DE10257370B3

DE10257370B3 - Reflexionsoptimierte Antennenverkleidungen

Info

Publication number: DE10257370B3
Application number: DE2002157370
Authority: DE
Inventors: Torsten Fus; Hans-Klaus Neske
Original assignee: Fuß Torsten Dr
Current assignee: Fuß Torsten Dr
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-12-05

Abstract

Beschrieben werden dielektrische Strukturen zur Herstellung von Verkleidungen für Antennen im Mikrowellenbereich, die die elektrischen Eigenschaften der verkleideten Antennen möglichst wenig beeinflussen. DOLLAR A Die neuen reflexionsoptimierten Antennenverkleidungen besitzen eine mehrschichtige, vorzugsweise dreischichtige dielektrische Querschnittsstruktur, die aus einer Kernschicht und zwei oder mehreren, symmetrisch zum Kern angeordneten Deckschichten bestehen, wobei DOLLAR A - die Schichtdicken des Kerns d¶K¶ DOLLAR I1 0,5 n È lambda¶0¶ ¶Kern¶ und DOLLAR A der Deckschichten d¶D¶ DOLLAR I2 0,25 È lambda¶0¶ ¶Deckschicht¶ betragen, DOLLAR A - der Kern die größte und die zum Kern symmetrischen Deckschichten gleiche relative Dielektrizitätskonstanten haben und die relativen Dielektrizitätskonstanten der jeweils äußeren Deckschichten kleiner als die der benachbarten inneren Deckschichten sind und DOLLAR A die Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten aus der Dielektrizitätskonstanten des Kerns abgeleitet sind.

Description

Die Erfindung betrifft dielektrische Strukturen zur Herstellung von Verkleidungen für Antennen im Mikrowellenbereich, die die elektrischen Eigenschaften der verkleideten Antennen möglichst wenig beeinflussen. Eine geringe Beeinflussung bedeutet, dass die elektromagnetische Strahlung die Antennenverkleidung möglichst verlustarm und reflexionsfrei durchdringen kann, d.h. die Antennenverkleidung muss im Frequenzband der verkleideten Antenne eine möglichst kleine Übertragungsdämpfung und eine möglichst hohe Reflexionsdämpfung besitzen.
Für Antennenverkleidungen im Mikrowellenbereich werden einschichtige oder mehrschichtige dielektrische Strukturen verwendet.
Werden die Querschnittstrukturen der Verkleidungen so gewählt, dass sich die Reflexionen an den Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Dielektrika weitestgehend kompensieren, dann ist die Übertragungsdämpfung klein und die Reflexionsdämpfung groß. Diese Kompensation ist frequenzabhängig.
Reflexionen an Antennenverkleidungen erhöhen nicht nur die Dämpfung des eigenen Funkfeldes sondern können auch Störungen anderer Funkverbindungen verursachen. Darum sind Antennenverkleidungen mit möglichst hoher und möglichst breitbandiger Reflexionsdämpfung anzustreben.
Bei einer einschichtigen Struktur treten Reflexionen an den Grenzflächen Luft/Dielektrikum und Dielektrikum/Luft auf. Diese kompensieren sich weitgehend, wenn die Schichtdicke etwa gleich der halben Wellenlänge der Funkwelle in der dielektrischen Schicht oder ein Vielfaches davon beträgt. dSchicht ≈ 0,5n·λSchicht mit n = 1, 2, 3 ...
Sind einschichtige Strukturen auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften nicht einsetzbar, dann müssen mehrschichtige, meist dreischichtige Strukturen verwendet werden.
Bei allen bekannten Querschnittsstrukturen, die nach elektrischen Gesichtspunkten gewählt wurden, wird die dadurch erreichbare Übertragungsdämpfung dargestellt, über die dazugehörige Reflexionsdämpfung aber nicht berichtet. Darum steht dieser Gesichtspunkt im Vordergrund der folgenden Darstellungen.

In DE 298 16 114.1 U1 wird eine dreischichtige Antennenverkleidung für Richtfunkantennen mit symmetrischer Querschnittsstruktur beschrieben, die im wesentlichen aufgebaut ist aus zwei gleichen, elektrisch dünnen dielektrischen Deckschichten

– der Dicke d_D < 0,2·λ_Deckschicht und
– einem Kern aus Schaumstoff der Dicke dk ≈ (0,5n + 0,1)·λ_Kern mit n = 1, 2, 3 ....

Die Kerndicke d_k ist so gewählt, dass sich die Reflexionen an den beiden Deckschichten gegenseitig kompensieren.

Die zugehörige 1 zeigt an einem charakteristischen Beispiel die bei dieser Struktur auftretende Reflexionsdämpfung a_R in Abhängigkeit von der Frequenz f.

Bei der Bandmittenfrequenz f₀ hat die Reflexionsdämpfung ein Maximum von a_R max ≈ 27 dB. Im Frequenzband von f₀ ± 1 GHz, d.h. innerhalb der Bandbreite von 2 GHz, wird die Reflexionsdämpfung schnell kleiner und beträgt an den Bandgrenzen nur noch a_R ≈ 10 dB. Außerhalb dieses Frequenzbandes erreicht sie Minima, die bei ca. 3 dB liegen.

Im DE 299 01 104.6 U1 wird eine dreischichtige Antennenverkleidung mit symmetrischer Querschnittsstruktur folgenden Aufbaus beschrieben

– zwei gleiche, elektrisch dicke dielektrische Deckschichten der Dicken d_D und
– ein Kern aus Schaumstoff der Dicke d_K.

Die Deckschichtdicken betragen d_D ≈ 0,5n·λ_Deckschicht mit n = 1, 2, 3 .... Bei dieser Dicke kompensieren sich die Reflexionen an den Grenzflächen jeder Deckschicht selbst. Die Kerndicke kann daher im wesentlichen nach mechanischen Gesichtspunkten gewählt werden.

2 zeigt an einem charakteristischen Beispiel die bei dieser Struktur auftretende Reflexionsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Bei der Bandmittenfrequenz f₀ beträgt die Reflexionsdämpfung 29 dB, im Frequenzband von f₀ ± 1 GHz, d.h. innerhalb einer Bandbreite von 2 GHz ist sie ≥ 22 dB, sinkt dann aber sehr schnell bis auf 9 dB. Innerhalb der Bandbreite von 11 GHz (ca. f₀ ± 5,5 GHz) ist die Reflexionsdämpfung ≥ 9 dB.

In DE 199 02 511 C2 wird eine dreischichtige Antennenverkleidung mit unsymmetrischer Querschnittsstruktur beschrieben, die aus

– einer elektrisch dicken Deckschicht der Dicke d_D1 ≈ 0,5·λ_Deckschicht,
– einer elektrisch dünnen Deckschicht der Dicke d_D2 < 0,2·λ_Deckschicht und
– einem Kern aus Schaumstoff besteht, dessen Dicke d_K im wesentlichen nach mechanischen Gesichtspunkten gewählt werden kann.

Die zugehörige 3 zeigt an einem Beispiel die bei dieser Dimensionierung auftretende Reflexionsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz.

In Bandmitte beträgt die Reflexionsdämpfung 14 dB, im Frequenzband von f₀ ± 1 GHz, d.h. innerhalb einer Bandbreite von 2 GHz, ist sie ≥ 10 dB, sinkt bis auf 7 dB, steigt dann aber wieder an. Im Frequenzband von f₀ ± 6 GHz, d.h. in einer Bandbreite von 12 GHz, beträgt die Reflexionsdämpfung a_R ≥ 7 dB.

Aus US 3,310,807 ist eine Lösung zur Übertragungsdämpfung elektromagnetischer Wellen durch ein Plasma bekannt. Eine Plasmaschicht auf der Flugzeugoberfläche erhöht die Übertragungsdämpfung von Radomen, hinter denen sich im Flugzeuginneren Antennen befinden. Die Übertragungsdämpfung wird hauptsächlich durch die elektrischen Eigenschaften der Plasmaschicht geprägt.

Mit der hier beschriebenen Vorrichtung wird das Ziel verfolgt, in einer Plasmaschicht ein permanentes magnetisches Feld zu schaffen, um damit die Übertragungsdämpfung der Plasmaschicht für elektromagnetische Wellen zu verringern. Die Vorrichtung besteht dabei aus einer Verkleidung, deren Kernstück eine magnetisierte Ferritschicht zur Erzeugung eines permanenten magnetischen Feldes im Plasma ist. Davon ausgehend beinhalten alle Lösungsvarianten magnetisierte Ferritschichten.

Beim Einsatz einer Ferritschicht entstehen an den Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien Reflexionen, die ebenfalls zu einer Erhöhung der Übertragungsdämpfung beitragen. Deshalb enthalten die beschriebenen Lösungsvarianten auch Mittel, um diese Reflexionen zu verringern. Um Reflexionen elektromagnetischer Wellen an den Grenzflächen Plasma/Ferrit im Außenraum und Ferrit/Luft im Innenraum zu verringern, werden unter anderem auch die transformierenden Eigenschaften von dielektrischen λ/4-Schichten ausgenutzt.

Zusammenfassend ergibt sich, dass bei allen bekannten Querschnittsstrukturen nur selektiv hohe Reflexionsdämpfungen auftreten. Die Bandbreite hoher Reflexionsdämpfung ist sehr gering und liegt im Bereich von ca. 2 GHz.

Zwischen ausgeprägten schmalen Maxima liegen breite Minima der Reflexionsdämpfung.

Dieser Nachteil aller bekannten Strukturen für Antennenverkleidungen soll durch die erfindungsgemäße Lösung beseitigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Querschnittsstruktur vorzuschlagen, bei der in einem möglichst großen Frequenzband eine möglichst große Reflexionsdämpfung erreicht und damit die Übertragungsbandbreite von Verkleidungen, in der die elektrischen Eigenschaften der verkleideten Antennen möglichst wenig beeinflusst werden, vergrößert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Als erfindungsgemäße Lösung werden Verkleidungen vorgeschlagen, die nur aus dielektrischen Schichten bestehen. Kernstück ist eine dielektrische λ/2-Schicht, die beiderseits symmetrisch mit λ/4-Schichten mit unterschiedlichen, von der Amplitudenbedingung transformierender λ/4-Schichten abweichenden Feldwellenwiderständen versehen ist. Auf beiden Seiten der Verkleidung ist das Medium Luft.

Nach der Konzeption der Erfindung wird die Lösung dieser Aufgabe durch eine mehrschichtige Querschnittsstruktur erreicht, die aus einer Kernschicht und aus mindestens zwei gleichen Deckschichten besteht, bei der die Dicken des Kerns und der Deckschichten durch die Mittenfrequenz f₀ = c/λ₀ bestimmt werden, die relative Dielektrizitätskonstante der Kernschicht größer als die relativen Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten ist εr Kern > εr Deckschichten und bei der die relativen Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten von der relativen Dielektrizitätskonstanten des Kerns abhängig sind.

Bei einer dreischichtigen Querschnittsstruktur gilt

– für die Dicken: Kerndicke d_K ≈ 0,5n·λ_0
Kern Deckschichtdicken d_D ≈ 0,25·λ_{0
Deckschicht} und
– für die relativen Dielektrizitätskonstanten: (εr Kern)0,33 < εr Deckschicht ≤ (εr Kern)0,5

Bei einer fünfschichtigen Querschnittsstruktur gilt

– für die Dicken: Kerndicke d_K ≈ 0,5·λ_0
Kern Dicken der inneren Deckschichten d_D-innen ≈ 0,25·λ_{0
Deckschicht-innen} Dicken der äußeren Deckschichten d_D-außen ≈ 0,25·λ_{0
Deckschicht-außen} und
– für die relativen Dielektrizitätskonstanten: (εr Kern)0,5 < εr Deckschicht-innen < (εr Kern)0,75 und (εr Kern)0,2 < εr Deckschicht-außen ≤ (εr Kern)0,25

Die Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten liegen in definierten Wertebereichen, die nach oben

– bei dreischichtigen Strukturen durch ε_{r-Deckschicht} = (ε_r-kern)^0.5 und
– bei fünfschichtigen Strukturen durch ε_{r-Deckschicht-innen} = (ε_r-Kern)^0,75 und ε_{r-Deckschicht-außen} = (ε_r-Kern)^0,25 begrenzt sind.

Als wesentliche Vorteile der erfinderischen Lösung sind zu nennen:

– Große Reflexionsdämpfungen in einem großen Frequenzbereich; Erhöhung der Übertragungsbandbreite.
– Möglichkeit, durch Wahl der relativen Dielektrizitätskonstanten innerhalb der angegebenen Bereiche die Querschnittsstruktur den spezifischen Forderungen zwischen großer Reflexionsdämpfung in einem kleineren Frequenzband oder kleinerer Reflexionsdämpfung in einem größeren Frequenzband anzupassen.
– Universell einsetzbar für Verkleidungen von Antennen in unterschiedlichen Frequenzbändern, z.B. bei Richtfunksammlern mit Richtfunkantennen im 18-, 23-, 26- und 38 GHz-Band.

Dieses ist besonders dann vorteilhaft, wenn zu Beginn der Festnetzplanung noch nicht alle Richtfunkverbindungen bekannt sind, da dann auch bei einer späteren Erweiterung der Antennenkonfiguration elektrisch optimale Bedingungen vorliegen, die jetzt nur mit Veränderungen der Antennenverkleidungen erreichbar sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Vorher zeigen die 1 bis 3 die Frequenzabhängigkeit der Reflexionsdämpfung einer Funkwelle durch dreischichtige Strukturen, so wie sie im einleitenden Stand der Technik erläutert wurden:
1 Frequenzabhängigkeit der Reflexionsdämpfung einer Funkwelle durch eine dreischichtige Struktur mit zwei gleichen, elektrisch dünnen Deckschichten, optimiert für die Bandmittenfrequenz 26 GHz bei senkrechtem Einfall;
2 Frequenzabhängigkeit der Reflexionsdämpfung einer Funkwelle durch eine dreischichtige Struktur mit zwei gleichen, elektrisch dicken Deckschichten, optimiert für die Bandmittenfrequenz 26 GHz bei senkrechtem Einfall;
3 Frequenzabhängigkeit der Reflexionsdämpfung einer Funkwelle durch eine dreischichtige Struktur, mit einer elektrisch dicken und einer elektrisch dünnen Deckschicht, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz, bei senkrechtem Einfall.
Zur Demonstration der erfindungsgemäßen Lösung zeigen:
4 eine zweckmäßige Ausführungsform für eine dreischichtige Querschnittstruktur;
5 eine zweckmäßige Ausführungsform für eine fünfschichtige Querschnittstruktur;
6 die Frequenzabhängigkeit der Reflexionsdämpfung einer Funkwelle durch eine reflexionsoptimierte dreischichtige Struktur, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz, bei senkrechtem Einfall, εr Deckschicht ≈ (εr-Kern)0,46,
7 die Frequenzabhängigkeit der Übertragungsdämpfung einer Funkwelle durch eine reflexionsoptimierte dreischichtige Struktur, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz bei senkrechtem Einfall, εr Deckschicht ≈ (εr-Kern)0,46,
8 Frequenzabhängigkeit der Übertragungsdämpfung einer Funkwelle durch eine reflexionsoptimierte dreischichtige Struktur, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz bei senkrechtem Einfall, ε_{r Deckschicht} = (ε_r-Kern)^0,5 (obere Grenze des Bereiches für ε_{r
Deckschicht});
9 Frequenzabhängigkeit der Übertragungsdämpfung einer Funkwelle durch eine reflexionsoptimierte dreischichtige Struktur, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz bei senkrechtem Einfall, ε_{r Deckschicht} = (ε_r-Kern)^0,33 (untere Grenze des Bereiches für ε_{r
Deckschicht});
10 Frequenzabhängigkeit der Übertragungsdämpfung einer Funkwelle durch eine reflexionsoptimierte fünfschichtige Struktur, optimiert für die Mittenfrequenz f₀ = 26 GHz bei senkrechtem Einfall.
Jeweils eine zweckmäßige Ausführungsform der erfinderischen Lösung für eine dreischichtige sowie eine fünfschichtige Querschnittsstruktur zeigen die 4 und 5.
Bei einer gewählten Bandmittenfrequenz f₀ = 26 GHz wurde beispielhaft dimensioniert

– bei der dreischichtigen Querschnittsstruktur in 4 ε_r-Kern = 5,1; Verlustfaktor = 0,025; d_k = 2,6 mm ε_{r-Deckschicht} = 2,1; Verlustfaktor = 0,050; d_D = 2,0 mm
– bei der fünfschichtigen Querschnittsstruktur in 5 ε_r-Kern = 5,1; Verlustfaktor = 0,025; d_k = 2,6 mm ε_{r-Deckschicht-innen} = 2,9; Verlustfaktor = 0,050; d_D-innen = 1,7 mm ε_{r-Deckschicht-außen} = 1,5; Verlustfaktor = 0,050; d_D-außen = 2,4 mm

Die 6 und 7 zeigen an einem Beispiel die bei dieser Dimensionierung auftretenden Dämpfungen in Abhängigkeit von der Frequenz.
Die Reflexionsdämpfung ist sehr breitbandig, beträgt in Bandmitte 32 dB und ist im Frequenzband von ca. f₀ ± 9 GHz, d.h. innerhalb einer Bandbreite von ca. 18 GHz, a_R ≥ 20 dB.
Zum Vergleich zeigt 6 auch die Reflexionsdämpfung des Kerns ohne Beschichtung. Durch die Beschichtung wächst die maximale Reflexionsdämpfung um ca. 3 dB und die Bandbreite, in der die Reflexionsdämpfung mindestens 20 dB beträgt, wächst von ca. 2 GHz auf ca. 18 GHz!
7 zeigt den dazugehörigen Verlauf der Übertragungsdämpfung. Auf Grund der hohen Reflexionsdämpfung wird in diesem Frequenzband die Übertragungsdämpfung im wesentlichen nur durch die Verlustdämpfung bestimmt. Die Übertragungsdämpfung beträgt an der unteren Bandgrenze ca. 0,8 dB und wächst etwa frequenzlinear bis auf ca. 1,5 dB an der oberen Bandgrenze.
In der folgenden Tabelle 1 sind die Reflexionsdämpfungen a_R der bekannten Querschnittsstrukturen der Reflexionsdämpfung der erfindungsgemäßen Lösung gegenübergestellt.
Die Tabelle 1 zeigt, dass die Reflexionsdämpfung der erfindungsgemäßen dreischichtigen Struktur allen bekannten Strukturen bezüglich der erreichbaren Mindestdämpfung und der Bandbreite, in dem diese Mindestdämpfung auftritt, weit überlegen ist.
Alle Zahlenrechnungen wurden mit Parametern durchgeführt, die die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglicht. Bei anderen Parametern ergeben sich im Detail andere Zahlenwerte, die Relationen zwischen den Ergebnissen bleiben aber gleich.
Der Einfluss des Einfallswinkels ist bei allen betrachteten Strukturen qualitativ gleich. Darum erfolgten alle Rechnungen für senkrechten Einfall der Funkwelle.
Die 8 und 9 veranschaulichen das Verhalten der Reflexionsdämpfung der erfinderischen Lösung in Abhängigkeit von der Frequenz an der oberen und der unteren Grenze des Bereichs für ε_{r
Deckschicht} Charakteristische Werte sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengestellt; die Dielektrizitätskonstante ist im weiteren mit DK abgekürzt.
An der oberen Grenze des DK-Bereiches (8) hat die Reflexionsdämpfung a_R ein Maximum in Bandmitte und etwa frequenzsymmetrisch zur Bandmittenfrequenz auf jeder Seite ein Minimum und ein Maximum. Im Beispiel beträgt die Reflexionsdämpfung in Bandmitte ca. 31 dB und im Frequenzband von f₀ ± 10 GHz ≥ 17 dB.
Für ε_{r
Deckschicht} < (ε_r-Kern)^0,5 (z.B. 6) wird mit Verringerung von ε_{r Deckschicht} die Reflexionsdämpfung in den Minima größer, das Frequenzband, in dem die Reflexionsdämpfung den Minimalwert nicht überschreitet, aber kleiner.
An der unteren Grenze des DK-Bereiches (9) hat die Reflexionsdämpfung etwa in der Bandmitte ein Minimum, flankiert durch zwei Maxima. Außerhalb der Maxima sinkt die Reflexionsdämpfung monoton. Im Beispiel beträgt die Reflexionsdämpfung in der Bandmitte ca. 33 dB und im Frequenzband von f₀ ± 6 GHz ist a_R ≥ 20 dB.
10 zeigt ein Beispiel für eine reflexionsoptimierte fünfschichtige Querschnittstruktur.
In der folgenden Tabelle 3 sind charakteristische Kennwerte einer dreischichtigen und einer fünfschichtigen reflexionsoptimierten Querschnittsstruktur gegenübergestellt.
Der Vergleich zeigt, dass beim Übergang von einer dreischichtigen auf eine fünfschichtige reflexionsoptimierte Querschnittstruktur sowohl die Reflexionsdämpfungen a_R in den Minima als auch die dazugehörigen Bandbreiten wesentlich größer sind.

Claims

Reflexionsoptimierte Antennenverkleidung mit mehrschichtiger, vorzugsweise dreischichtiger dielektrischer Querschnittsstruktur, bestehend aus einer Kernschicht und zwei oder mehreren, symmetrisch zum Kern angeordneten Deckschichten, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Schichtdicken des Kerns d_K ≈ 0,5n·λ_0
Kern und der Deckschichten d_D ≈ 0,25·λ_{0
Deckschicht} betragen, b) der Kern die größte und die zum Kern symmetrischen Deckschichten gleiche relative Dielektrizitätskonstanten haben, die relativen Dielektrizitätskonstanten der jeweils äußeren Deckschichten kleiner als die der benachbarten inneren Deckschichten sind und c) die Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten in definierten Wertebereichen liegen, die nach oben – bei dreischichtigen Strukturen durch ε_{r-Deckschicht} = (ε_r-Kern)^0.5 und – bei fünfschichtigen Strukturen durch εr-Deckschicht-innen = (εr-Kern)0,75 und εr-Deckschicht-außen = (εr-Kern)0,25 begrenzt sind.
Reflexionsoptimierte Antennenverkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dreischichtigen Struktur die relativen Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten ε_{r Deckschicht} im Bereich (εr Kern)0,33 < εr Deckschicht ≤ (εr Kern)0,5 liegen.
Reflexionsoptimierte Antennenverkleidung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante der Deckschicht εr Deckschicht = (εr Kern )0,46 beträgt.
Reflexionsoptimierte Antennenverkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer fünfschichtigen Struktur die relativen Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten im Bereich (εr Kern)0,5 < εr Deckschicht-innen < (εr Kern)0,75 und (εr Kern)0,2 < εr Deckschicht-außen < (εr Kern)0,25 liegen.
Reflexionsoptimierte Antennenverkleidung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten εr Deckschicht-innen ≈ (εr Kern)0,65 und εr Deckschicht-außen ≈ (εr Kern)0,25 betragen.