DE10222838A1

DE10222838A1 - Sektorantenne in Hohlleitertechnik

Info

Publication number: DE10222838A1
Application number: DE10222838A
Authority: DE
Inventors: Marco Munk
Original assignee: Marconi Communications GmbH
Current assignee: Telent GmbH
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-12-04
Also published as: CN1656648A; AU2003233144A1; DE60336551D1; US7218286B2; US20060164315A1; WO2003098742A1; EP1509971B1; ATE504104T1; EP1509971A1

Abstract

Eine Hohlleiter-Gruppenantenne umfasst einen sich in einer Raumrichtung erstreckenden Hohlleiter (13) und eine Mehrzahl von Kammern (15), deren jede jeweils einen Sende-/Empfangsschlitz (16) aufweist und über einen Koppelschlitz (14) an den Hohlleiter (13) gekoppelt ist. Die Sende-Empfangsschlitze (16) sind in einem festen Abstand voneinander verteilt, und die Verteilung der Koppelschlitze (14) in der Raumrichtung an dem Querhohlleiter (13) ist abweichend von der Verteilung der Sende-/Empfangsschlitze (16) so gewählt, dass eine sich im Hohlleiter (13) ausbreitende Welle mit der Arbeitsfrequenz die Sende-/Empfangsschlitze (16) mit zum Realisieren einer Sektor-Richtcharakteristik geeigneten Amplitude und Phase anregt. Der feste Abstand beträgt ca. 0,5 lambda¶0¶ für eine 90 DEG -Sektor-Richtcharakteristik und ca. 0,64 lambda¶0¶ für eine 45 DEG -Sektor-Richtcharakteristik.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sektorantenne.
An Sektorantennen für kabellose Übertragungen werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Diese sind für die horizontale Ebene eine gleichmäßige Ausleuchtung eines bestimmten Bereichs, z. B. eines 90°-Sektors, mit starker Absenkung der Nebenkeulen und für die vertikale Ebene ein hoch bündelndes, nullstellenfreies Strahlungsdiagramm. Aus H. Ansorgen, M. Guttenberger, K.-H. Mierzwiak, U. Oehler, H. Tell, "Antenna Solutions for Point to Multipoint Radio Systems", ECRR, Bologna 1996 und M. Guttenberger, H. Tell, U. Oehler, "Microstrip- Gruppenantennen mit scharf sektorisierenden Eigenschaften als Zentralstationsantennen für Punkt zu Multipunkt Systeme", ITG Fachtagung Antennen, München 1998 ist bekannt, solche Sektorantennen in Streifenleitungstechnik zu realisieren.
Ein generelles Problem dieser herkömmlichen Sektorantennen ist die ausreichende Unterdrückung der Kreuzpolarisation.
Um eine geforderte Richtcharakteristik einer solchen Gruppenantenne zu realisieren, müssen ihre einzelnen Strahlerelemente mit unterschiedlichen Anregungskoeffizienten angeregt werden. Diese Anregungskoeffizienten sind komplex, d. h. sie sind gekennzeichnet durch Betrag und Phase. Methoden zu ihrer Berechnung sind bekannt. Die Anregung erfolgt über ein Verteilernetzwerk, das ein an seinem Eingang eingespeistes Sendesignal an die einzelnen Strahlerelemente verteilt. Die zugeordneten Anregungskoeffizienten sind festgelegt durch die Struktur des Verteilernetzwerkes.
In Streifenleitertechnik aufgebaute Verteilernetzwerke haben den Nachteil, dass sie verlustbehaftet sind. Diese Verluste nehmen mit zunehmenden Betriebsfrequenzen des Verteilernetzwerks stark zu, so dass insbesondere bei hohen Arbeitsfrequenzen ein Bedürfnis nach verlustärmeren Gruppenantennen besteht. Solche Gruppenantennen können in Hohlleitertechnik realisiert werden.
Ein Problem bei der Konstruktion von Hohlleiter- Gruppenantennen ist, dass zur Realisierung einer gewünschten Sektor-Richtcharakteristik jeweils bestimmte, kleine Abstände zwischen benachbarten, im wesentlichen gegenphasig strahlenden Strahlerelementen erforderlich sind. Z. B. beträgt für eine 90°-Sektor-Richtcharakteristik dieser Abstand ca. 0,5 λ₀, wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge einer von der Antenne ausgestrahlten Welle ist. Die Länge λ_H einer Welle gegebener Frequenz in einem Hohlleiter von endlichem Querschnitt ist aber stets größer als ihre Wellenlänge λ₀ im Freiraum; sie konvergiert gegen den Freiraumwert, wenn die Breite des Hohlleiters gegen ∞ geht. Mit einer Gruppenantenne, deren Strahlerelemente Öffnungen in einer Hohlleiterwand sind, könnte theoretisch eine befriedigende Sektor-Richtcharakteristik erreicht werden, wenn ein extrem breiter Hohlleiter verwendet wird. Eine technisch praktikable Lösung ist dies jedoch nicht.
Eine Gruppenantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US-A-6 127 985 bekannt.
Diese bekannte Gruppenantenne ist aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut. Eine erste solche Schicht enthält eine zweidimensionale Anordnung von Kammern, die an jeweils gegenüberliegenden Seiten einen Sende-/Empfangsschlitz bzw. einen Koppelschlitz aufweisen. Die Koppelschlitze mehrerer Kammern münden jeweils gemeinsam auf einen sich in einer zweiten Schicht erstreckenden Querhohlleiter. Der Abstand der Koppelschlitze entlang eines Querhohlleiters ist so gewählt, dass alle Schlitze gleichphasig angeregt werden, d. h. der Abstand der Koppelschlitze entspricht der Wellenlänge im Querhohlleiter bei einer Resonanzfrequenz der Antenne. Da die Geometrie der Kammern dieser bekannten Antenne gleich ist, strahlen auch die Sende- /Empfangsschlitze aller Kammern gleichphasig ab. So kann mit einer großen Zahl von Schlitzen eine scharfe Bündelung der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms realisiert werden. Ein Auffüllen von Nullstellen der Unterdrückung der Richtcharakteristik findet nicht statt. Eine Sektor-Richtcharakteristik ist mit dieser bekannten Antenne nicht realisierbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine kompakte Gruppenantenne mit Sektor-Richtcharakteristik zu schaffen, die auch bei hohen Frequenzen nur geringe Verluste aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gruppenantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Diese Gruppenantenne hat neben der Verlustarmut den zusätzlichen Vorteil einer im Vergleich zu Streifenleiterantennen verringerten Kreuzpolarisation.
Die vorgeschlagene Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass es durch Zwischenschalten von Kammern zwischen Sende-/Empfangsschlitzen einer Gruppenantenne und einem die Sende-/Empfangsschlitze gemeinsam versorgenden Hohlleiter, hier als Querhohlleiter bezeichnet, möglich ist, die Sende-/Empfangsschlitze mit für eine Sektor-Richtcharakteristik geeigneten Phasen und Amplituden anzuregen, indem die Anordnung der Koppelschlitze an dem Querhohlleiter - abweichend von der Anordnung der Sende- /Empfangsschlitze an einer Außenfläche der Antenne - so gewählt wird, dass die Koppelschlitze an Orten des Querhohlleiters zu liegen kommen, an denen Felder mit geeignetem Amplituden- und Phasenverhältnis auskoppelbar sind.
Der Querhohlleiter weist an wenigstens einem Ende einen Kurzschluss auf, um sich in dem Querhohlleiter ausbreitende Wellen zu reflektieren. Die Entfernung dieses Kurzschlusses vom nächstbenachbarten Koppelschlitz beträgt vorzugsweise ca. die Hälfte der Hohlleiterwellenlänge einer sich im Querhohlleiter ausbreitenden Welle bei der Arbeitsfrequenz. Dadurch ist eine höchstmögliche Feldstärke dieser Welle in Höhe dieses Koppelschlitzes gewährleistet.
Die Sende-/Empfangsschlitze sind vorzugsweise quer zur ersten Raumrichtung der Längsrichtung des Querhohlleiters orientiert. Dadurch ist es möglich, den Schlitzen eine Länge von ca. λ₀/2 zu verleihen, so dass sie bei der Arbeitsfrequenz der Antenne oder in der Nähe dieser Frequenz resonant sind.
Simulationsuntersuchungen haben gezeigt, dass eine Entfernung, die geringfügig größer als die halbe Freiraumwellenlänge ist, insbesondere im Bereich zwischen dem 0,51-fachen und dem 0,55-fachen der Freiraumwellenlänge, zur Realisierung einer 90°- Sektor-Richtcharakteristik günstig ist.
Für eine 45°-Sektor-Richtcharakteristik ist eine Entfernung zwischen dem 0,58-fachen und dem 0,63- fachen, vorzugsweise von ca. dem 0,62-fachen der Freiraumwellenlänge, geeignet.
Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist die Anordnung der Koppelschlitze spiegelsymmetrisch bezüglich einer quer zur ersten Raumrichtung orientierten Symmetrieebene, und der Querhohlleiter weist eine Anregungsöffnung auf, die die Symmetrieebene schneidet. Eine mittige Anregung des Querhohlleiters über eine solche Öffnung hat gegenüber der Anregung an einem Ende des Hohlleiters den Vorteil, dass der maximale Unterschied zwischen den Phasenwerten, mit denen eine sich im Querhohlleiter ausbreitende Welle an den Koppelschlitzen anliegt, bei mittiger Anregung nur halb so groß ist wie bei Endanregung und daher eine höhere Bandbreite der Antenne erreichbar ist.
Selbstverständlich ist es bei mittiger Anregung zweckmäßig, beide Enden des Querhohlleiters mit einem Kurzschluss abzuschließen. Die Zahl der Koppelschlitze des Querhohlleiters beträgt vorzugsweise zwischen 4 und 6. Zwar wird davon ausgegangen, dass auch mit größeren Zahlen von Koppelschlitzen bzw. daran angeschlossenen Kammern Gruppenantennen mit hochwertiger Sektor-Richtcharakteristik realisierbar sind, doch hat sich gezeigt, dass bereits mit vier Koppelschlitzen ausgezeichnete Ergebnisse erhalten werden, so dass ein höherer Aufwand nicht erforderlich ist.
Aufgrund der mittigen Anregung des Querhohlleiters ist die Phasenlage der der Symmetrieebene benachbarten Kammern stets gleich, unabhängig vom Abstand der Koppelschlitze dieser Kammern von der Symmetrieebene. Dieser Abstand kann daher variiert werden, um die Resonanzfrequenz des Querhohlleiters zu beeinflussen oder das Amplituden-/Phasenverhältnis der der Symmetrieebene benachbarten Sendeschlitze zu den restlichen Sendeschlitzen zu optimieren. Ein Abstand zwischen der Symmetrieebene und den benachbarten Koppelschlitzen von ca. einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge hat sich als zweckmäßig erwiesen.
Zum Anpassen von Amplituden- und Phasenlage kann auch der Abstand zwischen einem der Symmetrieebene benachbarten Koppelschlitz und einem dem Kurzschluss benachbarten Koppelschlitz herangezogen werden. Hier hat sich ein Wert von ca. 0,3 Hohlleiterwellenlängen als günstig erwiesen.
Mit der oben beschriebenen Gruppenantenne ist eine Sektor-Richtcharakteristik in einer ersten Ebene, in einer praktischen Anwendung vorzugsweise der Horizontalen, realisierbar. Um in einer dazu senkrechten Ebene, also vorzugsweise der Vertikalen, eine Bündelung zu erzeugen, wird die Gruppenantenne vorzugsweise zu mehreren in einer Anordnung eingesetzt, in der die Querhohlleiter der Gruppenantenne parallel verlaufen und die als "zweidimensionale Gruppenantenne" bezeichnet werden kann.
Um die mehreren Gruppenantennen der zweidimensionalen Gruppenantenne gemeinsam zu speisen, weist vorzugsweise jeder Querhohlleiter eine Anregungsöffnung auf, die auf einen mehreren Querhohlleitern gemeinsamen Hohlleiter mündet.
Um in der zweiten Ebene eine Bündelung zu erreichen, ist es wünschenswert, dass benachbarte Querhohlleiter durch eine sich in dem gemeinsamen Hohlleiter mit der Arbeitsfrequenz ausbreitende Welle in etwa gleichphasig angeregt werden, um so auch ungefähre Gleichphasigkeit zwischen den jeweils diesen Querhohlleitern entsprechenden Sende- /Empfangsschlitzen zu erreichen. Abweichungen von der exakten Gleichphasigkeit sind wünschenswert, um zwischen benachbarten Maxima der Richtcharakteristik ein Abfallen auf Null zu verhindern.
Einer ersten Ausgestaltung zufolge kann der gemeinsame Hohlleiter ein sich in einer zweiten Raumrichtung geradlinig erstreckender Längshohlleiter sein.
Wenn dieser Längshohlleiter ein Rechteckhohlleiter ist, so ist die Breite a seiner die Anregungsöffnungen aufweisenden Seitenwand vorzugsweise gegeben durch

wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge einer Arbeitsfrequenz der Gruppenantenne und d der Abstand zwischen benachbarten Anregungsöffnungen des Längshohlleiters ist. Auf diese Weise ist eine Phasendifferenz der sich im Innern des Längshohlleiters mit der Arbeitsfrequenz ausbreitenden Welle von π zwischen zwei benachbarten Anregungsöffnungen realisierbar.
Um - bis auf Korrekturterme - gleichphasige Wellen an allen Anregungsöffnungen in die Querhohlleiter auskoppeln zu können, ist es wünschenswert, dass benachbarte Anregungsöffnungen Kopplungskoeffizienten mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen aufweisen. Zu diesem Zweck sind benachbarte Anregungsöffnungen auf jeweils abwechselnden Seiten der Mittelebene des Längshohlleiters angeordnet. Eine Feineinstellung der Phase der angekoppelten Wellen ist möglich durch geeignete Auswahl eines Drehwinkels jeder Anregungsöffnung in Bezug auf die Mittelebene. Eine solche Drehung hat auch Einfluss auf die Amplitude der ausgekoppelten Welle; dieser kann jedoch kompensiert werden durch geeignete Auswahl der seitlichen Auslenkung der Anregungsöffnung aus der Mittelebene.
Um Störungen der Kopplung durch Reflexionen an einem Ende des Längshohlleiters zu vermeiden, ist vorzugsweise ein kurzgeschlossenes Ende des Hohlleiters in einem Abstand von d/2 von der dem Ende benachbarten Anregungsöffnung angeordnet.
Einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung zufolge ist der erste Hohlleiter als eine Baumstruktur mit einem Stamm und einer Vielzahl von Zweigen ausgebildet, von denen jeder den Stamm mit einer der Anregungsöffnungen verbindet. Den einzelnen Zweigen können leicht unterschiedliche Längen und somit Phasenkorrekturen zugewiesen werden. Ebenso können Verzweigungen unsymmetrisch ausgebildet werden, um gewünschte ungleichmäßige Leistungsaufteilungen auf die einzelnen Zweige zu erreichen, die notwendig sind, um die für eine nullstellenfreie Bündelung in der zweiten Ebene benötigten Amplituden- und Phasenverhältnisse an den Strahlerelementen zu realisieren. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Länge der Zweige sich um nicht mehr als λ_H von einander unterscheiden müssen, wobei λ_H die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Gruppenantenne in der Baumstruktur ist. D. h. Abweichungen einer sich in der Baumstruktur ausbreitenden Welle von dieser Arbeitsfrequenz können nicht wie im Falle des Längshohlleiters zu kumulierenden Phasenfehlern führen, so dass eine im Vergleich zu dieser Lösung wesentlich größere Bandbreite der Gruppenantenne realisierbar ist.
Die Baumstruktur weist vorzugsweise zwei von einem gemeinsamen Stamm ausgehende Hauptäste auf, die sich auf verschiedenen Seiten einer durch die Anregungsöffnungen verlaufenden Ebene erstrecken, wobei die Anregungsöffnungen benachbarter Querhohlleiter jeweils an verschiedene dieser Hauptäste angeschlossen sind. Diese Struktur macht es sehr einfach, Abweichungen der Phasen der einzelnen Querhohlleiter von der Gleichphasigkeit, die zum Vermeiden von Nullstellen der Richtcharakteristik in der zweiten Ebene notwendig sind, durch Wählen der Hohlleiterlänge zwischen dem Stamm und jeder einzelnen Anregungsöffnung einzustellen.
Um die Richtcharakteristik in der zweiten Ebene zu optimieren, ist es wünschenswert, die verschiedenen Querhohlleiter jeweils mit unterschiedlichen Amplituden anregen zu können. Hierfür weisen die zu den Anregungsöffnungen führenden Zweige der Baumstruktur zweckmäßigerweise unterschiedliche Leistungen auf.
Die unterschiedlichen Leistungen werden vorzugsweise an Gabelungen, z. B. T- oder Y-Abschnitten der Baumstruktur realisiert, indem zwei zu verschiedenen Öffnungen führenden Abschnitten dieser Gabelung jeweils unterschiedliche Querschnitte verliehen werden. Diese unterschiedlichen Querschnitte können insbesondere durch eine asymmetrisch in die Gabelung eingreifende Zunge geschaffen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sektorantenne in auseinandergezogener Darstellung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung der Sektorantenne, im zusammengesetzten Zustand;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Hälfte eines Querhohlleiters und daran angeordneter Kammern;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Kopplungsbereichs zwischen einem Längshohlleiter und einem Querhohlleiter der Sektorantenne;
Fig. 5 eine Azimut-Richtcharakteristik einer erfindungsgemäßen Antenne;
Fig. 6 ein Diagramm der Elevations-Richtcharakteristik der Antenne;
Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne; und
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Ebene des ersten Wellenleiters in der Antenne aus Fig. 7.
Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sektorantenne wird mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Diese zeigt eine Mehrzahl von metallischen Platten 1 bis 7, aus denen die Antenne schichtweise aufgebaut ist. Eine in der Figur zuunterst dargestellte Platte 1 weist eine Bohrung 8 auf und ist vorgesehen, um an ihrer Unterseite in Höhe der Bohrung 8 den Anschlussflansch eines rohrförmigen Hohlleiters zu montieren, der zum Zuführen eines von der Antenne auszustrahlenden oder Abführen eines von ihr empfangenen HF-Signals dient. In der Beschreibung wird zwar im folgenden ausschließlich der Aspekt des Sendens mit der erfindungsgemäßen Antenne betrachtet; es versteht sich jedoch, dass die Antenne unverändert auch zum Empfangen eines HF-Signals brauchbar ist.
In einer über der Platte 1 angeordneten Platte 2 erstreckt sich in Längsrichtung ein erster Hohlleiter, als Längshohlleiter bezeichnet, der über die Bohrung 8 mit dem HF-Signal gespeist wird, welches sich in dem ersten Längshohlleiter 9 von der Bohrung 8 aus in entgegengesetzte Richtungen ausbreitet.
Der erste Hohlleiter 9 erstreckt sich in Art eines Schlitzes über die gesamte Höhe der Platte 2.
Beiderseits des ersten Hohlleiters 9 erstrecken sich flache Nuten 10 in Längsrichtung über Ober- und Unterseite der Platte 2. Sie begrenzen zusammen mit dem Hohlleiter 9 schmale, mit dem Rest der Ober- bzw. Unterseite bündige, in der Figur durch Schraffur hervorgehobene Oberflächenabschnitte 11, die Lot zum Verlöten der Platte 2 mit den benachbarten Platten 1 bzw. 3 tragen.
Die Platte 3 ist ein dünnes Blech, das im mit der Platte 2 verbundenen Zustand eine breite Seitenwand des rechteckigen Längshohlleiters 9 bildet. Eine Vielzahl von schlitzförmigen Anregungsöffnungen 12 ist in unterschiedlichen Orientierungen in Bezug auf die Längsrichtung des Längshohlleiters 9 und mit unterschiedlichen Auslenkungen in Bezug auf die Mittelebene des Längshohlleiters 9 angeordnet.
In der Platte 4 erstreckt sich eine Vielzahl von zweiten Hohlleitern 13, als Querhohlleiter bezeichnet, in Querrichtung der Platte, rechtwinklig zum Längshohlleiter 9. Alle Querhohlleiter weisen eine gleiche Länge auf. In jeden von ihnen mündet eine der Anregungsöffnungen 12. Die Querhohlleiter 13 sind jeweils so positioniert, dass die auf sie mündende Anregungsöffnung 12 exakt in der Mitte des Querhohlleiters 13 liegt. Infolgedessen variieren die Positionen der Querhohlleiter 13 in der Querrichtung geringfügig, entsprechend den unterschiedlichen Auslenkungen der auf sie mündenden Anregungsöffnungen 12.
Auch bei der Platte 4 sind Abschnitte 11 von Ober- und Unterseite, die zum Beschichten mit Lot vorgesehen sind, vom Rest der Ober- bzw. Unterseite durch in Längsrichtung verlaufende Nuten 10 abgetrennt.
In einer zum Verlöten an der Platte 4 vorgesehenen, dünnen Platte 5 ist eine Vielzahl von Koppelschlitzen 14 gebildet. Die Koppelschlitze 14 sind quer zu den Querhohlleitern 13 orientiert und in Form einer Matrix in Zeilen und zu den Querhohlleitern 13 parallelen Spalten angeordnet, wobei über jedem der Querhohlleiter 13 eine Spalte mit vier Koppelschlitzen 14 liegt. Innerhalb einer Zeile variieren die Positionen der einzelnen Schlitze geringfügig in Querrichtung der Platte 5, entsprechend den in dieser Richtung variierenden Positionen der Querhohlleiter 13 selbst bzw. der Anregungsöffnungen 12.
Eine auf der Platte 5 zu platzierende dicke Platte 6 weist eine Vielzahl von durchgehenden Bohrungen von angenähert rechteckigem Querschnitt auf, die zusammen mit der Platte 5 und einer die Außenseite der Antenne bildenden Platte 7 jeweils eine Kammer 15 bilden. In jeder der Kammern 15 mündet jeweils ein Koppelschlitz 14 in der Platte 5 und ein Sendeschlitz 16 in der Platte 7. Diejenigen Sendeschlitze 16, die zu von einem gleichen Hohlleiter 13 gespeisten Kammern 15 gehören, sind in einer Reihe äquidistant angeordnet. Die einzelnen Reihen sind in Querrichtung der Platte 7 geringfügig gegeneinander versetzt.
Bei dieser Ausgestaltung können die dicken Platten 1, 2, 4, 6 durch Fräsen aus Vollmaterial hergestellt werden, wohingegen die dünnen Platten 3, 5, 7 aus dünnen Blechen gestanzt sein können, und die Platten sind untereinander durch Löten verbunden.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich in der Geometrie ihrer Hohlleiter und Schlitze nicht von der der Fig. 1. Sie ist aus vier Platten 1, 2', 4', 6' aufgebaut, wobei die Platte 1 der Platte 1 aus Fig. 1 entspricht, und die Platten 2', 4', 6' jeweils als einteilige Verschmelzungen der Platten 2 und 3, 4 und 5 bzw. 6 und 7 aus Fig. 1 aufgefasst werden können.
Elemente, die bei den zwei Ausgestaltungen identisch sind, sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Antenne, aufgeschnitten entlang des Längshohlleiters 11.
Um als Sektorantenne für Richtfunkanwendungen brauchbar zu sein, muss die Richtcharakteristik der Antenne folgende Anforderungen erfüllen: In einer ersten Ebene, die durch die Oberflächennormale auf der Platte 7 und die Querrichtung definiert ist, im folgenden als Horizontale bezeichnet, soll die Richtcharakteristik eine Hauptkeule, die über einen Winkelbereich von ca. 90° praktisch konstant ist, und keine Nebenkeulen aufweisen. In einer als Vertikale bezeichneten Ebene, die durch die Oberflächennormale auf der Platte 7 und die Längsrichtung definiert ist, soll die Richtcharakteristik scharf gebündelt und frei von Nullstellen im hauptkeulennahen Bereich sein.
Hinsichtlich der Anforderungen an die Richtcharakteristik in der Horizontalen genügt es, einen einzigen Querhohlleiter 13 und die von ihm gespeisten Kammern zu betrachten. Die Forderung nach einer 90°-Sektor-Richtcharakteristik macht einen Abstand unter benachbarten Sendeschlitzen von λ₀/2 erforderlich, wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge eines von der Antenne auszustrahlenden Signals ist. Die relativen Amplituden und Phasen der vier Sendeschlitze 16 können durch eine Simulationsrechnung ermittelt werden. Da Programme zur Durchführung solcher Rechnungen bekannt sind, erübrigt sich eine Beschreibung; erhalten werden für eine 90°-Sektor- Richtcharakteristik für die einzelnen Sendeschlitze der Reihe nach:
(-5,7 dB; 122°), (0; 0); (0; 0); (-5,7 dB, 122°),
wenn der Abstand der Sendeschlitze 16 voneinander exakt 0,5 λ₀ beträgt, bzw.
(-6,0 dB; 125°) (0,0) (0,0) (-6,0 dB, 125°)
bei einem Abstand der Sendeschlitze von 0,52 λ₀.
Um diese Amplituden und Phasen zu realisieren, genügt es, die Koppelschlitze zwischen den Kammern 15 und dem Querhohlleiter 13 jeweils geeignet zu platzieren und die Länge des Querhohlleiters 13 geeignet zu wählen, wie im folgenden genauer erläutert wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hälfte eines Querhohlleiters 13, durchgeteilt entlang seiner Symmetrieebene, und der daran angeordneten Kammern 15, in dieser Figur mit 15a, 15b bezeichnet. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, gibt es drei Parameter, die zur Realisierung der gewünschten Phasen und Amplituden optimierbar sind: Den Abstand l₁ zwischen der Symmetrieebene und dem ihr benachbarten Koppelschlitz, hier mit dem Bezugszeichen 14a bezeichnet, den Abstand l₂ zwischen dem Koppelschlitz 14a und dem dem kurzgeschlossenen Ende des Hohlleiters benachbarten Koppelschlitz 14b sowie den Abstand l₃ zwischen dem Koppelschlitz 14b und dem Ende des Querhohlleiters 13. Diese drei Parameter haben sich als zur Realisierung einer 90°- Richtcharakteristik ausreichend erwiesen; im Bedarfsfalle könnte man jedoch in Betracht ziehen, noch weitere Parameter wie etwa Länge und Breite der Koppelschlitze zu optimieren.
Um eine zum Realisieren der gewünschten Sektor- Richtcharakteristik geeignete Verteilung der Koppelschlitze 14a, 14b zu finden, kann ausgehend von einer im Prinzip willkürlich wählbaren Kombination der Parameter l₁, l₂, l₃ die resultierende Verteilung von Amplituden und Phasen an den Sendeschlitzen 16a, 16b bezeichnet, mit der gewünschten Verteilung verglichen und iterativ optimiert werden.
Für 13 kann zweckmäßig der Anfangswert λ_H/2 gewählt werden, wobei λ_H die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz im Querhohlleiter 13 ist. Durch diese Auswahl wird am Ort des Koppelschlitzes 14b konstruktive Interferenz zwischen einer sich zum kurzgeschlossenen Ende hin ausbreitenden Welle und einer von dort reflektierten Welle erreicht, die Anregung der Kammer 15b und damit die Amplitude an dessen Sendeschlitz 16b wird somit maximal.
Als Anfangswert für l₂ kann

gewählt werden, wobei Δφ die bekannte gewünschte Phasendifferenz zwischen den Sendeschlitzen 16a, 16b ist. Im allgemeinen wird die mit diesem Anfangswert tatsächlich erhaltene Phasendifferenz von Δφ abweichen, da die Positionen der Koppelschlitze 14a, 14b am Boden der Kammern 15a, 15b nicht notwendigerweise gleich sind. Um die tatsächlich resultierende Phasendifferenzen zu vergrößern, wird man l₂ vergrößern und umgekehrt.
Als Startwert für l₁ kann e₁ eingesetzt werden.
Eine für die Parameterwerte l₁ = 0,25 λ_H, l₂ = 0,30 λ_H, l₃ = 0,53 λ_H erhaltene Richtcharakteristik ist in Fig. 4 dargestellt. Die Kurve H zeigt die auf Maximum normierte Amplitude für horizontale Polarisation, die Kurve V für vertikale (Kreuzpolarisation). Man erkennt für horizontale Polarisation eine 90°- Sektor-Richtcharakteristik mit sehr geringer Welligkeit zwischen 0 und ±45° und einem stetigen Abfall bis unter -35 dB bei 90°. Die vertikale Abstrahlung erreicht nirgends mehr als -42 dB. Ein steilerer Verlauf der Flanken der Kurve H wäre durch Vergrößern der Zahl der Kammern 15 erreichbar.
Durch die Optimierung werden l₁, l₂, l₃ jeweils als Vielfache von λ_H erhalten. Da die Hohlleiterwellenlänge λ_H von der Breite a des Hohlleiters nach der Formel

abhängt, kann sie in der Nähe der kritischen Frequenz wesentlich größer als die Freiraumwellenlänge λ₀ werden. Dies könnte dazu führen, dass die Koppelschlitze 14a, 14b entlang des Querhohlleiters 13 so weit voneinander entfernt liegen, dass die Kammern 15a, 15b nicht so angeordnet werden können, dass sie die Koppelschlitze 14a, 14b mit den im Abstand λ_H/2 angeordneten Sendeschlitzen 16a, 16b verbinden. Dieses Problem lässt sich jedoch vermeiden, wenn die Breite a des Querhohlleiters 13 groß genug gewählt wird. Eine Breite

gleich der des Längshohlleiters hat sich als geeignet erwiesen, sie ist auch kompatibel mit der Notwendigkeit, dass die Querhohlleiter 13 nicht breiter sein können, als dem Abstand d zwischen den Anregungsöffnungen 12 entspricht.
Während für den bislang betrachteten Fall einer 90°-Sektor-Richtcharakteristik vier Sendeschlitze bereits ein gutes Ergebnis liefern, ist zur Realisierung eines 45°-Sektors eine Anordnung mit sechs Sendeschlitzen günstiger, da hier eine höhere Flankensteilheit der Richtcharakteristik erforderlich ist. Die benötigten Amplituden und Phasen an den Sendeschlitzen werden wie oben durch Simulation berechnet, man erhält z. B. für die einzelnen Sendeschlitze, der Reihe nach:
(-5,7 dB; 123°) (-5,65 dE, 76°) (0; 0) (0; 0) (-5,65 dB; 76°) (-5,7 dB, 123°)
Die zur Realisierung dieser Amplituden und Phasen geeigneten Abstandswerte der Koppelschlitze untereinander und zum Ende des Querhohlleiters sind wie oben beschrieben iterativ durch Optimierung auffindbar.
In der Vertikalen ist ein scharf gebündeltes, von Nullstellen freies Strahlungsdiagramm wünschenswert. Auch hier ist es mit Simulationsrechnungen nach bekannten Verfahren möglich, für eine Vielzahl von Sendeschlitzen, die in dem Abstand d vertikal gestaffelt sind, für diesen Zweck optimale relative Amplituden und Phasen zu berechnen. Ein Beispiel einer Elevations-Richtcharakteristik mit Kurven H, V für horizontale bzw. vertikale Polarisation, die mit der erfindungsgemäßen Gruppenantenne realisierbar ist, ist in Fig. 6 gezeigt.
Da die Abmessungen sämtlicher Querhohlleiter 13 sowie die Lage der Anregungsöffnung 12 und der Koppelöffnungen 14 sowie der daran angeschlossenen Kammern 15 und ihrer Sendeschlitze 16 bei jedem Querhohlleiter 13 gleich sind, ist auch die Phasenverschiebung zwischen Anregung an der Öffnung 12 und Abstrahlung an den Sendeschlitzen 16 die gleiche. Daher genügt es, die Querhohlleiter 13 mit diesen optimalen relativen Phasen und Amplituden anzuregen, um eine entsprechende Phasenlage zwischen übereinanderliegenden Sendeschlitzen 16 verschiedener Querhohlleiter 13 zu erzielen. Diese Amplituden und Phasen sind einstellbar durch geeignete Auswahl von Auslenkung e und Drehwinkel θ der schlitzförmigen Anregungsöffnungen 12 in Bezug auf die Mittelebene 11 des Längshohlleiters 9 (siehe Fig. 4).
Eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne ist in Fig. 7 in einer auseinandergezogenen Darstellung gezeigt. Diese Ausgestaltung ist wie die der Fig. 2 aus vier Platten 1", 2", 4", 6" aufgebaut. Die Platte 1" unterscheidet sich von der Platte 1 aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 lediglich durch die Position der Bohrung 8, die hier nahe an einem Rand der Platte 1" liegt.
In der Platte 2" ist eine Baumstruktur 20 ausgefräst. Ein Stamm 21 der Baumstruktur 20 ist durch eine Kammer gebildet, auf die im zusammengebauten Zustand der Gruppenantenne die Bohrung 8 mündet. Von diesem Stamm 21 erstrecken sich zwei Hauptäste 22, 23 in entgegengesetzte Richtungen. Diese Hauptäste verzweigen sich mehrfach und enden schließlich an Anregungsöffnungen 12, von denen jede einen Querhohlleiter 13 der Platte 6" speist. Die Anregungsöffnungen sind sämtlich kongruent und fluchten miteinander. Einander benachbarte Anregungsöffnungen 12 sind jeweils abwechselnd an den Hauptast 22 oder 23 angeschlossen. Die Hauptäste 22, 23 gabeln sich mehrfach, um die Anregungsöffnungen 12 zu erreichen. Die zu den einzelnen Anregungsöffnungen 12 führenden Äste sind aufgebaut aus Abschnitten 24, die parallel zu der Fluchtlinie der Anregungsöffnungen 12 verlaufen, Abschnitten 25, die senkrecht zu dieser Linie verlaufen, und T-förmigen Verzweigungen 26, wie in der in Fig. 8 gezeigten Draufsicht auf die Platte 2" im Detail zu erkennen. Diese Struktur macht es einfach, die Baumstruktur 20 so zu konstruieren, dass infolge unterschiedlicher Weglängen zwischen dem Stamm 21 und den diversen Anregungsöffnungen 12 gewünschte Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Anregungsöffnungen 12 resultieren. Betrachten wir z. B. die in Fig. 8 mit 12a, 12b bezeichneten Anregungsöffnungen, die über die gemeinsame T-Verzweigung 26ab, versorgt werden. Eine gewünschte Phasenverschiebung zwischen beiden ergibt sich durch geeignete der Wahl der Längen der Abschnitte 24a, 24b, d. h. aus der Platzierung der T-Verzweigung 26ab, in vertikaler Richtung der Fig. 8. In gleicher Weise ist die Phasenlage zwischen den Anregungsöffnungen 12c, 12d durch Platzierung der T-Verzweigung 26cd, einstellbar. Die Phasendifferenz zwischen den Anregungsöffnungen 12a, 12c hingegen ergibt sich aus der Position der beide gemeinsam versorgenden T-Verzweigung 26a-d. Dieses Verfahren lässt sich zyklisch fortsetzen, bis schließlich durch Platzieren des Stamms 21 in horizontaler Richtung der Fig. 8 die relative Phasenlage zwischen den durch den Hauptast 22 bzw. den Hauptast 23 gespeisten Anregungsöffnungen festgelegt wird.
In jede T-Verzweigung 26 hinein erstreckt sich eine Zunge 27. Diese bestimmt jeweils die Breite des Durchgangs zwischen dem in der Figur horizontalen Abschnitt 25 und den zwei vertikalen Abschnitten 24 jeder T-Verzweigung und damit die Aufteilung der Amplitude einer eintreffenden Welle auf die zwei vertikalen Abschnitte 24.
Die Gesamtheit der Zungen 27, die eine Welle auf einem Zweig der Baumstruktur zwischen dem Stamm 21 und einer Anregungsöffnung 12 passiert, legt die Amplitude an dieser Anregungsöffnung 12 fest.

Claims

1. Gruppenantenne in Hohlleitertechnik, mit einem sich in einer ersten Raumrichtung erstreckenden Hohlleiter (13), als Querhohlleiter bezeichnet, und einer Mehrzahl von Kammern (15), deren jede jeweils einen Sende-/Empfangsschlitz (16) aufweist und über einen Koppelschlitz (14) an den Querhohlleiter (13) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-Empfangsschlitze (16) in einem festen Abstand verteilt angeordnet sind, und dass die Verteilung der Koppelschlitze (14) in der ersten Raumrichtung an dem Querhohlleiter (13) abweichend von der Verteilung der Sende- Empfangsschlitze (16) so gewählt ist, dass eine sich im Querhohlleiter (13) ausbreitende Welle mit der Arbeitsfrequenz die Sende- /Empfangsschlitze (16) mit zum Realisieren einer Sektor-Richtcharakteristik geeigneter Amplitude und Phase anregt.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Abstand zwischen 0,5 λ₀ und 0, 65 λ₀ beträgt, wobei λ₀ der Freiraumwellenlänge einer Funkwelle mit einer Arbeitsfrequenz der Gruppenantenne entspricht.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschlitze (14) und die Sende-/Empfangsschlitze (16) quer zu der ersten Raumrichtung orientiert sind.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querhohlleiter (13) an wenigstens einem Ende einen Kurzschluss aufweist.

5. Gruppenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (l₃) des Kurzschlusses vom nächstbenachbarten Koppelschlitz (14b) ca. die Hälfte der Hohlleiterwellenlänge einer Welle bei der Arbeitsfrequenz beträgt.

6. Gruppenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (13) des Kurzschlusses vom nächstbenachbarten Koppelschlitz (14b) zwischen dem 0,5-fachen und dem 0,55-fachen der Hohlleiterwellenlänge beträgt.

7. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Koppelschlitze (14) spiegelsymmetrisch bezüglich einer quer zur ersten Raumrichtung orientierten Symmetrieebene ist, und dass der Querhohlleiter (13) eine Anregungsöffnung (12) aufweist, die die Symmetrieebene schneidet.

8. Gruppenantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querhohlleiter (13) an beiden Enden einen Kurzschluss aufweist.

9. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Koppelschlitze (14) zwischen vier und sechs beträgt.

10. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier Koppelschlitze (14a, 14b) aufweist und dass der Abstand (l₃) der zwei der Symmetrieebene benachbarten Koppelschlitze (14a) von der Symmetrieebene ca. ein Viertel der Hohlleiterwellenlänge (λ_H) einer Welle bei der Arbeitsfrequenz beträgt.

11. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier Koppelschlitze (14a, 14b) aufweist, und dass der Abstand (l₂) zwischen einem der Symmetrieebene benachbarten Koppelschlitz (14a) und einem dem Kurzschluss benachbarten Koppelschlitz (14b) ca. das 0,3-fache der Hohlleiterwellenlänge (λ_H) beträgt.

12. Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mehrzahl von Platten (1-7; 1', 2', 4', 6'; 1", 2", 4", 6") zusammengesetzt ist, wobei der Querhohlleiter (13) in wenigstens einer Platte (4, 4', 4") und die Kammern (15) in einer weiteren Platte (6, 6', 6") ausgebildet sind.

13. Zweidimensionale Gruppenantenne, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anordnung von Gruppenantennen nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zueinander parallelen Querhohlleitern (13) umfasst.

14. Gruppenantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Querhohlleiter (13) eine Anregungsöffnung (12) aufweist, die auf eine mehreren Querhohlleitern (13) gemeinsamen Hohlleiter (11) mündet.

15. Gruppenantenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Hohlleiter ein sich in einer zweiten Raumrichtung geradlinig erstreckender Längshohlleiter (11) ist.

16. Gruppenantenne nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Längshohlleiter (11) ein Rechteckhohlleiter ist, und dass die Anregungsöffnungen (12) in einer Seitenwand des Längshohlleiters (11) mit der Breite

angeordnet sind, wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge der Arbeitsfrequenz und d der Abstand zwischen benachbarten Anregungsöffnungen (12) ist.

17. Gruppenantennne nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsöffnungen (12) Schlitze sind, deren Drehwinkel in Bezug auf die zweite Raumrichtung und/oder deren Auslenkung aus der Mitte des Längshohlleiters (11) für benachbarte Anregungsöffnungen (12) unterschiedlich ist.

18. Gruppenantenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Anregungsöffnungen (12) Drehwinkel und Auslenkungen mit jeweils unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen.

19. Gruppenantenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Hohlleiter eine Baumstruktur (20) mit einem Stamm (21) und einer Vielzahl von Zweigen aufweist, von denen jeder den Stamm (21) mit einer der Anregungsöffnungen (12) verbindet.

20. Gruppenantenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Baumstruktur (20) zwei von dem Stamm (21) ausgehende Hauptäste (22, 23) aufweist, die sich auf verschiedenen Seiten einer durch die Anregungsöffnungen verlaufenden Ebene erstrecken, wobei die Anregungsöffnungen (12) benachbarter Querhohlleiter (13) jeweils an verschiedene dieser Hauptäste (22, 23) angeschlossen sind.

21. Gruppenantenne nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen einer am Stamm (20) eingespeisten Welle mit der Resonanzfrequenz sich an den Anregungsöffnungen (12) um nicht mehr als 2π unterscheiden.

22. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Anregungsöffnungen (12) eine mittlere Länge von λ₀/2 aufweisen, wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge einer Arbeitsfrequenz der Gruppenantenne ist.

23. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mehrzahl von Platten (1-7; 1', 2', 4', 6'; 1", 2", 4", 6") zusammengesetzt ist, wobei der gemeinsame Hohlleiter (12, 20) in einer anderen Platte (2; 2'; 2") als die Querhohlleiter (13) und die Kammern (15) ausgebildet ist.