DE19523805A1

DE19523805A1 - Mikrostreifenantenne

Info

Publication number: DE19523805A1
Application number: DE19523805A
Authority: DE
Inventors: Frank Stan Kolak
Original assignee: MA Com Inc
Current assignee: Autoliv ASP Inc
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2015-06-30
Also published as: JPH08181537A; JP2920160B2; DE19523805B4; US5712644A

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf flat-plate- Mikrostreifenantennen für Systeme zur Vermeidung von Fahr zeugkollisionen und besonders auf ein Einspeisungsverfahren für ein Feld aus strahlenden (patch-)Elementen, das in einer flat-plate-Mikrostreifenantenne mit hoher Verstärkung für ein Radarsystem zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Linear polarisierte planare flat-plate-Antennenfelder werden verbreitet in Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssystemen und in Radarführungssystemen zur Vermeidung von Fahrzeug kollisionen verwendet. Im U.S. Patent 4,899,163 an Daniel et al. wird eine Janus-Antenne beschrieben. Die Antenne wird von einem Feld aus strahlenden Elementen gebildet, die auf einem Substrat so mit Abstand angeordnet sind, daß sie einen gespaltenen Strahl liefern. Eine gerade Anzahl von quadratischen strahlenden Elementen ist entlang Unter netzen, die in rechten Winkeln von einem zentralen Leiter aus verlaufen, in 180 Grad Intervallen ausgerichtet und mit Abstand angeordnet. Der resultierende Antennenstrahl besitzt zwei Hauptkeulen, die bezüglich einer Normalen auf die Oberfläche um etwa ±41 Grad geneigt sind. Diese Art von Antenne ist in einem System zur Vermeidung von Kollisionen nicht nützlich, bei dem ein einzelner enger Antennenstrahl auf die bestimmte Fahrspur gerichtet werden muß, auf der sich das Fahrzeug bewegt und wo die Verwendung eines gespaltenen Strahls zur Erkennung von Zielen führen würde, die sich nicht auf dem Weg des Fahrzeugs befinden.

Das U.S. Patent 4,866,535 an Lalezari beschreibt eine Mikrostreifenantenne, bei der die strahlenden Elemente durch eine gemeinsame Einspeisungsstruktur verbunden sind, die sich auf einem komplizierten Pfad durch das Feld der strahlenden Elemente windet und dadurch Leitungsverluste bewirkt, welche den Wirkungsgrad der Antenne reduzieren. Um einen nicht zentralen Hauptantennenstrahl zu erzeugen, wird eine spezielle Phaseneinstellung verwendet.

Diese Antennen sind für den besonderen Zweck nützlich, für den sie entworfen wurden. Für ein Radarsystem zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen ist es jedoch erwünscht, eine Mikrostreifenantenne zu verwenden, die effizient ist, einen einzelnen Strahl mit hoher Verstärkung und besonders niedrigen Seitenkeulen besitzt und ökonomisch und leicht hergestellt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit einer Mikrostreifenantenne gemäß der Erfindung wird ein einzelner schmaler Strahl mit besonders niedrigen Seitenkeulen erzeugt, der mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Dies wird mit einer Mikrostreifenantenne gemäß der Erfindung durch Formen eines Feldes planar strahlender Elemente auf einem auf einer Metallplatte angeordneten Substrat erreicht. Die Elemente sind in Reihen und Spalten gleichmäßig verteilt. Die Elemente entlang einer Spalte sind in regelmäßigen Abständen von einem ganzzahligen Viel fachen einer dielektrischen Wellenlänge bei der Arbeits frequenz für die Antenne verteilt. Von einer zentralen Hauptleitung wird eine Einspeisungsstruktur gebildet, von der aus an Verbindungen Zweigleitungen im rechten Winkel verlaufen. Die Hauptleitung ist mit Mikrostreifen-Impedanz übertragern ausgestattet, die so ausgewählt sind, daß sie Reflexionen von den Verbindungen minimieren und daß aus der Haupt-Einspeisungsleitung durch Steuern von Kopplungsstrei fen, welche die Zweigleitungen an den Verbindungen mit der Hauptleitung verbinden, eine gewünschte Leistungsverteilung erhalten wird.

Wie im folgenden für eine Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben, wird das Feld aus strahlenden Elementen durch zwei zentral angeordnete Hauptleitungen gespeist. Jede Hauptleitung besitzt einen Einspeisungs punkt, der von einer auf der anderen Seite der Platte angeordneten Schaltung betrieben wird. Die Einspeisungs punkte sind so angeordnet, daß sie eine gewünschte Vertei lung von Mikrowellenleistung auf die Zweigleitungen verbes sern und jede Hauptleitung ist mit der Hälfte des Feldes aus strahlenden Elementen gekoppelt. Eine Vielzahl von Impedanz-Anpassungsübertragern ist entlang der Hauptlei tungen verteilt und mit den Verbindungen gekoppelt, um so Reflexionen zu reduzieren und Kopplungsstreifen zwischen den Hauptleitungen und den Zweigleitungen sind in der Brei te so gewählt, daß sie die gewünschte Leistungsverteilung erzeugen. Mit einer derartigen Mikrostreifenantenne kann ein schmaler Strahl in der Größenordnung von etwa vier Grad erhalten werden, dessen Seitenkeulen etwa 28 dB niedrig sind und dessen Wirkungsgrad etwa 50% hoch sein kann.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine Mikro streifenantenne mit einem schmalen Strahl mit besonders niedrigen Seitenkeulen bereitzustellen, die mit hohem Wirkungsgrad bei Mikrowellen- und Millimeterfrequenzen betrieben werden kann und die besonders für die Verwendung in einem System zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen geeignet ist.

Dieses und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer Mikrostreifenantenne gemäß der Erfindung und den Zeich nungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Mikrostreifen antenne gemäß der Erfindung und der damit verbundenen Beschaltung;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Mikrostreifen antenne gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen zentralen Teil auf rechten Seite der in Fig. 2 gezeigten Mikrostreifenantenne;

Fig. 4 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen linken zentralen Teil der in Fig. 2 gezeigten Mikro streifenantenne;

Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils der Schaltung auf der Rückseite der in Fig. 2 gezeigten Antenne;

Fig. 6 ist eine vergrößerte teilweise Ansicht der Rückseite der Antenne von Fig. 2;

Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht der in der Mischerschaltung auf der Rückseite der Antenne von Fig. 2 verwendeten Mischerdioden; und

Fig. 8 ist ein Plot der mit einer Antenne wie in Fig. 2 gezeigt erhaltenen Richtcharakteristik entlang der azimutalen Ebene.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist ein Teil einer Empfänger/Senderschal tung 10 gezeigt, die aus einem Oszillator 12 gebildet ist, der bei etwa 24 Gigahertz arbeitet und über einen Wellen leiter-zu-Mikrostreifen-Übergang 14 mit einem abgeglichenen Mischer 16 gekoppelt ist. Eine Mikrostreifenantenne 18 gemäß der Erfindung ist über Leitungen 19.1 und 19.2 mit einem Leistungsteiler 20 zum Mischer 16 verbunden, dessen Ausgang auf der Ausgabeleitung 22 ein Differenz-IF- bzw. Zwischenfrequenzsignal erzeugt. Das Differenzsignal kann ein Dopplersignal sein, das ein für die Antenne 18 sicht bares Ziel angibt. Die Antenne arbeitet in einem CW-Modus, um aus zurückkommenden Signalen mit unterschiedlicher Fre quenz, wie beispielsweise durch Dopplereffekt verursacht, Ziele zu detektieren.

In Fig. 2, 3 und 4 ist eine Mikrostreifenantenne 18 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Antenne wird als gedruckte Schaltung auf einem auf einer Metallplatte 26 befindlichen Substrat 24 geformt. Ein Feld 28 von strahlenden Elementen 30 wird auf dem Substrat angeordnet, wobei die Elemente in Reihen 32 und Spalten 34 angeordnet sind. Die strahlenden Elemente haben dieselbe Länge und Breite, die so ausgewählt sind, daß sie auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind, bei einer Dicke des Substrats von etwa 1/32 der dielektrischen Wellenlänge (λg). Die Breite W jedes Elements 30 beträgt etwa 1/2 λg. Zur Minimierung von Verlusten wird eine serielle Einspeisungsstruktur 35 verwendet, die aus einem Paar zentral angeordneter Hauptleitungen 36.1 und 36.2 gebildet wird, die sich von einem Paar von Einspeisungs punkten 38.1 und 38.2 zu gegenüberliegenden Seiten er strecken. Die Einspeisungspunkte 38.1 und 38.2 sind durch Koaxialleitungen 40.1 und 40.2, die durch die Platte 26 verlaufen, mit dem Leistungsteiler 20 verbunden, siehe Fig. 1.

Von Verbindungen 42 aus verläuft im rechten Winkel zu den Haupteinspeisungsleitungen 38 eine Vielzahl von Zweig leitungen 44, die entlang den Spalten 34 aus strahlenden Elementen 30 angeordnet sind. Zwischen den Strahlern 30 verlaufen Verbindungsstreifen 46 zu benachbarten Zweiglei tungen 44. Die Abstände zwischen den strahlenden Elementen 30 entlang einer Spalte 34 sind so gewählt, daß die Ele mente um ein ganzzahliges Vielfaches der dielektrischen Wellenlänge innerhalb des Substrats 24 elektrisch getrennt sind. Die strahlenden Elemente 30 werden somit in Phase gespeist. Folglich wird jede Reflexion an einem Einspei sungspunkt eines strahlenden Elements phasengleich aus einem anderen Element zurückgestrahlt, statt außer Phase gestreut oder abgestrahlt zu werden. Entsprechend sind die elektrischen Längen zwischen den Zweigleitungen so gewählt, daß sie ermöglichen, alle strahlenden Elemente 30 des Fel des 28 phasengleich zu speisen.

Die Hauptleitungen 36.1 und 36.2 sind mit Mikrostrei fen-Impedanzübertragern 50 ausgestattet, die entlang der Hauptleitungen 36 verteilt sind und mit jeder Verbindung 42 verbunden sind. Die Impedanzübertrager 50 werden unter Verwendung von 50 Ohm als gewünschte charakteristische Impedanz durch Einstellen ihrer Längen und Breiten geformt, was zu einer Verbindung führt. Die Impedanzübertrager 50 werden so gewählt, daß Fehlanpassungen der Impedanz an jeder Verbindung 42 reduziert werden und somit Reflexionen minimiert werden und die Kopplung maximiert wird. Ähnliche Impedanzübertrager 52 werden in den Zweigleitungen 44 ver wendet, um Reflexionen zu reduzieren und eine gleichförmige Leistungskopplung zwischen den strahlenden Elementen 30 und den Zweigleitungen 44 sicherzustellen.

Von jeder Verbindung 42 zu einer Zweigleitung 44 ver laufen Kopplungsstreifen 54, um eine Hauptleitung elek trisch mit einer Zweigleitung zu verbinden. Die Kopplungs streifen 54 werden auf eine vorherbestimmte Größe gebracht, um so die Leistungsverteilung in das Feld 28 zu steuern. Der Hauptteil der Leistung wird typischerweise durch die zentralen strahlenden Elemente abgestrahlt. Folglich haben Kopplungsstreifen wie 54.a1, a2 und a3, Fig. 3 und 54.b1, b2 und b3, Fig. 4 in Richtung des Zentrums des Feldes 28 von den Einspeisungspunkten 38.1 und 38.2 aus jeweils zu nehmende Breiten, um die gewünschte Leistung in die Zweig leitungen 44.a1, a2, a3 und 44.b1, b2 und b3 im Zentrum einzukoppeln. Die vergrößerten Breiten kompensieren vorhe rige Kopplungsverluste.

Entsprechend erfordern die äußeren Zweigleitungen 44.a4 bis 44.a11 weniger Leistung, aber da die inneren Zweigleitungen 44 Leistung von den Hauptleitungen ausge koppelt haben, müssen Kopplungsstreifen wie 54.a4, a5, a6, a7, a8, a9, a10 und a11 aufeinanderfolgend breiter sein, um eine geeignete Leistungsmenge aufzunehmen. Ähnliche Be trachtungen gelten für die mit der anderen Hauptleitung 36.1 gekoppelten Zweigleitungen.

In Fig. 5, 6 und 7 ist das auf der Rückseite der Antennenplatte 26 befindliche Netzwerk 10 gezeigt. Die Platte 26 wird mit einem Mikrostreifenhohlraum 60 in Form eines T ausgestattet, wobei der Leistungsteiler 20 inner halb des Hohlraums 60 als Teil einer gedruckten Schaltung 62 auf einem Substrat 64 angeordnet ist.

Der Hohlraum 60 enthält ein an den Oszillator 12 gekoppeltes Mikrostreifensegment 14, das nur als gestri chelter Umriß gezeigt ist und mit dem Mischer 16 verbunden ist. Der Mischer 16 wird von einem Paar Hauptleiterbahnen 66, 68 gebildet, die Teil einer Hybridschaltung 70 sind. Ein Paar von seriell gekoppelten Mikrowellendioden 72, 74 ist über die Lücke 76 zwischen den Leiterbahnen 66, 68 geschaltet. Die Verbindung 78 zwischen den Dioden 72, 74 ist der IF-Ausgang 22 vom Mischer 16. Der IF-Ausgang wird durch Tiefpaßfilter 80, 82 zur Ausgabeleitung 22 geführt. Der Leistungsteiler 20 ist über einen Wechselstromkoppler und ein Hochpaßfilter 84 an den Mischer 16 gekoppelt.

Die Hybridschaltung 70 enthält rf- bzw. Radiofrequenz- Kopplungsleiter 86, 88, deren Größe so gewählt ist, daß sie die Übertragung von rf-Leistung an den Leistungsteiler 20 ermöglichen, während sie ebenfalls die Anregung der Dioden 72, 74 ermöglichen. Die Hybridschaltung ist so entworfen, daß die Weglängen die Übertragung von rf-Leistung vom Oszillator 12 zum Leistungsteiler 20 mit geringen Verlusten ermöglichen, während sie ermöglichen, daß empfangene Si gnale vom Leistungsteiler mit geringen Verlusten an die Mischerdioden 72, 74 gekoppelt werden. Gleichstromdioden- Rückführleitungen 90, 92 verbinden die Leiterbahnen 66, 68 mit Masse.

In einer Fahrzeuganwendung trägt das Ausgangssignal auf der Leitung 22 ein Dopplersignal, das typischerweise in der Größenordnung von Hunderten Hertz liegt. Die Effekti vität der Mikrostreifenantenne 18 kann besonders aus dem aus tatsächlichen Daten bestehenden und in Fig. 8 gezeig ten Plot der Richtcharakteristik 96 erkannt werden. Der Hauptstrahl 98 besitzt eine lineare Polarisation und hat eine 3 dB Strahlbreite von etwa vier Grad und die Seiten keulen liegen wenigstens 27 dB unterhalb der Spitze 100. Bei der Herstellung von Antennen kann eine leichte Ver schlechterung dieser Leistungsfähigkeit erwartet werden, aber die Seitenkeulen können immer noch auf sehr geringen Pegeln gehalten werden.

Nach der Beschreibung einer Mikrostreifenantenne gemäß der Erfindung können somit ihre Vorteile erkannt werden. Variationen der Ausführungsform können erfolgen, ohne von der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Einspei sungsstruktur der Antenne mit unterschiedlicher Anzahl von Einspeisungspunkten wie beispielsweise vier hergestellt werden. In so einem Fall teilt der Leistungsteiler 20 die Leistung dreimal in einer Dreierstruktur, die vier Einspei sungspunkte 38 bildet. Das Feld aus strahlenden Elementen wird dann aus vier Segmenten mit Hauptleitungen und Neben leitungen wie hierin beschrieben gebildet. Die Einspei sungspunkte sind zur Erzeugung der gewünschten Leistungs verteilung geeignet angeordnet.

Claims

1. Eine Mikrowellenantenne für hohe Frequenz, die folgendes umfaßt:
eine leitende Platte (26) und ein isolierendes Substrat (24), das auf einer Seite der Platte angebracht ist und eine dielektrische Wellenlänge bei der hohen Frequenz besitzt;
eine planare Mikrowellen-Streifenschaltung, die auf dem Substrat angeordnet ist und aus einer Hauptleitung (36) geformt ist, entlang der in gleichen Intervallen eine Viel zahl von Zweigleitungen (44) in regelmäßigem Abstand verteilt ist, die mit Verbindungen (42) mit der Hauptleitung (36) ver bunden sind und von diesen aus im rechten Winkel verlaufen;
ein Feld (28) planarer strahlender Elemente (30), das auf dem Substrat (24) angeordnet ist, wobei die Elemente (30) ent lang Spalten (34) in regelmäßigen Intervallen eines ganzen Vielfachen der dielektrischen Wellenlänge entlang einer Seite der Zweigleitungen (44) verteilt sind, wobei jedes strahlende Element (30) mit einer benachbarten Zweigleitung (44) verbunden ist;
wobei die Hauptleitung (36) wenigstens einen Einspei sungspunkt (38) besitzt, der so angeordnet ist, daß er eine gewünschte Leistungsverteilung von der Hauptleitung (36) in die jeweiligen damit verbundenen Zweigleitungen (44) bewirkt, um einen Strahl mit einer gewünschten Strahlbreite und mit niedrigen Seitenkeulen herzustellen; jede der Zweigleitun gen (44) die Impedanz an der Verbindung (42) der Zweigleitung (44) mit der Hauptleitung (36) beeinflußt; die Hauptleitung (36) eine Vielzahl von Streifen-Übertragern (50) enthält, die jeweils mit Abstand zwischen den Verbindungen (42) angeordnet sind und so ausgewählt sind, daß sie Reflexionen von den Verbindungen (42) minimieren;
wobei die Zweigleitungen (44) mit der Hauptleitung (36) über Kopplungsleiter (54) verbunden sind, deren Mikrowellen eigenschaften so ausgewählt sind, daß sie die Leistungs menge bestimmen, die von der Hauptleitung (36) in die Zweig leitungen (44), mit denen die Kopplungsleiter (54) verbunden sind, eingekoppelt wird.

2. Die Mikrowellenantenne wie in Anspruch 1, bei der die Kopplungsleiter (54) Breiten haben, die so ausgewählt sind, daß sie die Leistungsmenge bestimmen, die von der Haupt leitung (36) in die Zweigleitungen (44), mit denen die Kopp lungsleiter (54) verbunden sind, eingekoppelt wird.

3. Die Mikrowellenantenne wie in Anspruch 1, bei der die Hauptleitung (36) bei End-Zweigleitungsverbindungen endet, die sich bezüglich des Einspeisungspunkts (38) an gegenüber liegenden Enden befinden, wobei mit jeder der Endverbin dungen ein Streifen-Übertrager (50) verbunden ist und so gewählt ist, daß Reflexionen von den Endverbindungen durch entlang den Zweigleitungen (44) zwischen den Endverbindungen befindliche Elemente (30) zurückgestrahlt werden können.

4. Die Mikrowellenantenne wie in Anspruch 1, bei der die Elemente (30) rechtwinkelig sind und ihre Seiten sowohl zu einer benachbarten Zweigleitung (44) als auch zur Hauptlei tung (36) parallel ausgerichtet sind.

5. Die Mikrowellenantenne wie in Anspruch 4, bei der die Elemente (30) in einem Abstand von benachbarten Zweigleitun gen (44) liegen, Leiterbahnen jeweils die Elemente (30) mit benachbarten Zweigleitungen (44) verbinden, wobei die Bahnen so groß sind, daß sie die Leistungsmenge bestimmen, die von den benachbarten verbundenen Zweigleitungen (44) eingekoppelt wird.

6. Eine Mikrowellenantenne für hohe Frequenz, die folgendes umfaßt:
eine leitende Platte (26) und ein isolierendes Substrat (24), das auf einer Seite der Platte angebracht ist und eine dielektrische Wellenlänge bei der hohen Frequenz besitzt;
eine planare Mikrowellen-Streifenschaltung, die auf dem Substrat angeordnet ist und aus wenigstens ersten und zweiten zentral im Abstand von einander angeordneten Haupt leiterbahnen (36) geformt ist, die gegenseitig ausgerichtet sind;
ein Feld (28) planarer strahlender Elemente (30), das auf dem Substrat (24) angeordnet ist, wobei die Elemente (30) ent lang Reihen (32) gleichmäßig verteilt sind und entlang Spal ten (34) in regelmäßigen Intervallen eines ganzen Vielfachen der dielektrischen Wellenlänge verteilt sind;
eine Vielzahl von in regelmäßigem Abstand angeordneten Zweigleitungen (44), die mit Verbindungen (42) mit den Haupt leitungen (36) verbunden sind und sich von diesen aus im rechten Winkel verlaufen; wobei die Zweigleitungen (44) an jeder Verbindung (42) zu gegenüberliegenden Seiten der Haupt leitungen (36) entlang einer Spalte von Elementen (30) verlau fen, mit denen die Zweigleitungen (44) verbunden sind;
wobei jede der Hauptleitungen (36) einen Einspeisungs punkt (38) besitzt, der so angeordnet ist, daß er eine er wünschte Leistungsverteilung von den Hauptleitungen (36) in die jeweiligen damit verbundenen Zweigleitungen (44) bewirkt, um einen Antennenstrahl mit einer gewünschten Strahlbreite und mit niedrigen Seitenkeulen herzustellen;
wobei jede der Zweigleitungen (44) die Impedanz an der Verbindung (42) der Zweigleitung (44) mit einer Hauptleitung (36) beeinflußt; die Hauptleitungen (36) eine Vielzahl von Strei fen-Übertragern (50) enthalten, die jeweils mit Abstand zwi schen den Verbindungen (42) angeordnet sind und mit diesen verbunden sind und so ausgewählt sind, daß sie Reflexionen von den Verbindungen (42) minimieren;
wobei die Zweigleitungen (44) mit den Hauptleitungen (36) über Kopplungsleiter (54) verbunden sind, deren Mikrowellen eigenschaften so ausgewählt sind, daß sie die Leistungs menge bestimmen, die von den Hauptleitungen (36) in die Zweigleitungen (44) eingekoppelt wird, mit denen die Kopp lungsleiter (54) verbunden sind.