DE69725874T2

DE69725874T2 - Flache antenne

Info

Publication number: DE69725874T2
Application number: DE69725874T
Authority: DE
Inventors: Ingela NYSTRÖM; Björn LINDMARK; Dan Karlsson
Original assignee: Allgon AB
Current assignee: Allgon AB
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: SE9603565D0; AU720608B2; JP2000510305A; EP0939975A1; US6008763A; EP0939975B1; CN1218583A; KR20000011017A; CN1130797C; BR9708946A; DE69725874D1; WO1997043799A1; AU2919197A

Description

Die Erfindung betrifft eine im wesentlichen flache durch Öffnungen gekoppelte Antenne mit einer Mehrschichtstruktur mit einer Anzahl von strahlenden Flächen (patches), die auf einer Schicht von dielektrischem Material angeordnet sind, einer entsprechenden Zahl von Öffnungen, jede in der Form von zwei zu einander senkrechten Schlitzen in einer Erdungsebene-Schicht und einer entsprechenden Zahl von Speiseelementen in einem Speisenetz, die auf wenigstens einer ebenen Platte angeordnet sind, um Mikrowellenenergie von den Speiseelementen durch die rechtwinkeligen Schlitze an die strahlenden Flächen einzuspeisen, um letztere zu veranlassen, einen von einer Frontseite der Antenne ausgehenden Mikrowellenstrahl zu bilden, wobei eine Rückseite der Antenne eine Metallreflektorvorrichung aufweist.
Ähnliche flache Antennen mit gekoppelten Öffnungen sind allgemein in verschiedenen Ausführungsformen gut bekannt. Man vergleiche z. B. die USA-Patente 5,030,961 (Tsao), 5,241,321 (Tsao), 5,355,143 (Zürcher et al) und die europäische Patentanmeldung EP 520 908 A1 (Alcatel Espace).
Oft sind die strahlenden Flächen in einer Matrix angeordnet, d. h. in einem zweidimensionalen Muster mit Reihen und Spalten, so daß die Antenne sich über einen Oberflächenbereich erstreckt. Statt dessen kann die Antenne mit strahlenden Flächen versehen sein, die in einer vertikalen Reihe möglicherweise neben einem oder mehreren ähnlichen Antennenelementen angeordnet sind, um eine Mehrkeulen-Antenneneinheit zu bilden.
Bei einer solchen Antennenstruktur mit einer Anordnung oder einer Reihe von abstrahlenden Flächenelementen und einer Reflektorvorrichtung an der Rückseite besteht ein technisches Problem darin, daß die Reflektorvorrichung die Tendenz hat, als ein Wellenleiter zu wirken. So findet eine unerwünschte Kopplung zwischen den verschiedenen Öffnungen in der Matrix statt. Infolgedessen wird die gewünschte Strahlkonfiguration nachteilig beeinflußt, besonders im Hinblick auf die duale Polarisierung. Auch kann ein erheblicher Teil der über das erwähnte Netz in die Antenne gespeisten Mikrowellenenergie durch Strahlung außerhalb des vorwärts gerichteten Strahls sowie durch Wärmeabsorption in der Reflektorvorrichtung aus Metall verloren gehen.
Die im oben erwähnten Dokument EP 520 908 beschriebene Antennenstruktur ist etwas verschieden, indem sie keine rechtwinkligen Schlitze aufweist, um die dual polarisierten Trägerwellen und die assoziierten Signalkanäle voneinander zu isolieren. Auch gibt es hier eine Sandwich-Struktur mit oberen und unteren Metallplatten und dazwischen eine dünne dielektrischen Platte mit einem Speisenetzwerk. Die zwei Metallplatten haben integrierte Wände, die zusammen Kavitäten oder Abteilungen im Bereich des entsprechenden Paars von Speiseelementen bilden. Jedoch sind die Speiseelemente in den jeweiligen Kavitäten unsymmetrisch angeordnet und die zwei Polarisationen sind dadurch nicht vollständig voneinander isoliert.
Vor diesem Hintergrund ist der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung die Vermeidung von Resonanzen und unerwünschter Kopplung in der Antenne und eine wesentliche Verringerung der Verluste an Mikrowellenenergie und die Schaffung einer Antenne, die leicht zusammen zu bauen und im Betrieb effizient ist. Ein weiterer besonderer Zweck ist es, eine wirksame Isolation zwischen den verschiedenen Kanälen aufrecht zu erhalten, welche durch die dual polarisierten Trägerwellen gehalten werden.
Diese Ziele werden erreicht wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird weiter erläutert in Verbindung mit drei Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
1. zeigt in einer perspektivischen Explosionsansicht einen Endabschnitt einer länglichen Antenne gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2. zeigt eine entsprechende Ansicht einer zweiten Ausführungsform;
3. zeigt eine entsprechende Ansicht einer dritten Ausführungsform
In den Zeichnungsfiguren sind nur die grundlegenden Teile gezeigt, die für die Basisfunktionen der Übertragung und des Empfangs von Mikrowellenenergie welche Kommunikationssignale enthält wesentlich sind. Demgemäß sind die meisten der notwendigen mechanischen und elektrischen Einzelheiten bei den Zeichnungsfiguren weggelassen.
Die Antenne weist eine Mehrschichtstruktur auf. Im einzelnen sind in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform vier Schichten 1, 2, 3, und 4 die eine über der anderen angeordnet und als eine flache Packung auf einer Bodeneinheit 5 abgelegt. Alle Schichten 1 – 4 haben im Grunde die gleichen Abmessungen der Länge und Breite und sind mechanisch an der Oberseite der Bodeneinheit 5 befestigt, beispielsweise in Längsnuten (nicht gezeigt) in der Bodeneinheit 5 oder durch spezielle Befestigungselemente oder Schnappelemente (nicht gezeigt).
Die erste Schicht 1 ist hergestellt aus dielektrischem Material und mit einer Anzahl von strahlenden Flächenelementen 11 versehen, die in einer Längsreihe vorzugsweise mit gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind. Wie an sich bekannt sind die Flächenelementen aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium hergestellt.
Die zwei Schichten 2 und 4, ebenfalls aus dielektrischen Material hergestellt, sind jeweils mit einem oberen und einem unteren Teil eines Speisenetzwerks versehen, welches obere Speiseelemente umfaßt, die in Paaren 21a, 21b angeordnet und paarweise mit einer gemeinsamen Speiseleitung 22 in Form eines leitenden Streifens verbunden sind, und untere Speiseelemente 41a und 41b, die in ebenso paarweise mit einem gemeinsamen Speisestreifen 42 auf der unteren Schicht 4 verbunden sind.
Zwischen den Schichten 2 und 4 befindet sich eine Erdungsebene-Schicht 3 aus leitendem Material wie Kupfer oder Aluminium, die mit einer Reihe von Öffnungen in Form von einander rechtwinklig kreuzenden Schlitzen 31a, 31b versehen ist, wobei jedes solches Paar von rechtwinkligen Schlitzen in räumlicher Übereinstimmung mit einem entsprechenden strahlenden Flächenelement 11 beziehungsweise einem Paar von Speiseelementen 21a, 41a und 21b, 41b angeordnet ist.
Mikrowellenenergie wird durch die leitenden Streifen 22 und 42 den verschiedenen Speiseelementen 21a, 41a, 21b, 41b zugeführt, und ein Hauptteil dieser Energie wird durch die rechtwinkligen Schlitze auf die Reihen von Flächenelement 11 übertragen oder gekoppelt, von wo ein dual polarisierter Mikrowellenstrahl in einer wohl definierten Keule von der Frontseite der Antenne (nach oben in 1) übertragen wird. Typischerweise hat eine solche Keule eine begrenzte Halbenergie-Strahlbreite von 50 bis 100 Grad in der Ebene quer zur Längsrichtung der Antenne. Die Strahlbreite in der Längsrichtung hängt von der Größe der Anordnung insbesondere der Länge der länglichen Antenne ab. Indem eine Anzahl gleicher Antennen nebeneinander mit ihren Längsachsen vertikal ausgerichtet angeordnet werden, kann eine Mehrkeulen-Antenneneinheit gebildet werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung bildet die Bodeneinheit 5 zusammen mit der erdungsebenen Schicht 3 eine hohle Metallstruktur mit elektrisch getrennten kastenähnlichen Abteilungen. Die hohle Metallstruktur umfaßt die Erdungsebeneschicht 3 als eine Kopfwand, die rückseitige Metallwand 51 als eine Bodenwand sowie zwei Seitenwände 52, 53. Vorzugsweise ist die Bodeneinheit 5 mit den Wänden 51, 52 und 53 aus Aluminium hergestellt.
Der Innenraum in der hohlen Metallstruktur 3, 5 dient zur Aufnahme der leitenden Bahnen 42 und möglicherweise anderer Komponenten der Antenne (solche Komponenten sind in 1 nicht gezeigt).
Um die Erzeugung von stehenden Wellen oder anderen Arten von Mikrowellenfortpflanzung in Längsrichtung innerhalb der hohlen Metallstruktur 3, 5 zu verhindern, sind eine Anzahl von Querwänden 54 in gleichmäßigen Abständen längs der Einheit 5 angeordnet. Der gegenseitige Abstand zwischen jedem Paar von benachbarten Trennwänden 54 entspricht dem gegenseitigen Abstand zwischen jedem Paar von benachbarten strahlenden Flächenelementen 11. Demgemäß bildet die hohle Metallstruktur 3, 5 kammerähnliche Abteilungen in örtlicher Übereinstimmung mit den jeweiligen strahlenden Flächenelementen 11 und den zugehörigen Speiseelementen 21a, 41a und Paaren von rechtwinkligen Schlitzen 31a, 31b.
Die Trennwände 54 erstrecken sich längs der vollen Breite zwischen den Seitenwänden 52 und 53. Jedoch ist ihre Höhe etwas geringer als der Abstand zwischen der Bodenwand 51 und der Schicht 4, um dazwischen einen freien Raum zu lassen. In jedem Fall sollten wenigstens einige der Trennwände nur einen Teil der Querschnittsfläche der kastenähnlichen Metallstruktur bedecken, um die Metallbahnen des Speisenetzwerks aufzunehmen, ohne Kontakt herzustellen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Trennwände 54 durch getrennte Metallstücke gebildet, beispielsweise aus Aluminium, die an der Bodenwand 51 und/oder den Seitenwänden 52, 53 befestigt sind.
Um die gewünschte Funktion der Verhinderung von Längsfortpflanzung von Mikrowellen zu erhalten, können die Trennwände 54 durch andere Form von Diskontinuitäten in der Bodenwand 51 oder den Seitenwänden 52, 53 ersetzt werden. Wichtig ist, einen gleichbleibenden Querschnitt längs der kastenähnlichen Struktur zu vermeiden, welche dann als ein Wellenleiter wirken würde und Resonanzen, ungewünschtes Koppeln sowie Energieverluste in Form von Strahlung und Wärme verursachen würde.
Die Erdungsebene-Schicht 3 kann entweder mechanisch mit der Bodeneinheit 5 verbunden oder damit für die besonderen verwendeten Frequenzen kapazitiv gekoppelt sein.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Mehrschichtstruktur mit strahlenden Flächenstücken 11, rechtwinkeligen Schlitzen 31a, 31b und Speiseelementen 21a, 41a, 21b, 41b im Grunde die Gleiche wie in 1. Jedoch ist die hohle Merallstruktur verschieden, indem die kastenähnlichen Abteilungen aus im wesentlichen geschlossenen Metallrahmen 60 gebildet sind, die zwischen der Mehrschichtstruktur 1–4 und der Rückwand 51 eingesetzt sind.
Jeder Rahmen 60 ist in Übereinstimmung mit zugehörigen Speiseelementen 21a, 41a, rechtwinkligen Schlitzen 31a, 31b und Flächenstücken 11 angeordnet. Die Rahmen 60 sind längs der Antenne in Längsrichtung verteilt. Im jeweiligen Rahmen 60 gibt es zwei gegenüberliegende Seitenwandabschnitte 61, 62, eine erste Querwand 63 und eine zweite Querwand 64. Letztere ist mit Öffnungen 64 versehen, welche die Speisenetzwerkleitungen aufnehmen, die mit den Speiseelementen 21a, 41a verbunden sind. Normalerweise erstrecken sich solche Öffnungen nur teilweise durch die Wand. Im allgemeinen können die Öffnungen oder Ausnehmungen in einer oder mehreren der Wände jedes Rahmens 60 angeordnet sein.
Die Rahmen 60 müssen nicht elektrisch mit der Rückwand 51 oder der Erdungsebene 3 verbunden sein. Jedoch ist es wesentlich, daß jedes Wandelement des leitenden Rahmens 60 eine solche Breite hat, daß es eine signifikante kapazitive Kopplung durch das dielektrische Material der Mehrschichtstruktur zur Erdungsebene 3 darstellt. Die Rahmen unterbrechen oder verringern jede Mikrowellenfortpflanzung von der Öffnung im Bereich zwischen der Rückwand 51 und der Mehrschichtstruktur nach außen. Die Rahmen können mechanisch mit der Mehrschichtstruktur 2–4 verbunden sein. Ferner halten die Rahmen 60 in Kombination mit dem zugehörigen Paar von rechtwinkligen Schlitzen eine wirksame Isolation zwischen den zwei Polarisationen in jedem Antennenelement aufrecht.
Ein dritte Ausführungsform ist 3 gezeigt. Sie umfaßt eine ähnliche Mehrschichtstruktur 1, 2, 3, 4 mit strahlenden Flächenelementen 11, rechtwinkeligen Schlitzen 31a, 31b und Spei seelementen 21a, 41a, 21b, 41b. Jedoch ist die Reflektorvorrichtung aus Metall insofern verschieden, als die kastenähnlichen Abteilungen von getrennten flachen Kasteneinheiten 70 an der Rückseite gebildet sind, die jedes in Übereinstimmung mit und zentriert in Beziehung auf ein entsprechendes Flächenelement 11 und ein zugehöriges Paar von rechtwinkligen Schlitzen sind.
Jede flache Kasteneinheit 70 hat eine rechteckige Bodenwand 71 und vier Seitenwände 72, 73. Eine Seitenwand 72 hat eine Ausnehmung 72a und eine andere Seitenwand 73 hat eine Ausnehmung 73a zur Aufnahme der Speisestreifen, die mit den Speiseelementen 21a, 41a, 21b, 41b verbunden sind.
Die vier Seitenwände 72, 73 sind versehen mit nach aufwärts vorstehenden Stiften 74, die vorzugsweise zum Zeitpunkt des Pressens eines Metallblechs zu einem Metallrohling geformt werden. Die flache Kasteneinheit 70 wird aus dem Rohling hergestellt, indem man die Teile biegt, welche die Seitenwände 72, 73 bilden.
Die Schichten 1, 2, 3, 4 sind mit Bohrungslöschern 14 in rechtwinkligen Mustern versehen, welche den vorspringenden Stiften 74 entsprechen. Beim Zusammenbau werden die vorspringenden Stifte 74 nach oben durch die Löscher 14 eingesetzt, worauf die Stifte in direktem elektrischen Kontakt mit der Erdungsschicht 3 gelötet werden. Auf diese Weise ist die Erdungsschicht 3 sicher mechanisch sowie elektrisch mit den flachen Kasteneinheiten 70 verbunden.
Die flachen Kasteneinheiten 70 können im Grundriß gesehen im wesentlichen rechteckig, quadratisch, polygonal oder kreisförmig sein.
Es hat sich gezeigt, daß die in 3 gezeigte Ausführungsform sehr bequem herzustellen ist durch Stanzen, Biegen und Löten. Auch sind die Funktionseigenschaften ausgezeichnet mit einer sehr effektiven Isolation zwischen den verschiedenen Flächenbereichen und zwischen den dual polarisierten Trägerwellen.
In allen Ausführungsformen, wie in den Zeichnungen gezeigt, müssen die rechtwinkligen Schlitze in einer solchen symmetrischen Anordnung angeordnet sein, daß die elektromagnetischen Feldkomponenten der jeweiligen Kanäle miteinander nicht interferieren.

Claims

Im wesentlichen flache schlitzgekoppelte Antenne mit einer Frontseite und einer Rückseite mit einer Mehrschichtstruktur mit einer Anzahl von strahlenden Flächenelementen (11), die auf einer Schicht (1) aus dielektrischem Material angeordnet sind, einer entsprechenden Anzahl von Öffnungen (31a, 31b), die je die Form von zwei sich rechtwinklig kreuzenden Schlitzen haben, einer Erdungsebene-Schicht (3) und einer entsprechenden Anzahl von Speiseelementen (21a, 22a und so weiter) in einem Speisenetzwerk (22, 42), die auf wenigstens einer ebenen Platte (2, 4) angeordnet sind, um Mikrowellenenergie von den Speiseelementen über das Paar von rechtwinkligen Schlitzen zu den strahlenden Flächenelementen zu speisen, so daß letztere einen zweifach polarisierten Mikrowellenstrahl bilden, der sich von der Vorderseite der Antenne fortpflanzt, wobei deren Rückseite eine Reflektorvorrichtung aus Metall aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorvorrichtung aus Metall eine flache hohle Metallstruktur (3, 5) aufweist mit elektrisch getrennten kastenähnlichen Abteilungen, die in einer Linie mit den jeweiligen strahlenden Flächenelementen (11), mit dem entsprechenden Paar von rechtwinkligen Schlitzen (31a, 31b) und mit den jeweiligen Speiseelementen (21a, 22a und so weiter) angeordnet sind, wobei jede solche kastenähnliche Abteilung eine quadratische oder rechtwinklige Konfiguration hat und zwischen der Erdungsschicht (3) und der Reflektorvorrichtung angeordnet ist und einen Kopfwandabschnitt, einen Bodenwandabschnitt und vier Seitenwandabschnitte hat, wobei die Erdungsschicht (3) als ein Kopfwandabschnitt dient und die Seitenwandabschnitte (52, 53; 61–64; 72, 73) sich wenigstens im wesentlichen zwischen den Kopf- und Bodenwandabschnitten erstrecken, wodurch jegliche Mikrowellenfortpflanzung in der hohlen Metallstruktur unterbrochen und jede gegenseitige Kopplung zwischen den rechtwinkligen Schlitzen vermieden wird.
Antenne nach Anspruch 1 worin die flache hohle Metallstruktur (3, 5) ausgebildet ist, um Teile des Speisenetzwerks aufzunehmen.
Antenne nach Anspruch 1, worin einige der Seitenwandabschnitte in den kastenähnlichen Abteilungen von in Abständen voneinander angeordneten Diskontinuitäten (54) in der hohlen Metallstruktur gebildet sind.
Antenne nach Anspruch 3, worin die Diskontinuitäten Querunterteilungen (4) umfassen, die sich zwischen gegenüberliegenden Seitenwandabschnitten (52, 53) erstrecken.
Antenne nach Anspruch 4, worin die gegenüberliegenden Seitenwandabschnitte (61, 62) und die Querunterteilungen (63, 64) im wesentlichen geschlossene Rahmen (60) bilden, welche die kastenähnlichen Abteilungen definieren.
Antenne nach Anspruch 4, wobei die Antenne länglich mit einer Anzahl von in einer Reihe angeordneten strahlenden Flächenelementen (11) ausgebildet ist, worin die gegenüberliegenden Seitenwandabschnitte (52, 53) sich im wesentlichen längs der gesamten Länge der Antenne erstrecken, um eine längliche Struktur zu definieren, wobei die kastenähnlichen Abteilungen in einer entsprechenden Reihe angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 6, worin die Querunterteilungen getrennte Metallstücke (54) umfassen, die an den Bodenwandabschnitten (51) und/oder den gegenüberliegenden Seitenwandabschnitten (52, 53) befestigt sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die kastenähnlichen Abteilungen getrennte flache Kasteneinheiten (70) umfassen.
Antenne nach Anspruch 8, worin jede flache Kasteneinheit (70) Seitenwandabschnitte (72, 73) aufweist, die mit aufwärts gerichteten Vorsprüngen (74) versehen sind, welche den Kontakt mit der Erdungsebene-Schicht (3) herstellen.
Antenne nach Anspruch 9, worin die aufwärts gerichteten Vorsprünge (74) als Stifte ausgebildet sind, die durch Löcher (14) in der Erdungsebene-Schicht (3) eingesetzt und in Kontakt damit gelötet sind.
Antenne nach Anspruch 1, worin jedes Paar von senkrecht gekreuzten Schlitzen symmetrisch in Bezug auf die zugehörige kastenähnliche Abteilung zentriert ist.