DE69330020T2

DE69330020T2 - Elementarstrahler für Gruppenantenne und solche Strahler enthaltende Baugruppe

Info

Publication number: DE69330020T2
Application number: DE69330020T
Authority: DE
Inventors: Frederic Magnin; Gerard Raguenet
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2013-11-17
Also published as: EP0598656A1; DE69330020D1; EP0598656B1; US5434581A; FR2698212B1; FR2698212A1

Description

Das Gebiet der Erfindung ist das der Gruppenantennen und insbesondere der Gruppenantennen mit großer Bandbreite (5 bis 10%), insbesondere für den Weltraumbereich. Diese Gruppenantennen umfassen zahlreiche elementare Strahlungsquellen und die Versorgung dieser Quellen in einer relativen Anordnung, die dafür geeignet ist, den abgestrahlten Feldern im Hinblick auf die ins Auge gefaßte spezifische Anwendung die gewünschte Form zu geben. Somit wird nach einem Element gesucht, das in der Herstellung nicht teuer (weil davon eine große Zahl gebraucht wird, die einige Tausend erreichen kann), noch schwer noch sperrig (weil an Bord befindlich) und leicht in die Antenne zu integrieren ist (Installations- und Versorgungsgeometrie). Außerdem wird für neue Antennengestaltungen gewünscht, diese Elemente auf einer angepaßten, eventuell verformbaren Fläche anordnen zu können.
Auf dem Gebiet der Satelliten ist es üblich, feine abgestrahlte Strahlenbündel zu verwenden, die "Bündel" genannt werden. Dies bedeutet, daß die Hauptkeulen der abgestrahlten Felder der Bündel relativ schmal sind und daß die Bündel dieses Typs einen ziemlich begrenzten Ausleuchtbereich (empreinte) am Boden haben. Aber man kann die Hauptkeule auf mehrere Weisen bilden, um beispielsweise gestreckte oder asymmetrische Bündel zu erzeugen. Im allgemeinen versucht man, den Ausleuchtbereich am Boden an das geographische Gebiet anzupassen, das man wirklich ausleuchten möchte, um keine unnütz abgestrahlten Leistung außerhalb dieses Gebiets zu verschwenden. Eine Keule einer Gruppenantenne wird durch die Geometrie oder die relative Anordnung der Strahlungselemente sowie durch die Amplitude und die Phase der auf diese Strahlungselemente mittels eines Versorgungsnetzes und seiner Steuerelektronik gegebenen Erregungssignale gebildet.
Bei der praktischen Ausführung von Gruppenantennen werden, soweit es möglich ist, oft mehrere Elementarquellen zu Untergruppen umgruppiert, so daß diese Quellen einen gemeinsamen Kontrollpunkt im Steuerungssystem für die Amplituden und Phasen teilen. Ein Beispiel ist in Fig. 1 für ein gedrucktes Versorgungsnetz für vier gedruckte Elementarquellen gezeigt. Eine Elementarquelle dieses Typs ist dem Fachmann auf dem Gebiet gegenwärtig unter dem englischen Namen "Patch" (Flecken) bekannt. In Ermangelung einer monolithischen und globalen Ausführung kann eine Untergruppe rein mechanisch gebildet werden, die einen Grundbaustein für eine modulare Konstruktion der Antenne bildet, was die Instandhaltung und die eventuellen Reparaturen erleichtert.
Die gedruckten oder ebenen Gruppenantennen mit Elementarquellen sind seit gut fünfzehn Jahren bekannt und werden auf immer vielfältigeren Anwendungsgebieten verwendet. Zahlreiche Veröffentlichungen und Patente ordnen die Ebene des Standes der Technik auf diesem Gebiet ein. Es werden nachfolgend einige Quellen unter den bekanntesten genannt, die als Beschreibung des Standes der Technik ein integrierender Bestandteil der vorliegenden Anmeldung sind:
1) MICROSTRIP ANTENNA TECHNOLOGY, K. Carver, J. W. Mink, IEEE. AP, Bd. AP 29 - Nr. 1, Januar 1981.
2) ANNULAR SLOT ANTENNA WITH A STRIPLINE FEED, M. FASSET, 23. Juni 1989 - US-Patent.
3) A NEW BROADBAND STACKED TWO LAYER MICROSTRIP ANTENNA - A. Sabban - APS 1983 - S. 63-66, IEEE.
4) ANTENNE PLANE - T. Dusseux, M. Gomez-HENRI, G. RAGUENET - Französisches Patent Nr. 89 11829, 11. Sept. 1989. - Veröffentl. FR 2 651 926.
Diese gedruckten Systeme von Gruppenantennen sind somit in ihren einfachen oder Multiresonator-Versionen wohlbekannt. Ihre Hauptvorteile im Vergleich mit früheren Gruppenantennen, die aus Elementarquellen vom Hörner- oder Schneckentyp bestehen, sind ihr geringer Platzbedarf und ihre geringe Masse.
Für den Weltraumbereich kann auch ihre große Robustheit genannt werden. Dafür ist die Bandbreite der Elementarquellen vom Fleckentyp relativ begrenzt, in ihrer einfachsten Version liegt sie nur in der Größenordnung von 1% bis einige Prozent.
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein breites Betriebsband, das normalerweise für die einfachen Strahlungsquellen vom Fleckentyp ausgeschlossen ist, gleichzeitig mit den für diesen Elementtyp bekannten Vorteilen zu erhalten.
Es ist im Stand der Technik bekannt, zur Verbreiterung der Bandbreite einen Hohlraumresonator zu verwenden, der hinter dem Flecken angeordnet ist, wie in der Druckschrift D1 = EP- A-355 898 von Rammos beschrieben. Eine solche Strahlungsquelle wird gemäß der Anordnung aus dem Stand der Technik im allgemeinen mit einer "Dreiplatten"-Technologie versorgt, die in einer leitfähigen (Versorgungs-)Spur besteht, die zwischen zwei Masseebenen aufgehängt ist, wie in der Druckschrift D2 = US-A-5 087 920 im Namen von Shinobu Tsurumare et al. von SONY beschrieben. Diese Lösung hat im allgemeinen die Nachteile einer größeren Masse und eines größeren Platzbedarfs als die der gedruckten Gruppen sowie höherer Herstellungskosten. In D2 wird zur Beseitigung dieser Probleme die Verwendung von Masseebenen vorgeschlagen, die eventuell durch Metallisierung der Platten aus Kunststoffmaterial ausgeführt sind, in welche Löcher gebohrt sind, um Strahlungsschlitze um die Flecken herum zu bilden, die auf das dielektrische Substrat geätzt sind. In D1 wird dieser Nachteil überwunden, indem geätzte koplanare Versorgungsleitungen verwendet werden.
Die vorgeschlagene Erfindung betrifft eine Ausführung einer Elementarquelle für eine Strahlungsvorrichtung vom ebenen Antennentyp und strahlende Untergruppen, die solche Quellen umfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit in eine ebene Gruppenantenne integriert werden, stellt sich aber außerdem als für die Anbringung einer solchen strahlenden Untergruppe auf einer angepaßten Fläche besonders passend heraus.
Wie es nachfolgend ausführlicher erläutert wird, ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Mittel zur Vergrößerung der Bandbreite der gedruckten Strahlungselemente vom Fleckentyp die Vergrößerung der Dicke des Dielektrikums zwischen dem Flecken und der Masseebene. Dieses Verfahren leidet jedoch unter dem Nachteil, daß die so aufgebaute Gruppe von Elementen schwieriger auf der Strahlungsfläche der Antenne zu integrieren ist, umso mehr wenn diese Oberfläche nicht eben sondern angepaßt ist. Darüber hinaus verschlechtern sich die Strahlungscharakteristiken einer dicken ebenen Antenne sehr schnell, was nur einen begrenzten Betriebsnutzen bietet. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist somit die Befreiung von diesem Nachteil aus dem Stand der Technik, um eine große Bandbreite zu erhalten, ohne deswegen die Integration der Antenne auf einer angepaßten Fläche zu erschweren.
Das Grundprinzip der elementaren Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 beschrieben.
Das Strahlungselement besteht zu einem Teil aus einem metallischen Hohlraum, dessen dünne Geometrie sich aus einer Optimierung bezüglich der Aufgabe der Antenne ergibt, zum anderen Teil aus einem Resonator vom Fleckentyp, der auf ein dielektrisches Substrat mit geringer Dicke geätzt ist.
Der Aufbau kann somit als ein Element in einer Technologie, die Technologie von eingebetteten Mikrostreifen genannt wird, betrachtet werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten gedruckten Elemente, so einfach sie sind, bieten nur begrenzte Möglichkeiten in der Bandbreite und der Strahlungsqualität. Ein Hauptmangel betrifft die Auswirkung der Verwendung eines dielektrischen Substrates, dessen Dicke man zunehmen lassen muß, um die Bandbreite zu erhöhen.
Die Bandbreite (BP) einer geätzten Mikrostreifenantenne ist umgekehrt proportional mit ihrer Hohlraumüberspannung verbunden, die auch unter dem Namen Gütefaktor Q bekannt ist. Der Hohlraum des gedruckten Elements aus dem Stand der Technik wird vom Flecken, dem Dielektrikum zwischen dem Flecken und der Masseebene und der Masse selbst gebildet.
Die Bandbreite kann in Abhängigkeit von der Überspannung Q und dem ROS (Verhältnis von stehenden Wellen) ausgedrückt werden. Die Beziehung, die diese Parameter verbindet, ist die folgende:
Derselbe Gütefaktor Q ist (annähernd) umgekehrt proportional zur normalisierten Höhe des Fleckens t/λ&epsi;, worin t die Dicke des Dielektrikums zwischen dem Flecken und der Masseebene und λ&epsi; die Länge der elektrischen Welle im Dielektrikum, das durch die Dielektrizitätskonstante &epsi; charakterisiert ist, bei der Betriebsfrequenz der Antenne ist. Daraus ergibt sich, daß im Großteil der Kurve, die die Bandbreite in Abhängigkeit von der normalisierten Höhe beschreibt, und dies bis zu annehmbaren Dicken, die Bandbreite BP in bezug auf t/λ&epsi; linear ist, wie es die Nomogramme erkennen lassen, die aus der Veröffentlichung von Carver und Mink (1) stammen und in Fig. 3 wiedergegeben sind.
Die Aufgaben oder Anwendungen, die nur einige Prozent des Bandes nutzen (beispielsweise Radar), sind selten. Allgemeiner hat man Bedarf an 6 bis 10% der Bandbreite, ja sogar mehr, so daß der Zugang einfacher Resonator für ROS in der Nähe von 1,20 zu Dicken größer als 15 λ&epsi; führt.
Die Auswirkung einer solchen Höhe ist ziemlich oft dramatisch und umfaßt unerwünschte Wirkungen wie:
- Leistungsverluste: ohmsche, dielektrische Verluste;
- unzureichende Qualität der Hauptpolarisation;
- Erhöhung der Kreuzpolarisation auf unannehmbare Höhen;
- Ausbreitung und Abstrahlung von Oberflächenwällen, daher unerwünschte Kopplungen zwischen benachbarten Elementen.
Es wird im allgemeinen als obere Grenze der Verwendung des einfachen geätzten Resonators bei ROS von 1,20 ein Band von 4 bis 5% angenommen. Jenseits dieser Bandbreite wird die Lösung auch in der Masse nachteilig, so daß ihm fast keine der begehrten Vorteile der Technologie der gedruckten Antennen bleiben.
Der Fachmann auf dem Gebiet, der die intrinsisch geringe Bandbreite einer gedruckten Antenne zu erhöhen wünscht, kennt die Verwendung der Techniken der gekoppelten Mehrfachresonatoren (Belegst. 3 - Albert Sabban). Es werden so Mehrpolstrukturen erhalten, die Kapazitäten bieten, die in dem Fall, in dem eine Optimierung in diese Richtung geschoben wurde, von einigen Prozent bis einige zehn Prozent des Bandes gehen. Dagegen werden diese Vorteile um den Preis einer größeren Komplexität der Ausführung sowie eines Gewichts der Antenne erhalten, das entsprechend der Anzahl der eingesetzten Resonatoren zunimmt.
Die Erfindung wird somit den Nachteilen aus dem Stand der Technik abhelfen und gestatten, eine große Bandbreite zu erhalten, wobei eine einfache Technologie benutzt wird, die von derjenigen der gedruckten "Flecken"-Antennen abgeleitet ist, wobei die Vorteile dieser Technologie beibehalten werden.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Strahlungselement vom Fleckentyp mit großer Bandbreite für eine Gruppenantenne vor, wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß einer Variante ist der Hohlraum der vorherigen Ausführung in Richtung der Strahlung durch einen zweiten Resonator teilweise geschlossen, der in einem auf einem Träger geätzten, leitfähigen Flecken besteht, der dann an der Vorderseite des leitfähigen Hohlraums angeordnet ist. Gemäß verschiedenen Varianten kann die Mikrostreifen-Versorgungsleitung entweder als einfacher Mikrostreifen oder als abgeschirmter oder Kanalmikrostreifen ausgeführt sein und entweder über einen im metallischen Hohlraum ausgehöhlten oder über eine in der Wand des Hohlraums angebrachte Aussparung in den Hohlraum eindringen.
Es können verschiedene Fleckenformen, z. B.: Kreis, Quadrat, Polygon, ...; sowie verschiedene Hohlraumformen verwendet werden: Kreiszylinder, quadratisch, achteckig, pentahexagonal, ...
Die Erfindung schlägt auch ein Teilsystem von Strahlungselementen für eine Gruppenantenne vor, das Untergruppe genannt wird, wobei die Untergruppe insbesondere einen mechanischen Träger, mehrere Flecken und ihre Versorgungen in Mikrosteifentechnologie mit ihrem zugehörigen dielektrischen Substrat und ihrer zugehörigen Masseebene umfassen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der mechanische Träger der Untergruppe in Strahlungsrichtung der Antenne auf der Vorderseite des dielektrischen Substrats angeordnet ist. Gemäß einer Variante der Untergruppe entsprechen die Strahlungselemente einer der vorhergehenden Beschreibungen und umfassen außerdem um jeden Flecken herum ein Resonanzsystem, wobei das Resonanzsystem beispielsweise ein Hohlraum sein kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfaßt der mechanische Träger die Hohlräume. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Untergruppe durch einen einzigen Versorgungspunkt versorgt, der allen Strahlungselementen der Untergruppe gemeinsam ist. Gemäß einer wichtigen geometrischen Variante ist die Untergruppe nicht eben sondern angepaßt, d. h. daß die Flecken einer Untergruppe verschiedene Winkelorientierungen haben können.
Die Erfindung betrifft auch die Integration von Untergruppen gemäß den vorhergehenden Beschreibungen in eine Gruppenantenne. Gemäß verschiedenen Varianten kann die Antenne auf einer ebenen Fläche, Drehfläche oder Fläche mit irgendeiner Krümmung angeordnet sein. Vorteilhafterweise haben die zur Ausführung der Gruppenantenne verwendeten Untergruppen gleiche Geometrien, was die Serienherstellung der Bauteile der Untergruppen sowie der Untergruppen selbst gestattet.
Weitere Merkmale, Varianten und Vorteile gehen aus der ausführlichen Beschreibung hervor, die mit ihren beigefügten Zeichnungen folgt, von denen:
Fig. 1, bereits beschrieben, schematisch in Draufsicht eine Untergruppe von vier strahlenden Flecken gemäß der Erfindung mit ihrer Versorgung in Mikrostreifentechnologie zeigt;
Fig. 2, bereits erwähnt, schematisch in Draufsicht und im Schnitt ein Beispiel eines Strahlungselement gemäß dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 3, bereits erwähnt, Kurven der Bandbreite (BP) in Abhängigkeit von der normalisierten Höhe des Dielektrikums für quadratische und rechteckige Flecken für ROS = 2 und bei Frequenzen von 1 GHz und 10 GHz zeigt (Belegstelle 1);
Fig. 4a und 4b schematisch im Schnitt eine einfache Mikrostreifen-Versorgungsleitung (4a) und eine Versorgungsleitung aus einem abgeschirmten Mikrostreifen (4b) zeigen;
Fig. 5 schematisch im Schnitt eine Variante eines Strahlungselements gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 6 schematisch im Schnitt eine weitere Variante eines Strahlungselements gemäß der Erfindung mit einem zweiten Resonator zeigt;
Fig. 7 schematisch in auseinandergezogener Perspektive eine Ausführungsform der Variante von Fig. 6 zeigt;
Fig. 8 schematisch und in Perspektive ein Beispiel eines mechanischen Aufbaus für die Ausführung einer strahlenden Untergruppe gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 9 schematisch in Draufsicht die Ausführung einer Gruppenantenne auf einer angepaßten Fläche zeigt, die Untergruppen von strahlenden Elementen gemäß der Erfindung verwendet.
In den verschiedenen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente und die Ausführungen, die dort beschrieben und gezeichnet sind, sind als nicht einschränkende Beispiele gegeben.
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Untergruppe aus vier Strahlungselementen 2 vom Fleckentyp zu sehen, die auf ein dielektrisches Substrat 1 gedruckt sind. Die vier Strahlungselemente oder "Flecken" werden von einem in Mikrostreifentechnologie ausgeführten Versorgungsnetz versorgt, das in auf dasselbe dielektrische Substrat 1 gedruckten oder geätzten leitfähigen Spuren besteht. Im vorliegenden Beispiel geht die Versorgung der vier Flecken von einem gemeinsamen Punkt 5 aus, der zwei Zweige 3a, 3b versorgt, die dann noch zu Unterzweigen 4a, 4b, 4c, 4d verzweigt sind. Entsprechend der relativen Länge der Wege, die von den auf den Eingang 5 des Versorgungsnetzes gegebenen Signalen bis zu jedem Flecken durchlaufen werden, kann die relative Erregungsphase der vier Flecken einen Regelungsparameter finden. Die relative Erregungsamplitude kann auch durch die Steuerung der unterschiedlichen Impedanzen der verschiedenen Wege gesteuert werden. Diese Überlegungen gehören zum Gebiet der Antennengestaltung, das dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt ist, und werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht mehr erläutert.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Strahlungselements gemäß dem Stand der Technik zu sehen. Als Beispiel wird angenommen, daß dieses Element einen leitfähigen geätzten Flecken 2 auf einem dielektrischen Substrat 1 umfaßt, das auf seiner Rückseite mit einer Masseebene 6 bedeckt ist. Der Flecken 2 wird vom Mikrostreifen 4b versorgt, der eine leitfähige geätzte Spur im allgemeinen aus dem gleichen Material wie der Flecken ist. Erfindungsgemäß ist der Flecken 2 am Boden eines geschlossenen Systems angeordnet, das beispielsweise in einem Hohlraum 7 besteht, der von leitfähigen Wänden 8 definiert wird, die die radiale Ausdehnung des Hohlraums 7 um den Flecken 2 herum begrenzen. Die Abmessungen dieses Hohlraums 7 bestimmen entsprechend den Regeln, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, seine Funkcharakteristiken; folglich können diese Abmessungen vom Designer gewählt werden, um die bei der Betriebsfrequenz des Strahlungselements gewünschten Bandbreite zu beschaffen, und dies ohne Erhöhung der Dicke des Dielektrikums 1 hinter dem Flecken 2. Daraus ergibt sich, daß die Dimensionierung des Strahlungselements der Antenne gemäß der Erfindung und wie möglichst einfach in Fig. 5 beschrieben nicht durch die gleichen Mechanismen geregelt wird, wie die praktische Dimensionierung im Stand der Technik.
Insbesondere sind in Fig. 3 die Kurven der Bandbreite Δf/f in Abhängigkeit von der normalisierten Höhe t/λ&epsi; des Dielektrikums, das heißt, daß die Dicke des Dielektrikums "normalisiert" oder durch die Wellenlänge λ&epsi; im Dielektrikum geteilt ist, im Falle einer Gestaltung gemäß dem Stand der Technik zu sehen, die uns zeigen, daß eine unannehmbare Dicke des Dielektrikums nötig ist, um eine Bandbreite jenseits einiger Prozent bereitzustellen. Als Beispiel stellt die Kurve 9 die Frequenzantwort eines quadratischen Fleckens mit den Abmessungen gleich 0,3 λ&sub0;, wobei λ&sub0; die Wellenlänge im Vakuum ist, auf einem dielektrischen Substrat mit einer Dielektrizitätskonstanten &epsi;r = 2,76 und für ein ROS (Verhältnis von stehenden Wellen) von 2 dar. Was die Kurve 10 betrifft, stellt sie die Frequenzantwort eines rechteckigen Fleckens mit den Abmessungen gleich 0,3 · 0,5 λ&sub0; mit den gleichen Parametern der Dielektrizitätskonstanten und des ROS dar. Es ist zu sehen, daß für die Ultrahochfrequenzen in der Größenordnung von 1 bis 10 GHz, die in den Kurven 9, 10 durch eine durchgezogene Linie bzw. eine punktierte Linie angegeben sind, die Beziehung zwischen der Bandbreite und der normalisierten Höhe für Bandbreiten zwischen 1% und 10% annähernd linear bleibt.
Im Falle der Erfindung und wie in Fig. 5 beschrieben befindet man sich dagegen mehr in einer zu einem Übergang Mikrostreifen-Ausbreitungsleitung zu einem Mini-Leiter analogen Situation; die für das Verhalten fundamentalen Elemente folgen somit spezifischen Regeln, deren Beschreibung folgt.
Die Hauptausbreitungsleitung ist somit vom Mikrostreifentyp und setzt typischerweise eine Leiterspur ein, die auf eine Dicke eines dichten Substrats geätzt ist. Die Dicke dieses wird unter Integration der Funkkriterien der Nutzung (&epsi;r, w, h, Ze) sowie der spezifischeren Einschränkungen dimensioniert, die von der ins Auge gefaßten Aufgabe stammen können. Die Bedeutung einer geringen Substratdicke (in der Größenordnung von 20 mil, 30 mil max., nämlich 0,5 bis 0,75 mm) ist, bei der industriellen Herstellung die Ausführung von Strahlungselementen sowie ihrer zugehörigen Verteilungsschaltungen auf jeden Fall selbstverständlich auf ebenen, aber vor allem auf in drei Dimensionen angepaßten Flächen steuerbar zu machen, wie es später zu sehen ist.
Es wird gründlicher ein Beispiel einer Gruppenantenne auf einer angepaßten Fläche beschrieben, deren Ausführung mit Hilfe von erfindungsgemäß konzipierten Strahlungselementen äußerst attraktiv ist.
Fig. 4a, 4b zeigen zwei Beispiele der Mikrostreifentechnologie, die für die Ausführung der Versorgungsleitungen für die erfindungsgemäßen Strahlungselemente genutzt werden können. Im Fall von Fig. 4a besteht die Mikrostreifenleitung aus einer leitfähigen Spur 22, die auf ein dielektrisches Substrat 1 geätzt ist, das eine Masseebene 6 hinter dem Substrat (auf der Seite, die der Seite entgegengesetzt ist, die die geätzte Spur umfaßt) aufweist. Die physikalischen Parameter, die dieses System charakterisieren, sind die Dielektrizitätskonstante &epsi; und die Höhe oder Dicke h1 des Dielektrikums.
Im Fall von Fig. 4b handelt es sich um eine abgeschirmte Mikrostreifenleitung, die schematisch dargestellt ist. Wie im vorhergehenden Fall besteht die Mikrostreifenleitung selbst aus einer leitfähige Spur 22, die auf ein dielektrisches Substrat 1 geätzt ist, das eine Masseebene 6 hinter dem Substrat 1 aufweist. Eine Abschirmung um diese Leitung herum besteht aus leitfähigen Wänden 18, die die Spur 22 umgeben und die mit der Masse 6 elektrisch verbunden sind.
Die physikalischen Parameter, die das System charakterisieren, sind die Dielektrizitätskonstante s und die Höhe oder Dicke h&sub1; des Dielektrikums sowie die Abmessungen der Abschirmung h&sub2; für die Höhe oder den Abstand zwischen der Oberfläche des Dielektrikums 1 und der leitfähigen Wand 18, die zu dieser Oberfläche parallel orientiert ist, und die Breite d zwischen den leitfähigen Wänden 18 auf jeder Seite der Spur 22. Der Raum 17 im Inneren der durch die leitfähigen Wände 18 gebildeten Abschirmung wird als mit Luft gefüllt angenommen und hat somit eine Dielektrizitätskonstante nahe 1. Die Funkausbreitungscharakteristiken auf einer solchen Leitung werden ausgehend von den genannten physikalischen Parametern nach dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannten Methoden berechnet.
Bei einer praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Strahlungselements mündet diese einfache oder "abgeschirmte" Leitung, die eine Kanaltechnologie verwendet, in einen Hohlraum und verformt sich stark, um eine Fleckengeometrie zu bilden.
Die einfachste Form des Hohlraums ist diejenige eines Zylinders, aber es können abhängig von der Anwendung weitere Geometrien verwendet werden: quadratisch, fünfeckig, sechseckig usw... ohne einen einschränkenden Aspekt oder Charakter.
Das gleiche gilt für die Geometrie des Fleckens, der in seiner einfachsten Version auf einen Kreis oder ein Quadrat beschränkt sein und Verformungen erfahren kann, die zu Geometrien führen, die so verschiedenartig wie die Vorstellungskraft des Designers sind. Dies ist beispielsweise für Verformungen der Fall, die wissentlich bemessen sind, um eine Welle mit Zirkularpolarisation abzustrahlen, beispielsweise Einkerbungen oder Abschrägungen, sogar noch exotischere Geometrien. Die Charakteristiken dieses Fleckens sowie diejenigen des umgebenden metallischen Hohlraums oder vielmehr diejenigen, die eine Bedingung vom Metalltyp auf den Feldern E und H herstellen; gestatten folglich, dank eines sorgfältig dimensionierten Aufbaus aus Zweien, jeweiliger Größe, Platzbedarf, Verarbeitung usw... einen Übergang vom orthogonalen Typ von der Mikrostreifenleitung zum Mini-Leiter auszuführen, der die gesuchten Eigenschaften hat:
- Kompaktheit,
- große Bandbreite.
Zahlreiche Parameter, die in einer Situation Flecken ohne Hohlraum nicht verfügbar sind, können eingesetzt werden, um eine solche oder eine Leistung wie zum Beispiel bei der Impedanz oder der Abstrahlung zu optimieren. Es handelt sich insbesondere um:
- die mittlere Größe des Hohlraums,
- die mittlere Höhe des Hohlraums.
Beispielsweise ist die Richtwirkung der Strahlung eines erfindungsgemäßen Elements durch die relativen Abmessungen des Fleckens und des umgebenden Hohlraums bestimmt.
Eine solche Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Dimensionierung ist in einer Situation einfacher Resonator gemäß dem Stand der Technik unvorstellbar, wird aber möglich, indem ein Flecken und Hohlräume gemäß der Erfindung kombiniert werden. Es ist folglich klar, daß die Gesetze, die das Verhalten leiten, modifiziert sind und daß neue Multivariablen-Nomogramme empirisch aufgestellt werden können, die den in Fig. 3 dargestellten ähnlich sind.
Die Anpassungsleistungen werden nicht mehr durch die gleichen Gesetze geleitet, und der Einsatz des Hohlraums verbessert in mehr als signifikanter Weise das ROS-Verhalten. Bei einem vom Erfinder ausgeführten praktischen Ausführungsbeispiel wurde mit einem ROS = 1,20 im L-Band (1,5 GHz) eine typische Leistung von 6 bis 8% des Bandes erhalten und dies mit Hilfe eines Aufbaus, dessen Gesamtdicke 10 mm, typischerweise 6 mm, nicht übersteigt, was die Ausführung als zu den Antennen mit geringen Dicken gehörend einordnet.
Eine solche Umgebung Flecken/Hohlraum stellt eine Abschirmung sicher, die zwei Hauptauswirkungen hat:
- Sicherung der Qualität der Strahlung sowie der Einbringung in die Gruppe, die Situation mit Hohlräumen minimiert die wechselseitigen Kopplungen zwischen Elementen;
- Nichtvorhandensein des mit der Erzeugung von Oberflächenwellen im Dielektrikum verbundenen Störmechanismus. Herkömmlicherweise breiten sich diese Oberflächenwellen im Aufbau aus und können das Verhalten der benachbarten Elemente stören. Tatsächlich sind bei einer erfindungsgemäßen Ausführung die Oberflächenwellen im Volumen des Hohlraums "gefangen" und nehmen am allgemeinen Anpassungsmechanismus der Antenne teil.
Man kann zwei technologische Ausführungen des Konzepts der Erfindung ins Auge fassen, das darin besteht, einen Hohlraum und ein in der Technologie von eingebetteten Mikrostreifen ausgeführtes Strahlungselement zusammenzufügen.
Der erste Zugang ist getreu Fig. 2. In diesem Fall kann der Hohlraum in einen tragenden Aufbau integriert sein (wie das in Fig. 8 dargestellte Beispiel), auf welchen die Mikrostreifenschaltung auf einem dielektrischen Substrat 1 mit geringer Dicke, das den Flecken 2 und die Versorgungsleitung 4 umfaßt, geklebt, geschraubt oder durch jedes andere Mittel montiert wird.
In Fig. 5 hat man eine Schnittansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung. Diese Figur ist mit Fig. 2 identisch, mit der Ausnahme des Vorhandenseins der leitfähigen Elemente 13. Gemäß dieser Variante wird mittels eines oder mehrerer leitfähigen (leitfähiger) Elements (Elemente) 13, das (die) die beiden elektrisch verbindet (verbinden), ein Kurzschlußzustand zwischen der vertikalen Wand 8 des Hohlraums 7 und der Masseebene 6 der Mikrostreifenleitung hergestellt. Diese Ausführung gestattet deshalb eine totale Abschirmung der Einheit Mikrostreifen und des Flecken gegenüber weiteren benachbarten Elementen. Die durch das (die) leitfähige(n) Element(e) 13 aufgebaute elektrische Kontinuität kann total oder teilweise sein:
Total: Man kann den metallischen Aufbau 8, der den Hohlraum 7 definiert, sehr gut auf den ebenen Masseuntergrund 6 entsprechend der Geometrie des Hohlraums schweißen oder löten.
Teilweise: Man kann sich eine diskrete Abschirmung mit Hilfe von durch das dielektrische Substrat 2 hindurchgehenden Kontakten, die auf den Hohlraum geschraubt werden können, vorstellen oder auch die Technik metallisierter Löcher im dielektrischen Substrat ins Auge fassen, die man beispielsweise an das durchgehende Stück des Hohlraums dampfphasenlöten könnte.
Eine weitere Technik könnte auch in der Herstellung eines äquivalenten elektrischen Zustands bestehen. So könnte dem Hohlraum zur Masseebene hin eine Geometrie gegeben werden, so daß sie für Ultrahochfrequenzsignale einen reaktiven Kurzschluß bildet. Eine solche Technik wurde bereits in der mit Nr. 4 bezeichneten Druckschrift - französisches Patent Nr. 89 11-829 - beschrieben.
Ausgehend vom Grundkonzept, der Verbindung einer Einheit Flecken/Mikrostreifen-Versorgungsleitung mit einem Hohlraum, ist es möglich, viele Varianten herzustellen, die nur besondere Anwendungen oder Optimierungen des ursprünglichen Konzepts sind. Es werden zwei Beispiele beschrieben, um diese Äußerungen zu veranschaulichen:
a) ein Element mit sehr breiten Band, im X-Band ausgebildet;
b) eine konforme Gruppe, die das Element vom in Fig. 2 gezeigten Typ verwendet.
Ein erstes Beispiel einer Antennenausführung, das ein erfindungsgemäßes Element mit sehr breitem Band verwendet, ist in Fig. 6 gezeigt. Dieses Element ist für eine bei 8 GHz arbeitende Antenne bestimmt, die hergestellt wurde und an welcher Messungen gestatteten, die erwarteten Leistungen zu bestätigen.
Fig. 6 stellt das Verfahren dieser Ausführung dar, das darin besteht, einem Basis-Fleckenstrahler 2 einen zweiten Resonator 12 hinzuzufügen, der über dem ersten Resonator 2 angeordnet ist. Die Konfiguration ist somit diejenige der Fig. 5, abgesehen davon, daß der Hohlraumresonator 7 auf seiner Vorderseite durch einen zweiten Resonator 12 teilweise geschlossen ist, der beispielsweise ein auf einen dielektrischen Träger 11 gedruckter Flecken sein kann. In diesem genauen Fall ist das zweite Element in gleicher Höhe mit dem Hohlraum 7 angebracht, aber es könnte mittels mehr ausgearbeiteter Konstruktionen entweder in einer größeren Höhe oder in einer geringeren Höhe als der Höhe der leitfähigen Wände 8 des Hohlraums 7 angebracht werden.
Der Zugang jedoch, der darin besteht, den Abstand zwischen den Flecken und die Höhe des Hohlraums gleich zu machen, macht die technologische Ausführung sehr einfach. Der zweite Resonator 12 kann auf ein tragendes Substrat 11 mit geringer Dicke und Masse geätzt sein und seine Anbringung kann durch einfaches Kleben oder Schrauben erfolgen.
In unserem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 sind die Hauptcharakteristiken des Strahlers die folgenden:
Durchmesser Hohlraum 7: 23 mm
Höhe Hohlraum 7: 2 mm
Größe 1. Resonator 2: ~44 mm
Dielektrizitätskonstante Substrat 1 (1. Resonator) ~2,50
Dicke 1. Substrat 1: 20 mil = 0,508 mm
Größe 2. Resonator 12: ~14 mm
Dielektrizitätskonstante Substrat 11: ~3,90
Dicke 2. Substrat 11: ~125 um
Wie in Fig. 7 gezeigt, die die auseinandergezogene Ansicht der Fig. 6 darstellt, können die beiden Resonatoren mit Hilfe von Abschrägungen verformt sein, um die Zirkularpolarisation, wenn gefordert, mit Hilfe eines einzigen Zugangs zu erzeugen. Die in einem Anwendungsband von 8,0 bis 8,4 GHz gemessenen Strahlungsdiagramme zeigen ein ausgezeichnetes Verhalten der Vorrichtung. Der Elleptizitätsgrad (Kreuzpolarisation) ist bei der Optimierungsfrequenz (8,2 GHz) ausgezeichnet und bleibt auf dem gesamten Nutzband gut diesseits der 3 dB.
In dieser Fig. 7 ist auch die Aussparung 19 zu sehen, die auf einer Seite der leitfähigen Wand 8 des Hohlraumresonators angebracht ist, um das Eindringen der Versorgungsmikrostreifenleitung in den Hohlraum zu gestatten.
Ein Antennenentwurf, bei welchem der erfindungsgemäße Strahler einbeschrieben wird und der in Fig. 2 und 5 bis 7 dargestellt ist, betrifft die Ausführung einer elektronischen Abtastantenne wie in Fig. 8 und 9 dargestellt. Fig. 8 zeigt schematisch in Perspektive einen mechanischen Aufbau einer strahlenden Untergruppe gemäß der Erfindung, wobei diese Untergruppe dafür bestimmt ist, mit zahlreichen ähnlichen Untergruppen zugsammengesetzt zu werden, um eine Gruppenantenne zu bilden, wie in Fig. 9 gezeigt.
Das Arbeitsprinzip der Antenne ist in Fig. 9 dargelegt. Das Beispiel einer vollständigen Gruppe besteht somit in der Anbringung von gleichen Untergruppen, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, auf einer um eine Achse 2 herum rotationssymmetrischen Fläche. Die Untergruppen bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus vier gleichen Strahlern von Fleckentyp gemäß einer der Fig. 2, 5 bis 7, die von einem gemeinsamen Verteiler wie in Fig. 1 gezeigt versorgt wird. Der in Fig. 8 schematisch in Draufsicht gezeigte mechanische Aufbau 14 weist die leitfähigen Wände von vier Hohlräumen 8 und Befestigungskontakte 15 für die Mikrostreifenschaltung und ihr dielektrisches Substrat 1 auf, wie in Fig. 1 gezeigt. In den leitfähigen Wänden 8 sind Aussparungen 19 für den Durchgang der Versorgungsmikrostreifenleitungen für die Strahlungselemente angebracht.
Die Topologie dieser Strahler ist im in diesen Fig. 8 und 9 gezeigten Beispiel insofern besonders, als einer von ihnen eine Neigung um θ = 10º gegenüber den drei anderen erfährt. In Fig. 8 ist zu sehen, daß die drei Achsen 20 der drei ersten Hohlräume parallel sind, während die Achse 30 des vierten Hohlraums gegenüber den anderen um 10º geneigt ist. Die Untergruppe ist somit nicht eben sondern angepaßt. Dank der geringen Dicke des Dielektrikums 1, die sich aus der Verwendung der Erfindung ergibt, kann die Mikrostreifenschaltung leicht verformt werden, um am mechanischen Aufbau 14 zu haften, wenn sie einmal mittels der Befestigungskontakte 15 an diesem letzteren befestigt sind.
In Fig. 9 ist ein Beispiel einer Gruppenantenne zu sehen, die ausgehend von Untergruppen, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, hergestellt ist. Die Untergruppen bestehen wiederum aus einer bestimmten Anzahl von Strahlungselementen 28 gemäß der Erfindung (in diesem Beispiel vier), die auf der Achse 21 der Untergruppe ausgerichtet sind; um eine Antenne aufzubauen wird jede Untergruppe mit ihrer Achse 21 in derselben Ebene mit der Hauptachse der Antenne z und mit einem konstanten Winkelabstand zwischen zwei so definierten aufeinanderfolgenden Ebenen angeordnet. Der Winkel θ beträgt 10º, wie in Fig. 8. Die Bedeutung dieser besonderen Topologie ist, die Strahlungskeulenbildung der Antenne zu unterstützen, wie in der französischen Patentanmeldung Nr. 91 05510 vom 6. Mai 1991 im Namen der Anmelderin beschrieben (die als Beschreibung des Gruppenantennen mit geformter Keule betreffenden Standes der Technik einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Anmeldung bildet).
Es ist somit die ganze Bedeutung des neuen Strahlungselementkonzepts für die Herstellung dieser Antennenart zu sehen. Unter den erhaltenen Vorteilen können insbesondere genannt werden:
1) Der Hohlraum stellt eine Abschirmung sicher, die jedes Problem der wechselseitigen Kopplung beseitigt und das Einbringen in die Gruppe mit maximaler Wirksamkeit mit einem optimalen Zwischenelementschritt gestattet.
2) Die Mikrostreifentechnologie gestattet außerdem zwei Hauptvorteile:
a) sehr kompakte Ausführung des strahlenden Übergangs;
b) Ermöglichung der Ausführung des Versorgungsverteilers auf der angepaßten Fläche.
In der Tat kann wegen seiner geringen Dicke (20 mil) der dielektrische Träger der Ätzung beispielsweise ohne Funkbetriebsprobleme warm geformt werden. Eine andere Technologie, beispielsweise vom Drei-Platten-Typ, wäre entweder nicht anwendbar oder sehr schwierig einzusetzen.
Es wird somit die ganze Bedeutung des vorgeschlagenen Weges erkannt, der gestattet, die Gesamtheit der gestellten technischen Probleme gleichzeitig zu lösen:
a) Herstellung ohne Schwierigkeit von sehr kompakten Strahlungselementen mit großer Bandbreite auf Oberflächen, die angepaßt sein können: Kegel, Kugel oder andere, abhängig von der Anwendung. Grundsätzlich sind diese Strahler durch elektrische Wände abgeschirmt: Hohlräume, die ihre richtige Funktion sowie ihre Einbringung in die Gruppe sichern.
b) Leichtigkeit der Ausführung eines Verteilers auf einer nicht ebenen Fläche. Ihrem Wesen nach ist eine Technologie vom Mikrostreifentyp sehr dafür ausgelegt, angepaßt zu werden und stellt sich deshalb in den Anwendungsbeispielen, die gerade erwähnt wurden, als sehr nützlich heraus. Als Beispiel zeigt Fig. 1 die Herstellungsmaske für eine untere Mikrostreifenschaltung, die zur Herstellung einer strahlenden Untergruppe gemäß der Erfindung dienen kann. Dort sind die vier kreisförmigen Strahler (in diesem Beispiel im X-Band) sowie die verschiedenen Elemente der Verteilungsschaltung zu sehen, die eine Folge von Transformatoren und Leistungsteilerelemente aufweist. Die Ausbreitung vom Mikrostreifentyp stützt sich auf eine Asymmetrie der Verteilung der Felder und konzentriert diese zwischen der Spur und dem Dielektrikum. Deshalb paßt sie sich völlig an eine nicht ebene Topologie an, und die Verteilung der Versorgung erfolgt ohne merkliche Störung und ohne größere technologische Probleme.
Es ist klar, daß die Konfigurationen, die beschrieben wurden, nicht einschränkend sind und daß der Einsatz des Konzepts unter Vorstellung so vieler Variationen wie möglicher Anwendungen erfolgen kann.
Was die vorgeschlagenen Beispiele von Gruppenantennen betrifft, so können sie mehr Elemente umfassen, eben eingebaut werden oder auch zum Abtasten einer Reflektorantenne verwendet und in diesem Fall entsprechend einer Geometrie vom Typ Petzwald-Fläche eingebaut werden, die die Wirksamkeit der Vorrichtung optimiert.

Claims

1. Strahlungselement vom Flecken-Typ mit großer Bandbreite für eine Gruppenantenne, das eine Masseebene (6), ein dielektrisches Substrat (1), einen leitfähigen Flecken (2) und eine Versorgungssonde (4a, 4b, 4c, 4d) für Signale des Elements umfasst, wobei der Flecken (2) und die Sonde (4a, 4b, 4c, 4d) durch Ätzen von leitfähigen Mikrostreifen auf dem dielektrischen Substrat (1) ausgeführt ist (sind), wobei der Flecken (2) und die Versorgungssonde (4a, 4b, 4c, 4d) auf einer Seite angeordnet ist, die in Richtung der Strahlung Vorderseite des Substrates (1) genannt wird, wobei die Masseebene (6) auf der Rückseite des Substrates (1) angeordnet ist, wobei das Strahlungselement außerdem ein radial geschlossenes System vom Typ eines Hohlraums (7) umfasst, der durch leitfähige Wände (8) definiert ist, wobei der Hohlraum mit dem Flecken (2), der am Boden des Hohlraums (7) angeordnet ist, auf der Vorderseite des dielektrischen Substrats (1) angeordnet ist, wobei der Hohlraum (7) in Richtung der Strahlung des Elements wenigstens teilweise offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die leitfähigen Wände (8) des Hohlraums (7) quer durch das Substrat (1) bis zur Masseebene (6) erstrecken, die sich auf der Rückseite des Substrates (1) befindet.

2. Strahlungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) in Richtung der Strahlung durch einen zweiten Resonator teilweise geschlossen ist, der in einem auf einem zweiten dünnen dielektrischen Substrat (11) geätzten, leitfähigen Flecken (12) besteht, der dann an der Vorderseite des Hohlraums (7) angeordnet ist.

3. Strahlungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifen- Versorgungssonde als einfacher Mikrostreifen ausgeführt ist.

4. Strahlungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostreifen- Versorgungssonde als abgeschirmter Mikrostreifen ausgeführt ist.

5. Strahlende Untergruppe aus Strahlungselementen für eine Gruppenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Untergruppe insbesondere einen mechanischen Träger (14), mehrere Flecken (2) und ihre Versorgungen in Mikrosteifentechnologie mit ihrem zugehörigen dielektrischen Substrat (1) und ihrer zugehörigen Masseebene (6) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Träger (14) der Untergruppe in Strahlungsrichtung der Antenne auf der Vorderseite des dielektrischen Substrats angeordnet ist.

6. Strahlende Untergruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Träger (14) die leitfähigen Wände (8) der Hohlräume (7) umfasst.

7. Strahlende Untergruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergruppe durch einen einzigen Versorgungspunkt (5) versorgt wird, der allen Strahlungselementen der Untergruppe gemeinsam ist.

8. Strahlende Untergruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergruppe nicht eben sondern konform ist.

9. Gruppenantenne, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne strahlende Untergruppen nach einem der Ansprüche 5 bis 8 umfasst.

10. Gruppenantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne auf einer ebenen Fläche angeordnet ist.

11. Gruppenantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne auf einer rotationssymmetrischen Fläche angeordnet ist.

12. Gruppenantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne auf einer Fläche angeordnet ist, die mit irgendeiner Krümmung gestaltet ist.

13. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne aus Untergruppen mit gleichen Geometrien besteht.