DE1947120A1 - Antenne zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen,insbesondere Mikrowellen - Google Patents

Description

Patentanwalt
Stuttgart-Peuerbach
Kurze Strasse 8

D.L. Thomas - 3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Antenne zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, insbesondere Mikrowellen

Die Erfindung betrifft eine Antenne zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, insbesondere Mikrowellen, mit einer Erregerquelle. Eine derartige Antenne kann jedoch auch zum Empfang von elektromagnetischen Wellen eingesetzt werden. Die Antenne nach der Erfindung ist nach Art einer geodätischen Linse aufgebaut, so wie es für den Mikrowellenbereich üblich ist.

Antennen mit Linsen sind in den verschiedensten Formen bekannt und werden in Verbindung mit festen und umlaufenden Mikrowellen-Antennen verwendet. Dabei hat sich gezeigt, daß die Verfahren der geometrischen Optik auf Antennen angewendet werden können, die im Mikrowellenbereich arbeiten und* bei denen die Wellenlänge genügend klein ist, um den Aufbau derartiger Einrichtungen in vernünftigen physikalischen Größenordnungen durchführen zu können.

Die bekannten Linsenantennen sind jedoch nicht so ausgelegt, daß damit der Ausstrahlungswinkel im vollen Azimutbereich von J56O° beliebig gewählt werden kann. Die neue Antenne bringt gerade in dieser Richtung eine neue Kombination zur Durchführung dieser Forderungen.

Ktz/(Vo)/Gr
17. Sept. I969

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Zum Stand der Technik wird auf die technischen Berichte: "Parallel Plate Optics For Rapid Scanning" von S.B. Meyers [journal of Applied Physics, Band 18, Seite 221 (1947)] und "Conflection Doublets" von G. Toraldo Dr. Prancia (Journal of The Optical Society of America, Band 45, August 1955, Seite 621) verwiesen.

Aus diesem Stand der Technik können insbesondere die für die Linsenantennen feststehenden Begriffe "Konfiguration", "Geodesic" und "Konflektion" mit ihren Bedeutungen entnommen werden.

Die neue Antenne bringt gegenüber den bekannten Antennen folgende Vorteile:

a) große individuelle Strahlerverstärkung (ungefähr 20 db),

b) extrem große Bandbreite (mindestens eine Oktave),

c) volle Ausnutzung des 360°-Azimut ohne Sperrung der Strahlungsöffnung,

d) verhältnismäßig gute Entkopplung zwischen den Strahlen,

e) große Leistungsfähigkeit und

f) kleine flache Bauweise für ebenen Einbau.

Wenn Mikrowellen gezwungen werden, sich innerhalb von gekrümmten, parallelen Platten oder Oberflächen fortzupflanzen, deren Krümmungsradius im Verhältnis zur Wellenlänge der Strahlen groß ist, dann findet die Portpflanzung nach den Gesetzen der geometrischen Optik statt. Die Strahlen wandern den "Geodesies" auf der Oberfläche zwischen diesen Platten oder Wänden entlang. Einrichtungen zur Fokussierung werden hier als "Konfiguration"-Linse bezeichnet.

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Wenn die Hauptoberfläche, an der die Wellen fortschreiten, aus zwei koaxialen Kegeln besteht, die an ihrer kreisförmigen Schnittstelle miteinander verbunden sind, dann kann die Anordnung wie eine dünne optische Linse betrachtet werden. Jeder Strahl, tier von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche gelangt, unterliegt einem abrupten Richtungswechsel an der Schnittlinie. Jeder Strahl unterliegt ei ner sogenannten "Konflektion¹¹. Daraus resultiert die Bezeichnung "Konflektions"-Linse. Nach dem Gesetz von Fermat ist dabei der Einfallswinkel gleich dem Konflektionswinkel.

Die vorliegende Erfindung erweitert die Anwendung der geometrischen Optik im Mikrowellenbereich, um Linsenantennen zu schaffen, die gleichzeitig mehrere individuelle Strahlen in vorgegebenen Winkeln innerhalb des vollen Azimutkreises abstrahlen können oder die kontinuierlich einen einzigen Strahl über den gesamten Azimutkreis oder einen beliebigen Ausschnitt dieses vollen Azimutkreises von 36O abstrahlen können.

Die Antenne für elektromagnetische Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, mit ein-r Erregerquelle, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwei konzentrische, leitende Zylinder eine Linse bilden, deren öffnung am einen Ende Energie von der Erregerquelle aufnimmt und deren Strahlungsöffnung am anderen Ende Energie abstrahlt.

Die so aufgebaute Linse verhält sich elektrisch bei allen Azimutwinkeln gleich, da sie in Bezug auf den Azimut. symmetrisch ausgebildet ist und die Linsenpararaeter so festgelegt sind, daß die Strahlungsöffnung nach Art einer Wanderwellenquelle in einer Richtung arbeitet, die dem

JO Einspeisepunkt diametral gegenüberliegt.

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Obgleich zwei Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Einspeiseeinrichtungen und verschiedenen geometrischen Linsenverhältnissen (axiale Länge zu Hauptradius h/R) beschrieben werden, hat es sich gezeigt, daß ein Wert h/R *** 1,05 die besten Ergebnisse bringt.

Die Form der Linse kann, wie an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele gezeigt ist* sehr weit variiert werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine einfache zylindrische Linse nach der Erfindung,

Fig. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Linse, nach Fig. 1,

Fig. j5 Querschnitte verschiedener Linsenanordnungen,

Fig. 4 eine modifizierte "Pillbox"-Linse mit drehbarer Einspeiseleitung und

Fig. 5 eine errechnete Kurvenschar, die die physikalischen Linsenabmessungen in Abhängigkeit von den Phasenverhältnissen über der halben Strahlungsöffnung zeigen.

An Hand der Fig. 1 wird der Grundmechanismus erläutert, nach dem die Fokussierung in der Linse nach der Erfindung erfolgt. Es wird eine stark vereinfachte Linse aus zwei koaxialen, leitenden zylindrischen Zellen gezeigt, die um eine senkrechte Achse 3 angeordnet und daher zur Verstellung des Strahles um J>60° abgestimmt sind.

Wenn man annimmt, daß die Speisespannungsquelle - durch die Speisung 6 dargestellt (über den Punkt 0 am Eingangsring) den Eingangsring 7 -zwisehen den leitenden Zylindern 1 und 2 speist, dann ergibt sich folgende Analyse:

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Auf Grund des symmetrischen Aufbaues sind die Weglängen OC und OD gleich. Die Weglänge OBB¹ entspricht entweder der Länge OC oder der Länge OD. Die Linie CD stellt daher eine Linie gleicher Phasenlage dar. Diese Bedingung führt zur Erzeugung eines Richtstrahles an der Pfeilposition 5* wenn sie nahezu über den größten Teil der Bogenöffnung eingehalten ist. Die Pfeile 8 und 9 verlaufen annähernd parallel zum Pfeil 5 und vervollständigen die Darstellung einer fortschreitenden Phasenfront der Energie, die den Richtstrahl in dieser Richtung bildet.

Der mathematische Ausdruck, der die Differenz der Weglänge von Punkt 0 zu jedem beliebigen Punkt auf der Sehne der symmetrischen Halböffnung angibt, ist wie folgt gegeben: = Jr (1 - cos B) +hj - \h^d + ROJ

Auf ein normalisiertes /R-Verhältnis gebracht, gilt:

2 -i ^1/2

2) i/R = [(I - COS0) + |] - [(§) +B²J

In diesen Gleichungen bedeutet & die Weglänge (differentiell) als Funktion von 6 , die als Bogen entlang der öffnung zu beiden Seiten des Ausgangspunktes B des mittleren Strahles gemessen wird.

Die Konstanten h und R sind durch die physikalischen Dimensionen der Linse selbst gegeben. Die relative Phasenverteilung über der öffnung ist eine verhältnismäßig einfache Punktion des Verhältnisses § der Linse, wobei R der Hauptradius und h die axiale Länge 1st.

Die Kurvenschar nach Fig. 5 zeigt die berechneten Funktionen des normalisierten Paktors $ /R als Punktion von sin

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Diese Werte ergeben sich aus den Gleichungen 1) und 2), wobei der Wert sin 0 die Projektion des öffnungsbogens· auf die einheitliche Wellenfrontlinie CD (Fig. l) wiedergibt.

Aus der Pig. 5 kann der öffnungsbogen ermittelt werden, der in eine vorbestimmte Toleranz des Phasenfehlers fällt. Wenn für £ /R z.B. ΐ 0,005 als ausreichender Bereich angesehen wird, dann erstreckt sich bei einem Verhältnis h/R von

CktC

0,95 der öffnungsbogen auf ungefähr sin 0.62. In der Praxis wird die punktförmige Erregung der Linse offensichtlich nicht erreicht und demzufolge schwanken die experimentellen Werte von h/r etwas.

Das experimentell ermittelte Optimum für das Verhältnis h/R liegt etwa bei 1,05 bei einem Ausführungsbeispiel mit Hornerregung.

Bei dem einfachen Linsenaufbau nach Fig. 1 treten über der Öffnung Phasenfehler auf. Ohne die Verwendung einer komplizierteren oder kompensierten Linsenanordnung läßt sich über die gesamte Öffnung keine perfekte Phasenverteilung erreichen. Die Wirkung der Phasenabweichungen entlang der Linie CD (Fig. l) ist verwandt mit den sphärischen Abweichungen in der Optik.

Die waagerechte Achse K liegt in der Ebene des Öffnungsringes und die Hauptstrahlachse 5 1st gegenüber dieser waagerechten Achse 4 um 15° nach unten geneigt. In den meisten Ausführungsbeispielen verläuft dieser Winkel des Hauptstrahles ziemlich nahe zur waagerechten Ebene, V&e analytisch bev/iesen werden kann.

Das Antennensystem nach der Erfindung ist extrem breitbandig in seinem Frequenzbereich, z.B. über mehr als eine Oktave, jjO so wie es für eine Einrichtung erwartet wird, die nach optischen Gesichtspunkten ausgelegt ist.

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Die Leistung der Antenne hängt im wesentlichen von der Leistung der Wellenleitungsspeisung ab. Die Antenne kann als Ganzes so ausgebildet werden, wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt wird*.

Pig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei fest angebrachten Speiseleitungen in der flOrm der Hohlleiter 10 und 11, die in die Hörner 12 und 13 aufgefächert sind. Diese Hörner richten die Energie nach unten, wobei individuell entsprechende Strahlen erzeugt werden. Das Horn 13 ist teilweise weggeschnitten dargestellt, so daß es die Konstruktion in Einzelheiten erkennen läßt. Der Ausschnitt der Oberflächen 1 und 2 ist in gleicher Weise gewählt, um die Beziehungen zwischen den Hörnern und den konischen Oberflächen der Linse eindeutig zu zeigen. Die Endflansche ■ I^ und 15 der Hörner sind einstückig mit den Linsenwandlungen 2 und 1 an den Kanten 16 und 17 verbunden. Eine derartige Verbindung kann durch Hart- oder Weichlötung hergestellt werden, wobei besonders auf gute elektrische Leitfälligkeit zu achten ist. Dar Eingangsring der Linse kann an den Stellen 18, an denen keine Speisung erfolgt, offen oder durch ein nichtmetallisches Material verschlossen sein. Die ringförmige Scheibe 19 erstreckt sich nur über den üffnungsring. Die leitende Platte 42 in der Bodenmitte der Linse stellt einen Staubschutz dar und dient auch als Grundplatte.

Auch der Eingangsring kann zwischen den genannten Speisepunkten durch ein absorbierendes Material 41 abgedeckt werden. Ist das Linsensystem an der Öffnung gut abgeglichen, dann wird keine merkliche Leistung zu den Speisepunkten reflektiert und die gesamte Antennencharalcteristik ändert sich nur unwesentlich, wenn der genannte Eingangsring offen oder geschlossen ist. Aus denselben Gründen ist auch die von einem Speisepunkt zu einem anderen Speisepunkt reflektierte Leistung minimal, und die Trennung zwischen den Eingängen ist ausgezeichnet.

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An Hand der Fig. J>&. bis 3f werden im Querschnitt einige Ausführungsbeispiele von Linsen gezeigt. Diese Querschnitte erhält man, wenn man eine Schnittebene durch die senkrechte Achse der Linse legt. Die Fig. 3a bis 3f stellen daher die Schnittlinien zwischen den Linsenoberflächen und dieser Schnittebene dar. Die Eingangs- und Ausgangspfeile stellen die Speisepunkte und die Richtung des Hauptstrahles gemäß Fig. 1 dar. ♦

Diese Linsenausführungen nach Fig. 3 haben jeweils eine ' besondere Anwendbarkeit. Alle Linsen weisen eine verbesserte Phasenkorrektur auf, d. h. sie vergrößern den öffnungsbogeji, über den der Phasenfehler minimal ist. In einigen Fällen sind die"Pillbox"-Ausführung nach Fig. 3a und die modifizierte "Pillbox"-Ausführung nach Fig. 3b erwünscht, da aus physikalischen Gründen das Verhältnis h/R klein gehalten werden muß. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3c bis 3f sind zur Veränderung des Grades der Phasenfehlerreduzierung geeignet und bieten die Möglichkeit, die Einspeiseanordnung verschieden auszubilden. Die tatsächlichen Phasenverhältnisse über dem öffnungshalbbolgen sind bei allen diesen Ausführungsbeispielen durch die geometrische Analyse gegeben und führen zu ähnlichen Gleichungen. Die sogenannte "coke bottle"-Linse nach Fig. 3f ergibt den größten öffnungsbogen, über den eine ausreichende Phasengleichheit erreicht werden kann.

Dies rührt daher, da der konvexe Mittelabschnitt so gestaltet werden kann, daß über einen größeren öffnungsbogen die individuellen Strahlenwege annähernd gleich eingestellt werden können.

An Hand der Fig. 4 wird eine Linse nach der Erfindung gezeigt, die eine modifizierte "Pillbox"-Form und eine einzige verstellbare Einspeisung aufweist. Die Ansicht nach Fig. 4 ist im Teilschnitt und läßt die Verhältnisse an dem Speiseeihgang zum Linseneingang 27 erkennen. Die Linse besteht

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bei dieser Anordnung aus den Wänden 20 und 23, sowie den ■' Eck- und Lippenabschnitten 21 und 22 als den Außenwänden. ■ Die Innenwände der Linse werden durch die Abschnitte 24, 25 und 37 gebildet. Bei 26 wird ein Öffnungsring gebildet. In Abweichung zu Pig. 2 stellt in Pig. 4 die öffnung einen Abschnitt einer zylindrischen Ebene dar.

In Abhängigkeit vom Leistungspegel und den Interferenzüberlegungen kann ein Drosselpunkt 27 erwünscht sein, obgleich dies für die Erreichfcung der Antennencharakteristik nicht nötig ist.

Das Horn 28 wird durch Aufweitung des Hohlleiterendes 34 erhalten, das wiederum ein Teil des Hohlleiterabschnittes ist. In diesem Abschnitt ist bei 36 eine Drehverbindung für Radiowellen, die die Energie der Radiowellen von 40 nach und umgekehrt leitet. Es sind an sich bekannte Drehverbindungen einsetzbar, die eine koaxiale Übertragungsleitung in einen drehbaren Hohlleiter 35 umsetzen.

Am Hohlleiter 35 ist ein Zahnkranz 38 befestigt, der mit diesem gedreht wird. Über das Antriebsrad 3I wird die Anordnung angetrieben, und über das Antriebsrad 32 wird eine Synchroneinrichtung mitgedreht, über die eine Winkelinformation abgegriffen werden kann, die den Winkel des Strahles für eine Kathodenstrahlröhre oder eine andere Anzeigeeinrichtung angibt. An der Nabe 39 sind ein· Metallschild 29 und eine Platte 30, die Radiowellen absorbiert, befestigt, die sich mit dem Horn 28 drehen..Der Schild 29 stellt eine Abschirmwand zwischen dem Linseneingang und dem Linsenausgang dar. Die absorbierende Platte 30 reduziert die Nebenzipfel und verschiedene andere Sekundärerscheinungen.

-⁵⁰ Die Bedeutung der Pig. 5 wurde bereits in Verbindung mit der Pig. I erläutert.

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Bei der Entwicklung eines Antennensystems nach der Erfindung für einen bestimmten Anwendungsfall sind auch [ noch andere Faktioren von Bedeutung. Einer dieser Faktoren ist der Einfluß der Erregerquelle auf das Ausgangssignal, die Nebenzipfelhöhe usw. Die Qualität des abgegebenen Signals ist sehr stark abhängig von der Amplitudenverteilung über der öffnung. Diese Amplitude ist wiederum abhängig von der Art der Quelle, die die Linse erregt. Bei der vorausgegangenen Beschreibung wurde die Quelle nicht berücksichtigt, wenn die mathematischen Definitionen für die öffnung aufgestellt wurden. Es kann entweder ein isotropischer Strahler oder ein Richtstrahler verwendet werden. Das Strahlungsdiagramm ist jedoch von der Wahl der Quelle geprägt, da die Linse nach Art eines Reflektorantennensystems arbeitet. Dies bedeutet, daß eine Quelle mit kleiner Richtwirkung zu einer kleineren Randausleuchtung mit kleinerer Richtverstärkung und kleineren Nebenzipfeln führt.

Glücklicherweise kann die sphärische Abweichung, die den einfacheren Linsenanordnungen eigen ist, durch eine auslaufende Randausleuchtung mit minimalem Leistungsverlust klein gehalten werden. Die Anwendung von Quellen mit größerer Richtwirkung führt zu einer Beschneidung dieser Ausleuchtung.

Das Antennensystem nach der Erfindung kann sowohl für den TEol-Mode als auch für den koaxialen TEM-Mode eingesetzt werden. Bei dem TEOl-Mode (das elektrische Feld parallel zu den leitenden Wänden) wird die Ausstrahlung von waagrecht polarisierter,Energie von der ringförmigen Strahlungsöffnung * erreicht. Eine derartige Betriebsweise engt die Bandbreite ein, so daß der Abstand Cl der parallelen Platten zwischen ■Λ/2 und Jv liegen muß.

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Bei dem TEM-Mode wird die Ausstrahlung von senkrecht polarisierter Energie erreicht, was eine viel größere Bandbreite zuläßt. Die Bedingung für den Plattenabstand ist: Q<dS-^/2. Diese Bedingung kann auf 0<ci^A ausgedehnt werden, wie Veröffentlichungen über die Energieausbreitung zwischen zwei parallelen Platten zeigen. Bei dem TEM-Mode hängt jedoch die Bandbreite mehr von den Einschränkungen der Quelle oder anderen Komponenten'ab.

Wenn die Linse mit dem breitbandigen TEM-Mode betrieben wird, dann kann sie mit einem einfachen rechteckförmigen, an den Enden offenen Hohlleiter erregt werden/ wenn die Bandbreite nicht übermäßig groß sein muß. Der" an den Enden offene Hohlleiter kann in ein H-förmiges Horn umgewandelt werden, so wie es aus Gründen der Nebenzipfelhöhe, der Widerstandsanpassung usw. erforderlich ist.

Die Parallelplattenlinse hat kleinere Verluste und kleinere Feldstärken als eine Hohlleitereinspeisung. Der Wirkungsgrad der Linse übersteigt daher den Wirkungsgrad des Speisehohlleiters in den Spitzen- und Durchschnittswerten. Es ist daher durchaus möglich, mehrere Speiseleitungen gleichzeitig mit ihrer maximalen Speiseleitung anzukoppeln, ohne die Linsenanordnung zu überlasten.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer einfachen geometrischen Linse nach der Erfindung wurde ein Stehwellenverhältnis von 1,55 bis 1 ermittelt und zwar über einen Frequenzbereich von 8,2 bis 12,4 GHz.

Typische X-Ausstrahlungsdiagramme zeigten eine Halbwertsbreite in der Strahlweite, die von 10° bei 7 GHz bis auf 7° bei 12 GHz variiert. Bei der Verwendung eines an den Enden offenen Hohlleiters als Speiseleitung wurde eine Nebenzipfel-

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höhe von - 13 db gemessen. Die Verstärkung lag bei dieser Ausführung bei 22,5 db.

11 Patentansprüche
5 Bl. Zeichnungen, 5 Pig-

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Claims (11)

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   Patentansprüche

   Antenne zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, mit einer Erregerquelle, dadurch gekennzeichnet, daß zwei konzentrische, leitende Zylinder eine Linse bilden, deren öffnung am einen Ende Energie von der Erregerquelle aufnimmt und deren Strahlungsöffnung am anderen Ende Energie abstrahlt.
2. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder im wesentlichen gleiche axiale Länge aufweisen.
3. 3. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Zylinder über die gesamte Länge konstant ist.
4. 4. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerquelle über einen Hohlleiter mit der Eingangsöffnung der Linse gekoppelt ist.
5. 5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspeisepunkt in einer vorgegebenen waagerechten Winkelstellung zum Azimutwinkel des abgestrahlten Richtstrahles liegt.
6. 6. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 5 j dadurch gekennzeichnet, daß der durch Speiseleitungen nicht belegte Teil der Eingangsöffnung der Linse durch absorbierendes Material abgedeckt ist,

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   17.Sept.1969

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7. 7. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Eingangsöffnung mehrere Erregerquellen angekoppelt sind.
8. 8. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der axialen Länge zum Radius des inneren Zylinders etwa auf 1,05 festgelegt ist, so daß die Strahlungs Öffnung dieser Linse nach Art einer WänderwellenquelIe in einer Richtung arbeitet, die dem Einspeisepunkt diametral gegenüberliegt.
9. 9. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Zylinder in der Ebene der Strahlungsöffnung durch eine leitende Grundplatte verschlossen ist.
10. 10. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung z.B. ein Hohlleiter, mechanisch über den Umfang der Eingangsöffnung verstellbar ist und daß über eine Synchroneinrichtung ein die Stellung der Speiseleitung anzeigendes Signal ableitbar ist.
11. 11. Antenne nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder aus Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen.

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