SE458246B - Mikrobandandtenn samt saett foer tillverkning av mikrobandantenner - Google Patents

Description

458 246 liga matningsfläckar direkt förbundna med en matningsled- ning.

De amerikanska patenten 4.125.837, 4.125.838, 4.125.839 och 4.316.194 beskriver mikrobandantenner i vilka två matningspunkter utnyttjas för uppnâende av cirkulär pola- risation. Varje element i den sammansatta antennen har en diskontinuitet, så att elementet får en oregelbunden form.

Följaktligen uppnås cirkulär polarisation vid ett lågt axiellt förhållande. Varje element är individuellt direkt- kopplat via en matningsledning av koaxialtyp.

Fastän patenten som omnämnts hittills har löst ett antal problem i samband med mikrobandantennteknologi har andra svårigheter tillstött. Fastän cirkulär polarisation har uppnåtts krävs exempelvis två matningspunkter och att antennelementen mäste vara direktkopplade till en matnings- ledning. Det amerikanska patentet nr 4.477.813 beskriver ett mikrobandantennsystem med en på ett icke-ledande sätt kopplad matningsledning. Cirkulär polarisation uppnås emellertid ej.

Uppfinnaren känner även till ett förslag till utnyttjande av en bredbandig cirkulär polarisationsteknik för en sam- mansatt antenn av mikrobandtyp. Fastän denna teknik ger bredbandig cirkulär polarisation har man därvid ej utnytt- jat kapacitiv koppling mellan matningsledningen och mat- ningsfläcken och mellan matningsfläcken och strålningsfläcken.

Med tillkomsten av viss teknologi, exempelvis integrerade mikrovågskretsar (MIC), monolitiska integrerade mikrovågs- kretsar (MMIC) och direktsändande satelliter (DES) har behovet av billiga, enkelt tillverkade antenner som arbetar över en stor bandbredd stigit. Detta behov existerar även avseende antennutformningar kapabla att arbeta inom olika frekvensband. Fastän samtliga patent som har diskuterats 458 246 har löst vissa av de tekniska problemen individuellt har ännu inget åstadkommit en mikrobandantenn med samtliga de egenskaper som erfordras för praktiska tillämpningar inom vissa teknikområden.

Summering av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma en mikrobandantenn som kan arbeta över en stor banbredd, antingen i linjär eller cirkulär polarisa- tionsmod, men vilken ändå är enkel och billig att tillverka.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en mikro- bandantenn och tillhörande matningsnät, som tillverkas av flera skikt av kretskort vilka ej står i direkt elektrisk kontakt med varandra, utan kopplingen mellan korten är kon- taktlös.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en mikrobandantenn med ett flertal strålningselement, var- vid varje strålningsfläck är kapacitivt kopplad till en mat- ningsfläck, som är kapacitivt kopplad vid en enda matnings- punkt eller vid ett flertal matningspunkter till en matnings- ledning. Ännu ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en mikrobandantenn med cirkulärpolariserade element och med ett lågt axiellt förhållande.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en mikrobandantenn med linjärt polariserade element och med ett högt axiellt förhållande.

För att uppnå dessa och andra mål har föreliggande uppfinning ett flertal strålnings- och matningsfläckar, vilka var och en har störningssegment, varvid matningsfläckarna är kapaci- tivt kopplade till strålningsfläckarna och matningsledningen 458 246 är kapacitivt kopplad till matningsfläcken..(För att uppnå linjär polarisation krävs ej störníngssegmenten.) Matningsnätet kan även innefatta aktiva kretskomponenter åstadkomna med utnyttjande av s.k. MIC- eller MMIC-teknik, såsom förstärkare och fasförskjutare, för att styra effekt- fördelningen, sidolobnivâerna och strâlriktningen för an- tennen.

Det utförande som beskrivs i föreliggande ansökan kan an- passas för att arbeta inom varje frekvensband, L-bandet, S-bandet, X-bandet, såsom Ku-bandet eller Ka-bandet.

Det speciellt karakteristiska för en mikrobandantenn en- ligt uppfinningen och ett sätt för tillverkning av en så- dan framgâr av patentkraven.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer att beskrivas nedan med referens till bifogade ritningar, på vilka: fig. 1(a) och 1(b) visar tvärsektionsvyer över ett kapa- citivt matat, elektromagnetiskt kopplat, linjärpolariserat fläckantennelement för en s.k. microstrip feedline resp. en s.k. stripline feedline, nedan benämnda mikrobandmat- ningsledning resp. bandledarmatningsledning, och fig. 1(c) visar fläckantennelementet enligt fig. 1(a) sett uppifrån med en matningsledning 2' visad såsom en möjlig väg för att uppnå cirkulär polarisation, då matningsledningarna 2 och 2' är 900 fasförskjutna, fig. 2 är en kurva över återgångsdämpningen för det opti- malt linjärt polariserade, kapacitivt matade, elektromagne- tiskt kopplade fläckelementet i fig. 1(a), fig. 3(a) och 3(b) visar schematiskt utförande av ett cir- kulärt polariserat, kapacitivt matat, elektromagnetiskt 458 246 kopplat fläckelement, varvid båda skíkten av fläckar innehåller störningssegment, fig. 4 är en kurva över âtergângsdâmpningen för elementet visat i fig. 3(b), fig. 5 är en planvy över en sammansatt mikrobandantenn med fyra element med en stor bandbredd och cirkulärt pola- riserade element, fig. 6 är en kurva visande återgångsdämpningen för arrange- manget visat i fig. 5, fig. 7 är en kurva visande axelförhållande i arrangemanget visat i fig. 5, och fig. 8 är en planvy över en sammansatt mikrobandantenn vid - vilken ett flertal subarrangemang utförda på ett sätt lik- nande utformningen i fig. 5 utnyttjas.

Detaljbeskrivning av den föredragna utföringsformen Med referens till fig. 1(a), 1(b) och 1(c) så är en 50 ohm matningsledning 2 avtagen, utförd avsmalnande eller formför- ändrad på annat sätt för att anpassa matningsledningen till mikrobandantennen samt är den kapacitivt kopplad till en matningsfläck 3. Matningsledningen är anordnad mellan matningsfläcken och ett jordplan 1. Matningsledningen är utförd med tillämpning av mikrobands-, hängsubstrat-, bandledar-,eller fenledarvågledarteknik, eller sådan ut- nyttjande ett gemensamt plan.

Matningsledningen och matningsfläcken kommer ej i kontakt med varandra. De är separerade medelst ett dielektriskt material eller medelst luft. Matningsfläcken i sin tur är elektromagnetiskt kopplad till en strâlningsfläck 4. Mat- ningsfläcken och stràlningsfläcken är separerade ett av- stånd S. Åter kan ett dielektriskt material eller luft 458 246 separera matningsfläcken och strålningsfläcken. Matnings- ledningen måste vara skild från matningsfläcken med en lämplig del av_en våglängd. i\ för den elektromagnetiska strålningen. Pâ liknande sätt måste avståndet S mellan matningsfläcken och strålningsfläcken bestämmas i beroende av våglängden ;\.

Fastän matningsfläckarna och strålningsfläckarna i figu- rerna är cirkulära kan de ha varje godtycklig men i förväg bestämd form.

Fig. 2 visar âtergångsdämpningen för en optimerad, linjärt polariserad, kapacitivt matad, elektromagnetiskt kopplad fläckantenn av den typ som visas i fig. 1(a). Det bör note- ras att en återgångsdämpning på mer än 20 dB föreligger pâ båda sidor om en centrumfrekvens på 4,1 GHz.

Fig. 3(a) visar matningsledningen kapacitivt kopplad till en matningsfläck med diametralt belägna utskurna hack 5, vilka hack är belägna vid en vinkel på 45 grader relativt den kapacitiva matningsledningskopplingen. Till följd av att matningsledningen kan vara avsmalnande, dvs. den blir bredare, då den närmar sig matningsfläcken för att mini- mera resistansen, kan tillräckligt utrymme för endast en matningspunkt per matningsfläck vara tillgängligt. För att uppnå cirkulär polarisation krävs följaktligen störnings- segmenten, antingen hacken visade i fig. 3(a) eller tungorna 6 visade i fig. 3(b), vilka tungor är placerade pâ samma sätt som hacken relativt matningsledningen. Två diametralt motstâende störningssegment är anordnade för varje fläck.

Andra former och positioner för störningssegmenten är möj- liga. För det fall två matningspunkter är möjliga, dvs. där tillräckligt utrymme existerar, kan störningssegmenten even- tuellt utelämnas. Ett sådant utförande visas i fig. 1(c), i vilket matningsledningarna 2 och 2' är placerade ortogo- nalt relativt varandra med 90 graders fasförskjutning för att uppnå cirkulär polarisation. 458 246 Fig. 4 visar återgângsdämpningen för en optimerad, cirku- lärt polariserad, kapacitivt matad, elektromagnetiskt kopp- lad fläckantenn av den typ som visas i fig. 3(b). Det bör observeras, att en âtergângsdämpning på mer än 20 dB före- ligger på båda sidor om en centrumfrekvens på 4,1 GHz.

I fig. 5 visas ett flertal element som bildar ett arrange- mang. Störningssegmenten på varje element är olika orien- terade i förhållande till segmentpositionerna på de övriga elementen, fastän varje matningsledning är anordnad med den ovan omnämnda orienteringen på 45 grader i förhållande till varje diametralt beläget par av segment hos varje mat- ningsfläck. Ledningen 7 matar en ringformad hybrid 8, som matar två grenledningskopplare 9 på ett matningsnätkort.

Detta resulterar i att matningsledningarna 2 blir belägna med en fortskridande 90 graders fasförskjutning från var- andra. Andra matningsnät som ger den önskade effektdel- ningen och den tilltagande fasförskjutningen kan utnyttjas.

Matningsfläckarna är så anordnade, att de befinner sig i linje med strâlningsfläckarna (ej numrerade). Det vill säga att för varje givet par innefattande en matningsfläck och en strålningsfläck befinner sig tungorna (eller hacken) mittför varandra. Paren är så anordnade, att polarisatio- nen av tvâ intilliggande par blir ortogonal. Med andra ord kommer störningssegmenten hos en matningsfläck att vara belägna i rät vinkel i förhållande till de närbelägna mat- ningsfläckarna. Individuella matningsledningar strålar till matningsfläckarna. Detta resulterar i att hela arrangemanget kan innefatta tre kort, vilka ej står 1 kontakt med varandra, ett matningsnätkort, ett matnings- fläckkort och ett strålningsfläckkort.

Dessutom kan, fastän fig. 5 visar ett arrangemang med fyra element, varje antal element utnyttjas för bildande av ett arrangemang som arbetar över en stor bandbredd. Givetvis måste störningssegmenten vara belägna på lämpligt sätt i 458 246 förhållande till varandra, varvid i utförandet med fyra element dessa segment är belägna i rät vinkel relativt varandra.

Vidare kan ett flertal arrangemang med utföranden likt det visat i fig. 5 kombineras till bildande av ett arrange- mang visat i fig. 8. (I detta fall kan arrangemangen enligt fig. 5 betraktas såsom subarrangemang.) Varje subarrangemang kan ha olika antal element. Om cirkulär polarisation önskas måste givetvis störningssegmenten på elementen i varje sub- arrangemang vara lämpligt anordnade i subarrangemanget, så- som beskrivits ovan i samband med fig. 5. Speciellt skall störningssegmenten vara anordnade med regelbundna vinkel- intervall inom varje subarrangemang, så att summan av vinkelstegen (fasförskjutningarna) mellan elementen i varje subarrangemang blir 360 grader. Med andra ord är vinkel- stegen mellan respektive intilliggande element 360/N, där N'är antalet element i ett givet subarrangemang.

En annan parameter som kan varieras är storleken av tungorna eller hacken som utnyttjas som störningssegment i förhållande till längden och bredden hos matnings- och strålningsfläckar- na. Storleken hos segmenten påverkar utsträckningen och kva- liteten hos den cirkulära polarisationen som uppnås.

Fig. 6 visar återgångsdämpningen för en sammansatt mikro- bandantenn med fyra element tillverkad i enlighet med upp- finningen och lik den sammansatta antennen visad i fig. 5.

Som framgår ligger den totala återgångsdämpningen nära 20 dB över 750 MHz eller cirka 18% bandbredd. \ Fig. 7 visar det axiella förhållandet, vilket är förhållan- det mellan polarisationens större axel och mindre axel för en optimal störningssegmentstorlek. Axelförhållandet är mindre än 1 dB över 475 MHz eller cirka 12% bandbredd.

Storleken hos störningssegmenten kan varieras för erhållan- de av olika axelförhållanden. 458 246 Den allmänna teknik som beskrivits ovan möjliggör billig och enkel tillverkning av sammansatta mikrobandantenner, vilkas element är linjärt polariserade eller cirkulärt polariserade, och vilka har hög polarisationsrenhet och arbetar bra över en stor bandbredd. Alla dessa egenskaper gör en mikrobandantenn tillverkad i enlighet med före- liggande uppfinning attraktiv för användning i MIC, MMIC, DBS och andra tillämpningar, såväl som i andra tillämpningar utnyttjande skilda frekvensband.

Fastän uppfinningen har beskrivits i samband med utnyttjan- det av två skikt av fläckar för bredbandtillämpningar kan ett flertal skikt utnyttjas. Samtliga skikt är elektromagne- tiskt kopplade och kan utföras med olika dimensioner för àstadkommande av antingen bredbandsfunktion eller flerfrek- vensfunktion.

Claims (14)

458 246 10 PATENTKRAV

1. Sätt för tillverkning av mikrobandantenner, k ä n - n e t e c k n a t a v åstadkommande av ett matningsnät- kort med ett flertal matningsledningar, vilka är impedans- anpassade till andra mikrobandantennelement, åstadkommande av ett matningsfläckkort med ett flertal matningsfläckar, vilka är impedansanpassade till nämnda matningsledningar, âstadkommande av ett strålningsfläckkort med ett flertal strâlningsfläckar, vilka är impedansanpassade till nämnda matningsfläckar och nämnda matningsledningar, åstadkomman- de av kontaktlös koppling av nämnda matningsnätkort till nämnda matningsfläckkort, så att var och en av nämnda mat- ningsfläckar blir kopplad till åtminstone en motsvarande av nämnda matningsledningar, och åstadkommande av kontaktlös koppling av nämnda matningsfläckkort till nämnda strâlnings- fläckkort.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att var och en av nämnda flertal matningsledningar (2), nämnda flertal matningsfläckar (3) och nämnda strälnings- fläckar (4) separeras i åtminstone tvâ grupper, så att varje grupp matningsledningar (2), matningsfläckar (3) och strålningsfläckar (4) bildar ett subarrangemang, varvid åt- minstone två subarrangemang bildas, vilka subarrangemang anslutes till en gemensam matningsledning (7).

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda flertal matningsledningar (2), nämnda flertal matningsfläckar (3) och nämnda flertal strâlningsfläckar (4) utföres så att man uppnår linjär eller cirkulär polari- sation, varvid var och en av nämnda matningsfläckar kopplas till åtminstone tvâ av nämnda matningsledningar (2) för upp- nående av cirkulär polarisation.

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att var och en av nämnda flertal matingsfläckar (3) har ett flertal första störningssegment_(5,6), att var och en av 458 246 11 nämnda flertal strålningsfläckar har ett flertal andra störningselement (5,6), och att var och en av nämnda matningsfläckar (3) och en respektive av nämnda strålnings- fläckar (4) kopplas så att nämnda första och andra stör- Q ningssegment (5,6) hos var och en av nämnda matningsfläckar (3) och en respektive av nämnda strålningsfläckar (4) blir belägna mittför varandra, varvid cirkulär polarisation uppnås.

5. Mikrobandantenn, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett flertal matningsledningar (2), ett fler- tal matningsfläckar (3), var och en kontaktlöst kopplad till åtminstone en resp. av nämnda flertal matningsledningar, vilka matningsfläckar (3) är impedansanpassade till nämnda matningsledningar (2), och ett flertal strålningsfläckar (4), var och en kontaktlöst kopplad till en resp. av nämnda flertal matningsfläckar (3), varvid nämnda matningsledningar (2) är kapacitivt kopplade till nämnda matningsfläckar (3) och nämnda matningsfläckar är kapacitivt kopplade till nämn- da strålningsfläckar (4).

6. Antennenligtkravâ,kännetecknad av att var och en av nämnda flertal matningsledningar (2), nämnda flertal matningsfläckar (3) och nämnda flertal strål- ningsfläckar (4) är separerade i minst tvâ grupper, att varje grupp av matningsledningar (2), matningsfläckar (3) och strâlningsfläckar (4) bildar ett subarrangemang, var- vid åtminstone tvâ subarrangemang bildas, vilka subarrange- mang är anslutna till en gemensam matningsledning (7).

7. Antenn enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda flertal matningsledningar (2), nämnda fler- tal matningsfläckar (3) och nämnda flertal strâlningsfläckar (4) är utformade för att uppnå linjär eller cirkulär polari- sation. varvid var och en av nämnda matningsfläckar är kopp- lad till åtminstone en matningsledning för uppnående av cirkulär polarisation. 458 246 12

8. Antenn enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda flertal matningsfläckar (3) har ett flertal första störningssegment (5,6) och nämnda fler- tal strålningsfläckar (4) har ett flertal andra störninga- segment,och att nämnda första och andra störningssegment (5,6) innefattar tungor (6) eller urtagningar (5) ut- skjutande från eller utskurna i nämnda matningsfläckar resp. nämnda strålningsfläckar, varigenom cirkulär polari- sation uppnås.

9. Antenn enligt något av krav 5 - 8, k ä n n e - t e c k n a d a v att nämnda matningsfläckar (3) och nämnda strålningsfläckar (4) har godtycklig men i förväg bestämd form.

10. Antenn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att antalet element i en första av nämnda åtminstone tvâ grupper är N1 och antalet element i en andra av nämnda åtminstone tvâ grupper är N2, där N1 och N2 är heltal större än 1, och att en första vinkelförskjutning hos störningssegmenten (5,6) hos en strålningsfläck (4) rela- tivt störningssegmenten (5,6) hos intilliggande strål- ningsfläckar (4) inom nämnda första av nämnda åtminstone tvâ grupper är lika med 3600 dividerat med N1, och en andra vinkelförskjutning hos störningssegmenten (5,6) hos en strâlningsfläck (4) relativt störningssegmenten (5,6) hos intilliggande strâlningsfläckar (4) inom nämnda andra av nämnda åtminstone tvâ grupper är lika med 3600 dividerat med N2.

11. Antenn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att antalet av nämnda första och andra störningssegment (5,6) är tvâ, att nämnda första störningssegment (5,6) är belägna diametralt mittför varandra på var och en av nämnda matningsfläckar, och att var och en av nämnda mat- ningsledningar (2) är kopplad till en motsvarande av nämn- da matningsfläckar vid en vinkel på 450 i förhållande till en av nämnda första störningssegment (5,6). 458 246 13

12. Antenn enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att antalet av nämnda andra störningssegment (5,6) är två och att nämnda första och andra störningssegment (5,6) pâ var och en av nämnda matningsfläckar (3) och en respektive av nämnda strâlningsfläckar (4) är belägna mitt- för varandra.

13. Antenn enligt något av krav 5 - 12, k ä n n e - t e c k n a d a v att var och en av nämnda matnings- ledningar (2) är separerad från en motsvarande av nämnda matningsfläckar (3) av luft eller ett dielektriskt material och att var och en av nämnda matningsfläckar (3) är separe- rad från en motsvarande av nämnda stràlningsfläckar (4) av luft eller ett dielektriskt material.

14. Antenn enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att var och en av nämnda matningsledningar (2) är kopplad till en motsvarande av nämnda matningsfläckar (3) i enlig- het med en parameter väsentligen relaterad till en våglängd för elektromagnetisk strålning, och att var och en av nämn- da matningsfläckar (3) är kopplad till en motsvarande av nämnda strålningsfläckar (4) i enlighet med en parameter väsentligen relaterad till en våglängd för elektromagnetisk strålning.