90 ° hybrid coupler for example, can then be used, in which the signal divided into the components of the coupling (8a) and (8b) is fed.
  • phase-controlled group antenna Due to the construction of the phase control according to the invention, only a single 90 ° hybrid coupler is then required for the phase-controlled group antenna, which e.g. can be integrated into the feed network (12) at the base of the feed network (12) of the group antenna.
  • FIG Fig. 9 An exemplary embodiment of a group antenna which consists of phase-controlled antenna elements (1) according to the invention and which is equipped with a polarizer (21) which is rotatably located above the antenna group is shown in FIG Fig. 9 shown schematically.
  • the group antenna of the Fig. 9 consists of 52 antenna elements (1), which are arranged in a two-dimensional field in a circle.
  • 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.
  • the signal transformed in this way into a signal of circular polarization is fed into the phase-controlled antenna elements (1) of the group antenna, which, for example, correspond to those in the Fig. 3 , 7th or 8th Embodiments described are designed, fed.
  • the phase position of the signal can then be adjusted again in the manner already described via the phase control elements (3) of the individual antenna elements (1) and the main beam of the antenna group can be controlled accordingly.
  • FIG Fig. 10 Another embodiment of the invention is shown in FIG Fig. 10 shown schematically.
  • the group antenna consists of a two-dimensional array of 16 phase-controlled antenna elements (1), which are arranged in a square.
  • each antenna element does not have its own drive (7) here, but rather 4 antenna elements lying in a row have a common drive.
  • the drives (7) are connected to each of the phase control elements (3) of the 4 antenna elements (1) with the aid of the connecting elements (6).
  • the top row has no drive.
  • the phase control elements of these antenna elements are set the same and thus determine the reference phase ⁇ . Since the alignment of the main beam of the group antenna only depends on the relative phase positions of the signals of the antenna elements, such an arrangement is quite generally possible.
  • the directions in which the main beam of the array antenna can be swiveled are restricted to a plane that is perpendicular to the two-dimensional antenna field and parallel to the one in Fig. 10 designated line AA '.
  • the main beam can only be swiveled in this plane.
  • phase control elements of the different rows of the antenna group are now adjusted with the aid of the drives (7), that there is a fixed relative phase difference of ⁇ between the rows, then the antenna beam of the group antenna swivels away from the normal of the two-dimensional field in this plane.
  • the swivel angle is again proportional to the phase difference ⁇ .
  • the restriction of the swivel range to one plane does not have to represent a restriction of the functional scope of the group antennas formed in this way.
  • the group antenna is mounted on a rotatable support (23) and can be rotated about an axis which is perpendicular to the antenna field, then the main beam of the arrangement can again be steered in every direction in the hemisphere above the arrangement.
  • the advantage of the embodiment is that the number of drive units (7) required is greatly reduced. In general, there are no longer N drives if N denotes the number of antenna elements in a group antenna, but only N Drives required. In addition, there is only a drive for rotating the group antenna as a whole.
  • the embodiment can therefore be advantageous for applications in which it is only a matter of the lowest possible profile of the group antenna and in which no excessive beam swiveling speeds are required.
  • the angular range required for rotating the antenna group is also only 180 °. So no complete rotation is necessary. Complex high-frequency rotary feedthroughs are not required.
  • the antenna group is e.g. Mounted on a flat bed bearing and is rotated by an external drive and the signal lines as well as the supply and control lines of the drives are guided to the antenna group with the help of flexible cables and cable wraps.
  • the drive units (7) of the individual rows can rotate the axes of the phase control elements (3) of the antenna elements (1) in a row, for example with the aid of toothed wheels or drive belts. Worm gears or screw drives are also possible, for example, as connecting elements (6).
  • Reference number Antenna elements 1 Waveguide radiator 2 Phase actuator 3 bracket 4th Polarizer 5a, 5b Connecting element 6th Drive unit 7th Signal out / in, microstrip line.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

  • 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 Richtfunkanwendungen 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 C1 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.
  • Des Weiteren offenbart die WO 02/084797 A1 eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren zirkular polarisierten Strahlerelementen, wobei die Gruppenantenne Bewegungsmittel umfasst, die zur unabhängigen und winkligen Drehung zumindest eines Teil der Strahlerelemente dient.
  • 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. 1. die exakte Ausrichtung und Steuerung des Hauptstrahls der Gruppenantenne erlaubt,
    2. 2. die exakte Steuerung und Kontrolle der relativen Phasenlage der Signale der verschiedener Antennenelemente der Gruppenantenne ermöglicht,
    3. 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. 4. keine oder nur sehr geringe Verluste hat,
    5. 5. ein niedriges Profil und ein geringes Gewicht besitzt, und
    6. 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 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.
  • 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 zirkulare Welle (14c), welche vom zweiten Polarisator (5b) generiert wird, jetzt eine Phasenlage von ϕ + 2 Δθ. Die zirkulare 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 nichtkreisförmigen 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. 1cm x 1cm. 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.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Figuren erläutert, dabei zeigen:
    • Figur 5
    eine quadratische Gruppenantenne,
    Figur 6
    ein Antennenelement mit zusätzlichem Polarisator,
    Figur 7
    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 granular 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 zirkulare Mode transformiert wird. Dieser zirkularen Mode wird mit dem Phasenstellglied (3) eine vom Drehwinkel des Phasenstellglieds (3) um die Achse (11) abhängige Phasenlage aufgeprägt. Das zirkular 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 zirkular 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 muss 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
    Figure imgb0001
     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. Bezugszeichen
    Antennenelemente 1
    Hohlleiterstrahler 2
    Phasenstellglied 3
    Halterung 4
    Polarisator 5a, 5b
    Verbindungselement 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 (15)

  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 (2) drehbar angebracht ist und eine Halterung (4) und mindestens zwei Polarisatoren (5a,5b) enthält, wobei jeder der mindestens zwei Polarisatoren (5a,5b) ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann, um eine in den Hohlleiterstrahler (2) einfallende Welle (14a) mit zirkularer Polarisation und Phasenlage ϕ durch einen ersten Polarisator (5a) der mindestens zwei Polarisatoren (5a, 5b) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle (14b) mit linearer Polarisation zu transformieren und diese Welle (14b) linearer Polarisation durch einen zweiten Polarisator (5b) der mindestens zwei Polarisatoren (5a, 5b) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle (14c) mit zirkularer Polarisation zurück zu verwandeln,
    • 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, so dass bei Drehung des Verbindungselements (6) und damit auch der beiden Polarisatoren (5a, 5b) um einen Winkel Δθ der Polarisationsvektor der linearen Welle (14b) zwischen den beiden Polarisatoren (5a, 5b) in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung entsprechend um den Winkel Δθ drehbar ist und die Welle (14c) mit zirkularer Polarisation damit eine neue Phasenlage von ϕ + 2 Δθ aufweist,
    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) als Hornstrahler ausgebildet ist.
  3. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5a,5b) senkrecht zur Achse (11) des Hohlleiterstrahlers (2) und parallel zueinander an der Halterung (4) angebracht sind.
  4. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5a,5b) als Mäanderpolarisatoren ausgebildet sind.
  5. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarisatoren (5a,5b) eine zur Drehachse (11) symmetrische Form aufweisen.
  6. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) als Achse ausgeführt ist, welche das Phasenstellglied (3) mit der Antriebseinheit (7) verbindet.
  7. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (7) einen Elektromotor oder einen Piezomotor oder Aktuator enthält, wobei der Aktuator elektroaktive Materialen beinhaltet.
  8. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) oder die Antriebseinheit (7) mit einem Winkellagegeber ausgestattet ist.
  9. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) eine schlaufenförmige oder stiftförmige metallische Struktur enthält, in Mikrostreifenleitungstechnik ausgeführt ist und/oder zweiteilig derart ausgeführt ist, dass zwei orthogonale Moden des Hohlleiterstrahlers (1) getrennt ein- bzw. auskoppelbar sind.
  10. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Hohlleiterstrahler (2) zumindest einen zusätzlichen dielektrischen Füllkörper enthält, der den Hohleiterstrahler (2) ganz oder teilweise ausfüllt.
  11. 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.
  12. Gruppenantenne nach Anspruch 11, 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.
  13. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die phasengesteuerten Antennenelemente (1) in einem ein- oder zweidimensionalen Antennenfeld angebracht sind.
  14. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Polarisator (21), der drehbar über einer Mehrzahl von phasengesteuerten Antennenelementen (1) angebracht ist, so dass eine einfallende Welle linearer Polarisation in eine Welle zirkularer Polarisation umwandelbar ist.
  15. 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) drehbar sind.
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