DE2934289A1

DE2934289A1 - Dielektrische linse

Info

Publication number: DE2934289A1
Application number: DE19792934289
Authority: DE
Inventors: Leland H Hemming
Original assignee: Plessey Inc
Current assignee: Plessey Inc
Priority date: 1978-08-25
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5563101A; GB2029114A; FR2434497A1; FR2434497B1; GB2029114B

Description

19 852 40/dr

PLESSEY INCORPORATED, New York, N.Y. 10022,USA

Dielektrische Linse

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Linse zur Umwandlung einer sphärischen Wellenfront einer elektromagnetischen Strahlung in eine ebene Welle sowie Anordnungen mit solchen Linsen.

Die Grundzüge von Antennenfeldern sind im einzelnen in "Microwave Antenna Measurements" von Hollis et al (Scientific Atlanta, Inc., 1969) erläutert und folgende Zusammenfassung der hier interessierenden Abschnitte soll das Verständnis der Erfindung erleichtern. Beim Untersuchen von Strahlungseinrichtungen bzw. anordnungen, die elektromagnetische Energie empfangen, besteht die ideale Versuchsbedingung zur Bestimmung der Fernfeldeigenschaften darin, eine ebene Welle mit gleichförmiger Amplitude und Phase zur Bestrahlung der Öffnung der Versuchsanordnung zu erzeugen. Verschiedene Näherungen zur Simulation dieser idealen elektromagnetischen Umgebung haben zur Entwicklung zweiter Grundarten elektromagnetischer Untersuchungseinrichtungen geführt:

(1) Freiraumversuchsfelder

(2) Reflexions-Versuchsfelder

Freiraumversuchsfelder zeichenen sich dadurch aus, dass versucht wird, die Auswirkungen der gesamten Umgebung einschliesslich der

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Versuchsfeld-Oberfläche bzw. -Oberflächen auf die Wellenfront, mit der die zu untersuchende Antenne bestrahlt wird, zu unterdrücken oder zu beseitigen. Diese Unterdrückung soll durch einen oder mehrere der folgenden Faktoren erreicht werden:

a) Richtwirkung und Nebenkeulenunterdrückung der Quellen- bzw. Sendeantenne und der Versuchs- bzw. Empfangsantenne,

b) Einhaltung eines Abstandes zwischen dem Strahlengang und der Versuchsfeldoberfläche,

c) Wiederausrichten oder Absorption der die Versuchsfeldoberfläche erreichenden Energie und

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

Für die Freiraummethode können hochliegende Versuchfelder, schräg verlaufende Versuchfelder, rechteckige reflexionsfreie Räume und - oberhalb gewisser Grenzfrequenzen - konische reflexionsfreie Kammern als typisch angesehen werden. Eine kürzliche Entwicklung auf diesem Gebiet stellt das kompakte Versuchsfeld dar, bei dem die Versuchsantenne mit kollimierter Energie in der Öffnung einer grösseren punktförmigen oder geradlinigen Fokusantenne bestrahlt wird.

Bei Reflexionsversuchsfeldern wird die Energie ausgenutzt, die von der Versuchsfeldoberfläche bzw. -oberflächen wieder abgestrahlt wird, um eine Interferenz _mit dem direkten Signal im Bereich der Versuchsöffnung zu erzeugen. Die Geometrie wird dabei derart gewählt, dass ein kleiner, im wesentlichen symmetrischer Amplitudenkonus in dem Bestrahlungsfeld erzeugt wird. Die zwei Hauptarten von Reflexionsversuchsfeldern sind das Boden-Reflexionsversuchsfeld und - für niedrige Frequenzen - die konische reflexionsfreie Kammer.

Bei beiden Grundarten befassen sich die fundamentalen elektromagnetischen Konstruktionskriterien mit der Steuerung von fünf Faktoren:

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" ⁸ " 293A2C9

a) Induktive Koppelung bzw. Strahlungskoppelung zwischen den Antennen,

b) Phasenkrümmung der bestrahlenden Wellenfront,

c) Amplitudenkonus der bestrahlenden Wellenfront,

d) räumlich periodische Änderungen der bestrahlenden Wellenfront aufgrund von Reflexionen und

e) Interferenz von Störstrahlungsquellen.

Die Punkte a bis d bestimmen in erster Line die Abmessungen des Versuchsfeldes sowie die Grenzwerte der Richtwirkung der Quellenantenne. Punkt e muss bei der Gesamtanordnung berücksichtigt werden.

Bei niedrigen Mikrowellenfrequenzen müssen die Auswirkungen der induktiven Koppelung zwischen der Quellenantenne und der Versuchsantenne berücksichtigt werden. Diese Auswirkungen sind gewöhnlich vernachlässigbar, wenn die Bedingung

R > 10 Λ (D

erfüllt ist, wobei r der Abstand zwischen den Antennen und 7\ die Wellenlänge ist. Diese Bedingung basiert auf den Feldgleichungen für einen elementaren elektrischen Dipol, aus denen sich das folgende Verhältnis der Amplitude des induzierten Feldes zu der des Strahlungsfeldes ergibt:

Pt =

Bei Ri. 10 X , p£ > 1/20 T', wird die Bedingung äquivalent der Forderung, dass

20 log (p£)*. - 36 dB (3)

Der Einfluss der Krümmung der einfallenden Phasenfront ist ausser ordentlich wichtig. Die Hauptschwierigkeit liegt darin, dass die im allgemeinen akzeptierte Bedingung darin besteht, dass die annehmbare minimale Reichweite durch folgende Beziehung bestimmt

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R^ # (4)

wobei D der Durchmesser des Testobjektes (z.B. die Versuchsöffnung) ist.

Für öffnungen grosser als 30 cm (12 inch) im X-Band oder oberhalb > 8 GHz soll die Versuchsfeldlänge grosser als 4,9 m (16 feet) sein, was der maximalen Länge der am häufigsten verwendeten rechteckigen 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 Verfugung,und zwar entweder wegen des Wetters oder wegen fehlenden Raumes.

Genauer gesagt hängen bei fehlenden Reflexionen die Phasenänderung des Feldes über der Öffnung einer Empfangsantenne von gegebener Grosse und der Betrieb bei einer gegebenen Frequenz nahezu vollständig von dem Abstand zwischen der Quellen- und der Empfangsantenne ab. Wenn die Empfangsantenne sich im Fernfeld der Sendeantenne befindet weicht die Phasenfront der ankommenden Welle sehr wenig von einem Ausschnitt einer Kugel mit der Sendeantenne als Mittelpunkt über dem Hauptabschnitt der Hauptkeule ab.

Es kann gezeigt werden, dass über einer ebenen Empfangsöffnung die Änderung der Phase des einfallenden Feldes nahezu völlig durch die Abweichung der Versuchsöffnung von der Kugel über der Sendeantenne bewirkt wird, wenn die Empfangsantenne um weniger als die Leistungshalbwertsbreite der Wellenfront von der Sendeantenne gegenüber liegt. In der Praxis wird die zu untersuchende Antenne um erheblich weniger als die Leistungshalbwertsbreite gegenüberliegen, um den Fehler aufgrund der gegenseitigen Koppelung und des Amplitudenkonus des über die Versuchsöffnung einfallenden Feldes zu reduzieren.

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Einen Ausdruck für den Phasenhub bzw. -abweichung im Bereich der ebenen Versuchsöffnung kann aus Figur 1 gefunden werden- Da

2 D² = (R +4RJ² (5)

^R ~~4

AR = °- (6)

8R

wenn R vernachlässigt wird. Die zugehörige Phasenabweichung ist ge geben durch

Art- ^21r ^Λ ^R - * D rad (7)

Eine allgemein verwendete Bedingung zur Bestimmung des minimal zulässigen Abstandes zwischen der Quellenantenne und der Versuchsantenne ist die Beschränkung von Δ. φ auf einen Maximalwert von T/8 rad bzw. 22,5 Grad Unter dieser Bedingung - R i2D²/X (Gl.4) ergibt sich ein signifikanter Wegfall der Nullen des Strahlungsmusters und des Ortes und der Pegel der Nebenkeulen aus ihren Werten des unbegrenzten Versuchsfeldes. Der Betrag der Abweichung hängt von dem ursprünglichen Nebenkeulenpegel und seiner Struktur ab. Berechnungen

2 haben gezeigt, dass für einen Bereich von 2D /^ die erste Null bzw. Ordnung des von einer rechteckigen öffnung bei gleichförmiger Bestrahlung erzeugten Musters einen relativen Pegel von etwa -23 Dezibel anstelle von -^oo Dezibel hat. Diese theoretische Abweichung ergibt sich allein aufgrund der Einflüsse durch Phasenfehler. Die Amplitude der über die Versuchsöffnung einfallenden Welle wird als konstant angesehen. Das unbegrenzte Feldmuster in dem obigen Fall hat eine sin χ Konfiguration, wobei der relative Pegel der ersten Keule bei eiwa - 13 db.

ORIGINAL INSPECTED

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Der Einfluss des Amplitudenkonus über der Testöffnung muss ebenfalls berücksichtigt werden. Um bei simulierten Fernfeldmessungen die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, muss das Bestrahlungsfeld in der Amplitude sowohl entlang der Sichtlinie als auch in Ebenen senkrecht zur Sichtlinie ausreichend konstant sein.

Es sei nun von einer auf Empfang geschalteten Versuchsantenne ausgegangen, deren aktiver Bereich entlang der Sichtlinie die maximale Abmessung L hat. Wenn der Abstand zwischen der Quellenantenne und dem Mittelpunkt des aktiven Bereichs R ist und das Verhältnis der Leistungsdichte am vorderen Ende des aktiven Bereichs ρ ist, so gilt am hinteren Ende:

10 log (p) = 20 log (Ro+L/2) dB (8)

(RO-L/2T

Axiale Änderungen des Bestrahlungsfeldes können Messfehler zur Folge habe, insbesondere in der Nebenkeulenstruktur des Strahlungsmusters. Bei den meisten Antennentypen, deren aktive Bereiche eine beträchtliche Tiefe aufweisen, ist ein solcher Fehler gewöhnlich vernachlässigbar, wenn die Leistungsdichte innerhalb von einem dB konstant ist. Diese Bedingung entspricht etwa der folgenden Angabe:

R₀^ 10L (9)

ist
Die Bedingung / für Gebilde, wie z.B. leistungsstarken Antennen mit auf einer Stange angeordneten Scheiben, oftmals einschränkender als das einschränkendere der oben diskutierten Feldlängenkriterien, die auf der Unterdrückung der induktiven Koppelung und der Phasenkrümmung beruhen.

Der Einfluss des Amplitudenkegels des einfallenden Feldes über einer Ebene senkrecht zur Sichtlinie und der Versuchsöffnung

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benachbart kann vom Standpunkt der Reziprozität gesehen werden. Die Änderung der Amplitude des Feldes über der öffnung beim Empfang entspricht - innerhalb der Genauigkeit der Aperturfeldnäherung einer Modifikation der Versuchsöffnungsbestrahlung durch die Primärspeisung beim Senden. Z.B. würde das Muster einer Antenne, deren Speisung eine Aperturbestrahlung f (Θ, r) beim Senden erzeugen würde, wobei (Θ, r) die Position der Apertur bzw. Versuchsöffnung angibt, wenn sie beim Empfang durch eine Quellenantenne bestrahlt wird, die über der Versuchsöffnung einen Aplitudenkegel g (Θ, r) erzeugt, dem einer Sendeantenne analog sein, die derart gespeist wird, dass sich eine Bestrahlung f (Θ, r) g (Θ, r) über der Versuchsöffnung ergibt. Wenn g (Θ, r) hinsichtlich der Amplitude und der Phase im Bereich der Versuchsöffnung konstant ist, wird das gemessene Muster das gleiche sein wie das unbegrenzte Feldmuster für die Bestrahlungen f (Θ, r). Je mehr g (Θ, r) von der Konstanten abweicht, umso grosser wird die Abweichung des gemessenen Musters von dem unendlichen Feldmuster sein. Der quantitative Effekt der nahezu konstanten Funktionen g (Θ, r) kann nicht bestimmt werden, wenn f (Θ, r) nicht vorausgesetzt wird.

Berechnungen haben gezeigt, dass bei einem 0,5 dB Amplitudenverlauf über der zu untersuchenden Einheit sich eine 0,15 dB Abnahme in der gemessenen Verstärkung ergibt. Wenn der Kegel gleich 0,25 dB ist, ist der Fehler kleiner als 0,1 dB.

Wenn eine Quellenantenne verwendet wird, die zur Erzeugung eines Feldkegels über der Versuchsöffnung entsprechend bemessen ist, ist es wesentlich, dass die Sendeantenne derart gerichtet wird, dass die Spitze ihres Strahles auf die zu untersuchende Antenne zentriert ist, um einen übergrossen und asymmetrischen Bestrahlungskegel, der mit einer Messfehlerzunahme verbunden ist, zu verhindern. Es ist wichtig festzustellen, dass ein von dem Symmetrischen Amplitudenkegel stammender Fehler innerhalb der akzeptierten 0,25 dB-Bedingung keine Defokusierung zur Folge hat, sondern vielmehr eine geringfügige Änderung der gemessenen Nebenkeulenpegel und einen Fehler in der gemessenen Verstärkung.

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Wie oben erläutert, erfordert im allgemeinen das Testen von Mikrowellenantennen, 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 in ausreichendem Abstand zu der Versuchantenne derart angeordnet wird, dass ihre sphärische Wellenfront sich stark einer gleichförmigen ebenen Welle, die auf die zu untersuchende Einrichtung einfällt, annähert.

Da häufig Versuchsfelder mit mehreren Metern bis zu mehreren

2 hundert Metern erforderlich sind, um die zwei D /^-Bedingung zu erfüllen, werden Fernfeldmessungen gewöhnlich an Installationen im Freien vorgenommen, die ungünstigen Wetterbedingungen ausgesetzt sind. Ausserdem ändern sich die Versuchsfeldbedingungen. Ferner können die Grundstückskosten für solche Versuchsfelder (die Grundstücke sollten möglichst nahe am Herstellungsbetrieb liegen) sehr hoch sein, und die Sicherheit wirft weitere Probleme auf. Kleine Antennen oder Targets können in geeigneter Weise in reflexionsfreien Kammern getestet werden. Da jedoch grosse Antennen {gross im Hinblick auf die Wellenlänge) lange Versuchsfelder erfordern, werden die Kosten einer Kammer für derartige Untersuchungen unannehmbar hoch.

In der US-PS 3 302 205 sind Messungen mit grossen Antennen oder relativ grossen Zielen beschrieben, die in Gebäuden mit kompakten Versuchsfeldern durchgeführt werden können. Ein Versuchsfeld-Reflektor und ein spezielles Zuführungsystem in der Nähe der zu untersuchenden Einrichtung werden zur Erzeugung der einfallenden ebenen Wellen verwendet, wobei Fernfeldresultate eihalten werden. Ein geeignet fokusierter parabolischer Reflektor kollimiert die Strahlen und erzeugt dadurch in seiner öffnung eine ebene Welle Diese Welle ist aber infolge des Bestrahlungskegels des Zuführungshorns und der räumlichen Abschwachungseffekte nicht gleichförmig.

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Jedoch kann mit einer geeignet gewählten Speisung eine Welle erzeugt werden, die über einen annehmbaren Bereich hinweg annähernd gleichförmig ist. Dieser Bereich mit annähernd gleichförmigen ebenen Wellen wird bei kompakten Versuchsfeldern zur Bestrahlung der zu untersuchenden Antenne verwendet. In der US-PS ist von früheren Anstrengungen die Rede, um eine Bestrahlung mit ebenen Wellen mit Hilfe von Linsen zu erreichen, wobei jedoch bemerkt wird, dass unbefriedigende Ergebnisse aufgrund der Aplitudenverzerrungen die durch unsystematische Reflexionen verursacht werden, erhalten werden.

Dielektrische Linsen und Kegel sind an sich bekannt und werden seit, vielen Jahren in Mikrowellen- oder anderen Übertragungsystemen verwendet. Der grundsätzliche Aufbau einer dielektrischen Linse Ist in "Microwave Antenna Theory and Design" von Silver (McGraw Hill, 1949) beschrieben. Die Verwendung konischer dielektrischer Hörner zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Mikrowellenreflektoren und Hornantennen ist in den üS-PSen 3 430 244, 3 4t4 903 und 6 611 beschrieben. Nach der US-PS 3 414 903 wird ein Kegel aus einem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten in Verbindung mit einer Linse aus einem Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten mit einem Aufbau eines Senders mit beachtlicher Nebenkeulenunterdrückung und für die Ausstrahlung ebener Wellenfronten verwendet.

Das Verständnis der Erfindung wird erleichtert, indem die folgende Analyse von zwei einfachen Linsenarten betrachtet wird, und zwar der plankovexen Linse und der Meniskuslinse. Die Profile dieser Linsen sind bekannt und können von Silver nachgelesen werden.

Für eine plankonvexe Linse (Figur 2) gilt:

f=r (1-n cos Θ) (10)

A- η

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2 9 3 A 2 8 9

wobei η = _v'f/j. ο ⁼ relativ.-· ji^ioktrizitätsxahlder Linse, also der Brechungsindex bzw. die Dielektrizitätskonstante und f = die Fokallänge (Brennweite) der Linse.

Für eine Meniskuslinse (Figur 3)gilt:

f = (n - cos6) (11)

n-1

Die Fokallänge der Linse ist der Abstand vom Phasenzentrum der Sendeantenne zu der Mitte des nächstgelegenen Punktes auf der plankonvexen Linse und der Mittelpunkt der Linse, der am weitesten von dem Phasenzentrum der Meniskuslinse entfernt ist.

Um bei gegebener Brennweite und relativer Dielektrizitätskonstante, die Linsengeometrie zu erhalten, werden die Gleichungen in der folgenden Weise umgeordnet:

Plankonvexe Linse:
r = f (1-n)

(1-n cos Θ) (12)

Meniskuslinse:

^r = £ (η-D

(η-cos Θ) (13)

Die erfindungsgemässe Linse darf die Eigenschaften des Versuchsfeldes nicht verschlechtern, wobei folgender Hinweise zu berücksichtigen sind:

Die Linse arbeitet nur mit der Ausbreitungskonstanken 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

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Mitte der Wellenfront in der Mitte der Linse in einem grösseren Ausmass verzögert, so dass die austretende Wellonfront vollständig ausgerichtet oder gleichförmig ist, wie dies beim Untersuchen von Antennen erforderlich ist. Dieses angenäherte, gleichförmige Wellenfeld wird dann dazu verwendet, die zu untersuchende Einrichtung, die üblicherweise eine Antenne ist, zu bestrahlen. Daher sieht die zu untersuchende Antenne ein Fernfeld (gleichförmige Amplitude und Phase). Durch Zwischenschaltung einer Linse zwischen der Sendeantenne und der zu untersuchenden Antenne kann also der Abstand verkürzt werden, da die Linse die erforderliche Verzögerung bewirkt, um eine ebene Wellenfront zu erzeugen.

Wenn die Welle durch die Linse hindurchtritt, stösst sie auf die Grenze 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. Dieser erfolgt nicht gleichmässig, da sich die Linsengeometrie mit der Dicke ändert. Daher wird die Gleichförmigkeit der den Untersuchungsbereich tatsächlich erreichenden Welle durch die Reflexionen und Brechungen an den Linsenrändern verzerrt. Diese Störung äussert sich in einer Welligkeit im Aplitudenverlauf der Welle· Wenn jedoch die Dielektrizitätskonstante niedrig genug ist, kann diese Welligkeit innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden.

Leider haben jedoch die gewöhnlich für derartige Anwendungen verwendeten festen Dielektrika (Äthylzellulose, Polyäthylen, Polystyren, Polyisobutylen oder Methylmethacrylate) alle eine Dielektrizitätskonstante, die viel zu hoch ist. Frühere Anstrengungen zur Erzeugung ebener Wellen mit Hilfe von Linsen mussten mehr oder weniger erfolglos bleiben, weil nicht erkannt worden ist, dass eine Linse mit sehr niedriger Dielektrizitätskonsten erforderlich ist und dass die Amplitudenstörung (beispielsweise Reflexionen) durch Verwendung von Asorptionsmaterialien und durch geeignete Auswahl der Sendeantenne im Versuchsfeld in unabhängiger Weise möglichst gering gehalten werden muss.

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Abgesehen von den oben angesprochenen Grenzreflexionen wird die Versuchsantenne einen bestimmten Energieanteil zur Linse zurückstrahlen, wo die Energie als ein Fremd- bzw. Störsignal mit willkürlicher Phase ein zweites Mal reflektiert und zur Antenne zurückgestrahlt wird. Dadurch können sich grosse Schwierigkeiten beim Messen ergeben. Keine Antennen- bzw. Strahlungseinrichtung ist 100%ig wirksam. Die meisten nehmen 50 bis 70 % der einfallenden Energie auf. Einige sind sogar nur zu 25 % wirksam. Die nicht aufgenommene Energie wird an der Oberfläche der Einrichtung gestreut, wobei ein grosser Teil zur Sendeantenne zurückeilt. In der Tat wird beim Messen des radarwirksamen Querschnittes die gesamte Energie reflektiert, da das Target als geschlossene Antenne wirkt. In einem herkömmlichen Freiraumversuchsfeld wird die reflektierte Energie im Raum gedämpft und gelangt nicht zur Versuchsanordnung zurück. Bei einer Versuchanordnung mit einer Linse, wie sie gemäss der Erfindung vorgeschlagen wird, wird jedoch eine Reflexion auftreten. Je höher die Dielektrizitätskonstante der Linse ist desto kleiner kann das Versuchsfeld sein, jedoch werden die Messfehler, die durch die zweifache Reflexion bedingt sind, ebenfalls an Einfluss gewinnen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für elektromagnetische Untersuchungen geeignete dielektrische Linse zu schaffen, bei der die oben angesprochenen Nachteile weitgehend beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird bei einer dielektrischen Linse der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Linse plankonvex oder meniskusförmig aus einem gleichförmig geschäumten Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten von 1,05 und 1,5 hergestellt ist und eine die Strahlung absorbierende Abdeckung aufweist, die im Falle einr plankonvexen Linse auf der ebenen Seite der Linse und im FaIIe einer Meniskuslinse an der konkaven Seite der Linse angebracht ist, um eine Reflexion der Strahlung zu verhindern.

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Die Erfindung lässt sich insbesondere be ^{: r}iir elektromagnetische Untersuchen geeignete Anordnungen anwenden, die sich gemäss einer Weiterbildung der Erindung dadurch auszeichnen, dass ein bewegliches Gestell vorgesehen ist,auf dem eine Antenne für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, dass die dielektrische Linse auf dem Gestell im festen Abstand zur Antenne befestigt ist und dass ein die Strahlung absorbierendes Material den Strahlengang zwischen der Antenne und der Linse umgibt und auf der Seite der Linse vorgesehen ist, die dem Prüfobjekt zugewandt ist.

Ein elektromagnetisches Untersuchungssystem mit einer dielektrischen Linse gemäss der Erfindung zeichnet sich gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch aus, dass die Linse zwischen einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einer Versuchsanordnung derart angeordnet ist, dass eine ebene Welle zu dieser Versuchsanordnung hin gerichtet wird, dass eine erste die Strahlung absorbierende Einrichtung den Strahlengang zwischen der Quelle und der Versuchsanordnung zur Minimalisierung von Reflexionen und Amplitudenverzerrungen umgibt und dass eine zweite die Strahlung absorbierende Einrichtung zwischen der Linse und der Versuchsanordnung vorgesehen ist, die eine zweite Reflexion im wesentlichen verhindert.

Ein Verfahren zur Untersuchung elektromagnetischer Einrichtungen unter Fernfeldbedingungen zeichnet sich erfindungsgemäss durch folgende Schritte aus:

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

Auffangen dieses Signals an einem zweiten Punkt und Umwandeln in eine ebene Welle mittels einer erfindungsgemässen dielektrischen Linse,

Auffangen der umgewandelten Welle mit der zu untersuchenden Antenne,

Anordnen einer ersten, die Strahlung absorbierenden Einrichtung entlang dem Strahlengang des Signals zur Unterdrückung von Amplitudenverzerrungen und Reflexionen,

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Anordnen einer zweiten, die Strahlung absorbierenden Einrichtung zur Absorption der von der Antenne reflektierten Signale und

Messen der zu bestimmenden Eigenschaften der elektromagnetischen Einrichtung.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden, anhand der beiliegenden Zeichnung erfolgenden Beschreibung. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer reflexionsfreien (anechoiden) Versuchskammer mit der erfindungsgemässen dielektrischen Linse,

Figur 2

u. Figur 3 Querschnittsansichten einer plankovexen bzw. einer Meniskuslinse mit verschiedenen, dort angegebenen Linsenparametern,

Figur 4 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemässen Linse zur Veranschaulichung des Absorberaufbaus,

Figur 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Untersuchung sanordnung, bei der die Erfindung ausgenutzt wird,

Figur 6 eine Linsenkurve (Durchmesser in Abhängigkeit von der Dicke) für geschäumte Kunststoffdielektrika gemäss der Erfindung,

Figuren

7 u. 8 Diagramme der Phasen- und Amplitudendaten mit und ohne Linse,

Figuren

9 u. 10 Diagramme von anderen Untersuchungsergebnissen aufgrund

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der Erfindung,

Figur 11 den Verlauf der Linsenreflexion (E in Abhängigkeit vom Reflexionspegel in dB),

Figur 12 eine Arbeitskurve für einen 5 cm (2 inch)-Absorber mit pyramidenförmiger Struktur (Frequenz in Abhängijceit von der Dämpfung in dB) und

Figur 13 ein Nomogramm zur Berechnung der Messunsicherheit bei verschiedenen Fremdsignalpegeln.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Dielektrizitätskonstante bei geschäumten Kunststoffmaterialien eine umgekehrte Funktion der Schaumdichte ist und dass dieser Parameter während der Herstellung gesteuert werden kann. Die gewünschte Dielektrizitätskonstante der erfindungsgemässen Linse soll so gross sein, dass die Phasenkrümmung bewirkt wird, jedoch nicht so gross, dass sie eine grössere Oberflächenreflexion von der Linse bewirkt und die Welle abblockt, was bei etwa E = 1,7 auftritt. Die Dielektrizitätskonstanten der obenerwähnten festen Dielektrika sind alle 2,1 oder grosser. Durch Verwendung von geschäumtem Kunststoffmaterial kann die Dielektrizitätskonstante etwa im Bereich von 1,05 bis 1,3 gehalten werden, was sich aufgrund von Untersuchungen im Rahmen der Erfindung als vorteilhaft erwiesen hat. Für Polyurethanschäume entspricht der obere Grenzwert von 1,3 einer Dichte von etwa 0,21 g pro Kubikzentimeter (14 pound per cubic foot). Die Erfindung beruht ausserdem auf derErkenntnis, dass Amplitudenverzerrungen und Reflexionen durch die Verwendung einer kleinen Quellenantenne und durch die jeweilige Verwendung geeigneten Materials zur Absorption der Strahling eliminiert werden können, um einen Strahlungsgang zwischen der Quelle und der Linse und - in den meisten Fällen - ebenso zwischen der Linse und der Versuchsöffnung festzulegen.

Es wurde jedoch herausgefunden, dass die dielektrische Linse selbst beträchtliche Störreflexionen verursacht, wodurch die Anwendbarkeit

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erheblich eingeschränkt wird. Daher wird gemäss der Erfindung ein neuartiges Absorptionssystem zur Unterdrückung dieser Fremdsignale verwendet. Bei den Absorbern kann die Dielektrizitätskonstante der Linse im Bereich von 1,05 bis 1,5 (s. Figur 11) liegen. Allgemein lässt sich sagen, dass die Linse sehr gross sein muss, wenn E sehr klein ist, und dass Probleme sowohl durch externe als auch durch interne Reflexionen auftreten, wenn E sehr gross ist.

Wie in Figur 1 dargestellt, enthält eine reflexionsfreie Kammer eine punktförmige Quellen- bzw. Sendeantenne 12 und eine Versuchsbzw. Empfangsantenne 14. Eine dielektrische Linse 16 ist in einem Abstand gleich dem Vierfachen ihres Durchmessers von der Antenne angeordnet (z.B. ihre Fokallänge} und weist einen Absorber 30 auf, der anhand von Figur 4 noch näher erläutert wird. Kugelförmige Wellenfronten 18, die von der Antenne 12 abgestrahlt werden, liegen nach dem Durchgang durch die Linse 16 als ebene Wellenfronten 20 vor. Die Kammer 10 kann ca. 7 m (20 feet) lang sein und eine Versuchsfeldlänge von ca. 4,5 m (15 feet) aufweisen. Für geschäumten Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten E =1,25 kann aus Figur 6 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 die Versuchsantenne 14 eine im wesentlichen flache Wellenfront, wie dies im Folgenden quantitativ dargelegt wird. Figur 6 zeigt Kurven für Dielektrika, deren E in dem bevorzugten Bereich liegt. Die Kurven wurden anhand der Gleichung 12 berechnet. Die angenommenen Bedingungen entsprachen denjenigen, die, wie sie bei den in der Regel in den Laboratorien verwendeten Kammern vorliegen, z.B. R = 4,27 m (168 inch).

Reflexionsfreie Kammern gestatten wahrscheinlich die breiteste Anwendung der Erfindung, jedoch sind andere Anwendungen ebenfalls ersichtlich. Es sei angenommen, dass eine Untersuchungsanordnung gebraucht wird, um ein Antennensystem in der Nase eines Flugzeuges zu untersuchen. Ferner sei angenommen, dass diese Antenne als 61 cm (2 foot)-Schirm für das X-Band ausgebildet ist. Offenbar wäre es

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vorteilhaft, wenn die Antenne während der Untersuchung in dem Flugzeug belassen werden könnte. Geht man von der 2D /V-Krümmung aus, wäre die Anwendung eines 30,5 m(100 foot)-Antennen-Versuchsfeldes erforderlich, und der beste Versuchsort müsste mindestens 4,6 m(15 feet) über dem Boden liegen. Offenbar ist es unzwekcmässig, das Flugzeug lediglich zum überprüfen der Antennen in die Luft zu bringen, so dass als nächstbeste Möglichkeit das folgende Verfahren angewendet wird:

Ausbauen der Antennen, Einbringen der Antennen in das Versuchsfeld, Durchühren der notwendigen Einstellungen und erneutes Einbauen der Antenne.

Unter Verwendung der erfindungsgemässen Linse 16 wird gemäss Figur 5 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 die Anlage kann im eingebauten Zustand untersucht werden, wobei sie so arbeitet, wie in der Luft. Genauer gesagt erzeugt eine parabolische Versuchsantenne 28 eine im wesentlichen ebene Wellenfront, die von der Antenne 22 gesehen wird. Mit Hilfe einer geeigneten Verzögerungseinrichtung (nicht gezeigt) wird das einfallende Signal von der Antenne 22 durch die Linse 16 hindurch 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 Prüfunganordnung 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 Herstelleranweisungen erfolgen, um ungeschäumte Taschen zu vermeiden, die eine Phasenverzerrung zur Folge haben wurden.

Für die Herstellung einer grossen Anzahl identischer Linsen sollte eine Gussform mit der gewünschten Form angeschafft werden, wobei durch genaues Einstellen der Mengen des Vorpolymers und des Schäumungsmittels die Linsen mit der gewünschten Dichte und der gewünschten Dielektrizitätskonstanten vor Ort gegossen werden.

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

Die meisten starren und elastischen Schäume sind für die Erfindung geeignet, obwohl starre Schäume aus Gründen der Handhabung von Verzerrungen bevorzugt werden. In der folgenden Tabelle I sind einige geeignete Schäume zusammen mit ihrer Dielektritzitätskonstanten bzw. dem Bereich, in dem die Dielektrizitätskonstante liegt, angegeben, wobei als Messgrundlage die ASTM D1763 (Quelle: 1975-76 Modem Plastics Encyclopedia) dient.

Tabelle 1
Geschäumter Kunststoff Dielektrizitätskonstante E

Zelluloseazetat 1,12

Epoxy (mit starren geschlossenen

Zellen) 1,08 - 1,19

Phenole 1,19 - 1,20

Polyäthylen mit niedriger und

mittlerer Dichte 1_p05 - 1,15

Polyäthylen,verkettet 1,1 - 1,55

Polyurethan, starr 1,05 - 1,5

Polyurethan, elastisch 1,0 - 1,5

Silikon, offenzellig 1,2

Starre Schäume mit geschlossenen Poren werden bevorzugt, so dass Feuchtigkeitsänderungen die Linse nicht beeinflussen. Hydrophile Schäume sollten vermieden werden. Prinzipiell kann aber jedes geschäumte Material verwendet werden, um die gewünschten Testbe-

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dingungen zu erzielen. Hinsichtlich des Betriebes sind diese Schäume nicht temperaturempfindlich.

Für eine plankonvexe Linse werden die notwendigen Daten Gleichung 12 eingesetzt um die Linsenform zu berechnen. Während die Herstellungstechnik die gleiche ist wie die bei den bekannten Linsen, sind die Linsen selbst aufgrund des verwendeten Materials neu. Meniskuslinsen, die von ihrer Arbeitsweise her zufriedenstellend sind, erfordern allerdings komplexere Gussformen bzw. Bearbeitungsvorgänge. Sie werden aufgrund der Materialeinsparung bei grossem Produktionsvolumen oder sehr grossen Linsen bevorzugt.

Die erfindungsgemässen Linsen können auch in konischen reflexionsfreien Kammern eingebaut werden, wo sie bei höheren Frequenzen die Ausnutzung des gesmaten Bereichs gestatten, ferner in grosse (z.B. 76 cm χ 76 cm χ 152 cm) rechteckige oder spitz zulaufende Kammern, wo sie die Ausnutzung des gesamten 180 bis 240 cm ( 6 bis 8 feet)-Versuchsbereich gestatten, und in Prüfanordnungen für allgemeine Zwecke, von denen einen beschrieben worden ist.

Der Aufbau der Linse 16 zusammen mit dem Absorber 30 ist in Figur 4 dargestellt, auf die insbesondere Bezug genommen wird. Der Absorber 30 weist drei Schichten auf, die aus einem flexiblen Schaummaterial bestehen und jeweils eine pyramidenförmig strukturierte Oberfläche und eine ebene Rückseite aufweisen. Die Schicht 32 wird lediglich als Haltemittel für die anderen Schichten benutzt und hat eine flache Oberfläche 33, die an der nicht-konvexen, d.h. an der flachen Oberfläche der Linse 16 befestigt ist. Die Schicht 32 ist elektrisch inert; beispielsweise ist sie nicht mit leitfähigem Kohlenstoff behaftet. Die Schicht 34 enthält Kohlenstoff und ist derart geschnitten, dass sich ihre pyramidenförmigen Erhebungen an die pyramidenförmigen Vertiefungen der Schicht 32 anschmiegen. Die Schicht 36 enthält ebenfalls Kohlenstoff und ist mit ihrer Rückseite an die Rückseite der Schicht 34 befestigt,

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wobei sie jedoch versetzt zu der Schicht 34 angeordnet ist, so dass die Erhebungen 35 der Schicht 36 mit den Vertiefungen 37 der Schicht 34 fluchten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Einfügungsdämpfung über den Absorber 30 hinweg konstant bleibt und dass die gleichförmige ebene Welle nicht durch Phasenverzerrungen gestört wird.

Der Betrag der von der Oberfläche der Linse reflektierten Energie hängt von ihren dielektrischen Eigenschaften ab. Figur 11 zeigt diese Beziehung für den in der Praxis interessierenden Bereich der Dielektrizitätskonstanten. Es wird darauf hingewesen, dass für die meisten Modelle die Verteilung der Fremdenergie in der Grössenordnung von 25 bis 35 dB ist.

Man versucht bei den meisten Antennen und Wellen die Fremdenergiepegel auf -4 5 bis -55 dB zu drücken. Das erlaubt eine genaue Untersuchung der meisten Strahlungsanordnungen. Nur in Extremfällen muss auf mehr als -55 dB unterdrückt werden. In der Praxis bedeuten Pegel von mehr als -4 0 dB, dass die Messgenauigkeiten + 1 dB überschreite^und diese Unsicherheit kann im Normalfall allerhöchsten toleriert werden.

Der Prüfungsingenieur muss sein Prüfsystem entsprechend diesen Anforderungen aufbauen. Bei einem Linsensystem heisst das, dass eine zusätzliche Unterdrückung in der Grössenordnung von 5 bis 30 dB erzielt werden muss, was von dem verwendeten Linsentyp und der auszuführenden Prüfmethode abhängt. Dies kann durch Verwendung eines geeignet gewählten Absorbers 30 erreicht werden.

Bis vor kurzem gab es nur feste Kunststoffabsorber und diese waren auf den -20 bis -30 dB-Bereich beschränkt, weil sich die Fortpflanzung der Energie in feste Oberflächen hinein als schwierig erwies. D.h., die Oberflächenreflexionen infolge des festen Kunststoffmaterials begrenzte den Betrag an Energie, der gedämpft werden konnte. Mit dem Aufkommen von Kunststoffschaum-

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material standen die Dielektrizitätskonstanten in der Grössenordnung von 1,02 bis 1,1 zur Verfügung, und leistungsfähige Absorber aus Schaununaterial (Dämpfung> 30 dB)wurden möglich. Heute sind Absorbermaterialien mit Reflexionsverlusten in der Grössenordnung von 60 dB allgemein üblich. Dies wird durch Imprägnierung des Schaums mit einer leitfähigen Kohlenstoffdispersion erreicht, wobei bis zu der kritischen Grenze herangegangen wird, um hohe Reflexionsverluste zu erhalten. Jedoch muss selbst bei einer niedrigen Dielektrzitätskonstanten das Material ausgeformt werden. Daher ist es notwendig, den Schaum mit der richtigen Leitmittellösung zu beladen, wenn die Reflexion gering gehalten werden soll. Auch muss für eine kegelförmige Geometrie des Schaums gesorgt werden, damit er als Verbraucher mit einem allmählichen übergang vom Absorbermedium zum freien Raum wirkt. Daher wurde die pyramidenförmige Geometrie bereits sehr früh in der Entwicklung der Absorbermaterialien gewählt.

Die gegenwärtig erhältlichen Absorber haben bei einer vorgegebenen Dicke eine grosse Dämpfung. Der dünnste, z.Zt. erhältliche Absorber mit pyramidenförmiger Geometrie hat eine Dicke von etwa 5 cm (2 inch) und eine Einfügungsdämpfung im X-Band von etwa 18 dB (s. Figur 12). Die Neigung der Dämpfungskurve beträgt 6 dB pro Oktave. Um wenig Reflexion in beiden Fortpflanzungsrichtungen zu zeigen muss das spitz zulaufende Material in beide Richtungen weisen. Daher ist die gesamte Einfügungsdämpfung 36 dB, was ausserhalb des oben diskutierten Bereichs liegt, wo ein absoluter Maximalwert von 30 dB für erforderlich gehalten wurde. Dies erklärt die Verwendung von zwei chargierten geschäumten Schichten 34, 36, von denen die eine zur Energiequelle hin weist und die andere zu der zu prüfenden Anordnung hin. Daher müssen die Absorber, die für für ebene Wellen bestimmte Linsen gedacht sind, für diesen Zweck speziell ausgebildet werden.

Aus den Versuchsbedingungen, der Dielektrizitätskonstanten, der

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Linse und der Weglänge zwischen dem Zielkörper und der Quelle lässt sich der Pegel der Fremdsignale schätzen. Dieser wird mit den Versuchsanforderungen und dem berechneten Betrag an zusätzlicher Dämpfung verglichen. Diese Einfügungsdämpfung wird dann als Richtwert bei der Beladung des pyramidischen Schaummaterials verwendet, das an der flachen Seite der Linse befestigt wird, wie unten beschrieben.

Der Absorber 30 erstreckt sich über den Durchmesser der Linse hinaus, wobei sein Durchmesser eta 1,1 bis 1,5 mal so gross wie der Durchmesser der Linse ist, um die durch das Anfügen des Absorbers auf der Rückseite der Linse verursachte Diskontinuität so gering wie möglich zu halten. Derarte Diskontinuitäten (Sprungstellen) sind aus den im folgenden noch zu eräuternden Figuren 7 und 8 ersichtlich. Im wesentlichen vergrössert der Durchmesser des Absorbers 3 die Versuchsöffnung und verringert die Beugung am Rand. Ferner kann der Umfang des Absorbers 30 (muss aber nicht) derart zugeschnitten werden, dass sich ein relativ grosses sägezahnförmiges bzw. strahlenförmiges Muster (nicht gezeigt) ergibt, das die Wellen an den Kanten unsystematisch bricht und ihre Wirkung verringert.

Dem Fachmann ist klar, dass die zusätzliche durch den Absorber eingeführte Dämpfung berücksichtigt werden muss, wenn die gesamte HF-Leistung für eine Versuchsanordnung berechnet wird.

Nachdem die Linse hergestellt worden ist, wird sie in einer reflexionsfreien Kammer angeordnet und werden die elektromagnetischen Feldänderungen, die durch sie verursacht werden, mit einer Feldsonde - einer Antenne mit geringer Verstärkung , die auf einer entlang einer Führung verschiebbaren Plattform angeordnet ist - ausgemessen werden. Die Antenne wird langsam durch die Versuchsöffnung bewegt, und die resultierenden Amplituden- und Phasenänderungen werden gemessen.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird ein spezielles Ausführungsbeispiel des Absorbers erläutert.

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Ein typisches Prüfungserfordernis bei dem Linsenaufbau gemäss der Erfindung ist in der Ausmessung der ersten Nebenkeule einer 1,2 m (4 foot)-Antenne bis auf _+ 0,5 dB genau zu sehen, wobei der Nebenkeulenpegel -20 dB beträgt. Derartige Untersuchungen werden normalerweise mit Radar-Mikrowellen- und Satellitenkommunikationsantennen durchgeführt. Der Linsendurchmesser beträgt 1,8 m (6 feet), E^ 1,16 und die Versuchsfeldlänge 9 m (30 feet). Der reflektierte Strahl wird um

20 log 30^ = -2,2 dB (14)

34~

reduziert.

Aus Figur 11 lässt sich entnehmen, dass der Pegel der durch diese Linse reflektierten Fremdenergie -28,6 dB beträgt. Man addiert die beiden Verluste (-30,8 dB) und zieht in Figur 13 eine Line vom Pegel des direkten Strahls (E, = -20 dB) zu dem Punkt, wo sie den Fremdpegel (E = -30,8 dB) kreuzt, wodurch herausgefunden wird, dass ein Messunsicherheitspegel (_+ 0,5 dB) ergibt. Die Unterdrückung muss etwa -4 5 dB betragen und die reflektierte Welle muss um etwa 14 dB geschwächt werden. Jede Schicht des Absorbers 30 muss daher 7 dB an Einfügungsdämpfung bei der Testfrequenz aufbringen.

Die Verfahren zum Einbringen von leitfähigem Kohlenstoff in das flexible Schaummaterial sind bekannt und brauchen im einzelnen daher nicht erläutert werden. Da nur flexible Schaummaterialien imprägniert werden können, sind solche Materialien erforderlich, !fehlenstoffdispersionen in geeigneten Trägern sind von der Firma Atcheson Colloid Co. (USA) und anderen Firmen erhältlich. Diese Dispersion wird in bestimmten Verhältnissen mit einem Latexbindemittel und wahlweise anderen Materialien, wie z.B. Flanunenhemmmittel, gemischt. Die Absorberschichten 34, 36 werden in dieses Gemisch eingetaucht, bis das gewünschte Nassgewicht erreicht ist, das den Grad der Füllung mit Kohlenstoff anzeigt. Die Schicht wird dann getrocknet. Der Fachmann weiss, dass die für den Absor-

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ber 30 benötigten Füllmengen, die im allgemeinen in einem Bereich liegen, der für eine Unterdrückung von 2,5 bis 15 dB pro Schicht ausreicht, verglichen mit den herkömmlichen Absorbern sehr gering sind.

Der Absorber 30 kann nun zusammengebaut und mit Hilfe von Kitt an der Linse 16 befestigt werden. Es kann jedoch eine grössere Flexibilität erhalten werden, wenn die Linse 16 und die inerte Schicht 32 zu einer Einheit und die Schichten 34 und 36 zu einer zweiten Einheit zusammengefasst werden. Dadurch können Absorber mit unterschiedlichem Unterdrückungsgrad verwendet werden. Beispielsweise kann eine Linse 16 und eine inerte Schicht 32 mit einem Satz auswechselbarer Absorber geschaffen werden, wobei jeder Absorber speziellen Bedingungen angepasst ist. In einem solchen Fall muss eine geeignete Einrichtung vorgesehen werden, um die zwei Einheiten mechanisch und in lösbarer Weise zu verbinden .

Soll ein Absorber 30 mit einer Meniskuslinse verwendet werden, so ist es lediglich erforderlich, die flache Oberfläche 33 der inerten Schicht 32 in Anpassung an die nicht-konvexe, d.h. an die konkave Linsenoberfläche entsprechend auszuformen.

Es wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 6 bis 9 erläutert.

Gleichförmige Aniplitudencharakterxstika der Quellenstrahlung wurden erreicht durch geeignete Auswahl der Grosse der Sendeantenne, und zwar in Übereinstimmung mit der oben angegebenen 0,5 dB-Bedingung.

Eine Linse mit einem Durchmesser von 81 cm (32 inch) wurde aus expandiertem Polyurethanschaum mit einer gemessenen Dielektrizitätskonstanten von 1,16 hergestellt. Mit der Dielektrizitätskonstanten von 1,16 und mit dem Durchmesser von 81 cm war die gewünschte Linse 30 cm (12 inch) dick (s. Figur 6). Dieser Schaum

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wurde in eine parabolisch geformte Linse gemäss Gleichung 12 umgeformt. Die Linse wurde dann in die Kammer eingebracht und die sich ergebenden Felder wurden ausgemessen, um ihre Gleichförmigkeit zu bestimmen. Um die Einflüsse der Linse selbst zu bestimmen, wurde in diesen Untersuchungen kein Absorber benutzt.

Figur 7 zeigt den Verlauf der Phasencharakteristika des Feldes mit und ohne Linse. (Diese Figur beruht auf "geglätteten" Daten, da Messungen äusserst schwierig durchzuführen sind . Die zur Verfügung stehende Einrichtung war nicht in der Lage, eine hohe Toleranz einzuhalten, so dass die gemessenen Daten unter Schwierigkeiten interpretiert werden mussten). Die Ergebnisse waren jedoch sehr ermutigend. In der Tat war bei in dem Feld eingesetzter Linse die Phasenänderung wesentlich geringer und über einen grossen Teil der Darstellung hinweg ziemlich flach.

Figur 8 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 yrossen Abschnitt haben, der im wesentlichen flach ist. Dies ist der Bereich unmittelbar hinter der Linse parallel zur Linsenfläche. Dabei zeigt sich, dass die Feldänderung 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 Beugungseffekten an den Rändern der Linse. Dies ist typisch für Hindernisse in einem elektromagnetischen Feld. Dieser Randeffekt wird dadurch verringert, dass die Linse grosser als der Untersuchungsbereich ausgebildet und der Absorber, wie oben angegeben, verwendet wird.

Danach wurde eine 61x61 cm (2x2 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 Figur 9 dargestellt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass bei Fehlen der Linse der Strahl an der Spitze abzufallen beginnt

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(dies ist typisch für Antennen, die im Nahfeld getestet werden; d.h. die Phasenabweichung ist so gross, dass das Muster abbricht). Bei vorhandener Linse ist jedoch das Muster sehr klar ausgebildet dies entspricht einem Bild bei einer Antenne, die im Fernfeld (R — 2D /"X ) 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 dieser Untersuchung sind in Figur 9 dargestellt. Anhand der Kurve 2, bei der ein Absorber die Platte abdeckt, kann direkter 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 reflexionsfreien Kammer anstatt im Freien mit einem 30 meter (100 foot) Antennenversuchsfeld durchzuführen.

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Claims

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PLESSEY INCORPORATED, New York, N.Y. 100 22, USA

Patentansprüche

( 1. / Dielektrische Linse zum Umwandeln einer Kugelwelle einer elektromagnetischen Strahlung in eine ebene Welle, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (16) piankovex oder meniskusförmig aus einem gleichförmig geschäumten Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten von 1,05 bis 1,5 hergestellt ist und eine die Strahlung absorbierende Abdeckung (30) aufweist, die im Falle einer plankonvexen Linse auf der ebenen Seite der Linse und im Falle einer ffe niskuslinse an der konkaven Seite der Linse angebracht ist, um eine Reflexion der Strahlung zu verhindern.
2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (30) zwei pyramidenförmig geschnittene Schichten aus Kunststoffschaum aufweist, die mit leitfähigem Kohlenstoff versetzt sind und mit ihren Rückseiten derart aneinander angeordnet sind, dass die Erhebungen (35) der einen Schicht (36)den Vertiefungen (37) der anderen Schicht (34) gegenüberliegen.
3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (30) 1,1 bis 1,5 mal grosser als der Linsendurchmesser ist.

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4. Linse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte pyramidenförmig geschnittene Schicht (32) aus geschäumtem Kunststoffmaterial vorgesehen ist, die mit ihrer flachen Seite (33) an der Linsenoberfläche befestigt ist und mit ihrer pyramidenförmig geschnittenen Oberfläche an eine der zuvor genannten Schichten (34, 36) im gegenseitigen Eingriff stehend befestigt ist.
5. Linse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (32) lösbar an den anderen beiden Schichten (34, 36) befestigt ist.
6. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorbierende Abdeckung (30) eine Dämpfung zwischen 5 und 30 db aufweist.
7. Anordnung für eine dielekrische Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bewegliches Gestell (26) vorgesehen ist, auf dem eine Antenne (22) für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, dass die dielektrische Linse (16) auf dem Gestell im festen Abstand zur Antenne befestigt ist und dass ein die Strahlung absorbierendes Material (24,30) den Strahlengang zwischen der Antenne (22) und der Linse (16) umgibt und auf der Seite der Linse vorgesehen ist, die dem Prüfobjekt (28) zugewandt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (22) als Sendeantenne ausgebildet ist und dass die Linse (16) für die Abstrahlung einer ebenen Wellenfront in den freien Raum entsprechend orientiert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Antenne (12, 22) und der

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Linse (16) gleich der pokallänge der Linse (16) ist.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (14) als Empfangsantenne ausgebildet ist und dass die Linse (16) für die Abstrahlung einer ebenen Wellenfront zur Antenne hin entsprechend orientiert ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das die Strahlung absorbierende Material auf der Linsenseite eine Unterdrückung von 5 bis 30 db zur Folge hat.
12. Elektromagnetische Untersuchungsanordnung mit einer dielektrischen Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (16) zwischen einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (12, 22) und einer Versuchanordnung (14) derart angeordnet ist, dass eine ebene Welle zu dieser Versuchsanordnung (14) hin gerichtet wird, dass eine erstelle Strahlung absorbierende Einrichtung den Strahlengang zwischen der Quelle (12) und der Versuchanordnung (14) zur Minimalisierung von Reflexionen und Amplitudenverzerrungen umgibt und dass eine zweite^die Strahlung absorbierende Einrichtung (30) zwischen der Linse (16) und der Versuchsanordnung (14) vorgesehen ist, die eine zweite Reflexion im wesentlichen verhindert.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Strahlungsquelle (12,22) und der Linse

(16) gleich der Fokallänge der Linse ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste die Strahlung absorbierende Einrichtung (24) eine Umhüllung für die Strahlungsquelle (12, 22),die Versuchsanordnung (14) und die Linse (16) umfasst und zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung geeignete Innenflächen aufweist und eine r«flexionsfreie Kammer bildet.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn-

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zeichnet, dass die Versuchsanordnung (14) als Empfangsantenne ausgebildet ist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Linse (16) grosser als die Abmessungen der Antenne ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, die Strahlung absorbierende Einrichtung (30) 1,1 bis 1,5 mal grosser als die Linse (16) ist und für eine Unterdrückung zwischen 5 und 30 db geeignet ist.
18. Verfahren zum Untersuchen elektromagnetischer Einrichtungen unter den Fernfeldbedingungen einer Antenne, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

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

Auffangen dieses Signals an einem zweiten Punkt und Umwandeln in eine ebene Welle mittels einer dielektrischen Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

Auffangen der umgewandelten Welle mit der zu untersuchenden Antenne,

Anordnen einer ersten, die Strahlung absorbierenden Einrichtunq entlang dem Strahlengang des Signals zur Unterdrückung von Amplitudenverzerrungen und Reflexionen, Anordnen einer zweiten, die Strahlung absorbierenden Einrichtung zur Absorption der von der Antenne reflektierten Signale und

Messen der zu bestimmenden Eigenschaften der elektromagnetischen Einrichtung.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt gleich der Fokallänge der Linse ist.

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20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, die Strahlung absorbierende Einrichtung nahe der planaren Seite der Linse angeordnet wird und für eine Unterdrückung zwischen 5 und 30 db sorgt.

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