DE2614133C3 - Dielektrische Kugellinsenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Kugellinsenantenne mit innerhalb eines Weitwinkelbereichs veränderbarer Abstrahlrichtung, bestehend aus einer dielektrischen Kugellinse und einer Speiseeinrichtung zum Erregen einer wählbaren Zone der Linsenoberfläche.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 21 494 ist eine Antennenanordnung mit einer aus einem verlustarmen, homogenen oder geschichteten Dielektrikum bestehenden Kugellinse, z. B. der sogenannten Luneberg-Linse, und sehr vielen Einzelstrahlern bekannt Diese besetzen eng einenTeil der Linsenoberfläche und werden durch nebeneinander angeordnete, offene Hohlleiter gebildet, deren Aperturen die Kollektorstrahler einer Linse darstellen. Die Emitterstrahler dieser Linse, mit denen die Kollektorstrahler über die Hohlleiter verbunden sind, werden von einem zur Änderung der Abstrahlrichtung auf einem Kreisbogen bewegbaren, jeweils zwei benachbarte Hohlleiteröffnungen versorgenden Hornstrahler gespeist Wird einer dieser Strahler gespeist so strahlt die Linse in der

Μ entgegengesetzten Richtung einen gebündelten Strahl ab. Die strahlende Apertur entspricht etwa dem Linsendurchmesser. Der Auslenkbereich der Strahlungskeulen ist ein Kegel mit einem öffnungswinkel von maximal etwa 100°. Besetzen die Strahler einen größeren Bereich der Kugellinsenoberfläche, so schatten diese einen Teil der Strahlung ab. Eine Rundumstrahlung im ganzen oberen Halbraum ist damit also nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwenkstrahl-Antennenanordnung mit einer dielektrischen Kugellinse so auszubilden, daß keine Strahlungsabschattungen stattfinden und somit eine gebündelte Abstrahlung über einen erheblich größeren Winkelbereich möglich ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Speiseeinrichtung eine ebene phasengesteuerte Strahlergruppe ist, welche unterhalb der Kugellinse angeordnet und deren Strahlung mittels Einzelstrahlphasensteuerung auf verschiedene Zonen der Linsenoberfläche fokussierbar ist.

■to Die jeweils fokussierte Zone entspricht etwa einem Hornerreger bei der aus der DE-OS 24 21494 bekannten Linsenantenne. Die Hauptstrahlrichtung der durch die Kugellinse gebündelten Strahlung liegt dann der fokussierten Zonen gegenüber.

Aus der US-PS 38 35 469 ist eine Antennenanordnung bekannt, die mit der Antenne nach der Erfindung gewisse Ähnlichkeiten aufweist. Diese bekannte Anordnung weist eine phasengesteuerte Strahlergruppe und eine bündelnde passive Linse als Speisesystem auf, dessen Strahlen mittels der Phasensteuerung auf die Brennpunkte einer passiven Aperturlinse fokussierbar sind. Diese zuletztgenannte Linse ist allerdings keine Kujjellinse, sondern eine ebene oder konkave Linse. Mit dieser bekannten Antenne läßt sich keine größere Raumüberdeckung erreichen als mit einer einfachen ebenen phasengesteuerten Strahlergruppe ohne die Linsenzusätze.

Eine RundumUberdeckung durch eine einzige ebene phasengesteuerte Strahlergruppe ist zwar bereits

Μ bekannt. Sie ist jedoch nur möglich, wenn die Gruppe gleichzeitig in der Horizontalebene mechanisch gedreht wird. Ist die mechanische Drehbewegung aufgrund der Systemspezifikation nicht zulässig, so sind mehrere ebene phasengesteuerte Strahlergruppen erforderlich,

μ die je einen bestimmten Raumsektor ausleuchten. Ein Antennenkonzept dieser Art hat zwar eine äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch ist der Aufwand infolge der Notwendigkeit von mehreren vollständig ausgerüsteten

Antennensystemen für die praktische Realisierung zu hoch.

Der Effekt, daß bei der Antennanordnung nach der Erfindung bei schrägem Strahleinfall auf der Linsenoberfläche die Strahlrichtung aufgrund der geneigten Phasenfront etwas vom Zentralstrahl abweicht und somit das Diagramm verschlechert wird, läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch beseitigen, daß eine Baueinheit vorgesehen ist, welche aus Kollektorstnthlern zur Aufnahme der von der phasengesteuerten Strahlergruppe kommenden Strahlung, aus an der Linsenoberfläche angebrachten Emitterstrahlern und aus Verbindungsleitungen zwischen den Kollektor- und Emitterstrahlern besteht, in welchen gegebenenfalls Laufzeitunterschiede ausgeglichen werden.

Ein noch größerer Auslenkbereich läßt sich dadurch erreichen, daß die dielektrische Kugellinse von einem sich nach oben verjüngenden, kegelstumpfförmig ausgebildeten Reflektor umgeben ist, der aus um 45° zur Mantellinie des Kegelstumpfes geneigten Paralleldrähten oder -lamellen besteht und im Strahlauslenkbereich der phasengesteuerten Strahlergruppe liegt un^ daß die lineare Polarisationsrichtung des von der phasengesteuerten Strahlergruppe abgestrahlten elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit von der jeweiligen azimutalen Strahlrichtung stets so gesteuert ist, daß sie im abgestrahlten Bereich des Reflektors möglichst parallel zu den Reflektordrähten bzw. -lamellen ist. Bei paralleler 45°-Polarisation wird die Strahlung umgelenkt, so daß auch seitliche Oberflächenbereiche der Linse angestrahlt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Drahtgitter des Kegelstumpfreflektors orthogonal gerichtet und die Strahlung geht weitgehend ungestört hindurch. Dieses Verfahren ist bei der sogenannten Helisphere-Anordnung bekannt (Hansen: Microwave Scanning Antennas, Band 1, Seite 221). Es gelingt dadurch sogar, die Strahlrichtung der Linsenantenne bis etwas unterhalb des Horizontes zu bringen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der drehsymmetrische Kegelstumpfreflektor doppelt gekrümmt ausgebildet ist, derart, daß die von der phasengesteuerten Strahlergruppe kommende und an ihm reflektierte Strahlung stets senkrecht auf die Linsenoberfläche auftrifft. Soll auch die direkte Strahlung, ti. h. die nicht am Kegelstumpfreflektor umgelenkte Strahlung, senkrecht auf die Kugellinse auftreffen, so wird zweckmäßig die bereits beschriebene Baueinheit mit den Kollektor- und Emitterstrahlern in diesem Strahlungsbereich verwendet.

Die Erfindung wird anhand von drei in jeweils einer Figur dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schnittdarstellung einer dielektrischen Kugellinsenantenne nach der Erfindung mit einem einfach gekrümmten Kegelstumpfreflektor,

Fig.2 die Schnittdarstellung einer dielektrischen Kugellinsenantenne nach der Erfindung mit einem doppelt gekrümmten Kegelstumpfreflektor,

Fig.3 in einer Schnittdarstellung eine dielektrische Kugeilinsenantenne entsprechend derjenigen nach Fig. 2, jedoch mit einer zusätzlichen Baueinheit, bestehend aus Emitter- und Kollektorstrahlern.

Bei der Antennenanordnung nach Fig. 1 wird mit einer ebenen, phasengesteuerten Strahlergruppe 1 die Strahlung nacheinander auf unterschiedliche Zonen der Oberfläche 3 einer dielektrischen Kugellinse 4, d. h.

einer kugelförmig ausgebildeten Linse aus einem verlustarmen, homogenen oder geschichteten Dielektrikum, fokussiert Im Beispiel ist dazu der Strahl 2 darstellt Die Hauptstrahlrichtung der durch die Linse 4 gebündelten Strahlung liegt dann der fokussierten Zone gegenüber. Bei schrägem Einfall auf der Linsenoberfläche 3 weicht die Strahlrichtung auf Grund der geneigten Phasenfront geringfügig vom Zentralstrahl ab, was anhand des aus der Kugellinse 4 austretenden Strahls 2

ίο verdeutlicht wird. Mit M ist der Mittelpunkt der Kugellinse 4 bezeichnet, für die eine Luneberg-Linse verwendet werden kann, welche einen vorgegebenen Verlauf der Dielektrizitätskonstante über den Querschnitt aufweist

Ein größerer Auslenkbereich wird durch einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Reflektor 5 aus Dielektrikummaterial mit einem eingelegten Paralleldrahtgitter erreicht Das Gitter liegt unter 45° zur Mantellinie des Kegelstumpfreflektors 5. Je nachdem, ob die Polarisationsrichtung der Strahlergruppe 1 parallel oder senkrecht zu den Drähter :es Gitters liegt, erfolgt Reflexion oder Durchgang der Strahlung. Bei paralleler 45°-Polarisation wird die Strahlung umgelenkt, so daß auch seitliche Oberflächenbereiche der Linse 4 angestrahlt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Drahtgitter im Kegelstumpfreflektor orthogonal gerichtet und die Strahlung kann weitgehend ungestört passieren.

Es gelingt durch diese Maßnahme, die Strahlrichtung

jo der Linsenantenne sogar bis etwas -interhalb des Horizontes zu richten. Die phasengesteuerte Strahlergruppe 1 muß außer unterschiedlichen Strahlrichtungen, z. B. 6 und 7, und verschiedenen Bündelungen eine vom Azimut abhängige Polarisationsrichtung haben. Bei der

J5 Umlenkung wird die Fokussierung, entsprechend dem größeren Abstand und der Reflektorkrümmung korrigiert, vergleiche beispielsweise die Strahlen 6 und 7. Der Durchmesser D der ebenen Strahlergruppe 1 ist geringer bemessen als der Durchmesser der KugeMinse

4. Er muß aber so groß sein, daß eine Fokussierung auf der Linsenoberfläche 3 möglich ist, d. h. der Abstand nicht größer wird als der Rayleigh-Bereich ( = D²/2Ä), wobei λ die Betriebswellenlänge ist.

Fig.2 zeigt eine Antennenanordnung, welche in

■»5 gleicher Weise wie diejenige nach F i g. 1 arbeitet Sie enthält jedoch eine Verbesserung aufgrund der Verwendung eines geeignet gekrümmten drehsymmetrischen Kegelstumpfreflektors 8, welcher im Anstrahlungsbereich der phasengesteuerten Strahlergruppe 1 liegt, die die Strahlauslenkung, Fokussierung und Polarisationsdrehung bewirkt. Der Reflektor 8 ist so geformt, daß die reflektierte Strahlung immer senkrecht auf die Oberfläche der Linse 4 fällt Als Beispiel hierfür sind die Strahlen 9, 10, 11 und 12 dargestellt Dabei ist das im Kegelstumpfreflektor eingelegte Paralleldrahtgitter an die Krümmung angepaßt und liegt angenähert unter 45°. In diesem Ausführungsbeispiel trifft die direkte Strahlung mit Ausnahme des Zentralstrahls nicht senkrecht au? die Kugellinse 4. Als Beispiel hierfür

W) sind die Strahlen {3 und 14 eingezeichnet, die nicht genau gegenüber von der Eintrittsstelle in die Kugellinse 4 bezogen auf den Mittelpunkt M austreten (Winkelabweichung).

Soll auch die direkte Strahlung von der phasengesteu-

iv'i erten Strahlergruppe 1, welche die Strahlauslenkung. Fokussierung und Polarisationsdrehung bewirkt, auf der Kugellinse 4 senkrecht auftreffen, so wird das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendet. Dabei

werden zwei Hornstrahlgruppen, nämlich die Kollcktorgruppe 21 und die Emittergruppe 22 verwendet. Zwischen der sphärisch angeordneten Kollektorstrahlergruppe 21 und der auf der Kugeloberfläche liegenden Emitterstrahlergruppe 22 sind Leitungen 23 eingeschaltet, welche eventuelle Laufzeitunterschiede ausgleichen. Die an sich direkt auf die Kugellinse 4 auftreffenden Strahlen 15, 16 und 20 durchlaufen zu räumlich zugeordneten Kollektor- und Emil bevor sie die Kugellinse 4 selbst passieren. C 17, 18 und 19 werden am doppelt g Kcgelstumpfreflektor 8 so umgelenkt, daß s senkrecht auf die Kugellinse 4 treffen und Winkelabweichung durchlaufen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Dielektrische Kugellinsenantenne mit innerhalb eines Weitwinkelberejchs veränderbarer Abstrahleinrichtung, bestehend aus einer dielektrischen Kugellinse und einer Speiseeinrichtung zum Erregen einer wählbaren Zone der Linsenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtung eine ebene phasengesteuerte Strahlergruppe (1) ist, welche unterhalb der Kugellinse (4) angeordnet und deren Strahlung mittels Einzelstrahlerphasensteuerung auf verschiedene Zonen der Linsenoberfläche (3) fokussierbar ist.

2. Kugellinsenantenne nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellinse (4) von einem sich nach oben verjüngenden, kegelstumpfförmig ausgebildeten Reflektor (5) umgeben ist, der aus um 45° zur Mantellinie des Kegelstumpfes geneigten Paralleldrähten oder -lamellen besteht und im Strahlauslenkbereich der phasengesteuerten Strahlergruppe (1) liegt, und daß die lineare Polarisationseinrichtung des von der phasengesteuerten Strahlergruppe (I) abgestrahlten elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit von der jeweiligen azimutalen Strahleinrichtung stets so gesteuert ist, daß sie im angestrahlten Bereich des Reflektors (5) möglichst parallel zu den ReHektordrähten bzw. -lamellen ist und sich dadurch eine Strahldurchlässigkeit auf der gegenüberliegenden Seite des Reflektors (5) ergibt

3. Kugellinsenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehsymmetrische Kegelstumpfreflektor (8) doppelt gek-ümmt ausgebildet ist, derart, daß die von der phasengesteuerten Strahlergruppe (1) kommende und in ihm reflektierte Strahlung stets senkrecht auf die Linsenoberfläche auftritt.

4. Kugellinsenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die von der phasengesteuerten Strahlergruppe (1) ausgehende und nicht über den Reflektor (8) umgelenkte Strahlung, d. h. für die an sich unmittelbar auf die Linsenoberfläche auftreffende Strahlung, eine Baueinheit vorgesehen ist, welche aus Kollektorstrahlern (21) zur Aufnahme der von der phasengesteuerten Strahlergruppe (1) kommenden Strahlung, aus an der Linsenoberfläche angebrachten Emitterstrahlern (22) und Kollektor- und Emitterstrahler verbindenden Verbindungsleitungen (23) besteht, in welchen gegebenenfalls Mittel vorgesehen sind, um etwa vorhandene Laufzeitunterschiede auszugleichen.

5. Kugellinsenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor- bzw. Emitterstrahler (21,22) jeweils nebeneinander angeordnete, kleine Hornstrahler oder offene Hohlleiter sind.

6. Kugellinsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellinse (4) eine Luneberg-Linse ist.

7. Kugellinsenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellinse (4) aus einem homogenen Dielektrikum besteht.