STEUERBARES PHASENSTELLGLIED FÜR ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein steuerbares Phasenstellglied für elektromagnetische Wellen, insbesondere für den GHz-Frequenzbereich und insbesondere für Antennen.

[0002] Steuerbare Phasenstellglieder ("phase shifters") kommen in einer Vielzahl von HF-Systemen bei der Signalverarbeitung zur Anwendung. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind dabei Antennen oder Antennensysteme, wobei es dort hauptsächlich um die phasenkohärente Überlagerung von Signalen geht.

[0003] So ist bekannt, dass mit Hilfe von steuerbaren Phasenstellgliedern ("phase shifters") das Antennendiagramm von stationären Antennengruppen räumlich verändert werden kann. So lässt sich z.B. der Hauptstrahl in verschiedene Richtungen schwenken. Die Phasenstellglieder verändern dabei die relative Phasenlage der Signale, die von verschiedenen einzelnen Antennen einer Gruppenantenne empfangen oder gesendet werden. Wird die relative Phasenlage der Signale der einzelnen Antennen mit Hilfe der Phasenstellglieder entsprechend eingestellt, dann zeigt die Hauptkeule ("main beam") des Antennenrichtdiagramms der Gruppenantenne in die gewünschte Richtung.

[0004] Bei Gruppenantennen auf mobilen Trägern wie etwa Fahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen zum Beispiel hat die Phasensteuerung die Aufgabe, den Hauptstrahl der Gruppenantennen während der räumlichen Bewegung des mobilen Trägers immer optimal auf ein Ziel auszurichten.

[0005] In umgekehrter Weise kann, wie etwa bei stationären Radarantennen, ein sich bewegendes Ziel mit Hilfe der Phasensteuerung verfolgt werden.

[0006] Die derzeit bekannten Phasenstellglieder sind meist aus nichtlinearen Festkörpern ("solid state phase shifters"), meist Ferriten, Mikroschaltern (MEMS-Technologie, binäre Schalter), oder Flüssigkristallen ("liquid cristals") aufgebaut.

[0007] Alle diese Technologien haben jedoch den Nachteil, dass sie zu einem oft erheblichen Signalverlust führen, da ein Teil der Hochfrequenzleistung in den Phasenstellgliedern dissipiert wird. Insbesondere bei Anwendungen im GHz-Bereich sinkt die Antenneneffizienz der Gruppenantennen dadurch stark ab.

[0008] Zudem sind phasengesteuerte Gruppenantennen, bei denen herkömmliche Phasenstellglieder verwendet werden sehr teuer. Insbesondere für zivile Anwendungen oberhalb von 10 GHz verhindert dies eine Verwendung.

[0009] Ein weiteres Problem stellen die Anforderungen an die genaue Kontrolle des Antennendiagramms der Gruppenantennen dar. Werden die Gruppenantennen in Richtfunkanwendungen mit Satelliten eingesetzt, dann bestehen strenge Anforderungen an die regulatorische Konformität des Antennendiagramms. Für jede Hauptstrahlrichtung muss im Sendebetrieb das Diagramm der regulatorischen Maske gehorchen. Dies kann nur dadurch zuverlässig gewährleistet werden, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl die Amplitude als auch die Phase jedes einzelnen Antennenelements der Gruppenantenne bekannt ist.

[0010] Keine der derzeit bekannten Technologien für Phasenstellglieder erlaubt jedoch die zuverlässige instantane, d.h. sofortige, ohne Zusatzberechnung mögliche, Bestimmung der Phasenlage des Signals nach dem Phasenstellglied. Hierzu wäre es erforderlich den Zustand des Phasenstellglieds jederzeit zuverlässig bestimmen zu können. Dies ist jedoch praktisch weder bei Festkörper-, noch bei MEMS- oder Flüssigkristallphasenschiebern möglich.

[0011] Aus der DE 37 41 501 C1 ist Speisesystem für eine Antenne bekannt, das unterschiedliche polarisierte Wellen übertragen kann. Das Speisesystem verwendet einen festen 90° Phasenschieber und eine beweglichen 180° Phasenschieber, so dass die Phasenlage beider Wellen zueinander einstellbar ist. Die EP 0 196 081 A2 zeigt einen Hochfrequenz-Koppler mit mehreren sequenziell angeordneten Phasenschiebern. Aus der DE 39 20 563 A1 ist ein Speisesystem für eine Parabolantenne entnehmbar, das auf einer drehbaren Halterung montiert ist, und einen Polarisator und eine Polarisationsweiche enthält.

[0012] Das US-Patent US 2,438,119 A offenbart einen Phasenwandler für eine linear polarisierte Welle mittels mehrerer Stege in einer Hohlraumstruktur.

[0013] Die JP S55 102901 A offenbart die Möglichkeit einer Phasenverschiebung eines Hochfrequenzsignales mittels einer drehbaren Dielektrikum-Platte innerhalb einer Wellenleiteranordnung.

[0014] Gemäß der US 2,546,840 A wird ein Phasenschieber innerhalb eines hohlen röhrenförmigen Wellenleiters vorgeschlagen, in dem in Längsrichtung mehrere Stege angeordnet sind, so dass hierdurch eine Phasenverschiebung einer linear polarisierten Welle innerhalb des Wellenleiters erzeugt wird.

[0015] Das wissenschaftliche Paper von G.F Brand "A new millimeter wave gemometric phase demonstration", Int. Journal of infrared and milimeter waves, April 2000 untersucht den Einfluss eines Mikrowellenphasenverschiebers auf die Phasenverschiebung. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein steuerbares Phasenstellglied, insbesondere im GHz-Frequenzbereich und insbesondere für Antennen, zur Verfügung zu stellen, welches

1. die exakte Steuerung der relativen Phasenlage von Signalen erlaubt,

2. keine, oder nur sehr geringe Verluste induziert,

3. zu jedem Zeitpunkt die instantane Bestimmung der Phasenlage eines anliegenden Signals zulässt und

4. kostengünstig realisierbar ist.

[0016] Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes steuerbares Phasenstellglied nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

[0017] Ein erfindungsgemäßes steuerbares Phasenstellglied umfasst eine Antriebseinheit (2) und eine Halterung (3), an der mindestens zwei, in Einfallrichtung einer Welle hintereinander angeordnete Polarisatoren (4) angebracht sind. Jeder Polarisator (4)ist derart gestaltet, dass er ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann. Die Antriebseinheit (2) ist so ausgelegt, dass die Halterung (3) gedreht werden kann. Damit werden auch die Polarisatoren (4) gedreht und zwar um einen Winkel, der frei wählbar ist und die Phase des Signals wie gewünscht einstellt. Das Funktionsprinzip ist in Figur 1 erläutert, wobei die übrigen Figuren zeigen:

Figur 2

eine Phasenverschiebung einer zirkularen Welle,

Figur 3

einen Polarisator in Draufsicht,

Figur 4

ein Phasenstellglied in einem Hohlleiter,

Figur 5

mehreren Phasenstellglieder innerhalb einer Antenne,

Figur 6

ein weiteres Beispiel eines Phasenstellgliedes mit seitlich angeordneten Antrieb,

Figur 7,8

weitere Ausführungsbeispiele eines Phasenstellgliedes mit Polarisatorpaaren,

Figur 9-11

weitere Ausführungsbeispiele eines Phasenstellgliedes mit zusätzlichen Polarisatoren und einer Phasenverschiebung einer zirkularen Welle.

[0018] Die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Eine einfallende Welle (5a) mit zirkularer Polarisation und Phasenlage ϕ wird durch den ersten Polarisator (4a) in eine Welle mit linearer Polarisation (5b) transformiert. Diese werden durch den zweiten Polarisator (4b) in eine Welle mit zirkularer Polarisation (5c) rückverwandelt.

[0019] Wird das Phasenstellglied (1) jetzt mit Hilfe der Antriebseinheit (2) um einen Winkel Δθ gedreht, dann rotiert der Polarisationsvektor (5b) der linearen Welle zwischen den beiden Polarisatoren (4a) und (4b) in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung mit. Da sich auch die Polarisatoren (4a) und (4b) ebenfalls mit drehen, hat die zirkulare Welle (5c), welche vom zweiten Polarisator (4b) generiert wird, jetzt eine Phasenlage von ϕ + 2 Δθ, wie aus Figur 2 ersichtlich ist.

[0020] Bedingt durch die Konstruktion des erfindungsgemäßen steuerbaren Phasenstellglieds ist die Abhängigkeit der Phasenwinkeldifferenz zwischen auslaufender (5c) und einlaufender (5b) zirkularer Welle von der Drehung des Phasenstellglieds (1) streng linear, stetig und streng 2π periodisch. Zudem kann jede beliebige Phasendrehung bzw. Phasenschiebung kontinuierlich durch die Antriebseinheit (2) eingestellt werden.

[0021] Da es sich beim Phasenstellglied (1) elektrodynamisch betrachtet vorteilhafterweise um ein rein passives Bauelement handelt, welches keinerlei nichtlineare Komponenten enthalten muss, ist seine Funktion vollständig reziprok. D.h., dass eine Welle, welche von unten nach oben durch das Phasenstellglied (1) läuft, in gleicher Weise in ihrer Phase gedreht wird wie eine Welle, welche von oben nach unten durch das Phasenstellglied (1) läuft.

[0022] Auch die Wellenimpedanz der Anordnung ist konstruktionsbedingt vollkommen unabhängig von der relativen Phasenlage von ein- und auslaufender Welle, was bei nichtlinearen Phasenschiebern wie etwa Halbleiterphasenschiebern oder Flüssigkristallphasenschiebern nicht der Fall ist. Dort ist die Wellenimpedanz von der relativen Phasenlage abhängig, was diese Bauteile schwierig zu steuern macht.

[0023] Die mindestens zwei Polarisatoren (4a) und (4b) sind vorzugsweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle und parallel zueinander in der Halterung (3) angebracht. Die Drehachse (6) liegt vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle.

[0024] Das steuerbare Phasenstellglied arbeitet dabei praktisch verlustlos, da bei entsprechender Auslegung die durch die Polarisatoren (4a, b) und den dielektrischen Halter (3) induzierten Verluste sehr klein sind. Bei Frequenzen von 20 GHz zum Beispiel betragen die gesamten Verluste weniger als 0,2 dB, was einer Effizienz von mehr als 95% entspricht. Konventionelle Phasenschieber dagegen haben typischerweise bei diesen Frequenzen bereits Verluste von mehreren dB.

[0025] Wird die Antriebseinheit (2) zudem mit einem Winkellagegeber ausgestattet oder ist sie selbst schon winkellagegebend (wie dies z.B. bei manchen Piezomotoren der Fall ist), so kann die Phasenlage der auslaufenden Welle (5c) zu jedem Zeitpunkt instantan exakt bestimmt werden.

[0026] Wegen des einfachen Aufbaus des Phasenstellglieds (1) und der Tatsache, dass lediglich sehr einfach aufgebaute Antriebe (2) erforderlich sind, lässt sich die Phasensteuerung sehr kostengünstig realisieren. Auch eine Reproduktion mit großen Stückzahlen ist ohne weiteres möglich.

[0027] Als Antriebseinheiten (2) kommen dabei zum Beispiel sowohl kostengünstige Elektromotoren, als auch Piezomotoren, oder einfache Aktuatoren, die aus elektroaktiven Materialen aufgebaut sind, in Frage.

[0028] Die Polarisatoren (4a, b) können z.B. aus einfachen, ebenen Mäanderpolarisatoren bestehen, welche auf ein Trägermaterial, z.B. eine hochfrequenztaugliche Platine, aufgebracht sind. Hergestellt werden können diese Polarisatoren durch bekannte Ätzverfahren oder durch additive Verfahren ("circuit printing").

[0029] Wie in Fig. 3 dargestellt, besitzen die mindestens zwei Polarisatoren (4a) und (4b) vorzugsweise eine zur Achse (5) symmetrische Form.

[0030] Der in Fig. 3 dargestellte Polarisator (4a, b) ist als Mäanderpolarisator ausgeführt. Wie dem Fachmann bekannt, gibt es jedoch auch eine Vielzahl von anderen möglichen Ausführungsformen von Polarisatoren für elektromagnetische Wellen, welche eine Welle zirkularer Polarisation in eine Welle linearer Polarisation transformieren können.

[0031] Für die Halterung (3) können dielektrische Materialien wie z.B. geschlossenzellige Schäume mit geringer Dichte, welche sehr geringe HF-Verluste aufweisen, aber auch Plastikmaterialien wie Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyimide verwendet werden. Wegen der insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz geringen Größe des Phasenstellglieds im Bereich einer Wellenlänge, bleiben die HF-Verluste bei entsprechender Impedanzanpassung auch hier sehr klein.

Anhand der folgenden Figuren wird die Funktionsweise der Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert.

[0032] In Fig. 4 ist schematisch in einer beispielhaften Anwendung ein Antennenelement (6) dargestellt, welchem eine erfindungsgemäße Phasensteuerung vorgeschaltet ist.

[0033] Im Sendebetrieb wird das Signal über eine Einkopplung (31) in das Hohlleiterstück (2) eingespeist. Das Signal passiert dann das Phasenstellglied (1) und wird über die Auskopplung (32) zum Antennenelement (6) geleitet. Mit Hilfe des Antriebs (2), welcher mit Hilfe des Verbindungselements (33) das Phasenstellglied (1) im Hohlleiter dreht, kann die Phasenlage des Signals, das vom Antennenelement (6) abgestrahlt wird, beliebig eingestellt werden.

[0034] Da die erfindungsgemäße Phasensteuerung konstruktionsbedingt vollständig reziprok arbeitet, erfolgt die Verarbeitung eines Empfangssignals in gleicher Weise: das vom Antennenelement (6) empfangene Signal wird mit Hilfe der Einkopplung (31) in den Hohlleiter eingespeist. Das Signal passiert dann das Phasenstellglied (1) und wird mit der Auskopplung (32) aus dem Hohlleiter ausgekoppelt. Die Phase des Empfangssignals kann mit Hilfe des Antriebs (2) wieder beliebig eingestellt werden. Direkt an der Auskopplung (32) kann auch bereits ein Empfangsverstärker angebracht werden, um z.B. Speisenetzwerkverluste auszugleichen.

[0035] Das Verbindungselement (33) ist dabei als Achse ausgelegt und besteht bevorzugt aus einem nichtmetallischen, dielektrischen Material wie z.B. Kunststoff. Dies hat den Vorteil, dass zylindrische Hohlraummoden nicht, oder nur sehr wenig gestört werden, wenn die Achse symmetrisch im Hohlleiter angebracht wird.

[0036] Die Einkopplungsstruktur (31) bzw. die Auskopplungsstruktur (32) kann dabei wie in Fig. 4 dargestellt als Schlaufe ausgelegt werden, so dass eine zylindrische Hohlraummode direkt angeregt wird. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen zwei Signale mit orthogonal liegenden Stiften ein- bzw. ausgekoppelt werden. Die Phasenlage der beiden Signale ist dann so, dass ebenfalls eine zylindrische Hohlraummode angeregt wird. Die Form des Hohlleiters ist vorzugsweise ein Hohlzylinder. Ein weiteres Beispiel zur Erklärung der Erfindung ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Das Phasenstellglied (1), besteht aus den zwei Polarisationsplättchen (4a, 4b) und der Halterung (3) und ist in einem zylindrischen Hohlleiterstück (50) angebracht. Die Halterung (3) ist fest mit dem Hohlleiterstück (50) verbunden. Das Hohlleiterstück (50) ist in einen weiteren zylindrischen Hohlleiter (51) derart eingebracht, dass sich das Hohlleiterstück (50), in dem sich das Phasenstellglied (1) befindet, frei um die Hohlleiterachse (52) drehen kann. Eine Antriebseinheit (2) verfügt über eine Walze (53), so dass das Hohlleiterstück (50) und damit auch das Phasenstellglied (1) durch die Antriebseinheit (2) gedreht werden kann.

[0037] Läuft nun eine zylindrische Hohlleitermode durch den Hohlleiter (51), wobei es wegen der Reziprozität der Funktion der erfindungsgemäßen Phasensteuerung auf die Ausbreitungsrichtung nicht ankommt, dann wird dieser Hohlleitermode ein Phasenwinkel aufgeprägt, welcher von der Winkelstellung des Phasenstellglieds linear abhängt. Durch Rotation des Hohlleiterstücks (50) und damit des Phasenstellglieds (1) mit Hilfe der Antriebseinheit (2) kann dieser Phasenwinkel beliebig eingestellt werden.

[0038] In dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel zur Erklärung der Erfindung ist die Halterung (3) als dielektrischer Füllkörper, welcher das Hohlleiterstück (50) vollständig ausfüllt, und in welchen die Polarisatoren (4a, 4b) eingebettet sind, ausgeführt. Das Hohlleiterstück (50) ist mit einem äußeren Zahnkranz (54) ausgestattet, so dass über die Zahnradkupplung (55) die Antriebseinheit (2) das Hohlleiterstück (50) samt Phasenstellglied (1) drehen kann.

[0039] Die Polarisatoren (4a, 4b) sind hier als zwei Paare ausgeführt. Dies kann den Vorteil höherer Polarisationsentkopplung und/oder größerer Frequenzbandbreite haben. Die Polarisatoren eines Paars haben dabei einen Abstand voneinander, der wesentlich kleiner als eine Wellenlänge ist. Beide Paare sind voneinander um etwa die halbe Wellenlänge beabstandet, um eine Verkopplung beider Polarisatoren zu reduzieren.

[0040] Für Anwendungen im Frequenzbereich größer 20 GHz können darüber hinaus Ausführungsformen vorteilhaft sein, welche über mehr als 4 Polarisatoren verfügen.

[0041] Wenn die Halterung als dielektrischer Füllkörper ausgeführt ist, welcher ein Hohlleiterstück vollständig ausfüllt, dann ist es zudem denkbar, den dielektrischen Füllkörper an seiner Außenseite, dort wo er das Hohlleiterstück (50) berührt, zu metallisieren. Dies ist von Vorteil, wenn das Bauteil sehr leicht sein soll, weil dann das Hohlleiterstück (50) entfallen kann.

[0042] Auch sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Umwandlung der Signalpolarisation nicht durch ebene Polarisatoren bzw. Polarisationsplättchen sondern z.B. durch räumlich in der Halterung verteilte Strukturen erfolgt (z.B. Septum-Polaristoren). Für die Funktion der Erfindung kommt es lediglich darauf an, dass diese Strukturen eine einfallende Welle mit zirkularer Polarisation zunächst in eine Welle mit linearer Polarisation transformieren und anschließend in eine Welle mit zirkularer Polarisation zurücktransformieren können.

[0043] Die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellten Beispiele lassen sich wegen ihres geringen Bauraumbedarfs typischerweise problemlos in die Speisenetzwerke von Gruppenantennen integrieren. Bei einer Frequenz von 20 GHz z.B. liegen die Abmessungen typischerweise im Bereich kleiner als eine Wellenlänge, d.h. ca. 1cm x 1cm. Wird die Halterung (3) als dielektrischer Füllkörper ausgelegt und die Dielektrizitätszahl entsprechend groß gewählt, dann können auch sehr viel kleinere Bauvolumina realisiert werden. Die Ohmschen Verluste steigen dann zwar leicht an, liegen aber immer noch lediglich im Prozentbereich.

[0044] Auch das Gewicht des steuerbaren Phasenstellglieds ist typischerweise sehr klein. Werden die Polarisatoren in Dünnschichttechnologie auf dünnen HF-Substraten ausgeführt, und wird die Halterung aus geschlossenzelligem Schaum hergestellt, dann beträgt das Gewicht des Phasenstellglieds typischerweise nur wenige Gramm. Daher sind auch für die Antriebseinheit nur sehr kleine und leichte Aktuatoren, wie etwa Mikro-Elektromotoren, erforderlich. Das Gewicht solcher Mikro-Elektromotoren liegt ebenfalls im Grammbereich. Das Gewicht einer einzelnen Phasensteuerung, insbesondere im Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz, liegt dann bei typischerweise nur einigen Gramm.

[0045] Hinzu kommt die sehr geringe Dissipation der erfindungsgemäßen Phasensteuerungen. Der Wärmeeintrag der Phasenstellglieder ist wegen der sehr geringen Ohmschen Verluste vernachlässigbar. Werden Elektromotoren als Antriebseinheiten verwendet, dann beträgt deren Wirkungsgrad typischerweise > 95%, so dass auch die Antriebseinheiten praktisch keinen Wärmeeintrag hervorrufen. Zudem liegt die Leistungsaufnahme etwa von Mikro-Motoren lediglich im mW-Bereich.

[0046] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Die Halterung (3) ist hier als sternförmiger Füllkörper mit zylindrischer Außenkontur ausgeführt. Zusätzlich sind vier Schlitze für die Paare von Polarisatoren (4a, 4b) vorgesehen, sowie eine zentrale Bohrung für die Achse (56).

[0047] Der Vorteil liegt in der einfachen Fertigung. Die Polarisatoren (4a, 4b) können direkt in die Schlitze der Halterung (3) eingeklebt werden, was ohne weitere Verfahrensschritte ein erfindungsgemäßes Phasenstellglied (1) ergibt. Ebenso kann die Achse (56) direkt in eine Bohrung in der Halterung (3) eingeklebt und mit der Antriebseinheit (2) verbunden werden.

[0048] Es ist zudem denkbar, dass die Achse (56) unmittelbar die Achse eines Elektromotors ist, welche damit direkt die geforderte Verbindung mit dem Phasenstellglied (1) herstellt und somit alle funktionalen Anforderungen erfüllen kann.

[0049] Auch anderer, z.B. zylindrische oder im Querschnitt dreiecks- oder kreuzförmige, dielektrische Füllkörper sind denkbar.

[0050] Eine Weiterentwicklung der Erfindung zur direkten Verarbeitung von Signalen mit linearer Polarisation ist in Fig. 8 dargestellt. Die Weiterentwicklung sieht vor, dass vor dem Phasenstellglied (1) mindestens ein weiterer Polarisator (41) angebracht ist, welcher Signale mit linearer Polarisation in Signale mit zirkularer Polarisation transformieren kann, und nach dem Phasenstellglied (1) mindestens ein weiterer Polarisator (42) angebracht ist, welcher Signale zirkularer Polarisation in Signale linearer Polarisation transformieren kann.

[0051] Das Phasenstellglied (1) besteht erfindungsgemäß weiterhin aus der Halterung (3) und den Polarisatoren (4) und verfügt über eine Antriebseinheit (2), welche derart ausgelegt ist und mit dem Phasenstellglied (1) bzw. der Halterung (3) derart verbunden ist, dass die Halterung (3) bzw. das Phasenstellglied (1) gedreht werden kann.

[0052] Die Funktionsweise der Weiterentwicklung der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Eine einfallende Welle linearer Polarisation (7a) mit Phasenlage ϕ wird durch den vor dem Phasenstellglied (1) angebrachten Polarisator (41) in ein Signal mit zirkularer Polarisation (7b) transformiert. Die Welle mit zirkularer Polarisation (7b) fällt dann auf das drehbare Phasenstellglied (1) ein und wird vom Polarisator (4a) in eine Welle linearer Polarisation (7c) transformiert. Wird das Phasenstellglied gedreht, dann dreht sich der Feldvektor (bzw. die E- und H-Feld Vektoren) der linearen Polarisation (7c) entsprechend in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle mit. Das so räumlich gedrehte Signal linearer Polarisation wird dann durch den Polarisator (4b) in ein Signal zirkularer Polarisation (7d) transformiert, dessen Phasenlage nun in linearer Weise von der Drehung des Phasenstellglieds abhängt. Wird das Phasenstellglied um einen Winkel Δθ gedreht, dann besitzt die zirkulare Welle (7d) die Phasenlage ϕ + 2 Δθ. Die doppelte Änderung 2 Δθ ist dabei durch die Mitdrehung der Polarisatoren (4a) und (4b) bedingt. Das Signal zirkularer Polarisation (7d) mit Phasenwinkel ϕ + 2 Δθ wird durch den Polarisator (42) schließlich in ein Signal mit linearer Polarisation (7e) zurücktransformiert, welches dann ebenfalls die Phasenlage ϕ + 2 Δθ besitzt.

[0053] Die Lage des Vektors der linearen Polarisation der Welle (7e) relativ zur Lage des Polarisationsvektors der einfallenden Welle (7a) in der Ebene senkrecht zu Fortpflanzungsrichtung hängt von der relativen Orientierung der beiden Polarisatoren (5) und (6) ab. Sind diese gleich orientiert, dann sind die Polarisationsvektoren der Wellen (7a) und (7e) gleich. Sind dagegen die Polarisatoren (5) und (6) unterschiedlich orientiert, dann schließen die Polarisationsvektoren der Wellen (7a) und (7e) einen Winkel ein, der von der relativen Orientierung der Polarisatoren (41) und (42) bestimmt ist.

[0054] Es ist deshalb denkbar, z.B. dann wenn die Signalpolarisation nachgeführt werden muss, was in bestimmten mobilen Antennenanwendungen vorkommen kann, einen oder beide Polarisatoren (41) bzw. (42) drehbar auszugestalten und mit einer eigenen Antriebseinheit zu versehen.

[0055] Wird z.B. der Polarisator (41) drehbar mit einer eigenen Antriebseinheit ausgestaltet, der Polarisator (42) nicht drehbar ausgestaltet, und kann der Polarisator (41) unabhängig vom Phasenstellglied (1) gedreht werden, dann kann der Polarisator (41) eine Drehung der linearen Polarisation (7a) der einfallenden Welle folgen. Damit entsteht eine neuartige Anordnung, mit deren Hilfe simultan die Signalpolarisation nachgeführt und die Phasenlage des Signals eingestellt werden kann.

[0056] Wie in Fig. 10 dargestellt funktioniert die Weiterentwicklung der Erfindung konstruktionsbedingt auch für zwei Signale mit orthogonaler linearer Polarisation. Zu beachten ist hier lediglich die Festlegung der Konvention für den Drehsinn des Phasenwinkels bei der rechts- bzw. linkspolarisierten Welle.

[0057] Aus Fig. 10 wird zudem deutlich, dass die Funktion der Phasensteuerung nach Fig. 1 unabhängig davon ist ob eine links- oder rechtszirkulare Welle einfällt. Wegen der Reziprozität und der Linearität der Funktion gilt dies auch für jede Überlagerung bzw. auch dann, wenn Wellen unterschiedlicher Zirkularität simultan einfallen.

[0058] In Fig. 11 ist exemplarisch eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit 4 Antennenelementen dargestellt, welche in ihrem Speisenetzwerk (10) steuerbare Phasenstellglieder enthält.

[0059] Die Signale aller vier Antennenelemente werden über das Speisenetzwerk (10) zusammengeführt. Die Steuerung der Antriebe der einzelnen Phasensteuerungen erfolgt z.B. durch einen Mikroprozessor (11). Werden die Phasensteuerungen nun mit Hilfe des Mikroprozessors (11) so eingestellt, dass zwischen den Signalen der Einzelelemente eine konstante relative Phasendifferenz Δϕ besteht, dann zeigt der Hauptstrahl der Gruppenantenne in eine bestimmte, von der Phasendifferenz Δϕ abhängige Richtung.

[0060] Da über das Speisenetzwerke (10) die Amplitudenrelationen der gesendeten bzw. empfangenen Signale der Einzelantennen genau bekannt sind und zusätzlich über die Phasensteuerungen die Phasenlage jedes dieser Signale genau bestimmbar ist, ist das Antennendiagramm der Gruppenantenne in jedem Zustand der Gruppenantenne (d.h. auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt) vollständig deterministisch bestimmt.

[0061] Wenn die erforderliche Rechenleistung im Mikroprozessor (11) oder an einer anderen Stelle des Antennensystems zur Verfügung steht, ist es daher sogar möglich, das gesamte Antennendiagramm zu jedem Zeitpunkt mit sehr hoher Genauigkeit analytisch zu berechnen. Dies stellt, insbesondere im Hinblick auf die typischerweise in zivilen Anwendungen geforderte regulatorische Konformität des Antennendiagramms, einen wesentlichen Vorteil erfindungsgemäßer Anordnungen dar.

[0062] Auch wenn die Gruppenantennen mehrere tausend Einzelantennen beinhalten, wie dies z.B. im Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz typischerweise der Fall ist, kann mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation (FFT) das entsprechende Antennendiagramm mit relativ geringer Rechenleistung sehr genau berechnet werden. Entsprechend schnelle FFT Algorithmen sind hinlänglich bekannt.

[0063] Die beschriebenen Beispiele der Fig. 1 bis 7 gelten in analoger Weise auch für die in Fig. 8 - 10 gezeigte Weiterentwicklung der Erfindung, so dass eine Vielzahl von Variationen und Kombinationen möglich ist.

Bezugszeichen

Phasenstellglied	1
Antriebseinheit	2
Halterung	3
Polarisatoren	4, 4a, 4b
Drehachse	5
Antennenelement	6
Speisenetzwerk	10
Mikroprozessor	11
Auskopplung	31
Einkopplung	32
Verbindungselement	33
Zusätzlichen Polarisatoren	41, 42
Hohlleiterstück	50
Hohlleiter	51
Hohlleiterachse	52
Walze	53
Zahnkranz	54
Zahnradkupplung	55
Achse	56

Ansprüche

1. Steuerbares Phasenstellglied (1) für elektromagnetische Wellen für eine Speisestruktur einer Antenne, mit einer Antriebseinheit (2), einer Halterung (3), die über ein um eine Achse drehbares Verbindungselement (33) verfügt und die Halterung (3) in einem zylinderförmigen Hohlleiter des steuerbaren Phasenstellglieds (1) angebracht ist, und mindestens zwei Mäanderpolarisatoren (4), wobei die Mäanderpolarisatoren (4) an der Halterung (3) angebracht sind und jeder Mäanderpolarisator (4) zur Umwandlung eines zirkular polarisiertes Signals in ein linear polarisiertes Signal ausgelegt ist, und die Antriebseinheit (2) mit der Halterung (3) mittels des drehbaren Verbindungselements (33) derart verbunden ist, dass die Mäanderpolarisatoren (4) drehbar sind, wobei die Halterung (3) mit dem Hohlleiter fest verbunden und der Hohlleiter drehbar und mit der außerhalb des Hohlleiters liegenden Antriebseinheit (2) derart verbunden ist, dass die Antriebseinheit den Hohlleiter und die innenliegende Halterung (3) dreht.

2. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach Anspruch 1, wobei die Mäanderpolarisatoren (4) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer einfallenden Welle und parallel zueinander an der Halterung (3) angebracht sind.

3. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mäanderpolarisatoren (4) und/oder die Halterung (3) einen zur Drehachse des drehbaren Verbindungselements (33) der Halterung (3) rotationssymmetrische Form aufweisen.

4. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (3) aus einem Kunststoff und/oder aus geschlossenzelligem Schaum besteht.

5. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (2) einen Elektromotor oder einen Piezomotor oder einen Aktuator enthält, wobei der Aktuator elektroaktive Materialen beinhaltet.

6. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Winkellagegeber, der die Winkelstellung der Halterung (3) bestimmt.

7. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mäanderpolarisatoren (4) aus jeweils zumindest einem zueinander parallel angeordneten Polarisationspaare (4a, 4b) bestehen, wobei der Abstand der Mäanderpolarisatoren (4) kleiner als die Wellenlänge A ist.

8. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach Anspruch 7, wobei der Abstand der Mäanderpolarisatoren (4) die halbe Wellenlänge λ beträgt.

9. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (3) ein dielektrischer Füllkörper ist, der an seinen Außenseiten metallisiert ist.

10. Steuerbares Phasenstellglied (1) für elektromagnetische Wellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei zusätzlichen Polarisatoren (41, 42), die in Ausbreitungsrichtung einer einfallenden Welle vor bzw. hinter den Mäanderpolarisatoren (4) angebracht sind und jeder der zusätzlichen Polarisatoren (41, 42) derart ausgelegt ist, dass er ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann.

11. Steuerbares Phasenstellglied (1) nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der zusätlichen Polarisatoren (41, 42) drehbar ausgestaltet ist und über eine Antriebseinheit verfügt, mit welcher er unabhängig von der Halterung (3) drehbar ist.

Claims

1. Controllable phase control element (1) for electromagnetic waves for a feed structure of an antenna, comprising
a drive unit (2),
a holder (3) which has a connecting element (33) which can be rotated about an axis, and the holder (3) is mounted in a cylindrical waveguide of the controllable phase control element (1), and
at least two meander-line polarizers (4), wherein the meander-line polarizers (4) are mounted on the holder (3) and each meander-line polarizer (4) is designed for converting a circularly polarized signal into a linearly polarized signal, and
the drive unit (2) is connected to the holder (3) by means of the rotatable connecting element (33) in such a way that the meander-line polarizers (4) can be rotated, wherein the holder (3) is fixedly connected to the waveguide, and the waveguide is connected in a rotatable manner and to the drive unit (2), which is situated outside the waveguide, in such a way that the drive unit rotates the waveguide and the inner holder (3).

2. Controllable phase control element (1) according to Claim 1, wherein the meander-line polarizers (4) are mounted on the holder (3) perpendicularly in relation to the propagation direction of an incident wave and parallel in relation to one another.

3. Controllable phase control element (1) according to either of the preceding claims, wherein the meander-line polarizers (4) and/or the holder (3) have/has a shape which is rotationally symmetrical in relation to the rotation axis of the rotatable connecting element (33) of the holder (3).

4. Controllable phase control element (1) according to one of the preceding claims, wherein the holder (3) consists of a plastic and/or of closed-cell foam.

5. Controllable phase control element (1) according to one of the preceding claims, wherein the drive unit (2) contains an electric motor or a piezo motor or an actuator, wherein the actuator contains electroactive materials.

6. Controllable phase control element (1) according to one of the preceding claims, comprising an angle position sensor which determines the angular position of the holder (3).

7. Controllable phase control element (1) according to one of the preceding claims, wherein the meander-line polarizers (4) consist of in each case at least one polarization pair (4a, 4b) which are arranged parallel in relation to one another, wherein the distance between the meander-line polarizers (4) is less than the wavelength λ.

8. Controllable phase control element (1) according to Claim 7, wherein the distance between the meander-line polarizers (4) is half the wavelength λ.

9. Controllable phase control element (1) according to one of the preceding claims, wherein the holder (3) is a dielectric filler which is metallized on its outer sides.

10. Controllable phase control element (1) for electromagnetic waves according to one of the preceding claims, comprising two additional polarizers (41, 42) which are mounted upstream and, respectively, downstream of the meander-line polarizers (4) in the propagation direction of an incident wave, and each of the additional polarizers (41, 42) is designed in such a way that it can convert a circularly polarized signal into a linearly polarized signal.

11. Controllable phase control element (1) according to Claim 10, wherein at least one of the additional polarizers (41, 42) is configured in a rotatable manner and has a drive unit by way of which it can be rotated independently of the holder (3).

Revendications

1. Organe de réglage de phase réglable (1) pour ondes électromagnétiques, destiné à une structure d'alimentation d'une antenne, comprenant une unité d'entraînement (2),
un support (3) pourvu d'un élément de liaison (33) pouvant tourner sur un axe, et le support (3) étant placé dans un guide d'ondes cylindrique de l'organe de réglage de phase réglable (1), et
au moins deux polariseurs en méandre (4), les polariseurs en méandre (4) étant placés sur le support (3) et chaque polariseur en méandre (4) étant conçu pour convertir un signal à polarisation circulaire en un signal à polarisation linéaire, et
l'unité d'entraînement (2) est reliée au support (3) au moyen de l'élément de liaison rotatif (33) de telle sorte que les polariseurs en méandre (4) sont rotatifs, le support (3) étant relié solidement au guide d'ondes et le guide d'ondes étant rotatif et relié à l'unité d'entraînement (2) située à l'extérieur du guide d'ondes de telle sorte que l'unité d'entraînement fait tourner le guide d'ondes et le support (3) interne.

2. Organe de réglage de phase réglable (1) selon la revendication 1, dans lequel les polariseurs en méandre (4) sont placés sur le support (3) perpendiculairement à la direction de propagation d'une onde incidente et en parallèle les uns aux autres.

3. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les polariseurs en méandre (4) et/ou le support (3) présentent une forme à symétrie de rotation par rapport à l'axe de rotation de l'élément de liaison rotatif (33) du support (3).

4. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (3) est composé d'une matière plastique et/ou d'une mousse expansée.

5. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité d'entraînement (2) comprend un moteur électrique ou un moteur piézoélectrique ou un actionneur, l'actionneur comprenant des matériaux électro-actifs.

6. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un indicateur d'angle qui détermine la position angulaire du support (3).

7. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les polariseurs en méandre (4) se composent respectivement d'au moins une paire de polariseurs (4a, 4b) disposés en parallèle l'un à l'autre, la distance des polariseurs en méandre (4) étant inférieure à la longueur d'onde À.

8. Organe de réglage de phase réglable (1) selon la revendication 7, dans lequel la distance des polariseurs en méandre (4) correspond à la moitié de la longueur d'onde À.

9. Organe de réglage de phase réglable (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (3) est un corps de remplissage diélectrique métallisé sur ses faces extérieures.

10. Organe de réglage de phase réglable (1) pour ondes électromagnétiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant deux polariseurs (41, 42) supplémentaires qui sont placés dans la direction de propagation d'une onde incidente devant ou derrière les polariseurs en méandre (4), et chacun des polariseurs (41, 42) supplémentaires est conçu de telle sorte qu'il peut convertir un signal à polarisation circulaire en un signal à polarisation linéaire.

11. Organe de réglage de phase réglable (1) selon la revendication 10, dans lequel au moins l'un des polariseurs (41, 42) supplémentaires est configuré de manière rotative et dispose d'une unité d'entraînement qui peut être amenée à tourner indépendamment du support (3).

Zeichnung