DE69417106T2

DE69417106T2 - Ebene Antenne

Info

Publication number: DE69417106T2
Application number: DE69417106T
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley New South Wales 2122 Bird; John Seward New South Wales 2097 Kot; Nasiha New South Wales2122 Nikolic
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE69417106D1; JPH07170118A; US5714961A; EP0632523B1; EP0632523A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare planare Antenne, gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1, mit einem Strahlungsmuster, das in Seiten- und Höhenrichtung gesteuert werden kann. Solch eine Antenne ist in CA-A-1305249 offenbart.
Die bevorzugte Ausführungsform der beschriebenen Antenne findet insbesondere Anwendung in einem drahtlosen lokalen Netzwerk (WLAN) betrieben zwischen 30 und 300 GHz, bevorzugt bei etwa 60 GHz. Eine solche Antenne spielt eine wichtige Rolle bei der Kommunikation zwischen tragbaren Rechnereinheiten und/oder -zubehör mit dem restlichen lokalen Netzwerk. In einer solchen Anwendung ist eine Antenne mit einem "Richtstrahl" (Strahlungsmuster) wünschenswert, das in Seitenrichtung elektronisch gesteuert werden kann. Alternativ dazu kann die Steuerungseigenschaft dazu benutzt werden, eine sich anpassende Antenne zu verwirklichen, die in Umgebungen mit einem interferierenden Signal benutzt werden kann, so daß in diesem Fall der strahlungsfreie Punkt des Antennenrichtstrahls elektronisch gesteuert werden kann, um Interferenzeffekte, die durch ein Störsignal verursacht werden, zu minimieren. Es ist darüberhinaus wünschenswert, bei Bedarf das Richtstrahlmuster in Höhenrichtung modifizieren zu können.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, solch eine Antenne zu verwirklichen.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine steuerbare, planare Antenne offenbart, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht auf einem dielektrischen Substrat, wobei die leitfähige Schicht eine Mehrzahl, L, von koaxial, ringspaltförmigen Strahlungselementen definiert, die durch die Schicht hindurchgehend ausgebildet sind, und mit einer regelbaren Signalzuführeinrichtung, die mit jedem der Ringspaltelemente verbunden ist, wobei die Zuführeinrichtung auf jedem der ringspaltförmigen Strahlungselemente getrennte Resonanzmoden erregt, wobei die erregte Mode von der Geometrie des jeweiligen Ringspaltstrahlungselementes abhängt, die Strahlung aufgrund der Resonanzmoden durch Überlagerung im Fernfeldbereich sich so kombiniert, daß sie ein Strahlungsmuster in Seiten- und Höhenrichtung erzeugt, und wobei die Zuführeinrichtung so regelbar ist, daß die relative Phase zwischen jeder der Resonanzmoden so eingestellt wird, daß dadurch das Strahlungsmuster in Seitenrichtung gesteuert wird, und dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung selektiv K von L Strahlungselementen versorgt, wobei K im Bereich zwischen 1 und L liegt, und weiterhin so regelbar ist, daß die relative Amplitude der erregten Moden derart eingestellt wird, daß das Strahlungsmuster in Höhenrichtung gesteuert wird.
Die Erfindung beschreibt darüberhinaus ein drahtloses lokales Netzwerk mit einer Vielzahl von solch beschriebenen planaren Antennen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektronischen Steuern des Fernfeldstrahlungsmusters einer planaren Antenne in Höhen- und in Seitenrichtung, wobei die Antenne eine elektrisch leitfähige Schicht auf einem dielektrischen Substrat definiert, die leitfähige Schicht eine Mehrzahl, L, von ringspaltartigen Strahlungselementen, die durch die Schicht durchgehend ausgebildet sind, aufweist, und daß sie eine steuerbare Signalzuführeinrichtung hat, die mit jedem der Ringspaltstrahlungselemente verbunden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erregen einer getrennten Resonanzmode auf jedem der Ringspaltelemente durch die Zuführeinrichtung, wobei die erregte Mode von der Geometrie der jeweiligen Ringspaltstrahlungselemente abhängt, und Strahlung durch Kombinieren der Resonanzmoden durch Überlagerung im Fernfeld derart, daß ein Strahlungsmuster in Seiten- und in Höhenrichtung erzeugt wird, wahlweises Einstellen der relativen Phase der erregten Moden durch die Zuführeinrichtung, um das Strahlungsmuster in Seitenrichtung zu steuern, und gekennzeichnet durch: Wahlweises Ansteuern zu K von L Strahlungselementen durch die Zuführeinrichtung, wobei K im Bereich von 1 bis L liegt, und wahlweises Einstellen der relativen Amplitude der erregten Moden, um das Strahlungsmuster in der Höhe zu steuern bzw. zu regeln.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsformen der Antenne der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Oberseite der Antenne einer Ausführungsform,
Fig. 2 eine ebene Rückansicht der Antenne von Fig. 1,
Fig. 3 eine Kennzeichnung der Winkel der Antennengeometrie,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines möglichen Höhenstrahlungsmusters einer Antenne mit einem Ringspalt,
Fig. 5 eine ebene Darstellung, die die Richtstrahlsteuerung in Seitenrichtung für eine Zweiringspaltantenne verdeutlicht,
Fig. 6A und Fig. 6B ebene Ansichten des azimuthalen bzw. Höhenstrahlungsmusters einer Antenne für die Moden n = + 1 und n = + 2,
Fig. 7A und Fig. 7B analog dazu azimuthales und Höhenstrahlungsmuster für die Moden n = + 2 und n = + 3,
Fig. 8A und Fig. 8B ebene Ansichten des azimuthalen und Höhenstrahlungsmusters einer Antenne mit drei unterstützten Moden n = + 1, n = + 2 und n = + 3,
Fig. 9 eine schematische Ansicht der signalgebenden Elektronik zusammen mit einer ebenen Ansicht einer Zweiringspaltantenne,
Fig. 10 eine ebene Ansicht der Verschaltung einer Zweiringspaltantennenanordnung,
Fig. 11 eine ebene Ansicht einer anderen Verschaltung einer Dreiringspaltantennenanordnung,
Fig. 12 eine Seitenansicht einer gewölbten Zweiringspaltantenne und
Fig. 13 eine Seitenansicht einer montierten reflektierenden oder absorbierenden Anordnung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird die Antennenanordnung 1 einer bevorzugten Ausführungsform auf einem dielektrischen Substrat 2, das eine leitfähige Schicht 3 an seiner oberen Fläche trägt, gebildet. Zwei koaxiale Ringspaltelemente 4 und 5 sind durch die leitfähige Schicht 3 geätzt (definiert), so daß drei Bereiche gebildet werden, die mit innerer Leiter 6, Bandleiter 7 bzw. äußerer Leiter 8 bezeichnet sind. Alle Leiter 6 bis 8 dienen als Erdungspunkt (Referenz) für die Antenne. Die "Tiefe" der Spalte 4 und 5 muß ausreichend sein, um die leitfähige Schicht 3 komplett zu durchtrennen. Aufgrund der gewählten Geometrie und da die Spalte 4, 5 kreisförmig und konzentrisch sind, ist der innere Leiter 6 eine kreisförmige Scheibe und der Bandleiter 7 ein kreisförmiger Ring.
Fig. 2 illustriert das Zuführnetzwerk (Verschaltung) 9, das dazu dient, die beiden Ringspalte 4 und 5 anzuregen. Das Zuführnetzwerk 9 ist vorzugsweise an der Unterseite des Substrates 2 angebracht. Ein Sender/Empfänger (TX/RX) 10 ist über eine Mikrostrip-Sendeleitung 11, die sich verzweigt, um jeden der beiden Leistungsteiler/Phasenverschieber 12, 13 zu versorgen vorzugsweise verwirklicht entweder durch integrierte Galliumarsenidschaltkreise oder mit Hilfe von Hybridschaltkreisen, angeschlossen. Jeder der beiden Schaltkreise 12, 13 weist entsprechende Mikrostrip-Übertragungssonden 14, 15 auf, die dazu dienen, die Ringspalte 4, 5 anzuregen. Die Sonden 14, 15 enden unterhalb der jeweiligen Spalte 4, 5 und koppeln die Anregungsenergie in die Ringspalte 4, 5 ein.
Die Betriebsweise der Antenne 1 kann in dem Sinne verstanden werden, daß die Strahlung der individuellen Ringspalte 4, 5 die koaxiale Anordnung darstellt.
Eine Antenne mit einem einzigen Ringspalt hat die Form einer Schlitzübertragungsleitung, die als kreisförmige Schlaufe geschaltet ist. Diese Anordnung bildet einen Resonator, dessen resonante Moden Anregungsfrequenzen entsprechen, für die der effektive Umfang des Ringes gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der durch den Spalt geführten Welle ist. Die effektive Wellenlänge der geführten Welle liegt irgendwo zwischen derjenigen im freien Raum und derjenigen im dielektrischen Substrat. Die resonanten Moden sind stehende Wellen, die aus der Überlagerung von Resonanzen von fortschreitenden Wellen, die in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung entlang der Schleife laufen, resultieren. Bei diesen resonanten Frequenzen hat die azimuthale (φ) Abhängigkeit des elektrischen Feldes, das sich entlang des Spaltes ausbildet, die Form einφ wobei n eine ganze Zahl zwischen - ∞ und + ∞, entsprechend der n-ten Mode des Resonators, ist. Dementsprechend kann das Feld im Spalt durch Fourier-Moden in der φ-Richtung dargestellt werden.
Für die radiale Abhängigkeit des Feldes im Spalt kann angenommen werden, daß die Spaltbreite klein ist gegenüber der Wellenlänge des Signals im freien Raum. Das elektrische Feld des Spaltes kann dann als ein ausschließlich radiales Feld Er angesehen werden, mit einer radialen Abhängigkeit E 1 /ρ, wobei ρ den radialen Abstand von der Achse des Ringspaltes bezeichnet.
Kennt man die Form des elektrischen Feldes an einem einzelnen kreisförmigen Spalt, so läßt sich das Fernfeldstrahlungsmuster des Spaltes berechnen. Es kann gezeigt werden (siehe K. D. Stephen et al., IE Trans, Microwave Theory Tech., Band MT-31, Nr. 2, Feb. 1983, S. 164- 170), daß das Fernfeldstrahlungsmuster für diesen Typ der Feldverteilung in der Art ist, so daß das Fernfeld der n-ten Mode durch eine Hankel-Transformation der (n + 1)-ten Ordnung des elektrischen Feldes des Spaltes ausgedrückt werden kann, welches gegeben ist durch:
wobei a und b den inneren bzw. äußeren Radius des Rings und Jn die Bessel-Funktion erster Art von Ordnung n darstellen. Dann sind die elektrischen Feldkomponenten Eθ und Eφ des Fernfeldes gegeben (der Klarheit wegen unter Vernachlässigung unwichtiger Terme) durch:
und
wobei
ungerade und gerade Anteile der Hankel-Transformation (1) sind, k&sub0; = 2π/λ, wobei λ die Wellenlänge im freien Raum beschreibt, und die Variablen r, θ (Höhenwinkel) und φ (Azimuthalwinkel) wie in Fig. 3 definiert sind.
Es ist möglich, durch geeignete Wahl der Geometrie des Ringspaltresonators, die individuellen Fourier-Moden der Antenne unabhängig anzuregen. Die Mode 1 (n = 1) besitzt eine Hauptstrahlungskeule entlang der Schleifenachse, während alle höheren Ordnungsmoden (n = 2 oder größer) eine Nullstelle entlang der Schleifenachse besitzen. Das Strahlungsmuster in Höhenrichtung für die ersten drei Moden (n = 1, 2, 3) einer theoretischen Einzelringspaltantenne ist in Fig. 4 widergegeben. Die Zahlen an der horizontalen Achse (0,25, 0,5, 0,75 und 1) stellen ein normalisiertes Maß der Signalstärke dar. Wie aus den oben angegebenen zwei Gleichungen (2) und (3) sofort klar wird, sind die Strahlungsmuster der individuellen Fourier-Moden kreissymmetrisch.
Bei der bereits in Fig. 1 und 2 gezeigten Antenne mit der Zweiringspaltanordnung ist der Radius jedes Rings 4, 5 so gewählt, daß bei der Hauptarbeitsfrequenz der Antenne separate resonante Moden unterstützt werden. Aus dem oben Gezeigten folgt, daß das resultierende Fernfeldstrahlungsmuster von Antenne 1 durch die Überlagerung der Fernfeldstrahlungsmuster, der an jedem Ringspalt angeregten individuellen Moden, erhalten werden kann. Es kann von Gleichung (1) - (3) abgeleitet werden, daß für Spalte mit infinitesimaler Breite das Fernfeldmuster für alle Moden eine Schar von Bessel-Funktionen in k&sub0; sin(θ) bildet, die als Basis für die Zusammensetzung von Fernfeldmustern mit gewünschten Höhenmustern mit Hilfe der Methode der diskreten Hankel-Transformation benutzt werden können. Für Spalte mit endlicher Breite ist dies ebenso möglich, auch wenn die Syntheseprozedur dann weniger standardisiert ist.
Von eher direkter Anwendung für WLAN-Antennen ist, wie in Gleichung (2) - (3) abzulesen ist, daß das Fernfeldstrahlungsmuster eine φ-Abhängigkeit der Form einφ hat. Dies bedeutet, daß für ein gegebenes speziell gewünschtes azimuthale Muster f(φ) eine Approximation dieses Musters fn(φ) mit Hilfe der Fourier-Reihenmethoden gewonnen werden kann.
Die θ-Abhängigkeit ist eine direkte Funktion der Ordnung (Modemahl) der an jedem der zwei Ringspalte 4 und 5 angeregten Mode, so daß das resultierende Fernfeldstrahlungsmuster beispielsweise aus der Überlagerung der entsprechenden Modenmuster einer Einzelringspaltstruktur erhalten werden kann, wie in Fig. 4 gezeigt. Also kann durch geeignete Wahl der einzelnen Moden ein gewünschtes Fernfeldhöhenmuster geformt werden.
Als ein einfaches Beispiel sei eine Zweiringspaltanordnung gegeben, wie sie in Abb. 1 und 2 gezeigt ist, die die Moden mit n = + 2 (auf dem inneren Ringspalt 4) und n = + 3 (auf dem äußeren Ringspalt 5) trägt, mit gleicher Amplitude aber mit variierender relativer Phase zwischen den beiden Moden. Fig. 5 zeigt das resultierende azimuthale Fernfeldmuster, das den Betrag des elektrischen Feldes darstellt und zwar für relative Phasenunterschiede von 0, 120 bzw. 240º. Die Zahlen an der horizontalen Achse stellen wieder normalisierte Signalstärken dar. Es wird deutlich, daß das resultierende Fernfeldmuster die Form eines Richtstrahls hat, der durch Justierung der relativen Phase der zwei Moden um 360º in azimuthaler Richtung gesteuert werden kann. Da dies mit Hilfe eines Phasenschiebers erreicht wird, kann der Richtstrahl elektronisch gesteuert werden.
Für WLAN-Anwendungen hat die Steuerfähigkeit den direkten Vorteil, daß die Antenne zur Kommunikation mit Komponenten des lokalen Netzwerkes ausgerichtet werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann auch der empfangsfreie Punkt im azimuthalen Muster gesteuert werden, um Interferenzeffekte mit anderen Übertragungen zu minimieren.
Die Steuerungseigenschaft kann auch in Abtastantennen eingesetzt werden, und zwar sowohl über einen schmalen azimuthalen Winkel als auch über den kompletten 360º-Bereich.
Der Satz der Fernfeldstrahlungsmuster, die bis zu einem gewissen Fehler approximiert werden können, kann durch Erhöhung der Anzahl der Ringspalte in der koaxialen Anordnung und damit der Anzahl der Moden, die in der Anordnung angeregt werden können, erhöht werden. Im allgemeinen gilt, je größer die Anzahl der Moden um so größer die Anzahl der Strahlungskeulen im polaren Muster.
Zur Verdeutlichung der Steuerungsfunktion werden im folgenden weitere beispielhafte azimuthale und Höhendaten beschrieben.
Die Fig. 6A und 6B zeigen azimuthale bzw. Höhenstrahlungsmuster einer Zweiringspaltantenne ähnlich der in Fig. 1 und 2 gezeigten. Die Antenne trägt zwei Moden n = + 1 und n = + 2 mit gleicher Amplitude. In Fig. 6A ist in radialer Richtung die relative Leistung gemessen in dB aufgetragen, wohingegen die Umfangsteilung den azimuthalen Winkel in Grad darstellt. Die Auftragung zeigt die Form des azimuthalen Musters mit einem Verhältnis von von Rückwärts- zu Vorwärtsstrahlung von etwa 30 dB. Die Darstellung zeigt beide der zwei zueinander orthogonal stehenden, elektrischen Feldkomponenten Eθ bzw. Eφ, dargestellt durch die durchgezogene bzw. gestrichelte Linie. Es ist offensichtlich, daß das azimuthale Richtstrahlmuster durch Einstellung einer relativen Phasendifferenz zwischen den angeregten Moden der Ringspaltantenne, wie bereits beschrieben und in Fig. 5 gezeigt, gesteuert werden kann. Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 6B das Höhenstrahlungsmuster der Moden n = + 1 und n = + 2, die mit gleicher Amplitude angeregt sind. Die vertikale Achse stellt die relative Leistung in dB dar, die horizontale Achse stellt den Höhenwinkel in Grad dar und die durchgezogene und die gestrichelte Linie entsprechen den zwei zueinander orthogonalen elektrischen Feldkomponenten Eθ und Eφ. Die Figur zeigt eine Schnittansicht des Höhenmusters entlang der Hauptstrahlungskeule des Richtstrahls, die in der Richtung von φ = 90º liegt. Das Höhenmuster enthält einen strahlungsfreien Punkt bei etwa -35º.
Die Fig. 7A und 7B sind ähnliche Darstellungen zu den Fig. 6A und 6B für die Moden n = + 2 und n = + 3. In dieser Hinsicht ist das azimuthale Strahlungsmuster in Fig. 7A im wesentlichen das gleiche wie das in Fig. 5. Interessanterweise zeigt das Höhenstrahlungs muster in Fig. 7B zwei strahlungsfreie Punkte bei 0º und -45º. Man erkennt folglich, daß durch die Wahl von verschiedenen Kombinationen von anzuregenden Moden der Ringspaltantenne, das Höhenstrahlungsmuster hinsichtlich der strahlungsfreien Punkte und Maxima in diesem Muster in vorteilhafter Weise gesteuert werden kann. Wie bereits erwähnt, ist die angeregte Mode jedes Ringspaltes eine Funktion der radialen Dimension des Spaltes.
Die Fig. 8A und 8B zeigen die entsprechenden Darstellungen einer Dreiringspaltanordnung mit den drei unterstützten mit gleicher Amplitude angeregten Moden n = + 1, n = + 2 und n = + 3. In Fig. 8A ist das azimuthale Strahlungsmuster abgebildet mit der relativen Leistung in dB an der radialen Achse und dem azimuthalen Winkel dessen Teilung in Umfangsrichtung in Grad angegeben ist. Auch hier entsprechen die durchgezogene und gestrichelte Linien den beiden zueinander orthogonalen elektrischen Feldkomponenten Eθ und Eφ. Es läßt sich ablesen, daß das Strahlungsmuster Minima bei etwa φ = 215º und φ = 325º besitzt. Auch hier erfolgt die Steuerung durch Einführung einer relativen Phasendifferenz zwischen den einzelnen Moden des azimuthalen Fernfeldmusters. Im allgemeinen bedeutet dies, daß alle drei Moden eine unterschiedliche relative Phasenanordnung besitzen, obwohl es vorstellbar ist, daß die relativen Phasen von zwei der drei Moden übereinstimmen.
In Fig. 8B, die das Höhenmuster zeigt, repräsentiert die vertikale Achse die relative Leistung in dB und die horizontale Achse den Höhenwinkel in Grad. Hinsichtlich der zwei zueinander orthogonal stehenden elektrischen Feldkomponenten wurde die bislang benutzte Bezeichnung beibehalten. Auch hier ist ein Schnitt entlang der Hauptstrahlungsrichtung dargestellt, d. h. bei θ = 90º. Das Höhenstrahlungsmuster zeigt keinen strahlungsfreien Punkt und ist etwas gleichmäßiger über den Höhenwinkelbereich, es kann daher zu einem gewissen Grad als ungerichtet in der Höhe angesehen werden, insbesondere im Vergleich zu den Höhenmustern in Fig. 6B und 7B.
Die Erzeugung von verschiedenen Kombinationen der Moden kann durch elektronische Mittel erreicht werden. Ein Weg dies zu erreichen ist in Fig. 9 gezeigt, die eine Zweiringspaltantenne 20 zeigt. Ein Anregungssignal des Senders/Empfängers (TX/RX) 10 wird hier mittels einer Mikrostrip-Sendeleitung 21 in zwei separate Sendeleitungen 22, 23 verzweigt, welche ihrerseits das aufgeteilte Anregungssignal mit der gleichen relativen Amplitude und Phase tragen. Eine der Sendeleitungen 22 ist mit dem Eingang einer Phasenschiebereinrichtung 24 verbunden. Im übrigen sind beide Signale an den Sendeleitungen 22, 23 separat mit den Eingängen von variablen Verstärkern 25, 26 verbunden. Die entsprechenden Ausgänge der variablen Verstärker 25, 26 werden zu den entsprechenden Modenanschlüssen M1, M2 eines richtstrahlbildenden Netzwerkes 27 geführt. Das richtstrahlbildende Netzwerk 27 besitzt fünf Sondenausgänge P1-P5 und dementsprechende Mikrostrip-Übertragungssonden 28-32. Die Sonden 28-32 liefern die Anregung der zwei Ringspalte 33, 34. Die Anzahl (M) der Modenanschlüsse des richtstrahlbildenden Netzwerkes 27 entspricht der Zahl der Moden, die angeregt werden können. N sei die Anzahl der Sondenanschlüsse.
Wie bereits erwähnt, ist die Tiefe der Ringspalte 33, 34 ausreichend, um die vom Substrat getragene leitfähige Schicht komplett zu durchtrennen. Die Breite der Ringspalte muß klein sein im Vergleich zu ihrem Umfang. Der Umfang entspricht einer Wellenlänge, so daß in der Regel die Breite des Ringspaltes kleiner als 1 /10 der Wellenlänge sein sollte. Z. B. haben die Ringspalte einer Zweiringspaltantenne, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, die bei 60 GHz betrieben wird und die Moden n = + 1 und n = + 2 trägt, Durchmesser von etwa 1,35 mm bzw. 2,70 mm.
Ein Signal, das zu einem Modenanschluß geliefert wird, wird durch das Netzwerk 27 in einen Satz von N-Signalen, die an die die Anordnung betreibenden Sonden 28-32 weitergeleitet werden, abgebildet, mit der Eigenschaft, daß dieser Satz von Signalen die gewünschte Mode in jedem Ringspalt und keine anderen anregt. Eine Möglichkeit, die Ringspalte 33, 34 anzuregen, ist, die N-Sonden symmetrisch bezüglich der Anordnung festzulegen, wobei die Anzahl der Sonden N, die benötigt werden, um unabhängig M Moden einer Anordnung mit L Ringspalten anzuregen, gegeben ist durch:
N = 2L + 1.
Bei der Zweiringspaltanordnung (L = 2) von Fig. 9 sind die Ringspaltumfänge so gewählt, daß der innere Ring 33 die Moden n = + 1 und n = -1 und der äußere Ring die Moden n = + 2 und n = -2 unterstützt.
Zur Vereinfachung soll zunächst angenommen werden, daß die Verbindungen vom Netzwerk 27 zu den Sonden 28-32 eine vernachlässigbare elektrische Länge besitzen. Der Fall mit Anschlüssen endlicher elektrischer Länge wird später durch eine simple Modifikation behandelt. Im Betriebszustand des Netzwerkes 27 wird ein Signal innerhalb des Betriebsfrequenzbandes der Antenne über Modenanschluß M1 eingespeist und durch das Netzwerk in einen Satz von Ausgangssignalen an den fünf Sondenanschlüssen P1-P5 aufgeteilt. Die Amplituden der Ausgangssignale an den Anschlüssen P1 und P5 sind gleich. Die Phasen der Ausgangssignale an den Ausgängen P1-P5 betragen, relativ zum Signal bei P1, 0, 2 π/5, 4 π/5, 6 π/5 bzw. 8 π/5. Dieser Satz von Signalen treibt dann die Ringspaltanordnung über die Sonden 28- 30. Für Moden mit den Modenindizes n = -2, n = -1, n = 0, n = + 1 und n = + 2 ist diese Anregung orthogonal zu allen Moden außer zur Mode n = + 1 und regt somit nur diese Mode und keine andere an. Ähnlich dazu resultiert ein Signal, das in Anschluß M2 des Netzwerks 27 eingespeist wird, in Ausgangssignalen an den Anschlüssen P1-P5 mit gleicher Amplitude und Phasen relativ zum Signal bei P1 von 0, 4 π/5, 8π/5, 12 π/5 bzw. 16 π/5. Dieser Satz von Signalen ist orthogonal zu allen vorher erwähnten Moden außer der Mode n = + 2 und regt somit nur diese Mode und keine andere an. Ein Signaleingang am Modenanschluß M1 regt somit nur die Mode mit n = + 1 und ein Signal bei M2 regt nur die Mode n = + 2 in der Ringspaltanordnung an.
Jede gewünschte Kombination dieser Moden kann durch Überlagerung erreicht werden. Um z. B. die Moden n = + 1 und n = + 2 mit gleicher Amplitude und einer relativen Phase von π/2 anzuregen, braucht man nur Eingangssignale von gleicher Amplitude und relativer Phase π/2 an die Modeneingänge M1 und M2 anzulegen. Im Beispiel von Fig. 9 werden die Signalamplituden, die an jedem Modeneingang des Netzwerks 27 anliegen, unabhängig mit Hilfe der variablen Verstärker 25, 26 gesteuert, und die relative Phase zwischen den Signalen wird mit Hilfe des Phasenverschiebers 24 kontrolliert.
Falls die elektrische Länge der Anschlüsse des Netzwerks 27 zu den Sonden nicht vernachlässigbar ist, muß die Phasenverschiebung aufgrund der Anschlüsse durch geeignete Einstellung des strahlbildenden Netzwerks 27 kompensiert werden.
Fig. 9 zeigt die Sensoren 28-32, die an der Unterseite des Substrates der Antenne 20 angebracht sind. Die Sonden enden in einer Art Freileitungsanordnung, wobei die Ringspalte 33, 34 mittels elektromagnetischer Kopplung mit den Anregungssignalen der Sonden 28-32 angeregt werden. Mechanisch gesehen haben die Sonden einfach ein Ende, das gerade innerhalb des inneren Rands des inneren Ringspaltes 33 festgelegt ist.
Eine alternative Anordnung der Enden ist in Fig. 10 gezeigt. Auch hier verlaufen vier der Sensoren 29-32 (aus Gründen der Übersichtlichkeit räumlich enger dargestellt) an der Unterseite des Substrates der Antenne 20, erstrecken sich aber durch entsprechende Löcher 35-38 zur Oberseite des Substrates und enden elektrisch an einem Punkt nahe des inneren Randes des inneren Ringspaltes 33. Die Verbindung ist also vom Typ eines elektrischen Kurzschlusses.
Eine weitere alternative Art die Sendeleitungen anzuordnen ist in Fig. 11 für eine Dreiringspaltantenne 45 gezeigt. Zur Vereinfachung sind nur drei Sonden 46-48 abgebildet. Die Übertragungsleitungen 46-48 werden von Teilen der leitfähigen Schicht auf dem Substrat gebildet, sie sind so (z. B.) durch gleichzeitiges Ätzen mit dem inneren Leiter 49 und den zwei Bandleitern 50, 51 und dem äußeren Leiter 52 gebildet worden. Um die elektrische Verbindung der Leiter zu gewährleisten, sind eine Anzahl von Luftbrücken 53 vorgesehen. Wenn eine ausreichende Anzahl von Luftbrücken 53 vorgesehen ist, gibt es keine substantielle Einschränkung der Funktion. Die drei Ringspalte 42-44 werden durch den Zwischenraum zwischen den Leitern 49-52 gebildet.
Die Antenne muß nicht notwendigerweise flach sein. Fig. 12 zeigt eine gewölbte Antenne 55 mit zwei Ringspalten 56, 57. Diese Antenne repräsentiert einen Spezialfall einer planaren Antenne insofern, daß, trotz der gewölbten Struktur, die Ringspalte 56, 57 planar und koaxial bleiben. Ein Vorteil einer solchen Antenne ist, daß die gewölbte Oberfläche die Strahlung am Antennenhorizont erhöht. Die gewölbte Antenne 55 kann beispielsweise unterhalb einer Raumdecke 58 positioniert werden. Für Fachleute ist offensichtlich, daß die Antenne 55 in zwei von der leitfähigen Oberfläche der Antenne entgegengesetzte Richtungen strahlt.
Wie in Fig. 13 gezeigt, kann, falls gewünscht, das Substrat 2 einer Antenne der Ausführungsart der Erfindung mit geeignetem Abstand auf einen Reflektor 60 montiert werden, der Abstand zwischen Reflektor 60 und leitfähiger Schicht 3 ist so ausgelegt, so daß das Strahlungssignal verstärkt wird. Alternativ dazu kann der Abstand 62 zwischen der leitfähigen Schicht 3 und eines beliebigen Sockels 61 mit einem Material gefüllt werden, das entweder Strahlung absorbiert oder dielektrischer Natur ist.
Obwohl in Fig. 13 die leitfähige Schicht 3 an der dem Reflektor 60 abgewandten Seite des Substrates 2 gezeichnet ist, kann offensichtlich die Position des Substrates gedreht werden, so daß die leitfähige Schicht 3 dem Reflektor 60 zugewandt ist.
Die Geometrie muß übrigens nicht kreisförmig sein. Anstatt dessen können die Spalte konfokale Ellipsen sein, so daß in diesem Fall Mathieu-Funktionen anstatt von Bessel-Funktionen zur Beschreibung des Feldes benutzt werden.

Claims

1. Steuerbare, planare Antenne mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (3) auf einem dielektrischen Substrat (2), wobei die leitfähige Schicht (3) eine Mehrzahl, L, von koaxialen, ringspaltförmigen Strahlungselementen (4, 5) definiert, die durch die Schicht hindurchgehend ausgebildet sind, und mit einer regelbaren Signalzuführeinrichtung (9), die mit jedem der Ringspaltelemente (4, 5) verbunden ist, wobei die Zuführeinrichtung (9) auf jedem der ringspaltförmigen Strahlungselemente (4, 5) getrennte Resonanzmoden erregt, wobei die erregte Mode von der Geometrie des jeweiligen Ringspalt-Strahlungselementes (4, 5) abhängt, die Strahlung aufgrund der Resonanzmoden durch Überlagerung im Fernfeldbereich sich so kombinieren, daß sie ein Strahlungsmuster in Azimuth- und Höhenrichtung erzeugen, und wobei die Zuführeinrichtung (9) so regelbar ist, daß die relative Phase zwischen jeder der Resonanzmoden so eingestellt wird, daß dadurch das Strahlungsmuster in Azimuthrichtung gesteuert wird, und dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (9) selektiv K von L Strahlungselementen (4, 5) versorgt, wobei K im Bereich zwischen 1 und L liegt, und weiterhin so regelbar ist, daß die relative Amplitude der erregten Moden derart eingestellt wird, daß das Strahlungsmuster in Höhenrichtung gesteuert wird.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (9) eine oder mehrere Mikrostreifensonden (14, 15) aufweist, die jedes der Strahlungselemente (4, 5) mit Schaltkreisen (12, 13) koppeln, welche die relative Amplitude und/oder relative Phase zwischen den jeweiligen Resonanzmoden steuern.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (14, 15) an der Unterseite des Substrates (2) gehaltert sind.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sonde (14, 15) unter einem Ringspaltelement (4, 5) verläuft, um ein Erregungssignal in ein entsprechendes Strahlungselement (4, 5) einzukoppeln.

5. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sonde (14, 15) elektrisch an die leitfähige Schicht (3) an einem Punkt angeschlossen ist, welcher der Innenwand eines Ringspalt-Strahlungselmentes (4, 5) naheliegt.

6. Antenne nach Anspruch 1, wobei die Zuführeinrichtung (9) eine oder mehr Übertragungsleitungen (46, 47, 48) aufweist, die jedes Strahlungselement mit Schaltkreisen (12, 13) verbinden, welche die relative Amplitude und/oder relative Phase zwischen den jeweiligen Resonanzmoden steuern.

7. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente (4, 5) kreisförmig sind, und daß die auf einem entsprechenden der Strahlungselemente (4, 5) erzeugte Mode im Ergebnis dazu führt, daß der effektive Umfang des Strahlungselementes (4, 5) ein ganzzahliges Vielfaches der Erregerwellenlänge ist.

8. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Strahlungselemente (42, 43, 44) L = 3 beträgt.

9. Drahtloses Lokalbereichsnetzwerk mit einer Vielzahl von Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche.

10. Verfahren zum elektronischen Steuern des Fernfeldstahlungsmusters einer ebenen Antenne in der Höhe und im Azimuth, wobei die Antenne eine elektrisch leitfähige Schicht (3) auf einem dielektrischen Substrat (2) aufweist, die leitfähige Schicht (3) eine Mehrzahl, L, von ringspaltartigen Strahlungselementen (4, 5), die durch die Schicht durchgehend ausgebildet sind, definiert, und daß sie eine steuerbare Signalzuführeinrichtung (9) hat, die mit jedem der Ringspalt-Strahlungselemente (4, 5) verbunden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Erregen einer getrennten Resonanzmode auf jedem der Ringspaltelemente (4, 5) durch die Zuführeinrichtung (9), wobei die erregte Mode von der Geometrie der jeweiligen Ringspalt-Strahlungselemente (4, 5) abhängt, und Strahlung durch Kombinieren der Resonanzmoden durch Überlagerung im Fernfeld derart, daß ein Strahlungsmuster in Azimuth- und in Höhenrichtung erzeugt wird,

wahlweises Einstellen der relativen Phase der erregten Moden durch die Zuführeinrichtung (9), um das Strahlungsmuster im Azimuth zu steuern, und gekennzeichnet durch:

wahlweises Zuführen zu K von L Strahlungselementen (4, 5) durch die Zuführeinrichtung, wobei K im Bereich von 1 bis L liegt, und

wahlweises Einstellen der relativen Amplitude der erregten Moden, um das Strahlungsmuster in der Höhe zu steuern bzw. zu regeln.