DE19848722A1 - Mikrowellen-Reflektorantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflektorantenne für polari­ sierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler, einem für Mi­ krowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Sub­ reflektor und einem Hauptreflektor zur gebündelten Refle­ xion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation gemäß Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Eine solche Antenne ist bereits aus "Antenna Engineering Handbook"; 2^nd Edition; Editors: R.C. Johnson, H. Jasik (McGraw-Hill, New York, 1961) Seiten 17-28 bis 17-30 bekannt.

Eine Ausführungsform der bekannten Antenne ist in Fig. 6 gezeigt. Mit dem im Bereich des Hauptreflektors 3 angeord­ neten und auf den Subreflektor 2 gerichteten Primärstrahler 1 wird eine sich kugelförmig ausbreitende Mikrowelle mit einer bestimmten Polarisation erzeugt. Der Subreflektor 2 hat die Eigenschaft eines Polarisationsfilters und ist so angeordnet, daß er Wellen mit dieser Polarisation reflek­ tiert. Die Welle gelangt somit zu dem Hauptreflektor 3, an dem sie erneut reflektiert und dabei in ihrer Polarisa­ tionsrichtung in der Weise gedreht wird (Twistreflektor), daß sie nun ungehindert durch den Subreflektor 2 hindurch­ treten kann. Das sich von einer solchen Antenne ausbreiten­ de Feld wird nicht durch Speiseleitungen, Primärstrahler, Subreflektor oder ähnliches behindert, wie es bei anderen, nicht auf eine Polarisationsrichtung beschränkten Reflek­ torantennen der Fall ist.

Die Bündelung erfolgt dabei dadurch, daß der Hauptreflektor 3 zur Umwandlung der Kugelwelle in eine ebene Welle einen metallischen Reflektor mit einer parabolischen Form auf­ weist. Alternativ dazu kann die Bündelung gemäß der WO 95/18980 auch mit einer Mikrowellenlinse erfolgen, die vor oder hinter dem Subreflektor 2 angeordnet ist.

Mikrowellenantennen dieser Art haben jedoch verschiedene Nachteile. Wenn zur Bündelung ein parabolischer Reflektor verwendet wird, besteht die Schwierigkeit, den Twistreflek­ tor an die parabolische Form anzupassen, ohne dadurch die Drehung der Polarisationsrichtung oder die Eigenschaften des Parabolreflektors zu beeinträchtigen. An die mechani­ sche Fertigung einer solchen Antenne müssen deshalb im Hin­ blick auf die Genauigkeit und die zulässigen Toleranzen be­ sondere Anforderungen gestellt werden, was zu erheblichen Kostennachteilen führt.

Auch der Einsatz einer Mikrowellenlinse anstelle eines Pa­ rabolreflektors kann hier nur geringfügig Abhilfe schaffen, da auch die Fertigung von Linsen relativ aufwendig ist und diese gegenüber Reflektoren andere Nachteile aufweisen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mi­ krowellenantenne für polarisierte Mikrowellen zu schaffen, bei der der Aufwand für die mechanische Fertigung wesent­ lich geringer ist, ohne daß im Hinblick auf die Richtcha­ rakteristik wesentliche Einschränkungen in Kauf genommen werden müssen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Gelöst wird die Aufgabe mit einer Reflektorantenne der ein­ gangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß der Hauptreflektor aus einer Mehrzahl von in einer Ebene lie­ genden Dipolen mit zueinander parallelen Achsen gebildet ist, die einen Winkel von etwa 45° zu dem Vektor des ein­ fallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei die Dipole so bemessen sind, daß zwischen den reflektierten elektri­ schen Feldkomponenten parallel und senkrecht zu der jewei­ ligen Dipolachse eine Phasenverschiebung von 180° entsteht und daß ferner an jedem Dipol die Phase des resultierenden reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feld in der Weise verschoben ist, daß das von allen Dipolen erzeugte Gesamtfeld vorgegebene (z. B. ebene) Wellenfronten aufweist. Die Art der vorgegebe­ nen Wellenfronten richtet sich dabei nach den Erfordernis­ sen der jeweiligen Anwendungen. Neben Antennen mit Pencil- Beam-Charakteristik sind z. B. Antennen mit Fan-Beam- oder Cosecans-Charakteristik möglich oder Antennen mit mehreren Keulen.

Ein besonderer Vorteil der Lösung mit ebenen Wellenfronten besteht darin, daß die Vorteile einer gefalteten Reflektor­ antenne mit Polarisationsdrehung, nämlich eine geringe Tie­ fe der Antenne ohne Einschränkung der maximalen geometri­ schen Apertur, mit den Vorteilen der planaren Herstellungs­ technik, die in erster Linie in ihrem wesentlich geringeren technischen Aufwand liegen, verbunden werden.

Die Genauigkeit der Antenne bzw. die Charakteristik des An­ tennendiagramms wird durch die Anzahl und Dichte der Dipole bestimmt. Der Schwerpunkt des zur Herstellung erforderli­ chen Aufwands wird somit von der mechanischen Fertigung auf die Berechnung der einzelnen Dipole verlagert. Eine solche Berechnung kann mit entsprechenden Rechnerprogrammen durch­ geführt werden und fällt somit kostenmäßig nicht so stark ins Gewicht. Zur mechanischen Fertigung können fotolitogra­ phische o. ä. Verfahren angewandt werden, mit denen in be­ kannter Weise auch kleinste metallische Strukturen erzeugt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne ist der Hauptreflektor insbesondere durch eine dielektrische Platte mit niedrigem Verlustfaktor ge­ bildet, auf der sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die Dipole in Form von jeweils einer Me­ tallisierungsstruktur befinden, und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite eine durchgehen­ de Metallisierungsschicht aufgebracht ist.

Die Metallisierungsstrukturen haben vorzugsweise eine rechteckige Form, sie können jedoch z. B. auch die Form eines Kreuzes oder einer Scheibe aufweisen.

Der Subreflektor ist vorzugsweise ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters.

Der Subreflektor kann zusätzlich Metallisierungsstrukturen zur Strahlformung der von dem Primärstrahler und/oder dem Hauptreflektor ausgehenden Mikrowellen aufweisen.

Der Primärstrahler kann vorzugsweise eine Hornantenne oder eine Mikrostreifenleitungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede andere Antennenform, die den Reflektor in geeig­ neter Weise ausleuchtet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer be­ vorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine bevor­ zugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Re­ flektorantenne

Fig. 2 eine Darstellung der elektrischen Feldkomponenten an einem einzelnen Dipol der Reflektorantenne ge­ mäß Fig. 1

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Hauptreflektor der Reflek­ torantenne gemäß Fig. 1

Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der H- Ebene der Reflektorantenne gemäß Fig. 1

Fig. 5 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der E- Ebene der Reflektorantenne gemäß Fig. 1

Fig. 6 eine bekannte Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist einen Primärstrahler 1 auf, der auf einen Subreflektor 2 gerichtet ist. Der Subreflektor 2 hat die Eigenschaft eines Polarisationsfilters. Der Primärstrahler 1 liegt in der Ebene eines Hauptreflektors 3, der parallel zu dem Subre­ flektor 2 angeordnet ist und die Eigenschaft hat, daß er die Polarisationsebene einer einfallenden Welle um 90° ge­ dreht reflektiert und außerdem ihre Phase in der Weise ver­ zögert, daß die reflektierten Wellen insgesamt ebene Wel­ lenfronten bilden.

Die Antenne arbeitet in der Weise, daß der Primärstrahler 1 polarisierte Wellen erzeugt, die sich kugelförmig ausbrei­ ten und auf den Subreflektor 2 treffen. Die Polarisations­ ebene dieser Wellen und die Durchlaßrichtung des Subreflek­ tors 2 bilden einen Winkel von 90°, so daß die Wellen re­ flektiert werden und anschließend auf den Hauptreflektor 3 fallen.

Da der Hauptreflektor 3 die Wellen mit einer um 90° gedreh­ ten Polarisationsebene reflektiert, können die erneut re­ flektierten Wellen nun durch den Subreflektor 2 hindurch­ treten und weisen außerdem (hier im Beispiel) ebene Wellen­ fronten auf.

Der Primärstrahler 1 ist eine an sich bekannte Hornantenne, kann aber alternativ hierzu auch eine Mikrostreifenlei­ tungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede andere An­ tennenform, die den Reflektor in geeigneter Weise ausleuch­ tet.

Der Subreflektor 2 ist als Polarisationsfilter in Form eines Substrates 21 mit entsprechender Metallisierung 22 realisiert und ist relativ zu der Polarisationsachse des elektrischen Feldes des Primärstrahlers 1 so angeordnet, daß dieses Feld reflektiert wird.

Der Hauptreflektor 3 besteht aus einem planaren Dielektri­ kum 31 mit niedrigem Verlustfaktor, das auf der Rückseite (das heißt auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite) mit einer durchgehenden metallischen Schicht 32 ver­ sehen ist. Auf der Vorderseite des Dielektrikums 31 befin­ det sich eine Anordnung von einzelnen Metallisierungsstruk­ turen 33, die eine im wesentlichen rechteckige Grundform aufweisen, deren Abmessungen jedoch in Abhängigkeit von ih­ rem Ort auf dem Hauptreflektor 3 sehr unterschiedlich sind (vgl. hierzu auch Fig. 3). Die Strukturen 33 sind parallel zueinander ausgerichtet, wobei ihre Achse mit der Polarisa­ tionsrichtung des elektrischen Feldes einen Winkel von ty­ pischerweise 45° einschließt.

Eine dieser Metallisierungsstrukturen 33, die jeweils die Eigenschaft eines Dipols haben, ist mit den entsprechenden Feldkomponenten in Fig. 2 gezeigt. Das einfallende elek­ trische Feld E_in kann in einen Anteil E_yin parallel und einen Anteil E_xin senkrecht zur Achse der Metallisierungs­ struktur 33 zerlegt werden. Das an der Struktur reflektier­ te Feld E_aus setzt sich entsprechend aus einem Anteil E_yaus parallel und einem Anteil E_xaus senkrecht zu der Achse der Struktur 33 zusammen. Durch geeignete Wahl der Länge und Breite der Struktur kann nun erreicht werden, daß die An­ teile E_yaus und E_xaus einerseits eine Phasenverschiebung von 180° zueinander und andererseits eine zusätzliche glei­ che Phasenverschiebung Δ∅ gegenüber der einfallenden Welle E_in aufweisen.

Durch die Phasenverschiebung von 180° zwischen den Anteilen E_yaus und E_xaus an jeder Metallisierungsstruktur wird er­ reicht, daß die Polarisationsebene der reflektierten Welle um 90° gegenüber der Polarisationsebene der einfallenden Welle gedreht ist (vgl. Fig. 2). Die zusätzliche Phasen­ verschiebung Δ∅ wird in Abhängigkeit von den Koordinaten der einzelnen Metallisierungsstruktur auf dem Hauptreflek­ tor jeweils so gewählt, daß hier im Beispiel die an allen Strukturen reflektierten Wellen insgesamt eine ebene Wel­ lenfront aufweisen, d. h. gebündelt sind.

Zur Vereinfachung der Dimensionierung der einzelnen Metal­ lisierungsstrukturen geht man von einer periodischen Ge­ samtanordnung aus. In einem ersten Schritt errechnet man zunächst für eine ebene Welle, die auf eine periodische An­ ordnung dieser Strukturen einfällt, die alle eine bestimmte gewählte Länge und Breite aufweisen, die Phasen des Refle­ xionsfaktors für die Polarisation der Welle parallel sowie senkrecht zu der Achse der Strukturen. Es werden mehrere solche Datensätze für Anordnungen von Strukturen mit je­ weils anderen Längen und Breiten ermittelt.

Zu der Dimensionierung des Hauptreflektors erhält dann in einem zweiten Schritt eine Struktur an einem bestimmten Ort des Hauptreflektors diejenigen Abmessungen, bei denen die entsprechende gemessene Anordnung aus gleichen Strukturen eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den beiden Kompo­ nenten E_yaus und E_xaus des reflektierten elektrischen Fel­ des (das heißt also eine Drehung der Polarisationsebene des reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der des einfal­ lenden elektrischen Feldes von 90°) und zusätzlich eine für die Bündelung der Gesamtwelle erforderliche Phasenverschie­ bung Δ∅ zeigte.

Die rechnerische Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den Abmessungen der Strukturen und der Phase des Reflexionsfak­ tors kann zum Beispiel mit Hilfe eines feldtheoretischen Verfahrens erfolgen. Hierfür eignet sich besonders das Spektralbereichsverfahren. In der Luft und im Dielektrikum werden Entwicklungen für die Feldstärken angesetzt, deren Koeffizienten durch die Rand- bzw. Stetigkeitsbedingungen auf den Metall- bzw. den dielektrischen Oberflächen ermit­ telt werden können. Im einzelnen sei hierzu auf die Ausfüh­ rungen in "Numerical Techniques for Microwave and Millime­ ter-Wave Passive Structures" von Tatsuo Itho, John Wiley & Sons, 1989, insbesondere die Seiten 334 ff, verwiesen.

Da eine periodische Anordnung der Strukturen nur eine An­ näherung an die tatsächlichen Verhältnisse darstellt, kann eine Optimierung durch eine Berechnung der Gesamtanordnung erfolgen.

Für regelmäßige Strukturen aus Rechtecken, Kreuzen, Schei­ ben und ähnlichem können Ganzbereichsfunktionen für die Entwicklung der unbekannten Stromdichteverteilungen in be­ kannten Basisfunktionen verwendet werden. Mit Hilfe des an sich bekannten Galerkinverfahrens (vgl. z. B. den zuvor ge­ nannten Artikel von T. Itho et al.) können dann die Koeffi­ zienten der Basisfunktionen bestimmt werden. Durch eine Überlagerung der Felder, die durch die berechneten Strom­ dichteverteilungen erregt werden, mit den Feldern, die durch Streuung der einfallenden Wellen an den Dielektrika errechnet werden, lassen sich präzise Aussagen über das Streuverhalten der Anordnung aus metallischen Strukturen und Dielektrika machen. Aus der Kenntnis des Zusammenhangs zwischen den geometrischen Abmessungen und dem daraus fol­ genden Streuverhalten lassen sich dann Designregeln für die Herstellung des Hauptreflektors ermittelt. Hierzu wird auf die Ausführungen in "Proceedings of APMC I", Seiten 225 bis 227 vom Dezember 1997 mit dem Titel "Full Wave Analysis of a Planar Reflektor Antenna" von D. Pilz und W. Menzel ver­ wiesen.

Für eine beispielhaft realisierte Antenne mit einer Mitten­ frequenz von 20 GHz ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Anordnung von Metallisierungsstrukturen 33 auf dem planaren Dielektrikum 31. Die Anordnung weist insgesamt 364 recht­ eckige Strukturen auf, deren Mittelpunkte ein Gitter mit einer Maschenweite von 6 × 6 mm bilden. Die Abmessungen der Strukturen variieren in Abhängigkeit von den oben erläuter­ ten Phasenbedingungen im Bereich zwischen 1 mm und 5,8 mm.

Als Subreflektor dient für diese Antenne ein Polarisations­ filter mit Leiterbahnen mit einer Breite von 120 µm und einem Abstand von 600 µm, die sich auf einem Substrat mit einer Höhe von 254 µm und einer Dielektrizitätszahl von 2,5 befinden. Der Subreflektor hat dabei einen Abstand von 45 mm von dem Hauptreflektor. Der Durchmesser der Antenne be­ trägt 150 mm.

Fig. 4 zeigt für diese Antenne das gemessene Fernfelddia­ gramm in der H-Ebene, während in Fig. 5 das Fernfelddia­ gramm in der E-Ebene darstellt ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Subreflektor 2 zusätzlich eine strahlformende Eigenschaft haben. Dies kann dadurch erreicht werden, daß bei einer einschichtigen Struktur die Innenseite des Polarisations­ gitters, oder bei einer mehrschichtigen Struktur andere La­ gen weitere Metallisierungsstrukturen erhalten. Dadurch ist zum Beispiel eine zusätzliche Bündelung möglich, durch die die Brennweite bzw. die Tiefe der Antenne weiter vermindert wird.

Ferner ist denkbar, daß die Antenne so gestaltet wird, daß der Hauptreflektor die Eigenschaft besitzt, Wellenfronten zu erzeugen, die zu einem Fernfelddiagramm führen, das nicht den größten Gewinn besitzt, sondern z. B. als Fern­ feldcharakteristik einen sogenannten Fan-Beam oder eine sogenannte Cosecans-Form oder auch mehrere Keulen besitzt.

Claims (12)

1. Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler, einem für Mikrowellen einer gewünschten Po­ larisation durchlässigen Subreflektor und einem Hauptre­ flektor zur gebündelten Reflexion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (3) eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen (33) mit zueinander parallelen Achsen aufweist, die einen Winkel von etwa 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufwei­ sen, wobei die Dipole (33) so bemessen sind, daß zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschie­ bung von 180° entsteht und daß ferner an jedem Dipol (33) die Phase des reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feld in der Weise verschoben ist, daß das von allen Dipolen (33) erzeugte Ge­ samtfeld vorgegebene Wellenfronten aufweist.

2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die vorgegebenen Wellenfronten ebene Wellenfronten sind.

3. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (3) eine di­ elektrische Platte (31) mit niedrigem Verlustfaktor auf­ weist, auf der sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die Dipole in Form von jeweils einer Me­ tallisierungsstruktur (33) befinden und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite eine durchgehen­ de Metallisierungsschicht (32) aufgebracht ist.

4. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils eine rechteckige Form aufweisen.

5. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils die Form eines Kreuzes aufweisen.

6. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils die Form einer Scheibe aufweisen.

7. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters (21) ist.

8. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) weitere Me­ tallisierungsstrukturen zur Strahlformung der von dem Pri­ märstrahler (1) und/oder dem Hauptreflektor (3) ausgehenden Mikrowellen aufweist.

9. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (1) eine Horn­ antenne ist.

10. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (1) eine Mi­ krostreifenleitungsantenne ist.

11. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 10, insbesondere für eine Mittenfrequenz von etwa 20 GHz, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor 360 bis 380, vorzugsweise 364 rechteckige Metallisierungsstrukturen auf­ weist, deren Mittelpunkte ein Gitter mit einer Maschenweite von etwa 6 × 6 mm bilden und daß der Subreflektor Leiter­ bahnen mit einer Breite von etwa 120 µm und einem Abstand von etwa 600 µm auf einem Substrat mit einer Dicke von etwa 254 µm und einer Dielektrizitätszahl von etwa 2,5 aufweist.

12. Reflektorantenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchmesser der Antenne etwa 150 mm und der Abstand zwischen dem Hauptreflektor und dem Subreflektor etwa 45 mm beträgt.