DE60029538T2

DE60029538T2 - Verfahren zur Herstellung einer Wendelantenne aus vier Leitern und nach diesem Verfahren hergestellte Antenne

Info

Publication number: DE60029538T2
Application number: DE60029538T
Authority: DE
Inventors: Oliver Paul Kingsthorpe LEISTEN; Peter Southam Wileman
Original assignee: Sarantel Ltd
Current assignee: Sarantel Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: GB2356086A; US20030140480A1; KR100709688B1; CN1308385A; KR20010051453A; GB2356086B; CN1244181C; DE60029538D1; US20050115056A1; KR20060065603A; KR100625638B1; TWM312023U; EP1098392A3; US7515115B2; JP4099309B2; EP1691447A1; EP1098392A2; GB9926328D0; US6886237B2; JP2001168631A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Antenne, hauptsächlich auf ein Verfahren zur Abstimmung einer Wendelantenne aus vier Leiten für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz. Die Erfindung umfasst auch eine nach dem Verfahren hergestellte Antenne.
Die Vierdraht-Backfireantenne ist wohlbekannt und wird insbesondere beim Senden und Empfangen von zirkular polarisierten Signalen zu oder von umlaufenden Satelliten angewendet. Die GB-2292638-A offenbart eine Miniatur-Vierdrahtantenne mit vier schraubenförmigen Antennenelementen von halber Wellenlänge in Form von schmalen, auf die Oberfläche eines zylindrischen Keramikkerns plattierten leitfähigen Streifen. Radiale Verbindungselemente an der distalen Stirnfläche des Kerns verbinden die schraubenförmigen Elemente mit einer koaxialen Speiseleitung, die in einem schmalen Durchlass axial durch den Kern verläuft. Die schraubenförmigen Elemente sind paarweise angeordnet, wobei die Elemente eines Paars eine größere elektrische Länge als die des anderen Paars haben, indem sie einem mäandernden Verlauf folgen und alle vier Elemente mit dem Rand einer leitfähigen Balunhülse verbunden sind, der einen in einer Ebene senkrecht zur Antennenachse liegenden Kreis beschreibt. Die GB-2310543-A offenbart eine alternative Antenne, bei der die Balunhülse einen nichtplanaren Rand hat, die schraubenförmigen Elemente einfache Schrauben sind, die in Gipfeln bzw. Tälern des Randes enden, damit sich Elemente von unterschiedlicher Länge ergeben.
Die Tatsache, dass die Elementpaare unterschiedliche elektrische Längen haben, führt zu einer Phasendifferenz zwischen den Strömen in den entsprechenden Paaren bei der Betriebsfrequenz der Antenne, und diese Phasendifferenz macht die Antenne empfindlich für zirkular polarisierte Strahlung mit einer Kardioid-Richtcharakteristik, so dass die Antenne zum Empfang von zirkular polarisierten Signalen aus Quellen direkt über der Antenne, d. h. in der Antennenachse, oder in Positionen wenige Grad über einer senkrecht zur Antennenachse ausgerichteten und diese durchsetzenden Ebene oder aus Quellen irgendwo im Raumwinkel zwischen diesen Extremen geeignet ist. Die Richtcharakteristik ist auch durch eine axiale Nullstelle in der Gegenrichtung zur Richtung maximalen Gewinns gekennzeichnet.
Die Bandbreite der oben beschriebenen Vierdrahtresonanz ist relativ schmal, und bereitet, insbesondere für Miniatur-Vierdrahtantennen mit einem Kern hoher Dielektrizitätskonstante, ein Fertigungsproblem bei der Einhaltung hinreichend enger Abmessungstoleranzen für die reproduzierbare Herstellung von Antennen mit dem Kardioidverhalten und der Resonanzfrequenz wie erforderlich.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vierdrahtantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von im wesentlichen schraubenförmigen Abstrahlbahnen aufweist, die auf einem dielektrischen Substrat angeordnet sind, wobei das Verfahren die Überwachung von mindestens einem elektrischen Parameter der Antenne und das Entfernen von leitfähigem Material von mindestens einer der Bahnen umfasst, um die Induktivität der Bahn zu erhöhen und dadurch den überwachten Parameter näher an einen vorbestimmten Wert zu bringen. So kann die zirkular polarisierte Richtcharakteristik der Antenne verbessert werden. Man kann auch Antennen in der Massenproduktion trimmen, ohne von Einzelprüfungen, beispielsweise in einer elektromagnetisch echolosen Kammer, und übermäßigen manuellen Eingriffen Gebrauch zu machen.
Das bevorzugte Verfahren umfasst das Entfernen des leitfähigen Materials von den Bahnen durch Laserätzen einer Öffnung in einer oder mehreren der Bahnen, wobei die sich gegenüberliegenden Ränder der betroffenen Bahnen auf beiden Seiten jeder Öffnung intakt bleiben. Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar auf eine Antenne, bei der das Substrat ein im wesentlichen zylindrischer Körper aus keramischem Material mit einer Dielektrizitätszahl größer als 10 ist, die Bahnen Abschnitte auf einer Zylinderfläche des Substrats und zusätzlich auf einer ebenen Stirnfläche, die im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse liegt, umfassen. In diesem Fall wird das leitfähige Material von den Bahnabschnitten auf der ebenen Stirnfläche, die bei der bevorzugten Antenne nahe beim Einspeisepunkt der Antennenelemente liegt und eine Stelle eines Spannungsminimums bei Vierdrahtresonanz ist, entfernt. Bei alternativen Ausführungsformen kann/können die Öffnung(en) an Stellen anderer Spannungsminima geschnitten werden, beispielsweise dort, wo die schraubenförmigen Elemente auf einen gemeinsamen Verbindungsleiter wie eine den Kern umgebende Balunhülse treffen.
Der Überwachungsschritt umfasst typischerweise das Verbinden der Antenne mit einer Hochfrequenzquelle, die so eingerichtet ist, dass sie ein die Betriebsfrequenz enthaltendes Frequenzband überstreicht, und das Überwachen der relativen Phasen und Amplituden von Signalen, die von Sonden in Nebeneinanderstellung mit den Bahnen an vorbestimmten Orten, wie den vom Einspeisepunkt entfernten Endabschnitten, aufgenommen werden. Bevorzugt sind die Sonden kapazitiv mit den entsprechenden Bahnen gekoppelt, um eine individuelle Masseverbindung unnötig zu machen.
Die in den Bahnen geformten Öffnungen sind bevorzugt rechteckig, wobei jede eine vorbestimmte Breite quer zur Bahnrichtung hat, die automatisch als Reaktion auf das Ergebnis des Überwachungsschritts berechnet wird. Dies ist insofern ein nichtlinearer Anpassungsvorgang, als die durch die Öffnung addierte Induktivität der Bahn nichtlinear mit der Öffnungsfläche, insbesondere mit der Breite der rechteckigen Öffnung, zusammenhängt. Die Berechnung der Öffnungsgröße wird so durchgeführt, dass die Phasendifferenz der Ströme und/oder Spannungen in den Bahnen des betreffenden Bahnenpaars näher an 90° und die Frequenz, bei der diese Orthogonalität auftritt, näher an die beabsichtigte Betriebsfrequenz gebracht werden.
Nach einer zweiten Ausgestaltung umfasst die Erfindung auch eine Vierdrahtantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz mit mehreren im wesentlichen schraubenförmigen leitfähigen Bahnen auf einem dielektrischen Substrat, wobei wenigstens eine der Bahnen einen Ausschnitt vorbestimmter Größe zur Erhöhung der Induktivität der Bahn aufweist. Die bevorzugte Antenne hat ein Substrat mit einem aus einem festen dielektrischen Material gebildeten Antennenkern, wobei die Bahnen so angeordnet sind, dass sie ein inneres Volumen begrenzen, dessen Hauptteil vom festen Material des Kerns eingenommen wird, und wobei das Substrat gekrümmte Außenflächenabschnitte und ebene, die leitfähigen Bahnen tragende Oberflächenabschnitte aufweist, und wobei jeder Ausschnitt dort gebildet ist, wo die entsprechende Bahn über einem der ebenen Oberflächenabschnitte liegt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine perspektivische Durchsicht einer dielektrisch belasteten Vierdrahtantenne ist,
2A und 2B Draufsichten der Antenne nach 1 vor und nach der erfindungsgemäßen Anpassung sind,
3 ein Diagramm ist, welches das Leitermuster auf der Zylinderfläche der Antenne nach 1 zeigt,
4 ein Graph ist, der die Änderungen von Phase und Amplitude mit der Frequenz von Signalen zeigt, die an unterschiedlichen Punkten der Antenne gemes sen wurden,
5 ein Diagramm ist, das eine Prüfanordnung zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zeigt, und
6 ein Querschnitt durch eine der in 5 sichtbaren Sonden ist.
Die im Folgenden beschriebene Vierdrahtantenne ist ähnlich der in der oben genannten GB-2310543-A beschriebenen, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Auch die Offenbarung der oben genannten verwandten GB-2292638-A wird durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
Mit Bezug auf 1, 2A, 2B und 3 hat eine Antenne, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, eine Antennenelementstruktur mit vier sich längs erstreckenden Antennenelementen 10A, 10B, 10C und 10D, die als schmale metallische Leiterabschnitte auf der zylindrischen Außenfläche des Keramikkerns 12 ausgebildet sind. Der Kern hat einen axialen Durchlass 14, der eine Koaxialspeiseleitung mit einer äußeren Abschirmung 16 und einem Innenleiter 18 beherbergt. Innenleiter 18 und Abschirmung 16 bilden eine Speisestruktur zum Anschluss einer Speiseleitung an die Antennenelemente 10A–10D. Die Antennenelementstruktur umfasst auch entsprechende radiale Antennenelemente 10AR, 10BR, 10CR und 10DR, die als metallische Bahnabschnitte auf der distalen Stirnfläche 12D des Kerns 12 ausgebildet sind und die Enden der entsprechenden sich längs erstreckenden Elemente 10A, 10B, 10C und 10D mit der Speisestruktur verbinden. Die anderen Enden der Antennenelemente 10A–10D sind an einen virtuellen Masseleiter 20 in Form einer den proximalen Endabschnitt des Kerns 12 umgebenden plattierten Hülse angeschlossen. Diese Hülse 20 ist wiederum durch eine Plattierung auf der proximalen Stirnfläche 12P des Kerns 12 an die Abschirmung 16 der Speisestruktur 14 angeschlossen.
Die vier sich längs erstreckenden Elemente 10A–10D haben unterschiedliche Längen, wobei zwei Elemente 10B und 10D länger als die beiden anderen 10A und 10C sind, weil sie sich näher zum proximalen Ende des Kerns 12 erstrecken. Die Elemente eines jeden Paars 10A, 10C und 10B, 10D liegen sich auf gegenüberliegenden Seiten der Kernachse diametral gegenüber.
Um einen ungefähr einheitlichen Strahlungswiderstand für die schraubenförmigen Elemente 10A–10D aufrechtzuerhalten, folgt jedes Element einer einfachen Schraubenlinie. Der obere verbindende Rand 20U der Hülse 20 hat wechselnde Höhe (d. h. wechselnden Abstand von der proximalen Stirnfläche 12P), um Anschlusspunkte für die kurzen bzw. langen Elemente bereitzustellen. Daher folgt bei dieser Ausführungsform der verbindende Rand 20U einem Zick-Zack-Weg um den Kern 12 mit zwei Gipfeln und zwei Tälern, wo er mit den kurzen Elementen 10A, 10C bzw. den langen Elementen 10B, 10D zusammentrifft. Die Amplitude des Zick-Zack-Wegs ist in 3 mit a bezeichnet.
Jedes Paar aus schraubenförmigem und entsprechendem verbindendem radialem Elementabschnitt (z. B. 10A, 10AR) bildet einen Leiter mit einer vorbestimmten elektrischen Länge. Jedes der Elementpaare 10A, 10AR; 10C, 10CR mit der kürzeren Länge erzeugt eine kürzere Übertragung von etwa 135° bei der Betriebswellenlänge als jedes der Elementpaare 10B, 10BR; 10D, 10DR. Die mittlere Durchlaufzeit ist 180°, äquivalent zu einer elektrischen Länge von λ/2 bei der Betriebswellenlänge. Die unterschiedlichen Längen erzeugen den notwendige Phasenverschiebungszustand für eine Vierdraht-Wendelantenne für zirkular polarisierte Signale, wie sie in Kilgus, "Resonant Quadrifilar Helix Design", The Microwave Journal, Dezember 1970, Seiten 49–54, spezifiziert sind. Zwei der Elementpaare 10C, 10CR; 10D, 10DR (d. h. ein langes und ein kurzes Elementpaar) sind mit den inneren Enden der radialen Elemente 10CR, 10DR an den Innenlei ter 18 der Speisestruktur am distalen Ende des Kerns 12 angeschlossen, während die radialen Elemente der anderen beiden Elementpaare 10A, 10AR; 10B, 10BR mit der durch die äußere Abschirmung 16 gebildeten Speiseabschirmung verbunden sind. Am distalen Ende der Speisestruktur sind die am Innenleiter 18 und an der Speiseabschirmung 16 vorhandenen Signale angenähert symmetrisch, sodass die Antennenelemente an eine angenähert symmetrische Quelle oder Last angeschlossen sind, wie unten erklärt werden wird. Man erkannt, dass im allgemeinen die von den Bahnabschnitten 10A–10D und 10AR–10DR gebildeten Bahnen eine mittlere elektrische Länge von nλ/2 haben, worin n eine ganze Zahl ist, und n/2 Windungen um die Antennenachse 24 ausführen können.
Bei linkshändiger Richtung der Schraubenwege der sich längs erstreckenden Elemente 10A–10D hat die Antenne ihren höchsten Gewinn für rechtshändig zirkularpolarisierte Signale.
Wenn die Antenne stattdessen für linkshändig zirkularpolarisierte Signale verwendet werden soll, wird die Schraubenrichtung umgekehrt und das Anschlussmuster der radialen Elemente wird um etwa 90° gedreht. In dem Fall, dass die Antenne sowohl für den Empfang links- als auch rechtshändiger Signale geeignet sein soll, können die sich längs erstreckenden Elemente so angeordnet werden, dass sie Wegen folgen, die allgemein parallel zur Achse sind.
Die leitfähige Hülse 20 bedeckt einen proximalen Abschnitt des Antennenkerns 12 und umgibt dabei die Speisestruktur 16, 18, wobei das Kernmaterial 12 den Raum zwischen der Hülse 20 und der metallischen Auskleidung 16 des axialen Durchlasses 14 völlig ausfüllt. Die Hülse 20 bildet einen mit der Auskleidung 16 durch die Plattierung 22 der proximalen Stirnfläche 12P des Kerns 12 verbundenen Zylinder. Die Kombination von Hülse 20 und Plattierung 22 bildet ein Balun, sodass durch die Speisestruktur 16, 18 in der Übertragungsleitung gebildete Signale zwischen einem unsymmetrischen Zustand am proximalen Antennenende und einem angenähert symmetrischen Zustand in einer axialen Position, im allgemeinen im gleichen Abstand vom proximalen Ende wie der obere verbindende Rand 20U der Hülse 20, umgewandelt werden. Um diese Wirkung zu erreichen, ist die mittlere Hülsenlänge so bemessen, dass das Balun in Gegenwart eines darunterliegenden Kernmaterials relativ hoher Dielektrizitätskonstante eine mittlere elektrische Länge im Bereich von λ/4 bei der Betriebsfrequenz der Antenne hat. Da das Kernmaterial der Antenne einen verkürzenden Effekt hat und der den Innenleiter 18 umgebende Ringraum mit einem isolierenden dielektrischen Material 17 mit relativ kleiner Dielektrizitätskonstante gefüllt ist, hat die Speisestruktur distal zur Hülse 20 eine kurze elektrische Länge. Infolgedessen sind Signale am distalen Ende der Speisestruktur 16, 18 zumindest angenähert symmetrisch.
Die von der Hülse 20 gebildete Wellenfalle liefert einen Ringpfad längs des verbindenden Rands 20U für Ströme zwischen den Elementen 10A–10D, wobei sie wirksam zwei Schleifen unterschiedlicher elektrischer Länge bildet, die erste mit den kurzen Elementen 10A, 10C und die zweite mit den langen Elementen 10B, 10D. Bei Vierdrahtresonanz bestehen an den Enden der Elemente 10A–10D und im verbindenden Rand 20U Strommaxima und Spannungsminima. Der Rand 20U ist vom Masseverbinder an seinem proximalen Rand durch die von der Hülse 20 erzeugte angenäherte Viertelwellenlängen-Wellenfalle wirksam isoliert.
Die Antenne hat eine Vierdraht-Hauptresonanzfrequenz für zirkularpolarisierte Strahlung im Bereich von 1575 MHz, wobei die Resonanzfrequenz durch die effektiven elektrischen Längen der Antennenelemente und in geringerem Maß durch deren Breite bestimmt ist. Die Längen der Elemente bei einer gegebenen Resonanzfrequenz hängen auch von der Dielektrizitätszahl des Kernmaterials ab, wobei die Abmessungen der Antenne im Vergleich zu einer Luftkernantenne gleichen Aufbaus wesentlich verringert sind.
Das bevorzugte Material für den Kern 12 ist Material auf Basis Zirkonium-Titan. Dieses Material hat eine Dielektrizitätszahl von über 35 und ist auch wegen seiner dimensionalen und elektrischen Stabilität bei wechselnder Temperatur bekannt. Der dielektrische Verlust ist vernachlässigbar. Der Kern kann durch Extrudieren oder Pressen hergestellt werden.
Die Antennenelemente 10A–10D, 10AR–10DR sind metallische Leiterbahnen, die auf die Außenzylinder- und Stirnflächen des Kerns 12 geklebt sind, wobei jede Bahn eine Breite von mindestens dem Vierfachen ihrer Dicke über ihre wirksame Länge hat. Die Bahnen können durch Plattieren/Galvanisieren der Oberflächen des Kerns 12 mit einer Metallschicht und nachfolgendes Wegätzen der Schicht zum Freilegen des Kerns gemäß eines in einer photographischen Schicht angebrachten Musters, ähnlich dem Ätzen von gedruckten Schaltungen, gebildet werden. In allen Fällen führt die Bildung der Bahnen als zusammenhängende Schicht auf der Außenseite eines dimensionsstabilen Kern zu einer Antenne mit dimensionsstabilen Antennenelementen. Der Abstand zwischen den schraubenförmigen Bahnabschnitten über den Umfang ist größer (bevorzugt mehr als zweifach) als ihre Breite.
Um eine Richtcharakteristik mit gutem Vor-Rück-Verhältnis und annehmbarem Gewinn zu erzielen und diese Charakteristik bei der erforderlichen Betriebsfrequenz zu erreichen, wird die oben beschriebene und in 1 gezeigte Antenne einem Trimmverfahren unterworfen, wobei von den leitfähigen Bahnen unter Bildung von Öffnungen leitfähiges Material entfernt wird, wie in 2B gezeigt. In den Verbindungsabschnitten 10AR, 10BR, 10CR bzw. 10DR der Bahnen sind die Öffnungen 26A, 26B, 26C und 26D dort ausgebildet, wo bei der Be triebsfrequenz Spannungsminima bestehen. Da diese Bahnabschnitte in einer Ebene liegen, ist es relativ folgerichtig, auf die Bahnen an den nötigen Stellen einen Laserstrahl zu fokussieren, um das leitfähige Material der Bahnen unter Verwendung eines YAG-Lasers wegzubrennen. Jede Öffnung erhöht die inhärente Induktivität der entsprechenden Bahn 10A, 10AR usw. in einem von der Öffnungsfläche abhängigen Maß. Die Anmelder haben gefunden, dass die zugefügte Induktivität nichtlinear mit zunehmendem Maß ansteigt, wenn die Breite der Öffnung (d. h. die Breite der Öffnung quer zur Bahn) erhöht wird. Die Änderung der zusätzlichen Induktivität mit der Länge der Öffnung (d. h. längs zur Bahn) ist eine angenähert lineare Beziehung. Diese Beziehungen erlauben bei Bedarf sowohl grobe als auch feine Einstellungen der herzustellenden Induktivität.
Ein besseres Verständnis der Betriebsweise der Antenne und den Einfluss der Öffnungen erhält man mit Bezug auf den Graphen der 4. 4 wurde durch Beobachten der Hochfrequenzströme in den schraubenförmigen Bahnabschnitten 10A, 10B, 10C und 10D angrenzend an den Rand 20U der Hülse 20 (d. h. der Ströme in den proximalen Endabschnitten der schraubenförmigen Bahnabschnitte 10A–10D) erhalten, während die Antenne durch ihre Speisestruktur 16, 18 mit einem Wobbelsignal über ein die geforderte Betriebsfrequenz umfassendes Frequenzband gespeist wurde. Vier Kurven stellen die Stromphase und vier die Stromamplitude dar, wobei jede Stromphasen- oder -amplitudenkurve zu einem der Bahnabschnitte 10A–10D gehört. Die Phasenkurven sind durch die Bezugszeichen 30A, 30B, 30C und 30D, die Amplitudenkurven durch die Bezugszeichen 32A, 32B, 32C und 32D bezeichnet. Zur Vollständigkeit zeigt eine neunte Kurve den Einfügungsverlust bei Betrachtung der Speisestruktur vom Quellenende.
Das Diagramm 4 zeigt eine Hauptresonanz mit zwei gekoppelten Peaks. Man sieht, dass die Amplitudenkurven 32A, 32C, welche den kürzeren Bahnen 10A, 10C entsprechen, Peaks auf der Hochfrequenzseite der mittleren Resonanzfrequenz haben, während die Amplitudenkurven 32B, 32D Peaks auf der Niederfrequenzseite haben. Man versteht, dass die Schnittpunkte der vier Kurven zur Festlegung einer Mittenfrequenz verwendet werden können, die in 4 durch die gestrichelte Linie 36 angezeigt ist. Nun sieht man hinsichtlich der vier Stromphasenkurven 30A–30D, dass die den mit der äußeren Abschirmung der Speiseleitung verbundenen Bahnen entsprechenden Kurven 30A, 30B im Resonanzbereich divergieren. Ähnlich gibt es eine Divergenz zwischen den Kurven 30C, 30D, die den mit dem Innenleiter 18 der Speiseleitung verbundenen Bahnen entsprechen. Die wichtigste Bedingung für ein gutes Vor-Rück-Verhältnis in der Richtcharakteristik für Zirkularpolarisation ist, dass die Phasendifferenz zwischen den entsprechenden Signalen in den langen und kurzen Bahnen 90° oder ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° (λ/4) sein sollte. Daher sollten hinsichtlich 4 die durch die Phasenkurven 30A, 30B angezeigten Phasenwerte sich bei der durch die gestrichelte Linie 36 bezeichneten Mittenfrequenz um möglichst genau 90° unterscheiden, und ebenso sollten die durch die Kurven 30C, 30D dargestellten Phasenwerte sich um 90° unterscheiden.
Natürlich sollte die durch die gestrichelte Linie 36 angezeigte Mittenfrequenz ebenso der Betriebsfrequenz der Antenne entsprechen.
Durch Einstellen der Induktivität einer oder mehrerer der Bahnen 10A, 10AR usw. kann man die Antenne ausrichten oder trimmen, um die oben erwähnte Phasenorthogonalität und Mittenfrequenz zu erreichen. Beispielsweise kann die Phasendivergenz bei der Mittenfrequenz durch Erhöhen der Induktivität der kurzen Bahnen 10A, 10AR, 10C, 10CR vermindert werden. Die Mittenfrequenz kann durch Erhöhen der Induktivität aller vier Bahnen vermindert werden. Daraus folgt, dass zur vollen Nutzbarmachung der durch das Schneiden von Öffnungen bereitgestellten Einstellmöglichkeit die Antenne anfänglich mit gegenüber der für die erforderliche Betriebsfrequenz optimalen Länge elektrisch kürzeren Bahnen hergestellt werden sollte.
Diese Konzepte können erfindungsgemäß als Basis für ein automatisiertes Antennentrimmverfahren verwendet werden, um die Abweichung der elektrischen Parameter der Antenne (wie Signalphase und Amplitude im Antennenelement) von den Optimalwerten zu vermindern oder auszuschalten. So kann man Antennen relativ billig unter Anwendung eines Herstellungsverfahrens mit geringer Anfangstoleranz ohne Rückgriff auf teure und arbeitsaufwendige Herstellungs- und Einstellungsverfahren produzieren.
Eine Versuchsanordnung zur Ausführung der Phasen- und Amplitudenmessungen wird nun mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben. Um Phase und Amplitude im Bereich der geforderten Betriebsfrequenz zu überwachen, wird die Antenne 40 in eine Prüfstelle im Mittelpunkt einer sternförmigen, aus den verschiebbar auf den Radialschienen 44A, 44B, 44C und 44D montierten Sonden 42A, 42B, 42C und 42D bestehenden Sondenanordnung gebracht. In der Prüfstelle befindet sich die Antenne 40 in der nötigen Höhe und Winkelposition (ermöglicht durch eine (nicht gezeigte) Kerbe in einer der Stirnflächen der Antenne), sodass die Sonden 42A bis 42D auf die proximalen Endabschnitte 46A bis 46D der Bahnen 10A, 10AR bis 10D, 10DR ausgerichtet sind, d. h. dem Rand 20U der Balunhülse 20 benachbart (siehe 1 und 3). Die Speisestruktur der Antenne 40 ist proximal an den Ausgang einer gewobbelten Hochfrequenzquelle in einer Prüfeinheit angeschlossen.
Mit Bezug auf 6 ist jede Sonde 42 eine kapazitive Sonde mit einem Mittelleiter 50, der an den Innenleiter eines Koaxialkabels 52 angeschlossen ist, dessen Abschirmung an die Prüfanordnung geerdet ist. Der Mittelleiter 50 ragt aus dem Kabel 52 heraus, ist aber von einer dielektrischen Kunststoffspitze 53 umgeben, die das Ende des Mittelleiters um eine be stimmte Länge (typischerweise weniger als 0,5 mm) überragt, so daß jede Sonde 42A bis 42D mit der Außenfläche der Antenne 40 in Berührung gebracht werden kann, wobei die Spitze des Mittelleiters 50 in einem bestimmten Abstand zum entsprechenden schraubenförmigen Bahnabschnitt 10A bis 10D steht. Daher ist jeder Mittelleiter 50 kapazitiv zur dazugehörigen Bahn gekoppelt und überträgt Signale, die für den Strom in der Bahn repräsentativ sind, zum angeschlossenen Kabel 54 und dann zu einem entsprechenden Messeingang 54A, 54B, 54C und 54D der Prüfeinheit (siehe 5).
Man bemerkt, dass sich in 5 zwei der Sonden 42A, 42B in Betriebsstellung in Berührung mit der Antenne 40 befinden, während die anderen beiden Sonden 42C, 42D in Stellungen zurückgezogen sind, welche sie einnehmen, wenn eine Antenne gegen eine andere ausgewechselt wird. Jede Sonde 42A bis 42D ist auf Kolben montiert, um zwischen Rückzugs- und Betriebsposition automatisch wandern zu können.
Während des Prüfvorgangs werden alle vier Sonden 42A bis 42D in Berührung mit der Antenne 40 gebracht, ein gewobbeltes Hochfrequenzsignal wird vom Ausgang 48 der Prüfeinheit 56 an die Antenne angelegt und die an den Eingängen 54A bis 54D empfangenen Sondensignale werden überwacht. Durch Ermittlung der Schnittpunkte der Amplitudenkennlinien (wie oben hinsichtlich 4 beschrieben) wird eine Mittenfrequenz berechnet und dann werden die Phasenwerte der einzelnen Signale abgelesen, um ihre Abweichung von der Orthogonalität festzustellen. Aus den Messwerten wird ein Datensatz erzeugt, aus dem die benötigten Öffnungsgrößen berechnet werden können. Ein (nicht gezeigter) Laser brennt dann die Öffnungen in die freiliegende distale Stirnfläche der Antenne wie oben beschrieben, worauf ein anderer Datensatz erzeugt werden kann, um zu prüfen, ob Phasenorthogonalität und Mittenfrequenz in die Spezifikationsgrenzen fallen.
Tatsächlich berechnet die Prüfeinheit eine Überschneidungsfrequenz, welche die engste Annäherung der vier Amplitudenkurven darstellt, markiert die entsprechende Frequenz, liest die vier Phasenwerte bei dieser Frequenz zur Berechnung der Phasendifferenz und berechnet dann für jede Bahn die erforderliche zusätzliche Induktivität für die Verschiebung der Überschneidungsfrequenz zur geforderten Frequenz (in diesem Fall die GPS-Frequenz von 1575,5 MHz) mit der richtigen Phasenorthogonalität. Dies wird durch Berechnung eines LC-Produkts (Induktivität × Kapazität) für jede Bahn ausgeführt.
Dann wird die erforderliche Öffnungsgröße berechnet und der Laser wird für das Brennen der Öffnung(en) gesteuert.
Dann kann die Antenne automatisch aus der in 5 gezeigten Prüflage entfernt und einem Fertigstellungsverfahren zugeführt werden.
Damit die Sonden die Antenneneigenschaften während der oben beschriebenen Prüfung nicht wesentlich beeinträchtigen, ist bevorzugt, dass die Dielektrizitätszahl des Antennenkerns mindestens 10, vorzugsweise 35 oder mehr, beträgt.
Die kapazitiven Sonden nehmen Signale auf, welche das extreme Nahfeld darstellen, und können daher Signale liefern, die den Strömen in den einzelnen Bahnen entsprechen. Dies ermöglicht die Ableitung der Fernfeldcharakteristik gemäß den oben beschriebenen Phasenbeziehungen.
Die Entfernung von Material wird bevorzugt mit einem gepulsten YAG-Laser ausgeführt, welcher das Abtragen von Metall im Wesentlichen ohne Schmelzen erlaubt, sodass die Abmessungen genau steuerbar sind.
Man kann die Öffnungen in den Bahnen an anderen Positio nen, wie in den proximalen Endabschnitten der Bahnabschnitte 10A bis 10D, ausbilden, vorausgesetzt, dass alternative Sondenpositionen gewählt werden.
Während die Erfindung bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung einer Vierdrahtantenne beschrieben wurde, wird man verstehen, dass das Verfahren auch auf andere dielektrisch belastete Antennen, (d. h. Antennen mit Leitern, die schmal im Vergleich zu den Abständen zwischen ihnen sind) angewendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Wendelantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz, wobei die Antenne eine Mehrzahl von im Wesentlichen schraubenförmigen leitfähigen Abstrahlbahnen (10A, 10AR–10D, 10DR) aufweist, welche auf einem dielektrischen Substrat (12) angeordnet sind, wobei das Verfahren das Überwachen von wenigstens einem elektrischen Parameter der Antenne umfasst und das Entfernen von leitfähigem Material von wenigstens einer der Bahnen um die Induktivität der Bahn zu erhöhen und dadurch den überwachten Parameter näher zu einem vorbestimmten Wert zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Material von der Bahn entfernt wird durch Laserätzen einer Öffnung (26A; 26B; 26C; 26D) in der Bahn, wobei die Kanten der Bahn an jeder Seite der Öffnung unversehrt bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Erzeugen einer Antenne, bei welcher das Substrat (12) im Wesentlichen zylindrisch ist und die Bahnen Abschnitte (19A–10D, 10AR–10DR) auf einer zylindrischen Oberfläche des Substrates und auf einer ebenen Oberfläche des Substrates einschließen, wobei das leitfähige Material von einem Bahnabschnitt oder Bahnschnitten (10AR–10DR) entfernt wird, das an der ebenen Oberfläche angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Erzeugen einer Antenne mit einer Mehrzahl von schraubenförmigen Bahn abschnitten (10A–10D), die an einer im Wesentlichen zylinderförmigen Substratoberfläche angeordnet sind, und mit einer Mehrzahl von zugehörigen Bahnverbindungsabschnitten (10AR–10DR), die an einer im Wesentlichen ebenen Endfläche des Substrates angeordnet sind, um die schraubenförmigen Bahnabschnitte mit einer axialen Einspeisung (14) zu verbinden, wobei der Schritt des Materialentfernens das Bilden eines Ausschnittes (26A; 26B; 26C; 26D) in wenigstens einem der Bahnverbindungsabschnitte umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Überwachungsschritt das Koppeln der Antenne mit einer Hochfrequenzquelle umfasst, das Bringen von Sonden (42A–42D) in Nebeneinanderstellung mit den Bahnen (10A, 10AR–10D, 10DR) an vorbestimmten Orten, und das Messen von wenigstens der relativen Phasen der Signale, welche durch die Sonden erfasst wurden, die den unterschiedlichen jeweiligen Bahnen zugeordnet sind, wenn die Hochfrequenzquelle betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Sonden (42A–42D) an die jeweiligen Bahnen kapazitiv gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Sonden (42A–42D) zu Bahnabschnitten entsprechend den Positionen von Spannungsminima ausgerichtet sind, wobei die Hochfrequenzquelle auf die Sollbetriebsfrequenz der Antenne eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Sonden (42A–42D) zu Endabschnitten der schraubenförmigen Bahnen ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zum Erzeugen einer Antenne, bei welcher jede Bahn einen ersten End abschnitt (10AR; 10BR; 10CR; 10DR) benachbart zu einem Einspeiseort besitzt und einen zweiten gegenüberliegenden Endabschnitt (46A; 46B; 46C; 46D) beabstandet von dem Einspeiseort, wobei der Schritt des Materialentfernens das Bilden von Ausschnitten (26A–26D) in den ersten Endabschnitten und der Überwachungsschritt das Positionieren der Sonden (42A–42D) in einer Nebeneinanderstellung mit den zweiten Endabschnitten umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material aus den Bahnen entfernt wird durch Bilden einer rechteckförmigen Öffnung (26A; 26B; 26C; 26D) in der oder jeder betroffenen Bahn, wobei die Öffnung eine vorbestimmte Breite quer zur Richtung der Bahn aufweist, die automatisch im Ansprechen auf das Ergebnis des Überwachungsschrittes berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Breite und Länge der Öffnung (26A; 26B; 26C; 26D) im Ansprechen auf das Überwachungsergebnis veränderbar sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Überwachungsschritt das Einspeisen eines Wobbel-Frequenzsignals in die Antenne über einen Frequenzbereich umfasst, der die Sollbetriebsfrequenz der Antenne einschließt, das Überwachen der relativen Phasen und der Amplituden der Signale in den abstrahlenden Bahnen (10A; 10AR–10D, 10DR), und das Entfernen von leitfähigem Material aus wenigstens zwei der Bahnen um die Frequenz, bei welcher im Wesentlichen Phasenorthogonalität auftritt näher an die Sollbetriebsfrequenz zu bringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Überwachungsschritt das Einspeisen eines Wobbel-Frequenzsignals in die Antenne über einen Frequenzbe reich, der die Sollbetriebsfrequenz der Antenne umfasst, einschließt, das Überwachen der relativen Phasen und Amplituden von Signalen in den abstrahlenden Bahnen (10A, 10AR–10D, 10DR) um die Differenz zwischen den überwachten Phasen bei einer zentralen Resonanzfrequenz näher zu 90° zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die ebene Oberfläche eine Endfläche aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse (24) liegt.
Wendelantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz, umfassend eine Mehrzahl von im Wesentlichen schraubenförmigen leitfähigen Bahnen (19A, 10AR–10D, 10DR), die an einem dielektrischen Substrat (12) angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Bahnen einen Ausschnitt (26A; 26B; 26C; 26D) einer vorbestimmten Größe zum Erhöhen der Induktivität der Bahn aufweist.
Antenne nach Anspruch 15, wobei der Ausschnitt eine Öffnung umfasst (26A; 26B, 26C, 26D), die zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten der Bahn angeordnet ist.
Antenne nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Substrat (12) einen aus einem festen dielektrischen Material gebildeten Kern umfasst mit einer Dielektrizitätskonstanten größer 10, wobei die Bahnen (10A, 10AR–10D; 10DR) so angeordnet sind, dass sie ein inneres Volumen des Hauptteils festlegen, der durch das feste Material des Kerns eingenommen ist, wobei das Substrat gekrümmte äußere Oberflächenabschnitte und flache Oberflächenabschnitte aufweist, welche die Bahnen tragen, und wobei die Ausnehmungen oder jede Ausnehmung (26A; 26B; 26C; 26D) dort gebildet ist, wo die jeweilige Bahn über einem flachen Oberflächenabschnitt liegt.
Antenne nach Anspruch 15 umfassend: einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kern (12) aus einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstanten größer 10, wobei der Kern eine Achse (24) der Antenne festlegt und eine im Wesentlichen zylinderförmige äußere Oberfläche und einem Paar von Endflächen besitzt, wobei die Bahnen sich axial koextensiv äußere Abschnitte (10A–10D) an der im Wesentlichen zylinderförmigen Oberfläche und Verbindungsabschnitte (10AR–10DR) an einer der Endflächen aufweisen, um die äußeren Abschnitte mit einem axialen Speisepunkt an diese Endfläche zu verbinden, wobei die Antenne ferner eine axiale Speisestruktur (14) umfasst, welche durch den Kern (12) von dieser einen Endfläche zu der anderen Endfläche verläuft, und eine leitfähige Balunhülse (20), welche den Kern umgibt und sich von der Speisestruktur (14) an der anderen Endfläche zu einem Rand (20U) erstreckt, der sich in einer axialen Position zwischen den Endflächen befindet und mit den äußeren Bahnabschnitten verbunden ist, und wobei der Ausschnitt oder irgendein Ausschnitt (26A; 26B; 26C; 26D) sich in dem Verbindungsabschnitt der jeweiligen Bahn befindet oder in dem äußeren Abschnitt der jeweiligen Bahn an einem Ort benachbart zu seiner Verbindung mit dem Hülsenrand.
Antenne nach Anspruch 18, wobei die äußeren Bahnabschnitte (10A–10D) zwei Paare von wendelförmigen Elementen umfasst, wobei die wendelförmigen Elemente eines Paars eine unterschiedliche Länge in Bezug zu den wendelförmigen Elementen des anderen Paars aufweisen und wobei jede der Bahnen von wenigstens einem der Paare einen Ausschnitt (26A; 26B; 26C; 26D) aufweist.
Antenne nach Anspruch 19, wobei jeder Ausschnitt (26A; 26B; 26C; 26D) eine Öffnung von vorbestimmter Größe in dem Verbindungsabschnitt (10AR; 10BR; 10CR; 10DR) der jeweiligen Bahn ist.