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Die
Erfindung betrifft eine Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen
mit einem Primärstrahler, einem
für Mikrowellen
einer gewünschten
Polarisation durchlässigen
Subreflektor und einem Hauptreflektor zur gebündelten Reflexion der Mikrowellen
mit einer in die gewünschte
Richtung gedrehten Polarisation gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Eine solche Antenne ist bereits aus ”Antenna Engineering Handbook”; 2nd Edition; Editors: R. C. Johnson, H. Jasik
(McGraw-Rill, New York, 1961) Seiten 17–28 bis 17–30 bekannt.
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Haupt,
R. L., ”Thinned
arrays using genetic algorithms”,
IEEE Transactions an Antennas and Propagation, July 1994, Bd. 42,
Nr. 7,993-999 beschreibt genetische Algorithmen zur Berechnung planarer
Reflektorarrays für
vorgegebene Wellenfronten. Weile, D. S; Michielssen, E., ”Genetic
algorithm optimization apllied to electromagnetics:a review”, IEEE
Transactions an Antennas and Propagation, März 1997, Bd. 45, Nr. 3,343–353 gibt
mit vielen weiteren Nachweisen nachfolgend einen Überblick über verschiedene
Anwendungen dieser genetischen Algorithmen für Antennendesign und zeigt
in 6 verschiedene Dipolelemente zur Optimierung der
reflektierten Wellen (RE RH) bei vorgegebene Einstrahlwellen (E
H). Speziell auf die Polarisationsvorgaben bei genetischen Algorithmen
für Dipolarrays
geht Vaskelainen, L. I., ”Iterative
least-squares synthesis methods for conformal array antennas with
optimized polarization and frequency properties”, IEEE Transactions an Antennas
and Propagation, July 1997, Bd. 45, Nr. 7,1179–1185 ein.
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Optimierungsberechnungen
für Twistreflektoren
mit Reflektoren nach
US
4,905,014 A und
US 4,228,437
A sind aus
12 in Hannan,
P., ”Microwaves
antennas derived from the cassegrain telescope”, IRE Transactions an Antennas
and Propagation, März
1961, Bd. 9, Nr. 2,140–153
bekannt.
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Eine
Ausführungsform
einer bekannten Antenne ist in 6 gezeigt.
Mit dem im Bereich des Hauptreflektors 3 angeordneten 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 reflektiert. Die Welle gelangt somit
zu dem Hauptreflektor 3, an dem sie erneut reflektiert
und dabei in ihrer Polarisationsrichtung in der Weise gedreht wird (Twistreflektor),
daß sie
nun ungehindert durch den Subreflektor 2 hindurchtreten
kann. Das sich von einer solchen Antenne ausbreitende Feld wird
nicht durch Speiseleitungen, Primärstrahler, Subreflektor oder ähnliches
behindert, wie es bei anderen, nicht auf eine Polarisationsrichtung
beschränkten
Reflektorantennen der Fall ist.
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Die
Bündelung
erfolgt dabei dadurch, daß der
Hauptreflektor
3 zur Umwandlung der Kugelwelle in eine
ebene Welle einen metallischen Reflektor mit einer parabolischen
Form aufweist. Alternativ dazu kann die Bündelung gemäß der
WO 95/18980 A1 auch mit
einer Mikrowellenlinse erfolgen, die vor oder hinter dem Subreflektor
2 angeordnet
ist.
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Mikrowellenantennen
dieser Art haben jedoch verschiedene Nachteile. Wenn zur Bündelung ein
parabolischer Reflektor verwendet wird, besteht die Schwierigkeit,
den Twistreflektor an die parabolische Form anzupassen, ohne dadurch
die Drehung der Polarisationsrichtung oder die Eigenschaften des Parabolreflektors
zu beeinträchtigen.
An die mechanische Fertigung einer solchen Antenne müssen deshalb
im Hinblick auf die Genauigkeit und die zulässigen Toleranzen besondere
Anforderungen gestellt werden, was zu erheblichen Kostennachteilen
führt.
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Auch
der Einsatz einer Mikrowellenlinse anstelle eines Parabolreflektors
kann hier nur geringfügig
Abhilfe schaffen, da auch die Fertigung von Linsen relativ aufwendig
ist und diese gegenüber
Reflektoren andere Nachteile aufweisen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenantenne
für polarisierte
Mikrowellen zu schaffen, bei der der Aufwand für die mechanische Fertigung
wesentlich geringer ist, ohne dass im Hinblick auf die Richtcharakteristik
wesentliche Einschränkungen
in Kauf genommen werden müssen.
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Die
erfindungsgemässe
Lösung
dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.
Die weiteren Ansprüche
enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Gelöst wird
die Aufgabe mit einer Reflektorantenne der eingangs genannten Art,
die sich dadurch auszeichnet, dass der Hauptreflektor aus einer Mehrzahl
von in einer Ebene liegenden Dipolen mit zueinander parallelen Achsen
gebildet ist, die einen Winkel von etwa 45 DEG zu dem Vektor des
einfallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei die Dipole so
bemessen sind, dass zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten
parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschiebung
von 180 DEG 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,
nämlich
ebene Wellenfronten aufweist. Die Art der vorgegebenen Wellenfronten
richtet sich dabei nach den Erfordernissen 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.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung mit
ebenen Wellenfronten besteht darin, dass die Vorteile einer gefalteten
Reflektor antenne mit Polarisationsdrehung, nämlich eine geringe Tiefe der
Antenne ohne Einschränkung
der maximalen geometrischen Apertur, mit den Vorteilen der planaren
Herstellungstechnik, die in erster Linie in ihrem wesentlich geringeren
technischen Aufwand liegen, verbunden werden.
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Die
Genauigkeit der Antenne bzw. die Charakteristik des Antennendiagramms
wird durch die Anzahl und Dichte der Dipole bestimmt. Der Schwerpunkt
des zur Herstellung erforderlichen Aufwands wird somit von der mechanischen
Fertigung auf die Berechnung der einzelnen Dipole verlagert. Eine
solche Berechnung kann mit entsprechenden Rechnerprogrammen durchgeführt werden
und fällt
somit kostenmässig
nicht so stark ins Gewicht. Zur mechanischen Fertigung können fotolitographische
o. ä. Verfahren
angewandt werden, mit denen in bekannter Weise auch kleinste metallische
Strukturen erzeugt werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemässen
Reflektorantenne ist der Hauptreflektor insbesondere durch eine
dielektrische Platte mit niedrigem Verlustfaktor gebildet, auf der
sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die
Dipole in Form von jeweils einer Metallisierungsstruktur befinden,
und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite
eine durchgehende Metallisierungsschicht aufgebracht ist.
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Der
Subreflektor ist erfindungsgemäß ein Substrat
mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters.
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Der
Primärstrahler
kann vorzugsweise eine Hornantenne oder eine Mikrostreifenleitungsantenne sein.
Denkbar ist jedoch auch jede andere Antennenform, die den Reflektor
in geeigneter Weise ausleuchtet.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand
der Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemässen
Reflektorantenne
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2 eine
Darstellung der elektrischen Feldkomponenten an einem einzelnen
Dipol der Reflektorantenne gemäss 1
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3 eine
Draufsicht auf den Hauptreflektor der Reflektorantenne gemäss 1
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4 ein
Diagramm des Verlaufs der Feldstärke
in der H-Ebene der Reflektorantenne gemäss 1
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5 ein
Diagramm des Verlaufs der Feldstärke
in der E-Ebene der Reflektorantenne gemäss 1
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6 eine
bekannte Reflektorantenne für polarisierte
Mikrowellen.
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Die
in 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
Subreflektor 2 angeordnet ist und die Eigenschaft hat,
daß er
die Polarisationsebene einer einfallenden Welle um 90° gedreht
reflektiert und außerdem
ihre Phase in der Weise verzögert, daß die reflektierten
Wellen insgesamt ebene Wellenfronten bilden.
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Die
Antenne arbeitet in der Weise, daß der Primärstrahler 1 polarisierte
Wellen erzeugt, die sich kugelförmig
ausbreiten und auf den Subreflektor 2 treffen. Die Polarisationsebene
dieser Wellen und die Durchlaßrichtung
des Subreflektors 2 bilden einen Winkel von 90°, so daß die Wellen
reflektiert werden und anschließend
auf den Hauptreflektor 3 fallen.
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Da
der Hauptreflektor 3 die Wellen mit einer um 90° gedrehten
Polarisationsebene reflektiert, können die erneut reflektierten
Wellen nun durch den Subreflektor 2 hindurchtreten und
weisen außerdem (hier
im Beispiel) ebene Wellenfronten auf.
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Der
Primärstrahler 1 ist
eine an sich bekannte Hornantenne, kann aber alternativ hierzu auch eine
Mikrostreifenleitungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede
andere Antennenform, die den Reflektor in geeigneter Weise ausleuchtet.
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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.
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Der
Hauptreflektor 3 besteht aus einem planaren Dielektrikum 31 mit
niedrigem Verlustfaktor, das auf der Rückseite (das heißt auf der
den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite) mit einer durchgehenden
metallischen Schicht 32 versehen ist. Auf der Vorderseite
des Dielektrikums 31 befindet sich eine Anordnung von einzelnen
Metallisierungsstrukturen 33, die eine im wesentlichen
rechteckige Grundform aufweisen, deren Abmessungen jedoch in Abhängigkeit
von ihrem Ort auf dem Hauptreflektor 3 sehr unterschiedlich
sind (vgl. hierzu auch 3). Die Strukturen 33 sind
parallel zueinander ausgerichtet, wobei ihre Achse mit der Polarisationsrichtung des
elektrischen Feldes einen Winkel von typischerweise 45° einschließt.
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Eine
dieser Metallisierungsstrukturen 33, die jeweils die Eigenschaft
eines Dipols haben, ist mit den entsprechenden Feldkomponenten in 2 gezeigt.
Das einfallende elektrische Feld Ein kann
in einen Anteil Eyin parallel und einen
Anteil Exin senkrecht zur Achse der Metallisierungsstruktur 33 zerlegt
werden. Das an der Struktur reflektierte Feld Eaus setzt sich
entsprechend aus einem Anteil Eyaus parallel
und einem Anteil Exaus senkrecht zu der
Achse der Struktur 33 zusammen. Durch geeignete Wahl der
Länge und
Breite der Struktur kann nun erreicht werden, daß die Anteile Eyaus und
Exaus einerseits eine Phasenverschiebung
von 180° zueinander
und andererseits eine zusätzliche
gleiche Phasenverschiebung 6,0 gegenüber der einfallenden Welle
Ein aufweisen.
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Durch
die Phasenverschiebung von 180° zwischen
den Anteilen Eyaus und Exaus an
jeder Metallisierungsstruktur wird erreicht, daß die Polarisationsebene der
reflektierten Welle um 90° gegenüber der Polarisationsebene
der einfallenden Welle gedreht ist (vgl. 2). Die
zusätzliche
Phasenverschiebung Δ⌀ wird
in Abhängigkeit
von den Koordinaten der einzelnen Metallisierungsstruktur auf dem
Hauptreflektor jeweils so gewählt,
daß hier
im Beispiel die an allen Strukturen reflektierten Wellen insgesamt
eine ebene Wellenfront aufweisen, d. h. gebündelt sind.
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Zur
Vereinfachung der Dimensionierung der einzelnen Metallisierungsstrukturen
geht man von einer periodischen Gesamtanordnung aus. In einem ersten
Schritt errechnet man zunächst
für eine
ebene Welle, die auf eine periodische Anordnung dieser Strukturen
einfällt,
die alle eine bestimmte gewählte Länge und
Breite aufweisen, die Phasen des Reflexionsfaktors für die Polarisation
der Welle parallel sowie senkrecht zu der Achse der Strukturen.
Es werden mehrere solche Datensätze
für Anordnungen von
Strukturen mit jeweils anderen Längen
und Breiten ermittelt.
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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 Komponenten Eyaus und Exaus des reflektierten elektrischen Feldes
(das heißt
also eine Drehung der Polarisationsebene des reflektierten elektrischen
Feldes gegenüber
der des einfallenden elektrischen Feldes von 90°) und zusätzlich eine für die Bündelung
der Gesamtwelle erforderliche Phasenverschiebung Δ⌀ zeigte.
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Die
rechnerische Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den Abmessungen
der Strukturen und der Phase des Reflexionsfaktors 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 ermittelt werden können. Im
einzelnen sei hierzu auf die Ausführungen in ”Numerical Techniques for Microwave
and Millimeter-Wave Passive Structures” von Tatsuo Itho, John Wiley & Sons, 1989, insbesondere
die Seiten 334 ff, verwiesen.
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Da
eine periodische Anordnung der Strukturen nur eine Annäherung an
die tatsächlichen
Verhältnisse
darstellt, kann eine Optimierung durch eine Berechnung der Gesamtanordnung
erfolgen.
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Für regelmässige Strukturen
aus Rechtecken können
Ganzbereichsfunktionen für
die Entwicklung der unbekannten Stromdichteverteilungen in bekannten
Basisfunktionen verwendet werden. Mit Hilfe des an sich bekannten
Galerkinverfahrens (vgl. z. B. den zuvor genannten Artikel von T.
Itho et al.) können
dann die Koeffizienten der Basisfunktionen bestimmt werden. Durch
eine Überlagerung
der Felder, die durch die berechneten Stromdichteverteilungen 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 folgenden 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
verwiesen.
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Für eine erfindungsgemäß realisierte
Antenne mit einer Mittenfrequenz von 20 GHz ergibt sich die in 3 dargestellte
Anordnung von Metallisierungsstrukturen 33 auf dem planaren
Dielektrikum 31. Die Anordnung weist insgesamt 364 rechteckige Strukturen
auf, deren Mittelpunkte ein Gitter mit einer Maschenweite von 6 × 6 mm bilden.
Die Abmessungen der Strukturen variieren in Abhängigkeit von den oben erläuterten
Phasenbedingungen im Bereich zwischen 1 mm und 5,8 mm.
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Als
Subreflektor dient für
diese Antenne ein Polarisationsfilter 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 beträgt 150 mm.
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4 zeigt
für diese
Antenne das gemessene Fernfelddiagramm in der H-Ebene, während in 5 das
Fernfelddiagramm in der E-Ebene darstellt ist.
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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 Polarisationsgitters,
oder bei einer mehrschichtigen Struktur andere Lagen weitere Metallisierungsstrukturen
erhalten. Dadurch ist zum Beispiel eine zusätzliche Bündelung möglich, durch die die Brennweite
bzw. die Tiefe der Antenne weiter vermindert wird.
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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 Fernfeldcharakteristik einen sogenannten
Fan-Beam oder eine sogenannte Cosecans-Form oder auch mehrere Keulen
besitzt.