DE2457816A1

DE2457816A1 - Kuenstliche dielektrische struktur und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2457816A1
Application number: DE19742457816
Authority: DE
Inventors: Paul Titus Nelson
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1446800A; CA1033454A; DE2457816B2; DE2457816C3; FR2254123A1; US3877034A; JPS5090272A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. H. FINCKE DIPL-ING. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Patentanwalt· Dr. Find» ■ Bohr ■ Staeger ■ 8 München S · MOllentraß·

8 MÜNCHEN B, 6. ΏβΖΘΠΛβΓ 197^

Fernruf: (089)*266060 Z 4 3 / ö I D

Telegramme: Claimi München Tel»; 523903 claim d

Mopp· No. A 033 - B/VS/V

Bitt· in der Antwort angeben

GER 73-039

TRW Incorporated,

Redondo Beach, California, V.St.A.

"Künstliche dielektrische Struktur und Verfahren zur Herstellung derselben"

Priorität: 6. Dezember 197# - V.St.A.

Die Erfindung betrifft allgemein dielektrische Strukturen zur Veränderung der Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen und insbesondere künstliche dielektrische Strukturen zur Veränderung der Phasengeschwindigkeit, die verbessert und maßbeständig sind, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Dielektrika, und zwar sowohl die natürlichen bzw. massiven

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Bankverbindung ι Bayer. V.reinibank MOneh.n, Kpnto 620 404 · Poit»di.dtkonto ι MOndi.n 270 44-802

als auch die sogenannten künstlichen, werden zur Veränderung der Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen verwendet. Derartige Dielektrika können für eine Vielzahl spezifischer Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann eine dielektrische Struktur bestimmt sein, elektromagnetische Strahlung, die von einer entfernten Quelle kommt, zu fokusieren oder die von einer nahegelegenen Quelle ausgehende elektromagnetische Strahlung parallel zu machen oder zu bündeln. Wird eine dielektrische Struktur für den eben genannten Zweck verwendet, so wirkt sie im wesentlichen als elektromagnetische Linse und wird aus diesem Grund häufig als dielektrische Linse, Verzögerungslinse oder Linsenantenne bezeichnet. Die Erfindung wird im wesentlichen anhand der Verwendung dielektrischer Strukturen als Linse beschrieben. Aus der Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung aber auch für andere Zwecke, bei denen die Phasengeschwindigkeit mit Hilfe dielektrischer Strukturen verändert wird, verwendet werden kann.

Wie in der Optik basiert die Grundtechnik des Fokusierens und Hersteilens eines parallelen Bündels elektromagnetischer Wellen auf der Änderung der Einfallsrichtung der Wellen mit Hilfe von Reflexion oder Brechung. Alle zur Zeit bekannten Lichtstrahlantennen, beispielsweise Parabolantennen, arbeiten mit der Reflexionstechnik, obwohl derartige Reflexions-Antennen eine Reihe von Nachteilen zur Folge haben. Der hervorstechendste dieser Nachteile ist der, daß sie relativ groß, schwer und teuer sind und der Sende- bzw. Empfangsteil der Antenne vor der Reflexionsfläche, d.h. im Srahlengang der einfallenden oder emittierten Strahlung, angeordnet ist.

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Die Fähigkeit der Dielektrika, die Strahlrichtung elektromagnetischer Wellen durch Brechung statt durch Reflexion zu ändern, d.h. die Fähigkeit der Dielektrika als Antenne dienen zu können, ist seit etwa einem Jahrhundert bekannt. Derartige dielektrische Antennen oder Linsenantennen haben gegenüber Reflexions-Antennen einen hervorstechenden Vorteil.

Dieser Vorteil beruht auf der Tatsache, daß der Sendebzw. Empfangsteil der Antenne hinter statt vor der Antenne angeordnet ist und demzufolge nicht im Strahlengang liegt.

Bis etwa 1942 - 1944 waren für diesen Zweck nur natürliche bzw. massive Dielektrika bekannt. Eine Linsenantenne, die aus einem derartigen natürlichen Dielektrikum hergestellt ist, ist relativ groß, schwer und teuer. Dies hat zur Folge, daß die natürlichen dielektrischen Linsen nur in sehr begrenztem Ausmaße und vorwiegend für experimentelle Zwecke verwendet wurden.

Von 1942 bis 1944 wurde von Rust und Kock eine neue Klasse von Dielektrika vorgeschlagen. Diese, neuen Dielektrika, bekannt als künstliche Dielektrika, sind relativ leicht und können zu verhältnismäßig.geringen Kosten als Linsenantennen ausgeführt werden, so daß mit deren Hilfe die Nachteile der natürlichen Dielektrika behoben werden. Trotz dieser Vorteile der künstlichen Dielektrika wurden sie auch hier wieder, wie die natürlichen Dielektrika, nur in einem sehr begrenzten Umfang als Linsenantennen verwendet. Ein wesentlicher Grund für diese begrenzte Verwendung der bestehenden künstlichen Dielektrika als Linsenantennen

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ist deren thermisch hervorgerufene Maßunbeständigkeit bei einer Veränderung der Umgebung bzw. der die Umgebung charakterisierenden Bedingungen oder Parameter.

Um diese Maßunbeständigkeit und deren Auswirkungen auf die Brauchbarkeit von künstlichen Dielektrika als Linsenantenne zu verstehen, empfiehlt es sich, die bis heute vorgeschlagenen künstlichen Dielektrika zu betrachten. Der Stand der Technik zeichnet sich durch ein umfangreiches, voll gefülltes Sortiment künstlicher dielektrischer Strukturen aus. Die Verwendung künstlicher dielektrischer Strukturen als dielektrische Linsen ist beispielsweise von Kock vorgeschlagen worden. Künstliche dielektrische Linsen und andere künstliche dielektrische Strukturen sind aber auch aus den folgenden Veröffentlichungen bekannt:

Bell Systems Technical Journal, 1948, Band 27, Seiten 58. bis 82

Antenna Engineering Handbook, Erstausgabe, 1961, McGraw Hill, Seiten 14 bis 21 bzw. 14 bis 30

Aus dem oben genannten Stand- der Technik ergibt sich . offensichtlich, daß künstliche dielektrische Linsen in ihrem physikalischen Aufbau sehr stark variieren können. Diese künstlichen dielektrischen Linsen zeichnen sich aber alle durch ein gemeinsames Merkmal aus, nämlich dadurch, daß eine Vielzahl von Hindernissen für elektromagnetische Wellen - im folgenden kurz als elektromagnetische Hindernisse bezeichnet - auf zueinander parallelen Ebenen, die aus einem Dielektrikum niedriger Dielektrizitätskonstante bestehen, gehaltert

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werden. Auf diese Weise wird eine dreidimensionale Anordnung elektromagnetischer Hindernisse geschaffen. Diese Hindernisanordnung bildet zusammen mit den dielektrischen Tragflächen ein künstliches dielektrisches Medium, durch das elektromagnetische Wellen mit einer Phasengeschwindigkeit hindurchlaufen, die geringer als deren Phasengeschwindigkeit in Luft ist.

Die oben erwähnte thermisch induzierte Instabilität bzw. Maßunbeständigkeit, an der die bisher bekannten bzw. vorgeschlagenen künstlichen Linsen mehr oder weniger stark leiden, vermindert den Anwendungsbe- " reich dieser Linsen deswegen, da ein genaues Arbeiten derartiger Linsen eine exakte Ausrichtung der elektromagnetischen Hindernisse in den verschiedenen 'Hindernisebenen" erfordert.· Die zum Stand der Technik gehörenden künstlichen dielektrischen Linsen sind nicht geeignet, eine exakte Ausrichtung der elektromagnetischen Hindernisse in einer Umgebung, dessen Temperatur innerhalb eines beachtlichen Bereiches schwankt, aufrechtzuerhalten. Deshalb sind sie auf die Verwendung in einer Umgebung, deren Temperatur konstant bleibt oder nur in einem engen Temperaturintervall schwankt, beschränkt.

In diesem Zusammenhang soll beispielsweise die auf Seite 68 des oben genannten Bell Systems Journal dargestellte Linse betrachtet werden. In dieser Linse sind die elektromagnetischen Hindernisse durch elektrisch leitende Punkte realisiert, die auf dünnen dielektrischen Bögen bzw. Folien oder Membranen aus Gellophan aufgebracht sind. Diese Bögen sind mit ihren Flächen parallel übereinander gestapelt, wobei zwischen zwei Bögen jeweils ein ringförmiger Rahmen angeordnet ist, der für einen Abstand zwischen zwei benachbarten

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Bögen bzw. Membranen sorgt. Die Rahmenausschnitte bestimmen die Größe der öffnungen bzw. Aperturen in den Membranen. Die leitenden Punkte sind auf den Membranen in einer dreidimensionalen linsenförmigen Matrixanordnuhg aufgebracht. Die Linsenform macht aus der elektromagnetischen Strahlung, die von einer Hornantenne, wenn sie hinter der Linse angeordnet ist, emittiert wird, ein Parallelbündel und fokusiert einfallende, von einer entfernten Quelle stammende Strahlung auf das Horn.

Die Linsenrahmen und die die elektromagnetischen Hindernisse halternden Membranen sind so zusammengebaut, daß die elektromagnetischen Hindernisse bei normaler Raumtemperatur gut ausgerichtet sind. Demgemäß arbeitet die in Bell Systems Journal beschriebene künstliche dielektrische Linse wenigstens theoretisch so lange zufriedenstellend, solange die Umgebungstemperatur im wesentlichen bei der normalen Raumtemperatur liegt.

Falls aber die Umgebungstemperatur stark über die normale Raumtemperatur ansteigt, deformieren sich die Membranen aufgrund der thermischen Ausdehnung, und die leitenden Punkte bzw. elektromagnetischen Hindernisse auf den Membranen erfahren eine gegenseitige Relativbewegung, d.h. Verschiebung aus der ausgerichteten Stellung. Dies führt zu einem Abfall der Linsenleistung oder einer völligen Unbrauchbarkeit derselben. Wenn andererseits die Umgebungstemperatur stark unter die normale Raumtemperatur fällt, kann sich die Spannung der Membranen aufgrund der thermischen Kontraktion soweit erhöhen, daß eine Deformation der Membranen

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bewirkt wird. Palls eine derartige Deformation auftritt, hat das eine Fehlausrichtung der Hindernisse und eine dementsprechende Fehlfunktion der Linse zur Folge. Die anderen künstlichen bekannten oder vorgeschlagenen dielektrischen Strukturen reagieren in ähnlicher Weise empfindlich auf Temperaturschwankungen und sind demzufolge nur bei im wesentlichen konstant gehaltener Umgebungstemperatur brauchbar. Die eben genannten Tatsachen sind die Gründe dafür, daß die zum Stand der Technik gehörenden künstlichen dielektrischen Linsen und andere dielektrische Strukturen nur innerhalb eines sehr begrenzten Rahmens verwendet wurden.

Die Erfindung sieht eine verbesserte, maßbeständige künstliche dielektrische, die Phase verändernde Struktur und ein Verfahren zu deren Herstellung vor, welche die oben genannten und weitere Nachteile der existierenden Strukturen der genannten Art vermeidet. Wie bereits erwähnt, wird die Erfindung anhand von künstlichen dielektrischen Linsenantennen oder Linsen beschrieben. Die Lehre der Erfindung kann aber auch auf andere künstliche dielektrische Strukturen verwendet werden. , .

Die erfindungsgemäße künstliche dielektrische Struktur weist einen Stapel aus künstlichen dielektrischen Elementen bzw. Einheiten auf, von denen jede eine dielektrische Membran und einen relativ starren Tragrahmen oder -ring umfaßt, der mit der Membran entlang seines Umfangs fest verbunden ist. Die einzelnen dielektrischen Einheiten sind bei koaxialer Ausrichtung Ihrer Tragringe übereinandergestapelt angeordnet..Sie werden

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untereinander fest zusammengehalten, um eine strukturelle Einheit zu bilden. Letzteres wird mit Hilfe von Spannschrauben, die durch die Tragringe hindurchgeführt sind, oder auf andere geeignete Weise bewirkt.

Jede Membran ist mit elektromagnetischen Hindernissen, die zusammen mit der Membran ein künstliches dielektrisches Medium darstellen, versehen. In dem beschriebenen Linsen-Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das elektromagnetische Hindernis im wesentlichen aus einer Vielzahl von diskreten elektromagnetischen Hindernissen, die nach einem vorgeschriebenen Muster oder in einer dreidimensionalen Matrixanordnung angeordnet sind. Diese elektromagnetischen Hindernisse können aus irgendwelchen bekannten Hindernissen, einschließlich Leitern und Dielektrika, bestehen. Vorzugsweise werden aber Hindernisse verwendet und beschrieben, die als metallische Punkte aufgesprüht, durch Seidensiebdruck, durch Vakuumablagerung und Ätzung, durch Beschichtung oder auf andere Weise auf der Membran aufgebracht sind. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die elektromagnetischen Hindernisse jeder Membran im wesentlichen aus einer mit einem Lochmuster versehenen Metallschicht auf einer Oberfläche der Membran.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, künstliche dielektrische Strukturen zu schaffen, die maßbeständig sind, d.h. nicht mit einer relativen Verschiebung ihrer elektromagnetischen Hindernisse von deren ursprünglicher Ausrichtung auf einen Temperaturwechsel der Umgebung, in der die elektrische Struktur verwendet wird, reagieren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß

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die Membranen der Struktur auf eine sich bei einer ausgewählten Bezugstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, einstellende Anfangsspannung innerhalb ihrer Tragringe vorgespannt sind bzw. werden. Dabei ist die Anfangsspannung so ausgewählt, daß die Membranen über den gesamten Temperaturbereich gespannt bleiben, ohne dabei die maximal zulässige Spannung, die die Membranen ohne Beeinträchtigung der Leistung der dielektrischen Struktur innerhalb einer bestimmten Betriebslebensdauer noch aushalten, zu überschreiten. Mit anderen Worten werden die Membranen auf eine Anfangsspannung bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur vorgespannt, so daß die Membranen beim einen'Extrempunkt des Temperaturintervalls (minimal zulässige Temperatur für die Spannung oder abgekürzt'minimale Spannungstemperatur) noch eine endliche Spannung besitzen, die die Membranen gespannt hält, und die Membranspannung beim anderen Extremum des Temperaturintervalls (maximale Spannungstemperatur) kleiner oder gleich der maximal zulässigen Membranspannung ist. Wenn die Membranen in dieser Weise vorgespannt sind, ändert sich zwar die Membranspannung als Folge der Änderung der Umgebungstemperatur, aber diese Spannungsänderung führt nicht zu einer Verschiebung der elektromagnetischen Hindernisse auf den Membranen. Demgemäß verbleiben die elektromagnetischen Hindernisse innerhalb der gesamten vorgeschriebenen Lebensdauer der künstlichen dielektrischen Strukturen in exakter Ausrichtung.

Der Ausdruck "maximal zulässige Spannung" soll hier die maximale Spannung kennzeichnen, die die Membranen ohne Beeinträchtigung der Leistung der künstlichen dielektrischen Struktur innerhalb der vorgeschriebenen Betriebslebensdauer aushalten. Insbesondere soll der oben

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genannte Ausdruck die maximale Spannung kennzeichnen, die die Membranen noch'aushalten, ohne daß ein Kriechen oder eine plastische Verformung in einem solchen Ausmaß stattfindet, das genügt, die elektromagnetischen Hindernisse so zu verschieben, daß die Leistung bzw. Güte der künstlichen dielektrischen Struktur innerhalb der vorgeschriebenen Betriebslebensdauer auf einen ungenügenden Gütegrad absinkt.

Es ist bedeutsam, darauf hinzuweisen, daß die im Rahmen der künstlichen dielektrischen Strukturen betrachtete Erfindung auf drei verschiedene Weisen bzw. Moden auf thermische Beanspruchung reagieren kann, die durch die Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (<X) ihrer Membranen und Tragringe für die Membranen bestimmt sind. Diese Moden werden als direkter, inverserund konstanterSpannungsmode bezeichnet. Bei einer Struktur mit inversem Mode ist der thermische Ausdehnungskoeffizient (^jYj) größer als der des Tragrings (oO > d.h. O6_M >#_R. Bei dieser Struktur verändert sich die Membranspannung invers zur Temperatur; d.h. die Membranspannung wächst mit fallender Temperatur und fällt mit wachsender Temperatur. Eine Struktur mit direktem Mode liegt vor, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Tragrings größer als der der Membran ist, d.h. C^' ^>C*_M· Bei dieser Struktur verändert sich die Membran direkt mit der Temperatur; d.h. die Membranspannung wächst mit wachsender Temperatur und fällt mit fallender Temperatur. Eine Struktur mit konstantem Spannungsmode liegt vor, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Tragring etwa gleich sind, d.h. Oi_M*oc_R. Bei dieser Struktur bleibt die Spannung der Membran gegenüber Temperaturänderungen im wesentlichen konstant.

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Offensichtlich treten extreme Membranspannungen bei künstlichen dielektrischen Strukturen mit inversem und direktem Mode bei entgegengesetzten Extrempunkten des Temperaturintervalls, dem die Struktur ausgesetzt ist, auf. Mit anderen Worten treten die minimale bzw. maximale Membranspannung bei einer Struktur von inversem Mode beim oberen bzw. unteren Extremum des Temperaturintervalls und bei einer Struktur von direktem Mode beim unteren bzw. oberen Extremum des Temperaturintervalls auf. Deswegen sollen hier die Ausdrücke "minimale Spannungstemperatur¹¹ und "maximale .Spannungstemperatur¹¹ die Extrema des Temperaturintervalls der Umgebung unter Berücksichtigung des entsprechenden Modes, d.h. des direkten oder inversen Modes, der Strukturen kennzeichnen.

Das Vorspannen der Membranen der künstlichen dielektrischen Strukturen kann nach verschiedenen Verfahren durchgeführt werden. Bei der Erfindung werden die Membranen der Strukturen von direktem und inversem Mode.vorzugsweise dadurch vorgespannt, daß die Membranen an den Tragringen befestigt werden, während die Tragringe und die Membranen einer Temperatur ausgesetzt werden, die hier als Zusammenbautemperatur gekennzeichnet ist. Im Falle einer Struktur von inversem Mode (*_Μ > c*_R) liegt diese Temperatur über der höchsten Temperatur des Temperaturintervalls der Umgebung, dem die künstliche dielektrische Struktur ausgesetzt ist, und im Falle einer Struktur von direktem Mode (<*_M< Ot_n) tiefer als die unterste Temperatur des Temperaturintervalls. Unter diesen Bedingungen führt ein Abkühlen einer Struktur von inversem Mode und ein Erhitzen einer Struktur von direktem Mode von deren Zusammenbautemperatur auf Temperaturen innerhalb des Temperaturinter-

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valls der Umgebung zu einer Spannung der Membranen, die bei der minimalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls einen endlichen Wert oberhalb 0 aufweist und die mit einem Anstieg der Spannung in Richtung auf die maximale Spanhungstemperatur wächst. Die Zusammenbautemperatur ist so ausgewählt, daß eine maximale Membranspannung bei der maximalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls der Umgebung auftritt, die kleiner als die maximal zulässige Spannung der Membranen ist. Dieses thermische Vorspannverfahren kann für Membranen einerStruktur von konstantem Spannungsmode nicht verwendet werden. Gemäß einem anderen Verfahren zum Vorspannen, das für Strukturen aller drei Moden verwendet werden kann, werden die Membranen unter einer geeigneten Vorspannung mit Hilfe von mechanischen Mitteln gehalten, während sie an ihren Tragringen befestigt werden.

Um eine geeignete Vorspannung der Membranen von künstlichen dielektrischen Strukturen von inversem und direktem Mode zu erzielen, müssen natürlich zwei Faktoren in Betracht gezogen werd.en, nämlich die Spannungsänderung der Membranen aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion der Membranen per se innerhalb des Temperaturintervalls der Umgebung und die Spannungsänderung aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion der Tragringe innerhalb des Temperaturintervalls. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die/elektrischen Strukturen von inversem Mode verwendet werden, die Tragringe für die Membranen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der entweder endlich oder 0 ist. Haben die Tragringe einen endlichen Ausdehnungskoeffizienten, dann muß er bei der Festlegung der geeigneten Vorspannung für die Membran mitberück-

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siehtigt werden. Haben die Tragringe aber einen Ausdehnungskoeffizienten, der gleich 0 oder annähernd 0 ist, muß lediglich der Koeffizient der Membran bei der Festlegung der geeigneten Membranvorspannung berücksichtigt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden künstliche dielektrische Strukturen von inversem Mode verwendet, deren Tragringe einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der im wesentlichen gleich 0 ist. Das bevorzugte Verfahren zum Vorspannen der Membranen ist das thermische Verfahren.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und anhand beigefügter schematischer Darstellungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

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eine Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Stufen beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren von künstlichen dielektrischen Strukturen;

Fig. 7 eine Veranschaulichung der fertigen künstlichen dielektrischen Struktur;

Fig. 8 eine Veranschaulichung einer Einheit einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen künstlichen dielektrischen Struktur; und

Fig. 9 einen Schnitt in Vergrößerung durch ein künstliches dielektrisches Medium gemäß Fig. 8.

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Die künstliche dielektrische, die Phasengeschwindigkeit verändernde erfindungsgemäße Struktur ist gemäß den Fig. 1 bis 7 durch eine künstliche dielektrische Linsenantenne 10 realisiert, die aus einer elektromagnetischen Strahlung, die von einer Sende- bzw. Empfangseinrichtung 1*1 der Antenne ausgeht, ein Parallelbündel macht und die einfallende Strahlung auf die Sende- bzw. Empfangseinrichtung 14 fokusiert. Die Linsenantenne 10 ist aus einer Vielzahl künstlicher dielektrischer Einheiten oder Linseneinheiten 16 aufgebaut, die dicht übereinander koaxial gestapelt sind und mit Hilfe von Spannschrauben 18 zu einer integralen Linsenstruktur fest miteinander verbunden sind. .

Die Linseneinheiten 16 sind untereinander ähnlich und bestehen jeweils im wesentlichen aus einer elastischen dielektrischen Membran 20 und einem relativ starren Tragrahmen oder -ring 22, der entlang seines Umfanges mit der Membran 20 verklebt oder anderweitig befestigt ist. Die einzelnen Tragringe 22 haben alle den gleichen Durchmesser und sind zueinander koaxial Seite auf Seite in Kontakt mit benachbarten Tragringen 22 angeordnet. Die Spannschrauben 18 führen durch die Tragringe 22 hindurch und klemmen diese zur Bildung einer starren Einheit bzw. Linsenantenne 10 zusammen.

Jede Membran 20 ist mit Hindernissen für elektromagnetische Wellen, die im folgenden als elektromagnetische Hindernisse 24 bezeichnet werden, und dielektrischen Bereichen 26, die nach einem vorgegebenen Muster angeordnet sind, versehen, um ein künstliches dielektrisches Medium zu bilden. Die elektromagnetischen Hindernisse 24 und die dielektrischen Bereiche 26 der einzelnen di-

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elektrischen Medien sind so angeordnet, daß sie eine künstliche dielektrische Struktur zur Brechung hindurchgehender elektromagnetischer Wellen darstellen. Bei der dargestellten Linsenstruktur 10 bestehen die Membranen 20 vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff ilm, beispielsweise Mylär oder Kapton. Die elektromagnetischen Hindernisse 24 auf jeder Membran 20 bestehen im wesentlichen aus metallischen Punkten 28 von geeigneter Form (d.h. rund, quadratisch, etc.) und können auf die Membranen 20 nach irgendeinem geeigneten Verfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise werden die metallischen Punkte 28-auf die Membranen entweder durch ein Vakuumablagerung-Pot©ätzverfahren oder ein/Siebdruckverfahren,aufgebracht. Die dielektrischen Bereiche 26 der Membranen 20 bestehen im wesentlir chen aus den freien Bereichen der Membranen zwischen den metallischen Punkten 28. Die metallischen Punkte 28 der einzelnen Membranen 20 sind in Form einer dreidimensionalen Matrixanordnung 30 angeordnet, die gemäß Fig. 7 in Seitenansicht ein Linsenprofil aufweist.

Die genaue räumliche Anordnung"der metallischen Punkte 28 in der dreidimensionalen Linsenmatrixanordnung 30 ist durch die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften der dielektrischen Struktur bzw. der Linsenantenne 10 vorgegeben. Da diese Frage in dem bereits erwähnten Stand der Technik behandelt worden ist, braucht sie hier nicht weiter erörtert zu werden. Es genügt, darauf hinzuweisen, daß die metallischen Punkte 28 auf jeder Membran 20 bei der speziellen dargestellten Linsenantenne 10 in einer Reihe von Kreisen angeordnet sind, die konzentrisch zur gemeinsamen Achse 36 der Tragringe 22 sind. Die metallischen Punkte 28 der einzelnen Membranen 20 sind in Säulen 38 angeordnet, die

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parallel zur Achse 36 verlaufen. Gemäß Fig. 7 verändert sich die Länge der Säulen 38 von der Achse 36 in Richtung auf den Umfang des dreidimensionalen Linsenmartrixanordnung^ so daß das dargestellte Linsenprofil entsteht.

Eine gute Arbeitsweise der künstlichen dielektrischen Linsenantenne 10 erfordert ein genaues Ausrichten des Musters der metallischen Punkte 28 in den einzelnen Säulen 38. Wie bereits erwähnt, hat die Anforderung an die Genauigkeit des Ausrichtens eine Reihe von ernsthaften Problemen bei künstlichen dielektrischen Linsen beschaffen, die für den Betrieb in einer Umgebung bestimmt waren, dessen Temperatur innerhalb eines relativ großen Bereichs schwankte. In einer temperaturmäßig unbeständigen Umgebung erlitten die elektromagnetischen Hindernisse oder Membranen früherer Linsen ein Durchhängen und/oder plastische oder elastische Verformungen, die zu einer Fehlausrichtung bzw. Verschiebung der elektromagnetischen Hindernisse aus der vorgegebenen Anordnung führten.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diesen Nachteil der künstlichen dielektrischen Linsen, die dem Stand der Technik zuzurechnen sind, dadurch zu beheben, daß die einzelnen Membranen 20 der Linsenantenne 10 auf eine Anfangsspannung bei einer gewählten Bezugstemperatur so vorgespannt werden, daß ein Aussetzen der Linsenantenne 10 dem Temperaturintervall der Umgebung dazu führt, daß die Spannung der Membranen/zwischen einer maximalen Spannung, die kleiner als die maximal zulässige Spannung der Membranen ist, und einer endlichen minimalen Spannung schwankt. Demgemäß verbleiben die Membranen 20 ohne plastische Verformung innerhalb des gesamten Temperatur-

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Intervalls der Umgebung gespannt. Zwar ändert sich die Spannung der Membranen 20 mit der Temperatur, aber eine seitliche Verschiebung irgendwelcher vorgegebener Punkte der Membranen 20 findet nicht statt. Die metallischen Hindernisse oder Punkte 28 auf den Membranen 20 verbleiben demnach in exakter Ausrichtung. Dies hat zur Folge, daß die künstliche dielektrische Struktur bzw. die Linsenantenne 10 innerhalb des gesamten Temperaturbereiches der Umgebung leistungsfähig bleibt, d.h. genügende Güte aufweist. Mit anderen Worten besitzt die Linsenantenne 10 hohe thermische Stabilität.

Ein richtiges Vorspannen der Membranen 20, um eine derartige thermische Stabilität zu erhalten, erfordert die Berücksichtigung der Kriech-Charakteristiken der Membranen 20 und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowohl der Membranen 20 als auch der Tragringe 22. D.h. jedes meßbare Kriechen, das in'den Membranen unter Spannungsbelastung auftreten kann, muß dadurch kompensiert werden, daß die Anfangsspannung der Membranen über den Spannungswert erhöht wird, der bei Abwesenheit eines solchen Kriechens genügend sicherstellt, daß die Membranen unter geeigneter Spannung bei einer minimalen Spannungstemperatur der thermisch sich ändernden Umgebung verbleiben, nachdem ein maximales Kriechen der Membranen 20 stattgefunden hat. _m Weiterhin müssen auch die Spannungsänderungen in den Membranen 20, die als Folge der thermischen Expansion und Kontraktion der Membranen 20 selbst und der Tragringe 22 auftreten, beim Vorspannen der Membranen 20 berücksichtigt werden, um einen geeigneten Spannungsbereich für die Membranen in der thermisch sich ändernden Umgebung sicherzustellen.

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Bezüglich der letztgenannten Überlegung soll aus den vorangegangenen Erörterungen nochmal in Erinnerung gerufen werden, daß die Erfindung künstliche dielektrische Strukturen umfaßt, die drei verschiedene Moden der-thermischen Reaktion haben, nämlich einen inversen Mode, bei dem &„ > &„ und die Membranspannung sich invers mit Temperaturänderungen ändert, einen direkten Mode, in dem a_ >' ct„ und die Membranspannung sich direkt mit der Temperatur ändert, und einen konstanten Spannungs-Mode, in dem oc_R ^s oc*. und die Membranspannung im wesentlichen gegenüber Temperaturänderungen konstant ist. Darüber hinaus kann eine künstliche dielektrische Struktur oder Linsenantenne 10 von iriversem Mode einen Tragring 22 für die Membranen 20 haben, dessen Koeffizient der thermischen Ausdehnung entweder endlich oder im wesentlichen gleich 0 ist. Im Falle eines endlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Tragringes 22 muß dieser, wie bereits erwähnt, bei der Bestimmung der geeigneten Vorspannung für die Membran 20 berücksichtigt werden. Ist der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Tragringes 22 gleich 0, muß lediglich der Koeffizient der thermischen Ausdehnung der Membran 20 bei der Bestimmung der geeigneten Vorspannung für die Membran 20 in Betracht gezogen werden. Wie beim Vorspannen der Membranen 20 vorgegangen wird, wird noch erläutert.

Es mag wünschenswert sein, die aktiven künstlichen dielektrischen Membranen 20 von der Umgebung, in der die Linsenantenne 10 verwendet wird, thermisch zu isolieren, um ein Einwirken der Temperaturschwankungen der Umgebung auf die Membranen 20 zu minimalisieren. Deswegen ist die dargestellte künstliche dielektrische Linsenantenne 10 an beiden gegenüberliegenden Seiten des aus den künstlichen dielektrischen Linseneinheiten

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16 bestehenden Stapels mit "blinden" dielektrischen Einheiten 40 versehen, die als thermische Isolatoren wirken. Die "blinden" dielektrischen Einheiten 40 sind gleich den künstlichen dielektrischen Einheiten 16, außer daß die Membranen 20 der "blinden" dielektrischen Einheiten 40 keine elektromagnetischen Hindernisse 24 oder leitenden Punkte 28 aufweisen.

Die Fig. 1 bis 6 veranschaulichen das Herstellungsverfahren einer künstlichen dielektrischen Linsenantenne 10. In einer ersten Verfahrensstufe werden die Tragringe 22 und eine gleiche Anzahl von Membranrohlingen 44 (Fig. 1) hergestellt, wobei die Membranrohlinge 44 etwas größer als die Tragringe 22 sind.

In einer zweiten Verfahrensstufe (Fig. 2) werden die Membranrohlinge 44 in der Weise mit den Tragringen verbunden, daß die Membranen 20 der fertiggestellten Linsenantenne 10 mit einer geeigneten, sich bei einer Bezugstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, einstellenden Anfangsspannung vorgespannt sind, um die Membranen 20 gespannt zu halten, ohne daß dabei deren maximal zulässige Spannung innerhalb einer vorgegebenen Betriebslebensdauer und innerhalb des gesamten Temperaturintervalls der ,Umgebung, in der die Linsenantenne 10 betrieben wird, überschritten wird. Das Vorspannen der Membranen 20 kann auf verschiedenen Wegen durchgeführt werden.

Beispielsweise können die Membranrohlinge 44 mechanisch auf die geeignete Anfangsspannung bei Raumtemperatur gespannt werden, während sie mit den Tragringen 22 verbunden werden. Dieses mechanische Verfahren des Vorspannens kann bei allen drei Arten von künstlichen

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dielektrischen Strukturen oder Linsenantennen 10 verwendet werden, d.h. bei Linsenantennen 10 von inversem Mode, direktem Mode und konstantem Spannungs-Mode.

Ein geeignetes mechanisches Vorspannen von Membranen 20 bei der Linsenantenne 10 mit konstantem Spannungs-Mode verlangt offensichtlich nur ein Anordnen der Membranrohlinge 44 unter genügender Spannung, um die Membranen 20 geeignet gespannt für den Zweck einer Linsenantenne 10 zu machen, und ein anschließendes Verkleben oder anderweitiges Befestigen der gespannten Membranrohlinge 44 auf den Tragringen 22 in der Weise, daß die Membranen 20 ihre Anfangsspannung beibehalten. Die Membranen 20 behalten diese Spannung innerhalb des Temperaturintervalls, in dem sich die Umgebung ändert, bei, da die Membranspannung bei Linsenantennen 10 von konstantem Spannungs-Mode innerhalb des genannten Temperaturxntervalls konstant bleibt. Falls Linsenantennen 10 von inversem und direktem Mode hergestellt werden sollen, „muß die Vor- bzw. Anfangsspannung der Membranen 20 aufgrund der folgenden Überlegungen bestimmt werden.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird die Anfangs- oder Vorspannung dadurch bei Membranen 20 von Linsenantennen 10 mit inversem und direktem Mode aufgebaut, daß die Membranrohlinge 44 mit den Tragringen 22 verklebt werden, wobei sie weder durchhängen noch gespannt sind und bei Linsenantennen 10 mit inversem Mode auf eine erhöhte Temperatur (Zusammenbau-Temperatur) , die höher als die höchste Temperatur des thermischen Intervalls, in dem die Linsenantenne 10 verwendet werden soll, liegt, erhitzt werden und bei Linsenantennen 10 mit direktem Mode auf

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eine Temperatur abgekühlt werden, die tiefer als die niedrigste Temperatur des genannten Temperaturintervalls ist. Anschließendes Abkühlen von verklebten Membranen 20 und Tragringen 22 mit inversem Mode oder Erhitzen von Membranen 20 und Tragringen 22 mit direktem Mode von der Zusammenbau-Temperatur auf eine vorgegebene, hier als Bezugstemperatur gekennzeichnete Temperatur innerhalb des Temperaturintervalls der Umgebung, bewirkt in den Membranen. 20 eine Spannung, die hier als Anfangs- oder Vorspannung bezeichnet wird und die eine Punktion der Differenz zwischen der Zusammenbau-Temperatur und der Bezugstemperatur, der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Membranen 20 und der Tragringe 22 und bestimmter anderer Paktoren ist, was im einzelnen noch erläutert wird. Die SpannungsSchwankung der Membran 20 geht von der Anfangsspannung aus und schwankt als Punktion der Temperaturveränderung zwischen den Extrempunkten des Temperaturintervalls innerhalb einer minimalen und einer maximalen Spannung.

Es ist nun verständlich, daß die minimale und maximale Spannung, die in den Membranen 20 auftreten, wenn diese der thermisch sich ändernden Umgebung, in der die künstliche dielektrische Linsenantenne 10 betrieben werden soll durch die Zusammenbau-Temperatur, bei der die Membranen 20 und die Tragringe 22 miteinander verbunden werden, bestimmt ist. Gemäß der Erfindung ist die Zusammenbau-Temperatur so ausgewählt, daß die Membranen 20 auch bei der minimalen Spannungs-Temperatur der Umgebung eine minimale, aber endliche Spannung, die noch eine genügende Güte der Linsenantenne 10 bzw. eine zufriedenstellende Leistung

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derselben sicherstellte aufweisen. Die Zusammenbau-Temperatur ist also so ausgewählt, daß die Membranen 20 bei der maximalen Spannungs-Temperatur der Umgebung eine maximale Spannung aufweisen, die kleiner oder gleich der maximal zulässigen Spannung ist.

Im Hinblick auf die Auswahl der Zusammenbau-Temperatur kann gezeigt werden, daß sich das thermische Verhalten jeder künstlichen dielektrischen Linseneinheit 16 durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt:

S =

<^TR - ^TA>

T₁

οι.

bedeuten.

Zusammenbau-Temperatur Bezugstemperatur

Spannung in der Membran 20 bei der Bezugstemperatur T_R (es wird vorausgesetzt, daß die Membran 20 und der Tragring 22 miteinander verbunden wurden, ohne daß die Membran 20 durchhing oder gespannt war)

Elastizitätsmodul der Membran 20 Poisson-Zahl der Membran 20 thermischer Koeffizient der Membran 20 thermischer Koeffizient des Tragringes 22

Offensichtlich erlaubt die obige Gleichung eine Bestimmung der notwendigen Zusammenbau-Temperatur T., um vorgewählte

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minimale und maximale Spannungen in den Membranen 20 der dielektrischen Linsenantenne 10 zu erreichen, wenn letztere dem Temperaturintervall der Umgebung ausgesetzt ist. Demgemäß können für die dielektrischen Linseneinheiten 16 bei vorgegebenen Maßen und Materialien von Membran 20 und Ring 22 und vorgegebener minimaler und maximaler Temperatur der Umgebung aus obiger Gleichung sowohl die Membranspannung, die bei diesen Temperaturen herrscht, falls die Zusammenbau-Temperatur T_A vorgegeben ist, oder die Zusammenbau-Temperatur T_A, die notwendig ist, um.eine minimale und maximale Spannung in den Membranen 20 hervorzurufen, berechnet werden. Die richtige Zusammenbau-Temperatur T_A, die für eine gewünschte minimale, aber endliche Spannung in den Membranen 20 bei der minimalen Spannungstemperatur der Umgebung und für eine maximale Membranspannung, die kleiner oder gleich der maximal zulässigen Membranspannung ist, sorgt, kann also leicht aus obiger Gleichung berechnet werden.

Es wird nochmal, darauf hingewiesen, daß die Gleichung zur Bestimmung der Zusammenbau-Temperatur T. sowohl bei künstlichen dielektrischen Linsenantennen 10 mit direktem als auch mit indirektem Mode verwendet werden kann. Für Linsenantennen mit konstantem Mode, d.h. (>^j = ⁰^, ergibt die Gleichung den Wert 0. Dieses Ergebnis bedeutet natürlich, daß Temperaturechwankungen keine Spannungsänderungen in den Membranen 20 hervorrufen und daß die in den Membranen herrschende Spannung innerhalb des gesamten Temperaturintervalls der Umgebung einen konstanten Wert hat, und zwar .den Wert, auf den die Membranen 20 beim Zusammenbau mechanisch gebracht

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worden sind.

Die Gleichung kann ebenfalls dazu verwendet werden, die geeignete Membranspannung zu bestimmen, wenn die Membranen 20 von Linsenantennen 10 mit direktem oder indirektem Mode mechanisch gespannt werden. In diesem Fall muß die mechanisch bewirkte Vorspannung in den Membranen 20 zum Spannungswert S, der sich aus obiger Gleichung ergibt, addiert werden, um die Gesamtmembranspannung im Temperaturintervall der Umgebung zu erhalten.

Beim Vorspannen der Membranen 20 in der oben beschriebenen Weise muß jegliches Kriechen, das in den Membranen 20 nach der Verbindung der Membranrohlinge 44 mit den Tragringen 22 auftreten kann, dadurch kompensiert werden, das die aus der obigen Gleichung berechnete Zusammenbau-Temperatur T. oder die mechanisch hervorgerufene Vorspannung soweit angepaßt wird, daß die Membranvorspannung um einen Betrag vergrößert wird, der gleich dem Spannungsabfall aufgrund des Kriechens ist.

Die Gleichung berücksichtigt Spannungsänderungen in den Membranen 20, die von der Expansion und Kontraktion sowohl der Membranen 20 selber als auch der Tragringe 22 herrühren. Gemäß einem bevorzugten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird der Effekt, den die Tragringe 22 auf die Membranspannung ausüben dadurch verringert oder eliminiert, daß Tragringe 22 verwendet werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient relativ niedrig und vorzugsweise gleich 0 ist. Tragringe 22 mit verschwindendem Ausdehnungskoeffizienten, d.h. der Ausdehnungskoeffizient ist gleich 0, können dadurch hergestellt werden, daß ringförmige Schichten aus Graphitfasern, wobei die Pasern eine allgemeine

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Orientierung in Umfangsrichtung aufweisen, mit Epoxidharz imprägniert werden. Die einzelnen Schichten jedes Ringes können quersträhnig zueinander angeordnet werden, d.h. die Paserrichtungen von zwei verschiedenen Schichten weisen untereinander einen Winkel auf, wobei eine Faserorientierung gewählt wird, die bezüglich der Haltbarkeit und Ausdehnbarkeit optimal ist. Da die Fasern selbst einen negativen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung in Längsrichtung haben, kann der Grad der Ausdehnbarkeit mit Hilfe der Faserorientierung und des relativen Volumens der Epoxidharzform auf annähernd 0 eingestellt werden. Die Tragringe 22 können aber auch aus einem Material, beispielsweise dem von der Firma DuPont Co. unter der Handelsbezeichnung vertriebenen PRD-49, welches einen genügend niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, oder aus einem Metall mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise dem von der Firma Carpenter Steel Co. vertriebenen Invar, druckgeformt oder gegossen werden.

Nach einer Verbindung der Tragringe 22 mit den Membranrohlingen 44 unter den für das Vorspannen der Membranen 20 geeigneten beschriebenen Bedingungen werden die Membranrohlinge 44 bündig mit den Außenkanten der Tragringe 22 abgeschnitten (Fig. 3)· In den Tragringen 22 werden dann Bohrungen (Fig. 4) angebracht, um durchgängige Löcher 46 für die Spannschrauben 18 und Ausrichtlöcher 47 herzustellen.

Die bisher beschriebenen Verfahrensstufen führen mit Ausnahme der Tatsache, daß die metallischen Punkte noch nicht in den richtigen Mustern auf den Membranen 20 aufgebracht sind, zur vollständigen Herstellung der dielektrischen Linseneinheiten 16. Die metallischen

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Punkte 28 können auf den Membranen in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise dem in Fig. 5 veranschaulichten Seidensiebdruckverfahren aufgebracht werden. In der Fig. 5 wird eine Siebdruckmaske 48 mit einem geeigneten Lochmuster 50 für jede Membran 20 vorbereitet. Die Siebdruckmaske 48 wird dann mit der ihr zugeordneten Membran 20 mit Hilfe der Ausrichtlöcher 47 ausgerichtet und in engem flächenmäßigem Kontakt mit der Membran 20 gehalten. Dann wird eine metallische Schicht, die sich für das Siebdruckverfahren eignet, auf die Siebdruckmaske 48 gegeben. Diese Schicht durchdringt die Löcher des Lochmusters 50 in der Siebdruckmaske 48 und erzeugt die metallischen Punkte 28 auf der Membran 20. Die metallischen Punkte 28 werden in der Weise auf die Membranen 20 aufgebracht und mit den Ausrichtlöchern 47 ausgerichtet, daß nach einem endgültigen Zusammenbau der einzelnen dielektrischen Linseneinheiten i6 zu einem Stapel, wobei die dielektrischen Linseneinheiten 16 mit Hilfe von Ausrichtstiften, die durch die Ausrichtlöcher 47 geführt werden, ausgerichtet und mit Hilfe der Spannschrauben 18 miteinander fest verbunden werden, um eine vollständige Linsenantenne gemäß Fig. 6 zu bilden, daß sie auf den einzelnen Membranen 20 so in Säulen 38 ausgerichtet sind, daß sie die gewünschte dreidimensionale Linsenmatrixanordnung 30 bilden. Die für die thermische Isolation verwendeten "blinden" dielektrischen Einheiten 40 werden im Falle ihrer Verwendung mit den künstlichen dielektrischen Linseneinheiten 16 zusammengebaut.

Die oben beschriebene künstliche dielektrische Linsenantenne 10 ist eine Phasenverzögerungslinse bzw. Verzögerungslinse. Die in den Fig. 8 und 9 veranschaulichte

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künstliche dielektrische, die Phasengeschwindigkeit verändernde Struktur 1OA ist darüber hinaus auch eine die Phasengeschwindigkeit beschleunigende Struktur bzw. Beschleunigungslinse. Die letztgenannte Struktur ist identisch zur Linsenantenne 10 und wird in der gleichen Weise wie diese hergestellt, außer daß das elektromagnetische Hindernis 24a auf jeder Membran 20A aus einer metallischen Schicht 28A besteht, die auf die eine Oberfläche der Membran 2OA aufgebracht und mit einem durch die Schicht 28a hindurchgehenden Lochmuster 29A versehen ist. Diese Art der künstlichen dielektrischen Struktur wird als Phasenbeschleunigungsdielektrik bzw. Beschleunigungslinse bezeichnet, da deren Brechungsindex kleiner als 1 ist, während der Brechungsindex einer Verzögerungsdielektrik bzw. Verzögerungslinse einen Brechungsindex aufweisen, der größer als 1 ist. Die Wirkungsweise beider künstlicher dielektrischer Strukturen ist aus dem zitierten Stand der Technik bekannt und muß. daher hier nicht erläutert werden.

Für einen Fachmann ist es klar, daß die erfindungsgemäße künstliche dielektrische, die Phasengeschwindigkeit verändernde Struktur auch für andere Zwecke verwendet werden kann als nur für eine Linsenantenne, anhand deren die Erfindung beschrieben wurde. Beispielsweise können derartige künstliche dielektrische Strukturen durch Anordnung der. elektromagnetischen Hindernisse auf der Membran in Form einer entsprechenden dreidimensionalen Matrixanordnung dazu bestimmt werden, als Frequenzselektoren bzw. -filter, Prismen und fokusierende Einrichtungen verwendet zu werden.

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Patentansprüche:

Claims

PATENTANSPRÜCHE

f ly Maßbeständige, künstliche dielektrische Einheit ^ zum Zusammenbau mit anderen ähnlichen Einheiten zu einer künstlichen dielektrischen, die Phase ändernden Struktur, die in einer Umgebung verwendet wird, deren Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß sie

einen relativ starren Tragring (22) mit einer zentralen Öffnung, eine dielektrische Membran (20, 20A), die sich über die öffnung des Tragrings (22) erstreckt und mit dem Tragring (22) entlang dessen Umfang verbunden ist;

elektromagnetische Hindernisse (24, 2^A), die . auf der Membran (20, 20A) aufgebracht sind und mit ihr ein künstliches dielektrisches Medium bilden, aufweist; und

daß die Membran (20, 20A) auf eine Anfangsspannung bei einer ausgewählten Bezugstemperatur (T_R) vorgespannt ist, so daß das Temperaturintervall, dem die künstliche dielektrische Einheit (16) ausgesetzt ist, zu einer Spannung in der Membran (20, 20A) führt, die zwischen einem endlichen Spannungswert, der aber größer als Null ist und sich bei der minimalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls einstellt, und einem

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maximalen Spannungswert, der kleiner oder gleich der maximal zulässigen Spannung der Membran (20, 20A) ist und sich bei der maximalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls einstellt, schwankt, wobei die Membran (20, 20A) gespannt bleibt und die elektromagnetischen Hindernisse (2¹I, 24a) innerhalb des gesamten Temperaturintervalls in einer bezüglich des Tragrings (22) ortsfesten Lage verbleiben.
2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) aus einem dielektrischen Film und das elektromagnetische Hindernis aus einer Anordnung von diskreten elektromagnetischen, auf der Membran (20) aufgebrachten Hindernissen (24) besteht.
3. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20A) aus einem dielektrischen Film und das elektromagnetische Hindernis (24A) aus einer auf einer Oberfläche der Membran (20A) aufgebrachten metallischen und mit einem Lochmuster (29A) versehenen Schicht (28A) besteht, wobei die Löcher durch die Schicht (28A) hindurchgehen.
4. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20, 20A) und der Tragring (22) thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die im wesentlichen einander gleich sind.
5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20, 20A) und der

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Tragring (22) thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die voneinander verschieden sind.
6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Tragrings (22) annähernd gleich Null ist. .
7. Maßbeständige, künstliche dielektrische, die Phase ändernde Struktur zur Verwendung in einer Umgebung, deren Temperatur innerhalb eines, gegebenen Temperaturintervalls schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß sie

einen Stapel aus künstlichen dielektrischen Einheiten (16), von denen jede im wesentlichen aus einem relativ starren Tragring (22) mit einer zentralen öffnung, einer dielektrischen Membran (20, 20A), die sich quer über die öffnung des Tragrings (22) erstreckt und mit diesem entlang dessen Umfang fest verbunden ist, elektromagnetischen Hindernissen(24, 24A), die auf der Membran (20, 20A) aufgebracht sind und mit dieser ein künstliches dielektrisches Medium bilden, besteht, wobei die Membran (20, 20A) auf eine Anfangsspannung bei einer ausgewählten Bezugstemperatur (T_R) in der Weise vorgespannt ist, daß sich die Spannung in der Membran (20, 20A) durch die Einwirkung der Temperaturänderung auf die künstliche dielektrische, die Phasengeschwindigkeit ändernde Struktur (10) innerhalb des TemperaturIntervalls zwischen einem endlichen, über Null liegenden Spannungswert bei der minimalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls und einem maximalen Spannungswert, der größer oder gleich der maximal

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zulässigen Spannung der Membran ist, bei der maximalen Spannungstemperatur des Temperaturintervalls ändert, wobei die Membran (20, 20A) innerhalb des Temperaturintervalls gespannt bleibt und die elektromagnetischen Hindernisse (24, 24a) bezüglich des Tragringes (22) ortsfest bleiben; und

Befestigungsmittel (18) aufweist, welche die Tragringe (22) zusammenhalten, um der künstlichen dielektrischen Struktur (10, 10A) eine strukturelle Einheit zu geben, wobei die elektromagnetischen Hindernisse (24, 24A) auf den einzelnen Membranen (20, 20A) innerhalb des Temperaturintervalls relativ zueinander ortsfest bleiben; und

daß die künstlichen dielektrischen Einheiten(16) ko axial und dicht übereinander, wobei sich ihre Flächen zukehren, gestapelt sind, wobei die Membranen (20, 20A) der benachbarten künstlichen dielektrischen Einheiten (16) durch die Tragringe (22) voneinander im Abstand gehalten sind.
8.. Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran (20) im wesentlichen aus einem dielektrischen Film und das elektromagnetische Hindernis,im wesentlichen aus einer Anordnung von diskreten auf jeder Membran (20) aufgebrachten elektromagnetischen Hindernissen (24) besteht.
9. Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran (20A) im wesentlichen aus einem

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dielektrischen Film und das elektromagnetische Hindernis im wesentlichen aus einer auf die eine Oberfläche jeder Membran (20A) aufgebrachten metallischen und mit einem Lochmuster (29A) versehenen Schicht (28A) besteht, wobei die Löcher durch die metallische Schicht (28A) hindurchgehen.
10. Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die als thermische Isolatoren verwendeten und an den Enden jedes Stapels angeordneten "blinden" dielektrischen Einheiten (40) im wesentlichen jeweils aus einem Tragring (22) und einer dielektrischen Membran (20, 20A) bestehen, die am Tragring (22) befestigt ist und sich über dessen zentraler öffnung erstreckt.
11. Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (20, 20A) und die Tragringe (22) thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die im wesentlichen einander gleich sind.
12. Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (20, 20A) thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die von denen der Tragringe (22) verschieden sind.
13. Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet,'daß der thermische Ausdehnugnskoeffizient des Tragrings (22) annähernd gleich Null ist.

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Verfahren zur Herstellung einer maßbeständigen, künstlichen dielektrischen Einheit zum Zusammenbau mit anderen Einheiten zu einer künstlichen dielektrischen, die Phase ändernden Struktur, welche in einer Umgebung verwendet wird, deren Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Verfahrensstufen aufweist:

die Auswahl eines relativ starren Tragrings (22) mit einer zentralen öffnung und einer dielektrischen Membran (20, 20A); und

die Befestigung der Membran (20, 20A) am Tragring (22) entlang seines Umfangs, wobei sich die Membran (20, 20A) quer über die gesamte Zentralöffnung des Tragrings (22) erstreckt und die Membran (20, 20A) in einem Zustand gehalten wird, der ein Vorspannen der.Membran (20, 20A) auf eine Anfangsspannung bei einer ausgewählten Bezugstemperatur (T_R) innerhalb des Temperaturbereiches in der Weise bewirkt, daß die innerhalb des Temperaturintervalls auftretenden Temperaturänderungen bei der künstlichen dielektrischen Einheit (16) dazu führen, daß die Spannung der Membran (20, 20A) zwischen einem endlichen, über Null liegenden minimalen Spannungswert bei der minimalen Spannungstemperatur und einem maximalen, unter der maximal zulässigen Spannung der Membran (20, 20A) liegenden Spannungswert bei der maximalen Spannungstemperatur schwankt, wobei die Membran (20, 20A) innerhalb des gesamten Temperaturintervalls gespannt und die elektromagnetischen Hindernisse (24, 24A) bezüglich des Tragrings (22) ortsfest bleiben.

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15· Verfahren nach Anspruch I¹I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran (20, 20A) ausgewählt wird, deren thermischer' Ausdehnungskoeffizient größer als der des Tragrings (22) ist, und die Membran (20, 20A) oder der Tragring (22) bei einer über der höchsten Temperatur des Temperaturintervalls liegenden Zusammenbau-Temperatur (T.) miteinander verbunden werden, so daß ein Abkühlen der Membran (20, 20A) und des Tragrings (22) auf eine Temperatur innerhalb des Temperaturintervalls zu der Anfangs- bzw. Vorspannung der Membran (20, 20A) führt.

l6. Verfahren nach Anspruch IH, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tragring (22) ausgewählt wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient grosser als der der Membran (20, 20A) ist, und die Membran (20, 20A) und der Tragring (22) bei einer Zusammenbau-Temperatur (^T _A)» ^di^e unter der tiefsten Temperatur des Temperaturintervalls liegt, miteinander verbunden werden, so daß ein Erwärmen der Membran (20, 20A) und des Tragrings (22) auf eine Temperatur innerhalb des Temperaturintervalls die Membran (20, 20A) auf die Anfangs- bzw. Vorspannung vorspannt.

WW.-4HG S. STABS«

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