DE60214517T2

DE60214517T2 - Dielektrische resonatorantenne mit gegenseitig orthogonalen zuführungen

Info

Publication number: DE60214517T2
Application number: DE60214517T
Authority: DE
Inventors: Philip Simon KINGSLEY; Gregory Steven Chambers Flat O'KEEFE
Original assignee: Antenova Ltd
Current assignee: Antenova Ltd
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: DE60214517D1; ATE339021T1; EP1362389B1; US20040155817A1; GB0200963D0; GB0101567D0; US7042416B2; EP1362389A1; WO2002058190A1; GB2377319B; GB2377319A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Resonatorantenne mit drei getrennten und zueinander orthogonalen Speiseelementen, so dass getrennte Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen gebildet werden können und dass die Polarisation eines einfallenden Strahls gemessen werden kann.
Seit der ersten systematischen Untersuchung von dielektrischen Resonatorantennen (DRAs) im Jahre 1983 [Long, S.A., McAllister, M. W., und Shen, L. C.: „The Resonant Cylindrical Dielectric Cavity Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-31, 1983, Seiten 406–412], hat das Interesse an ihren Strahlungscharakteristika auf Grund ihrer hohen Strahlungseffizienz, ihrer guten Anpassung an die meisten üblicherweise verwendeten Übertragungsleitungen und auf Grund ihrer geringen physikalischen Abmessungen zugenommen [Mongia, R. K., und Bhartia, P.: „Dielectric Resonator Antennas – A Review and General Design Relations for Resonant Frequency and Bandwidth", International Journal of Microwave and Millimetre-Wave Computer-Aided Engineering, 1994, 4, (3), Seiten 230–247]. Die meisten Realisierungen, über die berichtet wurde, haben einen Block aus dielektrischem Material verwendet, der auf einer Grundebene angeordnet ist und entweder über einen Aperturstrahler in der Grundebene oder über einen Erreger, der in dem dielektrischen Material angeordnet ist, angeregt wurde.
Einige Veröffentlichungen haben über Experimente berichtet, die zwei simultan gespeiste Erreger in einem dielektrischen Block mit einem kreisförmigen Querschnitt verwenden. Diese Erreger waren auf Radien mit 90° zueinander angeordnet und wurden phasenversetzt gespeist, um eine zirkulare Polarisation zu erzeugen [Mongia, R. K., Ittipiboon, A., Cuhaci, M. und Roscoe, D.,: „Circular Polarised Dielectric Resonator Antenna", Electronics Letters, 1994, 30, (17), Seiten 1361–1362; und Drossos, G., Wu, Z. und Davis, L. E.: „Circular Polarised Cylindrical Dielectric Resonator Antenna", Electronics Letters, 1996, 32, (4), Seiten 281–283.3, 4], und eine Veröffentlichung beinhaltete ein Konzept, bei dem die Erreger ein- und ausgeschaltet wurden [Drossos, G., Wu, Z. und Davis, L. E.: „Switchable Cylindrical Dielectric Resonator Antenna", Electronics Letters, 1996, 32, (10), Seiten 862–864].
Das allgemeine Konzept, nach dem eine Vielzahl von Erregern innerhalb einer einzelnen dielektrischen Resonatorantenne verteilt werden, die sich insoweit auf eine zylindrische Geometrie bezieht, ist in der Veröffentlichung von Kingsley, S. P. und O'Keefe, S. G., „Beam Steering and Monopulse Processing of Probe-Fed Dielectric Resonator Antennas", IEE Proceedings – Radar, Sonar and Navigation, 146, 3, 121–125, 1999 beschrieben. Diese Veröffentlichung offenbart den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Aus N. Inagaki: „Three-dimensional corner reflector antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-22, Nr. 7, Juli 1974 (1974-07), Seiten 580–582, ist es bekannt, eine Reflektorantenne mit drei zueinander orthogonalen ebenen Reflektoren und einem unipolaren Strahler zu verwenden, der auf einem der Reflektoren angeordnet ist.
US 3,662,260 offenbart einen Erreger bzw. eine Sonde, um orthogonale Komponenten eines elektrischen Feldes zu detektieren, wobei der Erreger bzw. die Sonde einen Körper aufweist, der aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, und zueinander orthogonale Durchgänge besitzt, die dort gebohrt sind, um Elektrodenanordnungen aufzunehmen.
US 2,872,675 offenbart einen Radarreflektor zur Verwendung in Radarsystemen mit einem leitfähigen Winkelreflektor, der mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische Resonatorantenne bereitgestellt, mit einem ersten an Masse liegenden Substrat, einem dielektrischen Resonator, der in der Nähe des ersten, an Masse liegenden Substrats angeordnet ist oder dieses berührt, und mit drei Speiseelementen zum Übertragen von Energie in bzw. aus unterschiedlichen Bereichen des dielektrischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, dass:

i) zweite und dritte weitere an Masse liegende Substrate vorgesehen sind, wobei das erste, das zweite und das dritte an Masse liegende Substrat so zusammengesetzt sind, dass sie zueinander orthogonal sind und eine erste Spitze definieren,
ii) der dielektrische Resonator als ein Raumvolumen ausgebildet ist, das drei zueinander orthogonale Seitenebenen von jeweils gleicher Größe und Form aufweist, wodurch eine zweite Spitze definiert wird, wobei der dielektrische Resonator in der ersten Spitze der an Masse liegenden Substrate angeordnet ist, wobei die zweite Spitze die erste Spitze berührt oder in deren Nähe liegt,
iii) die Speiseelemente den dielektrischen Resonator an zentralen Bereichen der drei zueinander orthogonalen Seitenebenen des dielektrischen Resonators berühren, so dass die Speiseelemente ebenfalls zueinander orthogonal sind, und
iv) der dielektrische Resonator und die Speiseelemente eine dreifache Rotationssymmetrie um eine Achse zeigen, die durch das Zentrum des dielektrischen Resonators und die zweite Spitze verläuft.

Die an Masse liegenden Substrate (d.h. ein leitfähiges Substrat, das mit Masse verbunden ist) sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie raumgleich zu den drei zueinander orthogonalen Seitenebenen und im Kontakt damit oder in deren Nähe liegen (es ist möglich, die Betriebsbandbreite der dielektrischen Resonatorantenne zu erhöhen, indem man eine schmale Lücke zwischen den an Masse liegenden Substraten und den dielektrischen Resonatoren belässt). Vorteilhafterweise reichen die an Masse liegenden Substrate über die Ausdehnung der drei Seitenebenen hinaus, wobei diese Realisierung dazu beiträgt, Strahlungsrückkeulen im Betrieb zu reduzieren.
Die dreifache Rotationssymmetrie kann einer C3v-Punktsymmetrie äquivalent sein, z.B. derjenigen eines Tetraeders.
Der dielektrische Resonator kann ein Fluidum sein, wie etwa Wasser oder andere dielektrische Flüssigkeiten oder Gase, oder er kann aus einem festen dielektrischen Material hergestellt sein.
Die Speiseelemente können in Form von leitfähigen Erregern/Sonden ausgebildet sein, die in oder an dem dielektrischen Resonator angeordnet sind oder aufgedruckt oder anderweitig auf dem dielektrischen Resonator aufgebracht sind.
Alternativ hierzu können die Speiseelemente als Öffnungen ausgebildet sein, die in den an Masse liegenden Substraten vorgesehen sind.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhalten geeignete Formen für den dielektrischen Resonator einen dreieckigen Tetraeder und ein Achtelsegment einer Kugel, wobei beide Alternativen drei zueinander orthogonale Seitenebenen von weitgehend gleicher Größe und Form besitzen.
Die Speiseelemente sind im Zentrum jeder Seitenebene positioniert und so angeordnet, dass sie zueinander ebenfalls orthogonal sind.
Es wurde gezeigt, dass ein Achtelsegment einer Kugel in einem TE-Modus in Resonanz gerät und wie ein horizontaler magnetischer Dipol strahlt, was eine vertikal polarisierte Strahlungscharakteristik in Form eines Kosinus oder im Verlauf einer Acht hervorruft. Man nimmt an, dass andere resonante Moden denselben Effekt hervorrufen, wobei das wichtige Ergebnis die Erzeugung einer Kosinus-förmigen Strahlungscharakteristik ist.
Gleichermaßen wurde gezeigt, dass ein dreieckiges Tetraeder in Resonanz gerät und Kosinus-förmige Strahlungsmuster erzeugt.
Die Bedeutung dieser beiden (ähnlichen) Geometrien liegt in der Fähigkeit, die Antenne um 120° zu drehen und exakt dasselbe Bild zu erhalten. Dies bedeutet, dass die drei Speiseelemente im Fernfeld Polarisationen bei 120° zueinander besitzen und dass die Polarisation eines beliebigen eintreffenden Signals bestimmt werden kann. Die Speiseelemente sind jedoch orthogonal zueinander, was es möglich macht, drei unabhängige Vektoren eines elektrischen Feldes einer eintreffenden Wellenform zu messen. Mit einer zusätzlichen Messung des magnetischen Feldes, bspw. mit einer Schleifenantenne, lässt sich eine vollständige Richtungsdetektion realisieren.
Vorteilhafterweise kann man eine zusammengesetzte dielektrische Resonatorantenne herstellen, indem man eine Anordnung aus einer Anzahl von einzelnen dielektrischen Resonatorantennen nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zusammenbaut, so dass jede einzelne dielektrische Resonatorantenne so positioniert ist, dass sie Signale aus Bereichen außerhalb der Anordnung detektiert bzw. Signale in diese Bereiche absendet. Vorzugsweise ist jede einzelne Antenne dazu ausgebildet, Signale aus einem Raumbereich aufzunehmen bzw. Signale in einen Raumbereich abzusenden, der sich über einen festgelegten Raumwinkel von π/2 erstreckt, gemessen um einen Ursprung, der als Mittelpunkt der Anordnung festgelegt ist, wobei die einzelnen Antennen so ange ordnet sind, dass sie Signale aus bzw. in nicht-überlappende Raumvolumina empfangen bzw. abstrahlen. Die Anordnung kann weitgehend symmetrisch sein. Es können z.B. acht Antennen in Form von dreieckigen Tetraedern zusammengesetzt werden, um eine zusammengesetzte Antenne in Form eines Oktaeders zu bilden, oder es können acht Achtelsegmente einer Kugel zusammengesetzt werden, um eine zusammengesetzte kugelförmige Antenne zu bilden. In jedem Fall kann die zusammengesetzte Antenne so ausgebildet werden, dass sie eine Antenne mit mehrfacher Polarisation über einen vollständigen 4π-Raumwinkel ergibt, die in der Lage ist, die Polarisation eines eintreffenden Strahls aus einer beliebigen Richtung zu detektieren.
Ein besonderer Vorteil, den dielektrische Resonatorantennen mit mehreren Polarisationen, wie sie in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung realisiert sind, bieten, besteht darin, dass man sie dazu verwenden kann, Signale gleichzeitig in drei Polarisationen abzustrahlen bzw. zu empfangen. Es ist z.B. möglich, die Datenrate in einer Kommunikation zu verdreifachen, indem man drei unterschiedliche Signale in drei unterschiedlichen Polarisationen unter Verwendung derselben Antenne gleichzeitig abstrahlt bzw. empfängt.
Um die vorliegende Erfindung noch besser zu verstehen und um zu zeigen, wie sie in der Praxis realisiert werden kann, sei beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen:
1 eine erste Ansicht einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 eine zweite Ansicht einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 die Strahlungscharakteristik zeigt, die von der Antenne aus 1 und 2 abgegeben wird,
4 eine tatsächliche Strahlungscharakteristik in der Elevation für eine Antenne aus den 1 und 2 mit einem einzelnen Erreger zeigt,
5 die Strahlungscharakteristik eines einzelnen Erregers einer Antenne in Form eines Achtelsegments einer Kugel zeigt, und
6 eine Explosionsdarstellung einer zusammengesetzten Antenne zeigt, die aus vier Antennen der in 1 und 2 gezeigten Art zusammengesetzt ist.
Es sei zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen, in denen eine dielektrische Resonatorantenne 1 gezeigt ist, die drei an Masse liegende Substrate 2 beinhaltet, welche in Form eines dreieckigen Tetraeders mit einer Spitze 3 (die am besten in 2 zu sehen ist) zusammengesetzt sind. Ein dielektrischer Resonator 4, ebenfalls in Form eines dreieckigen Tetraeders, ist passgenau in der Spitze 3 aus den Substraten 2 angeordnet, wobei er sich etwa über die Hälfte von jedem Substrat 2 erstreckt. Der dielektrische Resonator 4 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel ein Raumvolumen, das mit Wasser gefüllt ist, welches durch eine dreieckige Kunststoffabdeckung an Ort und Stelle gehalten wird. Drei zueinander orthogonale Speiseelemente 5a, 5b und 5c erstrecken sich in einen zentralen Be reich des dielektrischen Resonators 4, wobei jeweils eins durch jedes Substrat 2 hindurchreicht. Es sei angemerkt, dass jedes Speiseelement 5 normal auf der Oberseite des tetraederförmigen Resonators 4 steht, durch die es hindurchtritt, und es ist außerdem dort zentral angeordnet, so dass der dielektrische Resonator 4 und die Speiseelemente 5 eine dreifache Rotationssymmetrie um eine Achse zeigen, die durch das Zentrum des dielektrischen Resonators 4 und die Spitze 3 verläuft (C3v-Punktsymmetrie).
Wie man am besten in 2 erkennen kann, reicht jedes Speiseelement 5 durch ein Substrat 2 und ist mit diesem verbunden, und es ist mit einem Anschluss 6 versehen, der eine Verbindung zu externen elektrischen Geräten (hier nicht dargestellt) ermöglicht.
In 3 sind experimentelle Ergebnisse der Antenne aus den 1 und 2 gezeigt, die bei einer Frequenz von 700 MHz betrieben wurde. Es wurde ein Signal an der Antenne abgestrahlt und mit einem Dipol (hier nicht dargestellt) empfangen, der in einer echofreien Kammer (hier nicht dargestellt) in einem gewissen Abstand angeordnet war. Die Antenne wurde so platziert, dass ein Substrat 2 flach auf einer drehbaren Plattform (hier nicht dargestellt) angeordnet war, so dass die Strahlungscharakteristika in Azimut gemessen werden konnten. Das Speiseelement 5a ragte vertikal durch das Substrat 2, welches flach auf der Plattform angeordnet war, das Speiseelement 5b ragte horizontal zu der rechten Seite (aus Sicht des empfangenden Monopols), und das Speiseelement 5c ragte horizontal aus der linken Seite. Der empfangende Monopol wurde mit vertikaler Polarisation verwendet, um das Speiseelement 5a zu vermessen, und mit horizontaler Polarisation, um die Speiseelemente 5b und 5c zu vermessen.
Wenn man nun die Plattform, auf der die Antenne 1 angeordnet war, gedreht hat, um eine Abtastung im Azimut vorzunehmen, erhielt man unterschiedliche Schnitte durch die Strahlungsmuster der drei Speiseelemente 5a, 5b und 5c, wie in 3 dargestellt ist. Keiner dieser drei Schnitte entsprach jedoch einer echten Abtastung in der Elevation. Daher wurde die Antenne 1 auf der Plattform erneut ausgerichtet, so dass das Speiseelement 5a um 90° gedreht wurde, so dass ein echtes Strahlungsmuster in der Elevation (anstelle des Azimut) für das Speiseelement 5a bestimmt werden konnte, wobei die Ergebnisse in 4 gezeigt sind.
Es wurde eine Antenne mit der Form eines Achtelsegments einer Kugel hergestellt und bei 420 MHz getestet, wobei das Strahlungsmuster eines vertikalen Speiseelements 6a für den Fall, dass die Antenne auf der Plattform gedreht wurde, in 5 gezeigt ist.
6 zeigt eine zusammengesetzte dielektrische Resonatorantenne, die aus vier dielektrischen Resonatorantennen 1 der in 1 und 2 gezeigten Art zusammengesetzt ist. Die Antennen 1 sind so zusammengestellt, dass sie eine halb-oktaederförmige Konstruktion bilden, wie dargestellt ist, wobei die auf diese Weise hergestellte Antenne in der Lage ist, eine Strahlsteuerung und Detektion über eine vollständige Halbkugel durchzuführen. Wie aus 6 ersichtlich wird, kann man vier weitere dielektrische Resonatorantennen 1 zu der Anordnung hinzufügen, um auf diese Weise eine vollständig oktaederförmige Konstrukti on zu erhalten, die eine Strahlsteuerung und Detektion über eine vollständige Kugel ausführen kann, d.h. in jeder beliebigen Richtung. Des Weiteren ist es somit möglich, die Polarisation eines aus einem beliebigen Winkel einfallenden Strahls zu bestimmen.

Claims

Dielektrische Resonatorantenne (1) mit einem ersten an Masse liegenden Substrat (2), einem dielektrischen Resonator (4), der das erste an Masse liegende Substrat (2) berührt oder in dessen Nähe liegt, und mit drei Speiseelementen (5a, 5b, 5c) zum Übertragen von Energie in bzw. aus unterschiedlichen Bereichen des dielektrischen Resonators (4), dadurch gekennzeichnet, dass i) zweite und dritte weitere an Masse liegende Substrate (2) vorgesehen sind, wobei das erste, das zweite und das dritte an Masse liegende Substrat (2) so zusammengesetzt sind, dass sie zueinander orthogonal sind und eine erste Spitze definieren, ii) der dielektrische Resonator (4) als ein Raumvolumen ausgebildet ist, das drei zueinander orthogonale Seitenebenen von jeweils gleicher Größe und Form aufweist, wodurch eine zweite Spitze definiert wird, wobei der dielektrische Resonator (4) in der ersten Spitze der an Masse liegenden Substrate (2) angeordnet ist, wobei die zweite Spitze die erste Spitze berührt oder in deren Nähe liegt, iii) die Speiseelemente (5a, 5b, 5c) den dielektrischen Resonator (4) an zentralen Bereichen der drei zueinander orthogonalen Seitenebenen des dielektrischen Resonators (4) berühren, so dass die Speiseelemente (5a, 5b, 5c) ebenfalls zueinander orthogonal sind, und iv) der dielektrische Resonator (4) und die Speiseelemente (5a, 5b, 5c) eine dreifache Rotationssymmetrie um eine Achse zeigen, die durch das Zentrum des dielektrischen Resonators (4) und die zweite Spitze verläuft.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die an Masse liegenden Substrate (2) so ausgebildet sind, dass sie raumgleich zu den drei entsprechenden Seitenebenen liegen.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, wobei die an Masse liegenden Substrate (2) über ein Ausdehnung der drei Seitenebenen hinausreichen.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Resonator (4) als ein dreieckiges Tetraeder ausgebildet ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der dielektrische Resonator (4) als ein Achtelsegment einer Kugel ausgebildet ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die an Masse liegenden Substrate (2) den dielektrischen Resonator (4) berühren.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die an Masse liegenden Substrate (2) von dem dielektrischen Resonator (4) beabstandet sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drei Speiseelemente (5a, 5b, 5c), wenn sie aktiviert werden, Signale erzeugen, die unter Fernfeldbedingungen jeweils Polarisationen haben, welche bei 120° zueinander liegen.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drei Speiseelemente (5a, 5b, 5c) dann, wenn sie aktiviert sind, Polarisationsbestandteile von eintreffenden Signalen in drei Achsen detektieren, die bei 120° zueinander liegen.
Zusammengesetzte dielektrische Resonatorantenne aus einer Vielzahl von einzelnen Antennen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede einzelne Antenne (1) dann, wenn sie aktiviert ist, Signale in ein Raumvolumen absendet bzw. Signale aus einem Raumvolumen aufnimmt, das sich über einen festgelegten Raumwinkel von etwa π/2 erstreckt, und zwar gemessen von einem Ursprung in einem zentralen Bereich der Struktur.