DE2441540C3 - Selbsttragende, reflexionsarme, dielektrische Abdeckung für Mikrowellenantennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsttragende, reflexionsarme, dielektrische Abdeckung für Mikrowellenantennen, bestehend aus einer tragenden Kernschicht und mindestens zwei auf beiden Seiten der Kernschicht angeordneten Transformationsschichten, deren Stärke t» einem Viertel der Betriebswellenlänge innerhalb der Transformationsschichten beträgt und deren Dielektrizitätskonstanten unterschiedlich sind.

Derartige Verkleidungen von Richtfunkantennen werden zur Eisverhütung und/oder aus architektonisehen Gründen vorgesehen und sind als Radome bekannt. Hierdurch ergeben sich Einfügungsdämpfung und Diagrammverzerrung in der Hauptstrahlrichtung als wesentliche elektrische Eigenschaften, während Reflexion und Richtdiagrammveränderung bei hohen "><> Winkeldämpfungen von untergeordneter Bedeutung sind.

Bei Richtfunkantennen dagegen sind Reflexionen sehr viel kritischer, weil stehende Wellen auf der Antennenzuleitung zu Gruppenlaufzeitverzerrungen ^r>^r> und damit zu Störgeräuschen 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. w

Die Verkleidung zur Verhinderung von Reflexionen an dielektrischen oder metallischen Teilen von Hochfrequenz-Sendle- und Empfangseinrichtungen, bei welchen auf wenigstens einer Fläche des zu verkleidenden Teils eine Anordnung von wenigstens zwei aufeinanderfol- '··"> genden dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen, von der Außenseite zu dem Teil hin wachsenden Dielektrizitätskonstanten angebracht ist (nach der DE-AS 14 41 626) so zu gestalten, daß die dielektrischen Schichten aus homogenen, verlustarmen Materialien bestehen, ist bekannt Störende Reflexionen werden jedoch von der äußeren, ggf. sofern vorhanden, inneren Schutzschicht der Radarkuppel hervorgerufen.

Der Reflexionsfaktor kann durch die Schichtung von Materialien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten in einem bestimmten Frequenzbereich reduziert werden. Aus der Radartechnik sind »Sandwich«-Radome bekannt, bei denen zwei dünne feste Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante eine dicke Schicht aus weichem Material (Hartschau, 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 30 02 190, 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. Dadurch wird eine hohe mechanische Festigkeit erreicht und wegen eier geringen Dicke der Einzelschichten verhält sich die geschichtete Platte bis zu hohen Frequenzen wie eine Platte aus homogenem Materia! mit einer Mischdielektrizitätskonstanten. Die weichen Schichten sind etv/a um den Faktor 7 dicker als die harten Schichten, daher ist die Mischdielektritzitätskonstante verhältnismäßig niedrig. Der Reflexionsfaktor 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.

Große Bandbreiten bei niedrigeren Reflexionsfaktoren sind durch eine Stufung der Dielektrizitätskonstanten erreichbar, wie sie aus der Theorie mehrstufiger Hochfrequenztransformatoren bekannt ist (Mayer: Mehrstufige λ/4 Transformatoren. AEÜ21 (1967) S. 131 -139). Die Schichtung muß dabei in Stufen einer Viertelwelieiiiänge vom optisch dünnen zum optisch dichten Medium erfolgen, weil der Brechungsindex proportional zum Wellenwiderstand ist.

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 so weich, daß sie nicht der Witterung ausgesetzt werden kann. Dünne mechanisch feste Schutzschichten aus Kunststoffen mit notwendigerweise hoher Dielektrizitätskonstante lassen aber den Effekt der breitbandigen Reflexionsarmut der geschichteten Platten weitgehend verloren gehen.

Die Erfindung geht dabei von einer selbsttragenden, dielektrischen Abdeckung für Mikrowellenantennen aus, die ähnlich der US-PS 30 02 190 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.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, bei Verwendung von Schutzschichten, dafür zu sorgen, daß an der Oberfläche derartiger bekannter Abdeckungen ein möglichst niedriger Reflexionsfaktor erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Verwendung einer Schutzschicht auf der Außenoberfläche von mindestens einer der äußersten

Transformationsschichten mit höherer mechanischer Festigkeit und höherer Dielektrizitätskonstante als diese Transformationsschicht eine Kompensationsschicht vorgesehen ist, deren Stärke und Dielektrizitätskonstante der der Schutzschicht entspricht und die zwischen der äußersten und der nächst inneren Transformationsschicht angeordnet ist, und daß die Kernschicht ungefähr eine Dicke eines Vielfachen der halben Betriebswellenlänge aufweist Überraschend ist hierbei, daß durch Einfügen einer Kompensationsschicht unumgängliche und schädliche Reflexionen der technisch notwendigen Schutzschicht aufgehoben werden.

Die Schichtung der dielektrischen Antennenabdekkung nach der Erfindung mit fester äußerer Schutzschicht ist breitbandig in einem großen Winkelbereich reflexionsarm. Es ist damit möglich, mit wenigen PlaUentypen 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.

Zweckmäßig beträgt die elektrische Dicke der äußersten λ/4 Transformationsschicht und der Kompensationsschicht zusammen etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge.

Schutzschicht und Kompensationsschicht können auf beiden Seiten der Abdeckung oder in einer kostengünstigeren Anordnung nur auf einer Seite der Abdeckung vorgesehen sein.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand zweier Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform mit beidseitig aufgebrachter äußerer Schutzschicht,

Fig.2 eine Ausführungsform mit einseitig aufgebrachter äußerer Schutzschicht.

In der F i g. 1 ist ein Querschnitt einer symmetrisch aufgebauten, aus 11 Schichten bestehenden Abdeckplatte dargestellt. Die symmetrisch zur Kernschicht 6 angeordneten verschiedenen Schichten 1—5 tragen auf beiden Seiten die gleichen Bezugszeichen.

Die Dichte der Kreuzschraffur 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. 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 wasserabstoßend sein. Es eigenen sich z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_Γ »4,5 und einer Schichtdicke von 0,1 mm bis 0,5 mm oder Epoxidharz lacke mit e_r » 3,5 mit Schichtdicken von 03 bis 1 mm.

Die Schichten 2,4 und 5 sind in ihrer Dielektrizitätskonstanten analog zu den bekannten Wellenwiderstandsstufungen bei Hochfrequenztransformatoren so abgestuft, daß eine möglichst breitbandige Anpassung der Welle an die Dielektrizitätskonstante der mittleren mechanisch 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. Die Dicke der mittleren Schicht 6 beträgt etwa ein Vielfaches der halben Betriebswellenlänge.

Nach der Erfindung wird nun zwischen den Schichten 2 und 4 eine Schicht 3 angebracht, die aus dem gleichen Material wie die Schutzschicht 1 besteht und etwa die gleiche Schichtdicke hat. Die Schicht 3 dient zur

ίο Kompensation der Reflexion der Schicht 1. Die Dicke der äußersten Transformationsschicht 2 wird so bemessen, daß sie zusammen mit der Dicke der Kompensationsschicht 3 etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge beträgt. Mit der Kompensationsschicht 3

-S5 lassen sich Reflexionsfaktoren unter 5% bei Bandbreiten von elwa einer Oktave erreichen.

In Fig. 1 ist eine symmetrische Anordnung der Schichten 1 bis 5 bezüglich der mittleren Schicht 6 dargestellt

4Ii Bei einer wetterfesten Verkleidung von Räumen ist die Schutzschicht auf der Innenseite u. U. nicht erforderlich, hier ist die kostengünstigere unsymmetrische Ausführungsrorm nach F i g. 2 anwendbar, bei der einseitig die Schutzschicht und die Kompensations-

■* > schicht fehlen. Die Dicke der Transformationsschicht 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 Ausfüh-

■"><> rungsform nach F i g. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbsttragende, reflektionsarme dielektrische Abdeckung für Mikrowellenantennen, bestehend aus einer tragenden Kernschicht und mindestens zwei auf beiden Seiten der Kernschicht angeordneten Transformationsschichten, deren Stärke einem Viertel der Betriebswellenlänge innerhalb der Transformationsschichten beträgt und deren Dielektrizitätskonstanten unterschiedlich sind, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß bei Verwendung einer Schutzschicht auf der Außenoberfläche von mindestens einer der äußersten Transformationsschichten mit höherer mechanischer Festigkeit und höherer Dielektrizitätskonstante als diese Transformationsschicht eine Kompensationsschiciit vorgesehen ist, deren Stärke und Dielektrizitätskonstante der <Jer Schutzschicht entspricht und die zwischen der äußersten und der nächst inneren Transformationsschicht angeordnet ist, und daß die Kernschicht ungefähr eine Dicke eines Vielfachen der halben Betriebswellenlänge aufweist.

2. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Dicke der äußersten λ/4 Transformationsschicht (2) und der Kompensationsschicht (3) zusammen etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge beträgt.

3. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schutzschicht (1) und Kompensationsschicht (3) auf beiden Seiten der Abdeckung vorgesehen sind (F i g. 1).