DE3531474A1 - Antennenspeisesystem - Google Patents

Description

353H74

Antennenspeisesystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speisesystem für Mikrostrip- bzw. Strip's line-Antennen mit mehreren Reihen miteinander verbundener Einzelstrahler, insbesondere für Doppler-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen, wobei zwei Speiseleitungen zur Energiezufuhr zu den Einzelstrahlerreihen vorgesehen sind.

Es sind Mikrostrip-Antennen für Doppler-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen bekannt, welche mehrere koplanare, zueinander parallele Reihen miteinander verbundener Einzelstrahler aufweisen, wobei zwei Speiseleitungen zur Energiezufuhr zu den Einzelstrahlerreihen von deren Enden her vorgesehen sind, welche sich in derselben Ebene wie die Einzelstrahlerreihen beiderseits derselben erstrecken und jeweils mit dem einen bzw. dem anderen Ende jeder Einzelstrahlerreihe verbunden sind, um eine einzige Antennenfläche zur Abstrahlung von vier Radarstrahlen zu bilden (DE-OS 33 17 693).

Man kann zwei derartige Antennen zu einer Mikrostrip-Antenne vereinigen, indem man sie derart miteinander verschachtelt, daß sie praktisch nicht mehr Platz einnehmen als jede der beiden Einzelantennen, und indem man letzteren jeweils nur eine Speiseleitung zuordnet, so daß an jeder der beiden koplanaren Antennenfia'chen nur zwei Radarstrahlen abgestrahlt werden. Diese Mikrostrip-Antenne liefert also auch insgesamt vier Radarstrahlen und stellt sozusagen eine im Abstand geduplexte. Antenne dar, wobei derselbe Bereich zum Senden und zum Empfangen benutzt wird. Allerdings muß eine Durchführungsverbindung zwischen einer Speiseleitung und der zugehörigen Gruppe von Einzelstrahlerreihen vorgesehen werden, welche

™ zu Signal Verlusten und Fehlanpassungen entlang der Speiseleitung führt, einigermaßen verwickelt und aufwendig in der Herstellung ist und somit die Antennenkosten erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenspeisesystem der 3-5 eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem diese Nachteile vermieden sind.

BAD

'""**■' '"'■"' 353U74

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antennenspeisesystems sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.
5

Die Entwicklung der Mikrostrip- und Stripline-Technik hat zu immer verwickeiteren übertragungsleitungsschaltungen geführt. Mit wachsender Schaltungspackungsdichte wird die Ubertragungsleitungsauslegung und -führung immer schwieriger, wobei es sich nicht immer vermeiden läßt, daß Signalkanäle einander geometrisch kreuzen müssen. Dazu hat man in Hybridtechnik ausgeführte, viertorige Netzwerke entwickelt, welche das gegenseitige Kreuzen zweier Signalbahnen bei hoher gegenseitiger Isolierung ermöglichen ("A Microstrip and Stripline Crossover Structure" von Wight in "IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Mai 1976, Seiten 270 ff.).

Es ist bekannt, daß die Signale an den beiden Ausgangstoren eines Verzweigungsarmshybrids gegenseitig um 90 phasenverschoben sind und ihre Größe dem 1/ ~f 2-fachen der Größe des einfallenden Signals entspricht. Bei der Kaskadenschaltung zweier solcher Bauelemente tritt das Signal nur am Diagonaltor des Verbundbauteils aus, theoretisch ohne Einführungsverlust, während an den beiden restlichen Toren nur sehr wenig Energie austritt, so daß sich eine hohe Isolierung zwischen zwei einander kreuzenden Signalkanülen erzielen la'ßt. Die für eine Odß-Kreuzung geeignete Bandbreite »st durch das Produkt der Wobbeikennwerte für die beiden Bauelemente

2*> bestimmt und kann durch Verwendung von Mehrsektionsbauelementen vergrößert werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bekannten Mikrowellenbzw. Mikrostrip-Bauteile, welche das gegenseitige Kreuzen von Mikrostrip-Ubertragungsleitungen in einem schmalen Frequenzband bei einer beträchtlichen gegenseitigen Isolierung von beispielsweise ^O dB erlauben, auch in Antennenspeisesystemen verwendet werden können, um zwei Speiseleitungen an einem Antennenende einander ohne ins Gewicht fallende Wechselwirkung kreuzen zu lassen. Beim Einsatz eines solchen Kreuzungsbauteils an jeder Verbindungsstelle zwischen dem Speisesystem und den Einzelstrahlerreihen

BAD ORIGINAL

10	Fig.	1
	Fig.	2a
15
	Fig.	2b

~⁵' " "' 353U74

einer Antenne, bei welcher die Einzelstrahlerreihen in zwei miteinander in einer Ebene verschachtelten Gruppen aufgeteilt sind, ist der unabhängige Betrieb der beiden Wanderwellenspeiseleitungen durchaus gewährleistet und wird es möglich, die gesamte Antenne, einschließlich des Speisesystems, in ein und derselben Ebene anzuordnen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt schematisch:

einen Teil einer bekannten Antenne;

die erste Gruppe von vorwärts strahlenden Einzelstrahlerreihen einer anderen Antenne sowie die beiden an der davon gebildeten Antennenfläche abgestrahlten Radarstrahlen;

die zweite Gruppe von rückwärts strahlenden Einzelstrahlerreihen derselben Antenne, welche mit den Einzelstrahlerreihen der ersten Gruppe gemäß Fig. 2a verschachtelt sind, sowie die beiden an der davon gebildeten Antennenfläche abgestrahlten Radarstrahlen;

einen Teil der Antenne gemäß Fig. 2a und 2b;

das Speisesystem der Antenne gemäß Fig. 2a und 2b;

ein Kreuzungsbauteil, welches bei der erfindungsgemäßen Antenne verwendet wird;

einen Prüfling des Kreuzungsbauteils gemäß Fig. 5;
eine Serpentinenspeiseleitung;

eine aus einer Kette von Kreuzungsbauteilen gemäß Fig. 5 bestehende Speiseleitung; und

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Antenne.

BAD ORIGINAL-

20	Fig.	3
	Fig.
25	Fig.	5
	Fig.	6
30	Fig.	7a
	Fig.	7b
35

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Mikrostrip-Antenne gemäß DE-OS 33 17 693 ist eine Speiseleitung 1 mit mehreren koplanaren, zueinander parallelen Reihen von Einzelstrahlern 2 verbunden, welche jeweils als ein an den Kanten Energie abstrahlender Halbwellenresonator ausgebildet und durch Phasenglieder 3 miteinander verbunden sind. Die Einzelstrahlerreihen sind jeweils durch einen zweistufigen Transformator ^li an die aus einer Reihe von Phasengliedern 5 gleicher La'nge bestehende Speiseleitung 1 angeschlossen, welche eine Wanderwellenbaueinheit mit Breitbandbegrenzung nur durch den übertragungsweg und die Strahlerbandbreite darstellt, wobei der hohe Gütefaktor Q der Einzelstrahler 2 die Bandbreite auf wenige Prozent der Betriebsfrequenz begrenzt.

Zur Steuerung der Radarstrahlbreite und -gestalt sowie des Seitenkeulenniveaus muß die von jedem Einzelstrahler 2 abgestrahlte Energie genau eingestellt werden, welche zu der mit der Wellenlänge, der Leitungsimpedanz und der Einzelstrahlcrbreite verknüpften Einzelstrahlcrleitfähigkcit proportional ist. Die Phasenglieder 3 der Einzelstrahlcrreihen bestimmen den Radarstrahlwinkel bezüglich der Achse der Einzelstrahlerreihen, die Phasenglieder 5 der Speiseleitung 1 den Radarstrahlwinke] in der zu den Einzelstrahlerreihen senkrechten Ebene. Die zweistufigen Transformatoren U bestimmen die von der Speiseleitung 1 in die jeweilige Einzelstrahlerreihe abgezweigte Energie. An jeder Stelle der Speiseleitung 1 steht soviel Energie zur Verfügung, wie der gesamten Eingangsenergie abzüglich der von allen vorgeschalteten Einzelstrahlerreihen abgezogenen Energie entspricht.

Zwei Antennen gemäß Fig. 1 können derart miteinander verschachtelt werden, daß die Antennenflächen in derselben Ebene übereinander liegen, und jeweils an nur eine Speiseleitung angeschlossen werden, so daß an jeder Antennenfläche nur zwei Radarstrahlen abgestrahlt werden.

in Fig. 2a und 2b sind die beiden Antennenflächen einer solchen Antenne vereinfacht wiedergegeben, ebenso wie die zugehörigen Radarstrahlen Nr. 1 bis U. Die Antennenfläche gemäß Ftg. 2a besteht aus einer ersten Gruppe von 24 koplanaren, zueinander parallelen,' vorwärts strahlenden Einzelstrahlerreihen Aj bis A-^, welche an eine einzige rückwärts strahlende Speiseleitung 10 mit zwei Speiseeingängen 28 und 29 angeschlossen sind,

BAD ORIGINAL

'~'⁷~ """" 353.U74

die Antcnnenfla'che gemäß Fig. 2b aus einer zweiten Gruppe von 2k koplanaren, zueinander parallelen, rückwärts strahlenden Ein/.clstrahlerreiherr A¹. bis A'₂^» welche ebenfalls an eine einzige rückwärts strahlende Speiseleitung 18 mit zwei Speiseeingängen 2k und 30 angeschlossen sind. Die vier Speiseeinginge 28, 29, 30 und 2k werden nacheinander beaufschlagt, um den Radarstrahl Nr. 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. k zustande kommen zu lassen. Eine fortschreitende Welle, welche in eine vorwärts/rückwärts strahlende Baueinheit eintritt, bewirkt bekanntlich einen vorwärts/rückwärts gerichteten Radarstrahl.

Die gegenseitige Verschachtelung der Einzelstrahlerreihen A. bis A-^ der ersten Gruppe, bei denen die Einzelstrahler durch große Phasenglieder miteinander verbunden sind, und der Einzelstrahlerreihcn A*. bis A'-. der zweiten Gruppe, bei denen die Einzelstrahler durch kleine Phasenghedcr miteinander verbunden sind, geht aus Fig. 3 hervor. Sie sind in derselben Ebene so miteinander verschachtelt, daß die Einzelstrahlerreihen A. bis A-* der ersten Gruppe die geradzahligen Reihen und die Einzelstra.hlerreihen A¹. bis A'-^ der zweiten Gruppe die ungeradzahligcn Reihen der
Antenne bilden. Dabei sollte der gegenseitige Abstand d einander benachbarter Einzelstrahlcrreihen A*. und A. bzw. A. und A¹- bzw. ... so groß wie möglich gehalten werden, um eine gute Isolierung zwischen den beiden gesonderten Antennen!lachen zu erhalten, was allerdings mit die Steuerung der Radarstrahlgestalt erschwerenden lk'sc hrankungen hinsichtlich der E»n/elstrahlerbreite verbunden ist, so daß insoweit ein Kompromiß eingegangen werden muß, um eine solche Einzelstrahlerbreite zu erhalten, wie für eine zufriedenstellende Funktionsweise der Antenne im Hinblick auf das "t* -Bild, Seitenkeulen und den Überwassernullabgleichfehler erforderlich.

Gemäß Fig. 4 sind die erste Gruppe von Einzelstrahlerreihen A-. und A-. und die zweite Gruppe von Einzelstrahlerreihen A¹. bis Α'₂· als geätzte gedruckte Schaltung 6 ausgebildet, desgleichen die beiden Speiseleitungen 10 und 18 als geätzte
gedruckte Schaltung 17 bzw. 17'. Die gedruckte Schaltung 6 und die gedruckte Schaltung 17 sind koplanar angeordnet, wobei letztere über zweistufige Transformatoren mit den vorwärts strahlenden Einzelstrahlerreihen A. bis A-^ der gedruckten Schaltung 6 verbunden ist. Beispielsweise ist zwischen

BAD ORIGINAL

der Einzelstrahlcrreihe A. und der zugehörigen Verknüpfungsstelle 8 der Speiseleitung IO ein zweistufiger Transformator 19, 19a vorgesehen. Der letzten Einzelstrahlerreihe A₂. auf der in Fig. Ί rechten Seite

ist die Verknüpfungsstelle 9 der Speiseleitung 10 zugeordnet.
5

Die Einzelstrahlerreihen A¹. bis A'_2i. der zweiten Gruppe müssen ohne Beeinflussung der Einzelstrahlerreihen A. bis A₂„ der ersten Gruppe zugänglich sein, so daß es erforderlich ist, die Speiseleitung IS der zweiten Gruppe von Einzelstrahlerreihen A'. bis Α'₂· in entsprechendem Abstand und ent- ^ sprechend isoliert anzuordnen. Daher sind die die Speiseleitung IS bildende gedruckte Schaltung 17' einerseits und die die Einzelstrahlerrcihen A. bis A-. der ersten Gruppe sowie die Einzelstrahlerreihen A'. bis A'-. der zweiten Gruppe bildende gedruckte Schaltung 6 und die die Speiseleitung 10 bildende gedruckte Schaltung 17 andererseits auf der einen bzw. der anderen Seite eines Substrates ausgebildet und Durchführungen durch das Substrat hindurch vorgesehen, um die gedruckte Schaltung 17' auf der einen Substratseite mit der zugehörigen zweiten Gruppe von rückwärts strahlenden Einzclstrahlerreihen A\ bis A'₂. auf der anderen Substratseite zu verbinden, auf deren in Fig. 4 unteren Speiseenden die gedruckte Schaltung 17* der zugehörigen Speiseleitung 18 ausgerichtet ist. Beispielsweise ist eine Durchführungszunge 34 am Speiseende der ersten Einzelstrahlerreihe A¹. auf der in Fig. 4 linken Seite mit einer fluchtenden Durchführungszunge

36 der gedruckten Schaltung 17* verbunden, wie in Fig. 4 mit einer gestrichelten Linie angedeutet, wobei die Durchführungszunge 36 durch einen leitenden Abschnitt 41 der gedruckten Schaltung 17' an einen zweistufigen Transformator 38, 40 angeschlossen ist, mittels welchem die an der dem Speiseeingang 24 der Speiseleitung 18 benachbarten Verknüpfungsstelle 27 abgezogene Energie der Einzelstrahlerreihe A'. zugeführt wird. In gleicher

Weise ist die dem anderen Speiseeingang 30 der Speiseleitung 18 benachbarte 30

Verknüpfungsstelle 32 der Speiseleitung 18 über einen zweistufigen Transformator 42, 44, einen leitenden Abschnitt 31 sowie eine Durchführungszunge 20 der gedruckten Schaltung 17', eine durch eine gestrichelte Linie angedeutete, durch das Substrat hindurchgeführte Verbindung und eine Durchführungszunge 21 am Speiseende der letzten rückwärts strahlenden Einzelstrahlcr-

BAD ORIGINAL

■~~⁹" '"""■"" 353H74

reihe A¹-, an dieselbe angeschlossen. Die Durchführungsverbindung zwischen der gedruckten Schaltung 17' und den rückwärts strahlenden Einzelstrahlerreihen A¹. bis A' der gedruckten Schaltung 6 erfolgt mittels Durchführungsstiften, welche die miteinander fluchtenden Durchführungszungen derselben miteinander verbinden und jeweils eine Durchführungsbohrung des Substrates durchsetzen.

Diese Konstruktion ist verhältnismäßig verwickelt und einigermaßen aufwendig in der Herstellung. Auch führen die Durchführungsbohrungen zu elektrisehen Verlusten. All dieses läßt sich durch Verwendung der einleitend erwähnten Kreuzungsbauteile im Antennenspeisesystem vermeiden.

Fig. 5 zeigt ein solches viertoriges Kreuzungsbauteil bestehend aus zwei hybriden Einsektionsbauelementen in Kaskadenschaltung, welches einen Verlust geringer als 1,0 dB vom Eingangstor zum Diagonaltor und eine Isolierung größer als 20 dB bei der Mittenfrequenz vermittelt. Bei dem auf einem 3 M-217-Substrat ausgeätzten und mit einer 3,175 mm dicken Haube aus demselben Material bedeckten Prüfling gemäß Fig. 6 wurde ein Diagonaltorverlust von 0,18 dB, eine Welligkeit von 1,1 und eine Isolierung größer als 25 dB bei der Mittenfrequenz gemessen.

Fig. 7a veranschaulicht eine Serpentinenspeiseleitung und Fig. 7b gibt eine äquivalente Speiseleitung bestehend aus einer Kette von Kreuzungsbauteilen gemäß Fig. 5 wieder. Bei der Serpentinenspeiseleitung ist die den Radarstrahlwmkel bestimmende Phasenverschiebung zwischen den Punkten A und B zur Leitungsweglänge 1 proportional. Bei der anderen Speiseleitung gemäß Fig, 7b ist die Phasenverschiebung zwischen den Punkten C und D der Summe der Weglängen 1. und 1_ proportional, umfaßt jedoch auch die durch das zwischen den Punkten C und D liegende Kreuzungsbauteil bewirkte Phasenverschiebung von 270 , so daß es möglich ist, den Radarstrahlwinkel durch Änderung der Weglängen 1. und L unter Beibehaltung der Kreuzungsbauteilabmessungen zu verändern. Bei der Serpentinenspeiseleitung gemäß Fig. 7a wurde ein Einführungsverlust von 5,7 dB gemessen, bei der aus 22 Kreuzungsbauteilen bestehenden Speiseleitung gemäß Fig. 7b dagegen nur ein solcher von 4,6 dB, ferner eine Welligkeit von 1,06 bei einer Frequenz von 13,380 GHz.

BAD ORIGINAL

Fig. 8 verdeutlicht die erfindungsgemäße Verwendung einer Speiseleitung 52 gernäß Fig. 7b bei einer Antenne der in Fig. 4 gezeigten Art mit koplanaren, zueinander parallelen Einzelstrahlerreihen 48. Eine übliche Serpentinenspeiseleitung 46 dient zur Speisung der ungeradzahligen Einzelstrahlerreihen la bis Na über die miteinander verbundenen Kreuzungsbauteile 54 der Speiseleitung 52, welche ihrerseits die geradzahligen Einzelstrahlerreihen Ib bis Nb direkt speist. Die beiden Speiseleitungen 46 und 52 sowie die Einzelstrahlerreihen 48 sind in derselben Ebene angeordnet, wobei die Speiseleitungen 46 und 52 sich parallel zueinander quer vor den in Fig. 8 unteren Speiseenden der Einzelstrahlerreihen 48 erstrecken, und zwar die Serpentinenspeiseleitung 46 auf der den Einzelstrahlerreihen 48 abgewandten Seite der anderen Speiseleitung 52.

Die Kreuzungsbauteile 54 der Speiseleitung 52 sind durch leitende Abschnitte 56 miteinander verbunden, wobei jedes Paar einander benachbarter Abschnitte 56 an die beiden zusammengehörigen, einander diagonal gegenüberliegenden Tore 58 und 60 des zwischengeschalteten Kreuzungsbauteils 54 angeschlossen sind. Das Tor 58 des an dem in Fig. 8 linken Ende der Speiseleitung 52 vorgesehenen Kreuzungsbauteils 54 ist mit,einem ersten Toranschluß 71 verbunden, das Tor 60 des an dem in Fig. 8 rechten Ende der Speiseleitung 52 vorgesehenen Kreuzungsbauteils 54 mit einem zweiten Toranschluß 72. Die geradzahligen Einzelstrahlerreihen Ib, ... sind jeweils an einen Abschnitt 56 angeschlossen, abgesehen von der letzten geradzahligen Einzelstrahlerreihe Nb auf der in Fig. 8 rechten Antennenseite, welche unmittelbar mit dem zweiten Toranschluß 72 verbunden ist.

Die beiden anderen zusammengehörigen, einander diagonal gegenüberliegenden Tore 61 und 64 jedes Kreuzungsbauteils 54 der inneren Speiseleitung 52 sind jeweils an die äußere Serpentinenspeiseleitung 46 bzw. eine ungeradzahlige Einzelstrahlerreihe la bzw. . . . bzw. Na angeschlossen. Die beiden Enden 62 und 65 der Serpentinenspeiseleitung 46 sind jeweils mit einem dritten Toranschluß 74 bzw. einem vierten Toranschluß 73 verbunden, ferner mit dem Tor 61 des benachbarten endständigen Kreuzungsbauteils 54 der Speiseleitung 52. Zur Phasenkorrektur weist die Serpentinenspeiseleitung 46 in der Mitte vergrößerte Serpentinenbögen 66 auf.

BAD ORIGINAL

353H7A

Bei einer Betriebsfrequenz i^ von 13,325 GHz ergibt sich zwischen je zwei Toren die nachstehende Isolierung:

Tore	1-2	1-3	1-4	2-3	2-4	3-4
Isolierung (dB)	27	28	35	35	32	30

Durch Messung des durch Ableitung in die isolierten Einzelstrahlerreihen 48 hervorgerufenen Strahlungsniveaus wurde eine Isolierungsbandbreite der Speiseleitung 52 von 200 bis 400 MHz festgestellt. Es kommen Strahlungsdiagramme zustande, welche sehr genau mit denjenigen übereinstimmen, die sich bei üblichen Speiseleitungen ergeben.

Das erfindungsgemäße Speisesystem kann bei jeder Antenne mit zwei miteinander verschachtelten Gruppen von Einzelstrahlerreihen verwendet werden, deren beide Antennenflächen von einem Antennenende her gespeist werden müssen. Zusätzlich zu den durch das erfindungsgemäße Speisesystem erzielten Vorteilen bleiben die hohe Empfangs-/Sende-Isolierung und Temperaturkompensation solcher Antennen erhalten.

BAD ORlGSNAL-

Claims (5)

"PATENTANWALT' "" ~ γ ο λ ι η DIPL.-ING. WOLF D. OEDEKOVEN ^ D ό' ^ ' 03.09.1985 l/Da THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 0690», U.S.A. Patentansprüche 10

1. Speisesystem für Mikrostrip- bzw. Stripline-Antennen mit mehreren Reihen miteinander verbundener Einzelstrahler, insbesondere für Doppier-Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder dergleichen, wobei zwei Speiseleitungen zur Energiezufuhr zu den Einzelstrahlerreihen vorgesehen sind, dadurch gekennze ichnet , daß

a) die eine Speiseleitung (52) aus einer Kette von Kreuzungsbauteilen (54) zur gegenseitig isolierten übertragung eines ersten Signals zwischen einem ersten Tor (58) und einem zweiten Tor (60) sowie eines zweiten Signals zwischen einem dritten Tor (61) und einem vierten Tor (6») besteht und

b) die Kreuzungsbauteile (54) an den ersten und zweiten Toren (58 bzw. 60) miteinander sowie mit einer ersten Gruppe von Einzelstrahlerreihen (Ib bis Nb), an den dritten Toren (61) mit der zweiten Speiseleitung (46) und an den vierten Toren (64) mit einer zweiten Gruppe von Einzelstrahlerreihen (la bis Na) verbunden sind.

2. Speisesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Einzelstrahlerreihen (Ib bis Nb) und die zweite Gruppe von Einzelstrahlerreihen (la bis Na) miteinander verschachtelt sind.

353U74

3. Speisesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Speiseleitungen (52, 46) sich quer zu einem Ende der Gruppen von Einzelstrahlerreihen (Ib bis Nb, la bis Na) erstrecken.

5 4. Speisesystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennze ichn e t, daß die Speiseleitungen (52, 46) und die Gruppen von Einzelstrahlerreihen (Ib bis Nb, la bis Na) in derselben Ebene angeordnet sind.

5. Speisesystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch g e k e η n-10 zeichnet, daß die zweite Speiseleitung (46) als Serpentine ausgebildet ist.