EP0154858A2 - Antenna - Google Patents
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- EP0154858A2 EP0154858A2 EP85101916A EP85101916A EP0154858A2 EP 0154858 A2 EP0154858 A2 EP 0154858A2 EP 85101916 A EP85101916 A EP 85101916A EP 85101916 A EP85101916 A EP 85101916A EP 0154858 A2 EP0154858 A2 EP 0154858A2
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- elements
- base plate
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/065—Patch antenna array
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
- H01Q13/085—Slot-line radiating ends
Definitions
- the invention relates to a microwave antenna according to the preamble of claim 1.
- a microwave antenna which has a plurality of flat radiating elements.
- the radiator elements are arranged on the surface of a dielectric substrate applied to a metallic base plate.
- the outer radiator elements are connected on one side to the metallic base plate via a short circuit.
- the antenna is fed in via a coaxial feed line, the inner conductor of which is connected to the central radiation element and the outer conductor is connected to the base plate.
- this antenna cannot be interconnected to form larger antenna groups without further feed lines.
- the creation of the short circuits is technically complex.
- the invention is therefore based on the object of providing an antenna using planar technology for the microwave range in which the required half-value widths in the radiation characteristic can be achieved with little design effort, while achieving a wide bandwidth, high efficiency, low secondary peaks and low cross polarization .
- the radiator elements of the antenna arrangement are so narrow arranged adjacent that their coupling is done by electromagnetic stray fields.
- the invention thus differs fundamentally from the known microwave group antennas in that a special feed line network is omitted in the grouping of the radiator elements and the above-mentioned disadvantages are thus avoided.
- FIG. 1 shows a microwave antenna 1, which is constructed from a plurality of radiator elements 2 and 3.
- the radiator elements 2 and 3 are made of a metallic material and are flat. They are arranged on the surface of a dielectric substrate 4, which is applied to a metallic base plate 5.
- the radiator elements 2 and 3 are designed as rectangular surfaces with essentially the same dimensions.
- the radiator elements 2 differ from the radiator elements 3 in that, on the one hand, they serve as central radiator elements and, on the other hand, their dimensions are slightly larger under certain conditions.
- a right-angled coordinate system X, Y and Z is arranged in FIG.
- the length of the radiator elements 2 and 3 extends in the X direction. Their length is labeled 1.
- the width of the radiator elements 2 and 3 extends in the Y direction. Their width is denoted by w. In the Z direction, the radiator elements 2 and 3 have only a slight extension of a few ⁇ m. The Z direction is perpendicular to the surface of the metallic base plate 5.
- the dimensions of the radiator elements, in particular their lengths 1 and their widths w, are dimensioned according to known approximate relationships from microwave stripline technology. This ensures that in the desired operating frequency range of the microwave antenna in the resonators, through the radiator elements 2 and 3, the substrate 4 and the base plate 5 are formed, TM n00 natural vibrations with an odd atomic number n become oscillatory.
- the ordinal number n should preferably assume the values 1 or 3.
- the length 1 of a single uncoupled resonator results from the equation: ⁇ g is the line wavelength of the microstrip line with the width w on the substrate with the thickness h and the dielectric constant ⁇ ⁇ .
- A is the equivalent line length to take into account the end effect of this line.
- the radiator elements 2 and 3 or the resonators formed by them are coupled by electromagnetic stray fields. In this coupling of the resonators, depending on the number of radiator elements 2 and 3 and the coupling distances, additional circuit capacities occur, which can be compensated for by a further shortening of lengths 1, radiator elements 2 and 3 or the resonators.
- radiator elements 2 and 3 are arranged on the substrate surface.
- the radiator elements are positioned such that three radiator elements are positioned one behind the other in the X direction, forming a row. Viewed in the X direction, they are each at a vertical distance sx from one another. Viewed in the Y direction, five such radiator elements are also arranged one behind the other, forming a row.
- the vertical distance between two successive radiator elements, seen in the Y direction is always the same size and is labeled sy.
- the radiator arranged in the middle of the microwave antenna 1 element 2 has a somewhat smaller distance sx 1 in the X direction to the adjacent radiator elements 3 , since its length 1 is slightly greater than that of the radiator elements 3.
- the spacings sx, sxi and s y have values in the range between 0.1 to 1 multiplied by the thickness h of the substrate 4. These measures ensure that coupling by electromagnetic stray fields can be achieved between all radiator elements 2 and 3. In the exemplary embodiment shown here, depending on the number of radiator elements 2 and 3 and the coupling distances, in particular the distances sx, sx 1 and sy, additional viewing capacities occur in the X and Y directions between the radiator elements 2 and 3, which are further shortened the total length 1 of the radiator elements can be compensated. Due to the close spacing between the radiator elements 2 and 3, mutual coupling by electromagnetic stray fields of the resonators that oscillate in the TM n00 resonance is achieved. Corresponding to the distribution of the electromagnetic fields in the TM n00 resonance, the alternating electrical fields are at a distance of 1. Maximum parallel ends of a resonator.
- the radiator elements 2 and 3 used here can be made of copper, gold, aluminum or brass.
- the thickness of the on the Base plate applied dielectric substrate 4 should be between 0.2 and 3 mm.
- the thickness h of the substrate 4 applied here is 1.57 mm.
- the base plate 5 has a dimension of 30 x 30 mm2.
- a metallic layer is first applied to the surface of the substrate 4.
- the radiator elements 2 and 3 are worked out from this metal surface, so that only the. Radiator elements 2 and 3 are arranged on the substrate surface 4.
- the microwave antenna 1 is fed via a coaxial feed line (not shown here). It is connected on the one hand to the coupling point of the central radiator element 2 and on the other hand to the metallic base plate 5. A detailed illustration of this coupling is shown in FIG. 3. The description of this figure follows below.
- the coupling point (not shown here) of the central one Radiator element 2 lies on the longitudinal axis of the radiator element 2, which runs parallel to the X axis. In particular, the coupling point is arranged so that it is arranged at a distance of 1 mm from the end face of the radiator element 2, which runs parallel to the Y axis.
- the following electrical antenna data which are shown graphically in FIG. 8, were determined for the microwave antenna 1 shown in FIG. 1 on a reflection-free antenna measuring station.
- the diagram shows the measured frequency response of the reflection factor
- at the input of the 50 ohm line socket for the connection of the coaxial feed line (not shown here) and the change a G (f) of the antenna gain with the frequency in the range f 7.6 to 9.4 GHz.
- min and in the range of a Gmax determines the resonance frequency f r of the group antenna .
- FIG. 2 shows a vertical section through the antenna shown in Figure 1 parallel to the XZ plane of the rectangular coordinate system shown in Figure 1.
- the TM n00 field distribution with an odd atomic number n causes the alternating electrical fields associated with a resonator to oscillate in phase opposition at the resonator ends, so that the coupled stray fields as well as the stray fields on the outer resonator ends are all in phase and thus their superimposition results in a bundled radiation characteristic with a main beam direction in the direction of the Z axis.
- the radiation characteristic is linearly polarized, specifically in the X direction with respect to the main beam direction in the direction of the Z axis.
- a circularly polarized radiation field can be realized with suitable matching of the two vibrations to the same amplitude and 900 phase difference, the main radiation direction of which is in turn oriented in the direction of the Z axis.
- the shape of the radiation characteristic in particular the half-value width and the side lobe spacing and thus also the radiation gain from the number of the rows and columns of the microwave antenna elements 2 and 3, the lengths 1 of the radiator elements 2 and 3 and the distances sx, sxi and s y of the radiator elements 2 and 3 in the X and Y directions.
- a higher radiation gain ie a higher directivity or small half-widths, can be achieved by using many radiator elements 2 and 3 and primarily by selecting the antenna parameters ⁇ ⁇ , h and w such that the length 1 is approximately half the free field wavelength ; Lo corresponds.
- the side lobe distance can be influenced by the amplitude assignment of the individual radiation sources, ie in this case by changing the widths of the coupling gaps, in particular by changing the values sx, sx 1 and sy.
- the bandwidth and the efficiency of the microwave antenna is essentially due to the Dielectric constant ⁇ ⁇ and the thickness h of the substrate 4 used on the base plate 5 are determined. Optimal values can be achieved here if ⁇ ⁇ can be selected as close as possible to 1 and h in the range around 0.05; t o .
- FIG. 3 shows a vertical section through the antenna 1 shown in FIG. 1 in the area of the central radiator element 2.
- the coupling point 11 of the central radiator element 2 is connected to the inner conductor 12I of the coaxial feed line 12.
- the outer conductor 12A of the feed line 12 is in electrically conductive connection with the base plate 5.
- FIG. 4 also shows a cross section through an antenna 1 according to the invention, which is equipped with two central radiating elements 2.
- the two central radiator elements 2 are adjacent, in particular arranged next to one another at a defined distance. They are also connected to further radiator elements 3 at a defined distance. All radiator elements 2 and 3 are arranged on a dielectric substrate 4, which is applied to the metallic base plate 5.
- the inner conductor 12I of the feed line 12, which is connected to the antenna 1 is connected to the first central radiator element 2, while the outer conductor 12A of the feed line 12 is connected to the second central radiator element 2.
- FIG. 5 shows the coupling of the feed line (not shown here) to two central radiator elements 2 which are electrically conductively connected to one another.
- This feed is preferably used when a Microwave antenna 1 has a large number of radiator elements 3.
- the two central emitter elements are arranged opposite one another at a defined distance. They are each provided with a resistance transformation element 21 at their two opposite ends. These resistance transformation elements 21 are electrically connected to one another via a strip line 22.
- the strip line 22 has an infeed point 23.
- the inner conductor of the feed line supplying the microwave antenna is connected to it, while the outer conductor of this feed line (not shown here) is connected to the metallic base plate of the microwave antenna.
- the strip line 22 is as educated.
- FIG. 6 shows a further possibility of coupling the feed line (not shown here) to the central radiating element 2 of a microwave antenna, which is not shown here.
- the first end of the central radiator element 2 is connected to a relatively high-resistance strip line 22, which is connected to a 50 ohm strip line 24 via a resistance transformation element 21.
- the inner conductor of the feed line (not shown here) is connected to the strip line 24, while the outer conductor of the feed line (also not shown here) is to be connected to the metallic base plate 5 of the microwave antenna 1.
- FIG. 7 shows a section of a microwave antenna 1 according to the invention which has a metallic base plate 5 on which a dielectric substrate 4 is applied.
- the section shows the area of the microwave antenna 1 in which the two central radiator elements 2 are arranged.
- the two radiator elements 2 are arranged adjacent to one another at a defined distance.
- the feed line (not shown here) which is provided for supplying the antenna 1 is connected to a slot line 30 in the exemplary embodiment shown here.
- the first half 30A of the slot line 30 is connected to the first central radiator element 2, while the second half of the slot line 30 is connected to the second radiator element 2.
- the inner conductor of the feed line (not shown here) is connected to the first half of the slot line 30, while the outer conductor is connected to the second half 30B of the slot line 30.
- the metallic base plate 5 has been removed in the region of the slot line 30, so that only the dielectric substrate 4 serves as a carrier for the slot line 30.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a microwave antenna according to the preamble of
Aus der Druckschrift "IEE PROC. Vol 127, Pt. H .No 4, August 1980, Improved_bandwidth of mierostrip antennas using parasitic elements, C. Wood. B. Sc, Seiten 231 bis 234." ist eine Mikrowellenantenne bekannt, die mehrere flächige Strahlerelemente aufweist. Die Strahlerelemente sind auf der Oberfläche eines auf einer metallischen Grundplatte aufgetragenen dielektrischen Substrats angeordnet. Die äußeren Strahlerelemente sind auf einer Seite über einen Kurzschluß mit der metallischen Grundplatte verbunden. Die Einspeisung der Antenne erfolgt über eine koaxiale Speiseleitung, deren Innenleiter mit dem zentralen Strahlungselement und der Außenleiter mit der Grundplatte verbunden ist. Zur Erzielung bestimmter geforderter Halbwertsbreiten in der Strahlungscharakteristik kann diese Antenne nicht ohne weitere Speiseleitungen zu größeren Antennengruppen zusammengeschaltet werden. Zudem ist die Erstellung der Kurzschlüsse technisch aufwendig.From the publication "IEE PROC. Vol 127, Pt.
Aus der Druckschrift "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-31, No. 1, January 1983, A Modular Approach for the Design of Microstrip Array Antennas, J. Ashkenazy, P. Perlmutter, and David Treves, Fellow IEEE, Seiten 190 bis 193" ist eine andere Mikrowellen-Antennen-Anordnung bekannt, deren Strahlerelemente über ein besonderes Speiseleitungsnetzwerk zu einem Gruppenstrahler zusammengefügt sind. Diesen und ähnlichen bekannten Anordnungen.haften die Nachteile an, daß
- - ohmsche und dielektrische Verluste im Speiseleitungsnetzwerk den Antennenwirkungsgrad verringern,
- - die unerwünschte Abstrahlung, insbesondere an Leitungsknicken und Verzweigungsstellen des Speisenetzwerkes ebenfalls den Antennenwirkungsgrad vermindert sowie die Strahlungscharakteristik durch Neben- und Kreuzpolarisations-Strahlung stört,und
- - durch Strahlungskopplung zwischen dem Speiseleitungsnetzwerk und den-Strahlerelementen ebenfalls die Strahlungscharakteristik nachteilig beeinflußt wird.
- ohmic and dielectric losses in the feed line network reduce the antenna efficiency,
- - The unwanted radiation, especially at line bends and branching points of the feed network also reduces the antenna efficiency and interferes with the radiation characteristics due to secondary and cross-polarization radiation, and
- - The radiation characteristic is also adversely affected by radiation coupling between the feed line network and the radiator elements.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antenne in Planartechnik für den Mikrowellenbereich zu schaffen, bei der mit einem geringen konstruktiven Aufwand die geforderten Halbwertsbreiten in der Strahlungscharakteristik unter Erzielung von einer großen Bandbreite, einem hohen Wirkungsgrad, geringen Nebenzipfeln und geringer Kreuzpolarisation erreicht werden können.The invention is therefore based on the object of providing an antenna using planar technology for the microwave range in which the required half-value widths in the radiation characteristic can be achieved with little design effort, while achieving a wide bandwidth, high efficiency, low secondary peaks and low cross polarization .
-Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.-This object is achieved according to the invention by the characterizing features of
Die Strahlerelemente der Antennenanordnung sind so eng benachbart angeordnet, daß ihre Verkopplung durch elektromagnetische Streufelder erfolgt. Die Erfindung unterscheidet sich somit grundsätzlich von den bekannten Mikrowellen-Gruppenantennen dadurch, daß bei der Gruppierung der Strahlerelemente ein besonderes Speiseleitungsnetzwerk entfällt und somit die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.The radiator elements of the antenna arrangement are so narrow arranged adjacent that their coupling is done by electromagnetic stray fields. The invention thus differs fundamentally from the known microwave group antennas in that a special feed line network is omitted in the grouping of the radiator elements and the above-mentioned disadvantages are thus avoided.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further inventive features are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
- Figur 1: den schematischen Aufbau einer Mikrowellenantenne gemäß der Erfindung;
- Figur 2: einen Vertikalschnitt durch die in
Figur 1 dargestellte Antenne, - Figur 3: die Ankopplung einer Koaxialen Speiseleitung,
- Figur 4: die Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung an zwei zentrale Strahlerelemente,
- Figur 5: die Ankopplung an eine Streifenleitung zwischen zwei Strahlerelementen,
- Figur 6: die Ankopplung einer Speiseleitung an eine mit einem zentralen Strahlerelement verbundene Streifenleitung,
- Figur 7: die Ankopplung der Speiseleitung an eine Schlitzleitung.
- Figur 8: ein Diagramm mit Meßdaten der Mikrowellenantenne.
- Figure 1: the schematic structure of a microwave antenna according to the invention;
- FIG. 2: a vertical section through the antenna shown in FIG. 1,
- FIG. 3: the coupling of a coaxial feed line,
- FIG. 4: the coupling of a coaxial feed line to two central radiator elements,
- FIG. 5: the coupling to a strip line between two radiator elements,
- FIG. 6: the coupling of a feed line to a strip line connected to a central radiator element,
- Figure 7: the coupling of the feed line to a slot line.
- Figure 8: a diagram with measurement data of the microwave antenna.
Figur 1 zeigt eine Mikrowellenantenne 1, die aus mehreren Strahlerelementen 2 und 3 aufgebaut ist. Die Strahlerelemente 2 und 3 sind aus einem metallischen Material gefertigt und flächenhaft ausgebildet. Sie sind auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrates 4 angeordnet, welches auf einer metallischen Grundplatte 5 aufgetragen ist. Die Strahlerelemente 2 und 3 sind als rechteckige Flächen mit im wesentlichen gleichen Abmessungen ausgebildet. Die Strahlerelemente 2 unterscheiden sich von den Strahlerelementen 3 dadurch, daß sie zum einen als zentrale Strahlerelemente dienen und zum anderen unter gewissen Bedingungen in ihren Abmessungen geringfügig größer ausgebildet sind. Zum besseren Verständnis der in Figur 1 dargestellten Antenne, insbesondere ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise ist in Figur 1 ein rechtwinkliges Koordinatensystem X,Y und Z angeordnet. Die Längenausdehnung der Strahlerelemente 2 und 3 erstreckt sich in X-Richtung. Ihre Länge ist mit 1 bezeichnet. Die Breitenausdehnung der Strahlerelemente 2 und 3 erstreckt sich in Y-Richtung. Ihre Breite ist mit w bezeichnet. In Z-Richtung weisen die Strahlerelemente 2 und 3 nur eine geringfügige Ausdehnung von wenigen µm auf. Die Z-Richtung steht senkrecht auf der Oberfläche der metallischen Grundplatte 5. Die Abmessungen der Strahlerelemente insbesondere ihre Längen 1 und ihrer Breiten w sind nach bekannten Näherungsbeziehungen aus der Mikrowellenstreifenleitungstechnik dimensiniert. Hierdurch wird erreicht, daß im gewünschten Betriebsfrequenzbereich der Mikrowellenantenne in den Resonatoren, die durch die Strahlerelemente 2 und 3, das Substrat 4 und die Grundplatte 5 gebildetet sind, TMn00-Eigenschwingungen mit ungerader Ordnungszahl n schwingungsfähig werden. Die Ordnungszahl n sollte vorzugsweise die Werte 1 oder 3 annehmen. Die Länge 1 eines einzelnen ungekoppelten Resonators ergibt sich aus der Gleichung:
Die hier verwendeten Strahlerelemente 2 und 3 können aus Kupfer, Gold, Aluminium oder Messing gefertigt werden. Das gleiche gilt für die als Substratträger dienende Grundplatte 5. Das bei dieser Ausführungsform verwendete Substrat 4 besteht aus Polytetrafluoräthylen und weist eine Dielektrizitätszahl ετ=2,23 auf. Anstelle dieses dielektrischen Substrats 4 können auch andere verwendet werden, deren Dielektrizitätszahlen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 10 liegen. Die Dicke des auf die Grundplatte aufgetragenen dielektrischen Substrats 4 sollte zwischen 0,2 und 3 mm betragen. Die Dicke h des hier aufgetragenen Substrates 4 beträgt 1,57 mm. Die Grundplatte 5 weist eine Abmessung von 30 x 30 mm2 auf. Zur Herstellung der Mikrowellenantenne wird auf der Oberfläche des Substrats 4 zunächst eine metallische Schicht aufgetragen. Mit Hilfe eines bekannten Photoätzverfahrens werden aus dieser Metallfläche die Strahlerelemente 2 und 3 herausgearbeitet, so daß nur noch die. Strahlerelemente 2 und 3 auf der Substratoberfläche 4 angeordnet sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Strahlerelemente 3 alle eine Breite von w = 4 mm und eine Länge 1 von 8 mm. Lediglich das zentrale Strahlerelement 2 weist eine Länge 1 auf, die 8,8 mm beträgt. Die Breite des zentralen Strahlerelementes 2 beträgt ebenfalls 4 mm. Alle Strahlerelemente 3 weisen in X-Richtung einen senkrechten Abstand zu ihren benachbarten Strahlerelementen 3 von sx = 0,5 mm auf. Die Strahlerelemente 3 besitzten in Y-Richtung gesehen einen senkrechten Abstand sy = 0,5 mm zu ihren nächst benachbarten Strahlerelementen 3. Lediglich das zentrale Strahlerelement 2 weist in X-Richtung gesehen einen senkrechten Abstand sxl = 0,1 mm zu den benachbarten Strahlerelementen 3 auf. In Y-Richtung gesehen weist es ebenso wie die Strahlerelemente 3 einen senkrechten Abstand sy = 0,5 mm zu den Strahlerelementen 3 auf. Die Speisung der Mikrowellenantenne 1 erfolgt über eine koaxiale Speiseleitung (hier nicht dargestellt). Sie ist zum einen an den Ankopplungspunkt des zentralen Strahlerelement 2 und zum anderen an die metallische Grundplatte 5 angeschlossen. Eine detaillerte Darstellung dieser Ankopplung zeigt Figur 3. Die Beschreibung dieser Figur folgt weiter unten. Der Ankopplungspunkt (hier nicht dargestellt) des zentralen Strahlerelementes 2 liegt auf der Längsachse des Strahlerelementes 2, die parallel zur X-Achse verläuft. Insbesondere ist der Ankopplungspunkt so angeordnet, daß er in einem Abstand von 1 mm von der Stirnseite des Strahlerelementes 2 angeordnet ist, die parallel zur Y-Achse verläuft.The
Für die in Figur 1 dargestellte Mikrowellenantenne 1 wurden auf einem reflexionsfreien Antennenmeßplatz die folgenden elektrischen Antennendaten ermittelt, die in Figur 8 graphisch dargestellt sind.The following electrical antenna data, which are shown graphically in FIG. 8, were determined for the
Das Diagramm zeigt den gemessenen Frequenzgang des Reflexionsfaktors |r(f)| am Eingang der 50 Ohm-Leitungsbuchse für die Ankopplung der koaxialen Speiseleitung (hier nicht dargestellt) sowie die Änderung aG (f) des Antennengewinns mit der Frequenz im Bereich f = 7,6 bis 9,4 GHz. Hieraus wurde bei |r| min und im Bereich von aGmax die Resonanzfrequenz fr der Gruppenantenne bestimmt. Weiterhin ergibt sich durch den Frequenzbereich, in dem |r(f)| ≤ -9,5 dB ist, die Bandbreite Δf s≤2' |r| ≤ -9,5 dB entspricht |r| ≤0,33 und ist gleichbedeutend mit einer Welligkeit s ≤ 2 auf der Speiseleitung, somit würden dann in diesem Frequenzbereich die Fehlanpassungsverluste kleiner als 0,5 dB oder im Sendefall weniger als 11% der auf die Antenne zugeführten Sendeleistung reflektiert. Ferner Würden Richtdiagramme der Strahlungscharakteristik aE(θ,φ=0°) in der E-Ebene und aH(θ,φ=90°) in der H-Ebene jeweils im Bereich -180° ≤ θ ≤ +180°. Hieraus wurden die Halbwertsbreiten ΔθE und ΔθH (3 dB-Breiten) sowie die Nebenzipfeldämpfung aN bestimmt. Aus dem Richtdiagramm aH(θ,φ=90°) wurde durch grafische Integration der Strahlungsgewinn D der Gruppenantenne bei der Frequenz fr ermittelt.The diagram shows the measured frequency response of the reflection factor | r (f) | at the input of the 50 ohm line socket for the connection of the coaxial feed line (not shown here) and the change a G (f) of the antenna gain with the frequency in the range f = 7.6 to 9.4 GHz. This resulted in | r | min and in the range of a Gmax determines the resonance frequency f r of the group antenna . Furthermore, the frequency range in which | r (f) | ≤ -9.5 dB, the bandwidth Δf s≤2 '| r | ≤ -9.5 dB corresponds to | r | ≤0.33 and is synonymous with a ripple s ≤ 2 on the feed line, so in this frequency range the mismatch losses would be less than 0.5 dB or, in the case of transmission, less than 11% of the transmission power supplied to the antenna. Furthermore, directional diagrams of the radiation characteristic would be a E (θ, φ = 0 °) in the E plane and a H (θ, φ = 90 °) in the H plane in the range -180 ° ≤ θ ≤ + 180 °. From this, the half-value widths Δθ E and Δθ H (3 dB widths) as well as the secondary zip field attenuation a N were determined. From the directional diagram a H (θ, φ = 90 °), the radiation gain D of the group antenna at frequency f r was determined by graphic integration.
In dem Diagramm ist desweiteren die Kreuzpolarisation aKp(θ,φ=45°), der Antennengewinn G bei der Frequenz fr und daraus nach der Beziehung G = η-D der Antennenwirkungsgrad η, sowie die Antennenimpedanz ZA-bei der Frequenz fr, gemessen am Eingang der 50Ω-Koaxialbuchse eingetragen.In the diagram there is also the cross polarization a Kp (θ, φ = 45 °), the antenna gain G at the frequency f r and, based on the relationship G = η-D, the antenna efficiency η, and the antenna impedance Z A - at the frequency f r , measured at the input of the 50Ω coaxial socket.
Die so ermittelten Antennendaten lauten:
Bei der Dimensionierung der Mikrowellenantenne 1 ist zu beachten, daß die Form der Strahlungscharakteristik, insbesondere der Halbwertsbreite und der Nebenzipfelabstand und damit auch der Strahlungsgewinn von der Anzahl der die Zeilen und Spalten der Mikrowellenantenne bildenden Strahlerelemente 2 und 3, den Längen 1 der Strahlerelemente 2 und 3 und den Abständen sx,sxi und sy der Strahlerelemente 2 und 3 in X- und Y-Richtung abhängt. Ein höherer Strahlungsgewinn, d.h. eine höhere Richtwirkung bzw. kleine Halbwertsbreiten können dadurch erreicht werden, daß viele Strahlerelemente 2 und 3 verwendet werden und in erster Linie die Antennenparameter ετ, h und w so gewählt werden, daß die-Länge 1 etwa der halben Freifeldwellenlänge ;Lo entspricht. Dies trifft vorzugsweise für die Dielektrizitätszahlen des Substrates 4 im Bereich von ετ=1 bis 10 und Breiten w der Strahlerelemente 2 und 3 von 0,1 bis 0,4λo, wobei die Ordnungszahlen n = 1 oder 3 zu wählen sind. Der Nebenzipfelabstand kann durch die Amplitudenbelegung der einzelnen Strahlungsquellen, d.h. in diesem Fall durch Änderung der Breiten der Kopplungsspalten, insbesondere durch die Änderung der Werte sx,sx1 und sy beeinflußt werden. Die Bandbreite und der Wirkungsgrad der Mikrowellenantenne ist im wesentlichen durch die Dielektrizitätszahl ετ und die Dicke h des verwendeten Substrats 4 auf der Grundplatte 5 bestimmt. Optimale Werte lassen sich hierbei dann erzielen wenn ετ möglichst nahe bei 1 und h im Bereich um 0,05 ;to gewählt werden kann.When dimensioning the
Figur 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Antenne 1 im Bereich des zentralen Strahlerelementes 2. Wie anhand der Zeichnung zu sehen ist, ist der Ankopplungspunkt 11 des zentralen Strahlerelementes 2 mit dem Innenleiter 12I der koaxialen Speiseleitung 12 verbunden. Der Außenleiter 12A der Speiseleitung 12 steht mit der Grundplatte 5 in elektrisch leitender Verbindung.FIG. 3 shows a vertical section through the
Figur 4 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antenne 1, die mit zwei zentralen Strahlerelementen 2 ausgerüstet ist. Die beiden zentralen Strahlerelemente 2 sind benachbart, insbesondere in definiertem Abstand nebeneinander angeordnet. An sie schließen ebenfalls in definiertem Abstand weitere Strahlerelemente 3 an. Alle Strahlerelemente 2 und 3 sind auf einem dielektrischen Substrat 4 angeordnet, welches auf die metallische Grundeplatte 5 aufgetragen ist. Erfindungsgemäß ist der Innenleiter 12I der Speiseleitung 12, die mit der Antenne 1 in Verbindung steht, an das erste zentrale Strahlerelement 2 angeschlossen, während der Außenleiter 12A der Speiseleitung 12 mit dem zweiten zentralen Strahlerelement 2 in Verbindung steht.FIG. 4 also shows a cross section through an
Figur S zeigt die Ankopplung der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) an zwei zentrale Strahlerelemente 2 die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese Einspeisung wird vorzugsweise dann verwendet,wenn eine Mikrowellenantenne 1 sehr viele Strahlerelemente 3 aufweist. Wie anhand von Figur 5 zu sehen ist, sind die beiden zentralen Strahlerelmente in definiertem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet. Sie sind an ihren beiden einander gegenüberliegenden Enden mit je einem Widerstandstransformationselement 21 versehen. Diese Widerstandstransformationselemente 21 sind elektrisch über eine Streifenleitung 22 miteinander verbunden. Die Streifenleitung 22 weist einen Einspeisungspunkt 23 auf. An ihn wird der Innenleiter der die Mikrowellenantenne versorgenden Speiseleitung angeschlossen, während der Außenleiter dieser Speiseleitung (hier nicht dargestellt) mit der metallischen Grundplatte der Mikrowellenantenne verbunden ist. Die Streifenleitung 22 ist als
Figur 6 zeigt eine weitere Ankopplungsmöglichkeit der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) an das zentrale Strahlerelement 2 einer hier nicht näher dargestellten Mikrowellenantenne. Das erste Ende des zentralen Strahlerelementes 2 ist an eine relativ hochohmige Streifenleitung 22 angeschlossen, die über ein Widerstandstransformationselement 21 mit einer 50 Ohm Streifenleitung 24 verbunden ist. Der Innenleiter der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) wird an die Streifenleitung 24 angeschlossen, während der Außenleiter der Speiseleitung (hier ebenfalls nicht dargestellt) an die metallische Grundplatte 5 der Mikrowellenantenne 1 anzuschließen ist.FIG. 6 shows a further possibility of coupling the feed line (not shown here) to the
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne 1 die eine metallische Grundplatte 5 aufweist, auf der ein dielektrisches Substrat 4 aufgebracht ist. Der Ausschnitt zeigt den Bereich der Mikrowellenantenne 1 in dem die beiden zentralen Strahlerelemente.2 angeordnet sind. Die beiden Strahlerelemente 2 sind in definiertem Abstand voneinander benachbart angeordnet. Die Speiseleitung (hier nicht dargestellt) welche für die Versorgung der Antenne 1 vorgesehen ist, ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Schlitzleitung 30 angeschlossen. Die erste Hälfte 30A der Schlitzleitung 30 ist an das erste zentrale Strahlerelement 2 angeschlossen, während die zweite Hälfte der Schlitzleitung 30 mit dem zweiten Strahlerelement 2 in Verbindung steht. Der Innenleiter der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) wird bei diesem Ausführungsbeispiel an die erste Hälfte der Schlitzleitung 30 angeschlossen, während der Außenleiter mit der zweiten Hälfte 30B der Schlitzleitung 30 verbunden ist. Wie anhand von Figur 7 zu sehen ist, ist die metallische Grundplatte 5 im Bereich der Schlitzleitung 30 entfernt, so daß als Träger für die Schlitzleitung 30 nur das dielektrische Substrat 4 dient.FIG. 7 shows a section of a
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RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: NAGEL, ULRICH, DIPL.-ING. Inventor name: ENTSCHLADEN, HELMUT, DR. DIPL.-ING. |