DE3886689T2

DE3886689T2 - Anregungsvorrichtung einer zirkularpolarisierten Welle mit einer Flachantenne in einem Hohlleiter.

Info

Publication number: DE3886689T2
Application number: DE88118239T
Authority: DE
Inventors: Thiery Dusseux; Philippe Ginestet; Didier Rene
Original assignee: Alcatel Espace Industries SA
Current assignee: Alcatel Espace Industries SA
Priority date: 1987-11-05
Filing date: 1988-11-02
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-11-03
Also published as: JPH01205603A; FR2623020B1; FR2623020A1; DE3886689D1; EP0315141A1; US5010348A; CA1290449C; EP0315141B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Anregen eines Wellenleiters im Zirkularpolarisationsmodus durch eine Flachantenne, beispielsweise eine aufgedruckte oder aufplattierte Antenne.
Diese Einrichtung stellt eine kompakte Vorrichtung zum Anregen eines Wellenleiters in zirkularer Doppelpolarisation bei großer Bandbreite und hoher Polarisationsreinheit dar. Sie ermöglicht die Erzeugung einer rechts- und/oder linksgängigen zirkular polarisierten Welle in einem Leiter mit beispielsweise quadratischem oder kreisförmigem Querschnitt.
Eine solche Vorrichtung ist zur Verwendung in einer mit Zirkularpolarisation betriebenen Mehrfachquellenantenne mit Frequenzwiederverwendung bestimmt.
Sie kann auch in jedem als Wellenleiter ausgebildeten strahlenden Element verwendet werden, das einen kompakten Anregungsteil für Zirkularpolarisation erfordert, die aus einer TEM-Leitung ("transverse electro-magnetic") gespeist wird, beispielsweise einer Koaxialleitung, einer Dreiplattenleitung oder einer Mikrostreifenleitung.
Aus der Druckschrift US-A-3 665 480 ist eine mit einem Wellenleiter in Verbindung stehende aufgedruckte Antenne bekannt. Die Antenne besitzt eine strahlende Öffnung in Form eines kreisförmigen Schlitzes, der in eine leitende Platte eingearbeitet ist, und sie besitzt orthogonale Speiseleitungen, die zwischen zwei leitenden, durch ein Dielektrikum getrennten Platten angeordnet sind und unterhalb der durch den ringförmigen Schlitz begrenzten zentralen Scheibe enden. Eine solche Antenne besitzt hinsichtlich der Bandbreite und der Polarisationsreinheit eine nur mittelmäßige Qualität und ist daher zur Verwendung im reinen Zirkularpolarisationsmodus bei in der Nachrichtentechnik üblichen Frequenzen ungeeignet.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung zum Anregen eines Wellenleiters durch eine Flachantenne, die in Bezug auf das Durchlaßband, die Elliptizität und Kompaktheit verbesserte Eigenschaften besitzt.
Dieses Ziel wird durch eine Einrichtung zum Anregen eines Wellenleiters erreicht, die dem Patentanspruch 1 entspricht.
Eine solche Einrichtung bietet eine ausgezeichnete Anpassung über ein breites Frequenzband und eine ausgezeichnete Zirkularpolarisationsreinheit in diesem Band.
Eine solche Einrichtung ermöglicht die Überwindung der mit den Systemen des Standes der Technik verbundenen Nachteile. Sie ergibt nämlich:
- eine Verringerung des Platzbedarfs,
- eine Erweiterung des Frequenzbandes bei gegebenen Anpassungs- und Elliptizitätswerten.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung besitzt hierzu nämlich folgende Merkmale:
- sie ist extrem kompakt; die zirkulare Polarisation wird bei ihr direkt aus einer TEM-Leitung und über eine Länge erzeugt, die kleiner als eine Wellenlänge ist;
- sie ist mit langgestreckten hinteren Anschlüssen versehen; dadurch können die Anschlüsse ohne zusätzliche Koaxialkabel an einen TEM-Sende- und/oder einen Empfangsleistungsverteiler angeschlossen werden, der parallel zum Querschnitt des Wellenleiters liegt, d.h. an eine Stelle, an der auch die Hybridkoppler für die Quadratureinspeisung angebracht werden können;
- sie ist bei jeder Antenne für Zirkularpolarisation anwendbar, bei der die Polarisationseinrichtung kompakt und raumsparend sein soll.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im übrigen aus der nachfolgenden beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren hervor.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vorderansicht in Richtung des in Fig. 2 dargestellten Pfeiles 1 bzw. einen Längsschnitt durch die Einrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Variante der Erfindung.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Vorderansicht in Richtung des in Fig. 5 dargestellten Pfeiles IV bzw. einen Längsschnitt einer zweiten Variante der Einrichtung gemäß der Erfindung.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einem Wellenleiter 10, beispielsweise einem zylindrischen Leiter, der durch eine Antenne 11 mit einfachem Resonator, beispielsweise einer aufplattierten oder aufgedruckten Antenne, in Zirkularpolarisation angeregt wird. Diese Antenne weist also ein auf einem isolierenden Substrat aufgebrachtes ebenes metallisches Muster auf. Die Form der Antenne hängt von den erwarteten Eigenschaften ab (typischerweise quadratisch oder kreisförmig, entsprechend der Form des Wellenleiters). Der Boden des Wellenleiters 12, hier in Form einer Scheibe, dient der Antenne als Masseebene. Die Antenne wird über zwei abgestimmte koaxiale Anschlüsse 13 und 14 gespeist, die in Bezug auf die Mitte des Wellenleiters um 90º gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei beide Anschlüsse durch ein Dielektrikum 18 gegeneinander isoliert sind.
Jeder koaxiale Anschluß wird durch einen 90º-Hybridkoppler 15 in Phasenquadratur gespeist, der beispielsweise ein verzweigter Hybridkoppler sein kann. Ein Zugang 16 des Hybridkopplers 15 erzeugt die rechtsgängige Zirkularpolarisation, während der andere Zugang 17 die linksgängige Zirkularpolarisation erzeugt. Der Hybridkoppler 15 ist im Amplitudenverlauf exzentrisch ausgebildet, derart, daß die Kopplungen zwischen Sonden kompensiert werden und in jeder Polarisationsrichtung ein Feld erzeugt wird, das ein minimales Elliptizitätsverhältnis aufweist.
Bei einer ersten Ausführungsvariante, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, besteht die Antenne, beispielsweise eine aufplattierte oder aufgedruckte Antenne, aus einem doppelten Resonator 11, 20, wodurch der Frequenzdurchlaßbereich der Einrichtung vergrößert wird. Die beiden Teile 11 und 20 dieses Doppelresonators, die im vorliegenden Falle beispielsweise die Form zweier konzentrischer Metallscheiben besitzen, werden durch ein Dielektrikum 21 auf Abstand gehalten.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante, wie sie in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, wird die Antenne 11 (mit Doppelresonator oder mit einfachem Resonator), die beispielsweise eine aufplattierte oder aufgedruckte Antenne ist, durch vier koaxiale Anschlüsse 22, 23, 24 und 25 in Quadratur (0º, ± 90º, ± 180º, ± 270º) über eine Einrichtung 26 gespeist, die aus einem Hybridkoppler und zwei "Mausefallen" ("Rat-race" im Englischen oder Hybridringe genannt), oder über einen Hybridkoppler und zwei angepaßte "T"-Glieder gespeist. Jeder Hybridkoppler und jede "Mausefalle" oder jedes "T"-Glied ist abgeglichen (3dB-Koppler) und erzeugt so im Wellenleiter Wellen in reiner Zirkularpolarisation.
Der Hybridkoppler erzeugt die für die Zirkularpolarisation erforderliche Phasenquadratur. Die "Mausefallen" oder "T"-Glieder, die konkret eine Symmetriereinrichtung bilden, können übrigens durch andere "balun"-Typen (in Englisch "balance unit") oder Abgleichsysteme ersetzt werden.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, kann mit folgenden Abmessungen verwendet werden:
- Abstand zwischen jedem der Koaxialanschlüsse 13 und 14 und der Mitte des kreisförmigen Resonators 11 : ungefähr 20,5 mm;
- Dicke des Dielektrikums 18: ungefähr 3 mm;
- Dicke des Resonators 11: ungefähr 0,5 mm;
- Dicke des Dielektrikums 21: ungefähr 7 mm;
- Dicke des Resonators 20: ungefähr 0.5 mm;
- Durchmesser des kreisförmigen Resonators 11: ungefähr 41 mm;
- Durchmesser des kreisförmigen Resonators 20: ungefähr 28 mm; und
- Durchmesser des zylindrischen Wellenleiters 10: ungefähr 52 mm.
Dabei können folgende Eigenschaften erzielt werden:
- Frequenzband: 15 % (beispielsweise 3700 MHz - 4200 MHz);
- Anpassung, Stehwellenverhältnis in diesem Band < 1.20; und
- Elliptizität < 0,6 dB.
Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur als bevorzugtes Beispiel beschrieben und dargestellt, und ihre Bauelemente können durch äquivalente Elemente ersetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
So kann die Einrichtung gemäß der Erfindung einen Resonator (Fig. 1, 2) oder zwei Resonatoren (Fig. 3) aufweisen; sie kann aber auch mehr als zwei Resonatoren umfassen, nämlich drei, vier, usw.
Weiter müssen die Resonatoren nicht unbedingt Kreisquerschnitt besitzen. Sie können eine beliebige Form haben, nämlich kreisförmig, quadratisch, kreuzförmig, sternförmig, hexagonal, oder sie können Einschnitte oder asymmetrische Unebenheiten aufweisen. Sie können innerhalb ihrer Kontur auch Aussparungen (nicht metallisierte Oberflächen) beliebiger Form besitzen.
Auch können die dielektrischen Schichten (18, 21) des Trägers der Resonatoren (11, 20) teilweise oder ganz durch andere Trägertypen ersetzt werden (Distanzstücke, Säulen), die aus beliebigem Material bestehen (leitend oder isolierend) und Fachleuten bekannt sind.
Weiter können die Resonatoren über ihre Ebene hinaus oder innerhalb ihrer Ebene durch metallische Teile verlängert werden, die gewünschtenfalls mit der Wand des Wellenleiters in elektrischem Kontakt stehen.
Weiter können die verwendeten Wellenleiter kreisförmig oder quadratisch ausgebildet sein; sie können aber auch eine hexagonale, polygonale, elliptische oder andere Form besitzen. Sie können Unebenheiten aufweisen, wie etwa Überdicken oder Rillen in Längs-, Schräg- oder Querrichtung, oder sie können örtliche Unebenheiten, wie etwa Stifte, Irisblenden und Schlitze, aufweisen. Sie dürfen ferner insgesamt oder nur stellenweise aufgeweitet oder verengt sein, oder beides nacheinander, beispielsweise entsprechend einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit.
Darüber hinaus kann das Anregungssystem ebenso gut im Inneren des Wellenleiters angebracht werden.
Weiter kann die Einrichtung gemäß der Erfindung durch zwei oder vier Anschlüsse, oder auch durch eine größere Anzahl von Zugängen gespeist werden, die an den ersten Resonator (11) oder auch an die anderen Resonatoren (20, ...) angeschlossen werden können.

Claims

1. Einrichtung zum Anregen eines geraden hohlen Wellenleiters (10), der eine Symmetrieachse besitzt und an einem ersten Ende (12) senkrecht zu dieser Symmetrieachse geschlossen ist, wobei die Einrichtung eine Flachantenne aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aufweist:

- eine Massefläche, die aus dem ersten Ende (12) des Wellenleiters besteht,

- mindestens zwei isolierende Substratschichten (18, 21), die auf der Innenoberfläche des ersten Endes des Wellenleiters angebracht sind und voneinander durch eine metallische Oberfläche (11) getrennt sind, wobei die am weitesten vom ersten Ende des Wellenleiters entfernte isolierende Substratschicht eine zweite metallische Oberfläche (20) trägt und die isolierenden Substratschichten sowie die metallischen Oberflächen sämtlich symmetrisch zur Symmetrieachse des Wellenleiters angeordnet sind, wobei die metallischen Oberflächen jeweils ein strahlendes Element bilden und eine Vielzahl übereinander geschichtete Resonatoren bilden, die auf der inneren Oberfläche des ersten Endes des Wellenleiters angeordnet sind,

- mindestens ein Paar von Koaxialleitungen (13, 14), die an die erste metallische Oberfläche angeschlossen sind und einen gegenseitigen Abstand im Winkel von 90º relativ zur Symmetrieachse des Wellenleiters aufweisen, und

- eine Schaltung (15) mit einem Hybridkoppler, der die Koaxialleitungen in Quadratur speist, um den Wellenleiter in Zirkularpolarisation anzuregen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes strahlende Element ein metallisches Druckschaltungsmuster ist, das auf einer entsprechenden Schicht aus isolierendem Substrat aufgebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit vier Koaxialleitungen, die paarweise einen gegenseitigen Abstand im Winkel von 90º relativ zur Symmetrieachse des Wellenleiters aufweisen und an die erste metallische Oberfläche angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die metallischen Oberflächen aus Metallscheiben bestehen, die auf den Oberflächen je einer der isolierenden Substratschichten angeordnet sind und die strahlenden Elemente bilden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Wellenleiter aus Metall besteht und die zweite isolierende Substratschicht (21) zwischen die am weitesten von der ersten isolierenden Substratschicht (l8) entfernte Oberfläche der ersten Metallscheibe (11) und die zweiten Metallscheibe (20) eingefügt ist, welche auf der am weitesten von der ersten Metallscheibe (11) entfernten Fläche der zweiten isolierenden Substratschicht (21) angebracht ist, wobei die erste Metallscheibe (11) das erste strahlende Element und die zweite Metallscheibe (20) das zweite strahlende Element bildet.