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Dokumentenidentifikation DE60033173T2 08.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001234356
Titel AKTIVER HF REFLEKTOR UNTER VERWENDUNG VON ELEKTRONISCHER STRAHLSCHWENKUNG
Anmelder Thales, Paris, FR
Erfinder Chekroun, Claude, Arcueil Cedex, FR;
Largent, Jean-Paul, Arcueil Cedex, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60033173
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 24.11.2000
EP-Aktenzeichen 009888736
WO-Anmeldetag 24.11.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/FR00/03286
WO-Veröffentlichungsnummer 2001039325
WO-Veröffentlichungsdatum 31.05.2001
EP-Offenlegungsdatum 28.08.2002
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 3/46(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Mikrowellenreflektor mit elektronischer Abtastung, der von einer Mikrowellenquelle angestrahlt werden kann, um eine Antenne zu bilden.

Es ist bekannt, Antennen herzustellen, die einen aktiven Mikrowellenreflektor aufweisen. Letzterer, der in der englischen Literatur auch "reflect array" genannt wird, ist ein Netz von elektronisch steuerbaren Phasenschiebern. Dieses Netz erstreckt sich in einer Ebene und weist ein Netz von Elementen mit Phasensteuerung oder phasengesteuertes Netz auf, das vor Reflektormitteln angeordnet ist, die zum Beispiel aus einer metallischen Masseebene bestehen, die eine Masseebene bildet. Das Reflektornetz weist insbesondere Elementarzellen auf, die je die Reflexion und die Phasenverschiebung, die auf elektronischen Befehl variabel ist, der Mikrowelle ausführen, die sie empfangen. Eine solche Antenne verleiht eine große Strahlagilität. Eine Primärquelle, zum Beispiel ein Horn, die vor dem Reflektornetz angeordnet ist, emittiert zu diesem die Mikrowellen.

Die von den Elementarzellen angewendeten Phasenverschiebungen variieren diskret. Da die Phasenverschiebungen gleichverteilt sind, werden sie digital in Abhängigkeit von einer Anzahl von Bits gesteuert. Wenn man diese Anzahl mit N bezeichnet, ist der Phasenverschiebungsgang dann bei 2&pgr;/2N. Die Präzision einer Phasenverschiebung ist also im besten Fall gleich einem Phasenverschiebungsgang. Die mangelnde Präzision führt zu bestimmten Nachteilen, insbesondere führt sie zur Existenz von relativ hohen Sekundärkeulen und einer schlechten Peilgenauigkeit der Antenne.

Patentanmeldungen FR-A-2 708 808 und FR-A-2 747 842 beschreiben aktive Phasenverschiebungsnetze.

Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen. Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen aktiven Mikrowellenreflektor zum Gegenstand, der imstande ist, eine gemäß einer ersten gegebenen Richtung Oy linear polarisierte elektromagnetische Welle zu empfangen. Der erfindungsgemäße Reflektor weist eine Einheit von Elementarzellen auf, die nebeneinander auf einer Fläche angeordnet sind, wobei jede Zelle eine Phasenschieber-Mikrowellenschaltung und eine Leiterebene aufweist, die im Wesentlichen parallel zur Mikrowellenschaltung angeordnet ist, wobei die Phasenschieberschaltung mindestens zwei Halb-Phasenschieber aufweist. Ein Halb-Phasenschieber weist mindestens einen dielektrischen Träger, mindestens zwei zur gegebenen Richtung Oy im Wesentlichen parallele elektrische Leitungsdrähte, die auf dem Träger angeordnet sind und je mindestens ein Halbleiterelement mit zwei Zuständen tragen, wobei jeder Draht mit Steuerleitern der Halbleiterelemente verbunden ist, wobei diese Leiter im Wesentlichen senkrecht zu den Drähten liegen, und zwei leitende Zonen auf, die zum Umfang der Zelle hin im Wesentlichen parallel zur den Steuerleitern angeordnet sind. Es gibt mindestens drei Steuerleiter in jedem Halb-Phasenleiter, und sie sind elektrisch von einem Halb-Phasenschieber zum anderen isoliert, um den Zustand aller Halbleiterelemente unabhängig voneinander zu steuern. Die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der Halb-Phasenleiter sind derart, dass jedem der Zustände der Halbleiterelemente ein gegebener Phasenverschiebungswert (d&phgr;1, ..., d&phgr;8) der elektromagnetischen Welle entspricht, die von der Zelle reflektiert wird. Der Reflektor weist außerdem eine elektronische Steuerschaltung (36) des Zustands der Halbleiterelemente auf.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine mit einem solchen Reflektor versehene Antenne.

Die Hauptvorteile der Erfindung sind, dass sie es ermöglicht, einen Reflektor mit geringen Abmessungen und geringem Gewicht herzustellen, dass sie sich an viele Antennentypen anpasst, dass sie die Wärmetauschvorgänge zwischen den Schaltungen des Reflektors und der Außenumgebung verbessert, dass sie eine große Zuverlässigkeit ermöglicht und dass sie wirtschaftlich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

1 ein Beispiel einer Antenne mit elektronischer Abtastung mit einem aktiven Mikrowellenreflektor gegenüber einem System von orthogonalen Achsen Ox, y, z;

2 eine Teilansicht der Vorderseite eines Beispiels eines aktiven Reflektornetzes gemäß der Erfindung;

3 eine Teilansicht im Schnitt eines Beispiels eines Reflektors gemäß der Erfindung;

4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elementarzelle eines Reflektors gemäß der Erfindung;

5 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Halb-Phasenschiebers, der in der erwähnten Zelle enthalten ist;

6 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Zelle;

7 ein zweites mögliches Ausführungsbeispiel eines Reflektors gemäß der Erfindung;

8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reflektors gemäß der Erfindung, der ein auf seiner Vorderseite angeordnetes Gitter aufweist.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Antenne mit elektronischer Abtastung mit einem aktiven Reflektornetz, bei der die Mikrowellenverteilung zum Beispiel vom optischen Typ ist, d.h. zum Beispiel mit Hilfe einer Primärquelle gewährleistet wird, die das Reflektornetz bestrahlt. Zu diesem Zweck weist die Antenne eine Primärquelle 1, zum Beispiel ein Horn, auf. Die Primärquelle 1 emittiert Mikrowellen 3 zum aktiven Reflektornetz 4, das in der Ebene Oxy angeordnet ist. Dieses Reflektornetz 4 weist eine Gruppe von Elementarzellen auf, die die Reflexion und die Phasenverschiebung der Wellen durchführen, die sie empfangen. Durch Steuerung der Phasenverschiebungen, die der von jeder Zelle empfangenen Welle verliehen werden, ist es in bekannter Weise möglich, einen Mikrowellenstrahl in der gewünschten Richtung zu formen. Gegebenenfalls kann der Reflektor von mehr als einer Quelle beleuchtet werden. Er kann insbesondere von zwei Elementarquellen beleuchtet werden, die zum Beispiel umgekehrte Kreispolarisationen haben.

2 zeigt schematisch einen Teil eines Reflektornetzes 4 in der Ebene Oxy, in einer Draufsicht gemäß F. Der Reflektor weist eine Gruppe von Elementarzellen 10 auf, die nebeneinander angeordnet und durch Zonen 20 getrennt sind und für die Mikrowellenentkopplung verwendet werden. Diese Zellen 10 führen die Reflexion und die Phasenverschiebung der Wellen durch, die sie empfangen. Eine Elementarzelle 10 weist eine Phasenschieber-Mikrowellenschaltung auf, die vor einer Leiterebene angeordnet ist. Genauer, wie dies nachfolgend klar werden wird, weist die Mikrowellenschaltung zwei transversale Phasenschieber auf, die je einer linearen Polarisation gewidmet sind.

3 ist eine schematische Schnittansicht in der Ebene Oxz eines möglichen Ausführungsbeispiels des aktiven Reflektors 4. Der Reflektor 4 besteht aus einer Mikrowellenschaltung 31, die in den Elementarzellen 10 verteilt ist, und aus einer Leiterebene 32, die im Wesentlichen parallel zur Mikrowellenschaltung 31 in einem vordefinierten Abstand d angeordnet ist. Diese Mikrowellenschaltung empfängt die einfallenden Wellen, die von der Primärquelle 1 emittiert werden.

Die Leiterebene 32 hat insbesondere die Funktion, die Mikrowellen zu reflektieren. Sie kann aus jedem bekannten Mittel bestehen, zum Beispiel parallelen Drähten oder einem Gitter, die ausreichend eng liegen, oder aus einer durchgehenden Ebene. Die Mikrowellenschaltung 31 und die Leiterebene 32 werden vorzugsweise auf zwei Seiten eines dielektrischen Trägers 33 hergestellt, zum Beispiel von der Art gedruckte Schaltung. Der Reflektor 4 weist noch vorzugsweise in dieser gleichen gedruckten Schaltung 33, die dann eine Mehrschichtschaltung ist, die elektronische Schaltung auf, die für die Steuerung der Phasenwerte notwendig ist. In 3 ist eine Mehrschichtschaltung dargestellt, deren Vorderseite 34 die Mikrowellenschaltung 31 trägt, die Rückseite 35 Bestandteile 36 der erwähnten elektronischen Steuerschaltung trägt, und die Zwischenschichten die Leiterebene 32 und zum Beispiel zwei Verbindungsebenen 37 der Bestandteile 36 mit der Mikrowellenschaltung 31 formen.

4 zeigt in einer Draufsicht ein mögliches Ausführungsbeispiel der Mikrowellenschaltung 31 eines erfindungsgemäßen Reflektors. Genauer zeigt 4 einen elementaren Phasenschieber 31 der Mikrowellenschaltung. Jeder Phasenschieber ist von einem anderen Phasenschieber durch eine Entkopplungszone 20 getrennt, die zum Beispiel ein leitendes Band 48 parallel zur Richtung Oy und ein leitendes Band 49 parallel zur Richtung Ox aufweist. Er weist also zum Beispiel an seinem Umfang zwei leitende Bänder 48 in der Richtung Oy und zwei leitende Bänder in der Richtung Ox auf. Jeder elementare Phasenschieber 31, der dem entsprechenden Teil der Leiterebene 32 zugeordnet ist, formt eine Elementarzelle 10 der 2.

Die Mikrowellenschaltung eines Phasenschiebers 31 weist mehrere Leiterdrähte 42 im Wesentlichen parallel zur Richtung Oy auf, die je ein Halbleiterelement mit zwei Zuständen D1, D2 tragen, zum Beispiel eine Diode. Die Phasenschieberschaltung weist außerdem leitende Zonen auf, die die Dioden mit Bezugspotentialen und mit Steuerschaltungen verbinden. Genauer besteht ein elementarer Phasenschieber 31 aus zwei Schaltungen 50, die nachfolgend Halb-Phasenschieber genannt werden. Es wird also zuerst ein Halb-Phasenschieber beschrieben.

Ein Halb-Phasenschieber 50 weist einen dielektrischen Träger 33, zwei Drähte 42, die je eine Diode D1, D2 tragen, auf. Die zwei Drähte sind mit dem Massepotential oder jedem anderen Bezugspotential über eine Leitung 43 verbunden. Diese Leitung 43 ist zum Beispiel vom Typ Mikrostreifen, der durch Metallbeschichtung auf der Vorderseite des dielektrischen Trägers 33 zum Beispiel mit einer Siebdrucktechnik hergestellt wird. Die Dioden D1 und D2 sind so gegenphasig verkabelt, dass zum Beispiel ihre Anoden über diese Leitung 43 mit dem Massepotential verbunden sind. Zu diesem Zweck ist diese Leitung zum Beispiel mit einem leitenden Band 48 der Entkopplungsmittel 20 verbunden. Die Speisespannung der Dioden D1 und D2 wird von Steuerleitern 44 zugeführt. Da die Anode der Dioden mit dem Massepotential verbunden ist, werden die Steuerleiter dann mit der Kathode der Dioden verbunden. Die von diesen Leitern zugeführte Speisespannung liegt dann zum Beispiel in der Größenordnung von –15 Volt. Die Steuerleiter werden so gesteuert, dass sie mindestens zwei Spannungszustände aufweisen. In einem ersten Zustand liegt ihre Spannung zum Beispiel auf der Speisespannung, wodurch die Diode leitend, oder in anderen Worten in Durchlassrichtung polarisiert wird. In einem zweiten Zustand ist ihre Spannung derart, dass die Diode gesperrt ist, oder in anderen Worten, in Sperrrichtung polarisiert ist. Die Steuerungen der zwei Steuerleiter 44, 45 sind voneinander unabhängig, um die Steuerung der Dioden unabhängig voneinander zu gewährleisten. Die Steuerleiter 44, 45 und der mit Masse verbundene Leiter 43 sind im Wesentlichen parallel zur Richtung Ox und somit lotrecht zu den Drähten 42. In 4 wird der Masseleiter von den zwei Drähten gemeinsam genutzt, insbesondere zum Einsparen von Abmessung und Material, man könnte aber einen spezifischen Leiter für jeden Draht vorsehen. Man könnte außerdem vorsehen, diese Leiter nicht direkt mit einem Bezugspotential zu verbinden, sondern mittels einer Steuerschaltung.

Die Steuerleiter 44, 45 sind mit der vom Reflektor getragenen elektronischen Steuerschaltung über durchmetallisierte Löcher 46 verbunden, die zum Beispiel in Höhe der Entkopplungszone 20 hergestellt sind, insbesondere aus Gründen der Abmessung, aber auch, um den Betrieb der Elementarzellen nicht zu stören. Die durchmetallisierten Löcher 46 sind natürlich von den leitenden Bändern der Entkopplungszone elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck ist eine Unterbrechung des Bands 20 um die Enden der Steuerleiter herum vorgesehen, die direkt mit den durchmetallisierten Löcher 46 verbunden sind.

Um den Betrieb eines Halb-Phasenschiebers 50 beschreiben, ist es notwendig, seine Ersatzschaltung zu betrachten, wie sie in 5 dargestellt ist. Die Ersatzschaltung betrifft die Leiterdrähte 42 und die zwei Dioden D1, D2, was tatsächlich einem Halb-Phasenschieber entspricht, zugeordnet zu einer gegebenen Polarisation und somit einem gegebenen Frequenzbereich. Die einfallende Mikrowelle mit linearer Polarisation und parallel zu Oy und zu den Drähten 42 wird an Klemmen B1 und B2 empfangen und trifft auf drei in Reihe geschaltete Kondensatoren Co, CI1, CI2, die parallel mit den Klemmen B1 und B2 verbunden sind. Der Kondensator Co stellt die Entkopplungs-Leitungskapazität zwischen den Steuerleitern 44 und dem leitenden Band der Entkopplungszone 20 dar. Der Kondensator CI1 ist die Leitungskapazität zwischen dem mit der ersten Diode D1 verbundenen Steuerleiter 44 und dem Masseleiter 43. Der Kondensator CI2 ist die Leitungskapazität zwischen dem mit der zweiten Diode D2 verbundenen Steuerleiter 45 und dem zentralen Leiter 43.

An den Klemmen des Kondensators CI1 ist die erste Diode D1 angeschlossen, die ebenfalls durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt ist. Letzteres besteht aus einer Drosselspule L1, Drosselspule der Diode D1 unter Berücksichtigung ihres Verbindungsdrahts 42, in Reihe mit.

  • – entweder einem Kondensator Ci1 (Verbindungskapazität der Diode) in Reihe mit einem Widerstand Ri1 (Sperrwiderstand),
  • – oder einem Widerstand Rd1 (Durchlasswiderstand der Diode), je nachdem, ob die Diode D1 im Sperr- oder Durchlasszustand ist, was durch einen Unterbrecher 21 symbolisiert wird.

In gleicher weise ist mit den Klemmen des Kondensators CI2 die zweite Diode D2 verbunden, die durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt ist. Letzteres ist gleich demjenigen der ersten Diode D1, wobei seine Bestandteile einen Index 2 tragen.

Die Mikrowellenausgangsspannung wird zwischen Klemmen B3 und B4 abgenommen, Klemmen der Kondensatoren Co, CI1 und CI2.

Der Betrieb des Halb-Phasenschiebers 50 wird nachfolgend erläutert, indem in einem ersten Schritt das Verhalten einer solchen Schaltung in Abwesenheit der zweiten Diode D2 betrachtet wird, was im Ersatzschaltbild der 5 darauf hinausläuft, D2 sowie den Kondensator CI2 wegzulassen.

Wenn die erste Diode D1 in Durchlassrichtung polarisiert ist, wird die Suszeptanz Bd1 der Schaltung der 5 (verändert) folgendermaßen ausgedrückt:

wobei Z die Impedanz der einfallenden Welle und &ohgr; die Kreisfrequenz entsprechend der Mittenfrequenz eines der zwei Betriebsbereiche der Antenne ist.

Man wählt zum Beispiel die Parameter der Schaltung aus, um Bd1 ≅ 0 zu haben, d.h. dass die Schaltung unter Vernachlässigung ihrer Leitfähigkeit angepasst ist, oder in anderen Worten, dass sie für die einfallende Mikrowelle transparent ist, und keine Störreflexion oder Phasenverschiebung einführt (dϕd1 = 0). Genauer gesagt, wählt man: LICII&ohgr;2 = 1 was zu Bd1 ≅ 0 führt, unabhängig insbesondere vom Wert des Kondensators Ci1.

Wenn die erste Diode D1 in Sperrrichtung vorgespannt ist, wird die Suszeptanz Br1 der Schaltung folgendermaßen ausgedrückt:

Da der Kondensator CI1 vorher festgelegt wird, ist es klar, dass man den Wert der Suszeptanz Br1 durch Einwirkung auf den Wert des Kondensators Ci, d.h. durch die Wahl der Diode D1, regeln kann.

Wenn man nun in einem zweiten Schritt das Vorhandensein der zweiten Diode D2 berücksichtigt, sieht man, dass man durch eine analoge Argumentation zwei weitere unterschiedliche Werte für die Suszeptanz erhält, je nachdem, ob die Diode D2 in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung polarisiert ist.

So wird klar, dass ein Halb-Phasenschieber vier unterschiedliche Werte für seine Suszeptanz BD aufweisen kann, wobei diese Werte mit BD1, BD2, BD3 und BD4 bezeichnet sind, je nach der Steuerung (in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung polarisiert), die an jede der Dioden D1, D2 angelegt wird. Die Werte der Suszeptanzen BD1, BD2, BD3 und BD4 hängen von den Parametern der Schaltung der 5 ab, d.h. der Werte, die für die geometrischen Parameter gewählt werden, insbesondere bezüglich der Abmessungen, Formen und Abstände der verschiedenen leitenden Flächen 43, 44, 45, und elektrischen Flächen des Phasenschiebers, insbesondere bezüglich der elektrischen Eigenschaften der Dioden. Insbesondere ist es notwendig, den Definitionszwang des oben erwähnten leitenden Bands der Entkopplungszone 20 bei der Bestimmung der verschiedenen Parameter für die Festlegung der Phasenverschiebungen d&phgr;1–d&phgr;4 zu berücksichtigen.

Wenn man nun das Verhalten der Einheit aus Halb-Phasenschieber 50 und Leiterebene 32 betrachtet, muss man die durch diese Ebene 32 verursachte Suszeptanz berücksichtigen, zurückgeführt in die Ebene des Halb-Phasenschiebers und mit BCC bezeichnet, die folgendermaßen ausgedrückt wird:

wobei &lgr; die Wellenlänge entsprechend der vorhergehenden Kreisfrequenz &ohgr; ist.

Die Suszeptanz BC der Zelle wird dann gegeben durch: BC = BD + BCC(4)

Daraus folgt, dass die Suszeptanz BC vier unterschiedliche Werte annehmen kann (mit BC1, BC2, BC3 und BC4 bezeichnet), die je den vier Werten von BD entsprechen, wobei der Abstand d einen zusätzlichen Parameter für die Bestimmung der Werte BC1–BC4 darstellt.

Man weiß außerdem, dass die Phasenverschiebung d&phgr;, die durch eine Admittanz Y einer Mikrowelle verliehen wird, folgende Form hat: d&phgr; = 2arctgY(5)

Es wird so klar, dass man unter Vernachlässigung des realen Teils der Admittanz einer Zelle hat: d&phgr; ≅ 2arctgBC(6) und dass man vier mögliche Werte d&phgr;1–d&phgr;4 der Phasenverschiebung pro Halb-Phasenschieber 50 erhält, je nach der an jede der Dioden D1 und D2 angelegten Steuerung. Die verschiedenen Parameter werden so gewählt, dass die vier Werte d&phgr;1–d&phgr;4 gleichverteilt sind, zum Beispiel, aber nicht zwingend: 0, 90°, 180°, 270°. Diese vier Zustände entsprechen einer mit zwei Bits codierten digitalen Steuerung.

Es ist anzumerken, dass oben der Fall beschrieben wurde, in dem man die Parameter der Schaltung so wählt, dass die Suszeptanzen Null (oder im Wesentlichen Null) derart sind, dass sie den in Durchlassrichtung polarisierten Dioden entsprechen, aber man kann natürlich einen symmetrischen Betrieb wählen, bei dem die Parameter so bestimmt sind, dass sie die Suszeptanzen Br im Wesentlichen annullieren; allgemeiner gesagt, ist es nicht notwendig, dass eine der Suszeptanzen Bd oder Br Null ist, wobei diese Werte so bestimmt werden, dass die Bedingung der Gleichverteilung der Phasenverschiebungen d&phgr;1–d&phgr;4 erfüllt ist.

Um zu zeigen, wie eine Elementarzelle 10 acht mögliche Phasenverschiebungen, d.h. eine Steuerung der Phasenverschiebungen mit drei Bits, erlaubt, wird nun die Gruppe von zwei Halb-Phasenschiebern 50 betrachtet. Indem man die zwei Halb-Phasenschieber 50 unabhängig voneinander arbeiten lässt, kann man doppelt so viele Zustände, d.h. Phasenverschiebungen, erhalten wie im Fall eines einzigen Halb-Phasenschiebers. Hierzu muss aber eine elektrische Isolierung zwischen den zwei Halb-Phasenschiebern vorgesehen werden. Wenn diese zwei letzteren zum Beispiel nebeneinander angeordnet sind, werden die Steuerleiter 44, 45 zum Beispiel durch eine Linie 47 eines Dielektrikums isoliert, die tatsächlich einer Unterbrechungslinie in der Metallbeschichtung der Leiter 44, 45 entspricht. Diese erste Isolierung ermöglicht tatsächlich eine Isolierung der elektrischen Steuerungen der Dioden.

6 zeigt ein Ersatzschaltbild der Einheit des Phasenschiebers, der aus den zwei wie oben beschriebenen Halb-Phasenschiebern besteht. Man kann annehmen, dass die Ersatzschaltbilder der zwei Halb-Phasenschieber 50, wie sie in 5 dargestellt sind, parallel arbeiten. Die kapazitiven Verbindungen zwischen den Steuerleitern 44 der Dioden D1 und zwischen den Steuerleitern 45 der Dioden D2 können nämlich Mikrowellenkurzschlüssen gleichgesetzt werden. Man kann die Länge und die Breite der Isolierlinie 47 variieren, um einen Kapazitätswert zwischen den Leitern zu erhalten, der es ermöglicht, die kapazitive Verbindung einem Kurzschluss gleichzusetzen. Für parallele Schaltungen addieren sich die Suszeptanzen. Dann erhält man bei den vier Werten von Suszeptanzen BD1, BD2, BD3, BD4, die durch den Einfluss eines Halb-Phasenschiebers erhalten werden, also vier neue Werte B'D1, B'D2, B'D3, B'D4, die durch den Einfluss des zweiten Phasenschiebers erhalten werden.

Die geometrischen und elektrischen Parameter des Phasenschiebers werden zum Beispiel definiert, um acht gleichverteilte Phasenverschiebungen zwischen 0 und 360° zu erhalten.

Die geometrischen Parameter, die insbesondere die Abmessungen, die Formen und die Abstände der verschiedenen leitenden Flächen 44, 45, 33 betreffen, variieren die Werte der Kondensatoren und Drosselspulen des Ersatzschaltbilds der 5 und 6, die in den Beziehungen (1) und (2) wieder aufgenommen werden. In Abhängigkeit von den gewünschten Phasenverschiebungen definiert man Suszeptanzwerte BC und somit Suszeptanzwerte BD gemäß den Beziehungen (3) und (4), wobei der Abstand d bekannt ist. Da die Werte der Suszeptanzen BD vorgeschrieben sind, leitet man daraus die Werte der Parameter der Beziehungen (1) und (2) ab. Die geometrischen und elektrischen Parameter des Phasenschiebers können dann durch Mittel der klassischen Simulation erhalten werden. 4 zeigt, dass die leitenden Flächen 44, 45, 43 besondere Formen haben. Die Steuerleiter 44, 45 weisen insbesondere gezahnte Flächen auf. Diese Flächen entsprechen vorher definierten Werten von Phasenverschiebungen.

Ein Phasenschieber, wie er in 4 dargestellt ist, kann einfach angewendet werden, er erlaubt es tatsächlich, acht Phasenverschiebungen zu erhalten, indem man einfach geometrische Parameter von Leitern und die Wahl von Dioden variiert. Die gedruckte Schaltung, die die Mikrowellenschaltungen und die elektronischen Steuerschaltungen trägt, ist außerdem wenig dick. Eine solche Schaltung kann wirtschaftlich erhalten werden, und der Reflektor kann also äußerst flach und somit von geringem Gewicht sein.

Wie oben gesagt, weist ein erfindungsgemäßer aktiver Reflektor Entkopplungsmittel 20 zwischen den Zellen 10 auf. Die von den Zellen empfangene Mikrowelle wird parallel zur Richtung Oy linear polarisiert. Es ist wünschenswert, dass diese Welle sich nicht von einer Zelle zur anderen in der Richtung Ox ausbreitet. Um eine solche Ausbreitung zu verhindern, weisen die Entkopplungsmittel mindestens die leitende Zone 48 auf. Man sieht also vor, diese leitende Zone 48 im Wesentlichen in Form eines Bands anzuordnen, das durch Metallbeschichtung auf der Fläche 34 zum Beispiel zwischen den Zellen parallel zur Richtung Oy hergestellt wird. Dieses Band 48 bildet mit der Reflektorebene 32, die sich darunter befindet, einen Raum vom Typ Wellenleiter, dessen Breite der Abstand d ist. Man wählt den Abstand d so, dass er unter &lgr;/2 liegt, wobei &lgr; die Länge der Mikrowelle ist, da eine Welle, deren Polarisation parallel zu den Bändern ist, sich nicht in einem solchen Raum ausbreiten kann. In der Praxis arbeitet der erfindungsgemäße Reflektor in einem bestimmten Frequenzbereich, und man wählt d so, dass er unter der kleinsten Wellenlänge des Bereichs liegt. Natürlich ist es notwendig, diese Bedingung bei der Bestimmung der verschiedenen Parameter zur Festlegung der Phasenverschiebungen d&phgr;1, ... d&phgr;8 zu berücksichtigen. Außerdem muss das Band 48 eine Breite in der Richtung Ox haben, die ausreicht, damit die oben beschriebene Wirkung merkbar ist. In der Praxis kann die Breite in der Größenordnung von &lgr;/5 liegen.

Außerdem kann parasitär in einer Zelle eine Welle erzeugt werden, deren Polarisation in die Richtung Oz lotrecht zu der von den Richtungen Ox und Oy geformten Ebene weist. Es ist ebenfalls wünschenswert, ihre Ausbreitung zu den benachbarten Zellen zu vermeiden.

Was die benachbarten Zellen in der Richtung Ox betrifft, so kann man, wie in 4 dargestellt, die durchmetallisierten Verbindungslöcher 46 der Steuerleiter mit den elektronischen Schaltungen verwenden. Da diese parallel zur Polarisation der Störwelle sind, sind sie nämlich äquivalent einer Leiterebene, die, wenn sie nahe genug beieinander liegen (in einem Abstand zueinander, der sehr viel geringer ist als die Betriebswellenlänge des Reflektors), also viele sind, eine Abschirmung für die Betriebswellenlängen des Reflektors bildet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, kann man zusätzliche durchmetallisierte Löcher formen, die keine Verbindungsfunktion haben. Es ist anzumerken, dass die durchmetallisierten Verbindungslöcher 46 vorzugsweise in Höhe der Bänder 48 hergestellt werden, um den Betrieb der Zellen nicht zu stören. Diese Maßnahme führt außerdem zu einer Einsparung an Platzbedarf.

Was schließlich die benachbarten Zellen in der Richtung Oy angeht, so kann man durchmetallisierte Löcher 40 analog zu den Verbindungslöchern 46, aber gemäß der Richtung Ox fluchtend angeordnet, verwenden, die in das leitende Band 49 münden. Diese durchmetallisierten Löcher 40, wie die durchmetallisierten Verbindungslöcher 46, werden in einer Richtung Oz im Wesentlichen lotrecht zur Ebene Oxy hergestellt. Man kann auch zum Beispiel eine durchgehende leitende Fläche in der Ebene xOz vorsehen.

7 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenschieber, der es ermöglicht, die Phasenverschiebungen mit 4 Bits zu steuern, also mit einem zusätzlichen Bit im Vergleich zum in 4 dargestellten Phasenschieber. Der Phasenschieber weist wieder zwei Halb-Phasenschieber 50 auf, die wie oben beschrieben hergestellt sind. Die zwei Halb-Phasenschiebern sind aber nicht mehr durch eine Linie 47 getrennt, die die Steuerungen von den Dioden isoliert, sondern durch zwei leitende Zonen 71, 72, die durch eine Diode D3 verbunden sind, oder alle anderen Halbleiter mit zwei Zuständen. Diese zwei Zonen 71, 72 werden zum Beispiel durch Metallbeschichtung auf der Vorderseite 34 des Dielektrikums hergestellt. Diese Zonen bilden Steuerleiter der Diode D3. Zu diesem Zweck ist eine leitende Zone 71 zum Beispiel mit den elektronischen Steuerschaltungen über ein durchmetallisiertes Loch 46 verbunden. Je nach dem Zustand der elektronischen Steuerung befindet sich diese Zone 71 auf einem Speisepotential, zum Beispiel –15 Volt, oder auf einer anderen Potential, zum Beispiel dem Massepotential. Die andere leitende Zone 72 ist zum Beispiel mit dem Massepotential verbunden. Zu diesem Zweck ist sie zum Beispiel mit dem leitenden Band 48 parallel zur Richtung Oy der Entkopplungsmittel 20 verbunden.

Wenn die leitende Zone 71 gesteuert wird, um auf Massepotential zu sein, oder allgemeiner, um die Diode D3 zu sperren, d.h. in Sperrrichtung zu polarisieren, ist der Phasenschieber analog zu demjenigen der 4. Er weist in diesem Zustand ach mögliche Phasenverschiebungen auf. Es ist natürlich notwendig, aufgrund der Einführung der zusätzlichen Zonen 71, 72, seine geometrischen und elektrischen Parameter neu zu definieren. Wenn die leitende Zone 71 ein Potential aufweist, das die Diode D3 leitend macht, d.h. in Durchlassrichtung polarisiert, werden die elektrischen Parameter des Phasenschiebers bezüglich des vorhergehenden Zustands verändert. Insbesondere wird der von dem Raum zwischen den zwei leitenden Zonen 71, 72 gebildete Kondensator von den Dioden D3 kurzgeschlossen. Die acht möglichen Suszeptanzen des vorhergehenden Zustands, die mit drei Bits gesteuert werden, werden dann durch das Leitendmachen der Diode D3 verändert. Die so erhaltenen acht neuen Suszeptanzen ermöglichen es dann, acht zusätzliche Phasenverschiebungen zu erhalten. Es sind also insgesamt sechzehn Phasenverschiebungen möglich. Die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der zwei Halb-Phasenschieber 50, aber auch der zusätzlichen leitenden Zonen 71, 72 und ihrer Diode D3, müssen so definiert werden, dass die sechzehn gewünschten Phasenverschiebungen für jeden der Zustände der Dioden erhalten werden.

8 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Reflektors, wobei die Elementarzellen 10 zum Beispiel vom Typ derjenigen sind, die in den 4 oder 7 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform wird ein Metallgitter auf der Vorderseite des Reflektors angebracht, d.h. der Seite, die sich gegenüber der Mikrowellenquelle 1 befindet. Dieses Gitter wird von Maschen 81 gebildet, die je die Fläche einer Elementarzelle haben, genauer umgibt die Basis einer Masche eine Zelle. Das Gitter hat außerdem eine Dicke eG.

Um die Anordnung dieses Gitters bezüglich der Elementarzellen 10 des Reflektors zu veranschaulichen, zeigt 8 in Perspektive eine einzige Elementarzelle. Das Gitter wird von Maschen geformt, deren Wände 82 sich in der Richtung Oz im Wesentlichen gegenüber den leitenden Bändern 48, 49 der Entkopplungsmittel 20 erstrecken. Insbesondere ist die Basis des Gitters mit diesen Bändern 48, 49, und insbesondere mit den durchmetallisierten Löchern 40, 46 in Kontakt, die sie aufweisen. Die Dicke eG des Gitters, die tatsächlich der Länge der Wände 82 entspricht, liegt zum Beispiel in der Größenordnung eines Zentimeters, vorzugsweise in der Größenordnung eines halben Zentimeters. Die relative geringe Dicke des Gitters ermöglicht es also, einen sehr flachen und daher leichten Reflektor beizubehalten.

Dieses Metallgitter ermöglicht es, die Funktion der Phasenverschiebung von der Strahlungsfunktion abzukoppeln und ermöglicht es, die aktiven Kopplungskoeffizienten zu beherrschen, indem sie vom Peilgesetz der Antenne unabhängig gemacht werden, und ermöglicht es so, die parasitären Strahlungskeulen zu annullieren, wie die Bildkeule und die Magizitäts-Keulen.

Außerdem ermöglicht das Metallgitter, das insbesondere mit den durchmetallisierten Löcher in Kontakt steht, einen besseren Wärmeaustausch zwischen den Schaltungen des Reflektors und der Außenumgebung aufgrund einer größeren Austauschfläche. Die Zuverlässigkeit des Reflektor wird also erhöht.

Ein aktives Reflektornetz gemäß der Erfindung kann bei verschiedenen Antennentypen verwendet werden. Es kann insbesondere aufgrund seines geringen Gewichts bei Antennen für Weltraumkommunikationen verwendet werden, oder auch aufgrund seiner geringen Kosten für Wetterradarantennen verwendet werden. Schließlich kann es für alle Typen von Reflektorantennen von Anwendungen genutzt werden, die eine gute Peilgenauigkeit und ein geringes Niveau an Sekundärkeulen erfordern.


Anspruch[de]
Aktiver Mikrowellenreflektor, der ausgelegt ist, um eine gemäß einer ersten gegebenen Richtung (Oy) linear polarisierte elektromagnetische Welle (3) zu empfangen, mit einer Einheit von Elementarzellen (10), die nebeneinander auf einer Fläche angeordnet sind,

wobei jede Zelle eine Phasenschieber-Mikrowellenschaltung (31) und eine Leiterebene (32) aufweist, die im Wesentlichen parallel zur Mikrowellenschaltung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenschieberschaltung (31) mindestens zwei Halb-Phasenschieber (50) aufweist,

wobei ein Halb-Phasenschieber (50) mindestens einen dielektrischen Träger (33), mindestens zwei zur gegebenen Richtung (Oy) im Wesentlichen parallele elektrische leitende Drähte (42), die auf dem Träger angeordnet sind und je mindestens ein Halbleiterelement mit zwei Zuständen (D1, D2) tragen, wobei jeder Draht mit Steuerleitern (43, 44, 45) der Halbleiterelemente verbunden ist, wobei diese Leiter im Wesentlichen senkrecht zu den Drähten liegen, und zwei leitende Zonen (49) aufweist, die zum Umfang der Zelle hin im wesentlichen parallel zur den Steuerleitern angeordnet sind,

wobei die Steuerleiter elektrisch von einem Halb-Phasenschieber zum anderen isoliert sind, um den Zustand aller Halbleiterelemente unabhängig voneinander zu steuern,

wobei die Formen und die Abstände der Flächen der Steuerleiter (43, 44, 45) und die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter so sind, dass jedem der Zustände der Halbleiterelemente ein gegebener Phasenverschiebungswert (d&phgr;1, ..., d&phgr;8) der elektromagnetischen Welle entspricht, die von der Zelle reflektiert wird,

wobei der Reflektor ein Metallgitter aufweist, das von Maschen (81) gebildet wird, deren Wände (82) sich in der Richtung (Oz) lotrecht zur Ebene des Reflektors erstrecken, wobei die Basis einer Masche eine Zelle (10) umgibt.
Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein leitendes Band (48), das zwischen jeder Zelle parallel zur gegebenen Richtung (Oy) angeordnet ist, mit der leitenden Ebene einen geleiteten Raum bildet, in dem die Welle sich nicht ausbreiten kann, wobei die Basis des Gitters mit diesem Band (48) in Kontakt ist. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Phasenschieber durch zwei leitende Zonen (71, 72) getrennt werden, die durch ein Halbleiterelement mit zwei Zuständen (D3) verbunden sind, wobei mindestens eine der Zonen (71) mit einer elektronischen Steuerschaltung (36) verbunden ist, um den Zustand des Halbleiters zu steuern, wobei die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der Halb-Phasenschieber und der leitenden Zonen (71, 72) und ihrer Halbleiterelemente so sind, dass jedem der Zustände der Halbleiterelemente ein gegebener Phasenverschiebungswert (d&phgr;1, ..., d&phgr;16) der elektromagnetischen Welle entspricht, die von der Zelle reflektiert wird. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Träger (33) vom Typ mehrschichtige integrierte Schaltung ist, von der eine erste Seite (34) die Mikrowellenschaltung, eine erste Zwischenschicht die Leiterebene (32) und die zweite Seite (35) Bestandteile der Steuerschaltung trägt. Reflektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Träger (33) außerdem mindestens eine zweite Zwischenschicht (37) aufweist, die Verbindungen der Steuerschaltung trägt. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durchmetallisierte Löcher (40, 46) aufweist, die im dielektrischen Träger (33) in der Richtung (Oz) lotrecht zur Ebene (Oxy) des Reflektors in einem Abstand zueinander ausgebildet sind, der sehr viel kleiner ist als die elektromagnetische Wellenlänge, wobei zumindest manche dieser durchmetallisierten Löcher die Verbindung zwischen der Steuerschaltung und den Steuerleitern gewährleisten. Reflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durchmetallisierten Löcher (40, 46) auf leitenden Bändern (48, 49) münden, die um Umfang einer Zelle angeordnet sind. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente Dioden sind. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in jedem Halb-Phasenschieber drei Steuerleiter gibt. Mikrowellenantenne mit elektronischer Abtastung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Mikrowellenquelle (1) aufweist, die den Reflektor beleuchtet.






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