DE19600609A1 - Polarisator zur Umwandlung von einer linear polarisierten Welle in eine zirkular polarisierte Welle oder in eine linear polarisierte Welle mit gedrehter Polarisation und umgekehrt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polarisator zur Um­ wandlung von einer linear polarisierten Welle in eine zir­ kular polarisierte Welle (oder umgekehrt) oder in eine li­ near polarisierte Welle mit um 90° oder zumindest annähernd um 90° gedrehter Polarisation (oder umgekehrt) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine zirkulare Polarisation dient in der mobilen Funkkom­ munikation, z. B. bei Frequenzen im Mikrowellenbereich, zur Reduzierung von Intersymbol-Interferenzen. Die störenden, an Objekten reflektierten Signale Werden in der Regel durch Verwendung einer zirkularen Polarisation stärker ge­ dämpft, da sich durch die Reflexion die Polarisation än­ dert. Besonders stark ausgeprägt ist der Effekt bei senk­ rechtem Einfall einer zirkular polarisierten Welle auf einen ebenen Reflektor. Die reflektierte Welle behält zwar die Drehrichtung bei, kehrt aber die Ausbreitungsrichtung um, so daß z. B. aus einer rechtszirkular polarisierten Wel­ le eine linkszirkular polarisierte Welle wird. Eine für rechtszirkulare Polarisation ausgelegte Antenne kann des­ halb das reflektierte Signal nicht empfangen, so daß im Empfänger das störende Signal nicht erscheint.

Zirkulare Polarisation kann durch die Überlagerung von zwei zeitlich und räumlich um 90° gedrehten Wellen erzeugt wer­ den. Man erreicht dieses z. B. durch polarisationsabhängige Phasengeschwindigkeiten unterschiedlicher Moden in einem Hohlleiter, deren Erzeugung mit hohem konstruktivem Aufwand verbunden ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Polarisator der eingangs genannten Art zu schaffen, der möglichst ein­ fach im Aufbau ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben; die Unteran­ sprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung erzeugt die zeitliche und räumli­ che Drehung durch die polarisationsabhängige Reflexion an einer planaren Struktur, dem planaren Polarisator, der eine dielektrische Leiterplatte aufweist, die auf der Rückseite eine durchgehende Metallisierung trägt und auf der Vorder­ seite eine Vielzahl von kurzen, parallel ausgerichteten Leiterbahnstrukturen aufweist. Mit dieser Anordnung wird eine einfallende, linear polarisierte ebene Welle in eine zirkular polarisierte Welle umgewandelt (und umgekehrt) oder - bei entsprechender Dimensionierung - die Polarisa­ tion einer einfallenden, linear polarisierten Welle um 90° gedreht.

Im Hinblick auf diese beiden prinzipiellen Möglichkeiten der Polarisationswandlung bzw. -drehung nach der Erfindung sind bezüglich der Dimensionierung folgende Überlegungen zu beachten:
Eine linear polarisierte Welle mit einer Polarisationsrich­ tung, die um 45° gegenüber einer der Achsen der Leiterbah­ nen gedreht ist, läßt sich in zwei zueinander orthogonale Komponenten jeweils parallel zu den Achsen der Leiterbahnen zerlegen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der Leiterbahnen werden diese Komponenten mit unterschiedlichem Phasenwinkel reflektiert. Beträgt der Phasenunterschied ge­ rade +90° oder -90°, so addieren sich die reflektierten Komponenten der Welle zu einer zirkular polarisierten Wel­ le; beträgt der Phasenunterschied 180°, so wird die räumli­ che Polarisationsrichtung der auslaufenden Welle unter Bei­ behaltung linearer Polarisation um 90° gedreht. Aufgrund der Reziprozität ist dieser Vorgang natürlich umkehrbar; insbesondere wird im ersten Fall eine einfallende, zirkular polarisierte Welle in eine reflektierte, linear polarisier­ te Welle umgewandelt.

Die beiden Fälle (linear-zirkular bzw. linear-linear mit 90° räumlicher Drehung) unterscheiden sich in der Dimensio­ nierung der planaren Struktur nur durch eine entsprechende Modifikation der Geometrie der Leiterbahnen bzw. der Sub­ stratdicke.

Der erfindungsgemäße Polarisator zeichnet sich vor allem durch seinen einfachen Aufbau aus; er kann kostengünstig hergestellt werden und ist vor allem für die automatische Serienfertigung geeignet.

Im folgenden wird die Erfindung für einen speziellen Fall der Wandlung von linearer in zirkulare Polarisation anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert, die eine bevorzugte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Polarisators zeigen, und zwar einmal in der Draufsicht von vorn (Fig. 1) und einmal von der Seite und in perspektivischer Darstellung unter zwei unterschiedlichen Blickwinkeln (Fig. 2).

Der Polarisator besteht gemäß Fig. 1 aus einer dielektri­ schen Leiterplatte 1 mit niedrigem Verlustfaktor, die auf der Rückseite 11 eine durchgehende Metallisierung 2 trägt. Auf der Vorderseite 10 befinden sich bezüglich einer Achse symmetrische und zueinander parallel ausgerichtete metal­ lische Leiterbahnstrukturen 3. Die Leiterplatte 1 ist so ausgerichtet (Fig. 2), daß die Richtung der einfallenden Welle 4 mit der Senkrechten auf der Leiterplatte 1 einen Winkel von etwa 45° bildet, und daß gleichzeitig die Pro­ jektionen der Längsachse 30 der Leiterbahnstrukturen 3 auf die Ebene der Wellenfront mit der Richtung der elektrischen Feldstärke 40 ebenfalls einen Winkel von etwa 45° bilden. Die Leiterbahnstrukturen 3 haben in Längsachsrichtung und senkrecht dazu eine unterschiedliche Ausdehnung bzw. Geo­ metrie. In Frage kommen z. B. Ellipsen oder Kreuze (mit un­ terschiedlichen Schenkellängen), am vorteilhaftesten jedoch sind - wie in den Figuren gezeigt - rechteckförmige Leiter­ bahnstrukturen.

Die einfallende elektromagnetische Welle 4 wird durch die Kombination der metallischen Leiterbahnstrukturen 3 mit dem dielektrischen Substrat der Leiterplatte 1 und der Rücksei­ tenmetallisierung 2 in eine vorwiegend zirkular polarisier­ te Welle 5 umgewandelt. Selbstverständlich kann in der Um­ kehrung des Strahlungsweges mit dieser Anordnung auch eine zirkular polarisierte Welle durch Reflexion an dem Polari­ sator in eine linear polarisierte Welle umgewandelt werden.

Einer der wesentlichen Vorteile dieser Anordnung gegenüber bekannten (z. B. mit einem Gitter im Abstand von einer ach­ tel Wellenlänge) besteht darin, daß die Polarisationswand­ lung durch geeignete Wahl der Metallisierungsstruktur auch in erheblichem Maß unabhängig von der Dicke des Substrats als Träger der Metallisierungsstruktur gewählt werden kann.

Eine optimale Dimensionierung der metallischen Leiterbahn­ strukturen 3 hinsichtlich Länge, Breite, Abstand sowie des Substrats 1 bezüglich seiner Dicke und seiner Material­ eigenschaften erfolgt aus feldtheoretischen Überlegungen. Hierbei werden in der Luft und im Dielektrikum an sich be­ kannte Entwicklungen für die Feldstärken angesetzt, deren Koeffizienten durch die Rand- bzw. Stetigkeitsbedingungen auf den Metall- bzw. dielektrischen Oberflächen ermittelt werden können.

Zum Beispiel betragen für eine Wandlung von linearer in zirkulare Polarisation bei einer Frequenz von 36 GHz und einem Substrat der Dicke 1,57 mm mit einer Permittivität von 2,33 die Abmessungen der Metallstreifen 2,33 mm × 0,9 mm. Die Mittenabstände sind 3,2 mm in Längsrichtung und Querrichtung.

Abweichungen von der Mittenfrequenz (36 GHz) um ±2 GHz er­ geben eine Depolarisation (Halbachsenverhältnis der Po­ larisationsellipse) von max 1 dB.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das darge­ stellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern viel­ mehr auf andere übertragbar ist. So ist es z. B. denkbar, metallische Leiterbahnstrukturen mit unterschiedlichen For­ men auf einem Substrat zu kombinieren, beispielsweise Rechtecke mit Kreuzen oder Ellipsen.

Die beschriebene Anordnung funktioniert natürlich nicht nur bei einem Winkel von 45° zwischen Einfallsrichtung der Welle und der Reflektorfläche, sondern auch in einem Be­ reich, der von 0° (senkrechter Einfall) bis weit über 45° hinaus reicht.

In ganz ähnlicher Weise und mit den gleichen vorteilhaften Eigenschaften ist durch geeignete modifizierte Dimensio­ nierung der planaren Struktur auch eine räumliche Drehung linearer Polarisation um 90° bzw. annähernd 90° möglich. Anwendungen solcher polarisationsdrehender Flächen sind z. B. in gefalteten Antennenanordnungen zur Verkürzung der Bautiefe beschrieben (vgl. hierzu z. B. WO 95/18980 oder "Principles and Applications of Millimeter-Wave Radar" von Currie/Brown, 1987, Artech House, Inc., Seiten 554/555 oder "Crash Avoidance FLR Sensors", Microwave Journal, Juli 1994, Seiten 122-126).

Claims (4)

1. Polarisator zur Umwandlung von einer linear polarisier­ ten Welle in eine zirkular polarisierte Welle (oder umge­ kehrt) oder in eine linear polarisierte Welle mit um 90° oder zumindest annähernd um 90° gedrehter Polarisation (oder umgekehrt), dadurch gekennzeichnet, daß eine dielek­ trische Leiterplatte (1) auf der Rückseite (11) eine durch­ gehende Metallisierung (2) trägt, und daß sich auf der Vor­ derseite (10) eine Vielzahl von kurzen, parallel ausgerich­ teten Leiterbahnstrukturen (3) befindet.

2. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale auf der Vorderseite (10) der Leiter­ platte (1) mit der Ausbreitungsrichtung der einfallenden, linear polarisierten elektromagnetischen Welle einen Winkel von 40° bis 50°, vorzugsweise 45° oder zumindest annähernd 45°, bildet.

3. Polarisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionen der Längsachsen der Leiterbahnstruk­ turen (3) auf die Ebene der Wellenfront mit der Richtung der elektrischen Feldstärke einen Winkel von 40° bis 50°, vorzugsweise 45° oder zumindest annähernd 45°, bilden.

4. Polarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnstrukturen (3) Rechtecke oder Ellipsen oder Kreuze mit unterschiedlichen Schenkellängen sind.