DE10334979B4

DE10334979B4 - directional antenna

Info

Publication number: DE10334979B4
Application number: DE2003134979
Authority: DE
Inventors: Peter Wengler
Original assignee: Wengler Peter Dipl-Phys Dr-Ing
Current assignee: Wengler Peter Dipl-Phys Dr-Ing
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: DE10334979A1

Abstract

Richtantenne, bestehend aus einem Resonator, der gebildet wird aus zwei reflektierenden Flächen (1, 2), von denen eine (2) für elektromagnetische Wellen teildurchlässigreflektierend ist und die Apertur der Antenne bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche (1) die Form einer Kugelkalotte hat mit dem Durchmesser 2r und dem Krümmungsradius R, die zweite, teildurchlässigreflektierend Fläche (2) eben ist und sich etwa im Abstand des halben Krümmungsradius R vor der ersten Fläche (1) befindet.Directional antenna, consisting of a resonator formed of two reflecting surfaces (1, 2), one of which (2) for electromagnetic waves is partially reflecting and forms the aperture of the antenna, characterized in that the first surface (1) the shape a spherical cap has the diameter 2r and the radius of curvature R, the second, partially reflecting surface (2) is flat and located approximately at a distance of half the radius of curvature R in front of the first surface (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne zur Aussendung oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen, bevorzugt im Millimeter- bis zum Dezimeter-Wellenlängenbereich. Hier wird meist eine hohe Richtwirkung gefordert, die die Funktion und Effektivität vieler Anwendungen wesentlich mitbestimmt, z. B. bei kommerziellem Richtfunk, Radar, Satellitenfernsehen, Radioastronomie oder drahtloser Energieübertragung.The The present invention relates to an antenna for transmission or for receiving electromagnetic waves, preferably in the millimeter up to the decimeter wavelength range. Here is usually required a high directivity, the function and effectiveness many applications determined significantly, z. B. in commercial Radio relay, radar, satellite television, radio astronomy or wireless Energy transfer.

Bekannt ist ein Vorschlag zur Verbesserung der Richtwirkung auf Basis von geometrischen Strukturen in der Antennenapertur ( WO 2000/028 622 A1 ). Die folgend beschriebene Lösung für diese Aufgabe ist gegründet auf eine Resonatoranordnung.A proposal is known for improving the directivity on the basis of geometric structures in the antenna aperture ( WO 2000/028 622 A1 ). The solution described below for this task is based on a resonator arrangement.

Wie bekannt, hat eine Antenne die Aufgabe, die elektrische Leistung aus Strom und Spannung in einem Generator oder einem Empfänger über einen Wandler in Strahlungsleistung umzusetzen und an das Feld im freien Raum anzupassen, allgemein an homogene, transversalelektromagnetische Wellen mit ebenen Phasenfronten. Eine Anpassung an dieses Feldbild erfordert Flächenstrahler mit einer ungestörten, unendlich großen Fläche oder auf einer endlichen Fläche eine Gauß'sche Belegungsfunktion für die Energieverteilung. Eine solche Antenne strahlt oder empfängt nur aus einer Richtung, quantitativ beschrieben durch den Richtfaktor oder Strahlungsgewinn.As known, an antenna has the task of electrical power from current and voltage in a generator or a receiver via a converter to translate into radiant power and to the field in free space adapt, generally to homogeneous, transversal electromagnetic Waves with flat phase fronts. An adaptation to this field picture requires surface spotlights with an undisturbed, infinitely large area or on a finite surface a Gaussian assignment function for the Energy distribution. Such an antenna only emits or receives from one direction, quantitatively described by the directivity or radiation gain.

Bekannterweise nähert man sich diesen Forderungen durch Parabolspiegel, die im Brennpunkt gespeist werden oder phasenrichtig gespeiste Dipolanordnungen oder Metallschlitze (planar arrays). Es lassen sich aber hier Beugung an der Berandung und an abschattenden Speiseelementen nicht vermeiden, was zu seitlicher Abstrahlung, d. h. zu Nebenkeulen im Richtdiagramm führt. Damit sind diese realen Antennen energetisch weniger effektiv (verringerter Strahlungsgewinn) und als Sender störend oder als Empfänger stör- und rauschanfällig. Eine oft unbequeme und aufwändige Größe der Antenne kann daher auch aus diesen Gründen nicht unterschritten werden.known manner approaches One meets these demands by parabolic mirrors, which are fed in the focal point or in-phase fed dipole arrays or metal slots (planar arrays). But here you can bend at the boundary and to shadowing feed elements not avoid, what to lateral Radiation, d. H. leads to side lobes in the directional diagram. In order to These real antennas are energetically less effective (reduced Radiation gain) and interfering as a transmitter or as receiver susceptible to noise and erosion. A often uncomfortable and expensive Size of the antenna can therefore also for these reasons not be fallen below.

Aus der PCT-Patentschrift Nr. WO 01/52356 A1 ist bereits eine andere Lösung bekannt. Das Mittel dafür ist ein Resonator, der aus mindestens zwei reflektierenden Flächen besteht, zwischen denen sich ein Feld stehender Wellen bildet, das über dem Querschnitt eine Gauß'sche Energieverteilung hat. Diese wird in den freien Raum abgestrahlt oder daher empfangen, indem mindestens einer der Reflektoren zu einem bestimmten Anteil durchlässig ist für elektromagnetische Wellen und die Antennenapertur bildet. Dafür sind Ausführungen bekannt, z. B. ein Satz geeignet dimensionierter dielektrischer Platten, metallische Gitterstrukturen oder Schichten auf dielektrischem Substrat. Weiterhin sind bekannte Mittel einzusetzen, die die elektromagnetische Energie in den Resonator hinein bzw. heraus bringen, z. B. eine Koppelöffnung an einer Speiseleitung oder Hornstrahler oder Plenarantennen in Verbindung mit einem teildurchlässigen Reflektor.From PCT patent no. WO 01/52356 A1 already another solution is known. The means for this is a resonator, which consists of at least two reflective surfaces, between which a field of standing waves is formed, which has a Gaussian energy distribution over the cross section. This is radiated into the free space or therefore received by at least one of the reflectors to a certain extent is permeable to electromagnetic waves and forms the antenna aperture. For designs are known, for. B. a set of appropriately sized dielectric plates, metallic lattice structures or layers on a dielectric substrate. Furthermore, known means are to be used, which bring the electromagnetic energy into or out of the resonator, for. B. a coupling opening on a feed line or horn or Plenarantennen in conjunction with a partially transparent reflector.

Die genannte Patentschrift offenbart einen Resonator, der aus einem massiven, planparallelen, teildurchlässig beschichteten Dielektrikum besteht und der in dieser Form nicht abstimmbar, technologisch aufwändig und bezüglich Antennengewinn und Richtwirkung nicht optimal ist.The said patent discloses a resonator consisting of a massive, plane-parallel, partially transparent coated dielectric exists and in this form not tunable, technologically complex and in terms of Antenna gain and directivity is not optimal.

Es sind weitere quasioptische Antennen bekannt, die aber das geforderte Hauptmerkmal, eine Gauß'sche Strahlungsmode, nicht aufweisen.It are more quasi-optical antennas known, but the required Main feature, a Gaussian radiation mode, do not have.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Resonatorantenne zu schaffen, die in ihren Leistungsparametern optimiert, technologisch handhabbar und einer breiten Anwendung zugänglich ist.task the present invention is to provide a resonator antenna, optimized in their performance parameters, technologically manageable and a wide application accessible is.

Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen demonstriert und erläutert werden:The Invention will be demonstrated below on some embodiments and explain:

1 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Antenne, bestehend aus dem Reflektor 1 und dem teildurchlässigen Reflektor 2, der die Antennenapertur bildet, dem Koppelloch 3 zum Hohlleiter 4 und einem reflektierenden Mantel 5 mit einem Kragen 9. 1 shows a preferred embodiment of the antenna, consisting of the reflector 1 and the partially transmissive reflector 2 forming the antenna aperture, the coupling hole 3 to the waveguide 4 and a reflective coat 5 with a collar 9 ,

Der Resonator wird zweckmäßig halbsphärisch gestaltet, d. h. Reflektor 1 ist eine Kugelkalotte aus Justage- und Feldstabilitätsgründen, Reflektor 2 ist eben, zur Anpassung der Wellen im Resonator an die Wellenstruktur des freien Raumes. Der Spiegelabstand soll wegen der Feldstabilitätskriterien etwas größer oder kleiner sein als der halbe Krümmungsradius von Spiegel 1, und er muß wegen der Resonanzbedingung auf Vielfache der halben Betriebswellenlänge eingestellt werden. Weiterhin läßt sich nach den Gesetzen der Gauß'schen Strahlmoden die Ausleuchtung (Belegung) der Antennenapertur einstellen. Mit größerem Krümmungsradius des sphärischen Spiegels 1 und größerem Spiegelabstand wachst die wirksame Antennenfläche und damit der Gewinn. Dabei genügen die Flächen zweckmäßig der Bedingung: Spiegelradius² = 2 × Spiegelabstand × Wellenlänge, weil dann innere Resonatorverluste und verbleibende Beugungsverluste ein optimales Verhältnis haben. Der Spiegelradius kann verkleinert werden zugunsten des Flächenwirkungsgrades und zu Lasten der Richtwirkung, umgekehrt ist es bei Vergrößerung des Spiegelradius.The resonator is expediently designed hemispherical, ie reflector 1 is a spherical cap for adjustment and field stability reasons, reflector 2 is just to adapt the waves in the resonator to the wave structure of free space. Due to the field stability criteria, the mirror spacing should be slightly larger or smaller than half the radius of curvature of the mirror 1 , and it must be set to multiples of half the operating wavelength because of the resonance condition. Furthermore, according to the laws of the Gaussian beam modes, the illumination (occupancy) of the antenna aperture can be adjusted. With larger radius of curvature of the spherical mirror 1 and larger mirror spacing grows the effective antenna surface and thus the profit. The surfaces suitably satisfy the condition: mirror radius ² = 2 × mirror distance × wavelength, because then inner resonator losses and remaining diffraction losses have an optimal ratio. The mirror radius can be reduced in favor of the area efficiency and at the expense of directivity, conversely, it is the magnification of the mirror radius.

Wesentlich für eine Antenne ist die vollständige Energieübertragung zwischen dem freien Raum und dem Generator bzw. dem Empfänger, die Anpassung. Die Bedingungen für einen reflexionsfreien Eingang und Ausgang des beschriebenen Resonators sind weiter unten genannt in Patentanspruch 3.Essential for an antenna is the complete energy transfer between the free space and the generator or receiver, the adaptation. The conditions for a reflection-free input and output of the described resonator are mentioned below in claim 3.

Jedes der o. g. Mittel zur Übertragung elektromagnetischer Energie hat allgemein eine Strahlungscharakteristik, die der Gauß-Mode im Resonator nicht angepaßt ist. Der entstehende Energieverlust infolge Streuung, Beugung und seitlicher Abstrahlung wird durch Rückreflexion vom Mantel 5 in den Resonatorraum vermindert.Each of the above means for transmitting electromagnetic energy generally has a radiation characteristic that is not matched to the Gaussian mode in the resonator. The resulting energy loss due to scattering, diffraction and lateral radiation is reflected back from the mantle 5 reduced in the Resonatorraum.

Der teildurchlässige Reflektor 2 hat als strahlende oder empfangende Antennenapertur den Energieaustausch zwischen dem äußeren homogenen transversal-elektromagnetischen Wellenfeld mit ebenen Phasenfronten und dem Gauß'schen Feld im Resonator zu gewährleisten. Das ist aber vollständig nur bei gleichen Feldstrukturen möglich. Phasengleichheit läßt sich, wie bekannt, dadurch herstellen, daß der teildurchlässige Reflektor eben und in der Strahltaille des Resonatorfeldes angeordnet ist. Weiter ist bei einem sphärischen Reflektor die Phasengleichheit durch Kollimierung mit einer auf- oder vorgesetzten Linse zu erreichen. Es bleiben aber die inhomogen Gauß'sche Intensitätsverteilung und damit keine Amplitudengleichheit von äußerem und innerem Feld. Das bedeutet beugungsbedingte Divergenz bei der Ausstrahlung und unvollständige Einkopplung in die Resonatormode beim Empfang. Auch der Flächenwirkungsgrad der Antenne ist nicht optimal. Das kann verbessert werden, wenn die Gauß'sche Energieverteilung beim Austritt aus dem Resonator homogenisiert wird.The partially transparent reflector 2 has as a radiating or receiving antenna aperture to ensure the energy exchange between the outer homogeneous transverse electromagnetic wave field with flat phase fronts and the Gaussian field in the resonator. But this is completely possible only with the same field structures. Phase equality can be, as known, produced by the fact that the partially transparent reflector is arranged flat and in the beam waist of the Resonatorfeldes. Further, in a spherical reflector, the phase balance can be achieved by collimation with an up or superior lens. However, the inhomogeneous Gaussian intensity distribution and thus no amplitude equality of the outer and inner field remain. This means diffraction-related divergence in the broadcast and incomplete coupling into the resonator mode when receiving. Also, the area efficiency of the antenna is not optimal. This can be improved if the Gaussian energy distribution is homogenized on exit from the resonator.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der teildurchlässige Reflektor ein inhomogen verteiltes Reflexionsvermögen, nach einer Gauß-Funktion, über seiner Fläche aufweist. Das hat zusätzlich den Vorteil, daß höhere Transversalmoden nicht schwingungsfähig sind.The Task is solved by that the partially transparent reflector an inhomogeneously distributed reflectivity, after a Gaussian function, over its area having. This has in addition the advantage that higher transverse modes not capable of oscillation are.

Die effektive Vergrößerung des Strahldurchmessers durch Homogenisierung bewirkt zwar eine verringerte beugungsbedingte Strahldivergenz, es bleiben aber geringe Beugung und Überstrahlung am Reflektorrand. Diese können durch einen reflektierenden Kragen 9 vermindert werden. Dieser wird zweckmäßig als Fortsetzung des Mantels 5 und als Fassung des Reflektors 2 ausgebildet.Although the effective enlargement of the beam diameter by homogenization causes a reduced diffraction-induced beam divergence, but there remains little diffraction and overradiation at the reflector edge. These can be through a reflective collar 9 be reduced. This is useful as a continuation of the coat 5 and as a version of the reflector 2 educated.

2 zeigt eine Ausführung der Richtantenne mit einer Planarantenne 7 zur Einstrahlung in den Resonator über den teildurchlässigen Reflektor 2.1 und Abstrahlung über den sphärisch gekrümmten, teildurchlässigen Reflektor 2 mit aufgesetzter Linse 6 zur Kollimierung (Phasenanpassung). 2 shows an embodiment of the directional antenna with a planar antenna 7 for irradiation in the resonator via the partially transparent reflector 2.1 and radiation through the spherically curved, partially transparent reflector 2 with attached lens 6 for collimation (phase adaptation).

3 zeigt die Ausführung einer Resonatorantenne, bestehend aus den Reflektoren 1, 1.1 und dem Strahlteiler 2. Die Speisung erfolgt über eine bekannte Primärantenne, z. B. ein Hornstrahler 8 mit Hohlleiter 4. Eine lineare Anordnung des Resonators ist auch möglich. 3 shows the embodiment of a resonator antenna, consisting of the reflectors 1 . 1.1 and the beam splitter 2 , The feeding takes place via a known primary antenna, z. B. a horn 8th with waveguide 4 , A linear arrangement of the resonator is also possible.

4 zeigt eine Anordnung von zwei Resonatoren, bestehend aus den Reflektoren 1 und 2.1 sowie 1.1, 2 und 2.1, die über den Strahlteiler 2 miteinander verkoppelt sind. Strahlungs- und Resonanzeigenschaften hängen von der Geometrie und von den Verlusten in der Anordnung und vom Reflexionsfaktor des Strahlteilers 2 ab. So gibt es z. B. wegen Zweistrahlinterferenz keine Abstrahlung über den Reflektor 2, wenn die Arme von 1 und 1.1 symmetrisch sind. Die Abstrahlung erfolgt dann über 2.1, sonst über 2. Die Resonanzen des Gesamtsystems liegen um so weiter auseinander je kleiner der Wegunterschied zwischen den Armen von 1 und 1.1 ist. Auch bei den verkoppelten Resonatoren ist eine lineare Anordnung mit zwei oder mehr hintereinander angeordneten, teildurchlässigen Reflektoren möglich, ebenso weitere Reflektoren in der Anordnung nach 4, z. B. am freien Ausgang von 2. Verkoppelte Resonatoren gestatten neben dem Abstimmverhalten auch die Bandbreite der Antenne zu beeinflussen. 4 shows an arrangement of two resonators, consisting of the reflectors 1 and 2.1 such as 1.1 . 2 and 2.1 passing over the beam splitter 2 are coupled together. Radiation and resonance properties depend on the geometry and losses in the array and on the reflection factor of the beam splitter 2 from. So there are z. B. because of two-beam interference no radiation over the reflector 2 when the arms of 1 and 1.1 are symmetrical. The radiation is then over 2.1 , otherwise over 2 , The resonances of the entire system are the further apart the smaller the path difference between the arms of 1 and 1.1 is. Even with the coupled resonators, a linear arrangement with two or more successively arranged, partially transparent reflectors is possible, as well as further reflectors in the arrangement according to 4 , z. B. at the free exit of 2 , Coupled resonators allow not only the tuning behavior but also to influence the bandwidth of the antenna.

5 zeigt schematisch das Beispiel einer Integration der Resonatorantenne in einen Mikrowellengenerator, hier ein Magnetron 10. 5 schematically shows the example of an integration of the resonator antenna in a microwave generator, here a magnetron 10 ,

6 zeigt dasselbe für ein Empfangssystem, hier ein LNB 11. 6 shows the same for a receiving system, here an LNB 11 ,

11: Reflektor, auch SpiegelReflector, also mirrors
1.11.1: Reflektor, auch SpiegelReflector, also mirrors
22: teildurchlässiger Reflektor, auch Strahlteilersemitransparent reflector, also beam splitter
33: Koppellochcoupling hole
44: Hohlleiter, SpeiseleitungWaveguide, feeder
55: reflektierender Mantelreflective coat
66: Linselens
77: Planarantenne, Primärantenneplanar antenna primary antenna
88th: Hornstrahler, PrimärantenneHorn, primary antenna
99: reflektierender Kragenreflective collar
1010: Magnetronmagnetron
1111: LNBLNB

Claims

Directional antenna consisting of a resonator formed by two reflecting surfaces ( 1 . 2 ), one of which ( 2 ) is partially transmissive to electromagnetic waves and forms the aperture of the antenna, characterized in that the first surface ( 1 ) has the shape of a spherical cap with the diameter 2r and the radius of curvature R, the second, partially permeable reflect area ( 2 ) and is approximately at a distance of half the radius of curvature R in front of the first surface ( 1 ) is located.

Directional antenna according to Claim 1, characterized in that the resonator is of a reflective cylinder ( 5 ) is enclosed on the inside in front of the permeable surface of an absorbent ring ( 5.1 ) having.

Directional antenna according to Claims 1 and 2, characterized in that it is incorporated in a generator ( 9 ) or in a receiver ( 10 ) is integrated.

Directional antenna according to Claim 1, characterized in that a plurality of resonators has at least one permeable surface ( 2 ) are coupled together.