DE4120439A1 - Flachantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachantenne, insbesondere für Satelliten-Rundfunkempfang, mit einer Strahleranordnung und einer eine Ankoppelvorrichtung aufweisenden Speiseeinrichtung.

Flachantennen dieser Art sind beispielsweise aus einem Pro­ spekt der Firma Matsushita oder der DE 40 26 432 A1 bekannt. Derartige Flachantennen weisen eine Strahleranordnung auf, die sowohl als Einzelstrahler als auch aus einer Anordnung von Strahlerelementen bestehen kann, die beispielsweise Dipole, kleine Flächen verschiedener Form, sogenannte Patches, leiten­ de Flächen oder duale Strahlerelemente, z. B. Schlitze, Kreise usw., sein können.

Speiseeinrichtungen bestehen bei den herkömmlichen Flachanten­ nen entweder aus verzweigten, zu jedem Strahlerelement führen­ den Leitungen (Koaxial-, Hohl- oder Streifenleiter) in Form einer Baumstruktur oder sie können aus einer wenigstens eine Ankoppelvorrichtung aufweisende Speiseleitung in Form von Ko­ axial- oder Hohlleitern und/oder einer Hohlleiter-Radiallei­ tung gebildet sein, wie dies beispielsweise in der DE 40 26 432 A1 beschrieben ist.

Für die Konzeption von Flachantennen besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Vorkehrungen zu treffen, daß die Hauptstrahlrich­ tung der Antenne nicht senkrecht auf der Antennenanordnung bzw. der Antennenapertur steht, sondern daß die Hauptstrahl­ richtung zur Normalen der Antennenanordnung bzw. der Antennen­ apertur in einem gewissen Winkel verschwenkt ist. Im erwähnten Prospekt der Firma Matsushita ist daher auch angegeben, daß die Flachantenne nicht nur mit einem Strahlwinkel von 0°, also mit einem auf der Antennenanordnung senkrecht stehenden Strahl, sondern auch mit einem als Strahlen-Schielwinkel be­ zeichneten Stahlwinkel von 12° geliefert werden kann. Dieser Strahlwinkel ist dabei fest vorgegeben und kann nicht ver­ ändert werden.

Eine andere Möglichkeit, den Strahlwinkel gegenüber der Norma­ len der Antennenapertur ungleich Null zu machen, ist in der DE 40 26 432 A1 beschrieben, bei der ein um einen Winkel Φ zur Apertur-Normalen geneigter Strahl durch eine unsymmetrische, sich in entgegengesetzten Richtungen ausbuchtenden Anordnungen der Abschlußschlitze und/oder der Abstrahlungsschlitzpaare er­ reicht wird. Die Strahlneigung wird dabei durch entsprechende Maßnahmen in der Wahl der Erregerstrukturen, der Lage der Strahlerelemente und durch entsprechende Wahl der Länge der Speiseleitungen, also sogenannten Design-Maßnahmen erreicht, wodurch für die Flachantenne eine feste Strahlneigung oder -schwenkung bewirkt wird. Diese Strahlneigung ist jedoch für jeden Antennentyp vorgegeben und nach Fertigung der Antenne nicht veränderbar.

Aus dem Aufsatz "Experimentalsytem einer Empfangsgruppenanten­ ne mit digital erzeugtem Gruppendiagramm" von U. Petri, A. Schlaud, D. Brogmann, abgedruckt in NTO-Fachberichte 78, Seiten 21-25, VTE-Verlag 1982, ist eine Flachantenne in Form einer phasengesteuerten Gruppenantenne, einem sogenannten Phased Array, im Zusammenhang mit Radarsystemen bekannt, bei der durch Phasenschieber die Phasenverhältnisse in der Speise­ einrichtung bzw. im Speisenetzwerk verändert und dadurch wäh­ rend des Antennenbetriebs eine Strahlwinkeländerung erreicht werden kann. Derartige Schaltungsanordnungen sind im profes­ sionellen, insbesondere Militärbereich, vorgesehen. Abgesehen von der Tatsache, daß die Phasenschieber zu viel zu großen Verlusten bei Flachantennen für den Satelliten-Rundfunkempfang führen würden, sind derartige Strahlschwenkungsschaltungen für den individuellen Gebrauch und für den Konsumbereich um Grö­ ßenordnungen zu teuer, so daß sie für die hier beschriebenen Antennen, die im DTH (Direct to Home)- oder im TVRO (TV Receive Only)-Anwendungsfall nicht verwendet werden können. Darüber hinaus wären derartige Anordnungen mit Phasenschiebern aus wirtschaftlichen Gründen auch deshalb nicht einsetzbar, weil bei den Flachantennen insbesondere für Satelliten-Rund­ funkempfang nur eine einmalige Einstellung bei der Anbringung der Antenne und nicht eine ständige Strahlwinkelschwenkung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flachan­ tenne zu schaffen, deren Strahlwinkel auf sehr einfache Weise bei der Montage den örtlichen Gegebenheiten auf einfache Weise angepaßt und im Hinblick auf eine möglichst genaue Ausrichtung des Antennendiagramms auf die Strahlungsquelle, etwa den Sa­ telliten, auf einfache Weise verändert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahleranordnung und die Speiseeinrichtung relativ zuein­ ander in ihren Lagen veränderbar sind.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die Strahleranordnung und die Speiseeinrichtung der Flachantenne zueinander lageveränderbar anzuordnen, ermöglichen es auf einfache Weise, die Flachan­ tenne hinsichtlich der Ausrichtung des Antennendiagramms auf die Strahlquelle, etwa auf einen bestimmten Satelliten, mit einfachsten Mitteln zu korrigieren und damit einen optimalen Empfang zu erreichen. Dabei wird durch die Veränderung der Lage der Strahlanordnung und der Speiseeinrichtung zueinander dem Antennendiagramm eine Unsymmetrie gegeben, die die Strahl­ schwenkung bewirkt. Zwar verringert sich der Antennengewinn durch derartige Unsymmetrien. Ein solcher Antennenverlust kann jedoch im praktischen Falle ohne weiteres toleriert werden, wenn sich die Korrekturen an der Ausrichtung im Bereich weniger Halbwertbreiten bewegen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Lage der Strahleranordnung und der Speiseanordnung in zueinander parallelen Ebenen, also senkrecht zur Normalen der Flächenantenne, einstellbar ist. Durch seitliches Verschieben der Speiseeinrichtung, beispielsweise eines Speisenetzwerkes im Falle einer Streifenleitungsverzweigung, oder einer Radial­ leitung im Falle einer runden Antenne, ergibt sich ein kon­ tinuierlicher Phasen-Offset über der Antennenoberfläche, wo­ durch die Strahlrichtung der Antenne sich proportional zu diesem Phasen-Offset neigt, und zwar wird das Antennendiagramm in Richtung des nacheilenden Stromes gezogen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lage der Strahleranordnung und der Speiseeinrichtung zueinander in horizontaler Richtung einstellbar. Anstelle oder zusätzlich zu einer horizontalen Lageveränderung ist es jedoch auch möglich, eine vertikale Lageveränderung zwischen der Strahleranordnung und der Speiseeinrichtung vorzusehen. Diese Ausführungsformen betreffen insbesondere Flachantennen, die senkrecht an Hauswänden angeordnet sind, sodaß durch eine horizontale Lageänderung eine Azimut-Strahlschwenkung und/oder durch eine vertikale Lageänderung eine Elerations-Strahl­ schwenkung vorgenommen werden kann.

Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit besteht jedoch auch darin, daß die Lageeinstellung der Strahleranordnung und der Speiseeinrichtung zueinander in einer zur Antennenan­ ordnung geneigten Ebene erfolgt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be­ steht darin, daß die Lage der Einkoppelvorrichtung senkrecht zur Ebene der Strahleranordnung einstellbar ist. Die Einkop­ pelvorrichtung, also der Ankoppelpunkt, wird demgemäß also mechanisch verschoben, so daß dadurch wiederum eine Unsymme­ trie des Antennendiagramms und damit eine Strahlschwenkung erreicht wird. Die Verschiebung kann linear, im Falle einer sogenannten "Radial Line Slot Antenna" (RLSA) in radialer Richtung so verschoben werden, daß die Schwenkung des Anten­ nenstrahls zur Ausrichtung auf die Strahlenquelle optimiert wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Einkoppelvorrichtung eine verstellbare Kugelkalotte auf. Eine solche Kugelkalotte vereinfacht die Einstellung der Einkoppel­ vorrichtung bzw. des Ankoppelpunktes. Die Ausführungsform mit einer Kugelkalotte hat weiterhin den Vorteil, daß im Hinblick auf eine gute Abschirmung ein guter elektrischer Kontakt er­ reicht und ein wetter- und umweltgeschützter Verschluß reali­ siert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird im Zusammenhang mit einer Flachan­ tenne, bei der ein dielektrischer Körper vorgesehen ist, be­ sonders vorteilhaft erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß der dielektrische Körper in seiner Lage veränderbar ist. Durch die Lageänderung des dielektrischen Körpers, der als dielek­ trisches Verzögerungsglied wirkt, wird wiederum eine Unsymme­ trie in der Anregungsstruktur der Flachantenne und damit eine Strahlschwenkung des Antennendiagramms erreicht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Flachantenne mit dielektrischem Körper ist dieser exzentrisch gelagert und drehbar. Insbesondere im Zusammenhang mit der erwähnten RLSA-Antenne ist lediglich durch Verdrehen des exzentrisch gelagerten dielektrischen Körpers eine beliebige Verschwenkung des Antennenstrahls in der gewünschten Weise möglich.

Insbesondere auch bei Flachantennen, die ab Werk mit fest ein­ gestellten Strahlwinkeln für einen einzigen speziellen Emp­ fangsfall versehen sind, ist die Verwendung der erfindungsge­ mäßen Maßnahmen sehr vorteilhaft, da dadurch auf einfache Wei­ se eine Nachjustierung zur optimalen Ausrichtung der Antenne möglich ist, was früher nur durch mechanisches Verschwenken der gesamten Antenne möglich war. Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist es möglich, Flachantennen, die vom Werk aus eine Grundeinstellung der Strahlungsrichtung aufweisen, an beliebi­ gen Stellen, beispielsweise auch an einer Hauswand, zu montie­ ren, wobei in dieser Lage dann auf einfache Weise die Feinein­ stellung nach den örtlichen Gegebenheiten, etwa nach der geo­ graphischen Lage unterschiedlicher Elevationen und Azimuts durchgeführt werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß unter den Begriff "Flachan­ tenne" nicht nur eine vollkommen flache Antenne, sondern auch eine Antenne mit einer Antennenapertur zu verstehen ist, die eine mehr oder weniger gekrümmte äußere Oberfläche haben kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeipielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Flachantenne mit einem Streifenleitungsverzweigun­ gen aufweisenden Speisenetzwerk als Speiseeinrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer achssymmerischen Flachantenne vom sogenannten RLSA-Typ mit einem dielek­ trischen Körper und

Fig. 3 eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flachantenne mit einer Kugelka­ lotte als Verstelleinrichtung.

Die in Fig. 1 schmatisch dargestellte quadratische oder recht­ eckförmige Flachantenne besteht aus einer Strahleranordnung 1 mit Schlitzen als Strahlerelemente 2, einer Speiseeinrichtung 3 in Form eines Speisenetzwerks mit sich verzweigenden Strei­ fenleitungen 4 und einer Einspeisestelle 5.

Bei einer herkömmlichen Flachantenne dieser Art befinden sich alle Strahlerelemente 2 in einer vorbestimmten Lage entsprech­ end einer geeigneten Phasenlage, so daß die Strahlerelemente 2 entsprechend dieser Phasenlage, die zur Erzeugung einer vorbe­ stimmten Strahlrichtung der Antenne benötigt wird, erregt wer­ den. Um die Antenne bei der Installation genau auf eine Strah­ lungsquelle, beispielsweise einen Satelliten, einstellen zu können, um also in der gewünschten Weise eine Strahlschwenkung zu erzeugen, wird die Speiseeinrichtung 3 gegenüber der Strah­ leranordnung 1 bei dieser Ausführungsform der Erfindung seit­ lich verschoben, so daß sich eine geänderte Phasenlage ergibt und dadurch die Strahlrichtung der Antenne entsprechend dieser geänderten Phasenlage bzw. diesem Phasen-Offset einen Schwenk ausführt. Der Schwenk erfolgt dabei so, daß das Antennendia­ gramm in Richtung des nacheilenden Stromes gezogen wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Flachantenne mit einer Speise­ einrichtung 3 in Leitungstechnik ist daher vorzugsweise vorge­ sehen, die Struktur der an das Speisenetzwerk der Speiseein­ richtung 3 angekoppelten Strahlerelemente 2 in transversaler Richtung zu verschieben, um auf diese Weise eine Strahlschwen­ kung durch eine unsymmetrische Ankopplung zu bewirken.

Die in Fig. 2 dargestellte kreisförmige Flachantenne, eine sogenannte "Radial Line Slot Antenna" (RLSA) weist eine kreis­ förmige Strahleranordnung 11 mit Strahlerelementen 12 in Form von Schlitzen sowie eine Speiseeinrichtung 13 in Form eines Hohlwellenleiters und eine Einspeisestelle 14 mit einer An­ regung über ein Koaxialkabel 15 auf. In der Speiseeinrichtung 13 befindet sich ein dielektrischer Körper 16, der exzentrisch gelagert und verdrehbar ist. Da der dielektrische Körper 16 als Verzögerungsglied wirkt und bezüglich der Einspeisestelle 14 unsymmetrisch ist, ergibt sich eine Verzögerung der anre­ genden Welle in vornehmlich einer Richtung und damit die ge­ wünschte Strahlschwenkung des Antennendiagramms. Durch die Verwendung des dielektrischen Körpers 16, der in unsymmetri­ scher Weise die Anregungsstruktur der RLSA verändert, ergibt sich wiederum eine einfache Einstellung der Flachantenne auf eine Strahlungsquelle durch Schwenken des Antennenstrahls. Durch die Ausbildung des dielektrischen Körpers 16 als elektrisch gelagertes Teil ist es durch dessen Verdrehen möglich, die Einstellung und Feinjustierung auf einfache Weise durchzuführen.

In diesem Zusammenhang sei lediglich der Vollständigkeit halber erwähnt, daß eine Schwenkung des Antennenstrahls auch auf einfache Weise durch Verschieben der Einspeisestelle der RLSA in radialer Richtung bewirkt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäs­ sen Flachantenne mit einer Schlitze 22 aufweisenden Strahler­ anordnung 21, einer Speiseeinrichtung 23 in Form eines Hohl­ leiters und einer Einspeiseöffnung 24, die in einer Kugelka­ lotte 25 vorgesehen ist. Eine Verstellung der Einspeiseöffnung 24 und damit die Feinjustierung der Strahlrichtung der Antenne kann dabei auf einfachste Weise durch Verdrehen der Kugelka­ lotte 25 mit der Speiseeinrichtung 23 vorgenommen werden. Die Verstellung der Kugelkalotte 25 ist auf einfache Weise von außen möglich. Darüber hinaus ist die Kugelkalotte 25 gut und zuverlässig elektrisch mit der Speiseeinrichtung 23 kontak­ tiert, was für die Abschirmung wichtig ist. Auch ein umwelt­ und wettersicherer Verschluß kann durch die Verwendung einer Kugelkalotte auf einfache Weise erreicht werden.

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsformen be­ schrieben. Dem Fachmann sind Abweichungen und Ausgestaltungen der Erfindung möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Wie die jeweilige technische Ausgestaltung für die verschiedenen Anwendungsfälle auch durchgeführt wird, die Strahlerelemente werden in ihrer elektrischen Lage zur Ein­ stellung und Justierung der Antennenstrahlrichtung gegenüber der Speiseeinrichtung, die normalerweise ein Speisnetzwerk ist, jeweils verändert. Die elektrischen Weglängen zwischen dem Einkoppelpunkt und einem Teil der Strahlerelemente werden im Vergleich zum gegenüberliegenden Teil der Strahlerelemente auf der Strahleranordnung bzw. der Strahlerelementenfläche dabei unterschiedlich eingestellt, so daß dadurch eine Änderung der Phasenlage, die zur Erzeugung einer Strahl­ richtung der Antenne erforderlich ist, verändert wird.

Claims (10)

1. Flachantenne, insbesondere für den Satelliten-Rundfunk­ empfang, mit einer Strahleranordnung und einer eine Ankop­ pelvorrichtung aufweisende Speiseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleranordnung (1, 11, 21) und die Speiseeinrichtung (3, 13, 23) relativ zuein­ ander in ihren Lagen veränderbar sind.

2. Flachantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Strahleranordnung (1, 11, 21) und der Speiseeinrichtung (3, 13, 23) in zueinander parallelen Ebenen einstellbar ist.

3. Flachantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lage der Strahleranordnung (1, 11, 21) und der Speiseeinrichtung (3, 13, 23) zueinander in horizontaler Richtung verstellbar ist.

4. Flachantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Strahleranordnung (1, 11, 21) und die Speiseeinrichtung (3, 13, 23) zueinander in vertikaler Richtung einstellbar ist.

5. Flachantenne nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Strahleranordnung (1, 11, 21) und der Speiseeinrichtung (3, 13, 23) zueinander in einer zur Antennenanordnung (1, 11, 21) geneigten Ebene einstellbar ist.

6. Flachantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Speiseinrichtung eine Zuleitung und eine Hohl­ leiter-Radialleitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Ankoppelvorrichtung senkrecht zur Ebene der Strahleranordnung (1, 11, 21) angeordnet ist.

7. Flachantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelvorrichtung zur Flächennormalen der Antennenanordnung (1, 11, 21) geneigt einstellbar ist.

8. Flachantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelvorrichtung eine verstellbare Kugelkalotte (25) aufweist.

9. Flachantenne insbesondere für Satelliten-Rundfunkempfang mit einer Strahleranordnung und einer eine Koppelvorrich­ tung und einen dielektrischen Körper aufweisenden Speise­ einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (16) in seiner Lage veränderbar ist.

10. Flachantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (16) exzentrisch gelagert und drehbar ist.