WO2006119742A1 - Antennenvorrichtung für ein antennenarray und antennenarray mit einer mehrzahl derartiger antennenvorrichtungen - Google Patents

Antennenvorrichtung für ein antennenarray und antennenarray mit einer mehrzahl derartiger antennenvorrichtungen Download PDF

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WO2006119742A1
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waveguide
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waveguide element
antenna array
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Thorsten Thiele
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Teles Ag Informationstechnologien
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • 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
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • 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
    • H01Q13/06—Waveguide mouths

Definitions

  • Antenna device for an antenna array and antenna array having a plurality of such antenna devices having a plurality of such antenna devices
  • the invention relates to an antenna device for an antenna array and antenna array having a plurality of such antenna devices.
  • antennas with a strong directional characteristic and high antenna gain for the reception of weak signals.
  • Such antennas are used in particular in the reception of signals emitted by geostationary satellites, because the signals reaching the ground are strongly attenuated.
  • This mirror or planar antennas are used, which can be aligned manually or via a motor device to the transmission sources.
  • the mechanical alignment of these antennas is slow and inflexible.
  • phased array antennas are known, in particular from military radar technology, which can be aligned quickly and accurately.
  • Such antenna arrays have a plurality of individual receiving or transmitting elements on the antenna surface.
  • Each of these receive or transmit elements is assigned an individual, electronically controllable phase shift unit. With the aid of these phase shift units, phase shifts can be imposed on the received or the electromagnetic waves to be transmitted.
  • phase shifts for example, the different path lengths can be compensated by a signal source to the individual receiving elements of the antenna array. This makes it possible to align the antenna array by setting a certain phase shift at the individual receiving elements to a transmission source. There- at the phase shifts are adjusted so that the interconnected electrical signals of the individual receiving elements overlap constructively.
  • the antenna array can be similarly aligned.
  • the phase shifts are chosen so that the emitted waves interfere constructively in the desired emission direction.
  • the alignment of the antenna takes place in the phased array antennas so electronically via the control of the individual phase shift units.
  • Phase-controlled antenna arrays are used not only in the field of radar technology, but also for receiving signals from civilian satellites - such as geostationary TV satellites.
  • DE 195 31 309 C2 describes a phased array antenna as a receiving system for satellite broadcasting.
  • the antenna can be mounted flat on a house wall, since no mechanical alignment of the antenna is necessary on the satellite to be received.
  • phase-controlled antenna arrays A disadvantage of the known phase-controlled antenna arrays is that the realization of the electronic phase shift units and the necessary driver circuits is complicated, since high-frequency signals in the GHz range must be processed.
  • a variety of influences are to be considered, which have an effect in this frequency range - such as non-linearities, contact resistance, parasitic capacitances or inductances of the materials used.
  • it is difficult to realize the required high-frequency components low attenuation, temperature stable and low noise.
  • the invention has for its object to provide an antenna device for an antenna array, which manages without complex electronic Signalauswaktechniken. This object is achieved by the antenna device with the features of claim 1 and by an antenna nenarray according to claim 13. Preferred and advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the solution according to the invention provides an antenna device which has a waveguide element for receiving and / or emitting electromagnetic waves.
  • the antenna device comprises length adjustment means for ( changing the length of the waveguide element.)
  • An antenna device is provided which enables phase adjustment of a signal received or to be transmitted by the antenna device without electronic phase shift units caused by the length adjustment means, as can be changed by the change in length of the waveguide element, the signal path of a received or radiated from the antenna device wave.
  • the phase relationship which the electromagnetic waves have after passing through the waveguide elements of the individual antenna devices relative to one another can be varied via the adjustable length of the waveguide elements.
  • the antenna device according to the invention therefore provides an arrangement for an antenna array which in a simple manner effects an adjustable phase shift of the individual incoming or to be transmitted waves.
  • the antenna array is switched to a transmitting or receiving source via the variation of the lengths of the individual waveguide elements-and the resulting setting of the phase relationships of the individual waves. directable. Elaborate electronic high frequency components are not needed.
  • the length adjustment means include piezo actuators, wherein the piezo actuators are connected to the waveguide element. This causes a change in length of the waveguide element by a change in length of the piezo actuators.
  • the piezo actuators With the piezo actuators, a device for changing the length of the waveguide element is available, which has a very high adjustment accuracy (reaching into the ⁇ m range) and enables a stable change in length.
  • a further preferred embodiment of the antenna device provides that the piezo actuators are at least partially connected in series. This adds up the changes in length of the individual piezo actuators, which also larger adjustment can be realized.
  • the ability to set even larger adjustment paths is important because the wavelengths of the signals to be received or transmitted can be in the cm range - such as when receiving or transmitting satellite signals.
  • the antenna device preferably has length setting means with piezoactuators which can be activated via a digital signal.
  • a specific displacement can be set to a piezo actuator.
  • the total adjustment path is set by the number of switched piezoactuators.
  • the waveguide element comprises an elastic material, in particular a plastic coated with a metal.
  • This provides a material with high electrical conductivity, which, as a waveguide material, causes little attenuation of the guided electromagnetic wave and is variable in length.
  • the variable-length waveguide element it would also be possible to use polymers which themselves have a high conductivity.
  • a length-adjustable waveguide element may also be constituted by a plurality of hollow elements which can be plugged into one another and are displaceable relative to one another.
  • the waveguide element is thus telescopically formed from at least 2 hollow elements, wherein at least one hollow element is displaceable relative to a further and thus allows a length adjustment of the waveguide element.
  • the waveguide element has a rectangular, round or elliptical cross section in order to ensure good guidance of the electromagnetic wave with low damping.
  • a probe for decoupling or feeding electromagnetic waves from or into the waveguide element is provided.
  • the probe can have, for example, a metal piece which is arranged at a specific distance from the waveguide walls in the interior of the waveguide element is. The distance to the walls depends on the wavelength of the electromagnetic wave to be coupled in and out.
  • the probe is arranged in the end region of the waveguide element and connected to the waveguide element, which lies opposite the reception or emission side of the waveguide element.
  • This causes a change in length of the waveguide element changes the distance of the probe to the receiving or Abstrahlseite the waveguide element according to the change in length of the waveguide element.
  • the signal path of a signal emitted by a signal source or a signal to be transmitted to a receiver to the probe can be changed.
  • the probe preferably has a straight or curved conductor element, the electrically effective length of which
  • Tuning of the probe to a specific transmission or reception frequency is adjustable. Furthermore, the distance of the waveguide back wall to the probe is preferably adjustable. With these embodiments of the antenna device, it is possible to set the probe to a specific transmission or reception frequency, e.g. quickly switch between different transmission or reception frequencies.
  • the length of the conductor element can thereby by arranging about a capacitor or a coil on the physical
  • the resulting electrically effective length is in turn adjustable by varying, for example, the arranged capacitor or coil, whereby electrical tuning to a receive or transmit frequency is possible.
  • a change in the effective length of the conductor element can also be achieved by changing the physical length. to be targeted; for example, by virtue of the fact that the conductor element, similar to the waveguide element, has a variable-length material and / or intermeshing structures which can be displaced relative to one another.
  • the setting of the length can then also be done via one or more piezo actuators.
  • the adjustment of the distance of the probe to the waveguide back wall can be carried out analogously to the adjustment of the waveguide length, for example with piezo actuators, e.g. bit-serially controllable.
  • the waveguide element have separately controllable piezo actuators for adjusting the waveguide back wall.
  • the probe itself to include piezoactuators with which the probe can be moved away from or towards the rear wall of the waveguide.
  • the waveguide element has an element which influences the speed of the electromagnetic wave guided in the waveguide element and is used, for example. is movably arranged in the interior of the waveguide element.
  • the interaction of the introduced into the waveguide element element can be changed with the field components of the guided wave by moving the element.
  • the speed of the shaft guided in the waveguide element is thus variable by moving - in particular turning - of the element arranged in the waveguide element.
  • the waveguide element may in this case comprise a foil which has a dielectric and / or a metallic material.
  • the foil is in this case rotatably arranged within the waveguide element and can be adjusted by the means for changing the velocity of the electromagnetic wave guided in the waveguide element.
  • the film influences at least one field component of the guided wave in the waveguide element and thus the speed speed of the guided wave.
  • the orientation of the film with respect to a field component of the wave guided in the waveguide element can be changed.
  • the interaction of the film with this field component is amplified or attenuated when turning the film, whereby the speed of the waveguide element passing through shaft is changed.
  • the speed and thus the phase of the waveguide element passing through shaft adjustable.
  • the waveguide element comprises a material which changes the speed of the guided in the waveguide element electromagnetic wave. This can additionally increase the change in the transit time caused by the change in length of the waveguide element which requires an electromagnetic wave for passing through the waveguide element.
  • an antenna array which comprises a plurality of the antenna devices according to the invention.
  • Such an antenna array allows the phase relationship that the electromagnetic waves have after passing through the waveguide elements to each other to be adjustable. In this case, the setting of the phase relationship via theHarneinstellstoff the individual antenna devices.
  • an antenna array which can be aligned via a phase adjustment of the individual antenna devices to a transmission source or a receiver, wherein the phase matching no electronic phase shift units are needed.
  • the individual signals received by the individual antenna devices of the antenna array are subjected to a phase shift such that a constructive interference of the individual signals results when the individual signals are connected together.
  • a total signal with maximum field strength In order to can be generated with optimum setting of all phase shifts a total signal with maximum field strength.
  • phase shifts to be set are chosen to align the antenna array such that e.g. Phase shifts due to path length differences between a transmission source and the individual antenna devices of the antenna array can be compensated.
  • other effects that have an influence on the phase behavior of the individual signals can be compensated.
  • additional phase shifts may occur when the waves are being coupled in or out of the waveguide elements, which can be taken into account by appropriately adjusting the phase shifts at the individual antenna devices.
  • the antenna array is to be aligned by adjusting phase shifts.
  • the phase shifts are adjusted such that the individual signals emitted by the individual antenna devices of the antenna array are structurally superimposed in the emission direction and thus a transmission signal in the desired direction with high field strength is generated.
  • the antenna array has a coupling device for merging the individual waveguide elements to form a common waveguide.
  • a coupling device for merging the individual waveguide elements to form a common waveguide.
  • flexible connecting elements can be provided, which are connected to the waveguide elements of the individual antenna devices.
  • the flexible connecting elements carry the partial signals, which now have the same phase due to the different lengths of the waveguide elements according to the invention.
  • the common probe is designed such that it comprises a conversion element for the frequency conversion of the received or to be transmitted signals. This makes it possible that the signals registered by the probe or to be coupled into the waveguide element signals can be transmitted at a lower frequency, for example, the leads and a possibly preceding or subsequent signal processing must have no special high-frequency characteristics.
  • the antenna array comprises a central transmitting and / or receiving unit with a control device for controlling the length adjusting means of the individual antenna devices.
  • a control device for controlling the length adjusting means of the individual antenna devices.
  • the antenna array can be aligned automatically to about a transmission source.
  • the control signal in a first step evaluates the total signal, wherein e.g. It is possible to check whether the total signal fulfills a definable termination criterion.
  • a total signal that
  • Summed signal of the individual antenna devices are generated and set as a termination criterion, the amount of voltage of the sum signal.
  • termination criteria e.g. the signal-to-noise ratio of the sum signal.
  • the control device sends a control signal to at least one longitudinal adjusting means and / or at least one means for changing the speed of the guided in the waveguide element electromagnetic wave of the antenna devices of the antenna array transmitted. This causes a change in the phase of the guided in the waveguide elements of the antenna devices electromagnetic waves. In this case, as long as a control signal is generated until the termination criterion is met.
  • the antenna array is thus able to adjust itself automatically to a transmission source - such as a geostationary satellite for receiving TV or other data signals.
  • a transmission source such as a geostationary satellite for receiving TV or other data signals.
  • the alignment settings for specific transmission sources can be set in the control device or stored after finding the transmission source, in order to allow, for example, a fast switching between different transmission sources.
  • the control device additionally has location means (such as GPS) to allow an automated, accurate presetting of the orientation of the antenna array.
  • the central transmitting and / or receiving unit has a conversion element for frequency conversion of the received or to be transmitted signals.
  • a compactly realizable antenna array is provided, from which the received or to which the signals to be transmitted can be transmitted at a lower frequency.
  • FIG. 1 shows an antenna device with a waveguide element to which a plurality of piezoactuators are arranged for setting a change in length
  • FIG. 2 shows an antenna device with a telescopically formed waveguide element
  • FIG. 3 a sectional view of an antenna array with two antenna devices
  • FIG. 4 is a sectional view of a section of an antenna array with two antenna devices, the waveguide elements of the antenna devices being connected to one another via a coupling device;
  • 5a shows an antenna array with a plurality of antenna devices with length-adjustable waveguide elements in a first orientation
  • FIG. 5b shows an antenna array with a multiplicity of antenna devices with length-adjustable waveguide elements in the second first orientation
  • FIG. 6 a shows a schematic representation of an aligned antenna array
  • Figure 6b is a schematic representation of a further alignment variant of the antenna array.
  • FIG. 1 shows an antenna device 1 which is arranged on a substrate plate 3.
  • the antenna device 1 has a waveguide element 2, which acts as an antenna for receiving or emitting electromagnetic waves and as a conductor of the received or to be emitted electromagnetic waves.
  • two piezo-actuators 10 are arranged on the substrate plate 3.
  • the waveguide element 2 on the opposite side of the receiving or Abstrahlseite a waveguide back wall 5, via Connecting elements 4 is connected to the piezo actuators 10.
  • the piezo-actuators 10 each consist of a plurality of piezo-actuators 11, which are connected in series.
  • the individual piezoelectric actuators 11 are adjustable via individual control units or a common control unit (not shown).
  • the substrate plate 3 is made of a material which is well transparent in the wavelength range of the waves to be received or radiated (for example, a plastic) or has a bore in the region of the waveguide element 2.
  • a probe for coupling and decoupling the received or to be emitted electromagnetic wave is arranged in the interior of the waveguide element 2.
  • This probe has e.g. a straight or bent shaped conductor piece and is placed at a distance from the walls of the waveguide element 2, which depends on the wavelength of the waves to be received or radiated.
  • the distance between the probe and the upper waveguide edge or waveguide back wall 5 is substantially constant in one embodiment (it is ⁇ / 4, where X is the wavelength to be detected). In another embodiment, this distance is adjustable, so that the frequency of the wavelength to be detected is adjustable. After adjusting the frequency, however, this distance is then preferably constant again insofar as a change in the waveguide length or the phase does not change this distance.
  • the adjustment of the distance between the probe and the waveguide rear wall takes place, for example, via the piezo actuators, the probe then being mechanically connected to one of the actuators.
  • the piezoelectric actuator 10 connected to the waveguide element 2, it is possible to change the length of the waveguide element 2.
  • the phase which in the hollow terelement 2 guided » electromagnetic waves after passing through the waveguide element 2 or at the location of the probe have adjustable.
  • the waveguide element 2 has a material whose length is reversibly adjustable.
  • plastics which are e.g. coated with a metal in question.
  • conductive polymers can be used, these polymers must have sufficient conductivity to keep the attenuation of the guided over the waveguide element 2 shaft small.
  • FIG. 2 shows an antenna device 1 'which has a telescopic tube-like waveguide element 2'.
  • This hollow conductor element 2 ' comprises the two hollow elements 2a', 2b ', wherein the hollow element 2a' is arranged displaceably in the hollow element 2b '.
  • the hollow element 2b ' is arranged on a substrate plate 3'.
  • the hollow element 2a ' analogously to the waveguide element 2 of Figure 1 on the waveguide back wall 5' connecting elements 4 ', via the two piezo-alternator 10' with the hollow element 2a 'are connected.
  • the piezo-actuators 10 ' have individual piezo-actuators 11'.
  • the hollow element 2a ' should have the smallest possible wall thickness. This ensures that the difference in the inner diameter of the hollow elements 2a ', 2b' is small. Thus, the hollow elements 2a ', 2b' similar conduction properties, whereby the occurring at the transition of the hollow elements additional attenuation of the guided electromagnetic wave is low.
  • FIG. 3 shows two antenna devices 1 "arranged adjacently on a substrate plate 3".
  • the antenna devices 1 are elements of an antenna array, which may also have other antenna devices.
  • the antenna devices 1 "have waveguide elements 2" analogous to the antenna device 1 of FIG.
  • Piezoverstellern 10 '' are connected.
  • the piezo-actuators 10 are composed of individual piezo-actuators H".
  • the length of the individual waveguide elements 2 is set via the piezo-variators 10".
  • By adjusting the length of the waveguide elements 2 '' is analogous to the embodiment of Figure 1, the phase relationship, which have the guided in the waveguide element 2 electromagnetic waves after passing through the waveguide element 2, set.
  • the piezo actuators H " are controlled via a piezo control 30.
  • the actuation of the piezoactuators H " can take place digitally, with a defined switching voltage being applied by the piezo control 30 for deflecting the piezoactuators H" to the azo-actuating piezoactuators H ".
  • a single piezo actuator H '' is deflected by a fixed length, so that the Alterverstellfur the piezoseller 10 '' on the number of deflected piezo actuators H '' set becomes.
  • the lengths of the two adjacent waveguide differ by the amount .DELTA.l.
  • each probe 20 for coupling or coupling of electromagnetic waves in the waveguide elements 2 '' are arranged.
  • the probes 20 are connected to the respective waveguide elements 2 '' and arranged in each case on the waveguide rear walls (5 '').
  • the signal path to the probe 20 via a change in length of the waveguide elements 2 '' can be adjusted.
  • the probes 20 are connected to a central transmitting and / or receiving unit 40.
  • the central transmitting and / or receiving unit 40 (shown schematically in FIG. 3) has e.g. Also, a conversion element (not shown) that converts the frequency of the received or the signal to be transmitted into a lower (receive) or higher (send) frequency. A converted received signal can then be displayed on a
  • the central transmitting and / or receiving unit 40 may additionally have a control device (not shown) for aligning the antenna array with a transmitting source (Q).
  • the control device evaluates the signals arriving at the central transmitting and / or receiving unit 40.
  • the electrical signals transmitted by the individual probes 20 to the central transmitting and / or receiving unit 40 can be added and the magnitude of the sum signal can be determined. Due to interference effects, the magnitude of the sum signal depends on the phase position of the individual electrical signals arriving at the central transmitting and / or receiving unit 40.
  • An automatic alignment of the antenna array on a transmission source is effected in that the control unit transmits control signals to the piezo controller 30 and thus causes an adjustment of the lengths of at least one waveguide element of the antenna array.
  • the phase position of the electrical transmission signals arriving at the central transmitting and / or receiving unit 40 changes, and thus approximately the magnitude of the sum signal.
  • the regulation of the length of the waveguide elements takes place until a predefined termination criterion is met - for example, when a predetermined amount of a voltage of the sum signal is exceeded.
  • the piezo controller 30 and the central transmitting and / or receiving unit 40 need not necessarily be arranged separately.
  • the piezo controller 30 and the central transmitting and / or receiving unit 40 need not necessarily be arranged separately.
  • FIG. 4 shows two antenna devices 300 with length-adjustable waveguide elements 310.
  • the waveguide elements 310 of the two antenna devices 300 are connected via a coupling device 320 and are combined to form a common waveguide 330.
  • the coupling device 320 flexible additional waveguide elements 325, which are connected to the length-adjustable waveguide elements 310.
  • the additional elements 325 are flexible in that the length of the waveguide elements connected to them is variable.
  • the length of the additional waveguide elements 325 itself is fixed in order not to compensate for the effect of the change in length of the waveguide elements 310 again; they are referred to below as bendable.
  • additional waveguide elements 325 By means of the additional waveguide elements 325, it is thus possible to connect the coupling device 320 with the variable-length waveguide elements 310 in such a way that changes in the length of the waveguide elements 310 are possible.
  • flexible additional waveguide elements 325 may be used as bellows-shaped hollow elements made of metal. Such hollow elements are bendable, but the length of the bellows-shaped hollow elements remains substantially constant.
  • An advantage of the illustrated arrangement is that by combining the waveguide elements 310 to form a common waveguide, a common probe 350 can be provided for coupling or decoupling an electromagnetic wave from or into the waveguide elements. Thus, it is not necessary to equip the individual waveguide elements with individual probes.
  • the design of the coupling device is not limited to combining the waveguide elements of only two antenna devices, but rather it is also possible to connect a plurality of antenna devices - in particular all waveguides of the individual antenna devices arranged within an antenna array.
  • additional special waveguide elements can be provided in addition - such as waveguide insulators to avoid Koch Anlagen cement.
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a complete antenna array 60 which has a multiplicity of antenna devices 100 which are arranged on a substrate plate 110.
  • the antenna devices 100 have length-adjustable waveguide elements 120 for adjusting the phase of the electromagnetic waves guided in the waveguide elements 120.
  • the individual waveguide elements 120 are set such that their lengths decrease linearly from one side of the antenna array 60 to the opposite side up to an amount ⁇ .
  • the antenna array 60 becomes a transmitting source positioned laterally of the antenna array 60 or directed towards the radiation towards this side.
  • the path length differences occurring in the case of lateral incidence or emission of an electromagnetic wave on or from the antenna array 60 are compensated by the different lengths of the waveguide elements 120.
  • phase differences of the incoming orgerschendenden waves are compensated, whereby the waves received from the individual antenna devices 100 or constructively overlap waves.
  • the antenna array is approximately aligned with a transmission source or radiates in a certain direction.
  • FIG. 5b schematically shows the alignment of the antenna array of FIG. 5a with a transmission source or a receiver, the transmission source or the receiver being positioned on the other side of the antenna array in comparison to FIG. 5a.
  • the lengths of the waveguide elements likewise decrease linearly from the input or emission side to an amount ⁇ in order to compensate for the path length differences that occur.
  • FIGS. 6a and 6b show the schematic illustration of further alignment variants of an antenna array 200.
  • the antenna array 200 is already positioned to the transmission source or to a receiver such that the surface normal of the antenna array 200 points in the direction of the transmission source or the receiver.
  • FIG. 6 a shows how lateral differences in length of the paths between the transmission source (receiver) and the various antenna devices of the antenna array 200 are compensated by the length variation of the waveguide elements of the individual antenna devices.
  • the antenna devices arranged in the middle of the antenna array 200 are adjusted so that waveguide elements are longer than the waveguide elements of the laterally arranged antenna devices.
  • the length of the individual hollow sections terimplantation decreases approximately linearly from the center to the edge of the antenna array.
  • FIG. 6b shows another possibility for compensating lateral path length differences.
  • the lengths of the waveguide elements of the antenna devices disposed centrally in the antenna array are set shorter than those of the waveguide elements located on the edge.
  • the waveguide elements of the outer antenna devices are extended so that incoming from the transmission source on the antenna array or the emitted to a receiver waves have a phase difference of one wavelength and thus overlap constructively.
  • maximum deflections of the waveguide elements are required which correspond to the difference between a multiple of the wavelength of the electromagnetic wave to be received or transmitted and the maximum path length difference occurring.
  • the lengths of the individual waveguide elements are not linearly changed over the antenna array, but the end portions of the waveguide elements are arranged along a circular segment in order to achieve a better match, for example, to the emission lobe of a transmission source.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für ein Antennenarray. Die Antennenvorrichtung weist ein Hohlleiterelement (2, 2', 2'') zum Empfang und/oder Aussenden von elektromagnetischen Wellen sowie Längeneinstellmittel (10, 10', 10'') zum Verändern der Länge des Hohlleiterelements auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Antennenarray, das eine Mehrzahl derartiger Antennenvorrichtungen aufweist.

Description

Antennenvorrichtung für ein Antennenarray und Antennenarray mit einer Mehrzahl derartiger Antennenvorrichtungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für ein Antennenarray und Antennenarray mit einer Mehrzahl derartiger Antennenvorrichtungen.
Es ist bekannt, für den Empfang von schwachen Signalen Antennen mit einer starken Richtcharakteristik und hohem Antennengewinn einzusetzen. Derartige Antennen kommen insbesondere beim Empfang von Signalen, die von geostationären Satelliten abgestrahlt werden, zum Einsatz, da die zur Erde gelangenden Signale stark gedämpft sind. Hierbei werden Spiegel- oder Planarantennen verwendet, die manuell oder über eine Motorvorrichtung auf die Sendequellen ausrichtbar sind. Allerdings ist das mechanische Ausrichten dieser Antennen langsam und unflexibel.
Weiterhin sind - insbesondere aus der militärischen Radartechnik - phasengesteuerte Antennenarrays bekannt, die schnell und genau ausrichtbar sind. Derartige Antennenarrays weisen auf der Antennenfläche eine Vielzahl von einzelnen Empfangs- oder Sendeelementen auf. Jedem dieser Empfangsoder Sendeelemente ist dabei eine individuelle, elektronisch steuerbare Phasenschiebeeinheit zugeordnet . Mit Hilfe dieser Phasenschiebeeinheiten können den empfangenen bzw. den auszu- sendenden elektromagnetischen Wellen Phasenverschiebungen aufgeprägt werden.
Durch geeignete Einstellung der Phasenverschiebungen können z.B. die unterschiedlichen Weglängen von einer Signalquelle zu den einzelnen Empfangselementen des Antennenarrays ausgeglichen werden. Damit ist es möglich, das Antennenarray durch Einstellen einer bestimmten Phasenverschiebung an den einzelnen Empfangselementen auf eine Sendequelle auszurichten. Da- bei werden die Phasenverschiebungen so eingestellt, dass sich die zusammengeschalteten elektrischen Signale der einzelnen Empfangselemente konstruktiv überlagern.
Zum Aussenden eines Signals in eine bestimmte Richtung kann das Antennenarray in ähnlicher Weise ausgerichtet werden. Dabei werden die Phasenverschiebungen so gewählt, dass die ausgestrahlten Wellen in der gewünschten Abstrahlrichtung konstruktiv interferieren.
Das Ausrichten der Antenne erfolgt bei den phasengesteuerten Antennenarrays also elektronisch über die Ansteuerung der einzelnen Phasenschiebeeinheiten.
Phasengesteuerte Antennenarrays werden nicht nur im Bereich der Radartechnik, sondern etwa auch zum Empfang von Signalen ziviler Satelliten - etwa geostationärer TV-Satelliten - eingesetzt. So beschreibt die DE 195 31 309 C2 eine phasengesteuerte Gruppenantenne als Empfangssystem für den Satelli- tenrundfunk. Hierbei ist die Antenne flach an eine Hauswand montierbar, da keine mechanische Ausrichtung der Antenne auf den zu empfangenen Satelliten notwendig ist.
Nachteilig an den bekannten phasengesteuerten Antennenarrays ist, dass die Realisierung der elektronischen Phasenschiebeeinheiten und der notwendigen Treiberschaltungen aufwendig ist, da hochfrequente Signale im GHz-Bereich verarbeitet werden müssen. Hierbei sind vielfältige Einflüsse zu berücksichtigen, die sich in diesem Frequenzbereich auswirken - etwa Nichtlinearitäten, Übergangswiderstände, parasitäre Kapazitäten oder Induktivitäten der verwendeten Werkstoffe. Insbesondere ist es schwierig, die erforderlichen Hochfrequenzbauelemente dämpfungsarm, temperaturstabil und rauscharm zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenvorrichtung für ein Antennenarray bereitzustellen, die ohne aufwendige elektronische Signalauswertevorrichtungen auskommt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Antennenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Anten- nenarray nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach sieht die erfindungsgemäße Lösung eine Antennenvorrichtung vor, die ein Hohlleiterelement zum Empfang und/oder Aussenden von elektromagnetischen Wellen aufweist. Dabei um- fasst die Antennenvorrichtung zusätzlich Längeneinstellmittel zum( Verändern der Länge des Hohlleiterelements . Hiermit wird eine Antennenvorrichtung bereitgestellt, die eine Phaseneinstellung eines von der Antennenvorrichtung empfangenen oder auszusendenden Signals ohne elektronische Phasenschiebeein- heiten ermöglicht. Die Phaseneinstellung wird durch das Verändern der Länge des Hohlleiterelements mittels der Längeneinstellmittel bewirkt, da durch die Längenänderung des Hohl- leiterelements der Signalweg einer von der Antennenvorrichtung empfangenen oder ausgestrahlten Welle verändert werden kann .
Beim Anordnen mehrerer Antennenvorrichtungen etwa innerhalb eines Antennenarrays ist über die einstellbare Länge der Hohlleiterelemente die Phasenbeziehung, die die elektromagne- tischen Wellen nach dem Durchlaufen der Hohlleiterelemente der einzelnen Antennenvorrichtungen zueinander aufweisen, veränderbar .
Mit der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung wird daher eine Anordnung für ein Antennenarray zur Verfügung gestellt, die auf einfache Weise eine einstellbare Phasenverschiebung der einzelnen eintreffenden oder auszusendenden Wellen bewirkt. Dadurch ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung innerhalb eines Antennenarrays das Antennenarray über die Variation der Längen der einzelnen Hohlleiterelemente - und die damit bewirkte Einstellung der Phasenbeziehungen der Einzelwellen - auf eine Sende- oder Empfangsquelle aus- richtbar. Aufwändige elektronische Hochfrequenzkomponenten werden dabei nicht benötigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Längeneinstellmittel Piezo-Aktoren, wobei die Piezo-Aktoren mit dem Hohlleiterelement verbunden sind. Damit wird durch eine Längenveränderung der Piezo-Aktoren eine Längenveränderung des Hohlleiterelements hervorgerufen. Mit den Piezo-Aktoren steht eine Vorrichtung zur Veränderung der Län- ge des Hohlleiterelements zur Verfügung, die eine sehr hohe Verstellgenauigkeit (bis in den μm-Bereich reichend) besitzt und eine stabile Längenveränderung ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Antennenvorrichtung sieht vor, dass die Piezo-Aktoren zumindest teilweise in Reihe miteinander verbunden sind. Damit addieren sich die Längenveränderungen der einzelnen Piezo-Aktoren, womit auch größere Verstellwege verwirklicht werden können. Die Möglichkeit, auch größere Verstellwege einstellen zu können, ist wichtig, da die Wellenlängen der zu empfangenden oder auszusendenden Signale im cm-Bereich liegen können - etwa beim Empfang oder Aussenden von Satellitensignalen.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung Län- geneinstellmittel mit Piezo-Aktoren auf, die über ein digitales Signal ansteuerbar sind. Hierbei kann etwa durch Anlegen einer bestimmten SchaltSpannung ein bestimmter Verstellweg an einem Piezo-Aktor eingestellt werden. Dabei wird bei mehreren in Reihe geschalteten Piezo-Aktoren der Gesamtverstellweg durch die Anzahl der geschalteten Piezo-Aktoren eingestellt.
Insbesondere ist hierbei die Möglichkeit gegeben, die in Reihe geschalteten Piezo-Aktoren direkt über ein digitales Signal anzusteuern. Damit ist eine einfache und sehr flexible Steuerung der Längenverstellung bei sehr hoher Genauigkeit möglich.
Es sei hierbei angemerkt, dass die Einstellung der Länge des Hohlleiterelements nicht ausschließlich über Piezo-Aktoren erfolgen muss. Es sind grundsätzlich auch andere Vorrichtungen verwendbar, mit denen ebenfalls eine entsprechende Längeneinstellung des Hohlleiterelements realisiert werden kann - etwa Linearverstellungen mit Servo- oder Schrittmotoren.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Hohlleiterelement ein elastisches Material - insbesondere einen mit einem Metall beschichteten Kunststoff - auf. Hiermit wird ein Material mit hoher elektrischer Leitfä- higkeit zur Verfügung gestellt, das als Hohlleitermaterial eine geringe Dämpfung der geführten elektromagnetischen Welle bewirkt und dabei längenvariabel ist. Als weiteres Material für das längenvariable Hohlleiterelement könnten auch Polymere verwendet werden, die selbst eine hohe Leitfähigkeit auf- weisen.
Ein längenverstellbares Hohlleiterelement kann nach einer anderen Ausgestaltung auch durch eine Mehrzahl von ineinander steckbaren und gegeneinander verschiebbaren Hohlelementen be- stehen. Hierbei ist das Hohlleiterelement also teleskoprohr- artig aus mindestens 2 Hohlelementen gebildet, wobei mindestens ein Hohlelement gegenüber einem weiteren verschiebbar ist und somit eine Längenverstellung des Hohlleiterelement ermöglicht. Mit dieser Ausgestaltung wird ein einfach reali- sierbares Hohleiterelement bereitgestellt, mit dem auch größere Längenveränderungen einstellbar sind.
Bevorzugt weist das Hohlleiterelement einen rechteckigen, runden oder elliptischen Querschnitt auf, um eine gute Füh- rung der elektromagnetischen Welle bei geringer Dämpfung zu gewährleisten .
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Antennenvorrichtung ist eine Sonde zur Auskopplung bzw. Einspeisung von elektromagnetischen Wellen aus dem bzw. in das Hohlleiterelement vorgesehen. Dabei kann die Sonde z.B. ein Metall- stück aufweisen, das in einem bestimmten Abstand von den Hohlleiterwänden im Innern des Hohlleiterelements angeordnet ist. Dabei ist der Abstand zu den Wänden von der Wellenlänge der ein- bzw. auszukoppelnden elektromagnetischen Welle abhängig. Mit dieser Ausgestaltung steht eine einfache Vorrichtung zur Verfügung, die eine effiziente Ein- bzw. Auskopplung von elektromagnetischen Wellen aus dem bzw. in das Hohlleiterelement ermöglicht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sonde in dem Endbereich des Hohlleiterelements angeordnet und mit dem Hohlleiterele- ment verbunden ist, der der Empfangs- bzw. Abstrahlseite des Hohlleiterelements gegenüberliegt. Hiermit wird bewirkt, dass eine Längenveränderung des Hohlleiterelements den Abstand der Sonde zu der Empfangs- oder Abstrahlseite des Hohlleiterelements entsprechend der Längenveränderung des Hohlleiterele- ments verändert. Damit kann der Signalweg einer von einer Signalquelle ausgesandten Signals oder eines an einen Empfänger zu sendendes Signals zur Sonde verändert werden.
Weiterhin weist die Sonde bevorzugt ein gerades oder geboge- nes Leiterelement auf, dessen elektrisch wirksame Länge zur
Abstimmung der Sonde auf eine bestimmte Sende- oder Empfangsfrequenz einstellbar ist. Bevorzugt ist des weiteren der Abstand der Hohlleiterrückwand zu der Sonde einstellbar. Mit diesen Ausgestaltungen der Antennenvorrichtung ist es mög- lieh, die Sonde auf eine bestimmte Sende- oder Empfangsfrequenz einzustellen und z.B. schnell zwischen verschiedenen Sende- oder Empfangsfrequenzen zu wechseln.
Die Länge des Leiterelements kann dabei durch das Anordnen etwa eines Kondensators oder einer Spule über die physische
Länge des Leiterelements hinaus elektrisch „verlängert" werden. Die resultierende elektrisch wirksame Länge ist wiederum durch Verändern etwa des angeordneten Kondensators oder der Spule einstellbar, wodurch eine elektrische Abstimmung auf eine Empfangs- oder Sendefrequenz möglich ist.
Eine Veränderung der wirksamen Länge des Leiterelements kann darüber hinaus auch durch Verändern der physischen Länge er- zielt werden; etwa dadurch, dass das Leiterelement ähnlich dem Hohlleiterelement ein längenveränderliches Material und/oder ineinander greifende, gegeneinander verschiebbare Strukturen aufweist. Dabei kann das Einstellen der Länge dann ebenfalls über einen oder mehrere Piezo-Aktoren erfolgen.
Das Einstellen des Abstandes der Sonde zur Hohlleiterrückwand kann dabei analog zur Verstellung der Hohlleiterlänge etwa mit Piezo-Aktoren erfolgen, die z.B. bitseriell ansteuerbar sind. Hierbei kann z.B. das Hohlleiterelement separat ansteuerbare Piezo-Aktoren zur Einstellung der Hohlleiterrückwand aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, dass auch die Sonde selber Piezo-Aktoren umfasst, mit denen die Sonde von der Hohleiterrückwand weg- bzw. an sie heranbewegt werden kann.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es weitere Möglichkeiten gibt, die Phase, die eine elektromagnetische Welle nach dem Durchlaufen des Hohlleiterelements aufweist, zu verändern. So kann z.B. das Hohlleiterelement ein Element aufwei- sen, das die Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement geführten elektromagnetischen Welle beeinflusst und z.B. bewegbar im Innern des Hohlleiterelements angeordnet ist. Damit kann die Wechselwirkung des in das Hohlleiterelement eingebrachten Elements mit den Feldkomponenten der geführten Welle durch Bewegen des Elements verändert werden. Die Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement geführten Welle ist somit über ein Bewegen - insbesondere Drehen - des im Hohlleiterelement angeordneten Elements veränderbar.
Insbesondere kann hierbei das Hohlleiterelement eine Folie umfassen, die ein dielektrisches und/oder ein metallisches Material aufweist. Die Folie ist hierbei innerhalb des Hohlleiterelements drehbar angeordnet und durch die Mittel zur Veränderung der Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement ge- führten elektromagnetischen Welle einstellbar.
Die Folie beeinflusst mindestens eine Feldkomponente der im Hohlleiterelement geführten Welle und damit die Geschwindig- keit der geführten Welle. Durch das Drehen der Folie kann die Orientierung der Folie bezüglich einer Feldkomponente der im Hohlleiterelement geführten Welle verändert werden. Damit wird beim Drehen der Folie die Wechselwirkung der Folie mit dieser Feldkomponente verstärkt oder abgeschwächt, womit die Geschwindigkeit der das Hohlleiterelement durchlaufenden Welle verändert wird. Somit ist durch Drehen der Folie die Geschwindigkeit und damit die Phase der das Hohlleiterelement durchlaufenden Welle einstellbar.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Hohlleiterelement ein Material auf, das die Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement geführten elektromagnetischen Welle verändert. Hiermit kann die über die Längen- änderung des Hohlleiterelements bewirkte Änderung der Laufzeit, die eine elektromagnetischen Welle zum Durchlaufen des Hohlleiterelements braucht, zusätzlich verstärkt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Antennenarray vorgesehen, das eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtungen aufweist . Ein derartiges Antennenarray ermöglicht, dass die Phasenbeziehung, die die elektromagnetischen Wellen nach dem Durchlaufen der Hohlleiterelemente zueinander aufweisen, einstellbar ist. Dabei erfolgt die Einstellung der Phasenbeziehung über die Längeneinstellmittel der einzelnen Antennenvorrichtungen.
Hiermit wird ein Antennenarray zur Verfügung gestellt, das über eine Phasenanpassung der einzelnen Antennenvorrichtungen auf eine Sendequelle oder einen Empfänger ausgerichtet werden kann, wobei für die Phasenanpassung keine elektronischen Pha- senschiebeeinheiten benötigt werden. Zum Empfang etwa eines Signals einer aus einer bestimmten Richtung auf das Antennenarray einstrahlenden Sendequelle werden dabei die von den einzelnen Antennenvorrichtungen des Antennenarrays empfangenen Einzelsignale so mit einer Phasenverschiebung beaufschlagt, dass sich beim Zusammenschalten der Einzelsignale eine konstruktive Interferenz der Einzelsignale ergibt. Damit kann bei optimaler Einstellung aller Phasenverschiebungen ein Gesamtsignal mit maximaler Feldstärke erzeugt werden.
Ein derartiges Antennenarray ist somit sehr genau ausrichtbar und ist insbesondere zum Empfang von sehr schwachen Signalen geeignet. Die einzustellenden Phasenverschiebungen sind zur Ausrichtung des Antennenarrays so gewählt, dass z.B. Phasenverschiebungen augrund von Weglängenunterschieden zwischen einer Sendequelle und den einzelnen Antennenvorrichtungen des Antennenarrays kompensiert werden. Darüber hinaus können andere Effekte, die einen Einfluss auf das Phasenverhalten der Einzelsignale haben, ausgeglichen werden. Insbesondere können zusätzliche Phasenverschiebungen etwa beim Aus- oder Einkop- peln der Wellen in die Hohlleiterelemente auftreten, die durch entsprechendes Einstellen der Phasenverschiebungen an den einzelnen Antennenvorrichtungen berücksichtigt werden können.
Analog zum Ausrichten des Antennenarrays beim Empfang einer Signalquelle ist zum Abstrahlen eines Signals in einer bestimmten Abstrahlrichtung das Antennenarray über das Einstellen Phasenverschiebungen auszurichten. Hierbei werden die Phasenverschiebungen so eingestellt, dass sich die von den einzelnen Antennenvorrichtungen des Antennenarrays abge- strahlten Einzelsignale in der Abstrahlrichtung konstruktiv überlagern und somit ein Sendesignal in der gewünschten Richtung mit hoher Feldstärke erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Antennenarray eine KoppelVorrichtung zum Zusammenführen der einzelnen Hohlleiterelemente zu einem gemeinsamen Hohlleiter auf. Hierbei können z.B. flexible Verbindungselemente vorgesehen sein, die mit den Hohlleiterelemente der einzelnen Antennenvorrichtungen verbunden sind. Die flexiblen Verbin- dungselemente führen die Teilsignale, die durch die erfindungsgemäß unterschiedlichen Längen der Hohlleiterelemente nun die gleiche Phase aufweisen, zusammen. Ein Vorteil des Zusammenführens der einzelnen Antennenvorrichtungen mittels einer Kopplungsvorrichtung ist, dass zum Aus- bzw. Einkoppeln eines Signals in die bzw. aus den einzelnen Hohlleiterelementen nur eine zentrale Sonde, die an dem gemeinsamen Hohlleiter angeordnet ist, notwendig ist.
Dabei ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die gemeinsame Sonde so ausgebildet, dass sie ein Konvertierungs- element zur Frequenzumsetzung der empfangenen bzw. auszusendenden Signale umfasst. Hiermit wird ermöglicht, dass die von der Sonde registrierten bzw. in das Hohlleiterelement einzukoppelnden Signale mit geringerer Frequenz übermittelt werden können, wobei etwa die Zuleitungen und eine möglicherweise vorausgehende bzw. nachfolgende Signalverarbeitung keine besonderen Hochfrequenzeigenschaften aufweisen muss.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Antennenarray eine zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit mit einer Regelungsvorrichtung zur Regelung der Längenein- stellmittel der einzelnen Antennenvorrichtungen. Dabei wird z.B. das von den einzelnen Antennenvorrichtungen des Anten- nenarrays empfangene Signal an die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit übermittelt und zu einem Gesamtsignal zusammengeschaltet .
Über die Regelungsvorrichtung kann das Antennenarray etwa auf eine Sendequelle automatisch ausgerichtet werden. Dabei kann z.B. vorgesehen sein, dass die Regelungssignal in einem ersten Schritt das Gesamtsignal bewertet, wobei z.B. überprüft werden kann, ob das Gesamtsignal ein definierbares Abbruch- kriterium erfüllt. Hierbei kann z.B. als Gesamtsignal das
Summensignal der einzelnen Antennenvorrichtungen erzeugt werden und als Abbruchkriterium der Betrag der Spannung des Summensignals festgelegt werden. Als Abbruchkriterien können allerdings auch andere Größen gewählt werden, z.B. das Signal- Rausch-Verhältnis des Summensignals.
Ist das Abbruchkriterium nicht erfüllt, wird von der Regelungsvorrichtung ein Steuersignal an mindestens ein Längen- einstellmittel und/oder mindestens ein Mittel zur Veränderung der Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement geführten elektromagnetischen Welle der Antennenvorrichtungen des Antennen- arrays übermittelt. Damit wird eine Veränderung der Phase der in den Hohlleiterelementen der Antennenvorrichtungen geführten elektromagnetischen Wellen veranlasst. Dabei wird so lange ein Steuersignal generiert, bis das Abbruchkriterium erfüllt ist.
Das Antennenarray ist damit also etwa in der Lage, sich automatisch auf eine Sendequelle - etwa einen geostationären Satelliten zum Empfang von TV- oder sonstigen Datensignalen - einzustellen. Hierbei kann zusätzlich auch vorgesehen sein, dass in der Regelungsvorrichtung die Ausrichteinstellungen für bestimmte Sendequellen eingestellt werden können oder nach dem Auffinden der Sendequelle abgespeichert werden, um etwa ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Sendequellen zu ermöglichen. Hierbei ist auch möglich, dass die Regelungsvorrichtung zusätzlich über Ortungsmittel (etwa GPS) verfügt, um eine automatisierte, genaue Voreinstellung der Ausrichtung des Antennenarray zu ermöglichen.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung weist die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit ein Konvertierungsele- ment zur Frequenzumsetzung der empfangenen bzw. auszusendenden Signale auf. Hiermit wird ein kompakt realisierbares Antennenarray bereitgestellt, von dem die empfangenen bzw. an das die auszusendenden Signale mit geringerer Frequenz übermittelt werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Antennenvorrichtung mit einem Hohlleiterelement, an das zur Einstellung einer Längenveränderung eine Mehrzahl von Piezo-Aktoren angeordnet ist, Figur 2 eine Antennenvorrichtung mit einem teleskopartig ausgebildeten Hohlleiterelement,
Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Antennenarray mit zwei Antennenvorrichtungen in Schnittdarstellung,
Figur 4 einen Ausschnitt aus einem Antennenarray mit zwei Antennenvorrichtungen in Schnittdarstellung, wobei die Hohlleiterelemente der Antennenvorrichtungen über eine Kopplungsvorrichtung miteinander verbunden sind,
Figur 5a ein Antennenarray mit einer Vielzahl von Antennen- Vorrichtungen mit längenverstellbaren Hohlleiterelementen in einer ersten Ausrichtung,
Figur 5b ein Antennenarray mit einer Vielzahl von Antennenvorrichtungen mit längenverstellbaren Hohlleiter- elementen in zweiten ersten Ausrichtung,
Figur 6a eine schematische Darstellung eines ausgerichteten Antennenarrays ,
Figur 6b eine schematische Darstellung eine weiteren Ausrichtungsvariante des Antennenarrays .
Die Figur 1 zeigt eine Antennenvorrichtung 1, das auf einer Substratplatte 3 angeordnet ist. Die Antennenvorrichtung 1 weist ein Hohlleiterelement 2 auf, das als Antenne zum Empfang bzw. Aussenden von elektromagnetischen Wellen und als Leiter der empfangenen bzw. auszusendenden elektromagnetischen Wellen wirkt .
Neben dem Hohlleiterelement 2 sind zwei Piezoversteller 10 auf der Substratplatte 3 angeordnet. Dabei weist das Hohlleiterelement 2 an der der Empfangs- bzw. Abstrahlseite gegenüberliegenden Seite eine Hohlleiterrückwand 5 auf, die über Verbindungselemente 4 mit den Piezoverstellern 10 verbunden ist. Die Piezoversteller 10 bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Piezo-Aktoren 11, die in Reihe miteinander verbunden sind. Die einzelnen Piezo-Aktoren 11 sind etwa über individu- eile Steuereinheiten oder eine gemeinsame Steuereinheit (nicht dargestellt) einstellbar.
Die elektromagnetische Welle wird durch die Substratplatte 3 in das Hohlleiterelement 2 eingekoppelt bzw. aus dem Hohllei- terelement 2 abgestrahlt. Deshalb besteht die Substratplatte 3 aus einem Material, das im Wellenlängenbereich der zu empfangenen bzw. abzustrahlenden Wellen gut transparent ist (z.B. ein Kunststoff) oder weist im Bereich des Hohlleiterelements 2 eine Bohrung auf. Auf der der Substratplatte 3 ge- genüberliegenden Seite ist im Innern des Hohlleiterelements 2 eine Sonde (vgl. Fig. 3) zum Aus- bzw. Einkoppeln der empfangenen bzw. auszusendenden elektromagnetische Welle angeordnet. Diese Sonde weist z.B. ein gerades oder gebogen geformtes Leiterstück auf und ist in einem Abstand von den Wänden des Hohlleiterelements 2 platziert, der von der Wellenlänge der zu empfangenden bzw. abzustrahlenden Wellen abhängt. Der Abstand der Sonde zum oberen Hohlleiterrand bzw. zur Hohlleiterrückwand 5 ist in einer Ausgestaltung im wesentlichen konstant (er beträgt λ/4, wobei X die zu detektierende Wellen- länge ist) . In einer anderen Ausgestaltung ist dieser Abstand einstellbar, so dass die Frequenz der zu detektierenden Wellenlänge einstellbar ist. Nach Einstellung der Frequenz ist dieser Abstand dann aber bevorzugt wieder konstant insofern, als eine Änderung der Hohlleiterlänge bzw. der Phase diesen Abstand nicht verändert. Die Einstellung des Abstands zwischen Sonde und Hohlleiterrückwand erfolgt beispielsweise ü- ber die Piezo-Aktoren, wobei die Sonde dann mechanisch mit einem der Aktoren verbunden ist.
Mit Hilfe der mit dem Hohlleiterelement 2 verbundenen Piezoversteller 10 ist es möglich, die Länge des Hohlleiterelements 2 zu verändern. Über die Veränderung der Länge des Hohlleiterelements 2 ist die Phase, die die in dem Hohllei- terelement 2 geführten »elektromagnetischen Wellen nach Durchlaufen des Hohlleiterelements 2 bzw. am Ort der Sonde besitzen, einstellbar.
Durch die Anordnung von mehreren Piezo-Aktoren 11 in Reihe addieren sich die Verstellwege der einzelnen Piezo-Aktoren 11, so dass mit den Piezoverstellern 10 Längenveränderungen auch im cm-Bereich erzielt werden können. Dabei ist es möglich, die einzelnen Piezo-Aktoren 11 digital anzusteuern. Insbesondere kann eine bitserielle Ansteuerung der Piezo- Aktoren 11 erfolgen, die dabei zwischen den Zuständen aktiviert und nicht aktiviert geschaltet werden. Die Einstellung des aktivierten Zustandes erfolgt etwa durch Anlegen einer Steuerspannung an einen einzelnen Piezo-Aktor 11, wodurch ei- ne Längenausdehnung des Piezo-Aktors 11 um einen bestimmten Verstellweg bewirkt wird. Der Gesamtverstellweg wird bei dieser Ansteuerung durch die Anzahl der aktivierten Piezo- Aktoren 11 innerhalb eines Piezoverstellers 10 eingestellt.
Das Hohlleiterelement 2 weist ein Material auf, dessen Länge reversibel verstellbar ist. Hierfür kommen insbesondere Kunststoffe, die z.B. mit einem Metall beschichtet sind, in Frage. Außerdem können leitfähige Polymere verwendet werden, wobei diese Polymere eine ausreichende Leitfähigkeit besitzen müssen, um die Dämpfung der über das Hohlleiterelement 2 geführten Welle klein zu halten.
Die Figur 2 zeigt eine Antennenvorrichtung 1', das ein tele- skoprohrartiges Hohlleiterelement 2' aufweist. Dieses Hohl- leiterelement 2' umfasst die beiden Hohlelemente 2a', 2b', wobei das Hohlelement 2a' verschiebbar in dem Hohlelement 2b' angeordnet ist. Das Hohlelement 2b' ist auf einer Substratplatte 3' angeordnet. Das Hohlelement 2a' weist analog zum Hohlleiterelement 2 der Figur 1 an der Hohlleiterrückwand 5' Verbindungselemente 4' auf, über die zwei Piezoversteller 10' mit dem Hohlelement 2a' verbunden sind. Die Piezoversteller 10' weisen einzelne Piezo-Aktoren 11' auf. Mittels der Piezoversteller 10' kann das Hohlelement 2a' gegenüber dem Hohlelement 2b' verschoben und damit die Gesamtlänge des Hohlleiterelements 2' verändert werden.
Das Hohlelement 2a' sollte dabei eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen. Damit wird erreicht, dass der Unterschied der Innendurchmesser der Hohlelemente 2a', 2b' klein ist. Damit weisen die Hohlelemente 2a' , 2b' ähnliche Leitungseigenschaften auf, womit die am Übergang der Hohlelemente auftre- tende zusätzliche Dämpfung der geführten elektromagnetischen Welle gering ist.
In der Figur 3 sind zwei benachbart auf einer Substratplatte 3'' angeordnete Antennenvorrichtungen 1'' dargestellt. Die Antennenvorrichtungen 1' ' sind hierbei Elemente eines Anten- nenarrays, das noch weitere Antennenvorrichtungen aufweisen kann.
Die Antennenvorrichtungen 1'' weisen analog zur Antennenvor- richtung 1 der Figur 1 Hohlleiterelemente 2'' auf, die mit
Piezoverstellern 10'' verbunden sind. Die Piezoversteller 10'' setzen sich aus einzelnen Piezo-Aktoren H'' zusammen. Über die Piezoversteller 10'' wird die Länge der einzelnen Hohlleiterelemente 2'' eingestellt. Mit dem Einstellen der Länge der Hohlleiterelemente 2'' wird analog zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 die Phasenbeziehung, die die in dem Hohlleiterelement 2 geführten elektromagnetischen Wellen nach Durchlaufen des Hohlleiterelements 2 besitzen, eingestellt.
Die Piezo-Aktoren H'' werden über eine Piezosteuerung 30 angesteuert. Insbesondere kann hierbei die Ansteuerung der Piezo-Aktoren H'' digital erfolgen, wobei von der Piezosteuerung 30 zum Auslenken der Piezo-Aktoren H'' eine definierte SehaltSpannung an die auzulenkenden Piezo-Aktoren H'' ange- legt wird. Durch das Anlegen der Schaltspannung wird ein einzelner Piezo-Aktor H'' um eine feste Länge ausgelenkt, so dass die Gesamtverstelllänge der Piezoversteller 10' ' über die Anzahl der ausgelenkten Piezo-Aktoren H'' eingestellt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Längen der beiden benachbarten Hohlleiter um den Betrag Δl.
Im Innern der Hohlleiterelemente 2'' sind jeweils Sonden 20 zur Aus- bzw. Einkopplung von elektromagnetischen Wellen in die Hohlleiterelemente 2'' angeordnet. Die Sonden 20 sind mit den jeweiligen Hohlleiterelementen 2'' verbunden und jeweils an den Hohlleiterrückwänden (5'') angeordnet. Hiermit kann der Signalweg zur Sonde 20 über eine Längenveränderung der Hohlleiterelemente 2'' eingestellt werden.
Des weiteren sind die Sonden 20 mit einer zentralen Sende- und/oder Empfangseinheit 40 verbunden. Die (in der Figur 3 schematisch dargestellte) zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit 40 weist dabei z.B. auch ein Konvertierungselement (nicht dargestellt) auf, das die Frequenz des empfangenen bzw. des auszusendenden Signals in eine niedrigere (Empfang) bzw. höhere (Senden) Frequenz umwandelt. Ein konvertiertes empfangenes Signal kann dann etwa zur Darstellung an einem
Bildschirm weiterverarbeitet werden, wobei die Weiterleitung des konvertierten Signals über Kabel erfolgen kann, die keine speziellen Hochfrequenzeigenschaften aufweisen müssen.
Die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit 40 kann zusätzlich eine (nicht dargestellte) Regeleinrichtung zur Ausrichtung des Antennenarrays auf eine Sendequelle (Q) aufweisen. Hierbei werden von der Regeleinrichtung die an der zentralen Sende- und/oder Empfangseinheit 40 eingehenden Signale bewer- tet . Dazu können etwa die von den einzelnen Sonden 20 an die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit 40 übermittelten e- lektrischen Signale addiert und der Betrag des Summensignals bestimmt werden. Der Betrag des Summensignals ist dabei aufgrund von Interferenzeffekten von der Phasenlage der einzel- nen an der zentralen Sende- und/oder Empfangseinheit 40 eingehenden elektrischen Signale abhängig. Eine automatische Ausrichtung des Antennenarrays auf eine Sendequelle erfolgt dadurch, dass die Regelungseinheit Steuersignale an die Piezosteuerung 30 übermittelt und damit ein Verstellen der Längen mindestens eines Hohlleiterelements des Antennenarrays bewirkt. Dadurch ändert sich die Phasenlage der an der zentralen Sende- und/oder Empfangseinheit 40 eingehenden elektrischen Signale und damit etwa der Betrag des Summensignals .
Die Regelung der Länge der Hohlleiterelemente erfolgt so lange, bis ein vordefiniertes Abbruchkriterium erfüllt ist - etwa, wenn ein vorgegebener Betrag einer Spannung des Summensignals überschritten wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Piezosteuerung 30 und die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit 40 nicht notwendigerweise getrennt angeordnet sein müssen. So ist z.B. auch möglich, die Piezosteuerung 30 und die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit 40 in einem Gehäuse oder insbesonde- re auf der Substratplatte 3'' zu integrieren. '
In der Figur 4 sind zwei Antennenvorrichtungen 300 mit längenverstellbaren Hohlleiterelementen 310 dargestellt. Die Hohlleiterelemente 310 der beiden Antennenvorrichtungen 300 sind über eine Kopplungsvorrichtung 320 verbunden und werden zu einem gemeinsamen Hohlleiter 330 zusammengeführt. Dabei weist die Kopplungsvorrichtung 320 flexible Zusatz- Hohlleiterelemente 325 auf, die mit den längenverstellbaren Hohlleiterelementen 310 verbunden sind. Die Zusatzelemente 325 sind flexibel insofern, als die Länge der mit Ihnen verbundenen Hohlleiterelemente veränderlich ist. Die Länge der Zusatz-Hohlleiterelemente 325 selbst ist aber fest, um den Effekt der Längenänderung der Hohlleiterelemente 310 nicht wieder auszugleichen; sie werden im folgenden als biegbar be- zeichnet. Durch die Zusatz-Hohlleiterelemente 325 ist es also möglich, die Kopplungsvorrichtung 320 mit den längenvariablen Hohlleiterelementen 310 so zu verbinden, dass Längenveränderungen der Hohlleiterelemente 310 möglich sind. Als flexiblen Zusatz-Hohlleiterelemente 325 können dabei etwa balgförmig ausgebildete Hohlelemente aus Metall verwendet werden. Derartige Hohlelemente sind biegbar, wobei die Länge der balgförmigen Hohlelemente aber im wesentlichen konstant bleibt.
Ein Vorteil der dargestellten Anordnung ist, dass durch das Zusammenführen der Hohlleiterelemente 310 zu einem gemeinsamen Hohlleiter eine gemeinsame Sonde 350 zum Ein- bzw. Aus- koppeln einer elektromagnetischen Welle aus bzw. in die Hohl- leiterelemente vorgesehen werden kann. Damit ist es nicht notwendig, die einzelnen Hohlleiterelemente mit individuellen Sonden auszustatten.
Die Ausführung der Kopplungsvorrichtung ist nicht darauf beschränkt, die Hohlleiterelemente nur zweier Antennenvorrichtungen zusammenzuführen, vielmehr ist es auch möglich, eine Mehrzahl von Antennenvorrichtungen zu verbinden - insbesondere sämtliche innerhalb eines Antennenarray angeordnete Hohl- leiter der einzelnen Antennenvorrichtungen. Dabei können zusätzlich weitere spezielle Hohlleiterelemente vorgesehen werden - etwa Hohlleiterisolatoren zur Vermeidung von Über- sprecheffekten .
Die Figur 5a zeigt die schematische Darstellung eines kompletten Antennenarrays 60, das eine Vielzahl von Antennenvorrichtungen 100 aufweist, die auf einer Substratplatte 110 angeordnet sind. Die Antennenvorrichtungen 100 weisen dabei längenverstellbare Hohlleiterelemente 120 zur Einstellung der Phase der in den Hohlleiterelemente 120 geführten elektromagnetischen Wellen auf. In dem dargestellten Antennenarray 60 sind die einzelnen Hohlleiterelemente 120 so eingestellt, dass deren Längen von einer Seite des Antennenarrays 60 zur gegenüberliegenden Seite linear bis zu einem Betrag Δ abneh- men.
Mit dieser Einstellung wird das Antennenarray 60 auf eine seitlich zu dem Antennenarray 60 positionierte Sendequelle oder auf die Abstrahlung in Richtung auf diese Seite ausgerichtet. Hierbei werden die bei seitlichem Einfall oder Aussendung einer elektromagnetischen Welle auf das bzw. von dem Antennenarray 60 auftretenden Weglängenunterschiede durch die unterschiedlichen Längen der Hohlleiterelemente 120 kompensiert. Dabei werden aufgrund der Weglängenunterschiede auftretende Phasenunterschiede der eintreffenden oder auszusendenden Wellen ausgeglichen, wodurch sich die von den einzelnen Antennenvorrichtungen 100 empfangenen oder auszusendenden Wellen konstruktiv überlagern. Somit ist das Antennenarray etwa auf eine Sendequelle ausgerichtet oder strahlt in einer bestimmten Richtung ab.
Die Figur 5b zeigt schematisch die Ausrichtung des Antennen- arrays der Figur 5a auf eine Sendequelle oder einen Empfänger, wobei die Sendequelle oder der Empfänger im Vergleich zur Figur 5a auf der anderen Seite des Antennenarrays positioniert ist. Hier nehmen die Längen der Hohlleiterelemente ebenfalls von der Ein- bzw. Abstrahlseite hin linear bis zum einem Betrag Δ ab, um die auftretenden Weglängenunterschiede zu kompensieren.
Die Figuren 6a und 6b zeigen die schematische Darstellung weiterer Ausrichtungsvarianten eines Antennenarrays 200. In beiden Ausführungsbeispielen ist das Antennenarray 200 schon so zur Sendequelle oder zu einem Empfänger positioniert, dass die Flächennormale des Antennenarrays 200 in Richtung der Sendequelle bzw. des Empfängers weist.
In Figur 6a ist dargestellt, wie lateral auftretende Längenunterschiede der Wege zwischen Sendequelle (Empfänger) und den verschiedenen Antennenvorrichtungen des Antennenarrays 200 durch die Längenvariation des Hohlleiterelemente der einzelnen Antennenvorrichtungen ausgeglichen werden. Dabei wer- den die in der Mitte des Antennenarrays 200 angeordneten Antennenvorrichtungen so eingestellt, dass Hohlleiterelemente länger sind als die Hohlleiterelemente der seitlich angeordneten Antennenvorrichtungen. Die Länge der einzelnen Hohllei- terelemente nimmt dabei etwa linear von der Mitte zum Rand des Antennenarrays ab.
Die Figur 6b zeigt eine andere Möglichkeit, laterale Weglän- genunterschiede auszugleichen. Hierbei werden die Längen der Hohlleiterelemente der mittig im Antennenarray angeordneten Antennenvorrichtungen kürzer als die der am Rand befindlichen Hohlleiterelemente eingestellt. Dabei werden die Hohlleiterelemente der äußeren Antennenvorrichtungen so verlängert, dass die von der Sendequelle am Antennenarray eingehenden bzw. die an einen Empfänger ausgesandten Wellen einen Phasenunterschied von einer Wellenlänge haben und sich somit konstruktiv überlagern. Hierbei sind dann maximale Auslenkungen der Hohlleiterelemente erforderlich, die der Differenz zwi- sehen einem Vielfachen der Wellenlänge der zu empfangenden bzw. auszusendenden elektromagnetischen Welle und der maximal auftretenden Weglängendifferenz entspricht.
Hierbei werden die Längen der einzelnen Hohlleiterelemente nicht linear über das Antennenarray verändert, sondern die Endbereiche der Hohlleiterelemente sind entlang eines Kreissegments angeordnet, um eine bessere Anpassung etwa an die Abstrahlkeule einer Sendequelle zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenvorrichtung für ein Antennenarray,
gekennzeichnet durch
ein Hohlleiterelement (2, 2', 2'') zum Empfang und/oder Aussenden von elektromagnetischen Wellen sowie
Längeneinstellmittel (10, 10', 10'') zum Verändern der Länge des Hohlleiterelements (2, 2', 2'').
2. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Längeneinstellmittel (10, 10', 10'') mindestens einen Piezo-Aktor (11, 11', H'') umfassen, wobei der mindestens eine Piezo-Aktor (11, 11', H'') mit dem Hohlleiterelement (2, 2', 2'') verbunden ist, so dass eine Längenveränderung des Piezo-Aktors (11, 11', H'') eine Längenveränderung des Hohlleiterelements (2, 2', 2'') bewirkt .
3. Antennenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längeneinstellmittel (10, 10' , 10'') mehrere Piezo-Aktoren (11, 11', H'') aufweisen, die zumindest teilweise in Reihe miteinander verbunden sind, so dass sich die Längenveränderungen der einzelnen verbundenen Piezo-Aktoren addieren.
4. Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (11, 11', H'') über ein digitales Signal ansteuerbar sind.
5. Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlleiterelement (2, 2', 2'') ein elastisches Material - insbesondere einen mit einem Metall beschichteten Kunststoff - aufweist.
6. Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlleiterelement (2') eine Mehrzahl von ineinander steckbaren und gegeneinander verschiebbaren Hohlelementen (2a', 2b') aufweist.
7. Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlleiterelement
(2, 2', 2'') einen rechteckigen, runden oder elliptischen Querschnitt aufweist.
8. Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sonde (20) zur Auskopplung bzw. Einspeisung von elektromagnetischen Wellen aus dem bzw. in das Hohlleiterelement (2, 2', 2'').
9. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (20) in dem Endbereich des Hohlleiterelements (2, 2', 2'') angeordnet und mit dem Hohlleiterelement verbunden ist, der der Empfangs- bzw. Ab- Strahlseite des Hohlleiterelements (2, 2', 2'') gegenüberliegt .
10. Antennenvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (20) ein gerades oder gebo- genes Leiterelement aufweist, dessen elektrische wirksame Länge zur Abstimmung der Sonde (20) auf eine bestimmte Sende- oder Empfangsfrequenz einstellbar ist.
11. Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Hohlleiterrückwand (5, 5') zu der Sonde (20) einstellbar ist.
12. Antennenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlleiterelement (2, 2', 2'') ein Material aufweist, das die Geschwindigkeit der im Hohlleiterelement (2, 2', 2'') geführten e- lektromagnetischen Welle verändert.
13. Antennenarray,
gekennzeichnet durch,
eine Mehrzahl von Antennenvorrichtungen nach Anspruch 1, wobei über die Längeneinstellmittel der einzelnen Antennenvorrichtungen (1, 1', 1; /) die Phasenbeziehung, die die elektromagnetischen Wellen nach dem Durchlaufen der Hohlleiterelemente (2, 2', 2'') zueinander aufweisen, einstellbar ist.
14. Antennenarray nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Antennenvorrichtungen (1, 1', 1'') mindestens eine Sonde (20) zur Auskopplung bzw. Einspei- sung von elektromagnetischen Wellen aus den bzw. in die einzelnen Hohlleiterelemente (2, 2', 2'') der Antennenvorrichtungen (1, 1', 1'') aufweisen.
15. Antennenarray nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray eine Kopplungsvorrichtung (320) zum Zusammenführen der einzelnen Hohlleiterelemente (2, 2', 2' ' , 310) zu einem gemeinsamen Hohlleiter (330) aufweist.
16. Antennenarray nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nur der gemeinsame Hohlleiter (330) eine gemeinsame Sonde (350) zur Auskopplung bzw. Einspeisung von elektromagnetischen Wellen aufweist.
17. Antennenarray nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Sonde (350) ein Konvertierungselement zur Frequenzumsetzung der empfangenen bzw. auszusendenden Signale umfasst .
18. Antennenarray nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch eine zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit (40) mit einer Regelungsvorrichtung zur Regelung der Längeneinstellmittel der einzelnen Antennenvorrichtungen (1, 1', 1") •
19. Antennenarray nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Sende- und/oder Empfangseinheit (40) ein Konvertierungselement zur Frequenzumsetzung der empfangenen bzw. auszusendenden Signale umfasst.
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