DE2733015A1 - Elektromagnetische versuchsanordnung, insbesondere antennenversuchsfeld - Google Patents

Description

17 853Λ He/bü

PLESSEY, INCORPORATED

Elektromagnetische Versuchsanordnung, insbesondere Antennenversuchsfeld

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Versuchsanordnung, insbesondere ein Antennenversuchsfeld, und zwar in besonderem Maße die Erzeugung sogenannter Fernfeld-Versuchsbedingungen in einem stark begrenzten Raum, beispielsweise in sogenannten anechoiden Kammern.

Erfindungsgemäß ist eine dielektrische Linse vorgesehen, die eine Kugelwelle einer elektromagnetischen Strahlung in eine ebene Welle umwandelt, wobei die Linse entweder plankonvex oder meniskusförmig ist und aus einem gleichförmig geschäumten Kunststoff besteht, dessen Dielektrizitätskonstante zwischen 1,05 und 1,5 und dessen Dichte nicht mehr als 0,32 g/cnr (20 pounds pro cubic foot) beträgt. Erfindungsgemäß ist außer der Linse ein die Strahlung absorbierendes Material vorgesehen, das den Strahlengang zwischen dem Sender und der Linse umgibt und das eine Minimalisierung der Reflexionen und der Amplitudenverzerrungen bewirkt.

Beim Untersuchen von Strahlungsanordnungen oder von Gerätesystemen, die elektromagnetische Energie empfangen, besteht die ideale Versuchsbedingung zur Bestimmung der Fernfeldeigenschaften darin, eine ebene Welle mit gleichförmiger Amplitude und Phase zu erzeugen, um die öffnung der Versuchsanordnung zu be-

leuchten. Verschiedene Näherungen zur Simulation dieser idealen elektromagnetischen Umgebung haben zur Entwicklung zweier Grundarten elektromagnetischer Untersuchungseinrichtungen geführt:

(1) Freiraum-Versuchsfelder

(2) Reflexions-Versuchsfelder

FreirauiB-Versuchsfeider zeichnen sich dadurch aus, daß versucht wird, die Auswirkungen der gesamten Umgebung, einschließlich der Versuchsfeld-Oberfläche oder der Versuchsfeld-Oberflächen, auf die Wellenfront, die die zu untersuchende Antenne beleuchtet, zu unterdrücken oder zu entfernen. Diese Unterdrückung soll durch einen oder mehrere der folgenden Faktoren erreicht werden:

a) Richtwirkung und Seitenbandunterdrückung der Quellen*-und der Versuchsantenne,

b) Abstand des Strahlenganges von der Versuchsfeld-Oberfläche,

c) Viederausrichten oder Absorption der die Versuchsfeld-Oberfläche erreichenden Energie und

d) Spezielle Signalverarbeitungstechniken, beispielsweise Markierung durch Modulation des gewünschten Signals oder durch Verwendung kurzer Impulse.

Reflexions-Versuchsfelder machen Gebrauch von der Energie, die von der Versuchsfeld-Oberfläche oder den Versuchsfeld-Oberflächen wieder abgestrahlt wird, um eine Interferenz mit dem direkten Signal im Bereich der Versuchsöffnung zu erzeugen. Die Geometrie ist dabei so gewählt, daß ein kleiner, im wesentlichen symmetrischer Amplituden-Konus in dem beleuchteten Versuchsfeld erzeugt wird. Als die zwei Hauptarten von Reflexions-Versuchsfeldern werden das sogenannte Boden- Reflexions-Versuchsfeld und, für niedrige Frequenzen, die konische, anechoide Kammer verwendet.

Bei jeder der Grundarten des Versuchsfeldes befassen sich die fundamentalen elektromagnetischen Konstruktionskriterien mit der Steuerung von fünf Faktoren:

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A) Induktive oder Strahlungskopplung zwischen den Antennen,

B) Phasenkrümmung der beleuchtenden Wellenfront,

C) Amplitudenkonus der beleuchtenden Wellenfront,

D) Räumliche, periodische Veränderungen der beleuchtenden
Wellenfront aufgrund von Reflexionen und

E) Interferenzen von kleinen Strahlungsquellen.

Die Punkte A) bis D) bestimmen in erster Linie die Abmessungsanforderungen an die Ausbildung des Versuchsfeldes sowie die Grenzwerte der Richtfähigkeit der Quellenantenne. E) muß berücksichtigt werden bei der Gesamtanordnung.

Bei niedrigeren Mikrowellenfrequenzen müssen die Auswirkungen
der induktiven Kopplung zwischen der Quellenantenne und der Versuchsantenne berücksichtigt werden. Diese Auswirkungen sind gewöhnlich vernachlMssigbar, wenn die Bedingung

R> 10λ (1)

erfüllt ist, wobei

R = Abstand zwischen den Antennen und
Λ = Wellenlänge.

Diese Bedingung basiert auf den Feldgleichungen für einen elemen taren elektrischen Dipol, aus denen sich das folgende Verhältnis der Amplitude des induzierten Feldes zu der des Strahlungsfelde8 ergibt:

pt - jL·

Bei R> 10λ,ρζ>1/20, wird die Bedingung äquivalent der Forderung, daß

20 log (pE)£ -36 Dezibel (3)

PO9B41

-Jr-

Die Auswirkung der Krümmung der einfallenden Phasenfront ist außerordentlich wichtig. Die Hauptschwierigkeit liegt darin, daß die im allgemeinen akzeptierte Bedingung darin besteht, daß die minimal annehmbare Reichweite durch die folgende Beziehung bestimmt wird:

2D^2
R* fr (4)

Wobei D = Durchmesser oder maximale Abmessung des Testobjektes (z.B. die Apertur).

Bei Aperturen oberhalb 30,5 cm (12 inch) im X-Band oder oberhalb 8 GHz beträgt die Anforderung an die Versuchsfeldlänge mehr als 4,88 m (16 feet), was der maximalen Länge der am häufigsten verwendeten rechtwinkeligen Kammern zum Messen niedrig verstärkender Antennen entspricht. Aufgrund der hohen Kosten des Absorbermaterials sind größere Kammern unannehmbar teuer, und Versuchsfelder im Freien stehen nicht immer in geeigneter Weise zur Verfügung, und zwar entweder wegen des Wetters oder wegen fehlenden Raumes.

Das Testen von Mikrowellenantennen erfordert im allgemeinen, daß das zu untersuchende Gerät von einer gleichförmig ebenen elektromagnetischen Welle bestrahlt wird. Jedoch kann die Erzeugung einer derartigen Welle schwierig sein. Bei bekannten Techniken ist es erforderlich, daß eine Sendeantenne im ausreichenden Abstand zur Testantenne angeordnet ist, und zwar derart, daß eine sphärische Wellenfront eine auf die zu untersuchende Einrichtung einfallende, gleichförmige, ebene Welle stark annähert. Da häufig Versuchsfelder mit mehreren Metern bis mehreren hundert Metern erforderlich sind, um die 2D /fr -Bedingung zu erfüllen, werden Fernfeld-Messungen häufig an Installationen im Freien durchgeführt, die ungünstigen Wetterbedingungen ausgesetzt sind, und bei denen sich die Versuchsfeldbedingungen ändern. Kleine Antennen oder Ziele können in geeigneter Weise in sogen, anechoiden Kammern untersucht werden, da jedoch große Antennen (groß im Hinblick auf die Wellenlänge), lange Versuchsfelder erfordern,

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werden die Kosten einer Kammer für derartige Untersuchungen unannehmbar hoch.

Messungen mit großen Antennen oder relativ großen Zielen oder Targets können in Gebäuden mit kompakten Versuchsfeldern durchgeführt werden, wobei ein Versuchsfeld-Reflektor und ein spezielles Zuführungssystem in der Nähe der zu untersuchenden Einrichtung angeordnet ist, um einfallende ebene Wellen mit Fernfeld-Eigenschaften zu erzeugen. Ein genau fokussierter, parabolischer Reflektor kollimiert die Strahlen und erzeugt dadurch in seiner Apertur eine ebene Welle. Aufgrund des Beleuchtungskegels des Zuführungshorns und aufgrund von räumlichen Abschwächungseffekten ist diese Welle nicht gleichförmig. Jedoch erzeugt eine geeignet ausgewählte Zufuhrungseinrichtung eine Welle, die über einen annehmbaren Bereich hinweg annähernd gleichförmig ist. Dieser Bereich mit annähernd gleichförmiger ebener Welle wird bei kompakten Versuchsfeldern verwendet, um die zu untersuchende Antenne zu beleuchten. Es sind bereits Versuche unternommen worden, um eine Beleuchtung mit ebenen Wellen mit Hilfe von Linsen zu erreichen, jedoch wurden aufgrund von Amplitudenverzerrungen, die durch zufällige und unkontrollierte Reflektionen verursacht wurden, unbefriedigende Resultate erhalten.

Die elektrische Linsen und Kegel sind an sich bekannt und werden seit vielen Jahren in Mikrowellen- oder anderen Übertragungssystemen verwendet. Beispielsweise werden konische, dielektrische Hörner verwendet, um den Wirkungsgrad von Mikrowellenreflektor- und Hornantennen zu verbessern.

Das Verständnis der Erfindung wird erleichtert, indem die folgende Analyse von zwei einfachen Linsenarten betrachtet wird, und zwar der plankonvexen Linse und der Meniskuslinse.

PUr eine plankonvexe Linse (Fig. 2) gilt:

Ψ _ _r (1 - η cos θ) ^{1 r}

1 - η

t = \ ^κ:?ί

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wobei η = Vt/ξ, O = relative Durchlässigkeit der Linse oder der Brechungsindex und

f = Fokallänge (Brennweite) der Linse.

Für eine Meniskuslinse (Fig. 3) gilt:

f = (n - cos Q) (₆)

η — 1

Die Fokallänge der Linse ist der Abstand zwischen dem Phasenmittelpunkt der Sendeantenne zur Mitte des nächstgelegenen Punktes auf der plankonvexen Linse und dem Mittelpunkt der Linse, der am weitesten von dem Phasenmittelpunkt der Meniskuslinse entfernt ist.

Um bei gegebener Fokallänge und relativer Durchlässigkeit die Linsengeometrie zu erhalten, werden die Gleichungen in der folgenden Veise umgeordnet:

Plankonvexe Linse:

_r - f (1-n) (7)

^r TT^n cos QV

Meniskuslinse:

r =

In=!} (θ)

Tn-cosQ)

Um geeignet zu sein, darf die erfindungsgemäße Linse die Eigenschaften des Versuchsfeldes nicht verschlechtern, und zwar unter Berücksichtigung der folgenden Hinweise.

Die Linse arbeitet nur mit der Ausbreitungskonstanten in der Wellengleichung. Dies bedeutet, daß die Wellenfront in der Mitte der Linse stärker verzögert wird als an den Rändern. Daher wird bei einer auf der Linse auftreffenden sphärischen Wellenfront die Mitte der Wellenfront stärker in der Mitte der Linse verzögert, so daß die austretende Wellenfront vollständig ausgerichtet oder gleichförmig ist, wie dies beim Untersuchen von Antennen erforder-

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lieh ist. Dieses angenäherte, gleichförmige Wellenfeld wird dann dazu verwendet, um die zu untersuchende Einrichtung, die üblicherweise eine Antenne ist, zu beleuchten. Dies bewirkt, daß die zu untersuchende Antenne Fernfeld-Testbedingungen (gleichförmige Amplitude und Phase) vorfindet("sieht") und sich so verhält, als läge ein derartiges Fernfeld vor. Daher kann durch Vorsehen einer Linse zwischen einer Sendeantenne und einer zu untersuchenden Antenne der Abstand verkürzt werden, da die Linse die erforderliche Verzögerung bewirkt, um eine ebene Wellenfront zu erzeugen.

Wenn die Welle durch die Linse hindurchtritt, trifft sie auf die Grenzen zwischen der Linse und dem freien Raum. Aufgrund der Differenz der Dielektrizitätskonstanten der Luft und der Linse, wird an jeder Grenze ein Teil der Welle reflektiert. Dies erfolgt nicht gleichmäßig, da sich die Linsengeometrie mit der Dicke ändert; daher wird die Gleichförmigkeit der den Untersuchungsbereich tatsächlich erreichenden Welle durch die Reflektionen an den Linsengrenzen verzerrt. Diese Verzerrung erscheint als Schwankungen der Amplitudeneigenschaften der Welle im Untersuchungsbereich. Wenn jedoch die Dielektrizitätskonstante niedrig genug ist, ist diese Schwankung sicher innerhalb annehmbarer Grenzwerte .

Ein anderes Phänomen tritt auf, wenn die elektromagnetische Welle auf der Linse auftrifft; dieses Phänomen wird als Diffraktion bezeichnet und tritt immer dann auf, wenn eine elektromagnetische Welle auf ein Hindernis auf trifft. Die Diffraktion bewirkt ein überleiten von Energie über die Ränder der Linse und ein Verzerren der gleichförmigen Amplitude des Feldes hinter der Linse. Diese Verzerrung ist eine Funktion der verwendeten Wellenlänge, der Größe der Linse (Hindernis) und der Dielektrizitätskonstanten (elektrische Eigenschaft des Hindernisses) der Linse. Dies ist eine direkte Funktion der Arbeitsfrequenz und der Dielektrizitätskonstanten.

Bei der Anordnung muß außerdem die Gleichförmigkeit der Linsenhomogenität berücksichtigt werden. Wenn eine ausreichende Gleich-

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förmigkeit der Raumdichte (etwa + 6 % des Nominalwertes) nicht eingehalten werden kann, wird die Phasenfront verzerrt, und die Linse ist ni-cht verwendbar.

Unglücklicherweise haben alle festen Dielektrika, die üblicherweise in derartigen Fällen verwendet werden (Äthyl-Zellulose, Polyäthylen, Polystyren, Polyisobutylen oder Methyl-Methacrylat) eine Dielektrizitätskonstante, die für eine geeignete Verwendung zu groß ist. Es wird angenommen, daß die Bedingungen bei früheren Bemühungen zur Erzeugung von ebenen Wellen mit Linsen unbefriedigend waren, da dabei folgende Punkte nicht berücksichtigt wurden:

(1) Die Notwendigkeit,eine Linse mit sehr niedriger Dielek trizitätskonstanten zu verwenden und

(2) die Notwendigkeit, Amplitudenverzerrungen (z.B. Reflexionen) unabhängig zu minimalisieren, indem Absorbermaterial verwendet wird und indem eine geeignete Auswahl der Sendeantenne in dem Versuchsfeld erfolgt.

Erfindungsgemäß soll eine dielektrische Linse geschaffen werden, die für elektromagnetische Untersuchungen geeignet ist.

Außerdem soll mit der erfindungsgemäßen dielektrischen Linse für Antennen-Versuchsfelder die 2D l)\ -Beschränkung eliminiert werden.

Außerdem soll erfindungsgemäß eine dielektrische Linse zur Erzeugung ebener Wellen mit relativ kleinem Abstand zur Strahlungsquelle geschaffen werden.

Im Rahmen der Erfindung soll ein Antennen-Versuchsfeld oder eine anechoide Kammer geschaffen werden, um Fernfeld-Bedingungen genau zu simulieren.

Außerdem sollen erfindungsgemäß ebene Phasenfronten in gering bemessenen Antennenversuchsfeldern oder anechoiden Kammern erzeugt werden.

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Erfindungsgemäß sollen elektrisch große Untersuchungsbereiche für Antennenversuchsfelder durch Verwendung einer dielektrischen diese ermöglicht werden.

Außerdem sollen elektrisch große Testbereiche in Antennen-Versuchsfeldern unter Verwendung einer dielektrischen Linse geschaffen werden.

Außerdem ist die Erfindung darauf gerichtet, ein Verfahren für die Fernfeld-Untersuchung von Mikrowellenantennen o.dgl. in Kammern oder Versuchsfeldern zu schaffen, deren Länge geringer ist als etwa 50 cm (20 feet).

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten anechoiden Testkammer,

Fig. 2 und 3 Querschnittsansichten einer plankonvexen bzw. eine Meniskuslinse mit verschiedenen dort angegebenen Linsenparametern,

Fig. k eine Linsenkurve (Durchmesser in Abhängigkeit von der Dicke) für geschäumte Kunststoff-Dielektrika gemäß der Erfindung,

Fig. 5 und 6 Diagramme der Phasen- bzw.Amplitudendaten mit und ohne Linse,

Fig. 7 und 8 Diagramme mit anderen Untersuchungsergebnissen aufgrund der Erfindung und

Fig. 9 eine vereinfachte, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Untersuchungsanordnung.

Die Erfindung basiert zumindest teilweise auf der Erkenntnis, daß die Dielektrizitätskonstante bei geschäumten Kunststoffmaterialien von der Schaumdichte umgekehrt abhängt, wobei der zuletzt genannte Parameter während der Herstellung gesteuert werden kann. Die gewünschte Dielektrizitätskonstante der erfindungsgemäßen Linse soll derart sein, daß sie groß genug ist,

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um die Phasenkrümmung zu bewirken, daß sie jedoch nicht so groß ist, daß sie eine größere Oberflächenreflexion von der Linse bewirkt und die Welle abblockt, was bei etwa E = 1,7 auftritt. Die Dielektrizitätskonstanten der oben erwähnten festen Dielektrika sind alle 2,1 oder größer. Durch Verwendung von geschäumtem Kunststoffmaterial kann die Dielektrizitätskonstante in dem Bereich zwischen 1,05 und 1,5 gehalten werden, was sich aufgrund von Untersuchungen im Rahmen der Erfindung als vorteilhaft erwiesen hat. Für Polyurethan-Schäume entspricht der obere Grenzwert 1,5 einer Dichte von etwa 0,32 g/cm (20 pounds per cubic foot). Andererseits beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß Amplitudenverzerrungen und Reflektionen durch Verwendung einer kleinen Sendeantenne und durch jeweilige Verwendung geeigneten Materials zur Absorption der Strahlung eliminiert werden können, das einen Strahlungsweg zwischen der Quelle und der Linse sowie ebenfalls in den meisten Fällen zwischen der Linse und der Testapertur bildet.

Gemäß Fig. 1 weist eine anechoide KammeriO eine punktförmige Sendeantenne 12 und eine Versuchsantenne 14 auf. Eine dielektrische Linse 16 ist in einem Abstand gleich dem Vierfachen ihres Durchmessers von der Antenne 12 angeordnet (z.B. ihre Fokallänge). Sphärische Wellenfronten 18, die von der Antenne 12 abgestrahlt werden, erscheinen nach dem Durchtritt durch die Linse 16 als ebene Wellenfronten 20. Eine typische Kammer 10 kann 7,10 m (20 feet) lang sein und eine Versuchslänge von 4,57 m (15 feet) aufweisen. Für geschäumten Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten E_r = 1,25 kann aus Fig. 4 ermittelt werden, daß eine Linse mit einem Durchmesser von 91,4 cm (36 inch) etwa 25,4 cm (10 inch) dick sein sollte. Daher "sieht" eine Versuchsantenne 14 eine im wesentlichen flache Wellenfront, wie dies im folgenden quantitativ dargelegt wird. Fig. 4 zeigt Kurven für Dielektrika, deren E in dem bevorzugten Bereich ist; die Kurven wurden mit . Gleichung 7 berechnet. Die angenommenen Bedingungen entsprachen typischen Kammern in vielen Laboratorien, z.B. R = 4,267 m (168 inch).

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Während anechoide Kammern wahrscheinlich die breiteste Anwendung der Erfindung gestatten, sind andere Anwendungen ebenfalls ersichtlich. Es sei angenommen, daß eine Untersuchungsanordnung erforderlich ist, um ein Antennensystem in der Nase eines Flugzeuges zu untersuchen. Es sei angenommen, daß diese Antenne als 61 cm (2 foot)-Schirm für das X-Band ausgebildet ist. Ersichtlich wäre es vorteilhaft, die Antenne während der Untersuchung in dem Flugzeug zu belassen. Unter Anwendung der 2D /}\ -Krümmung wäre die Anwendung eines 30,5 m (100 foot)-Antennen-Versuchsfeldes erforderlich, und der beste Versuchsort müßte mindestens 4,57 m (15 feet) über dem Boden liegen. Ersichtlich ist es nicht zweckmäßig, das Flugzeug lediglich zum überprüfen der Antennen in die Luft zu bringen, so daß als ncächstbeste Möglichkeit das folgende Verfahren angewendet wird: Ausbauen der Antennen, Einbringen der Antennen in das Versuchsfeld, Durchführen der notwendigen Einstellungen und erneutes Einbauen der Antenne.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Linse 16 wird gemäß Fig. eine Versuchsanordnung mit einer Strahlungsquelle 22, einer Linse 16 und einem konischen Absorber 24 auf einem Wagen 26 angeordnet, der bis zur Nase des Flugzeuges angehoben werden kann. Da das Antennensystem des Flugzeuges mit einer ebenen Wellenfront geeigneter Art bestrahlt wird, arbeitet es normal, und das Gerät kann im eingebauten Zustand untersucht werden, wobei es so arbeitet wie in der Luft. Insbesondere eine parabolische Schalen (Test-) -Antenne 28 erzeugt eine im wesentlichen ebene Wellenfront, die von der Antenne 22 "gesehen" wird. Unter Verwendung einer geeigneten Zeitverzögerung, die nicht dargestellt ist, wird das einfallende Signal mit Hilfe der Antenne 22 durch die Linse 16 wieder abgestrahlt, und die Antenne 28 "sieht" ein simuliertes, reflektiertes Signal einer ebenen Welle mit bekannter Verzögerung. Durch Veränderung der Verzögerung kann die Genauigkeit der Untersuchungsanordnung zwischen einigen hundert Metern bis zu den Sendegrenzen überprüft werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Linsen ist nicht kritisch, jedoch sollte das Aufschäumen genau entsprechend den Hersteller-

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anweisungen erfolgen, um ungeschäumte Teile zu vermeiden, die die gesamten dielektrischen Eigenschaften beeinflussen würden.

Für die Herstellung einer großen Anzahl identischer Linsen ist es zweckmäßig, eine Gußform mit der gewünschten Form zu verwenden, wobei Linsen der gewünschten Dichte und mit der gewünschten Dielektrizitätskonstanten durch genaues Einstellen der Mengen des Vorpolymers und des Schäumungsmittels gegossen werden.

Häufiger ist eine Linse für eine bestimmte Umgebung erwünscht, und das Bearbeiten eines vorgeformten Blocks wird gegenüber dem Gießen aus ökonomischen Gründen bevorzugt. Derartige Blöcke sind im Handel erhältlich, und damit können die Probleme und Gefahren beim Aufschäumen (z.B. unausgefüllte Bereiche und toluendiisocynate-Dämpfe)vermieden werden. Da die Bearbeitung so genau wie möglich sein sollte, um die gewünschte Rotationsform zu erhalten, wird ein Band oder Bearbeitungsvorrichtung mit direkter numerischer Steuerung in den drei Achsen bevorzugt.

Die meisten starren und elastischen Schäume sind erfindungsgemäß geeignet, obwohl starre Schäume aus Gründen der Handhabung und zur Vermeidung von Problemen aufgrund einer räumlichen Veränderung bevorzugt sind. In der folgenden Tabelle I sind einige der geeigneten Schäume mit ihrer Dielektrizitätskonstanten oder deren Bereich aufgeführt.

Tabelle I

geschäumter Kunststoff

Zellulose Acetate Epoxy (mit starren geschlossenen Zellen)

Phenole

Polyäthylen, niedriger und mittlerer Dichte

Polyäthylen, verkettet

Dielektrizitätskonstante

1.12 1.08 - 1.19

1.19 - 1.20 1.05 - 1.15

1.1 - 1.55

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Polyurethan, starr 1.05-1.5

Polyurethan, elastisch y _#q - 1.5

Silicon, offene Zellen 12

Starre Schäume mit geschlossenen Poren sind bevorzugt, so daß Feuchtigkeitsänderungen die Linse nicht beeinflussen; hydrophile Schäume sollten vermieden werden. Jedoch kann im Prinzip jedes geschäumte Material verwendet werden, um die gewünschten Untersuchungsbedingungen zu erzielen. Hinsichtlich des Betriebes sind diese Schäume nicht temperaturempfindlich.

Daher werden für eine plankonvexe Linse die notwendigen Daten in Gleichung 7 eingesetzt und die Linse hergestellt. Während die Herstellungstechnik die gleiche ist wie bei bekannten Linsen, sind die Linsen selbst aufgrund des verwendeten Materials neuartig. Meniskuslinsen, die hinsichtlich des Betriebes zufriedenstellend sind, stellen komplexere Guß- oder Bearbeitungsanforderungen. Aufgrund der Materialeinsparung sind sie bei großer Produktion bevorzugt.

Die erfindungsgemäßen Linsen sind, wie oben beschrieben, geeignet, und zwar auch bei konischen, anechoiden Kammern, wo sie die Ausnutzung des gesamten Bereiches bei höheren Frequenzen gestatten, bei großen (z.B. 76 cm χ 76 cm χ 152 cm) rechteckigen oder spitz zulaufenden Kammern, wo sie die Verwendung des gesamten 180 bis 24^ cm (6 bis 8 feet)-Versuchsbereiches gestatten, sowohl bei allgemein verwendbaren Untersuchungsanordnungen, von denen eine beschrieben worden ist.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf ein AusfUhrungsbeispiel gemäß den Fig. 5 bis 8 näher erläutert.

Gleichförmige Amplitudencharakteristika der Quellenstrahiung wurdenerreicht durch geeignete Auswahl der Größe der Sendeantenne, und zwar in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen o,5 dB-Bedingung.

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Eine Linse mit einem Durchmesser von 81,3 cm (32 inch) wurde aus gedehntem Polyurethanschaum mit einer gemessenen Dielektrizitätskonstanten ν η 1,16 hergestellt. Mit der Dielektrizitätskonstanten von 1,16 und mit dem Durchmesser von 81,3 cm war die gewünschte Linse 30,5 cm (12 inch) dick (siehe Fig. h). Dieser Schaum wurde in eine parabolisch geformte Linse gemäß Gleichung 7 umgeformt. Die Linse wurde dann in die Kammer eingebracht, und die erhaltenen Felder wurden gemessen, um ihre Gleichförmigkeit zu bestimmen.

In Fig. 5 sind die Phasencharakteristika des Feldes mit und ohne Linse eingezeichnet. Die Ergebnisse waren ermutigend. Tatsächlich war bei in dem Feld eingesetzter Linse die Phasenveränderung wesentlich geringer und über einen großen Teil der Darstellung hinweg ziemlich flach.

Fig. 6 zeigt die Amplitudencharakteristika, die mit und ohne Linse in dem Feld erhalten wurden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bei Verwendung der Linse die Amplitudencharakteristika einen großen Teil zeigen, der im wesentlichen flach ist. Dies ist der Bereich unmittelbar hinter der Linse parallel zur Linsenfläche. Dabei zeigt sich, daß die Feldveränderung geringer ist als 0,5 dB (Spitze zu Spitze), was für die meisten Untersuchungen vollkommen ausreichend ist. Die steilen Erhebungen auf beiden Seiten beruhen auf DÜfraktionseffekten an den Rändern der Linse. Dies ist typisch für Hindernisse in einem elektromagnetischen Feld. Dieser Randeffekt wird dadurch verringert, daß die Linse größer als der Untersuchungsbereich ausgebildet wird.

Danach wurde eine 61 χ 61 cm ( 2 χ 2 foot)-Platte in die Kammer eingebracht und als Reflektor mit und ohne Linse gemessen. Derartige Platten werden als Bezugsgrößen verwendet, um die Wirkung des Absorbermaterials zu messen. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bei Fehlen der Linse der Strahl an der Spitze abzufallen beginnt (dies ist typisch für Antennen, die im Nahfeld getestet werden; d.h. die Phasenabweichung ist so groß,

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da'⁵ das Muster abbricht). Bei vorhandener Linse ist jedoch das Muster sehr klar ausgebildet — dies entspricht einem Bild bei einer Antenne, dj.e im Fernfeld (R > 2D /^ ) gemessen worden ist. Daher werden mit dieser Linse genau die gewünschten Resultate erzielt.

Das erfindungsgemäße System wurde dann dazu verwendet, um blattförmiges Absorbermaterial zu untersuchen. Die Ergebnisse diese Untersuchung sind in Fig. 8 dargestellt. Die Kurve 1 ist die gleiche wie die Kurve bei Verwendung der Linse in Fig. 7. Mit der Kurve 2, bei der ein Absorber die Platte abdeckt, kann direkt der Wert des Absorbers in dB im Vergleich zur Bezugsplatte abgelesen werden. In diesem Fall bedeutet eine Dämpfung um 20 dB ein Leistungsverhältnis von 1/100 für die reflektierte Strahlung. Damit wurde das Ziel erreicht, Absorberuntersuchungen innerhalb einer kleinen anechoiden Kammer anstelle im Freien in einem 30,5 m (100 foot)-Antennenversuchsfeld durchzuführen.

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Leerseite

Claims (1)

1. Patent-(:,chii t - j Anr.prUche

   1. Dielektrische Linse zum Umwandeln einer Kugelwelle einer elektromagnetischen Strahlung in eine ebene Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (16) plankonvex oder meniskusförmig aus einem gleichförmig geschäumten Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 1,05 und 1,5 mit einer Dichte von nicht mehr als 0,32 g/cm (20 pounds per cubic foot) hergestellt ist.

   2. Linse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein bewegliches Gestell (26), auf dem eine Antenne (22) für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, wobei die Linse (16) auf dem Gestell im festen Abstand zur Antenne befestigt ist und wobei ein die Strahlung absorbierendes Material (24) den Strahlengang zwischen der Antenne (22) und der Linse (16) umgibt.

   3. Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (22) als Sendeantenne ausgebildet ist und daß die Linse (Ιό) eine ebene Wellenfront in den freien Raum abstrahlend orientiert ist.

   4. Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Antenne (12, 22) und der Linse (16) gleich der Fokallänge der Linse (16) ist.

   5. Linse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (14) als Empfangsantenne ausgebildet ist und daß die Linse (16) eine ebene Wellenfront zur Antenne (14) abstrahlend orientiert ist.

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   ό. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (16) zwischen einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (.12, 22) und einer Versuchsanordnung (14) derart angeordnet ist, daß eine ebene Welle zu dieser Versuch sanordnung (14) übertragen wird, und daß ein Strahlungsabsjrber (24) entlang dem Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle (12, 22) und der Versuchsanordnung (14) zur Miniraalisierung von Reflexionen und Amplitudenverzerrungen vorgesehen ist.

   7. Linse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Strahlungsquelle (12, 22) und der Linse (16) gleich der Fokallänge der Linse ist.

   8. Linse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   der Strahlungsabsorber (24) eine Umhüllung für die Strahlungsquelle (12, 22), die Versuchsanordnung (14) und die Linse (16) aufweist, wobei die Innenfläche der Umhüllung elektromagnetische Strahlung absorbiert und eine anechoide Kammer bildet.

   9. Linse nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versuchsanordnung (14) als Empfangsantenne ausgebildet ist.

   ». Linse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Durchmesser größer als die Abmessung der Empfangsantenne (14) ist.

   11. Verfahren zum Untersuchen elektromagnetischer Einrichtungen unter den Fernfeldbedingungen einer Antenne, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   a) Erzeugen eines Testsignals in Form einer Kugelwelle an einem ersten Punkt,

   b) Unterbrechen dieses Signals an einem zweiten Punkt und Umwandeln in eine ebene Welle mittels einer dielektrischen Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt gleich der Fokal-

   ignoiu 1/0548

   Μ-Q

   lange der Linse ist,

   c) Unterbrechen der umgewandelten Wellenfront mit der zu untersuchenden .Antenne,

   d) Vorsehen eines Absorbers neben den Strahlengang zum Minimalisieren der Amplitudenverzerrungen und der Reflexionen und

   e) Messen der zu bestimmenden Eigenschaften der elektromagnetischen Einrichtung.

   809841/0548 ORIGINAL INSPECTED