FI99221C - Planaarinen antennirakenne - Google Patents

Description

99221

Planaarinen antennirakenne

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osan mukainen antennirakenne, joka on tarkoitettu erityisesti radioiinkkikäyttöön.

Tällä hetkellä on radiolinkeillä käytössä useita taajuuskaistoja VHF- (30...300 MHz), UHF- (300 MHz...3 GHz), SHF- (3...30 GHz) ja EHF-alueilla (30...300 GHz).

10 Yhä korkeampia taajuuksia on otettu jatkuvasti käyttöön, koska matkaviestinpalvelut ovat vallanneet alemmat taajuusalueet (alle 3 GHz) melko täydellisesti. Nykyään toimivat monet linkkijärjestelmät 38 GHz:n taajuusalueella, joka onkin se taajuusalue, jolla esillä olevan keksinnön mukai-15 nen antennikin tulee käytännössä (ainakin aluksi) toimimaan. Koska antennin toimintaperiaate ei kuitenkaan ole mitenkään sidoksissa taajuuteen, voidaan todeta yleisemmin, että keksinnön mukainen antennirakenne on tarkoitettu toimimaan mikro- ja millimetriaaltoalueella.

20 Kansainvälisissä standardeissa määritellään link- kiantenneilta vaadittavat säteilyominaisuudet. Esim. ETSIn (European Telecommunications Standards Institute) standardissa prETS 300 197 määritellään 38 GHz:n linkkianten-nin suuntakuvion suurimmat sallitut sivukeilojen tasot.

25 Näin ollen linkkiantennin suunnittelussa on lähtökohta tyypillisesti sellainen, että antennin vahvistuksen on oltava vähintään tietyn suuruinen, mutta samalla on sivu-keilojen tasojen kuitenkin alitettava tietyt rajat. Vahvistusta ei siis voida nostaa rajattomasti, koska se nos-30 taa vastaavasti sivukeilojen tasoa.

Linkkiantenneille asetetut vaatimukset ovat tiukat, ja standardien asettamat säteilyominaisuudet onkin nykyisin yleisesti käytössä olevilla taajuuksilla pystytty täyttämään vain erilaisilla torvi+linssi- tai heijastinan-35 tenneilla (paraboloidiantenneilla).

t * 2 99221

Riittävien säteilyominaisuuksien lisäksi haluavat antennivalmistajat ja erityisesti antennien käyttäjät (asiakkaat) antennista fyysiseltä kooltaan pienen. Erityisesti silloin, kun radioiinkkiyhteyden toinen päätepiste 5 on asiakkaan luona, on erittäin tärkeää, että rakenne sulautuu ympäristöön mahdollisimman hyvin (eli mahtuu pieneen tilaan).

Fysiikan lait määrittävät pitkälti antennin poikit-taispinta-alan, toisin sanoen antennilla on oltava tietty 10 sieppauspinta tai sen säteilyaukolla tietty koko. Sen sijaan antennirakenteen syvyyssuuntaiseen kokoon voidaan helpommin vaikuttaa antennirakenteen suunnittelulla. Esim. edellä mainittujen torvi+linssi- tai heijastinantennien epäkohtana on se, ettei niistä, niiden toimintaperiaatteen 15 vuoksi, saada kompaktia rakennetta. Esim. edellä mainitulla 38 GHz:n alueella tällaisten antennien koko antennin syvyyssuunnassa on pienimmilläänkin luokkaa 20 cm.

Pieni syvyyssuuntainen koko saavutetaan ns. planaa-risilla antenneilla (planaarisella antennilla tarkoitetaan 20 rakennetta, jossa antennin syöttöelimet ja säteilijäele-mentit ovat syvyyssuunnassa hyvin lähellä toisiaan). Pla-naariset antennirakenteet perustuvat tyypillisesti mikro-liuskatekniikkaan, eikä niillä pystytä saamaan riittävää vahvistusta johtuen siitä, että mikroliuskarakenne on 25 liian häviöllinen. Useiden planaaristen antennirakenteiden epäkohtana on myös se, että ne ovat kapeakaistaisia (vaaditut ominaisuudet saavutetaan ainoastaan kapealla taajuuskaistalla) . Eräiden planaaristen antennien epäkohtana on myös se, että ne eivät sovellu massatuotantoon johtuen 30 erittäin tarkoista mitoitusvaatimuksista nykyisin käytettävillä suuremmilla taajuuksilla. Antennirakenteen soveltuvuus massatuotantoon onkin antennin valmistajan kannalta useimmiten välttämätön vaatimus.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada 35 aikaan parannus edellä esitettyihin epäkohtiin aikaansaa- 3 99221 maila uudentyyppinen linkkikäyttöön soveltuva antennira-kenne, jonka avulla kyetään toteuttamaan sekä riittävät säteilyominaisuudet että erittäin kompakti koko ja soveltuvuus sarjatuotantoon. Nämä päämäärät saavutetaan keksin-5 non mukaisella antennirakenteella, jolle on tunnusomaista se, mitä kuvataan oheisen patenttivaatimuksen l tunnus-merkkiosassa.

Keksinnön ajatuksena on luoda antennille tietyt ominaisuudet (kuten mahdollisuus planaariseen rakenteeseen, 10 pieniin häviöihin ja laajakaistaiseen toimintaan) tasomaisen syöttöverkon avulla, ja yhdistää tähän rakenteeseen säteilijäelementeiksi sinänsä tunnetun tyyppinen laatikko-torvi, jonka avulla pystytään puolestaan toteuttamaan säteilyominaisuudet siten, että edellä kuvatut epäkohdat 15 poistuvat. Keksinnössä on havaittu, että laatikkotorven mitoituksen avulla voidaan, sarjatuotantoonkin sopivalla tavalla, sijoittaa yksittäisen säteilijäelementin suunta-kuvion nollakohta siihen suuntaan, missä antennin ryhmä-kertoimella on sivukeila. Tällä tavoin saadaan yksinker-20 täisellä tavalla antenniryhmän sivukeila häviämään, jolloin halutut säteilyominaisuudet ovat helposti saavutettavissa .

Esillä olevan keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan planaarinen rakenne, jolla on hyvät (linkki-25 käyttöön riittävät) säteilyominaisuudet ja joka on samalla rakenteeltaan yksinkertainen, edullinen valmistaa ja epä-herkkä valmistusvirheille. Esim. edellä mainitulla 38 GHz:n alueella on keksinnön mukaisen antennin paksuus vain n. 4 cm, eli käytännössä noin viidesosa nykyisten link-30 kiantennien minimipaksuudesta.

Vaikka koko antenni rakennetaan, keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti, aaltoputkitekniikalla, saavutetaan silti planaarinen rakenne.

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia suoritus-35 muotoja kuvataan tarkemmin viitaten oheisten piirustusten 4 99221 mukaisiin esimerkkeihin, joissa kuvio 1 esittää perspektiivikuvantona keksinnön mukaista antennia, jossa on 2x2 säteilijäelementtiä, kuviot 2a...2c havainnollistavat kuvion 1 mukaisessa 5 antennirakenteessa käytettävää syöttöverkkoa, kuvio 3a havainnollistaa aaltoputken T-liitoksen pyöristettyä jakajaa, kuvio 3b havainnollistaa aaltoputken T-liitoksen jakajaa, joka on valmisteknisessä mielessä optimoitu kuvi-10 on 3a mukaisesta jakajasta, kuvio 4 havainnollistaa sinänsä tunnetun laatikko-torven periaatteellista rakennetta, kuvio 5 esittää laatikkotorven eri aaltomuotojen amplitudien suhteen riippuvuutta laatikkotorven apertuurien 15 suhteesta, kuvio 6 esittää laatikkotorven apertuurin kentänja-kaumaa, kuvio 7a esittää kuvion 1 mukaisessa antennissa käytetyn säteilijäelementin periaatteellista rakennetta, 20 kuvio 7b havainnollistaa kuvion 1 mukaisen säteili- jäelementin poikkileikkausta H-tasossa, kuvio 7c havainnollistaa kuvion 1 mukaisen säteili-jäelementin poikkileikkausta E-tasossa, kuvio 8 esittää 16x16-elementtiselle ryhmälle tar- 25 koitettua syöttöverkkoa, ja kuvio 9 esittää kuvion 8 syöttöverkkoa vastaavaa säteilijäelementtiryhmää.

Kuviossa 1 on esitetty eräs esillä olevan keksinnön mukainen antenni. Antenni koostuu vain kahdesta kappalees-30 ta; syöttöverkon sisältävästä osasta AI, ja sen päälle kiinnitetystä osasta A2, joka sisältää säteilijäelementti-ryhmän 10, jossa on tässä esimerkkitapauksessa (yksinkertaisuuden vuoksi vain) neljä säteilijäelementtiä RE tiiviisti vierekkäin (kaksi molemmissa tasoissa). Kukin sä-35 teilijäelementti on RE laatikkotorvi, jossa on magneetti- il : 5 99221 kentän tasossa oleva askel S. Syöttoverkkoon johtavaa syöttöaukkoa on merkitty viitemerkillä FA. Molemmat anten-niosat (AI ja A2) voivat olla esim. umpinaisia metalli-kappaleita, jotka on valmistettu esim. valutekniikalla 5 (antennin valmistustekniikkaa kuvataan tarkemmin vielä jäljempänä).

Kuviossa 2a on esitetty kuvion 1 alimmainen osa (AI) päältä päin nähtynä eli siltä pinnaltaan, joka tulee osaa A2 vasten. Kuvio 2b esittää puolestaan osaa AI kuvion 2a 10 viivan A-A' suuntaan nähtynä ja kuvio 2c viivan B-B' suuntaan nähtynä. Tässä esimerkkitapauksessa käytetään syöttö-johtona suorakulmaista aaltoputkea, joka on yksinkertaisen rakenteensa ja pienien häviöidensä takia käytännössä erittäin edullinen valinta syöttöjohdoksi. Mitä monimutkaisem-15 pi rakenne on, sitä kalliimpi se on valmistaa ja useimmiten myös sitä herkempi valmistusvirheille. Aaltoputki muodostuu osan AI pinnalle muodostetusta urasta 20 ja osasta A2, joka muodostaa aaltoputken katon. Aaltoputki on edullista valita mahdollisimman kapeaksi, jotta säteilijä-20 elementtien väli (elementtiväli) saataisiin mahdollisimman pieneksi ja sitä kautta myös antennin ryhmäkertoimen sivu-keilojen lukumäärä pieneksi. Näin ollen on edullista valita aaltoputken leveys käyttö- ja katkotaajuuksien kannalta pienimmäksi mahdolliseksi.

25 Edellä mainitulla 38 GHz:n alueella voidaan aalto- putken leveydeksi valita n. 5 mm, jolloin antennia syöttäväksi standardiaaltoputkeksi (ei esitetty) voidaan valita esim. aaltoputki WR-28, jonka leveys on 7,11 mm ja korkeus 3,56 mm. (Osaan AI tehdyn uran syvyys D voidaan näin ollen 30 valita vastaamaan käytetyn syöttöaaltoputken korkeutta). Syöttävää aaltoputkea varten on syöttöaukon kohdalle tehty laajennus 25, joka muodostaa siirtymän leveämmästä kapeampaan aaltoputkeen.

Aaltoputken tulee toimia pelkästään alimmalla aalto-35 muodolla TE10. (Esim. aaltoputkessa WR-28 TE20-muodon kat- 6 99221 kotaajuus on 60 GHz ja TE01-muodon 42,13 GHz, joten nämä muodot eivät voi edetä aaltoputkessa, kun antennia käytetään 38 GHz:n taajuudella.)

Kuvioiden 2a...2c mukaisessa planaarisessa syöttö-5 verkossa jaetaan yhteisestä syöttölähteestä (ei esitetty) syötettävä teho peräkkäisten T-liitoksien avulla eri säteili jäelementeille . Esim. kuvion 2a esimerkissä on kolme T-liitosta. Yhtä näistä on havainnollistettu viitemerkillä T ja esittämällä T-liitoksen rajat katkoviivoilla. Koska 10 tavallisen T-liitoksen heijastuskerroin aaltoputkessa on suuri, on syöttöverkon T-liitoksissa edullista käyttää sinänsä tunnettua, kolmiomalliin perustuvaa, pyöristettyä jakajaa 22. Tällainen pyöristetty jakaja perustuu kuviossa 3a esitettyyn sinänsä tunnettuun jakajaan, jossa kol-15 miomallisen jakajan 23 kärki 23a on tehty äärettömän ohueksi. Tällaisella sivuiltaan pyöristetyllä ja kärjel-tään ohuella jakajalla saavutetaan pieni heijastuskerroin. Rakenne on kuitenkin herkkä jakajan keskipisteen (kärjen 23a) sijainnille, minkä vuoksi on edullista käyttää edellä 20 esitettyä pyöristettyä jakajaa 22, jota on havainnollistettu myös kuviossa 3b. Tässä pyöristetyssä jakajassa on ideaalista muotoa muutettu kärjen 22a osalta vähemmän teräväksi ja tukevammaksi, jolloin jakaja ei ole enää yhtä herkkä valmistusvirheille. Sovitus saadaan kuitenkin pysy-25 mään edelleen hyvänä.

Mikäli antennin suuntakuviovaatimusten takia osoittautuu välttämättömäksi esim. poiketa antenniryhmän tasaisesta syötöstä, voidaan tarvittavat tehonjakosuhteet aikaansaada T-liitoksessa siirtämällä liitoksen keskellä 30 olevaa jakajaa 22 sivuun keskiviivasta. Mikäli tällainen epätasainen tehonjako halutaan elementtien välille, on se toteutettava niin, ettei elementtien välille synny vaihe-eroa. T-liitoksessa ulostuloporttien välinen vaihe-ero kasvaa sitä mukaa, kun jakaja siirtyy kauemmaksi keskivii-35 valta. Tämä vaihe-ero on yhtä suuri kuin se vaihe-ero, 7 99221 joka saadaan, kun sisäänmenoportin paikkaa muutetaan saman verran sivusuunnassa. Vaihe määräytyy siis etäisyydestä jakajaan, ulostuloporteista mitattuna. Tällöin voidaan vaihe-ero kompensoida siirtämällä T-liitoksen syöttöputken 5 paikkaa yhtä paljon sivusuunnassa. Tätä on havainnollistettu kuviossa 3c, jossa sivuttaissiirtomatkaa on merkitty viitemerkillä X. Lopputuloksena edellä olevasta on siis se, että jakaja voi olla T-liitoksen keskellä, mutta syöt-töputki on siihen nähden sivussa.

10 Tehonjakajan sovitusta voidaan edelleen parantaa aiheuttamalla jakajan heijastusta kumoava toinen heijastus. Mikäli tarkoituksella aiheutetun heijastuksen amplitudi on yhtä suuri kuin jakajan heijastus ja vaiheet vastakkaiset, on summautunut kokonaisheijastus nolla. Aalto-15 putkessa saadaan heijastus aikaiseksi sijoittamalla putkeen jonkinlainen este. Kuvioiden mukaisessa esimerkissä on kumoava heijastus aikaansaatu lieriönmuotoisella tapilla 24. Tapin korkeutta h säätämällä vaikutetaan heijastuksen amplitudiin, tapin paikkaa (etäisyys tehonjakajasta) 20 muuttamalla saadaan vaihe sopivaksi.

Tehonjaon lisäksi on syöttöverkossa taivutettava aaltoputkea. Tämä on toteutettu kuvioiden 2a...2c esimerk-kiratkaisussa muodostamalla aaltoputkeen E-tason mutka yksittäiselle säteilijäelementille johtavassa aaltoputki-• 25 haarassa (jatkossa käytetään sähkökentän tasosta nimitystä E-taso ja magneettikentän tasosta nimitystä H-taso). Mutka on toteutettu tekemällä uraan oleellisesti 45 asteen kulmassa ylöspäin nousevat viisteet, joita on merkitty viitenumeroilla 21 (kuviot 2a ja 2b). Koska tämän seurauksena 30 polarisaatio olisi muuten vastakkaisessa vaiheessa E-ta-sossa vierekkäisten säteilijäelementtien välillä, on toiselle puolelle tehty puolen aallonpituuden mittainen lisäys Δ, joka kääntää signaalin samanvaiheiseksi E-tasossa vierekkäisen elementin signaalin kanssa. Viisteiden koh-35 dalta kukin syöttöhaara kytkeytyy säteilijäelementille, 8 99221 toisin sanoen osassa A2 on vastaavalla kohdalla aukko, joka on säteilijäelementin "syöttöaukko".

E-tasossa säteilyelementtien väli määräytyy pitkälti tarvittavan vaihekorjauksen pituudesta. Elementtien välil-5 le pitää mahtua vähintään T-liitos ja vaihekorjaus (Δ) . Molemmille puolille tulee vielä em. E-tason mutka, ja sillä puolella, missä ei ole vaihekorjausta, mutkaa ei voida sijoittaa heti T-liitoksen viereen, sillä se häiritsee T-liitoksessa esiintyviä kenttiä. (Luotettavan toi-10 minnan varmistamiseksi on matka T-liitoksesta mutkaan oltava käytännössä vähintään aallonpituuden kahdeksasosa.) H-tasossa voidaan elementit sijoittaa lähemmäksi toisiaan kuin E-tasossa. Mikäli syöttöverkossa olevien aalto-putkien välillä olisi äärettömän ohuet seinät, tulisi 15 elementtiväliksi dH = 2 x putken leveys. Etäisyyttä määrättäessä on kuitenkin huomioitava, että (a) antenniryhmän suuntaavuus (ja täten vahvistus) on suurin, kun elementti-väli on 0,9X:n moninkerta (λ on vapaan tilan aallonpituus) , ja että (b) antenniryhmän ryhmäkertoimen sivukeilo-20 jen lukumäärä on verrannollinen siihen, kuinka monta aallonpituuden monikertaa elementtiväli on. Näin ollen voidaan elementtiväliä kasvattaa esim. arvoon 0,9 x 2 x λ lisäämättä sivukeilojen määrää. Tällöin antenniryhmän suuntaavuus kasvaa maksimiinsa aallonpituutta suuremmilla ele-25 menttiväleillä.

Edellä kuvattujen yksityiskohtaisempien rakenneratkaisujen (T-liitokset, tehonjakajat ja tappisovitukset, jotka ovat sinänsä tunnettuja ratkaisuja) avulla alan ammattimies voi mitoittaa syöttöverkon kulloisenkin käyttö-30 taajuuden ja muiden antennille asetettujen vaatimusten mu kaiseksi. Keksinnön kannalta oleellista syöttöverkossa on lähinnä sen planaarinen rakenne sekä mahdollisuus vähähä-viöiseen aaltoputkitoteutukseen. Edullinen yksityiskohta on myös mahdollisuus taperoida (taperoinnilla tarkoitetaan 35 syöttöamplitudin pienentämistä ryhmän laidoilla olevien ti 9 99221 elementtien kohdalla) kentän jakauma antennin pinnan yli jakajien avulla. Lopullinen syöttöverkko rakennetaan sijoittamalla tehonjakajia oikealla tavalla siten, että saadaan haluttu amplitudijakauma säteilyelementeille.

5 Elementtien suhteelliset amplitudit määritetään laskemalla eri taperoinneilla antenniryhmän suuntakuvio. Koska tape-rointi pienentää vahvistusta ja leventää pääkeilan leveyttä, on edullista yrittää pitää valaisufunktio mahdollisimman lähellä tasaisesti valaistua apertuuria.

10 Kuten edellä jo esitettiin, käytetään keksinnön mukaisessa antennirakenteessa säteilijäelementtinä laatik-kotorvea (box horn). Laatikkotorvi on (sinänsä tunnettu) torviantennirakenne, jonka suuntaavuus magneettikentän tasossa (H-tasossa) on suurempi kuin tavallisella torvel-15 la, jonka apertuuri on samankokoinen. Torvi konstruoidaan siten, että synnytetään korkeampi (kolmas) aaltomuoto, jonka vaihe eroaa esim. 180 astetta perusmuodon vaiheesta antennin apertuurissa. Tämä korkeampi aaltomuoto muuttaa apertuurin kenttäjakaumaa (H-tasossa) kosinityyppisestä 20 enemmän tasaista jakaumaa tai kahta kosinijakaumaa muistuttavaksi .

Kuviossa 4 on havainnollistettu sinänsä tunnetun laatikkotorven periaatteellista rakennetta. Torvi koostuu tyypillisesti suorakulmaisesta aaltoputkipalasta 41, jonka 25 pituus on L. Tätä osaa, jonka mitta H-tasossa on A, kutsutaan laatikoksi. A:n arvon on oltava niin suuri, että korkeammat aaltomuodot TEn0 (n=0...3) pystyvät etenemään.

Torvi on avoin toisesta päästä ja syöttö tapahtuu esim. suorakulmaisesta aaltoputkesta 42 toisesta päästä. Syöttö 30 voidaan tehdä myös H-tason torven avulla (aaltoputki, jonka päässä olevaa aukkoa on levitetty H-tason suunnassa E-tason suuntaisen mitan pysyessä muuttumattomana). Syöttävä aaltoputki tai torvi, jonka apertuuri on A' , on sijoitettu laatikon keskiviivalle, jotta se synnyttäisi 35 ainoastaan ne aaltomuodot, joilla on nollasta poikkeava t 10 99221 amplitudi keskellä aukkoa, ts. TE10- ja TE30-muodot. Näiden aaltomuotojen amplitudien suhde riippuu apertuurien suhteesta A' /A. Kun oletetaan, että ax on TE10-muodon amplitudi ja a3 on TE30-muodon amplitudi, voidaan näiden suhde 5 esittää muodossa: 31 Tämän riippuvuuden perusteella voidaan esittää amplitudien a3 ja ax suhde askelkorkeuden A'/A funktiona.

Tätä on havainnollistettu kuviossa 5.

10 Laatikkotorven apertuurin amplitudijakauma (H-ta sossa) riippuu myös suhteesta a.^/a1. Kuviossa 6 on havainnollistettu amplitudijakaumaa suhteen £3/^1 arvoilla 0...0,7 (vaaka-akseli kuvaa prosentuaalista etäisyyttä apertuurin keskipisteestä ja pystyakseli suhteellista 15 tasoa). Kuviossa on oletettu, että kahden etenevän muodon vaihe-ero apertuurin tasossa on 180 astetta. Kuten kuviosta voidaan havaita, saadaan amplitudien suhteen arvolla 0,35 suhteellisen hyvä approksimaatio tasaiselle va-laisufunktiolle ja suhteen arvolla 0,55 kahdelle kosinija-20 kaumalle. (E-tasossa kenttä on aaltoputkessa tasaisesti jakautunut ja antennin apertuurin alue tasaisesti valaistu .)

Esillä olevan keksinnön mukaisessa antennissa käytetään hyväksi edellä kuvatun tyyppistä laatikkotorvea ja 25 erityisesti sille ominaista, magneettikentän tasossa olevaa porrasta, jonka avulla voidaan yksinkertaisella tavalla muuttaa torvessa etenevien aaltomuotojen suhteellisia amplitudeja.

Laatikkotorven mitoitus keksinnön mukaiseen anten- tl.

11 99221 niryhmään suoritetaan seuraavasti. Aluksi lasketaan an-tenniryhmän ryhmäkertoimen avulla se suunta, missä ryhmä-kertoimella on sivukeila. Ryhmäkerroin on tunnetusti muotoa : i sin(fY) f{y) =± -L£_I , νφ) 5 missä N on elementtien lukumäärä, ja γ riippuu aallonpituudesta X, elementtivälistä d ja tarkastelukulmasta Θ seuraavasti: γ = kd sin(Ö) +6, missä aaltoluku k = 2ιτ/λ ja δ on vaihe-ero elementit) tien välillä.

Sivukeilan suunnan laskemisessa on tiedettävä ele-menttiväli ja taajuus (elementtiväli tiedetään syöttöver-kon mitoituksen perusteella).

Laskemalla tämän jälkeen laatikkotorven suuntakuvio 15 eri amplitudisuhteille, saadaan selville se amplitudisuh- de, jolla on nollakohta siihen suuntaan, jossa ryhmäker-toimella on sivukeila. Apertuuriantennin suuntakuvio määräytyy apertuurissa esiintyvän kentän perusteella. Fou-rier-muunnoksen avulla voidaan antennin säteilykuvio las-20 kea, kun aukossa oleva kenttä tunnetaan. Erityisesti kent-täkuvio voidaan määrätä apertuurijakauman Fourier-muunnoksena. Jos siis amplitudijakaumaa kuvaava funktio on F(y), voidaan säteilykuvio laskea kulman Φ funktiona xy-tasossa voidaan laskea kaavasta:

L

E(4>)=J \F{y) ej*y sin(4»dy, ~~2 25 missä β on etenemiskerroin ja L on apertuurin mitta mittaustasossa. Ε(Φ) on siis Fourier-muunnos funktiosta F (y) .

12 99221

Kun on saatu selville se amplitudisuhde, jolla yksittäisen säteilijäelementin nollakohta syntyy samaan suuntaan kuin ryhmäkertoimen sivukeila, voidaan amplitudi-suhteen avulla määrittää se apertuurisuhde A'/A, jolla 5 tämä amplitudisuhde syntyy. Apertuurisuhteen perusteella voidaan säteilijäelementti mitoittaa lopullisesti, koska sen perusteella tiedetään magneettikentän tasossa olevan askeleen koko. Tällä tavoin on siis askeleen koon avulla saatu (kun askeleen paikka, joka myös vaikuttaa lopputulo lokseen, on määrätty) yksittäiselle säteilijäelementille haluttu säteilykuvio (nollakohta siihen suuntaan, jossa ryhmäkertoimella on sivukeila).

Kuviossa 7a...7c on esitetty kuviossa 1 esitetyn, keksinnön mukaisessa antennissa säteilijäelementtinä käy-15 tettävän torviantennin 70 periaattellista rakennetta.

(Kappaleeseen A2 muodostetaan siis torviantenneja vastaavat "läpimenot".) Kuvio 7a esittää säteilijäelementtiä perspektiivikuvantona, kuvio 7b esittää elementin H-tason poikkileikkausta ja kuvio 7c E-tason poikkileikkausta.

20 Tässä esimerkkitapauksessa torvi avautuu lineaarisesti sekä H-tasossa että E-tasossa. H-tasossa tämä pätee sekä ennen askelta S (vrt. sivu 71) että askeleen jälkeen (vrt. sivu 72). Tällaisessa rakenteessa, jossa H-tason mitta ei ole vakio, muuttuu aallon etenemiskerroin mat-25 kalla askeleesta aukon tasoon. Rakenteella, jossa on H-tasossa laajeneva osa askeleen jälkeen on se etu, että säteili jäelementin apertuurista saadaan mahdollisimman iso ja silti saadaan säteilijäelementtien välisille seinämille, valmistettavuuden takia, tietty paksuus.

30 Edellä on esitetty ne periaatteet, joilla keksinnön mukainen antenni voidaan mitoittaa kulloisiakin vaatimuk- < siä vastaavaksi. Vastaavia periaatteita noudattaen voi esim. säteilijäelementistä tulla hyvinkin erimuotoinen. Säteilijäelementti voi esim. avautua epälineaarisesti tai 35 laajennus voidaan jättää kokonaan tekemättä (tämä pätee

II

13 99221 sekä E- että H-tasoon). Valmistusteknisesti epälineaarinen laajennus on kuitenkin selvästi huonompi vaihtoehto kuin edellä esitetty lineaarisesti avautuva säteilijäelementti.

Säteilijäelementtien lukumäärä voi myös vaihdella 5 antennille asetettavista vaatimuksista riippuen. Kuviossa 8 on esitetty 256 elementille tarkoitettua syöttöverkkoa ylhäältä päin nähtynä (kuviota 2a vastaavasti). Antennin syöttöaukko FA on tässä tapauksessa syöttöverkon keskellä. Kuten kuviosta voidaan havaita, käsittää syöttöverkko 10 tässä tapauksessa 64 kappaletta kuviossa 2a esitettyjä perusmoduuleja, joissa kussakin on neljä rinnakkaista syöttöhaaraa neljää eri säteilijäelementtiä varten. Edul-lisimmassa suoritusmuodossaan säteilijäelementtien lukumäärä vastaakin jotakin kakkosen potenssia (esim. 28=256), 15 koska tällöin antennista tulee rakenteeltaan symmetrinen. Tarvittavien elementtien määrä riippuu antennille asetettavista vahvistus-, koko- ja suuntakuviovaatimuksista.

Yleisesti ottaen voidaan todeta, että, kun säteili-jäelementtejä on n kappaletta, teho jaetaan syöttöverkossa 20 (n-1) T-liitoksessa siten, että jokaista syötetään sähköi sesti yhtä pitkällä johdolla (jos ei huomioida edellä mainittua vaihekorjausta). Kuviossa 9 on esitetty (ylhäältä päin nähtynä) kuvion 8 mukaista osaa AI vastaava osa A2, joka sisältää yhteensä 256 kappaletta kuvion 7a mukaista 25 säteilijäelementtiä.

Keksinnön mukaista antennirakennetta voidaan käytännössä varioida myös esim. seuraavilla tavoilla.

Syöttöverkossa voidaan soveltaa erilaisia yleisesti tunnettuja sovitusmenetelmiä sekä jakajarakenteita. Sama 30 pätee aaltoputken mitoitukseen. On myös mahdollista käyt-: tää muita aaltojohtoja kuin aaltoputkea.

Signaalin kytkeytyminen syöttöverkosta elementtiin on mahdollista toteuttaa monin tavoin, liuskajohdon tapauksessa esim. sondin kautta.

35 Antenni voidaan valmistaa erilaisista sähköä johta- 99221 14 vista materiaaleista tai päällystää jokin sopiva aine johtavalla materiaalilla. Koska antenni koostuu kahdesta umpinaisesta kappaleesta, on valutekniikka käytännössä varteenotettava valmistustapa. Kappaleiden pintojen tulee 5 olla johtavia ja tasaisia toimiakseen hyvin. On myös olemassa valmistusmenetelmiä, joilla pystytään valamaan kappaleita muovista ja metalloimaan ne ohuella kerroksella. Tällainen valmistusmenetelmä soveltuu erittäin hyvin massatuotantoon .

10 Edellä esitettyjä (tai muita tunnettuja) tehonjaka- jia käyttäen voidaan myös eri tavoin vaikuttaa yksittäisen säteilijäelementin suhteelliseen amplitudiin ja sitä kautta muokata apertuurin valaisufunktio halutuksi.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten 15 oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkirakenteeseen, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

ti

Claims (6)

99221

1. Antennirakenne, joka käsittää - useita säteilijäelementtejä (RE), jotka säteilevät 5 sähkömagneettista energiaa, ja - syöttöelimet sähkömagneettisen energian syöttämiseksi säteilijäelementeille (RE), jotka syöttöelimet käsittävät antennin syvyyssuunnassa oleellisesti samassa tasossa sijaitsevan syöttöverkon (SN), 10 tunnettu siitä, että antennin syvyyssuunnassa syöttöverkon perään sovitetut säteilijäelementit muodostuvat laatikkotorviantenneis-ta (70) , joissa on laatikkotorvelle ominainen, magneettikentän tasossa oleva askel (S).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että se koostuu kahdesta päällekkäisestä kappaleesta (AI, A2) siten, että toinen kappale (AI) sisältää mainitun syöttöverkon (SN) ja toinen kappale (A2) mainitut torviantennit (70). 20

,3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, tunnettu siitä, että syöttöverkko muodostuu poikkileikkaukseltaan oleellisesti suorakulmaisista aaltoput-kista (20), jossa teho jaetaan T-liitosten (T) avulla säteilijäelementeille. , · 25

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antenni, tunnettu siitä, että ainakin osa T-liitoksista on varustettu kärjestään (22a) pyöristetyllä kolmiomallisella jakajalla (22) sovituksen parantamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen antenni, 30 tunnettu siitä, että ainakin osassa T-liitoksia : (T) on jakajaa ja T-liitoksen syöttöputkea siirretty toi siinsa nähden sivusuunnassa tehojaon muuttamiseksi tasajaosta .

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antenni, 35 tunnettu siitä, että laatikkotorvet (70) avautuvat magneettikentän tasossa lineaarisesti ainakin askeleen (S) *. jälkeen. 99221