DE69619496T2

DE69619496T2 - Planaren antennengruppe

Info

Publication number: DE69619496T2
Application number: DE69619496T
Authority: DE
Inventors: Arto Lehto; Antti Raeisaenen; Tomas Sehm
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2016-08-24
Also published as: FI954012A0; FI954012A; WO1997008775A1; FI99221C; US5926147A; FI99221B; JP3718527B2; EP0793866B1; EP0793866A1; DE69619496D1; JPH10508173A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antenne nach dem Oberbegriff des anliegenden Patentanspruchs 1, die insbesondere für Funkverbindungsanwendungen vorgesehen ist.
Gegenwärtig verwenden Funkverbindungen mehrere Frequenzbänder auf VHF (30 ... 300 MHz), UHF (300 MHz ... 3 GHz), SHF (3 ... 30 GHz) und EHF (30 ... 300 GHz) Bänder. Immer höhere Frequenzen sind in Gebrauch genommen worden, weil nur die Mobildienste fast alle unteren Frequenzbänder (unter 3 GHz) belegt haben. Gegenwärtig arbeiten viele Funkverbindungssysteme im Frequenzbereich von 38 GHz, welches (wenigstens anfänglich) der Bereich für die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Da das Prinzip der Antenne in keiner Weise an die Frequenz gebunden ist, sei in allgemeiner Hinsicht angemerkt, daß die Antennenauslegung nach der Erfindung für die Verwendung im Mikro- und Millimeterwellenbereich beabsichtigt ist.
Strahlungscharakteristiken, die erforderlich sind für Funkverbindungsantennen, sind in den internationalen Normen spezifiziert. Beispielsweise die ETSI-Norm (European Telecommunications Standards Institute-Norm), Standard prETS 300 197 spezifiziert die höchsten zulässigen Pegel der Seitenkeulenpegel in dem Strahlungsmuster einer Funkverbindungsantenne bei 38 GHz. Der Anfangspunkt des Auslegens der Funkverbindungsantennen ist somit typischerweise der, daß der Antennengewinn höher sein muß als ein spezifischer Minimalpegel, aber auch so, daß die Seitenkeulenpegel geringer bleiben als spezielle Grenzen. Der Gewinn kann folglich nicht unendlich erhöht werden, weil dadurch die Seitenkeulenpegel entsprechend erhöht würden.
Für Funkverbindungsantennen eingerichtete Erfordernisse sind strikt, und auf gegenwärtig verwendeten Frequenzen haben die Strahlungskennlinien, die in den Normen spezifiziert sind, erfolgreich erfüllt, lediglich mit unterschiedlichen Arten von Antennen aus Horn + Linse oder Reflektorantennen (Parabolantennen).
Neben adäquaten Strahlungscharakteristiken wünschen Antennenhersteller und insbesondere Antennenbenutzer (Kundschaft) physisch kleine Antennen. Wenn insbesondere der andere Anschlußpunkt der Funkverbindung der Kundenstandort ist, ist es von allergrößter Bedeutung für die Antenne, soweit wie möglich im Hintergrund eingebunden zu sein (das heißt, untergebracht in einem kleinen Raum).
Gesetze und physikalische Eigenschaften bestimmen weitestgehend die Antennenquerschnittsfläche; mit anderen Worten, die Antenne muß eine spezifische Auffangfläche haben oder deren Apertur muß spezielle Abmessungen haben. Mittels Konstruktionsauslegung können statt dessen die Abmessungen der Antenne leichter in Dickerichtung beeinflußt werden. Beispielsweise ist der Nachteil der zuvor genannten Antenne aus Horn + Linse oder Linsen- oder Reflektorantennen der, daß sie aufgrund ihres Arbeitsprinzips nicht in kompakter Weise aufgebaut werden können. Im zuvor genannten Bereich von 38 GHz beispielsweise sind solche Antennen wenigstens in der Größenordnung von 20 cm dick.
Kleine Abmessungen in Dickerichtung können erzielt werden durch sogenannte Planarantennen (eine Planarantenne bezieht sich auf eine Bauform, bei der die Antennenzuleitungs- und Strahlungselemente der Antenne sehr nahe aneinander in Dickerichtung liegen). Konstruktionen der Planarantennen basieren oft auf einer Mikrostreifentechnik, die zu einem ungenügenden Gewinn aufgrund der Mikrostreifenstruktur kommt, da sie zu hohe Verluste aufweist. Viele Konstruktionen der Planarantennen teilen auch den Nachteil der Schmalbandigkeit (erforderliche Charakteristiken werden nur erzielt in einem engen Frequenzband). Einige Planarantennen haben auch den Nachteil, daß sie aufgrund ihrer sehr strikten Dimensionierungsanforderungen bei den höheren Frequenzen, die neuerdings in Verwendung sind, zur Massenproduktion ungeeignet sind. Aus dem Gesichtspunkt der Antennenhersteller ist es oft wichtig für die Antennenkonstruktion, daß sie für die Massenproduktion geeignet ist.
Die Dokumente EP-A-0 205 212 und EP-A-0 213 646 offenbaren ein Hochfrequenz-Antenneneinheitsmodul, das Strahlungselemente in Form von Kastenhornantennen hat und ein Wellenleiterspeisenetzwerk. Der Durchmesser der Hornantennen erhöht sich linear.
Das Dokument US-4 757 326 offenbart eine einzelne Kastenhornantenne, die mit einer Vielzahl von Flügeln versehen ist, um einen allmählichen Übergang zwischen der kleineren Wellenleiterabmessung und der größeren Hornabmessung in der E-Ebene bereit zu stellen, und ein abrupter Übergang in der H-Ebene, um die Öffnungsverteilung so zu modifizieren, daß das Richtungsvermögen verbessert ist. Das Dokument US-2 617 397 offenbart eine Einzelkasten-Hornantenne mit einer Stufe in der H-Ebene.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile zu beseitigen durch Bereitstellen einer neuen Art von Antennenstruktur, die zur Funkverbindungsverwendung geeignet ist, und durch Mittel, mit denen hinreichende Strahlungscharakteristiken, sehr kompakte Größe und Massenproduktioneignung erzielbar sind. Diese Aufgaben werden gelöst mittels einer Antenne nach dem Patentanspruch 1.
Die Idee der Erfindung ist die Bereitstellung der Antenne mit spezifischen Eigenschaften (wie Zulassen einer Planarstruktur, geringe Verluste und Breitbandbetrieb) mittels eines Planarspeisenetzes, und zur Beinhaltung in diesem Aufbau als Strahlungselemente Kastenhörner, die per se bekannt sind, mittels derer die Strahlungskennlinien, die die obigen Nachteile umgehen, folglich gelöst werden. Bezüglich der vorliegenden Erfindung ist angemerkt worden, daß durch optimales Dimensionieren des Kastenhorns auf einer geeigneten Weise es selbst für die Massenproduktion möglich ist, das Strahlungsmuster Null eines Einzelstrahlelements zu der Richtung, bei der der Anordnungsfaktor eine Seitenkeule für die Antennenanordnung aufzeigt. Auf diese Weise kann die Seitenkeule der Antennenanordnung leicht beseitigt werden, wodurch die gewünschten Strahlungseigenschaften ohne Schwierigkeiten erreichbar sind.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung sieht eine planare Konstruktion vor mit guten (adäquat für die Funkverbindungsverwendung) Strahlungseigenschaften, einfachem Aufbau, geringen Herstellkosten und Intensivierung des Herstellflusses vor. Im zuvor genannten Bereich von 38 GHz beispielsweise ist die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung nur ungefähr 4 cm dick, das heißt, in der Praxis nur ein Fünftel im Vergleich mit der minimalen Dicke der gegenwärtigen Funkverbindungsantennen.
Obwohl die gesamte Antenne gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung durch Wellenleitertechnik aufgebaut ist, kann eine Planarstruktur noch erzielt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung und deren bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand von Beispielen in der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Antenne nach der Erfindung, wobei die Antenne 2 · 2 Strahlungselemente besitzt,
Fig. 2a bis 2c veranschaulichen ein Speisenetzwerk, das in der Antennenkonstruktion nach Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3a veranschaulicht einen gekrümmten Teiler der Wellenleiter-T-Verbindungsstelle,
Fig. 3b veranschaulicht einen Teiler der Wellenleiter-T- Verbindungsstelle, wobei der Teiler optimiert ist in einem konstruktionsmäßigen Sinne von dem Teiler von Fig. 3a,
Fig. 3c veranschaulicht einen Teiler der Wellenleiter-T- Verbindungsstelle, wodurch eine asymmetrische Leistungsverteilung bereitsteht,
Fig. 4 veranschaulicht den grundlegenden Aufbau eines per se bekannten Kastenhorns,
Fig. 5 zeigt das Verhältnis der Amplituden der unterschiedlichen Wellenmodi im Kastenhorn, abhängig vom Verhältnis der Kastenhornaperturen,
Fig. 6 zeigt die Ausstrahlung der Kastenhornapertur,
Fig. 7a zeigt die grundlegende Struktur eines Strahlelements, das in der Antenne gemäß Fig. 1 verwendet wird,
Fig. 7b veranschaulicht einen Querschnitt des Strahlungselements gemäß Fig. 1 in Ebene H,
Fig. 7c veranschaulicht einen Querschnitt des Strahlungselements gemäß Fig. 1 in Ebene E,
Fig. 8 zeigt ein Speisenetzwerk, das für eine 16 · 16- Elementanordnung vorgesehen ist, und
Fig. 9 zeigt eine Anordnung von Strahlelementen, die für das Speisenetzwerk von Fig. 8 ausgelegt sind.
Fig. 1 zeigt eine Antenne nach der vorliegenden Erfindung. Die Antenne besteht lediglich aus zwei Teilen: Teil A1, das das Speisenetzwerk enthält, und Teil A2, das oben auf dem Teil A befestigt ist und die Strahlungselementeanordnung 10 enthält, die (aufgrund der Übersichtlichkeit) in diesem Beispiel nur vier Strahlungselemente RE besitzt, die nahe aneinander in kompakter Weise angeordnet sind (zwei in jeder Ebene). Jedes Strahlungselement RE ist ein Kastenhorn mit einer Stufe 5 in der Ebene des Magnetfeldes. Eine Speiseapertur, die das Speisenetzwerk führt, ist markiert mit Bezugszeichen FA. Beide Antennenteile (A1 und A2) können beispielsweise geschlossene Metallteile sein, die beispielsweise durch Gießen (die Herstellungstechnik der Antenne ist später in mehr Einzelheiten beschrieben) hergestellt worden sind.
Fig. 2a zeigt eine Aufsicht des unteren Teils (A1), der in Fig. 1 dargestellt ist, das heißt, die Ansicht, die sich gegenüber Teil A2 befindet. Fig. 2b wiederum zeigt Teil A1, gesehen in der Richtung der Linie A-A' von Fig. 2a, und Fig. 2c in der Richtung der Linie B-B'. Dieser exemplarische Fall verwendet als Antennenzuleitung einen rechteckigen Wellenleiter, der in der Praxis eine sehr vorteilhafte Wahl für eine Antennenzuleitung darstellt aufgrund seiner einfachen Struktur und seiner geringen Verluste. Die komplizierte der Strukturen, die teurere ist die Herstellung, und in den meisten Fällen besteht eine Neigung zu Materialfehlern. Der Wellenleiter enthält einen Schlitz 20, der auf der Oberfläche von Teil A1 vorgesehen ist, und Teil A2 bildet die Decke des Wellenleiters. Es ist vorteilhaft, einen Wellenleiter so nah wie möglich anzustreben, um einen möglichst geringen Abstand zwischen den Strahlungselementen (Elementabstand) zu bekommen, und folglich wenige Keulen für die Antennenanordnung. Somit ist es vorteilhaft, eine Enge so weit wie möglich anzustreben, einen Wellenleiter vom Gesichtspunkt des Betriebs und der Grenzfrequenzen.
Im zuvor genannten Bereich von 38 GHz kann eine Wellenleiterbreite von ungefähr 5 mm gewählt werden, wodurch beispielsweise der Wellenleiter WR-28 mit einer Weite von 7,11 mm und einer Höhe von 3,56 mm als Standardwellenleiter (nicht dargestellt) gewählt werden kann, der die Antenne speist (es ist dadurch möglich, die Tiefe D vom Schlitz 20 zu wählen, der im Teil A2 vorgesehen ist, um der Höhe des verwendeten Wellenleiters zu entsprechen). Für den Speisewellenleiter ist eine Erweiterung 25 vorgesehen an der Speiseapertur, wobei die Ausdehnung vom weiteren Wellenleiter zum engeren bildet.
Der Wellenleiter dient lediglich dem Betrieb auf der niedrigsten Welle TE&sub1;&sub0;. (Beispielsweise im Wellenleiter WR-28 ist die Grenzfrequenz der TE&sub2;&sub0;-Welle 60 GHz, und diejenige der TE&sub0;&sub1;- Welle ist 42,13 GHz, was bedeutet, daß die Wellentypen sich nicht im Wellenleiter ausbreiten können, wenn die Antenne bei 38 GHz verwendet wird.)
In einem planaren Speisenetzwerk gemäß den Fig. 2a bis 2c ist die Leistung, die von einer gemeinsamen Leistungsquelle (nicht dargestellt) geliefert wird, mittels nachgeschalteter T-Verbindungen zu unterschiedlichen Strahlungselementen. Im Beispiel von Fig. 2a gibt es beispielsweise drei T-Verbindungen. Eine dieser ist dargestellt mittels Bezugsmarke T, und durch Aufzeigen der Grenzen der Verbindungsstelle mit gestrichelten Linien. Als ein herkömmlicher T-Übergang hat ein hohen Reflexionskoeffizient in einem Wellenleiter, und es ist vorteilhaft, einen gerundeten Teiler 22 zu verwenden, der per se bekannt ist und auf einem Dreiecksmodell basiert, in den T-Verbindungen des Speisenetzwerks. Solch ein gerundeter Teiler basiert auf einem per se bekannten Teiler, der in Fig. 3a dargestellt ist, bei dem die Spitze 23a des Dreieckteilers 23 extrem dünn gemacht wurde. Ein derartiger Teiler mit gerundeten Seiten und dünner Spitze stellt einen geringen Reflexionskoeffizienten bereit. Jedoch ist die Konstruktion empfindlich gegenüber der Position des Mittelpunktes (Spitze 23a) des Teilers, was dazu führt, daß es vorteilhaft ist, den gerundeten Teiler 22 zu verwenden, der zuvor beschrieben und auch in Fig. 3b dargestellt wurde. Soweit es die Spitze 23a anbetrifft, ist die ideale Gestalt des gerundeten Teilers geändert worden, indem man die Spitze weniger scharf und stabil gemacht hat, wodurch der Teiler eine geringere Neigung zu Materialfehlern zeigt. Eine gute Anpassung kann dennoch beibehalten werden.
Wenn es erforderlich ist, von der geraden Speisung der Antennenanordnung aufgrund Erfordernissen betreffs des Antennenstrahlungsmusters abzuweichen, können die erforderlichen Leistungsverteilungsverhältnisse im T-Übergang durch Verschieben des Teilers 22 in die Mitte des Übergangs fern von der Mittellinie erreicht werden. Wenn eine derart asymmetrische Leistungsverteilung zwischen den Elementen gewünscht ist, muß dies realisiert werden ohne Schaffen von Phasendifferenzen zwischen den Elementen. Im T-Übergang erhöht sich die Phasendifferenz zwischen Ausgangsstellen im Verhältnis zum Teiler, verschiebt sich weiter weg von der Mittellinie. Diese Phasendifferenz gleicht der Phasendifferenz, die man erzielt, wenn die Position der Eingangsstelle seitlich zu einem gewissen Ausmaß verschoben wird. Somit wird die Phasendifferenz bestimmt durch den Abstand zum Teiler, gemessen von den Ausgangsstellen. Das bedeutet, daß die Phasendifferenz kompensiert werden kann durch Verschieben der Position des T-Übergang-Speiseleiters seitlich zu einem gewissen Ausmaß. Dies ist dargestellt in Fig. 3c, in der Bezugszeichen X den Abstand der seitlichen Verschiebung bedeutet. Obiges führt dazu, daß der Teiler sich in der Mitte des T-Übergangs befinden kann, aber der Speiseleiter ist in Hinsicht auf den Teiler daneben.
Die Anpassung des Leistungsteilers kann weiter verbessert werden durch Erzeugen einer zweiten Reflexion, die die Reflexion vom Teiler aufhebt. Wenn die Amplitude der Reflexion, die verursacht wird, zwecks Gleichheit der Reflexion vom Teiler und sie entgegengesetzte Phasen aufweisen, wird die summierte Gesamtreflexion zu Null. Eine Reflexion kann erzeugt werden im Wellenleiter durch Plazieren einer Störung in irgendeiner Art. Im Beispiel nach den Figuren ist eine Reflexionsaufhebung mit einer zylindrischen Nase 24 erzeugt worden. Die Amplitude der Reflexion kann bewirkt werden durch Einstellen der Höhe h von der Nase, und durch Verschieben der Stelle der Nase (ihr Abstand vom Leistungsverteiler) ist es möglich, die gewünschte Phase zu erzielen.
Zusätzlich zur Leistungsverteilung im Speisenetzwerk muß der Wellenleiter gekrümmt sein. In der exemplarischen Lösung der Fig. 2a bis 2c wird dies erreicht durch Bereitstellen eines Wellenleiters mit einer Ebene E in einer Wellenleiterverzweigungsführungskurve zu einem Einzelstrahlelement (nachstehend wird die Ebene des elektrischen Feldes als Ebene E bezeichnet, und die Ebene des magnetischen Feldes wird mit der Ebene H bezeichnet). Die Kurve ist realisiert worden durch Bereitstellen von Schlitzen mit geneigten Fasen von im wesentlichen 55º, diese Phasen sind mit dem Bezugszeichen 21 versehen (Fig. 2a und 2b). Da die Ergebnisse bei dieser Polarisation anderenfalls entgegengesetzte Phasen zwischen Strahlungselementen in Ebene E hätten, ist eine Halbwellenverlängerung A auf einer Seite vorgesehen. Diese kehrt das Signal in ein mitphasiges Signal mit dem Signal des benachbarten Elements in der Ebene E bereit. Bei den Phasen wird jede Speiseverzweigung mit dem Strahlungselement gekoppelt; das heißt, Teil A2 hat ein Loch an einer entsprechenden Stelle, die die "Speiseapertur" des Strahlungselements ist.
In der Ebene E wird der Abstand zwischen den Strahlungselementen weitestgehend bestimmt durch die erforderliche Phasenkorrektur. Wenigsten der T-Übergang und die Phasenkorrektur A müssen zwischen den Elementen passen. Auf beiden Seiten wird zusätzlich die zuvor genannte Kurve in der Ebene E vorgesehen, und auf der Seite, wo keine Phasenkorrektur existiert, kann die Kurve nicht rechts neben dem T-Übergang plaziert werden, weil dies die Felder stört, die im T-Übergang präsent sind (um den zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, muß der Abstand zwischen dem T-Übergang und der Kurve praktisch wenigsten ein Achtel der Wellenlänge betragen).
Die Elemente können in der Ebene H enger aneinander plaziert werden als in der Ebene E. Wenn die Wände zwischen den Wellenleitern im Speisenetzwerk extrem dünn sind, dann wäre der Elementabstand dH = 2 · der Wellenleiterbreite. Beim Bestimmen des Abstands muß jedoch angemerkt werden (a), daß das Richtungsvermögen (und folglich der Gewinn) der Antennenanordnung am höchsten ist, wenn der Elementabstand ein Vielfaches von 0,9 λ (λ ist die Wellenlänge im freien Raum), und (b) daß die Anzahl von Seitenkeulen der Antennenanordnung proportional ist zu dem Verhältnis, wie viele Wellenlängen der Elementabstand darstellt. Es ist somit möglich, den Elementabstand beispielsweise auf 0,9 · 2 · λ zu erhöhen, ohne die Anzahl von Seitenkeulen zu erhöhen. Das Richtungsvermögen der Antennenanordnung erhöht sich dabei auf den Maximalwert mit Elementabständen, die weiter als die Wellenlänge sind.
Mittels detaillierter Auslegungslösung, die zuvor beschrieben wurde, (T-Übergänge, Leistungsteiler und Nasenanpassung, welche an und für sich bekannte Lösungen sind), ist ein Fachmann in der Lage, die Dimensionierung zum Speisenetzwerk gemäß der Betriebsfrequenz und anderen Erfordernissen für die Antenne zu beliebiger Zeit einzustellen. Sofern es die Erfindung betrifft, ist die Hauptsache, die das Speisewerk betrifft, hauptsächlich deren planare Auslegung und die Möglichkeit für die Realisierung des Wellenleiters mit geringen Verlusten. Eine vorteilhafte Einzelheit wird auch dargestellt durch die Möglichkeit, die Beleuchtung über die Antennenoberfläche mittels Teiler spitz zulaufen zu lassen (bezieht sich auf das Absenken der Speiseamplitude an den Elementen, die sich an den Kanten der Anordnung befinden). Das endgültige Speisenetzwerk ist aufgebaut durch Plazieren der Leistungsteiler so, daß eine gewünschte Amplitudenverteilung für die Strahlungselemente erreicht wird. Relative Amplituden der Elemente sind festgelegt durch Errechnen des Strahlungsmusters der Antennenanordnung mit unterschiedlichen Abschrägungen. Aufgrund der Tatsache, daß die Abschrägung den Gewinn absenkt und den Hauptstrahl aufweitet ist vorteilhaft bei dem Ziel der Beibehaltung der Beleuchtungsfunktion so nah wie möglich bei einer gleich beleuchteten Apertur.
Wie schon zuvor dargelegt, verwendet die Antennenauslegung gemäß der Erfindung ein Kastenhorn als Strahlungselement. Ein Kastenhorn ist eine Hornantennenauslegung (per se bekannt), die ein größeres Richtungsvermögen in der Ebene des magnetischen Feldes (Ebene H) hat als ein herkömmliches Horn mit einer Apertur von denselben Abmessungen. Das Horn ist aufgebaut zum Erzeugen einer Wellenmode höherer Ordnung (dritte Ordnung) einer Phase, die beispielsweise um 180º von der Phase der Hauptmode in der Antennenapertur abweicht. Die Mode höherer Ordnung ändert daß die Phasendifferenz zwischen zwei Ausbreitungsmoden bei der Aperturpegel 180º beträgt. Wie die Figur zeigt, stellt der Amplitudenwert von 0,35 eine relativ gute Annäherung für die gerade Beleuchtungsfunktion dar, und der Wert von 0,55 für zwei Kosinusverteilungen. (In der Ebene E ist das Feld gleich im Wellenleiter verteilt, und der Bereich der Antennenapertur ist gleich beleuchtet.
Die Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein Kastenhorn der zuvor beschriebenen Art und insbesondere eine Stufencharakteristik für dieses in der Ebene des Magnetfeldes, wobei die Stufe ein einfaches Mittel darstellt zur Änderung der relativen Amplituden der Wellenmodenausbreitung im Horn.
Das Kastenhorn für die Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist folgendermaßen ausgebildet. Zuerst wird der Anordnungsfaktor verwendet beim Errechnen der Richtung, bei der der Anordnungsfaktor eine Seitenkeule aufzeigt. Der Anordnungsfaktor, wie bekannt, hat die Form:
wobei N die Anzahl von Elementen ist und γ von der Wellenlänge λ abhängt, der Elementabstand d und der Öffnungswinkel θ folgender ist:
γ = kd sin (θ) + δ,
wobei die Wellenzahl k = 2π/λ und δ repräsentiert die Phasendifferenz zwischen den Elementen.
Um die Richtung der Seitenkeule zu errechnen, muß der Elementabstand und die Frequenz bekannt sein (Elementabstand ist bekannt auf der Grundlage der Speisenetzwerkabmessungen).
Durch nachfolgendes Errechnen des Strahlungsmusters des Kastenhorns für unterschiedliche, Amplitudenverhältnisse wird das Amplitudenverhältnis herausgefunden, das eine Null zur Richtung hat, in der der Anordnungsfaktor eine Seitenkeule aufzeigt. Das Strahlungsmuster der Aperturantenne wird bestimmt durch das Feld, das bei der Apertur präsent ist. Eine Fourier- Transformation kann verwendet werden beim Errechnen des Antennenstrahlungsmusters, wenn das an der Apertur präsente Feld bekannt ist. Insbesondere kann das Strahlungsmuster festgelegt werden als eine Fourier-Transformation der Aperturverteilung. Wenn somit die Funktion, die die Amplitudenverteilung darstellt, F(y) ist, kann das Strahlungsmuster errechnet werden als eine Funktion des Winkels Φ in Ebene y durch die Formel:
wobei β den Ausbreitungskoeffizienten und L die Abmessung der Apertur im Meßpegel darstellt. Von daher stellt E(Φ) eine Fourier-Transformation der Funktion F(y) dar.
Nach Einrichten des Amplitudenverhältnisses, bei dem die Null eines einzelnen Strahlungselements auftritt in derselben Richtung, bei der der Anordnungsfaktor eine Seitenkeule aufzeigt, kann das Amplitudenverhältnis verwendet werden bei der Festlegung des Aperturverhältnisses A'/A, das dieses Amplitudenverhältnis schafft. Auf der Grundlage des Aperturverhältnisses kann das Strahlungselement angegeben werden mit seinen letztlichen Maßen, weil auf der Grundlage des Verhältnisses die Abmessung der Stufe in der Ebene des Magnetfeldes bekannt ist. Durch Anwenden der Größe der Stufe ist folglich ein gewünschtes Strahlungsmuster erreicht worden (nach Festlegen der Stufenposition, die auch einen Einfluß auf das Ergebnis hat) für ein einzelnes Strahlungselement (Null zur Richtung, in der der Anordnungsfaktor eine Seitenkeule aufzeigt).
Fig. 7a ... 7c veranschaulichen die grundlegende Struktur einer Hornantenne 70, die offenbart ist in Fig. 1 und verwendet ein Strahlungselement in der Antenne nach der Erfindung. ("Durchspeisungs"-Anpassung der Hornantennen wird in Teil A2 bereitgestellt). Fig. 7a zeigt eine perspektivische Ansicht des Strahlungslements, Fig. 7b zeigt einen Querschnitt des Elements in Ebene H, und Fig. 7c einen Querschnitt des Elements in Ebene E. In diesem exemplarischen Falle des Hornes öffnet sich dieses linear sowohl in der Ebene H als auch in der Ebene E. In der Ebene H gilt dies sowohl vor dem Schritt S (siehe Fläche 71) als auch nach der Stufe (siehe Fläche 72). In einer solchen Ausbildung mit geänderter Abmessung in Ebene H ändert sich der Ausbreitungsfaktor der Welle, wenn sie von der Stufe zum Aperturpegel wandert. Eine Ausbildung mit einer Vergrößerung in der Ebene H nach der Stufe hat den Vorteil, daß die Apertur vom Strahlungselement so groß wie möglich gemacht werden kann und noch die Wände zwischen den Strahlungselementen können eine spezifische Dicke aus Gründen der Verarbeitbarkeit haben.
Jene Prinzipien sind oben beschrieben worden gemäß denen die Antenne nach der Erfindung ausgebildet werden kann, um Erfordernissen angepaßt zu sein, die gesetzt worden sind. Durch Folgen der Prinzipien kann das Strahlungselement beispielsweise realisiert werden in einer völlig anderen Gestalt. Das Strahlungselement kann beispielsweise nicht in nicht linearer Weise sich öffnen, oder das Strahlungselement läßt sich überhaupt nicht realisieren (dies gilt sowohl für die Ebene E als auch für die Ebene H). Sofern es die Herstelltechnik betrifft, ist die nicht lineare Vergrößerung ganz deutlich schlechter als das linear sich öffnende Strahlungselement, das zuvor beschrieben wurde.
Die Anzahl von Strahlungselementen kann variieren gemäß den Erfordernissen, die an die Antenne gestellt werden. Fig. 8 zeigt eine Aufsicht auf das Speisenetzwerk für 256 Elemente (entspricht der Ansicht von Fig. 2a). Die Speiseapertur FA der Antenne in diesem Falle ist die Mitte des Speisenetzwerks. Wie in der Figur gezeigt, enthält das Speisenetzwerk in diesem Falle 64 grundlegende Basismodule, die dargestellt sind in Fig. 2a, die jeweils vier parallele Speisezweige haben für vier unterschiedliche Strahlungselemente. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gleicht die Anzahl von Strahlungselementen einer Hochzahl von 2 (beispielsweise 2&sup8; = 256), weil wegen dieser Ergebnisse in einer symmetrischen Antennenausbildung. Die Anzahl von Elementen, die erforderlich sind, hängt ab vom Gewinn, der Größe und den Strahlungsmusteranforderungen, die an die Antenne gestellt werden.
Im allgemeinen kann angemerkt werden, daß wenn es n- Strahlungselemente gibt, die Hochzahl geteilt wird in das Speisenetzwerk in (n-1) T-Übergänge, so daß jedes Element gespeist wird durch eine Leitung mit einer gleichen elektrischen Länge (wenn die zuvor genannte Phasenkorrektur nicht berücksichtigt wird). Fig. 9 zeigt (von oben) Teil A2 analog zu Teil A1 von Fig. 8, der insgesamt 256 Strahlungselemente gemäß Fig. 7a aufweist.
In der Praxis kann die Antennenausbildung gemäß der Erfindung variiert werden, und zwar auf folgende Weise.
Im Speisenetzwerk ist es möglich, unterschiedliche Arten allgemein bekannter Anpassungsverfahren und Teilstrukturen einzusetzen. Dasselbe gilt für die Dimensionierung des Wellenleiters. Übertragungsleitungen, die sich von einem Wellenleiter unterscheiden, können auch verwendet werden.
Die Kopplung des Signals vom Speisenetzwerk zum Element kann realisiert werden auf verschiedene Weise; beispielsweise durch ein Muster, wenn ein Mikrostreifen verwendet wird.
Die Antenne kann herstellt werden aus verschiedenen Arten leitender Materialien oder kann beschichtet werden mit einem geeigneten Material mit einer leitfähigen Schicht. Da die Antenne aus zwei geschlossenen Teilen besteht, ist ein Gießen in der Praxis eine erwähnenswerte Herstelltechnik. Die Oberflächen der Teile müssen leitfähig sein und gut arbeiten. Darüber hinaus bestehen Herstellverfahren, die in der Lage sind, die Teile aus Plastik zu gießen und diese mit einer dünnen Metallbeschichtung bereit zu stellen. Ein derartiges Verfahren ist gut geeignet für die Massenproduktion.

Claims

1. Antenne, mit:

- einer Antennengruppierung, die über eine Vielzahl von Kastenhornantennen (70) als elektromagnetische Energie abstrahlende Strahler (RE) verfügt, und mit

- Antennenzuleitungen neben der Antennengruppierung in Dickerichtung der Antenne zum Zuführen der elektromagnetischen Energie zu den Strahlern (RE), wobei die Antennenzuleitungen über ein planares Einspeisungsnetz (SN) verfügen, das im wesentlichen dieselbe Stärke in Dickerichtung der Antenne hat,

dadurch gekennzeichnet, daß

jede der Kastenhornantennen (70) einen stufenförmigen Durchmesserversatz (5) in der Ebene des magnetischen Feldes hat, der so dimensioniert ist, daß eine Null im Strahlungsmuster einer jeden Kastenhornantenne in Richtung einer Seitenstrahlungskeule der Antennengruppierung auftritt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei übereinander angeordneten Teilen (A1, A2) besteht, so daß der erste Teil (A1) das Einspeisungsnetz (SN) und der zweite Teil (A2) die Hornantennen (70) beinhaltet.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspeisungsnetz aus Hohlleitern (20) besteht, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben und die die Leistung zu den Strahlern (RE) mit T-Verbindern (T) verteilen.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der T- Verbinder mit einem dreigliedrigen Teiler (22) mit abgerundeter Spitze (22a) versehen sind, um die Anpassung zu verbessern.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einigen der T- Verbinder der Teiler und die Antennenzuleitung seitlich relativ zueinander verschoben sind, um so die Leistungsverteilung von einer gleichmäßigen abzuändern.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kastenhornantennen (70) in der Ebene des magnetischen Feldes wenigstens nach dem stufenförmigen Durchmesserversatz (5) linear öffnen.