Hohlraumresonator HF-Leistung Verteilnetzwerk

Abstract

 Ein Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung zwischen mindestens einer Einkoppeleinheit (18) und mindestens einer Auskoppeleinheit (20) ist als Hohlraumresonator (12) ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine baulich sehr einfache Struktur, die zudem sehr geringe Verluste aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zumindest einer Einkoppeleinheit und mindestens einer Auskoppeleinheit.

[0002] Derartige Netzwerke dienen hauptsächlich dazu, zwischen Sendern für HF und damit gekoppelten Sendeantennen oder HF-Empfangsantennen und damit gekoppelten Empfängern eine Verteilung oder Sammlung der HF-Strahlung zu bewirken, wenn einem Sender oder Empfänger mehrere Antennen oder mehreren Sendern/Empfängern eine Antenne zugeordnet ist. Eine typische Anwendung besteht darin, mittels eines HF-Senders eine aus einer Vielzahl planarer Antennen gebildete Radar-Richtantenne bzw. genauer gesagt deren einzelne Antennen zu beaufschlagen.

[0003] Es gibt im wesentlichen drei Arten herkömmlicher Netzwerke nämlich "Planar Corporate Feed"-Netzwerke, die hohe Verluste oder baulich aufwendig sind, "Wave-guide"-Netzwerke die schwer und voluminös sind oder quasi-optische Netzwerke, die schwer zu integrieren sind.

[0004] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Netzwerk zur Verteilung oder Sammlung von HF-Strahlung bereitzustellen, das leicht und baulich einfach ausgeführt ist und geringe Verluste aufweist.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die Verwendung eines Hohlraumresonators ergibt sich eine baulich sehr einfache Struktur, die zudem sehr geringe Verluste aufweist. Das Netzwerk läßt sich sehr flach ausbilden, was den Bauraum für die Gesamtanlage (Sender/Empfänger mit Netzwerk und Antenne) reduziert. Außerdem ermöglicht die Erfindung sehr variable Gestaltungen der HF-Koppler und damit einen entsprechenden Spielraum bei der Gestaltung von Antennen-Arrays.

[0006] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraumresonator rechteckig, rund, oval oder sphärisch ausgebildet ist, wodurch eine einfache Anpassung an unterschiedliche geometrische Anforderungen im Hinblick auf die Schnittstelle zur Antenne möglich ist.

[0007] Vorteilhafterweise weist der Hohlraumresonator eine Höhe von nur 0,5 bis 2 mm auf, wodurch eine sehr kompakte Bauweise des Netzwerkes möglich ist.

[0008] Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraumresonator mit Gas, insbesondere Luft gefüllt ist wodurch dieser nur ein geringes Gewicht und wenig Verluste aufweist. Alternativ kann das Innere des Hohlraumresonators aus einem Dielektrikum, insbesondere PVC (Polyvinylchlorid) und Alumina (Al₂O₃) bestehen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass die Größe des Resonators kleiner ist.

[0009] Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraumresonator aus einem dielektrischen Substrat, insbesondere FR4 (Epoxidharz + Glasfasergewebe), Teflon, LTCC, LCP (Liquid Crystalline Polymer), Silicon gefertigt und dessen Außenwandung durch eine Kette von Vias (Vertical Interconnect Access) gebildet ist. Hierunter werden Durchbrüche mit elektrisch leitender Wandung in Substraten verstanden. Die Kette von Vias wird so angeordnet, dass diese für die verwendete HF eine reflektierende Wandung bilden. Diese Anordnung ist technisch einfach zu fertigen und ermöglicht eine beliebige Formgebung des Hohlraumresonatorinnenraums.

[0010] Eine bevorzuge Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Netzwerk ein erstes Mikrowellensubstrat sowie ein zweites Mikrowellensubstrat umfaßt, zwischen denen der Hohlraumresonator angeordnet ist. Diese beiden beidseitigen Mikrowellensubstrate bestehen vorzugsweise aus FR4 (Epoxidharz + Glasfasergewebe), Teflon, LTCC, LCP (Liquid Crystalline Polymer), Silicon, Alumina (Al₂O₃) und dienen dazu, die HF in den Hohlraumresonator einzuleiten oder aus diesem herauszuleiten und insbesondere entsprechenden Antennen zuzuführen.

[0011] Eine Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sieht vor, dass HF-Leitungen jeweils auf den dem Hohlraumresonator gegenüber liegenden Seiten der Mikrowellensubstrate angeordnet sind, die eine Ein- bzw. Ausleitung der HF bewirkt.

[0012] Eine alternative Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Netzwerk nur ein Mikrowellensubstrat umfasst, das auf eine Seite des Hohlraumresonators angeordnet ist. Vorzugsweise sind bei dieser Ausführungsform die Eingangs- und Ausgangs-HF-Leitungen auf einer Seite des Mikrowellensubstrates angeordnet und zwar auf derjenigen, die dem Hohlraumresonator gegenüber liegt.

[0013] Noch eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass eine Anzahl von Kopplern in definierter Zuordnung zu der im Hohlraumresonator gebildeten stehenden HF-Welle angeordnet sind, um eine gewünschte Leistungsteilung oder Leistungszusammenführung zu bewirken. Insbesondere ist es zweckmäßig wenn die Ausgangskoppler im Bereich der Wellenmaxima der stehenden HF-Welle angeordnet sind, da in diesem Fall die ausgestrahlte HF-Leistung maximal ist. Alternativ kann es zweckmäßig sein, wenn zur Erzielung einer definierten gewichteten Leistungsteilung nur ein Teil der Ausgangskoppler im Bereich der Wellenmaxima und andere Teile bei geringeren Wellenamplituden positioniert sind. So läßt sich eine gezielte Verteilung der ausgekoppelten HF einstellen, um einzelne Abstrahlelemente mit weniger Energie zu versorgen.

[0014] Das erfindungsgemäße Netzwerk kann als Sammel- oder Verteilnetzwerk ausgebildet sein. Insbesondere kann es dazu dienen, die Energie eines HF-Sender an eine Vielzahl von Antennen zu verteilen. Umgekehrt kann die über eine Vielzahl von Empfangsantennen empfangene HF über das Netzwerk zusammengefasst und einem Empfangsverstärker zugeführt werden.

[0015] Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Netzwerk mindestens ein Mikrowellensubstrat, auf dessen dem Hohlraumresonator gegenüberliegenden Seite eine Anzahl Antennen des Antennen-Arrays angeordnet sind. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht.

[0016] Mittels des erfindungsgemäßen Netzwerks läßt sich eine eindimensionale Antennenanordnung mit einer Anzahl in Reihe hintereinander angeordneter Antennen aufbauen oder ein zweidimensionales Antennen-Array. Bei letztgenannter Ausführung sieht eine vorteilhafte Ausbildung vor, dass eine Anzahl zweidimensional-rasterartig angeordneter Antennen durch mehrere Antennenreihen gebildet ist, wobei die Antennen jeder Antennenreihe jeweils mittels einer Leitung zur Bildung der Antennenreihen verbunden sind und der Hohlraumresonator einen Koppler für jede Leitung umfaßt.

[0017] Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Netzwerk als Leistungs-Verteilnetzwerk oder Leistungs-Sammelnetzwerk im HF-Bereich von 20 - 150 GHz betrieben.

[0018] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Verstärker für den HF-Bereich von 20 - 150 GHz ein Leistungs-Verteilnetzwerk umfasst, das einen HF-Eingang und eine Anzahl von HF-Ausgängen aufweist, die HF-Leistungsverstärker beaufschlagen, ferner die Ausgänge der HF-Leistungsverstärker Eingänge eines Leistungs-Sammelnetzwerkes beaufschlagen.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1:

Eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines HF-Netzwerks;

Fig. 2:

eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines HF-Netzwerks;

Fig. 3:

mehrere Varianten für die geometrische Struktur eines Hohlraumresonators;

Fig. 4:

eine schematische dreidimensionale Darstellung einer HF-Netzwerkausführung für ein eindimensionales Antennen-Array;

Fig. 5:

eine schematische dreidimensionale Darstellung einer ersten HF-Netzwerkausführung für ein zweidimensionales Antennen-Array;

Fig. 6:

eine schematische dreidimensionale Darstellung einer zweiten HF-Netzwerkausführung für ein zweidimensionales Antennen-Array;

Fig. 7:

ein Blockschaltbild eines HF-Verstärkers unter Verwendung eines Verteilungs- sowie eines Sammel-HF-netzwerkes.

[0020] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines HF-Netzwerkes 10a in einer schematischen Schnittdarstellung. Dieses HF-Netzwerk 10a besteht im wesentlichen aus einem Hohlraumresonator 12a, der beidseitig von zwei Mikrowellensubstraten 14a und 16a sandwichartig umschlossen ist. Am ersten Mikrowellensubstrat 14a ist eine Eingangsleitung 16 zur Einkoppelung von HF vorgesehen, beispielsweise aus einem vorgeschalteten HF-Verstärker. Zwischen dem erstem Mikrowellensubstrat 14a und dem Hohlraumresonator 12a ist mindestens ein Eingangskoppler 18a vorgesehen, über den die HF aus dem ersten Mikrowellensubstrat 14a in den Hohlraumresonator 12a eingeleitet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraumresonators 12a sind mehrere Ausgangskoppler 20a vorgesehen, über welche die HF in das zweite Mikrowellensubstrat 16a eingeleitet wird. Auf dessen gegenüberliegender Oberfläche sind eine Anzahl Abstrahlelemente 22a angeordnet, über welche die HF an die Umgebung abgestrahlt wird. Vorzugsweise sind diese Abstrahlelemente 22a als Planar-Antennen ausgebildet, die ein ein- oder zweidimensionales Antennen-Array bilden.

[0021] In Fig. 2 ist eine alternative HF-Netzwerkausführung 10b dargestellt, die sich von der Ausführung gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass nur auf einer Seite des Hohlraumresonators 12b ein Mikrowellensubstrat 14b angeordnet ist, das sowohl zur Einleitung als auch zur Ausleitung der HF dient. Dazu weist das Mikrowellensubstrat 14b eine Eingangs-HF-Leitung 16 auf, einen Eingangskoppler 18b zwischen dem Mikrowellensubstrat 14b und dem Hohlraumresonator 12b sowie eine Anzahl Ausgangskoppler 20b und Abstrahlelemente 22b.

[0022] Bei beiden Ausführungsformen bildet sich im Hohlraumresonator 12a bzw. 12b eine stehende HF-Welle aus und je nach örtlicher Anordnung der Ausgangskoppler 20a bzw. 20b in Bezug auf die Wellenmaxima lässt sich einzelnen Abstrahlelementen 22a, 22b eine vorgegebene HF-Stärke zuordnen, so dass einer durch die Summe der Abstrahlelemente 22a, 22b gebildeten Richtantenne eine gezielte Abstrahlcharakteristik verliehen werden kann.

[0023] In Fig. 3 sind mehrere bevorzugte Ausführungsformen für die geometrische Form des Hohlraumresonators 12 dargestellt, nämlich eine Struktur mit quadratischem, rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt oder einer sphärischen Form. Dabei wird die geeignete Form des Hohlraumresonators 12 vorzugsweise derart gewählt, dass eine optimale Anpassung an die Form oder geometrische Anordnung der Abstrahlelemente gegeben ist.

[0024] In Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführung eines Netzwerkes 10c mit einem eindimensionalen Antennen-Array dargestellt. Dieses umfasst einen rechteckigen Hohlraumresonator 12c mit Eingangs-HF-Leitungen 16 und einem Eingangskoppler 18c, einem Mikrowellensubstrat 14c sowie Abstrahlelementen 22c, die in einer geraden Linie angeordnet sind und unterhalb derer im Übergang zwischen Hohlraumresonator 12c und Mikrowellensubstrat 14c eine Anzahl Ausgangskoppler 20c angeordnet sind. Ferner ist eine Eingangs-HF-Leitung 16 sowie ein Eingangskoppler 18c zur Einkopplung der HF vorgesehen.

[0025] Fig. 5 zeigt eine HF-Netzwerkausführung 10d, die im wesentlichen derjenigen von Fig. 4 entspricht mit dem Unterschied, dass auf dem Mikrowellensubstrat 14d eine zweidimensionale Anordnung von Abstrahlelementen 22d vorgesehen ist, die eine flächenartige Richtantenne bildet.

[0026] Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines HF-Netzwerks 10e mit einer zweidimensionalen Antennenanordnung, bei der ein rechteckiger Hohlraumresonator 12e vorgesehen ist, der mit einem größeren, in der dargestellten Ausführungsform etwa quadratischen Mikrowellensubstrat 14e über eine Anzahl Koppler 20e in Verbindung steht. Diese Koppler 20e sind wiederum mittels HF-Leitungen 24 jeweils mit einer Anzahl hintereinander liegender Abstrahlelemente 22e verbunden, die zusammen eine zweidimensionalen Matrix, also ein Antennen-Array, bilden.

[0027] In der Beschreibung der vorangegangenen Figuren wird jeweils davon ausgegangen, dass die HF über die Eingangsleitungen 16 dem Netzwerk 10a bis 10e zugeführt und über die Abstrahlelemente 22a bis 22e abgestrahlt werden. In diesem Fall handelt es sich um ein Verteilnetzwerk, das die HF aus einer Quelle auf verschiedene Abstrahlelemente oder Sendeantennen 22a - 22e verteilt. Ein solches Netzwerk 10a bis 10e kann auch umgekehrt betrieben werden, dass also die Abstrahlelemente 22a - 22e Empfangsantennen bilden und die HF gesammelt und über die Leitung 16 abgeführt wird.

[0028] Fig. 7 zeigt eine Ausführung eines HF-Verstärkers unter Verwendung von Verteil- und Sammelnetzwerken. Dabei wird die HF über eine HF-Zuleitung 30 einem Verteilnetzwerk 32 zugeführt, von wo diese über Leitungen 34 einer Anzahl (im dargestellten Beispiel fünf) HF-Leistungsverstärkern 36 zugeführt wird. Die darin verstärkte HF wird über weitere Leitungen 38 einem zweiten Sammelnetzwerk 40 zugeleitet und anschließend über die Ausgangsleitung 42 weiterer Verwendung zugeführt.

Ansprüche

1. Netzwerk zur Verteilung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zwischen einer Einkoppeleinheit (18) und mindestens zwei Auskoppeleinheiten (20), dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Hohlraumresonator (12) ausgebildet ist.

2. Netzwerk zur Sammlung hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung (HF) zwischen mindestens zwei Einkoppeleinheiten (18) und einer Auskoppeleinheit (20), dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Hohlraumresonator (12) ausgebildet ist.

3. Netzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein erstes Mikrowellensubstrat (14a) sowie ein zweites Mikrowellensubstrat (16a) umfaßt, zwischen denen der Hohlraumresonator (12a) angeordnet ist.

4. Netzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leitungen auf dem ersten Mikrowellensubstrat (14a) und dem Hohlraumresonator (12a) mindestens ein erster Koppler (18) vorgesehen ist.

5. Netzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leitungen auf dem zweiten Mikrowellensubstrat (16a) und dem Hohlraumresonator (12a) eine Anzahl von zweiten Kopplern (20) vorgesehen sind.

6. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Mikrowellensubstrat (14b) umfaßt, das auf einer Seite des Hohlraumresonators (12b) angeordnet ist.

7. Netzwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Eingangs- und Ausgangs-HF-Leitungen (16) auf der dem Hohlraumresonator (12b) gegenüberliegenden Seite des Mikrowellensubstrats (14b) vorgesehen sind.

8. Netzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlraumresonator und den Leitungen auf dem Mikrowellensubstrat (14b) mindestens ein erster Koppler (18) und eine Anzahl von zweiten Kopplern (20) vorgesehen ist.

9. Netzwerk nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Koppler in definierter Zuordnung zur stehenden HF-Welle im Inneren des Hohlraumresonators (12b) zur Erzielung einer gewünschten Leistungsteilung oder Leistungszusammenführung angeordnet sind.

10. Netzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Koppler (18, 20) im Bereich der Wellenmaxima der stehenden HF-Welle angeordnet sind.

11. Netzwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Sammel- oder Verteilnetzwerk für ein Antennen-Array ausgebildet ist und mindestens ein Mikrowellensubstrat (14c, 14d, 14e) umfaßt, auf dessen dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) gegenüberliegenden Seite eine Anzahl Antennen (22c, 22d, 22e) des Antennen-Arrays angeordnet sind.

12. Netzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antennen (22c, 22d, 22e) auf der dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) gegenüberliegenden Seite des Mikrowellensubstrats (14c, 14d, 14e) und dem Hohlraumresonator (12c, 12d, 12e) eine Anzahl von zweiten Kopplern (20c, 20d, 20e) vorgesehen ist.

13. Netzwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Anzahl hintereinander angeordneter Antennen (22) umfaßt und der Hohlraumresonator (12c) einen jeder Antenne (22c) zugeordneten zweiten Koppler (20c) umfaßt.

14. Netzwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Anzahl zweidimensional-rasterartig angeordneter Antennen (22e) umfaßt, die aus mehreren Antennenreihen besteht , wobei die Antennen (22e) jeder Antennenreihe jeweils mittels einer Leitung (24) miteinander verbunden sind und der Hohlraumresonator (12e) einen zweiten Koppler (20e) für jede Leitung (24) umfaßt.

15. Verstärker für den HF-Bereich von 20 - 150 GHz, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Leistungs-Verteilnetzwerk (32) nach Anspruch 1 aufweist, das einen HF-Eingang (30) und eine Anzahl von HF-Ausgängen (34) aufweist, die jeweils HF-Leistungsverstärker (36) beaufschlagen, ferner die Ausgänge der HF-Leistungsverstärker Eingänge eines Leistungs-Sammelnetzwerkes (40) nach Anspruch 2 beaufschlagen, der die HF einem Ausgang (42) zuführt.

Zeichnung