DE69413882T2

DE69413882T2 - Strahlende Mehrschichtenstruktur mit variabelem Strahlungsdiagramm

Info

Publication number: DE69413882T2
Application number: DE69413882T
Authority: DE
Inventors: Frederic F-31400 Toulouse Croq
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: DE69413882D1; US5497164A; EP0627783B1; FR2706085B1; ES2125420T3; FR2706085A1; EP0627783A1

Description

Das Gebiet der Erfindung ist das der Netzantennen und spezieller das der gedruckten Mehrschichten- und Mehrelementantennen, deren Strahlungselemente durch die Mikrostreifentechnik ausgeführt sind. Solche Antennen werden durch Gravur bzw. Ätzen oder Lithograhie von leitenden Spuren und Pflastersteinen auf dielektrischen Substraten ausgeführt, die im Allgemeinen nicht ausschließlich eben sind. Es gibt weiter ausgearbeitete Konfigurationen mit mehreren dielektrischen Substraten, Masseebenen, Resonanzhohlräumen usw., wovon einige Beispiele nachfolgend ausführlicher beschrieben werden. Im betrachteten Fall sind mehrere Dielektrikumschichten gestapelt, von denen jede ein Muster von leitenden Spuren und/oder Pflastersteinen aufweist.
Diese ebenen Antennen oder Antennen mit geringer Dicke werden seit etwa 50 Jahren in verschiedenen Formen häufig verwendet. Sie haben sich in Anbetracht ihrer innewohnenden Eigenschaften: Masse, Volumen, geringe Ausführungskosten, in einer großen Zahl von Gebieten weitgehend selbst durchgesetzt.
Es ist dem Fachmann weitgehend bekannt, dass die einfachsten Ausführungen von Strahlungselementen, nämlich die auf einem Substrat gravierten Mikrostreifenspuren, fundamentalen radioelektrischen Einschränkungen unterliegen, und insbesondere bei der Bandbreite, dem Richtfaktor und der Qualität der Strahlung. Diese letztere weist einerseits bedeutende Asymmetrien für ein Element, das in Linearpolarisation gemäß den verschiedenen Schnittebenen arbeitet, und andererseits Kreuzpolarisationspegel auf, die recht häufig mit den Spezifikationen von Raumfahrtmissionen unvereinbar sind.
Aus der französischen Patentanmeldung Nr. 93 03502 im Namen der Anmelderin ist ein Mehrelementsystem bekannt, das gestattet, den Richtfaktor einer gedruckten Antenne zu erhöhen, indem ein Unternetz verwendet wird, das aus einer Vielfalt von Elementen besteht, die untereinander elektromagnetisch gekoppelt und auf einer ebenen oder gestalteten Oberfläche verteilt sind.
Aus der französischen Anmeldung Nr. 89 11829 vom 11. 09. 1989 im Namen der Anmelderin (EP-A-0 426 972) ist es ebenfalls bekannt, Metallhohlräume zu verwenden, um die Bandbreite eines gedruckten strahlenden Elements zu vergrößern. Diese Konfiguration gestattet auch eine Steuerung der Strahlung und der Zwischenelementkopplung in einem aus solchen Elementen erzeugten Netz.
In bezug auf herkömmliche Lösungen, wie die Trichter oder die Dipole, haben die Lösungen, die die gedruckten Elemente verwenden, die Vorteile eines geringeren Gewichts und Platzplatzbedarfs, aber jedoch bei geringeren Leistungen an bestimmten Betriebsparametern der Antenne. Es hat sich insbesondere als schwierig erwiesen, gleichzeitig eine annehmbare Bandbreite mit einem vorbestimmten Richtfaktor und eine Polarisationsreinheit zu erhalten, die mit Telekommunikationsanwendungen kompatibel ist.
Tatsächlich weisen bis heute die gedruckten strahlenden Elemente Richtfaktoren auf, die in Abhängigkeit von geometrischen Charakteristiken der Antenne (Höhe des Substrats, Abmessungen der strahlenden Pflastersteine und der Hohlräume, wenn sie vorhanden sind) und den verwendeten Materialien (konstantes Dielektrikum der Substrate)herkömmlicherweise zwischen etwa 5 und 10 dBi liegen.
Diese Richtfaktorwerte sind überdies intrinsisch mit den resonanten Abmessungen (in der Größenordnung der geleiteten halben Wellenlänge) dieses Typs von strahlenden Elementen, die ihre strahlenden Oberflächen begrenzen, und folglich dem zugänglichen Maximum des Richtwertes verbunden.
Die herkömmliche Lösung, um einen höheren Richtwert einer gedruckten Antenne zu erhalten, ist das Anordnen von strahlenden Elementen in einem Netz. Dies führt im Allgemeinen zum Entwurf eines Versorgungsnetzes, das dazu bestimmt ist, das für die Bildung des gewünschten Strahlungsmodells notwendige Versorgungsgesetz zu erzeugen. Diese Versorgungssysteme sind insbesondere für die Apodisation des Beleuchtungsgesetzes der strahlenden Öffnung notwendig, wobei so gestattet wird, das Auftreten von Nebenkeulen zu vermeiden, die bei den Telekommunikations- oder Radarantennensystemen oft unerwünscht sind.
Das Konzept solcher Versorgungssysteme weist eine gewisse Anzahl von Problemen auf, die in der französischen Anmeldung Nr. 93 03502 ausführlicher beschrieben sind. Unter diesen Problemen können kurz genannt werden:
1) Die Komplexität eines solchen Systems nimmt mit der Anzahl von zu versorgenden Elementen zu; die Komplexität ist im Falle einer Antenne, die mit Zirkularpolarisation arbeitet, noch größer.
2) Die Diskoninuität oder die Diskretisierung der Apodisation aufgrund der Musterung der strahlenden Oberfläche durch diskrete elementare strahlende Elemente.
3) Die Kopplung zwischen den Elementen ist schwer zu berücksichtigen, und sie wird im Allgemeinen als ein Phänomen angesehen, das zur Verschlechterung der Leistungen der Antenne führt.
4) Die Verbindungstechnik ist komplex, was zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit der Antenne führt.
5) Die Energieverluste im Verteiler können groß sein, was die Verwendung einer solchen Lösung für sehr hohe Frequenzen oder für passive Antennen mit einigen Zehn Elementen belastet, wobei die Widerstandsverluste in diesem Fall zu schädlich sind.
Diese Probleme sind dem Fachmann bekannt und bilden den Gegenstand von zahlreichen Verbesserungsversuchen und zahlreichen Veröffentlichungen, wovon eine Zusammenfassung im "Handbook of Microstrip Antennas", von JAMES, J. R., HALL, P. S. und WOOD, C., veröffentlicht in IEE Electromagnetic Waves Series, Nr. 12, herausgegeben von: P. Perigrinus Ltd, Stevenage, U. K., gegeben ist. Diese Veröffentlichung bildet einen wesentlichen Teil der vorliegenden Anmeldung für ihre Beschreibung des Standes der Technik.
Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen schließen jedoch Kompromisse ein, weil entdeckt wird, dass im Gegenstück zu Verbesserungen des Richtfaktors andere Antennenleistungen eingeschränkt sind. Zum Beispiel beschreibt der Artikel von R. Q. LEE, R. ACOSTA und K. F. LEE: "Radiation characteristics of microstrip arrays with parasitic elements", erschienen in Electronics Letters, Bd. 23, S. 835-837, (1987) eine Vorrichtung, die einen Richtfaktor von 11 dBi gibt, aber bei einer Bandbreite kleiner als 1%, einer sehr hohen Gesamthöhe des Substrats in der Größenordnung von 0,4 λ, und das alles ohne Steuerung der Polaristation, noch der Symmetrie des Strahlungsdiagramms.
Zwei weitere Lösungen schlagen die Vergrößerung der strahlenden Oberfläche vor, um den Richtfaktor zu verbessern, entweder indem strahlende Elemente in dieselbe Ebene wie der erregende Pflasterstein gekoppelt werden, oder indem im Falle einer Struktur mit zwei übereinander angeordneten Pflastersteinen der obere resonante Pflasterstein aufgeteilt wird. Die erste Lösung ist von R. Q. LEE und K. F. LEE in "Experimental study of the two layer electromagnetically coupled rectangular patch antenna", IEEE Transactions Antennas and Propagation, (1990), Bd. AP-38, Nr. 8, S. 1298-1302, beschrieben; die zweite Lösung ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 93 03502 beschrieben. Eine Struktur mit übereinander angeordneten Pflastersteinen ist auch aus der EP-A-0 279 050 bekannt, die auch zum Redigieren des Oberbegriffs des Anspruchs 1 verwendet wurde.
Die von diesen bekannten Lösungen gebotenen Verbesserungen des Richtfaktors bleiben auf jeden Fall aus Gründen einer unzureichenden Kopplung im ersten genannten Fall und aus Gründen einer noch unzureichenden strahlenden Oberfläche für die zweite Lösung bescheiden.
Die Erfindung hat das Ziel, diese Einschränkungen der Leistungen der Antennen aus dem Stand der Technik zu lindern, und zielt insbesondere darauf, gleichzeitig eine hohe Verstärkung, eine sehr große Bandbreite, die Steuerung und Reinheit der Polarisation und die Steuerung des Strahlungsmodells zu bewirken.
Dafür schlägt die Erfindung eine strahlende Struktur mit variablem Richtfaktor vor, wobei diese Struktur eine Vielzahl von strahlenden Elementen und Mittel zur elektromagnetischen Erregung dieser strahlenden Elemente umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die strahlenden Elemente auf Grenzflächen einer Vielzahl von auf aufeinanderfolgenden Ebenen in einer strahlenden Mehrschichtenstruktur gestapelten dielektrischen Abstandshaltern verteilt sind, wobei diese strahlende Mehrschichtenstruktur selbst über den Erregungsmitteln angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung umfasst die strahlende Mehrschichtenstruktur eine Vielzahl von dielektrischen Zwischenschichten, wobei jede dielektrische Zwischenschicht eines oder mehrere strahlende Elemente aufweist, wobei die Struktur so aufgebaut ist, dass jede folgende Zwischenschicht eine gekoppelte strahlende Oberfläche aufweist, die größer als die Oberfläche des strahlenden Elements der vorhergehenden Ebene ist, wobei von einer ersten Ebene ausgegangen wird, die die Erregungsmittel beinhaltet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante sind die strahlenden Elemente der verschiedenen Ebenen durch eine elektromagnetische Kopplung gekoppelt, so dass dem Erfordernis einer speziellen Struktur zur Verteilung der elektromagnetischen Energie begegnet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die untere Ebene einen einzigen strahlenden Pflasterstein auf, der durch die Erregungsmittel erregt wird und der wiederum die strahlenden Elemente der nächsten Ebene erregt, usw.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird der erste strahlende Pflasterstein, der sich auf der ersten Ebene der Mehrschichtenstruktur befindet, so gespeist, dass er die gewünschte Polarisation abstrahlt. Die Polarisation dieses erregenden strahlenden Pflastersteins wird dann bei der Kopplung mit verschiedenen strahlenden Strukturen von oberen Ebenen durch Verwendung von Strukturen und strahlenden Elementen mit angepasster Form gesteuert und verbessert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal überdecken die strahlenden Elemente einer oberen Ebene die strahlenden Elemente einer direkt darunter liegenden Ebene teilweise, wenn sie in Projektion gemäß der Stapelrichtung der Ebenen betrachtet werden, und die Kopplung zwischen den Elementen benachbarter Ebenen wird durch den Prozentsatz der Überdeckung dieser Elemente in den Zonen der magnetischen Flüsse sowie durch die Dicke und die dielektrischen Eigenschaften der Separatoren gelenkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann eine bestimmte Polarisation durch Verwendung von Erregungen durch sequentielle Rotation in der gekoppelten Struktur erhalten werden. Gemäß einer Variante kann die strahlende Struktur mit einem polarisierenden Gitter ausgestattet sein.
Die Prinzipien der Erfindung sowie einige Ausführungen und die durch die Verwendung der Erfindung gewonnenen Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung sowie ihre beigefügten Zeichnungen genauer verstanden, in welchen:
Fig. 1 schematisch und in Draufsicht ein gedrucktes strahlendes Element aus dem Stand der Technik zeigt, das ein erstes Erregungselement E umfasst, das aus einem leitenden Pflasterstein (dem Fachmann durch seinen englischen Namen "Patch" bekannt) besteht, der auf einer Seite eines ebenen oder gestalteten dielektrischen Substrats D1 angeordnet ist,
Fig. 2 schematisch und im Schnitt das gedruckte strahlende Element aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 schematisch und in Draufsicht ein gedrucktes strahlendes Element aus dem Stand der Technik zeigt, das ein erstes "Patch"-Erregungselement E entsprechend der den Fig. 1 und 2 gemeinsamen Geometrie sowie ein zweites Patch- Resonatorelement R umfasst, das auf einem zweiten dielektrischen Substrat D2 (in Strahlungsrichtung) vor dem ersten Erregungselement E angeordnet ist,
Fig. 4 schematisch und im Schnitt das Beispiel eines strahlenden Elements gemäß Fig. 3 zeigt,
Fig. 5 schematisch und in Draufsicht ein Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur gemäß dem Stand der Technik zeigt, deren zweites Resonatorelement eine Mehrelementstruktur aufweist,
Fig. 6 schematisch und im Schnitt das Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur gemäß Fig. 5 zeigt,
Fig. 7 schematisch und in Draufsicht ein weiteres Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur zeigt, die aus einem ersten Patch-Erreger E auf einer ersten unteren Ebene und einem Polarisationsgitter besteht, das von einer Vielzahl von Patchs gebildet wird, die auf einer zweiten Dielektrikumebene D2 gemäß einer besonderen Geometrie angeordnet sind,
Fig. 8 schematisch und im Schnitt das Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur gemäß Fig. 7 zeigt,
Fig. 9 schematisch und in. Draufsicht ein Beispiel einer erfindungsgemäßen gedruckten strahlenden Struktur zeigt, die aus einem ersten Patch-Erreger E auf einem ersten dielektrischen Substrat D1 und einem zweiten Resonatorelement mit einer Mehrelementstruktur (R1 ... R6), das auf einem zweiten dieleketrischen Substrat D2 angeordneten ist, und einem auf einem dritten dielektrischen Substrat D3 angeordneten dritten Mehrelement- Resonatorelement (R21, R22, ... R26) besteht, das zu einer Konfiguration wie derjenigen von Fig. 5 darüber angeordnet ist,
Fig. 10 schematisch und im Schnitt das Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur gemäß Fig. 9 zeigt,
Fig. 11 schematisch und in Draufsicht ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen gedruckten strahlenden Struktur zeigt, deren zweites Resonatorelement eine Mehrelementstruktur aufweist und wovon ein drittes Mehrelement- Resonatorelement, das zur Konfiguration der Figur überlagert ist, die Form und die Funktion eines Polarisationsgitters hat,
Fig. 12 schematisch und im Schnitt das Beispiel einer gedruckten strahlenden Struktur gemäß Fig. 11 zeigt,
Fig. 13 die Ergebnisse von Messungen zeigt, die an der in Fig. 11 und 12 gezeigten strahlenden Struktur ausgeführt wurden.
In allen Figuren beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Elemente, deren Beschreibung nicht jedes Mal für jede Figur wiederholt wird.
In Fig. 1 und 2 ist das einfachste Beispiel eines strahlenden Elements vom "Patch"-Typ gemäß dem Stand der Technik zu sehen, das in Draufsicht bzw. im Schnitt gezeigt ist. Das Erregungselement Eist ein Pflasterstein aus leitendem Material, der auf eine Seite eines dielektrischen Substrats D1 gedruckt oder graviert ist. Die andere Seite dieses Dielektrikums ist mit einer leitenden Schicht M bedeckt, die eine Masseebene bildet. Beim vorliegenden Beispiel wird das Erregungspatch E über koaxiale Verbinder C versorgt, aber statt dessen ist jede andere Versorgungstechnologie vorstellbar, z. B.: drei Platten, Mikrostreifen, Kopplung durch Schlitz, usw. Es muss hier erwähnt werden, dass alle Beispiele in den Fig. 1 bis 12 auf ebenen Substraten gezeigt sind; die Erfindung sowie die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik können jedoch für gestaltete Oberflächen angepasst werden, und die gegebenen Beispiele sollen in dieser Hinsicht nicht einschränkend sein.
In Fig. 3 und 4 ist ein zweites Beispiel eines gedruckten strahlenden Elements aus dem Stand der Technik zu sehen, das ein erstes Patch-Erregungselement E, das auf einem ersten dielektrischen Substrat D1 gemäß der den Fig. 1 und 2 gemeinsamen Geometrie angeordnet ist, sowie ein zweites Patch-Resonatorelement R umfasst, das auf einem zweiten dielektrischen Substrat D2 angeordnet ist, das (in Richtung der Strahlung) vor dem ersten Erregungselement E angeordnet ist. Aus Gründen der leichteren Herstellung und der mechanischen Stabilität sind bei den praktischen Ausführungen diese Substrate benachbart und am häufigsten aus dem gleichen dielektrischen Material ausgeführt.
Beim Beispiel der Fig. 3 und 4 ist die Höhe H2 des zweiten dielektrischen Substrats D2 größer als die Höhe H1 des dielektrischen Substrats D1, um zwischen dem Erregungspatch E und dem Resonatorpatch R einen Hohlraumresonator für die Arbeitsfrequenz auszubilden. Diese Konfiguration gestattet, die Kopplung zwischen Elementen und dadurch die Bandbreite zu leiten. Der Durchmesser des Resonatorpatches R ist geringer als der Durchmesser des Erregungspatches E. Diese Parameter können manipuliert werden, um die Verstärkung und den Richtfaktor oder die Bandbreite des einfachen Elementes zu optimieren.
Beim Beispiel der Fig. 5 und 6 ist eine weitere einfache Ausführung einer strahlenden Struktur gemäß dem Stand der Technik zu sehen. Wie beim Beispiel gemäß Fig. 3 und 4 gibt es ein Erregungspatch E auf einer Seite eines ersten dielektrischen Substrats D1, dessen andere Seite eine leitende Schicht M trägt, die eine Masseebene bildet.
Wie in den vorhergehenden Figuren ist ein Resonatorpatch R auf einem zweiten dielektrischen Substrat D2 angeordnet, das auf dem ersten Substrat D1 angeordnet ist. Der Durchmesser des Resonaterpatches R ist kleiner als der Durchmesser des Erregungspatches E. Gemäß dem Beispiel der Fig. 5 und 6 ist das einfache Patch R durch eine Vielzahl von strahlenden Elementen (R1 ... R6, ...) vervollständigt, die auf einer isolierenden Oberfläche (D2) verteilt sind, die in einer Mehrschichtenstruktur auf die Erregungsmittel (C, E, M, D1) gestapelt ist. Die sekundären Resonatorpatchs (R1 ... R6) sind um das zentrale Resonatorpatch R herum angeordnet, um einen Mehrelementresonator zu bilden, um das Erregungspatch E in einer Zone von Strömen dieses letzteren, d. h. an seinem Umfang zu bedecken.
Die zweite isolierende Oberfläche D2 weist so eine Gesamtoberfläche von Patch-Resonatorelementen (R1, ... R6, R) auf, die netto größer als die Oberfläche des einzigen Erregerpatches E oder des Resonatorpatches R der Fig. 3 ist. Die effektive Öffnung der Antenne ist in ihrer Proportion erhöht, was einen Gewinn an Richtfaktor gestattet. Ein Vorrichtungsbeispiel gemäß diesem Prinzip ist in der französischen Anmeldung Nr. 93 03502 ausführlicher beschrieben.
In Fig. 7 und 8 ist in Draufsicht bzw. im Schnitt ein Beispiel einer weiteren Ausführung eines strahlenden Elements zu sehen, bei welchem durch eine besondere Geometrie der Patch-Resonatorelemente (P1, ... P12), die auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrats D2 mit der Höhe H&sub2; in einem Stern angeordnet sind, ein Polarisationsgitter ausgebildet ist.
Die Anordnung der Fig. 7 ist besonders für die Strahlung in Zirkularpolarisation ausgelegt. Die Erregungsmittel (C) des Erregungspatches E werden derart gespeist, dass in Höhe dieses ersten Patches E eine Zirkularpolarisation erregt wird, die wiederum durch elektromagnetische Kopplung den Mehrelementresonator (P1 ... P12) erregt. Die magnetischen Ströme am Umfang des Erregungselements E erregen Ströme in den Elementen P1 bis P12. Weil die Zirkularpolarisation einen sich drehenden elektrischen Feldvektor erzeugt, wird zu einem gegebenen Zeitpunkt gemäß der Orientierung des elektrischen Feldes zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise ein Paar von kolinearen Elementen (z. B. P1, P7) erregt, mit einer Erregung mit geringerer Amplitude an den benachbarten Paaren (P12, P6; P2, P8) und einer Erregung von Null der orthogonalen Paare (z. B. P4, P10). Ein Paar von mit einer Phasenverschiebung von 180º (Gegenphase) erregten Dipolen gestattet, die räumliche Phasenverschiebung von 180º zwischen diesen Elementen zu kompensieren. Dies gestattet eine Summation der kopolaren Komponente und eine Differenz der gegenpolaren Komponente.
Auf diese Weise wird die gewünschte Polarisation durch den Mehrelementresonator (P1, ... P12) gesteuert und verstärkt, der dank einer größeren strahlenden Öffnung gleichzeitig mit einem vergrößerten Richtfaktor eine sehr große Reinheit der Polarisation sowie einen optimierten Wirkungsgrad ergibt.
In Fig. 9 und 10 ist in Draufsicht bzw. im Schnitt ein Beispiel einer Ausführung einer erfindungsgemäßen gedruckten strahlenden Struktur zu sehen, bei welcher es zwei obere Ebenen gibt, die jeweils ein dielektrisches Substrat (D2; D3) umfassen, auf welchen ein Mehrelementresonator (R1, ... R6; R21, ... R26) durch Lithographie oder Gravur niedergelegt ist.
Wie in den vorhergehenden Figuren wird ein erstes Erregungspatch E auf der Oberseite eines ersten dielektrischen Substrats D1, das auf seiner entgegengesetzten Seite eine Masseebene M aufweist, von Erregungsmitteln erregt, die in diesem Beispiel koaxiale Verbinder C umfassen. Die Erregung des Elements E erzeugt an seinem Umfang magnetische Ströme, die durch elektromagnetische Kopplung wiederum Ströme in den Resonatorelementen R1, ... R6 der benachbarten Ebene erregen.
Die Erregung dieser Resonatorelemente der Ebene D2 durch das Patch E erzeugt magnetische Ströme am Umfang jedes Pflastersteins R1, ... R6, die durch elektromagnetische Kopplung wiederum die Resonatorelemente (R21, ... R26) der nächsten Ebene der strahlenden Struktur erregen, die auf dem dielektrischen Substrat D3 angeordnet sind.
Die Kopplung zwischen den Elementen einer Ebene ergibt sich aus der Geometrie der verschiedenen Patchs und der relativen Geometrie ihrer Anordnung, wie in der französischen Anmeldung Nr. 93 03502 im Namen der Anmelderin beschrieben. Die Kopplung zwischen den Elementen verscheidener Ebenen ist eine Funktion der Überdeckung der Elemente von benachbarten Ebenen (wie es in Fig. 9 deutlich wird) und der dielektrischen Höhe (H1, H2), die die Elemente trennt, sowie der Dielektrizitätskonstante jedes Substrats (D1, D2, D3, ...).
In Fig. 11 und 12 ist im Schnitt bzw. in Draufsicht ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführung zu sehen, die eine Vielzahl von Ebenen (D2, D3) aufweist, die jeweils eine Vielfalt von strahlenden Elementen (R1, .... R6 bzw. P1, ... P1) aufweisen. Die Ausführung der Fig. 11 und 12 umfasst die Merkmale der Fig. 7, 8 und 9, 10. Bei dem hier gezeigten Beispiel haben die Elemente P1, ... P6 eine besondere Form und Anordnung, die eines Polarisationsgitters, um die ausgesandte Polarisation wie in den Fig. 7 und 8 zu verbessern und zu steuern.
Die untere Ebene der strahlenden Struktur, die auf einem dielektrischen Substrat D1 angeordnet ist, weist die (nicht gezeigten) Erregungsmittel eines Erregungspatches E sowie eine Masseebene (M) auf; die Vielzahl von darauf gestapelten Substraten (D2, D3) weist Mehrelementresonatoren auf, deren Einwirkungsoberfläche sich auf jedem Substrat je nach der Position des Substrates in der Struktur in der zur Abstrahlung der Antenne senkrechten Richtung vergrößert.
Die Geometrie der Patchs und ihre relative Anordnung sowie die relativen Höhen H1/H2/H3 der dielektrischen Substrate sind wichtige Parameter, die gestatten, gemäß den Regeln im Arbeitsbereich des Fachmanns einen variablen Richtfaktor und ein gewünschtes Frequenzverhalten zu erreichen. Die Dielektrizitätskonstante ist ein Steuerparameter für die Kopplung und beeinflusst alle Leistungen der Antenne. Die Dielektrizitätskonstanten der verschiedenen Ebenen können alle gleich oder im Gegenteil so ausgewählt sein, dass die Dielektrikumsdicke zwischen zwei Patchs, die sich auf benachbarten Ebenen befinden, verringert ist.
Die Beispiele der vorhergehenden Figuren basieren auf einfachen Geometrien in jeder Ebene von Mehrelementresonatoren und auf drei Ebenen von ebenen Substraten. Die Erfindung kann je nach Konzeption des strahlenden Elements im Hinblick auf eine gegebene Mission auf gekrümmten oder gestalteten Substraten mit mehr oder weniger komplizierten Geometrien von Patchs und ihrer relativen Position verwendet werden. Die Erfindung kann für die Herstellung einer strahlenden Struktur mit einer noch breiteren strahlenden Öffnung auch auf vier, ja sogar fünf Substrate oder mehr zurückgreifen. Die Gesamtdicke der Struktur muss jedoch vorzugsweise relativ bescheiden bleiben, um den Bedürfnissen der angestrebten Anwendungsgebiete, insbesondere im Raum, zu entsprechen.
Für einige der in den vorhergehenden Figuren gezeigten strahlenden Strukturen wurden Vergleichsmessungen ausgeführt, und die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle gegeben. TABELLE VON BEI F = 1500 MHz AUSGEFÜHRTEN MESSUNGEN ANM.: Die in dieser Tabelle gezeigten Berechnungen und Messungen wurden bei F: 1500 MHz ausgeführt Funkleistungen
Die Ergebnisse der an der Struktur der Fig. 11 und 12 ausgeführten Messungen sind durch die Kurven gegeben, die in Fig. 13 gezeichnet und in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind. In dieser Figur stellen die verschiedenen Kurven den Richtfaktor für verschiedene Azimutwinkel dar, d. h. die Amplitudenmessung in bezug auf eine isotrope Antenne (in dB/ISO) in Abhängigkeit vom Höhenwinkel, der auf der Abszisse gegeben ist. Die Ebenen in gemäß der Höhe gekreuzter Polarisation sind in punktierten Linien gezeichnet. Die sekundären Keulen sind bei diesen Kurven nicht vorhanden, weil sie kleiner als der Messbereich dieser Graphiken sind. IN Fig. 13 GEZEICHNETE WERTE
Aus diesen Kurven und diesen Tabellen geht hervor, dass zusätzlich zu einer bedeutenden Erhöhung des Richtfaktors der erfindungsgemäßen Antenne die Apodisation effektiv ist, weil die sekundären Keulen quasi nicht vorhanden sind, die Reinheit der Polarisation, die durch Hinzufügen des Polarisationsgitters erhalten wird, das durch die gekoppelte Struktur in sequentieller Rotation erregt wird, ist ausgezeichnet, wie es die Kurven der Fig. 13 erkennen lassen.
Selbst die Bandbreite wurde bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Hinzufügen einer Ebene von Mehrelementresonatoren verbessert. Und der Elliptizitätsgrad, ein für die Zirkularopolarisation wesentlicher Parameter, wurde ebenfalls verbessert.
Zusätzlich zu den Vorteilen in Leistungsbegriffen verschafft die erfindungsgemäße strahlende Struktur wichtige Vorteile in Begriffen der Konzeption und der Ausführung von Antennen, insbesondere durch die Beseitigung der Notwendigkeit von komplexen Verteilungsstrukturen zwischen den Gliedern eines Unternetzes aus strahlenden Elementen. Bei der vorliegenden Erfindung werden die strahlenden Elemente einzig und allein durch die elektromagnetische Kopplung versorgt, und es sind die Parameter dieser Kopplung, die das Beleuchtungsgesetz bestimmen. Der Richtfaktor kann so Zwischenwerte zwischen den durch die herkömmlichen Verteilungstechniken erhaltenen diskreten Werten annehmen.

Claims

1. Strahlende Mehrschichtenstruktur mit Mikrostreifentechnologie für Gruppenantennen, wobei diese Struktur umfasst:

- eine Vielzahl von Ebenen, wovon eine untere Ebene und wenigstens eine obere Ebene in einem oberen Teil enthalten sind,

- eine Vielzahl von strahlenden Elementen (R1, R2, R3, R4, R5, R6; R21, R22, R23, R24, R25, R26), die im oberen Teil angeordnet sind,

- und Mittel (E, D1, C, M) zur elektromagnetischen Erregung dieser strahlenen Elemente, die in der unteren Ebene angeordnet sind;

wobei diese strahlenden Elemente durch eine Verteilung der elekromagnetischen Erregungsenergie zwischen den Elementen erregt werden, wobei die Verteilung durch eine elektromagnetische Kopplung zwischen den Elementen bewirkt wird, wobei der obere Teil wenigstens zwei obere Ebenen umfasst, wobei die strahlenden Elemente auf einer Vielzahl von dielektrischen Substraten (D2, D3, ...) verteilt sind, die durch aufeinanderfolgende Ebenen zu einer strahlenden Mehrschichtenstruktur gestapelt sind, wobei diese strahlende Mehrschichtenstruktur selbst auf den Erregungsmitteln angeordnet ist, die in der unteren Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes dielektrische Substrat (D2, D3, ...) des oberen Teils mehrere strahlende Elemente (R1, ... R6; R21, .... R26) aufweist und dass die Struktur derart zusammengesetzt ist, dass jedes folgende dielektrische Substrat strahlende Elemente auf einer Oberfläche aufweist, die größer als die ist, die von den strahlenden Elementen der vorhergehenden Ebene eingenommen wird, wobei von einer ersten unteren Ebene ausgegangen wird, die die Erregungsmittel (E, D1, C, M) enthält.

2. Strahlende Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine spezifischen Mittel zur Verteilung der elektromagnetischen Erregungsenergie zwischen den Elementen aufweist, wobei diese Verteilung allein durch eine Kopplung der von jedem Element erzeugten magnetischen Ströme bewirkt wird.

3. Strahlende Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine spezifischen Mittel zur Kopplung der elektromagnetischen Erregungsenergie zwischen den Ebenen umfasst, wobei diese Erregung allein durch eine Kopplung der magnetischen Ströme bewirkt wird, die von den Elementen der direkt darunterliegenden Ebene erzeugt werden, die die Elemente der direkt darüberliegenden Ebene erregen.

4. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Ebene einen einzigen strahlenden Pflasterstein (E) aufweist, der von den Erregungsmitteln (C) erregt wird und der wiederum die strahlenden Elemente (R1, ... R6) der nächsten Ebene erregt, und so weiter.

5. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste strahlende Pflasterstein (E), der sich auf der unteren Ebene der Mehrschichtenstruktur befindet, so gespeist wird, dass er die gewünschte Polarisation abstrahlt.

6. Strahlende Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenden Elemente wenigstens einer der oberen Ebenen so angeordnet sind, dass sie eine strahlende Struktur bilden, die fähig ist, die Polarisation der ausgesandten Strahlung zu verstärken und zu verfeinern.

7. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenden Elemente (R21, ... R26) einer oberen Ebene die strahlenden Elemente (R1, ... R6) einer direkt darunterliegenden Ebene teilweise überdecken, wenn sie in Projektion gemäß der Stapelrichtung der Ebenen betrachtet wird, und dass die Kopplung zwischen den Elementen von benachbarten Ebenen durch den Prozentsatz der Überdeckung dieser Elemente in den Zonen der magnetischen Ströme sowie durch die Diecke und die dielektrischen Eigenschaften der Separatoren gelenkt wird.

8. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation zirkular ist und dass sie durch Anwendung der Erregung durch sequentielle Drehung in der gekoppelten Struktur erhalten wird.

9. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem polarisierenden Gitter ausgestattet ist.

10. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Substrate (D1, D2, D3, ...) im Wesentlichen eben sind.

11. Strahlende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Substrate (D1, D2, D3, ...) in 3 Dimensionen gestaltet sind.

12. Elektromagnetische Antenne mit variabler Richtcharakteristik, die wenigstens eine Vielzahl von strahlenden Elementen umfasst, die zu einer strahlenden Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gestaltet sind.