DE3787681T2

DE3787681T2 - Antennenelement mit einem Streifen, der zwischen zwei selbsttragenden und mit untereinanderliegenden strahlenden Schlitzen vorgesehenen Grundplatten hängt und Verfahren zur Herstellung desselben.

Info

Publication number: DE3787681T2
Application number: DE19873787681
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Rammos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-06-05
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2007-06-05
Also published as: DE3787681D1; ES2046211T3; EP0252779B1; EP0252779A1

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene Hyperfrequenz-Antenne entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Antenne ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0123350 bekannt.
Es ist bekannt, daß vom Markt für Hyperfrequenz-Antennen, insbesondere für die im Band S oder X arbeitenden, eine erhebliche Entwicklung gefordert wird, u. a. wegen der zahlreichen Projekte für die Aussendung von Satelliten- Fernsehprogrammen. Bisher wurden die Netzantennen, die für den Empfang derartiger Aussendungen verwendet werden konnten, nach den Kriterien maximalen Wirkungsgrades konzipiert, wobei hochentwickelte Ausführungsformen angewandt wurden, die mit einer Massenproduktion bei geringen Kosten nicht kompatibel waren.
So betrifft die Antenne, die in der Patentanmeldung EP-A- 064313 beschrieben ist, eine Antenne des Typs "stripline" ("Bandleitung"), die dazu bestimmt ist, mit kreisförmiger Polarisation zu arbeiten, und die den Nachteil hat, die Verwendung eines massiven, schweren dielektrischen Materials zu erfordern.
Andererseits schlägt in dem Falle, in dem man mit Doppelpolarisation arbeiten möchte, die zuvor beschriebene Vorrichtung vor, zwei getrennte Speiseleitungen zu bilden, die in der gleichen Ebene liegen. Solch ein Speisesystem ist nur möglich, wenn das ebene Netz nur eine kleine Anzahl von Elementen hat. Es besteht tatsächlich eine geometrische Inkompatibilität, ein solches Netz zu realisieren, wenn es z. B. aus sechzehn mal sechzehn Elementen bestehen soll, da sich bestimmte Leitungen kreuzen müssen.
Das beschriebene System ist daher relativ kostspielig und nicht in der Lage, als Prinzip zur Realisierung eines Netzes für einen DBS- Satelliten (Satellit für direkte Telekommunikation von Rundfunk- oder Fernseh- Übertragungen) zu dienen, das derzeit Systeme mit 200 bis 1000 Elementen aufweist.
Außerdem haben sich die Fachleute solcher Antennen aus einer bestimmten Anzahl von Gründen, die insbesondere mit der Vielfalt der Parameter und der Komplexität störender Phänomene bei der Entwicklung von Netzantennen verbunden sind, sehr strikte Toleranz-Bedingungen für die Formgebung und Montage verschiedener Antennenelemente von Netzantennen (Leiterkreise, Masseplatten, dielektrische Materialien, Wellenleiter etc.) auferlegt. Diese Umsicht oder genauer dieses Vorurteil war insbesondere hinsichtlich der Realisierung einer Antenne mit einem aufgehängten Mikro-Bandleiter verbreitet, wie dies der Artikel "guides multiconducteurs" der Arbeit "les Technigues de l'Ingenieur" (E621-10) beweist. Ein neuerer Versuch, sich von den Toleranzgrenzen zu befreien, ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0123 350 offenbart, die ein durch Abstandshalter zwischen zwei Metallplatten aufgehängtes Mikro-Band beschreibt. Diese Metallplatten sind bearbeitet, um Wellenleiter zu bilden, die mit Endabschnitten des zentralen Leiters gekoppelt sind. Jedoch erfordern diese in der vorherigen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen stets einen Bearbeitungsvorgang an einer Metallplatte erheblicher Dicke (in der Größenordnung von 7 ist 10 mm bei 12 GHz).
Ein weiterer ähnlicher neuerer Versuch ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0228742 offenbart. Dieses Dokument bezieht sich auf den Stand der Technik, der gemäß Artikel 54 (3) EPÜ in Betracht gezogen wurde, und schlägt die Verwendung dünner Bleche als Mittel zur Herstellung von Stützen im Siebdruckverfahren vor, die externen Wellenleitern zugeordnet sind, die als Abstrahlelemente dienen. Diese Elemente sind quadratische Wellenleiter.
Um den Stand der Technik des Fachmannes auf dem Gebiet von Hyperfrequenz-Antennen zusammenzufassen, erschien es bisheriger undenkbar, eine Hyperfrequenz-Netzantenne zu realisieren, indem man einen Leiterkreis zwischen zwei geprägten Blechen aufhängt, wie nachstehend beschriebenen wird. Dennoch sind gegen jede Erwartung die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad einer offensichtlich derart einfachen Antenne nicht nur überraschend, sondern auch gegen Ungenauigkeiten bei der Herstellung und Montage, die bei einer Massenproduktion zwangsläufig auftreten, wenig empfindlich.
Folglich schlägt die vorliegende Erfindung vor, eine Netzantenne zu schaffen, die es insbesondere ermöglicht, die zuvor erwähnten Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu beseitigen.
Hierzu besteht eine erste Aufgabe der Erfindung darin, eine Netzantenne mit einfacher Konstruktion aufgrund einer besonderen Anordnung der Speisleiter und bei geringen Toleranzanforderungen zu schaffen.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, in die Struktur der Speisleiter integrierte Abstrahlelemente ebenfalls aus Gründen der Einfachheit der Konstruktion zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Netzantenne zu schaffen, die in einem breiten Band aufgrund der paarweisen (oder in einer größeren Anzahl) Anordnung von elektrotechnisch mit den Speiseleitern gekoppelten Abstrahlschlitzen arbeitet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antenne hohe Wirkungsgrades (aufgrund eines Speisesystems mit geringem Verlust) zu schaffen, das auch mit kreisförmiger Doppel-Polarisation arbeiten kann.
Die vorliegende Erfindung offenbart auch mehrere Abhandlungen eines einfachen und billigen Verfahrens zur Herstellung solcher Antennen offenbart, das Formgebungs- und Montageverfahren bei geringen Anforderungen an die Toleranz schafft, so daß sie für eine Massenproduktion geeignet sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, derartige Herstellungsverfahren, die eine maximale Standardisierung der Bauelemente jeder Antenne ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Herstellungs-und Montageverfahren für mehrere standardisierte Antennenmodule zu schaffen, mit dem Ziel, großer Abstrahlflächen bei geringen Gestehungskosten zu schaffen.
Diese Aufgaben und weitere, die sich im folgenden ergeben, werden mittels einer ebenen Hyperfrequenz-Antenne gelöst, die ein zentralen Leiter aufweist, der zwischen zwei Masseebenen angeordnet ist, wobei der zentrale Leiter ein Mikro-Band ist, das von einer dielektrischen Stützfolie getragen wird, die zwischen der oberen und der unteren Masseebene aufgehängt ist, sowie Abstrahlelemente, die mit Endabschnitten des Leiters in elektronischer Kopplung zusammenwirken, wobei der Zwischenraum zwischen der dielektrischen Stützfolie des zentralen Leiters und den Metallplatten mittels beabstandeter Abstandshalter aufrechterhalten wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Abstrahlelemente Abstrahlschlitze sind, die in den Masseebenen ausgebildet und die paarweise ausgerichtet sind, und daß die Masseebenen aus dünnen selbsttragenden Metallplatten gebildet sind, die eine dünne Dreifach- Struktur zusammen mit der dielektrischen Stützfolie bilden. Diese Abstrahlschlitze können kreisförmig ausgebildet sein.
Diese Struktur, die die Antenne gemäß der Erfindung charakterisiert, ermöglicht es somit, einen Betrieb im einem breiten Band zu erhalten, insbesondere dann, wenn die beiden Ausnehmungen unterstützt des gleichen Paares nicht ganz den gleichen Durchmesser haben, und wenn über der Dreifach-Plattenanordnung eine zusätzliche Platte angeordnet ist, die ebenfalls mit Ausnehmungen versehen ist.
In jedem Falle kann aufgrund der Verwendung von Luft als Dielektrikum und des Abstandes der Abstandshalter die Stützfolie des Mikro-Bandes ohne Nachteil in einem billigen Dielektrikum realisiert werden. Die Abstandshalter können aus einem dielektrischen Material hergestellt sein.
Vorteilhafterweise wird die Dreifach-Plattenanordnung A, die aus der Stützfolie des Speisekreises und den beiden Metallplatten hergestellt ist, durch eine untere reflektierende Platte ergänzt, die von der Dreifach- Plattenanordnung eine Strecke entfernt ist, die etwa einer Viertelwellenlänge entspricht.
Vorteilhafterweise hat die Antenne auch hintere geschlossene und/oder vordere offene Hohlräume, die mit wenigstens einigen Paaren von Abstrahlschlitzen fluchten und die durch ein Formgebungs-Verfahren mit geringer Toleranz hergestellt werden können.
Ein weiteres wesentliches Merkmal besteht darin, daß die benachbarten Eingangs-Module einer modularen Antennenanordnung gemäß der Erfindung mit gemeinsamen Signal-Eingängen/Ausgängen in Form von Wellenleitern mit geringen Verlusten zusammenwirken.
Die Aufgaben der Erfindung werden auch durch ein Verfahren zur Herstellung von Antennen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Formgebung jeder der Masseplatten durch einen Präge-/Zieh-Vorgang erfolgt, um einerseits die Abstrahlschlitze zu bohren und anderseits Abstandshalter durch Prägen auf der Seite der Platten zu prägen, die zu der dielektrischen Folie gerichtet ist, die den zentralen Leiter trägt, daß die Antenne dadurch montiert wird, daß man nur nichtleitende Zonen der dielektrischen Stützfolie des gedruckten Leiters auf den Prägungen aufliegen läßt, die gegenüber der unteren und der oberen Masseplatte liegen, damit Endabschnitte des Leiterkreises zwischen Paaren ausgerichteter Schlitze vorstehen, und die so gebildete Dreifach-Plattenanordnung über einer metallischen Bodenplatte anordnet, die hinter der Antenne liegt, und daß die eine bezüglich der anderen fixiert wird und die metallische Bodenplatte und die Elemente der Dreifach-Plattenanordnung, die so montiert sind, durch Befestigungsmittel gesichert werden.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung umfaßt das Verfahren einen Schritt zur Herstellung von Hohlräumen, und einen Schritt zur Montage jedes Hohlraums hinter der Antenne entsprechend einem Paar von Abstrahlschlitzen.
Vorteilhafterweise werden die Hohlräume insbesondere durch einen Präge-/Zieh-Vorgang einer Metallplatte hergestellt oder durch Bildung eines Gitters, das durch Überkreuzen von Streben hergestellt wird, die ein Feld bilden und zwischen sich rechteckige Zellen begrenzen, die durch die Bodenplatte geschlossen werden, oder durch Montage zylindrischer Abschnitte auf der Bodenplatte, oder schließlich durch Aufbringen einer metallischen Abdeckung auf den Wänden der Zellen, die in einem Block aus einem nichtmetallischen Material hergestellt sind.
Diese verschiedenen Herstellungsverfahren bilden ebenso viele, leicht durchführbare, nicht kostspielige Abhandlungen, und erreichen in überraschender Weise eine akzeptierbare Genauigkeit bei der Formgebung und Montage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung bestehen die Befestigungsmittel der Elemente der Antenne die ihre relative Fixierung und ihre Sicherung garantieren, aus einem Satz Bolzen zum Festklemmen der Anordnung, oder auch aus einem Gehäuse zur Aufnahme der übereinander angeordneten Elemente der Antenne, deren umgebogene Ränder an der Bodenplatte der Antenne angreifen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung umfaßt das Verfahren einen Schritt zur Herstellung einer zusätzlichen Kopplungs-Abdeckung, die aus Hohlräumen ohne Boden besteht, die insbesondere entsprechend den geschlossenen Hohlräumen hinter der Antenne gebildet werden, und einen Schritt zur Montage der Abdeckung auf der Abstrahlfläche der Antenne, um jeden Hohlraum ohne Boden auf ein Paar von Abstrahlschlitzen auszurichten.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt auch einen Schritt zur Montage mehrerer Antennenmodule, die nach einem der vorherigen Verfahren hergestellt werden, bei dem mehrere Masseplatten-Elemente nebeneinander angeordnet werden, und ggf. mehrere Elemente hinterer Hohlräumen und/oder vorderer Abdeckungen gekoppelt mit einem einzigen Leiterkreis. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht es, die Abmessung der zu formenden metallischen Elemente zu verkleinern und sie zu standardisieren und dadurch die Gestehungskosten der Antenne zu verringern. In dieser Hinsicht ist die Modularität der Antenne besonders vorteilhaft für Anwendungsfälle zum Empfang von Fernsehsendungen über Satelliten, für die die benachbarte Empfangsfläche z. B. 0,3 m² (einzelne Antenne) beträgt, wie nachstehend gezeigt wird.
Gemäß einem weiteren Prinzip der modularen Antenne gemäß der Erfindung besteht jeder Modul aus einem unabhängigen Leiterkreis, der mit den Masseplatten zusammenwirkt. Das Verfahren zur Kopplung von Modulen ist z. B. dadurch charakterisiert, daß der Eingang/Ausgang der Antenne durch einen Wellenleiter gebildet, entweder dadurch, daß die Leiterkreise von wenigstens zwei Modulen durch eine "T"- Verbindung mit einem einzigen Anschluß an einen gemeinsamen Wellenleiter ankoppelt, oder dadurch, daß die Eingänge/Ausgänge jedes Moduls an unabhängige Wellenleiter angekoppelt werden, die durch einen Leistungsteiler bzw. durch Leistungsteiler an einen Leistungsteiler an einen Wellenleiter bzw. an Wellenleiter angekoppelt sind.
Die Standardisierung der Herstellung der modularen Leiterkreise wird vorteilhafterweise erreicht, da das Verfahren zur Herstellung der Antennen darin besteht, identische Stützplatten für den Leiterkreis für jeden Module zu verwenden, wobei die Stützplatten beim Einfügen zwischen die geprägten Masseplatten benachbarter Module nach oben oder nach unten gedreht werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die nur beispielhaft und nicht einschränkend sind, und den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine Explosions-Darstellung der Grundversion der Antenne gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 2 im Schnitt und perspektivisch eine Detaildarstellung zweier Abstrahlelemente der Antenne zeigt;
Fig. 3 einen T-Teiler der Speiseleitung der Antenne gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 4 a, 4 b und 5 den theoretischen Verlauf der Impedanz und der Verluste der Antenne gemäß der Erfindung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Platten, die die Abstrahlschlitze enthalten und die die Masseebenen der Speiseleitung bilden, sowie in Abhängigkeit von der Zentrierung der Speiseleitung bei einem typischen Betrieb im Band S und/oder im Band X des Prototyps der Fig. 22 zeigen;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Antenne gemäß der Erfindung zeigt, die es ermöglicht, eine lineare Doppel-Polarisation zu erreichen;
Fig. 7 und 8 schematisch zwei Ausführungsformen der Antenne gemäß der Erfindung zeigen, die jeweils eine zusätzliche Schaltung zur elektromagnetischen Kopplung und einen zusätzlichen Schlitz zur elektromagnetischen Kopplung aufweisen;
Fig. 9 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, deren Speisekreis aus einer invertierten gedruckten Schaltung gebildet ist;
Fig. 10 einen schematischen Querschnitt eines Teils eines Antennenmoduls gemäß der Erfindung mit Masseplatten, hinteren Ausnehmungen und vorderen, geprägten Abdeckungen zeigt;
Fig. 11 eine Explosions-Darstellung eines Antennenmoduls gemäß der Erfindung zeigt, bei dem alle Platten durch Prägen hergestellt sind;
Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform der Hohlräume in Form von geprägten Bechern zeigt;
Fig. 12 einen Antennenmodul gemäß der Erfindung mit Hohlräumen in Form von Ringen zeigt;
Fig. 13 a und 13 je einen Antennenmodul gemäß der Erfindung mit Hohlräumen zeigt, die durch ein Gitter gebildet sind, das aus ein Feld bildenden, gekreuzten Streben besteht;
Fig. 14 schematisch einen Antennenmodul gemäß der Erfindung mit nichtmetallischen Blöcken zeigt, die von innen metallisierten Blöcken durchsetzet sind;
Fig. 15 die Montage mehrerer Kopplungs- Plattenmodule gemäß der Erfindung zusammen mit einem einzigen Leiterkreis zeigt;
Fig. 16, 17 und 18 Ausführungsbeispiele des Leiterkreises im Falle des einzigen Leiterkreises der Fig. 15 (Fig. 16) und im Falle der Nebeneinander-Anordnung zweier Leiterkreise zweier benachbarter Module (Fig. 17 und 18) zeigen;
Fig. 19, 20, 21 drei Verfahren zur Rekombination des Ausgangssignals (oder auch der Teilung des Eingangssignals) in Wellenleitern für zwei benachbarte Antennenmodule zeigen;
Fig. 22 ein Antennenelement gemäß der Erfindung zeigt, das hergestellt wurde, um daran die Betriebsbedingungen zu testen;
Fig. 23 a und 23 b die Meßergebnisse, die an den Antennenelementen der Fig. 22 und entsprechend jeweils bei der Messung des TOS und des Strahlungsdiagramms bei 10 GHz in der Ebene H bei Nenn-Polarisation und bei Kreuz- Polarisation zeigen;
Fig. 24 die typische Geometrie des Leiterkreises eines Antennenmoduls mit 16 Elementen gemäß der Erfindung zeigt, die zur Durchführung der Betriebs- Tests gebildet wurden;
Fig. 25 a, 25 b und 25 c die Meßergebnisse von Tests zeigen, die am Antennenmodul mit 16 Elementen entsprechend der Konstruktion des zentralen Leiters der Fig. 24 durchgeführt wurden, und entsprechend jeweils den Messungen des Gewinns, des TOS und der Bestimmung des Strahlungsdiagramms bei Nenn-und bei Kreuz-Polarisationen in der Ebene H bei 11 GHz.
Wie die Fig. 1, 2 und 10 zeigen, ist die Antenne gemäß der Erfindung des Typs mit einer Leitung in Form eines aufgehängten Mikro-Bandes, das aus einem zentralen Leiter 22 besteht, der von einer dielektrischen Stützfolie 12 getragen wird, die zwischen zwei metallischen Platten getragen wird, nämlich einer oberen 11 und einer unteren 12. Die Platten 11, 12 sind jeweils mit Öffnungen 20 a, 20 b versehen, die in Höhe von vorspringenden Endabschnitten 30 des Leiters 22 paarweise ausgerichtet sind. Die Struktur der Antenne wird noch durch eine reflektierende Bodenplatte vervollständigt.
Die relative Positionierung der unterstützt Platten 11, 12, 13, 14, die Dimensionierung der Öffnungen 20 a, 20 a. und die Länge l des vorspringenden Endes 30 des Leiters 22 werden derart gewählt, daß die Ausdehnung 20 a, 20 wie die Rolle von elektromagnetisch gekoppeiten Abstrahlschlitzen für ein relativ breites Betriebsfrequenzband spielt.
Die Öffnungen 20 a, 20 b eines gleichen Paares sind mit ihren Mitten auf eine vertikale Achse zentriert und können ein gleichen Durchmesser haben. Vorzugsweise sind jedoch die Durchmesser eines gleichen Paares etwas verschiedenen, um die Bandbreite zu verbessern.
Tatsächlich hängt die Betriebsfrequenz jeder Öffnung im wesentlichen von ihren Abmessungen ab, und wenn die beiden Öffnungen eines gleichen Paares eine etwas unterschiedliche Betriebs-Mittenfrequenz haben, wird die Gesamtbandbreite erhöht. Der Durchmesser der Öffnungen liegt in der Größenordnung von 0,3 bis 0,7 der Wellenlänge.
Vorteilhafterweise kann der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungen auf einer Zeile oder einer Spalte 0,7 bis 0,9 der Wellenlänge betragen.
Die reflektierende Bodenplatte 14 ermöglicht es, der abgestrahlten Energie eine Richtung zu verleihen, und sie befindet sich in einem Abstand in der Größenordnung einer Viertelwellenlänge von der Dreifach-Plattenanordnung A. Der Abstand zwischen dieser Bodenplatte und der Dreifach- Plattenfachanordnung ist sehr wesentlich, da er die Möglichkeit bietet, in Verbindung mit den Abmessungen der Speiseleitung 22 die Arbeitsweise zu optimieren.
Fig. ziehen seit eine beitragen ausgerufen eines Antennenmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, der durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer geprägten Bodenplatte 14, die geschlossene Hohlräume 26 bildet, einer unteren geprägten Masseplatte 13, einer Stützplatte 12, der Speieleitung 22 und einer oberen geprägten Masseplatte 11 und einer geprägten oberen Abdeckung 25, die offene Hohlräume 27 bildet, hergestellt ist.
Es ist ersichtlich, daß diese Ausführungsform der Antenne ausschließlich die Metallblech-Prägetechnik zur Herstellung der vier Platten 11, 13, 14, 25 einsetzt. Der Prägevorgang ermöglicht es einerseits die Öffnungen 20 a, 20 b auszuschneiden, die jeweils ein abstrahlendes Paar bildet, und Wülste oder Anschläge 31 zu schaffen, die Abstandshalter bilden. Diese Wülste 31 kommen an der mittleren dielektrischen Platte 12 zur Anlage und bestimmen den Abstand zwischen den drei Platten der Struktur A. Man erhält so einen Speisekreis des "aufgehängten" Typs, wobei die Abstrahlelemente selbst gebildet werden. Dieser Antennentyp ist daher insbesondere zur Massenherstellung bei reduzierten Kosten geeignet.
Es ist auch ersichtlich, daß das geprägte Blech 25 auch umgekehrt (Richtung oben unten) bezüglich seiner Stellung in Fig. 10 angeordnet werden kann.
Fig. 10 berücksichtigt in keiner Weise das Verhältnis der Abständen und Dicken der Platten. Tatsächlich sind insbesondere die Strecken Hu und Hl der Klarheit halber erheblich überdimensioniert.
Selbstverständlich sind die beiden Probleme, die sich bei einer Antenne dieses Typs mit gedruckter Schaltung ergeben, die vollständig aufgehängt ist, einerseits die Bedingungen, die es ermöglichen, eine gute Anpassung jedes Elements an die Betriebsfrequenzen zu erhalten, und anderseits die Bedingungen, die einen guten Wirkungsgrad der Antenne garantieren, d. h. der pro Flächeneinheit akzeptable Wert des Gewinns.
In überraschender Weise ermöglicht es die verwendete Technik, ohne Schwierigkeiten für diese beiden Parameter zufriedenstellende Werte zu erhalten.
Wenn man ein Abstrahlelemente der Antenne betrachtet, das aus einem leitenden Ende 30, das mit einem Paar Schlitzen 20 a, 20 b verbunden ist, und einem unteren geschlossenen Hohlraum 26 besteht, ist die Anpassung dieses Elements eine Funktion der Länge l der Eindringung des Endeabschnitts zwischen die Schlitze 20 a, 20 b, der Strecken df zwischen der Dreifach-Plattenanordung 11, 12, 13 und dem Boden des Hohlraums 26, des Durchmessers DC des Hohlraums, des Durchmessers De der Schlitze 20 a, 20 b und der Impedanz Zo des Speiseleiters. Zo wiederum hängt von der Breite w des mittleren Leiters, der Dicke H der dielektrischen Stützplatte 12, und den Abständen HV und HL zwischen der elektrischen Stützplatte 12 und der oberen und unteren Masseplatte 11 bzw. 13 ebenso wie von der Dielektrizitätskonstante &epsi;R der Stützplatte 12 ab.
Diese unterschiedlichen Faktoren, die die Anpassung der Antenne beeinflussen, haben einen relativ ungleichmäßigen Einfluß. Insbesondere der Abstand df, der die Dreifach- Plattenanordnung von der- Bodenplatte (oder dem Boden des geschlossenen Hohlraums 26) trennt, ebenso wie die relative Positionierung des Leiters 22 zwischen den Masseplatten 11, 13 haben einen bestimmten Abweichungsbereich, innerhalb dem die Anpassung wenig wirksam ist. So zeigt Fig. 5 die Berechnungen, die an einer Leitung der Antenne (mittels des Programms C.A.O. "Supercompact") durchgeführt wurden, bei der der mittlere Leiter zwischen den beiden Masseplatten verschoben wurde, wobei der Abstand b konstant gehalten wird, der die Masseplatten trennt. Die Dimensionseigenschaften des untersuchten. Abstrahlelements sind, die folgenden (unter Bezugnahme auf die Bezeichnungen der Fig. 10):
w = 1,2 mm
HU + HL = 1,6 mm
H = 0,075 mm
&epsi;R = 2,2
f = 12,1 GHz.
Man erkennt, daß sich die Änderung der erhaltenen Impedanz Zo sich nur innerhalb eines Bereichs von etwa 10% bewegt, wenn man den Leiterkreis in einem Bereich, der zwischen den Masseplatten 11, 13 zentriert ist, und entsprechend einem Drittel des Abstandes b zwischen den beiden Masseplatten verschiebt. Diese Kurve ist eines der Elemente, das die geringe Empfindlichkeit der beanspruchten Antenne gegenüber Herstellungs- und Montage-Ungenauigkeiten und damit die vollkommene Durchführbarkeit der Erfindung zeigt.
Diese theoretischen Ergebnisse werden durch die an einem Prototyp durchgeführten experimentellen Messungen bestätigt.
Wie die Fig. 4 a und 4 b zeigen, ist der Abstand b, der die Masseplatten 11 und 13 trennt, nicht sehr kritisch, weder für die resultierende Impedanz des Systems noch für das Band S oder das Band X.
Der zweite wichtige Parameter ist der Wirkungsgrad der Antenne, d. h. ihr Gewinn pro Flächeneinheit. In überraschender Weise, und wie durch die am Prototyp durchgeführt und nachfolgend angegebenen Messungen bestätigt wird, hat die beanspruchte Antenne einen über eine sehr erhebliche Bandbreite (12, 5% beim Prototyp mit 4·4 Elementen) nahezu konstanten Gewinn. Von in Europa verwendbaren Satelliten-Empfangsantennen wird nur eine Bandbreite von etwa 7% (von 11, 7 bis 12, 5 GHz) gefordert.
Folglich ist ein angemessener Bereich zur Anpassung der Antenne vorhanden, der die Ungenauigkeiten der Formgebung und der Montage infolge der Roheit dem für die Erfindung angewandten Herstellungstechniken Herstellungstechniken leicht toleriert.
Der Wirkungsgrad der Antenne wird außerdem dadurch erhöht, da die Verluste in jedem Abstrahlelement begrenzt werden.
Die beanspruchte Technik eignet sich besonders für eine Optimierung auf diesem Gebiet. Tatsächlich ermöglicht es die Tatsache, die Luft als Dielektrikum zwischen der Stützplatte 12 und den beiden Masseplatten 11, 13 zu verwenden, die. Verluste im Vergleich zu einer äquivalenten Antenne des Typs "stripline" oder "microstrip" zu verringern, bei dem der zentrale Leiter von zwei Masseplatten bzw. einer einzigen Masseplatte durch ein schweres, massives, dielektrisches Material getrennt ist. Gemäß der Erfindung kann das Dielektrikum der Stützplatte 12 so dünn wie möglich sein, ohne seine mechanische Festigkeit zu beeinträchtigen. Z.B. wurde festgestellt, daß eine Dicke von 25 bis 75 Mikron vollkommen geeignet ist. Die Verluste, wie sie in den Fig. 4 a und 4 b für ein Betriebsband S (2, 0 GHz) und ein Band X (12,1 GHz) gezeigt sind, sind erheblich verringert, da keine Stör-Abstrahlung infolge der Isolierung des Kreises 22 auftritt. (Die Verlustdiagramme in den Fig. 4 a, 4 b entsprechen der Verwendung eines Dielektrikums mit geringer Verlusttangente (tg d = 0, 0009)).
Die Konzentration mehrerer Elemente auf der gleichen Fläche mit dem Ziel, den Antennengewinn zu erhöhen, ist innerhalb der Grenze, bei der die Kopplung, die zwischen jeder benachbarten Leitung einwirkt, einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Die Verwendung von Abstrahlschlitzen einerseits und die auf die, geometrischen Formen andererseits gerichtete Sorgfalt verleihen der Erfindung in dieser Hinsicht gute Eigenschaften.
Die Verwendung von Paaren von Abstrahlschlitzen 20 a, 20 b hat zur Wirkung, daß die Abstrahlenergie in einer unteren Zone z. B. der konzentriert wird, die bei Ausführungsformen erhalten wird, bei der der leitende Endeabschnitt 30 nur mit einem Wellenleiter bildenden Hohlräumen gekoppelt ist.
Tatsächlich ist die Breite DL eines Wellenleiters größer als die Breite De der Abstrahlschlitze. Aufgrund der Lokalisierung der Abstrahlwirkung, die durch die Abstrahlschlitze hervorgerufen wird, kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Elementen (z. B. das Element A und das Element B des Antennenmoduls der Fig. 10) auf einen Wert minimaler Entkopplung zwischen den Leitungen verringert werden, der tolerierbar ist.
Um außerdem den Einfluß der Abstandshalter 10, 31 auf die benachbarten Elemente oder Leitungen zu begrenzen, kann man ihre Anzahl auf ein Minimum verringern und sie in bezüglich der Schlitze versetzten Ebenen anordnen, wie Fig. 1 zeigt.
Die Geometrie der Leitungen hat auch eine erhebliche Bedeutung. Ein Beispiel einer Ausführungsform eines Speisekreises 22 zeigt Fig. 3.
Die Impedanz des Speisekreises 22 hängt von der Breite ab, die jedes seiner leitenden Teile bei einem Abstand b zwischen den Platten 11 und 13 hat.
Die Leistungsteiler des Kreises 22 können, wie Fig. 3 zeigt, leicht derart ausgebildet werden, daß die beiden entkoppelten Ausgänge 41, 43 angepaßt sind. Dies wird erreicht, wenn das Verhältnis der von den beiden Ausgängen 41, 43 abgegebenen Leistung gleich oder nahezu gleich 1 ist. Es ist daher nicht notwendig, einen vierten Ausgang (z. B. in Form einer Wilkinson-Widerstandsbrücke zwischen) den beiden entkoppelten Ausgängen vorzusehen.
Der Leistungsteiler der Fig. 3 ist z. B. von dem Typ mit zwei angepaßten Viertelwellenlängen-Ausgangsabschnitten 44, 45 mit einer Breite W der Ausgänge, die eine Impedanz Zo erzeugen, und einer Breite W' dieser Abschnitte, die eine charakteristische Impedanz gleich 2½ Zo haben.
Die Fig. 16, 17, 18 zeigen optimierte Ausführungsformen für Module mit 16·16 Elementen (zwei benachbarte Module sind in jeder Figur gezeigt). Jede der gezeigten Ausführungsformen ist vor allem deshalb vorteilhaft, da jedes der 512 Elemente der Antenne sich genau im gleichen elektrischen Abstand vom Ausgang/Eingang der Antenne befindet, und die erhaltene Konstruktion schafft auf der Stützplatte des Leiters nichtleitende Zonen 90, wo die Abstandshalter 31 der Masseplatten ohne Nachteil aufliegen können.
Das Hinzufügen eines hinteren geschlossenen Hohlraums 26 und ggf. eines vorderen offenen Hohlraums 27 zu einem Element der Antenne ermöglicht es, das Maximum der in der Sende-/Empfangs- Richtung der Antenne abgestrahlten Energie wiederzugewinnen.
Die Polarisation der Antenne gemäß der Erfindung hängt von der Polarisation jedes der Abstrahlelemente ab.
Im Falle einer einzigen Erregerleitung ist die Polarisation linear mit einem elektrischen Feld E parallel zu den Erregerleitungen.
Eine kreisförmige Polarisation kann erhalten werden, wenn man einen gedruckten, ebenen Polarisator (z. B. einen Polarisator mit Mäander-Leitungen) verwendet, der über der Dreifach- Plattenanordnung angebracht wird.
Eine weitere Methode, eine kreisförmige Polarisation zu erhalten, besteht darin, zwei lineare, senkrechte Polarisationen in jedem der Abstrahlelemente zu erregen.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die beiden unabhängigen Speiseleitungen die zur Erregung jedes der Abstrahlelemente des Netzes dienen, sich auf zwei verschiedenen Niveaus 51, 52 befinden.
Die Struktur A der Antenne besteht folglich aus fünf übereinander angeordneten Platten, d. h. drei metallisierten Platten 53, 54, 55, die von fluchtenden Öffnungen 20 A, 20 B, 20 C durchsetzt sind, zwischen denen die beiden dielektrischen Platten 51, 52 angeordnet sind, die die Speisekreise 56, 57 tragen.
Die Erregung zur "vertikalen" Polarisation wird z. B. vom Kreis 5 geliefert, und die "horizontale" Polarisation wird vom Kreis 57 geliefert.
Obwohl diese Struktur mit fünf Platten auf den Fall eines Netzes mit zahlreichen Abstrahlelementen anwendbar ist, ist es auch möglich, die beiden Kreise 56, 57 auf einer einzigen dielektrischen Platte zwischen nur zwei metallisierten Platten mit Öffnungen zu bilden.
Bei der Ausführungsform der Fig. 6 wird die mittlere Masseplatte 54 von den beiden Kreisen 56, 57 verwendet. Vorzugsweise haben die beiden Öffnungen 20 a und 20 c den gleichen Durchmesser.
Die Anpassung jeder Erregerleitung wird dadurch erreicht, daß die Länge des Endabschnitts eingestellt wird, das bezüglich der Öffnungen vorsteht, sowie der Abstand zur reflektierenden Bodenplatte 58. Wenn man den Erregerleitungen eine Phasenverschiebung von +90º oder -90º verleiht, kann man eine kreisförmige rechte oder linke Polarisation erreichen. Wenn man einen -3dB dB Hybriden verwendet, um die von den beiden Ausgängen der linearen Polarisation kommenden Signale zu kombinieren, kann man eine doppelte kreisförmige Polarisation erhalten.
Die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen sind Abwandlungen der in Fig. 1 gezeigten Antenne.
Über der Dreifach-Plattenanordnung A in Fig. 7 ist ein zusätzliches Koppelelement 60 angeordnet. Im Falle der Fig. 8 ist über der Dreifach-Plattenanordnung A eine zusätzliche Platte 70 angeordnet, die mit einer Öffnung 71 versehen ist, die mit den Öffnungen 20 a, 20 b im wesentlichen fluchtet.
Im letzteren Fall kann die zusätzliche Platte auch in Matrixform ausgebildet und von der Dreifach-Plattenanordnung A durch dielektrische Zwischenwände 72 oder durch erzeugte Anschläge in Matrixanordnung getrennt sein.
Diese beiden Ausführungsformen der Fig. 7 und 8 ermöglichen es, die Bandbreite zu erhöhen, diejenige der Fig. 8 ist vermutlich vom elektrischen Standpunkt günstiger.
Es ist festzustellen, daß es bei allen gezeigten Ausführungsformen möglich ist, die mechanische Festigkeit der Anordnung der Antenne z. B. dadurch zu erhöhen, daß das von der Luft zwischen den Platten der Struktur A oder zwischen dieser Struktur A und der Bodenplatte B gebildete Dielektrikum durch eine wabenförmige Anordnung ersetzt wird, die zwischen die Platten eingefügt wird.
Aus Gründen der Kompaktheit und der Einfachheit der Struktur ist es auch möglich, daß die dielektrische Platte 12, die den Speisekreis 22 trägt, sich nicht zwischen den beiden metallisierten Platten 11, 13 befindet. Diese Ausführungsform ist in Fig. 9 verwirklicht. Die Netzantenne besteht nun aus einer Folge von Platten in einer Reihenfolge, die von der der Fig. 1 verschieden ist, wobei die obere Platte 11 und die untere Platte 13 durch eine Zwischenwand 80 getrennt sind.
Die dielektrische Platte, die den Kreis 22 trägt, wird dann außen an der Doppel-Platte seitlich an der Bodenplatte 19 befestigt. In vorteilhafter Weise ist der Speisekreises 22 als invertierte gedruckte Schaltung ausgebildet. In allen Fällen verhindert die dielektrische Platte 12 jeden Kontakt zwischen dem Kreis 22 und der metallisierten Platte 13.
Die Fig. 11, 12, 13, zeigen vier Techniken zur Bildung vorderer und hinterer Hohlräume für einen Antennenmodul mit vier geprägte Masseplatten 11, 13.
Im einzelnen ist die Fig. 11 eine Explosions-Darstellung eines Moduls mit 4·4 Elementen einer Antenne des in Fig. 10 gezeigten Typs. Der Modul besteht in einfacher Weise aus einem Stapel geprägter Bleche 14, 13, 11, 25, in deren Mitte die Stützplatte 12 des Leierkreises 22 angeordnet ist.
Vorteilhafterweise können, wenn man durch Prägen Positionierstützen in der Platte 14 und in der Platte 15 zufügt, die umgekehrt angeordnet sind, die Platten 11 und 13 weglassen werden.
Der so gebildete Stapel kann mittels Bolzen 26 gehalten werden, die alle Platten (Fig. 2) durchsetzen, oder dadurch, daß die Bodenplatte 14 als Gehäuse ausgebildet wird. Der Stapel kann auf dem Gehäuse angeordnet oder wenigstens teilweise in das Gehäuse eingeführt werden. In jedem Falle muß ein bestimmter Abstand df zwischen der Dreifach- Plattenanordnung und dem Boden des Gehäuses erhalten werden. Das Gehäuses kann geprägt oder durch jede andere Einrichtung hergestellt werden, sogar durch Metallisierung eines nicht metallischen Gehäuse. Die Befestigung und Sicherung der Anordnung erfolgen durch Schrauben, Kleben, Schweißen oder auf andere Weise.
Selbstverständlich kann die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ggf. mit einer ebenen Bodenplatte 14 erfolgen, die ggf. ein Stützgehäuse bildet, und im Abstand zur Dreifach-Plattenanordnung 11, 12, 13 gehalten wird. Die Abdeckung 25 mit offenen Hohlräumen 27 ist möglich. Wenn man hintere geschlossene Hohlräume verwendet, kann ein nicht metallisches Stützgehäuse B (z. B. aus Kunststoff) verwendet werden.
Die hinteren geschlossenen Hohlräume 26 können auch in Form einzelner Becher 72 (Fig. 11 bis) ausgebildet sein, die durch Schweißpunkte, Kleben oder auf andere Weise mit der unteren Masseplatte 13 gegenüber den Paaren von Abstrahlelementen zusammengesetzt werden.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antennenmoduls der Erfindung, bei dem die hinteren geschlossenen Hohlräume 26 und die vorderen Hohlräume 27 durch Metallringe 150 ausgebildet sind, die in beliebiger Weise auf der massiven Bodenplatte 14 befestigt sind, bzw. einer hinzugefügten Platte 151. Vorteilhafterweise wird die Sicherung der Ringe 150 an der metallischen Bodenplatte 14 durch Schweißen, Kleben oder eine äquivalente Maßnahme erreicht. Die hinzugefügte Platte 151 kann metallisch oder nichtmetallisch sein, und die Ringe 150 können ebenfalls durch Kleben oder in anderer Weise an den Platten 14, 151 befestigt werden.
Bei einer von der der Fig. 12 etwas unterschiedlichen Ausführungsform, die jedoch weiterhin die Metallringe verwendet, dient das Gehäuse B zur Aufnahme einer Anordnung von zylindrischen Metallringen 150, auf denen die Dreifach- Plattenanordnung 11, 12, 13 aufliegt. Die Ringe 150 sind in beliebiger Weise auf der Bodenplatte des Gehäuses und/oder auf der unteren Masseplatte 13 befestigt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Befestigung der Ringe 150 auf der metallischen oder metallisierten Bodenplatte des Gehäuses und/oder auf der Masseplatte 13 durch Schweißen, Kleben oder eine äquivalente Maßnahme.
Bei der Ausführungsform der Fig. 13 a, 13 b hat das Aufnahmegehäuse einen Satz gekreuzter Streben 160, die ein Feld bilden sind und die ein Gitter bilden, auf dem die Dreifach-Plattenanordnung 11, 12, 13 angeordnet wird. Vorteilhafterweise wird das Gitter aus Streben gebildet, die mit Kerben 161 versehen und dazu bestimmt sind, ineinander einzugreifen, wie Fig. 13 b zeigt.
Durch das Überkreuzen der Streben werden Hohlräume 162 gebildet, von denen jeder einem der Abstrahlelemente der Dreifach-Plattenanordnung entspricht. Es ist in dieser Hinsicht erkennbar, daß die Form der Hohlräume des Antennenmoduls keine einschränkende Eigenschaft der Erfindung ist. Kreisförmige, quadratische, elliptische, rechteckige, polygonale Querschnitte können entsprechend den Anforderungen geeignet sein. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, daß in bestimmten Fällen die rechteckigen Öffnungen von Interesse sind, um für den Durchgang des Leiters 22 mehr Platz zu schaffen.
Fig. 14 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die hinteren geschlossenen Hohlräume 26 dadurch gebildet sind, daß eine metallische Abdeckung auf die Wände einer nicht durchgehenden Ausnehmung 170 aufgelegt ist, die in einem nichtmetallischen Bodenblock 171 ausgebildet sind. Ohne Einschränkung kann z. B. der Bodenblock aus Kunststoff bestehen, und die Metallisierung der Hohlräume kann mittels Aluminiumfolien erfolgen. Bei einem nicht durchgehenden Bodenblock kann das Stützgehäuse B der Fig. 14 weggelassen werden. Der Bodenblock kann auch durch Einzelblöcke ersetzt werden, von den jeder einen oder mehrere Hohlräume hat. Wenn die Ausnehmungen durchgehend sind, schließt die Bodenplatte die Hohlräume.
Selbstverständlich können die Ausführungsformen der Fig. 11 bis 14 kombiniert werden, und insbesondere können die Antennenmodule der Fig. 13 und 14 mit einer vorderen Abdeckung in Form von geprägten Platten oder Ringen 150 versehen werden. Das Hinzufügen von vorderen offenen Hohlräumen 27 ermöglicht es, den Antennengewinn zu erhöhen. Die Höhe des Hohlraums ist vorzugsweise 0,1 mal die Sende- Wellenlänge. Z.B. ergibt eine Höhe der offenen Hohlräume von 5 bis 10 mm eine Erhöhung des Gewinns in der Größenordnung von 2 dB entsprechend der Geometrie für eine Betriebsfrequenz von 12 GHz.
Welche Mittel auch zur relativen Befestigung und Verbindung der Platten der verschiedenen Ausführungsformen des Antennenmoduls der Erfindung (Klemmbolzen, Gehäuse B oder andere Mittel) verwendet werden, die Module können danach mit einem elektromagnetisch neutralen Material in Form von geschäumtem oder gegossenem Kunststoff z. B. geschäumtem Polyurethan umhüllt werden. Diese Umhüllung hat insbesondere den Vorteil, den Modul gegen Witterungseinflüsse zu schützen, wenn die Antenne außen verwendet wird.
Vorteilhafterweise kann eine Antenne durch Kombination mehrerer Modul verwirklicht werden. Bei Antennen mit relativ großen Abmessungen hat diese Technik den Vorteil, die Herstellungskosten durch Verringerung der Größe der verwendeten Werkzeuge zu verringern. Bei der Ausführungsform mit geprägten Platten können die erzielten Einsparungen erheblich sein; außerdem ermöglicht es die Verringerung der Größe der verwendeten Werkzeuge, die Genauigkeit der Formgebung der geprägten Platten besser zu beherrschen.
Außerdem ist der Vorteil noch größer, wenn die Antenne dadurch hergestellt wird, daß mehrere identische Module hinzugefügt werden, wie nachfolgend gezeigt wird.
Fig. 15 zeigt eine erste Ausführungsform einer modularen Antenne, bei der ein einziger Leiterkreis 80 zwei Module 81, 82 bedeckt, die gemäß einer beliebigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen hergestellt sind. Im einzelnen wird der linke Teil der Stützplatte 80 z. B. zwischen eine obere Masseplatte 11 a und eine untere Masseplatte 13 a eingesetzt, die in einem Gehäuse Ba montiert ist, bezüglich des ersten Moduls 81, und zwischen den entsprechenden Elemente 11 b, 13 b, Ba bezüglich des zweiten Moduls 82.
Der Leiterkreis 80 hat z. B. die in Fig. 16 gezeigte Form.
Diese Ausführungsform ist relativ zufriedenstellend, hat jedoch den Nachteil, daß der Eingangs-/Ausgangs-Teil des Leiters der Antenne längs der Schnittlinie der Module verläuft. Um mögliche nachteilige Wirkungen zu vermeiden, die durch die Wirkung des Schlitzes hervorgerufen werden, die durch die nahe Anordnung der Platten des Moduls infolge der gewählten Technik verursacht wird, kann man den Verbindungs- Zwischenraum mit einer dünnen selbstklebenden Metallfolie z. B. aus Kupfer o. dgl. schließen.
Es ist jedoch günstiger, um diesem möglichen Nachteil zu beseitigen, den Leiterkreis selbst aus zwei Teilen herzustellen. Diese vorteilhaften Ausführungsformen des Leiterkreises aus zwei Teilen ist in Fig. 17 (vertikale Polarisation) und Fig. 18 (Horizontale Polarisation) gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die beiden benachbarten Kreise identisch sind und eine Standardisierung ihrer Produktion ermöglichen.
In diesen Fig. 17 und 18 ist der Leiter 83 daher in Form von zwei parallelen, entkoppelten Leitungen auf beiden Seiten der Verbindungsebene der beiden benachbarten Antennenmodule ausgebildet. Bei diese Ausführungsformen befindet sich jedes Antennenelement im gleichen elektrischen Abstand von der Eingangs-/Ausgangs-Stelle des Leiterkreises.
In Fig. 18 sind die beiden Module der identischen Leiterkreise in der gleichen Richtung orientiert (ohne eine Symmetrie bezüglich der Verbindungslinie zu haben). Vorteilhafterweise (nicht gezeigt) nehmen die Speiseabschnitte 110 den gesamten betreffenden Rand der Stützplatten 22 a, 22 b, ein, um ihre Herstellung zu standardisieren; in diesem Falle sind die störenden Halb- Abschnitte durch Einschneiden über ihre gesamte Länge vorzugsweise unter 45º in Höhe ihrer Verbindung unsere mit den vertikalen Leitungen getrennt.
Der Eingang/Ausgang der benachbarten Module erfolgt vorzugsweise in Wellenleitern, wie sie in den Fig. 19 und 20 gezeigt sind. Die Verwendung eines Ausgangs direkt in einem Wellenleiter ist bezüglich der Verwendung eines Koaxialkabels ungünstiger.
Fig. 19 zeigt einen Wellenleitern-Eingang/Ausgang für den Fall, daß die beiden benachbarten Leiterkreise durch einen Teiler bei T elektrisch verbunden sind, um einen einzigen Anschluß 120 zu bilden. Hierzu sind die Öffnungen 121 a, 121 b, 122 a, 122 b an den Verbindungsrändern der oberen Platten 11 a und 11 b und den unteren Platten 13 a und 13 die benachbarter Module ausgebildet. Das so nach Verbindung der Module gebildete Paar Öffnungen wird durch eine Abdeckung 123 vervollständigt, die ein geschlossenes Wellenleitern-Element bildet, indem es zu einem Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter 124 zurückstrahlt, der auf der anderen Seite der Dreifach- Plattenanordnung liegt.
Die obere reflektierende Abdeckung 123 wird z. B. aus metallisiertem Kunststoff oder einer geprägten metallischen Folie hergestellt. Ihre Höhe liegt z. B. in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge.
Um die Wirkung des Verbindungsschlitzes zu begrenzen und die elektrische Verwendung der Platten 11 a, 11 b bzw. 13 a, 13 b zu verbessern, kann man eine dünne Metallfolie 125, 126 um jede Öffnung 121 a, 121 b, 122 a, 122 b durch Kleben o. dgl. anzuordnen.
Der Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter kann z. B. durch Schrauben, Kleben o. dgl. an den unteren metallischen Masseplatten 13 a, 13 b befestigt werden.
Diese Ausführungsform eignet sich auch für eine einzige gedruckte Schaltung, die mit zwei Modulen (Fall der Fig. 15) zusammenarbeitet ebenso wie für zwei unterschiedliche Module, deren jeweilige Leiterkreise nachträglich elektrisch mit einem einzigen Anschluß verbunden sind.
Die elektrische Verbindung zweier Leiter kann z. B. erfolgen, wie in Fig. 21 gezeigt ist, oder die beiden Stützplatten 12 a, 12 b benachbarter Module überlappen den Eingangs-/Ausgangs- Anschluß ihres jeweiligen Leiterkreises 22 a, 22 b.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, und wie in Fig. 17 gezeigt ist, sind die Leiterkreise 22 a, 22 b zweier benachbarter Module ausgehend von zwei identischen gedruckten Stützplatten hergestellt, von den die eine auf der Vorderseite und die andere auf der Rückseite verwendet ist. Hierbei befindet sich die gedruckte Schaltung der einen Stützplatte auf der Oberseite, während sich die andere gedruckte Schaltung auf der Unterseite befindet. Die geringe Verschiebung, die sich dadurch ergibt, bewirkt keinen Nachteil, da zuvor die geringe Empfindlichkeit der Impedanz Zo der Antenne gemäß der Erfindung erwähnt wurde, und damit ihre Anpassung an geringe Lageänderungen der gedruckten Schaltung zwischen den beiden Masseplatten. Die Stützplatte aus dielektrischem Material, die den gedruckten Leiterkreis 22 a, 22 b trägt, kann sehr dünn sein, z. B. in der Größenordnung von 50 Mikron.
Wenn die beiden benachbarten Kreise zueinander invers sind, kann die elektrische Verbindung der Fig. 21 durch teilweises Perforieren der Stützplatten 12 a, 12 b in Höhe der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse 140 a, 140 b der entsprechenden Leiterkreise und anschließendes Löten hergestellt werden.
Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform der Eingangs-/Ausgangs-Einrichtung, die aus Leiterkreisen zweier benachbarter Module kombiniert ist. In diesem Falle ist keine elektrische Verbindung hergestellt, und die Kombination erfolgt über einen Leistungsteiler 130 in einem gebogenen Wellenleiter, um das Signal längs des Bodens der Antenne zurückzuleiten.
Jede Dreifach-Plattenanordnung ist nun mit einem Paar Ausgangs-Schlitzen (131 a, 131 b) versehen, auf denen eine doppelte Abdeckung 132 aufgesetzt ist.
Vorteilhafterweise können die doppelte Abdeckung 132 ebenso wie die einfache Abdeckung der Fig. 19 wenigstens teilweise durch Prägen der oberen Platten 11 a, 11 b benachbarter Module der Antenne hergestellt werden.
Schließlich ist es stets möglich, die Stützplatten 12 a, 12 b aus zwei benachbarten Modulen herzustellen, indem ein vorzugsweise nicht metallisches Klebeband auf die Ränder der Stützplatten aufgebracht wird, die benachbart sind, insbesondere längs ihrer freien Halbbreite, des zentralen Leiters.
Die störende Kopplung der beiden benachbarten Module kann ebenfalls wirksam vermieden werden, wenn man zwischen den Modulen einen Zwischenraum bildet, der größer als die Wellenlänge zwischen den Abstrahlelementen (84, 85) nahe dem einem und den anderen Modul (81, 85) ist. Dieser freie Zwischenraum ermöglicht vorteilhafterweise den Durchgang der zentralen Speisleiter, wobei die Gefahren einer Kopplung vermieden werden, und das Strahlungsdiagramm nicht zu stark beeinträchtigt wird.

Ausfürungsbeispiel

Es wurden Versuche an einem Antennenmodul durchgeführt, der aus einem einzige Element gebildet war, wie es in Fig. 22 gezeigt ist, um die Bandbreite zu bestimmen, die bei der Anwendung der Erfindung erhalten wird.
Das Versuchselement wird aus zwei Platten aus Aluminium mit Dicke Druck von 0,8 mm hergestellt, die die Masseplatten 11, 13 bilden. Jede dieser Platten hat eine Abstrahlöffnung von 16,5 mm. Der Abstand zwischen den Masseplatten 11, 13 beträgt 1,7 mm. Eine dünne Folie aus "Kapton" mit einer Dicke von 75 Mikron trägt den gedruckten zentralen Leiter 22. Die Breite des zentralen Leiters entspricht einer Leitungsimpedanz Zo = 50 Ohm bei einem Abstand der Masseplatten von 11, 13 von 1,7 mm.
Der Erreger-Endabschnitt 30 des Leiters dringt 5,0 mm zwischen die Schlitze 20 a, 20 b ein. Schließlich wurde ein zylindrischer, geschlossener Hohlraum 21 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 9,2 mm unter dem Paar von Abstrahlschlitzen 20 a, 20 b ausgerichtet.
Dieses Demonstrationselement wird optimiert, um um Frequenzen von etwa 11 GHz zu arbeiten.
Die Herstellungstoleranzen dieses Elements wurden absichtlich sehr groß gehalten. Hierzu wurden drei aufeinanderfolgende Versuche durchgeführt.
Für den ersten Versuch wurde einerseits der TOS im Band 10,4 GHz-12,4 GHz für einen Standard-Leiter, der durch Lithographie hergestellt wurde, gemessen. Fig. 23 a führt die erhaltenen Messungen auf, die ein bemerkenswertes Verhalten des Elements zeigen, das einen TOS unter 1,4 bei einer Bandbreite von über 20% hat.
Andererseits zeigt Fig. 23 b, daß die Kreuz- bzw. Fehlpolarisation sehr gering (weniger als -30 dB) in der Richtung senkrecht zur Elementarantenne ist. Die nutzbare Abstrahlung des Elements erfolgt in linearer Polarisation mit einem elektrischen Feld parallel zur Erregerleitung.
Der zweite, an dem Element durchgeführte Versuch bestand darin, die durch Lithographie hergestellte Erregerleitung 22 durch einen manuell geschnittenen (mit einem Messer) Leiter für eine Impedanz von 75 Ohm ausgehend von einer 50 Ohm- Leitung zu ersetzen. Die Messungen des TOS ergab keinen Unterschied bezüglich der durch Lithographie hergestellten Standard-Leitung.
Beim dritten, am Abstrahlelement der Fig. 22 durchgeführten Versuch wurden die zylindrischen Hohlräume 26 durch einen manuell aus Aluminium-Küchenpapier hergestellten Hohlraum ersetzt. Die durchgeführten Versuche haben keine nennenswerte Erhöhung des TOS gezeigt.
Die Antennen-Spezialisten des niederländischen Labors C.H.L., die diese Messungen durchgeführt haben, waren über die Qualität der erhaltenen Versuchsergebnisse überrascht, zumal sie gewohnt waren, mit einer Genauigkeit von einem Mikron zu arbeiten.
Eine zweite Versuchsreihe wurde an einem Antennenmodul mit 16 Elementen bei einer Konstruktion der Leiterkreise, wie sie in Fig. 24 gezeigt ist, durchgeführt.
Da es nicht wirtschaftlich war, das Versuchsmodell durch Prägen herzustellen, verwendete man geklebte Zylinder, um die hinteren geschlossenen Hohlräume zu bildet. Die Positionierstützen 10, 31 wurden nicht durch Prägen hergestellt, sondern durch Kleben von Blechstützen auf den Masseplatten 11, 13.
Die Versuchsmessungen wurden ebenfalls in einer reflexionsfreien Kammer des C.H.L. Labors durchgeführt. Diese Messungen bestätigten die bereits festgestellten guten Ergebnisse des Versuchs mit dem einzigen Antennenelement, und zeigten außerdem eine geringere Charakteristik als die vorherigen Versuche, da ein Modul mit 16 Elementen auf Versuchsbedingungen weniger abspricht als ein einziges Element.
Das Diagramm 25 a zeigt, daß der maximale Gewinn, der erhalten wird, 20 dB beträgt, und daß der Gewinn größer als 19 dB in einem Frequenzband über 10% (10,25-11,5 GHz) ist.
Der gemessene TOS ist kleiner als 2 in einem Frequenzband mit einer Breite über 2 GHz (Fig. 25 b).
Schließlich bestätigt das Strahlungsdiagramm bei 11 GHz der Fig. 25 c, daß keine Kreuzpolarisation in der Haupt- Abstrahlrichtung auftritt. Die ersten Strahlungskeulen der Kreuzpolarisation liegen bei etwa -25 dB bezüglich der maximalen Hauptstrahlung.
Folglich ermöglichen es die Antennenmodule der Erfindung, ausgezeichnete Leistungen bei Herstellungsverfahren bei geringer Toleranz entsprechend einer Massenproduktion bei geringen Gestehungskosten zu erzielen.
Ein bevorzugter Anwendungsfall kann die Herstellung von Antennen zum Empfang von Fernsehsendungen über Satellit in Band X sein. Vorteilhafterweise bestehen diese Antennen aus zwei benachbarten Modulen, die jeweils aus 16·16 Elementen gebildet sind. Dieser bevorzugte Anwendungsfall entspricht den Konstruktionen des Leiterkreises, der in den Fig. 16, 17, 18 gezeigt ist. In häufigsten Fall, wenn die Polarisation der Abstrahlung kreisförmig ist, ist es möglich, einen geeigneten gedruckten, ebenen Polarisator über der Antenne anzuordnen oder über der Antenne eine zusätzliche Stufe mit Erregungs- Endabschnitten senkrecht zu den Endabschnitten 30 der Grundstufe anzuordnen, wie Fig. 6 zeigt.
Das Betriebs-Frequenzband kann z. B. das Band X (3 cm), das Band S (1500 bis 5200 MHz) oder das Band L (390 bis 1550 MHz) sein. Selbstverständlich kann die Antenne gemäß der Erfindung prinzipiell auch in den oberen Frequenzbändern funktionieren, wobei ihre Struktur sie zur Verwendung bei Frequenzen im Band X und niedrigeren wegen der noch weniger strengen Toleranzgrenzen vorteilhafter macht, wodurch die Herstellung noch mehr erleichtert wird.

Claims

1. Hyperfrequenz-Flachantenne, bestehend aus einem zentralen Leiter (22), der zwischen zwei Masseebenen (11, 13) angeordnet ist und der aus einem Mikro-Band besteht, das von einer dielektrischen Stützfolie (12) getragen wird, die zwischen der oberen (11) und der unteren (13) Masseebene aufgehängt ist, und Abstrahlelementen, die mit Endabschnitten des Leiters durch elektromagnetische Kopplung zusammenwirken, wobei der Abstand zwischen der dielektrischen Folie (12), die den zentralen Leiter und den Metallplatten (11, 13) trägt, mittels beabstandeter Abstandshalter (31, 10) aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlelemente Abstrahlschlitze sind, die in den Masseebenen (11, 13) ausgebildet und paarweise (20 a, 20 b) ausgerichtet sind, und daß die Masseebenen (11, 13) als dünne selbsttragende Metallplatten ausgebildet sind, die eine dünne Dreifach- Plattenanordnung (A) zusammen mit der dielektrischen Stützfolie (12) bilden.

2. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Abstrahlschlitze kreisförmig sind.

3. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter durch Prägungen (31) gebildet sind, die durch Prägen der Metallplatten (11, 13) geformt werden.

4. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (10) aus dielektrischem Material bestehen.

5. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreifach-Plattenanordnung (A) durch eine untere reflektierende Platte (14) ergänzt ist, die von der Dreifach-Plattenanordnung (A) um eine Strecke entfernt ist, die etwa einer Viertelwellenlänge entspricht.

6. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (20 a, 20 b) eines gleichen Paares gleiche oder etwas unterschiedliche Abmessungen haben.

7. Flachantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (20), die in jeder Metallplatte (11, 13) ausgebildet sind, in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Schlitze in der Größenordnung von etwa 0,3 bis 0,7 der Wellenlänge, und der Abstand zweier benachbarter Schlitze einer gleichen Zeile oder Spalte etwa 0,7 bis 0,9 der Wellenlänge beträgt.

8. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Erregung der Antenne in linearer Doppel-Polarisation die Stützfolie (12) zwei unabhängige Speisekreise trägt.

9. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Erregung der Antenne in linearer Doppel-Polarisation zwei Dreifach-Plattenanordnungen (A) übereinander angeordnet sind, um eine Struktur mit fünf Platten (51, 52, 53, 54, 55) zu bilden, die aus drei Metallplatten (53, 54, 55) gebildet ist, die von fluchtenden Schlitzen (20 a, 20 b, 20 c) durchsetzt sind, zwischen die zwei dielektrische Stützfolien (51, 52) eingesetzt sind, die jeweils eine Speiseleitung (56, 57) tragen, die die Erregung der Antenne ermöglichen, die entsprechend zwei senkrechten Polarisationen abstrahlt.

10. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Dreifach-Plattenanordnung (A) eine zusätzliche Platte (60) zur elektrotechnischen Kopplung angeordnet ist.

11. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Dreifach-Plattenanordnung (A) eine zusätzliche Platte (70) angeordnet ist, die mit Ausnehmungen (71) versehen ist, die mit jedem der Paare von Schlitzen (20 a, 20 b) fluchten.

12. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreifach-Plattenanordnung (A) durch eine untere reflektierende Platte (14) ergänzt ist, und daß die Stützfolie (12) an der Außenseite einer der beiden Metallplatten (11, 13) befestigt ist, wobei der Speisekreis (22) auf der Seite der Stützfolie (12) gegenüber der Bodenplatte (14) liegt.

13. Flachantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch geschlossene Hohlräume (26) aufweist, die hinter wenigstens einigen der Paare von Abstrahlschlitzen (20 a, 20 b) ausgerichtet sind.

14. Flachantenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (26) aus einem geprägten Blech (14, 25) bestehen.

15. Flachantenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (26) aus einem Gitter bestehen, das durch Überkreuzen von ein Feld (160) bildenden Streben hergestellt ist, die zwischen sich durch eine Bodenplatte (14) geschlossene rechteckige Zellen begrenzen.

16. Flachantenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (26) aus metallischen zylindrischen Abschnitten (150) bestehen, die auf die Masseplatte (13) bzw. eine metallische massive Bodenplatte aufgesetzt sind.

17. Flachantenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (26) aus Zellen (170) bestehen, die in wenigstens einem Block (171) aus nichtmetallischem Material ausgebildet sind, deren Wände mit einer metallischen Abdeckung versehen sind.

18. Flachantenne nach einem der vorherigen Ansprüche und zur Zusammenwirkung mit wenigstens einer zweiten Flachantenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsränder der Masseplatten (11 a, 13 a; 11 b, 13 b) und der benachbarten Module jeweils mit einer Abstrahlöffnung (121 a, 122 a; 121 b, 122 b) versehen sind, die dazu bestimmt sind, zusammenzuwirken, um ein Paar Eingangs-/Ausgangs-Abstrahlschlitze in Höhe eines gemeinsamen Endabschnitts (120) der Leiter der Module zu bilden, wobei und daß das so gebildete Paar Schlitze (121 a, 122 a; 121 b, 122 b) auch mit einer reflektierenden Abdeckung (123) und einem Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter (122 124) zusammenwirkt.

19. Flachantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und zur Zusammenwirkung mit wenigstens einer weiteren Flachantenne dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsschlitz (131 a, 132 a; 131 b, 132 b) nahe dem Verbindungsrand jeder der Masseplatten der Module gebildet ist, um zwei Paar von benachbarten Eingangs-/Ausgangs-Schlitzen zu bilden, die jeweils mit dem Eingangs-/Ausgangs-Ende (133 a, 133 b) der jeweiligen Leiterkreise der Module zusammenwirken, wobei die Paare von Schlitzen benachbarter Module einerseits mit einer doppelten reflektierenden gemeinsamen Abdeckung (132) an ihren Enden und andererseits mit einem Leistungsteiler (130) mit Wellenleitern am entgegengesetzten Ende zusammenwirken.

21. Flachantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Zusammenwirkung mit wenigstens einer weitere Flachantenne, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stützfolie (12) mit einem einzigen Erreger-Leiter (22) an mehrere Sätze von Masseplatten (11, 13) angekoppelt ist, von denen jeder Satz einem gesonderten Antennenelement entspricht.

20. Flachantenne nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen (123, 132) durch Prägen der oberen Masseplatte (11 a, 11 b) benachbarter Module gebildet sind.

22. Flachantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Zusammenwirkung mit wenigstens einer weiteren Flachantenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterkreise (22) zweier benachbarter Antennen gleich und miteinander derart verbunden sind, daß die erste gedruckte Schaltung (22 a) einer ersten Antenne sich auf der Vorderseite der entsprechenden Stützfolie (12 a), und der Leiterkreis (22 b) der zweiten Antenne sich auf der Rückseite der Stützfolie (12 b) befindet.

23. Flachantenne nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Dreifach- Plattenanordnung (11, 12, 13) in einem Gehäuse (B) aufgenommen ist, dessen Boden hintere geschlossene Hohlräume (26) aufweist.

24. Flachantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Platten (11, 12, 13, 14; 51, 52, 53, 54, 55; A, 60; A, 70) teilweise oder ganz mit einem festen, der Versteifung dienenden dielektrischen Material gefüllt ist.

25. Verfahren zur Herstellung eines Moduls einer Breitband-Netzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung jeder der Masseplatten (11, 13) der Antennen durch einen Präge-/Zieh- Vorgang erfolgt, um einerseits die Abstrahlschlitze (20 a, 20 b) zu perforieren und andererseits Abstandshalter (31) auf der Seite der Platten (11, 13) zu bilden, die der dielektrischen Stützfolie zugewandt ist, die den zentralen Leiter trägt, daß die Antenne dadurch montiert wird, daß lediglich nichtleitende Zonen der dielektrischen Stützfolie (12) des Erreger-Leiters (22) auf die Abstandshalter (31) aufgesetzt werden, die der unteren (13) und der oberen (11) Masseplatte zugewandt sind, um Endabschnitte (30) des Leiterkreises (22) zwischen die Paare von fluchtenden Schlitzen (20 a, 20 b) eindringen zu lassen, und daß darüber die Dreifach- Plattenanordnung (11, 12, 13) angeordnet und so die hinteren geschlossenen Hohlräume (26) gebildet werden.