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1. (WO2018224076) ANTENNA COMPRISING A PLURALITY OF INDIVIDUAL RADIATORS
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ANTENNE MIT MEHREREN EINZELSTRAHLERN

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne mit mehreren Einzelstrahlern. Solche Antennen werden beispielsweise für die aeronautische Satellitenkommunikation im Ku- und Ka-Band benötigt.

Stand der Technik

Der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen

Datenraten, insbesondere im Bereich der aeronautischen, d.h. flugzeugbasierten,

Satellitenkommunikation steigt ständig. Geeignete Antennen sollen dafür geringe

Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen und zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik erfüllen, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss. Geringe Abmessungen verringern die Nutzlast des

Flugzeugs und damit auch die Betriebskosten. Die DE 10 2014 1 12 487 A1 zeigt eine beispielhafte Antenne als Gruppenstrahler mit identischen Hornstrahlern, die mit geringen Abmessungen auskommt und senkrecht zur Apertur der Antenne abstrahlt.

Eine Bewegung der Strahlungscharakteristik erfolgt beispielsweise durch ein Drehen und Verschwenken der Antenne, wie es beispielsweise in der DE 10 2015 101 721 A1 angegeben ist. Durch die Bewegung der Antenne ist jedoch ein gewisses Volumen unter einem auf dem Flugzeug montierten Radom vorzusehen, so dass aerodynamische Verluste bei einer Montage auf einem Flugzeug nicht vermeidbar sind.

Hornstrahler eignen sich als Einzelstrahler in Feldern und können zudem breitbandig ausgelegt werden. Hornstrahler werden im Sinne einer E-Feld Einkopplung mit einem

kleinen Stift angeregt und weisen bezüglich der abstrahlenden Wellenfront leichte

Verschiebungen der Abstrahlungscharakteristik vom Mittelpunkt des Hornstrahls auf.

Damit kommt es zu positiven Interferenz benachbarter Hornstrahler der Antenne und damit zur Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche. Diese Verkopplungen erzeugen zudem Resonanzen, die im Bereich der jeweiligen

Resonanzfrequenz folgende Probleme verursachen: die Eingangsanpassung der

Hornstrahler, das Abstrahlverhalten (Richtdiagramm, Keule) der Hornstrahler und die

Kreuzpolarisationsisolation des Hornstrahlers wird verschlechtert.

Die Leistungsfähigkeit der Antenne wird daher im Bereich der Resonanzfrequenzen dieser Interferenzen deutlich reduziert. Abstrahlungscharakteristik, Eingangsanpassung und Resonanzfrequenzen hängen von der Geometrie des Hornstrahlers ab und können in der Standardgeometrie nur begrenzt unabhängig voneinander eingestellt werden.

Weiterhin ist es bekannt, die Abstrahlungscharakteristik der Antenne elektrisch zu verändern, in dem Phasenstellglieder benutzt werden, um eine Phasendifferenz zwischen benachbarten Einzelstrahlern einer Antenne einzustellen. Ein beispielhaftes Phasenstellglied ist aus DE 10 2016 1 12 583 A1 bekannt.

Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antenne unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel anzugeben, die bessere aerodynamische Eigenschaften hat.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.

Eine erfindungsgemäße Antenne weist mehrere Einzelstrahler auf, die in x- und y-Richtung ein Antennenfeld mit einer Apertur bilden und im Wesentlichen in z-Richtung

elektromagnetische Strahlung abstrahlen. Die Einzelstrahler sind jeweils durch eine

Trennwand voneinander getrennt. Zumindest ein Teil der Trennwände weist eine die ansonsten in z-Richtung ebene Apertur unterbrechende Störstelle auf. Die Störstelle kann die Form eines Pins oder eines rechteckigen Vorsprungs oder einer rechteckigen Senke haben.

Die Trennwände in x-Richtung, die die x-Richtung kreuzen (und damit in x-Richtung benachbarte Einzelstrahler trennen), unterscheiden sich jedoch von den Trennwänden in y-Richtung bezüglich der Wandstärke. Zudem weisen die Einzelstrahler in x-Richtung einen Abstand von kleiner λ auf. X-, y- und z-Richtung sind jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet.

Durch die asymmetrische Wandstärke können die Einzelstrahler in x-Richtung näher aneinander platziert werden als in y-Richtung, so dass bei einem Einsatz von

phasengesteuerten Einzelstrahlern in diese x-Richtung die Abstrahlungscharakteristik bewegt werden kann.

Ein maximaler Abstand zwischen zwei Einzelstrahlern sollte dabei dmax betragen:

λ

dmax ~ 1 + sin Θο

λ: Wellenlänge der maximalen Betriebsfrequenz

ΔΦ: Phasendifferenz zum benachbarten Einzelstrahler

Θ0 : Scan-Winkel (Auslenkung der Abstrahlungskeule)

Vorteilhafterweise ist zumindest ein Teil der Einzelstrahler nicht-quadratisch und derart ausgerichtet, dass in x-Richtung eine größere Anzahl von Einzelstrahlern angeordnet werden kann als in y-Richtung. D.h. obwohl der Einzelstrahler in x-Richtung schmaler ist als in y-Richtung, wird durch eine breitere Trennwand in y-Richtung sichergestellt, dass die

Impedanz in x- und y-Richtung ähnlich ist. Dies wird wie später gezeigt wichtig, wenn unterschiedliche Polarisationen über die Antenne abgestrahlt werden sollen, für die sich die Impedanzen und damit die Anpassung an die Freiraumausbreitung nicht unterscheiden sollten.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Antenne weist der Einzelstrahler in der die y-Richtung kreuzenden Trennwand eine Lamellenstruktur auf. Dadurch verteilt sich das Feld, das ansonsten durch die breitere Trennwand abgeschwächt und nicht über die gesamte Fläche verteilt wäre, besser über die gesamte Apertur und trägt zu einem hohen Antennengewinn (Gain) bei. Anders gesagt trägt die Lammellenstruktur zu einem gleichen Antennengewinn in x- und y-Richtung trotz ggf. einer geringeren Anzahl von Einzelstrahlern in y-Richtung bei, indem sie eine Oberflächenimpedanz bereitstellt, wodurch das

elektromagnetische Feld auf der Oberfläche geführt werden kann und somit die abstrahlende Fläche vergrößert wird.

Vorteilhafterweise weist die Lamellenstruktur eine oder mehrere Rillen mit einer Tiefe von kleiner h/4 und größer λ/20, bevorzugt kleiner λ/8 und größer λ/12, besonders bevorzugt von etwa λ/10, auf, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist. Für die Dimensionierung der Antenne wird sich bei λ an der Mittenfrequenz des benutzten

Frequenzbandes orientiert.

Zur Einstellung einer durch die Lamellenstruktur gebildeten Kapazität weist eine Rille der Lamellenstruktur eine Breite von weniger als der Hälfte und mehr als ein Viertel, bevorzugt von etwa einem Drittel der Tiefe der Rille auf.

Vorteilhafterweise stehen die Störstellen aus den jeweiligen Trennwänden heraus. Die Störstellen der Trennwände in x-Richtung benachbarter Einzelstrahler sind dabei breiter als die Störstellen der Trennwände in y-Richtung benachbarter Einzelstrahler. Es hat sich gezeigt, dass die Störstellen vorteilhafterweise mittig auf den Trennwänden angeordnet werden, dabei symmetrisch und periodisch über die Apertur anzuordnen sind. Beispielsweise enthalten nahezu alle Trennwände Störstellen, wodurch bei entsprechender

Dimensionierung von Breite und Höhe der Störstellen Resonanzen im Abstrahlungsverhalten der Antenne derart verschoben werden, dass bei Abstrahlung in allen relevanten

Abstrahlungswinkeln um die z-Richtung herum die sogenannte "scan blindness" vermieden oder stark vermindert wird.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Antenne kommen dann besonders vorteilhaft zur Geltung, wenn zumindest ein Teil der Einzelstrahler des Antennenfelds phasengesteuert ist. Die Phasensteuerung erfolgt beispielsweise derart, dass die Antenne durch ein

Speisenetzwerk mit einer SendeVEmpfangseinrichtung verbunden ist, wobei im

Speisenetzwerk Phasenstellglieder angeordnet sind. Durch eine in x-Richtung gestauchte Anordnung der Einzelstrahler ist es von Vorteil, wenn eine Steuereinrichtung die

Phasenstellglieder derartig steuert, dass eine Ablenkung einer Strahlungscharakteristik der Antenne von der z-Richtung überwiegend in x-Richtung erfolgt. Das Phasenstellglied kann dabei im Speisenetzwerk nahe dem Einzelstrahler angeordnet sein, um einen kompakten Aufbau der Antenne zu ermöglichen.

Die Antenne kann besonders kompakt aufgebaut werden, wenn die Einzelstrahler als offene Hohlleiter ausgebildet sind. Anders als bei Hohlstrahlern haben die Einzelstrahler dann keine Trichterform, d.h. Abstrahlungsöffnung und Hohlleiterquerschnitt stimmen überein oder sind sehr ähnlich, wodurch der Einzelstrahler in z-Richtung durch Verzicht auf den Trichter gestaucht und kürzer ist.

Nutzt man für die Einzelstrahler offene Rundhohlleiter, die mit einem Speisenetzwerk aus Rundhohlleitern verbunden sein können, dann kann man rotationssymmetrische (und damit drehbare) und verlustarme Phasenstellglieder, wie beispielsweise in DE 10 2016 1 12 583 A1 beschrieben, verwenden.

Eine weitere vorteilhafte Kompaktierung der Antenne wird erreicht, wenn zumindest ein Teil der Einzelstrahler mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Dieses hat vorteilhafterweise eine rotationssymmetrische Form und ist entlang einer Abstrahlungsachse des Einzelstrahlers angeordnet. Damit kann das Dielektrikum zusammen ggf. einstückig mit einem Dielektrikum des Phasenstellgliedes ausgeformt werden und kann sich im Einzelstrahler bewegen. Eine Anpassung der Impedanz des Einzelstrahlers kann weiter verbessert werden, wenn das

Dielektrikum in Richtung der Apertur einen Vorsprung aufweist. Diese Stufe im Dielektrikum, deren Durchmesser und Höhe eingestellt werden kann, verbessert die Impedanzanpassung.

Wird die Antenne mit einem Drehteller ausgeführt, auf dem das Antennenfeld flach angeordnet ist, dann können durch eine Drehung des Drehtellers und die Auslenkung der Antennencharakteristik in nur eine Richtung (x-Richtung) beliebige Abstrahlungskeulen erzielt werden, ohne dass die Antenne gekippt werden muss. Damit wird das benötigte Radom wesentlich kleiner. Ist die Auslenkung der Antennencharakteristik nicht bis zu 90° von der z-Richtung möglich, wird aber benötigt, so kann über ein leichtes Kippen der Antenne der fehlende Winkelbereich ausgeglichen werden. So wäre ein Kippen des

Antennenfelds von nur 20° bei einer bis zu 70° mit Phasenschiebern auslenkbaren

Abstrahlungscharakteristik ausreichend, um die gesamte Halbkugel auszuleuchten.

Die Einzelstrahler des Antennenfelds der Antenne können vorteilhafterweise derart durch ein Speisenetzwerk mit einer SendeVEmpfangseinrichtung verbunden werden, dass die Sende-/Empfangseinrichtung zwei Signale unterschiedlicher Polarisation in das Speisenetzwerk einspeist, die gut angepasst über die Antenne abstrahlbar bzw. empfangbar sind.

Kurze Figurenbeschreibung

Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt einer Antenne mit mehreren Einzelstrahlern und einem

Drehteller zur Rotation,

Figur 2 einen Einzelstrahler in Draufsicht,

Figur 3 einen Einzelstrahler in Schnittdarstellung, und

Figur 4 einen Einzelstrahler mit dahinterliegendem Phasenstellglied und

Speisenetzwerk.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine Vielzahl von Einzelstrahlern 1 , die in x- und y-Richtung benachbart zueinander in einem Antennenfeld angeordnet sind, bildet nach Figur 1 zusammen mit einem Drehteller 13, der nur schematisch dargestellt ist, eine Antenne. Der Drehteller 13 kann rotieren und dabei das Antennenfeld auf beliebige Drehwinkel bewegen. Die Einzelstrahler 1 sind jeweils in x- und y-Richtung durch Trennwände 2 voneinander getrennt. Form und Breite der Trennwände 2 unterscheiden sich, wie später erläutert, in x- und y-Richtung.

Die Oberfläche der Antenne mit Ausrichtung in z-Richtung bildet eine Apertur der Antenne von der elektromagnetische Strahlung in Abstrahlungsrichtung R, die in z-Richtung oder

einer Ablenkung von der z-Richtung von bis zu 70°, abgestrahlt wird. Wie später erläutert ist eine Auslenkung der Abstrahlungscharakteristik, insbesondere einer Hauptkeule, geplant, so dass tatsächlich die Abstrahlungsrichtung R sich von der z-Richtung um einen Scan-Winkel unterscheiden kann.

Das Antennenfeld ist im Wesentlichen quadratisch, wobei in x-Richtung eine größere Anzahl von Einzelstrahlern 1 angeordnet ist als in y-Richtung. Dies ist dadurch ermöglicht, dass die Einzelstrahler 1 selbst nicht quadratisch sind, sondern in x-Richtung schmaler sind als in y-Richtung. Damit ist auch der Abstand zwischen den Einzelstrahlern 1 in x-Richtung geringer als in y-Richtung. In x-Richtung soll möglichst der Abstand dmax

λ

dmax ~ 1 + sin Θο

nicht überschritten werden. Falls dieser Wert überschritten wird, entstehen im

Richtdiagramm störende Nebenkeulen (grating-lobes). Je größer der gewünschte

Schwenkbereich, desto kleiner muss der Abstand sein. In y-Richtung ist der Abstand der Einzelstrahler 1 größer als in x-Richtung, aber immer noch geringer als die Wellenlänge λ der maximal zu bedienenden Betriebsfrequenz.

Die Einzelstrahler 1 nach Figur 2 sind identisch aufgebaut, wobei die Trennwände 21 in x-Richtung schmaler sind als die Trennwände 22 in y-Richtung. Wie in Figur 3 noch einmal verdeutlicht, ist die Wandstärke d der Trennwand 21 in x-Richtung (die Trennwand 21 kreuzt die x-Richtung und steht senkrecht zu ihr) kleiner als die Wandstärke d der Trennwand 22 in y-Richtung. Die größere Wandstärke d in y-Richtung wird für eine Lamellenstruktur 4 in der Trennwand 22 genutzt. Die Lamellenstruktur 4 wird durch eine Rille 10 gebildet, die in die Trennwand 22 entgegen der z-Richtung hineinragt. Werden - wie aus Figur 1 ersichtlich -zwei Einzelstrahler 1 in y-Richtung aneinandergereiht, dann liegen zwei Rillen zwischen den Abstrahlungsöffnungen (Hohlräumen) der Einzelstrahler 1 , für jeden Einzelstrahler 1 eine.

Auf jeder der vier Trennwände 21 , 22 ist eine Störstelle 3 in Form eines Pins angeordnet. Der Pin ragt in z-Richtung aus den Trennwänden 21 , 22 heraus und ist jeweils mittig angeordnet. Damit ergibt sich über das Antennenfeld in periodische und symmetrische Anordnung der Störstellen 3.

Inmitten der Trennwände 21 , 22 entsteht ein Hohlraum, der von einem Dielektrikum 1 1 , z.B. Teflon, mit einer Dielektrizitätskonstante ε > 1 zumindest teilweise gefüllt ist. Dieses

Dielektrikum 1 1 schließt in etwa mit der Apertur ab und füllt vorteilhafterweise den gesamten Hohlraum aus, so dass sich auch kein Schmutz im Betrieb der Antenne festsetzen kann. Die Trennwände 21 , 22 und die übrige Struktur der Einzelstrahler 1 bestehen aus einem Metall oder sind metallbeschichtet.

Entsprechend Figur 3 ist eine Höhe h der Störstellen 3 auf den Trennwänden 21 , 22 ähnlich, währenddessen sich die Breite bs der Störstellen 3 auf den Trennwänden 21 , 22 in x- und y-Richtung unterscheidet. Die Höhe h beträgt dabei weniger als h/4 und zumindest λ/10. Auf der Trennwand 22 in y-Richtung sind die Störstellen 3 auf der vom Einzelstrahlermittelpunkt äußeren Lamelle angeordnet. Somit ist für x- und y-Richtung jeweils nur eine Störstelle 3 zwischen zwei benachbarten Einzelstrahlern 1 vorgesehen, jeder Einzelstrahler 1 "teilt" sich jeweils die Störstelle 3 mit den benachbarten Einzelstrahlern 1 . Auf Störstellen 3 auf der Trennwand 22 in y-Richtung kann ggf. verzichtet werden.

Eine Breite br der Rille 10 beträgt etwa λ/10, eine Tiefe t der Rille 10 beträgt etwa ein Drittel der Breite br der Rille, also λ/30. Der Einzelstrahler 1 ist nicht als Hornstrahler mit einem Trichter, sondern als offenes Hohlleiterstück geformt, so dass sich der Hohlleiter nicht erweitert und über die Länge des Einzelstrahlers 1 einen ähnlichen Querschnitt aufweist. In z-Richtung ist auf dem Dielektrikum 1 1 ein Vorsprung 12 ausgeformt, der eine bestimmt Höhe und einen bestimmten Durchmesser ausweist, die sich entsprechend einer

gewünschten optimalen Anpassung der Impedanz der Antenne an die Freiraumabstrahlung ergibt.

Figur 4 zeigt den Einzelstrahler 1 aus Figur 2 und 3 in einer Schnittdarstellung, bei der das offene Hohlleiterstück sich nahtlos in einem Speisenn etzwerk 5, das wiederum einen Hohlleiter umfasst, fortsetzt. Beide zueinander fluchtende Hohlleiter sind Rundhohlleiter, so dass sich als zusätzliche Möglichkeit ergibt, dass ein Phasenstellglied 7 im Rundhohlleiter drehbar angebracht ist. Das Phasenstellglied 7 ist nahe dem Einzelstrahler 1 angeordnet und entsprechend den Vorgaben der DE 10 2016 1 12 583 A1 aufgebaut. Das Phasenstellglied 7 ist um eine Drehachse D drehbar angeordnet, also selbst auch rotationssymmetrisch aufgebaut.

Innerhalb des Speisenetzwerks 5 schließen sich an das Phasenstellglied 7 zwei

Einkopplungen 9 an, die dazu dienen, für zwei getrennte zueinander orthogonale

Polarisationen, beispielsweise eine horizontale Polarisation H und eine vertikale Polarisation V, getrennte Signale in den Hohlleiter einzuspeisen. Die Einkopplungen 9 sind vorzugsweise zueinander um 90° verdreht, also senkrecht zueinander im Hohlleiter angeordnet. Von den Einkopplungen 9 werden über Mikrostreifenleitungen und Hohleiter die Signale beider Polarisationen V, H an eine Sende-/Empfangseinrichtung 6 im Empfangsfall weitergeleitet bzw. im Sendefall werden die Signale beider Polarisationen V, H von der Sende-/Empfangseinrichtung 6 über die Einkopplungen 9 in den Hohlleiter und den Einzelstrahler 1 abgegeben.

Da der Einzelstrahler 1 nach Figur 4 als einer von vielen Elementen des Antennenfelds -siehe Figur 1 - anzusehen ist, hat das Speisenetzwerk 5 auch die Funktion, die Signale von der Vielzahl von Einzelstrahlern aufzusummieren und an die Sende-/Empfangseinrichtung 6 aufsummiert weiterzugeben.

Weiterhin weist die Antenne eine Steuereinrichtung 8 auf, die sowohl mit dem

Phasenstellglied 7 als auch der Sende-/Empfangseinrichtung 6 verbunden ist. Damit ist es der Steuereinrichtung 8 möglich, durch Einstellung unterschiedlicher Phasenlagen der Signale auf den benachbarten Einzelstrahlern 1 , hier die in x-Richtung benachbarten

Einzelstrahler 1 , die Abstrahlungscharakteristik in x-Richtung auszulenken.

Dazu ist die Phasendifferenz benachbarter Einzelstrahler Αφ = ^ d sm 0o.

Eine Auslenkung in y-Richtung ist nicht vorgesehen. Im Zusammenwirken mit einer Drehung der Antennenapertur auf dem Drehteller 13 (und ggf. einem leichten Kippen der

Antennenapertur) kann damit die Abstrahlungscharakteristik auf beliebige Winkel

ausgerichtet werden. Bei einer auf einem Flugzeug montierten Antenne ist damit eine extrem kompakte Bauform ermöglicht, die durch fehlende großvolumige Kippelemente flach ist und auf ein voluminöses Radom verzichten kann. Gleichzeitig wurden durch die Gestaltung der Störstellen und der Lamellenstruktur 4 störende Resonanzen in der Aperturfläche vermieden, so dass sich eine hohe Effizienz und damit ein maximaler Antennengewinn auch über große Schwenkbereiche der Abstrahlungscharakteristik ergeben.

Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Einzelstrahlern 1 ist es schwierig, ein Speisenetzwerk 5 zu integrieren. Durch die größeren Abstände der Einzelstrahler 1 in y-Richtung und die durch die Lamellenstruktur 4 großflächigen Abstrahlung und kurzen offen Hohlleiterstücke statt Hornstrahlern war es möglich, in einem kleinen Bauraum das Speisenetzwerk 5 zu integrieren und trotzdem den Antennengewinn hoch zu halten.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Einzelstrahler

2 Trennwand

3 Störstelle

4 Lamellenstruktur

5 Speisenetzwerk

6 Sende-/Empfangseinrichtung

7 Phasenstellglied

8 Steuereinrichtung

9 Einkopplung

10 Rille

1 1 Dielektrikum

12 Vorsprung im Dielektrikum 13 Drehteller

21 , 22 Trennwände

R Abstrahlungsrichtung D Drehachse

H, V Polarisationsrichtungen λ Wellenlänge

bs Breite der Störstelle h Höhe der Störstelle t Tiefe der Rille

br Breite der Rille

d Wandstärke der Trennwand