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Selbsttragende, über einen großen Wellenbereich reflexionsarme, dielektrische
Abdeckung für Mikrowellenantennen Zur Eieverhdtung und/oder aus architektonischen
Gründen wird eine Verkleidung von Richtfunkantennen gefordert. Antennenabdeckungen
sind als Radome bekannt. Wie das Wort besagt (Zusammensetzung aus "Radar"und nDome"
(= Kuppel)), wurden Radome zuerst in der Radartechnik verwendet. Dort sind Einfiigungsdämpfung
und Diagrammverzerrung in der Hauptatrahlrichtung die wesentlichen elektrischen
Eigenschaften, während Reflexion und Richtdiagrammveränderung bei hohen Winkeldämpfungen
von untergeordneter Bedeutung sind.
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Bei Richtfunkantennen dagegen sind Reflexionen sehr viel kritischer,
weil stehende Wellen auf der Antennenzuleitung zu Gruppenlaufzeitverzerrungen und
damit zu Stbrgerduschen durch Interkanalmodulation führen. Bei Richtfunkantennen
sind außerdem in einem dicht vermaschten Richtfunknetz sehr hohe Anforderungen an
die Winkeldämpfung gestellt, um eine gegenseitige Störung der Strecken zu verhindern.
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Die durch die Antennenabdeckung reflektierte Leistung erhöht, wenn
sie von der Antenne wieder aufgenommen wird, den Eingangsreflexionsfaktor der Antenne
beträchtlich. Durch schräges Aufstellen der Antenne relativ zur Abdeckung oder besondere
Flächenformen der dielektrischen Platte (z.3. Kalottenform) kann die Fokussierung
der an der Platte reflektierten Welle in den Antennenerreger vermindert werden (Hügli:
Antennenabdeckung aus Polyurethan-Hartschaum. Technische Mitteilungen PTT Nr. 6
(1973) S. 242 - 247). Die an der Abdeckung reflektierten Wellen werden aber im Reflektor
oder an Gebäudewänden erneut reflektiert und vermindern so in bestimmten Richtungen
wesentlich die Winkeldämpfung. Als Abhilfe ist es möglich, die Antennen in genau
vorbestimmten Winkeln relativ zur Abdeckung zu montieren, eo daß an Antennenreflektoren
reflektierte Wellen in Richtungen gelenkt werden, wo entweder keine hohen Anforderungen
an die Winkeldämpfung gestellt werden oder tiefe Nulleinzüge des Antennendiagramms
aufgefüllt werden können.
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Dies erfordert eine genaue Planung der Richtfunkstrecken vor der Montage
der Platten und läßt Veränderungen in der Streckenplanung ohne bauliche Veränderung
kaum zu. Die Reflexion an Gebäudewänden kann durch ihre Verkleidung mit Absorbermaterial
verhindert werden, was aber sehr kostspielig ist.
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Die Reflexion der Abdeckung kann klein gehalten werden, wenn ihre
Wandstärke sehr viel kleiner als eine Viertelwellenlänge ist. Dann ist bei großflächigen
Antennenabdeckungen aber keine mechanische Stabilität erreichbar. Durch das Platten
im Winde (Flattertuchradom) entstehen etörende Laufzeitverzerrungen sowie zeitliche
Veränderungen der Winkeldämpfung. Durch atmosphärischen ueberdruck im Antennenraum
kann zwar das Flattern vermieden werden. Dann sind aber durch Pumpen und Schleusen
hohe Investitions- und Betriebekosten erforderlich. Selbattragende Platten aus verlustarmem
dielektrischem Material (z.B. Kunststoff-Hartschaum), die einige Wellenlängen dick
sind, haben die notwendige mechanische Festigkeit, um in
Geschoßhöhen
von 4 bis 7 meingebaut werden zu können. Die Reflexion hängt von der Dielektrizitätskonstanten
und vom Verhältnis aus Flattenstärke und Wellenlänge, vom Einfallswinkel und von
der Polarisation ab. Bei senkrechtem Welleneinfall treten maximale Reflexionen bei
Plattendicken auf, die ungeradzahlige Vielfache der Viertelwellenlänge sind, während
die Reflexion bei Vielfachen der halben Wellenlänge verschwinden. Bei schrägem Welleneinfall
verändern sich die Verhältnisse der Reflexionsmaxima und -minima mit den Einfallswinkeln
(Beeh: Dielektrische Schichten im Strahlungsfeld von Mikrowellenantennen. Wissenschaftliche
Berichte AEG-Telefunken 45 (1972) S. 26 - 36).
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Der Reflexionsfaktor kann durch die Schichtung von Materialien unterschiedlicher
Dielektrizitätskonatant en in einem bestimmten Frequenzbereich reduziert werden.
Aus der Radartechnik sind "Sandwichn-Radome bekannt, bei denen zwei dünne feste
Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante eine dicke Schicht aus weichem Material
(Hartschaum, Waben o. ä.) umschließen. Mit dieser Konstruktion lassen sich Reflexionsfaktoren
unter ca. 10% bei relativen Bandbreiten über ca. 20 % nicht erreichen. Ferner sind
mehrfach geschichtete Sandwich-Radome bekannt (Oleesky, S.S. et al.: Multiple Sandwich
Broad Band Radome. US-Patent 3 002 190, 1961), bei denen dünne feste Schichten,
die naturgemäß eine hohe Dielektrizitätskonstante haben, mit ebenfalls verhältnismäßig
dünnen Schichten, die stark aufgeschäumt sind und daher eine niedrige Dielektrizitätskonstante
haben, abwechseln. Dadureh wird eine hohe mechanisehe Festigkeit erreicht und wegender
geringen Dicke der Einzelechichten verhält sich die geschichtete Platte bis zu hohen
Frequenzen wie eine Platte aus homogenem Material mit einer Niscbdielektrizitätskonstanten.
Die weichen Schichten sind etwa um den Faktor 7 dicker als die harten Schichten,
daher ist die Xischdielektrizitätskonstante verhältnismäßig niedrig. Der Reflektionafaktor
einer solchen Struktur - wie
zu diesem Aufbau durchgeführte Rechnungen
ergaben - ist aber nicht kleiner als bei Platten aus Hartschaum mit großer Wandstärke
und niedriger Dielektrizitätskonstanten.
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Große Bandbreiten bei niedrigeren Reflexionsfaktoren sind durch eine
Stufung der Dielektrizitätskonstanten erreichbar, wie sie aus der Theorie mehretufiger
Hochfrequenztransfor matoren bekannt ist (Mayer: Mehrstufige 4 /4 Transformatoren.
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AEX 21 (1967) S. 131 - 139). Die Schichtung muß dabei in Stufen einer
Viertelwellenlänge vom optisch dünnen zum optisch dichten Medium erfolgen, weil
der Brechungsindex proportional zum Wellenwiderstand ist.
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Bei Kunststoff-Hartschaum ist die Dielektrizitätskonstante (Quadrat
des Brechungsindex) proportional zum spezifischen Gewicht bzw. der mechanischen
Dichte. Die Oberfläche der Abdeckplatte ist bei einer breitbandigen Stufung eo weich,
daß sie nicht der Witterung ausgesetzt werden kann. Dünne mechanisch feste Schutzschichten
aus Kunststoffen mit notwendigerweise hoher Dielektrizitätskonstante laseen aber
den Effekt der breitbandigen Reflexionsarmut der geschichteten Platten weitgehend
verloren gehen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für geschichtete Antennenabdeckungen
eine Schichtung anzugeben, bei der in einem weiten Frequenzbereich kleine Reflexionsfaktoren
erreicht werden können und trotzdem eine genügende mechanische Festigkeit der Oberfläche
gewährleistet ist.
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Die Erfindung geht dabei von einer selbsttragenden, didektrischen
Abdeckung für Mikrowellenantennen aub, die ähnlich der US-PS 3 002 190 aus mehreren,
unterschiedlich dicken Schichten verschiedener mechanischer Festigkeit und Dielektrizitätskonstanten
zusammengesetzt ist und bei der auch wenigstens auf einer der beiden Außenseiten
eine dünne feste Schutzschicht
vorgesehen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird aber im Gegensatz zur bekannten Anordnung
nun dadurch gelöst, daß eine mittlere Kernechicht hoher mechanischer Festigkeit
mit einer Dicke von einem Vielfachen der ungefähren halben Betriebswellenlänge vorgesehen
ist, zu deren beiden Seiten mehrere Z/4 Transformationsschichten mit in bekannter
Weise von innen nach außen abnehmender Dielektrizitätskonstantenangeordnet sind
und daß auf der (den) mit einer äußeren Schutzschicht versehenen Seite(n) zwischen
der äußersten und der benachbarten </4 TransSormationsschicht eine gompensationsschicht
etwa der gleichen Dicke und Dielektrizitätskonstantenwie die Schutzschicht eingefügt
ist.
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#/4 Versuche haben ergeben, daß wenigiens zwei Transformationsschichten
zu beiden Seiten der Kernschicht angeordnet sein müssen, um durch die zwischengefügte
Kompensationsachicht eine Reflexionefreiheit der Abdeckplatte zu erzielen.
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Zweckmäßig beträgt die elektrische Dicke der äußersten </4 Transformationsschicht
und der Kompensationsschicht zusammen etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge.
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Schutzschicht und Kompensationaschicht können auf beiden Seiten der
Abdeckung oder in einer kostengiinstigeren Anordnung nur auf einer Seite der Abdeckung
vorgesehen sein.
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Die Schichtung der dielektrischen Antennenabdeckung nach der Erfindung
mit fester äußerer Schutzschicht ist breitbandig in einem großen Winkelbereich reflexionsarm.
Es ist damit möglich, mit wenigen Plattentypen den gesamten Frequenzbereich der
Richtfunktechnik abzudecken. Bei Veränderungen der Winkel zwischen Antennen und
Abdeckplatte, bei Veränderung der Polarisation und bei Frequenzänderungen innerhalb
eines oder zweier in der Frequenz benachbarter Richtfunksysteme sind keine baulichen
Veränderungen
erforderlich.
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Im folgenden werden zwei Ausführungebeispiele der Erfindung anhand
zweier Figuren erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Ausführungsform mit beidseitig aufgebrachter
äußerer Schutzschicht, Fig. 2 eine Ausführungsform mit einseitig aufgebrachter äußerer
Schutzschicht.
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In der Fig. 1 ist ein Querschnitt einer symmetrisch aufgebauten, aus
IISchichten beetehenden Abdeckplatte dargestellt. Die symmetrisch zur Kernschicht
6 angeordneten verschiedenen Schichten 1 - 5 tragen auf beiden Seiten die gleichen
Bezugazeichen.
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Die Dichte der Ereuzschraffur ist etwa proportional zur Dielektrizitätskonstanten
der Schichten. Die Schicht 1 ist eine mechanisch feste Schutzschicht. Die Schichtdicke
soll so klein wie möglich, in Jedem Fall wesentlich kleiner als die Viertelwellenlänge
der höchsten Betriebsfrequenz sein.
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Die Dielektrizitätskonstante der Schutzschicht soll so niedrig wie
möglich sein, so daß die notwendige mechanische Festigkeit der Oberfläche gerade
erreicht wird. Das Material soll außerdem wasserdicht und wasserabstoßendsein. Es
eignen eich z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer Dielektrizitätekonstanten
g4,5 und einer Schichtdicke von 0,1 mm bis 0,5 mm oder Epoxidharzlaoke mit £ r3,5
mit Schichtdicken von 0,3 bis 1 mm.
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Die Schichten 2, 4 und 5 sind in ihrer Dielektrieitätskonstanten analog
zu den bekannten Wellenwiderstandsstufungen bei Hochfrequenztransformatoren so abgestuft,
daß eine möglichst breitbandige Anpassung der Welle an die Dielektrizitätakonstante
der mittleren nochanisch tragenden Schicht 6
erfolgt. Die Schichten
4 und 5 sind eine Viertelwellenlänge dick, wobei von der Wellenlänge im Jeweiligen
Material auszugehen ist. Die äußerste Transformationsschicht hat eine etwas abweichende
Bemessung ihrer Dicke, die noch erläutert wird. Die Anzahl der Zwischenschichten
kann verändert werden, z. B. kann die Schicht 5 entfallen oder zwischen den Schichten
5 und 6 können noch weitere Transformationsschichten mit der Dicke einer Viertelwellenlänge
liegen. Die Dielektrizitätskonstanten der Schichten 2, 4, 5 und 6 steigen monoton
an.
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Die Dicke der mittleren Schicht 6 beträgt etwa ein Vielfaches der
halben Betriebewellenlänge.
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Nach der Erfindung wird nun zwischen den Schichten 2 und 4 eine Schicht
3 angebracht, die aue dem gleichen Material wie die Schutzschicht 1 besteht und
etwa die gleiche Schichtdicke hat. Die Schicht 3 dient zur Kompensation der Reflexion
der Schicht 1. Die Dicke der äußerstenTranformationsschicht 2 wird so bemessen,
daß sie zusammen mit der Dicke der Kompensationsechicht 3 etwa ein Viertel der Betriebawellenlänge
beträgt. Mit der Kompensatlonsschicht 3 lassen sich Reflexionsfaktoren unter 5 %
bei Bandbreiten von etwa einer Oktave erreichen.
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In Fig. 1 ist eine symmetrische Anordnung der Schichten 1 bis 5 bezüglich
der mittleren Schicht 6 dargestellt. Bei einer wetterfesten Verkleidung von Räumen
ist die Schutz-Schicht auf der Innenseite u. U. nicht erforderlich, hier ist die
kostengünstigere unsymmetrische Ausführungsforin nach Fig. 2 anwendbar, bei der
einseitig die Schutzschicht und die Kompensationsschicht fehlen. Die Dicke der Traneformationsechicht
7 muß eine Viertelwellenlänge sein. Die Schicht 7 ist damit etwas dicker als die
Schicht 2, besteht aber aus demselben Material. Der übrige Aufbau und die Bemessung
der Schichten entsprechen der Ausführungsforin nach Fig. 1.