WO2018050711A1 - Antenneneinrichtung und verfahren zum abstrahlen von elektromagnetischen wellen mit der antenneneinrichtung - Google Patents

Antenneneinrichtung und verfahren zum abstrahlen von elektromagnetischen wellen mit der antenneneinrichtung Download PDF

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WO2018050711A1
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Roland Reese
Matthias Jost
Matthias Nickel
Holge MAUNE
Rolf Jacoby
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Technische Universität Darmstadt
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    • H01Q1/364—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor

Definitions

  • Antenna device and method for radiating electromagnetic waves with the antenna device are antenna device and method for radiating electromagnetic waves with the antenna device
  • the invention relates to an antenna device for
  • Waveguide having two plates of electrically conductive material arranged parallel to one another
  • Electromagnetic waves can be coupled into the waveguide, which then propagate along the waveguide and are emitted at a distance from the feed device edge of the waveguide.
  • the desired radiant power may be between linear antennas having a linear current distribution in the antenna structure and planar antennas
  • antenna devices are used with mechanically displaceable components whose
  • Antenna arrays are also known in which a number of spaced from each other
  • Antenna devices each time in time
  • Antenna devices radiated electromagnetic waves results in a preferred direction, in which the largest radiant power is emitted.
  • Antenna devices ortmals in the range of millimeters and smaller to correspond to at least approximately the wavelength of the radiated or received electromagnetic radiation.
  • Antenna devices of the aforementioned type in which the electromagnetic wave propagates along a waveguide formed from two plates arranged parallel to one another and from one edge of the waveguide
  • Waveguide is radiated, are also suitable for the radiation of high-frequency experience
  • Permittivity and at least a second area is formed with a second permittivity, so that in the
  • Waveguide coupled electromagnetic waves preferably through the at least one first region
  • Propagation direction are radiated.
  • a change in the orientation of the two mutually parallel plates is not required. It has been found that by forming a first region between the two plates arranged parallel to one another, whose first permittivity differs from at least one adjoining second region, is already sufficient to determine the preferred propagation direction of the above
  • Infeed device to influence and specify coupled electromagnetic waves. The higher the frequency
  • the permittivity of the dielectric material may also be non-contact depending on the material used
  • the shape of the plates arranged parallel to one another and in particular the arrangement of the feed device and the course of the edge of the waveguide spaced from the feed device can be predetermined depending on the intended use of the antenna device and, for example, to a desired
  • Frequency range of the electromagnetic waves and be adapted to the desired variation possibilities for the alignment of the preferred propagation direction.
  • Infeed device feeds the electromagnetic wave in the center of the circle, and that the at least one first region and the at least one second region each emanating from the center of the circle smaller
  • Forming circle segments within the waveguide With such a configuration of the antenna device, the preferred propagation direction of the electromagnetic waves can be varied over the entire angular range of the waveguide configured as a circular segment is covered.
  • the first area that the preferred propagation direction of the electromagnetic waves can be varied over the entire angular range of the waveguide configured as a circular segment is covered.
  • Propagation direction can be formed by an alignable within the waveguide in different directions small circle segment. If the first area is not directly adjacent to an edge area of the
  • Waveguide adjacent, the first region with a higher permittivity is expediently limited on both sides by a second region with a smaller permittivity, wherein every second region also as
  • the waveguide may for example be semicircular and extend over an angular range of 180 °.
  • Propagation device pretending, for example, adapted to the waveguide circular segment with a
  • the two second regions each adjoin the associated first region in the circumferential direction and cover the angular region of the region not covered by the first region
  • Waveguide and thus in the example mentioned an angular range of 170 ° or 160 °.
  • each waveguide as circular plates and the feed device in the
  • the at least one first region and the at least one second region may extend in the radial direction from the circle center to the edge region. It is also possible that the first region does not extend in the radial direction to the edge region of the waveguide, but only over a partial region.
  • the radius of the first region may be more than 50%
  • the waveguide has an outer circumferential edge running along several consecutive chords and the feeding device feeds the electromagnetic wave into the center of the circle, and that edges of the at least one first region and of the at least one outgoing from the center of the circle second area respectively through the intersections of each of the first and second area
  • Peripheral circle may correspond to the outer peripheral edge of the waveguide, but also have a smaller radius.
  • the individual chord sections then each run perpendicular to the in this angular range around the
  • the first area associated with a chord, within which the electromagnetic waves should preferably propagate, is essentially
  • first two areas are in
  • the antenna device simultaneously radiates electromagnetic waves in two different preferred propagation directions. There are two main directions of radiation, in which the predominant Proportion of the coupled electromagnetic waves, or the coupled electromagnetic Abstrahl amalgam is radiated.
  • the dielectric material is a dielectric
  • Solid is whose shape corresponds to the first area and its orientation relative to the
  • the dielectric solid may be, for example, a circular segment or a triangle of a dielectric material having a high permittivity in the intended wavelength range of the radiated electromagnetic waves.
  • a suitable for many applications dielectric material is for example a polystyrene plastic with a
  • the dielectric solid can, for example, by a suitable
  • Antenna device displaced and each aligned in the preferred direction of propagation. It is also possible, for example, by embedding magnetic
  • Antenna devices may be provided a mechanical operative connection of the control device with the dielectric solid and the dielectric solid
  • the dielectric material may also be a controllable dielectric solid such as barium strontium titanate. According to a preferred embodiment of
  • the dielectric material is a fluid with an anisotropic permittivity.
  • a suitable fluid is for example a
  • the liquid crystal material can be influenced, for example, by the application of an electric field, so that for individual regions of the liquid crystal material in the propagation direction of the
  • Electrode structure electrically isolated from the plates and arranged by the control device with the
  • Liquid crystal material used which has a particularly large anisotropy of the permittivity.
  • control device has in each case a plurality of electrodes which are arranged on the plates of the waveguide and insulated from them or can be driven separately
  • Permittivity and at least a second area with a second permittivity can be specified.
  • each electrode is designed in the form of a strip or a narrow circular segment and extends from the base
  • Feed device extends to a spaced edge of the associated plate of the waveguide.
  • individual angular ranges of the waveguide can be acted upon with an electric field to in the between the dielectric fluids located in the plates form a first region having a high permittivity and second regions with a lower permittivity adjacent to one another on at least one side, or optionally on both sides.
  • the electrodes do not necessarily have to be arranged directly on the plates. It is also conceivable that an electric field penetrating the waveguide is generated from the outside. It is also possible that the electric field is generated by electrodes which
  • Electrodes along their edges one regularly or
  • edges of the electrodes may, for example, have a wave-shaped or a crenellated profile.
  • the individual waves or battlements can be
  • facing surfaces of the electrodes can be a
  • Dielectric material also other mechanisms of action can be used to a predetermined orientation
  • the two plates have an edge region spaced from the feed device with increasing distance from the
  • Feed device have increasing distance from each other.
  • the edge regions of the two plates can either be angled obliquely outwards for this purpose or designed tapering outwards.
  • the thus formed edge region of the waveguide acts like a horn and allows an additional
  • the edge regions of the two plates may also be arranged at a predetermined angle relative to the waveguide plane of the parallel regions of the waveguide such that the electromagnetic waves are radiated at an angle relative to the waveguide plane.
  • Such a configuration of the edge regions may be advantageous in a proper arrangement of the antenna device at an interface such as on a wall or on a ceiling.
  • edge regions of the two plates of the waveguide can be changed with respect to their orientation and / or shaping during operation in order to influence by the edge regions, the preferred direction of propagation and to be changed in a direction plane perpendicular to that of the parallel plates predetermined directional plane, in which the preferred
  • Propagation direction of the dielectric material can be influenced and specified.
  • the invention also relates to a method for radiating electromagnetic waves with a
  • At least one first region with a first permittivity and with the control device of the antenna device is provided.
  • Permittivity is generated, so that in the waveguide coupled electromagnetic waves preferably through the at least one first region therethrough
  • the at least one first region such as a circular segment or a triangle
  • the orientation of the circular segment or triangle relative to the feed device to be dependent on one
  • the adjusted radiation direction is adjusted. It is also possible that the first area like a
  • Circular segment or a triangle is formed and the area covered by the circle segment or triangle angle range is adjusted in response to a given directional focusing. For example, depending on the particular purpose in the desired
  • the directional focusing becomes worse again, so that, depending on the wavelength of the electromagnetic radiation and the
  • Embodiment of the waveguide and the dielectric material can be determined and specified an advantageous width of the first region, with the one best possible directional focus of the preferred
  • Radiation direction can be achieved.
  • the antenna device can also have a plurality of waveguides stacked one above the other, into which via a common feed device or via a plurality of separate and each associated with a waveguide
  • Radiation power can be increased significantly.
  • the plurality of antenna devices can be spaced apart from one another in matrix form or else
  • Waveguides have a border area, the one
  • each antenna device may be simultaneously formed and aligned such that the injected electromagnetic waves are simultaneously in two or more preferred
  • Figure 1 is a side view of an inventive
  • FIG. 2 shows a sectional view through the antenna device shown in FIG. 1 along the line II-II in FIG. 1,
  • Figure 3 is a schematic representation of the propagation of electromagnetic waves, over the
  • Antenna device are coupled and spread along a first region having a first permittivity in the waveguide,
  • Figure 4 is a graphical representation of
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of an antenna device according to the invention with an electrode arrangement attached to a plate of the waveguide for influencing a dielectric fluid arranged between the two plates of the waveguide,
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of an antenna device according to the invention with an electrode arrangement attached to a plate of the waveguide for influencing a dielectric fluid arranged between the two plates of the waveguide,
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of an antenna device according to the invention with an electrode arrangement attached to a plate of the waveguide for influencing a dielectric fluid arranged between the two plates of the waveguide
  • Figure 6 is a schematic representation of a differently configured antenna device
  • Figure 7 is a schematic representation of a turn differently configured inventive
  • FIG. 8 shows a schematic illustration according to FIG. 2, wherein the electromagnetic waves extend along two first regions with a first permittivity in two
  • Figure 9 is a graphic representation of a
  • Figure 10 is a schematic side view of an electrode with a crenellated edge on both sides.
  • Figure 11 is a schematic side view of an electrode with an irregular wavy edge on both sides.
  • Figure 11 is a schematic side view of an electrode with an irregular wavy edge on both sides.
  • the figures 1 and 2 are each a schematic
  • the antenna device 1 has a
  • arranged plates 3 comprises a suitable electrically conductive material.
  • the two plates 3 are each formed semicircular.
  • a feed device 4 is arranged, with which
  • Waveguide 2 propagate until the electromagnetic waves at one of the feed device. 4
  • a fluid of a suitable liquid crystal material is arranged in an inner semicircular space 6.
  • the fluid is bounded towards the edge 5 by a semicircular sealing ring 7 and in the
  • the shape of the plates 3 in the region of the opening slot 8 at the edge 5 corresponds to the shape of a horn and is intended to promote the transition of the electromagnetic wave from the waveguide 2 in the free space.
  • the fluid is influenced in the gap 6 and generates a first region 9 with a first, high permittivity, which is bounded on both sides by a second region 10, in which the fluid has a second permittivity
  • the first region 9 with the higher permittivity propagates from the feed device 4
  • the first region 9 and the two second regions 10 are each formed as a circle segment and jointly cover the associated semicircular circle segment of the
  • FIG. 3 shows by way of example a simulated distribution of the electric field in the waveguide 2
  • Figure 4 are using a prototype of the in the
  • FIGS 1 and 2 shown antenna device 1 generated and measured radiation characteristics for the
  • FIG. 5 schematically shows an arrangement of a number of electrodes 12 on a plate 3 of the waveguide 2
  • the individual electrodes 12 are each
  • Control device can be assigned between each other
  • Electrodes 12 which are arranged on the two plates 3, an electrical potential difference or an electric field are generated, which acts on the dielectric fluid in the space between the two plates 3, for example, an alignment of individual liquid crystal molecules of the dielectric fluid and thus along with the permittivity in the of the
  • Electrodes 12 covered gap 6 to change and pretend.
  • Electrodes 12, which are assigned to the first region and are subjected to a corresponding voltage, may have a width of the first region 9 or a
  • Angle range are given, which is covered by the first area 9.
  • Semicircular waveguide 2 are arranged so that a correspondingly precise specification of the first region 9 and thus a precisely adjustable and predetermined preferred propagation direction can be specified.
  • FIG. 6 shows by way of example an exemplary embodiment of an antenna device 1 according to the invention, with only three different preferred ones being shown
  • the edge 5 of the waveguide 2 is formed by three chords, which adjoin one another and cover an angular range of 180 ° as well.
  • the intermediate space 6 between the two plates 3 is divided into three regions 14 by three triangular electrodes 12. Each of these three
  • Areas 14 can be configured by a corresponding control of the electrodes 12 with the control device as the first area 9 for the preferred direction of propagation or as a second area 10, to selectively the To pretend preferred propagation direction for the antenna device 1.
  • FIG. 7 shows only schematically and by way of example also an antenna device 1 according to the invention with a circular waveguide 2.
  • the coupling of the electromagnetic waves is effected by a in the
  • Circular center arranged feed device 4 which is arranged on an outer side 13 of a plate 3 of the waveguide 2 and the electromagnetic waves from the outside into the intermediate space 6 between the two plates.
  • the electromagnetic waves coupled in at the center of the circle may be in any direction in that covered by the waveguide 2
  • Propagation direction for the radiated from this antenna device 1 electromagnetic waves are given.
  • FIGS. 8 and 9 an antenna device 1, deviating from FIGS. 1 to 7, is shown
  • Electrode 12 has along its edges on a front side facing the viewer a number of crenellated projections 15, so that the two edges have a crenellated curved course.
  • the individual crenellated projections 15 are uniform and arranged regularly.
  • the electrode 12 shown in Figure 11 also in a side view similar to Figure 10 shown has along its edges at the viewer facing
  • the wavy curved course has individual
  • crenellated projections 15 and the individual wave-shaped formations could also be arranged distributed irregularly along the edges. It is also possible that one in the
  • radiated electromagnetic waves are reduced or even completely prevented.
  • An antenna device 1 according to the invention offers great advantages when used for different purposes
  • antenna device 1 is an electrically controllable beam swing without the use of a group antenna with the associated
  • Antenna device 1 can be manufactured with comparatively simple production technologies and is particularly suitable for the emission of high-frequency electromagnetic waves with a frequency of

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Abstract

Eine Antenneneinrichtung (1) zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen weist einen Wellenleiter (2) auf, der wiederum zwei parallel zueinander angeordnete Platten (3) aus elektrisch leitendem Material aufweist, zwischen denen ein dielektrisches Material angeordnet ist. Die Antenneneinrichtung (1) weist eine Einspeiseeinrichtung (4) auf, mit der elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter (2) eingekoppelt werden können, die sich dann entlang des Wellenleiters (2) ausbreiten und an einem von der Einspeiseeinrichtung (4) beabstandeten Rand (5) des Wellenleiters (2) abgestrahlt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit einer Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung (1) das dielektrische Material so beeinflusst werden kann, dass ein erster Bereich (9) mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter (10) Bereich mit einer zweiten Permittivität gebildet wird, so dass die in den Wellenleiter (2) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den ersten Bereich (9) hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten Ausbreitungsrichtung (11) abgestrahlt werden. Der Wellenleiter (2) kann wie ein Kreissegment geformt sein und die Einspeiseeinrichtung (4) die elektromagnetische Welle in dem Kreismittelpunkt einspeisen. Das dielektrische Material ist ein Fluid mit einer anisotropen Permittivität. Die Steuereinrichtung kann jeweils mehrere an den Platten (3) des Wellenleiters (2) angeordnete und von diesen isolierte Elektroden (12) aufweist, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt werden kann.

Description

Technische Universität Darmstadt
Antenneneinrichtung und Verfahren zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit der Antenneneinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung zum
Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit einem
Wellenleiter, der zwei parallel zueinander angeordnete Platten aus elektrisch leitendem Material aufweist,
zwischen denen ein dielektrisches Material angeordnet ist, und mit einer Einspeiseeinrichtung, mit der
elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter eingekoppelt werden können, die sich dann entlang des Wellenleiters ausbreiten und an einem von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Rand des Wellenleiters abgestrahlt werden.
Aus der Praxis ist eine große Anzahl von unterschiedlichen Antennen bekannt, mit denen elektromagnetische Wellen abgestrahlt oder empfangen werden können. Die
unterschiedlichen Antenneneinrichtungen sind dabei an unterschiedliche Wellenlängenbereiche der
elektromagnetischen Strahlung und an die jeweiligen
Anforderungen bezüglich der gewünschten Strahlungsleistung, der Strahlungscharakteristik und der jeweils vorgesehenen Einsatzbereiche angepasst. Es kann beispielsweise zwischen linearen Antennen, die eine linienhafte Stromverteilung in der Antennenstruktur aufweisen, und Flächenantennen
unterschieden werden, bei denen eine leitungsgeführte Welle über eine beispielsweise streifenförmige oder kreisförmige Fläche abgestrahlt werden. Um Übertragungsverluste der elektromagnetischen Wellen von einem Sender zu einem Empfänger zu reduzieren ist es vorteilhaft, die von dem Sender abgestrahlte
elektromagnetische Strahlung in Richtung des Empfängers zu fokussieren, sodass ein möglichst großer Anteil der von dem Sender abgestrahlten Strahlungsleistung in die Richtung des Empfängers abgestrahlt wird und von diesem empfangen werden kann. Zu diesem Zweck sind aus der Praxis verschiedene Antenneneinrichtungen bekannt, bei denen die
Strahlungscharakteristik der Antenneneinrichtung
beeinflusst und die Richtung der maximalen
Strahlungsleistung beziehungsweise die bevorzugte
Ausstrahlungsrichtung verändert und auf einen beabstandet von der Antenneneinrichtung angeordneten Empfänger
ausgerichtet werden kann.
Insbesondere bei niedrigen Frequenzen, beziehungsweise langen Wellenlängen, werden Antenneneinrichtungen mit mechanisch verlagerbaren Komponenten eingesetzt, deren
Verlagerung eine Veränderung der Strahlungscharakteristik und eine Beeinflussung der richtungsabhängigen
Sendeleistung ermöglicht. Es sind auch Antennenarrays bekannt, bei denen eine Anzahl von beabstandet zueinander angeordneten
Antenneneinrichtungen jeweils zeitlich aufeinander
abgestimmt elektromagnetische Wellen abstrahlen, sodass die sich ergebende Überlagerung der von den einzelnen
Antenneneinrichtungen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eine Vorzugsrichtung ergibt, in welche die größte Strahlungsleistung abgestrahlt wird. Für hochfrequente elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von beispielsweise Gigahertz oder Terrahertz sind die charakteristischen Abmessungen der
Antenneneinrichtungen ortmals im Bereich von Millimetern und kleiner, um zumindest näherungsweise der Wellenlänge der abgestrahlten oder empfangenen elektromagnetischen Strahlung entsprechen. Die Herstellung von
Antenneneinrichtungen mit mechanisch relativ zueinander verlagerbaren Komponenten, die für die Abstrahlung von derart hochfrequenten elektromagnetischen Wellen geeignet wären, ist sehr aufwendig und kostenintensiv. Dagegen ist der Betrieb von Antennenarrays , bei denen mit jeder einzelnen Antenneneinrichtung elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von Gigahertz und höher abgestrahlt werden können, aufgrund der notwendigen Aufteilung des
Antennensignals auf eine große Anzahl von einzelnen
Antenneneinrichtungen und wegen der Verluste bei den jeweiligen Phasenschiebern mit vergleichsweise hohen
Verlusten der Sendeleistung behaftet.
Antenneneinrichtungen der eingangs genannten Gattung, bei denen sich die elektromagnetische Welle längs eines aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten gebildeten Wellenleiters ausbreitet und von einem Rand des
Wellenleiters abgestrahlt wird, eignen sich erfahrungsgemäß auch für die Abstrahlung von hochfrequenten
elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von einem Gigahertz und mehr. Allerdings sind keine derartigen
Antenneneinrichtungen bekannt, die eine Beeinflussung der Strahlungscharakteristik der abgestrahlten
elektromagnetischen Wellen ermöglichen würden. Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Antenneneinrichtung der eingangs genannten Gattung so auszugestalten und weiter zu entwickeln, dass die Strahlungscharakteristik und insbesondere die Richtung einer maximalen Strahlungsleistung der Antenneneinrichtung mit einfachen Mitteln und mit möglichst geringen Verlusten beeinflusst und vorgegeben werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einer Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung das dielektrische Material so beeinflusst werden kann, dass mindestens ein erster Bereich mit einer ersten
Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität gebildet wird, sodass die in den
Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den mindestens einen ersten Bereich
hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten
Ausbreitungsrichtung abgestrahlt werden. Eine Veränderung der Ausrichtung der beiden parallel zueinander angeordneten Platten ist nicht erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass durch die Ausbildung eines ersten Bereichs zwischen den beiden parallel zueinander angeordneten Platten, dessen ersten Permittivität sich von mindestens einen angrenzenden zweiten Bereich unterscheidet, bereits ausreicht, um die bevorzugte Ausbreitungsrichtung der über die
Einspeiseeinrichtung eingekoppelten elektromagnetischen Wellen zu beeinflussen und vorzugeben. Je höher der
Unterschied der ersten Permittivität zu der zweiten
Permittivität und je deutlicher abgegrenzt der erste
Bereich von einem zweiten angrenzenden Bereich ist, umso stärker kann die bevorzugte Ausbreitungsrichtung beeinflusst und vorgegeben werden. Die Permittivität des dielektrischen Materials kann in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Material auch berührungslos
beziehungsweise ohne eine mechanische Verlagerung einzelner Komponenten der Antenneneinrichtung vorgenommen werden. In Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten dielektrischen Material und der Wirkungsweise der Steuereinrichtung lassen sich sehr kurze Reaktionszeiten bei einer Anpassung der bevorzugten Ausbreitungsrichtung ermöglichen.
Die Formgebung der parallel zueinander angeordneten Platten und insbesondere die Anordnung der Einspeiseeinrichtung und der Verlauf des von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Randes des Wellenleiters können in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Verwendungszweck der Antenneneinrichtung vorgegeben und beispielsweise an einen gewünschten
Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen und an die gewünschten Variationsmöglichkeiten für die Ausrichtung der bevorzugten Ausbreitungsrichtung angepasst sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Wellenleiter wie ein Kreissegment geformt ist und die
Einspeiseeinrichtung die elektromagnetische Welle in dem Kreismittelpunkt einspeist, und dass der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich jeweils von dem Kreismittelpunkt ausgehende kleinere
Kreissegmente innerhalb des Wellenleiters bilden. Mit einer derartigen Konfiguration der Antenneneinrichtung kann die bevorzugte Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen über den ganzen Winkelbereich variiert werden, der von dem als Kreissegment ausgestalteten Wellenleiter abgedeckt wird. Der erste Bereich, der die bevorzugte
Ausbreitungsrichtung vorgibt, kann durch ein innerhalb des Wellenleiters in verschiedene Richtungen ausrichtbares kleines Kreissegment gebildet werden. Sofern der erste Bereich nicht unmittelbar an einen Randbereich des
Wellenleiters angrenzt, wird der erste Bereich mit einer höheren Permittivität zweckmäßigerweise auf beiden Seiten von einem zweiten Bereich mit einer kleineren Permittivität begrenzt, wobei jeder zweite Bereich ebenfalls als
kleineres Kreissegment ausgebildet ist und die einzelnen Kreissegmente des ersten Bereichs und der beiden zweiten Bereiche das Kreissegment bzw. den Winkelbereich des
Wellenleiters vollständig abdecken.
Der Wellenleiter kann beispielsweise halbkreisförmig ausgebildet sein und sich über einen Winkelbereich von 180° erstrecken. Der mindestens eine erste Bereich, der mit seiner höheren Permittivität die bevorzugte
Ausbreitungsvorrichtung vorgibt, kann beispielsweise ein an den Wellenleiter angepasstes Kreissegment mit einem
Öffnungswinkel von etwa 10° bis 20° sein. Die beiden zweiten Bereiche grenzen in Umfangsrichtung jeweils an den zugeordneten ersten Bereich an und bedecken den von dem ersten Bereich nicht abgedeckten Winkelbereich des
Wellenleiters und damit in dem genannten Beispiel einen Winkelbereich von insgesamt 170° bzw. 160°.
Es ist ebenfalls möglich, den Wellenleiter mit einem kleineren Winkelbereich als 180° vorzugeben, sofern die bevorzugte Ausbreitungsrichtung nur innerhalb eines
kleineren Winkelbereichs verändert werden können soll. Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die beiden Wellenleiter jeweils als kreisförmige Platten auszugestalten und die Einspeiseeinrichtung in dem
Kreismittelpunkt so anzuordnen und auszugestalten, dass die elektromagnetischen Wellen im Bereich des Kreismittelpunkts von außen eingekoppelt und zwischen den beiden
kreisförmigen Platten eingespeist werden und sich
anschließend über den gesamten Kreiswinkelbereich von 360° ausbreiten können. Durch die Ausgestaltung und Ausrichtung des mindestens einen ersten Bereiches kann dann eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung innerhalb des vollständigen Kreiswinkels von 360° beliebig vorgegeben werden.
Der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich können sich in radialer Richtung von dem Kreismittelpunkt bis zu dem Randbereich erstrecken. Es ist ebenfalls möglich, dass sich der erste Bereich in radialer Richtung nicht bis zu dem Randbereich des Wellenleiters erstreckt, sondern lediglich über einen Teilbereich. Dabei kann der Radius des ersten Bereichs mehr als 50%,
vorzugsweise mehr als 75% des Radius des Randbereichs betragen .
Sofern die bevorzugte Ausbreitungsrichtung nur zwischen zwei oder drei bzw. mehreren einzelnen Richtungen verändert beziehungsweise umgeschaltet werden können soll, ist es gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
vorteilhaft, dass der Wellenleiter einen längs mehrerer aneinander anschließender Kreissehnen verlaufenden äußeren Umfangsrand aufweist und die Einspeiseeinrichtung die elektromagnetische Welle in den Kreismittelpunkt einspeist, und dass von dem Kreismittelpunkt ausgehende Ränder des mindestens einen ersten Bereichs und des mindestens einen zweiten Bereichs jeweils durch die Schnittpunkte der jeweils dem ersten beziehungsweise zweiten Bereich
zugeordneten Kreissehne mit einem Umfangskreis verlaufen. Der den mindestens einen ersten Bereich und den mindestens einen zweiten Bereich in radialer Richtung begrenzende
Umfangskreis kann dem äußeren Umfangsrand des Wellenleiters entsprechen, aber auch einen kleineren Radius aufweisen. Die einzelnen Kreissehnen-Abschnitte verlaufen dann jeweils senkrecht zu der in diesem Winkelbereich um die
Einspeiseeinrichtung vorgegebenen bevorzugten
Ausbreitungsrichtung der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Der einer Kreissehne zugeordnete erste Bereich, innerhalb dessen sich die elektromagnetischen Wellen bevorzugt ausbreiten sollen, ist im Wesentlichen
dreiecksförmig . Die Beeinflussung des dielektrischen
Materials in den einzelnen durch Kreissehnen begrenzten Winkelbereichen ist konstruktiv einfach und kostengünstig umset zbar . Gemäß einer optionalen Variante ist erfindungsgemäß
vorgesehen, dass mit der Steuereinrichtung der
Antenneneinrichtung das dielektrische Material so
beeinflusst werden kann, dass zwei erste Bereiche mit einer ersten Permittivität und mindestens ein dazwischenliegender zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität gebildet wird. Vorzugsweise sind die beiden ersten Bereiche in
Umfangsrichtung auf beiden Seiten jeweils von einem zweiten Bereich begrenzt. Mit den beiden ersten Bereichen kann erreicht werden, dass die Antenneneinrichtung gleichzeitig elektromagnetische Wellen in zwei verschiedenen bevorzugten Ausbreitungsrichtungen abstrahlt. Es bilden sich zwei Hauptabstrahlrichtungen aus, in denen der überwiegende Anteil der eingekoppelten elektromagnetischen Wellen, bzw. der eingekoppelten elektromagnetischen AbStrahlungsleistung abgestrahlt wird. Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das dielektrische Material ein dielektrischer
Festkörper ist, dessen Formgebung dem ersten Bereich entspricht und dessen Ausrichtung relativ zu der
Einspeiseeinrichtung veränderbar ist. Der dielektrische Festkörper kann beispielsweise ein Kreissegment oder ein Dreieck aus einem dielektrischen Material mit einer hohen Permittivität in dem vorgesehenen Wellenlängenbereich der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen sein. Ein für viele Anwendungen zweckmäßiges dielektrisches Material ist beispielsweise ein Polystyrol-Kunststoff mit einer
Permittivität von sr=2,53 bei 50 GHz. Der dielektrische Festkörper kann beispielsweise durch eine geeignete
Zwangsführung von der Steuereinrichtung der
Antenneneinrichtung verlagert und jeweils in die bevorzugte Ausbreitungsrichtung ausgerichtet werden. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise durch Einbettung magnetischer
Materialien die Ausrichtung des dielektrischen Materials über von außen angelegte veränderbare Magnetfelder
vorzugeben. Bei ausreichend groß dimensionierten
Antenneneinrichtungen kann eine mechanische Wirkverbindung der Steuereinrichtung mit dem dielektrischen Festkörper vorgesehen sein und der dielektrische Festkörper
beispielsweise mittels Seilzügen oder Führungsstangen, beziehungsweise über einen Getriebemechanismus verlagert werden. Das dielektrische Material kann auch ein steuerbarer dielektrischer Feststoff wie beispielsweise Barium- Strontium-Titanat sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das dielektrische Material ein Fluid mit einer anisotropen Permittivität ist. Ein hierfür geeignetes Fluid ist beispielsweise ein
Flüssigkristall-Material, bei dem die einzelnen
stabförmigen Moleküle deutlich voneinander abweichende Permittivitäten längs einer Längsachse und quer dazu aufweisen. Das Flüssigkristall-Material kann beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflusst werden, sodass für einzelne Bereiche des Flüssigkristall- Materials in der Ausbreitungsrichtung der
elektromagnetischen Wellen durch den Wellenleiter
unterschiedliche Permittivitäten vorgegeben werden können. Geeignete Flüssigkristall-Materialien sind aufgrund der häufigen Verwendung derartiger Materialien in anderen
Produktbereichen in verschiedenen Ausgestaltungen
handelsüblich und kostengünstig erhältlich.
Die Ansteuerung des Flüssigkristall-Materials
beziehungsweise die Beeinflussung der Ausrichtung einzelner Flüssigkristall-Moleküle mit Hilfe von extern erzeugten elektrischen Feldern ist bereits gut untersucht und in vielen Varianten und Ausgestaltungen aus der Praxis
bekannt. So kann beispielsweise jeweils eine
Elektrodenstruktur elektrisch isoliert an den Platten angeordnet und von der Steuereinrichtung mit der
gewünschten Spannungsverteilung beaufschlagt werden, um in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten das dort befindliche Flüssigkristall-Material hinsichtlich der
Ausrichtung der einzelnen Flüssigkristall-Moleküle zu beeinflussen und dadurch die Permittivität in der
Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen
vorzugeben. Zweckmäßigerweise wird dabei ein
Flüssigkristall-Material verwendet, das eine besonders große Anisotropie der Permittivität aufweist.
Die Steuereinrichtung weist erfindungsgemäß jeweils mehrere an den Platten des Wellenleiters angeordnete und von diesen isolierte Elektroden oder gesondert ansteuerbare
Elektrodensegmente auf, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, wodurch die Permittivität des zwischen den Platten angeordneten Fluides beeinflusst werden kann und ein erster Bereich mit einer ersten
Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten Permittivität vorgegebenen werden können. Je größer die Anzahl der Elektroden bzw. der einzeln ansteuerbaren Segmente der Elektroden an den Platten ist, umso
vielfältiger sind die Möglichkeiten, die bevorzugte
Ausbreitungsrichtung der abgestrahlten elektromagnetischen Welle zu beeinflussen und vorzugeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass jede Elektrode in Form eines Streifens oder eines schmalen Kreissegments ausgestaltet ist und sich ausgehend von der
Einspeiseeinrichtung zu einem beabstandeten Rand der zugeordneten Platte des Wellenleiters erstreckt. Mit einer ausreichenden Anzahl derart ausgestalteter Elektroden können einzelne Winkelbereiche des Wellenleiters mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, um in dem zwischen den Platten befindlichen dielektrischen Fluid einen ersten Bereich mit einer hohen Permittivität und auf mindestens einer Seite, beziehungsweise gegebenenfalls auf beiden Seiten angrenzende zweite Bereiche mit einer niedrigeren Permittivität auszubilden.
Die Elektroden müssen nicht notwendigerweise unmittelbar an den Platten angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass von außen ein den Wellenleiter durchdringendes elektrisches Feld erzeugt wird. Es ist weiterhin auch möglich, dass das elektrische Feld durch Elektroden erzeugt wird, die
zwischen beabstandet zueinander verlaufenden Randbereichen des Wellenleiters zwischen den Platten oder außerhalb der Platten des Wellenleiters angeordnet sind.
Es hat sich herausgestellt, dass es gemäß einer optionalen Ausgestaltung besonders vorteilhaft ist, dass die
Elektroden längs ihrer Ränder einen regelmäßig oder
unregelmäßig gekrümmten Verlauf und/oder eine regelmäßig oder unregelmäßig dreidimensional strukturierte Oberfläche aufweist. Die Ränder der Elektroden können beispielsweise einen wellenförmigen oder einen zinnenförmigen Verlauf aufweisen. Die einzelnen Wellen oder Zinnen können
regelmäßig oder unregelmäßig ausgebildet sein oder
aufeinander folgen. Insbesondere die den Platten
zugewandten Oberflächen der Elektroden können eine
dreidimensional strukturierte Oberfläche aufweisen, die entweder regelmäßig oder unregelmäßig angeordnete oder ausgebildete Strukturen aufweisen. Durch den nicht
gradlinigen Verlauf der Ränder und durch die nicht
vollständig ebenflächige Ausgestaltung der Oberflächen der Elektroden wird eine unerwünschte Beeinflussung der elektromagnetischen Felder für die Wellenabstrahlung reduziert, die gegebenenfalls durch die Ausbildung eines elektromagnetischen Feldes zwischen den Elektroden erzeugt werden könnte, welches für die Ausbildung des zwischen den Elektroden befindlichen ersten Bereichs mit einer ersten Permittivitat benötigt und erzeugt wird.
Weiterhin ist es ebenfalls möglich, das dielektrische
Material durch ein extern angelegtes Magnetfeld zu
beeinflussen, welches den Wellenleiter durchdringt. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten
dielektrischen Materials können auch andere Wirkmechanismen eingesetzt werden, um eine vorgegebene Ausrichtung
einzelner Moleküle und eine Veränderung der Permitt ivität beispielsweise durch eine geeignete Vorgabe eines Drucks oder einer Temperatur herbeizuführen.
Um eine Anpassung des Wellenwiderstands bei dem Ablösen der elektromagnetischen Wellen von dem Wellenleiter in den freien Raum in geeigneter Weise anpassen zu können und an dem Rand des Wellenleiters unerwünschte Reflektionen zu verringern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden Platten in einem von der Einspeiseeinrichtung beabstandeten Randbereich einen mit zunehmendem Abstand von der
Einspeiseeinrichtung größer werdenden Abstand voneinander aufweisen. Die Randbereiche der beiden Platten können zu diesem Zweck entweder jeweils schräg nach außen abgewinkelt oder nach außen spitz zulaufend ausgestaltet sein. Der derart ausgebildete Randbereich des Wellenleiters wirkt wie ein Hornstrahler und ermöglicht eine zusätzliche
Verbesserung der Strahlungsleistung in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung . Die Randbereiche der beiden Platten können relativ zu der Wellenleiterebene der parallelen Bereiche des Wellenleiters auch jeweils in einem vorgegebenen Winkel so angeordnet sein, dass die elektromagnetischen Wellen in einem Winkel relativ zu der Wellenleiterebene abgestrahlt werden. Eine derartige Ausgestaltung der Randbereiche kann bei einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Antenneneinrichtung an einer Grenzfläche wie beispielsweise an einer Wand oder an einer Decke vorteilhaft sein.
Es ist ebenfalls möglich und insbesondere bei ausreichend großen Abmessungen des Wellenleiters ohne großen
konstruktiven Aufwand realisierbar, dass die Randbereiche der beiden Platten des Wellenleiters hinsichtlich ihrer Ausrichtung und/oder Formgebung während des Betriebs verändert werden können, um durch die Randbereiche die bevorzugte Ausbreitungsrichtung zu beeinflussen und in einer Richtungsebene verändert werden zu können, die senkrecht zu der von den parallelen Platten vorgegebenen Richtungsebene liegt, in der die bevorzugte
Ausbreitungsrichtung von dem dielektrischen Material beeinflusst und vorgegeben werden kann. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit einer
Antenneneinrichtung mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit der Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung mindestens ein erster Bereich mit einer ersten Permittivität und
mindestens ein zweiter Bereich mit einer zweiten
Permittivität erzeugt wird, sodass die in den Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den mindestens einen ersten Bereich hindurch
ausbreiten und in dieser bevorzugten Ausbreitungsrichtung abgestrahlt werden.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass während des Betriebs der Antenneneinrichtung der mindestens eine erste Bereich wie ein Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und die Ausrichtung des Kreissegments oder Dreiecks relativ zu der Einspeiseeinrichtung in Abhängigkeit von einer
vorgegebenen Abstrahlrichtung angepasst wird. Es ist ebenfalls möglich, dass der erste Bereich wie ein
Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und der von dem Kreissegment oder Dreieck abgedeckte Winkelbereich in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Richtungsfokussierung angepasst wird. So kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem jeweiligen Verwendungszweck in der gewünschten
Ausbreitungsrichtung eine vergleichsweise breite und sich über einen größeren Winkelbereich erstreckende Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen durch einen breiten ersten Bereich vorgegeben werden, oder aber eine auf einen sehr schmalen Winkelbereich fokussierte Abstrahlung der
elektromagnetischen Wellen durch die Vorgabe eines
entsprechend schmalen ersten Bereichs vorgegeben werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem zu schmal
vorgegebenen ersten Bereich die Richtungsfokussierung wieder schlechter wird, so dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und der
Ausgestaltung des Wellenleiters sowie des dielektrischen Materials eine vorteilhafte Breite des ersten Bereichs ermittelt und vorgegeben werden kann, mit der eine bestmögliche Richtungsfokussierung der bevorzugten
Abstrahlungsrichtung erreicht werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, dass sowohl die breite,
beziehungsweise die Winkelbereichsabdeckung des ersten
Bereichs als auch dessen Ausrichtung gleichzeitig während des Betriebs der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung verändert werden. Erfindungsgemäß kann die Antenneneinrichtung auch mehrere übereinander gestapelte Wellenleiter aufweisen, in die über eine gemeinsame Einspeiseeinrichtung oder über mehrere gesonderte und jeweils einem Wellenleiter zugeordnete
Einspeiseeinrichtungen elektromagnetische Wellen
eingekoppelt werden können. Durch eine geeignete
Kombination mehrerer Wellenleiter kann die insgesamt mit der Antenneneinrichtung in eine bevorzugte
Abstrahlungsrichtung abgestrahlte elektromagnetische
Strahlungsleistung erheblich erhöht werden.
Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, mehrere erfindungsgemäße Antenneneinrichtungen beabstandet
zueinander anzuordnen und synchronisiert zu betreiben, um die insgesamt in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlungsleistung zu erhöhen. Die mehreren Antenneneinrichtungen können dabei matrixförmig beabstandet zueinander oder auch
beispielsweise übereinander gestapelt angeordnet sein. Bei mehreren übereinander gestapelten Antenneneinrichtungen können lediglich die äußeren Platten der gestapelten
Wellenleiter einen Randbereich aufweisen, die einen
einzigen Hornstrahler für alle Wellenleiter bilden. In jeder Antenneneinrichtung können gemäß einer optionalen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens gleichzeitig zwei oder mehr erste Bereiche ausgebildet und so ausgerichtet sein, dass die eingespeisten elektromagnetischen Wellen sich gleichzeitig in zwei oder mehr bevorzugten
Ausbreitungsrichtungen ausbreiten .
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung exemplarisch dargestellt sind. Es zeigt:
Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Antenneneinrichtung,
Figur 2 eine Schnittansicht durch die in Figur 1 gezeigte Antenneneinrichtung längs der Linie II-II in Fig. 1,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen, die über die
Einspeiseeinrichtung in einen Wellenleiter der
Antenneneinrichtung eingekoppelt werden und sich längs eines ersten Bereichs mit einer ersten Permittivität in dem Wellenleiter ausbreiten,
Figur 4 eine grafische Darstellung von
Strahlungscharakteristiken von abgestrahlten
elektromagnetischen Wellen, die mit einem Prototyp der in der Figuren 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen
Antenneneinrichtung erzeugt, in verschiedenen bevorzugten Ausbreitungsrichtungen abgestrahlt und vermessen wurden, Figur 5 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung mit einer an einer Platte des Wellenleiters angebrachten Elektrodenanordnung zur Beeinflussung eines zwischen den beiden Platten des Wellenleiters angeordneten dielektrischen Fluides,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer abweichend ausgestalteten Antenneneinrichtung, Figur 7 eine schematische Darstellung einer wiederum abweichend ausgestalteten erfindungsgemäßen
Antennenein ichtung,
Figur 8 eine schematische Darstellung gemäß Figur 2, wobei sich die elektromagnetischen Wellen entlang von zwei ersten Bereichen mit einer ersten Permittivität in zwei
verschiedenen bevorzugten Ausbreitungsrichtungen in dem Wellenleiter ausbreiten,
Figur 9 eine grafische Darstellung einer
Strahlungscharakteristik der mit einer in Figur 8 gezeigten Antenneneinrichtung in zwei bevorzugten
Ausbreitungsrichtungen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen,
Figur 10 eine schematische Seitenansicht einer Elektrode mit einem auf beiden Seiten zinnenförmig verlaufenden Rand, und
Figur 11 eine schematische Seitenansicht einer Elektrode mit einem auf beiden Seiten unregelmäßig wellenförmig verlaufenden Rand. In den Figuren 1 und 2 sind jeweils schematisch eine
Seitenansicht und eine Schnittansicht einer exemplarischen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1 dargestellt. Die Antenneneinrichtung 1 weist einen
Wellenleiter 2 auf, der zwei parallel zueinander
angeordnete Platten 3 aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material umfasst. Die beiden Platten 3 sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet. In dem Bereich des Kreismittelpunkts der halbkreisförmigen Platten 3 ist eine Einspeiseeinrichtung 4 angeordnet, mit welcher
elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter 2
eingekoppelt werden können, um sich dann entlang des
Wellenleiters 2 auszubreiten, bis die elektromagnetischen Wellen an einem von der Einspeiseeinrichtung 4
beabstandeten Rand 5 des Wellenleiters 2 in den freien Raum abgestrahlt werden.
In einem innenliegenden halbkreisförmigen Zwischenraum 6 ist ein Fluid aus einem geeigneten Flüssigkristall-Material angeordnet. Das Fluid wird zu dem Rand 5 hin von einem halbkreisförmigen Dichtungsring 7 begrenzt und in dem
Zwischenraum 6 eingeschlossen. Ab dem Dichtungsring 7 verjüngen sich die beiden Platten 3 des Wellenleiters 2 zum Rand 5 hin kontinuierlich und bilden einen
halbkreisförmigen Öffnungsschlitz 8, dessen Schlitzbreite mit zunehmendem Abstand von dem Kreismittelpunkt
kontinuierlich zunimmt. Die Formgebung der Platten 3 im Bereich des Öffnungsschlitzes 8 an dem Rand 5 entspricht der Formgebung eines Hornstrahlers und soll den Übergang der elektromagnetischen Welle aus dem Wellenleiter 2 in den freien Raum begünstigen. Durch eine in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte
Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung 1 wird das Fluid in dem Zwischenraum 6 beeinflusst und ein erster Bereich 9 mit einer ersten, hohen Permittivität erzeugt, der zu beiden Seiten jeweils von einem zweiten Bereich 10 begrenzt wird, in denen das Fluid eine zweite Permittivität
aufweist, die geringer als die erste Permittivität ist. Durch den ersten Bereich 9 mit der höheren Permittivität breiten sich die von der Einspeiseeinrichtung 4
eingekoppelten elektromagnetischen Wellen bevorzugt aus, sodass in einer durch die Ausrichtung des ersten Bereichs 9 vorgegebenen Ausbreitungsrichtung die elektromagnetischen Wellen bevorzugt ausbreiten und abgestrahlt werden. Der erste Bereich 9 und die beiden zweiten Bereiche 10 sind jeweils als Kreissegment ausgebildet und bedecken gemeinsam das zugeordnete halbkreisförmige Kreissegment des
Wellenleiters 2. In Figur 3 ist exemplarisch eine simulierte Verteilung des elektrischen Feldes der in den Wellenleiter 2
eingekoppelten elektromagnetischen Wellen dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich die eingekoppelten elektromagnetischen Wellen fast ausschließlich durch den ersten Bereich 9 mit der höheren Permittivität bewegen und in der durch die Anordnung des ersten Bereichs 9
vorgegebenen Ausbreitungsrichtung 11 ausbreiten und von der Antenneneinrichtung 1 abgestrahlt werden. Lediglich ein geringer Anteil der elektromagnetischen Wellen breitet sich in den zweiten Bereichen 10 aus und verlässt die
Antenneneinrichtung 1 in einer von der bevorzugten
Ausbreitungsrichtung 11 abweichenden Richtung. In Figur 4 sind mit Hilfe eines Prototyps der in den
Figuren 1 und 2 gezeigten Antenneneinrichtung 1 erzeugte und gemessene Strahlungscharakteristiken für die
Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen gezeigt, wobei drei verschiedene bevorzugte Ausbreitungsrichtungen
vorgegeben wurden. Es ist deutlich erkennbar, dass die maximale Strahlungsleistung jeweils in die vorgegebene Ausbreitungsrichtung φ abgestrahlt wird, die bei den in Figur 4 gezeigten Messungen mit 0°, 20° und 70° vorgegeben wurden. Das Bezugssystem für den Winkel φ der vorgegebenen Ausbreitungsrichtung ist in Figur 1 gezeigt.
In Figur 5 ist schematisch eine Anordnung einer Anzahl von Elektroden 12 an einer Platte 3 des Wellenleiters 2
gezeigt. Die einzelnen Elektroden 12 sind jeweils
kreissegmentförmig ausgebildet und fächerartig über den gesamten Winkelbereich von 180° des Wellenleiters 2
angeordnet. An der gegenüberliegenden Platte 3 ist
ebenfalls eine vergleichbare Elektrodenkonfiguration angeordnet. Mit Hilfe der nicht dargestellten
Steuereinrichtung kann zwischen einander zugeordneten
Elektroden 12, die an den beiden Platten 3 angeordnet sind, eine elektrische Potenzialdifferenz beziehungsweise ein elektrisches Feld erzeugt werden, das auf das dielektrische Fluid in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten 3 einwirkt, um beispielsweise eine Ausrichtung einzelner Flüssigkristall-Moleküle des dielektrischen Fluides und damit einhergehend die Permittivität in dem von den
Elektroden 12 bedeckten Zwischenraum 6 zu verändern und vorzugeben . Die nebeneinander angeordneten Elektroden 12, die mit einem übereinstimmenden elektrischen Potenzial beaufschlagt werden, bilden den ersten Bereich 9, der die bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgibt. Durch die Anzahl der
Elektroden 12, die dem ersten Bereich zugeordnet und entsprechend mit einer Spannung beaufschlagt werden, kann eine Breite des ersten Bereichs 9 beziehungsweise ein
Winkelbereich vorgegeben werden, der von dem ersten Bereich 9 abgedeckt ist. Je mehr Elektroden 12 dem ersten Bereich 9 zugeordnet und entsprechend mit Spannung beaufschlagt werden, umso breiter ist der erste Bereich 9. Es ist grundsätzlich möglich, dass beispielsweise 180 oder 360 Elektroden 12 in dem Winkelbereich von 180° des
halbkreisförmigen Wellenleiters 2 angeordnet sind, sodass eine entsprechend präzise Vorgabe des ersten Bereichs 9 und damit eine präzise verstellbare und vorgebbare bevorzugte Ausbreitungsrichtung vorgegeben werden kann.
In Figur 6 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 dargestellt, mit der lediglich drei verschiedene bevorzugte
Ausbreitungsrichtungen vorgegeben werden können. Der Rand 5 des Wellenleiters 2 wird durch drei Kreissehnen gebildet, die aneinander anschließen und einen Winkelbereich von ebenfalls 180° abdecken. Der Zwischenraum 6 zwischen den beiden Platten 3 wird durch drei dreiecksförmige Elektroden 12 in drei Bereiche 14 unterteilt. Jeder dieser drei
Bereiche 14 kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektroden 12 mit der Steuereinrichtung als erster Bereich 9 für die bevorzugte Ausbreitungsrichtung oder aber als zweiter Bereich 10 konfiguriert werden, um wahlweise die bevorzugte Ausbreitungsrichtung für die Antenneneinrichtung 1 vorgeben zu können.
In Figur 7 ist lediglich schematisch und exemplarisch eine ebenfalls erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 mit einem kreisrunden Wellenleiter 2 gezeigt. Die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch eine in dem
Kreismittelpunkt angeordnete Einspeiseeinrichtung 4, die an einer Außenseite 13 einer Platte 3 des Wellenleiters 2 angeordnet ist und die elektromagnetischen Wellen von außen in den Zwischenraum 6 zwischen den beiden Platten 3
einkoppelt. Die in dem Kreismittelpunkt eingekoppelten elektromagnetischen Wellen können sich in einer beliebigen Richtung in dem von dem Wellenleiter 2 abgedeckten
Winkelbereich von 360° ausbreiten. Durch eine geeignete Elektrodenkonfiguration kann die bevorzugte
Ausbreitungsrichtung für die von dieser Antenneneinrichtung 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen vorgegeben werden .
In den Figuren 8 und 9 ist eine abweichend zu den Figuren 1 bis 7 ausgestaltete Antenneneinrichtung 1 und deren
Strahlungscharakteristik schematisch dargestellt. Zwischen den beiden Platten 3 eines halbkreisförmigen Wellenleiters 2 sind zwei erste Bereiche 9 ausgebildet, die in einem gegen den Uhrzeigersinn gemessenen Winkel φ x bzw. in einem mit dem Uhrzeigersinn gemessenen Winkel φ relativ zu einer in den Figuren 8 und 9 mittig nach oben gerichteten Ausbreitungsrichtung ausgerichtet sind. Dadurch wird eine Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen mit einer in
Figur 9 schematisch dargestellten Strahlungscharakteristik erzeugt, die deutlich erkennbar zwei
Hauptabstrahlungsrichtungen aufweist .
In den Figuren 10 und 11 sind zwei verschiedene
exemplarische Ausführungsbeispiele für eine Elektrode 12 schematisch dargestellt. Die in Figur 10 in einer
Seitenansicht gezeigte Elektrode 12 weist längs ihrer Ränder an einer dem Betrachter zugewandten Stirnseite eine Anzahl von zinnenförmigen Vorsprüngen 15 auf, sodass die beiden Ränder einen zinnenförmig gekrümmten Verlauf aufweisen. Die einzelnen zinnenförmigen Vorsprünge 15 sind gleichmäßig ausgebildet und regelmäßig angeordnet. Die in Figur 11 ebenfalls in einer vergleichbar zu Figur 10 dargestellten Seitenansicht gezeigte Elektrode 12 weist längs ihrer Ränder an der dem Betrachter zugewandten
Stirnseite einen wellenförmig gekrümmten Verlauf 16 auf. Der wellenförmig gekrümmte Verlauf weist einzelne
wellenförmige Ausformungen auf, die ungleichmäßig
ausgebildet sind, jedoch im Wesentlichen regelmäßig längs der Ränder angeordnet sind. Die zinnenförmigen Vorsprünge 15 und die einzelnen wellenförmigen Ausformungen könnten auch längs der Ränder unregelmäßig verteilt angeordnet sein. Es ist ebenfalls möglich, dass eine in den
Stirnseitenansichten in den Figuren 10 und 11 oben und unten angeordnete Außenseite der Elektroden 12 eine
entsprechend dreidimensional strukturierte Oberfläche aufweisen. Durch die nicht geradlinig verlaufenden Ränder und gegebenenfalls durch die dreidimensional strukturierten Oberflächen der Elektroden 12 kann ein störender Einfluss des zwischen den Elektroden 12 erzeugten
elektromagnetischen Feldes, mit welchem die ersten Bereiche 9 und zweiten Bereiche 10 erzeugt und vorgegeben werden, auf die Abstrahlung der in die Antenneneinrichtung 1 eingespeisten und von der Antenneneinrichtung 1
abgestrahlten elektromagnetischen Wellen verringert oder sogar vollständig verhindert werden.
Eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1 bietet große Vorteile bei der Nutzung für unterschiedliche
Kommunikationsdienste und Kommunikationsgeräte sowie beispielsweise auch bei der Verwendung in der Sensorik. Mit der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1 ist eine elektrisch steuerbare Strahlschwenkung ohne die Nutzung einer Gruppenantenne mit den damit einhergehenden
Nachteilen möglich. Die bei herkömmlichen Gruppenantennen üblicherweise auftretenden Verluste in einem
Verteilernetzwerk und bei den einzelnen Phasenschiebern können vermieden werden. Die erfindungsgemäße
Antenneneinrichtung 1 kann mit vergleichsweise einfachen Fertigungstechnologien hergestellt werden und eignet sich insbesondere für die Abstrahlung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von
beispielsweise mehreren Gigahertz und mehr.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Antenneneinrichtung (1) zum Abstrahlen von
elektromagnetischen Wellen mit einem Wellenleiter (2) , der zwei parallel zueinander angeordnete Platten (3) aus elektrisch leitendem Material aufweist, zwischen denen ein dielektrisches Material angeordnet ist, und mit einer Einspeiseeinrichtung (4), mit der elektromagnetische Wellen in den Wellenleiter (2) eingekoppelt werden können, die sich dann entlang des Wellenleiters (2) ausbreiten und an einem von der Einspeiseeinrichtung (4) beabstandeten Rand (5) des Wellenleiters (2) abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Steuereinrichtung der
Antenneneinrichtung (1) das dielektrische Material so beeinflusst werden kann, dass mindestens ein erster Bereich (9) mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich (10) mit einer zweiten Permittivität gebildet wird, so dass die in den Wellenleiter (2)
eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich bevorzugt durch den mindestens einen ersten Bereich (9) hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten Ausbreitungsrichtung (11) abgestrahlt werden.
2. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2) wie ein
Kreissegment geformt ist und die Einspeiseeinrichtung (4) die elektromagnetische Welle in dem Kreismittelpunkt einspeist, und dass der mindestens eine erste Bereich (9) und der mindestens eine zweite Bereich (10) jeweils von dem Kreismittelpunkt ausgehende kleinere Kreissegmente
innerhalb des Wellenleiters (2) bilden.
3. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2) einen längs mehrerer aneinander anschließender Kreissehnen verlaufenden äußeren Umfangsrand aufweist und die Einspeiseeinrichtung (4) die elektromagnetische Welle in dem Kreismittelpunkt einspeist, und dass von dem Kreismittelpunkt ausgehende Ränder des mindestens einen ersten Bereichs (9) und des mindestens einen zweiten Bereichs (10) jeweils durch die Schnittpunkte einer dem ersten bzw. zweiten Bereich (9, 10) zugeordneten Kreissehne mit einem Umfangskreis verlaufen.
4. Antenneneinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der
Steuereinrichtung der Antenneneinrichtung (1) das
dielektrische Material so beeinflusst werden kann, dass zwei erste Bereiche (9) mit einer ersten Permittivität und mindestens ein dazwischenliegender zweiter Bereich (10) mit einer zweiten Permittivität gebildet wird.
5. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das dielektrische Material des
mindestens einen ersten Bereichs (9) ein dielektrischer Festkörper ist, dessen Formgebung dem ersten Bereich (9) entspricht, und dessen Ausrichtung relativ zu der
Einspeiseeinrichtung (4) veränderbar ist.
6. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das dielektrische Material einen dielektrischen Feststoff, insbesondere Barium-Strontium- Titanat, aufweist.
7. Antenneneinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material ein Fluid mit einer anisotropen Permittivität ist.
8. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung jeweils mehrere an den Platten (3) des Wellenleiters (2) angeordnete und von diesen isolierte Elektroden (12) aufweist, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, wodurch die Permittivität des zwischen den Platten (3) angeordneten Fluids beeinflusst werden kann und ein erster Bereich (9) mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich (10) mit einer zweiten Permittivität vorgegeben werden können.
9. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass jede Elektrode (12) in Form eines Streifens oder eines schmalen Kreissegments ausgestaltet ist und sich ausgehend von der Einspeiseeinrichtung (4) zu einem beabstandeten Rand der zugeordneten Platte (3) des Wellenleiters (2) erstreckt.
10. Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (12) längs ihrer Ränder einen regelmäßig oder unregelmäßig gekrümmten Verlauf und/oder eine regelmäßig oder unregelmäßig
dreidimensional strukturierte Oberfläche aufweist.
11. Antenneneinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Platten (3) in einem von der Einspeiseeinrichtung (4) beabstandeten Randbereich (5) einen mit zunehmenden Abstand von der
Einspeiseeinrichtung (4) größer werdenden Abstand
voneinander aufweisen.
12. Antenneneinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Randbereiche (5) der beiden Platten (3) relativ zu einer Wellenleiterebene der parallelen Bereiche der Platten (3) des Wellenleiters (2) jeweils in einem vorgegebenen Winkel so angeordnet sind, dass die elektromagnetischen Wellen in einem Winkel zwischen 0° und 90° relativ zu der Wellenleiterebene abgestrahlt werden
13. Antenneneinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Antenneneinrichtung (1) mehrere übereinander gestapelte Wellenleiter (2) aufweist, in die über eine gemeinsame Einspeiseeinrichtung (4) oder über mehrere gesonderte und jeweils einem Wellenleiter (2) zugeordnete
Einspeiseeinrichtungen (4) elektromagnetische Wellen eingekoppelt werden können.
14. Verfahren zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit einer Antenneneinrichtung (1) gemäß einem der Anspüche 1 bis 11, wobei mit der Steuereinrichtung mindestens ein erster Bereich (9) mit einer ersten Permittivität und mindestens ein zweiter Bereich (10) mit einer zweiten
Permittivität erzeugt wird, so dass die in den Wellenleiter (2) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen sich
bevorzugt durch den mindestens einen ersten Bereich (9) hindurch ausbreiten und in dieser bevorzugten
Ausbreitungsrichtung (11) abgestrahlt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Bereich (9) wie ein
Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und die
Ausrichtung des Kreissegments oder Dreiecks relativ zu Einspeiseeinrichtung (4) in Abhängigkeit von einer
vorgegebenen Abstrahlrichtung angepasst wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Bereich (9) wie ein Kreissegment oder ein Dreieck ausgebildet ist und der von dem Kreissegment oder Dreieck abgedeckte
Winkelbereich in Abhängigkeit von einer vorgegebenen
Richtungsfokussierung angepasst wird.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere
Antenneneinrichtungen beabstandet zueinander anzuordnet sind und synchronisiert betrieben werden.
PCT/EP2017/073048 2016-09-15 2017-09-13 Antenneneinrichtung und verfahren zum abstrahlen von elektromagnetischen wellen mit der antenneneinrichtung WO2018050711A1 (de)

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US16/333,358 US11081794B2 (en) 2016-09-15 2017-09-13 Antenna device and method for emitting electromagnetic waves using the antenna device
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DE102016117424.6 2016-09-15

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