DE3409460A1 - ANTENNA - Google Patents
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- H01Q13/085—Slot-line radiating ends
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Description
BROWN,BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim 12. März 1984BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim March 12, 1984
Mp-Nr. 508/84 ZPT/P1-Kr/KnMp no. 508/84 ZPT / P1-Kr / Kn
Antenneantenna
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a microwave antenna according to the preamble of claim 1.
Aus der Druckschrift " IEE PROC. VoI 127, Pt. H .No 4, August 1980, Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elements, C. Wood. B. Sc, Seiten 231 bis 234." ist eine Mikrowellenantenne bekannt, die mehrere flächige Strahlerelemente aufweist. Die Strahlerelemente sind auf der Oberfläche eines auf einer metallischen Grundplatte aufgetragenen dielektrischen Substrats angeordnet. Die äußeren Strahlerelemente sind auf einer Seite über einen Kurzschluß mit der metallischen Grundplatte verbunden. Die Einspeisung der Antenne erfolgt über eine koaxiale Speiseleitung, deren Innenleiter mit dem zentralen Strahlungselement und der Außenleiter mit der Grundplatte verbunden ist. Zur Erzielung bestimmter geforderter Halbwertsbreiten in der Strahlungscharakteristik kann diese Antenne nicht ohne weitere Speiseleitungen zu größeren Antennengruppen zusammengeschaltet werden. Zudem ist die Erstellung der Kurzschlüsse technisch aufwendig.From the publication "IEE PROC. VoI 127, Pt. H .No 4, August 1980, Improved bandwidth of microstrip antennas using parasitic elements, C. Wood. B. Sc, pages 231 to 234. "a microwave antenna is known, the several Has flat radiator elements. The radiator elements are on the surface of a metallic one Base plate applied dielectric substrate arranged. The outer radiator elements are on one Side connected to the metallic base plate via a short circuit. The antenna is fed in Via a coaxial feed line, its inner conductor with the central radiation element and the outer conductor with the base plate is connected. In order to achieve certain required half-widths in the radiation pattern, this antenna cannot easily Feed lines can be interconnected to form larger antenna groups. In addition, the creation of the short circuits technically complex.
Aus der Druckschrift "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-31, No. 1, January 1983, A ModularFrom the publication "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-31, No. 1, January 1983, A Modular
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Approach for the Design of Microstrip Array Antennas, J. Ashkenazy, P. Perlmutter, and David Treves, Fellow IEEE, Seiten 190 bis 193" ist eine andere Mikrowellen-Antennen-Anordnung bekannt, deren Strahlerelemente über ein besonderes Speiseleitungsnetzwerk zu einem Gruppenstrahler zusammengefügt sind. Diesen und ähnlichen bekannten Anordnungen haften die Nachteile an, daßApproach for the Design of Microstrip Array Antennas, J. Ashkenazy, P. Perlmutter, and David Treves, Fellow IEEE, Pages 190 to 193 "another microwave antenna arrangement is known whose radiator elements have a special feeder network are combined to form a phased array. These and the like known arrangements have the disadvantages that
- ohmsche und dielektrische Verluste im Speiseleitungsnetzwerk den Antennenwirkungsgrad verringern,- Ohmic and dielectric losses in the feed line network reduce the antenna efficiency,
- die unerwünschte Abstrahlung,insbesondere an Leitungsknicken und Verzweigungsstellen des Speisenetzwerkes ebenfalls den Antennenwirkungsgrad vermindert sowie die Strahlungscharakteristik durch Neben- und Kreuzpolarisations-Strahlung stört,- the unwanted radiation, especially at line kinks and branch points of the feed network also reduce the antenna efficiency and the Radiation characteristics interferes with secondary and cross-polarization radiation,
- durch Strahlungskopplung zwischen dem Speiseleitungsnetzwerk und den Strahlerelementen ebenfalls die Strahlungscharakteristik nachteilig beeinflußt wird.- by radiation coupling between the feed line network and the radiator elements also the Radiation characteristics is adversely affected.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antenne in Planartechnik für den Mikrowellenbereich zu schaffen, bei der mit einem geringen konstruktiven Aufwand die geforderten Halbwertsbreiten in der Strahlungscharakteristik unter Erzielung von einer großen Bandbreite, einem hohen Wirkungsgrad, geringen Nebenzipfeln und geringer Kreuzpolarisation erreicht werden können.The invention is therefore based on the object of providing an antenna using planar technology for the microwave range create in which the required half-widths in the Radiation characteristics with achievement of a large bandwidth, high efficiency, low Sidelobes and low cross polarization can be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by the characterizing Features of claim 1 solved.
Die Strahlerelemente der Antennenanordnung sind so engThe radiator elements of the antenna array are so narrow
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benachbart angeordnet, daß ihre Verkopplung durch elektromagnetische Streufelder erfolgt. Die Erfindung unterscheidet sich somit grundsätzlich von den bekannten Mikrowellen-Gruppenantennen dadurch, daß bei der Gruppierung der Strahlerelemente ein besonderes Speiseleitungsnetzwerk entfällt und somit die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.arranged adjacent that their coupling through electromagnetic stray fields. The invention thus differs fundamentally from the known Microwave group antennas in that a special feed line network is used when the radiator elements are grouped is not applicable and thus the disadvantages mentioned above are avoided.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further inventive features are in the subclaims marked.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von ZeichnungenThe invention is explained below with reference to drawings
näher erläutert; es zeigen:
15explained in more detail; show it:
15th
Figur 1: den schematischen Aufbau einer Mikrowellenantenne gemäß der Erfindung;Figure 1: the schematic structure of a microwave antenna according to the invention;
Figur 2: einen Vertikalschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Antenne,Figure 2: a vertical section through the antenna shown in Figure 1,
Figur 3: die Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung,Figure 3: the coupling of a coaxial feed line,
Figur 4: die Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung an zwei zentrale Strahlerelemente,Figure 4: the coupling of a coaxial feed line to two central radiator elements,
Figur 5: die Ankopplung an eine Streifenleitung zwischen zwei Strahlerelementen,Figure 5: the coupling to a stripline between two radiator elements,
Figur 6: die Ankopplung einer Speiseleitung an eine mit einem zentralen Strahlerelement verbundene Streifenleitung,Figure 6: the coupling of a feed line to one with stripline connected to a central radiator element,
Figur 7: die Ankopplung der Speiseleitung an eine Schlitzleitung.Figure 7: the coupling of the feed line to a Slot line.
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Figur 8: ein Diagramm mit Meßdaten der Mikrowellenantenne. FIG. 8: a diagram with measurement data from the microwave antenna.
Figur 1 zeigt eine Mikrowellenantenne 1, die aus mehreren Strahlerelementen 2 und 3 aufgebaut ist. Die Strahlerelemente 2 und 3 sind aus einem metallischen Material gefertigt und fläohenhaft ausgebildet. Sie sind auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrates 4 angeordnet, welches auf einer metallischen Grundplatte 5 aufgetragen ist. Die Strahlerelemente 2 und 3 sind als rechteckige Flächen mit im wesentlichen gleichen Abmessungen ausgebildet. Die Strahlerelemente 2 unterscheiden sich von den Strahlerelementen 3 dadurch, daß sie zum einen als zentrale Strahlerelemente dienen und zum anderen unter gewissen Bedingungen in ihren Abmessungen geringfügig größer ausgebildet sind. Zum besseren Verständnis der in Figur 1 dargestellten Antenne, insbesondere ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise ist in Figur 1 ein rechtwinkliges Koordinatensystem X,Y und Z angeordnet. Die Längenausdehnung der Strahlerelemente 2 und 3 erstreckt sich in X-Richtung. Ihre Länge ist mit 1 bezeichnet. Die Breitenausdehnung der Strahlerelemente 2 und 3 erstreckt sich in Ϊ-Richtung. Ihre Breite ist mit w bezeichnet. In Z-Richtung weisen die Strahlerelemente 2 und 3 nur eine geringfügige Ausdehnung von wenigen jxm auf. Die Z-Richtung steht senkrecht auf der Oberfläche der metallischen Grundplatte 5. Die Abmessungen der Strahlerelemente insbesondere ihre Längen 1 und ihrer Breiten w sind nach bekannten Näherungsbeziehungen aus der Mikrowellenstreif enleitungstechnik dimensiniert. Hierdurch wird erreicht, daß im gewünschten Betriebsfrequenzbereich der Mikrowellenantenne in den Resonatoren, die durch die Strahlerelemente 2 und 3, das Substrat 4 und die Grund-FIG. 1 shows a microwave antenna 1 which is made up of several radiator elements 2 and 3. The radiator elements 2 and 3 are made of a metallic material and formed flat. They are arranged on the surface of a dielectric substrate 4 which is applied to a metallic base plate 5. The radiator elements 2 and 3 are designed as rectangular surfaces with essentially the same dimensions. The radiator elements 2 differ from the radiator elements 3 in that, on the one hand, they serve as central radiator elements and, on the other hand, are made slightly larger in their dimensions under certain conditions. For a better understanding of the antenna shown in FIG. 1, in particular its structure and mode of operation, a right-angled coordinate system X, Y and Z is arranged in FIG. The length expansion of the radiator elements 2 and 3 extends in the X direction. Its length is denoted by 1. The width of the radiator elements 2 and 3 extends in the Ϊ direction. Their width is denoted by w. In the Z direction, the radiator elements 2 and 3 only have a slight extension of a few .mu.m. The Z-direction is perpendicular to the surface of the metallic base plate 5. The dimensions of the radiator elements, in particular their lengths 1 and their widths w, are dimensioned according to known approximations from microwave strip technology. This ensures that in the desired operating frequency range of the microwave antenna in the resonators, which are formed by the radiator elements 2 and 3, the substrate 4 and the basic
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platte 5 gebildetet sind, TMnoo-Eigenschwingungen mit ungerader Ordnungszahl η schwingungsfähig werden. Die Ordnungszahl η sollte vorzugsweise die Werte 1 oder 3 annehmen. Die Länge 1 eines einzelnen ungekoppelten Resonators ergibt sich aus der Gleichung:plate 5 are formed, TMnoo natural vibrations with odd ordinal number η can vibrate. The atomic number η should preferably have the values 1 or 3 accept. The length 1 of a single uncoupled resonator results from the equation:
1 = η ( λα /2)-2 Δ1 = η ( λα / 2) -2 Δ
Xg ist die Leitungswellenlänge der Mikrostreifenleitung mit der Breite w auf dem Substrat mit der Dicke h und der Dielektrizitätszahl £^ . Δ ist die äquivalente Leitungslänge zur Berücksichtigung des Endeffektes dieser Leitung. In dem hier dargestellen Ausführungsbeispiel erfolgt die Verkopplung der Strahlerelemente und 3 bzw. der durch sie gebildeten Resonatoren durch elektromagnetische Streufelder. Bei dieser Verkopplung der Resonatoren treten abhängig von der Anzahl der Strahlerelemente 2 und 3 und den Kopplungsabständen zusätzliche Schaltungskapazitäten auf, die durch eine weitere Verkürzung der Längen 1, der Strahlerelemente und 3 bzw. der Resonatoren kompensiert werden können. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der Substratoberfläche insgesamt 15 Strahlerelemente 2 und 3 angeordnet. Die Strahlerelemente sind so positioniert, daß in X-Richtung jeweils drei Strahlerelemente hintereinander, eine Reihe bildend, positioniert sind. Sie weisen,in X-Richtung gesehen, jeweils einen senkrechten Abstand sx voneinander auf. In Y-Richtung gesehen sind fünf solcher Strahlerelemente ebenfalls hintereinander, eine Reihe bildend, angeordnet. Der senkrechte Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strahlerelementen ist, in Y-Richtung gesehen, immer gleich groß und mit sy bezeichnet. Das in der Mitte der Mikrowellenantenne 1 angeordnete Strahler- Xg is the line wavelength of the microstrip line with the width w on the substrate with the thickness h and the dielectric constant £ ^. Δ is the equivalent line length to take into account the end effect of this line. In the exemplary embodiment shown here, the coupling of the radiator elements and 3 or the resonators formed by them takes place by means of electromagnetic stray fields. With this coupling of the resonators, additional circuit capacitances occur depending on the number of radiator elements 2 and 3 and the coupling distances, which can be compensated for by further shortening the lengths 1, the radiator elements and 3 or the resonators. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a total of 15 radiator elements 2 and 3 are arranged on the substrate surface. The radiator elements are positioned in such a way that three radiator elements are positioned one behind the other in the X direction, forming a row. As seen in the X direction, they each have a perpendicular distance sx from one another. Seen in the Y direction, five such radiator elements are also arranged one behind the other, forming a row. The vertical distance between two successive radiator elements is always the same, viewed in the Y direction, and is denoted by sy. The radiator antenna arranged in the middle of the microwave antenna 1
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element 2 besitzt in X-Richtung zu den benachbarten Strahlerelementen 3 hin einen etwas kleiner bemessenen Abstand sx·], da seine Länge 1 geringfügig größer ist als die der Strahlerelemente 3· Die Abstände sx,sxi und sy weisen Werte auf, die im Bereich zwischen 0,1 bis 1 multipliziert mit der Dicke h des Substrates 4 liegen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß zwischen allen Strahlerelementen 2 und 3 eine Verkopplung durch elektromagnetische Streufelder erzielt werden kann. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel treten abhängig von der Anzahl der Strahlerelemente 2 und 3 und den Kopplungsabständen, insbesondere den Abständen sx,sxi und sy zwischen den Strahlerelementen 2 und 3 in X- und Y-Richtung zusätzliche Schaltungskapazitäten auf, die durch eine weitere Verkürzung der Gesamtlänge 1 der Strahlerelemente kompensiert werden können. Durch den engen Abstand zwischen den Strahlerelementen 2 und 3 wird eine gegenseitige Verkopplung durch elektromagnetische Streufelder der jeweils in der TMaoO""-Resonanz schwingenden Resonatoren erzielt. Entspechend der Verteilung äei elektromagnetischen Felder in der TM^oo'-Resonanz sind die elektrischen Wechselfelder an den im Abstand 1 parallel zueinander laufenden Enden eines Resonators maximal.element 2 has a slightly smaller dimensioned distance sx ·] in the X-direction to the neighboring radiator elements 3, since its length 1 is slightly greater than that of the radiator elements 3 · The distances sx, sxi and sy have values in the range between 0.1 to 1 multiplied by the thickness h of the substrate 4. Through these measures it is achieved that a coupling can be achieved between all radiator elements 2 and 3 by electromagnetic stray fields. In the embodiment shown here, depending on the number of radiator elements 2 and 3 and the coupling distances, in particular the distances sx, sxi and sy between the radiator elements 2 and 3 in the X and Y directions, additional circuit capacitances occur, which are caused by a further shortening of the Total length 1 of the radiator elements can be compensated. Due to the close spacing between the radiator elements 2 and 3, a mutual coupling by stray electromagnetic fields of the in each case in a TM oO "" - achieved sonance vibrating R e resonators. Entspechend distribution AEEI electromagnetic fields in the TM oo' ^ resonance, the electrical alternating fields in the maximum at the distance 1 parallel current ends of a resonator.
Die hier verwendeten Strahlerelemente 2 und 3 können aus Kupfer, Gold, Aluminium oder Messing gefertigt werden. Das gleiche gilt für die als Substratträger dienende Grundplatte 5. Das bei dieser Ausführungsform verwendete Substrat 4 besteht aus Polytetrafluoräthylen und weist eine Dielektrizitätszahl £r=2,23 auf. Anstelle dieses dielektrischen Substrats 4 können auch andere verwendet werden, deren Dielektrizitätszahlen vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 10 liegen. Die Dicke des auf dieThe radiator elements 2 and 3 used here can be made from Copper, gold, aluminum or brass. The same applies to the one used as a substrate carrier Base plate 5. The substrate 4 used in this embodiment consists of polytetrafluoroethylene and has a dielectric constant £ r = 2.23. Instead of this dielectric substrate 4, others can also be used whose dielectric constants are preferably in the range between 1 and 10. The thickness of the on the
508/M „ ^jn 3ΛΌ9460 508 / M " ^ j n 3ΛΌ9460
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Grundplatte aufgetragenen dielektrischen Substrats 4 sollte zwischen 0,2 und 3 mm betragen. Die Dicke h des hier aufgetragenen Substrates 4 beträgt 1,57 mm. Die Grundplatte 5 weist eine Abmessung von 30 χ 30 mm2 auf. Zur Herstellung der Mikrowellenantenne 1 wird auf der Oberfläche des Substrats 4 zunächst eine metallische Schicht aufgetragen. Mit Hilfe eines bekannten Photoätzverfahrens werden aus dieser Metallfläche die Strahlerelemente 2 und 3 herausgearbeitet, so daß nur noch die Strahlerelemente 2 und 3 auf der Substratoberfläche 4 angeordnet sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Strahlerelemente 3 alle eine Breite von w = 4 mm und eine Länge 1 von 8 mm. Lediglich das zentrale Strahlerelement 2 weist eine Länge 1 auf, die 8,8 mm beträgt. Die Breite des zentralen Strahlerelementes 2 beträgt ebenfalls 4 mm. Alle Strahlerelemente weisen in X-Richtung einen senkrechten Abstand zu ihren benachbarten Strahlerelementen 3 von sx = 0,5 mm auf. Die Strahlerelemente 3 besitzten in Y-Richtung gesehen einen senkrechten Abstand sy = 0,5 mm zu ihren nächst benachbarten Strahlerelementen 3. Lediglich das zentrale Strahlerelement 2 weist in X-Richtung gesehen einen senkrechten Abstand sx-| = 0,1 mm zu den benachbarten Strahlerelementen 3 auf. In Y-Richtung gesehen weist es ebenso wie die Strahlerelemente 3 einen senkrechten Abstand sy = 0,5 mm zu den Strahlerelementen 3 auf. Die Speisung der Mikrowellenantenne 1 erfolgt über eine koaxiale Speiseleitung (hier nicht dargestellt). Sie ist zum einen an den Ankopplungspunkt des zentralen Strahlerelement 2 und zum anderen an die metallische Grundplatte 5 angeschlossen. Eine detaillerte Darstellung dieser Ankopplung zeigt Figur 3· Die Beschreibung dieser Figur folgt weiter unten. Der Ankopplungspunkt (hier nicht dargestellt) des zentralenBase plate applied dielectric substrate 4 should be between 0.2 and 3 mm. The thickness h des The substrate 4 applied here is 1.57 mm. The base plate 5 has dimensions of 30 × 30 mm2. To produce the microwave antenna 1, a metallic antenna is first placed on the surface of the substrate 4 Layer applied. With the help of a known photo-etching process, the radiator elements are made from this metal surface 2 and 3 worked out, so that only the radiator elements 2 and 3 on the substrate surface 4 are arranged. In the embodiment shown here, the radiator elements 3 all have a width of w = 4 mm and a length 1 of 8 mm. Only the central radiator element 2 has a length 1 that 8.8 mm. The width of the central radiator element 2 is also 4 mm. All radiator elements have a perpendicular distance to their neighboring radiator elements 3 of sx = 0.5 mm in the X direction. The radiator elements 3, viewed in the Y direction, have a perpendicular distance sy = 0.5 mm to their nearest ones adjacent radiator elements 3. Only the central radiator element 2 has one seen in the X direction vertical distance sx- | = 0.1 mm to the neighboring radiator elements 3. Viewed in the Y direction, it points just like the radiator elements 3, a perpendicular distance sy = 0.5 mm to the radiator elements 3. the The microwave antenna 1 is fed via a coaxial feed line (not shown here). she is on the one hand to the coupling point of the central radiator element 2 and on the other hand to the metallic one Base plate 5 connected. A detailed illustration of this coupling is shown in FIG. 3. The description this figure follows below. The coupling point (not shown here) of the central
■ 5O8/M «-,. 3409A60■ 508 / M «- ,. 3409A60
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Strahlerelementes 2 liegt auf der Längsachse des Strahlerelementes 2, die parallel zur X-Achse verläuft. Insbesondere ist der Ankopplungspunkt so angeordnet, daß er in einem Abstand von 1 mm von der Stirnseite des Strahlerelementes 2 angeordnet ist, die parallel zur Y-Achse verläuft.Radiator element 2 lies on the longitudinal axis of radiator element 2, which runs parallel to the X axis. In particular, the coupling point is arranged so that it is arranged at a distance of 1 mm from the end face of the radiator element 2, which is parallel to the Y-axis runs.
Für die in Figur 1 dargestellte Mikrowellenantenne 1 wurden auf einem reflexionsfreien Antennenmeßplatz die folgenden elektrischen Antennendaten ermittelt, die in Figur 8 graphisch dargestellt sind.For the microwave antenna 1 shown in FIG. 1, the The following electrical antenna data are determined, which are shown graphically in FIG.
Das Diagramm zeigt den gemessenen Frequenzgang des Reflexionsfaktors |r(f)( am Eingang der 50 Ohm-Leitungsbuchse für die Ankopplung der koaxialen Speiseleitung (hier nicht dargestellt) sowie die Änderung ag (f) des Antennengewinns mit der Frequenz im Bereich f = 7,6 bis 9,4 GHz. Hieraus wurde bei |r| min und im Bereich, von a.Qnaj^ die Resonanzfrequenz fr der Gruppenantenne bestiJimt. Weiterhin ergibt sich durch den Frequenzbereich, in dem llCOl £ -9,5 dB ist#die Bandbreite Afs<2· |r| £ -9,5 dB entspricht |r| < 0,33 und ist gleichbedeutend mit einer Welliglceit s < 2 auf der Speiseleitung, somit würden dann in diesem Frequenzbereich die Fehlanpassungsverluste kleiner als 0,5 dB oder im Sendefall weniger als 11% der auf die Antenne zugeführten Sendeleistung reflektiert. Ferner wurden - Richtdiagramme der Strahlungscharakteristik α^(Θ}φ=Ο°) in der E-Ebene und ^(θ,φ-θΟ0) in der Η-Ebene jeweils im Bereich -180° £ Θ £ +180°. Hieraus wurden die Halbwertsbreiten AOg und ΔΘ^ (3 dB-Breiten) sowie die Nebenzipfeldämpfung a>, bestimmt. Aus dem Richtdiagramm 3ττ(Θ,φ=90ο) wurde durch, grafische Integration der Strahlungsgewinn D der Gruppenantenne bei der Frequenz f ermittelt.The diagram shows the measured frequency response of the reflection factor | r (f) (at the input of the 50 ohm line socket for the coupling of the coaxial feed line (not shown here) as well as the change ag (f) of the antenna gain with the frequency in the range f = 7, . 6 through 9.4 GHz from this it was at | r |.. m i n and in the area of a Qnaj ^ the resonance frequency f r of the group antenna bestiJimt Furthermore, because of the frequency range in which llCOl £ -9.5 dB # the bandwidth Af s <2 · | r | £ -9.5 dB corresponds to | r | <0.33 and is equivalent to a waviness s <2 on the feed line, so the mismatch losses in this frequency range would then be less than 0, 5 dB, or in the case of transmission, reflects less than 11% of the supplied to the antenna transmission power Moreover were -. directivity patterns of the radiation characteristic α ^ (θ} φ = Ο °) in the e-plane and ^ (θ, φ-θΟ 0) in the Η-plane in each case in the range -180 ° £ Θ £ + 180 °. The half-widths AOg and ΔΘ ^ (3 dB Widths) as well as the side lobe attenuation a> determined. From the directional diagram 3ττ (Θ, φ = 90 ο ), the radiation gain D of the group antenna at frequency f was determined by graphical integration.
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In dem Diagrairan ist desweiteren die Kreuzpolarisation a», (Θ,φ=45 ) £er Furthermore, in the Diagrairan the cross polarization is a », (Θ, φ = 45) £ er
Antennengewinn G bei der Frequenz f und daraus nach der Beziehung G = η-D der Antennenwirkungsgrad η t sowie die Antennenimpedanz Z. bei der Frequenz £ , gemessen am Eingang der 50Ω-Koaxialbuchse eingetragen.Antenna gain G at frequency f and from this, according to the relationship G = η-D, antenna efficiency η t and antenna impedance Z. at frequency £, measured at the input of the 50Ω coaxial socket.
Die so ermittelten Antennendaten lauten:The antenna data determined in this way are:
Figur 2 zeigt "einen Vertikalschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Antenne parallel zur X-Z-Ebene des in Figur 1 dargestellten rechtwinkligen Koordinatensystems. Wie anhand von Figur 2 zu sehen ist, wird durch die ™nOO-Feldverteilung mit einer ungeradzahligen Ordnungszahl n bewirkt, daß die jeweils zu einem Resonator gehörenden elektrischen Wechselfelder an den Resonatorenden gegenphasig schwingen, so daß die verkoppelten Streufelder wie auch die Streufelder an den äußeren Resonatorenden alle gleichphasig sind und somit ihre Überlagerung eine gebündelte Strahlungscharakteristik mit einer Hauptstrahlrichtung in Richtung der Z-Achse ergibt. Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungscharakteristik linear polarisiert; und zwar in X-Richtung bezogen auf die Hauptstrahlrichtung in Richtung der Z-Achse. Werden in einem Sonderfall (hier nicht dargestellt) alleFIG. 2 shows a vertical section through the antenna shown in FIG. 1 parallel to the X-Z plane of the one in FIG 1 shown right-angled coordinate system. As can be seen from FIG. 2, the ™ nOO field distribution with an odd ordinal number n causes each to become a resonator associated alternating electric fields at the resonator ends oscillate in phase opposition, so that the coupled Stray fields as well as the stray fields at the outer resonator ends are all in phase and thus theirs Overlaying a bundled radiation pattern with a main beam direction in the direction of the Z-axis results. In the embodiment shown in Figures 1 and 2, the radiation pattern linearly polarized; namely in the X-direction based on the main beam direction in the direction of the Z-axis. Will in a special case (not shown here) all
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Strahlerelemente 2 und 3 quadratisch ausgebildet, so daß ihre Länge gleich ihrer Breite und damit w = i ist, so kann die zur TMnoo-Schwingung orthogonale TMonO-Scnwingung mit der selben Resonanzfrequenz angeregt werden. Hierdurch kann bei geeigneter Abstimmung beider Schwingungen auf Amplitudengleichheit und 90O Phasendifferenz ein zirkulär polarisiertes Strahlungsfeld realisiert werden, dessen Hauptstrahlungsrichtung wiederum in Richtung der Z-Achse ausgerichtet ist.Radiator elements 2 and 3 of square design so that its length is equal to its width, and thus w = i, then the orthogonal to the TM n oo-vibration TMo n O- Scnwin supply are excited with the same resonant frequency. In this way, if the two vibrations are suitably matched to equal amplitudes and 90 ° phase difference, a circularly polarized radiation field can be realized, the main radiation direction of which is again aligned in the direction of the Z-axis.
Bei der Dimensionierung der Mikrowellenantenne 1 ist zu beachten, daß die Form der Strahlungscharakteristik, insbesondere der Halbwertsbreite und der Nebenzipfelabstand und damit auch der Strahlungsgewinn von der Anzahl der die Zeilen und Spalten der Mikrowellenantenne bildenden Strahlerelemente 2 und 3, den Längen 1 der Strahlerelemente 2 und 3 und den Abständen sx,sxi und sy der Strahlerelemente 2 und 3 in X- und Y-Richtung abhängt. Ein höherer Strahlungsgewinn, d.h. eine höhere Richtwirkung bzw. kleine Halbwertsbreiten können dadurch erreicht werden, daß viele Strahlerelemente 2 und 3 verwendet werden und in erster Linie die Antennenparameter ζ,^, h und w so gewählt werden, daß die Länge 1 etwa der halben Freifeldwellenlänge A-o entspricht.When dimensioning the microwave antenna 1, it should be noted that the shape of the radiation characteristic, in particular the half-width and the side lobe spacing and thus also the radiation gain from the number of radiator elements 2 and 3 forming the rows and columns of the microwave antenna, the lengths 1 of the radiator elements 2 and 3 and the distances sx, sxi and sy of the radiator elements 2 and 3 in the X and Y directions. A higher radiation gain, ie a higher directivity or small half-widths can be achieved by using many radiator elements 2 and 3 and primarily choosing the antenna parameters ζ, ^, h and w so that the length 1 is about half the free field wavelength Ao corresponds.
Dies trifft vorzugsweise für die Dielektrizitätszahlen des Substrates 4 im Bereich von £-r=1 bis 10 und Breiten w der Strahlerelemente 2 und 3 von 0,1 bis 0,4,JL0^ wobei die Ordnungszahlen η = 1 oder 3 zu wählen sind.This preferably applies to the dielectric constant of the substrate 4 in the range from £ -r = 1 to 10 and widths w of the radiator elements 2 and 3 from 0.1 to 0.4, JL 0 ^ where the ordinal numbers η = 1 or 3 are to be selected .
Der Nebenzipfelabstand kann durch die Amplitudenbelegung der einzelnen Strahlungsquellen, d.h. in diesem Fall durch Änderung der Breiten der Kopplungsspalten, insbesondere durch die Änderung der Werte sx,sxi und sy beeinflußt werden. Die Bandbreite und der Wirkungsgrad (jer Mikrowellenantenne ist im wesentlichen durch dieThe secondary lobe spacing can be influenced by the amplitude occupancy of the individual radiation sources, ie in this case by changing the widths of the coupling gaps, in particular by changing the values sx, sxi and sy. The bandwidth and efficiency (the j microwave antenna is substantially determined by the
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Dielektrizitätszahl 6.^- und die Dicke h des verwendeten Substrats 4 auf der Grundplatte 5 bestimmt. Optimale Werte lassen sich hierbei dann erzielen wenn £L-r möglichst nahe bei 1 und h im Bereich um 0,05 /to gewählt werden kann.Dielectric constant 6. ^ - and the thickness h of the substrate 4 used on the base plate 5 is determined. Optimal values can be achieved if £ Lr can be selected as close as possible to 1 and h in the range around 0.05 / to.
Figur 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Antenne 1 im Bereich des zentralen Strahlerelementes 2. Wie anhand der Zeichnung zu sehen ist, ist der Ankopplungspunkt 11 des zentralen Strahlerelementes 2 mit dem Innenleiter 121 der koaxialen Speiseleitung 12 verbunden. Der Außenleiter 12A der Speiseleitung 12 steht mit der Grundplatte 5 in elektrisch leitender Verbindung.Figure 3 shows a vertical section through the antenna 1 shown in Figure 1 in the area of the central Radiator element 2. As can be seen from the drawing, the coupling point 11 is the central radiator element 2 is connected to the inner conductor 121 of the coaxial feed line 12. The outer conductor 12A of the Feed line 12 is in electrically conductive connection with base plate 5.
Figur 4 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antenne 1, die mit zwei zentralen Strahlerelementen 2 ausgerüstet ist. Die beiden zentralen Strahlerelemente 2 sind benachbart, insbesondere in definiertem Abstand nebeneinander angeordnet. An sie schließen ebenfalls in definiertem Abstand weitere Strahlerelemente 3 an. Alle Strahlerelemente 2 und 3 sind auf einem dielektrischen Substrat 4 angeordnet, welches auf die metallische Grundeplatte 5 aufgetragen ist. Erfindungsgemäß ist der Innenleiter 121 der Speiseleitung 12, die mit der Antenne 1 in Verbindung steht, an das erste zentrale Strahlerelement 2 angeschlossen, während der Außenleiter 12A der Speiseleitung 12 mit dem zweiten zentralen Strahlerelement 2 in Verbindung steht.Figure 4 also shows a cross section through an antenna 1 according to the invention, which has two central Radiator elements 2 is equipped. The two central radiator elements 2 are adjacent, in particular arranged next to each other at a defined distance. They are also followed by others at a defined distance Radiator elements 3 on. All radiator elements 2 and 3 are arranged on a dielectric substrate 4, which is applied to the metallic base plate 5. According to the invention, the inner conductor 121 is the feed line 12, which is connected to the antenna 1, connected to the first central radiating element 2, while the outer conductor 12A of the feed line 12 is connected to the second central radiator element 2.
Figur S zeigt die Ankopplung der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) an zwei zentrale Strahlerelemente 2 die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese Einspeisung wird vorzugsweise dann verwendet, wenn eineFIG. 5 shows the coupling of the feed line (not shown here) to two central radiator elements 2 which are connected to one another in an electrically conductive manner. This feed is preferably used when a
12. März 1984 - Ab- March 12, 1984 - waste
Mikrowellenantenne 1 sehr viele Strahlerelemente 3 aufweist. Wie anhand von Figur 5 zu sehen ist, sind die beiden zentralen Strahlerelmente in definiertem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet. Sie sind an ihren beiden einander gegenüberliegenden Enden mit je einem Widerstandstransformationselement 21 versehen. Diese Widerstandstransformationselemente 21 sind elektrisch über eine Streifenleitung 22 miteinander verbunden. Die Streifenleitung 22 weist einen Einspeisungspunkt 23 auf. An ihn wird der Innenleiter der die Mikrowellenantenne versorgenden Speiseleitung angeschlossen, während der Außenleiter dieser Speiseleitung (hier nicht dargestellt) mit der metallischen Grundplatte der Mikrowellenantenne verbunden ist. Die Streifenleitung 22 ist alsMicrowave antenna 1 has a large number of radiator elements 3. As can be seen from FIG. 5, the two central radiator elements arranged opposite one another at a defined distance. You are at theirs each of the two opposite ends is provided with a resistance transformation element 21. These Resistance transformation elements 21 are electrically connected to one another via a strip line 22. the Strip line 22 has a feed point 23. The inner conductor of the microwave antenna is attached to it supplying feed line, while the outer conductor of this feed line (not shown here) is connected to the metallic base plate of the microwave antenna. The stripline 22 is as
ausgebildet.educated.
Figur 6 zeigt eine weitere Ankopplungsmöglichkeit der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) an das zentrale Strahlerelement 2 einer hier nicht näher dargestellten Mikrowellenantenne. Das erste Ende des zentralen Strahlerelementes 2 ist an eine relativ hochohmige Streifenleitung 22 angeschlossen, die über ein Widerstandstransformationselement 21 mit einer 50 Ohm Streifenleitung 24 verbunden ist. Der Innenleiter der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) wird an die Streifenleitung 24 angeschlossen, während der Außenleiter der Speiseleitung (hier ebenfalls nicht dargestellt) an die metallische Grundplatte 5 der Mikrowellenantenne 1 anzuschließen ist.Figure 6 shows a further coupling option of the Feed line (not shown here) to the central radiator element 2 of a not shown here Microwave antenna. The first end of the central radiator element 2 is connected to a relatively high resistance Strip line 22 connected via a resistance transformation element 21 is connected to a 50 ohm stripline 24. The inner conductor of the feed line (not shown here) is connected to the Strip line 24 connected, while the outer conductor of the feed line (also not shown here) is to be connected to the metallic base plate 5 of the microwave antenna 1.
12. März 1984 - 46March 12, 1984 - 46
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Mikrowellenantenne 1 die eine metallische Grundplatte 5 aufweist, auf der ein dielektrisches Substrat aufgebracht ist. Der Ausschnitt zeigt den Bereich der Mikrowellenantenne 1 in dem die beiden zentralen Strahlerelemente 2 angeordnet sind. Die beiden Strahlerelemente 2 sind in definiertem Abstand voneinander benachbart angeordnet. Die Speiseleitung (hier nicht dargestellt) welche für die Versorgung der Antenne 1 vorgesehen ist,.ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Schlitzleitung 30 angeschlossen. Die erste Hälfte 30A der Schlitzleitung 30 ist an das erste zentrale Strahlerelement 2 angeschlossen, während die zweite Hälfte der Schlitzleitung 30 mit dem zweiten Strahlerelement 2 in Verbindung steht. Der Innenleiter der Speiseleitung (hier nicht dargestellt) wird bei diesem Ausführungsbeispiel an die erste Hälfte der Schlitzleitung 30. angeschlossen, während der Außenleiter mit der zweiten Hälfte 30B der Schlitzleitung 30 verbunden ist. Wie anhand von Figur 7 zu sehen ist, ist die metallische Grundplatte 5 im Bereich der Schlitzleitung 30 entfernt, so daß als Träger für die Schlitzleitung 30 nur das dielektrische Substrat 4 dient.Figure 7 shows a section from an inventive Microwave antenna 1 which has a metallic base plate 5 on which a dielectric substrate is upset. The section shows the area of the microwave antenna 1 in which the two central ones Radiator elements 2 are arranged. The two radiator elements 2 are at a defined distance from one another arranged adjacent. The feed line (not shown here) which supplies the antenna 1 Is provided, .is in the embodiment shown here connected to a slot line 30. The first half 30A of the slot line 30 is connected to the first central radiator element 2, while the second half of the slot line 30 is connected to the second radiator element 2. The inner conductor of the feed line (not here shown) is connected to the first half of the slot line 30 in this embodiment, while the outer conductor is connected to the second half 30B of the slot line 30. As shown in FIG. 7 can be seen, the metallic base plate 5 is removed in the region of the slot line 30, so that as Only the dielectric substrate 4 is used to support the slot line 30.
Claims (10)
30Substrate (4) is removed.
30th
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