Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit einer WAIM-Schicht zur Impedanzanpassung für große Schwenkwinkel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein oft beobachtetes Phänomen im Transmissionsverhalten einer Gruppenantenne während des elektronischen Schwenkens des Hauptstrahls ist der Unterschied im Transmissionsgrad, je nachdem in welche Richtung die Antenne geschwenkt wird. Üblicherweise hat eine Antenne eine definierte Polarisationsausrichtung, z.B. vertikale oder horizontale Polarisation. Um das genannte Phänomen zu erläutern, reicht es aus, im Gedanken den Hauptstrahl solch einer Gruppenantenne entlang dieser
beiden Ebenen (vertikal & horizontal) elektronisch zu schwenken. Sofern der Vektor der abgestrahlten elektrischen Feldstärke sich innerhalb der Schwenkebene, definiert aus Schwenkrichtung und Antennen-Normale ausbildet, spricht man von der transversal magnetischen Polarisation (TM). Falls der Vektor der elektrischen Feldstärke sich senkrecht zu dieser Ebene befindet, lautet die Bezeichnung transversal elektrisch (TE). Alle möglichen anderen Polarisationszustände lassen sich in diese beiden
Polarisationskomponenten zerlegen. Prinzipiell neigen konventionelle Gruppenantennen (wie auch andere artverwandte Strukturen wie dielektrische oder frequenzselektive Radome) dazu, mit steigendem Schwenkwinkel in TE einen schlechteren Transmissionsgrad als in TM auszubilden.

Eine sogenannte WAIM-Schicht (WAIM: Wide Angle Impedance Match), die vor den Strahlerelementen angeordnet wird, kann diesem Effekt entgegenwirken. Bezogen auf die beiden Polarisationsfälle TE und TM funktioniert die WAIM-Schicht in Analogie zu einem Ersatzleitungsmodell der Antenne wie eine parallel geschaltete Kapazität, deren relative Suszeptanz (bezogen auf den Wellenwiderstand) sich mit dem Schwenkwinkel θ ändert. Für den Fall der TE-Polarisation geht diese Änderung mit dem Faktor 1/cos(θ), für den Fall der TM-Polarisation jedoch mit dem Faktor cos(θ), vorausgesetzt die dielektrische Konstante der WAIM-Schicht ist ausreichend hoch und die Dicke der WAIM-Schicht ausreichend gering. Die geschilderte Reziprozität der Faktoren führt nun bei geeigneter Auslegung der WAIM-Schicht dazu, dass sich die Transmissionsgrade der Antenne beim Schwenken zwischen TE und TM-Polarisation aneinander angleichen. Dies gilt für alle möglichen Schwenkwinkel innerhalb eines technisch sinnvollen Bereicht von z.B. θ=0° bis θ=60°. Dieses Angleichen resultiert dann in den üblicherweise gewünschten breiten Einzelstrahlerdiagrammen von Strahlerelementen einer Gruppenantenne in allen wichtigen Schnittebenen.

Die bisher angewendeten Lösungen basieren wesentlich auf den theoretischen Ausarbeitungen von Magill & Wheeler,(E. Magill und H. Wheeler, "Wide-angle impedance matching of a planar array antenna by a dielectric sheet," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Bd. 14, Nr. 1, S. 49-53, 1966). Eine WAIM-Schicht erfüllt nur dann den Zweck eines Transmissions-Ausgleichs zwischen TE- und TM-Polarisation, wenn sie einen geringen, aber wohldefinierten Abstand zu den Antennenelementen der Gruppenantenne einhält.

Die Standard-Lösung zum Erzeugen der notwendigen räumlichen Separation ist die Verwendung von HF-Schaummaterialien, z.B. US 7,580,003 B1. Während die Verfügbarkeit solcher Schäume kein Problem darstellt, ergeben sich im Zuge der Verwendung solcher Schäume eine Reihe von Nachteilen:

• Hygroskopie: Viele Schäume neigen dazu, mit der Zeit Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen, was zu einer starken Veränderung der dielektrischen Eigenschaften führt. Aufwändige Maßnahmen zur Kapselung der SchaumSchicht sind die Folge.
• Toleranzen: Die Herstellung von Schaumschichten mit wenigen Millimetern Dicke ist nur in einem moderaten Toleranzbereich möglich.
• Verklebung: Für die WAIM-Schicht prinzipiell geeignete Standardmaterialien (kommerziell erhältliche HF-Leiterplattenmaterialien mit hoher dielektrischer Konstante, z.B. Rogers RT/duroid 6010, enthalten Teflon, welches im Sinne einer haltbaren und zuverlässigen Verklebung mit dem Schaummaterial ein Problem darstellt. Zwar ist es prinzipiell technisch möglich, solche Verklebungen durchzuführen, jedoch nur mit aufwändigen Maßnahmen wie PlasmaAktivierung der teflonhaltigen WAIM-Bestandteile.

Die US 3,605,098 A beschreibt eine Gruppenantenne, bei der vor jedem Strahlerelement ein separates WAIM-Element vorhanden ist. Ein derartiges WAIM-Element umfasst jeweils eine WAIM-Schicht parallel zur Ebene der Strahlerelemente sowie Abstandshalter, auf dem die WAIM-Schicht angeordnet ist.

In MCGRATH D T: "Accelerated periodic hybrid finite element method analysis for integrated array element and radome design, PHASED ARRAY SYSTEMS AND TECHNOLOGY, 2000. PROCEEDINGS. 2000 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON DANA POINT, CA, USA 21 -25 MAY 2000, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, US, 21. Mai 2000 (2000-05-21), Seiten 319-322, XP010504600, DOI: DOI: 10.1109/PAST.2000.858965, ISBN: 978-0-7803-6345-8 wird eine Gruppenantenne mit Hohlleiter-Strahlerelementen beschrieben, wobei die Hohlleiter-Strahlerelemente dielektrische Füllelemente aufweisen, um die Strahlungseigenschaften der Antenne gezielt zu verändern. Die dielektrischen Füllelemente ragen aus der Antenne heraus. Auf diesen überstehenden dielektrischen Füllelementen ist eine WAIM-Schicht angeordnet.

Die JP 2007013311 A beschreibt eine Anordnung von mehreren, in einem festen Raster angeordneten Einzelantennen, deren Abstrahlungen jeweils voneinander entkoppelt sind. Die Einzelantennen werden von einem Radom abgedeckt, welches in einem entsprechenden Raster Abstandhalter im Bezug auf eine Antennengrundplatte aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gruppenantenne mit WAIM-Schicht zu schaffen, die die bei der Verwendung von Schäumen als Zwischenschicht zwischen Strahlerelementen und WAIM-Schicht auftretenden Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Gemäß der Erfindung sind aus dem Material der WAIM-Schicht Abstandshalter in einem regelmäßigen Raster herausgearbeitet. Abstandshalter und WAIM-Schicht sind also integral miteinander verbunden (monolithisch), wobei das Raster der Abstandshalter dem Raster der Strahlerelemente entspricht. und die Abstandshalter in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Strahlerelementen angeordnet sind. Das Raster kann z.B. quadratisch, rechteckig oder hexagonal sein. Die Abstandshalter können insbesondere säulenartig mit rundem Querschnitt ausgebildet sein. Die Befestigung der WAIM-Schicht auf der Antennengrundplatte erfolgt vorteilhaft an den Abstandshaltern durch mechanische Verbindungsmittel (z.B. Schrauben), wobei die Anzahle derjenigen Abstandshalter, an denen ein Verbindungsmittel vorhanden ist, von den konkreten Erfordernissen abhängig ist. Insbesondere muss also nicht an jedem Abstandhalter ein Verbindungsmittel vorhanden sein.

Erfindungsgemäß tritt somit an die Stelle des bekannten Mehrschichtaufbaus (WAIM-Schicht - Klebefilm - Schaum), welcher verschiedene Materialien umfasst, allein das Material der WAIM-Schicht, in welches die Abstandshalter bereits integriert sind. Durch die Abstandshalter wird ein luft- oder vakuumgefüllter Separator zwischen WAIM-Schicht und den Antennenelementen realisiert. Die geschilderten Nachteile im Zusammenhang mit den bisher verwendeten Schäumen werden vollständig vermieden. Des Weiteren entfallen aufwändige Klebeprozesse zur Verbindung der WAIM-Schicht mit einem Schaumseparator.

Die Abstandshalter verleihen der WAIM-Schicht die benötigte mechanische Stabilität. Sie ist dadurch unempfindlich gegenüber Vibration, Schock etc. und eignet sich somit auch für robuste Anwendungsszenarien..

Da das Raster, in dem die Abstandshalter angeordnet sind, dem Raster der Strahlerelemente entspricht, wird die natürliche Periodizität der Gruppenantenne nicht gestört, so dass innerhalb des Frequenzbereichs, für den die Gruppenantenne ausgelegt ist, keine Bragg-Reflexionen an der Antennenoberfläche auftreten können. Es müssen keine Einbußen im Radarrückstreuquerschnitt hingenommen werden. Sofern keine erhöhten Anforderungen an den Radarrückstreuquerschnitt (RCS) vorhanden sind, sind alternativ auch Ausführungen möglich, bei denen sich das Raster der Abstandshalter und das Raster der Strahlerelemente nicht entsprechen. Dieses geänderte Raster muss sich jedoch weiterhin am Raster der Strahlerelemente orientieren. Zu diesem Zweck wird das Raster der Abstandshalter derart aus dem Raster der Strahlerelemente abgeleitet, dass nur noch zu jedem n-ten Strahlerelement ein entsprechender Abstandshalter vorhanden ist (und im Übrigen keine weiteren Abstandshalter vorhanden sind). Es handelt sich also um eine definierte Ausdünnung des ursprünglichen Rasters der Abstandshalter. Mit anderen Worten: die grundsätzliche Rasterstruktur bleibt erhalten, aber das Rastermaß (Gitterkonstante) ändert sich um den Faktor n. n ist dabei eine natürliche Zahl größer 1.

Die beschriebene Form der WAIM-Schicht kann insbesondere durch mechanische Bearbeitungstechniken, wie z.B. Ausfräsen, erreicht werden. Entsprechend seiner Funktion als WAIM-Schicht sollte das Material eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante und einen geringem Verlustwinkel aufweisen und seine Schichtdicke sollte möglichst gering sein. Derartige dielektrische Materialien sind als Halbzeuge kommerziell verfügbar.

Ein geeignetes Material für die WAIM-Schicht ist z.B. das dielektrische Material (Halbzeug) "C-Stock AK" der Fa. Cuming Microwave Corporation, welches mit kundenspezifischer dielektrischer Konstante und in unterschiedlichen Halbzeuggrößen verfügbar ist. Derartige Materialien können leicht mit mechanischen Mitteln (z.B. Fräsen) bearbeitet werden.

Zur weiteren mechanischen Stabilisierung können zusätzliche Versteifungsstrukturen in Form von Rippen aus dem Material der WAIM-Schicht herausgeformt werden. Damit diese keine negativen Effekte auf den Transmissionsgrad der Antenne beim elektronischen Schwenken haben, müssen auch diese Strukturen der Periodizität in der Anordnung der Antennenelemente folgen. Die Rippen sind so ausgebildet, dass sie jeweils zwei benachbarte Abstandshalter verbinden.

Die WAIM-Schicht muss nicht notwendigerweise eben ausgebildet sein. Sie kann auch eine eindimensional oder zweidimensional gekrümmte Oberfläche besitzen, im Hinblick auf eine Anwendung bei struktur-konformen, gekrümmten Gruppenantennen.

Die WAIM-Schicht kann durch Verbinden mit weiteren dielektrischen Schichten zu einem Multilayer-WAIM-Block erweitert werden.

Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine erfindungsgemäße WAIM-Schicht in 3D-Darstellung mit periodisch angeordneten Abstandshaltern;

Fig. 2

eine erfindungsgemäße Gruppenantenne in Querschnittsdarstellung:

1. a) ohne Darstellung der Befestigungsmittel für die WAIM-Schicht;
2. b) mit Befestigung der WAIM-Schicht von hinten;
3. c) mit Befestigung der WAIM-Schicht von vorne;

Fig. 3

eine erfindungsgemäße Gruppenantenne sowie die zugehörige WAIM-Schicht jeweils in Draufsicht:

1. a) Antennengrundplatte ohne WAIM-Schicht,
2. b) mit davor angeordneter WAIM-Schicht (letzere transparent dargestellt),
3. c) WAIM-Schicht allein.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße WAIM-Schicht W. Die Schicht W selbst ist transparent dargestellt (in der Papierebene liegend). Erhaben aus dieser Schicht W hervortretend kann man die in dieser Ausführung pfostenförmig (mit kreisförmigem Querschnitt) ausgebildeten Abstandshalter A sowie die jeweils einen Abstandshalter A verbindenden Verstärkungsrippen R erkennen. Abstandshalter A und Verstärkungsrippen R wurden durch Ausfräsen aus einem Materialblock herausgearbeitet.

Fig. 2 zeigt Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne mit davor angeordneter WAIM-Schicht W. Die Begriffe "vor" und "hinter" im Bezug auf die Antenne werden in dem Sinne verwendet, dass "vor" die Seite der Antenne meint, in die die Abstrahlung erfolgt.

Man erkennt die in regelmäßigem Raster angeordneten Abstandshalter A, die in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Strahlerelemente SE angeordnet sind und dort an der Antennengrundplatte P anstoßen.

Die Befestigung der WAIM-Schicht W mit der metallischen Antennengrundplatte P der Gruppenantenne erfolgt mittels einer Vielzahl von Schrauben S (Fig. 2b,c), welche im Bereich der Abstandshalter A eingetrieben sind. Dabei werden bevorzugt Schrauben aus einem Kunststoffmaterial verwendet, um das Antennendiagramm nicht zu beeinflussen. Die Schrauben S sorgen in ihrer Gesamtheit für eine sehr stabile Verankerung der WAIM-Schicht W an der Grundplatte P. Vorteilhaft sollten die Materialeigenschaften der Schrauben denen der WAIM-Schicht möglichst ähnlich sein.

Zahl und Position der einzelnen Schrauben werden abhängig von den Stabilitätsanforderungen an die Antenne gewählt. Insbesondere muss nicht an jedem Abstandshalter eine Schraube vorhanden sein.

Um jedoch eine Beeinflussung des Antennendiagramms möglichst klein zu halten, wird man die Anordnung der Schrauben bevorzugt im gleichen Raster wie dem durch die Strahlerelemente vorgegebenen Raster wählen.

Falls jedoch die Anzahl der benötigten Schrauben geringer als die Anzahl der Abstandshalter gewählt wird, wird man die Anordnung der Schrauben weiterhin am Raster der Strahlerelemente orientieren. Man wird dann die Anordnung der Schrauben derart ausdünnen, dass nur noch an jedem n-ten (n=2,3,4...) Abstandshalter eine Schraube vorgesehen ist.

Die Fig. 2b,c unterscheiden sich hinsichtlich der Frage, aus welcher Richtung die Befestigung der WAIM-Schicht erfolgen soll. Dies kann sowohl von der Rückseite (Fig. 2b) oder von der Frontseite der Antenne (Fig. 2c) her erfolgen. Im Falle der Fig. 2b werden die Schrauben S durch die Grundplatte P hindurch in die Abstandshalter A getrieben. Im Falle der Fig. 2c werden die Schrauben S durch die WAIM-Schicht W in die Grundplatte P getrieben.

Im Hinblick auf mögliche Einbußen im Radarrückstreuquerschnitt (RCS) ist die Anbringung von hinten bevorzugt, jedoch besitzt die Befestigung von der Frontseite her naturgemäß Vorteile hinsichtlich der Zugänglichkeit.

Fig. 3a zeigt in Draufsicht die Antennengrundplatte P mit den darauf in einem regelmäßigen Raster angeordneten Strahlerelementen SE.
Fig. 3c zeigt die dazu passende WAIM-Schicht W mit zugehörigen Abstandshaltern A. Das Raster der Abstandshalter A auf der WAIM-Schicht entspricht dabei dem Raster der Strahlerelemente SE.
In Fig. 3b ist die (transparent dargestellte) WAIM-Schicht W auf die Antennengrundplatte P montiert, wobei man die Entsprechung der beiden Raster sehr gut erkennen kann.