DE69015678T2 - Mehrfach polarisierte kompakte Breitbandantenne. - Google Patents

Description

Hinterarund der Erfindung: Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf Breitbandantennen und insbesondere auf Breitbandantennen mit kompakter Größe, die mehrfach polarisierte elektromagnetische Strahlung empfangen oder senden können.
Kurze Beschreibung des Standes der Technik
• Antennen werden häufig benötigt, um elektromagnetische Strahlung mit einer Bandbreite über mehrere Oktaven unter Beibehaltung eines gleichmäßigen Strahlungsdiagramms und gleichmäßiger Impedanz Eigenschaften innerhalb des Betriebsbandes zu empfangen oder zu senden. Solche Antennen sind in der Technik seit Jahren bekannt und enthalten logarithmischperiodische und spiralförmige Strahlerstrukturen. Häufig ist die Polarisation des empfangenen elektromagnetischen Signals jedoch unbekannt, und eine herkömmliche logarithmisch-periodische oder spiralenförmige Antenne kann auf die ausgesendete Polarisationsrichtung nicht reagieren. Das Problem des Ansprechens auf ausgesendete Signale über ein breites Band für jede Polarisationsrichtung (beispielsweise vertikal, horizontal, linkszirkular oder rechtszirkular) ist schwierig und ist im Stand der Technik bisher nicht vollständig gelöst worden.
• Der den Anmeldern bekannte nächstliegende Stand der Technik ist ein Patent von DuHamel (US-A-4 658 262 und EP-A-0 198 578). Dieses Patent offenbart eine logarithmischperiodische Zickzackantenne mit vier gleichen Zickzackgliedern, die um 90 Grad voneinander entfernt angeordnet sind. Ein aus zwei 180º-Marchand-Symmetrieübertragern und einer 90º-Gabelschaltung bestehender HF-Prozessor, der von der Antenne entfernt angeordnet ist, wird dazu verwendet, eine Übertragungsleitung zu speisen, die von einem Hohlraum im Basisbereich des Antennengehäuses nach oben längs der Antennenachse verläuft und mit dem zentralen Antennenspeisepunkt verbunden ist.
• In der DE-A-2 400 752 ist eine Dipolantennen mit zwei logarithmisch periodischen Elementen beschrieben, die jeweils einen zentralen Stab und Seitenglieder aufweisen, die abwechselnd beiderseits des Stabs im Winkel von 45 Grad zu ihm angeordnet sind. Die zentralen Stäbe ragen in entgegengesetzten Richtungen von einer Mitte weg, an der die Signaleinspeisung angeschlossen ist, und die Seitenglieder liegen längs der Seiten von konzentrisch um die Mitte verlaufenden Quadraten und treffen sich längs einer Symmetrielinie durch die Mitte. Es sind abgeänderte Formen der Antenne erwähnt, bei denen der Winkel zwischen den Seitengliedern und dem zentralen Stab um bis zu ± 35º von 45º abweicht. Auch eine einpolige Antenne mit einer Masseebene wird beschrieben.
• Eine übliche Ausfallart von hohlraumgestützten Antennen, die an einem zentralen Speisepunkt mittels einer Übertragungsleitung gespeist werden, die auf der Antennenachse angeordnet ist, besteht darin, daß eine mechanische Trennung zwischen der Antenne und der Übertragungsleitung eintritt. Dieser Ausfall geschieht gewöhnlich dann, wenn die Antenne Umgebungsbeanspruchungen wie thermischen Zyklen oder Vibrationen ausgesetzt ist.
• Dieses Problem besteht, weil das dünne kreisförmige Antennensubstrat, das dauerhaft am Umfang des Hohlraums befestigt ist, als Membran wirkt und sich aufgrund thermischer Zyklen und Vibrationen an der Mitte (im Bereich des Einspeisungspunkts) auf und ab bewegt. Wenn diese Bewegung geschieht, löst sich die Antenne von der am zentralen Einspeisungspunkt befestigten Übertragungsleitung, was zu einem vollständigen elektrischen Ausfall führt. Wie anschließend gezeigt wird, beseitigt die Erfindung dieses Problem, da die Antennenübertragungsleitung am Umfang der Antenne (Membran) befestigt ist, wo keine Bewegung zwischen der Antenne und der Einspeisungs-Übertragungsleitung stattfindet, so daß daher eine wesentlich geringere Beanspruchung an der Verbindungsschnittstelle zwischen Antenne und Einspeisung vorhanden ist.
• Es ist ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften des Ansprechens einer richtwirkungsfreien Breitbandantenne unabhängig von der Polarisierung mit gleichzeitiger Befreiung von mechanischen Einspeisungspunktausfällen zu schaffen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Breitbandantenne geschaffen mit einem Substratmittel mit einer Mitte und einem Umfangsbereich, mit einem logarithmisch-periodischen Dipol auf dem Substratmittel mit zwei Elementen, von denen sich jedes von der Mitte aus zu dem Umfangsbereich des Substratmittels erstreckt und einen radial angeordneten zentralen Stab aufweist, von dem aus sich mehrere bogenförmige Glieder in Umfangsrichtung und abwechselnd auf beiden Seiten so erstrecken, daß sie im wesentlichen gleiche Winkel um die Mitte überspannen, einem unbegrenzten Symmetrieübertrager, der bei der Mitte mit den Elementen verbunden ist, und einem Signaleinführungs/Ableitungs-Anschluß für eine Übertragungsleitung nahe des Umfangsbereichs in Verbindung mit dem Symmetrieübertrager.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Breitbandantenne geschaffen mit einem Substratmittel mit einer Mitte oder einem Umfangsbereich, mehreren logarithmisch-periodischen Dipolen auf dem Substratmittel, wobei jedes Element von der Mitte zum Umfangsbereich des Substratmittels verläuft und einen radial angeordneten zentralen Stab mit mehreren bogenförmigen Gliedern aufweist, die sich in Umfangsrichtung abwechselnd auf beiden Seiten des Stabs erstrecken, so daß sie im wesentlichen gleiche Winkel um die Mitte überspannen, wobei die Dipole im wesentlichen gleichwinklig im Abstand um die Mitte mit ineinander verschachtelten bogenförmigen Gliedern der verschiedenen Dipole liegen, mehreren unbegrenzten Symmetrieübertragern bezüglich der Dipole, wobei jeder Symmetrieübertrager einen Leiter auf einer anderen Fläche des Substratmittels als das erste Element des betreffenden Dipols hat, der parallel und in Längsrichtung zur Längserstreckung des zentralen Stabs des ersten Elements verläuft und bei der Mitte mit dem zentralen Stab des zweiten Elements des betreffenden Dipols verbunden ist, und mehreren Signaleinführungs/Ableitungs-Anschlüssen für die Dipole, wobei jeder Anschluß für eine Übertragungsleitung dient, nahe des Umfangsbereichs angeordnet ist und mit dem Leiter des betreffenden Dipols und dem zentralen Stab des ersten Elements des betreffenden Dipols verbunden ist.
• Eine Ausführungsform der Erfindung enthält zwei in der Technik gedruckter Schaltungen realisierte ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Dipolelemente, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Die ineinander verschachtelten logarithmisch-periodischen Elemente sind auf einen dielektrischen Substrat geätzt und über einem mit einem Absorber belasteten Stützhohlraum angeordnet, damit das richtwirkungsfreie Breitbandverhalten ähnlich dem einer hohlraumgestützten ebenen Spiralantenne erhalten wird. Die logarithmisch-periodischen Elemente sind vorzugsweise, jedoch ohne darauf bezogene Einschränkung eine aus Kupfer geätzte Schaltung, und das dielektrische (elektrisch isolierende) Substrat ist vorzugsweise, jedoch ohne diesbezügliche Einschränkung aus Fiberglas oder Teflonglas (z.B. Duroid des Typs 5880) hergestellt. Die ineinander verschachtelten logarithmisch-periodischen Elemente haben die Form kreisförmiger Bögen, damit der verfügbare Raum in der kreisförmigen Öffnung effizient ausgenutzt wird. Der radiale Abstand von der Antennenmitte zu den inneren (rn) und äußeren (Rn)-Bögen jedes der Dipolarme ist mittels eines konstanten Faktors τ gewichtet, wobei gilt: τ = R(n+1)/Rn, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das Ausmaß des Ineinandergreifens wird durch einen Winkel α gesteuert, wobei das Ineinandergreifen mit einer Zunahme von α größer wird. Das Symbol a in Fig. 1 steuert die Breite der einzelnen Elemente. Der Ausdruck W ist die Breite der Übertragungsleitung, die die HF-Energie von und zu jedem der strahlenden Elemente der Antenne transportiert, wobei Änderungen von W die Impedanz der Übertragungsleitung ändern.
• Ferner ist die erfindungsgemäße Antenne mit der speisenden Übertragungsleitung am Antennenumfang und nicht am zentralen Antennenspeisungspunkt verbunden, wie es bei anderen hohlraumgestützten Breitbandantennen der Fall ist, einschließlich derjenigen, die als nächstliegender Stand der Technik, in dem DuHamel-Patent 4 658 262 beschrieben ist. Dies bietet einen besonderen Zuverlässigkeitsvorteil.
• Dies wird kurz gesagt dadurch erreicht, daß dafür gesorgt wird, daß die von der Antenne empfangene Energie an der aktiven Zone (etwa dem 1-Wellenlängen-Umfangsbereich) der Antenne in die Antenne eintritt und von dem zentralen Antenneneinspeisungspunkt radial nach außen zum Außenumfang des Antennensubstrats (Membran) über zwei orthogonale als gedruckte Schaltung ausgeführte Symmetrieübertrager (koaxial, Mikrostrip oder Streifenleitung) verläuft. Diese Symmetrieübertrager (wegen ihrer unbegrenzten Bandbreite üblicherweise als unbegrenzte Symmetrieübertrager bezeichnet) sind ein integraler Bestandteil des geätzten Antennensubstrats und ersetzen den Bedarf für zwei getrennte Marchand-Symmetrieübertrager, wie sie in dem DuHamel Patent 4 658 262 beschrieben sind. Am Außenumfang der Antenne sind Symmetrieübertrager mit einer Koaxialleitung verbunden, die das empfangene Signal zu der als gedruckte Schaltungen ausgeführten 90º-Gabelschaltung transportiert, die im Basisbereich der Antenne angebracht ist. Die Ausgänge der 90º-Gabelschaltung bilden linkszirkular- und rechtszirkular-polarisierte Anschlüsse.
• Wenn nur doppelte lineare Polarisierungen (horizontal und vertikal) benötigt werden, können die Ausgangssignale direkt von den Anschlüssen des Symmetrieübertragers abgenommen werden, ohne daß die 90º-Gabelschaltung benötigt wird. Die Antenne eignet sich daher für mehrere Polarisationen bei einer einzigen strahlenden Öffnung. Für einige Anwendungen kann es erforderlich sein, daß die Antenne nur einen Ausgangsanschluß aufweist und dabei trotzdem für Doppelpolarisationen geeignet ist. Diese wird dadurch erreicht, daß zwischen den 90º-Ausgangsanschlüssen der Gabelschaltung und den einzigen Antennenausgangsanschluß eine einpolige Umschalt - PIN-Diode, ein FET oder ein mechanischer Schalter eingefügt wird. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Schalter ein PIN-Diodentyp, der üblicherweise bei einem Mikrowellen- Bauelement-Lieferanten wie der Firma M/A-COM Semiconductor Products of Burlington, Massachusetts 01803 verfügbar ist. Alle Komponenten der Erfindung einschließlich der Strahleröffnung der Antenne (ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Dipolelemente), des Polarisationsprozessors (unbegrenzte Symmetrieübertrager als gedruckte Schaltung, 90º-Gabelschalter mit koaxialer Schnittstelle), des mit einem Absorber belasteten Antennenhohlraums und des Polarisationswählschalters sind in einem einzigen Gehäuse untergebracht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt Einzelheiten der ein einziges Element der ineinander verschachtelten logarithmisch-periodischen Struktur definierenden Geometrie;
• Fig. 2 zeigt die ineinander verschachtelte Geometrie der kompakten Breitbandantennen-Strahleröffnung mit Mehrfachpolarisation;
• Fig. 3a und 3b zeigen die Anregung, die für die Erzielung von linkszirkularen und rechtszirkularen Polarisationen für einen symmetrischen Antenneneinspeisungspunkt mit vier Anschlüssen, wie er bei der Erfindung benutzt wird;
• Fig. 4 eine übliche Methode zum Speisen von vier symmetrischen Einspeisungspunkten für die Erzielung einer linkszirkularen und einer rechtszirkularen Polarisation, wobei die akzeptierte Praxis darin besteht, daß diese Komponenten von der Antennenstrahleröffnung entfernt angebracht sind; für die hier beschriebene Erfindung sind die zwei Symmetrieübertrager ein integraler Bestandteil der in Form einer gedruckten Schaltung ausgeführten Antennenstrahleröffnung, damit eine verbesserte Zuverlässigkeit und reduzierte Kosten erhalten werden;
• Fig. 5 zeigt eine Explosionsansicht der Antennenbestandteile und ihre relative Position zueinander;
• Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf den 90º-Gabelschalter und den Polarisationsschalter;
• Fig. 7 zeigt zwei Mittel zur Ausführung des mittleren Antenneneinspeisungspunkts mit als gedruckte Schaltung ausgeführten Mikrostrip- oder Streifenleitungs-Symmetrieübertragern, wobei in Fig. 7a von einem Kurzschlußstift oder einem durchkontaktierten Loch und in Fig. 7b von einer völlig lötfreien Einspeisungszonengeometrie Gebrauch gemacht wird;
• Fig. 8 zeigt Einzelheiten, wie die orthogonale Einspeisungsgeometrie an der zentralen Einspeisungszone überkreuzt wird;
• Fig. 9a und 9b zeigen gemessene linkszirkular und rechtszirkular polarisierte Strahlungsdiagramme bei einer einzigen Frequenz;
• Fig. 10 zeigt eine kapazitiv belastete ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Antenne, die gleichzeitig mit Summen- und Diffenz-Strahlungsdiagrammen arbeiten kann; diese Belastungslösung eignet sich auch für die im Summierbetrieb arbeitende Antenne von Fig. 2 mit vier Anschlüssen bei Anwendungen, bei denen eine reduzierte Größe erforderlich ist;
• Fig. 11 zeigt die Geometrie einer herkömmlichen Streifenleitungsschaltung; und
• Fig. 12(a) bis 12(e) zeigen die Geometrie einer über eine Streifenleitung gespeisten ineinander verschachtelten logarithmisch-periodischen Antenne.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Funktionsbeschreibung --- Die grundlegenden Funktionskomponenten der Antennenanordnung sind in Fig. 5 dargestellt und bestehen aus: (1) eine ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Abstrahlungsöffnung mit integralen als gedruckte Schaltung ausgeführten unbegrenzten Symmetrieübertragern, die Teil des Polarisationsprozesses sind, (2) einer Absorberlast mit: dem mit einem Absorber belasteten Antennenhohlraum für die Erzielung eines breitbandigen richtwirkungsfreien Strahlungsdiagramms und (b) dem Abschlußabsorber rund um den Antennenumfang zur Verbesserung des Niederfrequenzverhaltens, (3) dem Polarisationsprozessor mit (a) den als gedruckte Schaltung ausgeführten unbegrenzten Symmetrieübertragern (als Bestandteil der strahlenden Struktur) und (b> den 90º-Gabelschalter und (4) dem Antennengehäuse und der Schutzhaube.
• Der Polarisationsprozessor sorgt für die entsPrechende Anregung der Antenneneinspeisungspunkte (siehe Fig. 3a und 3b) an den vier Antenneneinspeisungspunkten, die in der Mitte der Strahleröffnung liegen. Die Anregungen erfordern eine gleiche Amplitude für alle vier Antenneneinspeisungspunkte und aufeinanderfolgende Phasenentwicklungen in Schritten zu 90º sowohl für Drehungen im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn. Diese Anregung erzeugt sowohl linkszirkular polarisierte als auch rechtszirkular polarisierte Antennenausgangssignale aus der 90º-Gabelschaltung. Die Antennenanordnung ist in einem metallischen, topfförmigen Gehäuse untergebracht und mit einer dielektrischen Schutzhaube (aus Fiberglas) als Schutz gegen Umgebungseinflüsse bedeckt. Genaue Beschreibung --- In Fig. 1 ist die Geometrie dargestellt, die eine als gedruckte Schaltung ausgeführte, logarithmisch-periodische Struktur beschreibt. Logarithmischperiodische Antennen sind in der Literatur genauer erörtert, beispielsweise in "Antenna Handbook" von Y. T. Lo und S. W. Lee, Kapitel 9, "Frequency Independent Antennas", 1988 Van Nostrand Reinhold Co. Inc. Die logarithmisch-periodische Geometrie wird angewendet, um eine Antenne zu entwerfen, indem zunächst ein Antennenelement innerhalb einer einzigen Zelle zu definieren (z.B. R&sub1; und r&sub1; und zwischen α = 0 und α). Die gleiche Leiterkonfiguration wird mit einer Bewertung durch einen konstanten Skalierungsfaktor τ dann in den anderen Zellen reproduziert. Wenn dieser Vorgang unendlich oft für kleinere Zellen wiederholt wird, konvergiert die resultierende Geometrie in einem Punkt. Eine unendliche Wiederholung der größeren Zellen hat in gleicher Weise zur Folge, daß die Struktur unendlich groß wird.
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die besondere ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Dipolgeometrie, die bei dieser Erfindung angewendet wird. Bei der Konfiguration von Fig. 2 werden logarithmisch-periodische Dipolgruppen 1 und 2 mit gleicher Amplitude und einer Phase von 0 Grad bzw. von 180 Grad am mittleren Einspeisungspunkt über Mikrostrip- Symmetrieübertrager 5 und 7 gespeist. In gleicher Weise werden die logarithmisch-periodischen Dipolgruppen 3 und 4 mit gleicher Amplitude und einer Phase von 90 Grad bzw. 270 Grad am mittleren Einspeisungspunkt über Mikrostrip-Symmetrieübertrager 6 und 8 gespeist. Fig. 3 zeigt die erforderlichen Antennen-Einspeisungspunktanregungen in der Mitte der Antenne, um rechtszirkulare Polarisationen LHCP und linkszirkulare Polarisationen RHCP zu erzielen.
• Fig. 4 zeigt die übliche Art und Weise, wie die entsprechende Anregung für eine zirkulare Polarisation in zwei Richtungen erzielt wird. Sie besteht aus zwei getrennten 180 Grad- Gabelschaltungen oder Symmetrieübertragern und einer getrennten 90º-Gabelschaltung. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform erübrigen sich die zwei getrennten 180º-Gabelschaltungen oder Symmetrieübertrager, indem sie als integraler Bestandteil der geätzten Antennenschaltung für die Erzielung einer verbesserten Zuverlässigkeit, Herstellbarkeit und niedrigerer Kosten einbezogen werden.
• Fig. 5 zeigt eine Explosionsdarstellung der Antennenanordnung einer bevorzugten Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser bevorzugten Ausführung sind die logarithmisch-periodischen Antennenelemente 31 und 33 auf gegenüberliegenden Seiten des Antennensubstrats 32 geätzt. Die geätzte logarithmisch-periodische Antennenschaltung enthält orthogonale, als gedruckte Schaltung ausgeführte Mikrostrip- Symmetrieübertrager, die radial längs der Mitte jeder Gruppe logarithmisch-periodischer Elemente verlaufen. Diese als gedruckte Schaltung ausgeführten Symmetrieübertrager sind ein integraler Bestandteil der geätzten logarithmisch-periodischen Geometrie. Koaxialleitungen 36 und 37 transportieren die von der Antenne empfangene HF-Energie nach unten zu der 90º-Gabelschaltung, die aus den Schichten 11, 12 und 13 besteht. Zum Unterdrücken unerwünschter Moden höherer Ordnung und zum Einkoppeln des empfangenen HF-Signals aus dem als gedruckte Schaltung ausgeführten Antennensymmetrieübertrager auf die Koaxialleitung und von der Koaxialleitung auf die 90º-Streifenleitungs-Gabelschaltung werden Modusunterdrückungskrägen 34, 35, 38 und 39 verwendet. Die 90º-Gabelschaltung besteht aus einem dielektrischen Substrat 12 (aus 0,010 Inch dickem Duroid 5880) und einer HF-Kopplerschaltung 11 und 13, die auf die gegenüberliegenden Seiten des Substrats 12 geätzt ist. Die 90º-Koppler-Streifenleitungsschaltung wird durch die dielektrischen Schichten 10 und 14 vervollständigt, die (als 0,031 Inch dicke Schichten aus Duroid 5880) auf die Außenflächen metallisiert sind, um eine 90º-Streifenleitungs-Gabelschaltung zu bilden. Die metallisierte Fläche der oberen dielektrischen Schicht 10 dient als metallische Basis für den mit einem Absorber belasteten Hohlraum 17. Die Ausführung des 90º-Kopplers entspricht Standardmethoden, die vom Fachmann üblicherweise angewendet werden. Der Lastring 24 dient als Abschluß am Außenumfang der Antennenstruktur, damit Reflexionen bei niedrigeren Betriebsfrequenzen reduziert werden. Dieser Lastring besteht aus einem Kohlenstoff enthaltenden Epoxidharz, und er ist auf das Antennensubstrat geklebt. Die Struktur 15 ist die Basisplatte für die interne Antennen/Prozessor/Schalter-Unterbaugruppe. Diese Unterbaugruppe ist an dieser Basisplatte 15 befestigt, damit dazu beigetragen wird, sie vor dem Absenken in den Hohlraum 17 zusammenzuhalten. Diese Unterbaugruppe wird zur Bildung der fertigen Anordnung in den Hohlraum 17 abgesenkt. Die Vorrichtung 22 ist der HF-Ausgangsverbinder.
• Die hier beschriebene Antenne arbeitet über eine Bandbreite, die bei den hohen Frequenzen durch die geometrischen Einzelheiten am zentralen Einspeisungsbereich und bei den Niedrigfrequenzen durch die geometrische Größe der Struktur begrenzt ist. Die Antenne selbst ist ein bidirektionales strahlendes Element. Da eine richtwirkungsfreie Abstrahlung bevorzugt wird, wird die Antenne mit einem Absorber belasteten Hohlraum ausgestattet. Der verwendete Absorber ist abgestuft, damit ein allmählicher Übergang von einem Material 19 mit einer relativ niedrigen Dielektrizitätskonstanten und niedrigen elektrischen Verlusten zu einem Material 20 mit einer mittleren Dielektrizitätskonstanten und mittleren Verlusten und zu einem Material 21 mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten und höheren Verlusten erzielt wird. Dies ermöglicht es, die rückwärts gerichtete Abstrahlung der Antenne mit minimaler Reflexion an der Absorber-Fläche zu absorbieren, was zu einem gleichmäßigen Strahlungsdiagramm und Gewinnverhalten im Betriebsband führt. Typisch für die Materialien 19, 20 und 21 verwendet werden können, sind die Typen LS22, LS24 und LS26 der Firma Emerson und Cumming Co..
• Auch ein mit Kohlenstoff versehener Bienenwabenabsorber, der ebenfalls von Emerson und Cumming verfügbar ist, funktioniert und ergibt eine strukturelle Stütze für die Antenne. Das Antennenverhalten kann verbessert werden, indem zwischen der Antenne und der Absorberschicht 19 ein Luftabstand von 0,125 Inch vorgesehen wird. In der Praxis kann dieser Abstand von einem Abstandsglied aus Strukturschaum, beispielsweise "Styrafoam", der elektrisch Luft gleicht, jedoch eine strukturelle Stützung für die Antenne ergibt. Die Antenne wird in ein becherförmiges Aluminiumgehäuse 17 abgesenkt und mit einer dielektrischen Schutzkappe 23 als Schutz gegen Umgebungseinflüsse bedeckt.
• Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die 90º-Hybridkoppleranordnung 11, 12 und 13 mit dem Polarisationswählschalter 16 und dem Polarisationswählschalter, der am einzigen Ausgangsanschluß an der Basis der Antenne entweder eine rechtszirkulare Polarisation oder eine linkszirkulare Polarisation ergibt.
• Es gibt verschiedene Mittel zur Ausführung der genauen Einspeisungsgeometrie in der Mitte der Antennenstruktur. Eine Methode besteht darin, alle logarithmisch-periodischen Elemente auf einer Seite des Antennensubstrats anzuordnen und die Einspeisung mit einem aus gedruckter Schaltung ausgeführten Mikrostrip- oder Streifenleitungssymmetrieübertrager vorzunehmen, wie in Figur 7 genannt und dargestellt ist. In dieser Ausgestaltung muß der Leiter des Mikrostrip-Symmetrieübertragers auf der Unterseite des Substrats den Spalt des Mitteneinspeisungspunkts überbrücken und eine Verbindung mit den logarithmisch-periodischen Elementen auf der linken Seite der Struktur mit Hilfe eines Kurzschlußstifts oder eines durchkontaktierten Lochs herstellen. Der Kurzschlußstift oder das durchkontaktierte Loch können weggelassen werden, indem die logarithmisch-periodischen Elemente auf der linken Seite der Struktur unter dem Substrat angebracht werden, wie in Figur 7b mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Hier überbrückt der auf der Unterseite des Substrats angebrachte Leiter des Mikrostrip-Symmetrieübertragers den Einspeisungspunktspalt und stellt eine direkte Verbindung mit den logarithmisch-periodischen Elementen auf der linken Seite der Struktur her.
• Die in den Figuren 7(a) und 7(b) beschriebenen Einspeisungspunkte können geometrisch für überkreuzte orthogonale logarithmisch-periodische Elemente realisiert werden, wie in Figur 8 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung werden die orthogonalen Mikrostrip-Symmetrieübertrager auf gegenüberliegenden Seiten des Antennensubstrats geätzt. Die orthogonale Geometrie hält die Kopplung zwischen den Symmetrieübertragern auf einem Minimum. Somit kann ein lötfreier Einspeisungspunkt oder Einspeisungspunkt unter Verwendung der Kurzschlußstifte verwirklicht werden. Der wesentliche Punkt besteht dabei darin, daß in jedem Fall der Einspeisungsbereich in der Mitte der Antenne nicht an einer Übertragungsleitung befestigt ist, die durch den Antennenhohlraum zum 90º-Koppler in der Antennenbasis verläuft. Dies ist wichtig, weil die Ausführungsform dieser Erfindung wesentlich zuverlässiger ist als die herkömmlicher Ausführungen mit Hohlraum nach dem Stand der Technik. Figur 9 zeigt typische Strahlungsdiagramme für rechtszirkulare und linkszirkulare Ausgangssignale.
• Abgeänderte Ausführungen --- Die Figuren 5 und 7 zeigen eine Konfiguration, bei der die Antenne mit Hilfe von zwei orthogonalen unbegrenzten Mikrostrip-Symmetrieübertragern gespeist wird. Eine andere Einspeisungsmethode besteht darin, zwei orthogonale unbegrenzte Symmetrieübertrager in Form einer Streifenleitungsschaltung anstelle der Mikrostrip-Symmetrieübertragerschaltung zu benutzen. Eine herkömmliche Streifenleitungsschaltung ist in Figur 11 dargestellt, wo der Mittelleiter 41 der Streifenleitungsschaltung mit Hilfe dielektrischer Substrate 44, 45 und 46 zwischen Masseebenen 42 und 43 gehalten ist. Die in Figur 11 dargestellte Streifenleitungsschaltung wird zu dem integrierten unbegrenzten Symmetrieübertrager der ineinander verschachtelten logarithmisch-periodischen Antenne verlängert, die in den Figuren 12(a) bis 12(e) dargestellt ist.
• Gemäß den Figuren 12(a) bis 12(e) sind auf gegenüberliegenden Seiten eines sehr dünnen (etwa 0,006 Inch) dialektrischen Substrats 52 zwei orthogonale und radiale Streifenleitungszuführungen 53 und 57 angebracht. Die radialen Streifenleitungszuführungen 53 und 57 liegen zwischen Leitern 51 und 54 bzw. 55 und 58. Die Streifenleitungs-Mittelleiter 53 und 57 überbrücken einen schmalen Spalt 60 am zentralen Einspeisungspunkt (siehe die Explosionsansicht von Figur 12(a)) und sind mit radialen Speiseleitungen 59 und 62 bzw. 61 und 63 über einen Kurzschlußstift oder ein durchkontaktiertes Loch verbunden. Das logarithmisch-periodische Muster ist auf den oberen und unteren Seiten des Substrats 63 und 64 geätzt und aufeinander ausgerichtet. Die über eine Streifenleitung gespeiste Antenne ist an die koaxiale Einspeisungs- Übertragungsleitung am Außenumfang der Struktur in ähnlicher Weise wie in Figur 5 angeschlossen. In Figur 5 ist der Mittelleiter der kcaxialen Übertragungsleitung mit dem Mikrostrip- (Streifenleitungs-) -mittelleiter verbunden, und die Abschirmung der koaxialen Übertragungsleitung ist mit den logarithmisch-periodischen Elementen am Außenumfang verbunden. Sowohl für die Mikrostrip- außer auf die Streifenleitungs-Einspeisungsmethode ist das Schlüsselmerkmal der Zuverlässigkeit beibehalten, da keine längste Antennenachse verlaufende Übertragungsleitung senkrecht zur Ebene der Antenne mit dem zentralen Antenneinspeisungspunkt verbunden ist. Die Antenne kann sich daher aufgrund von Umgebungsbedingungen frei nach oben und nach unten bewegen (Membranwirkung), ohne daß Fehler am Einspeisungspunkt hervorgerufen werden.
• Eine weitere Abwandlung des als integrierte Druckerschaltung ausgeführten Mikrostrip- oder Streifenleitungs-Symmetrieübertragers (der ein integraler Bestandteil des Antennesubstrats ist) besteht darin, den Symmetrieübertrager und das Substrat über den Umfang der Antennenelemente hinaus zu verlängern oder fortzusetzen. In diesem Fall bildet der Symmetrieübertrager eine flexible Schaltung, die die Verbindung mit der 90 Grad-Gabelschaltung, dem Polarisationswählschalter oder den zwei Doppelausgangsanschlüssen für einen linearen Doppelbetrieb herstellt.
• Doppelmodusfunktion --- Die vier orthogonalen logarithmischperiodischen Strukturen, die im obigen Absatz beschrieben worden sind, können unabhängig von der Frequenz und der Polarisation nur ein Summen-Strahlungsdiagramm beispielsweise mit der Spitze des Strahlenbündels auf der Antennenachse liefern. Für Monopuls-Peilanwendungen ist es erwünscht, eine einzige Antennenöffnung zur Verfügung zu haben, die gleichzeitig sowohl Summen- als auch Differenzdiagramme abstrahlen kann. Das Differenzdiagramm hat auf der Antennenachse eine Nullstelle. Es ist nicht möglich, ein zirkular polarisiertes Differenzdiagramm mit vier orthogonal linear polarisierten Elementen gemäß Figur 2 zu erhalten. Um ein zirkular polarisiertes Differenzdiagramm mit linear polarisierten Elementen zu erhalten, müssen mindestens sechs linear polarisierte Elemente verwendet werden, die in einer sechseckigen Geometrie angeordnet sind. Gemäß Figur 2 wird dies offensichtlich, da dann, wenn sechs logarithmisch-periodische Elemente eingeführt würden, die radialen Einspeisungsleitungen die ineinander verschachtelte Geometrie stören würden. Somit ist die in Figur 2 dargestellte Geometrie für sechs ineinander verschachtelte logarithmisch-periodische Elemente ohne einige spezielle Ausführungsmerkmale ungeeignet.
• In Figur 10 ist eine neue Ausführung logarithmisch-periodischer Elemente dargestellt, die mit Hilfe einer kapazitiven Belastung verkürzt sind. Die kapazitiven Belastungslaschen 74 verkürzen die logarithmisch-periodischen Dipolelemente und ermöglichen, daß sechs radiale Einspeisungen an einem zentralen Einspeisungsbereich 75 konvergieren. Die kapazitiven Belastungslaschen ermöglichen eine Größenreduzierung der logarithmisch-periodischen Dipolelemente um 60 %.
• Für ein Doppelmodusverhalten müssen sechs Anschlüsse mit einem sechs Anschlüsse aufweisenden HF-Prozessor gespeist werden, der sowohl Summen- als auch Differenzmodi anregen kann. Für eine Richtung der Polarisation des Summenmodus muß der Prozessor jedem der sechs Einspeisungsanschlüsse mit gleicher Amplitude und einer 60º-Phasenänderung rund um die Einspeisungszone speisen, das heißt 0º, 60º, 120º, 180º, 240º und 300º. Für die entgegengesetzte Richtung der zirkularen Polarisation des Summenmodus ist die Phasenfolge umgekehrt, das heißt 0º, 300º, 240º, 180º, 120º und 60º. Für eine Polarisationsrichtung des Differenzmodus muß der Prozessor jeden der sechs Anschlüsse mit gleicher Amplitude und einer 120º- Phasenänderung (doppelt so groß wie beim Summenmodus) rund um den Einspeisungsbereich speisen, das heißt 0º, 120º, 240º, 360º, 480º und 600º. Für die entgegengesetzte Richtung der zirkularen Polarisation des Differenzmodus ist die Phasenfolge umgekehrt, das heißt 0º, 600º, 480º, 360º, 240º und 120º. Somit ist es möglich, eine einzige Antennenöffnung zu verwirklichen, die eine zirkulare Polarisation in zwei Richtungen sowohl für Summen- als auch Differenzmodi für Monopols-Funkpeilanordnungen liefern kann.
• Ein zusätzlicher Vorteil der Technik er kapazitiven Belastung (Verkürzung), die in Figur 10 veranschaulicht ist, ist der der Größenreduzierung der strahlenden Öffnung. Dies ermöglicht einer doppelt polarisierten Öffnung, daß sie für ein Niederfrequenzverhalten, bei dem die Wellenlänge lang ist, elektrisch groß, geometrisch jedoch klein ist. Dies ist für viele Bordanwendungen attraktiv, bei denen Einschränkungen des Installationsraums kritisch sind.

Claims (13)

1. Breitbandantenne mit einem Substratmittel mit einer Mitte und einem Umfangsbereich, einem logarithmisch-periodischen Dipol auf dem Substratmittel mit zwei Elementen, von denen sich jedes von der Mitte aus zu dem Umfangsbereich des Substratmittels erstreckt und einen radial angeordneten zentralen Stab aufweist, gekennzeichnet durch mehrere bogenförmige Glieder, die sich in Umfangsrichtung und abwechselnd auf beiden Seiten des Stabes so erstrecken, daß sie im wesentlichen gleiche Winkel um die Mitte überspannen, einen unbegrenzten Symmetrieübertrager, der bei der Mitte mit den Elementen verbunden ist, und einen Signaleinführungs/ableitungs-Anschluß für eine Übertragungsleitung nahe des Umfangsbereichs in Verbindung mit dem Symmetrieübertrager.

2. Antenne nach Anspruch 1, bei welcher der unbegrenzte Symmetrieübertrager einen Leiter auf einer anderen Fläche des Substratmittels als das erste der Elemente enthält, der parallel und in Längsrichtung zur Längenerstreckung des zentralen Stabes des ersten Elementes verläuft und bei der Mitte an den zentralen Stab des zweiten der Elemente angeschlossen ist, wobei der Signaleinführungs/ableitungs- Anschluß mit dem Leiter und dem zentralen Stab des ersten Elementes verbunden ist.

3. Antenne nach Anspruch 1, bei welchem der unbegrenzte Symmetrieübertrager eine Streifenleitungs- oder eine koaxiale Übertragungsleitungsstruktur hat.

4. Antenne nach Anspruch 2, bei welcher sich die zwei Elemente auf der gleichen Seite des Substratmittels befinden und der Leiter mittels eines leitenden Stifts durch das Substratmittel mit dem Stab des zweiten Elementes verbunden ist.

5. Antenne nach Anspruch 2, bei welcher sich die zwei Elemente auf verschiedenen Flächen des Substratmittels befinden und der Leiter direkt mit dem Stab des zweiten Elementes verbunden ist.

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend einen zweiten logarithmisch-periodischen Dipol auf dem Substratmittel, wobei der zweite Dipol zwei Elemente hat, die sich von der Mitte aus zum Umfangsbereich des Substratmittels erstrecken, wobei jedes Element einen radial angeordneten zentralen Stab mit mehreren bogenförmigen Gliedern aufweist, die sich abwechselnd auf beiden Seiten des Stabes so erstrecken, daß sie im wesentlichen gleiche Winkel um die Mitte überspannen, wobei die Elemente des zweiten Dipols orthogonal zu den Elementen des ersten Dipols verlaufen und die bogenförmigen Glieder der Elemente der zwei Dipole ineinander verschachtelt sind, einen zweiten unbegrenzten Symmetrieübertrager, der bei der Mitte an die Elemente des zweiten Dipols angeschlossen ist, und einen zweiten Signaleinführungs/ableitungs-Anschluß für eine Übertragungsleitung nahe des Umfangsbereichs in Verbindung mit dem zweiten Symmetrieübertrager.

7. Antenne nach Anspruch 6, bei welcher der zweite unbegrenzte Symmetrieübertrager einen Leiter auf einer anderen Fläche des Substratmittels als das erste der Elemente des zweiten Dipols aufweist, der parallel und längs zur Längserstreckung des mittleren Stabs des ersten Elements des zweiten Dipols verläuft und bei der Mitte an den zentralen Stab des zweiten Elements des zweiten Dipols angeschlossen ist, wobei der zweite Signaleinführungs/ableitungs-Anschluß mit dem Leiter des zweiten Symmetrieübertragers und mit dem zentralen Stab des ersten Elements des zweiten Dipols verbunden ist.

8. Antenne nach Anspruch 6, bei welcher der zweite unbegrenzte Symmetrieübertrager eine Streifenleitungs- oder koaxiale Übertragungsleitungsstruktur hat.

9. Antenne nach Anspruch 7, bei welcher die zwei Elemente des zweiten Dipols auf der gleichen Fläche des Substratmittels angebracht sind und der Leiter des zweiten Symmetrieübertragers mittels eines leitenden Stifts durch das Substratmittel mit dem Stab des zweiten Elements verbunden ist.

10. Antenne nach Anspruch 7, bei welchem die zwei Elemente des zweiten Dipols auf verschiedenen Flächen des Substratmittels angebracht sind und der Leiter des zweiten Symmetrieübertragers direkt mit dem Stab des zweiten Elements verbunden ist.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Koaxialleitung, die mit dem oder jedem Signaleinführungs/ableitungs-Anschluß verbunden ist.

12. Antenne nach einem der Ansprüche 6 bis 10, enthaltend ein Kopplungsmittel, das mit den erstgenannten und zweiten Signaleinführungs/ableitungs-Anschlüssen verbunden ist, wobei das Kopplungsmittel selektiv so angeordnet ist, daß es nur den erstgenannten Signalanschluß, nur den zweiten Signalanschluß oder sowohl den ersten als auch den zweiten Signalanschluß mit einer Phasenverschiebung von 90º zwischen ihnen in positiver Richtung oder in negativer Richtung koppelt.

13. Breitbandantenne mit einem Substratmittel mit einer Mitte und einem Umfangsbereich, mehreren logarithmischperiodischen Dipolen mit jeweils zwei Elementen auf dem Substratmittel, wobei jedes Element von der Mitte zum Umfangsbereich des Substratmittels verläuft und gekennzeichnet ist durch einen radial angeordneten zentralen Stab mit mehreren bogenförmigen Gliedern, die sich in Umfangsrichtung abwechselnd auf beiden Seiten des Stabs erstrecken, so daß sie im wesentlichen gleiche Winkel um die Mitte überspannen, wobei die Dipole im wesentlichen gleichwinklig im Abstand um die Mitte mit ineinander verschachtelten bogenförmigen Gliedern der verschiedenen Dipole liegen, mehreren unbegrenzten Symmetrieübertragern bezüglich der Dipole, wobei jeder Symmetrieübertrager einen Leiter auf einer anderen Fläche des Substratmittels als das erste Element des betreffenden Dipols hat, der parallel und in Längsrichtung zur Längserstreckung des zentralen Stabs des ersten Elements verläuft und bei der Mitte mit dem zentralen Stab des zweiten Elements des betreffenden Dipols verbunden ist, und mehreren +Signaleinführungs/ableitungs-Anschlüssen für die Dipole, wobei jeder Anschluß für eine Übertragungsleitung dient, nahe des Umfangsbereichs angeordnet ist und mit dem Leiter des betreffenden Dipols und dem zentralen Stab des ersten Elements des betreffenden Dipols verbunden ist.