DE10150086A1

DE10150086A1 - Gruppenantenne mit einer regelmäßigen Anordnung von Durchbrüchen

Info

Publication number: DE10150086A1
Application number: DE2001150086
Authority: DE
Inventors: Uhland Goebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Goebel Uhland Dipl-Ing De
Priority date: 2001-10-14
Filing date: 2001-10-14
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: DE10150086B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit einer regelmäßigen Anordnung von Durchbrüchen 1 in einem elektrisch leitenden oder elektrisch leitfähig beschichteten Körper 2, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Seit langem eingeführte Anwendungen von Richtantennen im Mikro- und Millimeterwellenbereich sind einerseits militärische und zivile Radargeräte sowie andererseits Sende/Empfangseinheiten von Richtfunkstrecken. Die zunehmende Verbreitung kommerzieller Anwendungen von Radarsensoren wie im Millimeterwellen-Abstandswarnradar für Kraftfahrzeuge und von Millimeterwellen Sende/Empfangseinheiten zur breitbandigen Informationsübertragung, insbesondere bei Punkt- zu Multipunkt-Funknetzwerken ergibt neben der Forderung nach weiter verbesserten Antennenwirkungsgraden auch die Notwendigkeit, kostengünstig in sehr großen Stückzahlen fertigbare Konstruktionsprinzipien zu verwenden. Darüber hinaus erfordern die Einsatzbedingungen oft eine möglichst kompakte, raumsparende Lösung. Da die maximal erzielbare Richtschärfe einer Antenne durch die verfügbare strahlende Fläche begrenzt ist, ergibt sich daraus meist die Forderung nach möglichst flacher Bauweise der Antenne. Auch ästhetische Gesichtpunkte wie die unauffällige Anbringung an Gebäuden spielen speziell bei Punkt- zu Multipunkt Funknetzwerken eine wichtige Rolle für die Marktakzeptanz.
Es ist bekannt, zur Erzielung einer gerichteten Abstrahlung im Mikro- und Millimeterwellenbereich anstelle von Reflektor- oder Hornantennen, welche alle eine gewisse, nicht zu unterschreitende Ausdehnung in Abstrahlrichtung aufweisen, ebene oder an den Oberflächenverlauf eines Fahr- oder Flugzeuges angepasste Gruppenantennen zu verwenden. Diese verwenden eine Vielzahl von Einzelstrahlern in meist regelmäßiger zweidimensionaler Anordnung, welche durch eine geeignet gewählte Anregung mit jeweils einem kleinen, nach Amplitude und Phase genau bestimmten Anteil der am Speisepunkt der Antenne eingekoppelten Sendeleistung im Fernfeld durch konstruktive beziehungsweise destruktive Überlagerung der Einzelbeiträge die gewünschte Richtcharakteristik erzeugt. In der Radartechnik wird dieses Prinzip gleichzeitig zur Erzeugung einer großen resultierenden Sendeleistung durch Ausstattung eines jeden Einzelstrahlers mit einem individuellen Sendeverstärker ausgenutzt. Für den Empfang benötigt man dann ebenfalls eine der Elementzahl entsprechende Zahl rauscharmer Empfangsverstärker, deren Ausgangssignale gegebenenfalls nach Frequenzumsetzung amplituden- und phasenrichtig zusammengesetzt werden, um wiederum eine vorbestimmte richtungsabhängige Empfindlichkeit des Radarempfängers zu erzielen. Für die eingangs erwähnten Anwendungen ist dieses Prinzip der aktiven phasengesteuerten Antenne insbesondere im Millimeterwellenbereich meist zu teuer. Hier kommen als kostengünstige Alternative zu Reflektor- und Hornantennen flache Gruppenantennen mit einem reziproken Multitor-Netzwerk in Frage, welches eine starr vorgegebene Verteilung der Einzelstrahler-Erregungen vorgibt und so identische Sende- und Empfangscharakteristiken aufweist. Diese Netzwerke sind meist als binärer Teilerbaum mit einer zweidimensionalen Abfolge von 1- auf 2-Leistungsteilern realisiert.
Wichtige Kennwerte einer Richtantenne sind neben der Richtschärfe, d. h. räumlichen Selektionsfähigkeit, die Unterdrückung von unerwünschter Abstrahlung in abseits der Hauptkeule liegenden Richtungen (Nebenzipfeldämpfung), die Polarisationsart- und Reinheit sowie Antennengewinn und der Antennenwirkungsgrad. Der sogenannte Antennengewinn ist das Verhältnis der in großem Anstand in Hauptabstrahlrichtung der Antenne erzeugten Leistungsdichte der Richtantenne und derjenigen, die durch einen idealen Kugelstrahler bei gleicher Eingangsleistung der Antenne resultieren würde. Bei einer verlustlosen Antenne würde die gesamte eingespeiste Sendeleistung abgestrahlt und man erhielte den nur durch die Feldverteilung auf der Antennenoberfläche gegebenen idealen Gewinn. Bei realen Antennen geht ein Teil der eingespeisten Sendeleistung verloren, indem er durch unvollkommene Anpassung der Antenne an den Generator-Innenwiderstand reflektiert wird oder durch in der Antennenstruktur auftretende dielektrische und Leitungsverluste absorbiert wird. Der Antennenwirkungsgrad ist das Verhältnis der in Hauptabstrahlrichtung tatsächlich erzeugten Leistungsdichte zur derjenigen, welche bei sonst unveränderter Feldverteilung auf der Antennenoberfläche ohne Verluste auftreten würde. Er wird in der Regel durch Vergleich von Messwerten mit theoretischen Berechnungen bestimmt. Eine wichtige Randbedingung ist, dass im Falle von Einzelstrahlerelementen ohne ausgeprägtes eigenes Richtverhalten ein seitlicher Abstand von etwa einer halben Freiraum-Weitenlänge nicht wesentlich überschritten werden darf. Ansonsten entstehen in nahe der tangential zur Antennenoberfläche liegenden Raumrichtungen Nebenmaxima, wodurch eine unzureichende Nebenzipfelunterdrückung resultiert.
Verschiedene Arten von Gruppenantennen unterscheiden sich in erster Linie in der nutzbaren Betriebsfrequenzbandbreite sowie in der Fähigkeit, bei hohen Frequenzen, insbesondere im Millimeterwellengebiet hohe Antennenwirkungsgrade zu erzielen. Die im Mikrowellenbereich weit verbreiteten Gruppenantennen mit auf dielektrischen Schaltungsträgern, zum Beispiel fotolithografisch erzeugten, flachen Strahlerelementen (zum Beispiel Microstrip-Patch-Antennen) und insbesondere solche mit auf dem dielektrischen Substrat integrierten Streifenleitungs-Leistungsteilern werden im Millimeterwellenbereich infolge der zunehmenden Dämpfung der resonanten Strahlerelemente und durch Leitungsverluste für hohe Antennengewinne unbrauchbar. Dem kann teilweise dadurch entgegengewirkt werden, dass das Leistungsteilernetzwerk aus Hohlleiterelementen aufgebaut wird, an welche die Strahlerelemente beispielsweise durch Schlitze in der Hohlleiterwand angekoppelt werden. Jedoch sind die Verluste solcher Antennen für viele Anwendungen immer noch zu hoch beziehungsweise verursachen durch die Notwendigkeit zur Erzeugung höherer Sendeleistung und den Einsatz besonders rauscharmer Empfängerschaltungen vermeidbare Zusatzkosten.
Ein Weg zur starken Verminderung der Gesamtverluste einer Gruppenantenne ist der Verzicht auf dielektrische, verlustbehaftete Bauteile. Aus militärischen Anwendungen sind flache Schlitzgruppenantennen bekannt, bei denen Schlitzstrahler im gegenseitigen Abstand von etwa einer halben Freiraumwellenlänge eingesetzt werden, die gruppenweise aus Hohlleiterresonatoren gespeist werden. Prinzipiell kann man solche Strukturen mit ausreichender Genauigkeit aus preisgünstigen metallisierten Kunststoffteilen aufbauen. Die in oben genannten Kommunikationsanwendungen geforderte Nutzbandbreite von mehr als 10% kann so jedoch nur schwer erreicht werden. Außerdem resultiert eine mehrlagige Topologie des Hohlleiternetzwerkes, welches zu erhöhter Bauhöhe, einer größeren Zahl von Bauteilen und damit zu aufwendigen und teuren Montageprozessen führt. Ein ausreichend breitbandiger binärer Teilerbaum aus Hohlleitern, welcher die einzelnen Strahler der Gruppenantenne speist, ist wegen des geringen Elementabstandes von einer halben Freiraumwellenlänge nicht einlagig realisierbar. In der EP 96927076 "Planar Antenna Design" wird vorgeschlagen, als Strahlerelemente kleine Hornantennen zu verwenden, welche so dimensioniert sind, dass sie in Raumrichtungen, in denen bei isotroper Einzelstrahlercharakteristik Nebenzipfel resultieren würden, bereits eine reduzierte Abstrahlung besitzen. Die Speisepunkte dieser Hornantennen liegen seitlich genügend weit auseinander, um nunmehr ein einlagiges Hohlleiterteiler-Netzwerk verwenden zu können. Die Bauweise ist für den Einsatz von metallisierten Kunststoffspritzgussteilen geeignet, hat aber noch folgende Nachteile: die hornartigen Einzelstrahler benötigen eine gewisse Mindestlänge, wodurch eine noch recht große Gesamtdicke der Antenne von etwa 3 bis 4 Freiraumwellenlängen resultiert; die Bautiefe und engen Speiseöffnungen der Hornstrahler erschweren und verteuern den Metallisierungsprozess; die zur Vermeidung von "Einfallstellen" (schrumpfungsbedingten Formabweichungen) erforderliche Ausbildung der Hörner mit etwa konstanter Wandstärke macht die Ausbildung einer ebenen Rückfläche unmöglich, weshalb zur Realisierung eines einlagigen Leistungsteilernetzwerkes mit geschlossenem Hohlleiterquerschnitt noch zwei weitere Kunstoffspritzgußteile notwendig sind.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche

- Eine hohe Betriebsbandbreite aufweist,
- Eine minimale Gesamtdicke hat
- Aus möglichst wenigen und einfachen, in Kunststoffspritzgusstechnik präzise zu fertigenden Bauteilen besteht

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Diese Aufgabe wird mit einer Gruppenantenne der eingangs erwähnten Art mit einer regelmäßigen Anordnung von Durchbrüchen 1 in einem ersten elektrisch leitfähigen oder leitfähig beschichtetem Körper 2 gelöst, welche gekennzeichnet ist durch die Verbindung einer Großfläche 5b des Körpers 2 mit einer ersten der beiden planparallelen, koaxialen oder konzentrischen Großflächen 3a eines zweiten elektrisch leitfähigen oder leitfähig beschichteten Körpers 4, welcher kammerartige Vertiefungen 6 von zweifach spiegelsymmetrischer Form aufweist, welche jeweils mindestens vier Durchbrüche 1 umschließen und in ihrem inneren mindestens zwei stegförmige Erhebungen 7 sowie in ihrem Zentrum je einen Durchbruch 8 zur zweiten Großfläche 3b des Körpers 4 aufweisen.

Diese Lösung hat mehrere entscheidende Vorteile. Durch die gemeinsame Erregung von vier als Einzelstrahler wirkenden Durchbrüchen 1 aus einer kammerartigen Vertiefung mit zentraler Speisung durch einen Durchbruch 8 und die zweifach spiegelsymmetrische Form ergibt sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung, welche sich durch weiter unten in vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung beschriebene Ausgestaltungen und Dimensionierungen der stegförmigen Erhebungen gezielt verändern lässt. So lässt sich ohne Veränderung der Kammergröße, d. h. bei vorgegebenem Rastermaß der Strahlerelemente, die Wellenausbreitung und Feldverteilung in der Kammer durch verändern der Höhe, Position und Anzahl der stegförmigen Erhebungen 7 in weiten Bereichen beeinflussen. Das Rastermaß der durch ein Leistungsteilernetzwerk zu speisenden Punkte verdoppelt sich in beiden orthogonalen Richtungen der Antennenoberfläche d. h. auf mindestens eine Freiraumwellenlänge, wodurch eine einlagige Realisierung in Hohlleitertechnik zum Beispiel auf der gegenüberliegenden Großfläche 3b des Körpers 4 möglich wird.

Fig. 1 zeigt eine erste vorteilhafte Ausführung der Erfindung, bei der die Vertiefungen 6 in der Großfläche 3a die Form von zwei in der Mitte verbundenen Nuten 9a und 9b aufweisen. Eine besonders vorteilhafte Dimensionierung der Nuten 9a und 9b ist die Auslegung als Sperrbereichshohlleiter, d. h. mit einem Höhen- zu Breitenverhältnis kleiner 1 und einer Breite von weniger als einer halben Freiraumwellenlänge bei der höchsten Betriebsfrequenz. Dann ist in Bereichen, in denen sich keine stegförmige Erhebung befindet, also im Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung an den Enden der Nuten 9a, 9b keine Wellenausbreitung möglich, das Wellenfeld klingt hier aperiodisch ab. Fig. 1 zeigt außerdem eine einfache mögliche Ausführungsform des Körpers 2 als plattenförmige Abdeckung der Vertiefungen 6, in der sich schlitzartige Durchbrüche 1 befinden. Zwischen den Oberkanten der stegförmigen Erhebungen 7 und der hier als ebene Unterseite ausgebildeten Großfläche 5b findet eine Konzentration des elektrischen Feldes statt. Durch Verändern der Position der stegförmigen Erhebungen 7 relativ zu den Durchbrüchen 1 lässt sich deren Anregung in weiten Bereichen einstellen. Die in Fig. 1 dargestellten zentral angeordneten Durchbrüche 8 regen die benachbarten stegförmigen Erhebungen 7 bei gleichem Abstand auch gleichmäßig an. Abgesehen von dem Sonderfall einer gleichförmig erregten Antennen unterscheidet sich aber die geforderte Anregungsamplitude der von einer Vertiefung 6 umfassten Durchbrüche 1 geringfügig voneinander. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die stegförmigen Erhebungen 7 geringfügig seitlich und in Richtung ihrer längsten Ausdehnung verschoben werden.

Dieses soll anhand der Fig. 2 näher erläutert werden. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist der Durchbruch 8 eine zweifach spiegelsymmetrische Form auf und ist so dimensioniert, dass das elektrische Hauptfeld seiner Grundwelle senkrecht zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7a, 7b orientiert ist. Im gezeigten Beispiel ist der Querschnitt analog zu einem Rechteckhohlleiter gewählt, mit seiner längeren Seite parallel zu den stegförmigen Erhebungen 7a, 7b. Dieser Querschnitt besitzt als Grundwelle eine TE01 - Mode, deren elektrisches Feld sich wie in Fig. 2 angedeutet von einer der Breitseiten des Durchbruches 8 zur anderen erstreckt. Die Erregung der stegförmigen Erhebungen 7a, 7b geschieht bei dieser Anordnung im Gegentakt, d. h. die sich zwischen ihren Oberkanten und der Fläche 5b ausbildenden elektrischen Felder sind gegensinnig. Diese Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Durchbrüche 1 unter Beibehaltung der zweifachen Spiegelsymmetrie seitlich gegenüber den Mittelebenen der stegförmigen Erhebungen 7a, 7b versetz sind. Lägen die als schlitzförmige Öffnungen ausgelegten Durchbrüche 1 mittig über den stegförmigen Erhebungen 7, würde in ihnen kein abstrahlendes Feld angeregt. Durch seitlichen Versatz in gegenläufiger Richtung wird erstens in den Durchbrüchen 1 ein abstrahlendes Feld angeregt, welches zweitens eine gleichförmige Polarisation der Schlitzfelder aufweist, wodurch die gezeigte Untergruppe der Antenne normal zur Oberfläche abstrahlt. Erfordert das Richtdiagramm der Gruppenantenne unterschiedliche Erregungsamplituden der vier Durchbrüche 1, kann dies wie folgt erzielt werden: soll beispielsweise des linke Schlitzpaar stärker erregt werden als das rechte, ist dies durch geringfügiges Verschieben beider stegförmigen Erhebungen 7a,7b aus der Nominalposition nach rechts möglich, ohne dass sich das Anpassverhalten der gezeigten Untergruppe wesentlich ändert. Soll das obere Schlitzpaar stärker angeregt werden als das untere, so sind die stegförmigen Erhebungen 7a, 7b aus der Nominallage nach oben zu verschieben. Auf diese Weise kann im praktisch erforderlichen Rahmen durch Kombination dieser Verschiebungskomponenten jede gewünschte Amplituden-Verteilung erzielt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung soll anhand Fig. 3 erläutert werden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Durchbrüche 1 jeweils in der Mittelebene der stegförmigen Erhebungen 7 liegen und jeweils im Bereich des Durchbruchs 1 eine weitere stegförmige Erhebungen 11 eine seitliche Verbindung zwischen Erhebung 7 und umlaufendem Rand 10 der Vertiefung 6 bildet. Die stegförmige Erhebung 11 bildet lokal eine Störung der transversalen Feldverteilung des Steghohlleiterquerschnitts, wodurch mit steigender Höhe ein wachsender Ankopplungsgrad des jeweiligen Durchbruchs 1 resultiert. Ein Vorteil dieser Anordnung gegenüber der anhand der Fig. 2 erlauterten liegt darin, dass die Anregung des jeweiligen Durchbruchs 1 unabhängig von der Ankopplung der stegförmigen Erhebungen 7 an den Durchbruch 8 gewählt werden kann, da die Positionen der stegförmigen Erhebungen 7 fest eingestellt bleiben. Der dadurch erzielte zusätzliche Freiheitsgrad im Entwurf kann zur Verbesserung des Anpassverhaltens der gezeigten Untergruppe ausgenutzt werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung mit weiter reduziertem Aufwand im Bereich des Leistungsteilernetzwerkes 15 soll anhand der Fig. 4 erläutert werden. Hier umfasst die Vertiefung 6 insgesamt acht Durchbrüche 1, wodurch eine Teilerebene eingespart werden kann. In Analogie zum zuvor erläuterten Beispiel wird die Anregung der Durchbrüche 1 durch weitere stegförmige Erhebungen 11a beziehungsweise 11b bewirkt, welche sich zur Erzielung einer gleichphasigen Erregung aller acht Durchbrüche 1 bei den mittelpunktsnäheren beziehungsweise den mittelpunktsferneren Durchbrüchen auf verschiedenen Seiten der jeweiligen Erhebung 7 befinden. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Feldverhältnisse im Mittelbereich und am Ende der stegförmigen Erhebungen 7 werden die Erhebungen 11a und 11b auch bei gleichförmiger Anregungsverteilung unterschiedliche Höhen aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte und besonders variable Ausführungsform der Erfindung ergibt sich nach Unteranspruch 4, wenn die Durchbrüche 8 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen und so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle parallel zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist. Fig. 5 zeigt ein grundlegendes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung. Diese Ausführung unterscheidet sich von der weiter oben anhand der Fig. 1 erläuterten dadurch, dass die stegförmigen Erhebungen 7 gleichphasig angeregt werden. Daraus ergeben sich weitere Freiheitsgrade für die Wahl der Polarisationsebene der resultierenden Gruppenantennen.

Eine erste Ausführungsform dieser Art ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 1 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen, der so dimensioniert ist, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle parallel zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist. Diese Auslegung soll anhand der Fig. 6 näher erläutert werden. In der gewählten Orientierung des Durchbruchs 8 bildet sich zwischen dem Boden der Vertiefung 6 und der Großfläche 5b des Körpers 2 eine Stehwelle aus, welche die seitlich benachbarten stegförmigen Erhebungen über eine aperiodische Feldverteilung im Gleichtakt erregt. In Längsrichtung der stegförmigen Erhebungen erfolgt die Anregung jedoch im Gegentakt. Im Resultat erfolgt die Anregung der Durchbrüche 1 bei Einhaltung zweifach spiegelsymmetrischer Positionen im Gleichtakt. Eine ungleichförmige Amplitudenverteilung ist wieder analog zur oben anhand der Fig. 2 erläuterten Ausführungsform durch seitliches beziehungsweise longitudinales Verschieben der stegförmigen Erhebungen 7 möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhält man, wenn das elektrische Hauptfeld der Grundwelle der Durchbrüche 1 um einen Winkel α gegenüber dem Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 in einheitlichem Richtungssinne verdreht ist. Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht. Bei einem Winkel α = 90 Grad erhält man die Anordnung der Fig. 6. Liegen die Mittelpunkte der Durchbrüche 1 in der Mittelebene der stegförmigen Erhebungen 7, bewirkt ein verdrehen, d. h. Abweichung von 90 Grad lediglich eine gleichmäßige Veränderung des Anregungskoeffizienten etwa nach der Beziehung k' = k sin α. Die Polarisation der von der Gruppenantenne abgestrahlten Welle verdreht sich in gleichem Maße gegenüber der Orientierung der Antenne und damit des Leistungsteilernetzwerkes. Damit gelingt es, die relativen Maxima der Nebenzipfel im Richtdiagramm der Antenne aus den Hauptmeridianebenen herauszudrehen. Bei geforderter horizontaler bzw. vertikaler Polarisation der Antenne wird dieselbe um den Winkel α verdreht aufgestellt. Da die meisten Störungen beziehungsweise Mehrwegeempfang bei Punkt- zu Multipunkt Funknetzwerken in der horizontalen beziehungsweise vertikalen Ebene bezogen auf die Erdoberfläche zu erwarten ist, kann dies zur Reduktion der Störwahrscheinlichkeit oder auch zur Verbesserung des Antennengewinns verwendet werden..

Werden besonders hohe Anforderungen an die Polarisationsreinheit der Gruppenantenne gestellt, kann diese dadurch hergestellt werden, dass der Verdrehwinkel α = 45 Grad gewählt und die Durchbrüche 1 gemäß Unteranspruch 13 sich auf der dem Körper 4 abgewandten Großfläche 5a des Körpers 2 zu einer Kammer 22 von rechteckförmigem Grundriss erweitert. Dies wird anhand der Fig. 8 näher erläutert. Unter 45 Grad ist eine lückenlose Parkettierung der Großfläche 5a mit rechteckigem Grundriss möglich. Unter diesem Winkel haben seitlich benachbarte Durchbrüche einen um Wurzel(2) erhöhten gegenseitigen Abstand. Es ist dadurch ohne weiteres auch bei Einhaltung eines gegenseitigen horizontalen Elementabstandes von einer halben Wellenlänge möglich, die Kammern trotz gewisser Dicke der Wände 23 als ausbreitungsfähige Hohlleiter auszulegen. (n diesem sind die Feldkomponenten der gekreuzten Polarisation nicht ausbreitungsfähig. In der Regel reicht etwa eine Kammertiefe von einer halben Hohlleiterwellenlänge um beispielsweise eine Verbesserung der Kreuzpolarisationsdämpfung um 20 dB zu bewirken.

Eine im Hinblick auf ein gutes Anpassverhalten der Gruppenantenne über einen vergrößerten Frequenzbereich vorteilhafte Anordnung erhält man, wenn die stegförmigen Erhebungen 7 jeweils im Mittelbereich der Vertiefung 6 unterbrochen sind und am mittelpunktsfernen Ende 13 mit dem Umlaufenden Rand 10 der Vertiefung 6 in Verbindung stehen. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit diesen Merkmalen ist in Fig. 9 dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht ein Anpassverhalten entsprechend einem zweikreisigen Bandpassfilter, wenn die Länge der stegförmigen Erhebungen 7 etwa eine viertel Wellenlänge beträgt und die Resonanzfrequenz der Durchbrüche 1 etwa in die Mitte des angestrebten Betriebsfrequenzbandes gelegt wird. Dies ist entweder durch eine Auslegung der Durchbrüche mit einem Querschnitt ähnlich zu einem Doppelsteghohlleiter wie in den Fig. 5-8 gezeigt möglich oder durch eine Verbindung des Körpers 2 mit einer dielektrischen Platte 23. Wird diese auf der Großfläche 5a angebracht, ist die Gruppenantenne gleichzeitig gegen Außeneinflüsse, zum Beispiel gegen Eindringen von Feuchtigkeit geschützt. Eine sehr vorteilhafte Ausführung dieser Art lässt sich durch einseitige ätztechnische Strukturierung eines metallkaschierten dielektrischen Substrates herstellen. Dies kann beispielsweise ein übliches mikrowellentaugliches Material mit Kupferkaschierung sein. Eine gute elektrische Verbindung zwischen der den elektrisch leitenden Körper 2 bildenden Kaschierung und Körper 4 ist beispielsweise durch einen Lötprozess oder eine Klebeverbindung zu erreichen. Der seitliche Versatz zwischen stegförmiger Erhebung 7 und Durchbruch 1 bestimmt ihre Verkopplung.

Eine weitere Verbesserung durch Erzielung eines Anpassverhaltens ähnlich dem eines dreikreisigen Bandpassfilters erhält man, wenn etwa in der normal zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 liegenden Symmetrieebene der Vertiefung 6 mindestens zwei weitere stegförmige Erhebungen 12a angeordnet werden. Eine erfindungsgemäße Ausführung ist in Fig. 10 dargestellt. In Analogie zu den mit dem umlaufenden Rand 10 verbundenen stegförmigen Erhebungen 7 entsteht so ein zusätzlicher Resonanzkreis. Die Kopplung zwischen den Resonanzkreisen sind durch Wahl der Abstände zwischen Durchbruch 8 und stegförmiger Erhebung 12a, zwischen stegförmigen Erhebungen 12a und 7 sowie dem seitliche Versatz der Durchbrüche 1 gegenüber den stegförmiger Erhebungen 7 einstellbar. Eine besonders gute Anpassung erhält man, wenn der Durchbruch 8 zumindest abschnittsweise als Sperrbereichshohlleiter ausgeführt wird. Dann ist auch bei schmalen Nuten 9a, 9b die Ausbildung einer Viertelwellenlängenresonanz der stegförmigen Erhebungen 12a möglich, indem sie bis ganz an den Durchbruch 8 herangeführt werden können.

Eine zum Ausgleich von Formtoleranzen in einem Spritzgusswerkzeug besonders geeignete Ausführungsform gemäß Unteranspruch 16 ist in Fig. 11 veranschaulicht. An Stelle der stegförmigen Erhebungen 12a sind hier Pfosten 12b, beispielsweise mit kreisrundem Querschnitt eingesetzt. Diese lassen sich leicht als einstellbare Formeinsätze herstellen, die nach Vermessung einer ersten Musterantenne zum Ausgleich aufgetretener Abweichungen der Amplitudenverteilung nachjustieren lassen. Die hohen Kosten einer Überarbeitung des Spritzgusswerkzeuges lassen sich so teilweise vermeiden.

Eine weitere vorteilhafte Ausformung einer Gruppenantenne nach Unteranspruch 4 ist durch Unteranspruch 17 gegeben und wird anhand der Fig. 12 erläutert. Die stegförmigen Erhebungen 7 sind hier ebenfalls am mittelpunktsfernen Ende 13 mit dem umlaufenden Rand 10 der Vertiefung 6 verbunden und bilden so einen zweiten Resonanzkreis. Ein dritter Resonanzkreis zur weiteren Verbesserung der Betriebsbandbreite kann nun durch Absenken der Mittelwände 14 über eine gewisse Länge Ls erzeugt werden. Dazu wird Ls so gewählt, dass der Abstand zwischen Durchbruch 8 und den Verbindungspunkten zwischen Mittelwand 14 und Großfläche 5b des Körpers 2 etwa eine halbe Wellenlänge in der Mitte des Betriebsfrequenzbandes beträgt.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Verteilnetzwerkes 15 in der Form eines binären Teilerbaumes mit erfindungsgemäß ausgebildeten 4-fach Strahlern. Das Verteilnetzwerk kann vorteilhaft in seinen wesentlichen Bestandteilen auf der Großfläche 3b des Körpers 4 gebildet werden.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnitte im wesentlichen als im Betriebsfrequenzbereich der Antenne durchlässige Rechteckhohlleiter dimensioniert sind, deren Schmalseiten parallel zur Großfläche 3b verlaufen und dass die Ausgänge des Leistungsteilernetzwerkes 15 durch Durchbrüche 8a gebildet werden, welche so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle senkrecht zum Verlauf des Rechteckhohlleiters 16 orientiert ist, wobei der Mittelpunkt des Durchbruches 8a etwa eine viertel Hohlleiterwellenlänge vor dem kurzgeschlossenen Ende 20 des Hohlleiters liegt. Fig. 14 zeigt eine mögliche Ausführung. Ein besonders verlustarmes Leistungsteilernetzwerk ergibt sich in bekannter Weise, wenn der elektrisch leitfähige oder leitfähig beschichtete Körper 18b genau den halben Hohlleiterquerschnitt umfasst.

Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform wird erhalten, wenn die Breitseite der das Leistungsteilernetzwerk bildenden Rechteckhohlleiter parallel zur Großfläche 3b ausgerichtet ist. Fig. 15 zeigt eine gemäß Unteranspruch 24 ausgelegte Koppelanordnung zur Anregung eines Durchbruchs 8. Das transversale Magnetfeld der einfallenden Rechteckhohlleiter-Grundwelle ist maximal direkt am Kurzschlusspunkt 20 beziehungsweise eine halbe Wellenlänge davor. An diesen Positionen lässt sich eine starke Anregung der Strahleranordnung auch mit kleinflächigem Durchbruch 8 erzielen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung wird erhalten, wenn das Leistungsteilernetzwerk 15 im wesentlichen aus in den Körper 4 eingebrachten Kanälen 16 mit einer etwa mittig angebrachten stegförmigen Erhebung 21 besteht, welche nach Verbindung der Großfläche 3b mit der Großfläche 17a eines elektrisch leitfähigen oder elektrisch leitfähig beschichteten Körpers 18b einen geschlossenen Querschnitt in der Art eines Einfach- oder, durch entsprechende Ausformung der Körpers 18b, eines Doppelsteghohlleiters bilden. Da ein Steghohlleiter einen gegenüber einem Rechteckhohlleiter verringerten Platzbedarf hat, lassen sich hiermit noch flachere Gruppenantennen aufbauen. Wird wie in Fig. 16 der Steghohlleiterquerschnitt durch Verbinden mit einer elektrisch leitenden Oberfläche 17a hergestellt, welche im einfachsten Fall ein dünnes Blech darstellt, kann die Gesamtdicke der Gruppenantenne kleiner als eine Freiraumwellenlänge gehalten werden. Eine besonders gute und modenreine Ankopplung des Durchbruchs 8 erhält man, wenn die stegförmige Erhebung 21 im Bereich des Durchbruchs 8 unterbrochen wird und sich bis etwa eine viertel Steghohlleiterwellenlänge hinter dessen Mittelpunkt ohne Verbindung mit dem kurzgeschlossenen Ende des Hohlleiterkanals fortsetzt. In diesem Fall erscheint ein über die am Ende leerlaufende Steghohlleiter-Stichleitung in die Mittelebene des Durchbruchs 8 transformierter virtueller Kurzschluss, welcher die Anregung höherer Eigenwellen des Durchbruchs unterdrückt.

Claims

1. Gruppenantenne mit einer regelmäßigen Anordnung von Durchbrüchen 1 in einem ersten elektrisch leitfähigen oder leitfähig beschichteten Körper 2 dadurch gekennzeichnet, dass die erste der beiden planparallelen, koaxialen oder konzentrischen Großflächen 3a, 3b eines zweiten elektrisch leitfähigen oder leitfähig beschichteten Körpers 4 mit der Großfläche 5b des Körpers 2 verbunden ist und kammerartige Vertiefungen 6 von zweifach spiegelsymmetrischer Form aufweist, welche jeweils mindestens vier Durchbrüche 1 umschließen und in ihrem Inneren mindestens zwei stegförmige Erhebungen 7 sowie in ihrem Zentrum je einen Durchbruch 8 zur zweiten Großfläche 3b des Körpers 4 aufweisen.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen 6 die Form von zwei in der Mitte miteinander verbundenen, parallel verlaufenden Nuten 9a, 9b besitzen, in denen jeweils mindestens eine stegförmige Erhebung 7 etwa parallel zur Mittelebene angebracht ist.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 8 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen und so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle senkrecht zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 8 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen und so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundweile parallel zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist.

5. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Vertiefung 6 vier Durchbrüche 1 des Körpers 2 umschließt, welche sich an doppelt spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt des zugehörigen Durchbruches 8 angeordneten Positionen befinden.

6. Gruppenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Vertiefung 6 acht Durchbrüche 1 des Körpers 2 umschließt, welche sich an doppelt spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt des zugehörigen Durchbruches 8 angeordneten Positionen befinden.

7. Gruppenantenne nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 1 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen, der so dimensioniert ist, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle senkrecht zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist.

8. Gruppenantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Durchbrüche 1 unter Beibehaltung der zweifachen Spiegelsymmetrie seitlich gegenüber den Mittelebenen der stegförmigen Erhebungen 7 versetzt sind.

9. Gruppenantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Durchbrüche 1 in der jeweiligen Mittelebene der stegförmigen Erhebung 7 liegen und jeweils im Bereich des Durchbruchs 1 eine weitere stegförmige Erhebung 11 eine seitliche Verbindung zwischen Erhebung 7 und umlaufendem Rand 10 der Vertiefung 6 bildet.

10. Gruppenantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 1 jeweils einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen, der so dimensioniert ist, dass das elektrische Hauptfeld seiner Grundwelle senkrecht zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist, dass die Mittelpunkte der Durchbrüche in der jeweiligen Mittelebene der stegförmigen Erhebung 7 beziehungsweise T liegen und unter Beibehaltung der zweifachen Spiegelsymmetrie jeweils im Bereich des Durchbruchs 1 eine weitere stegförmige Erhebung 11a, 11b eine seitliche Verbindung zwischen Erhebung 7 und dem umlaufenden Rand 10 der Vertiefung 6 bildet; dabei befinden sich die jeweils mittelpunktsnäheren Erhebungen 11a und mittelpunktsferneren Erhebungen 11b auf verschiedenen Seiten derselben Erhebung 7.

11. Gruppenantenne nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 1 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen, der so dimensioniert ist, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle parallel zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 orientiert ist.

12. Gruppenantenne nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 1 einen zweifach spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweisen, der so dimensioniert beziehungsweise orientiert ist, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle in gleichem Richtungssinne und Winkel α gegenüber dem Verlauf der stegförmigen Erhebungen T verdreht ist.

13. Gruppenantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α 45 Grad beträgt und sich der jeweilige Querschnitt der Durchbrüche 1 auf der dem Körper 4 abgewandten Großfläche 5a des Körpers 2 zu einer Kammer 22 von rechteckförmigem Grundriss und einer Tiefe erweitert, welche nach Maßgabe der gewünschten Kreuzpolarisations-Unterdrückung gewählt wird.

14. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die stegförmigen Erhebungen 7 jeweils im Mittelbereich der Vertiefung 6 unterbrochen sind und am mittelpunktsfernen Ende 13 mit dem umlaufenden Rand 10 der Vertiefung 6 in Verbindung stehen.

15. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 3, 6 bis 9, oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass etwa in der normal zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 liegenden Symmetrieebene der Vertiefung 6' mindestens zwei weitere stegförmige Erhebungen 12a angeordnet sind.

16. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 3, 6 bis 9, oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass etwa in der normal zum Verlauf der stegförmigen Erhebungen 7 liegenden Symmetrieebene der Vertiefung 6 mindestens zwei Pfosten 12b angeordnet sind.

17. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 4 oder 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwände 14 zwischen den Nuten 9a und 9b ausgehend vom zentralen Durchbruch 8 über eine gewisse Länge Ls abgesenkt sind und in diesem Bereich nicht in Verbindung mit der Großfläche 5b des Körpers 2 stehen.

18. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche 8 zumindest abschnittsweise als Sperrbeichshohlleiter und die Durchbrüche 1 so dimensioniert sind, dass die Resonanzfrequenz ihrer Grundschwingung im Bereich des Betriebsfrequenzbandes liegt.

19. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Großfläche 3b des Körpers 4 wesentliche Teile eines Leistungsteilernetzwerkes 15 mit einem oder mehreren Eingängen und einer der Gesamtzahl der Vertiefungen 6 entsprechenden Zahl von Ausgängen enthält.

20. Gruppenantenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteilernetzwerk aus einem oder mehreren binären Teilerbäumen besteht

21. Gruppenantenne nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteilernetzwerk 15 im wesentlichen aus in den Körper 4 eingebrachten Kanälen 16 besteht, welche durch Verbindung der Großfläche 3b mit der Großfläche 17a eines elektrisch leitfähigen oder elektrisch leitfähig beschichteten Körpers 18a einen geschlossenen rechteckigen Querschnitt bilden.

22. Gruppenantenne nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände 19 der Kanäle 16 in einer ebenen Raumfläche enden und dass die Großfläche 17a eine planebene elektrisch leitende Oberfläche aufweist.

23. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnitte im wesentlichen als im Betriebsfrequenzbereich der Antenne durchlässige Rechteckhohlleiter dimensioniert sind, deren Schmalseiten parallel zur Großfläche 3b verlaufen und dass die Ausgänge des Leistungsteilernetzwerkes 15 durch Durchbrüche 8a gebildet werden, welche so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle senkrecht zum Verlauf des Rechteckhohlleiters orientiert ist, wobei der Mittelpunkt des Durchbruches 8a etwa eine viertel Hohlteiterwellenlänge vor dem kurzgeschlossenen Ende 20 des Hohlleiters liegt.

24. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnitte im wesentlichen als im Betriebsfrequenzbereich der Antenne durchlässige Rechteckhohlleiter dimensioniert sind, deren Breitseiten parallel zur Großfläche 3b verlaufen und dass die Ausgänge des Leistungsteilernetzwerkes 15 durch Durchbrüche 8b gebildet werden, welche so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle parallel zum Verlauf des Rechteckhohlleiters orientiert ist, wobei der Mittelpunkt des Durchbruches 8b entweder etwa eine halbe Hohlleiterwellenlänge oder unmittelbar vor dem kurzgeschlossenen Ende 20 des Hohlleiters liegt.

25. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteilernetzwerk 15 im wesentlichen aus in den Körper 4 eingebrachten Kanälen 16 mit einer etwa mittig angebrachten stegförmigen Erhebung 21 besteht, welche nach Verbindung der Großfläche 3b mit der Großfläche 17a eines elektrisch leitfähigen oder elektrisch leitfähig beschichteten Körpers 18b einen geschlossenen Querschnitt in der Art eines Einfach- oder, durch entsprechende Ausformung der Körpers 18b, eines Doppelsteghohlleiters bilden.

26. Gruppenantenne nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände 19 der Kanäle 16 in einer ebenen Fläche münden und dass die Großfläche 17a eine ebene elektrisch leitende Oberfläche darstellt und die Ausgänge des Leistungsteilernetzwerkes 15 durch zweifach spiegelsymmetrische Durchbrüche 8c gebildet werden, welche so dimensioniert sind, dass das elektrische Hauptfeld ihrer Grundwelle parallel zum Verlauf des Steghohlleiters orientiert ist, wobei die stegförmige Erhebung 21 im Bereich des Durchbruches 8c unterbrochen ist und sich entweder bis etwa eine viertel Steghohlleiterwellenlänge hinter der Mittelebene des Durchbruchs 8c ohne Verbindung zum kurzgeschlossenen Ende 20 des Kanals 16 oder bis etwa eine halbe Steghohlleiterwellenlänge hinter der Mittelebenen mit Verbindung zum kurzgeschlossenen Ende 20 des Kanals 16 fortsetzt.