DE19848722B4 - Mikrowellen-Reflektorantenne - Google Patents

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Abstract

Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler (1), einem für Mikrowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Subreflektor (2) und einem Hauptreflektor (3) zur gebündelten Reflektion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation, wobei der Hauptreflektor (3) eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen (33) mit zueinander parallele Achsen aufweist, die einen Winkel von 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufweisen,
wobei der Primärstrahler (1) in der Ebene des Hauptreflektors (3) angeordnet ist und dass die Dipole (33) eine vorgebbare Länge und Breite aufweisen, wodurch zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten Eyaus, Exaus parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschiebung von 180° entsteht und an jedem Dipol (33) die Phase des reflektierten elektrischen Feldes Eaus gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feldes Ein in der Weise verschoben ist, dass das von allen Dipolen (33) erzeugte Gesamtfeld vorgegebene Wellenfronten aufweist,
wobei die vorgegebenen Wellenfronten...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Subreflektor ist erfindungsgemäß ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters.
  • Der Primärstrahler kann vorzugsweise eine Hornantenne oder eine Mikrostreifenleitungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede andere Antennenform, die den Reflektor in geeigneter Weise ausleuchtet.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Reflektorantenne
  • 2 eine Darstellung der elektrischen Feldkomponenten an einem einzelnen Dipol der Reflektorantenne gemäss 1
  • 3 eine Draufsicht auf den Hauptreflektor der Reflektorantenne gemäss 1
  • 4 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der H-Ebene der Reflektorantenne gemäss 1
  • 5 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der E-Ebene der Reflektorantenne gemäss 1
  • 6 eine bekannte Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Da eine periodische Anordnung der Strukturen nur eine Annäherung an die tatsächlichen Verhältnisse darstellt, kann eine Optimierung durch eine Berechnung der Gesamtanordnung erfolgen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 4 zeigt für diese Antenne das gemessene Fernfelddiagramm in der H-Ebene, während in 5 das Fernfelddiagramm 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 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler (1), einem für Mikrowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Subreflektor (2) und einem Hauptreflektor (3) zur gebündelten Reflektion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation, wobei der Hauptreflektor (3) eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen (33) mit zueinander parallele Achsen aufweist, die einen Winkel von 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei der Primärstrahler (1) in der Ebene des Hauptreflektors (3) angeordnet ist und dass die Dipole (33) eine vorgebbare Länge und Breite aufweisen, wodurch zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten Eyaus, Exaus parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschiebung von 180° entsteht und an jedem Dipol (33) die Phase des reflektierten elektrischen Feldes Eaus gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feldes Ein in der Weise verschoben ist, dass das von allen Dipolen (33) erzeugte Gesamtfeld vorgegebene Wellenfronten aufweist, wobei die vorgegebenen Wellenfronten ebene Wellenfronten sind, wobei die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils eine rechteckige Form aufweisen und wobei der Subreflektor (2) ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters (21) ist, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für eine Mittenfrequenz von etwa 20 GHz der Hauptreflektor 360 bis 380, vorzugsweise 364 rechteckige Metallisierungsstrukturen aufweist, deren Mittelpunkte entsprechend einer Ausführung in 3 ein Gitter mit einer Maschenweite von etwa 6 × 6 mm bilden und dass der Subreflektor Leiterbahnen 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.
  2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptreflektor (3) eine dielektrische Platte (31) mit niedrigem Verlustfaktor aufweist, auf der sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die Dipole in Form von jeweils einer Metallisierungsstruktur (33) befinden und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite eine durchgehende Metallisierungsschicht (32) aufgebracht ist.
  3. Reflektorantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstrahler (1) eine Hornantenne ist.
  4. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstrahler (1) eine Mikrostreifenleitungsantenne ist.
  5. Reflektorantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Antenne etwa 150 mm und der Abstand zwischen dem Hauptreflektor und dem Subreflektor etwa 45 mm beträgt.
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