[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 (Al
2O
3) 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 (Al
2O
3) 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.
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.