DE4239785A1

DE4239785A1 - Gruppenantenne in Streifenleitertechnik

Info

Publication number: DE4239785A1
Application number: DE19924239785
Authority: DE
Inventors: Shun-Ping Chen
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur IN
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur IN
Priority date: 1992-11-26
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1994-06-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne in Streifenleiter technik für den Funkbetrieb - Senden und Empfangen - im UHF- Bereich, mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen.

Streifenleiter-, Microstrip- oder Patch Array-Antennen für den Dezimeterwellen-Bereich bestehen im allgemeinen aus einer Platte oder Scheibe aus dielektrischem Material, die auf einer Seite mit einer geschlossenen Metallbeschichtung als Massefläche und auf der anderen Seite mit der eigentlichen Strahlerstruktur versehen ist. Die Struktur auf der Antennenseite baut sich meist aus mehreren rechteckigen Flächensegmenten auf, die über ein Speise- und Anpassungs netzwerk an die weiterführenden Schaltungen angeschlossen sind. Die Antennen arbeiten nach dem Schlitzstrahlerprinzip unter Nutzung der elektromagnetischen Streufelder, die sich zwischen den Randzonen der Flächensegmente und der in Strahlungsrichtung dahinter liegenden Massefläche aufbauen.

Ein charakteristischer Vertreter des Stands der Technik ist in DE-P 26 38 539 beschrieben. Auf eine rechteckige Platte aus dielektrischem Material sind als Antennenstruktur vier jeweils den Eckbereichen zugeordnete Metallflächen und ein Speiseleitungsnetzwerk aufkaschiert. Die Speiseleitungen verbinden die Flächensegmente mit einem zentralen Speisungs punkt, der seinerseits galvanisch an den Innenleiter eines Koaxialkabels angeschlossen ist. (Die Flächensegmente sind bei dieser Lösung an den Außenseiten mit der planparallelen Massefläche durch Metallisierung des Plattenrandes kurz geschlossen; der Kurzschluß ist jedoch für das Wirkprinzip an sich nicht erforderlich.)

Die Anordnung wurde für den Funkbetrieb auf zwei Kanälen mit größerem Abstand der Frequenzbereiche konzipiert.

Die in DE-P 26 38 539 beschriebene Erweiterung um ein Frequenzband ist ein für den Funkbetrieb wichtiger Effekt; generell besteht jedoch der gravierende Nachteil aller bekannten, nach dem Streifenleiterprinzip aufgebauten Antennen darin, daß sie sämtlich vergleichsweise schmalbandig sind.

Die relative Frequenzbandbreite liegt bei 2 bis 4%; höhere Werte sind nur bei gleichzeitiger Beeinträchtigung anderer Kennwerte, z. B. Strahlungsleistung und Gewinn, Richtfaktor usw., erzielbar.

Weitere Nachteile resultieren aus dem speziell bei Anordnung mehrerer Flächensegmente erforderlichen maßlich präzisen Speiseleitungs- und Anpassungsnetzwerk. Es wird mit zunehmender Zahl der Flächensegmente immer komplizierter und setzt dem mit vertretbarem Aufwand realisierbaren Aufbau von Gruppenantennen kostenmäßige Grenzen.

Nicht zuletzt können sich bei den bekannten Lösungen aus der Wahl der zur Realisierung notwendigen Materialien und bzw. oder Herstellungsverfahren Nachteile ergeben. Ob es z. B. die fotochemischen Verfahren zur Erzeugung der Strahlerstrukturen und Netzwerke und die dafür geeigneten Substrate oder ob es "Sandwich"-Lösungen unter Verwendung unterschiedlicher Dielektrika sind; immer sind Steigerungen in bezug auf Strahlungsleistung und Gewinn, Bündelung im Strahlungs diagramm bei Richtantennen und Erhöhung der Frequenzband breite im Vergleich zu anderen Antennenprinzipen - zumindest partiell - technisch/technologisch nicht realisierbar oder mit zu hohem Aufwand verbunden und damit das planare Prinzip anderen Antennen auf dem gleichen Einsatzgebiet unterlegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kennwerte einer Streifenleiter-Gruppenantenne, speziell die Frequenz bandbreite, soweit zu verbessern, daß die Werte der herkömmlichen Antennen in der traditionellen "dreidimen sionalen" Technik erreicht werden, und durch gleichzeitige Vereinfachung des elektrischen und des mechanisch/ konstruktiven Aufbaus die Gesamtkosten des Erzeugnisses zu senken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.

Der wesentliche Vorteil der neuen Lösung besteht im gänzlichen Wegfall des bisher für unumgänglich gehaltenen Speiseleitungs- und Anpassungsnetzwerks. Damit besteht in erweitertem Maß Gestaltungsfreiheit für Zahl und Anordnung der Flächensegmente, und es kann die Zahl der Segment- Seitenmaße erhöht werden, die jeweils zusammen mit der Massefläche Resonatoren für bestimmte Wellenlängen aus dem Gesamt-Frequenzbereich der Antenne bilden. Das heißt: Die Frequenzbandbreite der Streifenleiter-Gruppenantenne wird durch Erhöhung der Zahl der wirksamen "Strahlerschlitze" vergrößert. Es werden die Werte anderer Antennen, wie der Dipolgruppen-Antennen und der Rundstrahler für den Funk betrieb, erreicht (bis 10%), ohne daß große Minderungen hinsichtlich des Gewinns oder anderer Kennwerte eintreten. Die relative Bandbreite kann bis zu Werten um 25% gesteigert werden.

In gleicher Weise vorteilhaft ist die Senkung von Aufwand und Kosten, die aus dem Verzicht auf das herkömmliche Speiseleitungs- und Anpassungsnetz resultieren. Die Antennenfläche besteht im wesentlichen nur noch aus den Flächensegmenten, und die Vereinfachung im elektrischen Aufbau begünstigt in höherem Maß die Anwendung kosten günstiger Materialien und ebensolcher konstruktiver Lösungen. Die erfindungsgemäße Antenne ist in den Kennwerten den traditionellen Antennenkonstruktionen ebenbürtig und hat ihnen gegenüber - und gegenüber den bekannten Streifenleiter- Antennen - den Vorteil der Kosteneinsparung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungs beispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Aufbau der erfindungsgemäßen Antenne in schematischer Darstellung,

Fig. 2 Maße der Flächensegmente bei einer Antenne für den Frequenzbereich 1,7 bis 1,9 GHz,

Fig. 3 Anschluß des Speisekabels,

Fig. 4 Meßkurve der Reflexionsdämpfung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Antenne in der Ausführung mit neun Flächensegmenten und sechs unter schiedlichen Segment-Seitenmaßen entsprechend sechs Werten der Wellenlänge im Gesamt-Frequenzbereich der Antenne. Dabei sind:

1 Folie aus einem Dielektrikum,
2 Flächensegmente der Strahlerstruktur,
3 Stegverbindung,
4 Speisepunkt der Strahlerstruktur,
5 Scheibe oder Platte aus einem Dielektrikum mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante ε_r,
6 Durchführung für den Innenleiter eines Koaxialkabels,
7 Masseplatte,
8 Koaxialkabel mit Außenleiter-Anschluß,
9 Innenleiter des Koaxialkabels

Die Flächensegmente 2 auf der Folie 1 sind vorzugsweise als aufkaschierte Kupferschicht ausgebildet, die Platte 5 besteht aus einem geschäumten Kunststoff mit hohem Hohlraumanteil und die Masseplatte 7, die gleichzeitig als Rückwand des Antennengehäuses dient, besteht aus einem metallischen Werkstoff, der nach mechanischen und technologischen Anforderungen und Gesichtspunkten ausgewählt wird, z. B. Aluminium-Druckguß oder Stahlblech.

In Fig. 2 und 3 sind die Maßverhältnisse für die Strahler struktur einer ausgeführten Antenne dargestellt (mit der auch die in Fig. 4 dargestellten Meßergebnisse gewonnen wurden). Dabei sind:

und des weiteren

Die Flächensegmente 2 sind innerhalb der durch die Stege 3 gebildeten Reihen entsprechend den unterschiedlichen Werten von W und L in der Größe gestuft. Die Stufung verläuft zwischen den Reihen gegensinnig. Damit erscheint ein Segment- Seitenmmaß - das einer bestimmten elektrischen Länge λ_n/4 entspricht - bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Strahlerfläche, und über diese gleichmäßig verteilt, dreimal. Diese Mehrfach-Anregung in den einzelnen Frequenzwert- Stufungen mit den über die Strahlerfläche verteilten Erregerschlitzen gleicher Resonanzfrequenz ist wesentlich für die effektive HF-Kopplung zwischen den Flächensegmenten.

Die hier beschriebene Struktur stellt eines der möglichen Beispiele für die Realisierung der Erfindung dar. Daneben sind auch andere Verteilungsschemata für die unterschiedlichen Segment-Seitenmaße und auch andere Stufungen denkbar. Ebenso kann die Zahl der Flächensegmente variiert werden; es muß nur die erfindungsgemäße Verteilungsbedingung erfüllt werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Flächenstruktur für eine Funkantenne im Frequenzband 1,7 bis 1,9 GHz ergibt ein Feld mit linearer Polarisation. Elliptische - und damit auch zirkulare - Polarisation erhält man bei einer Anordnung gemäß der Erfindung, indem man in dem zentralen Flächensegment z. B. zwei Speisungspunkte vorsieht.

Das in Fig. 4 dargestellte Diagramm zeigt die Meßkurve der Reflexionsdämpfung einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Von der Frequenz 1,69 GHz (Marker a) bis zu 2,2 GHz wurde eine Reflexionsdämpfung von minus 10 dB erzielt; das entspricht einer relativen Bandbreite von etwa 26%.

Die Bandmitten-Frequenz beträgt in diesem Fall 1,96 GHz (Marker d), während Marker b und c jeweils die Frequenzen 1,73 GHz und 1,83 GHz anzeigen (die Achseneinheiten sind mit 5 dB bzw. 120 MHz angegeben).

Claims

1. Gruppenantenne in Streifenleitertechnik, bestehend aus Flächensegmenten aus elektrisch leitendem Material auf der einen und einer ganzflächigen, elektrisch leitenden Schicht auf der anderen Seite einer scheibenartigen Anordnung aus dielektrischem Material und aus Mitteln zur HF-Ankopplung der Flächensegmente an weiterführende Netzwerke, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- die Strahlungsfläche besteht aus einem Rechteckraster von in nebeneinander liegenden Reihen angeordneten Flächensegmenten (2),
- ein Flächensegment im Zentrum der Strahlungsfläche ist zur Erregung der gesamten Anordnung vorzugsweise kapazitiv an einem innerhalb der Segmentfläche, längs einer Symmetrieachse, außermittig liegenden Speisepunkt (4) mit dem Innenleiter (9) eines weiterführenden Koaxialkabels (8) verbunden, und die Speisung der anderen Flächensegmente erfolgt in parasitärer Kopplung mit dem zentralen Segment,
- die Flächensegmente (2) haben vorzugsweise unter schiedliche Abmessungen (W, L), und die Maße ändern sich innerhalb der Reihen einer Richtung des Rasters gestuft von einer Minimal- zu einer Maximalfläche, wobei die Stufung bei nebeneinander liegenden Segmentreihen gegensinnig ist,
- in Richtung der Stufung sind die Flächensegmente (2) vorzugsweise galvanisch durch schmale Stege (3) in Reihe verbunden,
- die Massefläche oder -platte (7) ist mit dem Außenleiter des Speise-Koaxialkabels (8) verbunden.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenmaße (W_n, L_n) der Flächensegmente (2) unterschiedlichen Betriebswellenlängen des Gesamt- Frequenzbereichs, vom unteren bis zum oberen Grenzwert, entsprechen, wobei sich die jeweilige Länge zu λ_n/4, unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors des dielektrischen Materials, errechnet.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierung der Flächengröße innerhalb der Segment reihen und zwischen den Reihen und die Stegverbindungen (3) zwischen den Segmenten (2) jeder Reihe auch der Beein flussung der Richtcharakteristik der Anordnung dienen.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung der Flächensegmente (2) als entsprechend strukturierte Metallbeschichtung einer Folie (1) aus Dielektrikum, durch die Ausführung der Massefläche oder -platte (7) als Blechkörper oder dünnwandiges Metall- Formteil, das gleichzeitig ein Teil des Antennengehäuses sein kann, und durch die Zwischenlage einer Platte (5) aus einem dielektrischen Material mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus einem geschäumten Material mit hohem Hohlraumanteil.

5. Gruppenantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die asymmetrische Anordnung des Speisepunkts (4) innerhalb des zentralen Flächensegments oder die Anordnung von zwei Speisepunkten (4) in dem zentralen Flächensegment der Strahlerfläche zur Ausbildung eines Feldes mit vorzugsweise zirkularer Polarisation.