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Die Erfindung betrifft eine Feldantenne
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist hochgradig wünschenswert,
eine kompakte, leichtgewichtige, leistungsfähige, flache, hochverstärkende,
breitbandige Antenne zur Verwendung für drahtlose Kommunikation herzustellen. Antennen,
die alle diese Eigenschaften besitzen, sind heutzutage nicht verfügbar. Normalerweise schreibt
ein Antennendesign vor, dass ein Kompromiss zwischen Größe, Bandbreite
und Leistungsfähigkeit
notwendig ist. Die Anerkennung eines solchen Kompromisses hat zu
einer Vielzahl vorbekannter Designansätze für Antennen geführt.
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Eine Reflektorantenne, für gewöhnlich ein Parabolreflektor,
verwendet einen Hornstrahler zum Anstrahlen ihrer Apertur. Die Form
des Reflektors bewirkt, dass er durch das Horn zu geführte Energie
in einen hochverstärkenden
gerichteten Strahl umlenkt. Unglücklicherweise
ist ein horngespeister Reflektor wenig leistungsfähig und
unhandlich. Das Anstrahlen des Reflektors führt entweder zu einem Überlaufen oder
einer Unterausnutzung einer verfügbaren
Apertur, um ein Überlaufen
zu verhindern. Typische Leistungsfähigkeiten, die mit einer Reflektorantenne
erreicht werden können,
liegen bei 60%. Die große
Gesamtgröße ergibt
sich aufgrund eines Auslegers, der das Horn und den Reflektor trägt.
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Ein anderer Ansatz des Antennendesigns verwendet
ein Feld von Mikrostreifen-Platten oder einer anderen Form von gedruckten
Strahlern. Derartige Antennen sind flach, da die Tiefe lediglich
eine Dicke eines Antennen-Trägermaterials
ist. Felder von Mikrostreifen-Platten gruppieren eine Vielzahl schwach
verstärkender
Elemente, wobei jedes gespeist wird, so dass es zur Bildung eines
hochverstärkenden
Strahls beiträgt.
Leistung wird über
ein Einspeisenetz zu jedem der Elemente verteilt, was den vordringlichen
Grund für
die geringe Leistungsfähigkeit
der Antenne darstellt. Es ist gut bekannt, dass große Einspeisenetze
mit den entsprechend hohen Leitungsdämpfungen die Leistungsfähigkeit
einer Antenne signifikant reduzieren.
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Die vorstehend beschriebenen Felder
sind flach, leiden jedoch unter geringer Leistungsfähigkeit aufgrund
der starken Verluste im Einspeisenetz. Dadurch vergrößert sich
die erforderliche Feldgröße für eine gegebene
geforderte Verstärkung,
jedoch liegt es in der Natur derartiger Einspeisenetze, dass die Einspeiseverluste
mit vergrößerter Feldgröße zunehmen.
Darüber
hinaus ist die Bandbreite der vorstehend beschriebenen Felder durch
die Bandbreite der verwendeten Elemente begrenzt; wenn ein schmalbandiges
Element, wie eine einfache Mikrostreifen-Platte, benutzt wird, ist
die Bandbreite des Feldes nicht breiter als die Bandbreite jedes
einzelnen Elements.
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Ein weiterer Ansatz, der heutzutage
Verwendung findet, ähnelt
dem vorstehend beschriebenen Feld, jedoch werden gestapelte Mikrostreifen-Platten mit
zwischen diesen angeordneten dielektrischen Schichten anstelle von
einfachen Mikrostreifen-Platten benutzt. Die gestapelten Mikrostreifen-Platten vermeiden
Bandbreitenbegrenzungen, die der vorstehend beschriebenen Feldantenne
inhärent
sind, durch Vorsehen eines breitbandigen Elements. Gestapelte Platten
sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und beinhalten zwei oder
mehr Platten, die übereinander
gestapelt sind. Jede zunehmend höhere
Platte ist kleiner als die darunter liegenden und über der
direkt unter ihr liegenden Platte zentriert. Jede kleinere Platte
verwendet die unter ihr liegende als Grundplatte und strahlt um
die darüber
angeordnete Platte herum. Diese Technik verbreitert die Bandbreite,
vergrößert jedoch
nicht die Verstärkung, da
alle Platten gleiche Strahlungscharakteristiken besitzen. Mit dieser
Technik zielbare Bandbreiten können
40% erreichen.
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Felder aus Vier-Platten-Elementen
unterscheiden sich von den vorstehend beschriebenen Feldern dadurch,
dass ein Feldelement ein Vier-Platten-Element in Form eines Unterfeldes
umfasst, das durch ein einzelnes Plattenelement unter jedem der Plattenelemente
in dem Unterfeld gespeist wird. Das Vier-Platten-Element besteht
aus einer ersten Platte, die anschließend parasitär mit vier
Platten koppelt, die oberhalb der ersten Platte angeordnet sind.
Eine einzelne Ecke und/oder Kante der ersten Platte treibt oder
speist jede der vier Platten. Dies reduziert die Komplexität des Einspeisenetzes
und Einspeisenetzverluste, da jede Gruppe aus vier strahlenden Platten durch
eine einzelne Einspeisenetzleitung gespeist wird.
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Die Verwendung der Vier-Platten-Elemente schafft
große
Bandbreite, allerdings in geringerem Maße als beispielsweise eine
gestapelte Platte. Eine Bandbreite von ungefähr 15% ist erreichbar. Das
Problem der Einspeiseverluste wird aufgrund der größeren Abmessung
und der damit verbundenen höheren Verstärkung des
Vier-Platten-Elements signifikant verringert. Die vier Platten werden
durch direktes Koppeln mit der ersten Platte gespeist – die erste Platte
koppelt parasitär
mit den oberen vier Platten. Unglücklicherweise stellt diese
Konfiguration einen Kompromiss dar und erreicht eine zu geringe
Bandbreite und eine nicht ausreichende Leistungsfähigkeit,
wenn sie in großen
Feldern angeordnet wird. Darüber
hinaus ist sie für
eine signifikante Ausdehnung ungeeignet, da die Einspeisetechnik
= eine Ecke und/oder eine Kante speist eine Platte – einen begrenzenden
Faktor darstellt.
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Die
US
5,497,164 offenbart eine mehrschichtige Einspeiseantenne.
Bei der dort beschriebenen Antenne fungiert ein erstes Einspeiseelement
als Einspeisung für
eine Mehrzahl von Elementen in einer benachbarten Schicht. Elemente
in einer nachfolgenden Schicht werden durch lediglich ein Element
in einer vorangehenden Schicht gespeist.
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Eine Verschlechterung des Strahlungsmusters
wird beobachtet, wenn die strahlenden Elemente in der oberen Schicht
weiter beabstandet sind. Diese Verschlechterung drückt sich
in Form von verstärkten Nebenkeulen
aus. Ein grundlegender Unterschied zwischen der in der
US 5,497,164 offenbarten Struktur
und dem Stand der Technik ist die Erweiterung um eine dritte Plattenschicht.
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Sofern eine Mittelplatte R in eine
obere Schicht eingeführt
wird, verschlechtert sie die Bandbreite der Struktur.
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Das Hinzufügen einer weiteren Schicht
würde zu
einer Konfiguration führen,
die aufgrund des vergrößerten Abstands
zwischen den strahlenden Elementen im wesentlichen unausführbar wäre. Da die
Einkantenkopplung impliziert, dass die Anzahl der Elemente in aufeinanderfolgenden
Schichten nicht zunehmen kann, bedingt sie, dass die strahlenden
Elemente bei einem gewissen Grad der Ausdehnung der Struktur zu
sehr verstreut sind.
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Ein weiteres Problem beim Design
von Antennen ist die Trennung. Es ist wünschenswert, eine Antenne zu
schaffen, die in der Lage ist, zwei Signale abzustrahlen, die voneinander
getrennt sind. Unglücklicherweise
ist die Trennung bei einer Verwendung herkömmlicher Arten von Plattenantennen,
wie vorstehend beschrieben, für
viele Anwendungen unzureichend.
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Die FR 2 703 190 offenbart ein Mehrelement-System
mit einem Unterfeld, das aus einer Vielzahl von Elementen besteht,
die miteinander elektromagnetisch gekoppelt und über eine Fläche verteilt sind. Dabei ist
eine Mehrzahl von Unterfeldelementen in einer Schicht benachbart
Feldelementen einer anderen Schicht angeordnet. Die kleinen Unterfeldelemente
in der einen Schicht wirken als Blockierelemente und koppeln das
Signal nicht, sondern begünstigen
stattdessen das Koppeln des Einspeisesignals zu den größeren Elementen
und strahlen selbst nicht signifikant.
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Um diese und weitere Beschränkungen
des Standes der Technik zu überwinden,
ist es ein Ziel der Erfindung, eine flache, hochverstärkende,
breitbandige Feldantenne zu schaffen, indem ein Feldantennendesign
vorgeschlagen wird, das hohe Richtwirkung und im Betrieb eine große Bandbreite
gewährleistet,
ohne der Problematik des unterbesetzten Feldes zu unterliegen.
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Die Erfindung schafft eine Feldantenne
gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Ein weiteres Problem beim Design
von Antennen ist die Trennung. Es ist wünschenswert, eine Antenne zu
schaffen, die in der Lage ist, zwei Signale abzustrahlen, die voneinander
getrennt sind. Unglücklicherweise
ist die Trennung bei einer Verwendung herkömmlicher Arten von Plattenantennen,
wie vorstehend beschrieben, für
viele Anwendungen unzureichend.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung
der Erfindung wird Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Mehrzahl vereinfachter Ansichten einer Feldantenne, die durch Ausweitung
von Ausgestaltungen mit Vier-Platten-Strahlern geschaffen wurde;
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2 eine
Mehrzahl von vereinfachten Ansichten einer Mehrschicht-Antenne aus
Platten zum Bilden einer Plattenfeldantenne, die durch Ausweitung
des Strahlerdesigns einer Vier-Platten-Antenne geschaffen
wurde;
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3 eine
Mehrzahl von vereinfachten Ansichten einer erfindungsgemäßen Feldantenne
mit "V"-Konfiguration;
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4 eine
Mehrzahl von vereinfachten Ansichten einer erfindungsgemäßen Feldantenne
mit "VVV"-Konfiguration;
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5 eine
Mehrzahl von vereinfachten Ansichten einer erfindungsgemäßen Feldantenne
mit "V"-Konfiguration und zehn Platten, die in vier Schichten angeordnet
sind;
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6 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrostreifen-Platten-Feldantenne
mit "V"-Konfiguration, die fünf
Platten in der äußersten
Schicht aufweist;
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7 ein
Diagramm mit Schichtinformationen betreffend die Antenne der 6;
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8 ein
Frequenzantwort-Graph für
die Antenne der 6 und 7;
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9 eine
graphische Darstellung eines Fernfeld-Strahlungsmsters, das durch die Antenne der 6 und 7 erzeugt wurde;
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10 eine
vereinfachte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Mikrostreifen-Platten-Fehdantenne
mit "VVV"-Konfiguration mit zwölf Platten
in der äußersten
Schicht;
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11 ein
Diagramm zur Darstellung schichtbezogener Informationen für die Mikrostreifen-Platten-Feldantenne
der 10;
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12 einen
Frequenzantwort-Graph für
die Antenne der 10;
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13 einen
Graph eines Fernfeld-Strahlungsmusters, das durch die Antenne der 10 erzeugt wird; 14, 15 u. 16 vereinfachte Diagramme verschiedener
Einspeisestrukturen zur Verwendung mit der Erfindung;
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17 ein
vereinfachtes Diagramm mit Beispielen für Einspeisungen für linear
polarisierte erfindungsgemäße Mikrostreifen-Platten-Feldantennen;
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18 ein
Diagramm eines Plattenfeldes, bei dem eine gespeiste Platte durch
drei Schlitze gespeist wird, um die Trennung zwischen polarisierten Signalen
zu verbessern;
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19a ein
Diagramm eines Plattenfeldes, bei dem drei unterschiedliche Platten
jeweils durch einen Schlitz gespeist werden, um die Trennung zwischen
polarisierten Signalen zu verbessern;
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19b ein
Diagramm eines Plattenfeldes, bei dem vier unterschiedliche Platten
jeweils durch einen Schlitz gespeist werden, um die Trennung zwischen
polarisierten Signalen zu verbessern;
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20 ein
Diagramm einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Antennenfeldern, die eine
zirkulare Polarisierung in einem abgestrahlten Strahl erreichen;
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21 eine
Explosionsdarstellung einer quer strahlenden, in Reihe geschalteten
parasitär
gespeisten säulenförmigen Feldantenne,
wobei die Platten ein Phasenverhältnis
in Form eines ganzzahligen Vielfachen von 360° besitzen;
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22 eine
Explosionsdarstellung einer versetzt strahlenden, parasitär gespeisten
säulenförmigen Feldantenne,
bei der die Platten ein Phasenverhältnis aufweisen, das von einem
ganzzahligen Vielfachen von 360° abweicht,
was zu einer Strahlablenkung führt;
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23 eine
Explosionsdarstellung einer Mehrstrahl-Feldantenne, bei der die
Platten ein Phasenverhältnis
aufweisen, das von einem ganzzahligen Vielfachen von 360° abweicht,
was zu einer Strahlablenkung führt,
und bei der eine Mehrzahl von Einspeisungen jeweils einen Strahl
anregen, der eine andere Richtung besitzt; und
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24 eine
Explosionsdarstellung einer Mehrstrahl-Feldantenne, bei der die
Platten ein Phasenverhältnis
aufweisen, das von einem ganzzahligen Vielfachen von 360° abweicht,
was zu einer Strahlablenkung führt,
und bei der eine Mehrzahl von Einspeisungen jeweils einen Strahl
anregen, der eine unterschiedliche Richtung und eine unterschiedliche Polarisierung
aufweist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung
und den nachfolgenden Patentansprüchen werden die folgenden Bezeichnungen
im Sinne der folgenden Definitionen gebraucht:
f ist die Frequenz
einer elektromagnetischen Welle im Vakuum;
g ist die Verstärkung einer
Antenne relativ zu einem isotropen Strahler;
az ist ein Azimuthwinkel;
el
ist ein Höhenwinkel;
deg
steht für
Grad, wie °;
dB
bezeichnet Dezibel;
dBi bezeichnet Dezibel relativ zu einem
isotropen Strahler;
εr ist die Permittivität einer Substanz, beispielsweise eines
Dielektrikums; und
GHz bezeichnet Gigaherz, wobei 1 GHz für 1.000.000.000
Schwingungen pro Sekunde steht.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erfolgt eine kurze Beschreibung offensichtlicher
Erweiterungen der Vier-Platten-Antenne
nach dem Stand der Technik. Die Vier-Platten-Antenne verwendet eine Plattenecke
und/oder -kante zum Speisen einer Platte. Die logische Erweiterung
hiervon ist die weitergeführte
Verwendung derselben "eine Ecke und/oder Kante speist eine Platte"-Methode,
deren Ausgestaltungen in den 1 und 2 gezeigt sind. Keine dieser
Ausgestaltungen ergibt die gewünschte Leistung.
Zusammenfassend sind diese offensichtlichen Erweiterungen aus dem
einen oder anderen Grund im wesentlichen nicht ausführbar. Überlappungen
von Platten und Unregelmäßigkeiten
des Feldes oder des Plattenabstands sind von entscheidender Bedeutung,
und die gewünschten
Verstärkungs-
sowie Bandbreitenanforderungen werden offensichtlich nicht erreicht.
Das Antennenfeld der 2 ist
darüber
hinaus offensichtlich hinsichtlich Verstärkung, Größe und Anwendbarkeit beschränkt.
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So wie sie hier verwendet wird, bezieht
sich die Bezeichnung "V-Konfiguration" auf eine Mehrzahl von Strahlungselementen,
die nach einem dreieckigen und/oder pyramidenförmigen Muster angeordnet sind,
dessen Spitze ein Signal von einer Einspeisung empfängt und
das eingespeiste Signal durch parasitäre Kopplung den anderen Platten
innerhalb der Antenne zur Verfügung
stellt. Typischerweise werden die Signale in einer Richtung von
der Spitze zur Grundfläche
der Struktur parasitär
gekoppelt. Die Bezeichnung "parasitär gekoppelt" bezieht sich auf
parasitäres
Koppeln zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element,
wenn die Elemente benachbart angeordnet sind und wenn die Elemente durch
weitere Elemente voneinander getrennt sind, wobei Energie von dem
ersten Element zu einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten
Elementen und anschließend
zu dem zweiten Element parasitär gekoppelt
wird. Die Bezeichnung "direkt parasitär gekoppelt" wird verwendet,
um das parasitäre
Koppeln zwischen zwei benachbarten Elementen zu beschreiben.
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Gemäß 3 wird ein mehrschichtiges Feld mit V-Konfiguration
geschaffen, bei dem jede Platte, ausgenommen diejenigen, die direkt
an die Einspeisung oder das Einspeisenetz gekoppelt sind, parasitär gekoppelt
ist. Mehrfach parasitäres
Koppeln eines äußeren Antennen-Plattenelement
s mit einem inneren Plattenelement führt zu einer vergrößerten Leistungsfähigkeit
aufgrund der Beseitigung eines großen Teils des Einspeisenetzes.
Allgemein scheint das Prinzip ähnlich
dem des oben beschriebenen Vier-Platten-Strahlers zu sein; allerdings
sind erfindungsgemäß einige
Platten parasitär
gekoppelt, um Energie von mehr als einer Platte zu empfangen, wodurch
die Beschränkungen
der Ausgestaltungen gemäß den 1 und 2 überwunden
sind. Wie nachfolgend beschrieben, sind die Vorteile einer Konfiguration,
in der ein Strahler durch eine Mehrzahl von Strahlern gespeist wird,
erheblich.
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In der Ausgestaltung der 3 wird eine einzelne Einspeisung 30 verwendet,
um eine erste Platte 32 zu speisen. Die erste Platte 32 ist
parasitär
mit vier Platten 34 gekoppelt, von denen eine 34 durch eine
Ecke der ersten Platte 32 gespeist wird. Diese vier Platten 34 sind
parasitär
mit fünf
weiteren Platten 36 gekoppelt. Jede dieser weiteren Platten 36 wird durch
eine Ecke und/oder Kante von mehr als einer der vier Platten 34 gespeist.
Die Gesamtgröße des Feldes
hängt von
der Zahl der Schichten und der Zahl der Platten in jeder Schicht
ab. Außerdem
ist die Anzahl derjenigen Platten; die durch eine Einspeisung oder
durch Einspeisungen gespeist werden, von Bedeutung. In der 3, führen drei Schichten und eine
erste Platte 32, die gespeiste Platte, zu einer äußeren Schicht,
die fünf
strahlende Platten 36 aufweist. Diese Mehrschichtstruktur
ist auf einer einzelnen Grundplatte 31 angeordnet.
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Gemäß der vorliegenden Ausgestaltung
sind die Platten in jeder der aufeinander folgenden Schichten mit
verkleinerten Abmessungen ausgebildet, wie in 3 gezeigt. So sind die Abmessungen der
Platten 32 größer als
die Abmessungen der Platten 34, die wiederum größer sind
als die Abmessungen der Platten 36. Dies führt zu einer
vergrößerten Bandbreite.
Unglücklicherweise
ist eine Antenne mit V-Konfiguration aufgrund von phasenbezogenen Problemen
auf eine Verstärkung
von etwa 15 dB beschränkt,
wenn nicht phasenbezogene Überlegungen
während
des Designs und der Herstellung mit einbezogen werden. Wenn beispielsweise
der Abstand und das dielektrische Material zwischen den Schichten
und den strahlenden Elementen so gewählt wird, dass eine geeignete
Phase bei jedem strahlenden Element in der äußeren Schicht oder, vorzugsweise,
in jeder Schicht gewährleistet
ist, kann die Verstärkung
signifikant gesteigert werden, indem die Anzahl der Schichten in
dem Antennenfeld erhöht wird.
Dies wird anhand der 10 weiter
ausgeführt.
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Das Design eines Antennenfelds mit
V-Konfiguration ist möglich
für horizontal
polarisierten Betrieb, vertikal polarisierten Betrieb oder einen
Betrieb mit sowohl horizontaler als auch vertikaler Polarisierung.
Dies hängt
stark von den Designkriterien und den gewünschten Betriebsarten ab.
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So wie sie hier verwendet wird, steht
die Bezeichnung "VVV-Konfiguration"
für eine
Antenne mit einer Mehrzahl von strahlenden Elementen, die auf zwei
oder mehreren Ebenen angeordnet sind. Eine Platte dient zum Empfangen
eines Signals von einer Einspeisung und stellt das eingespeiste
Signal durch parasitäres
Koppeln den anderen Platten innerhalb der Antenne zur Verfügung. Typischerweise
werden Signale von der gespeisten Platte zick-zack-artig zwischen
den Ebenen, auf denen die Antenne angeordnet ist, nach außen gekoppelt.
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Die 4a und 4b zeigen eine Ausgestaltung der Erfindung,
bei der eine VVV-Konfiguration für
das Antennenfeld verwendet wird. Bei dieser Konfiguration werden
drei Schichten zum Bilden der Feldantenne benutzt. Die Platten 41 in
der mittleren Schicht 42 der drei Schichten sind parasitär mit den Platten
in der oberen Schicht 44 gekoppelt. Jede Platte in der
mittleren Schicht 42, die gespeiste Platte ausgenommen,
wird von einer Platte 45 in der äußeren Schicht (in 4a als obere Schicht 44 dargestellt)
gespeist und speist eine andere Platte 45 in der äußeren Schicht 44.
Selbstverständlich
kann die gespeiste Platte auch durch Platten 45 gespeist
werden. Die untere Schicht 43 ist die Grundplatte. Ein
Signal wird der gespeisten Platte zugeführt, indem eine Einspeisung
in Form eines Schlitzes in der Grundplatte 43 verwendet
wird. Selbstverständlich
können auch
andere Einspeisestrukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden. Das Ergebnis ist eine leicht herstellbare Plattenantenne
mit hoher Verstärkung,
großer
Bandbreite und hoher Leistungsfähigkeit.
Wahlweise wird eine gespeiste Platte in einer vierten Schicht, die
oberhalb der Grundplatte 43 angeordnet ist, benutzt, um
einige Platten 41 in der mittleren Schicht 42 zu
speisen.
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Wie in der 3 können
die Plattengrößen sich
von Schicht zu Schicht unterscheiden. Bei einer Antenne mit VVV-Konfiguration
lässt sich
die Phase leicht durch genaue Plattenabstände erhalten. Wenn der Plattenabstand
ein ganzzahliges Vielfaches von 360° beträgt, ist die Phase eines von
jeder Platte abgestrahlten Signals im wesentlichen die gleiche.
Dies entspricht dem Design und der Umsetzung eines in Reihe geschalteten
Einspeisenetzes, das aus dem Stand der Technik gut bekannt ist.
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Im Allgemeinen besitzt die VVV-Konfiguration
eine schmalere verfügbare
Bandbreite als die V-Konfiguration, da die gewünschte Phasenverteilung über eine
schmalere Bandbreite erhalten ist.
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Das Design eines Antennenfeldes mit VVV-Konfiguration
ist für
horizontale Polarisierung, vertikale Polarisierung oder für beide
möglich.
Dies hängt
stark von den Designkriterien und den gewünschten Betriebsarten ab. Designkriterien
sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
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Eine Mehrschicht-Antennenkonfiguration, die
auf mehrfachem parasitären
Koppeln zwischen inneren Plattenelementen und einem äußeren Plattenelement
beruht, bietet breitbandige Leistung aufgrund der mehrfachen Resonanzen
der Struktur. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass Platten
in verschiedenen Schichten unterschiedliche Abmessungen aufweisen,
um die mehrfachen Resonanzen zu erzielen. Hohe Verstärkung mit
hoher Leistungsfähigkeit
wird erreicht, da eine große
Apertur ohne die Verwendung von Einspeisenetzen mit Übertragungsleitungen
gespeist wird. Die in den 3 und 4 gezeigten Ausgestaltungen
sind in beiden Fällen
gedruckte Antennen und daher dünn
und von geringem Gewicht.
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Die 5 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Feldantenne.
Mehrfaches parasitäres
Koppeln zu einem äußeren Antennen-Plattenelement
von inneren Plattenelementen wird benutzt. Einige Plattenelemente
sind parasitär mit
vier, drei oder zwei Plattenelementen oder mit einem Plattenelement
in einer anderen Schicht gekoppelt. Selbstverständlich können in einigen Anwendungen
fünf oder
mehr Plattenlemente parasitär
mit einem einzelnen Plattenelement koppeln. Mit anderen Worten,
es können
zwei oder mehr Ecken und/oder. Kanten von Plattenelementen benutzt
werden, um ein anderes Plattenelement durch parasitä res Koppeln
zwischen den Plattenelementen zu speisen. Vorbekannte dünne, hochverstärkende,
breitbandige Antennen mit mehrfachen parasitären Kopplungen innerhalb der
hier beschriebenen Konfigurationen sind den Erfindern unbekannt.
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Die 6 zeigt
ein Feldantennendesign mit V-Konfiguration, das fünf Platten
in seiner äußeren Schicht
aufweist. Für
jede Platte sind die Abmessungen angegeben. Die 7 zeigt schichtbezogene Informationen
hinsichtlich der Schichtdicke und der Dielektrizitätskonstante
der Schichtmaterialien für
die Antenne der 6. Unter
Zuhilfenahme dieser beiden Darstellungen lässt sich eine erfindungsgemäße Antenne
mit V-Konfiguration leicht implementieren. Es ist aus den 8 und 9 offensichtlich, dass diese Antenne
einige der Designziele erreicht.
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Die 10 zeigt
ein Feldantennendesign, das die VVV-Konfiguration benutzt und zwölf Platten in
seiner äußeren Schicht
aufweist. Für
jede Platte sind die Abmessungen angegeben. Die 11 zeigt schichtbezogene Informationen
für die
Antenne der 10. Unter
Zuhilfenahme dieser bei- den Figuren lässt sich eine erfindungsgemäße Antenne
mit VVV-Konfiguration leicht implementieren. Wie aus den 12 und 13 offensichtlich
ist, erfüllt
diese Antenne sinnvolle Designziele.
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Beim Entwerfen einer Antenne mit
V-Konfiguration und zwölf
Platten in ihrer äußeren Schicht
ist die Phase zu berücksichtigen.
Unterschiedliche dielektrische Materialien werden in der obersten
dielektrischen Schicht verwendet, um die Phase der Signale zu modifizieren,
die in Platten der obersten Schicht eingespeist werden. Dies führt zu einer
hochverstärkenden
Antenne mit V-Konfiguration, die die Phase über alle strahlenden Platten
in der äußeren Schicht im
wesentlichen erhält.
Natürlich
ist es zum Minimieren von Diskontinuitäten und zum Erleichtern von Phasenverschiebungen
beim Herstellen von großen Feldern
bevorzugt, dass unterschiedliche Dielektrika durchweg benutzt werden,
beispielsweise in jeder Schicht, um die richtige Phase bei im wesentlichen allen
Plattenstrahlern sicherzustellen.
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Wichtige Faktoren beim Design und
der Implementierung von Antennen umfassen Verstärkung und Bandbreite. Im Allgemeinen
ist eine Antenne mit VVV-Konfiguration bevorzugt, es sei denn, sie
wird Anforderungen an die Bandbreite nicht gerecht. Ein solches
Feld ist leicht herstellbar, kostengünstig, bietet eine große Aperturfläche, besitzt
eine hohe Apertur-Leistungsfähigkeit
und erlaubt ein einfaches Anpassen der Aperturverteilung während des
Entwerfens. Selbstverständlich
gibt es Beschränkungen
der Aperturgröße, die
teilweise durch Kopplungsbeschränkungen
hervorgerufen werden. Vorzugsweise umfasst ein Feld etwa 24 Plattenelemente.
Natürlich können erfindungsgemäße Felder
selbst in ein Feld eingebaut werden, um Designanforderungen zu erfüllen.
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Selbstverständlich beeinflussen auch andere Faktoren,
wie das erwünschte
Strahlungsmuster einschließlich
der Strahlform, der Nebenkeulen-Pegel, der Pegel der rückwärts gerichteten
Strahlungskeule und der Kreuzpolarisierungs-Pegel das Antennendesign.
Aus den in den Abbildungen gezeigten Ergebnissen ist es offensichtlich,
dass ein Entwurf mit Nebenkeulen-Pegeln unterhalb von beispielsweise –15 dB nicht
schwierig ist. Darüber
hinaus ist eine Verringerung dieser und weiterer unerwünschter
Effekte möglich,
geht jedoch oft mit einer Abnahme der Apertur-Leistungsfähigkeit
einher.
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Vorzugsweise wird eine Schlitzkopplung
eingesetzt, um den gespeisten Strahler zu speisen. Schlitzkopplung
gewährleistet
geringe Kreuzpolarisierungs-Komponenten in einem abgestrahlten Strahl.
Schlitze lassen sich einfach herstellen und verringern die Anzahl
von rückkoppelnden
Kopplungspfaden aufgrund einer Trennung des Einspeisenetzes und
der Einspeiseeinrichtungen von den Strahlungselementen. Schlitzkopplung
einer Mikrostreifen-Platte ist in der 14 gezeigt.
Alternativ, wie in den 15 und 16 gezeigt, wird eine andere
Einspeisung in Form einer Einspeiseleitung oder einer Einspeisespitze
verwendet.
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Einspeisetechniken für Strahler
sind aus dem Stande der Technik gut bekannt. Eine geeignete Einspeisung
wird in Abhängigkeit
von Designanforderungen, Herstellungsprozess und Strahlertyp ausgewählt.
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Polarisierung
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Bedingt durch die Antennenstruktur
wird die Polarisierung durch die Anordnung der Strahler und deren
Auswahl sowie durch Auswahl und Anordnung der Einspeisung beeinflusst.
Unter Bezugnahme auf die 17 werden
Beispiele für
Einspeisungen für
linear polarisierte erfindungsgemäße Mikrostreif enplatten-Feldantennen
gezeigt.
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Es ist oftmals erwünscht, wie
vorstehend erörtert,
eine Trennung zwischen Signalen mit unterschiedlichen Polarisierungen
bereitzustellen. Geringe Kreuzpolarisierungs-Pegel sind im Allgemeinen eine
Anforderung an vollständige
Doppelsysteme, die unterschiedliche Polarisierungen verwenden. Eine
sehr gute, heute bekannte Lösung,
die in der 18 gezeigt
ist, umfasst eine Dreipunkteinspeisung an einer einzelnen Platte,
wobei die Schlitze 18 zueinander um 180° phasenverschoben sind. An der zentralen
Stelle zwischen den beiden Schlitzen 18 überlagern
sich die Signale von jedem Schlitz und verringern so die Kreuzpolarisierung
in hohem Maße. Es
scheint eine Grenze der Trennung bei etwa 30 dB aufgrund der Nähe der Schlitze 18 zu
existieren.
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Die 19 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Schlitze 18 jeweils
so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Platten speisen. Die Schlitze
sind wiederum etwa äquidistant
zu dem dritten Speiseschlitz angeordnet, und jeder der Schlitze 18
stellt ein Speisesignal zur Verfügung,
das bezüglich
des anderen Signals um 180° phasenverschoben ist.
Dadurch ergibt sich eine größere Trennung – in einer
Größenordnung
von 40 dB – als
bei einer einzelnen Platte mit drei Einspeisungen. Ein vergrößerter Abstand
der Schlitze 18 durch Hinzufügen von Strahlern zu der Feldstruktur
vergrößert die
Trennung zusätzlich.
Die Phasenanpassung der Signale einschließlich einer Phasenverschiebung
ist aus dem Stand der Technik des Antennenfelddesigns gut bekannt.
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Mehrstrahl-Felder
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Die 21 zeigt
ein quer strahlendes, in Reihe geschaltetes, parasitär gespeistes
säulenförmiges Feld.
Wenn eine Phasenbeziehung zwischen benachbarten Strahlern, wie gezeigt,
ein ganzzahliges Vielfaches von 360° beträgt, beeinflusst eine Veränderung
der Lage des Einspeisepunktes den Strahlwinkel nicht wesentlich.
Jede der Platten in der unteren Schicht der 21 erzeugt einen Strahl in Richtung des
Pfeils, wenn sie von einem darunter angeordneten Schlitz mit einem
Signal gespeist wird.
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Dagegen zeigt die 22, dass eine Strahlablenkung resultiert,
deren Winkel von der Lage der Einspeisung abhängig ist, wenn ein von 360° abweichendes
Phasenverhältnis
vorliegt. Wie in der 23 gezeigt,
lässt sich
ein Mehrstrahl-Feld leicht dergestalt bilden, dass zwei unterschiedliche
Einspeisestellen benutzt werden, um Strahlen in zwei unterschiedlichen
Richtungen zu erzeugen. Selbstver ständlich ist eine solche Implementierung
hinsichtlich der Bandbreite begrenzt, da die Phasenbeziehungen mit
veränderter
Frequenz variieren. Die beiden Einspeisungen werden gleichzeitig
benutzt, um in der Struktur Energie zum Erzeugen jedes der beiden
Strahlen in zwei Richtungen zuzuführen. Alternativ wird eine
Mehrzahl von Einspeisungen benutzt, um den Strahl auszurichten,
wobei eine oder mehrere Einspeisungen zu einem gegebenen Zeitpunkt
mit Energie versorgt werden, während
andere passiv sind.
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Die 24 zeigt
eine Mehrfachstrahl-Feldantenne, bei der jeder von zwei Strahlen
unterschiedliche Eigenschaften der Polarisierung aufweist. Ein solches
Feld schafft gute Trennung zwischen zwei abgestrahlten Signalen,
die jeweils durch eine Einspeisung zur Verfügung gestellt werden. Die Trennung
resultiert aus einer Kombination von Strahlpolarisierung und Strahlrichtung.
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Die möglichen Anwendungen für mittel-
bis hochverstärkende
ebene Felder sind vielfältig
und umfassen Radarsysteme, erdgebundene drahtlose Systeme und Satellitenkommunikationssysteme.
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Vielzählige weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind möglich,
ohne den Grundgedanken oder den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.