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Dokumentenidentifikation DE60112335T2 24.05.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001417733
Titel PHASENGESTEUERTE GRUPPENANTENNE MIT SPANNUNGSGESTEUERTEM PHASENSCHIEBER
Anmelder Paratek Microwave, Inc., Columbia, Md., US
Erfinder CHEN, Shuguang, Ellicott City, US;
DIFONZO, F., Daniel, Rockville, US;
EKELMAN, P., Ernest, Damascus, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60112335
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.08.2001
EP-Aktenzeichen 019640812
WO-Anmeldetag 16.08.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/25646
WO-Veröffentlichungsnummer 0003017422
WO-Veröffentlichungsdatum 27.02.2003
EP-Offenlegungsdatum 12.05.2004
EP date of grant 27.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2006
IPC-Hauptklasse H01Q 3/36(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01P 1/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Funkfrequenzantennen und insbesondere phasengesteuerte Gruppenantennen.

Terrestrische Richtfunk- und Satellitenkommunikationssysteme werden schnell eingesetzt, um Kommunikationsbedürfnisse zu befriedigen. In diesen Systemen sind, um eine Funkkommunikationsverbindung zwischen einer festen Station auf der Erde oder an einem Satelliten und einer Mobilstation, wie etwa einem Auto oder Flugzeug, sicherzustellen, Antennensysteme mit Schwenkstrahlen zur praktischen Anwendung gebracht worden. Eine Schwenkstrahlantenne ist eine Antenne, die ihre Strahlrichtung verändern kann, normalerweise zum Zweck der Aufrechterhaltung einer Funkverbindung, zum Beispiel zu einem Turm oder Satelliten, wenn ein mobiles Endgerät sich bewegt und seine Richtung ändert. Eine weitere Anwendung einer Schwenkstrahlantenne besteht bei einer terrestrischen Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung, wobei die Strahlen einer Zentralantenne oder einer entfernt angeordneten Antenne dynamisch auf unterschiedliche Standorte gerichtet werden müssen.

Die meisten Schwenkstrahlantennen, die heutzutage kommerziell verwendet werden, werden mechanisch gesteuert. Das hat einige Nachteile, nämlich begrenzte Strahlschwenkgeschwindigkeit wie auch begrenzte Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der mechanischen Bauelemente, wie etwa Motoren und Getriebe.

Elektronisch gesteuerte Antennen werden mit dem Bedarf an Daten, Sprach- und Videokommunikation höherer Geschwindigkeit durch Satellitenkommunikationssysteme auf geostationären Erdumlaufbahnen (GEO), mittleren Erdumlaufbahnen (MEO) und niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO) sowie durch terrestrische Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Richtfunkkommunikationssysteme immer wichtiger. Außerdem können neue Anwendungen, wie etwa Kraftfahrzeugradar zur Kollisionsvermeidung, von Antennen mit elektronisch gesteuerten Strahlrichtungen Gebrauch machen.

Phasengesteuerte Gruppenantennen sind bekannt dafür, solche elektronisch geschwenkten Strahlen bereitzustellen, und könnten eine attraktive Alternative zu mechanisch geschwenkten Antennen sein, weil sie folgende Merkmale haben: hohe Strahlschwenk-(Strahlnachführ-)Geschwindigkeit und geringe physische Abmessungen. Außerdem können phasengesteuerte Gruppenantennen mehrere Strahlen bereitstellen, so daß mehrere erwünschte Signale gleichzeitig ohne Antennenbewegung geschwenkt werden können.

Gruppenantennen arbeiten nach allgemein bekannten Prinzipien. In typischen Ausführungsformen enthalten sie elektronische Phasenschieber, die in benachbarten Primärstrahler eine Laufzeit- oder Phasenverschiebungsdifferenz bewirken, um die abgestrahlte Phasenfront zu neigen und dadurch Fernfeldstrahlen in verschiedenen Richtungen zu erzeugen, abhängig von den in den einzelnen Elementen oder, in manchen Fällen, Elementgruppen (Untergruppen) bewirkten Phasenverschiebungsdifferenzen. Die typischen Schaltungstopologien (Schaltbilder) von Gruppenantennen sind dem Fachmann bekannt.

Jedoch sind die derzeit verwendeten phasengesteuerten Gruppenantennen für die meisten kommerziellen Anwendungen zu teuer. Ihre Verwendung war bisher im allgemeinen auf relativ kleine Mengen von spezialisierten und teuren Systemen, wie etwa militärische, Luft- und Raumfahrtsysteme, beschränkt. Normalerweise verwenden phasengesteuerte Gruppen Hunderte oder Tausende von Primärstrahlern und eine entsprechend hohe Anzahl von Phasenschieber-Elementen. Deren Kosten sind proportional zur Anzahl der Elemente und der Anzahl der aktiven elektronischen Bauelemente, wie etwa Verstärker und Phasenschieber.

Außerdem haben herkömmliche Phasenschieber nach Stand der Technik, wie etwa MEMS, MMIC, PIN-Dioden oder Ferritelemente, einen hohen Einfügungsverlust, der bei hohen Frequenzen im allgemeinen die Verwendung von Verstärkern an den Gruppenelementen erfordert. Solche aktiven Anordnungen sind sehr teuer, und ihre Verwendung ist auf Anwendungen geringer Größe und hoher Leistung beschränkt, wo die Kosten nicht das ausschlaggebende Kriterium sind.

Abstimmbare ferroelektrische Materialien sind die Materialien, deren Permittivität (gemeinhin als dielektrische Konstante bezeichnet) verändert werden kann, indem die Stärke eines elektrischen Feldes verändert wird, dem die Materialien ausgesetzt oder in das sie eingetaucht sind. Obwohl diese Materialien in ihrer paraelektrischen Phase oberhalb der Curie-Temperatur arbeiten, werden sie gewöhnlich als "ferroelektrisch" bezeichnet, da sie bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur spontane Polarisation aufweisen. Typische abstimmbare ferroelektrische Materialien sind Barium-Strontium-Titanat (BST) oder BST Verbundstoffe.

Dielektrische Materialien, darunter Barium-Strontium-Titanat, werden im US-Patent Nr. 5312790 von Sengupta et al. mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Material"; US-Patent Nr. 5427988 von Sengupta et al. mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-CSTO-MgO"; US-Patent Nr. 5486491 von Sengupta et al. mit dem Titel "Ceramic ferroelectric composite material – BSTO-ZrO2"; US-Patent Nr. 5635434 von Sengupta et al. mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-Magnesium Based Compound"; US-Patent Nr. 5830591 von Sengupta et al. mit dem Titel "Multilayered Ferroelectric Composite Waveguides"; US-Patent Nr. 5846893 von Sengupta, et al. mit dem Titel "Thin Film Ferroelectric Composites and Method of Making"; US-Patent Nr. 5776697 von Sengupta et al. mit dem Titel "Method of Making Thin Film Composites"; US-Patent Nr. 5693429 von Sengupta et al. mit dem Titel "Electronically Graded Multilayer Ferroelectric Composites"; und US-Patent Nr. 5635433 von Sengupta mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-CSTO-ZnO" offenbart. Diese Patente werden hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Eine gleichzeitig anhängige, auf denselben Anmelder übertragene US-Patentanmeldung mit dem Titel "Electronically Tunable Ceramic Materials Including Tunable Dielectric and Metal Silicate Phases" von Sengupta, eingereicht am 15. Juni 2000, offenbart zusätzliche weitere dielektrische Materialien und wird ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen. Die in diesen Patenten dargestellten Materialien, insbesondere BSTO-MgO-Verbundstoffe, weisen niedrige dielektrische Verluste und hohe Abstimmbarkeit auf. Die Abstimmbarkeit ist als die minimale Änderung der dielektrischen Konstante mit der angelegten Spannung definiert. Diese einmaligen Eigenschaften machen diese Materialien für Richtfunkanwendungen, wie etwa Phasenschieber, abstimmbare Filter, abstimmbare Resonatoren und Verzögerungsleitungen, geeignet.

US-Patent Nr. 5617103 offenbart eine ferroelektrische Phasenverschiebungs-Antennenanordnung, die ferroelektrische Phasenverschiebungs-Bauelemente nutzt. Die in diesem Patent offenbarten Antennen nutzen eine Struktur, bei der ein ferroelektrischer Phasenschieber auf einem einzelnen Substrat mit mehreren Patch-Antennen integriert ist. Die in diesem Patent offenbarte Struktur läßt möglicherweise den engen Abstand zwischen Primärstrahlern nicht zu, der für Antennen, die bei hohen Frequenzen arbeiten, erforderlich ist. Weitere Beispiele von phasengesteuerten Gruppenantennen, die elektronische Phasenschieber verwenden, finden sich in den US-Patenten Nr. 5079557; 5218358; 5557286; 5589845; 5617103; 5917455; 5940030 sowie 5721194.

Eine bekannte Art von Phasenschieber ist der Mikrostreifenleitungs-Phasenschieber. Beispiele für Mikrostreifenleitungs-Phasenschieber, die abstimmbare dielektrische Materialien nutzen, sind in den US-Patenten Nr. 5212463; 5451567 und 5479139 dargestellt. Diese Patente offenbaren Mikrostreifen-Leitungen, die mit einem mittels Spannung abstimmbaren ferroelektrischen Material bestückt sind, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der leitungsgebundenen elektromagnetischen Welle zu verändern.

Wenngleich die Schwenkstrahlantennen im allgemeinen imstande sein müssen, ihre Strahlen in beliebige Richtungen über den Bereich eines bestimmten Winkels zu bewegen, der als Sichtfeld oder Gesichtsfeld bezeichnet wird, gibt es viele Anwendungen, wo die Vereinfachung einer eindimensionalen Strahlbewegung oder -schwenkung erwünscht ist.

Was für wettbewerbsfähige Satelliten- und/oder terrestrische Systeme notwendig ist, ganz gleich, ob für Satellitenkommunikation, kommerzielle Radaranwendungen (wie etwa für Kraftfahrzeuge) oder für terrestrische Kommunikationsanwendungen, ist eine phasengesteuerte Gruppenantenne, die die Merkmale elektronischer Strahlschwenkung hat, jedoch relativ kostengünstig ist. Eine Gruppe, die elektronische Strahlschwenkung unter Verwendung von Phasenschiebern mit niedrigen Kosten und niedrigem Einfügungsverlust erzielen kann, würde ein Bedürfnis erfüllen, das von herkömmlichen Phasenschiebern nicht befriedigt werden kann. Eine solche Antenne ist Gegenstand dieser Erfindung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine phasengesteuerte Gruppenantenne bereit, wie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 15 ausgeführt wird.

Die vorliegende Erfindung umfaßt phasengesteuerte Gruppenantennen, die Strahlen erzeugen, die in einer Dimension (eindimensional) oder in zwei Dimensionen (zweidimensional) unter Verwendung kontinuierlich einstellbarer Phasenschieber geschwenkt werden können, die auf mittels Spannung abstimmbaren dielektrischen Materialien mit niedrigen Kosten und niedrigem Verlust beruhen. Solche Antennen haben viele Anwendungen, einschließlich terrestrischer drahtloser Richtfunkkommunikation, Radar und Satellitenkommunikation, ohne darauf beschränkt zu sein.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung einer eindimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantennen gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Richtcharakteristik;

2 ist eine schematische Darstellung des Speisungssystems der Antenne in 1;

3 ist eine schematische Darstellung der Phasensteuereinrichtung der Antenne in 1;

4 ist eine schematische Darstellung der in 1 dargestellten Primärstrahlergruppe;

5 ist eine schematische Darstellung einer eindimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Richtcharakteristik;

6 ist eine schematische Darstellung einer schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

7 ist eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 ist eine Explosionsdarstellung der Gruppe aus 7;

9a und 9b sind schematische Darstellungen der Primärstrahler-Anordnungen für eine ebene Gruppe;

10a, 10b und 10c sind schematische Darstellungen einer zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

11 ist ein Beispiel eines Phasenverschiebungselements vom Reflexionstyp, das in der Antenne aus 10a, 10b und 10c verwendet werden kann.

12 ist eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Phasenschiebers, der in den Antennen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

13 ist eine Schnittansicht des Phasenschiebers aus 12 entlang der Linie 13-13;

14 ist eine isometrische Ansicht des Phasenschiebers aus 12;

15 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Mikrostreifen-Phasenschiebers, der in den Antennen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und

16 ist eine Schnittansicht des Phasenschiebers aus 12 entlang der Linie 16-16.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In den Beschreibungen, die nun folgen, finden die Merkmale der Antenne Anwendung, ganz gleich, ob sie zum Senden oder Empfangen verwendet wird. Eine passive Wechselantenne hat bekanntlich die gleichen Eigenschaften für die Empfangs- wie für die Sendebetriebsart. Deshalb wird sich aus einer Beschreibung, die sich sowohl auf die eine oder die andere Betriebsart bezieht, keine Verwechslung ergeben, und für den Fachmann ist verständlich, daß die Erfindung nicht auf die eine oder die andere Betriebsart beschränkt ist.

Mit Bezug auf die Zeichnungen ist 1 eine schematische Darstellung einer eindimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne 20 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Richtcharakteristik 22. Diese Antenne schwenkt einen Richtstrahl in horizontaler Richtung, indem sie die Phase der den einzelnen Strahler-Untergruppen zugeführten elektromagnetischen Energie elektronisch ändert.

Die eindimensionale schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne weist einen RF-Signaleingangsanschluß 24, ein Controller 26, ein Speisungssystem 28, eine Phasensteuereinrichtung einschließlich einer Vielzahl von Phasenschiebern 30 und eine Primärstrahlergruppe 32 auf. Die Primärstrahlergruppe weist eine Vielzahl von Untergruppen 34, 36, 38 und 40 auf. Jede Untergruppe weist eine Vielzahl von Primärstrahlern 42 auf, die durch Speiseleitungen 44 verbunden sind und auf einem geerdeten verlustarmen dielektrischen Substrat 46 angeordnet sind.

Für jede Untergruppe in der Primärstrahlergruppe 32 kann die Phase gesteuert werden, um eine erwünschte Strahlrichtung in der Ebene senkrecht zur Untergruppe, das heißt, der y-z-Ebene, zu erhalten. In 1 ist die Strahlrichtung in y-z-Ebene veränderbar. Die Richtcharakteristik 22 kann ihre Strahlrichtung in der y-z-Ebene mit einem fest konzipierten Muster in der x-z-Ebene, zum Beispiel eine Cosec-Quadrat- und eine Bleistiftstrahl-Charakteristik, elektronisch verändern.

2 ist eine schematische Darstellung des Speisungssystems, das in der in 1 dargestellten eindimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne verwendet wird. Ein Funkfrequenz-(RF-)Signal wird in den Eingangsanschluß 24 der eindimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne eingespeist. Die Signalleistung wird durch Teiler 48, 50 und 52 in mehrere Teile aufgeteilt. Die Teiler können auch als Kombinator oder Splitter bezeichnet werden, abhängig davon, ob die Antenne als eine Empfangsantenne oder als eine Sendeantenne betrachtet wird. Die mehreren Signale, die die Teiler in Übertragungsleitungen 54 durchlaufen, werden in mehrere Untergruppenelemente eingespeist. Solche Übertragungsleitungen können viele bekannte Formen haben, wie etwa Wellenleiter oder, wie hier dargestellt, Mikrostreifen-Leitungen (koplanare Leitungen oder Streifenleitungen). Der Teiler (Kombinator oder Splitter) zusammen mit den Mikrostreifen-Leitungen (koplanare Leitungen oder Streifenleitungen) ist vorzugsweise in das verlustarme dielektrische Substrat 56 geätzt. Die Leistung der RF-Signale kann in gleiche oder ungleiche Beträge unterteilt werden und für eine erwünschte Richtcharakteristik in der Schwenkebene an die Phasenschieber übergeben werden. Jeder Anschluß des Speisungssystems 28 in 2 sollte eine gute RF-Impedanzanpassung an die Phasenschieber im Phasensteuersystem haben. Wenngleich 2 ein bevorzugtes Speisungssystem darstellt, können andere allgemein bekannte Speisungsverfahren verwendet werden und sind in den zuvor erwähnten Dokumenten beschrieben.

3 ist eine schematische Darstellung der in 1 dargestellten Phasensteuereinrichtung. Die Phasensteuereinrichtung 30 in 3 weist vier Mikrostreifenleitungs-Phasenschieber 58 auf, die jeweils zwei Anschlüsse 60 und 62 haben, wovon einer ein Eingang und der andere ein Ausgang ist, abhängig davon, ob die Antenne in der Sende- oder Empfangsbetriebsart arbeitet. Abstimmelemente 64 und 66 sind an jedem Anschluß vorgesehen. Die Mikrostreifen-Leitungen sind auf einem Verbundwerkstoff-Substrat 68 angeordnet, das eine mittels Spannung abstimmbare dielektrische Schicht 70 enthält. Vorspannungselektroden 72 werden auf dem Verbundwerkstoff Substrat bereitgestellt, um eine Steuerspannung an das abstimmbare dielektrische Material anzulegen. Eine Masseebene 74 ist ebenfalls vorhanden. Der Controller 26 steuert die Vorspannung, die an das abstimmbare dielektrische Material angelegt wird, durch Steuerleitungen 76, um die Phasenverschiebung eines Signals zu steuern, das die Phasenschieber durchläuft.

Die Mikrostreifen-Leitungen können durch verschiedene Arten von Übertragungsleitungen ersetzt werden, wie etwa koplanare Leitungen, Streifenleitungen, eine Fin-Leitung oder andere RF-Übertragungsleitungen. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, werden diese Mikrostreifen-Leitungen direkt durch die mittels Spannung abstimmbare dielektrische Schicht getragen, die wiederum von einer herkömmlichen nichtabstimmbaren verlustarmen dielektrischen Schicht oder derselben abstimmbaren dielekirischen Schicht getragen wird. Der Mikrocontroller 26 steuert die Phasenschieber über die Steuerleitungen 76, um kontinuierlich eine Phasenverschiebung von 0 Grad bis 360 Grad für jeden Phasenschieber zu ermöglichen. Die aufgeteilten getrennten mehreren RF-Signale werden so gesteuert, daß sie eine vorgeschriebene Amplitude und Phase haben, bevor sie in jede Untergruppe der Primärstrahler eingespeist werden. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse jedes Phasenschiebers in 30 sollten eine gute RF-Anpassung an das Speisungssystem 28 und die Primärstrahler in der zugeordneten Untergruppe von Primärstrahlern 42 haben.

4 ist eine schematische Darstellung der in 1 dargestellten Primärstrahlergruppe. Es gibt in 4 vier Untergruppen 34, 36, 38 und 40. Jede Untergruppe wird durch einen Untergruppen-Eingangsanschluß 78 versorgt. Jede Spalte der Untergruppe kann eine beliebige Anzahl von Primärstrahlern 42 haben, die durch Speiseleitungen 44 verbunden sind. Die Untergruppen können für verschiedenen Zwecke ausgelegt sein, etwa um eine feste Richtcharakteristik in der vertikalen Ebene, das heißt, der x-z-Ebene, bereitzustellen. Die Primärstrahler 42 in 4 sind als Mikrostreifen-Patches dargestellt. Die in 4 dargestellten Speiseleitungen 44 sind Mikrostreifen-Leitungen. Sowohl die Primärstrahler 42 als auch die Speiseleitungen 44 sind in ein geerdetes verlustarmes dielektrisches Substrat 46 geätzt.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte exakte Struktur beschränkt ist. Zum Beispiel können auch andere bekannte Primärstrahler, wie etwa gedruckte Dipolelemente, Schlitzelemente, Wellenleiter-Elemente, Spiralelemente, und andere Arten von Speiseleitungen, wie etwa koplanare Leitungen, Streifenleitungen, Fin-Leitungen und so weiter verwendet werden.

Die Anzahl der Untergruppen in der Primärstrahlergruppe 32 ist die gleiche wie die Anzahl der Phasenschieber im Phasensteuersystem 30. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Untergruppen sollte im Bereich von 0,5 bis 1 der Arbeitswellenlänge der Signale liegen, die durch die Antenne zu senden und/oder zu empfangen sind, um einen hohen Gewinn ohne Gitterkeulen zu erhalten. Die Kriterien für die Auswahl des Elementabstands sind bekannt. Um den erwünschten Abstand der Primärstrahler zu erhalten, befinden sich die Phasenverschiebungselemente der Antennen dieser Erfindung nicht in der von den Primärstrahlern besetzen Ebene. Jeder Eingangsanschluß 78 einer Untergruppe in der Primärstrahlergruppe 32 sollte eine gute RF-Impedanzanpassung an jeden Phasenschieber durch RF-Leitungen haben, wie etwa Mikrostreifen-Leitungen, Kabel, Streifenleitungen, Fin-Leitungen, koplanare Leitungen, Wellenleiter und so weiter.

Durch elektronischen Abgleich der Phase und Amplitude der Speisungsleistung, die in jede Untergruppe durch den Eingangsanschluß 78 eingespeist wird, können die abstimmbaren Richtcharakteristiken in der y-z-Ebene (horizontal), wie die in 1 dargestellte, erhalten werden.

Die oben beschriebene eindimensionale schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne hat eine Richtcharakteristik mit einer festen Strahlform und -breite in einer Ebene (zum Beispiel der vertikalen Ebene) und einen schwenkenden Strahlungsstrahl in einer anderen Ebene (zum Beispiel der horizontalen Ebene). Diese eindimensionale schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne kann bei terrestrischer drahtloser Richtfunkkommunikation und Satellitenkommunikationssystemen angewendet werden.

5 ist eine schematische Darstellung einer Explosionsdarstellung einer eindimensionalen schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Richtcharakteristik. In der Ausführungsform von 5 wird ein RF-Signal an den Eingang 80 angelegt und durch ein Netzwerk 82 von Teilern 84 aufgeteilt, um eine Vielzahl von Signalen auf Übertragungsleitungen 86 zu erzeugen. Der Leistungsteiler kann eine von vielen akzeptablen Arten mit Mikrostreifen-Leitungen, koplanaren Leitungen, Wellenleiter-Leitungen, Schlitzleitungen, Streifenleitungen und Kabeln sein, die die RF-Leistung in mehrere Ausgänge teilt, um die Phasenschieber mit einem geringen Verlust zu versorgen.

Ein Phasenverschiebungs-Netzwerk 88 weist eine Vielzahl von Phasenschiebern 90 auf, die die Signale auf den Übertragungsleitungen empfangen. Ein Controller 92 in Form eines Personalcomputers legt eine Vorspannung an die Phasenschieber an, um phasenverschobene Signale auf Leitungen 94 zu erzeugen. Der Betrag der Phasenverschiebung für jeden Phasenschieber wird durch den Controller berechnet und gesteuert. Die Leitungen 94 sind mit einer Vielzahl von Speiseleitungen 96 in einer Speiseleitungsanordnung 98 verbunden. Eine Schlitzmatrix 100 ist nahe der Speiseleitungsanordnung positioniert, um die Signale von den verschiedenen Elementen in der Speiseleitungsanordnung an die Primärstrahlern 102 in der Primärstrahleranordnung 104 zu übermitteln, wodurch eine Richtcharakteristik 106 erzeugt wird. Durch Veränderung der Phase der an die Primärstrahler angelegten Signale kann die Richtcharakteristik in horizontaler Richtung geschwenkt werden.

In der Primärstrahleranordnung von 5 werden acht Spalten von Untergruppen durch acht Phasenschieber angeregt. Für jede Untergruppe speisen Mikrostreifen-Speiseleitungen durch Schlitze in der Schlitzmatrix, die auf ein geerdetes Substrat geätzt sind, 16 Primärstrahler. Die Beispiel-Primärstrahler sind kreisförmige Mikrostreifen-Patches, obwohl andere Arten von Primärstrahlern verwendet werden können. Diese Primärstrahler strahlen eine vertikale linear polarisierte Richtcharakteristik in der x-z-Ebene in Cosec-Quadrat-Strahlform ab, während sich die Strahlrichtung in der y-z-Ebene durch elektronische Phasenverschiebung der geteilten Komponenten des Eingangssignals von –90 Grad bis +90 Grad ändern kann.

6 ist eine weitere vereinfachte schematische Darstellung einer zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne 108 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein RF-Signal wird an den Eingang 110 angelegt. Ein Teiler (nicht dargestellt) teilt das Eingangssignal in mehrere Komponenten, die an eine Vielzahl von Phasenschiebern übergeben werden. Der Teiler kann von der Art einer Mikrostreifen-Leitung sein, die direkt mit abstimmbaren Phasenschiebern aus koplanaren Leitungen verbunden ist. Ein Controller 112 legt Vorspannungen auf Leitungen 114 an ein Netzwerk aus ferroelektrischen Phasenschiebern 116 an, um die Phase der Signale auf den Leitungen 118 zu steuern. Die abstimmbaren Phasenschieber aus koplanaren Leitungen sind mit den Untergruppen-Primärstrahlern verbunden. Die Verbindung kann über ein Loch, eine Schlitzkopplung, eine Aperturkopplung oder andere Mittel erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Leitungen 118 mit Anschlüssen 120 in einer Speiseleitungsanordnung 122 verbunden, um Signale zu erzeugen, die an eine Gruppe 124 von Primärstrahlern 126 gekoppelt werden. In diesem Fall werden die Phasenverschiebungen in benachbarten Elementen (Strahler) so ausgeübt, daß die Phasenfront des von den Primärstrahlern ausgestrahlten Ausgangssignals in eine beliebige Richtung relativ zur Gruppenoberfläche geneigt ist. Dies kann man sich so vorstellen, daß die Neigungssteuerung getrennt wird, so daß die Primärstrahler entlang einer Richtung in der Gruppe bewirken, daß eine Phasenfront sich in einer Ebene neigt, während gleichzeitig die Phasensteuerung von Elementen in einer orthogonalen Richtung in der Gruppe durchgeführt wird, um eine Phasenfrontneigung in einer orthogonalen Ebene zu erzeugen. Wie bei den eindimensionalen Antennen weist die Erfindung eine einzigartige Phasensteueranordnung und Zufhr der Steuerspannungen zu den Phasenschiebern auf.

Es gibt zwei Schichten von Primärstrahlern in der Primärstrahlergruppe. Die obere Schicht ist die Primärstrahler-Patchgruppe 124, während die untere Schicht eine Patchgruppe 128 in der Speiseleitungsanordnung 122 ist. Die Patches in den beiden Schichten sind kreisförmige Mikrostreifen-Patches, die eine vertikal polarisierte Welle mit großer Bandbreite ausstrahlen können. Jede Art von Mikrostreifen-Patches, die linear polarisierte und/oder zirkular polarisierte Wellen ausstrahlt, kann in dieser Erfindung verwendet werden.

7 ist eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne 130 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 stellt ein weiteres Beispiel einer phasengesteuerten Gruppe dar, die in beiden Winkelrichtungen geschwenkt werden kann, zum Beispiel Azimut und Elevation. 7 stellt einen radialen Wellenleiter 132 dar und wird in der Sendebetriebsart beschrieben, obwohl, wie erwähnt, die Eigenschaften für die Empfangsbetriebsart identisch sind. Leistung wird in den zentralen Verbinder 134 eingespeist und durch Ausbreitung zwischen den parallelen Platten 136, 138 verteilt. Die Platte 138 dient als Masseebene. Die Schlitze 140 in der oberen Platte 138 koppeln Energie in die Schicht 142 ein, die die Phasenschieber 144 und Steuerleitungen 146 umfaßt. Diese Leitungen sind mit den Primärstrahler-Patchelementen 148 auf der äußeren Oberfläche 150 gekoppelt, und die an diese Strahler angelegten Signale werden phasengesteuert, um in eine spezifische Richtung auszustrahlen. Die Phasen, die notwendig sind, um einen Strahl in einer gegebenen Richtung zu erzeugen, sind durch vorhergehende Kalibrierung oder Analyse bekannt und können einfach im Speicher einer geeigneten Steuerschaltung (nicht dargestellt) gespeichert werden. 8 ist eine Explosionsdarstellung der Antenne aus 7, die die beschriebenen Elemente deutlicher darstellt.

9a und 9b stellen Beispielanordnungen von Primärstrahlern 152 und 154 für ebene Gruppen 156 beziehungsweise 158 dar. Man wird ohne weiteres anerkennen, daß andere Anordnungen möglich sind und die Gruppen nicht unbedingt eben sein müssen.

10a, 10b und 10c sind schematische Darstellungen einer zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantenne 160, die gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In der Gruppenantenne 160 fungieren die Gruppenelemente und Phasenschieber als Reflexionsvorrichtungen. Eine Speisungsantenne 162, wie etwa ein Hornstrahler, oder eine andere entsprechend strahlende Antenne strahlt Energie zur Gruppenoberfläche 164 ab. Jedes Patchelement 166 an der Gruppenoberfläche koppelt diese Energie in einen Reflexions-Phasenschieber 168. Die Patchelemente koppeln die Energie in die rückseitige Schicht 170, und die Energie tritt in die Phasenschieber ein, die so abgeschlossen sind (zum Beispiel in einer Leerlauf- oder Kurzschlußschaltung), daß sie die Energie zurück zum Koppler 172 reflektieren und von dort zur vorderen Oberfläche, wo sie abgestrahlt wird. Durch Anlegen der geeigneten Steuerspannung auf Leitung 174 und 176 an die Phasenverschiebungselemente kann bewirkt werden, daß die reflektierte Energie von jedem der Phasenschieber eine geneigte Phasenfront 178 und somit einen geschwenkten Strahl erzeugt.

In 10a, 10b und 10c ist eine phasengesteuerte Reflexions-Gruppenantenne dargestellt, in der ein Speisungs-Hornstrahler zuerst die Patchstrahler der Gruppe anstrahlt. Die Patches koppeln ihre Energie in eine zweite Schicht, die die Übertragungsleitungen und Phasenschieber vom Reflexionstyp umfaßt. Diese Energie durchläuft die Übertragungsleitung, erfährt Totalreflexion, zum Beispiel an einem offenen Stromkreisende, durchläuft erneut die Übertragungsleitung auf ihrem Weg zurück zur höchsten Schicht und wird durch die gleichen Patches der höchsten Schicht in eine Richtung, die von den Phasenverschiebungen von den spannungsgesteuerten Phasenschiebern bestimmt wird, in den Raum gestrahlt.

Alternativ kann die Grundstruktur von 10a, 10b und 10c verwendet werden, um eindimensionale und zweidimensionale Schwenkantennen aufzubauen, wobei die grundlegende Topologie die einer Linse ist. Eine solche Struktur kann realisiert werden, wenn zum Beispiel die Reflexionsschicht in 10a, 10b und 10c eine Übertragungsschicht ist und die abgestrahlte Energie die Gruppe und Phasenschieber durchläuft, um den "Boden" der Vorrichtung anzustrahlen.

11 stellt eine besondere Ausführungsform eines Phasenschiebers 180 vom Reflexionstyp dar, wobei die RF-Energie eine Übertragungsleitung 182 durchläuft, auf ein offenes Stromkreisende 184 trifft und eine Phasenverschiebung erfährt, die vom mittels Spannung abstimmbaren Material 186 und der daran angelegten Steuer-Gleichspannung abhängt.

12 ist eine Draufsicht eines Phasenschiebers 188, der in den Antennen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 13 ist eine Querschnittsansicht des Phasenschiebers aus 12 entlang der Linie 13-13, und 14 ist eine isometrische Ansicht des Phasenschiebers aus 12. Der Phasenschieber arbeitet nach dem Prinzip der Verwendung einer mittels Spannung abstimmbaren dielektrischen Schicht 190 als Teil eines dielektrischen Verbundwerkstoffs, der den Mikrostreifen trägt. Durch die besondere Anordnung der Vorspannungselektroden 192 und 194 sind keine Schaltungen für die galvanische Hochspannungstrennung mehr notwendig. Der Phasenschieber kann über einen großen Frequenzbereich von 500 MHz bis 40 GHz verwendet werden.

Der Phasenschieber ist ein Bauelement mit zwei Anschlüssen, mit Anschlüssen 196 und 198 für Eingang und/oder Ausgang einer leitungsgebundenen elektromagnetischen Welle. Es umfaßt eine Mikrostreifen-Leitung 200, Anpassungsnetzwerke 202 und 204 an jedem Anschluß und ein Verbundwerkstoff Substrat 206, das die mittels Spannung abstimmbare dielektrische Schicht 190 trägt. Die in dieser Erfindung verwendete mittels Spannung abstimmbare Schicht in den Phasenschiebern kann aus den dielektrischen Materialien bestehen, die in den vorher erwähnten Patenten und der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung, die durch Bezugnahme aufgenommen worden sind, offenbart sind.

Die Mikrostreifen-Leitung 200, ein leitender Streifen, der vorzugsweise aus Kupfer besteht, wird direkt durch die erste dielektrische Schicht 190 getragen, die die mittels Spannung abstimmbare Schicht ist. Die erste dielektrische Schicht 190 selbst wird wiederum von einer zweiten dielektrischen Schicht 206 getragen, die entweder eine herkömmliche nichtabstimmbare verlustarme dielektrische Schicht sein kann oder aus dem gleichen Material wie die erste dielektrische Schicht bestehen kann. Die Vorspannungselektroden 192 und 194 werden zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht eingefügt, auf jeder Seite des Mikrostreifens, so daß ein Schlitz 208 direkt unterhalb der Mikrostreifen-Leitung verbleibt, der breiter ist als die Mikrostreifen-Leitung selbst. Das zweite Dielektrikum wird von einer ersten leitenden Masseebene 210 getragen, die vorzugsweise aus einem hochleitfähigen Leiter, wie etwa Kupfer, gefertigt ist.

Die Anpassungsnetzwerke 202 und 204, die die Form von Viertelwellen-Anpassungsgliedern oder -Mikrostreifen-Schaltungen haben können, werden von einer dritten herkömmlichen nichtabstimmbaren dielektrischen Schicht 210 getragen, die von einer zweiten Masseebene 212 getragen wird, die elektrisch mit der ersten Masseebene verbunden ist. Die dritte dielektrische Schicht sollte vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die zweite dielektrische Schicht bestehen und könnte somit ein durchgehendes Schichtmaterial bilden. Die erste und zweite Masseebene sollten vorzugsweise ebenfalls eine durchgehende Masseebene bilden.

Die Anpassungsnetzwerke sind elektrisch mit der Mikrostreifen-Leitung verbunden. Wenn die Mikrostreifen-Leitung nicht über einen elektrischen Gleichstrompfad außerhalb des physischen Bereichs des Phasenschiebers mit der Masseebene galvanisch verbunden ist, wie etwa über einen Mikrostreifen-Wellenleiter-Adapter, dann sollte eines der Anpassungsnetzwerke auch eine galvanische Verbindung 214 zu Masse mit einer RF-Sperre umfassen. Letztere könnte die Form einer kurzgeschlossenen Viertelwellenlängen-Stichleitung oder eines hoch induktiven Drahtes (RF-Drossel), die die Schaltung mit der Masseebene verbinden, haben.

Die Anpassungsnetzwerke dienen dazu, sicherzustellen, daß eine leitungsgebundene elektromagnetische Welle, die in einen Anschluß eintritt (definiert als der Eingangsanschluß), mit minimalen Restreflexionen an jedem Anschluß in den Phasenschieber eintritt und ihn am anderen Anschluß (Ausgang) verläßt. Der Mikrostreifen und die Masseebene werden auf Spannung null gehalten, während die Vorspannung an die Elektroden angelegt wird. Die Vorspannung verursacht ein elektrisches Gleichfeld in dem mittels Spannung abstimmbaren Dielektrikum, das die dielektrische Permittivität des Mediums beeinflußt. Auf diese Weise kann die dielektrische Permittivität des mittels Spannung abstimmbaren Dielektrikums durch die Vorspannung gesteuert werden. Da die Geschwindigkeit der leitungsgebundenen Welle umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der effektiven dielektrischen Permittivität des Mediums rings um den Streifen ist, kann die Vorspannung verwendet werden, um die Geschwindigkeit der leitungsgebundenen Welle zu steuern. Deswegen steuert sie auch den Betrag der Phasenverzögerung am Ausgangsanschluß, wenn sie auf den Eingangsanschluß bezogen wird.

Da bestimmte Ausführungsformen der Phasenschieber für bestimmte Frequenzbereiche ausgeführt wären, wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, daß alle Bezugsgrößen für die Wellenlänge für die Mittenfrequenz der Ausführung gelten.

Die Anpassungsnetzwerke haben die Form von Mikrostreifen-Viertelwellenanpassungsgliedern 202, 204, die von der zweiten dielektrischen Schicht getragen werden. Die Anpassungsnetzwerke sind elektrisch mit der Mikrostreifen-Leitung über Metallstufen 216 und 218 an den Enden der ersten dielektrischen Schicht verbunden. Eine RF-Sperrschaltung 214 wird verwendet, um einen elektrischen Gleichstrompfad zwischen der Mikrostreifen-Leitung und der Masse bereitzustellen. Dies kann erreicht werden, indem das Viertelwellen-Anpassungsglied über eine kurzgeschlossene Viertelwellenlängen-Stichleitung, die einen sehr hohen charakteristischen Wellenwiderstand hat, mit der Masseebene verbunden wird. Die Vorspannung wird über Gleichspannungs-Speiseleitungen 220 und 222 an Vorspannungselektroden 192 beziehungsweise 194 angelegt.

Der Vorteil dieser Ausführungsform des Phasenschiebers besteht darin, daß sie im wesentlichen eine Breitband-Vorrichtung ist. Die Bandbreite ist nur durch die Anpassungsnetzwerke beschränkt, die der Einfachheit halber als Einzelstufen-Anpassungsglieder dargestellt sind. Mit mehrstufigen Anpassungsnetzwerken kann eine beliebige Bandbreite von bis zu einer Oktave oder mehr erreicht werden. Der Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß eine verhältnismäßig große Länge von Mikrostreifen für einen bestimmten Betrag von Phasenverschiebungs-Abstimmungsbereich notwendig ist. Das liegt daran, daß die Mikrostreifen-Leitung mit der Masseebene über einen dielektrischen Verbundwerkstoff gekoppelt ist, wobei nur eine der Schichten im Verbundwerkstoff abgestimmt wird.

15 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Mikrostreifen-Phasenschiebers, der in den Antennen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und 16 ist eine Querschnittsansicht des Phasenschiebers aus 15 entlang der Linie 16-16. Im Phasenschieber aus 15 und 16 bilden die Vorspannungselektroden eine zweite Masseebene für die Mikrostreifen-Leitung.

Der Phasenschieber aus 15 und 16 hat zwei Anschlüsse 226 und 228 für den Eingang und/oder Ausgang der leitungsgebundenen elektromagnetischen Welle. Er weist eine Mikrostreifen-Leitung 230, Viertelwellen-Anpassungsglieder 232, 234, eine Vorspannungselektrode/Mikrostreifen-Masseebene 236 sowie ein dielektrisches Verbundwerkstoff-Substrat mit einer mittels Spannung abstimmbaren dielektrische Schicht 238 und einer nichtabstimmbaren dielektrischen Schicht 240 auf. Die erste dielektrische Schicht wiederum wird von der Vorspannungselektrode 236 und der zweiten dielektrischen Schicht getragen, die vorzugsweise eine herkömmliche, nichtabstimmbare verlustarme dielektrische Schicht ist, zum Beispiel eine Keramik, wie etwa Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder ein anderes verlustarmes Material. Die Vorspannungselektrode befindet sich deshalb zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht, wobei sie eine "potentialfreie" Masseebene für die Mikrostreifen-Leitung bildet. Die zweite dielektrische Schicht wird von einer Masseebene 242 getragen, vorzugsweise aus einem hochleitfähigen Leiter, wie etwa Kupfer. Um Resonanzen in der potentialfreien Masseebene/Vorspannungselektrode zu vermeiden, sollte sie die Länge eines ungeradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge in bezug auf die zwischen ihr und der Masseebene gefangenen Wellen haben.

Die Anpassungsnetzwerke haben die Form von Mikrostreifen-Anpassungsgliedern 232, 234, die von der zweiten dielektrischen Schicht 240 getragen werden. Die Anpassungsnetzwerke sind über Metallstufen 242 und 244 an den Enden der ersten dielektrischen Schicht 238 elektrisch mit dem Mikrostreifen verbunden. Eine RF-Sperrschaltung 246 wird verwendet, um einen elektrischen Gleichstrompfad zwischen der Mikrostreifen-Leitung und der Masse 242 bereitzustellen. Dies wird erreicht, indem das Viertelwellen-Anpassungsglied 232 mit der Masseebene 242 über eine kurzgeschlossene Viertelwellenlängen-Stichleitung 246 verbunden sind, die eine sehr hohe charakteristische Wellenimpedanz hat.

Die Vorspannung wird über eine Speiseleitung 248 an die Vorspannungselektrode 236 angelegt. Diese Ausführungsform ist eine Schmalbandvorrichtung. Die Bandbreite ist auf eine beliebige Bandbreite unterhalb oder zwischen zwei der Resonanzfrequenzen der potentialfreien Masseebene 234 beschränkt. Diese Ausführungsform hat eine verhältnismäßig kurze Länge der Mikrostreifen-Leitung für einen bestimmten erforderlichen Betrag von Phasenverschiebungs-Abstimmbereich. Das liegt daran, daß der Mikrostreifen nur über die einzelne abstimmbare dielektrische Schicht 238 in die potentialfreie Masseebene 236 einkoppelt. Dieser Aufbau beseitigt den Bedarf an Schaltungen für die galvanische Hochspannungstrennung, um zu verhindern, daß die Vorspannung in mit dem Phasenschieber verbundenen empfindlichen RF-Schaltkreisen Schaden anrichtet.

Es ist anzuerkennen, daß gewisse Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den konzeptionellen Aufbau erheblich zu verändern. Um zum Beispiel die Metallstufen zwischen der Mikrostreifen-Leitung und den Abstimschaltkreisen in jeder Ausführungsform zu vermeiden, kann die erste dielektrische Schicht, die die Mikrostreifen-Leitung trägt, in die zweite dielektrische Schicht eingelassen werden, so daß sichergestellt ist, daß die Mikrostreifen-Leitung koplanar mit den Abstimmschaltkreisen ist.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen von eindimensionalen und zweidimensionalen schwenkphasengesteuerten Gruppenantennen können als Sektoren einer Zentralantenne in drahtlosen Punkt-zu-Mehrpunkt- oder Satellitenkommunikationssystemen verwendet werden. Sie sind auch, wie erwähnt, auf eine große Vielfalt an Kommunikations- und Radaranwendungen anwendbar. Sie könnten auch in Endgeräten zum Empfangen und Senden von Signalen zu Kommunikationssatelliten verwendet werden.

Die hier beschriebene Erfindung beruht auf Hochfrequenz-Technologie, wobei mittels Spannung abstimmbares verlustarmes dielektrisches Material für kontinuierlich einstellbare Phasenschieber verwendet wird. Ihre Phasenverschiebungen können über einen großem Bereich wie etwa 0 Grad (0°) bis 360 Grad (360°) eingestellt werden, indem einfach eine angelegte Gleichspannung gesteuert wird. Für jeden Primärstrahler ist nur ein Phasenschieber notwendig. Durch Anlegen von Phasenverschiebungen an Strahler kann die Strahlschwenkung in einer oder zwei Raumwinkel-Dimensionen bei relativ niedrigem Verlust und niedrigen Kosten erreicht werden, verglichen mit herkömmlichen phasengesteuerten Gruppenantennen, die digitale Phasenschieber und viele Steuerleitungen für volle zweidimensionale Strahlschwenkung verwenden.

Die eindimensionale schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne kann in der vertikalen Ebene einen geformten Strahl, wie etwa einen Cosec-Quadrat-Strahl, für den Versorgungsbereich bereitstellen. Diese Strahlform ist dafür bekannt, eine konstante Empfangsleistung für Endgeräte mit unterschiedlichen Entfernungen von der Zentralstation bereitzustellen. Sie kann auch eine Richtcharakteristik mit hohem Gewinn und schmalem Strahl mit einer veränderlichen Strahlungsrichtung in einer horizontalen Ebene für einen großen Versorgungsbereich bereitstellen. Die eindimnsionale schwenkphasengesteuerte Gruppenantenne ist besonders nützlich für Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-TDMA-Systeme.

Eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit verlustarmen spannungsgesteuerten Phasenschiebern kann dynamische Strahlsteuerung für ein terrestrisches Punkt-zu-Mehrpunkt-System bereitstellen, zum Beispiel indem die Strahlrichtung für jeden Burst in einem TDMA-System geändert wird. Antennen, die gemäß dieser Erfindung aufgebaut sind, können eine feste oder variable Amplituden- und Phasenverteilung für jeden Primärstrahler bereitstellen, um einen Ausgangsstrahl mit linearen Polarisations-, rechtszirkularen Polarisations- oder linkszirkularen Polarisationseigenschaften zu erzeugen.

Die zweidimensionalen Schwenkantennen sind in der Satellitenkommunikation anwendbar, insbesondere da, wo die Endgeräte Satelliten im Orbit verfolgen müssen, oder wenn es, auch bei geostationären Satelliten, notwendig ist, mit mehr als einem Satelliten an unterschiedlichen Standorten auf der Umlaufbahn zu kommunizieren. Solche Strahlsteuerung, die keine mechanische Bewegung erfordert, ist sehr attraktiv für kleine Kommunikations-Endgeräte, zum Beispiel auf Dächern von Wohnhäusern oder an Kleingewerbe-Standorten.

Während die Erfindung im Hinblick darauf beschrieben worden ist, was zur Zeit ihre bevorzugten Ausführungsformen sind, wird für den Fachmann offensichtlich, daß viele Änderungen an den bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) mit:

    einem Eingang (24);

    einem Speisungsnetzwerk (28), das mit dem Eingang (24) elektrisch gekoppelt ist;

    einer Vielzahl von Primärstrahlern (42);

    einer Vielzahl von kontinuierlich spannungsabstimmbaren Phasenschiebern (58) zum Empfangen von Signalen vom Speisungsnetzwerk (28) und zum Bewirken von Phasenverschiebungen für die Signale vor der Übertragung der Signale an die Primärstrahler (42), wobei jeder Phasenschieber (58) aufweist:

    eine Mikrostreifen-Leitung (200), die auf einem Verbundwerkstoff Substrat (206) mit einer abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) angeordnet ist;

    einen ersten und zweiten Anschluß (226, 228), die jeweils an einem ersten bzw. zweiten Ende der Mikrostreifen-Leitung (200) angrenzen;

    ein erstes und zweites Abstimmelement, die jeweils an dem ersten bzw. zweiten Anschluß (226, 228) angeordnet sind; und

    Vorspannungselektroden (72) zum Anlegen einer Steuerspannung an die abstimmbare dielektrische Schicht (190), wobei die Vorspannungselektroden (72) einen Spalt bilden, der sich parallel zur Mikrostreifen-Leitung (200) auf einer ersten Seite der abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) gegenüber der Mikrostreifen-Leitung (200) erstreckt; und

    einen Controller (112) zum Steuern der von den Phasenschiebern (58) bewirkten Phasenverschiebung.
  2. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei die Primärstrahler (42) in einer ersten Ebene angeordnet sind und die Phasenschieber außerhalb der ersten Ebene positioniert sind.
  3. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei das Speisungsnetzwerk (28) eine Vielzahl von Teilern/Kombinierern zur Verteilung der Signale umfaßt, wobei diese Teiler/Kombinatoren auf einer dielektrischen Substratschicht ausgebildet sind.
  4. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei der Controller (112) über Steuerleitungen (76) eine Steuer-Gleichspannung an jeden der Phasenschieber (58) liefert.
  5. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei die Primärstrahler (42) voneinander um einen Abstand beabstandet sind, der von etwa 0,5 bis 1,0 Wellenlängen eines von der Antenne (20) zu übertragenden Signals reicht.
  6. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei die Antenne (20) eine eindimensionale abtastphasengesteuerte Gruppenantenne (20) ist.
  7. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei die Antenne (20) eine zweidimensionale abtastphasengesteuerte Gruppenantenne (20) ist.
  8. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei mehrere der Phasenschieber (58) auf dem Verbundwerkstoff Substrat positioniert sind.
  9. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei die Primärstrahler (42) so miteinander verbunden sind, daß sie Untergruppen bilden, und jeder der Phasenschieber (58) elektronisch mit einer der Untergruppen (34, 36, 38 und 40) gekoppelt ist.
  10. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, ferner mit:

    einer Speiseleitungsanordnung, die mit den Phasenschiebern (58) elektronisch gekoppelt ist, wobei die Speiseleitungsanordnung eine erste Vielzahl von Patch-Elementen (148) zum Koppeln der Signale in die Primärstrahler (42) aufweist.
  11. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, ferner mit:

    einem radialen Wellenleiter (132) mit einer ersten und zweiten parallelen Platte, wobei sich der Eingang (24) durch die erste Platte erstreckt und die zweite Platte eine Vielzahl von Öffnungen zum Koppeln der Signale zwischen dem Eingang (24) und den Phasenschiebern (58) aufweist.
  12. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei jede der Übertragungsleitungen eines von folgendem umfaßt: eine Mikrostreifenleitung (200), eine Streifenleitung, ein Kabel, eine Wellenleiterleitung und eine koplanare Leitung.
  13. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Primärstrahlern (42) eines von folgendem umfaßt: ein Mikrostreifen-Steckelement (148), ein Schlitzelement, ein gedrucktes Dipolelement und ein Spiralelement.
  14. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, wobei jeder der Phasenschieber (58) mit einem der Primärstrahler (42) durch eines von folgendem gekoppelt ist: eine Mikrostreifenleitung, ein Kabel, eine Streifenleitung, eine Fin-Leitung, eine koplanare Leitung und eine Wellenleiterleitung.
  15. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) mit:

    einem Eingang (24);

    einer Vielzahl von Primärstrahlern (42), die in einer ersten Ebene angeordnet sind;

    einer Speisungsantenne (20), die mit dem Eingang (24) elektrisch gekoppelt ist, um die Vielzahl von Primärstrahlern (42) zu bestrahlen;

    einer Vielzahl von kontinuierlich abstimmbaren Spannungs-Phasenschiebern (58) vom Reflexionstyp, die in einer zweiten Ebene angeordnet sind;

    einer Vielzahl von Kopplungselementen um Signale zwischen den Primärstrahlern (42) und den Phasenschiebern (58) zu koppeln; und

    einem Controller (112) zum Steuern der von den Phasenschiebern (58) bewirkten Phasenverschiebung, wobei jeder Phasenschieber aufweist:

    eine Mikrostreifen-Leitung (200), die auf einem Verbundwerkstoff Substrat mit einer abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) angeordnet ist;

    einen ersten und zweiten Anschluß (226, 228), die jeweils an ein erstes bzw. zweites Ende der Mikrostreifen-Leitung (200) angrenzen;

    ein erstes und zweites Anpassungselement, die jeweils an dem ersten bzw. zweiten Anschluß (226, 228) angeordnet sind; und

    Vorspannungselektroden (72) zum Anlegen von Steuerspannung an die abstimmbare dielektrische Schicht (190), wobei die Vorspannungselektroden (72) einen Spalt bilden, der sich parallel zur Mikrostreifen-Leitung (200) auf einer ersten Seite der abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) gegenüber der Mikrostreifen-Leitung (200) erstreckt.
  16. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 15, wobei jeder der Phasenschieber (58) aufweist:

    eine Übertragungsleitung, die auf der abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) angebracht ist; wobei die Übertragungsleitung einen Eingang (24) an einem ersten Ende hat und an einem zweiten Ende offen ist.
  17. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 15, wobei jeder der Phasenschieber (58) aufweist:

    eine Übertragungsleitung, die auf der abstimmbaren dielektrischen Schicht (190) angebracht ist;

    wobei die Übertragungsleitung einen Eingang (24) an einem ersten Ende und einen ersten und zweiten Arm hat, die mit einem zweiten Ende verbunden sind;

    wobei jeder der ersten und zweiten Arme in einer Leerlaufschaltung 184 endet.
  18. Phasengesteuerte Gruppenantenne (20) nach Anspruch 1, ferner mit:

    einer Speiseleitungsanordnung, die gekoppelt ist, um die phasenverschobenen Signale von den spannungsabstimmbaren Phasenschiebern (58) zu empfangen; und

    eine Schlitzmatrix, die zwischen der Speiseleitungsanordnung und der Vielzahl von Primärstrahlern (42) positioniert ist, um die phasenverschobenen Signale von der Speiseleitungsanordnung zu den Primärstrahlern (42) weiterzuleiten.
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






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