DE60214585T2

DE60214585T2 - Patchgespeiste, gedruckte antenne

Info

Publication number: DE60214585T2
Application number: DE60214585T
Authority: DE
Inventors: Thales Intell. Prop. Stephanus H. VAN DER POEL
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: DE60214585D1; IL160629A0; RU2004112776A; CN100424929C; ATE339019T1; US6989793B2; NL1019022C2; RU2295809C2; ZA200401573B; IL160629A; CA2486647C; AU2002332225B2; WO2003028156A3; CN1636299A; EP1444753B1; WO2003028156A2; US20040239567A1; EP1444753A2; CA2486647A1

Description

Die Erfindung betrifft eine gedruckte Antenne, welche durch ein Patch gespeist wird. Insbesondere betrifft sie eine gedruckte Antenne mit zwei Polarisationen und ein Array aus diesen Antennen.
Gedruckte Antennen sind leicht und beanspruchen wenig Platz. Sie können in großen Serien produziert werden und sind somit kostengünstig. Sie werden für verschiedene Zwecke verwendet, beispielsweise für den TV-Empfang über Satellit (Empfangsantenne), für die Telekommunikation (Sende/Empfangsantennen), zur Anwendung an Bord von Gegenständen wie Satelliten, Flugzeugen oder Raketen und für tragbare Einrichtungen wie eine kleine tragbare Radar- oder Funksonde.
Eine gedruckte Antenne besteht für gewöhnlich aus einem Stapel von Schichten. Die oberste Schicht ist eine strahlende Schicht. Die strahlende Schicht weist ein oder mehrere strahlende Elemente auf. Diese strahlenden Elemente können leitende Patches sein, die für gewöhnlich von quadratischer, rechteckiger oder kreisförmiger Gestalt sind. Eine Masseebene wird im Allgemeinen verwendet, welche unter der strahlenden Schicht angeordnet und von dieser mittels einer oder mehrerer dielektrischer Schichten isoliert ist. Die Masseebene dient als Spiegel, um die Strahlung auf den vor ihr angeordneten Raum zu begrenzen. Die dielektrische Schicht kann Luft oder ein Substrat, beispielsweise Schaum, sein. Eine derartige Antenne ist in US 5,745,080 offenbart.
Ein strahlendes Patch kann auf verschiedene Arten gespeist werden. Die am häufigsten verwendeten sind:

– die Mikrostreifenleitungsspeisung, wobei die Mikrostreifenleitung mit dem strahlenden Patch verbunden ist;
– die Koaxialleitungsspeisung, wobei der innere Leiter der Koaxialleitung an dem strahlenden Patch befestigt ist, während der äußere Leiter an der Masseebene angeschlossen ist;
– die Mikrostreifenleitungskoppelung, wobei die Mikrostreifenleitung zwischen dem strahlenden Patch und der Masseebene angeordnet ist;
– die Öffnungs/Schlitz-Koppelung, wobei eine Speiseleitung unter einer Öffnung in der Masseebene angeordnet ist, wobei die Speiseleitung von der Masseebene mit Hilfe einer dielektrischen Schicht isoliert ist. Die Speiseleitung kann durch Hinzufügen einer Masseebene unter ihr abgeschirmt werden, worauf eine dreischichtige Baugruppe ("Streifenleitung") gebildet wird.

Die Mikrostreifenleitungsspeisung und die Koaxialleitungsspeisung besitzen inhärente Asymmetrien, welche Moden höherer Ordnung generieren, welche kreuzpolarisierte Strahlung erzeugen. Die Mikrostreifenleitungskoppelung kann symmetrisch sein, wie beispielsweise in US 4,464,663 beschrieben ist, wobei dies jedoch Verluste zur Folge hat; zudem ist der Zusammenbau teurer und es kommt zu Auslegungsproblemen, insbesondere bei Array-Antennen.
Diese Probleme können durch die Apertur/Schlitz-Koppelung gelöst werden. Dies verlagert das Problem definitiv zu der Speisung der strahlenden Öffnung selbst. Es ist tatsächlich eine Tatsache, dass die Koppelung zwischen einer Leitung und einer strahlenden Öffnung parasitäre Strahlung anregt. Diese parasitäre Strahlung ist überdies ein besonderes Ärgernis bei Array-Antennen, da sie parasitäre Koppelungen zwischen strahlenden Elementen verursachen kann. Darüber hinaus weisen diese Antennen eine geringe Bandbreite auf.
Für Antennen mit zwei Polarisierungsrichtungen ist die Speisebaugruppe komplex und teuer, da die Speiseleitungen voneinander an den Punkten, an denen sie sich kreuzen, isoliert werden müssen. Eine Antenne dieser Art ist beispielsweise in der Patentanmeldung US 5,448,250 beschrieben. Hier sind die Speiseleitungen an den Stellen, an denen sie sich kreuzen, mit Hilfe von Isolierbrücken isoliert. Eine Konstruktion dieser Art liegt nicht in einer Ebene; sie ist nicht symmetrisch und sie ist komplex und teuer. Überdies kann es an dem Punkt, an dem sich zwei Leitungen kreuzen, zu parasitärer Koppelung kommen. Schließlich liegt auch das Problem der Isolation zwischen den beiden Verbindungspunkten, welche den beiden Polarisierungsrichtungen entsprechen, vor.
Aufgabe der Erfindung ist es im Besonderen, diesen im Stand der Technik vorliegenden Unzulänglichkeiten zu begegnen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine gedruckte Antenne, wobei das strahlende Element auf effektive Weise gespeist wird, ohne dass infolgedessen parasitäre Strahlung angeregt wird, jedoch mit einer großen Bandbreite bereitzustellen.
Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Antenne ausgestattet mit:

(a) einer leitenden Masseebene mit einer strahlenden Öffnung darin, wobei die strahlende Öffnung ausgebildet ist, um in den Raum über der Masseebene abzustrahlen;
(b) einem leitenden Speisepatch, das unter der strahlenden Öffnung angeordnet und durch eine dielektrische Schicht isoliert ist, derart, dass das Patch mit der strahlenden Öffnung gekoppelt ist, um die strahlende Öffnung zu speisen, ohne dass parasitäre Strahlung angeregt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die vertikale Projektion der strahlenden Öffnung im Wesentlichen durch das Speisepatch umgeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Antenne ferner auf:

(c) eine zweite leitende Masseebene, die unter dem Speisepatch angeordnet und durch eine dielektrische Schicht isoliert ist, derart, dass gemeinsam mit dem Speisepatch eine dreischichtige Baugruppe gebildet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Antenne ferner auf:

(d) ein oder mehrere leitende strahlende Patches, die über der strahlenden Öffnung angeordnet und durch eine oder mehrere dielektrische Schichten isoliert sind, derart, dass die leitenden strahlenden Patches mit der strahlenden Öffnung gekoppelt sind, um in den Raum darüber abzustrahlen.

Die Erfindung betrifft auch die Konstruktion von Antennen mit zwei Polarisierungsrichtungen. In diesem Fall sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wobei das Speisepatch im Wesentlichen symmetrisch um eine Achse ist, zwei Speiseleitungen an das Patch symmetrisch um die Achse angebunden, wobei diese Leitungen dazu bestimmt sind, gleichzeitig in Phase oder in Gegenphase gespeist zu werden, um zwei Polarisierungen zu erzeugen.
Durch diese Anwendung ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform das Speisepatch im Wesentlichen von quadratischer Auslegung, und die beiden Speiseleitungen sind auf zwei aufeinanderfolgenden Seiten angeschlossen. Dies ermöglicht zwei lineare Polarisierungsrichtungen im rechten Winkel zueinander mit hoher Polarisationsreinheit.
Für diese Anwendung sind die Speiseleitungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an ein Doppel-T-Glied angeschlossen, wobei die Summeneingabe und die differentielle Eingabe zu dem Doppel-T-Glied die Eingaben unabhängig für jede Polarisation bilden. Auf diese Weise kann die Isolierung zwischen den beiden entsprechenden Eingaben für die beiden Polarisierungsrichtungen verbessert werden. Das Doppel-T-Glied ist vorzugsweise vom rat-race-Typ.
Die Erfindung betrifft auch die Konstruktion von Antennen-Arrays, welche mindestens zwei Antennen, wie sie oben definiert wurden, enthalten, die mit allen oder einem Teil der günstigen Varianten ausgestattet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Antennen-Array ein Speisenetz auf, welches auf die Oberfläche der Speisepatches gedruckt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Antennen-Array ein Speisenetz auf, das auf eine andere Oberfläche als die Oberfläche, auf welcher die Speisepatches angeordnet sind, gedruckt ist, von der letzteren Oberfläche durch eine dielektrische Schicht, eine Masseebene und eine weitere dielektrische Schicht isoliert ist, auf der anderen Seite der Masseebene angeordnet ist und mit der Oberfläche der Speisepatches durch vertikale Verbindungen durch die Masseebene und dielektrische Schichten verbunden ist. Die vertikalen Verbindungen sind hier vorzugsweise von abgeschirmter Bauart.
Der Hauptvorteil der Erfindung ist, dass diese einfach realisiert werden kann, dass sie modular ist und dass sie verhältnismäßig kostengünstig ist.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der nachstehenden ausführlichen Be schreibung einer möglichen Ausführungsform, welche nichteinschränkend ist und lediglich als Beispiel dient, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Es zeigen:
1 eine perspektivische auseinandergezogene Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht der Antennenelemente aus 1;
3 und 4 die Oberflächenflüsse und die Polarität der induzierten Spannungen in einem Speisepatch aus 2;
5, in Abhängigkeit von der Frequenz, in zwei Kurven die Änderung der Amplitude der Koeffizienten der Dispersionsmatrix der Antenne aus 1;
6 eine bevorzugte Ausführungsform in einer perspektivischen auseinandergezogenen Darstellung einer erfindungsgemäßen Array-Antenne;
7 eine bevorzugte Ausführungsform in einer perspektivischen auseinandergezogenen Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne, wobei die Speiseleitungen an ein Doppel-T-Glied vom „rat-race"-Typ angeschlossen sind;
8 die Antennenelemente aus 7 als Draufsicht;
9 ein Detail der Antenne aus 7 als perspektivische auseinandergezogene Zeichnung;
10, in Abhängigkeit von der Frequenz, in zwei Kurven die Änderung der Amplitude der Koeffi zienten der Dispersionsmatrix der Antenne aus 7;
11 ein Detail des Antennen-Arrays aus 12 als Draufsicht;
12 eine Draufsicht, welche zwei Schichten darstellt, die einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennen-Array entsprechen, wobei diese Schichten ein gedrucktes Speisenetz bilden, wodurch eine Haupt-Array-Antenne realisiert werden kann und woraufhin das Speisenetz teilweise auf die Schicht, auf welcher die Speisepatches angeordnet sind, und teilweise auf die Schicht, auf welcher die "rat-races" angeordnet sind, gedruckt ist.
In der nachstehenden Beschreibung sehen wir eine gedruckte Antenne mit zwei Polarisierungsrichtungen, mit welchen zwei orthogonale Polarisierungen erzielt werden können. Allerdings ist es klar, dass die Erfindung auch auf andere Antennentypen angewandt werden kann. Eine Antenne mit nur einer Polarisierungsrichtung ist tatsächlich eine vereinfachte Form davon. Eine Antenne mit einer kreisförmigen Polarisierungsrichtung kann davon durch Hinzufügen einer Phasenrotation von 90° zu einer der Polarisierungsrichtungen abgeleitet werden.
Wie in 1 und 2 dargestellt und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße gedruckte Antenne mindestens auf:

(a) eine leitende Masseebene 3, die eine strahlende Öffnung 4 aufweist, welche angeordnet ist, um in den Raum abzustrahlen, der über der Masseebene liegt;
(b) ein leitendes Speisepatch 6, das unter der strahlenden Öffnung 4 angeordnet und durch eine dielektrische Schicht 5 isoliert ist, derart, dass das Patch mit der strahlenden Öffnung gekoppelt ist, um die strahlende Öffnung zu speisen, ohne dass parasitäre Strahlung angeregt wird.

Die strahlende Öffnung 4 kann eine Öffnung in der Masseebene 3 in Form eines Kreuzes, welches durch zwei Schlitze 4a und 4b gebildet wird, sein. Diese Schlitze können dieselbe Länge und dieselbe Breite aufweisen und im rechten Winkel zu einander angeordnet sein, derart, dass sie sich in ihrer Mitte überkreuzen. Die Schlitze können beispielsweise eine Länge von 44 mm und eine Breite von 4 mm aufweisen.
Da die strahlende Öffnung 4 durch ein Patch und nicht durch Leitungen gespeist wird, wird die Erzeugung parasitärer Strahlung und einer Koppelung zwischen den Leitungen vermieden. Um diesen Effekt zu erzielen, werden die Abmessungen des Patch in Relation zu den Abmessungen der Öffnung 4 gewählt. Je größer der gewählte Speisepatch 6 ist, umso geringer ist die parasitäre Strahlung an seinen Kanten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die vertikale Projektion der strahlenden Öffnung 4 derart gewählt, dass sie im Wesentlichen innerhalb des Speisepatch 6 fällt.
Die Abmessungen der strahlenden Öffnung 4 und des Speisepatch 6 können entsprechend dem verwendeten Frequenzband gewählt werden. Es kann in diesem Zusammenhang festgehalten werden, dass es die Erfindung gestattet, ein breiteres Wellenband mit völlig identischen Abmessungen wie unter den bestehenden Methoden zu realisieren.
Das Speisepatch kann beispielsweise von im Wesentlichen quadratischer Gestalt sein. Die Seiten dieses Quadrats können parallel zu zwei orthogonalen Richtungen angeordnet sein, welche durch das Kreuz 4 bestimmt werden. Die Mittelpunkte des Quadrats 6 und des Kreuzes 4 können hier in der horizontalen Ebene zusammenfallen. Das Quadrat kann beispielsweise Seiten von 56 mm aufweisen.
Darüber hinaus weist die Antenne vorzugsweise auf:

(c) eine zweite leitende Masseebene 9, die unter dem Speisepatch 6 angeordnet und durch eine dielektrische Schicht 8 isoliert ist, derart, dass eine dreischichtige Baugruppe gemeinsam mit dem Speisepatch gebildet wird.

Die zweite Masseebene ermöglicht, dass die Antennenstrahlung zu dem Raum darüber reflektiert wird, um dadurch die Ausbeute von der Antenne zu vergrößern. Sie bietet auch Schutz zwischen den Speisepatches und jeglichen Schichten darunter.
Die dielektrischen Schichten 5 und 8 können aus Luft oder Schichten aus Substrat, beispielsweise Schaum, bestehen. Zwei Schaumschichten können beispielsweise in einer Dicke von 3 mm und mit einer dielektrischen Konstante von 1,06 verwendet werden.
Darüber hinaus weist die Antenne vorzugsweise auf:

(d) ein oder mehrere leitende strahlende Patches, die über der strahlenden Öffnung angeordnet und durch dielektrische Schichten isoliert sind, derart, dass sie mit der strahlenden Öffnung gekoppelt sind, um in den Raum darüber abzustrahlen.

Die in 1 dargestellte Antenne weist 7 Schichten, 4 leitende Schichten und 3 dielektrische Schichten, auf. Von der obersten Schicht an abwärts finden wir:

– eine leitende Schicht, die durch ein leitendes strahlendes Patch 1 gebildet ist;
– eine dielektrische Schicht 2;
– eine leitende Schicht, die durch eine Masseebene 3 gebildet ist, welche die strahlende Öffnung 4 enthält;
– eine dielektrische Schicht 5;
– eine leitende Schicht, welche durch das leitende Speisepatch 6 gebildet ist;
– eine dielektrische Schicht 8; und
– eine leitende Schicht, die durch die zweite Masseebene 9 gebildet ist.

Um die Polarisationsreinheit zu verbessern, ist das strahlende Patch 1 vorzugsweise im Wesentlichen von quadratischer Gestalt. Die Abmessungen dieses Patch entsprechen einer Resonanzfrequenz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die vertikale Projektion der strahlenden Öffnung im Wesentlichen durch das Speisepatch umgeben. Eine Seite des strahlenden Patch 1 ist beispielsweise 48 mm lang, und die Schicht 2 besteht z.B. aus 10 mm dickem Schaum mit einer dielektrischen Konstante von 1,06.
Eine Anzahl von strahlenden Patches desselben Typs werden vorzugsweise auf Patch 1 aufgestapelt, um die Bandbreite zu erhöhen. Natürlich sind die strahlenden Patches durch Schichten aus dielektrischer Materie getrennt.
Das Speisepatch 6 kann mit zwei Speiseleitungen 7a und 7b verbunden sein. Die Anschlussstellen P₁ und P₂ der Leitung 7a und 7b können die Speisepunkte für die Antenne bilden. Diese Speisepunkte P₁, P₂ sind beispielsweise mit einem Verbinder (nicht dargestellt) verbunden, der seinerseits mit einem Koaxialkabel verbunden ist.
Wie in 3 und 4 dargestellt ist, sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Speiseleitungen 7a und 7b relativ zu einer Symmetrieachse A des Speisepatch 6 symmetrisch. Sie werden gleichzeitig gespeist, um die eine oder andere Polarisierung zu erzeugen. Durch Speisen der Leitungen in Phase mit derselben Amplitude, wie aus 3 hervorgeht, wird eine Initialpolarisierung E_⫽ (Polarisierung des elektrischen Feldes) erzielt, welche als parallele Polarisierung bekannt ist. Die Oberflächenflüsse, die durch die durchgehenden Linien dargestellt sind, sind zu der Achse A symmetrisch. Die erzeugte Polarisierung ist daher zu der Symmetrieachse A parallel. Durch Speisen der Patches in Gegenphase, wie in 4 dargestellt ist, wird eine zweite Polarisierung E_⊥ erzielt, welche als senkrechte Polarisierung bekannt ist. Die Oberflächenflüsse kreuzen die Symmetrieachse A im rechten Winkel. Die erzeugte Polarisierung verläuft daher im rechten Winkel zu der Symmetrieachse A.
Mit anderen Worten können die beiden Speisepunkte P₁ und P₂ verwendet werden, sowohl um die beiden Leitungen in Phase zu speisen als auch um die beiden Leitungen in Gegenphase zu speisen. Eine Initialpolarisierung E_⫽ kann daher erzeugt werden, wenn die Leitungen in Phase gespeist werden, und eine zweite Polarisierung E_⊥, wenn die Leitungen in Gegenphase gespeist werden. Dank dieser gleichzeitigen Speisung ist die Zufuhr zu der Antenne symmetrisch und es wird eine hohe Polarisationsreinheit erzielt. Nachstehend wird auf 1 bis 4 Bezug genommen. Die Speiseleitungen 7a und 7b sind vorzugsweise an zwei aufeinanderfolgende Seiten des Quadrats angeschlossen, welches das Speisepatch 6 bildet. Mit anderen Worten ist die Symmetrieachse A, in Bezug auf welche die Speiseleitungen angeordnet sind, eine Diagonale des Quadrats. Die Quadrate, welche das Speisepatch 6 und das strahlende Patch 1 bilden, sind um 45° zueinander in der horizontalen Ebene gedreht. Mit anderen Worten verlaufen die Diagonalen des Quadrats, welche das Speisepatch 6 bilden, parallel zu den Seiten des strahlenden Patch 1.
Nachstehend wird auf 5 Bezug genommen, in welcher Kurven für die Änderung der Amplitude der Koeffizienten der Dispersionsmatrix der in 1 dargestellten Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt sind. Zur Erinnerung, die Dispersionsmatrix (auch als Umverteilungsmatrix bezeichnet) ermöglicht es, den Verlauf der abgehenden Wellen zu bestimmen, welche von den Wellen abgegeben werden, die in die Struktur eintreten. Wie betrachten die Struktur mit zwei Eingaben P₁ und P₂, welche durch die in 1 dargestellte Antenne gebildet wird. Nehmen wir an, dass e₁ und e₂ die Wellen sind, welche bei P₁ und P₂ eintreten. Nehmen wir an, dass s₁ und s₂ die Wellen sind, welche bei P₁ und P₂ austreten. Darüber hinaus sind S₁₁, S₁₂, S₂₁ und S₂₂ die Koeffizienten der Dispersionsmatrix. Diese Matrix ermöglicht es uns, auf der Basis von e₁ und e₂ s₁ und s₂ auf folgende Weise zu bestimmen:
Da die Struktur keine nichtreziproken Elemente, beispielsweise Ferrite, enthält, ist die Dispersionsmatrix symmetrisch. Mit anderen Worten sind die Übertragungskoeffizienten zwischen den beiden Eingaben von der Richtung abhängig, was aus der Gleichheit der Koeffizienten S₁₂ und S₂₁ augenscheinlich ist. Darüber hinaus ist die Struktur in Relation auf die Eingaben P₁ und P₂ symmetrisch, so dass die Koeffizienten S₁₁ und S₂₂ gleich sind.
In 5 sind zwei Kurven S₁₁ und S₁₂ dargestellt, wobei die Amplitude in dB auf der Ordinate und die Frequenz in GHz auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Kurve S₁₁ (gleich S₂₂) ist ein Maß für die Reflexionen. Zur Erinnerung, eine Reflexion von –10 dB entspricht einem festen Wellenverhältnis von 2,0. Die Kurve S₁₁ erscheint zwischen zwei Punkten M₁ und M₂ auf dieser Kurve auf einem niedrigeren Pegel als –10 dB. Die Punkte M₁ und M₂ liegen bei 9 bzw. 11,25 GHz. Mit anderen Worten beträgt das Übertragungsband, welches einem festen Wellenverhältnis von kleiner als 2,0 entspricht, 9 – 11,25 GHz. Zwischen diesen beiden Punkten bleibt das Maximum M₃ der Kurve S₁₂ (gleich S₂₁) niedriger als –10 dB. Wir haben demnach eine Struktur, welche einerseits günstige Eigenschaften hinsichtlich der Isolation zwischen ihren Eingaben aufweist (Kurve S₁₂ niedriger als –10 dB) und andererseits wenig Reflexion (Kurve S₁₁ niedriger als –10 dB) in einem Bereich zwischen 9 und 11,25 GHz erzeugt.
Die Erfindung betrifft auch die Konstruktion von Antennen-Arrays, welche aus mindestens zwei Antennen, wie sie oben beschrieben werden, bestehen. Gemäß dem Stand der Technik kommt es beim Konstruieren von Antennen-Arrays zu einem Anordnungsproblem, da der Versuch unternommen werden muss, Koppelung zwischen Leitungen zu verhindern. Dieses Problem ist bei Antennen mit zwei Polarisierungsrichtungen noch weit bedeutender. Das Ergebnis sind komplexe Lösungen, bei denen nur wenig Fortschritt beobachtet werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Antenne kann dieses Problem gelöst werden.
Nachstehend wird auf 6 Bezug genommen. Hier ist ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Antennen-Array dargestellt. Das Array weist sieben Antennen von dem in 1 dargestellten Typ auf. Diese Antennen sind auf dieselben Schichten gedruckt und entlang einer horizontalen Achse (nicht dargestellt) aufgereiht. Die Speisepatches können durch ein Speisenetz 10a, 10b verbunden sein, welches auf dieselbe Schicht wie die Patches gedruckt ist.
Die Speiseleitungen 7a können durch einen Teil 10a des Speisenetzes miteinander verbunden sein. Die Speiseleitungen 7b können auf ähnliche Weise durch den anderen Teil 10b des Speisenetzes miteinander verbunden sein. Das Speisenetz 10a, 10b gemäß 6 ist ein paralleles Speisenetz. Es versteht sich von selbst, dass ein serielles Speisenetz ebenfalls angewandt werden kann. Die Leitungen, welche das Speisenetz 10a, 10b bilden, sind an alle Verbindungen (nicht in dieser Zeichnung dargestellt) angepasst.
Die Leitungen des Speisenetzes verursachen keine parasitäre Strahlung, da sie von den strahlenden Elementen durch die Masseebene 5 getrennt sind. Da man sich keine Sorgen wegen parasitärer Strahlung mehr machen muss, ist die Konstruktion des Speisenetzes vereinfacht. Mit anderen Worten ist es, um erfindungsgemäße Antennen zu einem Antennen-Array zusammenzufassen, ausreichend, ein Speisenetz zu der Schicht mit z.B. den Speisepatches 6 hinzuzufügen. Die erfindungsgemäßen Bereiche sind daher hochgradig modular, was ermöglicht, ein Antennen-Array einfach und rasch zu konstruieren, während sich diese Konstruktion einfach weiterentwickeln kann.
Wie in 7 und 9 dargestellt ist, kann ein Doppel-T-Glied einfach der Antennen-Struktur gemäß 1 hinzugefügt werden. Zu Gunsten besserer Übersichtlichkeit werden die oberen Schichten, welche das strahlende Patch 1 und die dielektrische Schicht 2 enthalten, in 7 nicht dargestellt. Die Speiseleitungen 7a und 7b sind mit dem Doppel-T-Glied 13 verbunden.
Zur Erinnerung, das Doppel-T-Glied ist eine Struktur mit 4 Eingaben (gekennzeichnet mit 1 bis 4), die durch eine Dispersionsmatrix wie folgt verknüpft sind (siehe 7)
Die Indices 1 und 2 entsprechen den Eingaben, welche für gewöhnlich als Summeneingabe und differentielle Eingabe bezeichnet werden. Diese Eingaben werden als neue Eingaben P₁' und P₂' für die Antenne verwendet. Die zwei anderen Eingaben (entsprechen Indices 4 und 3) des Doppel-T-Glieds sind mit den Leitungen 7a und 7b verknüpft, welche zu dem Speisepatch 8, 6 weiterführen.
Wenn die Summeneingabe P₁' (Welle e'₁) verwendet wird, erhalten wir:

– auf Leitung 7a, eine Welle in Phase mit der Eingabe
– auf Leitung 7b, eine Welle in Phase mit der Eingabe

Wenn die differentielle Eingabe P₂' (Welle e'₂) verwendet wird, erhalten wir:

– auf Leitung 7a, eine Welle in Gegenphase
– auf Leitung 7b, eine Welle in Gegenphase

Das Patch wird daher gleichzeitig oder in Phase oder in Gegenphase gespeist, je nachdem, ob die Summeneingabe oder eine differentielle Eingabe verwendet wird. Das Doppel-T-Glied ermöglicht demnach, eine einzelne Speisung zu verwenden, um eine beliebige Polarisierung zu erhalten. Mit anderen Worten bilden die Summeneingabe P₁' und die differentielle Eingabe P₂' zwei unabhängige Eingaben für die verschiedenen Polarisierungsrichtungen der Antenne. Die Eingabe P₁' entspricht einer parallelen Polarisierung E_⫽. Die Eingabe P₂' entspricht einer senkrechten Polarisierung E_⊥.
Die Dispersionsmatrix, welche der Antennenstruktur gemäß 1 entspricht, kann verwendet werden, um das Verhalten der Antenne zusammen mit dem Doppel-T-Glied zu ermitteln. Die abgehenden Wellen S'₃ und S'₄ des Doppel-T-Glieds werden die ankommenden Wellen e₂ bzw. e₁ der in 1 dargestellten Antenne. Auf ähnliche Weise werden die abgehenden Wellen s₂ und s₁ die ankommenden Wellen e'₃ und e'₄ des Doppel-T-Glieds.
Wenn die Summeneingabe P₁' (Welle e'₁) verwendet wird, erhalten wir:

– mit P₁', eine abgehende Welle (S₁₁ + S₁₂) e'₁, die einer Reflexion entspricht (Reflexionsverlust);
– mit P₂', keine abgehende Welle; mit anderen Worten, eine perfekte Isolation wie gegen P₁'.

– mit P₁', keine abgehende Welle; mit anderen Worten, eine perfekte Isolation in Bezug auf P₂';
– mit P₂', eine abgehende Welle (S₁₁ – S₁₂) e'₂, die einer Reflexion entspricht (Reflexionsverlust).

Das Doppel-T-Glied überträgt daher die Undichtheit zwischen den Eingaben P₁ und P₂ in Reflexionsverluste.
Mit anderen Worten ermöglicht das Doppel-T-Glied, die Isolation zwischen den beiden neuen Eingaben P₁' und P₂' zu verbessern. Dies ist eine günstige Folge der symmetrischen Struktur der erfindungsgemäßen Antenne.
Das Doppel-T-Glied ist vorzugsweise vom "rat-race"-Typ und wird durch gedruckte Leitungen gebildet. Eine Leitung 14 kann beispielsweise die Summeneingabe auf dem Doppel-T-Glied mit einem Verbinder verbinden, und eine Leitung 15 kann beispielsweise die Eingabe auf dem Doppel-T-Glied mit einem anderen Verbinder verbinden. Eine Leitung 16b kann die Eingabe, die dem Index 3 entspricht, auf dem Doppel-T-Glied mit der Leitung 7b verbinden. Eine Leitung 16a kann die Eingabe, die dem Index 4 auf dem Doppel-T-Glied entspricht, mit der Leitung 7a verbinden.
Das in 7 dargestellte Doppel-T-Glied 13 ist auf einer von der Ebene für das Speisepatch 8 verschiedenen Ebene angeordnet. Wie unten zu erkennen ist, geschieht dies, um die Baugruppe der Antenne zu vereinfachen. Das Doppel-T-Glied kann natürlich auf derselben Ebene wie das Patch angeordnet werden, falls ausreichend Platz zur Verfügung steht. In dem Beispiel wird das Doppel-T-Glied unter der Masseebene 9 angeordnet. Eine dielektrische Ebene 11 isoliert es von letzterer. Zwei vertikale Verbindungen, die durch leitende Pfade 18a und 18b gebildet werden, verlaufen durch die dielektrischen Schichten 8, 11 und die Masseebene 9. Einerseits verbindet die Verbindung 18a die Leitung 7a mit der Leitung 18a und andererseits verbindet die Verbindung 18b die Leitung 7b mit der Leitung 16b. Die Antenne in diesem Beispiel weist 11 Schichten auf, von denen 6 leitende und 5 dielektrische Schichten sind. Von der obersten Schicht an abwärts finden wir:

– eine leitende Schicht, die durch das leitende strahlende Patch 1 gebildet ist;
– eine dielektrische Schicht 2;
– eine leitende Schicht, die durch eine Masseebene 3 gebildet ist, welche eine strahlende Öffnung 4 enthält;
– eine dielektrische Schicht 5;
– eine leitende Schicht, welche durch das leitende Speisepatch 6 gebildet ist;
– eine dielektrische Schicht 8;
– eine leitende Schicht, die durch die zweite Masseebene 9 gebildet ist.
– eine dielektrische Schicht 11;
– eine leitende Schicht, welche das Doppel-T-Glied 13 enthält;
– eine dielektrische Schicht 12; und
– eine leitende Schicht, die durch eine untere Masseebene 17 gebildet ist.

Wie in 9 dargestellt ist, sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die vertikalen Verbindungen 18a und 18b abgeschirmt. Sie können durch Kombinationen 19a und 19b aus vertikalen Pfaden, welche rund um die Verbindungen 18a und 18b angeordnet sind, abgeschirmt sein. Diese leitenden Pfade können an die Masseebene 11 angeschlossen sein. Die Masseebene 11 weist zwei Öffnungen 11a und 11b auf, so dass die Pfade 18a und 18b durchlaufen können, ohne mit der Masseebene in Kontakt zu treten.
Nachstehend wird auf 10 Bezug genommen, in welcher Kurven für die Änderung der Amplitude der Koeffizienten der Dispersionsmatrix der in 7 dargestellten Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz unter Verwendung der neuen Eingaben P₁' und P₂' dargestellt sind. Die Koeffizienten dieser Matrix sind mit S₁₁', S₁₂', S₂₁' und S₂₂' gekennzeichnet. Aus denselben Gründen wie oben sind die Koeffizienten S₁₂' und S₂₁' gleich. Andererseits sind die Koeffizienten S₁₁' und S₂₂' unterschiedlich (auf Grund des Doppel-T-Glieds).
Die Amplitudenkurve S₁₂' liegt niedriger als –20 dB im 9 – 11,25 GHz-Wellenband. Wenn wir die Kurve mit der Kurve S₁₂ in 5 vergleichen, wird zu erkennen sein, dass die Isolierung zwischen den Eingaben wesentlich verbessert wurde. Darüber hinaus sind die Reflexionen (Kurven S₁₁' und S₂₂') kleiner als –10 dB in einem nahezu identischen Wellenband.
Nachstehend wird auf 11 und 12 Bezug genommen. Diese stellen ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Array-Antenne dar. Dieses Array weist 80 Antennen auf, wie aus 1 hervorgeht. Die Antennen sind auf dieselben Schichten gedruckt und entlang zweier orthogonaler Achsen x und y aufgereiht. Die strahlenden Elemente (nicht dargestellt) sind in Spalten entlang der y-Achse mit 4 strahlenden Elementen je Spalte und in Zeilen entsprechend der x-Achse mit 20 strahlenden Elementen je Zeile aufgeteilt. Die Speisung für diese strahlenden Elemente ist durch 80 Speisepatches (12) vorgesehen, welche selbst auf dieselbe Weise in Zeilen und Spalten F1, F2, F3, ...F20 aufgeteilt sind. Ein Speisepatch entspricht jedem strahlenden Element, wie bei dem in 1 dargestellten Beispiel beschrieben wurde.
Wie aus 11 hervorgeht, können die Speisepatches 6 in derselben Spalte F1 durch ein erstes Speisenetz 10a, 10b, welches auf dieselbe Schicht wie die genannten Patches gedruckt ist, verbunden werden. Die Speisepatches 6 können in Gruppen zu je 4 bei seinem ersten Speisenetz aufgeteilt werden. Bei dem Beispiel sind die Speisepatches 6 in Spalte F1 in Serie verdrahtet. Dasselbe gilt für die anderen Spalten F2 bis F20, wie in 12 dargestellt ist.
Das Antennen-Array kann 11 Schichten, davon 6 leitende Schichten und 5 dielektrische Schichten, aufweisen, wie bei dem durch 7 dargestellten Beispiel beschrieben wurde. Insbesondere können die Doppel-T-Glieder 13 auf einer anderen Schicht als die Speisepatches 6 angeordnet werden, um die Baugruppe des Antennen-Array zu vereinfachen.
Ein Doppel-T-Glied R1, R2 ... R20 ist jeder Spalte der Speisepatches F1, F2 ... F20 zugeordnet. Mit anderen Worten ist ein einziges Doppel-T-Glied einer kleinen Gruppe aus Speisepatches zugeordnet. Die Doppel-T-Glieder R1, R2 ... R20 sind entlang der x-Achse in einer anderen Schicht als die Speisepatches montiert. Jedes Doppel-T-Glied kann mittels vertikaler Verbindungen mit einem Speisenetz 10a, 10b von einer Spalte von Speisepatches verbunden werden. Diese Koppelung unter Zuhilfenahme vertikaler Verbindungen ist, wie in 7 bis 9 dargestellt ist.
Das Antennen-Array kann darüber hinaus ein Speisenetz 20a, 20b aufweisen, welches auf die Schicht des Doppel-T-Glieds R1, R2 ... R20 gedruckt ist. Ein Teil 20a dieses Netzes ermöglicht es, die Summeneingaben der Doppel-T-Glieder R1, R2 ... R20 zu gruppieren, so dass eine erste Eingabe 21a erhalten wird. Der andere Teil 20b dieses Speisenetzes ermöglicht es, die differentiellen Eingaben zu gruppieren, so dass eine zweite Eingabe 21b erhalten wird.
Mit anderen Worten weist das Antennen-Array ein Speisenetz 20a, 20b auf, welches auf eine Schicht gedruckt ist, die sich von der Schicht der Speisepatches 6 unterscheidet, welche von letzterer durch mindestens eine dielektrische Schicht 8, eine Masseebene 9 und eine andere dielektrische Schicht 11, die auf der anderen Seite der Masseebene 9 angeordnet ist, isoliert ist und die mit Hilfe der vertikalen Verbindungen 18a, 18b diagonal durch die Masseebene 9 und die dielektrischen Schichten 8, 11 mit der Schicht der Speisepatches 6 verbunden ist.
Es ist klar, dass die Anzahl von strahlenden Elementen angesichts der modularen Struktur der erfindungsgemäßen Antenne einfach geändert werden kann. Die Erfindung ermöglicht demnach, ein großes Antennen-Array einfach und zu geringeren Kosten einzurichten. Es ist ebenso klar, dass die Antenne gleichermaßen eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne oder eine Sende-Empfangs-Antenne sein kann.
Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist ebenso klar, dass die Erfindung auf alle Frequenzbänder angewandt werden kann. Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung können der Antenne auch Funktionen hinzugefügt werden. Durch Hinzufügen von Schichten kann beispielsweise eine Mehrbandantenne realisiert werden.
Es ist ebenso klar, dass die Form der Elemente, welche die erfindungsgemäße Antenne oder das erfindungsgemäß Antennen-Array bilden, nicht auf die hier beschriebene Form begrenzt ist. Die strahlende Öffnung, die Speisepatches, die strahlenden Patches (optional) können alle eine andere Form aufweisen. Die strahlende Öffnung kann beispielsweise die Form eines Sterns an Stelle eines Kreuzes aufweisen. Die Speisepatches und die strahlenden Patches können beispielsweise scheibenförmig sein.
Es ist ebenso klar, dass die Struktur der Antenne und des Antennen-Arrays gemäß der Erfindung nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt ist. Die dielektrischen Schichten können durch Luftschichten ersetzt werden, während die leitenden Schichten durch Luftschichten voneinander getrennt sind.

Claims

Gedruckte Antenne, die mindestens folgendes enthält: a) eine leitende Masseebene (3) mit einer strahlenden Öffnung (4) darin, wobei die strahlende Öffnung so ausgelegt ist, daß sie in den über der Masseebene liegenden Raum abstrahlt; b) einen strahlenden Speisepatch (6), der unter der strahlenden Öffnung (4) angeordnet und durch eine dielektrische Schicht (5) derart isoliert ist, daß das Patch an die strahlende Öffnung gekoppelt ist, um die strahlende Öffnung zu speisen, ohne daß parasitäre Strahlung angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisepatch (6) relativ zu einer Achse (A) im wesentlichen symmetrisch ist, daß zwei Speiseleitungen (7a, 7b) symmetrisch zu der Achse mit dem Patch verbunden sind, wobei diese Leitungen gleichzeitig in Phase oder in Gegenphase gespeist werden, um zwei Polarisationen (E_⫽, E_⊥) zu erzeugen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Projektion der strahlenden Öffnung (4) im wesentlichen von dem Speisepatch (6) umgeben ist.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich folgendes enthält: c) eine zweite leitende Masseebene (9), die unter dem Speisepatch (6) angeordnet und durch eine dielektrische Schicht (8) so isoliert ist, daß zusammen mit dem Speisepatch eine dreischichtige Baugruppe ausgebildet wird.
Antenne nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisepatch im wesentlichen quadratisch ausgelegt ist und daß die zwei Speiseleitungen auf zwei aufeinanderfolgenden Seiten angeschlossen sind.
Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich folgendes enthält: d) einen oder mehrere leitende strahlende Patches (1), die über der strahlenden Öffnung (4) angeordnet und durch dielektrische Schichten (2) derart isoliert sind, daß sie mit der strahlenden Öffnung gekoppelt sind, um in den Raum darüber abzustrahlen.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen (7a, 7b) an ein Doppel-T-Glied (13) angeschlossen sind, wobei die Summe und differentiellen Eingaben des Doppel-T-Glieds die Eingaben (P₁', P₂') unabhängig für jede Polarisation (E_⫽, E_⊥) bilden.
Antenne nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppel-T-Glied (13) vom rat-race-Typ ist.
Array von Antennen, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei Antennen von einem wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschriebenen Typ enthält.
Array von Antennen nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es ein auf die Schicht der Speisepatches gedrucktes Speisenetz (10a, 10b) enthält.
Array von Antennen nach den Ansprüchen 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Speisenetz (20a, 20b) enthält, das auf eine andere Schicht als die Schicht gedruckt ist, auf der die Speisepatches (6) angeordnet sind, von letzterer Schicht durch eine dielektrische Schicht (8), eine Masseebene (9) und eine andere dielektrische Schicht (11) isoliert, auf der anderen Seite der Masseebene (9) angeordnet und mit der Schicht aus den Speisepatches (6) durch vertikale Verbindungen (18a, 18b) durch die Masseebene (9) und die dielektrischen Schichten (8, 11) verbunden ist.
Array von Antennen nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Verbindungen (18a, 18b) mit Abschirmung (19a, 19b) versehen sind.