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WO2009065951A1 - Kompakte richtantennenanordnung mit mehrfachnutzung von strahlerelementen - Google Patents

Kompakte richtantennenanordnung mit mehrfachnutzung von strahlerelementen Download PDF

Info

Publication number
WO2009065951A1
WO2009065951A1 PCT/EP2008/066039 EP2008066039W WO2009065951A1 WO 2009065951 A1 WO2009065951 A1 WO 2009065951A1 EP 2008066039 W EP2008066039 W EP 2008066039W WO 2009065951 A1 WO2009065951 A1 WO 2009065951A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiator
antenna arrangement
elements
field
fields
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/066039
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Lauer
Oliver Litschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IMST GmbH
Original Assignee
IMST GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IMST GmbH filed Critical IMST GmbH
Publication of WO2009065951A1 publication Critical patent/WO2009065951A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns

Definitions

  • the present invention relates to an antenna arrangement for receiving and / or transmitting electromagnetic radiation from or in a radiation direction at a mean wavelength ⁇ .
  • a multi-band antenna which provides a plurality of active radiators for receiving and / or transmitting electromagnetic radiation at different medium wavelengths.
  • EP 1 628 140 A1 discloses an interferometric monopulse receiving antenna with improved side lobe suppression, in which a signal emitted by a transmitter antenna is detected by means of at least two substantially identically designed receiving antennas. The distance between the two receive antennas is chosen to reduce ambiguity in an angle measurement based on a phase difference measurement.
  • DE 10 2006 012 452 discloses a directional antenna arrangement with a photonic bandgap structure (PBG structure), which suppresses a propagation of surface waves within a radiator field having a large number of radiator elements.
  • PBG structure photonic bandgap structure
  • DE 10 2005 011 128 discloses an electronically controllable antenna with a plurality of radiator elements, which can be controlled and calibrated in terms of amplitude and / or phase.
  • the electronically controllable antenna comprises a plurality of radiating elements and is in terms of sensitive to different polarization directions.
  • Reception sensitivity and directional selectivity are usually associated with significant costs.
  • Reception sensitivity and directional selectivity are usually associated with significant costs.
  • For a high directional selectivity a variety of
  • Emitter elements are housed in a small space.
  • radiator fields of the directional antenna are arranged next to one another, unwanted ambiguities in the determination of the transmission / reception direction increase with increasing distance.
  • radiator fields close to each other or overlapping spaced an electromagnetic coupling between the closely spaced radiator elements of the different radiator fields can lead to significant distortions of the local electromagnetic field, which affects the impedance behavior of the antenna assembly and an impairment of the sensitivity and the directional selectivity of the antenna assembly with it can lead.
  • a distorted impedance characteristic of the directional antenna arrangement can considerably complicate an electrical control of the plurality of radiator elements which takes this into consideration.
  • the antenna arrangement according to the invention for receiving and / or transmitting electromagnetic radiation from or in a radiation direction at a central wavelength ⁇ comprises a first radiator field with Nl first radiator elements, a second radiator field with N2 second radiator elements and a high-frequency stage which is used to provide or receive electrical signals at the central wavelength ⁇ antenna side has a first terminal and a second terminal, wherein the first radiator array is connected to the first terminal and the second radiator array is connected to the second terminal, wherein the first and second radiator array have substantially the same polarization properties, and wherein the first radiator field and the second radiator field have at least one radiator element in common.
  • the high-frequency stage is particularly suitable for frequencies f in the range of 300 MHz to 200 GHz, preferably in a range of 1 GHz to 80 GHz preferably in a range of 2 GHz and 20 GHz.
  • 300 MHz corresponds to a mean wavelength of 1 m
  • 200 GHz corresponds to 1.5 mm.
  • An emitter array comprises a plurality of emitter elements, which may be configured, for example, as simple dipole emitters or as patch emitters.
  • the number N 1 of the first radiator elements or the number N 2 of the second radiator elements may be at least 9, in particular at least 25, preferably at least 64, particularly preferably at least 100.
  • the radiator elements within a radiator field can be combined into rows and / or columns.
  • the respective radiator fields can be arranged at a distance above an electrical ground reference surface.
  • Equivalent central wavelength ⁇ can be achieved on the relative phase of the two radiator fields, a directional characteristic and a directional selectivity of the antenna order.
  • radiator elements Through the sharing of radiator elements is an electromagnetic radiation coupling between or under the radiator fields reduced in favor of an electrically conductive connection. In this way, a particularly compact arrangement of multiple radiator panels can be realized. The compactness improves the radiation direction selectivity and reduces ambiguity in direction determination.
  • the radiator elements associated with a radiator field can be connected to one another in an electrically conductive manner within and in the immediate area of the radiator field.
  • radiator elements of the radiator panels are shared, preferably more than 80% of the
  • radiator elements of both radiator panels to share but only a part.
  • two are made substantially the same
  • the mean wavelength of the electrical signal at the first terminal is substantially the same as that at the second terminal.
  • the signals at the two terminals of the high frequency stage differ depending on the direction of radiation substantially only by their relative phase position.
  • the high-frequency stage generates or receives at both terminals a signal having substantially the same power spectrum.
  • the signals at the two terminals may differ with respect to the relative phase position or with respect to their phase spectra.
  • the at least one radiating element can be part of a plurality of radiator fields by being electrically connected to the respective radiator fields.
  • the electrical connection is made in particular by a (e.g., galvanic) contacting in or in the immediate vicinity of the plane defined by the radiating fields.
  • the common use with respect to the high-frequency stage can also be generated on the band side (in the case of several frequency conversion stages) or on the baseband side (for example in the case of direct frequency conversion).
  • the signals, which correspond in each case to a radiator field are combined with respect to the high-frequency stage on the baseband side in the transmission mode or separated in the reception mode and jointly assigned to the shared radiator elements or radiator element sub-groups.
  • the antenna arrangement can be used in particular in a mobile station, a base station or a radar. It can also be related to Feed systems of reflector applications such as used in satellite communication or satellite reception.
  • the first terminal defines a first phase center of the first radiator field and the second terminal defines a second phase center of the second radiator field, the two phase centers of the radiator fields being less than a first width of the first radiator field and / or less than a second width of the second radiator field are located apart from each other, in particular less than 400%, preferably less than 100%, particularly preferably less than 70%, the average wavelength ⁇ , are away from each other.
  • the width of a radiator field is defined by the boundary of the radiator field.
  • phase center of a radiator field is defined by the middle phase of the radiation field emitted or received by the respective radiator field.
  • the term phase center refers to the electronic reference point of an antenna. From the point of view, the electromagnetic radiation from the point of view seems to originate from this point.
  • the distance of the phase centers of the radiator fields is defined as the projection of the phase centers on the pivot plane.
  • the pivot plane is that plane within which the radiation direction can be tilted by changing the relative phase angles of the radiator fields relative to each other.
  • the first or second Radiator elements arranged in columns and / or rows.
  • a pivoting or pivoting of the radiation direction within a plane perpendicular thereto is made possible.
  • a pivoting or pivoting of the radiation direction in a correspondingly vertical plane is made possible.
  • a pivoting of the radiation direction in the X and Y direction Z-direction forms the normal to the plane within which the radiator fields are) achieved.
  • the radiation direction can then be controlled, predetermined or influenced both with respect to an elevation angle and with respect to an azimuth angle.
  • a respective subphase center can be assigned to a respective row or column.
  • the subphase centers of the phases or columns assigned to a radiator field contribute to the phase center of this radiator field and form this in their superimposition.
  • Immediately adjacent radiator elements may form a quadrilateral or a triangle.
  • a total number of the radiator elements required for a given width of the directional characteristic can be reduced compared to a total number of radiator elements with an arrangement based on quadrilaterals;
  • the disadvantage here may be that in an arrangement based on triangles, the polarization directions can be mixed together.
  • the antenna arrangement comprises one or more further ones
  • the antenna array can be expanded by another polarization direction, the radiation direction can be adjusted in a similar manner using the at least two further antenna arrays.
  • the direction of radiation along with an X direction in the Y direction (Z direction forms the normal to the plane, which is defined by the radiator fields) can be set and adjusted.
  • the high-frequency stage has suitable first and second further connections.
  • the relative phase of the radiator fields can be adjusted and thus the radiation direction can be influenced.
  • the radiation direction R can be influenced by the further radiator fields, both with regard to an azimuth angle and to an elevation angle.
  • the radiation direction and the directional characteristic of the antenna arrangement can be adjusted, in particular can be controlled or realized.
  • the radiation direction or the directional characteristic can advantageously be set with the aid of the radiator fields in more than one plane and / or for more than one polarization direction.
  • the polarization properties of at least one, in particular at least two, of the further radiator fields are different from those of the first and second radiator fields. This causes the radiation direction or radiation characteristic for different Polarization directions can be set independently or specified.
  • the antenna arrangement comprises one or more Wilkinson splitters for the decoupling of shared radiator elements, rows and / or columns.
  • the at least one Wilkinson divider With the help of the at least one Wilkinson divider, unwanted feedback of the radiator elements, the rows, and / or the columns can be suppressed.
  • a Wilkinson divider high-frequency signals can be split into two or more outputs or two or more high-frequency signals can be combined to form a common output.
  • a suitable design of the quarter wave lines or the resistivity of the Wilkinson divider a good decoupling of the respective signals can be achieved.
  • the antenna arrangement comprises at least one controllable phase shifter for adjusting the relative phase position of the individual radiator elements, the radiator elements combined to form rows or columns and / or the radiator elements combined to radiator fields relative to one another.
  • the controllable phase shifter With the aid of the controllable phase shifter, the radiation direction or the directional characteristic of the antenna arrangement can be adjusted.
  • the phase shifter may be part of the high frequency stage.
  • the first or second radiator elements are substantially two-dimensionally planar
  • (A3) comprises the first or second radiator field at least 9, in particular at least 25, preferably at least 64, particularly preferably at least 100, radiator elements;
  • the first or second radiator elements lie on a grating whose grating spacing is advantageously between 20% and 80% of the central wavelength ⁇ , in particular between 40% and 60% of the central wavelength ⁇ , advantageously between 45% and 55% of the middle Wavelength ⁇ , is.
  • the uniqueness of the radiation direction can be improved, and secondary maxima (side lobes) can be further suppressed.
  • an improvement in the sensitivity of the antenna array is improved with the same space requirement.
  • the transmitting and / or receiving device according to the invention in particular a mobile station, base station or radar, with a baseband processing stage and a high-frequency stage, comprises the antenna arrangement according to the invention.
  • the transmitting and / or receiving device is given a special sensitivity as well as directional selectivity.
  • the radar can be mobile.
  • the transmitting and / or receiving device can be used in the automotive sector.
  • Fig. 1 shows an antenna arrangement in plan view, as known from the prior art
  • FIG. 2 shows a plan view of a first embodiment of an antenna arrangement according to the invention with a pivoting of the radiation direction in a plane;
  • FIG. 3 in plan view, a second embodiment of an antenna arrangement according to the invention, which has a pivoting of the
  • FIG. 4 shows a top view of a further embodiment of an antenna arrangement according to the invention with variable lattice spacings of the radiator elements;
  • 5 shows a transmission and / or reception device according to the invention in cross section; 6 shows in plan view a further embodiment of the antenna arrangement according to the invention with Wilkinson dividers;
  • FIG. 7 in plan view a further embodiment of an antenna arrangement according to the invention with
  • FIG. 1 shows a known interferometric monopulse receiving antenna with a first radiator field 12 and a second radiator field 13, wherein the radiator fields 12, 13 are arranged next to one another.
  • the curly brackets illustrated in FIG. 1 represent the respective widths of the radiator panels 12, 13.
  • the radiator panels 12, 13 each have radiator elements 2, 3. Within a radiator field 12, 13, the radiator elements 2, 3 are combined in columns by means of a wiring 24.
  • the radiator panels 12, 13 are arranged side by side and thus the distance between the radiating fields 12, 13 associated phase centers is greater than half the average wavelength of the emitted or received radiation, the directional characteristic of the antenna arrangement in phased operation with two transmitters / receivers on secondary maxima which can affect the unambiguous determination of the radiation direction of a received or transmitted signal and can lead to ambiguities in the direction determination.
  • the first radiator field 12 has a first phase center 14.
  • the second radiator field 13 has a second phase center 15.
  • the second radiator field 13 shows an antenna arrangement according to the invention in plan view, in which the first radiator field 12 and the second radiator field 13 overlap.
  • a plurality of radiating elements 4 are of both Emitter fields 12, 13 shared.
  • the first radiator field 12 has a multiplicity of first radiator elements 2, which are combined to form columns 26 by means of a wiring 24.
  • the second radiator field 13 has a plurality of radiator elements 3, which are also combined by means of a wiring 24 to columns 26.
  • the wiring 24 is provided in the immediate vicinity of the radiator elements 2, 3 and within the radiator panels 12,13.
  • the first radiator array 12 has a first feed point 5, which is connected to a first terminal 8 of a high-frequency stage 7 (see FIG. 5).
  • the second radiator field 13 has a second feed point 6, which is connected to a second terminal 9 of the high-frequency stage 7.
  • the phase center 14, 15 of a radiator field 12, 13 is defined by the amplitude weighting of the respective radiator elements 2, 3, rows 16 and columns 2 ⁇ .
  • the phase centers 14, 15 lie in a plane defined by the gaps 26, ie the planes in which all the radiator elements 2, 3, 4 are located.
  • the distance of the two Phasenzehtren 14, 15 in a direction transverse to the columns 26 is about half an average wavelength ⁇ of the radiated from the antenna assembly 1 electromagnetic radiation.
  • the radiation direction R (see FIG. 5) of the radiation emitted or received by the antenna arrangement 1 can be adjusted variably by means of a suitable choice of the relative phase relationship between the radiator fields 12, 13 in a plane perpendicular to the columns 26.
  • radiator elements 4 By the common use of radiator elements 4, an electromagnetic radiation coupling between the radiator elements 2, 3 of the radiator panels 12, 13 is reduced and generates an electrical coupling by a galvanic contact. This considerably simplifies the design of the antenna arrangement 1 unwanted interference effects and allows a particularly compact and simple production of the antenna assembly 1. Due to the compactness of the antenna side maxima are suppressed in the directional characteristic of the antenna assembly 1, whereby the sensitivity and directionality of the antenna assembly 1 are increased.
  • the pivoting plane is perpendicular to the columns 26th
  • radiator elements 2,3 can in one
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the antenna arrangement 1 according to the invention, wherein a directional selectivity, ie a control of the radiation direction, is made possible with the aid of a first further radiator field 12 'and a second further radiator field 13' in two planes.
  • the curly brackets illustrated in FIG. 3 represent the respective widths of the radiator fields 12, 13, 12 'and 13'.
  • the first radiator field 12, the second radiator field 13, the first further radiator field 12 'and the second further radiator field 13' are divided a plurality of radiator elements 4, which thus belong to these radiator fields 12, 12 ', 13, 13' together.
  • the first further radiator field 12 ' has a first further feed point 5'.
  • the second further radiator field 13 ' has a second further feed point 6'.
  • the first further radiator field 12 ' has first further radiator elements 2'.
  • the second further radiator field 13 ' has second further radiator elements 3'.
  • the associated radiator elements 2 are combined into columns 26.
  • the radiator elements 3 associated with the second radiator field 13 are combined to form columns 26.
  • the second further radiator array 12 'associated radiator elements 2' are summarized to lines 16.
  • the radiator elements 3 'assigned to the second further radiator field 13' are combined to form lines 16.
  • the respective radiator panels 12, 12 ', 13, 13' are here defined by the wiring 24, the respective feed points 5, 6, 5 ', 6' and the columns 26 and the lines 16.
  • radiator elements 4 belong to a plurality of radiator fields 12, 12 ', 13, 13', ie the radiator fields share radiator elements 4, the shared radiator element 4 forms both a part of a line 26 and a part of a column 16.
  • the first further radiator field 12 ' has a first further feed point 5'
  • the second further radiator field 13 ' has a further second feed point 6'.
  • the feed points 5, 5 ', 6, 6' in each case form a phase center in one direction of the respective columns 12, 12 ', 13, 13' associated columns 26 and rows 16.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the antenna arrangement 1 according to the invention in plan view, in which the radiator elements located on an edge 17 lie somewhat further outwards.
  • a lattice constant D 1, D 2, D 3 and D 4 defined by the position of the radiator elements 2, 3 is greater at an edge 17 of the radiator field 12, 13 than in an interior 18.
  • D1 is greater than D2 and D3 is greater than D4.
  • the ratio between Dl and D2 or between D3 and D4 is between 1.1 and 1.7.
  • all the radiator elements 2, 3 belong to both radiator fields 12, 13.
  • the phase centers 14, 15 of the two radiator fields 12, 13 are defined by the amplitude weighting of the respective radiator elements 2, 3, rows 16 and columns 26 and are less than an average wavelength of the radiated from the ⁇ ntennenan let 1 radiation away from each other.
  • the radiator elements 2, 3 of the respective radiator panels 12, 13 are interconnected by conductor tracks 19 which lie in the plane defined by the radiator elements 2, 3.
  • Frequency conversion stage 20, signal splitter or signal combiner 11 and controllable phase shifter 23 are connected in series.
  • the high-frequency stage 7 is connected to the first terminal 8 and the second terminal 9 to the first 12 and second 13 radiator field, wherein the phase centers 14, 15 of the two radiator panels 12, 13 by the amplitude weighting of the respective radiator elements 2, 3, lines 16 and Columns 26 are defined.
  • the radiation direction R can be determined by means of the relative phase angle between the Signals of the respective radiator panels 12, 13 are influenced and pivoted.
  • the radiation direction R can be pivoted within the ZX plane, ie within the pivot plane.
  • the radiator elements 2, 3 are applied together with the wiring 24 on an upper side of a carrier 25. On an underside of the carrier 25, an electrical ground reference surface (not shown) may be provided.
  • FIG. 7 shows in plan view a further embodiment of an antenna arrangement according to the invention with radiator fields 12, 13 and more than two feed points 5, 5 ', 6, 6'.
  • the further feed points 5, 5 ', 6, 6' can serve, for example, to increase a pivot angle of the radiation direction R.
  • Nl first radiator elements 2 Nl first radiator elements 2
  • the inventive transmitting and / or receiving device 10, in particular mobile station, base station or radar, with a baseband processing stage 21 and a high-frequency stage 22 comprises the antenna arrangement 1 according to the invention.
  • the invention is characterized by a high degree of compactness, ease of manufacture, high sensitivity and directional selectivity ,

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung (1) zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung (R) bei einer mittleren Wellenlänge λ umfasst ein erstes Strahlerfeld (12) mit N1 ersten Strahlerelementen (2), ein zweites Strahlerfeld (13) mit N2 zweiten Strahlerelementen (3) und eine Hochfrequenzstufe (7), die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss (8) und einen zweiten Anschluss (9) aufweist, wobei das erste Strahlerfeld (12) mit dem ersten Anschluss (8) verbunden ist und das zweite Strahlerfeld (13) mit dem zweiten Anschluss (9) verbunden ist, und wobei das erste (12) und zweite (13) Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, und wobei das erste Strahlerfeld (12) und das zweite Strahlerfeld (13) mindestens ein Strahlerelement (4) gemeinsam haben. Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung (10), insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe (21) und einer Hochfrequenzstufe (22) umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung (1). Die Erfindung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Kompaktheit, einfacher Herstellbarkeit, hoher Sensitivität und Richtungsselektivität aus.

Description

KOMPAKTE RICHTANTENNENANORDNUNG MIT MEHRFACHNUTZUNG VON STRAHLERELEMENTEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ.
Aus DE 102 04 079 ist eine Mehrbandantenne bekannt, welche mehrere aktive Strahler zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei verschiedenen mittleren Wellenlängen vorsieht.
EP 1 628 140 Al offenbart eine interferometrische Monopuls-Empfangsantenne mit verbesserter Nebenkeulenunterdrückung, bei welcher ein von einer Senderantenne ausgesandtes Signal mit Hilfe von wenigstens zwei im Wesentlichen gleich gestalteten Empfangsantennen detektiert wird. Der Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen wird so gewählt, dass Mehrdeutigkeiten bei einer auf einer Phasendifferenzmessung basierenden Winkelmessung verringert werden.
Weiterhin ist aus DE 10 2006 012 452 eine Richtantennenanordnung mit einer photonischen Bandlückenstruktur (PBG-Struktur) bekannt, welche eine Ausbreitung von Oberflächenwellen innerhalb eines eine Vielzahl von Strahlerelementen aufweisenden Strahlerfelds unterdrückt.
DE 10 2005 011 128 offenbart eine elektronisch steuerbare Antenne mit einer Mehrzahl von Strahlerelementen, welche hinsichtlich Amplitude und/oder Phase ansteuerbar und kalibrierbar sind. Die elektronisch steuerbare Antenne umfasst eine Vielzahl von Strahlerelementen und ist hinsichtlich verschiedener Polarisationsrichtungen sensitiv.
Die Herstellung von elektronisch steuerbaren Antennen bzw. Richtantennenanordnungen mit hoher
Empfangssensitivität und Richtungsselektivität ist in der Regel mit erheblichen Kosten verbunden. Für eine hohe Richtungsselektivität müssen eine Vielzahl von
Strahlerelementen auf engem Raum untergebracht werden.
Mit steigendem Verdrahtungsaufwand wird die
Antennenanordnung komplexer und kostenintensiver in der Herstellung.
Werden die Strahlerfelder der Richtantenne nebeneinander angeordnet, nehmen unerwünschte Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Sende- /Empfangsrichtung mit steigendem Abstand zu.
Werden die Strahlerfelder dicht beieinander oder überlappend beabstandet, kann eine elektromagnetische Kopplung zwischen den dicht beieinander liegenden Strahlerelementen der verschiedenen Strahlerfelder zu erheblichen Verzerrungen des lokalen elektromagnetischen Felds führen, welches auf das Impedanzverhalten der Antennenanordnung rückwirkt und eine Beeinträchtigung der Sensitivität und der Richtungsselektivität der Antennenanordnung mit sich führen kann. Ein verzerrter Impedanzgang der Richtantennenanordnung kann eine dieses berücksichtigende elektrische Ansteuerung der Vielzahl von Strahlerelementen erheblich erschweren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ anzugeben, welche besonders kompakt und preiswert herstellbar ist, eine hohe Sensitivität besitzt und ein hohes Maß an Richtungsselektivität aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe, eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung anzugeben, welche elektromagnetische Signale aus bzw. in einer Richtung empfangen bzw. senden kann, eine hohe Sensitivität besitzt und eine hohes Maß an Richtungsselektivität aufweist .
Diese Aufgaben werden gelöst durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung sowie die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche jeweils einzeln angewandt oder in geeigneter Weise beliebig kombiniert werden können, sind in der folgenden Beschreibung sowie in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung bei einer mittleren Wellenlänge λ umfasst ein erstes Strahlerfeld mit Nl ersten Strahlerelementen, ein zweites Strahlerfeld mit N2 zweiten Strahlerelementen und eine Hochfrequenzstufe, die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei das erste Strahlerfeld mit dem ersten Anschluss verbunden ist und das zweite Strahlerfeld mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, wobei das erste und zweite Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, und wobei das erste Strahlerfeld und das zweite Strahlerfeld mindestens ein Strahlerelement gemeinsam haben.
Die Hochfrequenzstufe ist insbesondere für Frequenzen f im Bereich von 300 MHz bis 200 GHz, vorzugsweise in einem Bereich von 1 GHz bis 80 GHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von 2 GHz und 20 GHz, ausgelegt. Entsprechende mittlere Wellenlängen λ sind gegeben durch K=c/f, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Beispielsweise entsprechen 300 MHz einer mittleren Wellenlänge von 1 m und 200 GHz entsprechen 1, 5 mm.
Ein Strahlerfeld umfasst eine Vielzahl von Strahlerelementen, welche beispielsweise als einfache Dipolstrahler oder als Patchstrahler ausgestaltet sein können. Die Anzahl Nl der ersten Strahlerelemente bzw. die Anzahl N2 der zweiten Strahlerelemente kann mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100, sein. Die Strahlerelemente innerhalb eines Strahlerfelds können zu Zeilen und/oder Spalten zusammengefasst sein. Die jeweiligen Strahlerfelder können in einem Abstand über einer elektrischen Bezugsmassefläche angeordnet sein.
Durch die Beaufschlagung der Strahlerfelder mit einem Signal bei einer .gleichen mittleren Wellenlänge λ kann über die relative Phasenlage der beiden Strahlerfelder eine Richtcharakteristik bzw. eine Richtungsselektivität der Antennenordnung erzielt werden.
Unter dem Begriff "Sensitivität" einer Richtantennenanordnung wird ihr Vermögen, schwache Signale vor einem Rauschhintergrund zu unterscheiden, verstanden. Unter dem Begriff "Richtungsselektivität" einer Richtantennenanordnung wird ihr Vermögen, eine Strahlungsrichtung der von ihr ausgesandten bzw. empfangenden Strahlung eindeutig festzulegen bzw. zu bestimmen.
Durch die gemeinsame Nutzung von Strahlerelementen wird eine elektromagnetische Strahlungskopplung zwischen bzw. unter den Strahlerfeldern zugunsten einer elektrisch leitenden Verbindung verringert. Hierdurch kann eine besonders kompakte Anordnung mehrerer Strahlerfelder realisiert werden. Durch die Kompaktheit werden die Strahlungsrichtungsselektivität verbessert und Mehrdeutigkeiten bei der Richtungsbestimmung verringert. Die einem Strahlerfeld zugeordneten Strahlerelemente können elektrisch leitend innerhalb und im unmittelbaren Bereich des Strahlerfelds miteinander verbunden sein. Durch die gemeinsame Nutzung zumindest eines Teils der Strahlerelemente durch mehrere Strahlerfelder wird die Gestaltung der Antennenanordnung erheblich vereinfacht und Probleme bezüglich einer Impedanzanpassung sowie anderer durch die Wechselwirkung der Strahlerelemente bedingte Beeinträchtigungen der Sensitivität bzw. Richtungsselektivität der Antennenanordnung verringert .
Vorteilhafterweise werden mehr als die Hälfte der Strahlerelemente der Strahlerfelder gemeinschaftlich genutzt, vorzugsweise mehr als 80% der
Strahlerelemente. Es können auch sämtliche
Strahlerelemente des ersten und/oder zweiten
Strahlerfelds gemeinsam genutzt werden. Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, nicht sämtliche
Strahlerelemente beider Strahlerfelder gemeinsam zu nutzen sondern nur einen Teil. Beispielsweise werden bei zwei im Wesentlichen gleich gestalteten
Strahlerfeldern weniger als 90% der Strahlerelemente gemeinsam von beiden Strahlerfeldern genutzt.
Die mittlere Wellenlänge des am ersten Anschluss liegenden elektrischen Signal entspricht im Wesentlichen derjenigen am zweiten Anschluss. Die Signale an den beiden Anschlüssen der Hochfrequenzstufe unterscheiden sich je nach Strahlungsrichtung im Wesentlichen nur durch ihre relative Phasenlage. Insbesondere generiert bzw. empfängt die Hochfrequenzstufe an beiden Anschlüssen ein Signal mit im Wesentlichen gleichen Leistungsspektrum. Die Signale an den beiden Anschlüssen können sich jedoch hinsichtlich der relativen Phasenlage bzw. in Hinblick auf ihre Phasenspektren unterscheiden.
Das erste und das zweite Strahlerfeld weisen eine im Wesentlichen gemeinsame Polarisationsrichtung auf und können linear oder zirkulär polarisiert sein.
Das mindestens eine Strahlerelement kann Teil von mehreren Strahlerfeldern sein, indem es mit den jeweiligen Strahlerfeldern elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt insbesondere durch eine (z.B. galvanische) Kontaktierung im oder in unmittelbarer Nähe der Ebene, welche durch die Strahlerfelder definiert ist.
Für den Fall, dass die Strahlerelemente der jeweiligen Strahlerfelder jeweils einzeln oder in Untergruppen von der Hochfrequenzstufe bespeist werden, kann die gemeinsame Nutzung bezüglich der Hochfrequenzstufe auch zwischenbandseitig (bei mehreren Frequenzkonvertierungsstufen) oder basisbandseitig (z.B. bei direkter Frequenzkonversion) erzeugt werden. Beispielsweise werden die Signale, die jeweils einem Strahlerfeld entsprechen, in Bezug auf die Hochfrequenzstufe basisbandseitig im Sendemodus vereint bzw. im Empfangsmodus voneinander getrennt und den gemeinsam genutzten Strahlerelementen bzw. Strahlerelementuntergruppen gemeinschaftlich zugeordnet.
Die Antennenanordnung kann insbesondere in einer Mobilstation, einer Basisstation oder einem Radar zur Anwendung kommen. Sie kann auch im Zusammenhang mit Feedsystemen von Reflektoranwendungen wie zum Beispiel in der Satellitenkommunikation bzw. im Satellitenempfang eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung definiert der erste Anschluss ein erstes Phasenzentrum des ersten Strahlerfelds und der zweite Anschluss definiert ein zweites Phasenzentrum des zweiten Strahlerfelds, wobei die beiden Phasenzentren der Strahlerfelder weniger als eine erste Breite des ersten Strahlerfelds und/oder weniger als eine zweite Breite des zweiten Strahlerfelds voneinander entfernt liegen, insbesondere weniger als 400%, vorzugsweise weniger als 100%, insbesondere bevorzugt weniger als 70%, der mittleren Wellenlänge λ, voneinander entfernt liegen. Die Breite eines Strahlerfelds ist durch die Berandung des Strahlerfelds definiert.
Ein Phasenzentrum eines Strahlerfelds ist durch die mittlere Phase des von dem jeweiligen Strahlerfelds ausgesendeten bzw. empfangenden Strahlungsfeldes definiert. Der Begriff Phasenzentrum bezeichnet den elektronischen Referenzpunkt einer Antenne. Vom Empfangsort aus betrachtet, scheint die elektromagnetische Antennenstrahlung von diesem Punkt auszugehen.
Durch eine geringere Beabstandung der beiden Phasenzentren wird die Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung verbessert.
Der Abstand der Phasenzentren der Strahlerfelder ist definiert als die Projektion der Phasenzentren auf die Schwenkebene. Die Schwenkebene ist jene Ebene, innerhalb welcher die Strahlungsrichtung durch Veränderung der relativen Phasenlagen der Strahlerfelder zueinander geschwenkt werden kann.
Vorteilhafterweise sind die ersten oder zweiten Strahlerelemente in Spalten und/oder in Zeilen angeordnet. Durch eine Anordnung der Strahlerelemente in Spalten wird eine Schwenkung bzw. eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung innerhalb einer hierzu senkrechten Ebene ermöglicht. Entsprechend wird durch eine Anordnung der Strahlerelemente in Zeilen eine Schwenkung bzw. eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in einer entsprechend senkrechten Ebene ermöglicht. Bei einer Anordnung der Strahlerelemente in Spalten und Zeilen wird eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in X- und Y- Richtung (Z-Richtung bildet die Normale zu der Ebene, innerhalb welcher die Strahlerfelder liegen) erreicht. Die Strahlungsrichtung kann dann sowohl hinsichtlich eines Elevationswinkels als auch hinsichtlich eines Azimutwinkels gesteuert, vorgegeben bzw. beeinflusst werden. Einer jeweiligen Zeile bzw. Spalte kann ein jeweiliges Unterphasenzentrum zugeordnet werden. Die Unterphasenzentren der einem Strahlerfeld zugeordneten Phasen bzw. Spalten tragen zum Phasenzentrum dieses Strahlerfelds bei und bilden dieses in ihrer Überlagerung.
Unmittelbar benachbarte Strahlerelemente können ein Viereck oder ein Dreieck bilden. Bei einer Anordnung der Strahlerelemente basierend auf Dreiecken kann eine Gesamtanzahl der für eine vorgegebene Breite der Richtcharakteristik erforderlichen Strahlerelemente gegenüber einer Gesamtanzahl von Strahlerelementen mit einer Anordnung basierend auf Vierecken reduziert werden; nachteilig hierbei kann jedoch sein, dass bei einer Anordnung basierend auf Dreiecken die Polarisationsrichtungen miteinander vermengt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Antennenanordnung ein oder mehrere weitere
Strahlerfelder mit weiteren Strahlerelementen zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei der mittleren Wellenlänge λ. Mit Hilfe von weiteren Strahlerelementen kann die ■ Antennenanordnung um eine weitere Polarisationsrichtung erweitert werden, deren Strahlungsrichtung in entsprechender Weise mit Hilfe von den mindestens zwei weiteren Strahlerfeldern eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann hierdurch die Strahlungsrichtung neben einer X-Richtung auch in Y-Richtung (Z-Richtung bildet die Normale zur Ebene, die durch die Strahlerfeldern definiert ist) vorgegeben und eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Hochfrequenzstufe geeignete erste und zweite weitere Anschlüsse auf. Mit Hilfe der Hochfrequenzstufe kann die relative Phasenlage der Strahlerfelder eingestellt und damit die Strahlungsrichtung beeinflusst werden. Insbesondere ist die Strahlungsrichtung R sowohl in Hinblick auf einen Azimutwinkel als auch auf einen Elevationswinkel durch die weiteren Strahlerfelder beeinflussbar. Mit Hilfe des ersten, zweiten,' ersten weiteren und zweiten weiteren Anschlusses kann die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik der Antennenanordnung insbesondere steuerbar eingestellt bzw. realisiert werden. Die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik kann mit Hilfe der Strahlerfelder vorteilhafter Weise in mehr als in einer Ebene und/oder für mehr als eine Polarisationsrichtung eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Polarisationseigenschaften mindestens eines, insbesondere mindestens zwei, der weiteren Strahlerfelder von denjenigen der ersten und zweiten Strahlerfelder verschieden. Hierdurch wird bewirkt, dass die Strahlungsrichtung bzw. Strahlungscharakteristik für unterschiedliche Polarisationsrichtungen unabhängig eingestellt bzw. vorgegeben werden können.
Vorteilhafterweise umfasst die Antennenanordnung einen oder mehrere Wilkinson-Teiler zur Entkopplung von gemeinsam genutzten Strahlerelementen, Zeilen und/oder Spalten. Mit Hilfe des mindestens einen Wilkinson- Teilers kann eine unerwünschte Rückkopplung der Strahlerelemente, der Zeilen, und/oder der Spalten unterdrückt werden. Mit Hilfe eines Wilkinson-Teilers können Hochfrequenzsignale auf zwei oder mehrere Ausgänge aufgeteilt bzw. zwei oder mehrere Hochfrequenzsignale auf einen gemeinsamen Ausgang zusammengeführt werden. Bei einer geeigneten Ausführung der Viertelwellenleitungen bzw. der Resistivität des Wilkinson-Teilers kann eine gute Entkopplung der jeweiligen Signale erzielt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Antennenanordnung mindestens einen steuerbaren Phasenschieber zur Einstellung der relativen Phasenlage der einzelnen Strahlerelemente, der zu Zeilen oder Spalten zusammengefassten Strahlerelemente und/oder der zu Strahlerfeldern zusammengefassten Strahlerelemente zueinander. Mit Hilfe des steuerbaren Phasenschiebers kann die Strahlungsrichtung bzw. die Richtcharakteristik der Antennenordnung eingestellt werden. Der Phasenschieber kann ein Teil der Hochfrequenzstufe sein.
Bei der Antennenanordnung ist insbesondere mindestens eines der folgenden Merkmale (Al) bis (A4) erfüllt:
(Al) das erste oder zweite Strahlerfeld ist planar;
(A2) die ersten oder zweiten Strahlerelemente sind im Wesentlichen zweidimensional flächig;
(A3) das erste oder zweite Strahlerfeld umfasst mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100, Strahlerelemente;
(A4) das erste und das zweite Strahlerfeld sind im Wesentlichen gleich gestaltet.
Hierbei ist eine Kombination der Merkmale (Al) , (A2) und (A4) besonders bevorzugt. Die Ausgestaltung des Merkmals (A4) erleichtert ein symmetrisches Verändern bzw. Einstellen der Strahlungsrichtung innerhalb der Schwenkebene aus der Senkrechten (Z-Richtung normal zur Ebene, die durch die Strahlerfelder definiert ist) in positive bzw. negative Winkelbereiche.
In einer Weiterbildung liegen die ersten oder zweiten Strahlerelemente auf einem Gitter, dessen Gitterabstand vorteilhafter Weise zwischen 20% und 80% der mittleren Wellenlänge λ, insbesondere zwischen 40% und 60% der mittleren Wellenlänge λ, vorteilhafter Weise zwischen 45% und 55% der mittleren Wellenlänge λ, beträgt. Bei einer Reduzierung des Gitterabstands kann die Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung verbessert werden, sowie Nebenmaxima (Nebenkeulen) weiter unterdrückt werden. Neben der Verbesserung der Eindeutigkeit der Strahlungsrichtung wird auch eine Verbesserung der Sensitivität der Antennenanordnung bei gleichem Flächenbedarf verbessert.
Ein Gitterabstand an einem Rand des ersten oder zweiten Strahlerfeldes kann anders, insbesondere größer sein, als ein Gitterabstand im Inneren des Strahlerfeldes. Durch eine geeignete Wahl der Gitterabstände können Nebenmaxima (Nebenkeulen) , bei der Abstrahlung bzw. beim Empfang verringert bzw. unterdrückt werden.
Vorteilhafter Weise liegen sämtliche Strahlerelemente im Wesentlichen in einer Ebene. Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe und einer Hochfrequenzstufe umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Antennenanordnung wird der Sende- und/oder Empfangseinrichtung eine besondere Sensitivität sowie Richtungsselektivität verliehen. Das Radar kann mobil sein. Die Sende- und/oder Empfangseinrichtung kann im Automotive - Bereich eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und besondere Ausführungsformen werden anhand der folgenden Zeichnung, welche lediglich zur Veranschaulichung dient und die Erfindung exemplarisch wiedergibt, näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Antennenanordnung in der Draufsicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
Fig. 2 in der Draufsicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in einer Ebene;
Fig. 3 in der Draufsicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, welche eine Schwenkbarkeit der
Strahlungsrichtung in zwei Ebenen ermöglicht;
Fig. 4 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit variablen Gitterabständen der Strahlerelemente;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung im Querschnitt; Fig. 6 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit Wilkinson-Teilern;
Fig. 7 in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit
Strahlerfeldern und mehr als zwei Speisepunkten .
Fig. 1 zeigt eine bekannte interferometrische Monopuls-Empfangsantenne mit einem ersten Strahlerfeld 12 und einem zweiten Strahlerfeld 13, wobei die Strahlerfelder 12, 13 nebeneinander angeordnet sind. Die in Fig. 1 dargestellten geschweiften Klammern stellen die jeweiligen Breiten der Strahlerfelder 12, 13 dar. Die Strahlerfelder 12, 13 weisen jeweils Strahlerelemente 2, 3 auf. Innerhalb eines Strahlerfelds 12, 13 sind die Strahlerelemente 2, 3 spaltenweise mit Hilfe einer Verdrahtung 24 zusammengefasst . Da die Strahlerfelder 12, 13 nebeneinander angeordnet sind und somit der Abstand der den Strahlerfeldern 12, 13 zugeordneten Phasenzentren größer ist als eine halbe mittlere Wellenlänge der abstrahlten bzw. empfangenden Strahlung, weist die Richtungscharakteristik der Antennenanordnung bei phasengesteuertem Betrieb mit zwei Sendern/Empfängern Nebenmaxima auf, welche die eindeutige Bestimmung der Strahlungsrichtung eines empfangenen oder zu sendenden Signals beeinträchtigen und zu Mehrdeutigkeiten bei der Richtungsbestimmung führen können. Das erste Strahlerfeld 12 weist ein erstes Phasenzentrum 14 auf. Das zweite Strahlerfeld 13 weist ein zweites Phasenzentrum 15 auf.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Antennenanordnung in der Draufsicht, bei der das erste Strahlerfeld 12 und das zweite Strahlerfeld 13 sich überlappen. Eine Vielzahl von Strahlerelementen 4 werden von beiden Strahlerfeldern 12, 13 gemeinsam genutzt. Das erste Strahlerfeld 12 weist eine Vielzahl von ersten Strahlerelementen 2 auf, welche mittels einer Verdrahtung 24 zu Spalten 26 zusammengefasst sind. Das zweite Strahlerfeld 13 weist eine Vielzahl von Strahlerelementen 3 auf, welche ebenso mit Hilfe einer Verdrahtung 24 zu Spalten 26 zusammengefasst sind. Die Verdrahtung 24 ist in unmittelbarer Nähe der Strahlerelemente 2, 3 und innerhalb der Strahlerfelder 12,13 vorgesehen. Das erste Strahlerfeld 12 weist einen ersten Speisepunkt 5 auf, der mit einem ersten Anschluss 8 einer Hochfrequenzstufe 7 (siehe Fig. 5) verbunden ist. Das zweite Strahlerfeld 13 weist einen zweiten Speisepunkt 6 auf, welcher mit einem zweiten Anschluss 9 der Hochfrequenzstufe 7 verbunden ist. Das Phasenzentrum 14, 15 eines Strahlerfelds 12, 13 ist durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 2β definiert. Die Phasenzentren 14, 15 liegen in einer durch die Spalten 26 definierten Ebene, d.h. der Ebenen in welcher sämtliche Strahlerelemente 2, 3, 4 liegen. Der Abstand der beiden Phasenzehtren 14, 15 in einer Richtung quer zu den Spalten 26 beträgt etwa eine halbe mittlere Wellenlänge λ der von der Antennenanordnung 1 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung. Die Strahlungsrichtung R (siehe Fig. 5) der von der Antennenanordnung 1 abgegebenen bzw. empfangenen Strahlung kann mit Hilfe einer geeigneten Wahl der relativen Phasenbeziehung zwischen den Strahlerfeldern 12, 13 in einer Ebene senkrecht zu den Spalten 26 variabel eingestellt werden. Durch die gemeinsame Nutzung von Strahlerelementen 4 wird eine elektromagnetische Strahlungskopplung zwischen den Strahlerelementen 2, 3 der Strahlerfelder 12, 13 reduziert und eine elektrische Kopplung durch einen galvanischen Kontakt erzeugt. Dieses vereinfacht das Design der Antennenanordnung 1 erheblich, vermindert unerwünschte Interferenzeffekte und ermöglicht eine besonders kompakte und einfache Herstellung der Antennenanordnung 1. Durch die Kompaktheit der Antenne werden Nebenmaxima in der Richtcharakteristik der Antennenanordnung 1 unterdrückt, wodurch die Sensitivität und Richtungsselektivität der Antennenanordnung 1 gesteigert werden. Die Schwenkebene verläuft senkrecht zu den Spalten 26
(d.h. in Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene von rechts nach links). Die Strahlerelemente 2,3 können in einem
Abstand über einer elektrischen Bezugsmassefläche
(nicht dargestellt) angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1, wobei eine Richtungsselektivität, d.h. eine Steuerung der Strahlungsrichtung, mit Hilfe von einem ersten weiteren Strahlerfeld 12' und einem zweiten weiteren Strahlerfeld 13' in zwei Ebenen ermöglicht wird. Die in Fig. 3 dargestellten geschweiften Klammern stellen die jeweiligen Breiten der Strahlerfelder 12, 13, 12' und 13' dar. Das erste Strahlerfeld 12, das zweite Strahlerfeld 13, das erste weitere Strahlerfeld 12' und das zweite weitere Strahlerfeld 13' teilen sich eine Vielzahl von Strahlerelementen 4, welche somit diesen Strahlerfeldern 12, 12', 13, 13' gemeinsam angehören. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist einen ersten weiteren Speisepunkt 5' auf. Das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist einen zweiten weiteren Speisepunkt 6' auf. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist erste weitere Strahlerelemente 2' auf. Das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist zweite weitere Strahlerelemente 3' auf. In Bezug auf das erste Strahlerfeld 12 sind die zugehörigen Strahlerelemente 2 zu Spalten 26 zusammengefasst . Ebenso sind die zum zweiten Strahlerfeld 13 zugehörigen Strahlerelemente 3 zu Spalten 26 zusammengefasst . Die zu dem zweiten weiteren Strahlerfeld 12' zugeordneten Strahlerelemente 2' sind zu Zeilen 16 zusammengefasst . Die zum zweiten weiteren Strahlerfeld 13' zugeordneten Strahlerelemente 3' sind zu Zeilen 16 zusammengefasst . Die jeweiligen Strahlerfelder 12, 12', 13, 13' sind hier durch die Verdrahtung 24, den jeweiligen Speisepunkten 5, 6, 5 ',6' sowie den Spalten 26 bzw. den Zeilen 16 definiert. Da die Strahlerelemente 4 mehreren Strahlerfeldern 12, 12', 13, 13' angehören, d.h. die Strahlerfelder Strahlerelemente 4 gemeinsam nutzen, bildet das gemeinsam genutzte Strahlerelement 4 sowohl einen Teil einer Zeile 26 als auch einen Teil einer Spalte 16. Das erste weitere Strahlerfeld 12' weist einen ersten weiteren Speisepunkt 5' auf und das zweite weitere Strahlerfeld 13' weist einen weiteren zweiten Speisepunkt 6' auf. Die Speisepunkte 5, 5', 6, 6' bilden jeweils ein Phasenzentrum in einer Richtung der jeweils dem Strahlerfeld 12, 12', 13, 13' zugeordneten Spalten 26 bzw. Zeilen 16. Durch die Anordnung der Strahlerelemente 2, 3, 2', 3' wird eine Schwenkbarkeit der Strahlungsrichtung in zwei Ebenen, nämlich in der X-Z-Ebene und der Y-Z-Ebene, wobei die Z-Richtung normal zu der durch die Strahlerelemente 2, 2', 3, 3' definierten Ebene definiert ist, erreicht. Die horizontale Verdrahtung 24 ist von der vertikalen Verdrahtung 24 z.B. durch jeweils einen Wilkinson- Teiler (nicht eingezeichnet) pro Strahlerelement 2, 3, 2 ',3' (und gegebenenfalls pro Polarisationsrichtung) entkoppelt .
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1 in der Draufsicht, bei der an einem Rand 17 befindliche Strahlerelemente etwas weiter außen liegen. Eine durch die Lage der Strahlerelemente 2, 3 definierte Gitterkonstante Dl, D2, D3 und D4 ist an einem Rand 17 des Strahlerfelds 12, 13 größer als in einem Inneren 18. Wie in Fig. 4 ersichtlich, ist Dl größer als D2 und D3 größer als D4. Das Verhältnis zwischen Dl und D2 bzw. zwischen D3 und D4 beträgt zwischen 1,1 und 1,7. In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 gehören sämtliche Strahlereletnente 2, 3 beiden Strahlerfeldern 12, 13 an. Die Phasenzentren 14, 15 der beiden Strahlerfelder 12, 13 sind durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 26 definiert und liegen weniger als eine mittlere Wellenlänge der von der Äntennenanordnung 1 abgestrahlten Strahlung voneinander entfernt. Die Strahlerelemente 2, 3 der jeweiligen Strahlerfelder 12, 13 sind durch Leiterbahnen 19, welche in der durch die Strahlerelemente 2, 3 definierten Ebene liegen, miteinander verbunden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sende- und/oder Empfangseinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Antennenanordnung 1 mit einer Hochfrequenzstufe 7 und ein Basisbandverarbeitungsstufe 21 umfasst. Die Hochfrequenzstufe 7 umfasst eine Frequenzkonvertierungsstufe 20, einen Signalteiler bzw. Signalvereiniger 11 und einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber 23.
Basisbandverarbeitungsstufe 21,
Frequenzkonvertierungsstufe 20, Signalteiler bzw. Signalvereiniger 11 und steuerbarer Phasenschieber 23 sind in Reihe geschaltet. Die Hochfrequenzstufe 7 ist mit dem ersten Anschluss 8 und dem zweiten Anschluss 9 mit dem ersten 12 bzw. zweiten 13 Strahlerfeld verbunden, wobei die Phasenzentren 14, 15 der beiden Strahlerfelder 12, 13 durch die Amplitudengewichtung der jeweiligen Strahlerelemente 2, 3, Zeilen 16 bzw. Spalten 26 definiert sind. Die Strahlungsrichtung R kann mit Hilfe der relativen Phasenlage zwischen den Signalen der jeweiligen Strahlerfelder 12, 13 beeinflusst und geschwenkt werden. Die Strahlungsrichtung R kann innerhalb der Z-X-Ebene, d.h. innerhalb der Schwenkebene, geschwenkt werden. Die Strahlerelemente 2, 3 sind zusammen mit der Verdrahtung 24 auf einer Oberseite eines Trägers 25 aufgebracht. An einer Unterseite des Trägers 25 kann eine elektrische Bezugsmassefläche (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 1 in der Draufsicht, bei der die beiden Strahlerfelder 12, 13 mit Hilfe von Wilkinson-Teilern 27 elektrisch voneinander entkoppelt sind. Die Strahlerelemente 2, 3, 4 sind in Zeilen 16 bzw. Spalten 26 angeordnet. Durch die Wilkinson-Teiler 27, welche jeweils zwei Viertelwellenlängenleitungen 29 und einen Widerstand 28 aufweisen, werden die mit Hilfe der Speisepunkte 5, 6 gespeisten Strahlerfelder 12, 13 trotz ihrer galvanischen Kopplung elektrisch in Hinblick auf die Hochfrequenzstufe 7 entkoppelt.
Fig. 7 zeigt in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit Strahlerfeldern 12, 13 und mehr als zwei Speisepunkten 5, 5', 6, 6'. Die weiteren Speisepunkte 5, 5', 6, 6' können beispielsweise dazu dienen, einen Verschwenkungswinkel der Strahlungsrichtung R zu vergrößern.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung 1 zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung R bei einer mittleren
Wellenlänge λ umfasst ein erstes Strahlerfeld 12 mit
Nl ersten Strahlerelementen 2, ein zweites
Strahlerfeld 13 mit N2 zweiten Strahlerelementen 3 und eine Hochfrequenzstufe 7, die zum Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss 8 und einen zweiten Anschluss 9 aufweist, wobei das erste Strahlerfeld 12 mit dem ersten Anschluss 8 verbunden ist und das zweite Strahlerfeld 13 mit dem zweiten Anschluss 9 verbunden ist, und wobei das erste 12 und zweite 13 Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche Polarisationseigenschaften haben, wobei das erste Strahlerfeld 12 und das zweite Strahlerfeld 13 mindestens ein Strahlerelement 4 gemeinsam haben. Die erfindungsgemäße Sende- und/oder Empfangseinrichtung 10, insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe 21 und einer Hochfrequenzstufe 22 umfasst die erfindungsgemäße Antennenanordnung 1. Die Erfindung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Kompaktheit, einfacher Herstellbarkeit, hoher Sensitivität und Richtungsselektivität aus.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenanordnung (1) zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung aus bzw. in einer Strahlungsrichtung (R) bei einer mittleren Wellenlänge λ, umfassend ein erstes Strahlerfeld (12) mit Nl ersten
Strahlerelementen (2) , ein zweites Strahlerfeld (13) mit N2 zweiten Strahlerelementen (3) , und eine Hochfrequenzstufe (7) , die zum
Bereitstellen bzw. Empfangen von elektrischen
Signalen bei der mittleren Wellenlänge λ antennenseitig einen ersten Anschluss (8) und einen zweiten Anschluss (9) aufweist, wobei das erste Strahlerfeld (12) mit dem ersten Anschluss (8) verbunden ist und das zweite Strahlerfeld (13) mit dem zweiten Anschluss (9) verbunden ist, wobei das erste (12) und zweite (13) Strahlerfeld im Wesentlichen gleiche
Polarisationseigenschaften haben, und wobei das erste Strahlerfeld (12) und das zweite Strahlerfeld (13) mindestens ein Strahlerelement (4) gemeinsam haben.
2. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Anschluss (8) ein erstes Phasenzentrum (14) des ersten Strahlerfelds (12) definiert und der zweite Anschluss (9) ein zweites Phasenzentrum
(15) des zweiten Strahlerfelds (13) definiert, und wobei die beiden Phasenzentren (14,15) der
Strahlerfelder (12,13) weniger als eine erste
Breite (Bl) des ersten Strahlerfelds (12) und/oder weniger als eine zweite Breite (B2) des zweiten Strahlerfelds (13) voneinander entfernt liegen, insbesondere weniger als 400%, vorzugsweise weniger als 100%, insbesondere bevorzugt weniger als 70%, der mittleren Wellenlänge λ, voneinander entfernt liegen.
3. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten (2) oder zweiten (3)
Strahlerelemente in Spalten (26) und/oder in Zeilen (16) angeordnet sind.
4. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein oder mehrere weitere
Strahlerfelder (12', 13') mit weiteren Strahlerelementen [2' , 3' ) , zum Empfangen und/oder Senden von elektromagnetischer Strahlung bei der mittleren Wellenlänge λ.
5. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei die Strahlungsrichtung (R) , insbesondere in Hinblick auf einen Azimutwinkel und einen Elevationswinkel, durch die weiteren Strahlerfelder beeinflussbar ist.
6. Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Polarisationseigenschaften mindestens eines, insbesondere mindestens zwei, der weiteren Strahlerfelder (12', 13') von denjenigen der ersten (12) und zweiten (13) Strahlerfelder verschieden sind.
7. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen oder mehrere Wilkinson-
Teiler (27) zur Entkopplung von gemeinsamen genutzten Strahlerelementen (4), Zeilen (16) und/oder Spalten (26) .
8. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend mindestens einen steuerbaren Phasenschieber (23) zur Einstellung der relativen Phasenlage der einzelnen Strahlerelemente (2, 3, 2', 3'), der zu Zeilen (16) oder Spalten (26) zusammengefassten Strahlerelemente (2, 3, 2', 3') und/oder der zu Strahlerfeldern (5,6, 51, β') zusammengefassten Strahlerelemente (2, 3, 2', 3') zueinander.
9. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale (al) bis (a4) erfüllt ist: (al) das erste oder zweite Strahlerfeld ist planar; (a2) die ersten (2,2') oder zweiten (3,3')
Strahlerelemente sind im Wesentlichen zweidimensional flächig; (a3) das erste oder zweite Strahlerfeld umfasst mindestens 9, insbesondere mindestens 25, vorzugsweise mindestens 64, besonders bevorzugt mindestens 100,
Strahlerelemente ; (a4) das erste (12) und das zweite (13)
Strahlerfeld sind im Wesentlichen -gleich gestaltet .
10. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten (2,2') oder zweiten
(3,3') Strahlerelemente auf einem Gitter liegen, dessen Gitterabstand (Dl, D2, D3, D4) vorteilhafter Weise zwischen 20% und 80% der mittleren Wellenlänge λ, insbesondere zwischen 40% und 60% der mittleren Wellenlänge λ, vorteilhafter Weise zwischen 45% und 55% der mittleren Wellenlänge λ, beträgt.
11. Antennenanordnung (1) nach Anspruch 10, wobei ein Gitterabstand (Dl, D3) an einem Rand (17) des ersten (12, 12') oder zweiten (13,13') Strahlerfeldes anders, insbesondere größer, ist als ein Gitterabstand (D2, D4) im Inneren (18) des Strahlerfeldes (12, 13).
12. Antennenanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sämtliche Strahlerelemente (2,3) im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
13. Sende- und /oder Empfangseinrichtung (10), insbesondere Mobilstation, Basisstation oder Radar, mit einer Basisbandverarbeitungsstufe (21) und einer Hochfrequenzstufe (22) umfassend eine Antennenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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