WO2000028623A1 - Planarantenne mit optimiertem kopplungsnetzwerk - Google Patents

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WO2000028623A1
WO2000028623A1 PCT/EP1999/004856 EP9904856W WO0028623A1 WO 2000028623 A1 WO2000028623 A1 WO 2000028623A1 EP 9904856 W EP9904856 W EP 9904856W WO 0028623 A1 WO0028623 A1 WO 0028623A1
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WO
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microwave antenna
radiation elements
coupling point
antenna according
coupling
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PCT/EP1999/004856
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Inventor
Gerhard Walter
Original Assignee
Pates Technology Patentverwertungsgesellschaft Für Satelliten- Und Moderne Informationstechnologien Mbh
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials

Definitions

  • the invention relates to a microwave antenna with the features of the preamble of claim 1.
  • planar antennas with the most varied of technologies are known.
  • the line network In order to achieve the highest possible surface efficiency, the line network must be designed for a uniform amplitude and phase distribution, ie coupling of all radiation elements with equal rights. In addition, the distances between the individual radiation elements must be optimized to achieve maximum area efficiency. With today The line technologies used cannot avoid a certain attenuation per unit length in the coupling network, which is composed of metallic line losses and dielectric losses.
  • Radiation elements are arranged in columns and rows, the waveguides of the coupling network being arranged essentially parallel to the rows and columns.
  • the radiation elements are all connected to the coupling point with the same waveguide length.
  • a microwave antenna is also known, in which antenna elements are also arranged in columns and rows and are connected to a coupling point via a coupling network.
  • the coupling network used connects the antenna elements in phase, but the individual antenna elements are not connected to the coupling point with the same waveguide length. Due to the unequal waveguide length, the frequency bandwidth of the network and thus the antenna is severely restricted.
  • Such a coupling network is also unsuitable if panels are arranged above and below the antenna elements, since in this case the lines of the coupling network would cross the aperture space.
  • the object of the invention is to provide a microwave antenna in which the largest possible number of radiation elements or antenna elements are connected to a coupling point by means of a coupling network, the wavelength of the waveguide between each Radiation or antenna element and the coupling point is substantially the same size.
  • this object is achieved by a microwave antenna with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the microwave antenna according to the invention result from the features of the subclaims.
  • the microwave antenna according to the invention is preferably a planar antenna in which the coupling network and / or the radiation elements is / are implemented by means of printed circuit technology, the waveguide technology or a combination of both of the aforementioned technologies.
  • a maximum number of radiation elements can be realized with a minimum interconnect length while maintaining essentially parallel feeding of the radiation elements between the coupling point and the individual radiation elements, as well as at predetermined distances between the mutually adjacent radiation elements. It has been shown that in the antennas to be counted in the prior art, the ratio of the maximum line length between a radiation element and the decoupling point to the number of radiation elements supplied by means of the coupling network is not optimal. However, an optimal relationship between the maximum line length and the number of radiation elements guarantees that the losses caused by the coupling network are minimal in relation to the number of radiation elements.
  • the maximum line length is due to the geometric distance between the coupling point and that from the coupling point most distant radiating element.
  • the coupling point is advantageously in the center of the radiation elements. All radiation elements are coupled in phase to the coupling point by means of a geometrically equal length of line.
  • the ratio of the line length to the number of radiation elements is optimal, the line length being approximately equal to 1/2 the edge length of the square.
  • the line length is approximately equal to the edge length of the square.
  • the line length is thus advantageously shortened by a factor of 2. This means that the number of radiation elements can be doubled with the same line length.
  • the microwave antenna according to the invention can be developed from an existing antenna configuration. If one takes, for example, the antenna of EP 0 215 240 B1 or DE 197 12 510, the microwave antenna according to the invention is obtained by attaching an isosceles triangle to each side of the known antenna in such a way that the area of the original square antenna is doubled overall and the new antenna surface is a square rotated by 45 °.
  • the line length already corresponds to the line length of the antenna according to the invention and is approximately half the diagonals of the newly formed square.
  • the original antenna is therefore found completely in the antenna according to the invention.
  • the arrangement of the radiation elements remains and is based on the entire area of the new antenna extended. In order to achieve an optimal, uniform aperture assignment function, the radiation elements are connected to the central coupling point via power dividers that are as symmetrical as possible.
  • the radiation elements are connected to the coupling point via two main strands.
  • at least four substantially straight main strands must be provided in the antenna according to the invention.
  • the essential structures of the original coupling network can advantageously be adopted.
  • Each of the four main strands connects the radiation elements arranged in the corners of the new square to the coupling point. These are spatially the farthest from the coupling point, but have the same waveguide length as the radiation elements arranged closest to the coupling point.
  • the base area of the microwave antenna according to the invention is not a square but a polygon with more than 4 corners, a number of main strands corresponding to the number of corners can be provided.
  • partial areas of a square are also conceivable, especially triangular basic shapes. In all of the latter areas, however, the ratio of maximum line length and number of radiation elements is not necessarily optimal.
  • the external shape of the antenna is often determined by additional boundary conditions, such as, for example, that design or limited spatial conditions, such an optimum is often not possible.
  • the line length By reducing the line length, however, the Line losses are reduced, whereby a slight reduction in the number of radiation elements does not have a decisive influence on the performance of the antenna.
  • a suitable coupling network which optimally uses the remaining geometric space between the radiation elements. In this case, influencing the lines of the network with one another must be avoided.
  • Such a network is known from DE 197 12 510.
  • the serial coupling of two adjacent radiation elements advantageously reduces the number of connecting lines.
  • two neighboring radiation elements are excited with a phase difference of 180 ° from the facing sides.
  • Such a coupling network can also be used in a microwave antenna according to the invention.
  • the line length of the feed lines from the coupling point to the exciting strip conductor differs only by the length of the waveguide which is required to achieve the desired phase shift of 180 °.
  • the microwave antenna according to the invention is also suitable for the principle of sequential rotation, in which groups of three or four are formed with simultaneous spatial rotation and phase shift.
  • the principle of sequential rotation however, differences in the waveguide length are due to the principle of the required phase difference between adjacent radiation elements.
  • differences in cable length are due to the short wavelengths at the antenna frequencies in the Compared to the distance or line length between the coupling point and the radiation elements usually negligible.
  • FIG. 1 A coupling network of the microwave antenna according to the invention
  • FIG. 2 shows a section of the coupling network according to FIG. 1;
  • Figure 3 is a plan view of a microwave antenna with radiation elements arranged in columns and rows;
  • FIG. 4 a diaphragm mask with the diaphragms belonging to the radiation elements and arranged in columns and rows;
  • Figure 5 another embodiment of a microwave antenna according to the invention with bevelled corners
  • FIG. 6 a coupling network for receiving a polarization orthogonal to the polarization of the coupling network shown in FIG. 1;
  • FIG. 1 shows a coupling network 1 in which a network consisting of connecting lines 4 and 5 connect the stripline 3 that excites the radiation elements to a coupling point 2.
  • the stimulating strip lines 3 are arranged in rows Zi and Spi. The columns and rows are each arranged at an angle of 45 degrees to the outer edges K of the square microwave antenna.
  • the connecting lines 4 and 5 designed as strip conductors run between and parallel to the columns Spi and rows Z.
  • the serial feed technology connects the strip conductors 3 'and 3''of two radiation elements of adjacent columns via only one connecting line 5a, which runs between the two columns at least to the next crossing point, which is formed by columns and rows, with the coupling point 2.
  • the strip line 3 ′′ is connected to the connecting line 5a via a strip line 3 ′′ NX which produces a phase difference of 180 °.
  • the phase shift by 180 ° by means of the strip line 5a and the reaching in of the strip lines 3 ′ and 3 ′′ from opposite sides in the aperture spaces are achieved in that all radiation elements formed by means of a coupling network transmit or receive in phase.
  • FIG. 2 shows the coupling network according to FIG. 1, parts of the coupling network being cut out for the sake of better illustration.
  • the strip lines 3 of the quadrant A are connected to the coupling point 2 via the main line 4A.
  • four main strands 4A to 4D are to be provided.
  • Two of the main strands 4A, 4D and 4B and 4C are in each other in Connection, the two connection points being in contact with one another via a connection line 4v and a further connection line adjoining the center of this connection line 4v, which serves to couple the main lines 4A-4D to the coupling point 2.
  • the two main strands 4A and 4C connect an equal number of radiation elements to the coupling point.
  • the main strands 4B and 4D likewise connect a radiation element of the same size to the coupling point 2.
  • the microwave antenna is thus symmetrical with respect to its surface diagonals on which the main strands 4A to 4C are arranged. No radiation elements are provided in the middle of the microwave antenna, since here the connecting lines of the main lines 4A to 4C and the coupling points 2 are arranged. If the microwave antenna is designed for two different polarization directions, which are arranged orthogonally to one another, a further coupling network can be provided, which is arranged parallel to the surface of the coupling network according to FIGS. 1 to 3. Such a coupling network is shown in FIG. 6.
  • window-like openings 10 are provided in the coupling network 1 and in the other diaphragm masks 8 and other antenna parts which are also arranged parallel to the surface of the coupling network 1.
  • the individual antenna parts are positioned relative to one another and in particular held together by means of connecting pins or screws penetrating through window-like openings 10.
  • FIG. 3 shows a coupling network 1 with an aperture mask 8 arranged above it, as shown in FIG.
  • the micro wave antenna is manufactured using stripline technology
  • corresponding aperture masks 8 are arranged on both sides of the coupling network, so that the apertures 6 form an aperture space into which the strip conductor 3 of each radiation element projects.
  • the aperture masks 8 each contain a number of apertures 6 corresponding to the number of strip conductors 3.
  • the apertures 6 are also arranged in columns Sp and rows Z.
  • In the area of the coupling point 2 there are corresponding recesses 2 ′′ designed for the coupling point 2 designed as a coaxial waveguide. If the microwave antenna contains two coupling networks, space 7 for a further coupling point 2 ′′ must be created in the area 7 by omitting apertures.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a microwave antenna, only the diaphragm mask 8 "being shown here.
  • the dashed square shows the dimensions of a microwave antenna in accordance with DE19712510, in which the maximum line length corresponds to the length of the microwave antenna according to the invention.
  • the corner regions 9 are chamfered in order to reduce the external dimensions of the microwave antenna 6. The chamfering eliminates six radiation elements at each corner, but this is not important given the large number of radiation elements of the microwave antenna according to FIG. that the microwave antenna according to the invention, despite bevelled corners, still has significantly more radiation elements with the same line length than the microwave antenna according to the prior art.
  • FIG. 7 A further coupling network 101 according to the invention is shown in FIG. 7.
  • this coupling network 101 there are again four main branches 104A to 104D provided which radiation elements 103 connect to the coupling point 102.
  • significantly more radiation elements 103 are connected to the coupling point 102 via the main lines 104B and 104D than via the main lines 104A and A04C. This is illustrated by the dashed areas 101A and 100B.
  • the number of strip conductors 3 each hanging on a main strand can vary as desired. The only boundary condition for this is that the maximum cable length, which is slightly less than half the area diagonal, must not be exceeded.
  • the connecting lines 4 and 5 can also be arranged differently than in a straight line.
  • the straight line connection between the individual crossing points formed by the columns and rows guarantees the shortest line lengths between the strip conductors 3 and the respective coupling point 2.
  • FIG. 8 shows a microwave antenna 11 in which the coupling network according to FIG. 1 is used.
  • Microstrip patches 13 serve as radiation elements.
  • the patches 13 are connected to the coupling point 12 via waveguides 14 and 15.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit Strahlungselementen und einem Kopplungsnetzwerk (1), das die Strahlungselemente mit einem Kopplungspunkt (2) verbindet, wobei die Strahlungselemente in Spalten (Sp) und Zeilen (Z) angeordnet sind, und die Leitungsbahnen (4, 5) des Kopplungsnetzwerks (1) im wesentlichen parallel zu den Spalten (sp) und Zeilen (Z) angeordnet, wobei die Leitungsbahnlänge zwischen jedem Strahlungselement und dem Kopplungspunkt (2) im wesentlichen gleich lang ist, wobei mindestens ein vom Kopplungspunkt (2) räumlich am weitesten entferntes Strahlungselement mittels jeweils einer im wesentlichen geradlinigen Wellenleitung des Kopplungsnetzwerks (1) mit dem Kopplungspunkt (2) verbunden ist.

Description

Planarantenne mit optimiertem Kopplungsnetzwerk
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
Es sind zahlreiche Ausführungsformen von Planarantennen mit den unterschiedlichsten Technologien bekannt.
Um einen möglichst hohen Flächenwirkungsgrad zu erzielen, ist das Leitungsnetzwerk auf eine gleichmäßige Amplituden—und Phasenverteilung, d.h. gleichberechtigte Ankopplung aller Strahlungselemente, auszulegen. Zudem sind die Abstände der einzelnen Strahlungselemente untereinander zur Erzielung eines maximalen Flächenwirkungsgrades zu optimieren. Bei den heute verwendeten Leitungstechnologien ist eine gewisse Dämpfung pro Längeneinheit bei dem Kopplungsnetzwerk nicht zu vermeiden, die sich aus metallischen Leitungsverlusten und dielektrischen Verlusten zusammensetzt .
Aus der EP 0 215 240 Bl ist eine gattungsgemäße Antenne in planarer Ausführung bekannt, bei der
Strahlungselemente in Spalten und Reihen angeordnet sind, wobei die Wellenleitungen des Kopplungsnetzwerks im wesentlichen parallel zu den Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Strahlungselemente sind alle mit der selben Wellenleiterlänge am Kopplungspunkt angeschlossen.
Aus der DE 28 03 900 AI ist ebenfalls eine Mikrowellenantenne bekannt, bei der Antennenelemente ebenfalls in Spalten und Zeilen angeordnet sind und über ein Kopplungsnetzwerk mit einem Kopplungspunkt in Verbindung sind. Das verwendete Kopplungsnetzwerk verbindet die Antennenelemente zwar phasengleich, die einzelnen Antennenelemente sind jedoch nicht mit der gleichen Wellenleiterlänge mit dem Kopplungspunkt in Verbindung. Aufgrund der ungleichen Wellenleiterlänge wird die Frequenzbandbreite des netzwerkes und damit der Antenne stark eingeschränkt. Ein derartiges Kopplungsnetzwerk ist zudem ungeeignet, sofern Blenden ober- und unterhalb der Antennenelemente angeordnet werden, da in diesem Fall die Leitungen des Kopplungsnetzwerks den Blendenraum durchqueren würden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikrowellenantenne bereitzustellen, bei der eine möglichst große Anzahl von Strahlungselementen bzw. Antennenelementen mittels eines Kopplungsnetzwerkes an einem Kopplungspunkt angeschlossen sind, wobei die Wellenleitungslänge zwischen jedem Strahlungs- bzw. Antennenelement und dem Kopplungspunkt im wesentlichen gleich groß ist.
Erfinderisch wird diese Aufgabe durch eine Mikrowellenantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne ist vorzugsweise eine Planarantenne, bei der das Kopplungsnetzwerk und/oder die Strahlungselemente mittels gedruckter Schaltungstechnik, der Hohlleitertechnik oder einer Kombination aus beiden vorgenannten Techniken, realisiert ist/sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Strahlungselemente und des Kopplungsnetzwerks kann eine maximale Anzahl von Strahlungselementen bei einer minimalen Leiterbahnlänge unter Beibehaltung einer im wesentlichen Parallelspeisung der Strahlungselemente zwischen Kopplungspunkt und den einzelnen Strahlungselementen, sowie bei vorgegebenen Abständen zwischen den zueinander benachbarten Strahlungselementen, realisiert werden. Es hat sich gezeigt, daß bei den zum Stand der Technik zu zählenden Antennen, daß Verhältnis von maximaler Leitungslänge zwischen einem Strahlungselement und dem Auskoppungspunkt zu der Anzahl der mittels des Kopplungsnetzwerks versorgten Strahlungselemente nicht optimal ist. Ein optimales Verhältnis zwischen maximaler Leitungslänge und Anzahl der Strahlungselemente garantiert jedoch, daß die durch das Kopplungsnetzwerk verursachten Verluste in Relation zu der Anzahl der Strahlungselemente minimal sind.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne ist die maximale Leitungslänge durch die geometrische Entfernung zwischen dem Kopplungspunkt und dem vom Kopplungspunkt am weitesten entfernten Strahlungselement bestimmt. Der Kopplungspunkt befindet sich vorteilhaft im Zentrum der Strahlungselemente. Alle Strahlungselemente sind mittels einer geometrisch gleichlangen Leitungslänge an den Kopplungspunkt phasengleich angekoppelt.
Sofern die Summe der Strahlungselemente ein Quadrat bildt, ist das Verhältnis Leitungslänge zu Anzahl der Strahlungselemente optimal, wobei die Leitungslänge ungefähr gleich 1/ 2 mal der Kantenlänge des Quadrats ist. Bei den zum Stand der Technik gehörenden Antennen, z.B. der aus der EP 0 215 240 Bl bekannten Antenne, bei der die Strahlungslemente ebenfalls im Quadrat angeordnet und alle mit der gleichen Leitungslänge an den Kopplungspunkt angekoppelt sind, ist dagegen die Leitungslänge ungefähr gleich der Kantenlänge des Quadrats. Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne verkürzt sich somit vorteilhaft die Leitungslänge um den Faktor 2. Das bedeutet, daß bei gleicher Leitungslänge die Anzahl der Strahlungselemente verdoppelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne läßt sich aus einer bereits bestehenden Antennenkonfiguration heraus entwickeln. Nimmt man z.B. die Antenne der EP 0 215 240 Bl oder der DE 197 12 510, so erhält man die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne, in dem an jede Seite der bekannten Antenne ein gleichschenkliges Dreieck angesetzt wird, derart, daß die Fläche der ursprünglichen quadratischen Antenne insgesamt verdoppelt wird und die neue Antennenfläche ein um 45° gedrehtes Quadrat ist. Die Leitungslänge entspricht bereits der Leitungslänge der erfindungsgemäßen Antenne und beträgt ungefähr der Hälfte der Diagonalen des neugebildeten Quadrats. Die ursprüngliche Antenne, findet sich somit vollständig in der erfindungsgemäßen Antenne wieder. Die Anordnung der Strahlungselemente bleibt bestehen und wird auf die gesamte Fläche der neuen Antenne ausgedehnt. Damit eine optimale gleichmäßige Aperturbelegungsfunktion erzielt wird, werden die Strahlungselemente über möglichst symmetrische Leistungsteiler mit dem zentralen Kopplungspunkt verbunden.
Bei den genannten und zum Stand der Technik gehörenden Antennen sind die Strahlungselemente über zwei Hauptstränge an den Kopplungspunkt angeschlossen. Um sämtliche Strahlungselemente mit dem Kopplungspunkt zu verbinden, müssen bei der erfindungsgemäßen Antenne mindestens vier im wesentlichen geradlinig angeordnete Hauptstränge vorgesehen werden. Vorteilhaft können dabei die wesentlichen Strukturen des ursprünglichen Kopplungsnetzwerkes übernommen werden. Jeder der vier Hauptstränge verbindet die in den Ecken des neuen Quadrats angeordneten Strahlungselemente mit dem Kopplungspunkt. Diese sind räumlich am weitesten vom Kopplungspunkt entfernt, haben jedoch die gleiche Wellenleiterlänge wie die räumlich am dichtesten zum Kopplungspunkt angeordneten Strahlungselemente.
Sofern die Grundfläche der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne kein Quadrat sondern ein Vieleck mit mehr als 4 Ecken ist, kann eine der Eckenanzahl entsprechende Zahl von Hauptsträngen vorgesehen werden. Es sind selbstverständlich auch Teilflächen eines Quadrats, insbesondere auch Dreieck-Grundformen denkbar. Bei all diesen letztgenannten Flächen ist jedoch das Verhältnis von maximaler Leitungslänge und Anzahl der Strahlungselemente nicht unbedingt optimal. Da jedoch oft die äußere Form der Antenne durch zusätzliche Randbedingungen, wie z.B. daß Design oder beschränkte räumliche Verhältnisse vorgegeben ist, ist oftmals ein derartiges Optimum nicht möglich. Durch die Reduzierung der Leitungslänge können jedoch vorteilhaft die Leitungsverluste reduziert werden, wodurch eine geringfügige Reduzierung der Anzahl der Strahlungselemente die Performance der Antenne nicht entscheidend beeinflußt.
Da die Strahlungselemente einerseits selber geometrisch ausgedehnt sind, aber andererseits möglichst dicht zueinander plaziert werden können, muß ein geeignetes Kopplungsnetzwerk geschaffen werden, welches den verbleibenden geometrischen Raum zwischen den Strahlungselementen optimal nutzt. Hierbei muß eine Beeinflussung der Leitungen des Netzwerkes untereinander vermieden werden. Ein derartiges Netzwerk ist aus der DE 197 12 510 bekannt. Durch das serielle Ankoppeln zweier benachbarter Strahlungselemente wird vorteilhaft eine Reduzierung der Anzahl der Verbindungsleitungen erzielt. Hierbei werden zwei benachbarte Strahlungselemente von den sich zugewandten Seiten her mit einer Phasendifferenz von 180° angeregt. Auch ein derartiges Kopplungsnetzwerk kann in einer erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne verwendet werden. Die Leitungslänge der Speiseleitungen vom Kopplungspunkt zum anregenden Streifenleiter unterscheidet sich lediglich um die Wellenleitungslänge, die benötigt wird, um die entsprechend gewünschte Phasenverschiebung von 180° zu erzielen.
Es versteht sich von selbst, daß die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne auch für das Prinzip der sequentiellen Rotation, bei dem Dreier- bzw. Vierergruppen bei gleichzeitiger räumlicher Drehung und Phasenverschiebung gebildet werden, geeignet ist. Bei dem Prinzip der sequentiellen Rotation sind jedoch Unterschiede in der Wellenleitungslänge durch die benötigte Phasendifferenz benachbarter Strahlungselemente prinzipbedingt. Diese Unterschiede in der Leitungslänge sind bedingt durch die kurzen Wellenlängen bei den Antennenfrequenzen im Vergleich zur Entfernung bzw. Leitungslänge zwischen Kopplungspunkt und Strahlungselemente meist vernachlässigbar klein.
Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1: Ein Kopplungsnetzwerk der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne;
Figur 2: ein Ausschnitt des Kopplungsnetzwerkes gemäß Fig. 1 ;
Figur 3: eine Draufsicht auf eine Mikrowellenantenne mit in spalten und Zeilen angeordneten Strahlungselementen;
Figur 4 : eine Blendenmaske mit den zu den Strahlungselementen gehörenden und in Spalten und Reihen angeordneten Blenden;
Figur 5: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne mit abgeschrägten Ecken;
Figur 6: ein Kopplungsnetzwerk zum Empfang einer zur Polarisation des in Figur 1 dargestellten Kopplungsnetzwerkes orthogonalen Polarisation;
Figur 7 : ein weiteres mögliches Kopplungsnetzwerk;
Figur 8 : eine Mikrowellenantenne mit Microstrip- Patches als Strahlungselemente. Die Figur 1 zeigt ein Kopplungsnetzwerk 1 bei dem ein Netzwerk bestehend aus Verbindungsleitungen 4 und 5 die Strahlungselemente anregenden Streifenleiter 3 mit einem Kopplungspunkt 2 verbinden. Die anregenden Streifenleiter 3 sind in Zeilen Zi und Spi angeordnet. Die Spalten und Zeilen sind jeweils in einem Winkel von 45 Grad zu den äußeren Kanten K der quadratischen Mikrowellenantenne angeordnet. Die als Streifenleiter ausgebildeten Verbindungsleitungen 4 und 5 verlaufen zwischen und parallel zu den Spalten Spi und Zeilen Z . Durch die serielle Speisetechnik werden die Streifenleiter 3' und 3' ' von zwei Strahlungselementen benachbarter Spalten über nur eine Verbindungsleitung 5a, welche zwischen den beiden Spalten zumindest bis zum nächsten Kreuzungspunkt verläuft, welcher durch Spalten und Zeilen gebildet ist, mit dem Kopplungspunkt 2 verbunden. Der Streifenleiter 3'' ist über einen eine Phasendifferenz von 180° erzeugenden Streifenleiter 3"N X mit der Verbindungsleitung 5a in Verbindung. Durch die Phasenverschiebung um 180° mittels des Streifenleiters 5a und das Hineinreichen der Streifenleiter 3' und 3'' von gegenüberliegenden Seiten in die Blendenräume wird erreicht, daß alle mittels eines Kopplungsnetzwerks gebildeten Strahlungselemente phasengleich senden bzw. empfangen .
Die Figur 2 zeigt das Kopplungsnetzwerk gemäß der Figur 1, wobei Teile des Kopplungsnetzwerkes der besseren Darstellung wegen herausgeschnitten sind. Die Streifenleiter 3 des Quadranten A werden über den Hauptstrang 4A mit dem Kopplungspunkt 2 verbunden. Durch den quadratischen Aufbau der Mikrowellenantenne sind vier Hauptstränge 4A bis 4D vorzusehen. Jeweils zwei der Hauptstränge 4A, 4D sowie 4B und 4C sind miteinander in Verbindung, wobei die beiden Verbindungspunkte über eine Verbindungsleitung 4v miteinander in Kontakt sind und mittig an diese Verbindungsleitung 4v eine weitere Verbindungsleitung angrenzt, die zur Ankopplung der Hauptstränge 4A-4D an den Kopplungspunkt 2 dient. Die beiden Hauptstränge 4A und 4C verbinden eine gleich große Anzahl von Strahlungselementen mit dem Kopplungspunkt. Ebenso verbinden die Hauptstränge 4B und 4D eine gleich große von Strahlungselementen mit dem Kopplungspunkt 2. Die Mikrowellenantenne ist somit symmetrisch bezüglich ihrer Flächendiagonalen, auf denen die Hauptstränge 4A bis 4C angeordnet sind. In der Mitte der Mikrowellenantenne sind keine Strahlungselemente vorgesehen, da hier die Verbindungsleitungen der Hauptstränge 4A bis 4C, sowie die Kopplungspunkte 2 angeordnet sind. Sofern die Mikrowellenantenne für zwei verschiedene Polarsationsrichtungen, welche orthogonal zueinander angeordnet sind, ausgelegt ist, kann ein weiteres Kopplungsnetzwerk, welches flächenparallel zu dem Kopplungsnetzwerk gemäß der Figuren 1 bis 3 angeordnet wird vorgesehen sein. Ein derartiges Kopplungsnetzwerk ist in Figur 6 dargestellt.
In den Ecken der Mikrowellenantenne sind fensterartige Öffnungen 10 im Kopplungsnetzwerk 1 und in den anderen ebenfalls flächenparallel zum Kopplungsnetzwerk 1 angeordneten Blendenmasken 8 und sonstigen Antennenteilen vorgesehen. Mittels die fensterartigen Öffnungen 10 durchgreifenden Verbindungsstiften bzw. durchgreifenden Schrauben werden die einzelnen Antennenteile zueinander positioniert und insbesondere zusammengehalten.
Die Figur 3 zeigt ein Kopplungsnetzwerk 1 mit darüber angeordneter Blendenmaske 8, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Sofern die Miktowellenantenne in Streifenleitertechnik hergestellt ist, werden entsprechende Blendenmasken 8 zu beiden Seiten des Kopplungsnetzwerkes angeordnet, so daß die Blenden 6 einen Blendenraum bilden, in den der Streifenleiter 3 jedes Strahlungselementes hineinragt. Die Blendenmasken 8 enthalten jeweils eine zur Anzahl der Streifenleiter 3 entsprechende Anzahl von Blenden 6. Die Blenden 6 sind ebenfalls in Spalten Sp und Zeilen Z angeordnet. Im Bereich des Kopplungspunktes 2 sind entsprechende für den als koaxialen Wellenleiter ausgebildeten Kopplungspunkt 2 gestaltete Aussparung 2" vorgesehen. Sofern die Mikrowellenantenne zwei Kopplungsnetzwerke enthält, muß im Bereich 7 durch Weglassen von Blenden 6 Platz für einen weiteren Kopplungspunkt 2 " geschaffen werden.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mikrowellenantenne, wobei hierbei lediglich die Blendenmaske 8" dargestellt ist. Das gestrichelte Quadrat zeigt die Abmessungen einer Mikrowellenantenne gemäß der DE19712510, bei der die maximale Leitungslänge der Länge der erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne entspricht. Bei der Mikrowellenantenne gemäß der Figur 5 sind zur Verkleinerung der äußeren Abmessungen der Mikrowellenantenne die Eckbereiche 9 abgeschrägt. Durch das Abschrägen entfallen an jeder Ecke sechs Strahlungselemente. Dies fällt jedoch bei der großen Anzahl der Strahlungselemente der Mikrowellenantenne gemäß der Figur 5 nicht weiter ins Gewicht. Es ist deutlich zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Mikrowellenantenne trotz abgeschrägter Ecken immer noch wesentlich mehr Strahlungselemente bei gleicher Leitungslänge aufweist als die Mikrowellenantenne gemäß des Standes der Technik.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Kopplungsnetzwerk 101 zeigt die Figur 7. Bei diesem Kopplungsnetzwerk 101 sind ebenfalls wieder vier Hauptstränge 104A bis 104D vorgesehen, welche Strahlungselemente 103 mit dem Kopplungspunkt 102 verbinden. Bei dem Kopplungsnetzwerk 101 sind jedoch wesentlich mehr Strahlungselemente 103 über die Hauptstränge 104B und 104D mit dem Kopplungspunkt 102 in Verbindung als über die Hauptstränge 104A und A04C. Dies ist durch die gestrichelten Bereiche 101A und 100B verdeutlicht. Es ist selbstverständlich, daß die Anzahl der jeweils an einem Hauptstrang hängenden Streifenleiter 3 beliebig variieren kann. Die einzige Randbedingung ist hierfür, daß die maximale Leitungslänge nicht überschritten werden darf, welche geringfügig kleiner als die Hälfte der Flächendiagonale ist.
Sofern die Blenden anders als in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt, mehr kreisförmig oder ellipsenförmig als quadratisch sind, können die Verbindungsleitungen 4 und 5 auch anders als gradlinig angeordnet sein. Die gradlinige Verbindung zwischen den einzelnen durch die Spalten und Zeilen gebildeten Kreuzungspunkte garantiert jedoch die kürzesten Leitungslängen zwischen den Streifenleitern 3 und dem jeweiligen Kopplungspunkt 2.
Die Figur 8 zeigt eine Mikrowellenantenne 11, bei dem das Kopplungsnetzwerk gemäß der Figur 1 verwendet wird. Als Strahlungselemente dienen Microstrip-patches 13. Die Patches 13 sind über Wellenleiter 14 und 15 mit dem Kopplungspunkt 12 in Verbindung.

Claims

P a t e n t an s p rü ch e
1. Mikrowellenantenne mit Strahlungselementen und einem Kopplungsnetzwerk (1), das die Strahlungselemente mit einem Kopplungspunkt (2) verbindet, wobei die Strahlungselemente in Spalten (Sp) und Zeilen (Z) angeordnet sind, und die Leitungsbahnen (4,5) des Kopplungsnetzwerks (1) im wesentlichen parallel zu den Spalten (Sp) und Zeilen (Z) angeordnet, wobei die Leitungsbahnlänge zwischen jedem Strahlungselement und dem Kopplungspunkt (2) im wesentlichen gleich lang ist, da du r c ge k e nn z e i ch n e t , daß mindestens ein vom Kopplungspunkt (2) räumlich am weitesten entferntes Strahlungselement mittels jeweils einer im wesentlichen geradlinigen Wellenleitung des Kopplungsnetzwerks (1) mit dem Kopplungspunkt (2) verbunden ist.
2. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadu r ch ge k e nn z e i ch n e t , daß die am Rand angeordneten äußeren Strahlungselemente ein Vieleck, insbesondere ein Rechteck oder ein Quadrat bilden.
3. Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, da du r ch ge k e nn z e i ch n e t , daß die Spalten (Sp) und Zeilen (Z) in einem Winkel von 30 bis 60°, vorzugsweise in einem Winkel von 40 bis 50°, insbesondere 45° zu den Seiten (K) des Rechtecks oder Quadrats angeordnet sind.
4. Mikrowellenantenne nach Anspruch 2 oder 3, d a - du r ch ge k e nn z e i ch n e t , daß die Ecken
(9) des Rechtecks oder Quadrats durch selektives Weglassen von Strahlungselementen abgeschrägt oder abgerundet sind.
5. Mikrowellenantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch ge k e nn z e i ch n e t , daß der Kopplungspunkt
(2) im Zentrum des Rechtecks bzw. Quadrats angeordnet ist.
6. Mikrowellenantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i chne t , daß jeweils mindestens eine Wellenleitung ( 4A, 4B, C, 4D) auf einer Flächendiagonalen des Rechtecks bzw. Quadrats zumindest abschnittsweise angeordnet ist.
7. Mikrowellenantenne nach Anspruch 6, dadu r ch ge k e nn z e i ch n e t , daß jeweils zwei Wellenleitungen, die die Strahlungselemente von benachbarten Ecken des Vielecks, insbesondere Rechtecks oder Quadrats mit dem Kopplungspunkt verbinden, miteinander paarweise in der Nähe des Kopplungspunktes verbunden sind und die beiden Paare über einen insbesondere T-förmigen Streifenleiter mit dem Kopplungspunkt verbunden sind.
8. Mikrowellenantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i chn e t , daß die
Mikrowellenantenne in Hohlleitertechnik, in Streifen- oder Mikrostreifenleitertechnik oder aus einer Kombination aus diesen Techniken gefertigt ist .
9. Mikrowellenantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r c h ge k e nn z e i ch n e t , daß die
Strahlungselemente strahlende Schlitze in Hohlleitertechnik, Hornstrahler, Microstrip-Patches oder Dipole sind.
10. Mikrowellenantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r c h g e k e nn z e i chn e t , daß mehrere insbesondere zwei benachbarte Strahlungselemente (3', 3'') von einer gemeinsamen Speiseleitung mit einer Phasendifferenz von 90° oder 120° oder einem Vielfachen von 90° oder 120° zueinander angeregt bzw. ausgekoppelt sind.
11. Mikrowellenantenne nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Strahlungselemente benachbarter Spalten oder Zeilen alternierend von ihren gegenüberliegenden Seiten ihrer einzelnen Strahlungselemente angeregt werden.
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