DE19523694A1 - Planarantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Planarantennen für Frequenzen vorzugsweise des GHz-Bereichs mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen.

Planare Antennen in Streifenleitungstechnik zeichnen sich durch einfachen Aufbau und geringe Bauhöhe sowie durch eine große mögliche Variabilität in der konstruktiven Ausführung zur Berücksichtigung unterschiedlicher Einsatzbedingungen und Parametervorgaben aus. Das Prinzip bietet für eine Reihe von Anwendungsfällen günstige Voraussetzungen, um Aufwand und Kosten für Erstellung und Unterhalt der Antennen vergleichs­ weise gering zu halten.

Für die Speisung der Strahler (patches) sind mehrere grundsätzliche Lösungen bekannt:

• - der galvanische Anschluß an eine Mikrostreifenleitung oder eine andere geeignete Mikrowellenleitung, die der oder den Strahlerflächen koplanar ist,
• - der galvanische Anschluß an den Innenleiter eines Koaxial­ kabels, der durch das dielektrische Substrat hindurch­ geführt wird, wobei der Außenleiter mit der Masse-Ebene (ground plane) verbunden wird, und
• - die kapazitive Kopplung zwischen der Speiseleitung und dem Strahler durch das Substrat hindurch, wobei die Speise­ leitung auch als Streifenleitung ausgebildet sein kann, die auf einem separaten Niveau zwischen der Masse-Ebene und der Strahlerfläche geführt wird.

Bei der Anordnung von Streifenleitungsstrahlern in Gruppen und darüber hinaus in Strahlerfeldern (subarrays und arrays) wird die separate Anbindung jedes einzelnen Strahlers an eine Speiseleitung durch die gruppenweise Speisung mit (phasen­ richtiger) Reihen- oder Parallelschaltung der Strahler ersetzt. Innerhalb der Gruppen sind die Strahler durch zusätzliche Leiterabschnitte galvanisch miteinander verbunden. Beispiele für derartige Anordnungen sind schon in den DE-P 26 32 772 und 27 12 608 zu finden.

Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, daß in einer Gruppe von Strahlern ein Strahler galvanisch an die Speise­ leitung angeschlossen ist (als Primärstrahler) und daß meist bis vier weitere Strahler - als Sekundärstrahler - parasitär, durch kapazitive Kopplung mit dem direkt gespeisten Strahler, angeregt werden.

Die Sekundärstrahler sind dem direkt gespeisten Strahler koplanar oder, planparallel dazu, auf einem weiteren Niveau so zugeordnet, daß sie gleichphasig angeregt werden. Beispiele für koplanare Varianten dieses Typs sind in UK-P 2 213 995, EPO 391634 und DE-P 42 39 785 beschrieben, und eine Ausführung mit zwei Strahlerebenen findet sich z. B. in DE-G 93 07 415.

Die bekannten Gruppen- und Feldanordnungen von Streifen­ leitungsantennen haben Nachteile, die u. a. aus den bisher üblichen Speisungsprinzipen resultieren:

• - Besonders wenn sämtliche Streifenleitungsstrahler eines Antennenfelds direkt an Leitungen des Speiseleitungsnetzes angeschlossen werden sollen, kann das System der Speise­ leitungen so komplex und umfangreich werden, daß der Größe und dem erzielbaren Gewinn der Antenne schon auf Grund der Leitungsdämpfung Grenzen gesetzt sind.
• - Bei gruppenweiser Anbindung von Strahlern über zusätzliche Leiterabschnitte ist die erzielbare Bandbreite begrenzt.
• - Das Speiseleitungsnetz ist intern und gegenüber den Streifenleitungsstrahlern abzuschirmen, weil besonders bei koplanarer Anordnung der Strahler und der Speiseleitungen die Feldbildung der Strahler ungünstig beeinflußt werden kann.

Die bei den Lösungen des Stands der Technik erforderlichen bzw. praktizierten Maßnahmen zur Abschirmung spiegeln sich letzten Endes sämtlich in einem erhöhten Kostenaufwand wider.

• - Wenn, um das Speiseleitungsnetz zu vereinfachen und die Verluste auf Grund von Leitungsdämpfung zu verringern, eine Anordnung mit -Primär- und Sekundärstrahlern und mit parasitärer Speisung der Sekundärstrahler aufgebaut wird, ist bei den Lösungen des bekannten Stands der Technik als unerwünschte Nebenwirkung der kapazitiven Kopplung zwischen den Streifenleitungsstrahlern ein relativ hoher Anteil Kreuzpolarisation zu verzeichnen. Bei den herkömmlichen Flächenkonfigurationen ist jeweils ein besonderer Aufwand erforderlich, um auf dieser Ebene Verbesserungen zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prinzip für die Speisung von in Streifenleitungstechnik aufgebauten Gruppenantennen zu finden, das mit geringem Aufwand zu realisieren und dabei hinsichtlich der Bandbreite in weiten Grenzen variabel ist und das gleichzeitig geringste Verluste durch Leitungsdämpfung und eine gute Anpassung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.

Die entscheidende Neuerung besteht darin, daß es gelungen ist, das Speiseleitungsnetz und die als Primärstrahler dienenden Antennen in die für die Streifenleitungsantenne funktionswesentliche Masse-Ebene zu integrieren, ohne daß der Wirkmechanismus der Antennenkonfiguration insgesamt beeinträchtigt wird.

Durch die Wahl der Schlitzstrahler als Transformations­ elemente wird eine besonders effektive Anbindung der Streifenleitungsstrahler erzielt, so daß eine gegenüber vergleichbaren Anordnungen des Stands der Technik höhere Strahlungsleistung übertragen wird. Die über einen Schlitz­ strahler versorgte Zahl von Einzelstrahlern je Gruppe kann größer gewählt werden. So ist entweder eine Erhöhung der Antennenabmessungen und des Gewinns möglich, oder das Speiseleitungsnetz kann reduziert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Streifenleitungs­ strahler beiderseits der Längserstreckung der Schlitzfläche wird der besonderen Feldbildung der Schlitzstrahler Rechnung getragen (die elektrische Feldstärke verläuft quer über den Schlitz). Darüber hinaus wird mit der symmetrischen, quasi zum Feldverlauf parallelen Anordnung der rechteckigen Strahlerflächen oder Strahlerstreifen Kreuzpolarisation weitgehend ausgeschlossen.

Es ist des weiteren möglich, die Maße und die maßlichen Verhältnisse der Antennenkonfiguration (Gruppe und aus mehreren Gruppen aufgebautes Antennenfeld) so zu gestalten, daß sich das von den Schlitzstrahlern erzeugte Feld im wesentlichen in Richtung des dielektrischen Substrats und der Streifenleitungsstrahler orientiert. Der bei Verzicht auf eine zusätzliche Masse- oder Reflektorfläche von den Schlitzstrahlern rückseitig abgestrahlte Leistungsanteil kann so auf einen im Vergleich zu tangierenden Lösungen des Stands der Technik geringen Anteil reduziert werden. Damit kommt der Vorteil des vereinfachten konstruktiven Aufbaus voll zum Tragen:

Man erhält allein durch beidseitige erfindungsgemäße Metallisierung einer Kunststoffplatte mit dem geeigneten ε_r eine planare Antennenanordnung mit gegenüber den bisherigen Ausführungen geringen Leistungserlusten und guten Anpassungsmöglichkeiten.

Der Vorteil der bevorzugten Ausrichtung des parasitären Kopplungseffekts in eine Strahlungsrichtung schließt nicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf den Fall der planaren Antenne mit zwei konträren Strahlungsrichtungen gleicher Leistung aus. So erhält man bei symmetrischer Anordnung von Sekundärstrahler-Gruppen beidseitig einer Massebezugsfläche mit integriertem Speiseleitungsnetz nebst Schlitzstrahlern eine Antenne mit zwei entgegengesetzten Strahlungskeulen bzw., unter bestimmten Voraussetzungen, einer nahezu-Rundumcharakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1. Grundsätzlicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Planarantenne mit einer Strahlergruppe aus

• a) vier Streifenleitungsstrahlern und
• b) zwei Streifenleitungsstrahlern und mit zusätzlicher Masse- und Reflexionsfläche

Fig. 2. Speisung des Primärstrahlers

• a) über eine Koplanarleitung
• b) über eine "Triplate"-Anordnung

Fig. 3. Gruppenantenne mit Primärstrahler mit modifizierter Schlitzbreite

Fig. 4. Gruppen mit Sekundärstrahlern geringer Breite

Fig. 5. Mehrlagige Gruppen

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Planarantenne mit einer Schlitzstruktur als Primärstrahler und mit vier bzw. zwei Streifenleitungsantennen als Sekundärstrahler. Die Anordnung besteht aus der Platte 1 aus einem dielek­ trischen Material, auf die als Oberflächenmetallisierungen auf der einen Seite die Masse-Ebene (ground plane) 2 und auf der anderen Seite, in Strahlungsrichtung, die Streifen­ leitungsstrahler (patches) 4 aufgebracht sind.

In die Masse-Ebene 2 sind - z. B. durch selektives Abtragen der Metallschicht - eine Koplanarleitung 6 und der Schlitz­ strahler 3 integriert. Der Leitungszug 6.1 der Koplanar­ leitung ist Teil des Speiseleitungsnetzes. Er reicht bei dem Beispiel nach Figur I bis zu der der Eintrittsseite gegenüberliegenden Umrandung des Schlitzgebildes und geht in die Umrandung über.

Die Länge 1 der Streifenleitungsstrahler wird so gewählt, daß die Strahler in der Nähe ihrer Halbwellen-Resonanz betrieben werden. Die Breite b sollte nicht zu gering bemessen sein, um eine hohe Strahlungsleistung zu gewährleisten; sie sollte aber die (transversale) Resonanzlänge nicht übersteigen.

Die Stärke der Kopplung zwischen dem Schlitz 3 und den Sekundärstrahlern 4 hängt vor allem von der Dicke a des Plattenmaterials 1 (Abstand zwischen Primär- und Sekundär­ strahlern in Strahlungsrichtung) und seiner relativen Dielektrizitätskonstante sowie von der Position der Streifen­ leitungsstrahler in Relation zum Schlitz ab.

Die Abstrahlung über die Speiseleitung wird allein schon durch die Integration des Netzes in die Masse-Ebene - und durch die dort vorhandenen günstigen Platzverhältnisse für die Ausbildung von Koplanarleitungen - gegenüber der gemeinsamen Anordnung der Speiseleitungen und der Strahler in einer Ebene wirkungsvoll verringert.

Wenn man die Abstrahlung über die Speiseleitungen und den Schlitz 3 in die der Strahlungsrichtung entgegengesetzte Richtung gänzlich ausschließen will, ordnet man hinter der Masse-Ebene 2, planparallel dazu und etwa in einem Abstand von A = 1/4 der Wellenlänge λ bei mittlerer Betriebsfrequenz, eine zusätzliche Masse- und Reflexionsfläche 5 an. Sie ist von der Masse-Ebene 2 durch ein Dielektrikum 7 getrennt, z. B. einen geeigneten Kunststoff.

Wie schon dargelegt, kann ein ausreichender Abschirmungs­ effekt nach "rückwärts" jedoch weitgehend auch durch Beeinflussung des Felds über eine geeignete Geometrie und Zuordnung der Funktionselemente des erfindungsgemäßen Antennenaufbaus, ohne die zusätzliche Metallfläche, erzielt werden.

Im folgenden werden Varianten von Elementen der Grundstruktur erläutert. Sie können als Abwandlung einzeln oder in Verbindung miteinander vorgesehen werden.

So zeigt Fig. 2 zusätzliche Beispiele für die Speisung des Schlitzstrahlers. Entgegen der Ausführung in Fig. 1 endet bei der Ausführung nach Fig. 2a der Leitungszug 6.1, mit einem Überstand (stub) x, innerhalb der Schlitzfläche. Zwischen dem Leitungsende und dem korrespondierenden Schlitzrand bildet sich, abhängig vom Abstand, kapazitive Endkopplung aus, über die der Fußpunktwiderstand der Antenne eingestellt werden kann.

Man kann das Speiseleitungsnetz ebenso als Mikrostreifen­ leitung oder - wenn der höhere Aufwand in Kauf genommen wird - in Triplate-Technik ausführen. So ist bei dem Beispiel nach Fig. 2b der Leitungszug 6.2 in das Dielektrikum zwischen der Masse-Ebene 2 und der Masse- und Reflexions­ fläche 5 eingebettet. Es wird also schon die Schlitzantenne 3 durch kapazitive Kopplung gespeist. Auch hier ist ein Überstand x vorgesehen, mit dem die Anpassung abgeglichen werden kann.

Als weitere Kennwerte, mit denen sich das Impedanzniveau der erfindungsgemäßen Anordnungen beeinflussen läßt, seien in diesem Zusammenhang die Länge L und die Breite B des Schlitzstrahlers 3 sowie die Dicke a und die relative Dielek­ trizitätskonstante ε_r des Plattenmaterials 1 genannt.

Fig. 3 zeigt eine Gruppenantenne mit einem Schlitzstrahler, der aus zwei Teilflächen mit trapezartigen Umrissen gebildet ist, d. h. die Schlitzbreite ändert sich beiderseits des Speisepunkts linear. Damit kann zum einen die Ankopplung der Sekundärstrahler differenziert vorgegeben werden; zum anderen erhält man eine größere Bandbreite der Gesamtanordnung. Der Gewinn ist über ein weites Band nahezu frequenzunabhängig. Als Nachteil dieser Variante ist zu verzeichnen, daß hier Kreuzpolarisation nicht wie in dem sonst für die Erfindung typischen Maß ausgeschlossen werden kann.

In Fig. 4 werden Varianten der Gruppenbildung mit Streifen­ leitungsstrahlern geringer Breite gezeigt. Mit der band­ artigen Ausbildung der Sekundärstrahler wird die Anregung von Querströmen unterdrückt, und zwar umso stärker, je schmaler die Flächen sind. Diese Maßnahme trägt zusätzlich zur Unterdrückung von Kreuzpolarisation und zur Erhöhung des Gewinns bei.

Gleichzeitig mit den Querströmen werden die transversalen Resonanzen unterdrückt. Man kann deshalb eine größere Zahl Einzelstrahler je Gruppe aneinanderreihen, wie in Fig. 4c gezeigt.

Die einzelnen Streifen werden in der Nähe ihrer Resonanz­ frequenz betrieben. Diese wird durch Länge und Breite des Streifens bestimmt und kann für die Einzelstrahler innerhalb einer Gruppe auch unterschiedlich gewählt werden. Mit der Differenzierung der Streifenabmessungen läßt sich die Strahlungscharakteristik der Gruppe (oder des subarray) bzw. eines Antennenfelds (array) beeinflussen.

Weitere Einflußfaktoren sind die Zahl der Sekundärstrahler und die von ihnen bedeckte Fläche sowie der Abstand zwischen jedem Streifenleitungsstrahler (schlitzseitiges Ende) und dem Rand des Schlitzstrahlers (in der Projektion gesehen) - mit dem die Kopplung jedes Sekundärstrahlers separat eingestellt werden kann.

Bei den Varianten nach Fig. 4 wurde für diesen Abstand ein einheitliches Maß gewählt. Bei konstantem Abstand nimmt die Anregung der Sekundärstrahler entlang des Schlitzes nach den Schlitzenden hin ab. Dadurch wird in der H-Ebene die Bildung von Nebenkeulen unterdrückt.

In Fig. 5a wird eine Gruppenantenne mit Anordnung der Sekundärstrahler in zwei Ebenen oder Lagen gezeigt, wie sie, vom Prinzip der Speisung abgesehen, bekannten Lösungen des Stands der Technik entspricht. Dabei können auch weitere parasitäre Strahler 8 an den Ecken der Sekundärstrahler 4 vorgesehen werden, und man kann auch weitere Strahlerebenen vorsehen. Die Strahler 4 stellen für die Strahler 8 quasi die "Primärstrahler" dar, und die Strahler 8 sind ihrerseits "Primärstrahler" für die Anordnung der darüberliegenden Ebene. Das ist eine bekannte einfache Maßnahme zur Vergrößerung der Strahlerfläche der Gruppe und zur Erhöhung des Gewinns; sie wird jedoch - wie ebenfalls bekannt - mit einer Vergrößerung der Nebenkeulen in der H- und der E-Ebene und einer Zunahme der Kreuzpolarisation erkauft.

Ein konsequente Verwirklichung des vorliegenden Erfindungs­ prinzips stellt im Gegensatz dazu die Anordnung nach Fig. 5b dar. Die Strahler 8 sind, den schon erwähnten Spezifika der Feldbildung am Schlitz und zwischen Schlitz- und Streifen­ leitungsstrahlern folgend, in einer Art Reihung an die Strahler 4 angebunden. Die Nachteile der Anordnung nach Fig. 5a treten nicht auf. Gleichzeitig wird ein hoher Flächen­ wirkungsgrad erzielt.

Die in den Abbildungen - beispielhaft - gezeigten Antennen­ konfigurationen können, wie mehrfach angedeutet, zu größeren Feldern zusammengefügt werden. Dabei gelten die erfindungs­ gemäßen Regeln für den grundsätzlichen Antennenaufbau ebenso wie für die maßlichen Parameter und die Verhältnisse der Maße und die jeweilige Zuordnung entsprechend.

Mit den hier gezeigten Ausführungsvarianten wird auch nicht die ergänzende Anwendung bekannter und bewährter Detail­ lösungen zur Erfüllung spezieller Forderungen ausgeschlossen, wie etwa - um nur ein Beispiel zu nennen - die besondere Abschirmung der Speiseleitungen unterhalb der Masse-Ebene 2 durch Trogstrecken-artige Metallisierungen oder die Anordnung von Hohlraumresonatoren unterhalb der Schlitzstrahler 3.

Claims (9)

1. Planarantenne, bestehend aus mehreren, über einer Masse-Ebene (ground plane) als Gruppe angeordneten und zu der Masse-Ebene planparallelen rechteckigen Einzelstrahlern in Streifenleitungstechnik (patches), wobei die Masse-Ebene und die Strahler vorzugsweise als beidseitige Oberflächenmetallisierungen einer Platte aus dielektrischem Material ausgebildet sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - die Gruppe der Streifenleitungsstrahler (4) wird über einen Schlitzstrahler (3) gespeist, der als Aussparung in der Masse-Ebene (2) ausgebildet ist, wobei der Schlitzstrahler als Primärstrahler und die Streifen­ leitungsstrahler als Sekundärstrahler wirken,
• - mit den Vorzugsparametern Dicke der Platte (1) a≈ 1/10 der der mittleren Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge λ, Länge des Schlitzstrahlers (3) L≈ 2 × 1/2 λ, Breite des Schlitzstrahlers (3) B≈ 1/10 λ, Länge eines Streifenleiterstrahlers (4) 1 = 1/2 λ, Breite eines Streifenleiterstrahlers (4) b < 1/2 λ, wird erreicht, daß die Abstrahlung des Schlitzstrahlers (3) nach der den Streifenleitungsstrahlern (4) abge­ wandten Seite der Platte (1) klein ist, oder es wird auf der Seite der Masse-Ebene (2) mit einem Abstand zur Masse-Ebene (2) von vorzugsweise A≈ 1/4 λ und planparallel dazu eine zusätzliche Masse- und Reflexionsfläche (5) vorgesehen,
• - der Schlitzstrahler (3) wird über eine ebenfalls in die Masse-Ebene (2) integrierte planare Mikrowellen­ leitung gespeist, vorzugsweise eine Koplanarleitung (6),
• - bei Zusammenfassung mehrerer Gruppen von Streifen­ leitungsstrahlern (4) zu einem Antennenfeld wird jede Strahlergruppe über einen separaten Schlitzstrahler (3) gespeist, wobei die Schlitzstrahler über ein in die Masse-Ebene (2) integriertes Speiseleitungsnetz mit einem gemeinsamen Anschluß- oder Fußpunkt verbunden sind.

2. Planarantenne nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Schlitzstrahler (3) mit über die gesamte Länge (L) konstanter Breite (B).

3. Planarantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schlitzstrahler (3) mit über seine Länge unterschiedlicher Breite, wobei die Breitenänderung linear, gestuft oder mit einer Krümmung und vorzugsweise symmetrisch zu den Achsen der Schlitzfläche erfolgt.

4. Planarantenne nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Speisung des Schlitzstrahlers (3) über eine Koplanarleitung (6) der Leitungszug (6.1) innerhalb der Schlitzfläche, mit einem Abstand zur Umrandung, endet, oder daß der Leitungszug (6.1) bis an die der Eintrittsseite gegenüberliegende Umrandung geführt ist und in diese einmündet.

5. Planarantenne nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Vorhandensein der zusätzlichen Masse- und Reflexionsfläche (5) die Speiseleitung in der Art einer "Triplate"-Leitung, mit einem Leitungszug (6. 2) auf einem Niveau zwischen der Masse-Ebene (2) und der Masse- und Reflexionsfläche (5), ausgebildet sein kann oder daß sie als Mikrostreifenleitung ausgebildet ist.

6. Planarantenne nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Maß (x), mit dem der Leitungszug (6.1) über die Schlitzumrandung in die Fläche des Schlitz­ strahlers (3) hinein- oder der Leitungszug (6.2) über die Schlitzumrandung hinausragt, der Fußpunkt- oder Anschlußpunktwiderstand der Strahlergruppe eingestellt wird.

7. Planarantenne nach Anspruch 1 bis 4 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beiderseits einer Masse-Ebene (2) mit in die Metallisierung integrierten Speiseleitungen (6) und Schlitzstrahlern (3) dielektrische Platten (1) oder Zonen und an den Außenflächen Streifenleitungsstrahler (4) angeordnet sind und daß die doppelseitige Anordnung zwei konträre Strahlungsrichtungen aufweist.

8. Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrlagiger Ausbildung der Streifenleitungs­ strahler-Gruppe die Sekundärstrahler (8) einer Ebene, die durch kapazitive Kopplung an Sekundärstrahler (4) der schlitznäheren Ebene angeregt werden, vorzugsweise ohne seitlichen Versatz in Reihung zu den Strahlern (4) angeordnet sind.

9. Planarantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Streifenleitungsstrahler mit im Verhältnis zur Länge (1) geringer Breite (b), wobei die Breite vorzugsweise zwischen b = 1/20 und 1/10 λ liegt und der Abstand zwischen den Strahlern bei Anordnung als Gruppe vorzugsweise y = 0,1 bis 1,0 mm beträgt.