SE516840C3 - En anordning vid antenn, antenn samt metod för att framställa en antennreflektor - Google Patents

Description

20 25 30 516 840 . - . n n . , , , ,, I “Design of Millimetre Wave microstrip Reflectarrays” av David M. Pozarm. fl., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, nr. 2, 2 Februari 1997, sid. 287-295, diskuteras en teoretiskt modellering och praktisk konstruktion av en millimetervåg reflekterande grupp med användning av milcrostrip-patchelement av variabel storlek.

Ett huvudsakligt problem som avser antenner enligt ovan nämnda dokument i allmänhet, och anordningen enligt US 4,905,0143 i synnerhet, är korskopplingsproblemet mellan de korsande elementen hos korsformade eller liknande dipoler i ett plan.

Plan parabolisk ytteknologi baseras på dipolmönster över ett basplan med ett dielektriskt material däremellan.

Mellanrummet mellan dipolerna välj s företrädesvis för att undvika gitterlober, d.v.s. det måste vara mindre än en halv våglängd.

Experiment har visat att bredden hos dipolema inte endast påverkar bandbredden hos reflektom, utan också fasfórskjutriingen och fasgapet hos den reflekterande vågen. Fasgapet är i intervallet av fullt 360 grader, till vilken fasförskjutning inte är möjlig.

Dipolemas längd påverkar den reflekterade fasfórskj utningen. Detta är beroende av att dipolens karakteristiska impedans är beror av dess längd. En dipol sägs vara i resonans när den reaktiva delen av impedansen ärnoll, d.v.s. näringångsadmíttansen äroänd1ig.Fören enkel dipol sker detta när dipollängden är approximativt en halv våglängd.

En liten dipolbredd resulterar i ett litet fasgap, men fasfórslqutningen blir mera känslig för fiekvens: minskning av fasgapet resulterar i en oönskad minskning av bandbredden. Fastörskjutningen beror också på den inkrementala vinkeln.

Impedansen Z hos en antenn bestämmer effektiviteten med vilken den fungerar som en ledare mellan fortplantningsmediet till mataren och överfóringsledriingeri, som ansluter den till systemet med vilket den är 10 15 20 25 30 516 840 3 i drift. Om det finns en grupp av dipoler är det nödvändigt att inte endast beakta sj älva irnpedansen hos varj e dipol, utan också den inbördes kopplingen mellan dipolema. Den inbördes impedansen ökar när avståndet mellan dipolema minskar. Det är därför önskvärt att avståndet mellan elementen är så långt som möjligt.

Det antas att den ekvivalenta kretsen för en enkel dipol innehåller tre parallella belastningar: en läckkonduktans GL, en överföringsadniittans YT och en dipolkänslighet B. Läckkonduktansen är beroende av den ändliga konduktiviteten hos dipolen, vilken i sin tur är beroende av förluster hos ledaren och det dielektriska materialet. Beroende på den inkrementala vinkeln genererar dipolen en elektromagnetisk våg med olika faser, eftersom den spridda dipolstrålningen från dipolen till jordplanet har olika våglängder igenom det dielektriska skiktet. Denna inverkan illustreras med admittansen YT. En dipol sägs vara i resonans när den reaktiva delen av ingångsirnpedansen är noll, d.v.s. då ingångsadmittansen är oändlig. För en enkel dipol sker detta när dipollängden är approximativt en halv våglängd.

När antennen är en linjär grupp av dipoler måste den ekvivalenta kretsen hos dipolen modifieras. Den inbördes irnpedansen mellan dipolema måste beaktas, varvid en inbördes admittans Ymn mellan dipolerna m och n, där m<>n, och sj älvimpedansen hos dipolen m när mm, tilläggs parallellt med ovan nämnda belasmingar. Problemet är emellertid ännu mer komplext när en tvådirnensionell grupp av dipoler används.

UPPFINNINGENS SAMMANFATTNING Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en lösning till ovan nämnda problem, och att åstadkomma en förstärkning hos genom teknikens ståndpunkt kända antennreflektorer, vilka är kommersiellt användbar inom flera tillämpningsområden.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en reflektoranordning i en antennanordning, som är enkel att tillverka och konfigurera för åtskilliga typer av applikationer.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en plan antennreflektor med mera kompakt dipolkonfiguration. Längre dipoler kan företrädesvis också anordnas.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfimiing är att åstadkomma en liten, billig, enkel modifierad 10 15 20 25 30 516 840 4 reflektorersättrijng i radiolänksanordningar, företrädesvis rmkriovågslänksantermer, i cellulära nätverk, vilka vidare är enkla att montera för att åstadkomma olika typer av lob-konfigurationer, såsom punkt-till-punkt och punkt-till-flerpurikt och som ersätter paraboliska reflektorer.

Uppfinningen har också som ett ändamål att åstadkomma en antennreflektor, vilken kan monteras plant på ett bärande substrat, och vilken kan anordnas att skapa huvudloben, ändra riktningen hos strålen, vara offset-matad och ha låg korspolarisation.

Dessutom reflekterar antennreflektom enligt uppfinningen mycket litet av den korspolariserade strålningen, och den reflekterar mycket dåligt den strålning som har en frekvens utanför den specificerade bandbredden, åstadkommer en låg huvudstråle RCS (Radar to Cross Section) för frekvensema utanför bandbredden, vilken antennen är konstruerad för.

Följaktligen anordnas de elektromagnetiskt matade strukturema på åtminstone två substratskikt i åtminstone två plan.

Dipolema anordnas företrädesvis i en vinkel på en sida av nämnda substrat på varje skikt, vilket tillåter längre dipoler.

I en utföringsform har dipolema en väsentligen korsfonnad konfiguration med väsentligen vertikala och horisontella dipolelement anordnade i olika plan, vilka bland armat kan tillåta cirkulär polarisation.

Företrädesvis har alla dipoler olika storlek och/eller fonn, vilket tillåter olika lobfonner och/eller riktning, och också olika frekvensrcflektioner.

Anordningen kan anordnas som en reflektor i en centralmatad tvärstrålande antenn, en central-matad antenn med en tiltad huvudlob, en offset-matad tvärstrålande antenn, en punkt-till-punkt eller punkt-till flerpunktantenn.

Dipolema anordnas företrädesvis på olika substrat, men de kan också anordnas på olika sidor av ett substrat. 10 15 20 25 30 516 840 5 Uppfinningen avser också en antenn, som åtminstone innefattar en elektromagnetisk matningsanordnirig och reflektoranordning, vilken innefattar en elektriskt tunn fasningssmiktur för mikrovågor som inkluderar en bärande del, uppburen av nämnda bärande del är ett reflekterande medel för reflektering av mikrovågor inom frekvensarbetsbandet, och en fasningsanordning av elektromagnetiskt matade strukturer stöttad av nämnda stödmatris. De elektromagnetiskt matade strukturema anordnas distanserade från varandra, och anordnas på ett avstånd från nämnda reflekterande medel medelst nämnda stödmatiis för att åstadkomma nämnda emulering av nämnda önskvärda reflekterande yta av vald geometri. Dessutom anordnas elektromagnetiskt matade strukturer på åtminstone två substratskikt i åtminstone två plan.

I en uttöringsfonn innefattar antennen olika matare för olika plan.

I ännu en ytterligare uttöringsform innefattar antennen ytterligare en reflektor, som är vänd mot nänmda reflektoranordning, vilken anordnas att reflektera vertikalt eller horisontellt polariserade elektromagnetiska vågor, och dessutom anordnas nämnda reflektor anordnas för att rotera nämnda vertikala eller horisontella polarisation till horisontell eller vertikal polarisation.

Uppfinningen avser också en metod att fiamställa en antemireflektor. Metoden innefattar stegen: bestämning av egenskaper hos en antenn som använder reflektom; beräkning av ett avstånd mellan mataren och varj e dipol med hänsyn till ingångsegenskapema; beräkning av en fastörskjuming för dipolema; och användning av nämnda beräknade fastörskj utning för beräkning av dipollängdema. E genskaperna inkluderar antennstorlek, typ, frekvensband, matartyp, matarstorlek etc. För beräkning av närrmda fasförskj utning används en analysprocess, vilken analyserar: en mikrostripdipol omgiven av ett oändligt antal identiska dipoler; dubbelskiktade dikroiska strukturer; vilka består av två parallella metalliska nät (gitter) separerade av en/flera dielektriska skikt; och ett enkelt galler omgivet av ett antal dielektriska skikt som anses att bli elektriskt slutna mot gallret.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följ ande kommer uppfinningen att beskrivas ytterligare på ett icke-begränsande sätt med hänvisning till de åtföljande ritningarna i vilka: 10 15 20 25 30 Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

F ig.

Fig.

F ig.

Fig.

F ig.

Fig.

F ig.

F ig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. l 2 3a, 3b 7A 7B 7C 7D 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Fig. 23 516 840 n I I I I 0 a u o o o. 6 visar en mycket schematisk, perspektivisk illustration av en utföringsform av uppfinningen; visar en mycket schematisk illustration av reflektoms dipolskikt hos antennen enligt fig. 1; visar illustrationer för definiering av parametrarna; visar en schematisk sido-vy av en centralmatad antenn med en tvärstrålande lob; visar E-plananalys av den centralmatade tvärstrålande lobantennen i fig. 4; visar en schematisk sido-vy av en centralmatad antenn med en tiltad lob; visar dipolstrukturen av en centralmatad antenn med tvärstrâlande lob; visar dipolstrukturen av en centralmatad antenn med tiltad lob enligt fig. 6; visar dipolstrukturen av en centralmatad antenn med tiltad huvudlob enligt fig. 6; visar dipolstrukturen av en centralmatad antenn med tvärstrålande lob enligt fig. 14; visar en E-plananalys av den centralmatade tiltade lobantennen i fig. 6; visar en schematisk sido-vy av en offset-matad antenn med en tvärstrålande lob; visar ett koordinatsystem för den offset-matade antennen, enligt fig. 9; visar en E-plananalys av den offset-matade tvärstrålande lobantennen i fig. 9; visar en utföringsfonn av en reflektor, enligt uppfinningen; visar en annan utföringsform av en reflektor, enligt uppfinningen; visar en schematisk sido-vy av en PMP-antenn; visar en E-plananalys av PMP-antennen, enligt fig. 14; visar etSiZ-specifikationen för den centralrnatade antennen med en tvärstrålande lob, enligt föreliggande uppfinning; visar etSiZ-specifikationen för den centralmatade antennen med en tiltad lob, enligt föreliggande uppfinning; visar etsi2-specifikationen för offset-matad antenn med en tvärstrålande lob, enligt föreliggande uppfinning; visar en annan utföringsform, enligt föreliggande uppfinning; visar en tvärsnittsvy av en antenn som inkluderar reflektorer enligt föreliggande uppfinning; visar en reflektor enligt fig. 20 framställd enligt, föreliggande uppfinning; visar en annan reflektor enligt fig. 21 framställd enligt föreliggande uppfinning; och visar ett flödesdiagram som visar tillverkningsgången av en antenn enligt föreliggande uppfinning; 10 15 20 25 30 516 840 o s - n : v c u v o u u u u u: DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Fig. 1 visar en antennanordning 10 som inkluderar en reflektorsektion ll enligt uppfinningen.

Antennanordningen innefattar vidare en stödstruktur 12 och matningsanordning 13.

Den väsentligen retangulära reflektorsektionen 1 1 består av ett j ordplan 14, dielektriska skikt l Sa och 1 5b, och dipoler l 6a och l 6b med olika längder. Vertikala dipoler på det första skiktet 1 Sa benämns med 1 6a, och horisontella dipoler på det andra skiktet l 5b benämns med 16b. Dipolema anordnas med olika längder.

Reflektorsektionen (hädanefter endast benämnd reflektom), enligt derma utföringsform åstadkoms med en slits 17, vilken tillåter införande av matningsanordningen före reflektom. Slitsen 17 kan emellertid bortses ifrån om en annan matningsposition och/eller anordning används.

Stödstrukturen 12 innefattar en ram, vilken tillåter reflektom 1 1 att införas från en öppen sida hos ramen.

Den kan också stötta matningsanordningen.

Matningsanordningen l 3, som är av en konventionell typ, innefattar ett matningshom 1 8 och ett huvud 19.

Denna utföringsfonn kännetecknas av fasförskj utning av den reflekterande strålen genom att dipollängdema varierar. Dessutom anordnas dipolema l6a och 16b så att de bildar en grupp av en väsentligen parallell konfiguration, streckad linje, i horisontella och vertikala riktningar.

I fig. 2 visas separat de dielektriska dipolskikten l5a och l5b enligt fig.1.

För en bättre förståelse av uppfinningen definieras följande parametrari anslutning till fig. 3a och 3b. Figur 3a visar två dipoler 1 6 och motsvarande parametrar, vari W är dipolens bredd, L är dipolens längd, och d är det kortaste avståndet mellan två fysiska dipoler. Dessutom används ett vanligt kartesiskt koordinatsystem för att definiera vinklama 0 och (p, såsom i fig. 3b. Således antas det strålande fältet E från mätningen att V31' 8.1 10 15 20 25 516 840 coo- 8 = (Ewcosâ + Eø.cosø).e'fk' I” (1), där r är avstånd och k är vågnumret.

I det följande kommer några exempel att beskrivas som visar reflektorema enligt uppfimiingen för olika typer av antenner.

Det första exemplet avser en centralrnatad tvärstrålande antennreflektor, vilken visas schematiskt i fig.4 .

Reflektom 1 1 matas medelst en matningsanordning 13, väsentligen vid en centrumsektion. Strålar representeras med pilar. På en ideal, tvärstrålande reflektorantenn är faslängden från matarens fascentrum till en punkt oändligt långt bort i den tvärstrålande riktningen samma, oberoende av vilken väg strålningen färdas för att nå dit, som endast skiljer med Zmr, där n är ett tal. I händelse av en konventionell reflektoranterm (parabolisk), innebär detta att den fysiska längden är samma oberoende av fárdad väg, men i föreliggande fall gäller inte detta efiersom fasen växlas genom att variera dipollängdema för att uppnå samma effekt.

Med hänvisning till fi g. 4, för att beräkna den erfordrade fasförskjutningen och därmed dipollängdema, beräknas längden från matarnas fascentrum till en punkt på ett vinkelrätt plan, och faslängden med användning av ekvation (2). 21: Faslängden= 1/(22 + xz + yz) (2) där x, y och z är koordinater i ett kartesiskt koordinatsystem med origo i matamas fascentrum, och X är våglängden.

Därefter beräknas erfordrad fasförskjutning hos dipolen med användning av ekvation (3), där planfasen är fasen hos det vinkelräta planet Fasförskjutning = Fasdipol + F asanpassning (3) Planfas = Faslängd + F asförskjutning (4) 10 15 516 840 9 “Fasanpassning” väljs så att så få dipolfastörskjutriingar som möjligt är i fasgapet, eftersom detta försämrar antennens prestanda. När erfordrad faslörskj utning är känd, är det allt som erfordras för att korsreferera fasförskj utningen med listan av dipoler, och deras respektive fasíörskj utningar, vilka genereras enligt metoden beskriven längre fram.

Fj ärrfältsstrålningen beräknas med antagandet att matarna strålar som ett cirkulärt hål, genom; J Z E9=C2.s1nql -ål J' (Z) (s) E = . (9. ._-1--- a, G2 cos scosçfi 1_(Z/zll,)2 där J'1<2> J'1<2>=J0<2>- Z kaE .f ' . 'fkr czzj (6) Z= ka.sim9 r= y/(x2+y2+z2) (x +y +z ) ø= atafmf) J 0 och J 1 är Besselfiinktioner, a är den (antagna) håldiarnetem, k är vågnumret, och 9 och (p är vinklar relativt mataren. X H är den första nollkorsningen för en Besselfunktion av första graden.

Det utstrålade fältet genom hålet vid varje dipol beräknas medelst ekvation (7), vilken tari beaktande matarens strålningsdiagram och avståndet mellan mataren och dipolen.

(E,.cos6+Eø.cosçó).e"jk' r _e*J'k-f f' 'j _ s I ekvation (7) tas det i beaktande att dipolen endast reflekterar den sampolariserade strålningen. 10 15 20 516 840 10 Denna strålning är fasförskj uten av dipolen och återstrålad. Strålningsdiagrarnmet för fiärrfältet härleds genom multiplication av dipolstrålrungen med reflektoremas gruppfaktor och en dipols elementfaktor, såsom i ekvation (8).

Efiänmt = E . Gruppfaktor. Elementfaktor Gruppfaktorn beräknas med användning av de inverterade Fouriertransformerna på en grupp, där varje element i gruppen innehåller strålningen från en enkel dipol. Eftersom gruppen består av flera olika dipollängder, används elementfaktom för en dipol av medellängd, t.ex. 5 mm. Ekvation (9) visar hur elementfaktorn for en utstrålande patch-antenn beräknas, vilken är använd approximation för dipolema. kL Eelemem = j 'c0s( zeflr 'Sinø) ï .COSQ [Sinßzë .Sinrvjj .cown (å: .sin®).(k-VK .cos(9) 2 2 H -sin® eiemem _ där G) är moduleringsvinkeln, H är dipolens höjd över jordplanet, W är dipolbredden och Leff = L + 2. AL W (snfl + 0.3)(í + 0.264) AL=h.0.412.-í--í_- (10) W (8,2, - ozssxí + 0.8) a,+l .sr-l 2,917: 2 + 2 .(1+ H _l ) 2 +F(g,,m-o.z17(@, T W -DÜ/ñ Fo, ,H) = 0.o2(.f, - 1)(1- g? (9) 10 15 20 25 30 516 840 - ' . , , , n u n | nu 11 T är dipoltjockleken.

Fi g 7A visar dipolmönstren för en centralmatad antennreflektor med tvärstrålande lob. Det påvisas från figuren att kortare dipoler koncentreras till reflektorns centrum, och att de omges av väsentligen cirkulära mönster av långa respektive korta dipoler.

Fig. 5 visar E-plananalys av den centrahnatade tvärstrålande lobantennen vid approximativt 22,4 GHz. Det är tydligt att antennmönstren inte har några större gitterlober, och en ganska smal 3 dB strålvidd, approximativt 3 ,6 grader i E-planet, och antennrnönstret är synnnetriskt. I grafen visar den kraftiga linjen synteserad sampolarisationsstrålning, den streckade linjen uppmätt strålning och den prickade linjen uppmätt korspolariserad strålning. Återfokuseringen av huvudloben och den obetydliga förflyttningen av Sidoloberna, vilka kan ses, är troligen beroende på att provreflektom, som användes under mätningarna, inte var helt plan. Detta problem kan lindras genom limning av reflektom till bakgaveln. Sidolobema vid vinklar över 90 grader är beroende på rester från mataren, och kan förväntas. Dessutom blockerar mataren en del av strålningen, och detta påverkar givetvis antennmönstren, vilket kan kompenseras för.

Maximal förstärkning i intervallet 21,2 till 23,6 GHz var 32,73 dBi. Detta är en acceptabel nivå för provning av utrustning, även om den är nästan fyra dB under maximal förstärkning på 36,4 dBi. Tabell 1 tillhandahåller förstärkning för centrumfrekvensen, och den yttre bandbreddens gränser.

Tabell 1 Frekvens [GHz] Förstärkning [dBi] 21.2 31.48 22.4 32.05 23.6 31.03 Det andra exemplet avser en centralmatad antenn med en tiltad huvudlob, som visad i fig. 6. 10 15 20 25 516 840 a n . » 4 a n | n - en 12 För beräkning av erfordrad fasförskjuming i dipolema används samma metod som nämnd ovan, varvid tvärstrålande antenn används med den enda skillnaden att fasen inte skall vara konstant i ett plan vinkelrätt till det tvärsträlande, utan istället tiltad i en vinkel cp (t.ex. 40°) från det vinkelräta planet.

Således beräknas faslängden genom modifiering av ekvation (2): 2 Faslángd= (,/(z2 + xz + yz) + x.sinø).-Äï (1 1) där (p är vinkeln som huvudloben är tiltad.

De återstående ekvationema är identiska med beräkningarna i det tvärstrålande fallet.

Fi g. 7B visar dipolmönstren för en centralmatad antennreflektor med en tiltad lob. Det visar sig fi°ån figuren att kortare (horisontellt belägna) dipoler koncentreras till en sida (vänster sida) av reflektom, som bildar ett delvis cirkulärt mönster, och de omges också av väsentligen halvcirkulära mönster av långa respektive korta dipoler. En del små halvcirkulära mönster visar sig också vid varj e kant hos reflektom. Dipolema anordnas företrädesvis i olika skikt.

Fi g. 8 visar E-plananalys av den centralmatade antennen med tiltad lob vid cza 22,4 GHz. Denna antenn har samma egenskaper som den tidigare beskrivna antennen, förutom för loben som är tiltad (p graderi horisontalplanet. Även denna antenn har små gitterlober och en spetsig stråle, vilken är spetsig cp grader, d.v.s. 40 ° från den tvärstrålande sidan. I grafen visar den krafiiga linjen synteseratíåsainpolariserad strålning, den streckade linjen uppmätt sampolariserad strålning, och den prickade linjen uppmätt tvärpolariserad strålning.

Den uppmätta förstärkningenj ämfórd med frekvensen för antennen med en tiltad huvudlob är visad i tabell 2. 10 15 20 25 516 840 13 Tabell 2 Frekvens [GHz] Förstärkning [dBi] 20 24.2 21.2 29.3 22.4 30. 1 23.6 28.7 25 25.1 Det tredje exemplet avser en ofïset-matad antenn, som illustreras i fig. 9. Den otïset-niatade antennen liknar både den tvårstrålande och den tiltade antennen genom att den har ett plan där fasen är konstant. Den huvudsakliga skillnaden är inte endast att mataren 13 anordnas offset till en sida hos reflektom l 1 , utan också att mataren tiltas mot antermens centrum. Detta erfordrar att koordinatsystemen måste omdefinieras, vilket visas i fig. 10.

De följande ekvationerna omvandlar de tidigare koordinaterna till nya koordinater: och där <9' = acosí ø'=atan( x = x y' = y . cos(ot) + z . sin(ot) z” = z . cos(r1) - y . sin(a) x' = r . sin ((-)') . cos ( y' = r . sin (9') . sin ((p') z' = r cos(6'), r= w/xz + yz + 22 z.cos(a) - y. sin(a Ü r z. cos(a) + y. sin(a Ü r (12) (13) (14) (15) (16) 10 15 20 25 30 516 840 14 Detta ändrar faslängden hos det konstanta fasplanet, vilket nu beräknas med användning av ekvation (1 7), och vilket därefter går tillväga på samma sätt som vid de tidigare två antennema. __ _ ' 27: Faslangd: (\/(z2 + (x- xafietf + (y- yoflaf) + xsmçá ).-Å- (17) Fig. 7C visar dipolmönstren för en offset-matad antennreflektor. Det fiamgår av figuren att kortare dipoler koncentreras till den övre delen av reflektorn (med hänsyn till ritningsplanet), som bildar en halvcirkel, och de omges också av väsentligen halvcirkulära mönster av långa respektive korta dipoler. Dipolema anordnas företrädesvis i ytterligare två skikt.

Fig.l3 visar E-plananalysen av den offset-matade antennen vid cza 22,4 GHz. Mataren 13 placeras företrädesvis i mitten ovanför en kant hos antennen, och riktas mot antennens centrum. Antennmönstren är återigen förändrat för att åstadkomma en tvärstrålande lob. Antennmönstren är inte symmetriska, och gitterlobema är något högre i jämförelse med föregående antenner. I grafen visar den kraftiga linjen synteserad sampolariserad strålning, den streckade linjen uppmätt sarnpolariserad strålning och den prickade linjen uppmätt korspolariserad strålning.

Förstärkningen jämfört med frekvensen för antennen med offsetrnatning tillhandahålls i tabell 3.

Tabell 3 Frekvens [GHz] Förstärkning [dBi] 21.2 30.1 22.4 29.9 23.6 29.6 Det fj ärde exemplet avser en punkt till flerpunkt (PMP)-antenn, såsom visad i fig. 14. PMP-antennen är ett nytt koncept med stora fördelar hos si gnalöverföringssystemen. PMP-antermema är en ny komponent i de trådlösa överföringssystemen. De fungerar som nodpunkter och kommunicerar med flera andra 10 15 20 25 30 516 840 15 länkantermer. Konstruktionen av en PlVIP-antenn är mycket mer komplicerad än av de andra ovan nämnda antennema. Strålvidden i horisontalplanet måste vara 90 grader, och i vertikalplanet måste den vara 1 0 grader, med några begränsningar av gitterlober och förstärkningen. Vid konstruktionsprocessen används följaktligen Franceschetti Bucci-metoden för att skapa den önskade formen hos antennmönstren.

Denna antenn är svårare att syntesera på grund av behovet att fjärrfältantennmönstren skall ha en särskild form, vilket innebär att det inte kommer att vara ett konstant fasplan. För att beräkna erfordrade fasförskj utningar från dipolantennema används en iterativ metod kallad Franceschetti Bucci-metoden.

Franceschetti Bucci-metoden är en effektiv metod för gruppmönstersyntes och använder en iterativ procedur. Det önskade antennmönstret bestäms av en övre och undre mask, vilka styr den övre och undre gränsen hos det önskade antennmönstret.

Det första steget vid syntesprocessen är att excitera dipolema och bestämma f] ärrfålts-antennmönstren med användning av Fast Fourier Transforrn (F FT). Maskeringarna anordnas sedan till fjärrfältsantennmönstren, och de modifierade mönstren transfonneras tillbaka till hålfördelningen med användning av Inverse Fast Fourier Transform (IFFT). Ett särdrag med FF T är att om det finns N exciteringspunkter kommer det sedan att vara N punkter hos fj ärrfältsmönstren, vilket motsvarar en fj ärrfältspmikt per lob och det är knappt otillräckligt. En metod för att undvika detta problem är att noll- dämpa excitationsmatrisen, så att antalet f] ärrfáltspurlkter är acceptabla. Detta genererar flera fi ärrfältspunkter, men också en större excitationsmatris, vilken följaktligen måste tnmkeras för korrekt storlek. Den nya excitationsmatrisen är därefter noll-dämpad och Fouriertransformerad, som startar hela proceduren igen. När denna iterativa procedur är fullfölj d åstadkoms önskat antennmönster. Franceschetti Bucci~metoden kan emellertid endast användas när hålet har ett retangulärt mönster. När antennen enligt föreliggande uppfinning har ett triangulärt mönster med en annorlunda strålningsfältfimktion hos varje dipol, är lösningen att syntesera med en period som är dubbelt så stor som vid FFT:n. När den iterativa perioden är klar utesluts varannan dipol för att uppnå ett triangulärt hålmönster. I regel är det möjligt med användning av Franceschetti Bucci-metodsyntesen att styra både arnplituden och fasen hos strålningen från varj e element.

I syntesen har alla dipoler olika strålningstältfinildioner, och amplituden från varj e dipol är beroende av 10 15 20 25 30 516 840 . q u a nu 16 avståndet från dipolen till matningen och matningarnas elementmönster. Förutom att Franceschetti Bucci- metoden endast är giltig när hålet är retangulärt måste de fysiska begränsningarna vara avsevärda hos fasförskjutnirlgen. Dipolema, där den önskade fasförskjumingen sammanfaller med fasgapet, tilldelas den längd som bäst tillhandahåller önskad fastörskjutning.

Resultatet från analysen av den synteserade PMP-antennen för E-fältet visas i fig. 15.

Fig. 7D visar dipolrnönstren tör den centralmatade PMP-antennreflektorn. Det framgår av figuren att kortare dipoler koncentreras till centmmsektionen hos reflektom, vilket bildar ett väsentligen rektangulärt mönster med väsentligen cirkulära kortsidor.

Bandbredden hos antennema enligt föreliggande uppfinning är överraskande stor, omkring 3,6 GHz, vilket är 16% av centrumfrekvensen. Fi g. 16 visar bandbreddssanalysen för två centralrnatade antenner, den tvärstrålande loben och när huvudloben är tiltad 40 grader.

Antennema kan rankas i olika antennklasser beroende på hur bra antennmönstret skapas. Dessa kriterier kallas “ETSI-specifikationer”: F i g. 16 visar etsi2-speficikationer för den centralrnatade antennen med tvärstrålande sidolob; fi g. 1 7 visar etsi2-specifikationer för den offsetrnatade antennenen med tvärmatad lob; och fig. 18 visar etSiZ-specifikationer för den centralmatade antennen med 40° tiltad lob.

Det är en fördel med uppfinningen att ett flertal lobforrner och/eller riktningar kan uppnås med användning av olika dipolmönster, former och längder i olika skikt, företrädesvis för olika frekvenser.

Fig. 19 visar en arman utföringsform, där reflektom 11' tjänar två matare 13a och 13b. Reflektorn åstadkoms med två skikt hos dipolema 16a 'och 16b', anordnade i horisontella respektive vertikala riktningar för varje matning. Dipolema är företrädesvis vinkelräta mot varandra, och det finns inget inbördes förhållande mellan skikten. Matama kan mata motsvarande skikt med olika polarisationer och/eller frekvenser.

Det är också möjligt att anordna dipolemai diagonala riktningar, som visat i fi g. 12. De väsentligen ortogonala dipolerna 16a och 16b anordnas i olika skikt. Denna anordning tillåter längre dipoler och mera 10 15 20 25 30 516 840 17 kompakt konfiguration av reflektom. Icke-ortogonala dipoler kan åstadkommas för breda bandapplikationer.

Dipolema kan också anordnas endast i en riktning, t.ex. väsentligen vertikalt (eller horisontellt), såsom visat i fi g. 13. Dipolema anordnas i olika skikt. Dipolema 16a och 16a' som anordnas i det första skiktet är väsentligen längre än dipolema 16b och l6b'. Dessutom har dipolema olika längder i varje skikt .

Beroende på fördelarna med reflektorema enligt uppfinningen kan de användas i många områden med applikationer. En “Cassegrain antenn”, exempelvis, är en mycket lämplig applikation (se “antenn Research and Developement at Ericsson” av Olof Dahlsjö, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol, 34, nr. 2, April 1992, sid. 7-17.) F i g. 21 och 22 visar ett exempel på en antenn av Cassegrain-typ, som använder reflektorer enligt föreliggande uppfinning. Antennen 200 innefattar huvudsakligen en huvudreflektor 210, en underreflektor 220 och matningsanordning 230, anordnad i mitten av huvudreflektom 21 0. Front-vyn hos subreflektorn 220 visar att reflektom innefattar väsentligen horisontella (eller vertikala) dipoler 225. Subreflektom anordnas för att reflektera vertikalt (eller horisontellt) polariserade elektromagnetiska vågor och den är transparent för horisontellt (eller vertikalt) polariserade vågor. Dipolema anordnas i ett eller två skikt eller plan.

Huvudreflektom 2 1 0 åstadkoms med väsentligen korsfonnade dipoler 2 16, som innefattar första och andra dipolelement 216a och 21 6b. Den inbördes vinkeln mellan dipolelementen hos varje reflektor är approximativt 45 ° , d.v.s vinkehr mellan dipolema hos huvudreflektom och subreflektom. Konfigurationen av de korsfonnade dipolema resulterari en polarisationsrotation från horisontellt till vertikalt (eller från vertikalt från horisontellt). I mitten av huvudreflektom 21 0 åstadkoms en öppning 240 för mataren 23 0.

Vid drifi reflekteras en vertikalt polariserad elektromagnetisk våg, matad från mataren 230, av subreflektom 220 mot huvudreflektom, vilken roterar polarisationen hos vågen från vertikalt till horisontellt, och reflekterar densamma genom och runt subreflektom. Tack vare uppfinningen blir en antenn av Cassegerin-typ mer kompakt. Dessutom kan reflektorema lätt förändras för att åstadkomma olika funktionaliteten Det är också möjligt att använda reflektorer med en skiktad dipolstruktur. 10 15 20 25 30 516 840 1 8 En korrekt anordnad tvärformad dipol med passande längdkombination kommer att resultera i cirkulär polarisation.

Vid íramstälhiing av antennreflektom används företrädesvis ett datorprogram för att generera dípolrnönster och längder. Programmet resulterar i ett etsningsnegativ, vilket används för etsning av antennplattoma.

Reflektorn kan tillverkas snabbt och relativt billigt med användning av existerande mönsterkortsframställningsteknologi. Framställningsgången illustreras i flödesdiagrammet i fig. 23.

I ett första steg 100 bestäms antennens egenskaper, som använder reflektom och inges, egenskapema kan inkludera antennstorlek, typ, frekvensband, matartyp, matarstorlek etc.

Med hänsyn till ingångsegeriskapenia berälmas avståndet mellan mataren och varj e dipol 1 10. Därefter beräknas fasförskjutningen för dipolema vid 120. Här används ekvationen (5).

Den beräknade fasförskj utningen används för beräkning av dipolemas längder 1 30. För detta ändamål används en analysmetod, som analyserar en mikro strip-dipol omgiven av ett oändligt antal identiska dipoler. Metoden analyserar dubbelskiktade dikroiska konstruktioner. De dikroiska konstruktionerna som kan handhas medelst metoden består av två parallella metalliska “filter” (galler) åtskilda av en/ flera dielektriska skikt. Nätkonstruktionema antas att bestå av metalliskt tunna korsade eller enkla dipoler.

Proceduren utför en analys av ett enkelt galler omgivet av ett antal dielektriska skikt, vilket anses vara elektriskt nära gallret. Det närmaste dielektriska skiktet måste inkluderas vid detta skede beroende på lagrad energi i det försvinnande fältet omgivet av gallret. Analysema utförs enligt metoden för ögonblicklig lösning av en inte gralekvationsfonnel, och som sådan erfordrar information beträffande antalet expansionsmoder och trunkeringsgränser för lämplig konvergens.

Därefter bestärns dipolemas längd 130, t.ex. med användning av (beroende på antenntyp) ekvationer 4 ,13 och 19.

Vid provning av antennema enligt föreliggande fall var mellanrummet mindre än 6,7 mm, så att en längd på 6,5 mm valdes. Tj ockleken hos det dielektriska materialet varierades också, och inte den dielektriska konstanten, och ett lågförlustrnaterialrnaterial benämnt TLC3 0, vilket har en dielektrisk konstant på 3,0. 10 15 a Q I n nl 1 9 Detta material är relativt billigt och har goda mekaniska och elektriska egenskaper. Reflektoremas storlek var 250 x 250 mm.

Det är också en fördel med den föreliggande uppfinningen att vid service, reparation eller förändring av konfigurationen hos en antenn eller en antennpostion, kan den auktoriserade personalen enkelt bära ett antal reflektorer och ändra till en ny antenn eller en ny konfiguration, om erfordrat. Uppfinningen underlättar också anpassningen av antennema, t.ex. genom små anpassningar av mataren.

Dipolema beskrivna ovan, kan anordnas i olika skikt på enskilda substiat, det är emellertid också möjligt att anordna dipolema på olika sidor av ett substrat.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade uttöringsfonnerna utan kan varieras på ett antal olika sätt utan att avvika från de bifogade patentlcravens räckvidd och anordningen och metoden kan implementeras på olika sätt beroende på applikation, funktionella enheter, behov och krav etc.

Claims (24)

10 15 20 25 30 516 840 20 PATENTKRAV

1. En anordning (11) i en antenn (10), anordningen (l l) innefattande en elektriskt tunn fasningsstruktur för mikrovågor som inkluderar en bärande del (14, 1 S), vilken bär ett reflekterande medel för reflektering av rnikrovågor inom ett frekvensarbetsband, och en fasningsanordning för elektromagnetiskt matade strukturer, dipo1er,(16a, 16b, l6a', 16b', 215, 216a, 216b) uppburna av nämnda bärande del, varvid nämnda elektromagnetiskt matade strukturer är anordnad distanserade från varandra och anordnade på ett avstånd fiån nämnda reflekterande medel av nämnda bärande del, kännetecknad av, att nämnda elektromagnetiskt matade strukturer (l6a, 16a', 216a; 16b, 16b', 216b) är anordnade på åtminstone två substratskikt (1 Sa, 15b) i åtminstone två plan.

2. Anordningen enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att nämnda dipoler är anordnade i en vinkel på en sida av nämnda substrat på varje skikt.

3. Anordningen enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av, att nämnda dipoler har en väsentligen korsfonnad konfiguration med väsentligen vertikala och horisontella dipolelement (16a, 16b, 216a, 216b), anordnade i olika plan.

4. Anordningen enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av, att nämnda dipoler har olika storlek och/eller form.

5. Anordningen enligt patentkrav 4, kännetecknar! av, att nämnda olika storlek och/eller fonn resulterar i olika lobform och/eller riktning.

6. Anordningen enligt något av föregående patentkrav, 10 15 20 25 30 516 840 Zl kännetecknad av, att nämnda anordning är anordnade som en reflektor i en centralmatad tvärstrålande antenn.

7. Anordningen enligt något av patentkrav 1-5, klnneteeknad av, att nânmda anordning är anordnade som en reflektor i en centralmatad antenn med en tiltad huvudlob.

8. Anordningen enligt något av patcntkrav l-5, kännetecknad av, att nämnda anordning är anordnade som en reflektor i en offset-matad tvärstrålande antenn.

9. Anordningen enligt något av patentkrav l-5, klinnetecknad av, att nämnda anordning är anordnade som en reflektor i en punkt- till-punkt eller punkt till multipunkt-antenn.

10. Anordningen enligt något av föregående patentkrav, kinnetecknad av, att en dipollängd är en funktion av ett avstånd från en matarens fascentrum till en punkt hos ett vinkelrätt plan till den elektromagnetiska vågen och en faslängd.

11. ll. Anordningen enligt patentkrav 10, kinnetecknad av, att en erfordrad fasíörskjuming hos dipolen beräknas av: Fasíörskjutriing = Fasdipol + Fasanpassning vari Fasplan = F aslängd + Fasflirskjuming, och van' Fasplanet är fasen vid det vinkelräta planet.

12. Anordningen enligt patentlcrav ll, kinnetecknad av, att nämnda fasanpassning väljs så att så få dipolfasflirskjutriingar som möjligt är i fasgapet, vilket försämrar antennens prestanda. 516 840 22

13. Anordningcn enligt patcntkrav 7 och lO, kännetccknad av, att nämnda faslängd beräknas enligt: 2:: Faslängd= (22 + xz + yz) ._- 5 Å. där x, y och z är koordinater i ett kartesiskt koordinatsystem med origo i matarens fascentrum, och Ä är våglängden hos den utstrålande elektromagnetiska vågen.

14. Anordningen enligt patentluav 8 och 10, 10 kânnetecknad av, att nämnda faslängd beräknas enligt: 2 Faslängd = (t/(zz + x: + yz) + x.sin øy-í-z 15 där dr är vinkeln ßr huvudlobens tiltning.

15. Anordningen enligt patentkrav 9 och 10, kännetecknad av, 20 att nämnda faslângd beräknas enligt: 2 Faslängd= (Ez + (x- xøfifly + (y- yvfpfly) + msinçïy-š 25 vari 9: acosí P' ø: amn( z. cos(a) + y.sin(a))l f' 10 15 20 25 30 516 840 23

16. Anordningen enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av, att nämnda dipoler är anordnad på olika substrat.

17. Anordningen enligt något av föregående patentkrav, kinnetecknad av, att nämnda dipoler är anordnad på olika sidor av ett substrat.

18. En antenn åtminstone innefattande en elektromagnetisk matningsanordning (13, l3a, 13b, 230) och reflektoranordning (11, 210, 220), vilken innefattar en elektriskt tunn fasningsstruktur för mikrovågor, som inkluderar en bärande del (14, 15), uppburen av nämnda bärande del (14, 15) är ett reflekterande medel för reflektering av rnikrovågor inom ett fi-ekvensarbetsband, och en fasningsanordning av elektrornagnetiskt matade strukturer (l6a, 16b, l6a', l6b', 215, 2l6a, 2l6b) stöttad av nämnda bärande del, varvid nänmda elektromagnetiskt matade strukturer placerade distanserade från varandra, och är anordnade på ett avstånd fi-án nämnda reflekterande medel medelst nämnda bärande del, kännetecknar! av, . , att nämnda elektromagnetiskt matade strukturer (l6a, l6a', 2l6a; 16b, l6b', 2l6b) är anordnade på åtminstone två substratskikt (15a, l5b) i åtminstone två plan.

19. Antennen enligt patentkrav 18, kännetecknar! av, att den innefattar olika matare (l3a, l3b) fiir olika plan.

20. Antennen enligt patentkrav 18, kiunetecknad av, att den innefattar ytterligare en reflektor (210), som är vänd mot nämnda reflektoranordning.

21. Antennen enligt patentkrav 20, kinnetecknad av, 10 l5 20 25 51§ 840 21+ att nämnda reflektoranordning är anordnade för att reflektera vertikalt eller horisontellt polariserade elektromagnetiska vågor, och dessutom är anordnas nämnda reflektor att rotera nämnda vertikala eller horisontella polarisation till vertikal eller horisontell polarisation.

22. Metod tör att framställa en antennreflektor enligt något av patentkraven 1-18, kännetecknad av, stegen att: - bestämma egenskaper för en antenn som använder reflektorn; - beräkna ett avstånd mellan mataren och varje dipol med avseende på ingängsegenskapema beräknas; - berälma en fastörskjutning för dipolema; och - använda nämnda beräknande fastörskjutning för beräkning av dipolernas längd.

23. Metoden enligt patentkrav 21, klinnetecknad av, att nämnda egenskaper inkluderar antennstorlek, typ, fiekvensband, matartyp, matarstorlek etc.

24. Metoden enligt patentkrav 21, kännetecknad av, att för beräkning av nämnda fasförskjutnirig används ett analystörfarande, vilket analyserar - en mikrosttip-dipol omgiven av ett oändligt antal identiska dipoler, - dubbelskiktade dikroiska strukturer, vilka består av två parallella metalliska filter (galler) åtskilda av en/flera dielektriska skikt; - och ett enkelt galler omgivet av ett antal dielekriska skikt som är avsedda att vara elektriskt nära gallret.