Die Erfindung betrifft ein Antennenelement zum Aussenden und Empfangen von dual polarisierten elektromagnetischen Signalen (bzw. Wellen oder Strahlung), wobei die Begriffe „elektromagnetische Signale“, „elektromagnetische Strahlung“, „elektromagnetische Wellen“ vorliegend synonym verwendet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antenne mit einer Vielzahl ebensolcher Antennenelemente als Gruppe, insbesondere für Raumfahrtanwendungen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines ebensolchen Antennenelements.

Das vorgeschlagene Antennenelement eignet sich grundsätzlich für alle Anwendungen, bei denen dual polarisierte und zirkular polarisierte, elektromagnetische Signale ausgesandt /empfangen werden. Insbesondere eignet sich das vorgeschlagene Antennenelement für Raumfahrtanwendungen, d.h. für Installationen eines oder mehrerer solcher Antennenelemente an Raumfahrzeugen oder Satelliten, insbesondere an Kommunikations- oder Radarsatelliten, sowie als Speiseantennenarray mit mehreren solchen Antennenelementen für eine Reflektorantenne.

Insbesondere dual-polarisierte Antennenarrays für Raumfahrtanwendungen bestehend aus einer Vielzahl von Antennenelementen unterliegen besonderen Anforderungen. So muss auf ausgasende Materialien (zum Beispiel dielektrische Stoffe) auf der abstrahlen Außenseite des Antennenarrays verzichtet werden, weiterhin werden insbesondere ein symmetrisches Antennenrichtdiagramm (symmetrische Abstrahlcharakteristik) für beide Polarisationen, eine hohe Entkopplung (Isolation) zu benachbarten Antennenelementen, d.h. ein geringes Übersprechen (geringe Verkopplung) zwischen benachbarten Antennenelementen, eine große Bandbreite in Bezug auf eine Betriebs-Mittenfrequenz (über 10 %), ein hoher Wirkungsgrad und eine Dimensionierung des Antennenelements von < einer Wellenlänge der Betriebswellenlänge benötigt.

Im Stand der Technik ist als Antennenelement aus der Druckschrift US 3,740,754 A hierzu das sogenannte „Patch Excited Cup (PEC)“-Antennenelement bekannt. Dieses Antennenelement basiert auf einer Dipolstruktur, erfüllt aber die vorstehend genannten Anforderungen nicht.

Es besteht daher die Aufgabe ein Antennenelement zum Aussenden und Empfangen von dual-polarisierten elektromagnetischen Signalen sowie ein Antennenarray bestehend aus einer Vielzahl ebensolcher Antennenelemente anzugeben, wobei das Antennenarray die vorstehend genannten Anforderungen erfüllt.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Antennenelement zum Aussenden und Empfangen von dual polarisierten elektromagnetischen Signalen, umfassend: eine über eine elektrisch leitende Grundfläche / Reflektor angeordnete elektrisch leitende Struktur, wobei die elektrisch leitende Struktur aus einem einzigen oder aus mehreren miteinander elektrisch leitend verbundenen, ebenen Flächenelementen besteht, wobei der Reflektor und das/die Flächenelement/e konzentrisch entlang einer Mittenachse des Antennenelements, beabstandet voneinander und sich jeweils orthogonal zur Mittenachse erstreckend angeordnet sind, wobei der Reflektor das/die ebenen Flächenelement/e radial zur Mittenachse vollständig überragt; und wobei der Reflektor elektrisch leitend mit der leitenden Struktur verbunden ist.

Durch den Reflektor wird die in Verbindung mit der elektrisch leitenden Struktur resonant freigesetzte Energie, d.h. das ausgesandte Signal, in eine definierte Abstrahlrichtung des Antennenelements gelenkt/reflektiert, sodass der Reflektor die Richtwirkung des Antennenelements wesentlich bestimmt. Gleichermaßen wird durch den Reflektor auch die Empfangscharakteristik des Antennenelements bestimmt.

Das erfindungsgemäße Antennenelement umfasst weiterhin eine erste elektrische Schnittstelle für die Bereitstellung eines auszusendenden ersten Signals SIG1 und eine zweite elektrische Schnittstelle für die Bereitstellung eines auszusendenden zweiten Signals SIG2. Die erste und die zweite elektrische Schnittstelle sind bevorzugt als Steckverbindung für Koaxialleitungen ausgeführt. Gleichermaßen dienen die erste und die zweite Schnittstelle zur Bereitstellung von dem Antennenelement empfangener/ ausgesandter elektromagnetischer Signale an bspw. eine nachgeordnete Empfangs- und Sendeelektronik.

Das erfindungsgemäße Antennenelement umfasst weiterhin einen ersten Rat-Race- Koppler, dessen Eingang EINSIGI mit der ersten Schnittstelle verbunden ist und der das erste Signal SIG1 ausgangsseitig in zwei betragsmäßig gleiche Signale SIG1A und SIG1B aufteilt, die seinen jeweiligen Signalausgängen AUSSIGIA, AUSSIGIB bereitgestellt werden, wobei die Signale SIG1A und SIG1B eine Phasendifferenz von 180° aufweisen, und wobei die Signalausgänge AUSSIGIA, AUSSIGIB über jeweils separate Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB mit jeweils einem Einspeisekontakt EI NSPSIGIA, EINSPSIGIB am dem Reflektor direkt benachbarten Flächenelement FE* elektrisch leitend verbunden sind.

„Rat-Race-Koppler“ werden auch als 180° Hybrid-Ring-Koppler bezeichnet und sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift mit dem Titel „Design Of Compact 180 Degree Hybrid Coupler Using T-shape Structure“, Advances in Engineering Research (AER), volume 142, Int. Conf. For Phoenixes on Emerging Current Trends in Engineering and Management (PACTEAM 2018) oder in WIKIPEDIA unter dem Stichwort “Ringkoppler”.

Das erfindungsgemäße Antennenelement umfasst weiterhin einen zweiten Rat-Race- Koppler, dessen Eingang EINSIG2 mit der zweiten Schnittstelle verbunden ist und der das Signal SIG2 ausgangsseitig in zwei betragsmäßig gleiche Signale SIG2A, SIG2B aufteilt, die seinen jeweiligen Signalausgängen AUSSIG2A, AUSSIG2B bereitgestellt werden, wobei die Signale SIG2A und SIG2B eine Phasendifferenz von 180° aufweisen, und wobei die Signalausgänge AUSSIG2A, AUSSIG2B über jeweils separate Signalleitungen LEITA _S IG2A, LEITA _S IG2B mit jeweils einem Einspeisekontakt EINSPSIG2A, EI NSPSIG2B am dem Reflektor direkt benachbarten Flächenelement FE* elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Einspeisekontakte EI NSPSIGIA, EI NSPSIGIB, EI NSPSIG2A, EI NSPSIG2B des Flächenelements FE* zur Mittenachse einen identischen Abstand D aufweisen, wobei eine Verbindungslinie VL1 zwischen den Einspeisekontakten EI NSPSIGIA, EINSPSIGIB senkrecht auf einer Verbindungslinie VL2 zwischen den Einspeisekontakten EINSPSIG2A, EI NSPSIG2B steht und sich die Verbindungslinie VL1 und VL2 in einem Punkt der Mittenachse kreuzen. Insbesondere die Speisung des Antennenelements mit zwei Rat-Race-Kopplern, wie vorstehend beschrieben, ermöglicht vorteilhaft eine symmetrische Speisung für beide Polarisationen und gleichzeitig eine gute Anpassung, d.h. mit nur geringen bis vernachlässigbaren Reflexionen an den beiden Einspeisetoren der Rat-Race-Koppler, sodass ein großer Anteil der eingespeisten Leistung auch abgestrahlt wird.

Der Reflektor ist vorteilhaft aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. In einer Alternative besteht der Reflektor vorteilhaft aus einem Kernmaterial (bspw. einem Kunststoffmaterial, einem Keramikmaterial oder einem Faserverbundmaterial), auf das eine Oberflächenschicht aus Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht ist.

Der Reflektor weist vorteilhaft eine runde oder eine quadratische oder eine polygonförmige ebene Grundplatte auf. Vorteilhaft ist die Grundplatte im Antennenelement derart angeordnet, dass ihr geometrischer Mittelpunkt auf der Mittenachse des Antennenelements liegt.

Eine Verbesserung der Richtcharakteristik des Reflektors wird erreicht, wenn die Grundplatte eine diese seitlich umfassende (durchgehend umfassende oder zumindest abschnittsweise umfassende) Seitenwandung aufweist. Die Seitenwandung besteht vorteilhaft aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder alternativ aus einem Kernmaterial (bspw. einem Kunststoff material, einem Keramikmaterial oder einem Faserverbundmaterial), auf das eine Oberflächenschicht aus Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht ist. Die Seitenwandung ist vorteilhaft mit dem Umfangsrand der Grundplatte elektrisch leitend verbunden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Antennenelements ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor mehrere die runde Grundplatte seitlich konzentrisch umfassende solche Seitenwandungen, sogenannte „choke-ringe“, aufweist, deren Höhe radial nach außen hin (bezogen auf die Mittenachse des Antennenelements) abnimmt.

Vorteilhaft weist eine polygonförmig gestaltete Grundplatte n*4 Ecken auf, mit n = 1, 2, 3, .... Vorteilhaft sind diese Ecken abgerundet.

Vorteilhaft weist die Grundplatte vier von einer Unterseite zu einer Oberseite der Grundplatte durchgehende Öffnungen auf. Vorteilhaft sind die durchgehenden Öffnungen derart auf der Grundplatte angeordnet, dass sie radial von der Mittenachse gleich beabstandet sind und die Radien (ausgehend von der Mittenachse) zu direkt benachbarten Öffnungen jeweils einen Winkel von 90° einschließen. Vorteilhaft sind die vier durchgehenden Öffnungen zylinderförmig, d.h. sie weisen einen kreisförmigen Öffnungsquerschnitt auf. Die Öffnungen dienen dazu, die Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B durch die Grundplatte zu den jeweiligen Einspeisekontakten EI NSPSIGIA, EI NSPSIGIB, EI NSPSIG2A, EI NSPSIG2B an das dem Reflektor direkt benachbarte Flächenelement FE* zu führen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Antennenelements ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus einem Körper (Reflektorkörper), insbesondere einem monolithischen bzw. einteiligen Körper, besteht, in den eine nicht durchgängige Ausnehmung mit einem zylinderförmigen oder quadratischen oder polygonförmigen Querschnitt eingebracht ist, wobei der Boden der Ausnehmung die Grundplatte und die seitlichen Innenflächen der Ausnehmung die Seitenwandung des Reflektors bilden. Die Außenform des Reflektorkörpers ist vorzugsweise zylinderförmig, quaderförmig, würfelförmig, prismatisch oder kubisch. In der Ausnehmung oberhalb der Grundplatte ist vorteilhaft die elektrisch leitende Struktur mit dem/den ebenen Flächenelement/en angeordnet. Derartige Reflektorkörper mit in dessen Ausnehmung bereits integrierter leitender Struktur können vorteilhaft mittels 3D-Druckverfahren als monolithische/einteilige Einheit hergestellt werden.

Vorteilhaft ist die laterale Erstreckung des Reflektors in x- und y- Richtung (d.h. in einer Ebene senkrecht zur Mittenachse (= z-Achse)) identisch gleich I, wobei für I gilt:

(1) l > I > 0,5 * l mit: l:= laterale Erstreckung in x-Richtung = laterale Erstreckung in y-Richtung, wobei die x-Richtung und die y-Richtung senkrecht zur Mittenachse (z-Achse) verlaufen und x-y-z ein orthogonales Koordinatensystem bilden, l:= Betriebsmittenwellenlänge des Antennenelements.

Vorteilhaft gilt für eine Erstreckung h des Reflektors in z-Richtung, d.h. entlang der Mittenachse: (2) h < 0,5 * l mit: h:= Erstreckung entlang der z-Achse, l:= Betriebsmittenwellenlänge des Antennenelements.

Die leitende Struktur, d.h. das/die Flächenelement/e, ist/sind vorteilhaft aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. Alternativ besteht die leitende Struktur aus einem Kernmaterial (bspw. einem Kunststoff material, einem Keramikmaterial oder einem Faserverbundmaterial), auf das eine Oberflächenschicht aus Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht ist. Zwischen den Flächenelementen und zwischen der Grundplatte und dem dieser direkt benachbarten Flächenelement FE* sind Abstandshalter angeordnet. Die Abstandshalter sind vorteilhaft zylindrisch und vorteilhaft konzentrisch zur Mittenachse des Antennenelements angeordnet. Die Abstände der Flächenelemente zueinander und zur Grundplatte bestimmen die Resonanzfrequenz (Betriebs- Mittenfrequenz) des Antennenelements. Eine Änderung der Abstände der Flächenelemente zueinander und zur Grundplatte bewirkt eine Änderung der Resonanzfrequenz (Betriebs-Mittenfrequenz).

Mehrere Abstandshalter sind vorteilhaft als eine einteilige Abstandshalterstruktur realisiert, die einerseits mit der Grundplatte verbunden ist und an der die Flächenelemente angeordnet sind. Die Abstandshalter und die Flächenelemente sind vorteilhaft einteilig gefertigt.

Die Abstandshalter sind elektrisch leitend ausgeführt, sodass die Grundplatte und das bzw. die Flächenelemente elektrisch leitend über die Abstandshalter miteinander verbunden sind.

Vorteilhaft weist die leitende Struktur ein, zwei oder drei Flächenelemente auf. Sofern die leitende Struktur zwei oder mehr drei Flächenelemente aufweist, nimmt eine laterale Ausdehnung (in x-y-Richtung) der Flächenelemente vorteilhaft mit deren zunehmendem Abstand von der Grundplatte ab. Vorteilhaft nimmt die Oberfläche der der Flächenelemente vorteilhaft mit deren zunehmendem Abstand von der Grundplatte ab. Vorteilhaft weist/weisen das/die Flächenelement/e eine orthogonal-symmetrische Formgebung auf. Unter diese Formgebung fallen insbesondere Formen, wie sie in Fig. 8 abgebildet sind.

Umfasst die leitende Struktur mehrere Flächenelemente, so ist die Formgebung der Flächenelemente vorteilhaft einheitlich, wenngleich auch die Fläche der Flächenelemente vorteilhaft entlang der z-Achse mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte abnimmt.

Die Signalleitungen: LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITA _S IG2A, LEITA _S IG2B sind bevorzugt als Koaxialleitungen mit Innenleiter, Dielektrikum und äußerer Abschirmung und einer identischen Impedanz IMPLEIT ausgeführt. Vorteilhaft sind die Impedanzen IMPRR der beiden Rat-Race-Koppler identisch, die Impedanzen IMPLEIT der Signalleitungen (LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITA _S IG2A, LEITA _S IG2B) identisch, wobei zudem gilt:

(3) IMPLEIT = IMPRR.

Der erste Rat-Race-Koppler ist vorteilhaft auf einem ersten Leiterplattensubstrat und der zweite Rat-Race-Koppler auf einem separaten zweiten Leiterplattensubstrat aufgebracht bzw. realisiert. Die beiden Rat-Race-Koppler sind vorteilhaft mittels eines Druckverfahrens oder Ätzverfahrens auf die Leiterplattensubstrate aufgebracht. Vorteilhaft besitzen diese beiden Leiterplattensubstrate eine relative Permittivität von _r > 5.

Weiterhin vorteilhaft sind diese beiden Leiterplattensubstrate beabstandet zueinander entlang der Mittenachse (z-Achse) in folgender Reihenfolge nacheinander angeordnet:

- erstes Leiterplattensubstrat (1. Ebene),

- zweites Leiterplattensubstrat (2. Ebene),

- Grundplatte (3. Ebene),

- erstes der Grundfläche benachbartes Flächenelement FE ^* (4. Ebene)

- ggf. weitere Flächenelemente FE (weitere Ebenen). Das heißt, dass bspw. in positiver z-Richtung (entlang der Mittenachse) folgende Ebenen beabstandet aufeinander folgen: Ebene 1, Ebene 2, Ebene 3, Ebene 4, etc.

Vorteilhaft ist dabei die erste elektrische Schnittstelle auf dem ersten Leiterplattensubstrat (vorteilhaft auf dessen Unterseite) angeordnet und die zweite elektrische Schnittstelle auf dem zweiten Leiterplattensubstrat (vorteilhaft auf dessen Unterseite) angeordnet. Vorteilhaft sind die Signalausgänge AUSSIGIA, AUSSIGIB auf einer Oberseite des ersten Leiterplattensubstrats angeordnet und die Signalausgänge AUSSIG2A, AUSSIG2B auf einer Oberseite des zweiten Leiterplattensubstrats angeordnet. Dabei meint „Unterseite“ hier, jeweils diejenige Oberflächenseite der Leiterplattensubstrate, die der Grundplatte (Ebene 3) abgewandt sind. Die „Oberseite“ der jeweiligen Leiterplattensubstrate liegt damit der jeweiligen „Unterseite“ jeweils gegenüber.

Vorteilhaft weist das zweite Leiterplattensubstrat zwei von dessen Unterseite zu dessen Oberseite durchgehende Öffnungen auf, durch welche die Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB vom ersten Leiterplattensubstrat zur Grundplatte und dem der Grundplatte benachbarten Flächenelement FE* geführt sind.

Vorteilhaft verbindet die jeweilige äußere Abschirmung der Koaxialleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B das elektrische Massepotential der Grundplatte elektrisch mit dem elektrischen Massepotential der jeweiligen Leiterplattensubstrate.

Vorteilhaft weisen die Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB eine identische Länge auf. Vorteilhaft weisen die Signalleitungen LEITASIG2A, LEITASIG2B eine identische Länge auf.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antenne mit einer Vielzahl von Antennenelementen, wie vorstehend beschrieben. Die Antennenelemente sind dabei vorteilhaft in einem Array, besonders vorteilhaft in einem orthogonalen Array, in fraktaler Form oder in ausgedünnten Aperturen, bzw. irregulären Arrays angeordnet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Antennenelements, wie vorstehend beschrieben, bei dem der Reflektor, d.h. die Grundplatte mit ggf. den Seitenwandung und/oder die elektrisch leitende Struktur mit Flächenelementen und Abstandshaltern und/oder zumindest einer der beiden Rat-Race- Koppler mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt wird/werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte 3D-Darstellung eines Antennenelements gemäß eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht des Antennenelements von Fig. 1, Fig. 3 eine schematisierte Aufsicht auf das Antennenelement von Fig. 1, Fig. 4 eine schematisierte 3D-Darstellung des Reflektorkörpers 101 mit eingebrachter leitender Struktur des Antennenelements von Fig. 1,

Fig. 5 eine schematisierte Darstellung der leitenden Struktur und der Signalzuführungen zur leitenden Struktur,

Fig. 6 eine Aufsicht auf das Leiterplattensubstrat 107b, und Fig. 7 eine Seitenansicht des Leiterplattensubstrat 107b.

Fig. 1 zeigt eine schematisierte 3D-Darstellung eines Antennenelements zum Aussenden und Empfangen von dual polarisierten elektromagnetischen Signalen, umfassend: eine über oder in einem elektrisch leitenden Reflektor 101 angeordnete elektrisch leitende Struktur 102, wobei die Struktur 102 aus zwei miteinander elektrisch leitend verbundenen, ebenen Flächenelementen 103*, 103 besteht, wobei der Reflektor 101 und die Flächenelemente 103*, 103 konzentrisch entlang einer Mittenachse 104 des Antennenelements, beabstandet voneinander und sich jeweils orthogonal zur Mittenachse 104 erstreckend angeordnet sind. Der Reflektor 101 überragt die ebenen Flächenelemente103*, 103 radial zur Mittenachse 104 vollständig, wobei der Reflektor 101 elektrisch leitend mit der leitenden Struktur 102 verbunden ist.

Das Antennenelement weist weiterhin eine erste elektrische Schnittstelle 105a für die Bereitstellung eines auszusendenden ersten Signals SIG1 und eine zweite elektrische Schnittstelle 105b für die Bereitstellung eines auszusendenden zweiten Signals SIG2 auf, ferner einen ersten Rat-Race-Koppler 106a, dessen Eingang EI NSIGI mit der ersten Schnittstelle 105a verbunden ist und der das Signal SIG1 ausgangsseitig in zwei betragsmäßig gleiche Signale SIG1A, SIG1B aufteilt, die seinen jeweiligen Signalausgängen AUSSIGIA, AUSSIGIB bereitgestellt werden, wobei die Signale SIG1A und SIG1B eine Phasendifferenz von 180° aufweisen, und wobei die Signalausgänge AUSSIGIA, AUSSIGIB über jeweils separate Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB mit jeweils einem Einspeisekontakt EI NSPSIGIA, EI NSPSIGIB am dem Reflektor 101 direkt benachbarten Flächenelement FE* 103* elektrisch leitend verbunden sind.

Weiterhin weist das Antennenelement auf, einen zweiten Rat-Race-Koppler 106b, dessen Eingang EI N _S IG2 eingangsseitig mit der zweiten Schnittstelle 105b verbunden ist und der das Signal SIG2 ausgangsseitig in zwei betragsmäßig gleiche Signale SIG2A, SIG2B aufteilt, die seinen jeweiligen Signalausgängen AUSSIG2A, AUSSIG2B bereitgestellt werden, wobei die Signale SIG2A und SIG2B eine Phasendifferenz von 180° aufweisen, und wobei die Signalausgänge AUSSIG2A, AUSSIG2B über jeweils separate Signalleitungen LEITASIG2A, LEITASIG2B mit jeweils einem Einspeisekontakt EI NSPSIG2A, EINSPSIG2B am dem Reflektor 101 direkt benachbarten Flächenelement FE* 103* elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Einspeisekontakte EI NSPSIGIA, EINSPSIGIB, EINSPSIG2A, EI NSPSIG2B des Flächenelements FE ^* 103 ^* zur Mittenachse 104 einen identischen Abstand D aufweisen, wobei eine Verbindungslinie VL1 zwischen den Einspeisekontakten EI NSPSIGIA, EI NSPSIGIB senkrecht auf einer Verbindungslinie VL2 zwischen den Einspeisekontakten EI NSPSIG2A, EI NSPSIG2B steht und sich die Verbindungslinie VL1 und VL2 in einem Punkt der Mittenachse 104 kreuzen.

Die weiteren Figuren Fig. 2 bis 8 zeigen unterschiedliche Aspekte des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Das Antennenelement des beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht damit aus den vier wesentlichen Bestandteilen:

- dem Reflektor bzw. Reflektorgrundkörper 101

- der elektrisch leitenden Struktur 102 mit zwei kreisrunden Flächenelementen 103*, 103,

- zwei identische Antennen-Speisenetzwerke (je eines pro Polarisation), die jeweils auf einem Leiterplattensubstrat 107a, 107b realisiert sind, sowie

- elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Speisenetzwerken und der elektrisch leitenden Struktur 102 bzw. dem Reflektorgrundkörper 101, die man zusammen vorliegend auch als Antenne bezeichnet.

Der Reflektorgrundkörper 101 ist vorliegend als quaderförmiger Körper realisiert, der auf seiner in Fig. 1 dargestellten Oberseite eine zylinderförmige Ausnehmung aufweist. Der Boden der Ausnehmung bildet die Grundplatte 101a des Reflektors. Die Seitenwandung 101b der Ausnehmung umgibt die Grundplatte 101a somit vollständig. Die Grundplatte 101a verhindert, dass Energie nach unten, in Richtung Speisenetzwerke, abgestrahlt wird. Die Seitenwandung 101b ist für die Funktionalität des Antennenelements nicht zwingend erforderlich. Bei alternativen Gestaltungen des Reflektors 101 kann sie daher, je nach Anwendungsfall, auch entfallen. Im vorliegenden Fall bewirkt die Seitenwanderung 101b zusammen mit der Grundplatte 101, dass die vom Antennenelement resonant freigesetzte Energie mit bestimmter Richtcharakteristik, im vorliegenden Fall der Fig., 1 nach oben abgestrahlt wird. Die Seitenwandung 101b ermöglicht weiterhin eine Abschirmung zu ggf. benachbarten Antennenelementen. Dadurch wird das Übersprechen, die sogenannte Kopplung, reduziert. Insbesondere bei einer Verwendung von einer Vielzahl von ebensolchen Antennenelementen in einem Array ist das unabdingbar.

Die Fig. 3 zeigt hierzu eine schematisierte Aufsicht auf das Antennenelement von Fig. 1 , Fig. 4 eine schematisierte 3D-Darstellung des Reflektorkörpers 101 mit eingebrachter leitender Struktur des Antennenelements von Fig. 1, und Fig. 5 eine schematisierte Darstellung der leitenden Struktur 102 und der Signalzuführungen zur leitenden Struktur 102.

Der gesamte Reflektorgrundkörper 101 muss elektrisch leitfähig sein, um grundlegende Antenneneigenschaften zu gewährleisten. Zudem wird ein metallischer Aufbau für Raumfahrtanwendungen benötigt. Andere Materialien, wie beispielsweise typische Leiterplatten, neigen unter Vakuumbedingungen zum ausgasen. Freigesetzte Moleküle/Ionen können dabei zu einem elektrischen Überschlag führen.

Die äußere Form des Reflektorgrundkörpers 101 ist vorliegend quaderförmig. Sie kann alternativ beispielsweise kubisch, zylindrisch oder polykugelförmig sein.

Die vorliegend zylinderförmige Ausnehmung kann alternativ einen quadratischen Querschnitt oder einen polygonförmigen Querschnitt mit vorzugsweise n * 4 Ecken, N gleich 1, 2, 3... aufweisen. In letzterem Fall können die Ecken vorzugsweise abgerundet sein. Vorzugsweise weist der Querschnitt der Ausnehmung eine orthogonale Symmetrie auf. Der Reflektorgrundkörper 101 weist weiterhin vier, in Fig.1 und Fig. 2 vertikal und symmetrisch zur Mittenachse 104 verlaufende durchgehende Bohrungen auf, die von einer Unterseite des Reflektorgrundkörpers 101 zum die Grundplatte 101a bildenden Boden der Ausnehmung führen. Durch diese Bohrungen sind die Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B geführt, welche das jeweilige auf den Leiterplatten 107a und 107b realisierte Speisenetzwerk mit der elektrisch leitenden Struktur 102 bzw. den Reflektorgrundkörper 101 verbinden.

In der Ausnehmung ist die leitende Struktur 102 angeordnet. Die leitende Struktur 103 besteht vorliegend aus einem ersten Abstandshalter, der zwischen dem Boden der Ausnehmung (= Grundplatte 101a) und dem ersten, der Grundplatte direkt benachbarten Flächenelement 103* angeordnet ist; und einem zweiten Abstandshalter, der zwischen dem Flächenelement 103* und einem Flächenelement 103 angeordnet ist, sowie den beiden genannten Flächenelementen 103* und 103 (vgl. Fig. 5).

Die Größe des Reflektorgrundkörpers 101 hat einen direkten Bezug zur Betriebs- Mittenfrequenz. Aufgrund der geforderten Symmetrieeigenschaft muss in X- und Y- Richtung die gleiche Länge I gegeben sein. Diese liegt typischerweise in der Größenordnung von l > I > 0,5* l, wobei I die Länge des Reflektorgrundkörpers 101 und l die Wellenlänge der Betriebsmittenfrequenz des Antennenelements angibt.

Die Höhe h des Reflektorgrundkörpers 101 (in Z-Richtung) richtet sich im Wesentlichen nach dem Raumbedarf der elektrisch leitenden Struktur 102 und liegt typischerweise in der Größenordnung von ca. h < 0,5 * l.

Zur Verbesserung der bereits nahezu idealen Isolation zu ebensolchen Antennenelementen können am Rand des Reflektorkörpers 101 sogenannte „Choke“- Ringe vorgesehen werden.

Die elektrisch leitende Struktur 102 besteht vorliegend aus einer metallischen, zentrierten Tragstruktur umfassend zwei Abstandshalter sowie zwei Flächenelemente 103*, 103. die Tragstruktur dient dazu die Flächenelemente 103*, 103 beanstandet voneinander und beanstandet von der Grundplatte 101a innerhalb der Ausnehmung zu fixieren. Dabei bezeichnet 103* dasjenige Flächenelement, welches der Grundplatte 101a direkt benachbart ist.

Falls nur ein Flächenelement 103 vorhanden ist, ist bei mechanisch stabiler Anbindung von vier Koaxialpins der vier vorzugsweise Koaxialleitungen von den beiden Speisenetzwerken an dieses Flächenelement 103 die Tragstruktur nicht erforderlich.

Die Anzahl der Flächenelemente 103 kann grundsätzlich größer als 1 sein. Dabei gilt prinzipiell: je mehr Flächenelemente, desto größer ist die Bandbreite des Antennenelements, wobei dadurch „verstimmte“ Resonanzfrequenzen, d.h. mehrere Resonanzen unterschiedlichen Frequenzen entstehen. Allerdings führen zu viele dieser Flächenelemente 103 zu einer schlechteren Anpassung, da durch die oberen Flächenelemente 103 die Ablösung der elektrischen Wellen im Nahfeld blockiert wird. Es hat sich gezeigt, dass für schmalbandige Anwendungen ein Flächenelement ausreichend ist. Aufgrund der notwendigen Anpassung des Antennenelements sind mehr als drei Flächenelemente meist unvorteilhaft. Insofern weist ein erfindungsgemäß Antennenelement vorzugsweise ein oder zwei Flächenelemente 103 auf.

Die Abstände der Flächenelemente 103 zueinander und zur Grundplatte 101a bestimmen im Wesentlichen die Resonanzfrequenz (Betriebs-Mittenfrequenz, des Antennenelements. Durch eine Änderung dieser Abstände können die Frequenzen verstimmt und angepasst werden.

Die dicke der Flächenelemente sollte möglichst gering sein. Der Durchmesser, bzw. allgemein die Größe sollte so gewählt sein, dass die Flächenelemente 103 innerhalb der Ausnehmung Platz finden. Bei mehreren Flächenelementen 103 muss die Flächengröße/der Durchmesser nach oben hin (Z-Richtung) abnehmen, um eine Abstrahlung zu ermöglichen.

Die Form und die Größe der Flächenelemente 103 bestimmen im Wesentlichen auch die Form des Richtdiagramm des Antennenelements. Für eine identische Richtcharakteristik in beiden orthogonalen Polarisation ist eine orthogonal-symmetrische Form der Flächenelemente erforderlich.

Vorzugsweise besteht die elektrisch leitende Struktur 102 aus metallischen Werkstoffen.

Die Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B sind vorzugsweise als Standard-Koaxialleitungen mit starrem Innenleiter, Dielektrikum und einem Außenmantel ausgeführt. Vorteilhaft sind alle diese Signalleitungen identisch in ihrer Ausführung.

Gemäß dem Funktionsprinzip einer Koaxialleitung bestimmt das Verhältnis des Durchmessers des Außenmantels zum Durchmesser des Innenleiters sowie die Permittivität des sich dazwischen befinden Dielektrikums die charakteristische Impedanz der Koaxialleitung. Vorteilhaft ist die Impedanz der gewählten Rat-Race-Koppler 106a, 106b identisch mit der Impedanz der Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B.

Der Außenleiter der Koaxialleitungen (Mantel) dient zur Masseanbindung der Speisenetzwerke mit dem Reflektorgrundkörper 101 für eine gemeinsame elektrische Bezugsebene. Der Innenleiter der Koaxialleitungen dient im Wesentlichen zur Signalführung und gegebenenfalls zu elektrisch-mechanischen Verbindung zum unteren Flächenelement 103*.

Die Länge der Signalleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB, LEITASIG2A, LEITASIG2B ist zunächst beliebig und bestimmt sich aus der Mindestlänge zur Anbindung der Speisenetzwerke.

Die zwei Paare der Koaxialleitungen: LEITASIGIA - LEITASIGIB (Paar 1) und LEITASIG2A - LEITASIG2B (Paar 2) weisen unterschiedliche Längen auf, da die zwei Speisenetzwerke unterschiedliche Abstände zum Reflektorgrundkörper 101 haben. An der Seite zum Reflektorgrundkörper 101 schließt das Dielektrikum und der Außenmantel der jeweiligen Koaxialleitungen mit der Oberfläche der Grundplatte 101a in der Ausnehmung ab.

Der Innenleiter wird bis zum Flächenelement 103* (d.h., dem Flächenelement das der Grundplatte 101a direkt benachbart ist) weitergeführt, sodass ein elektrischer Kontakt zum jeweiligen Einspeisepunkt an dem Flächenelement 103* besteht. Auf der gegenüberliegenden Seite der Koaxialleitungen erfolgt eine Anbindung mit geeigneten Steckern zu den Speisenetzwerken.

Es liegt eine zur Mittelachse 104 symmetrische Anordnung der Einspeisepunkte am Flächenelement 103* vor, wobei zwei zur Mittenachse 104 gegenüberliegende Koaxialleitungen einer Polarisation zugeordnet werden. Der Abstand der ein Speisepunkte von der Mittenachse 104 bestimmt die elektrische Anpassung des Antennenelements.

Alternativ können die Koaxialleitungen an beiden Seiten mit Steckern versehen sein. An der Seite des Reflektorgrundkörpers 101 erfolgt dann vorteilhaft eine Anbindung mittels eingefasster Steckerbuchsen mit PIN.

Mit den beiden Speisenetzwerken werden die beiden Einspeisepunkte pro Polarisation einem Anschluss zusammengefasst. Folglich kann jede Polarisation des Antennenelements unabhängig mit einem eigenen Signal gespeist werden. Selbstverständlich können auch diese beiden Anschlüsse mit einem beliebigen Phasenversatz versehen und verbunden werden, um eine zirkulare, elliptische oder eine beliebige lineare Polarisation zu ermöglichen.

Essenziell ist ein 180° Phasenversatz des Signals der beiden einander zugeordneten Einspeisepunkte pro Polarisation sowie eine möglichst hohe Isolation der beiden Einspeisepunkte zueinander. Aufgrund der elektrisch leitenden Verbindung über das erste Flächenelement 103* besteht eine Art Kurzschluss im gleichstromtechnischen Sinne. Signale, welche nicht abgestrahlt werden, sondern über den anderen Port des Rat-Race- Kopplers wieder zum Speisenetzwerk zurückfließen, müssen terminiert werden. Auch hierzu dienen die Rat-Race-Koppler 106a, 106b.

Die Rat-Race-Koppler 106a, 106b sind auf Mikrostreifenleitungsbasis auf einem jeweiligen Leiterplattensubstrat 107a, 107b implementiert. Ein Leiterplattensubstrat mit sehr hoher Permittivität verkürzt die Signalwellenlänge und erlaubt damit eine Realisierung des Rat-Race-Kopplers 106a, 106b auf kleinstem Raum.

Die beanspruchte Fläche des jeweiligen Rat-Race-Kopplers 106a, 106b inkl. sämtlicher Stecker und Zuleitungen darf die vom jeweiligen Leiterplattensubstrat horizontal (vorliegend x-y- Ebene) nicht überschreiten. Das zweite Leiterplattensubstrat 107b weist an geeigneten Stellen zwei Bohrungen auf, sodass die beiden Koaxialleitungen LEITASIGIA, LEITASIGIB durchgeführt werden können.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen das zweite Leiterplattensubstrat 107b in Aufsicht (Fig. 6) bzw. in Seitenansicht (Fig. 7).

Der dort realisierte Rat-Race-Koppler 106b hat einen Signaleingang EI NSIG2 für das bereitgestellte zweite Signal SIG2, zwei Signalausgänge AUSSIG2A und AUSSIG2B über die das Signal SIG2 ausgangsseitig in zwei betragsmäßig gleiche Signale (SIG2A, SIG2B) aufgeteilte Signal SIG2 bereitgestellt wird, wobei die Signale (SIG2A und SIG2B) eine Phasendifferenz von 180° aufweisen, und eine Ableitung zum Anschluss eines Abschlusswiderstands mit der Impedanz Zo, der gegen die elektrische Masse geführt ist. Differenzielle Signale zwischen den beiden Signalausgängen AUSSIG2A und AUSSIG2B werden dorthin abgeleitet und in Wärme umgewandelt. Der Abschlusswiderstand muss weiterhin für die Betriebsfrequenz des Antennenelements ausgelegt sein. Die Leitungsimpedanz an allen vier Anschlüssen des Rat-Race-Kopplers beträgt Zo und im Ring des Rat-Race-Kopplers ~ 2 * Z ₀ . Die beiden Signalausgänge AUSSIG2A und AUSSIG2B sind mit Steckerverbindungen 110 über Koaxialleitungen mit der Antenne (Reflektorgrundkörper 101 inkl. elektrisch leitende Struktur 102) verbunden. Aufgrund der Geometrie des Rat-Race-Kopplers 106b stellt sich ein Phasenversatz von 180° (hl 2 ein.

Es ist zwingend darauf zu achten, dass die Koaxialleitungen LEITASIG2A und LEITASIG2B der Anschlüsse identische Länge haben.

Der Signaleingang EI NSIG2 wird mit dem zweiten Signal SIG2 von einer entsprechenden Signalquelle gespeist (reziproker Betrieb als Empfänger ist ebenfalls möglich).

Die beiden Speisenetzwerke, respektive die beiden Leiterplattensubstrate 107a, 107b sind entlang der Z-Achse (Mittenachse 104) hintereinander und um 90° gegeneinander verdreht angeordnet. Der Abstand der Leiterplattensubstrate 107a, 107b wird durch die Verkoppelung bestimmt. Um ein Übersprechen zwischen den beiden Leiterplattensubstraten 107a und 107b zu verringern wird ein Mindestabstand benötigt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa einer weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird. Bezugszeichenliste

101 Reflektor/ Reflektorkörper

101a Grundplatte

101b Seitenwandung

102 elektrisch leitende Struktur 103 Flächenelemente

103* das dem Reflektor 101 direkt benachbarte Flächenelement FE* 104 Mittenachse 105a erste elektrische Schnittstelle 105b zweite elektrische Schnittstelle 106a erster Rat-Race-Koppler

106b zweiter Rat-Race-Koppler 107a erstes Leiterplattensubstrat 107b zweites Leiterplattensubstrat 108 Abschlusswiderstand 109 durchgehende Bohrung

110 Steckverbindung für Koaxialleitung zur elektrische leitenden Struktur 102 / zum Reflektorgrundkörper 101

111 elektrischer Masseanschluss