DE2738549A1

DE2738549A1 - Mikrowellen-antenne

Info

Publication number: DE2738549A1
Application number: DE19772738549
Authority: DE
Inventors: Holger Dr Ing Hofmann; Bernhard Dipl Ing Dr I Rembold
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2738549C2

Description

Beschreibunq Mikrowellen-Antenne Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Antenne mit einer dielektrischen Linse aus homogenem Material, die vorzugsweise zum Empfangen, aber auch zum Senden elektromagnetischer Wellen geeignet ist. Diese Antenne ist besonders vorteilhaft bei der bodenseitigen omnidirektionalen Funküberwachung und als Sendeantenne bei der Funkstörung (ECM) benutzbar.
Bekannte Antennen dieser Art mit einer Luneberg-Linse oder Butler-Matrix sind wirtschaftlich oft zu aufwendig, letztere auch meist zu schmalbandig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zum Senden und Empfangen geeignete billigere und breitbandige Mikrowellen-Antenne mit schaltbarem (omnidirektionalem) Strahlungsdiagramm anzugeben, die eine Richtungsunterscheidung ermöglicht.
Die Merkmale der Erfindung und ihrer Weiterbildungen sind den Patentansprüchen entnehmbar.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft näher beschrieben.
Die erfindungsgemäße Antenne besteht im wesentlichen aus zwei mit den Planflächen konzentrisch aufeinander gesetzten Halbkugeln aus homogenem dielektrischen Material. Die Radien der Halbkugeln stehen in einem solchen Verhältnis zueinander, daß sich auf der Oberfläche der kleineren Halbkugel ein Fokus bildet, in dem die Energie einer auf die größere Halbkugel auftreffenden Welle ausgekoppelt werden kann.
Exakte feldtheoretische Berechnungen zeigen, daß die folgenden aus einroptischen Approximation gewonnenen Zusammenhänge hinreichend genaue Dimensionierungsgrundlagen ergeben. Hierbei ist Bezug genommen auf Fig. la und lb.
Es sei £r die Dielektrizitätszahl des Materials, R1 und R2 die Radien der großen bzw. kleinen Halbkugel. Eine auf die große Halbkugel auftreffende ebene Welle erzeugt dann einen Fokus, dessen radiale Ausdehnung 3 durch und dessen bezüglich der Einfallsrichtung transversale Ausdehnung t durch gegeben sind, wenn ho die Wellenlänge der einfallenden Welle ist.
Der Ort des Fokus liegt diametral dem Auftreffpunkt der Welle gegenüber und erstreckt sich in dem Radienbereich so daß als Mittelpunkt etwa angegeben werden kann. Der Radius der kleineren Halbkugel wird so gewählt, daß ihre Oberfläche Ort der Mittelpunkte der Foki aller aus verschiedenen Richtungen auftreffender Wellen ist, also Die Dielektrizitätszahl wird nach folgenden Gesichtspunkten gewählt: (r soll größer als 4 sein, damit sich der Fokus innerhalb des größeren Kugelvolumens erstreckt. Wird Er sehr groß, dann r wird nach Gl. (5) R2 sehr klein, womit die Oberfläche der kleinerein kugel klein wird. Das würde die Anzahl der darauf anbringbaren Auskoppelelemente sehr beschränken. Als Kompromiß wird Er = 10 gewählt.
Der Richtfaktor der Antenne kann näherungsweise durch dieselbe Gleichung wie bei der Luneberg-Linse abgeschätzt werden: Die Auskoppelung des Signals erfolgt dadurch, daß am Ort des Fokus geeignete Auskoppelelemente auf der Oberfläche der kleineren Halbkugel angebracht werden. Jedes Koppelelement ist dabei der Richtung einer einfallenden Welle zugeordnet, so daß durch n Koppelelemente Signale aus n Richtungen simultan verarbeitet werden können.
Die Art der Auskoppelelemente kann der jeweiligen Anwendung angepaßt werden. Zum Beispiel können planare Strahler beliebiger Konfiguration angebracht werden. Günstig ist die Auskoppelung mit Hilfe von dielektrischen Wellenleitern aus einem Material derselben Dielektrizitätszahl wie die der Halbkugeln. Diese dielektrischen Wellenleiter werden als runde Stäbe radial auf die kleinere Halbkugel aufgesetzt oder eingesenkt. Durch diese Auskoppelung wird die radiale Ausdehnung des Fokus innerhalb eines homogenen Materials aufgefangen. Am Ende der dielektrischen Leiter können je nach Notwendigkeit Übergänge auf andere Leitungsarten erfolgen, z. B. auf Koaxialleitung.
Die maximale mögliche Anzahl der dielektrischen Auskoppelstäbe kann folgendermaßen abgeschätzt werden: Es ist sinnvoll, den Winkel zwischen den Strecken, die jeweils die Mittelpunkte zweier benachbarter Koppelelemente mit dem Kugelmittelpunkt verbinden, gleich der maximalen Halbwertsbreite bei der untersten Betriebsfrequenz zu wählen. Werden die Koppelstellen näherungsweise wabenförmig auf der Kugeloberfläche verteilt, so lassen sich maximal Elemente anbringen. Der zugehörige maximale Durchmesser dE des runden dielektrischen Stabes ergibt sich dann zu Ein Vergleich von Gl. (2) und (8) zeigt, daß damit der Fokus immer innerhalb des Stabdurchmessers liegt. Der Stabdurchmesser kann im allgemeinen kleiner gewählt werden als Gl. (8) ergibt, da die Leistung einer an der dielektrischen Leitung geführten Welle auch außerhalb des Stabvolumens transportiert wird. Der Stabdurchmesser wird so gewählt, daß sich die Betriebsfrequenzen im Ein-Moden-Bereich des dielektrischen Wellenleiters befinden.
Der nutzbare Frequenzbereich der Antenne ist nach oben hin praktisch unbegrenzt. Nach unten hin wird der Betriebsbereich durch die maximal zulässige Größe der Kugel bzw. die maximal zulässige Halbwertsbreite und durch die untere Grenzfrequenz der Auskoppelelemente begrenzt. Durch die Wahl fr = 10, R1 = 100 mm, dE = 8 mm läßt sich z. B. die Oktave 9 bis 18 GHz überstreichen mit einem Gewinn von ca. 20 dB und einer Halbwertsbreite von ca. 100 bis Die Polarisation der Antenne ist beliebig und wird nur durch die Art der Koppelelemente bestimmt. Die Antenne kann gleichermaßen zum Empfang und zum Senden bzw. auch zum simultanen Empfang und Senden in verschiedenen Richtungen benutzt werden. Die Richtungsbestimmung einer einfallenden Welle kann direkt durch Maximalwertfinder an den Auskoppelelementen oder durch Monopulsverfahren erfolgen.

Claims

Patentansprüche X Mikrowellen-Antenne mit einer dielektrischen Linse aus homogenem Material, die vorzugsweise zum Empfangen, aber auch zum Senden elektromagnetischer Wellen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus zwei mit ihren jeweiligen Planflächen konzentrisch aufeinander gesetzten Halbkugeln besteht, deren Radien (R1, R2) unterschiedlich sind und zueinander in einem solchen Verhältnis (R2/R1) stehen, daß sich - bei Welleneinfall auf die qekrummte Oberfläche der größeren der zwei Halbkugeln -gekrummten auf der/Oberfläche der kleineren der zwei Halbkugeln ein Fokus bildet, der diametral dem Wellen-Auftreffpunkt auf der größeren der zwei Halbkugeln gegenüberliegt und in dem im Empfangsbetrieb die Energie der elektromagnetischen Welle auskoppelbar und in dem im Sendebetrieb die Energie der elektromagnetischen Welle einkoppelbar ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante Er des Halbkugelmaterials größer als etwa 4 gewählt ist.
3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante des Halbkugelmaterials etwa £r = 10 beträgt.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem die Oktave 9,0 bis 18 GHz erfassenden Arbeitsfrequenzbereich und einer relativen Dielektrizitätskonstanten des Halbkugelmaterials von etwa 10 der Radius R1 der größeren der zwei Halbkugeln zu etwa 100 mm gewählt ist.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation der Antenne durch diejenige der Koppelelemente vorgegeben ist, die bei Empfangsbetrieb der Energieauskoppelung bzw. bei Sendebetrieb der Energieeinkoppelung dienen.
6. ntenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn2;eichnet, daß zum Aus- bzw. Einkoppeln der elektromagnetischen Welle mindestens ein planarer Strahler vorgesehen ist.
7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl zueinander benachbarter, über zumindest ein Teilgebiet der gekrümmten Oberfläche der kleineren der zwei Halbkugeln verteilter planarer Strahler vorgesehen ist, die im Empfangsbetrieb zur Peilung der Quelle der einfallenden Strahlung nach der Methode der Maximalwertfindung oder nach dem Monopulsprinzip in Verbindung mit nachgeschalteten Auswerteanordnungen benutzbar sind.
8. Antenne nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt der planaren Strahler Hohlrohr- oder Hornstrahler vorgesehen sind.
9. Antenne nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt der planaren Strahler dielektrische Wellenleiter, insbesondere Stielstrahler, vorgesehen sind.
10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem die dielektrischen Wellenleiter bestehen, zumindest größenordnungsmäßig, möglichst jedoch übereinstimmend, die gleiche relative Dielektrizitätskonstante besitzt wie die zwei Halbkugeln der Antenne.
11. Antenne nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Wellenleiter runde dielektrische Stäbe sind, die radial auf die kleinere der zwei Halbkugeln aufgesetzt, dicht über ihr angeordnet oder in sie eingesenkt sind.
12. Antenne nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die speiseseitigen Enden der (des) planaren Strahler(s) jeweils ein Übergangselement aufweist auf andere Leitungsart-n, die die Speiseschaltung (bzw. im Empfangsfall die Empfangsschaltung) erfordert, z. B. Übergangselemente zum Übergang auf Koasialleitungen.
13. Antenne nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Anzahl nmax der Stäbe nach Maßgabe der Näherung gewählt ist mit einem maximal möglichen Stabdurchmesser dE an den Koppel stellen von wobei Aomax die höchste Betriebswellenlänge bedeutet. omax