DE4106250C2 - - Google Patents
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Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dipol-Array-Antenne
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus
der EP 03 25 034 A2 bekannt ist.
Mikrowellenantennen sind in den Bereichen der Kommuni
kationstechnik, Radioastronomie, Radiotelemetrie und
Radartechnik usw. weit verbreitet. Es wurde auch bereits
vorgeschlagen und versucht, elektromagnetische Strahlung
zur Energieübertragung zwischen zwei Orten zu verwenden.
Es besteht daher Bedarf nach einer kostengünstigen Vor
richtung zum Empfang zur Umwandlung elektromagnetischer
Energie in Gleichstrom, welche sich beispielsweise auch
für den Einsatz auf beweglichen Trägern eignet. Eine
gleichrichtende Antenne, die üblicherweise Rectenna ge
nannt wird, beinhaltet Antennenelemente und damit direkt
verbundene Gleichrichter, was zu einem Gleichstromausgangs
signal führt. Ein Anwendungsbeispiel einer solchen Rectenna
findet sich bei leichten elektrisch angetriebenen Flugzeu
gen, welche eine Leistung von mindestens 30 KW zum Antrieb
und zur Kommunikation benötigen. Im Betrieb würde ein
solches Flugzeug über festinstallierten Bodenantennen
systemen kreisen, welche Energie im 2,4 bis 2,5 GHz Mikro
wellen ISM-Band übertragen. Auf diese Weise könnte das
Flugzeug über Wochen oder Monate in der Luft gehalten
werden und Kommunikationssignale zwischen entfernten
Orten übertragen.
Natürlich gibt es auch viele andere Anwendungsbeispiele,
bei denen die Energieversorgung einer entfernten Station
in Form elektromagnetischer Strahlung erwünscht ist,
um sich die Herstellung einer festen Verbindung zu erspa
ren und die Station beweglich zu belassen. Dabei ist
es vorteilhaft, Antennen zu verwenden, welche bei ver
schiedenen Mikrowellenpolarisationen funktionieren.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für Antennenarrays bei
Mikrowellenfrequenzen und darüber ist ihr Einsatz als
ortsauflösender Detektor. Dabei erhält man Informationen
über die elektromagnetische Energie, die von jedem ein
zelnen Antennenelement empfangen wird.
Zum Stand der Technik sei auf den Aufsatz "New Techniques
for Combining Solid State Circuits" von Staiman im IEEE
Journal Solid State Circuits, Vol. SC-3, Sept. 1968,
pp 238-243, verwiesen, in welchem das Zusammenwirken von
Einzeldipolantennen diskutiert wird. In "Field Theory
of Guided Waves" von Collin, McGraw-Hill, New York, 1960,
p 271, werden außerdem Antennenreaktanzen in kleinen Anten
nenarrays diskutiert.
Die EP 03 25 034 A2 beschreibt ein polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-
Array zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, welches eine Vielzahl im wesentlichen
identischer Antenneneinheiten umfaßt, die symmetrisch in zwei übereinander
liegenden zweidimensionalen Arrays angeordnet sind. Jede dieser Antenneneinheiten
weist ein Dipolelement mit zwei symmetrisch daran angebrachten Anschlußleitungen
auf, welche Wellenfilter enthalten. Die Dipolelemente des einen Arrays sind senkrecht
zu denjenigen des anderen Arrays angeordnet, wodurch die Gesamtanordnung
polarisationsunabhängig wird. Die Antenneneinheiten jedes Unterarrays sind auf
einer dielektrischen Platte angeordnet und ihre Anschlußleitungen sind gleich
spannungsmäßig miteinander verbunden. Auf der den Antenneneinheiten gegenüberliegenden
Seite der dielektrischen Platte ist in einer bestimmten Distanz ein leitfähiger
Reflektor vorgesehen.
Das in der EP 03 25 034 A2 beschriebene Antennen-Array weist infolge der von
einander getrennten Dipole einen hohen Blindwiderstand auf, wie es auch in vor
genannten Artikel von Staiman beschrieben ist. Außerdem ist es infolge seiner Zwei
schichtstruktur kompliziert und teuer in der Herstellung und außerdem relativ dick.
Es besteht die Aufgabe, das Dipol-Antennen-Array so auszu
bilden, daß es einfach herzustellen ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk
male des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den Unteransprüchen entnehmbar.
Weitere Vorzüge des Dipol-Antennen-Arrays gemäß der vor
liegenden Erfindung sind seine besseren Leistungsüber
tragungseigenschaften und sein großer Empfangswinkelbe
reich, welcher eine Relativbewegung zwischen Empfangs-
und Sendesystemen ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden
anhand der Zeichnungen beschrieben werden. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Antenneneinheit
gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei
identischen Anschlußleitungen, welche mit
den Enden eines Dipolantennenelements verbun
den sind;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Kompo
nente des Antennen-Arrays, der sechs symme
trisch angelegte in X-Richtung orientierte
Antenneneinheiten enthält, um eine Polarisa
tionsebene der Welle zu empfangen;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil des vollständi
gen Antennen-Arrays, wobei die Verbindung
zwischen den Antennenelementen und Anschluß
leitungen dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine einzelne Antenneneinheit 1 gemäß der vor
liegenden Erfindung, welche so angeordnet ist, daß sie einen
Teil einer senkrecht zur Zeichenebene (x, y-Ebene), also in
z-Richtung einfallenden elektromagnetischen Welle empfangen
kann. Die entfernte Sendeantenne emittiert zwei zueinander
senkrecht polarisierte Wellen, welche sich in Amplitude
und Phase unterscheiden können. Diese beiden orthogonalen
Feldkomponenten der einfallenden Welle können in Komponenten
in x- und y-Richtung zerlegt werden, wobei die x-Richtung
parallel zum Dipolelement ist. Das Dipolelement kann also selektiv
die in x-Richtung orientierte Komponente des einfallenden
Wellenfelds empfangen. Eine Antenneneinheit besteht aus
einem Dipolantennenelement 2 der Länge l und zwei identischen
Anschlußleitungen 3 und 5, die symmetrisch an dem Dipolelement
angebracht sind. Dabei ist l im wesentlichen die Wellenlänge λ
oder ein geeigneter Bruchteil davon. Jede Anschlußleitung
enthält Filter 7 und 9 und Gleichrichterdioden 11 und 13.
Fig. 1 zeigt auch die Polarität der Gleichspannung, die
sich zwischen den Anschlußleitungen über die Kondensatoren
15 und 17 aufbaut.
Fig. 2 zeigt einen Teil einer Komponente des Antennen-
Arrays, welches aus einem Array aus 6 Antenneneinheiten
gemäß Fig. 1 besteht. Es ist zu beachten, daß sich die
jeweils benachbarten in x-Richtung kolinearen Dipole
lückenlos berühren, beispielsweise die Dipolelemente 21
und 23. Diese Konstruktion gestattet die Verkürzung der
Länge l einer Antenneneinheit auf Werte, welche klein
sind im Vergleich zur Wellenlänge, ohne daß dabei der
Blindwiderstand der Antenne stark ansteigt, wie es bei
voneinander getrennten Dipolen kleiner Abmessung gemäß
dem erwähnten Artikel von Staiman gefunden wird. Dieses
unvermeidliche Ansteigen des Blindwiderstandes der Antenne
bei Verringerung der Antennenlänge vereitelt den Gebrauch
einzelner Dipolrectennen bei hohen Packungsdichten, weil
der hohe Blindwiderstand nicht durch einen geeigneten
Abschluß der Anschlußleitungen der Einheitszellen ausgere
gelt werden kann, so wie es bei kleinen Blindwiderständen
nach der erwähnten Druckschrift von Collin der Fall ist.
Die Gleichrichterdioden benachbarter Antenneneinheiten
sind gegenpolig in die Anschlußleitungen geschaltet, was
in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Tatsache ist wichtig
und wird im folgenden mit Hilfe der Fig. 3 erklärt.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil der vollstän
digen Array-Antenne, wobei Antenneneinheiten für den Empfang
von x- und y-polarisierten Komponenten der einfallenden
Welle in derselben Ebene miteinander kombiniert sind.
Das Ausgangsfilter jeder Rectenneneinheit ist vom jeweils
nächsten Antennenelement isoliert, so daß ein λ/4 Abstand
in den Anschlußleitungen zwischen dem Ausgangsfilter und
dem nächsten Dipol nicht notwendig ist. Auf diese Weise
können die Anschlußleitungen und Netzwerkelemente auf die
Größe des Antennenelements reduziert werden, was hohe
Packungsdichten ergibt. Es ist außerdem eine leitfähige
Reflektorebene (nicht dargestellt) vorgesehen, welche
sich auf der anderen Seite der dielektrischen Schicht
in einem Abstand von im wesentlichen λ/4 von den Antennen
einheiten entfernt befindet, wobei dieser Abstand jedoch
zur Kompensation des Blindwiderstands der Antenne und
der Anschlußleitungen veränderbar ist.
Die Gleichstromsammlung an den Enden jeder Antenneneinheit
erfolgt durch einen Verbindungsdraht 31, der die Diagonale
in den die Antenneneinheiten verbindenden Rechtecken,
in deren Seiten Kondensatoren sitzen, bildet.
Aufgrund der hochsymmetrischen Anordnung der Antennen
und Übertragungsleitungen kann das Problem der Energieüber
tragung auf ein großes Antennen-Array (wie in Fig. 3)
ersetzt werden durch ein Netzwerkmodell einer Einheits
zellenübertragungsleitung. Dieses Problem kann dann mit
Hilfe von Standardschaltkreismethoden gelöst werden. Die
Methode ist für jeden Einfallswinkel, einschließlich des
senkrechten Einfalls, anwendbar und ist geeignet um Varia
tionen bei der Empfangseffizienz zu begrenzen, wenn der
Einfallswinkelbereich nicht sorgfältig begrenzt werden
kann.
Wenn außerdem das Doppelpolarisationssystem gemäß der
Konfiguration der vorliegenden Erfindung als Netzwerk
beschrieben ist, können die Auswirkungen von Änderungen
oder Modifikationen des Systems quantifiziert und kompen
siert werden. Beispielsweise kann eine dielektrische An
tennenkuppel direkt über der Antennenebene plaziert
werden, um das System vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Dies führt zu Änderungen in der Wellenlänge und charakte
ristischen Impedanz in einem kleinen Bereich der Zelle
über der Array-Antenne.
In der Konfiguration aus Fig. 3 können die Abmessungen
jeder einzelnen Rectenneneinheit auf einen kleinen Bruch
teil der Wellenlänge reduziert werden. Diese hohe Packungs
dichte ermöglicht eine höhere Leistung pro Einheitsfläche
bei Verwendung derselben Hochleistungsgleichrichterdioden
für jede Rectenneneinheit. Umgekehrt lassen sich dieselben
Leistungen wie bei den bekannten Systemen erzielen, wenn
man leistungsarme billige Dioden anstelle der teuren Hoch
leistungseinheiten verwendet, welche bislang notwendig
waren.
Da alle wärmeerzeugenden Bauteile (zwei Dioden pro Polari
sationsrichtung pro Rectenneneinheit) auf einer einzigen
Ebene angebracht sind, ist die Kühlung gegenüber Mehr
schichtrectennensystemen erheblich vereinfacht.
Die planare Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist
nicht auf einander berührende Dipole begrenzt, sondern
sie läßt sich auch auf den allgemeineren Fall separater
Dipole anwenden.
Obwohl im Ausführungsbeispiel lediglich ein quadratisches
Dipolantennenelement in einem quadratischen Antennenarray
beschrieben wurde, gilt das Gesagte auch für Antennenarrays,
welche ein hohes Maß an Symmetrie aufweisen, aber nicht
quadratisch sind.
Darüber hinaus lassen sich unter Zugrundelegung der erwähnten
Prinzipien auch nichtebene rotationssymmetrische An
tennenarrays konstruieren. Beispiele hierfür sind Antennen
arrays auf dem zylindrischen Rumpf eines Flugzeugs oder
einer Rakete und zylindrische Rectennenarrays in der Nähe
des Brennpunkts eines Mikrowellenleistungskonzentrators.
Claims (4)
1. Polarisationsunabhängiges Dipol-Antennen-Array zur Übertragung elektro
magnetischer Wellen mit einer Vielzahl symmetrisch angeordneter, im wesent
lichen identischer Antenneneinheiten, wobei die Anschlußleitungen benach
barter Antenneneinheiten gleichspannungsmäßig miteinander verbunden sind,
und mit einer Reflektorfläche in einer bestimmten Distanz zu den Antennenein
heiten, wobei jede der Antenneneinheiten ein Dipolelement mit zwei symmetrisch
daran angebrachten Anschlußleitungen mit im wesentlichen zueinander identi
schen Wellenfiltern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenein
heiten für die zueinander senkrecht polarisierten Komponenten der Wellen in
derselben Fläche miteinander kombiniert sind und jedes Dipolelement mit den
benachbarten kolinearen Dipolelementen in Berührung steht.
2. Dipol-Antennen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vielzahl identischer Antenneneinheiten symmetrisch in einem rechteckigen Array
in zwei Dimensionen angeordnet ist.
3. Dipol-Antennen-Array nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Distanz zwischen der Reflektorfläche und den Antenneneinheiten ein
stellbar ist.
4. Dipol-Antennen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die die Antenneneinheiten tragende Fläche und der Reflektor
gekrümmt sind.
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