CH627304A5

CH627304A5 -

Info

Publication number: CH627304A5
Application number: CH146878A
Authority: CH
Inventors: John Charles Williams
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1981-12-31
Also published as: CA1099014A; AU509943B2; FR2380648B1; SE7801436L; DE2803900A1; FR2380648A1; BE863819A; GB1529541A; IT1092583B; NL7801314A; US4173019A; JPS5399750A; IT7820067A0; AU3307378A; JPS6028444B2; SE439562B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenantenne mit einem aus dielektrischem Material bestehenden flachen Körper, auf dessen Oberseite eine Konfiguration aus leitenden Antennenelementen angeordnet ist, mit welchen eine Anzahl Speiseleitungen verbunden sind, und mit einem elektrisch leitenden flachen Körper, der parallel zu und über die ganze Unterseite des aus dielektrischem Material bestehenden flachen Körpers angeordnet ist. Eine solche Antenne wird oft als Mikrostreifenantenne bezeichnet und deren leitender Körper als Basisfläche oder Bodenleiter.

Eine derartige Antenne bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in der Mikrowellentechnik. Da der Abstand des Bodenleiters von den Antennenelementen und den Speiseleitungen meistens viel kleiner ist als die anderen Abmessungen der Antenne, eignet sich die Antenne durchaus für Anwendungsbereiche, bei denen eine geringe Dicke erwünscht bzw. wesentlich ist; sich daraus ergebende weitere Vorteile können das geringe Gewicht und die solide Konstruktion sein. Auf diese Weise kann sich die Antenne zum Gebrauch in der Luft- bzw. Raumfahrt eignen. Ausserdem kann die Antenne ziemlich preisgünstig hergestellt werden und aus diesem Grunde zum Gebrauch bei beispielsweise Dopplerradar für den zivilen Gebrauch bei Eindringeralarmsystemen und Verkehrsampelregelsystemen und im allgemeinen als Detektoren einer relativen Bewegung benutzt werden.

Die Antenne kann auch in Funkinterferometern und Transpondern verwendet werden, beispielsweise zum Leiten bzw. Orten von Flugzeugen oder zum Orten von Fahrzeugen.

Mehrere Formen von Mikrostreifenantennen sind bekannt. In einer Form, die von J.R. James und G.J. Wilson bei der 5. Europäischen Mikrowellenkonferenz 1975 («New Design Techniques for Microstrip Antenne Arrays», Seiten 102-106

der Conference Proceedings) beschrieben worden ist, haben die Antennenelemente eine Länge von je etwa einer halben Mikrostreifenwellenlänge ( Xg), sind an nur einem Ende offen und mit dem anderen Ende mit einer Speiseleitung verbunden, die senkrecht auf den Elementen steht. Eine lineare Anordnung besteht aus 9 Elementen, die längs einer geraden, offenen Mikrostreifenspeiseleitung in Abständen von Xs angeordnet sind (damit eine Gleichheit der Phasenerzeugung erhalten wird), wobei sich das erste Element unmittelbar am (offenen) Ende der Leitung befindet, so dass die Elemente im wesentlichen die Leitung an verschiedenen Stellen belasten, die eine hohe Impedanz aufweisen. James und Wilson melden, dass Versuche gezeigt haben, dass der Strahlungswiderstand eines Elementes auf der Breite w gründet (wobei der Widerstand bei einer abnehmenden Breite zunimmt) und dass dadurch, wenn das Element die Speiseleitung nicht nennenswert belastet, das Ändern der Breite w ein Mittel ist um die Leistung, die von dem Element ausgestrahlt wird, zu regeln.

Mit Hilfe der Dolph-Chebyshev-Methode ist es möglich, die relativen Breiten der Elemente der Reihe zu berechnen, damit die Änderung längs der Reihe in den relativen Beträgen der Leistung, die von den Elementen ausgestrahlt wird (nachstehend als Erregung bezeichnet), ein Strahlungsmuster erzeugt," das einen bestimmten Seitenzipfelpegel aufweist; das mittlere Element der Reihe hat die grösste Breite und die Breiten der äusseren Elemente (für, theoretisch, einen Seitenzipfelpegel von —24 dB und eine Strahlbreite von 8,5°) betragen um 70% weniger. Die Längen der Elemente sind Funktionen zweiter Ordnung der Breite, die mit Hilfe von T.E.M.-Beziehungen berechnet worden sind und werden dann weiter auf Streuungseffekte korrigiert. Eine derart konstruierte Reihe, die auf 10 GHz arbeitet, hat entsprechend den Angaben einen H-Ebene-Seitenzipfelpegel von —20 dB und eine Breite von 100 MHz.

Eine entsprechende, 9 x9-Elemente enthaltende zweidimensionale Konfiguration besteht aus 9 parallelen linearen Reihen, die alle mit nur einem Ende mit einer Hauptspeiseleitung verbunden sind in Abständen entsprechend Xg voneinander. Die Hauptspeiseleitung steht senkrecht auf den Speiseleitungen der linearen Reihe und liegt daher parallel zu den Elementen, ' so dass fluchtende Elemente auch in einem Abstand entsprechend voneinander liegen. Die Breite der Elemente jeder linearen Reihe variiert längs der Reihe in denselben obengenannten Verhältnissen. Damit eine Erregung parallel zu der Hauptspeiseleitung erhalten wird, werden die Breiten der Mittenelemente der 9 linearen Reihen in denselben Verhältnissen geändert, so dass das mittlere Element der ganzen Reihe das breiteste ist. Für eine derart konstruierte zweidimensionale Konfiguration wird ein Seitenzipfelpegel in der H-Ebene von -17 dB erwähnt; in der E-Ebene ist der Pegel des Seitenzipfels nur - dB, und zwar, wie oben genannt, wegen der Tatsache,

dass die Speisung zu jeder linearen Reihe von der Belastung abhängig ist, die die lineare Reihe für die Hauptspeiseleitung bildet. Die Belastung der Hauptspeiseleitung kann dadurch verringert und die Seitenzipfelpegel verbessert werden (beispielsweise bis -20 dB), dass die Breite der Elemente verhältnismässig verkleinert wird aber dann muss die Bandbreite, die bereits sehr schmal ist, noch weiter verringert werden. Ausserdem wird eine praktische Grenze gestellt durch die Tatsache, dass die Elemente zu dünn werden, um noch genau gebildet werden zu können. Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass in dieser zweidimensionalen Konfiguration das mittlere, breiteste Element 4,7 mm breit ist, während die schmälsten äusseren Elemente nur 9% dieser Breite aufweisen.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Mikrowellenantenne der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der eine befriedigende Leistung erzielt wird und die relativ leicht entworfen und hergestellt werden kann, ohne dass es notwendig ist, Elemente verschiedener Breiten oder Längen in der Konfi5

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guration zu verwenden, so dass die Antenne dadurch relativ preisgünstig ist.

Die erfindungsgemässe Mikrowellenantenne weist dazu das Kennzeichen auf, dass die Antennenelemente derart angeordnet und durch Speiseleitungen gespeist sind, dass die Antenne ein linear polarisiertes Strahlungsdiagramm hat, und dass mindestens zwei der Antennenelemente durch eine erste Speiseleitung miteinander verbunden sind, die über nahezu die ganze Länge zwischen den beiden Antennenelementen mit der Polarisationsrichtung des Strahlungsdiagramms einen Winkel ungleich n ti/2, mit n = 0,1,2,..., einschliesst.

Ein Vorteil einer erfindungsgemässen Antenne ist, dass eine Speiseleitung (die selbst zum Strahlen neigt, wenn sie mit Mikrowellenenergie gespeist wird) und die einen Winkel ungleich n tc/2 mit der Polarisationsrichtung einschliesst, das H-oder E-Ebene-Strahlungsmuster der Antenne weniger stören wird als eine vergleichbare Speiseleitung, die senkrecht auf oder parallel zu der Polarisationsrichtung liegt; Kreuzpolarisation kann auch verringert werden.

Ausserdem werden in einer bekannten Konfiguration parallele oder praktisch fluchtende Elemente in vorher bestimmten Abständen in mindestens einer Richtung angeordnet, weil eine oder mehrere Speiseleitungen der Konfiguration senkrecht auf und/oder parallel zu dieser Richtung liegen und weil die relative Phase der ausgestrahlten Signale der Elemente abhängig von dem elektrischen Abstand voneinander über eine Speiseleitung vorher durch die gewünschte Richtung(en) des (der) Hauptzipfels bzw. -zipfel der Antenne bestimmt wird. Um beispielsweise gleichphasige Erregung der Elemente für eine in einer Ebene angeordnete Konfiguration mit einem in der Breite stehenden Hauptzipfel (d. h. senkrecht zur Ebene der Konfiguration) zu erhalten, müssen die Elemente im allgemeinen in Abständen untereinander entsprechend Xe angebracht werden (oder entsprechend einem ganzen Vielfachen desselben). Dadurch bestimmt die Anzahl Elemente in der genannten einen Richtung die Strahlbreite in der Ebene dieser Richtung, da diese Anzahl die wirksame Öffnung der Konfiguration in der genannten einen Richtung bestimmt. In einer erfindungsgemässen Antenne kann jedoch der Abstand der Elemente untereinander und dadurch die Antennenöffnung in der genannten einen Richtung geändert werden, ohne dass die relative Phase der von den Elementen ausgestrahlten Signale oder ihre Anzahl geändert wird, nur durch Änderung der Form und/oder des Neigungswinkels der Speiseleitung(en). Auf diese Weise kann die Strahlbreite geändert werden, ohne die allgemeine Form der Antenne zu ändern, was dem Entwerfer der Antenne einen zusätzlichen Freiheitsgrad gibt.

Die erste Speiseleitung kann unmittelbar zwischen den zwei Elementen angebracht werden. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Anordnung gebildet, die sich im allgemeinen für eine in der Breite angeordnete Konfiguration eignet.

Mindestens ein drittes Element und die erste Speiseleitung können durch eine zweite Speiseleitung miteinander verbunden werden, welche letztere Speiseleitung über praktisch die volle Länge zwischen dem dritten Element und der ersten Speiseleitung in einem Winkel gegenüber der Polarisationsrichtung angeordnet ist, der gegenüber dem Winkel zwischen der ersten Speiseleitung und der Polarisationsrichtung um diese Polarisationsrichtung gespiegelt ist. Die zweite Speiseleitung kann dabei unmittelbar zwischen dem dritten Element und der ersten Leitung angebracht werden.

Dies bildet eine nützliche Basiseinheit für eine Reihe verschiedener Ausführungsformen der Antenne nach der Erfindung; diese kann beispielsweise dazu verwendet werden, die drei Elemente gleichphasig anzuregen und gewünschtenfalls sie mit gleichen Leistungen zu speisen.

Obenstehend wird unter «unmittelbar zwischen zwei Elementen oder zwischen einem Element und einer anderen Speiseleitung angebracht» verstanden, dass die eine Speiseleitung praktisch der kürzeste Weg zwischen den Punkten ist, an denen die zwei Elemente oder das Element und die andere Speiseleitung mit der einen Leitung verbunden sind. Wenn die Konfiguration beispielsweise in einer Ebene liegt, ist daher die eine Speiseleitung (oder mindestens derjenige Teil derselben zwischen den zwei Elementen odeTzwisahen dem Element und der anderen Speiseleitung wenn eine Leitung sidhbis jenseits des einen oder der beiden genannten Verbindungspunkte erstreckt) nahezu geradlinig.

Wo in dieser Patentschrift auf die relative Phase der von den Elementen ausgestrahlten Signale zum Erzeugen bzw. Speisen von Leistung zu einem oder mehreren Elementen oder auf eine andere Art und Weise explizit oder implizit auf die Verwendung der Antenne zur Übertragung verwiesen wird, soll darunten verstanden werden, dass die Antenne im allgemeinen ebensogut für Empfang verwendet werden kann, wofür gleichlautende Ausdrücke benutzt werden können.

Die Antenne kann vier oder mehr Elemente enthalten, die parallel zu den Speiseleitungen angeschlossen sind. Auf diese Weise können mehrere Elemente an eine einzige Speiseleitung angeschlossen werden und es kann eine gleichmässig abnehmende Leistung über die Leitung erhalten werden.

Die Elemente können länglich sein, sich in der gemeinsamen Richtung erstrecken und mit je einem Ende an eine Speiseleitung angeschlossen werden. Eine derartige Reihe eignet sich insbesondere für eine Antenne, die eine ziemlich enge Strahlbreite in mindestens einer Ebene hat. Die Elemente können mit je einem Ende mit der Speiseleitung verbunden werden und sich alle in derselben Richtung von diesem Ende aus erstrek-ken. Eine derartige Anordnung eignet sich für eine Antenne, in der die Elemente parallel angeschlossen sind und beispielsweise in bestimmten Abständen längs der Speiseleitung angeordnet werden, und zwar in jeweiligen Abständen entsprechend einer Wellenlänge (oder entsprechend einem ganzen Vielfachen derselben), damit eine gleichphasige Erregung erhalten wird. Jede der zwei letztgenannten Anordnungen eignet sich für eine Antenne, die zum Ausstrahlen bzw. Empfangen elektromagnetischer Signale mit nur einer gemeinsamen Polarisationsrichtung angepasst ist.

Die Antenne kann eine Anzahl Speiseleitungen enthalten, die sich nicht kreuzen und die mit der genannten gemeinsamen Richtung einen gleichen Winkel einschliessen. Diese Antenne eignet sich für eine zweidimensionale Konfiguration, die nicht eben zu sein braucht.

Alle Speiseleitungen können mit einem gemeinsamen Speisepunkt zum Speisen von Mikrowellenenergie zu oder von allen Elementen verbunden sein. Dies kann die Verbindung der Antenne mit anderen Mikrowellenschaltungen vereinfachen.

Jedes Element kann über eine einfache Speiseleitungsr strecke mit dem gemeinsamen Punkt verbunden werden. Dies kann den Entwurf der Antenne vereinfachen und eine poten-" tielle Ursache einer schmalen Bandbreite vermeiden.

Ein Paar Speiseleitungen, die mit der gemeinsamen Richtung in gegenseitig entgegengesetzten Richtungen einen Winkel einschliessen, können miteinander verbunden werden oder sich in dem gemeinsamen Punkt tatsächlich kreuzen. Dadurch ist es möglich, eine allmählich abnehmende Leistung zu erhalten in jeder der zwei nicht parallelen Richtungen und dadurch eignet sich dies für eine zentral gespeiste Konfiguration.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Antenne, die eine Konfiguration aus 12x12 Elementen enthält;

Fig. 2 eine teilweise Seitenansicht eines Teils der Antenne nach Fig. 1,

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Fig. 3 und 4 polare Diagramme, die die Verstärkung in dB darstellen,

Fig. 5a und 5b ein anderes Ausführungsbeispiel der erfin-dungsgemässen Antenne,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge-mässen Antenne mit einer Reihe von 4x6 Elementen,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Antenne mit einer Reihe von 2x6 Elementen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Antenne.

In Fig. 1 und 2 enthält die Antenne eine ebene Platte 1 aus dielektrischem Material mit einer unteren und einer oberen Fläche, die auf der oberen Fläche (die in Fig. 1 dargestellte Fläche) eine Konfiguration aus leitenden Antennenelementen 2 sowie eine Anzahl gerader Speiseleitungen 3 enthält, an die die Elemente parallel angeschlossen sind. Auf der unteren Fläche der Platte 1 befindet sich eine leitende Platte 4, die als Bodenplatte bezeichnet wird. Alle Speiseleitungen und dadurch alle Antennenelemente sind mit einem gemeinsamen Punkt 5 auf der Platte verbunden. Ein Miniatur-Koaxialverbin-dungselement 6 ist auf der unteren Fläche der Platte 1 befestigt, wobei der äussere Leiter des Verbindungselementes mit der Bodenplatte 4 und der innere Leiter durch ein Loch in der Platte 1 mit dem Speisepunkt 5 verbunden ist, so dass Mikrowellenenergie den Elementen zugeführt bzw. denselben entnommen werden kann.

Die Antennenelemente 2 sind in in regelmässigen Abständen voneinander liegenden parallelen Reihen angeordnet, sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung. Die Elemente sind mit je einem Ende mit einer Speiseleitung verbunden, die sich von diesem Ende in derselben Richtung und in demselben Sinn erstreckt und weisen dadurch ein gemeinsames Strahlungsdiagramm mit einer linearen Polarisationsrichtung auf (bei der Konfiguration nach Fig. 1 und bei einem vertikal polarisierten Strahlungsdiagramm). Die Elemente sind derselben Grössenordnung und nahezu rechteckig, wobei das Ende jedes Elementes, das mit einer Speiseleitung verbunden ist, die Form eines kleinen gleichschenkligen Dreiecks hat, dessen Basis die Breite dieses Elementes bildet. Die Speiseleitungen 3 sind alle gleich breit und haben dadurch dieselbe charakteristische Impedanz. Diese Impedanz ist wesentlich höher als die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung, die durch jede der Antennen gebildet wird, d. h. wenn ihre Strahlung vernachlässigt wird.

Eine erste Speiseleitung 7, die einen Winkel ungleich n n/2 (mit n = 0,1,2,3,...) mit der gemeinsamen Polarisationsrichtung einschliesst, erstreckt sich diagonal über die Konfiguration etwa von der linken oberen Ecke zu der rechten unteren Ecke. Alle anderen Speiseleitungen bilden eine Gruppe untereinander paralleler Leitungen wie 8, die einen Winkel ungleich n n/2 (mit n = 0,1,2,3,...) mit der gemeinsamen Polarisationsrichtung einschliesst, welcher Winkel gegenüber dieser Richtung gespiegelt ist und dadurch die erste Leitung 7 kreuzt. Diese Gruppe umfasst eine zweite Leitung 9, die etwa von der linken unteren Ecke zu der rechten oberen Ecke über die Konfiguration geht und die Leitung 7 im gemeinsamen Speisepunkt 5 kreuzt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist jedes Element mit dem gemeinsamen Punkt 5 über eine einfache Strecke über die Speiseleitungen verbunden. Die Elemente liegen elektrisch in einem Abstand entsprechend einer Wellenlänge voneinander, d. h. dass sie in einem Abstand von einer Mikrowellenlänge ( Xs) voneinander liegen, längs einer Speiseleitung oder zwei einander kreuzender Speiseleitungen, wobei der Abstand bei der zentralen Frequenz des Betriebsbandes der Antenne gemessen wird. Die Gruppe paralleler Speiseleitungen 8 kreuzt die Speiseleitung 7 in regelmässigen Abständen von \gl2, wobei jeweils ein Element an jeweils der zweiten Kreuzung an der Linie 7 angeordnet ist. Wenn Mikrowellenenergie bei der genannten

Frequenz dem Speisepunkt 5 geliefert wird, werden die Elemente gleichphasig erregt und die Antenne erzeugt einen Hauptzipfel, der senkrecht auf der Ebene der Konfiguration steht.

Es ist ersichtlich, dass eine Basiseinheit dieses Ausführungsbeispiels ein Paar Antennenelemente enthält, die unmittelbar durch eine Speiseleitung miteinander verbunden werden, welche Leitung mit der gemeinsamen Polarisationsrichtung einen Winkel ungleich n ti/2 (mit n = 0,1,2,3) einschliesst und eine andere Speiseleitung, die unmittelbar von einem Punkt auf der erstgenannten Leitung, wobei der Punkt in einigen Fällen etwa halbwegs zwischen den zwei Elementen liegt, zu einem dritten Element läuft und die einen Winkel mit der Polarisationsrichtung einschliesst, die um diese Richtung gespiegelt ist. Ausserdem verbindet jede der Leitungen 8 ein oder mehrere Paare Elemente mit der Leitung 7 (und im Falle der Leitung 9 unmittelbar mit dem gemeinsamen Punkt), wobei die zwei Elemente jedes Paares an einander gegenüberliegenden Seiten der Leitung 7 liegen und wobei ihre Anschlusspunkte an die betreffende Leitung 8 im gleichen Abstand vom Schnittpunkt dieser Leitung mit der Leitung 7 liegen. An den Stellen, wo zwei oder mehrere Elementepaare mit der Leitung 8 verbunden werden (wie dies für jede der Leitungen der Fall ist mit Ausnahme der zwei, die am weitesten voneinander liegen), bilden die Elemente auf jeder Seite der Leitung 7 eine Reihe mit allmählich zunehmenden Abständen von der Leitung 7 ; dasselbe gilt für die Elemente die unmittelbar mit der Leitung 7 verbunden sind für ihren Abstand von dem gemeinsamen Punkt 5. Die Figur zeigt, dass jede horizontale Reihe und jede vertikale Reihe ein einziges Element enthält, das durch die Leitung 9 mit dem gemeinsamen Punkt 5 verbunden ist und dass dasselbe für die Leitung 7 gilt.

Bei näherer Betrachtung der Antenne dürfte es einleuchten, dass es, da alle Elemente und alle Speiseleitungen dieselben respektiven Impedanzen aufweisen, eine weitgehende Symmetrie um jede der Speiseleitungen 7 und 9 gibt, sowohl was das phasengleiche Anregen der Elemente in bezug auf den gemeinsamen Speisepunkt, als auch was die relativen Energiemengen anbelangt, die von den Elementen ausgestrahlt werden. Weil jedoch die Leitung 9 nur aus dem Speisepunkt denjenigen Elementen Energie liefert, die unmittelbar daran angeschlossen sind, während alle anderen Elemente der Konfiguration aus der Leitung 7 gespeist werden, und zwar entweder unmittelbar oder über eine der anderen Leitungen der Leitungen 8, wird von einem Element an der Leitung 9 mehr Energie ausgestrahlt als von einem Element, das sich nicht an dieser Leitung, sondern in demselben Abstand von dem Speisepunkt 5 befindet; dieser Effekt wird grösser je nachdem der Abstand von dem Speisepunkt zunimmt. Diese Asymmetrie hat sich als nützlich erwiesen, um mindestens einem Teil der Elemente, die relativ weit von dem Speisepunkt liegen, ausreichende Energie zu liefern.

Mit der Anordnung der Speiseleitungen, die in diesem Ausführungsbeispiel benutzt wird, werden die jeweiligen Anschlusspunkte an die Speiseleitungen der Elemente, die in elektrisch gleichen Abständen längs der Speiseleitungsstrecke vom gemeinsamen Punkt 5 liegen, auf zwei Leitungspaaren angebracht, die sich parallel zu den E- bzw. H-Ebenen der Antenne erstrecken, wobei die zwei Leitungen jedes Paares in demselben Abstand und an einander gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Punktes liegen. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Konfiguration eben ist, bilden die Leitungen ein Rechteck, das um den gemeinsamen Punkt zentriert ist, wobei Elemente mit allmählich zunehmendem grösserem Abstand von dem gemeinsamen Punkt ihren Anschlusspunkt an die Speiseleitungen auf jeweiligen Rechtecken allmählich zunehmender Abmessungen haben. Auf diese Weise liegen die Anschlusspunkte der mittleren vier Elemente an den Ecken des

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kleinsten Vierecks, wobei die Winkel X,J2 von dem Punkt 5 entfernt sind. Die Anschlusspunkte der unmittelbar um diesen Punkt liegenden zwölf Elemente liegen auf einem Rechteck, dessen Winkel in einem Abstand 3 Xgl2 von dem Punkt 5 liegen; die Anschlusspunkte der folgenden zwanzig umgebenden Eie- s mente liegen auf einem Rechteck, dessen Winkel 5 Xgl2 von dem Punkt 5 liegen usw. Durch diese Symmetrie um den gemeinsamen Speisepunkt steht der Hauptzipfel unbedingterweise nahezu senkrecht auf der Ebene der Konfiguration, unabhängig von der Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite. io

Durch eine angemessene Annäherung bzw. Messung desjenigen Teils der Energie, der für ein Element einer Speiseleitung verfügbar ist und von diesem Element auch wirklich ausgestrahlt wird, lässt sich die relative Energiemenge, die von den Elementen der ganzen Konfiguration ausgestrahlt wird, 15

berechnen, wenn dem gemeinsamen Speisepunkt Energie zugeführt wird. Wenn die gesamte von jeder horizontalen Reihe von Elementen ausgestrahlte Energie berechnet wird, wird sich zeigen, dass die jeweiligen Gesamtmengen allmählich von einem Maximum für jedes der mittleren Paare benachbarter 20 Reihen (wobei der gemeinsame Punkt 5 in den höchsten derselben liegt) zu Minima für die zwei am weitesten voneinander liegenden Reihen (d. h. die höchsten und die niedrigsten Reihen) allmählich sinken, wobei das allmähliche Sinken der Leistung symmetrisch ist. Ein entsprechendes Resultat wird dadurch 25 erhalten, dass die Gesamtenergie, die von den Elementen jeder vertikalen Reihe ausgestrahlt wird, bestimmt wird, wobei das Maximum für jedes der zentralen Paare benachbarter Reihen auftritt, zwischen denen sich der Punkt 5 befindet. Dieses Verfahren kann als imaginäre Verteilung der Oberfläche der Platte 30 1 betrachtet werden, über die sich die Konfiguration erstreckt, und zwar eine Verteilung in eine Gruppe paralleler Streifen gleicher Breite, im einen Fall horizontale Streifen, die je eine horizontale Reihe von Elementen enthalten und im anderen Fall vertikale Reihen, die je eine vertikale Reihe von Elementen 35 enthalten, wobei die Streifen in beiden Fällen um die Elemente zentriert sind, die sich darin befinden. Die relativen Gesamtenergiemengen für die Streifen einer Gruppe sind auf diese Weise ein Mass für die Ausstrahlung pro Breiteneinheit der Konfiguration und eine Anzeige der allmählichen Abnahme 40 der Leistung über die vertikalen und horizontalen Öffnungen der Antenne.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 wurde die Antenne auf einer Platte von etwa 19 cm x 21 cm aus «Poly-guide» mit einer Nennstärke entsprechend etwa 0,15 cm, mit 45 einer dielektrischen Konstante 2,3 und beidseitig verkupfert, hergestellt. Die Länge jeder der Antennenelemente betrug etwa 1 cm, was die elektrische Länge auf gerade etwas weniger als eine halbe Wellenlänge bei der Mittelbandbetriebsfrequenz entsprechend 10,5 GHz brachte. Die Breite jedes Elementes 50 betrug etwa 0,3 cm. Die Breite der Speiseleitungen betrug etwa 0,04 cm, was eine charakteristische Impedanz von etwa 150 Ohm ergibt (also etwa entsprechend einer 50 Ohm-Koaxialleitung an dem gemeinsamen Speisepunkt); Mikrostreifenübertra-gungsleitungen derselben Breite wie die der Antennenele- 55 mente (und auf demselben Substrat) würden eine charakteristische Impedanz von etwa 60 Ohm aufweisen. Die E-Ebene- und H-Ebene-Polardiagramme, die mit dieser Antenne gemessen wurden, werden annähernd in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Verstärkung betrug etwa 22!4 dB; die Strahlbreiten (bis -3 dB 6o Punkte) waren etwa 9Vi° bzw. 10° und die «Welligkeit» (weniger als 1 dB Spitze-zu-Spitze), die an den Seiten des Hauptzipfels bei etwa -15 dB in der E-Ebene und bei etwa -17 dB und -22 dB in der H-Ebene auftraten, ausser Betracht gelassen,

waren die maximalen Seitenzipfelpegel besser als —21 dB bzw. 65 -25 dB. Diese Resultate erweisen sich als günstig im Vergleich zu denen aus IEE Journal on Microwave, Optics and Acoustics, Heft 1, Nr. 5 (September '77) von James und Wilson, Seiten

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165-174 und von James und Hall, Seiten 175-181, die für die obengenannten bekannten 9x9 Elemente-Mikroantenne (die auch auf Vu-Zoll «Polyguide» hergestellt worden war); zum Vergleich dürfte Folgendes dienen:

(i) um die bekannte Antenne für den Betrieb auf derselben Frequenz wie das obenstehend beschriebene erfindungsge-mässe Ausführungsbeispiel gross genug zu machen, würde dies eine dielektrische Platte mit denselben Abmessungen wie die des Ausführungsbeispiels erfordern, sogar wenn diese Platte weniger Elemente enthalten würde, da die horizontalen und vertikalen Reihen von Elementen in Abständen untereinander entsprechend Xg angebracht werden, während die im Ausführungsbeispiel dichter beieinander liegen;

(ii) das Entwerfen des Ausführungsbeispiels nach der Erfindung erfordert viel weniger Rechenarbeit.

Es stellte sich heraus, dass die Kreuzpolarisation des konstruierten Ausführungsbeispiels niedriger war als —25 dB. Dies ist ein äusserst zufriedenstellender Wert, insbesondere für eine Mikrostreifenantenne; laut J.W. Greiser (Microwave J., 19, Nr. 10, Seite 47, Oktober 1976) war ein relativ hoher Kreuzpolarisationspegel bei Mikrostreifenantennen ein Problem, in manchen Fällen zur Höhe von -8 bis -10 dB.

Die Erfindung kann daher eine Mikrowellenantenne schaffen, die gedrängt ist, die eine zufriedenstellende Leistung hat und sich relativ leicht und schnell entwerfen lässt. Ausserdem kann, wie untenstehend noch erwähnt, die Antenne relativ preisgünstig sein.

Es gibt zwei Gründe für die günstige Leistung des obenstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels:

(a) der relativ geringe Beitrag an den E-Ebene- und H-Ebene-Polardiagrammen der Speiseleitungen, teilweise infolge des Winkels, den sie mit der Polarisationsrichtung der Antenne einschliessen; dieser Effekt ist natürlich besonders gross, wenn die Speiseleitungen hohe Impedanzen haben, wie in dem obenstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel; und

(b) die bessere Annäherung an eine gewünschte Erregung durch eine allmähliche Abnahme der Leistung über eine Antennenöffnung mit einer vorbestimmten Grösse, die durch eine grössere Anzahl von Elementen in der Öffnung als bei der bekannten erhalten wird. Das allmähliche Abnehmen der Leistung mit den diskreten Antennenelementen ist eine schrittweise Annäherung einer gleichmässigen Kurve; dieser Effekt lässt sich am deutlichsten beobachten, wenn die Anzahl Elemente in der Öffnung nicht sehr gross ist.

Antennen, die eine Konfiguration von Elementen aufweisen in der Form nach Fig. 1, die gleiche Anzahlen horizontaler und vertikaler Reihen von Elementen und entsprechende Speiseleitungsmuster haben, werden mit Konfigurationen verschiedener Abmessungen zwischen 2x2 Elementen und 24 x 24 Elementen zum Betrieb bei verschiedenen Frequenzen im Bereich von 9-14 GHz konstruiert.

Antennen nach der Erfindung können unter Verwendung verkupferter dielektrischer Platten auf einfache Weise hergestellt werden; für den Fall, dass der Erdleiter unmittelbar auf der unteren oder oberen Fläche der Platte angeordnet ist, kann eine beidseitig verkupferte Platte verwendet werden. Die Konfiguration von Antennenelementen und Speiseleitungen kann aus der Kupferschicht auf einer Fläche durch herkömmliche photolithographische und Ätztechniken erhalten werden,

wobei eine Schicht lichtempfindlichen Materials auf der Kupferschicht durch eine Maske mit dem gewünschten schlussendlichen Leitermuster hindurch belichtet wird. Es ist möglich, Antennen in der Form nach Fig. 1, aber mit verschiedenen Anzahlen von Elementen, die sich für den Betrieb bei verschiedenen Frequenzen eignen, aus nur einer einzigen «Mutter»-Maske herzustellen. Diese Muttermaske, die eine Konfiguration von 24 x 24 Elementen darstellt, kann zum Herstellen einer Hilfsmaske verwendet werden, aus der die gewünschte

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Antenne hergestellt wird. Für Konfigurationen kleiner als 24x 24 Elementen werden Teile der Muttermaske abgedeckt um die Hilfsmaske herzustellen; um die Betriebsfrequenz zu ändern, wird die optische" Vergrösserung auf geeignete Weise während der Herstellung der Hilfsmaske nachgeregelt. Obschon die Leistung von Antennen, die mit dieser Methode hergestellt werden, im allgemeinen nicht in allen Hinsichten so gut sind wie bei genauen einzelnen Entwürfen erreicht werden könnte, wird diese dennoch für eine Anzahl von Anwendungs- • bereichen ausreichen, und es liegt auf der Hand, dass die Entwurfs* und Herstellungskosten niedriger sein werden, insbesondere für geringe Stückzahlen einer grossen Menge verschiedener Antennen.

Ausser «Polyguide» können mehrere andere dielektrische Materialien für die dielektrische Platte verwendet werden. Eine Anzahl zufriedenstellender Antennen sind beispielsweise auf «Cimclad», einer verkupferten polymerischen Esterplatte hergestellt worden, die an beliebigen Stellen mit Glasfibermatten verstärkt ist und von Cincinatti Milacron geliefert wird; es wurde eine 0,16 cm starke Platte, Typ MB (dielektrische Konstante etwa 3,8) verwendet. Dieses Schichtmaterial ist insbesondere für Printplatten im Rundfunk- und Fernsehbereich gemeint; es weist den Nachteil auf, dass das Material einen höheren dielektrischen Verlust hat als beispielsweise «Polyguide», was zu einer geringeren Verstärkung führt, aber es bietet den Vorteil, dass es äusserst preisgünstig ist und dadurch vorteilhaft für Anwendungsbereiche, in denen geringe Kosten erwünscht sind und eine einigermassen geringere Verstärkung akzeptierbar ist, wie in Doppler-Radar-Eindringlingsalarmsy-stemen mit einer beschränkten Reichweite. Es liegt auf der Hand, dass die Verringerung in der Verstärkung (im Vergleich zu einem Dielektrikum mit einem geringeren Verlustfaktor) dazu neigt, zuzunehmen, je nachdem die Abmessung der Konfiguration und dadurch die Länge der Speiseleitungen grösser wird; so war beispielsweise der Unterschied in der Verstärkung zwischen Antennen (mit derselben Anzahl von Elementen) mit einer Verstärkung von etwa 15 dB und mit «Polyguide» und «Cimclad» etwa 1 dB.

Es stellt sich heraus, dass die Elemente in den Antennen der in Fig. 1 dargestellten Form eine grosse Bandbreite haben. Elemente, die alle dieselbe Länge von etwa 1 cm hatten, wurden beispielsweise in Antennen verwendet, die auf etwa 0,16 cm starkem «Polyguide»-MateriaI hergestellt worden waren und bei verschiedenen Frequenzen im Bereichvon 9,1-10,7 GHz betrieben wurden. Obschon sich bessere Resultate erzielen Hessen, wenn geringfügige Änderungen in der Länge vorgesehen worden wären, stellte es sich heraus, dass mit dieser einzigen Länge eine nützliche Leistung erzielbar war. Dieser einfache Entwurf ist im Vergleich zu der obengenannten bekannten 9x9-Elemente-Mikrostreifenantenne mit Elementen verschiedener Breiten wieder günstig, wodurch zwei Korrekturen pro Elementlänge jeder der Breiten angebracht werden müsste.

Die Bandbreite (in Termen von Verstärkung, beispielsweise zwischen — 1 dB Punkten) von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung hängt im wesentlichen von der Änderung der relativen Phasen, mit denen die Elemente der Konfiguration erregt werden, in Funktion der Frequenz ab. Für eine Spezialform der Erregungsfunktion mit einer allmählichen Abnahme der Leistung wird die Bandbreite auf diese Weise dazu neigen abzunehmen, wenn der Umfang der Konfiguration zunimmt.

Als Beispiel werden die Verstärkung und das Stehwellen-verhältnis für drei Antennenkonstruktionen der allgemeinen Form, wie diese in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, gemessen und in der nachstehenden Tafel dargestellt. Von den drei Antennen die durch A, B und C bezeichnet werden, werden A und B auf etwa 0,16 cm starkem «Polyguide» und C auf Vit Zoll «Cim-clad»-Material angebracht. Die Grösse der Konfigurationen betrug: A: 4x4 Elemente; B:8x8 Elemente; C: 10x 10 Elemente.

Tabelle

Frequenzen (GHz)

Verstärkung (dB)

Stehwellenverhältnis

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9,02

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20!/2

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2OV2

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19'/2

1,32

12,70

18

-

Da für eine beliebige Dicke und für beliebige Typen des dielektrischen Materials zwischen der Konfiguration der Elemente und dem Erdleiter der Strahlungswiderstand eines Elementes von einer oder mehreren der Abmessungen abhängig ist (beispielsweise im Falle eines rechteckigen Elementes, das an nur einem Ende gespeist wird, abhängig von der Breite), kann die allmählich abnehmende Leistung über eine Konfiguration mit einer festen Anzahl von Elementen in festen Lagen und mit einem festen allgemeinen Speiseleitungsmuster dadurch geändert werden, dass mehrere Elemente der Konfiguration mit verschiedenen Breiten hergestellt werden. Dies wurde jedoch nicht für eines der Ausführungsbeispiele für notwendig gehalten, da befriedigende Resultate erhalten wurden mit Konfigurationen, in denen die jeweiligen Elemente alle gleich gross waren. Damit jedoch dieselbe Form der allmählich abnehmenden Leistung über die Konfiguration mit verschiedenen Abmessungen (aber mit demselben Speiseleitungenmuster) erhalten wird, wird es im allgemeinen notwendig sein, die Breite der Elemente zu verringern, je nachdem die Gesamtanzahl Elemente zunimmt, weil sonst beispielsweise eine unzureichende Leistungsmenge von den Elementen ausgestrahlt werden würde, die relativ weit von dem Speisepunkt liegen.

Die allmählich abnehmende Leistung könnte auch durch Änderung der charakteristischen Impedanzen der Speiseleitungen geregelt werden; eine Antenne kann beispielsweise Speiseleitungen mit verschiedenen charakteristischen Impedanzen haben. Zum Erhalten einer optimalen Auslegung, was beispielsweise das Stehwellenverhältnis für die ganze Konfiguration anbelangt, kann es notwendig sein, die Impedanz(en) der Speiseleitungen entsprechend u. a. der Anzahl Elemente festzulegen.

Obschon die Antenne der Fig. 1 und 2 praktisch gleiche vertikale und horizontale Öffnungen hat und daher praktisch gleiche E-Ebene- und H-Ebene-Strahlbreiten, ist es möglich, Konfigurationen herzustellen, die wesentlich verschiedene E-Ebene- und H-Ebene-Strahlbreiten schaffen, ohne dass es notwendig ist, die Anzahl Reihen oder die Anzahl Elemente zu ändern, sondern nur dadurch, dass der Winkel zwischen den Speiseleitungen und der Polarisationsrichtung geändert wird,

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55

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65

7

wobei zugleich der Abstand zwischen den horizontalen und vertikalen Reihen geändert wird. Ein Beispiel davon wird in Fig. 5a und 5b auf schematische Weise gegeben, die beide regelmässige Konfigurationen von 4x4 Elementen zeigen, die dasselbe allgemeine Speiseleitungenmuster haben wie die Konfi- 5 guration aus Fig. 1. In der Konfiguration nach Fig. 5a sind die Öffnungen etwa gleich; in der Konfiguration nach Fig. 5b ist die vertikale Öffnung etwa 1 Vimal der horizontalen Öffnung, was zu einer geringeren Strahlbreite in der E-Ebene als in der H-Ebene führt. Es dürfte einleuchten, dass der Bereich, in dem io die Neigungswinkel geändert werden können, durch geometrische und technische Faktoren beschränkt wird; die Speiseleitungen dürfen beispielsweise die Dipole nicht berühren bzw. allzusehr in deren Nähe liegen, mit Ausnahme derjenigen Dipole, denen sie Energie zuführen bzw. von denen sie Energie 15 bekommen. Ausserdem wird bei einer festen Anzahl Elemente, die über feste Abstände längs der Speiseleitungen angeordnet sind, die Öffnung in einer Richtung verringert, wenn die Öffnung in der zur genannten Richtung senkrechten Richtung ver-grössert wird. Trotzdem schafft dies ein wesentliches zusätzli- 20 ches Ausmass an Freiheit für den Antennenentwerfer. So wurden beispielsweise zwei Antennen konstruiert, die 4x4 bzw. 6x6 Elemente enthalten mit Strahlbreiten von 26°x30° und 24° x 19° (E-Ebene x H-Ebene).

Es ist nicht notwendig, dass eine erfindungsgemässe 25

Antenne, die beispielsweise eine regelmässige Konfiguration von Elementen enthält, die in orthogonalen Reihen angeordnet sind, eine gleiche Anzahl Reihen in den orthogonalen Richtungen hat. Wenn man beispielsweise ein bestimmtes Speiseleitungsmuster mit einem bestimmten Winkel in bezug auf die 30 gemeinsame Polarisationsrichtung zu verwenden wünscht,

oder bestimmte Strahlbreiten in der E- und H-Ebene wünscht, die mehr abweichen als auf einfache Weise erhalten werden kann, wenn nur ein geeigneter Winkel für sie Speiseleitungen in bezug auf die gemeinsame Richtung gewählt wird, können ver- 35 schiedene Anzahlen von Reihen in den zwei Richtungen verwendet werden. Als Beispiel zeigen die Fig. 6 und 7 Konfigurationen mit 6x4 Elementen bzw. 6x2 Elementen, wobei abweichende Änderungen des Speiseleitungsmusters der Fig. 1 in den zwei Reihen verwendet werden. Die Anordnung nach Fig. 6 40 braucht nur eine Anpassung des Speiseleitungsmusters der Fig. 1 in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken der Konfiguration und wird für besonders geeignet gehalten für Konfigurationen, in denen die zwei Anzahlen von Reihen nicht stark voneinander abweichen, und wobei die Gesamtanzahl 45 Elemente nicht klein ist. Andererseits ist die Anordnung der Fig. 7 geeignet, wenn deutlich verschiedene E-Ebene und H-Ebene-Strahlbreiten erforderlich sind (beispielsweise in Funkinterferometern). Die symmetrische Anordnung der Speiseleitungen in diesem Ausführungsbeispiel wird als wünschens- 50 wert betrachtet, um den Elementen in jeder horizontalen Reihe gleiche Leistungsmengen zuzuführen.

Es ist nicht notwendig, dass eine Konfiguration von Elementen parallele Reihen enthält, in denen die Anzahl Elemente in jeder Reihe dieselbe ist. Die Anordnung der Fig. 1 kann bei- 55 spielsweise geändert werden, um eine Anordnung von etwa dreieckiger Form zu schaffen, indem Teile der Leitung 7 und alle Leitungen 8 (zusammen mit den zugeordneten Elementen), die zur rechten Seite und unterhalb der Leitung 9 liegen, fortgelassen werden. Andere mögliche Änderungen, unter denen 60 andere Dreieckanordnungen, die durch Fortlassen eines Teils der Anordnung aus Fig. 1 gebildet werden können, liegen auf der Hand.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Elemente beispielsweise in Reihen angeordnet werden, die in 65 regelmässigem Abstand voneinander liegen, braucht nicht eine gerade Anzahl Reihen zu enthalten. Bei einem Speiseleitungsmuster, das dem der Fig. 1 entspricht, können beispielsweise

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ungerade Anzahlen horizontaler und vertikaler Reihen sein, wobei die vier Elemente, die dem gemeinsamen Speisepunkt am nächsten liegen, dort in einem Abstand Xg (besser als Xgl2) davon entfernt sind. Es kann erwünscht sein, dasjenige Element fortzulassen, das dann unmittelbar bei dem gemeinsamen Punkt gespeist werden könnte, wenn seine Aufnahme zu einer zu hohen Strahlung aus diesem Gebiet führen könnte, dies in bezug auf die Strahlung der anderen Elemente der Konfiguration und dadurch in einer unerwünschten Form allmählich abnehmender Leistung. Es ist unwahrscheinlich, dass das Fortlassen dieses mittleren Elementes, wenigstens in relativ grossen Konfigurationen, einen deutlichen beeinträchtigenden Effekt haben würde.

Die Elemente brauchen nicht in in regelmässigen Abständen voneinander liegenden parallelen Reihen angeordnet zu werden. Es kann beispielsweise erwünscht sein, einen unregelmässigen Abstand der Elemente untereinander zu haben (mit einer zugeordneten relativen Phasenlage), um eine besondere Form eines polaren Diagramms zu erhalten (was beispielsweise die Form des Hauptzipfels oder die Pegel der Seitenzipfel anbelangt).

Antennenelemente, die gleichphasig erregt werden müssen, brauchen nicht längs einer Speiseleitung in Abständen entsprechend Xg voneinander (oder entsprechend ganzen Vielfachen derselben) angebracht zu werden. Beispielsweise in den Fällen, wo die Elemente eine längliche Form haben, sich in der gemeinsamen Polarisationsrichtung erstrecken und je an nur einem Ende mit der Speiseleitung verbunden sind, können sie in Abständen entsprechend XJ2 (oder einem ungeraden Vielfachen derselben) untereinander angeordnet werden, wobei sich aufeinanderfolgende Elemente wechselweise in entgegengesetztem Sinne von der Leitung in der gemeinsamen Richtung erstrecken. Eine entsprechende Anordnung mit Abständen untereinander anders als Xg/2 könnte für nicht gleichphasige Erregung benutzt werden. Die Antennenelemente brauchen nicht nahezu rechteckig zu sein, sondern können beispielsweise ellipsenförmig sein.

Es ist nicht notwendig, dass die Antennenelemente parallel angeordnet werden. Statt dass nur ein Punkt auf einem Element mit nur einer oder mehreren Speiseleitungen verbunden ist,

kann ein Reihenanschluss von beispielsweise rechteckigen Elementen mit zwei Speiseleitungen benutzt werden, die mit gegenüberliegenden Enden eines Elementes verbunden sind.

Es dürfte einleuchten, dass die Verwendung von Speiseleitungen in der Mikrowellenantenne, die mit der gemeinsamen Polarisationsrichtung einen Winkel ungleich n n/2 (mit n = 0,1, 2,3) bilden, für eine «zentral gespeiste» Konfiguration geeignet ist. Diese Konfiguration ist im allgemeinen erwünscht, aber in bekannten Mikrostreifenantennen schwer oder unbequem zu erhalten. Wie obenstehend erwähnt, führt die Symmetrie einer zentral gespeisten Konfiguration, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist, zu einem Hauptzipfel, der für die Konfiguration normal ist. Um eine «schiefe» Konfiguration zu erhalten, d. h. eine Konfiguration, in der der Hauptzipfel gegenüber der Normalen auf der dielektrischen Ebene schief steht, ist es notwendig, eine Speiseleitungsanordnung zu benutzen, die derart ist, dass die Elemente nicht gleichphasig erregt werden und dass es eine zunehmende effektive Phasenänderung gibt (d. h., wo dies möglich ist, ganze Vielfache von Xg ausser Betracht gelassen) in mindestens einer Richtung über die ganze Konfiguration. Eine Art und Weise dies zu erreichen ist eine Konfiguration, die mindestens teilweise «endgespeist» ist. In der obengenannten Konfiguration mit dreieckigem Umfang, die etwa die halbe Konfiguration aus Fig. 1 umfasst, würde beispielsweise die Anordnung der parallelen Speiseleitungen in einem derartigen Abstand,

dass sie die anderen Speiseleitungen mit Zwischenräumen, die nicht gleich Xg/2 sind, kreuzen, die Ursache davon sein, dass der Hauptzipfel sich schief an dieser einen Leitung erstrecken

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würde. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Elemente durch nur eine oder mehrere Seiten der Konfiguration durch sich gegenseitig nicht kreuzende Leitungen gespeist werden. Die Elemente brauchen nicht mit einem gemeinsamen Speisepunkt auf der dielektrischen Platte verbunden zu sein; in der letztgenannten Anordnung beispielsweise können Speiseleitungen im Betrieb mit Mikrowellenenergie über ein entfernbares Randverbindungselement gespeist werden.

Eine andere Art und Weise, einen schiefen Hauptzipfel zu erhalten, ist die Verwendung einer zentral gespeisten Konfiguration, wobei die Elemente in Reihen angeordnet werden, die in regelmässigem Abstand voneinander liegen, und wobei die Speiseleitungen derart angeordnet sind, dass der effektive elektrische Abstand zwischen den Elementen über die Konfiguration sich ändert. Fig. 8 zeigt auf schematische Weise eine flache Konfiguration mit 4 x 4 Elementen, die fünf Werte von effektiven elektrischen Längen von Teilen derjenigen Speiseleitung, die durch 10 bis einschliesslich 14 bezeichnet werden, zwischen zwei benachbarten Elementen oder zwischen einem Element und einer benachbarten Kreuzung von Speiseleitungen verwendet. Dadurch, dass die nachfolgenden Werte:

10:lg/2-81g 11 : lg/2 12: lg/2 + 81g 13:A,g -81g 14:lg + 81g für die Längen der Teile verwendet werden, werden die jeweiligen Elemente in jeder vertikalen Reihe gleicher Phase sein, aber zwischen zwei aufeinanderfolgenden vertikalen Reihen wird es einen Phasenunterschied entsprechend elg geben, so dass der Hauptzipfel gegenüber der Normalen in der H-Ebene schräg steht. Das Erhalten der erforderlichen Längen der Speiseleitungsteile wird natürlich dazu führen, dass sich mindestens die Mehrheit der Speiseleitungsteile nicht unmittelbar zwischen benachbarten Elementen oder zwischen dem Element und einer anderen Speiseleitung erstrecken.

Strahlsteuerung kann dadurch erhalten werden, dass in die Speiseleitungen regelbare Phasenänderungsmittel aufgenommen werden, wie pin-Dioden. Die Konfiguration aus Fig. 8 kann beispielsweise in jedem der Speiseleitungsteile 10,12,13 und 14 einen Phasendreher enthalten, um eine Phasendrehung entsprechend 81g zu erzeugen. Die Längen der Teile 10-14 können (d. h. wenn die Phasendreher unwirksam sind) wie folgt sein: 10: lg/2 — 81g 11 : lg/2 12: lg/2 13:1g -81g 14: lg

Wenn nur die Phasendreher in den Teilen 12 und 14 wirksam sind, wird der Hauptzipfel in der H-Ebene, wie obenstehend erwähnt, schief stehen, und nur wenn die Phasendreher in den Teilen 10 und 13 im Betrieb sind, steht der Hauptzipfel in bezug auf die Ebene der Konfiguration normal. Im Hinblick auf die obenstehende relativ grosse Bandbreite geeigneter einzelner Antennenelemente kann die Richtung des Hauptzipfels einer schiefen Konfiguration auch dadurch geändert werden, dass die Betriebsfrequenz innerhalb der Bandbreite der Elemente geändert wird.

Der Erdleiter einer vorliegenden Antenne braucht nicht unmittelbar auf der gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Platte gebildet bzw. vorhanden zu sein; die Konfiguration braucht auch nicht eben zu sein. Eine starre, gekrümmte dielektrische Platte kann beispielsweise auch verwendet werden oder die Konfiguration von Antennenelementen und von Speiseleitungen kann auf einer Oberfläche einer biegsamen dielektrischen Platte gebildet werden, die danach auf einer starren leitenden Oberfläche (eben oder gekrümmt) befestigt werden kann, die im Betrieb als Erdleiter (Bodenplatte) wirksam ist.

Ein anderes Dielektrikum als das der Platte kann zwischen der Konfiguration und den Speiseleitungen und dem Erdleiter vorhanden sein. Eine starre dielektrische Platte, die die Konfiguration und die Speiseleitungen trägt, kann beispielsweise selbst unterstützt werden, damit sie durch einen Luftspalt von dem Erdleiter getrennt ist. Eine derartige Anordnung kann für Antennen nützlich sein, die mit relativ niedrigen Mikrowellen-frequenzen arbeiten, um die erforderliche Menge festen dielektrischen Materials zu verringern.

Es hat sich herausgestellt, dass es erwünscht ist, den Abstand zwischen den Elementen der Konfiguration und dem Erdleiter nicht zu klein zu machen, denn dies könnte zu einer schlechten Verstärkung und/oder einer sehr geringen Bandbreite führen. Bequemlichkeitshalber kann dieser Abstand in Termen des elektrischen Abstandes ausgedrückt werden, d. h. der Abstand in Termen von Wellenlängen ld der elektromagnetischen Strahlung bei der Betriebsfrequenz, die von einem Element der Konfiguration zum Erdleiter geht, wobei la gleich loA/e ist, wo lo die Wellenlänge des freien Raumes und e die dielektrische Konstante des dielektrischen Mediums zwischen dem Element und dem Erdleiter bei dieser Frequenz ist, wobei e ein räumlicher Mittelwert ist, wenn zwei oder mehrere verschiedene dielektrische Materialien verwendet werden, beispielsweise, wenn es zwischen dem Erdleiter und der dielektrischen Platte einen Luftspalt gibt, wobei die Platte die Elemente unterstützt. Versuche geben den Eindruck, dass eine geeignete untere Grenze für den elektrischen Abstand etwa 0,05 ld beträgt. In den obengenannten Ausführungsbeispielen, die auf einer etwa 0,16 cm starken «Polyguide» und einer etwa 0,16 cm starken «Cimclad»-PIatte konstruiert wurden, betrug der elektrische Abstand etwa 0,08 ld bzw. 0,11 ld.

Es stellte sich heraus, dass es auch erwünscht ist, dass der elektrische Abstand untereinander nicht zu gross ist. Es wurde beispielsweise ein Versuch mit einer Antenne gemacht, die bei 3 GHz betrieben werden konnte und bei der ein Faserglasmaterial verwendet wurde mit einer dielektrischen Konstante entsprechend 4,8 als einziges Dielektrikum zwischen der Konfiguration und dem Erdleiter. Die Stärke des Dielektrikums wurde in Schritten von etwa 0,16 cm von 0,16 cm bis etwa 1,1 cm Stärke vergrössert: es wurde gefunden, dass die Verstärkung bei Dicken von 0,64 bis 0,80 cm am grössten war, was einem W ert 0,12 ld bzw. 0,15 ld entsprach.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Mikrowellenantenne mit einem aus dielektrischem Material bestehenden flachen Körper, auf dessen Oberseite eine Konfiguration aus leitenden Antennenelementen angeordnet ist, mit welchen eine Anzahl Speiseleitungen verbunden sind, und mit einem elektrisch leitenden flachen Körper, der parallel zu und über die ganze Unterseite des aus dielektrischem Material bestehenden flachen Körpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente derart angeordnet und durch Speiseleitungen gespeist sind, dass die Antenne ein linear polarisiertes Strahlungsdiagramm hat, und dass mindestens zwei der Antennenelemente durch eine erste Speiseleitung miteinander verbunden sind, die über nahezu die ganze Länge zwischen den beiden Antennenelementen mit der Polarisationsrichtung des Strahlungsdiagramms einen Winkel ungleich n jt/2, mit n = 0,1,2,..., einschliesst.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Speiseleitung sich unmittelbar zwischen den zwei Antennenelementen erstreckt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein drittes Antennenelement und die erste Speiseleitung miteinander durch eine zweite Speiseleitung verbunden sind, die sich über nahezu die ganze Länge zwischen dem dritten Antennenelement und der ersten Speiseleitung in einem Winkel ungleich n 7t/2, mit n = 0,1,2,..., gegenüber der Polarisationsrichtung erstreckt, der gegenüber dem Winkel zwischen der ersten Speiseleitung und der Polarisationsrichtung um diese Polarisationsrichtung gespiegelt ist.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Speiseleitung sich unmittelbar zwischen dem dritten Antennenelement und der ersten Speiseleitung erstreckt.