WO2018224076A1 - Antenne mit mehreren einzelstrahlern - Google Patents

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WO2018224076A1
WO2018224076A1 PCT/DE2018/100419 DE2018100419W WO2018224076A1 WO 2018224076 A1 WO2018224076 A1 WO 2018224076A1 DE 2018100419 W DE2018100419 W DE 2018100419W WO 2018224076 A1 WO2018224076 A1 WO 2018224076A1
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antenna
antenna according
individual
individual radiators
radiators
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PCT/DE2018/100419
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Inventor
Alexander Mössinger
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Lisa Dräxlmaier GmbH
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Publication date
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    • 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
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    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
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    • H01Q13/06—Waveguide mouths
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    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

Definitions

  • the present invention relates to an antenna with a plurality of individual radiators. Such antennas are needed, for example, for aeronautical satellite communication in Ku and Ka band.
  • Satellite communication is constantly increasing. Suitable antennas should be low
  • DE 10 2014 1 12 487 A1 shows an exemplary antenna as a group radiator with identical horns, which manages with small dimensions and radiates perpendicular to the aperture of the antenna.
  • a movement of the radiation characteristic takes place, for example, by turning and pivoting of the antenna, as indicated, for example, in DE 10 2015 101 721 A1.
  • a certain volume must be provided under a radome mounted on the aircraft so that aerodynamic losses when mounted on an aircraft can not be avoided.
  • Horns are suitable as single spotlights in fields and can also be designed broadband. Horn radiators are in the sense of an E-field coupling with a small pin excited and have respect to the radiating wavefront light
  • the performance of the antenna is therefore significantly reduced in the range of the resonance frequencies of these interferences.
  • the radiation characteristics, input adaptation and resonance frequencies depend on the geometry of the horn and can only be adjusted to a limited extent in the standard geometry independently of each other.
  • phase actuators are used to adjust a phase difference between adjacent individual radiators of an antenna.
  • An exemplary phase actuator is known from DE 10 2016 1 12 583 A1.
  • An object of the invention is therefore to provide an antenna using constructively simplest possible means that has better aerodynamic properties.
  • the individual emitters are each by a
  • the fault can have the shape of a pin or a rectangular projection or a rectangular recess.
  • the dividing walls in the x-direction which intersect the x-direction (and thus separate adjacent individual radiators in the x-direction), differ from the dividing walls in the y-direction with respect to the wall thickness.
  • the individual radiators have a spacing of less than ⁇ in the x-direction.
  • X-, y- and z-direction are each aligned orthogonal to each other. Due to the asymmetrical wall thickness, the single radiators can be placed closer to each other in the x-direction than in the y-direction, so that when using
  • the radiation characteristic can be moved.
  • a maximum distance between two individual emitters should be d max :
  • ⁇ wavelength of the maximum operating frequency
  • ⁇ 0 scanning angle (deflection of the emission lobe)
  • at least a part of the individual radiators is non-square and oriented such that a larger number of individual radiators can be arranged in the x direction than in the y direction. That Although the single radiator is narrower in the x-direction than in the y-direction, it is ensured by a wider partition in the y-direction that the
  • Impedance in x and y direction is similar. As will be shown later, this becomes important if different polarizations are to be radiated via the antenna, for which the impedances and thus the adaptation to the free space propagation should not differ.
  • the individual radiator has a lamellar structure in the dividing wall crossing the y-direction.
  • the field which would otherwise be attenuated by the wider partition and not distributed over the entire area, spreads better over the entire aperture and contributes to a high antenna gain.
  • the Lammellen Jardin contributes to a same Antenna gain in the x and y direction despite possibly a smaller number of individual radiators in the y direction by providing a surface impedance, whereby the
  • electromagnetic field can be guided on the surface and thus the radiating surface is increased.
  • the lamellar structure has one or more grooves with a depth of less than h / 4 and greater than ⁇ / 20, preferably less than ⁇ / 8 and greater than ⁇ / 12, particularly preferably approximately ⁇ / 10, where ⁇ is the wavelength of the electromagnetic radiation is.
  • ⁇ is the wavelength of the electromagnetic radiation is.
  • a groove of the lamellar structure has a width of less than half and more than a quarter, preferably about one third of the depth of the groove.
  • the impurities are out of the respective partitions.
  • the impurities of the partitions in the x direction of adjacent individual radiators are wider than the impurities of the partitions in the y direction of adjacent individual radiators. It has been shown that the impurities are advantageously arranged centrally on the partitions, are to be arranged symmetrically and periodically over the aperture. For example, contain almost all partitions impurities, which at corresponding
  • the properties of the antenna according to the invention are particularly advantageous if at least a portion of the individual radiators of the antenna array is phase-controlled.
  • the phase control is carried out, for example, such that the antenna by a
  • Feed network is connected to a SendevEmpfangs pain, wherein in
  • Feed network phase actuators are arranged.
  • Phase actuators controls such that a deflection of a radiation pattern of the antenna from the z-direction takes place predominantly in the x direction.
  • the phase actuator can be arranged in the feed network near the individual emitters to allow a compact construction of the antenna.
  • the antenna can be made particularly compact if the individual radiators are designed as open waveguides. Unlike with hollow radiators, the individual radiators then have no funnel shape, i. Radiating opening and waveguide cross-section match or are very similar, whereby the single radiator in the z direction is compressed by dispensing with the funnel and is shorter. If open circular waveguides are used for the individual radiators, which can be connected to a feed network of circular waveguides, then one can use rotationally symmetrical (and therefore rotatable) and low-loss phase actuators, as described, for example, in DE 10 2016 1 12 583 A1. A further advantageous compaction of the antenna is achieved if at least part of the individual radiators is filled with a dielectric.
  • This advantageously has a rotationally symmetrical shape and is arranged along a radiation axis of the individual radiator.
  • the dielectric can be formed integrally together if necessary with a dielectric of the phase actuator and can move in the individual radiator.
  • An adjustment of the impedance of the single radiator can be further improved if the
  • Dielectric in the direction of the aperture has a projection. This level in the dielectric, whose diameter and height can be adjusted, improves the impedance matching.
  • the antenna is designed with a turntable on which the antenna field is arranged flat, then by means of a rotation of the turntable and the deflection of the antenna characteristic in only one direction (x direction), any emission lobes can be achieved without the antenna having to be tilted. Thus, the required radome is much smaller. If the deflection of the antenna characteristic is not possible up to 90 ° from the z-direction, but is required, the missing angular range can be compensated by slightly tilting the antenna. So would be a tilt of the
  • the individual radiators of the antenna array of the antenna can advantageously be connected by a feed network to a transmitting receiving device in such a way that the transmitting / receiving device feeds two signals of different polarization into the feed network, which can be radiated or received well adapted via the antenna.
  • FIG. 1 shows a detail of an antenna with a plurality of individual radiators and a
  • Figure 2 a single radiator in plan view
  • Figure 3 shows a single radiator in section
  • Figure 4 shows a single radiator with behind phase actuator
  • a plurality of individual radiators 1, which are arranged in the x- and y-direction adjacent to each other in an antenna array forms, according to Figure 1, together with a turntable 13, which is shown only schematically, an antenna.
  • the turntable 13 can rotate while moving the antenna field to any angle of rotation.
  • the individual radiators 1 are separated from each other in the x and y direction by partitions 2. Shape and width of the partitions 2 differ, as explained later, in the x and y directions.
  • the surface of the antenna with alignment in the z-direction forms an aperture of the antenna from the electromagnetic radiation in the direction of radiation R, in the z-direction or a deflection of the z-direction of up to 70 °, is emitted.
  • a deflection of the radiation characteristic in particular of a main lobe, is planned, so that in fact the emission direction R may differ from the z-direction by one scan angle.
  • the antenna field is substantially square, wherein a larger number of individual radiators 1 is arranged in the x-direction than in the y-direction. This is made possible by the fact that the individual radiators 1 are not themselves square, but are narrower in the x-direction than in the y-direction. Thus, the distance between the individual radiators 1 in the x-direction is less than in the y-direction. In the x-direction as far as possible the distance d max
  • the distance of the individual radiator 1 is greater than in the x-direction, but still less than the wavelength ⁇ of the maximum operating frequency to be operated.
  • the individual radiators 1 according to FIG. 2 are constructed identically, wherein the dividing walls 21 are narrower in the x-direction than the dividing walls 22 in the y-direction.
  • the wall thickness d of the dividing wall 21 in the x-direction (the dividing wall 21 crosses the x-direction and is perpendicular to it) is smaller than the wall thickness d of the dividing wall 22 in the y-direction.
  • the larger wall thickness d in the y direction is used for a lamellar structure 4 in the partition 22.
  • the lamellar structure 4 is formed by a groove 10, which projects into the partition wall 22 opposite to the z-direction. If, as can be seen from FIG. 1, two individual radiators 1 are lined up in the y-direction, then two grooves lie between the radiating openings (cavities) of the individual radiators 1, one for each individual radiator 1.
  • an impurity 3 is arranged in the form of a pin.
  • the pin protrudes in the z direction out of the partitions 21, 22 and is arranged in the middle in each case. This results in the antenna field in periodic and symmetrical arrangement of the impurity.
  • a cavity is formed, which is at least partially filled by a dielectric 1 1, eg Teflon, with a dielectric constant ⁇ > 1.
  • Dielectric 1 1 closes off approximately with the aperture and advantageously fills the entire cavity, so that no dirt can accumulate during operation of the antenna.
  • the partitions 21, 22 and the rest of the structure of the single radiator 1 are made of a metal or are metal coated.
  • a height h of the defects 3 on the partitions 21, 22 is similar, while the width bs of the defects 3 on the partitions 21, 22 differs in the x and y directions.
  • the height h is less than h / 4 and at least ⁇ / 10.
  • the impurity 3 are arranged on the outer louver center outer fin. Thus, only one impurity 3 between two adjacent individual emitters 1 is provided for the x and y directions, each individual emitter 1 "shares" the respective impurity 3 with the adjacent individual emitters 1. Impurities 3 on the partition wall 22 in the y-direction can be omitted if necessary.
  • a width br of the groove 10 is about ⁇ / 10
  • a depth t of the groove 10 is about one third of the width br of the groove, that is ⁇ / 30th
  • the single radiator 1 is not shaped as a horn with a funnel, but as an open waveguide piece, so that the waveguide does not expand and over the length of the single radiator 1 has a similar cross-section.
  • a projection 12 is formed on the dielectric 1 1, which identifies a certain height and a certain diameter, which corresponds to a
  • FIG 4 shows the single radiator 1 of Figures 2 and 3 in a sectional view, in which the open waveguide piece continues seamlessly in a feed network 5, which in turn comprises a waveguide continues.
  • Both mutually aligned waveguides are circular waveguide, so that there is an additional possibility that a phase actuator 7 is rotatably mounted in the circular waveguide.
  • the phase actuator 7 is disposed near the individual radiator 1 and constructed in accordance with the specifications of DE 10 2016 1 12 583 A1.
  • the phase actuator 7 is arranged rotatable about a rotation axis D, so even constructed rotationally symmetrical.
  • Polarizations for example, a horizontal polarization H and a vertical polarization V to feed separate signals into the waveguide.
  • the couplings 9 are preferably mutually rotated by 90 °, that is arranged perpendicular to each other in the waveguide. From the couplings 9, the signals of both polarizations V, H are forwarded via microstrip lines and waveguides to a transmitting / receiving device 6 in the receiving case or in the transmission case, the signals of both polarizations V, H from the transmitting / receiving device 6 via the couplings 9 in the waveguide and the single radiator 1 delivered.
  • the feed network 5 also has the function of summing up the signals from the multiplicity of individual radiators and passing them on to the transceiver 6.
  • the antenna has a control device 8 which is connected both to the
  • Phase actuator 7 and the transmitting / receiving device 6 is connected. This makes it possible for the control device 8, by setting different phase angles of the signals on the adjacent individual radiators 1, here the adjacent in the x-direction
  • phase difference of adjacent individual radiators ⁇ ⁇ d sm 0 o .
  • a deflection in the y direction is not provided.
  • Antenna aperture can thus the radiation characteristic to any angle

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Eine erfindungsgemäße Antenne weist mehrere Einzelstrahler (1) auf, die in x- und y- Richtung ein Antennenfeld mit einer Apertur bilden und im Wesentlichen in z-Richtung elektromagnetische Strahlung abstrahlen. Die Einzelstrahler (1) sind jeweils durch eine Trennwand (21, 22) voneinander getrennt. Zumindest ein Teil der Trennwände weist eine die ansonsten in z-Richtung ebene Apertur unterbrechende Störstelle (3) auf. Die Störstelle (3) kann die Form eines Pins haben. Die Trennwände (21), die die x-Richtung kreuzen (und damit in x-Richtung benachbarte Einzelstrahler trennen), unterscheiden sich jedoch von den Trennwänden (22) in y-Richtung bezüglich der Wandstärke (d). Zudem weisen die Einzelstrahler (1) in x-Richtung einen Abstand von kleiner λ auf. X-, y- und z-Richtung sind jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet. Durch die asymmetrische Wandstärke (d) können die Einzelstrahler (1) in x-Richtung näher aneinander platziert werden, so dass bei einem Einsatz von phasengesteuerten Einzelstrahlern (1) in diese x-Richtung die Abstrahlungscharakteristik bewegt werden kann.

Description

ANTENNE MIT MEHREREN EINZELSTRAHLERN
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne mit mehreren Einzelstrahlern. Solche Antennen werden beispielsweise für die aeronautische Satellitenkommunikation im Ku- und Ka-Band benötigt.
Stand der Technik
Der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen
Datenraten, insbesondere im Bereich der aeronautischen, d.h. flugzeugbasierten,
Satellitenkommunikation steigt ständig. Geeignete Antennen sollen dafür geringe
Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen und zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik erfüllen, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss. Geringe Abmessungen verringern die Nutzlast des
Flugzeugs und damit auch die Betriebskosten. Die DE 10 2014 1 12 487 A1 zeigt eine beispielhafte Antenne als Gruppenstrahler mit identischen Hornstrahlern, die mit geringen Abmessungen auskommt und senkrecht zur Apertur der Antenne abstrahlt.
Eine Bewegung der Strahlungscharakteristik erfolgt beispielsweise durch ein Drehen und Verschwenken der Antenne, wie es beispielsweise in der DE 10 2015 101 721 A1 angegeben ist. Durch die Bewegung der Antenne ist jedoch ein gewisses Volumen unter einem auf dem Flugzeug montierten Radom vorzusehen, so dass aerodynamische Verluste bei einer Montage auf einem Flugzeug nicht vermeidbar sind.
Hornstrahler eignen sich als Einzelstrahler in Feldern und können zudem breitbandig ausgelegt werden. Hornstrahler werden im Sinne einer E-Feld Einkopplung mit einem kleinen Stift angeregt und weisen bezüglich der abstrahlenden Wellenfront leichte
Verschiebungen der Abstrahlungscharakteristik vom Mittelpunkt des Hornstrahls auf.
Damit kommt es zu positiven Interferenz benachbarter Hornstrahler der Antenne und damit zur Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche. Diese Verkopplungen erzeugen zudem Resonanzen, die im Bereich der jeweiligen
Resonanzfrequenz folgende Probleme verursachen: die Eingangsanpassung der
Hornstrahler, das Abstrahlverhalten (Richtdiagramm, Keule) der Hornstrahler und die
Kreuzpolarisationsisolation des Hornstrahlers wird verschlechtert.
Die Leistungsfähigkeit der Antenne wird daher im Bereich der Resonanzfrequenzen dieser Interferenzen deutlich reduziert. Abstrahlungscharakteristik, Eingangsanpassung und Resonanzfrequenzen hängen von der Geometrie des Hornstrahlers ab und können in der Standardgeometrie nur begrenzt unabhängig voneinander eingestellt werden.
Weiterhin ist es bekannt, die Abstrahlungscharakteristik der Antenne elektrisch zu verändern, in dem Phasenstellglieder benutzt werden, um eine Phasendifferenz zwischen benachbarten Einzelstrahlern einer Antenne einzustellen. Ein beispielhaftes Phasenstellglied ist aus DE 10 2016 1 12 583 A1 bekannt.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antenne unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel anzugeben, die bessere aerodynamische Eigenschaften hat.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Eine erfindungsgemäße Antenne weist mehrere Einzelstrahler auf, die in x- und y-Richtung ein Antennenfeld mit einer Apertur bilden und im Wesentlichen in z-Richtung
elektromagnetische Strahlung abstrahlen. Die Einzelstrahler sind jeweils durch eine
Trennwand voneinander getrennt. Zumindest ein Teil der Trennwände weist eine die ansonsten in z-Richtung ebene Apertur unterbrechende Störstelle auf. Die Störstelle kann die Form eines Pins oder eines rechteckigen Vorsprungs oder einer rechteckigen Senke haben.
Die Trennwände in x-Richtung, die die x-Richtung kreuzen (und damit in x-Richtung benachbarte Einzelstrahler trennen), unterscheiden sich jedoch von den Trennwänden in y- Richtung bezüglich der Wandstärke. Zudem weisen die Einzelstrahler in x-Richtung einen Abstand von kleiner λ auf. X-, y- und z-Richtung sind jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet. Durch die asymmetrische Wandstärke können die Einzelstrahler in x-Richtung näher aneinander platziert werden als in y-Richtung, so dass bei einem Einsatz von
phasengesteuerten Einzelstrahlern in diese x-Richtung die Abstrahlungscharakteristik bewegt werden kann. Ein maximaler Abstand zwischen zwei Einzelstrahlern sollte dabei dmax betragen:
λ
dmax ~ 1 + sin Θο
λ: Wellenlänge der maximalen Betriebsfrequenz
ΔΦ: Phasendifferenz zum benachbarten Einzelstrahler
Θ0 : Scan-Winkel (Auslenkung der Abstrahlungskeule) Vorteilhafterweise ist zumindest ein Teil der Einzelstrahler nicht-quadratisch und derart ausgerichtet, dass in x-Richtung eine größere Anzahl von Einzelstrahlern angeordnet werden kann als in y-Richtung. D.h. obwohl der Einzelstrahler in x-Richtung schmaler ist als in y- Richtung, wird durch eine breitere Trennwand in y-Richtung sichergestellt, dass die
Impedanz in x- und y-Richtung ähnlich ist. Dies wird wie später gezeigt wichtig, wenn unterschiedliche Polarisationen über die Antenne abgestrahlt werden sollen, für die sich die Impedanzen und damit die Anpassung an die Freiraumausbreitung nicht unterscheiden sollten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Antenne weist der Einzelstrahler in der die y-Richtung kreuzenden Trennwand eine Lamellenstruktur auf. Dadurch verteilt sich das Feld, das ansonsten durch die breitere Trennwand abgeschwächt und nicht über die gesamte Fläche verteilt wäre, besser über die gesamte Apertur und trägt zu einem hohen Antennengewinn (Gain) bei. Anders gesagt trägt die Lammellenstruktur zu einem gleichen Antennengewinn in x- und y-Richtung trotz ggf. einer geringeren Anzahl von Einzelstrahlern in y-Richtung bei, indem sie eine Oberflächenimpedanz bereitstellt, wodurch das
elektromagnetische Feld auf der Oberfläche geführt werden kann und somit die abstrahlende Fläche vergrößert wird.
Vorteilhafterweise weist die Lamellenstruktur eine oder mehrere Rillen mit einer Tiefe von kleiner h/4 und größer λ/20, bevorzugt kleiner λ/8 und größer λ/12, besonders bevorzugt von etwa λ/10, auf, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist. Für die Dimensionierung der Antenne wird sich bei λ an der Mittenfrequenz des benutzten
Frequenzbandes orientiert.
Zur Einstellung einer durch die Lamellenstruktur gebildeten Kapazität weist eine Rille der Lamellenstruktur eine Breite von weniger als der Hälfte und mehr als ein Viertel, bevorzugt von etwa einem Drittel der Tiefe der Rille auf.
Vorteilhafterweise stehen die Störstellen aus den jeweiligen Trennwänden heraus. Die Störstellen der Trennwände in x-Richtung benachbarter Einzelstrahler sind dabei breiter als die Störstellen der Trennwände in y-Richtung benachbarter Einzelstrahler. Es hat sich gezeigt, dass die Störstellen vorteilhafterweise mittig auf den Trennwänden angeordnet werden, dabei symmetrisch und periodisch über die Apertur anzuordnen sind. Beispielsweise enthalten nahezu alle Trennwände Störstellen, wodurch bei entsprechender
Dimensionierung von Breite und Höhe der Störstellen Resonanzen im Abstrahlungsverhalten der Antenne derart verschoben werden, dass bei Abstrahlung in allen relevanten
Abstrahlungswinkeln um die z-Richtung herum die sogenannte "scan blindness" vermieden oder stark vermindert wird.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Antenne kommen dann besonders vorteilhaft zur Geltung, wenn zumindest ein Teil der Einzelstrahler des Antennenfelds phasengesteuert ist. Die Phasensteuerung erfolgt beispielsweise derart, dass die Antenne durch ein
Speisenetzwerk mit einer SendeVEmpfangseinrichtung verbunden ist, wobei im
Speisenetzwerk Phasenstellglieder angeordnet sind. Durch eine in x-Richtung gestauchte Anordnung der Einzelstrahler ist es von Vorteil, wenn eine Steuereinrichtung die
Phasenstellglieder derartig steuert, dass eine Ablenkung einer Strahlungscharakteristik der Antenne von der z-Richtung überwiegend in x-Richtung erfolgt. Das Phasenstellglied kann dabei im Speisenetzwerk nahe dem Einzelstrahler angeordnet sein, um einen kompakten Aufbau der Antenne zu ermöglichen.
Die Antenne kann besonders kompakt aufgebaut werden, wenn die Einzelstrahler als offene Hohlleiter ausgebildet sind. Anders als bei Hohlstrahlern haben die Einzelstrahler dann keine Trichterform, d.h. Abstrahlungsöffnung und Hohlleiterquerschnitt stimmen überein oder sind sehr ähnlich, wodurch der Einzelstrahler in z-Richtung durch Verzicht auf den Trichter gestaucht und kürzer ist. Nutzt man für die Einzelstrahler offene Rundhohlleiter, die mit einem Speisenetzwerk aus Rundhohlleitern verbunden sein können, dann kann man rotationssymmetrische (und damit drehbare) und verlustarme Phasenstellglieder, wie beispielsweise in DE 10 2016 1 12 583 A1 beschrieben, verwenden. Eine weitere vorteilhafte Kompaktierung der Antenne wird erreicht, wenn zumindest ein Teil der Einzelstrahler mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Dieses hat vorteilhafterweise eine rotationssymmetrische Form und ist entlang einer Abstrahlungsachse des Einzelstrahlers angeordnet. Damit kann das Dielektrikum zusammen ggf. einstückig mit einem Dielektrikum des Phasenstellgliedes ausgeformt werden und kann sich im Einzelstrahler bewegen. Eine Anpassung der Impedanz des Einzelstrahlers kann weiter verbessert werden, wenn das
Dielektrikum in Richtung der Apertur einen Vorsprung aufweist. Diese Stufe im Dielektrikum, deren Durchmesser und Höhe eingestellt werden kann, verbessert die Impedanzanpassung.
Wird die Antenne mit einem Drehteller ausgeführt, auf dem das Antennenfeld flach angeordnet ist, dann können durch eine Drehung des Drehtellers und die Auslenkung der Antennencharakteristik in nur eine Richtung (x-Richtung) beliebige Abstrahlungskeulen erzielt werden, ohne dass die Antenne gekippt werden muss. Damit wird das benötigte Radom wesentlich kleiner. Ist die Auslenkung der Antennencharakteristik nicht bis zu 90° von der z-Richtung möglich, wird aber benötigt, so kann über ein leichtes Kippen der Antenne der fehlende Winkelbereich ausgeglichen werden. So wäre ein Kippen des
Antennenfelds von nur 20° bei einer bis zu 70° mit Phasenschiebern auslenkbaren
Abstrahlungscharakteristik ausreichend, um die gesamte Halbkugel auszuleuchten. Die Einzelstrahler des Antennenfelds der Antenne können vorteilhafterweise derart durch ein Speisenetzwerk mit einer SendeVEmpfangseinrichtung verbunden werden, dass die Sende- /Empfangseinrichtung zwei Signale unterschiedlicher Polarisation in das Speisenetzwerk einspeist, die gut angepasst über die Antenne abstrahlbar bzw. empfangbar sind.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt einer Antenne mit mehreren Einzelstrahlern und einem
Drehteller zur Rotation, Figur 2 einen Einzelstrahler in Draufsicht,
Figur 3 einen Einzelstrahler in Schnittdarstellung, und
Figur 4 einen Einzelstrahler mit dahinterliegendem Phasenstellglied und
Speisenetzwerk.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Vielzahl von Einzelstrahlern 1 , die in x- und y-Richtung benachbart zueinander in einem Antennenfeld angeordnet sind, bildet nach Figur 1 zusammen mit einem Drehteller 13, der nur schematisch dargestellt ist, eine Antenne. Der Drehteller 13 kann rotieren und dabei das Antennenfeld auf beliebige Drehwinkel bewegen. Die Einzelstrahler 1 sind jeweils in x- und y-Richtung durch Trennwände 2 voneinander getrennt. Form und Breite der Trennwände 2 unterscheiden sich, wie später erläutert, in x- und y-Richtung.
Die Oberfläche der Antenne mit Ausrichtung in z-Richtung bildet eine Apertur der Antenne von der elektromagnetische Strahlung in Abstrahlungsrichtung R, die in z-Richtung oder einer Ablenkung von der z-Richtung von bis zu 70°, abgestrahlt wird. Wie später erläutert ist eine Auslenkung der Abstrahlungscharakteristik, insbesondere einer Hauptkeule, geplant, so dass tatsächlich die Abstrahlungsrichtung R sich von der z-Richtung um einen Scan-Winkel unterscheiden kann.
Das Antennenfeld ist im Wesentlichen quadratisch, wobei in x-Richtung eine größere Anzahl von Einzelstrahlern 1 angeordnet ist als in y-Richtung. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die Einzelstrahler 1 selbst nicht quadratisch sind, sondern in x-Richtung schmaler sind als in y- Richtung. Damit ist auch der Abstand zwischen den Einzelstrahlern 1 in x-Richtung geringer als in y-Richtung. In x-Richtung soll möglichst der Abstand dmax
λ
dmax ~ 1 + sin Θο
nicht überschritten werden. Falls dieser Wert überschritten wird, entstehen im
Richtdiagramm störende Nebenkeulen (grating-lobes). Je größer der gewünschte
Schwenkbereich, desto kleiner muss der Abstand sein. In y-Richtung ist der Abstand der Einzelstrahler 1 größer als in x-Richtung, aber immer noch geringer als die Wellenlänge λ der maximal zu bedienenden Betriebsfrequenz.
Die Einzelstrahler 1 nach Figur 2 sind identisch aufgebaut, wobei die Trennwände 21 in x- Richtung schmaler sind als die Trennwände 22 in y-Richtung. Wie in Figur 3 noch einmal verdeutlicht, ist die Wandstärke d der Trennwand 21 in x-Richtung (die Trennwand 21 kreuzt die x-Richtung und steht senkrecht zu ihr) kleiner als die Wandstärke d der Trennwand 22 in y-Richtung. Die größere Wandstärke d in y-Richtung wird für eine Lamellenstruktur 4 in der Trennwand 22 genutzt. Die Lamellenstruktur 4 wird durch eine Rille 10 gebildet, die in die Trennwand 22 entgegen der z-Richtung hineinragt. Werden - wie aus Figur 1 ersichtlich - zwei Einzelstrahler 1 in y-Richtung aneinandergereiht, dann liegen zwei Rillen zwischen den Abstrahlungsöffnungen (Hohlräumen) der Einzelstrahler 1 , für jeden Einzelstrahler 1 eine.
Auf jeder der vier Trennwände 21 , 22 ist eine Störstelle 3 in Form eines Pins angeordnet. Der Pin ragt in z-Richtung aus den Trennwänden 21 , 22 heraus und ist jeweils mittig angeordnet. Damit ergibt sich über das Antennenfeld in periodische und symmetrische Anordnung der Störstellen 3. Inmitten der Trennwände 21 , 22 entsteht ein Hohlraum, der von einem Dielektrikum 1 1 , z.B. Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante ε > 1 zumindest teilweise gefüllt ist. Dieses
Dielektrikum 1 1 schließt in etwa mit der Apertur ab und füllt vorteilhafterweise den gesamten Hohlraum aus, so dass sich auch kein Schmutz im Betrieb der Antenne festsetzen kann. Die Trennwände 21 , 22 und die übrige Struktur der Einzelstrahler 1 bestehen aus einem Metall oder sind metallbeschichtet.
Entsprechend Figur 3 ist eine Höhe h der Störstellen 3 auf den Trennwänden 21 , 22 ähnlich, währenddessen sich die Breite bs der Störstellen 3 auf den Trennwänden 21 , 22 in x- und y- Richtung unterscheidet. Die Höhe h beträgt dabei weniger als h/4 und zumindest λ/10. Auf der Trennwand 22 in y-Richtung sind die Störstellen 3 auf der vom Einzelstrahlermittelpunkt äußeren Lamelle angeordnet. Somit ist für x- und y-Richtung jeweils nur eine Störstelle 3 zwischen zwei benachbarten Einzelstrahlern 1 vorgesehen, jeder Einzelstrahler 1 "teilt" sich jeweils die Störstelle 3 mit den benachbarten Einzelstrahlern 1 . Auf Störstellen 3 auf der Trennwand 22 in y-Richtung kann ggf. verzichtet werden.
Eine Breite br der Rille 10 beträgt etwa λ/10, eine Tiefe t der Rille 10 beträgt etwa ein Drittel der Breite br der Rille, also λ/30. Der Einzelstrahler 1 ist nicht als Hornstrahler mit einem Trichter, sondern als offenes Hohlleiterstück geformt, so dass sich der Hohlleiter nicht erweitert und über die Länge des Einzelstrahlers 1 einen ähnlichen Querschnitt aufweist. In z-Richtung ist auf dem Dielektrikum 1 1 ein Vorsprung 12 ausgeformt, der eine bestimmt Höhe und einen bestimmten Durchmesser ausweist, die sich entsprechend einer
gewünschten optimalen Anpassung der Impedanz der Antenne an die Freiraumabstrahlung ergibt.
Figur 4 zeigt den Einzelstrahler 1 aus Figur 2 und 3 in einer Schnittdarstellung, bei der das offene Hohlleiterstück sich nahtlos in einem Speisenn etzwerk 5, das wiederum einen Hohlleiter umfasst, fortsetzt. Beide zueinander fluchtende Hohlleiter sind Rundhohlleiter, so dass sich als zusätzliche Möglichkeit ergibt, dass ein Phasenstellglied 7 im Rundhohlleiter drehbar angebracht ist. Das Phasenstellglied 7 ist nahe dem Einzelstrahler 1 angeordnet und entsprechend den Vorgaben der DE 10 2016 1 12 583 A1 aufgebaut. Das Phasenstellglied 7 ist um eine Drehachse D drehbar angeordnet, also selbst auch rotationssymmetrisch aufgebaut. Innerhalb des Speisenetzwerks 5 schließen sich an das Phasenstellglied 7 zwei
Einkopplungen 9 an, die dazu dienen, für zwei getrennte zueinander orthogonale
Polarisationen, beispielsweise eine horizontale Polarisation H und eine vertikale Polarisation V, getrennte Signale in den Hohlleiter einzuspeisen. Die Einkopplungen 9 sind vorzugsweise zueinander um 90° verdreht, also senkrecht zueinander im Hohlleiter angeordnet. Von den Einkopplungen 9 werden über Mikrostreifenleitungen und Hohleiter die Signale beider Polarisationen V, H an eine Sende-/Empfangseinrichtung 6 im Empfangsfall weitergeleitet bzw. im Sendefall werden die Signale beider Polarisationen V, H von der Sende- /Empfangseinrichtung 6 über die Einkopplungen 9 in den Hohlleiter und den Einzelstrahler 1 abgegeben.
Da der Einzelstrahler 1 nach Figur 4 als einer von vielen Elementen des Antennenfelds - siehe Figur 1 - anzusehen ist, hat das Speisenetzwerk 5 auch die Funktion, die Signale von der Vielzahl von Einzelstrahlern aufzusummieren und an die Sende-/Empfangseinrichtung 6 aufsummiert weiterzugeben.
Weiterhin weist die Antenne eine Steuereinrichtung 8 auf, die sowohl mit dem
Phasenstellglied 7 als auch der Sende-/Empfangseinrichtung 6 verbunden ist. Damit ist es der Steuereinrichtung 8 möglich, durch Einstellung unterschiedlicher Phasenlagen der Signale auf den benachbarten Einzelstrahlern 1 , hier die in x-Richtung benachbarten
Einzelstrahler 1 , die Abstrahlungscharakteristik in x-Richtung auszulenken.
Dazu ist die Phasendifferenz benachbarter Einzelstrahler Αφ = ^ d sm 0o. Eine Auslenkung in y-Richtung ist nicht vorgesehen. Im Zusammenwirken mit einer Drehung der Antennenapertur auf dem Drehteller 13 (und ggf. einem leichten Kippen der
Antennenapertur) kann damit die Abstrahlungscharakteristik auf beliebige Winkel
ausgerichtet werden. Bei einer auf einem Flugzeug montierten Antenne ist damit eine extrem kompakte Bauform ermöglicht, die durch fehlende großvolumige Kippelemente flach ist und auf ein voluminöses Radom verzichten kann. Gleichzeitig wurden durch die Gestaltung der Störstellen und der Lamellenstruktur 4 störende Resonanzen in der Aperturfläche vermieden, so dass sich eine hohe Effizienz und damit ein maximaler Antennengewinn auch über große Schwenkbereiche der Abstrahlungscharakteristik ergeben. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Einzelstrahlern 1 ist es schwierig, ein Speisenetzwerk 5 zu integrieren. Durch die größeren Abstände der Einzelstrahler 1 in y- Richtung und die durch die Lamellenstruktur 4 großflächigen Abstrahlung und kurzen offen Hohlleiterstücke statt Hornstrahlern war es möglich, in einem kleinen Bauraum das Speisenetzwerk 5 zu integrieren und trotzdem den Antennengewinn hoch zu halten.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Einzelstrahler
2 Trennwand
3 Störstelle
4 Lamellenstruktur
5 Speisenetzwerk
6 Sende-/Empfangseinrichtung
7 Phasenstellglied
8 Steuereinrichtung
9 Einkopplung
10 Rille
1 1 Dielektrikum
12 Vorsprung im Dielektrikum 13 Drehteller
21 , 22 Trennwände
R Abstrahlungsrichtung D Drehachse
H, V Polarisationsrichtungen λ Wellenlänge
bs Breite der Störstelle h Höhe der Störstelle t Tiefe der Rille
br Breite der Rille
d Wandstärke der Trennwand

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Antenne
• mit mehreren Einzelstrahlern (1 ), die in x- und y-Richtung ein Antennenfeld mit einer Apertur bilden,
• wobei die Einzelstrahler (1 ) jeweils durch eine Trennwand (2, 21 , 22) voneinander getrennt sind, und
• zumindest ein Teil der Trennwände (2, 21 , 22) eine aus der Apertur herausstehende Störstelle (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Trennwände (21 ) in x-Richtung von den Trennwänden (22) in y-Richtung bezüglich der Wandstärke (d) unterscheiden und Einzelstrahler (1 ) in x-Richtung einen Abstand von kleiner λ aufweisen.
2. Antenne nach Anspruch 1 , bei der
zumindest ein Teil der Einzelstrahler (1 ) nicht-quadratisch ist und in x-Richtung eine größere Anzahl von Einzelstrahlern (1 ) angeordnet ist als in y-Richtung.
3. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
der Einzelstrahler (1 ) in y-Richtung eine Lamellenstruktur (4) in der Trennwand (22) aufweist.
4. Antenne nach Anspruch 3, bei der
die Lamellenstruktur (4) eine Rille (10) mit einer Tiefe (t) von kleiner h/4 und größer λ/3, bevorzugt kleiner h/8 und größer λ/12, besonders bevorzugt von etwa λ/10, aufweist.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der
die Lamellenstruktur (4) eine Rille (10) mit einer Breite (br) von kleiner λ/10 und größer λ/50, bevorzugt kleiner λ/20 und größer λ/40, besonders bevorzugt von etwa λ/30, aufweist.
6. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Störstellen (3) aus der jeweiligen Trennwand (2, 21 , 22) herausstehen und Störstellen (3) der Trennwände (21 ) in x-Richtung benachbarter Einzelstrahler (1 ) breiter sind als Störstellen (3) der Trennwände (22) in y-Richtung benachbarter Einzelstrahler (1 ).
7. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
zumindest ein Teil der Einzelstrahler (1 ) des Antennenfelds phasengesteuert ist und die Antenne durch ein Speisenetzwerk (5) mit einer SendeVEmpfangseinrichtung (6) verbunden ist, wobei im Speisenetzwerk (5) Phasenstellglieder (7) angeordnet sind.
8. Antenne nach Anspruch 7, bei der
eine Steuereinrichtung (8) die Phasenstellglieder (7) derartig steuert, dass eine Ablenkung einer Strahlungscharakteristik überwiegend in x-Richtung erfolgt.
9. Antenne nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der
das Phasenstellglied (7) im Speisenetzwerk (5) nahe dem Einzelstrahler (1 ) angeordnet ist.
10. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
die Einzelstrahler (1 ) als offene Hohlleiter ausgebildet sind.
1 1 . Antenne nach Anspruch 10, bei der
die Einzelstrahler (1 ) offene Rundhohlleiter sind, die mit einem Speisenetzwerk (5) aus Rundhohlleitern verbunden ist.
12. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
zumindest ein Teil der Einzelstrahler (1 ) mit einem Dielektrikum (1 1 ) gefüllt ist.
13. Antenne nach Anspruch 12, bei der
das Dielektrikum (1 1 ) eine rotationssymmetrische Form aufweist und entlang einer Abstrahlungsachse (R) des Einzelstrahlers (1 ) angeordnet ist.
14. Antenne nach Anspruch 13, bei der
das Dielektrikum (1 1 ) in Richtung der Apertur einen Vorsprung (12) aufweist.
15. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, mit
einem Drehteller (13), auf dem das Antennenfeld flach angeordnet ist.
16. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der
zumindest die Einzelstrahler (1 ) des Antennenfelds durch ein Speisenetzwerk (5) mit einer SendeVEmpfangseinrichtung (6) verbunden sind, wobei die Sende- /Empfangseinrichtung (6) zwei Signale unterschiedlicher Polarisation (V, H) in das Speisenetzwerk (5) einspeist.
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