DE2814505A1

DE2814505A1 - Antennenanordnung fuer einen vorgegebenen frequenzbereich mit entsprechenden resonanzraeumen

Info

Publication number: DE2814505A1
Application number: DE19782814505
Authority: DE
Inventors: Robert E Munson; Gary G Sanford
Original assignee: Ball Corp
Current assignee: Ball Corp
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-12
Also published as: NL7803454A; JPS53146555A; FR2386154A1; IT1102146B; FR2386154B1; US4131893A; IT7848668A0; GB1574196A

Description

PFENNING · MAAS · SEILER · MEINIG

PATENTANWÄLTE BERLIN · MÜNCHEN · AUGSBURG

Patentanwälte · Kurfürstendamm 170 · D1000 Berlin 15

607752

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Me/St

LEMKE · SPOTT

28U505

J. Pfenning, Dipl.-Ing. ■ Berlin Dr. I. Maas, Dipl.-Chem. ■ München

H. Seiler, Dipl.-Ing. · Berlin

K. H. Meinig,Dipl.-Phys. - Berlin

J. M. Lemke, Dipl.-Ing. · Augsburg Dr. G. Spott, Dipl.-Chem. · München

BÜRO BERLIN: Kurfürstendamm D 1000 Berlin 15

Telefon:

030-8812008/8812009

Telegrammadresse: Seilwehrpatent

Berlin
Date

31. März 1978

BALL CORPORATION 345 South High Street, Muncie Indiana 47302, V.St.A.

Antennenanordnung für einen vorgegebenen Frequenzbereich mit entsprechenden Resonanzräumen

S09S41 /0973

28H505

9.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antennenaufbau nach Art eines Mikrowellen-Resonanzstrahlers mit entsprechenden Resonanzhohlräumen. Derartige Mikrostreifenstrahler sind im Mehrfachaufbau durch eine bestimmte Formgebung und Dimensionierung gekennzeichnet und durch leitende Oberflächen, die über einer Basisplatte aus dielektrischem Material liegen, wobei sich Ebenen aus leitendem Material und aus nichtleitendem dielektrischen Material,im Aufbau von der Grundplatte ausgehend, abwechseln. Mikrowellen-Resonanzstrahler können sowohl aus einer einzelnen oder einer Folge von Platten bestehen, die aus mit leitenden Schichten laminierten, dielektrischem Material durch Anwendung herkömmlicher Fotosetzverfahren gefertigt werden. Die Flächendxmensionierung der einzelnen Antennenelemente ist so gewählt, daß eine ihrer Kantenlängen einem ganzzahligen Vielfachen eines Teils, welches vorgegeben ist, der Wellenlänge der Signalfrequenz beziehungsweise dieser selbst innerhalb des Dielektrikums entspricht, während die Dicke der dielektrischen Schicht sich durch einen Bruchteil dieser Wellenlänge definiert. Ein Resonanzhohlraum wird zwischen dem Mikrostreifen beziehungsweise dem abstrahlenden Element und der Grundplatte vorgegeben, wobei die Kanten des abstrahlenden Elements, die sich bezüglich ihrer Länge nicht in Resonanz mit der Frequenz befinden, eine schlitzförmige Abstrahlöffnung zwischen der Kante des abstrahlenden Elements und der darunterliegenden

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Oberfläche der Grundplatte definieren.

Schwierigkeiten ergaben sich bei den bisherigen Antennenanordnungen insbesondere infolge ihrer zwangsläufigen minimal möglichen Bemaßungen. Vorgegeben ist die effektive Resonanzdimensionierung des Resonanzraumes durch die Abstrahlungselemente, die im allgemeinen "E-Ebene-Dimension" genannt wird. Dieser Wert muß näherungsweise einem vorgegebenen Teil einer Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Antenne in dem Dielektrikum entsprechen. Es wurde bisher stets angestrebt, die Größe beziehungsweise die Abmessungen der Antennenelemente dadurch zu verkleinern, daß man dielektrische Materialien verwendete, die sich durch hohe Dielektrizitätskonstanten auszeichnen, um hierdurch die Resonanzfrequenz innerhalb des Dielektrikums zu verkleinern, was wiederum zu einer geringeren Resonanzdimension führt. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch insofern nachteilig, als die Verwendung von Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante den Konduktanζverlust innerhalb des Hohlraums erhöhen, was wiederum zu einer längeren Dimensionierung der Nichtresonanzseite führt oder aber zu einer merklich niedrigeren Leistung der Antenne oder zu beidem.

Die Ausdehnung der nichtresonanten Dimension der Antenne wird gewöhnlich die "H-Ebene-Dimension" genannt, und sie ist bei den meisten Ausführungsformen durch die Abstrahlweite der

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Antenne und ihre Effizienz vorgegeben. Der Wirkungsgrad der Antenne wird gewöhnlich durch das Verhältnis der aktuellen und tatsächlich abgestrahlten Energie zu der der Antenne zugeführten Energie dargestellt, wobei die Einspeisungsenergie unter Vernachlässigung irgendwelcher reflektierten Anteile im wesentlichen gleich der Summe der abgestrahlten Energie und des Energieverlustes ist, der durch Wärmeverluste im Dielektrikum entsteht. Der äquivalente Schaltkreis des Antennenelements kann bezüglich der Energieverluste ausgedrückt werden als eine parallele Kombination eines Abstrahlwiderstands und des dielektrischen Widerstandsverlustes, wobei der Abstrahl- und dielektrische Widerstandsverlust als Widerstände definiert werden, die, wenn sie in Reihe mit dem Antennenelement liegen, ' den gleichen Energiebetrag aufnehmen beziehungsweise verbrauchen würden, wie von dem Element tatsächlich abgestrahlt wird und wie sie durch das Dielektrikum verlorengeht. Die Abstrahlenergie und der dielektrische Verlust sind umgekehrt proportional zu den betreffenden Werten der Abstrahl- und Verlustwiderstände. Der Abstrahlwiderstand ist seinerseits umgekehrt proportional zur Ausdehnung der nicht in Resonanz sich befindlichen Dimension des Antennenelements. Für ein vorgegebenes Dielektrikum ist die gewünsche Effektivität damit die bestimmende Größe der minimalen, nicht in Resonanz stehenden Dimension des Antennenelements. Darüber hin-

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■ /ia.

aus sind noch eine Reihe verschiedenster Kriterien für die
Herabsetzung der gewünschten Dimensionierungen der Antennenelemente vorhanden und die geforderte effektive Resonanzausdehnung des Antennenelements bestimmt sich durch die Wellenlänge des Resonanzfrequenzsignals in dem Dielektrikum, wobei -wie bereits erwähnt- Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante eine Herabsetzung der Wellenlänge bedingen und ein niedriger Widerstandsverlust eine Vergrößerung der Ausdehnung des Elements bezüglich seiner nicht in Resonanz stehenden
Dimension fordert.

Es sollte in diesem Zusammenhang Erwähnung finden, daß
minimale Abmessungen zu Schwierigkeiten bezüglich der
Anbringung führen, wenn eine große Multiplizität der Abstrahlungselemente gewünscht ist, aber ein begrenzter Raum
für Antennenelemente häufig nur verfügbar ist, beispielsweise für eine Sprechanlage oder dergleichen Antenne für ein
Kommunikationssystem, das in einem Astronautenanzug unterzubringen ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung geht von einer Antennenanordnung aus, die bei einer vorgegebenen Frequenz arbeitet
und sich durch folgende Vorrichtungselemente kennzeichnet:

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28U505 - νί -

•43.

Ein erstes leitendes Element mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte, ein zweites leitendes Element mit einer Mehrzahl vorstehender Abschnitte, wobei die vorstehenden Abschnitte der ersten und zweiten leitenden Elemente abwechselnd ineinandergreifen,^ Übereinanderanordnung liegen und ihr Abstand untereinander durch die Dicke einer dielektrischen Schicht vorgegeben ist und wobei die ersten und zweiten leitenden Elemente einen Resonanzhohlraum zwischen den vorstehenden Abschnitten definieren, dessen Länge nicht langer als etwa eine Wellenlänge eines Antennensignals ist, welches sich in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Frequenz in dem dielektrischen Material befindet und annähernd gleich einem vorgegebenen Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge des genannten Signals mit der vorgegebenen Frequenz in dem genannten Dielektrikum.

Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit vorgegebener Arbeitsfrequenz wird eine solche geschaffen, die sich durch Resonanzhohlräume kennzeichnet zwischen wenigstens zwei leitenden Schichten der Antennenanordnung und eine Abstrahlöffnung vorgibt, die zwischen den Kanten wenigstens eines der leitenden Ebenen und einer weiteren Ebene liegt, wobei der Resonanzhohlraum eine Resonanzausdehnung in Längsrichtung aufweist, die etwa gleich einem vorgegebenen Mehrfachen eines Viertels einer Wellenlänge ist, die der vorbe-

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stimmten Frequenz gehört und wobei diese Resonanzdimension nicht langer als eine ganze Wellenlänge der vorgegebenen Frequenz ist. Der Resonanzhohlraum ist entlang wenigstens einer Achse, die quer zu seiner Resonanzlänge liegt, um- beziehungsweise in sich zurückgefaltet, so daß die Längenbemessung der Antenne dadurch entsprechend herabgesetzt wird.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß eine Antennenanordnung mit einer ersten und zweiten leitenden Schicht geschaffen, bei der die Schichten im wesentlichen parallel zueinander und durch ein dielektrisches Material getrennt voneinander liegen und einen Resonanzhohlraum zwischen sich bilden mit Abstrahlschlitzen in Längsrichtung im Abstand zueinander, und zwar bei einer vorgegebenen Entfernung von annähernd gleich einer halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz und wobei die leitenden Schichten und das dielektrische Material entlang wenigstens einer Achse parallel zu wenigstens einer der Abstrahlungsschlitze umgeknickt beziehungsweise umgefaltet sind, was zu einer Herabsetzung der Längsausdehnung der gesamten Antennenanordnung führt. Die erfindungsgemäß ausgebildete Antennenanordnung mit einem ersten leitenden Antennenelement, welches von einem zweiten leitenden Antennenelement durch eine dielektrische Materialschicht getrennt ist, ist so ausgebildet, daß die genannten beiden leitenden Elemente einen Halbwellen-

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resonanzhohlraum zwischen wenigstens einem Abstrahlfenster beziehungsweise der besagten Schlitzöffnung definieren, und wobei jedes der beiden leitenden Elemente aus einer Vielzahl von leitenden Schichten zusammengesetzt sein kann, die mit wenigstens einem weiteren leitenden Element oder dergleichen Schicht miteinander verbunden sind. Die Vielzahl der Schichten der ersten und zweiten leitfähigen Elemente sind in alternierender übereinanderanordnung voneinander durch das dielektrische Material getrennt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, die jedoch nur beispielsweise den allgemeinen Erfindungsgedanken wiedergeben können. Es bedeutet:

Fig. 1 eine perspektivische Wiedergabe einerMikrostreifenantenne mit verminderter Ausdehnung bezüglich ihrer Nichtresonanzdimension,

Fig. 2 Schnittdarstellungen eines gefalteten Mikrostreifen-

Fig. 3 abstrahlungselements in Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines in besonderer Weise ineinandergefügten Antennenaufbaus, und

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■ Ab-

"Fig. 5 eine Mikrostreifenantenne für die Abstrahlung zirkulär polarisierter Radiosignale.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht dieses Ausführungsbeispiel aus einem ebenen leitenden Abstrahlungselement 10, das isoliert durch ein dielektrisches Material 14 pasLlel im Abstand von einer leitenden Grund- oder Basisplatte 12 (siehe Fig. 2) gehalten ist. Signale mit einer vorgegebenen Arbeitsfrequenz werden dem abstrahlenden Element 10 und der Grundplatte 12, beispielsweise über das dargestellte Coaxialkabel 16, zugeführt. Das Coaxialkabel 16 ist vorzugsweise an einem Punkt mit dem Strahlungselement 10 galvanisch verbunden, indem die Impedanz des Elements 10 gleich der Impedanz des Coaxialkabels ist (im allgemeinen 50 0hm). Das Element 10 ist, wie die Figurendarstellung zeigt, rechtwinklig ausgebildet, wobei seine Dimensionierung durch die Kantenlängen 22 und 24 definiert ist, von der die eine die Resonanzlänge bildet, die im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der abzustrahlenden Frequenz in dem Dielektrikum 14 ist. Als Beispiel sei genannt der Wert 0,45 der Wellenlänge der Signalfrequenz im freien Raum. Das dielektrische Material 14 ist so gewählt, daß es einen Bruchteil der Wellenlänge, beispielsweise das 0,002-fache der Wellenlänge im freien Raum der Resonanzfrequenz vorgibt. Zwischen dem Abstrahlungselement 10 und der Basisplatte 12 befindet sich ein Resonanzhohlraum, der durch die

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Abstrahlungsschlitze 28 und 30 zwischen den Kanten 24 und 26 und der Basisplatte 12 vorgesehen ist.

Das verwendete dielektrische Material 14 ist vorzugsweise ein solches von niedriger Dichte und geringem Dehnungsschwund beziehungsweise kleinem Ausdehnungskoeffizienten, was sich beispielsweise mit einer aufgeschäumten Masse oder einer wabenartigen oder auch waffelartigen Struktur erreichen läßt. Das Dielektrikum weist somit eine Vielzahl von Poren auf, die seine gewisse Steifigkeit,seine geringe Dichte, sein kleines spezifisches Gewicht und den schrumpffreien Aufbau gewährleisten. Derart aufgeschäumtes dielektrisches Material besitzt jedoch im allgemeinen eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als nicht aufgeschäumtes oder auf eine andere Weise aufgeblähtes dielektrisches Material, so daß bei bekannten Antennenaufbauten der hier interessierenden Art als Dielektrikum ein Teflon-Glasfaserprodukt Anwendung findet. Die Verwendung eines aufgeschäumten oder anderweitig im Volumen expandierten Dielektrikum bedeutet grundsätzlich die Verlängerung der effektiven Resonanzlänge und damit eine Vergrößerung der Antennendimensionierung. Erfindungsgemäß wird hier Abhilfe geschaffen, da herausgefunden wurde, daß der Verlust des Widerstandswertes eines im Volumen expandierten dielektrischen Materials etwas größer ist, als derjenige von nichtexpandiertem Dielektrikum, was für die Herabsetzung des

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Minimums der nicht in Resonanz mit der Signalfrequenz dimensionierten Abmessung der Antenne ausgenutzt werden kann. Die Vergößerung der Abmessung der Resonanzdimension beziehungsweise der entsprechenden Kantenlänge der Antenne überschreitet die erforderliche Verringerung der Dielektrizitätskonstanten. Wenn beispielsweise die Abmessung der nicht in Resonanz mit der Signalfrequenz stehenden Kantenlänge so gewählt wird, daß sie dem 0,1-fachen der Wellenlänge der Signalfrequenz im freien Raum entspricht, dann ist dieses im Vergleich zu den bekannten Ausfuhrungsformen dort nur möglich, mit dem 0,3 bis 0,9-fachen der Wellenlänge außerhalb des Dielektrikums, also im freien Raum. Erfindungsgemäß wird es möglich, ein Abstrahlungselement für Antennen zu schaffen, welches bezüglich seiner planebenen Ausdehnung herabgesetzt ist, und zwar unter Verwendung eines im Volumen expandierten, also beispielsweise aufgeschäumten, dielektrischen Materials und bei Verkürzung der nicht in Resonanz der Abstrahlungsfrequenz stehenden Längenabmessung. So ist beispielsweise ein Abstrahlungselement gegebener Effektivität bei der Verwendung von Teflon-Faserglas als Dialektrikum gekennzeichnet durch seine .0,15-fache Kantenlänge der Wellenlänge im freien Raum, während ein Abstrahlungselement dieser Effizienz nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit verringerter Ausdehnung über seine nicht in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz stehenden Kantenlänge durch das nur 0,05-fache der Wellenlänge im feien

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■ Al

Raum gekennzeichnet ist, daß heißt, daß sich eine Reduzierung um einen Faktor, der in der Größenordnung von 3 liegt, erreichen läßt.

Die Verringerung der Ausdehnung in der Ebene für ein Abstrahlungselement wird erfindungsgemäß durch Falten beziehungsweise Umlegen des Resonanzhohlraumes zusammen mit den Elementen erreicht. So kann beispielsweise der Hohlraum entlang einer oder mehrerer Achsen im Querschnitt gesehen zweimal rechtwinklig abgewinkelt werden, wobei diese Achsen parallel zu der Dimension des Antennenelements liegen, also zu der mit der Abstrahlungsfrequenz in Resonanz stehenden Länge desselben, wobei das Umfalten so vorgenommen wird, daß sich ein schichtartiger beziehungsweise aus mehreren Lagen bestehender Aufbau ergibt. Die Reduzierung der Abmessung der Ebene des Antennenelements läßt sich alternativ erreichen durch ein Umfalten in der Weise, daß sich im Querschnitt eine V- oder U-Form ergibt.

In den Fig. 2 und 3 sind solcte Antennenaufbauten im Querschnitt beziehungsweise perspektivisch wiedergegeben, wobei sich durch die dargestellte abwechselnd ineinandergefaltete und intermittierend ineinandergreifende Anordnung Resonanzhohlräume ergeben, bezüglich deren Ausgestaltung und Formgebund ausdrücklich auf die Zeichnung verwiesen wird. Bei den

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beiden Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 wird im Aufbau jeweils von einer Grund- oder Basisplatte 12 ausgegangen, über der schichtweise eine Mehrzahl in Längsrichtung ausgerichteter Antennenelemente 31 bis 35 liegen, von denen jedes zweite zwischengeschobene elektrisch über die beiden Seitenelemente 36 und 38 mit der Grundplatte verbunden ist. Das Abstrahlungselement 10 besteht aus einer Mehrzahl von im wesentlichen ebenen, in Längsrichtung ausgerichteten leitenden Flächen 40 bis 42, die jeweils alternierend zwischen den obengenannten Flächenelementen 31 bis 35 liegen, welche letzteren Teile der Grundplatte bilden, und die hiervon durch dielektrisches Material 14 getrennt sind, wobei die Verbindung der abstrahlenden Elemente 40 bis 42 galvanisch über eine vertikale Mittenfläche 44 in der dargestellten Weise hergestellt ist, die parallel zu den Seitenelementen 36 und 38 liegt. Die Öffnungen oder schlitzförmigen Ausnehmungen 28 und 30 ergeben sich durch die vertikale oberste Kante des Abstrahlungselements 10 beziehungsweise seiner obersten Ebene 42, an den sich gegenüberliegenden Kanten 24, 26, wie das gleichfalls deutlich aus der Querschnittdarstellung ersichtlich wird. Der Summenabstand von der Öffnung beziehungsweise dem Schlitz 28 zu dem Schlitz 30 durch das Dielektrikum 14 entspricht wenigstens in etwa der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Antenne im Dialektrikum. Das Abstrahlungselement 10 und die Grundplatte 12 geben somit in der dargestellten ineinander greifend gefalteten Form einen Resonanzhohlraum vor, der sich

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durch die Abstrahlungsschlitze 28 und 30 entlang der Kanten 24 und 26 des Abstrahlungselements 10 auf sich gegenüberliegenden Längsseiten des Antennenaufbaus zusätzlich kennzeichnet.

Ein derart ineinandergefalteter Antennenaufbau, wobei sich alternierend jeweils Teilflächen des Abstrahlungselements und der Grundplatte 12 im parallelen Abstand zueinander in übereinanderlage befinden, entspricht in seiner Gesamtheit einer ebenen Antennenausführung, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei man davon ausgehen kann, daß diese planebene Ausführung senkrecht zur Kantenlänge, die in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz steht und spiegelsymmetrisch entlang zweier parallel zueinander liegender Faltkanten,im Ausführungsbeispiel U-förmig, also zweimal jeweils im rechten Winkel umgefaltet werden,wobei diese Knick- oder Faltkanten wiederum parallel zu den Abstrahlungsschlitzen 28 und 30 liegen. SelbstverstäiöLich lassen sich auch Antennenaufbauten verwenden, die von dieser Grundidee ausgehend Resonanzhohlräume vorgeben, die aber in Abwandlung hierzu entlang einer größeren oder kleineren Zahl von Achsen oder Faltkanten umgefaltet werden, wobei diese Achsen auch nicht notwendigerweise parallel zu dem Abstrahlungs schlitz oder nicht senkrecht zu derjenigen Längskante liegen müssen, die in ihrer Dimensionierung nicht der Resonanzfrequenz entspricht. Zwar ist es nicht in jedem Anwendungsfall erforderlich, jedoch ist es besonders vorteilhaft und daher

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bevorzugt, eine Mehrzahl von Lagen der Antennenelemente übereinander zu schichten, so wie das in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist, und hierbei darauf zu achten, daß die Abstrahlungsschlitze auf sich gegenüberliegenden Längsseiten des Antennenaufbaus liegen.

Ein Abstrahlungssignal mit der vorgegebenen Arbeitsfrequenz der Antenne wird dem Abstrahlungselement über das Coaxialkabel 16 zugeführt, und zwar so, daß der mittlere Leiter des Kabels mit dem Abstrahlungselement 10 am Punkt 18 verbunden ist, der in seiner Impedanz derjenigen des Kabels entspricht. Das Kabel 16 ist - wie gezeigt - galvanisch über die Seiten des Antennenelements in der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Form verbunden. In Abweichung hiervon ist es jedoch selbstverständlich auch möglich, die Verbindung auf andere Weise herzustellen, beispielsweise über die Basis- oder Grundplatte 12 oder über diejenige Seite, die mit der Strahlungsfrequenz in Resonanz steht.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform des Antennenaufbaus mit fünf übereinandergeschichteten und alternierend ineinandergreifenden Ebenen über der Grundplatte mit der Länge L, die die Resonanzlänge bildet, und der Breite W, die diejenige Längenausdehnung vorgibt, die nicht in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz steht, kennzeichnet sich dadurch, daß die

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■Sß-

letztgenannte Dimension W in der Größenordnung des O,1-fachen der Wellenlänge im freien Raum der Arbeitsfrequenz liegt, während im Gegensatz hierzu eine vergleichbare nicht gefaltete, planebene Struktur, wie in Fig. 1 gezeigt, mit ihrer Dimensionierung bei dem 0,45-fachen der Wellenlänge im freien Raum liegt. Die Dicke H des übereinandergeschichteten Aufbaus liegt in der Größenordnung des 0,01-fachen der Wellenlänge im freien Raum im Gegensatz zu dem 0,002-fachen der im freien Raum gemessenen Wellenlänge eines ungefalteten Antennen elements.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 sind beide Seitenelemente aus der Grundplatte 12 in der dargestellten Weise herausgeformt und die in dieser Weise aus in unterschiedlichen Ebenen liegenden und durch den gefalteten Zustand definierten Resonanzhohlräume ergeben sich durch die abwechselnd ineinander-greifenden beziehungsweise übereinanderliegenden Strukturen der Teilflächen des Abstrahlungselements 10 und derjenigen der Grundplatte 12. Andere Ausführungsformen können darin bestehen, daß ein oder beide Seitenelemente nicht aus der Grundplatte herausgeformt sind, sondern aus dem abstrahlenden Element 10, so daß sich ein alternierender Schichtaufbau ergibt, bei dem eine Mehrzahl von vertikal angeordneten leitenden Elementen in Verbindung miteinander über in Längsrichtung ausgerichtete Glieder

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"stehen. Des weiteren können die leitenden Schichten neben der im Ausführungsbeispiel gezeigten planebenen Ausführung auch gebogen sein, und es sind auch Anwendungsbeispiele denkbar, bei denen die leitenden Schichten nicht notwendigerweise sich entsprechende Abmessungen in der Ebene haben müssen. Auch wird auf Ausführungsbeispiele ausdrücklich verwiesen, in denen der Zwischenraum zwischen den einzelnen leitenden Schichten nicht gleichbleibend, also konstant, sein muß.

Zur genauen Ausrichtung und Sicherstellung des Abstands zwischen dem aus mehreren Ebenen bestehenden Formkörper der Grundplatte 12 und dem wiederum aus mehreren Ebenen bestehenden Formkörper des Abstrahlungselements 10 können vorteilhaft, wie Fig. 4 zeigt, nichtleitende Abstandshalter 46 und 48 vorgesehen werden, die die Dicke des Dielektrikums 14 definieren. Im Ausführungsbeispiel sind diese nichtleitenden Abstandshalter 46 und 48 zwischen der unteren Basisplatte (hier dem Element 35) und der Ebene 40 des Abstrahlungselements vorgesehen, es ist jedoch auch denkbar, diese Teile zwischen anderen Ebenen zu positionieren. Die leitenden Flächen des abstrahlenden Elements 10 und der Grundplatte 12, zwischen denen die Abstandshalter in Stellung gebracht werden, müssen jedoch ausreichend steif genug sein, um vor dem Einbringen des Dielektrikums den dargestellten Aufbau unver-

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ändert zu halten. Für den Fall, daß ein festes oder ein aufgeschäumtes oder auch auf andere Weise aufgeblähtes oder im Volumen expandiertes Dielektrikum verwendet wird, wird es möglich, die leitenden Schichten extrem dünn zu halten, da das Dielektrikum in diesem Falle als das den Aufbau stützende und haltende Element wirkt.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigte, ineinandergreifende beziehungsweise alternierend in ihrer Schichtung übereinanderliegende Struktur der Grundplatte, wie auch des Abstrahlungselements, läßt sich ganz allgemein sowohl für elliptisch als auch für zirkulär polarisierte Signalabstrahlungbenutzen und ist hierfür sogar besonders vorteilhaft. Die zirkuläre oder elliptische Polarisation wird im allgemeinen mit flachen, abstrahlenden Elementen erreicht, indem gleiche Amplitudensignale in ihrer Phase jeweils um 90° zueinander verschoben, aneinander angrenzenden senkrecht zueinander liegenden Kanten des Elements zugeführt werden. Diese bekannte Technik ist für die hier beschriebenen gefalteten Antennenelemente nicht anwendbar. Um zirkulär oder elliptisch polarisierte Wellen zu erhalten, muß man sich hier zweier Antennenstrukturen nach Fig. 3 bedienen, die - wie in Fig. 5 gezeigt - um 90° zueinander verdreht übereinander anzuordnen sind. Die phasenverschobenen Signale werden beispielsweise durch eine phasenverschiebende Gabelschaltung 50 erzeugt und über zwei Coaxial-

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kabel 56 und 58 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise rechtwinklig zueinander den beiden übereinanderliegenden Antennenstrukturen 52 und 54 zugeführt. Wegen eines Maskierungseffekts für die Abstrahlung durch das obere Element hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Hohlräume so zu dimensionieren, daß sie in etwa der halben Wellenlänge entsprechen, wobei die beiden Abstrahlungsschlitze auf gegenüberliegenden Seiten der Elemente liegen. Die Coaxialkabel sind an den vertikalen Seitenflächen der Nichtresonanzlängen der entsprechenden Elemente zugeführt, und sie können in der dargestellten Weise senkrecht abgebogen nach unten geführt werden, ohne daß irgendwelche Interferenzen mit der Arbeitsfrequenz im Bereich der Abstrahlungsöffnungen 60 bis 63 auftreten. Die Dicke T der übereinander angeordneten Antennenaufbauten liegt im allgemeinen in der Größenordnung des O ,O2-fachen Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Antenne im freien Gaurn.

Antennenaufbauten der vorstehend beschriebenen Art wurden gebaut und haben sich besonders bewährt für Arbeitsfrequenzen zwischen 259,7 MHz bis 296,8 MHz. ÄStennenaufbauten entsprachen hierfür der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 und für die Erzeugung von zirkularpolarisierten Wellen wurden sie in der gemäß Fig. 5 gezeigten Weise übereinandergeordnet. Die erreichten Abstrahlungswerte wurdaibei etwa 80 % sphärischem

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Abstrahlungswinkel mit -10 db angegeben. Die physikalischen Abmessungen des Antennenaufbaus liegen bei 6x18x3 inch (15,24x45,72x7,62cm) und das Gewicht bei weniger als 0,45 Kg. Die leitenden Schichten bestanden aus Aluminium einer Dicke von 0,005 bis 0,20 inch (o,o127 χ o,5o8 cm ). Diese Aluminiumflächen wurden in der alternierend übereinanderliegenden Weise angeordnet, hartgelötet oder miteinander verschweißt und feuerverzinnt oder auf andere Weise mit Zinn überzogen. Nachfolgend wurde dieser Aufbau der leitenden Schichten in eine Form eingebracht und der Abstand zwischen ihnen mit flüssigem expandierbarem Isolierharz ausgefüllt. Nach der Aushärtung des Harzes ergab sich eine starre, einheitliche Form.

Neben dieser Herstellungsweise ist es möglich, den Schichtaufbau auch durch die bekannte Sandwich-Herstellungsweise vorzunehmen, also dadurch, daß jede der Schichten nacheinander aufgetragen wird, oder daß nach Herstellung des leitenden Schichtaufbaus ein wabenartiges oder zelliges Material zwischen die leitenden Schichten eingebracht wird.

Für die genaue Lage der einzelnen Flächen übereinander war zur Eichung des Abstands in Verbindung mit Fig. 4 von Abstandshaltern gesprochen worden. In einem Ausführungsbeispiel wurde bei Verwendung solcher Abstandshalter für die leitenden Flächen Messingplatten einer Dicke verwendet, die in der

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Orößenordnung von 0,020 inch lag ( o,o5o8 cm ), wobei der Abstand zwischen den alternierend übereinandergeschichteten Teilflächen bei 0,1 inch ( ο,254cm)gehalten wurde und die Abstandshalter dadurch realisiert wurden, daß quer durch die Flächen Nylonschrauben gedreht wurden.

Abschließend soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß die effektiven Längen der oben beschriebenen Antennenaufbauten nicht unbedingt bei einer halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz liegen müssen, sondern sie können beispielsweise auch eine viertel Wellenlänge ausmachen oder dergleichen mehr. Auch Viertelwellenlängenresonanzräume sind bei brauchbarer und vergleichbarer Impedanzbegrenzung, insbesondere für kurze Schaltkreise, gut geeignet, was entsprechend auch für Längenabmessungen zutrifft, die einer vollen Wellenlänge der Arbeitsfrequenz entsprechen, wobei jeweils die Abstrahlungsschlitze sich gegenüberliegen.

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. 39·.

Leerseite

Claims

28U505 ANSPRÜCHE

1. 'Antennenanordnung mit wenigstens einem abstrahlenden Element und einem zweiten hiervon getrennt liegenden weiteren leitenden Element in Form einer Grundplatte oder dergleichen, wobei die Antenne für eine vorgegebene Arbeitsfrequenz ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das abstrahlende Element 1o aus einer Mehrzahl von in unterschiedlichen Ebenen liegenden Teilflächen 4o bis 44 und das zweite Leitelement gleichfalls aus seichen in unterschiedlichen Ebenen liegenden Teilflächen 31 bis 3E besteht, wobei die genannten Teilflächen der beiden leitenden Elemente 1o und 12 im Querschnitt ineinandergreifend bzw. alternierend übereinander angeordnet sind und zwischer ihnen ein Abstand vorgegeben ist, der mit dielektrischem Material 14 beaufschlagt ist, und wobei die beiden leitenden Elemente 1o und 12 keinen Resonanzhohlraum zwischen den genannten Teilflächen definieren, dessen Länge nicht länger als annähernd die halbe Wellenlänge der Arbeitsfrequenz bzw. eines entsprechenden Signales in dem dielektrischen Material 14 ist, und annähernd gleich einem vorgegebenen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Signals der vorgegebenen Arbeitsfrequenz in dem dielektrischen Material.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Abstrahlungsöffnung 28, 3o zwischen den Kanten wenigstens einer der leitenden Flächen und einer weiteren leitenden Fläche vorgesehen ist, wobei dieser Resonanzhohlraum eine Längsausdehnung besitzt, die annähernd gleich einem vorgegebenen Vielfachen einer viertel Wellenlänge der Arbeitsfrequenz ist,und wobei sie nicht länger als eine Wellenlänge bei der vorgegebenen Frequenz ist, und daß der Resonanzhohlraum durch Umfalten der leitenden Fläche entlang wenigstens einer quer zur Resonanzdimension des Antennenaufbau liegenden Achse die Verkürzung einer Kantenlänge des Antennenaufbaus bewirkend vorgegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden leitenden Elemente 1o und 12 mit ihren einzelnen Flächen im wesentlichen parallel zueinander und durch dielektrisches Material 14 getrennt liegen und daß die leitenden Flächen zwischen sich den Resonanzraum bilden und daß schlitzförmige Abstrahlungsöffnungen 28, 3o vorgesehen sind, die in Längsrichtung im Abstand voneinander liegen, der annähernd gleich der halben Wellenlänge der vorgegebenen Frequenz ist, wobei die leitenden Flächen und

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das dielektrische Material entlang wenigstens einer Achse parallel zu wenigstens einer der abstrahlenden Schlitzöffnungen umgefaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Antennenelemente 1o und 12 im wesentlichen parallel zu einer ersten planen Grundfläche liegen, und die Mehrzahl der Flächenabschnitte im gleichbleibenden Abstand zueinander gehalten sind, wobei sowohl das abstrahlende Element 1o als auch das zweite leitende Element 12 aus jeweils galvanisch miteinander verbundenen Teilflächen besteht und die Teilflächen des Elementes 1o wiederum paralle zu denjenigen des Elementes 12 liegen, wobei Verbindungsflächen zwischen den einzelnen Ebenen jedes der leitenden Elemente 1o und 12 senkrecht zu den genannten Flächen liegeb.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Achse parallel zu der abstrahlenden Schlitzöffnung und senkrecht zu der Resonanzdimension liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum durch mehrfaches Falten bzw. einen entsprechenden abgewinkelten Aufbau entlang mehrerer paral-

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IeI zueinander liegender Achsen entsteht, wobei diese Achsen zusätzlich parallel zu dem Abstrahlungsschlitz und senkrecht zu der Resonanzdimension des Antennenelementes liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden durch das dielektrische Material 14 voneinander getrennt liegenden leitenden Elemente 1o und 12 einen Halbwellenresonanzhohlraum zwischen sich definieren und wenigstens eine Abstrahlungsöffnung aufweisen und daß die beiden leitenden Elemente 1o und 12 jeweils aus einer Mehrzahl leitender Flächen, die miteinander über wenigstens eine weitere leitende Fläche für jedes der Elemente 1o bzw. 12 verbunden sind, besteht, wobei jeweils eine Fläche des einen leitenden Elementes 1o über einer anderen Fläche des anderen leitenden Elements 12 in alternierender Abwechslung liegt und zwischen diesen sich das Dielektrikum befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zwei Äbstrahlungsöffnungen 28 und 3o aufweist, die im wesentlichen parallel und auf entgegengesetzten Längskanten des Antennenelementes senkrecht zur

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Resonanzdimension liegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Resonanzhohlraum an bestimmten Stellen Lücken bzw. Leerstellen vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum wenigstens mit einem nichtleitenden Abstandshalter 46, 48 für die leitenden Ebenen und einer Leerstelle versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Mehrzahl der leitenden Schichten im gleichen Abstand voneinander liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der leitenden Schichten im wesentlichen planeben ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der leitenden Schichten zueinander parallel liegt.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß weitere leitende Schichten senkrecht zu der Mehrzahl der parallel zueinander liegenden Schichten oder Teilflächen vorgesehen wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste leitende Element 1o ein zusätzliches leitendes Flächenelement 44 aufweist, welches die Mehrzahl der parallelen Teilflächen dieses Elementes miteinander verbindet, und zwar entlang einer mittleren Längsachse, so daß die in unterschiedlichen Ebenen liegenden Teilflächen zu beiden Seiten sich von diesem weg erstrecken, und daß das zweite leitende Element 12 wenigstens zwei weitere leitende Teilflächen 36 und 38 aufweist, die zu beiden Seiten im Abstand und sich gegenüberliegend entlang des ersten leitenden Elementes 1o angeordnet sind, und die die Ebenen des Elementes 12 untereinander verbinden, die damit alternierend im Querschnitt gesehen so zwischen die einzelnen Ebenen des Elementes 1o von außen nach innen greifen, daß sie im Abstand vor dem mittleren Verbindungselement 44 des Elementes 1o enden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß das genannte vorgegebene Vielfache gleich 1 ist, wobei die Resonanz diinens ion annährend gleich einer viertel Weller länge der vorgegebenen Frequenz ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Vielfache 2 ist, wobei die Resonanzdimension annähernd gleich einer halben Wellenlänge der Arbietsfrequenz ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Vielfache gleich 4 ist, wobei die Resonanzdimension annährend gleich einer ganzen Wellenlänge der Arbeitsfrequenz ist.

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