Planarantenne mit Hohlleiteranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachantenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um die Leistungsfähigkeit (G/T) eines Antennensystems zu erhöhen, ist es möglich, mehrere Antennen zu einer großen Antenne zusammenzufassen, wobei die Signale der einzelnen Antennen zu einem gemeinsamen Signal überlagert werden. Hierdurch ist es möglich, auch schwache Signale zu e fangen, die mittels einer einzelnen kleineren Antenne nicht in ausreichender Güte zu empfangen sind. Der Gewinn von Flachantennen kann z.B. dadurch gesteigert werden, daß viele Strahlungselemente mittels eines gemeinsamen Kopplungsnetzwerks mit einem gemeinsamen Speisepunkt in Verbindung sind. Aufgrund der Tatsache, daß die Strahlungselemente nicht beliebig dicht nebeneinander in einer Ebene anordbar sind, wird die Leitungslänge
zwischen Strahlungselement und Kopplungspunkt mit immer größer werdender Zahl von Strahlungselementen immer größer und somit der durch das Kopplungsnetzwerk bedingte Verlust der Antenne nicht mehr vertretbar.
Aus dem US-Patent 5,475,394 ist eine Flachantenne bekannt, wobei die Flachantenne sich aus vier einzelnen kleineren Flachantennen zusammensetzt. Jede der vier Flachantennen bildet einen Quadranten der großen quadratischen Antenne, wobei die vier Flachantennen jeweils ein Speisenetzwerk zur Speisung ihrer Strahlerelemente aufweisen. Die vier Speisepunkte der vier einzelnen Flachantennen sind • mittels eines Hohlleitersystems zum Erzielen eines größtmöglichen Richtfaktors amplituden- und phasengleich sowie verlustarm an einen gemeinsamen Kopplungspunkt bzw. Speisepunkt gekoppelt. Aus der US 5,475,394 ist ebenfalls eine Flachantenne bekannt, bei der zwei hintereinander angeordnete Flachantennen, bestehend jeweils aus vier kleineren Flachantennen, welche jeweils einen Quadranten eines Quadrats bilden, hintereinander angeordnet sind. Die Speisepunkte der jeweils vier Flachantennen einer Ebene sind jeweils mittels eines eigenen Hohlleitersystems, wie vorbeschrieben, mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt bzw. Speisepunkt in Verbindung.
Nachteilig bei den aus dem US 4,574,394 bekannten Flachantennen mit Hohlleiteranordnungen ist, daß die Hohlleiterstruktur, um bestmögliche HF-Eigenschaften zu erreichen, aus einem Stück gefertigt werden müßte. Die hierbei bekannten technologischen Verfahren sind allesamt aufwendig und teuer. Das prinzipielle Problem besteht in der Entkernung komplexerer Hohlleiter-Strukturen, die
praktisch ab der Verbindung von 3 und mehr Teilelementen auftreten. Die Entkernung wird üblicherweise mittels Kernausschmelzverfahren durchgeführt. Eine vorteilhafte Aufteilung des Hohlleitersystems in einzelne Komponenten und deren anschließende Verbindung ist wiederum aufwendig, da aufgrund der gewählten Hohlleiterstruktur und der damit verbundenen Grundmode (HIO-Welle oder TE10- Welle in Hohlleitern mit rechteckigem Querschnitt) , die Wandströme an den Schnittflächen unterbrochen werden und somit unerwünschte Reflexionen verursachen, die die gesamte komplexe Leistungsaufteilung des Hohlleiternetzwerkes stark beeinträchtigen können. Das hier auftretende Kontaktproblem zwischen den zu verbindenden Teilkomponenten machen eine kostengünstige Lösung unmöglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Flachantenne mit Hohlleiteranordnung zur phasengleichen Kopplung der Kopplungspunkte der einzelnen Flachantennen mit dem jeweils gemeinsamen Kopplungspunkt bereitzustellen, welche einerseits einfach in ihrem Aufbau und somit mit entsprechenden Herstellungstechnologien massentechnisch sowie kostengünstig herzustellen ist und andererseits eine optimale reflexionsfreie Wellenführung, auch unter Fertigungstoleranz-Gesichtspunkten gewährleistet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine der Flachantennen gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 3, 4 und 6 gelöst. Die erfindungsgemäßen Flachantennen zeichnen sich dadurch aus, daß die E-Feldvektoren der in der Hohlleiteranordnung geführten elektromagnetischen HIO-Welle (TE10) parallel zu der flachenn Seiten der Flachantennen ausgerichtet sind, d.h. die E-Seite des
Hohlleiters fällt mit der flachen Antennenseite zusammen, bzw. die Hohlleiteranordnung aus zwei oder drei Teilen besteht.
Hierdurch läßt sich eine vorteilhafte Aufteilung des Hohlleitersystems in einzelne Komponenten, deren einzelne Fertigung und anschließende Verbindung zu einem komplexen Hohlleiternetzwerk realisieren.
Die Hohlleiteranordnung ist vorteilhaft in Sandwich- Bauweise gestaltbar, wobei das gesamte Hohlleitersystem zur phasengleichen Verbindung des gemeinsamen Kopplungspunktes mit den jeweiligen Kopplungspunkten einer Flachantenne aus lediglich zwei bzw. drei Teilen fertigbar ist, welche jeweils Aussparungen, insbesondere nutenförmige Aussparungen aufweisen, die den Hohlleiter bilden .
Die vom Hohlleiter geführte Hio-Welle wird über ein entsprechendes Hohlleiternetzwerk von dem gemeinsamen zentralen Kopplungs- bzw. Speisepunkt zu den jeweiligen Kopplungspunkten der Quadranten-Flachantennen geführt.
Das hier realisierte Hohlleiternetzwerk weißt als Besonderheit T-Verzweigungen in der E-Ebene des Hohlleiters auf, die eine Phasendifferenz von 180° erzeugen, sofern nicht wie aus dem US 4,574,394 bekannte H-T-Verzweigungen verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Flachantennen verwenden E-T- Verzweigungen, wodurch es zwar zur Phasendrehung der geführten Welle kommt, doch ermöglicht die Verwendung der E-T-Verzweigungen gleichzeitig, den einfachen Aufbau der Hohlleiteranordnung .
Die einfachste Gestaltung einer Hohlleiteranordnung zur Verbindung des gemeinsamen Kopplungspunktes mit den jeweiligen vier Kopplungspunkten der die Quadranten bildenden Flachantennen ist eine doppel-T-Träger-förmige Ausgestaltung, bei der die Kopplungspunkte der die Quadranten bildenden Flachantennen jeweils mit einem der freien Enden der Anordnung in Verbindung sind. Es existieren somit zwei parallel zueinander angeordnete Verbindungs-Hohlleiter , die jeweils zwei benachbarte Kopplungspunkte miteinander verbinden, wobei die beiden Verbindungs-Hohlleiter über einen weiteren zentralen Hohlleiter, welcher insbesondere in ihrer Mitte angrenzt, in Verbindung sind. Die Ein- bzw. Auskopplung in bzw. aus dem Hohlleiternetzwerk erfolgt über die Mitte dieses weiteren zentralen Hohlleiters .
Da aufgrund der E-T-Verzweigungen die Wellen in den jeweiligen Ästen zueinander um 180° phasenversetzt sind, muß zusätzlich ein 90°-E-Winkel eingefügt werden, der die E-Vektoren der Hohlleiterwelle am Übergang vom Hohlleiter auf ein Streifenleitungssystem vektoriell ausrichtet, so daß diese den selben Richtungssinn besitzen. Der anschließende Übergang vom zur Antenne parallel verlaufenden Hohlleiter zu den Subquadranten erfolgt mittels kompensierter 90°-H-Knicke bzw. H-Krümmer.
Durch die vorbeschriebenen Hohlleiteranordnungen für die erfindungsgemäße Flachantenne ist es möglich, für die einzelnen diese Quadranten bildenden Flachantennen gleiche Layouts der Strahlungselemente sowie der Kopplungsnetzwerke zu verwenden, wodurch die Flachantennen vorteilhaft kostengünstig zu produzieren sind.
Bei einer Hio-Welle fließen in der gedachten Mittellinie der Breitseite eines Rechteckhohlleiters nur Längsströme. Der Hohlleiter kann somit an dieser Mittellinie der Breitseite des Hohlleiters durchgeschnitten werden, ohne daß die Funktionsweise des Hohlleiters bzw. der Hohlleiteranordnung beeinträchtigt wird. Aufgrund der Tatsache, daß die Breitseite des Hohlleiters beim genannten US-Patent parallel zu der Flachantennenanordnung ausgerichtet ist, ist die Hohlleiteranordnung in sich kompliziert und kann nicht kostengünstig realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Flachantenne und deren Hohlleiteranordnung ist dagegen die breite Seite der Hohlleiteranordnung senkrecht zu der flachen Seite der Flachantenne ausgerichtet. Durchtrennt man die Hohlleiteranordnung nunmehr an der Mittellinie der Breitseite des Rechteckhohlleiters, so ergeben sich zwei Teile, die vorteilhaft leicht und kostengünstig herstellbar sind.
Die Teile, welche sandwichartig aufeinanderlegbar sind, und zusammen eine Hohlleiteranordnung bilden, sind vorteilhaft aus Gewichtsgründen aus einem leichten Werkstoff wie zum Beispiel Kunststoff gefertigt, wobei zumindest die Innenseiten der Aussparungen, welche die Hohlleiter bilden, metallisiert sind.
Besteht die Flachantenne aus zwei hintereinander angeordneten Flachantennen, welche jeweils aus mehreren Unterflachantennen, welche zum Beispiel Quadranten bilden, so ist es notwendig, zwei Hohlleiteranordnungen vorzusehen. Die Speisepunkte der die Quadranten bildenden Flachantennen der jeweils hintereinander angeordneten
Flachantennen sind dabei nicht deckungsgleich, damit eine Auskopplung der von der Hohlleiteranordnung aus gesehen hinteren Flachantenne durch die an der Hohlleiteranordnung angrenzende Flachantenne hindurch möglich ist. Der Versatz ist relativ klein bedingt durch die kleinen Abmessungen der Streifenleiter und Strahlungselemente. Da die Hohlleiteranordnungen sandwichartig aufgebaut sind, können die beiden Hohlleiteranordnungen mittels dreier Teile realisiert werden, wobei das mittlere Teil an seinen entgegengesetzten flachen Seiten jeweils Aussparungen besitzt, die zusammen mit den Aussparungen der anderen beiden „Deckel"-Teile die Hohlleiter der Hohlleiteranordnungen bilden.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer Hohlleiteranordnung für eine Flachantenne mit Strahlungselementen, die in zwei Ebenen und jeweils vier Gruppen mit jeweils identischem Kopplungsnetzwerk angeordnet sind, beschrieben. Mittels dieser Flachantenne sind z.B. zwei zueinander orthogonal polarisierte Wellen zu empfangen oder zu senden. Es ist jedoch auch möglich, das mittels der beiden Ebenen Signale unterschiedlicher Frequenz ausgesendet oder empfangen werden.
Es zeigen:
Fig. 1: Eine perspektivische Ansicht einer montierten Hohlleiteranordnung;
Fig. 2: eine Explosionszeichnung der Hohlleiteranordnung gemäß Fig. 1;
Fig. 3: eines Seitenansicht der
Explosionszeichnung der
Hohlleiteranordnung gemäß der Fig. 1 und 2;
Fig. 4: eine Ansicht von unten auf die Hohlleiteranordnung gemäß der Fig. 1 bis 3;
Fig. 5: eine Draufsicht auf die Hohlleiteranordnung gemäß der Fig. 1 bis 4;
Fig. 6,7: perspektivische Ansichten des oberen Deckelteils der Hohlleiteranordnung;
Fig. 8,9: perspektivische Ansichten des Mittelteils der Hohlleiteranordnung;
Fig. 10: eine perspektivische Ansicht des an der Flachantenne anliegenden unteren Deckelteils der Hohlleiteranordnung.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Hohlleiteranordnung für eine Flachantenne mit in zwei Ebenen angeordneten Gruppen von Strahlungselementen, wobei jeweils eine Gruppe einen eigenen Speise- bzw. - Kopplungspunkt aufweist, der phasengleich mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt 6, 7 über die Hohlleiteranordnung verbunden ist. Die Hohlleiteranordnung besteht aus dem oberen Deckelteil 1, dem Mittelteil 2 und dem unteren Deckelteil 3. Das Deckelteil 3 kann, muß aber nicht an der Flachantenne anliegen oder einen integralen Bestandteil der Flachantenne bilden. Die Trennlinien zwischen den drei Teilen 1, 2 und 3 sind durch die Bezugsziffern 4 und 5 gekennzeichnet .
Die Hohlleiteranordnung ist im wesentlichen doppel-T- Träger-för ig, und setzt sich aus den beiden langen geraden Verbindungs-Hohlleiterteilen 13 und 14, welche mittels des weiteren Hohlleiterteils - im nachfolgenden zentrales Hohlleiterteil 12 genannt - miteinander in Verbindung sind. Sowohl das zentrale Hohlleiterteil 12 als auch die Verbindungs-Hohlleiterteile 13 und 14 bilden zusammen jeweils zwei Hohlleiteranordnungen Ai und A2, wobei das Bezugszeichen 6 den Kopplungspunkt für den Hohlleiter Ai und das Bezugszeichen 7 den Kopplungspunkt für den Hohlleiter A2 kennzeichnet. Die zentralen Kopplungspunkte 6 und 7 weisen Flansche auf, an denen die nachgeschaltete Elektronik der Flachantenne ankoppelbar und die zugehörigen Anschlüsse befestigbar sind.
Die Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung der Hohlleiteranordnung gemäß der Fig. 1. Deutlich ist die Aussparung zur Bildung der Hohlleiter Ai und A2 in den Teilen 2 und 3 zu erkennen. Eine genaue Erläuterung der Funktionsweise der Holleiter A und A2 geht aus der Figur 5 hervor, die eine Aufsicht auf Holleiteranordnung zeigt. Zur Veranschaulichung der Funktionsweise sind in Fig. 5 die E-Feldkomponenten für die Hohlleiteranordnung Ai mittels Vektorpfeilen, welche mit E gekennzeichnet sind, dargestellt. Die Hio-Welle wird in dem Kopplungspunkt 6 des Hohlleiter Ai eingespeist, wobei der E-Feldvektor nach oben zeigt. In Punkt 21 erfolgt eine E-T- Verzweigung, wobei sich in dem oberen und dem unteren Hohlleiterteil 12 die elektromagnetische Welle mit einer Phasendifferenz von 180 Grad (Pfeile zeigen in entgegengesetzter Richtung) zueinander ausbreitet. In den Punkten 19 und 20 erfolgt erneut eine E-T-Verzweigung, wodurch sich die elektromagnetische Welle in den
Hohlleitern 13 und 14 erneut jeweils gegenphasig aufteilt und hin zu den Winkelstücken 15a bis 15d weiterläuft um dort von den Winkelstücken jeweils um 90 Grad verdreht zu werden. Durch die Winkelstücke 15a bis 15d erfolgt ein Drehung der elektromagnetischen Welle, so daß an den Antennenkopplungspunkten die Wellen wieder gleichphasig sind. Hierdurch lassen sich vorteilhaft die gleichen Antennen-Layouts für die Quadranten-Flachantennen (nicht dargestellt) verwenden. Die Krümmung durch die Winkelstücke 16a bis 16d verursacht keine Drehung des E- Feldvektors und bezweckt lediglich die Führung der elektromagnetischen Welle hin zum jeweiligen Speisepunkt der Kopplungsnetzwerke, welche in planarer Technik ausgeführt sind. Die Einspeisung und Drehung der elektromagnetischen Welle für den Hohlleiter A2 erfolgt analog zum Hohlleiter Ai . Die Abmessungen der Aussparungen und der Winkelstücke hängen selbstverständlich von der gewählten Frequenz der zu führenden elektromagnetischen Wellen ab.
Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Teile 1, 2 und 3 im nicht-montierten Zustand. Die Tiefe der Aussparungen für den Hohlleiter Ai, bzw. A2 sind in den Teilen 1 und 2, bzw. 2 und 3 jeweils gleich groß, so daß an den Trennlinien 4 und 5 im montierten Zustand nur Längsströme fließen. Die Hohlleiterabschnitte 8a bis 8d und 9a bis 9d durchgreifen mit ihren freien Enden die Flachantennenanordnung im Bereich der Kopplungspunkte, wobei jeweils ein Übergang zwischen dem Waveguide und den planaren Wellenleiterstrukturen erfolgt.
Die Winkelstücke 15 bis 18 leiten die Hio-Welle jeweils um 90 Grad um, so daß die 180 Grad-Phasendrehungen,
welche durch die E-T-Verzweigungen 19 bis 24 bedingt sind, kompensiert werden.
Die Figuren 6 bis 10 zeigen perspektivische Darstellungen der beiden Deckelteile 1 und 3, sowie des mittleren Teils 2. Sofern ein Bezugszeichen x (einfach-gestrichen) ist, so bedeutet dies, daß es eine Komponente des oberen Deckelteils 1 kennzeichnet. Sofern ein Bezugszeichen x Λ Λ (zwei-gestrichen) ist, bedeutet dies, daß eine Komponente des mittleren Teils 2 gekennzeichnet wird. Analog werden Komponenten, die durch das untere Deckelteil 3 gebildet werden, mit xΛ gekennzeichnet. Die zu wählende Form des Hohlleiterquerschnitts, hängt wie bereits erläutert, von der Frequenz der zu führenden Welle ab.
Die Teile 1, 2 und 3 können miteinander zur leichten Montage verklebt oder verschweißt oder sonstwie dauerhaft miteinander verbunden werden. Hierdurch wird gewährleistet, daß die Hohlleiter nicht verschmutzen können oder das Feuchtigkeit in die Hohlleiter eindringt .
Es versteht sich von selbst, daß unter den Schutz dieses Patents ebenfalls Flachantennen fallen, bei denen es nicht auf eine amplituden- und phasengleiche Einkopplung der Wellen an den Kopplungspunkten zwischen Hohlleiteranordnung und Flachantenne ankommt. Die Form und die Reihenfolge der E-T-Verzwiegungen und Winkelstücke ist prinzipiell frei wählbar. Sofern jedoch die gleichen Layouts für die Kopplungsnetzwerke der einzelnen Sub-Antennen verwendet werden sollen, muß lediglich gewährleistet sein, daß die Hohlleiteranordnung die Wellen gleichphasig an den Kopplungspunkten in die Kopplungsnetzwerke einspeist.
Bezugszeichenliste :
1 Oberes Deckelteil
2 Mittleres Teil
3 Unteres Deckelteil 4,5 Trennlinie
6 Kopplungspunkt für Hohlleiter AI
7 Kopplungspunkt für Hohlleiter A2
8 8a bis 8d, senkrecht durch Flachantenne durchgreifender Hohlleiterabschnitt des Hohlleiters AI
9 9a bis 9d, senkrecht durch Flachantenne durchgreifender Hohlleiterabschnitt des Hohlleiters A2
10,11 Hohlleiter-Kopplungsnetzwerk-Übergang / Übergangselement
12 weiteres Hohlleiterteil / zentrales Hohlleiterteil
13,14 Verbindungs-Hohlleiterteil
15,16 a bis d, Winkelstücke für Hohlleiter AI
17,18 a bis d, Winkelstücke für Hohlleiter A2
19 - 24 E-T-Verzweigung
26 Speise-Hohlleiter für Hohlleiter AI
27 Speise-Hohlleiter für Hohlleiter A2 30,31 Verbindungs lansche
32 a bis d, kurzer Hohlleiter für Hohlleiter AI
33 a bis d, kurzer Hohlleiter für Hohlleiter A2
Anmerkung:
x Komponente des oberen Deckelteils 1
XΛ Komponente des mittleren Teils 2 xλ Komponente des unteren Deckelteils 3