DE69206915T2 - Miniaturisiertes Radioantennenelement - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein miniaturisiertes Antennenelement, insbesondere für den VHF und den UHF-Bereich, d.h. für Wellen einer Frequenz von knapp 100 MHz bis zu einigen GHz. Eine solche Antenne ist insbesondere für einen Fernmeldesatelliten bestimmt.
• Die ältesten verwendeten Antennen im VHF- oder UHF- Bereich sind Drahtantennen. Bei diesen relativ niedrigen Frequenzen haben die Antennen erhebliche Abmessungen, was zu Lasten des Gewichts und des Raumbedarfs auf dem Satelliten geht. Außerdem müssen sie wegen dieses großen Raumbedarfs während der Lagerung auf der Erde und während des Satellitenstarts gefaltet und im Orbit entfaltet werden. Dies erfordert einen komplexen, teuren, raumaufwendigen und schweren Faltmechanismus, der die Gefahr in sich birgt, daß die Antenne sich nicht richtig entfaltet, wenn der Satellit im Orbit ist.
• Es erscheint daher sehr wünschenswert, diese Antennen für den VHF- und UHF-Bereich möglichst zu miniaturisieren, und eine denkbare und derzeit sehr aktuelle Lösung besteht in auf einem Substrat aufgedruckten sogenannten Patch-Antennen, die aus einem leitenden Quadrat und einer durch ein dielektrisches Substrat geringer Dicke und mit einer Dielektrizitätskonstante Er getrennten Masse-Ebene besteht. Dieses leitende Quadrat wird auf das Substrat mit einer üblichen Druckschaltungstechnik aufgebracht und seine Seitenlänge beträgt üblicherweise etwa L/2 Er.
• Hierbei ist L die Wellenlänge der Sende- oder Empfangswelle dieser gedruckten Antenne.
• In Luft erhält man für diese Antennen und für die hier interessierenden Frequenzen Abmessungen, die immer noch viel zu groß sind.
• Die Verwendung eines Substrats mit hoher Dielektrizitätskonstante Er, wie z.B. Aluminiumoxid, führt zu einer Verringerung dieser Abmessungen, die aber noch nicht ausreicht. Außerdem verschlechtert eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante erheblich die Strahlungseigenschaften einer solchen Antenne, so daß eine solche Lösung schließlich unbrauchbar ist.
• Es gibt Dielektrika mit einer noch höheren Dielektrizitätskonstante wie z.B. gesinterte Keramikmaterialien, aber die Verwendung dieser Materialien ist derzeit im industriellen Stil nicht denkbar. Außerdem wären die Strahlungseigenschaften solcher Antennen noch schlechter.
• Die Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beheben. Sie bezieht sich hierzu auf ein miniaturisiertes Antennenelement, insbesondere für Wellen im VHF- und UHF- Bereich, das dadurch gekennzeichnet ist,
• . daß es einen oder mehrere strahlende Schlitze mit deutlich kleineren Abmessungen als die der strahlenden Schlitze besitzt, die normalerweise bei dieser Frequenz oder diesen Betriebsfrequenzen der Antenne schwingen, d.h. daß sie deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben werden, wobei dieser Schlitz oder diese Schlitze in eine der großen Seiten eines Hohlraums eingeschnitten sind, der ebenfalls deutlich kleinere Abmessungen als ein Resonanzhohlraum für diese Betriebsfrequenz(en) aufweist,
• . und daß der Zugang oder die Zugänge zu diesem Hohlraum je an die entsprechende Leitung über mindestens eine Impedanzanpassungsschaltung gekoppelt ist bzw. sind.
• Die Erfindung, ihre Vorteile und weitere Merkmale werden nun anhand einiger die Erfindung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele einer miniaturisierten nichtschwingenden Antenne anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Figur 1 zeigt von vorne eine einfache Ausführungsform dieses Antennenelements.
• Figur 2 zeigt das gleiche Antennenelement im Schnitt entlang der Linie II-II in Figur 1.
• Figur 3 ist ein Übersichtsschema für den Anschluß dieser Antenne.
• Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen ähnlich wie Figur 1 drei andere Konfigurationen mit mehreren parallelen Schlitzen an einem gemeinsamen Hohlraum.
• Die Figuren 7 bis 10 zeigen in gleicher Weise die mögliche Herstellung und Anregung eines strahlenden Elements mit zwei zueinander senkrechten Schlitzen.
• Figur 11 zeigt auch eine Konfiguration mit doppelter Polarisation und mehreren Schlitzen für jede Polarisationsrichtung.
• Figur 12 zeigt schließlich eine Konfiguration für zwei Polarisationen und zwei Frequenzen mit mehreren Schlitzen.
• Das miniaturisierte Antennenelement gemäß Figur 1 und 2 besteht aus einem flachen Hohlraum 1, beispielsweise aus Aluminium, mit Rechteckquerschnitt. Die Seitenlänge beträgt beispielsweise 10 bis 15 cm und die Höhe beispielsweise nur 5 cm (um den Raumbedarf zu verringern). Eine der großen Seiten, beispielsweise die Oberseite 2, besitzt einen schmalen strahlenden Schlitz 3, der erfindungsgemäß vollkommen unterhalb der Resonanzbedingungen dimensioniert ist. Er besitzt nicht eine Länge gleich einer halben Wellenlänge, d.h. L/2, sondern seine Länge beträgt nur einen kleinen Bruchteil davon, beispielsweise L/10 oder sogar L/20.
• Man stellt fest, daß die Strahlungsbedingungen eines solchen Schlitzes 3, der mit dem Hohlraum 2 gekoppelt ist, unabhängig von den Abmessungen des Hohlraums recht brauchbar bleiben, wenngleich sich die Einheit völlig unterhalb der Resonanzbedingungen befindet.
• Die Anregung des Schlitzes 3 erfolgt üblicherweise beispielsweise durch eine Sonde 4, die die Seele einer Dreiplattenleitung 5 verlängert, welche an den Hohlraum 1 über einen Stecker 6 angeschlossen ist.
• Natürlich ist im Gegensatz zu bekannten Antennen im Resonanzbereich diese Antenne impedanzmäßig nicht angepaßt, und eine Impedanzanpassungsschaltung, die an sich bekannt ist, wird erfindungsgemäß zwischen die Antenne und die entsprechende Hauptspeiseleitung eingefügt.
• Figur 3 zeigt das Übersichtsschema der Anschlußschaltung dieser Antenne 1, 3 an ihre Hauptleitung 7, wobei diese Schaltung als Vierpol dargestellt ist. Eine Impedanzanpassungsschaltung 8 liegt also zwischen der Antenne 1, 3 und dieser Hauptleitung 7, um die Impedanzanpassung dieser Antenne zu verbessern.
• In erster Näherung können die Abmessungen des Schlitzes 3 und der zugeordnete Hohlraum 1 beliebige Abmessungen besitzen, sofern sie nur deutlich unter denen bleiben, die der Resonanzbedingung entsprechen. Die Strahlungsdiagramme dieser Antenne für verschiedene Frequenzen im VHF- und UHF- Bereich zeigen jedoch, daß es Frequenzen gibt, für die dieses Diagramm in der axialen Strahlungsrichtung ein Minimum sowie zu beiden Seiten dieser axialen Richtung bei etwa 40 bis 60º je eine Hauptkeule besitzt.
• Ein solches Merkmal ist besonders günstig im Fall von Antennen auf Fernmeldesatelliten, da dies dem optimalen Strahlungsdiagramm entspricht, so daß es schließlich manchmal günstig ist, eine Schlitzlänge zu wählen, die für die verwendeten VHF- oder UHF-Frequenzen ein solches Diagramm ergeben, d.h. ein Diagramm mit einem Minimum in der axialen Strahlungsrichtung und zwei seitlichen Keulen in einem Abstand von etwa 40 bis 60º.
• Es gibt keine einfache Rechenmethode für die Bestimmung der optimalen Abmessungen, um diese Bedingung zu erfüllen, aber diese Abmessungen können leicht durch Versuche und Labormessungen optimiert werden.
• Die soeben beschriebene grundlegende Vorrichtung ist natürlich nicht die einzig denkbare. Vielmehr zeigen die nun zu beschreibenden Figuren 4 bis 12 einige Ausführungsvarianten dieser Antenne unter vielen anderen.
• Die Ausführungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der gemäß Figur 1 dadurch, daß der einzige Schlitz 3 durch ein Netz von fünf Schlitzen 3A bis 3E ersetzt ist, die einander gleichen und parallel verlaufen, so daß sich eine Antenne mit einem höheren Gewinn und einer besseren Gestalt des Strahlungsdiagramms ergibt.
• Die Antenne gemäß Figur 5 enthält sieben parallele Schlitze mit einem zentralen Schlitz 3F größter Länge sowie mit drei symmetrisch zu beiden Seiten angeordneten Paaren von Schlitzen abnehmender Länge mit zunehmender Entfernung vom zentralen Schlitz 3F, nämlich
• . ein erstes Paar von einander gleichen Schlitzen 3G, 3H,
• . ein zweites Paar von einander gleichen Schlitzen 3I, 3J,
• . und ein drittes Paar von einander gleichen Schlitzen 3K, 3L.
• Eine solche Antenne kann verwendet werden, entweder um ein Verteilungsgesetz entsprechend einem ganz bestimmten Strahlungsdiagramm zu erzielen, oder um eine Abstrahlung von vier bestimmten Frequenzen mit einer einzigen und gemeinsamen Impedanzanpassungsschaltung zu ermöglichen. Gemäß Figur 6 kann eine Mehrschlitzantenne beispielsweise, um ein bestimmtes Strahlungsdiagramm zu erzielen, mehrere parallele Schlitz 3M, 3N, 3P, 3Q besitzen, die gegeneinander in Seitenrichtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Sonde 4, versetzt sind.
• Die bisher beschriebenen Antennen sind zur Abstrahlung einer linear polarisierten Welle vorgesehen. Gemäß den Figuren 7 bis 10 ist es beispielsweise auch möglich, eine erfindungsgemäße Antenne zu realisieren, die eine zirkular polarisierte Welle abstrahlen kann.
• Gemäß Figur 7 besitzt der Hohlraum zwei identische Schlitze 3R und 3S, die in Form eines Kreuzes aufeinander senkrecht stehen, dessen Zentrum mit dem Zentrum der quadratischen Fläche 2 zusammenfällt.
• Der Schlitz 3R wird von einer zu ihm senkrechten Sonde 4A gespeist, während der Schlitz 3S in ähnlicher Weise von einer anderen Sonde 4B gespeist wird. Die beiden Sonden 4A und 4B verlaufen also zueinander senkrecht. Damit sich für die von dem kreuzförmigen Schlitz 3R und 3S abgestrahlte Welle eine Zirkularpolarisation ergibt, werden die beiden Sonden 4A, 4B durch Wellen gleicher Frequenz, aber in Phasenquadratur gespeist.
• Es sei bemerkt, daß sich Störungen aufgrund des parallelen Verlaufs der Sonde 4A und des Schlitzes 3S einerseits und der Sonde 4B und des Schlitzes 3R andererseits ergeben können.
• Um diese Störungen zu vermeiden, können mehrere Varianten der Antenne gemäß Figur 7 in Betracht gezogen werden.
• Gemäß Figur 8 sind die erwähnten Sonden 4A und 4B um einen Winkel a bezüglich der Senkrechten zum jeweils von ihnen gespeisten Schlitz 3R bzw. 3S verdreht. Dieser Winkel a liegt beispielsweise bei etwa 45º.
• Gemäß Figur 9 sind die Speisesonden 4A und 4B seitlich bezüglich des Mittelpunkts des Schlitzes 3R bzw. 3S versetzt, den sie speisen und zu dem sie jeweils senkrecht verlaufen.
• Schließlich ergibt sich gemäß Figur 10 die optimale Situation, um jegliche Interferenz dadurch zu vermeiden, daß außerdem im Vergleich zu Figur 9 die Schlitze 3R und 3S auch gegeneinander so versetzt sind, daß sie sich nicht mehr schneiden und doch noch zueinander senkrecht verlaufen.
• Figur 11 zeigt eine andere Variante dieser Antenne mit zwei zueinander senkrechten Speisesonden 4A, 4B, die je ein Netz 3T, 3U von parallelen und einander gleichen Schlitzen speisen. So erhält man eine Antenne mit mehreren Schlitzen für doppelt polarisierte Wellen.
• Schließlich zeigt Figur 12 eine Variante dieser Antenne mit zwei Polarisationen und zwei Netzen 3T, 3U von Schlitzen, bei der die Schlitze des einen Netzes 3T deutlich kürzer als die des anderen Netzes 3U sind. Eine solche Antenne ist günstig, wenn die Antenne zwei Wellen sehr unterschiedlicher Frequenzen und zueinander senkrechter Polarisationen abstrahlen soll.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, dieses Antennenelement weiter zu verkleinern, indem der Hohlraum 1 ganz oder teilweise mit einem dielektrischen Material wie z.B. Aluminiumoxid gefüllt wird. Der Querschnitt dieses Hohlraums kann natürlich auch kreisförmig oder allgemein anders als rechteckig geformt sein.

Claims (12)

1. Miniaturisiertes Antennenelement, insbesondere für Wellen im VHF- und im UHF-Bereich, dadurch gekennzeichnet,

. daß es einen oder mehrere strahlende Schlitze (3) mit deutlich kleineren Abmessungen als die der Schlitze besitzt, die normalerweise bei dieser Frequenz oder diesen Betriebsfrequenzen der Antenne schwingen, d.h. daß sie deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben werden, wobei dieser Schlitz oder diese Schlitze (3) in eine der großen Seiten (2) eines Hohlraums (1) eingeschnitten sind, der ebenfalls deutlich kleinere Abmessungen als ein Resonanzhohlraum für diese Betriebsfrequenz(en) aufweist,

. und daß der Zugang oder die Zugänge (5) zu diesem Hohlraum je an die entsprechende Leitung (7) über mindestens eine Impedanzanpassungsschaltung (8) gekoppelt ist bzw. sind.

2. Funkantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere parallele Schlitze (3A bis 3E) aufweist.

3. Funkantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Schlitze (3F bis 3L) ausgewählte Längen besitzen, um beispielsweise eine Antenne für mehrere bestimmte Frequenzen zu bilden, die aber eine gemeinsame Impedanzanpassungsschaltung (8) aufweisen.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese parallelen Schlitze (3M, 3N, 3P, 3Q) gegenseitig versetzt sind.

5. Antenne nach Anspruch 1, die eine Welle mit Zirkularpolarisation abstrahlen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei identische und kreuzförmig angeordnete Schlitze (3R, 3S) aufweist.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen (4A, 4B) dieser beiden Schlitze (3R, 3S) winkelmäßig bezüglich der Senkrechten zum von ihnen jeweils gespeisten Schlitz (3R, 3S) verdreht sind.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (a) zwischen den Speiseleitungen und den Schlitzen etwa 45º beträgt.

8. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen (4A, 4B) dieser Schlitze (3R, 3S) seitlich bezüglich des Mittelpunkts des von ihnen jeweils gespeisten Schlitzes (3R, 3S) versetzt sind.

9. Antenne nach Anspruch 1, die eine Welle mit Zirkularpolarisation abstrahlen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei zueinander senkrechte und einander nicht schneidende identische Schlitze (3R, 3S) aufweist.

10. Antenne nach Anspruch 1 für zwei zueinander senkrechte Polarisationen, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jede Polarisation ein Netz von parallelen Schlitzen (3U, 3T) aufweist.

11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Hohlraum (1) ganz oder teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.

12. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Schlitzes oder der Schlitze (3) so gewählt sind, daß sich ein Strahlungsdiagramm mit einem Minimum in der axialen Strahlungsrichtung ergibt, das zwischen zwei um 40 bis 60º zu beiden Seiten dieser axialen Richtung verschobenen Keulen liegt.