DE3601649A1

DE3601649A1 - Ebene mikrowellenantenne

Info

Publication number: DE3601649A1
Application number: DE19863601649
Authority: DE
Inventors: Toshio Ibaraki Osaka Abiko; Hirohumi Osaka Ishizaki; Minoru Shijonawate Osaka Kanda; Mikio Kadoma Osaka Komatsu; Toshio Toyonaka Osaka Makimoto; Masayuki Kobe Hyogo Matsuo; Sadahiko Osaka Nishimura; Hidetsugu Nunoya
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1985-01-21
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1986-07-24
Also published as: GB8600748D0; DE3601649C2; GB2170051A; FR2578105A1; GB2170051B; JPS61167203A; US4713670A; FR2578105B1; CA1250045A

Description

PRINZ, LEISER, BUNKE & PARTNER

Patentanwälte · European Patent Attorneys O C Π 1 C Λ Q

Ernsbergerstraße 19 · 8000 München 60

20. Januar 1986

MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD.
1048, Oaza-Kadoma, Kadoma-shi
Osaka 571, Japan '

Toshio MAKIMOTO

15-3, Shinsenri Nishi-machi 2-chome,

Toyonaka-shi

Osaka 565, Japan

Sadahiko NISHIMURA

3-25, Tamatsukuri Motomachi,

Tennoji-ku

Osaka 543, Japan

Unser Zeichen: M 1652

Ebene Mikrowellenantenne

Die Erfindung betrifft eine ebene Mikrowellenantenne.

Derartige ebene Mikrowellenantennen sind zum Empfang von zirkulär polarisierten Wellen im SHF-Band, insbesondere 12 GHz-Band bestimmt, die von geostationären Runfunksatelliten ausgestrahlt werden, welche in einer Höhe von 36.000 km stationiert werden.

Die im allgemeinen zum Empfang von zirkulär polarisierten Wellen, die von geostationären Runfunksatelliten ausgestrahlt werden, verwendeten Antennen sind Parabolantennen, die auf dem Dach oder einer anderen geeigneten Stelle eines Gebäudes errichtet werden. Bei Parabolantennen tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß sie sehr windanfällig sind und aufgrund ihrer großen Angriffs-

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fläche durch Sturm aus ihrer Verankerung gerissen und vom Dach herabgeworfen werden können, so daß äußerst robuste Halterungen erforderlich sind. Der Aufbau derartiger Halterungen für Parabolantennen ist sehr aufwendig, da beispielsweise an der Antenne Versteifungsstreben befestigt werden müssen, die einen großen Teil der Halterung ausmachen, so daß für die Halterung höhere Herstellungskosten als für die Antenne selbst entstehen.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist in der japanischen Offenlegungsschrift 57-99803, entsprechend der US-PS 4 475 107 und der DE-OS 31 49 200, eine ebene Antenne vorgeschlagen, die insgesamt eine flache Gestalt aufweist und mehrere mäanderförmig verlaufende Mikro-Streifenleitungen aufweist, die paarweise an der Oberseite eines Antennenkörpers aus Isoliermaterial angeordnet sind, wobei der Antennenkörper aus einem Material wie glasfaserverstärktem Teflon, Polyäthylen oder dergleichen besteht und auf seiner gesamten Unterseite mit einem Masseleiter versehen ist. Die Paare von Mikro-Streifenleitungen sind an ihrem einen Ende jeweils mit verzweigten Streifenleitern einer Speiseschaltung in sogenannter "Turnierordnung" verbunden. Es kann ein Strom in Form einer stehenden Welle mit gleicher Amplitude und Phase parallel zu den jeweils gepaarten Mikro-Streifenleitungen fließen.

Bei einer solchen ebenen Antenne wird durch den als stehende Welle fließenden Strom ein hoher Antennengewinn erreicht. Es ist daher erforderlich, jede unerwünschte Reflexion von Signalenergie an den Abschlußenden der jeweiligen Paare von Mikro-Streifenleitungen zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind an den Abschlußenden der gepaarten Mikro-Streifenleitungen jeweils Abschlußwiderstände in Form eines Chip-Widerstandsbauteils vorgesehen. Diese Abschlußwiderstände absorbieren die an den Enden der Mikro-Streifenleitungen vorhandene Rest-

energie und verhindern so eine unerwünschte Abstrahlung durch reflektierte Signalenergie.

Derartige ebene Antennen haben einen einfachen Aufbau und sind kostengünstiger als herkömmliche Antennen, wobei insbesondere die Montagekosten vermindert werden, weil die Antenne direkt an einer Außenwand von Gebäuden montiert werden kann, ohne hierfür besondere Halterungen zu benötigen.

Ein Mangel dieser ebenen Antennen besteht aber noch darin, daß wegen der erforderlichen Verhinderung der Reflexion von Signalenergie die Restenergie an den Enden der Mikro-Streifenleitungen durch Widerstände in Joul'sche Wärme umgesetzt wird, was Leistungsverluste zur Folge hat und daher den Antennengewinn vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Weiterbildung einer ebenen Mikrowellenantenne dahingehend, daß die Reflexion von Signalenergie an den Abschlußenden der jeweiligen gepaarten Mikro-Streifenleitungen ohne Leistungsverlust verhindert wird, um auf diese Weise den Antennengewinn zu steigern und die Richtwirkung zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die ebene Mikrowellenantenne eine Mehrzahl von gepaarten Mikro-Streifenleitungen aufweist, die jeweils mäanderförmig abgekröpfte Teile aufweisen, welche in jedem Paar gegeneinander versetzt sind, mit einem Speisekreis, der verzweigte Streifenleitungen in sogenannter Turnierordnung enthält, die jeweils an ein Ende jedes Paares von Mikro-Streifenleitungen angeschlossen sind, wobei diese Antenne dadurch gekennzeichnet ist, daß an dem jeweils anderen Ende der Paare von Mikro-Streifenleitungen ein impedanzmäßig angepaßtes und fleckartiges Antennenteil vorgesehen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der ebenen Antenne;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Abschlußendes eines Paares von Mikro-Streifenleitungen der ebenen Antenne nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer anderen Ausführungsform der ebenen Antenne; und

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Abschlußendes eines Paares von Mikro-Streifenleitungen

bei der ebenen Antenne nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 gezeigte ebene Mikrowellenantenne FAT aus mäanderförmig verlaufenden Mikro-Streifenleitungen enthält mehrere Antennenelemente ATE₁ bis ATE , die global betrachtet in parallelen Reihen verlaufen. Jedes Anten-

element ATE₁ bis ATE enthält zwei Mikro-Streifenleituni η

gen ASL und ASLa, die jeweils aus einem zyklisch wiederholt abgekröpften Leiter gebildet sind. Jedes Mikro-Streifenleiterpaar ASL, ASLa ist derart ausgebildet, daß die mäanderförmig abgekröpften Teile in jeder Leitung gegen die der anderen Leitung versetzt sind, so daß eine räumliche Phasendifferenz erzeugt wird, um durch Gittereffekt erzeugte Keulen des Strahlungsdiagramms zu vermindern. Es entsteht so eine mit stehenden Wellen arbeitende eindimensionale Gruppenantenne, deren Frequenzcharakteristik und Richtwirkung durch die Art und Weise

bestimmt sind, in welcher die Mikro-Streifenleitungen mäanderförmig abgekröpft sind, wobei insbesondere der Abkröpfzyklus der Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa ausschlaggebend ist. Diese Antennenelemente sind auf der einen Oberfläche eines Isoliersubstrats (nicht dargestellt) aufgebracht, auf dessen gegenüberliegender Seite sich ein Masseleiter befindet.

Die Antennenelemente ATE₁ bis ATE sind an ihrem einen

1 η Ende an einen Speisekreis PSC angeschlossen, der Streifenleitungen SSL aufweist, welche von einem Hauptspeiseanschluß SL in Turnierordnung abgezweigt sind und zu dem einen Ende der jeweils entsprechenden Antennenelemente führen. Der eine stehende Welle erzeugende Strom kann also über diesen Speisekreis PSC den jeweiligen Antennenelementen ATE₁ bis ATE parallel mit gleicher Amplitude und Phase zugeführt werden.

Es wird nun auch auf Fig. 2 Bezug genommen. An ihrem gegenüberliegenden Abschlußende sind die Antennenelemente ATE₁ bis ATE jeweils mit einem fleckartigen Anten— nenteil PAT versehen, dessen Impedanz an die gepaarten Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa angepaßt ist und das an diese Leitungen insbesondere an denjenigen Teilen derselben angeschlossen ist, welche aneinander quer zur Längsrichtung der Mikro-Streifenleitungen angenähert sind. Das fleckartige Antennenteil PAT weist einen Fleckteil ATME und Impedanzwandlerteile TFP und TFPa auf. Das Fleckteil ATME ist zumindest annähernd quadratisch ausgebildet und besteht aus einem Leiter, der an die gepaarten Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa jeweils über ein Impedanzwandlerteil TFP, TFPa angeschlossen ist. Die Länge der Impedanzwandlerteile TFP und TFPa entspricht einer 1/4 Wellenlänge, wenn die Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa eine Leitungsimpedanz Z von 50 Ω aufweisen, so wird die Eingangsimpedanz Z„ des Fleckteils ATME auf 100 Ω ein-

gestellt, und die Leitungsimpedanz Z₃ der Impedanzwandlerteile TFP und TFPa wird auf 100 Ω eingestellt, so daß

sie folgende Impedanzanpassungsbedingung erfüllt:

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Z- = Z₁-Z₃. Die Länge der Impedanzwandlerteile TFP und

TFPa ist auf 1/4 Wellenlänge eingestellt, d.h. λ /4, wenn die Leitungswellenlänge λ ist, ausgedrückt als λ = η·λ , worin λ die Wellenlänge im Raum und η der Verkleinerungskoeffizient für die Wellenlänge ist. Die Leitungswellenlänge λ ist ferner derart eingestellt, daß die jeweils von den Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa sowie von den fleckartigen Antennenelementen PAT abgestrahlten Signale in der Hauptstrahlungsrichtung der ebenen Antenne FAT gleichphasig sind und einander überlagern. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Abschlußenden der Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa derart eingestellt, daß sie die Gleichung la = 1+ λ /4 erfüllen, wenn zirkularpolarisierte Wellen empfangen werden, worin 1 und la die Längen längs den Mikro-Streifenleitungen ASL und ASLa vom Fleckteil ATME bis zu einem Punkt einer vorbestimmten gleichen Phase in Längsrichtung des Antennenelements sind, d.h. die Längen der Phaseneinstellungs-Leitungsabschnitte.

Bei der beschriebenen Ausbildung wirken die fleckartigen Antennenteil PAT als Resonanzkreis, der impedanzmäßig an das Antennenelemente angepaßt ist, so daß keine Signalreflexion oder unerwünschte Signalabstrahlung stattfindet. Die Signalenergie, welche ein fleckartiges Antennenteil PAT erreicht, wird also vollständig von diesem abgestrahlt, so daß die Signalenergie, die bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen Antennen in den Abstoßwiderständen unter großem Leistungsverlust verbraucht wird, als Strahlungsenergie ausgenutzt wird, um auf diese Weise den Gewinn und die Richtwirkung der gesamten ebenen Antenne FAT zu verbessern.

Es wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 eine weitere Ausführungsform der ebenen Mikrowellenantenne FAT¹ beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist ein fleckartiges Antennenteil PAT¹ an das Abschlußende eines Mikro-Streifenleitungspaares ASL¹, ASLa¹ angeschlossen, und zwar an denjenigen Teilen der beiden Leitungen, die voneinander entfernt liegen, im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführung, bei welcher das fleckartige Antennenteil PAT an die Mikro-Streifenleitungen ASL, ASLa an denjenigen Teilen derselben angeschlossen ist, welche aneinander angenähert sind. Die Mikro-Streifenleitungen ASL¹, ASLa¹ erstrecken sich von ihren voneinander entfernt liegenden Punkten schräg zusammenlaufend zu einem Fleckteil ATME¹ des fleckartigen Antennenteils PAT¹ hin. Dabei entstehen die Längen I¹ und la¹ der Phaseneinstelleitungen, welche die Impedanzwandlerteile TFP¹ und TFPa¹ einschließen, welche so eingestellt sind, daß die Beziehung la¹ = I¹+ λ /4 erfüllt ist. Wenn der Mäanderzyklus, d.h. der Abstand zwischen benachbarten abgekröpften Teilen der Mikro-Streifenleitungen ASL¹ und ASLa¹, auf den Wert L¹ eingestellt ist, so wird die Entfernung vom Mittelpunkt der letzten Mäanderstufe der einen Leitung ASL¹ bis zu der Phaseneinstelleitung am Abschlußende der Leitung ASL¹ auf den Wert L ^% /2 eingestellt, so daß die Impedanzanpassung zwischen den Leitungen ASL¹ und ASLa¹ und den fleckartigen Antennenteilen PAT¹ optimiert wird, um auf diese Weise einen hohen Antennengewinn zu erzielen. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise der ebenen Mikrowellenantenne FAT¹ nach den Figuren 3 und 4 im wesentlichen dieselben wie bei der ebenen Mikrowellenantenne FAT nach den Figuren 1 und

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, daß die ebenen Mikrowellenantennen besonders zum Empfang von zirkulär polarisierten Wellen geeignet sind. Auf diese Anwendung ist die Erfindung aber nicht

beschränkt. Bei anderen Ausfuhrungsformen sind die ebenen Mikrowellenantennen ausgebildet, um linear polarisierte Wellen zu empfangen, wozu die dem Fachmann geläufigen geeigneten Abwandlungen vorgenommen werden.

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Claims

20. Januar 1986 MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD. 1048, Oaza-Kadoma, Kadoma-shi Osaka 571, Japan Toshio MAKIMOTO 15-3, Shinsenri Nishi-machi 2-chome, Toyonaka-shi Osaka 565, Japan Sadahiko NISHIMURA 3-25, Tamatsukuri Motomachi, Tennoji-ku Osaka 543, Japan Unser Zeichen: M 1652 Patentansprüche

1. Ebene Mikrowellenantenne mit mehreren Paaren von Antennenelementen in Form von mäanderförmig abgekröpften Mikro-Streifenleitungen, deren abgekröpfte Teile innerhalb jedes Paares jeweils gegeneinander versetzt sind, mit einem Speisekreis, der Streifenleitungen enthält, welche in Turnierordnung verzweigt und jeweils an ein Ende eines Paares von Mikro-Streifenleitungen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an das jeweils andere Ende eines Paares von Mikro-Streifenleitungen (ASL, ASLa; ASL¹ ASLa¹) ein fleckartiges Antennenteil (PAT; PAT") angeschlossen ist, welches impedanzmäßig an diese Mikro-Streifenleitungen angepaßt ist.

2. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fleckartige Antennenteil (PAT, PAT') ein aus einem elektrischen Leiter gebildetes

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Fleckteil (ATME; ATME') und zwei Phaseneinstellungs-Streifenleitungen aufweist, die jeweils einen Impedanzwandlerteil (TFP, TFPa; TFP', TFPa') umfassen und jeweils zwischen eine Mikro-Streifenleitung und den Fleckteil (ATME; ATME') eingefügt sind.

3. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fleckartige Antennenteil (PAT) an dem betreffenden Ende des entsprechenden Antennenelements an diejenigen Stellen der Mikro-Streifenleitungen (ASL, ASLa) angeschlossen ist, wo diese aneinander angenähert sind.

4. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fleckartige Antennenteil (PAT')

an dem entsprechenden Ende des betreffenden Antennenelements an diejenigen Stellen seiner Mikro-Streifenleitungen (ASL¹, ASLa¹) angeschlossen ist, welche voneinander entfernt liegen.
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5. Ebene Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Impedanzwandlerteile (TFP, TFPa; TFP¹, TFPa¹) einer Länge λ /4 entspricht, worin λ die Lextungswellenlänge ist, und das eine der Phaseneinstellungs-Streifenleitungen, welche an eine der gepaarten Mikro-Streifenleitungen (ASL') angeschlossen ist, eine Länge aufweist, welche die Summe von λ und einer Länge der anderen Phaseneinstellungs-Streifenleitung ist, die an die andere Mikro-Streifenleitung angeschlossen ist.

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