DE3004046A1

DE3004046A1 - Linsenantenne

Info

Publication number: DE3004046A1
Application number: DE19803004046
Authority: DE
Inventors: Knut Erland Cassel; Bengt Tage Molin
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: NOBELTECH ELECTRONICS JAERFAELLA SE AB
Priority date: 1979-02-06
Filing date: 1980-02-05
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB2044542A; GB2044542B; JPS55133103A; FR2448793A1; SE420965B; FR2448793B1; JPS6247361B2; SE7901047L; US4361841A; US4297709A; DE3004046C2

Description

22.1.80 / Prf 79002

Linsenantenne.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenantenne, vorzugsweise im Mikrowellenbereich, mit einem kreisrunden scheibenförmigen Linsenelement, beispielsweise einer kreisrunden Scheibe aus dielektrischem plastischem Werkstoff mit einer radial variierenden Brechzahl (Dielektrizitätskonstante) und an den flachen Seiten durch zwei leitende Flächen umgeben und mit Zuführungsleitungen, die an wenigstens einem Teil des Umfanges verteilt sind, welche Zuführungsleitungen derart geformt und angeordnet sind, dass sie eine polarisierte Welle ausstrahlen und für den Empfang derselben empfindlich sind, wobei die Polarisationsrichtung einen Winkel einschliesst, der von 90 abweicht, vorzugsweise k-5 , gegenüber den ebenen Flächen des Linsenelementes.

Die Uebertragung einer derartigen Welle, die vorzugsweise 45 polarisiert ist, erfordert, dass eine E—Komponente, die sich parallel zu der Linsenebene erstreckt, zusammen mit einer Ε-Komponente, die senkrecht zu dieser Linsenebene stent, übertragen wird» Wenn die Linse horizontal orientiert ist, kann die erste Welle als horizontale Komponente und die letzte Welle als vertikale Komponente bezeichnet werden. Diese Komponenten sind verschiedenen Brechungen und Verzögerungen (Phasenverschiebung) in der Linse zugeordnet, wobei die Dielektrizitätskonstante in der Mitte der Scheibe einen Wert hat von etwa 2,0 und dann um einen Faktor, der im wesentlichen dem Quadratwert des genormten "Radialabstandes von der Mitte proportional ist, abnimmt. Im allgemeinen gilt, dass sobald eine horizontale Komponente übertragen werden muss,_;an die Gesamtdicke bzw. -höhe der Linse Anforderungen gestellt werden, d.h. an den Abstand zwischen den lei-

030036/058A

22.1.80 tf PHF 79002

tenden Flächen, während im Falle einer Uebertragung nur einer vertikalen Komponente die Dicke bzw. Höhe der Linse im wesentlichen in bezug auf die Uebertragung durch die Linse beliebig gewählt werden kann.

Tm Falle einer Uebertragung einer horizontalen Komponente wird mit einer Dicke der Linse gleich /\ /2, wobei i'\ die ¥ellenlänge ist, eine Begrenzung auftreten und die Gesamtdicke der Linse soll die halbe Wellenlänge bei der niedrigsten Frequenz wenigstens über—

IC schreiten um eine Uebertragung einer horizontalen Komponente zu ermöglichen. Aber weiterhin gibt es Anforderungen, dass die Kreuzpolarisierung und die sogenannten Seitenkeulen möglichst unterdrücke werden. Unter Kreuzpolarisierung wird eine Phasenabwei-

': chung zwischen der horizontalen und vertikalen Komponente verstanden, beispielsweise wenn diese Komponente in der Oeffnung der Linse erscheinen. Eine wirksame Kreuzpolarisierungsunterdrückung erfordert, dass die horizontalen und vertikalen Komponenten der 45 —

~0 polarisierten Welle während der Uebertragung durch die Linse nahezu gleich grossen Gesamtphasendrehungen zugeordnet sind oder dass sie eine Phasenabweichung aufweisen, die einer geraden Anzahl Male 2 IT rad nahezu entspricht. Eine Verbesserung der Phasengleichheit zwischen der horizontalen und der vertikalen Komponente und folglich eine verbesserte Kreuzpolarisierungsunterdrückung wird durch eine vergrösserte Linsenhöhe erreicht. Das Vorhandensein sogenannter Seitenkeulen hängt u.a. zusammen mit Unregelmässigkeiten in der Uebertragungsphasendrehung, d.h. das Vorhandensein elektrisch verschieden langer Strahlungsstrecken durch die Linse bei Uebertragung zwischen den Fokalpunkten und entsprechenden Oeffnungen. Eine wirksame Seitenkeulenunterdrückung erfordert deswegen eine gleiche Phase über die Oeffnung der Linse, was voraussetzt, dass die zentralen und peripheren Strahlen in der Linse eine geringe Phasenverzerrung aufweisen. Auch die Seitenkeulenunterdrückung nimmt der Linsenhöhe zu,

0 300 36/0584

22.1.80 /f PHF 79002

was damit zusammenhängt, dass die ideale radiale Verteilung der Dielektrizitätskonstante für eine vertikale und horizontale Ε-Komponente für Linsen mit einer geringen Höhe mehr abweicht.

Eine Zunahme der Linsenhöhe führt jedoch zu einer Verringerung des ¥inkels, der durch das Strahlungsdiagramm der Antenne in einer Ebene senkrecht zu der Ebene, die die Oberflächen der Linse beschränkt, bestrichen wird (oder der vertikalen Ebene in dem gegebenen Beispiel mit der horizontalen Linse). Also eine geringe Höhe ist erwünscht wenn das Strahlungsdiagramm einen grossen ¥inkel in der genannten Ebene bestreichen soll. Eine geringe Linsenhöhe ist ebenfalls erwünscht wegen der Tatsache, dass die Gefahr

■'- vor dem Auftritt höherer Moden, die zu einer unerwünschten Feldverteilung führen, bei zunehmender Lin— senhöhe zunehmen. Eine grosse Linsenhöhe bedeutet letzten Endes eine Zunahme des plastischen Volumens (in einer Linse, die mit dielektrischem plastischem Werkstoff gefüllt ist), und dadurch eine Erhöhung des Preises und des Gewichtes sowie eine Vergrösserung des Raumes.

Die Anforderung für hohe Kreuzpolarisationsunterdrückung und hohe Seitenkeulenunterdrückung steht also im Gegensatz zu der Anforderung eines grossen Winkels des Strahlungsdiagramms in der genannten Ebene senkrecht zu der Linsenebene, einer starken Unterdrückung höherer Moden und eines geringen Gewichtes, geringen Raumes und geringen Preises.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die Linsenhöhe zu verringern ,und folglich die Vorteile, zu erzielen, die mit einer geringen Linsenhöhe verbunden sind unter Beibehaltung der Antennenleistung, die mit einer höheren oder dickeren Linse vex*bunden sind.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erzielt, dass ein Teil des Raumes zwischen den leitenden Metallflächen durch Luft oder ein Dielektrikum

030036/0584

22.1.80 X PHF 79002

mit einer entsprechenden Dielektrizitätskonstante gebildet wird und dass die Höhe des genannten Luftraumes derart gegenüber der Höhe des scheibenförmigen Linsenelementes bemessen ist, dass eine ¥elle, deren E-Feldvektor sich parallel zu der Linsenebene erstreckt, im wesentlichen dieselbe Gesamtphasenverschiebung oder eine Phasenverschiebung, die um ein ganzes Vielfaches von 2 "Jf abweicht beim Durchgang durch die Linse, erhält gegenüber einer Welle, deren

'.Z E-Feldkomponente senkrecht zu der Linsenebene steht. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es dadurch, dass der Raum zwischen den leitenden Flächen nur zum Teil mit einem Dielektrikum mit beispielsweise einer sich ändernden Dielektrizi-

·- cätskonstante als Funktion des Radius oder mit jedem anderen Entwurf einer Linse entsprechend dem Luneberg-Prinzip und zum restlichen Teil mit Luft gefüllt wird, immer möglich ist, ein Verhältnis zwischen der Höhe des Luftraumes und der Höhe des Dielektrikums zu fin-

^O den, was dazu führt, dass die genannten zwei Komponenten, die als vertikale und horizontale Komponente bezeichnet werden können, die Linse im wesentlichen gleichphasig verlassen, d.h. beim Durchgang durch die Linse dieselbe Phasenverschiebung haben oder eine Phasenverschiebung, die um 36O voneinander abweicht und dass dies für eine Gesamthöhe der Linsenantenne erfolgen wird, welche Höhe wesentlich geringer ist als die Gesamthöhe einer Linsenantenne, die völlig mit Dielektrikum gefüllt ist. Also unter Beibehaltung der erforderlichen Leistung der Antenne in bezug auf die Kreuzpolarisierungsunterdrückung und Seitenkeulen— unterdrückung hat die erfindungsgemässe Linse ein verringertes Volumen, ein geringeres Gewicht und bietet weiterhin die Vorteile, die eine geringere Höhe bietet.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die genannten leitenden Flächen und das scheibenförmige Element eine

030036/0584

22.1.80 £ PHF 79002

flache Form haben und dass sie parallel zueinander angeordnet sind, so dass der Luftraum bzw. die Lufträume konstant ist bzw. sind und zwar über die ganze Linse und die Gesamthöhe des Luftraumes bzw. der Lufträume derselben GrÖssenordnung ist bzw. sind wie die Höhe des scheibenförmigen Elementes. In diesem Fall hat es sich gezeigt, dass die Höhe der Linse, d.h. der Gesamtabstand zwischen den leitenden Flächen, etwa der Hälfte des ¥ertes im Vergleich zu

'•Z der Höhe einer Linse, die völlig mit Dielektrikum gefüllt ist, entspricht. Wenn die Höhe der Dielektrikumscheibe in der erfindungsgemässen Antenne nahezu der halben Gesanthöhe entspricht, wird diese Scheibe folglich nahezu viermal dünner sein als im Falle einer

'= völlig gefüllten Linse.

Eine erste Ausführungsform mit einer flachen Form der Dielektrikumscheibe sowie der leitenden Flächen weist das Kennzeichen auf, dass das scheibenförmige Linsenelement halbwegs zwischen den leitenden

^⁰ Flächen angeordnet ist, so dass auf jeder Seite des Linsenelernentes ein gleich grosser Luftspalt gebildet wird, welche Luftspalfce gegenüber dem Linsenelement derart bemessen sind, dass es in der Mitte der Linse einen Unterschied zwischen der resultierenden Dielektrizitätskonstante für eine ¥elle mit einem E- ■ Feldvektor parallel zu der Linsenebene und für eine Welle mit einem E-Feldvektor senkrecht dazu gibt, welcher Unterschied in wesentlichen durch einen entsprechenden Unterschied zwischen den Dielektrizitätskonstanten für die genannten zwei Wellen aber mit entgegengesetztem Vorzeichen an dem Rand ausgeglichen wird.

Diese Ausführungsform, die eine Antenne mit einem HochpassCharakter ergibt, gründet auf der Erkenntnis, dass in der Mitte der Linse die Phasengeschwindigkeit für eine horizontale und vertikale Komponente in der einen Richtung anders sind und dass am Rande sie in 'der entgegengesetzten Richtung anders

030036/0584

22.1.80 A PHF 79002

sind, wodurch, es möglich ist, ein derartiges Verhältnis zwischen der Höhe des Luftspaltes und der Höhe der dielektrischen Scheibe zu finden, dass die Unterschiede in der resultierenden Phasenverschiebung, die durch die genannten Unterschiede in den Phasenge— schwindigkeiten verursacht werden, sich im wesentlichen ausgleichen und die horizontalen und vertikalen Komponenten die Linse mit einer geringen Phasenverschiebung verlassen werden. Es hat sich gezeigt, dass

Ij dies für einen grossen Frequenzbereich in der Grössenordnung einer Anzahl Oktaven über der Grenzfrequenz gilt.

Eine zweite Ausführungsform weist das Kennzeichen auf, dass das scheibenförmige Linsenelement

■i eine der leitenden Flächen berührt, so dass es zwischen der gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen Elementes und der gegenüberliegenden leitenden Fläche nur einen einzigen Luftspalt gibt, welcher Luftspalt gegenüber dem Linsenelement derart bemessen ist, dass es zwischen der resultierenden Dielektrizitätskonstante für eine ¥elle mit einem E— Feldvektor parallel zu der Linsenebene und der E-Feldkomponente senkrecht dazu einen Unterschied gibt, der von der Mitte der Linse zu dem Rande im wesentlichen konstant ist und einem Unterschied in <±ev Gessmtphasenverschiebung für die zwei ¥ellen entspricht, der im wesentlichen gleich 2 "ff beträgt.

Diese Ausführungsform, die eine Linse mit einem BandpassCharakter ergibt, basiert auf der Er— keimtnis, dass in diesem Fall die effektive Dielektrizitätskonstante für die vertikale Komponente wesentlich grosser ist als für die horizontale Komponente sowohl in der Mitte der Linse als auch an dem Rande, wobei es möglich ist, ein derartiges Verhält— nis zwischen der Höhe des Luftspaltes und der Höhe der dielektrischen Scheibe zu finden, dass der resultierende Unterschied in der Phasendrehung für die zwei Komponenten nahezu 36Ο sein wird. Dies gilt eben-;:ll

Q30036/0584

22.1.80 /Γ PHF 79002

falls mit ausreichender Annäherung innerhalb eines grossen Frequenzbereiches und zwar in der Grössenordnung von einer oder zwei Oktaven.

Selbst, wenn die beschriebenen einfachen

δ Ausführungsformen mit einer ebenen Form für die leitenden Flächen sowie die dielektrische Scheibe entsprechend der obenstehenden Beschreibung ein ausreichendes Resultat in bezug auf die Uebertragung horizontaler und vertikaler Komponenten ergibt, ist

IC es jedoch nicht möglich unter Beibehaltung der Basiskonzeption der Erfindung, d.h. eine Kombination des Dielektrikums mit radial variierender Dielektrizitätskonstante und mit einem Luftspalt zwischen den leitenden Flächen — die Linsenbemessung zu optiraalisieren.

-Ξ Durch Komputerberechnungen hat es sich nähmlich herausgestellt, dass es möglich ist, eine praktisch vollständige Gleichheit zwischen den Phasengeschwindigkeit für vertikale und horizontale Komponenten an jeder Stelle der Linse zu erhalten und zwar dadurch, dass die Höhe des Luftspaltes in radialer Richtung geändert wird, wodurch folglich ebenfalls die resultierende Gesamtphasenverschiebung für die zwei Komponenten gleich sein wird und weiterhin eine Aenderung der resultierenden Dielektrizitätskonstante mit zunehmendem Radius von der Mitte zu erhalten, was mit demjenigen zusammenfällt, was entsprechend Luneberg beschrieben worden ist.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Flächen und/oder das scheibenförmige Linsenelement derart geformt sind, dass die Höhe des Luftspaltes bzw. der Luftspalte radial von einem Minimalwert in der Mitte der Linse zu einem Maximalwert an dem Rande entsprechend einer kontinuierlich zunehmenden Funktion ändert, die derart ist, dass für jeden radialem Abstand gezählt von der Mitte die resultierende Dielektrizitätskonstante für eine ¥elle mit einer E-Feldkomponente parallel zu der Linsen-

030036/0584

ebene im wesentlichen der resultierenden Dielektrizitätskonstante für eine ¥elle mit einem E-Feldvektor senkrecht zu der Linsenebene entspricht.

Bei einer etwas komplizierteren Form der Linse ist also erreicht worden, dass die resultierende oder effektive Dielektrizitätskonstante für die zwei ¥ellen an jeder Stelle der Linse nahezu gleich ist, wobei die Gesamtphasenverschiebung für die zwei Wellen ebenfalls gleich sein wird.

IQ Vorzugsweise liegt das scheibenförmige Linsenelement in der Mitte zwischen den leitenen Flächen, so dass auf jeder Seite des scheibenförmigen Elementes ein gleich grosser Luftspalt gebildet wird, welche Luftspalte in Richtung von der Mitte zu dem •5 Rand der Linse beide grosser werden.

In dieser bevorzugten Ausführungsform kann die variierende Grosse der Ltjftspalte verschiedenartig erreicht werden.und zwar in der Art und Weise, dass die leitenden Flächen zu einer konvexen Form, gesehen von den Luftspalten, abgewinkelt werden oder dass die Hauptflächen des scheibenförmigen Linsenelementes eine konvexe Form haben oder durch eine Kombination der beiden genannten Massnahmen.

Ausser besseren Antennenleistungen bieten diese bevorzugten Ausführungsform dieselben Vorteile in bezug auf eine geringe Linsenhöhe, auf Anforderungen in bezug auf wenig Raum und geringes Gewicht wie die obenstehend beschriebenen Ausführungsformen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Linsenantenne nach der Erfindung,

Figur 2 einen vertikalen Schnitt durch die Linse gemäss der Linie II - II,

Figur 3 einen horizontalen·Schnitt durch die Linse gemäss der Linie III - III in Figur 1 mit

Q30Q36/0584

22.1.80 γ PHF 79002

drei Strahlungsstrecken,

Figur 4 einen vertikalen Schnitt durch, eine andere Ausführungsform der Linsenantenne nach der Erfindung,

Figur 5 eine Kurve zur Aenderung der effektiven Dielektrizitätskonstante mit dem Abstand von der Mitte der Linse nach Figur 1 und 2, wobei die dielektrische Scheibe an sich für vertikale Polarisierung optimal bemessen ist, Figur 6 eine entsprechende Kurve für den Fall nach Figur k,

Figur 7 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung3form einer Linsenantenne nach, der Erfindung, wobei die Höhe der Luftspalte in radialer Richtung ändert,

Figur 8 eine Aenderung der Dielektrizitätskonstante mit dem Radius gerechnet von der Mitte der Linsenantenne nach Figur 7 und

Figur 9 einen Schnitt durch eine Antennenkonstruktion, die eine Alternative der in Figur 7 dargestellten Antenne ist.

Die Linsenantenne besteht nach Figur 1 und 2 aus einer kreisrunden Scheibe 10 aus dielektrischem plastischem ¥erkstoff, wobei die Dielektrizitätskonstante in Richtung zur Mitte der Scheibe zunimmt und wobei, die Scheibe in der Mitte zwischen zwei kreisrunden Metallplatten 11 und 12 liegt. An dem Umfang geht jede Metallplatte in einen ringförmigen Kragen 13» 14 über mit der Form einer umschliessenden Fläche eines Kegelstumpfes und wobei zwischen denselben ein trichterförmiger Raum I5 abgegrenzt wird, der sich um den ganzen Umfang erstreckt. Die Antenne dient zur Uebertragung von Strahlung, die k^ gegenüber der Linsenebene polarisiert ist und hat dazu wenigstens eine Zuführungsleistung für diese polarisierte Strahlung an dem Umfang. Die Zuführungsleitungen können beispielsweise den ganzen Umfang bedecken und können geformt sein wie in der schwedischen Patent-

030036/0584

anmeldung 7901046-8 beschrieben worden ist, die als Bezugsmaterial gilt. Die Zuführungsleitungen sind nach dieser Patentanmeldung drahtförmig und liegen in einer Ebene, die radial gesehen, mit der Linsen— ebene einen ¥inkel von 45 einschliesst. Zwei derartiger drahtform!ger Zuführungsleitungen 18 und 19 sind in Figur 1 angegeben, wobei die Zuführungsleitungen 19 auf der Rückseite der Linse liegt. Die Zuführungsleitungen sind symmetrisch und es wird an dem zen- rralen Punkt zugeführt.

Figur 3 zeigt die Strahlung in der horizontalen Ebene für eine derartige Zuführungsleitung insbesondere für die Zuführungsleitung 18, wobei das Bezugszeichen 20 den zentralen Strahl und 21 und 22

¹^ die zwei Aussenstrahlen in der Keule bezeichnen.

¥ie aus Figur 1 und 2 hervorgeht, ist die Dicke D der Scheibe 10, die in der Mitte zwischen den leitenden Flächen· 11, 12 liegt, wesentlich kleiner als der Abstand H zwischen den leitenden Metallflächen 11 und 12, so dass vorzugsweise gleich grosse Luftspalte 16, 17 gebildet werden, die ggf. mit einem dielektrischen Schaumstoff gefüllt sind, und zwar auf jeder Seite der Scheibe 10. Versuche haben gezeigt, dass eine optimale Bemessung erhalten wird, wenn die Dicke D der Scheibe 10 derselben Grössenordnung ist wie die Gesamtdicke der Luftspalte 16, 17. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel wird vorausgesetzt, dass die dielektrische Scheibe an sich optimal bemessen ist für eine vertikal polarisierte ¥elle entsprechend der Theorie für eine Linse von dem sogenannten Luneberg-Typ, d.h. dass

<f(r) = 2 - (r/R)²

wobei c, (r) die Dielektrizitätskonstante ist, r der Radius relativ zu der Mitte der Linse und R der Aus— senradius der Scheibe 10.

Bemessungsbeispiel:

D = 0,6 λ

030036/0584

22.1.80 J/Γ PHF 79002

H= 1,1 Λ

R = 8 /\ , wobei f\ die Wellenlänge im freien Raum ist.

Die Kombination aus der dielektrischem Schei— be und den zwei Luftspalten an den beiden Seiten der Scheibe erzeugen an jedem Punkt eine resultierende bzw. effektive Dielektrizitätskonstante *— „_, die

/-? eil

von der Dielektrizitätskonstante c (r) für die Scheibe allein abweicht. Mit der obenstehenden Bemessung der dielektrischen Scheibe (in dem Beispiel ist eine optimale Luneberg-Bemessung für die vertikale Komponente vorausgesetzt) und der geometrischen Bemessung der Scheibe und der Luftspalte wird eine <-^ __ für das Ausftihrungsbeispiel aus Figur 1 und 2 als Funktion von r/R erhalten wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Die gestrichelte Linie in Figur 5 zeigt die effektive Dielektrizitätskonstante (_ „„ für die vertikale Komponente und die gezogene Linie zeigt die Dielektrizitätskonstante O "· _ für die horizontale Komponente.

Figur 5 gilt für einen zeltralen Strahl aber eine gleiche Beziehung gilt ebenfalls für andere Strahlen.

Für die Figur, ist es wesentlich, dass £_ _ für die horizontale Komponente höher in der Mitte der Linse liegt (r/R = θ) als C _eff für die vertikale Komponente, während die entgegengesetzte Beziehung vorwiegt an dem Rand der Linse (r/R = 1). Die Gesaratphasendrehung 0 für eine ¥elle von einer Zuführungsleitung zu der Oeffnung an der gegenüberliegenden Seite der Linse wird durch den nachfolgenden Ausdruck gegeben:

> 360 . ]/εΖ_ΐ

^Jo A
wobei /der veränderliche Abstand längs der Strahlungsstrecke ist und L die Gesamtlänge der Strahlungsstrecke. Es dürfte einleuchten, dass dem Unterschied der Phasendrehung der horizontalen und vertikalen Komponente für den betreffenden zentralen Strahl

030036/0584

22.1.80 yi PHF 79002

in der Keule, verursacht durch den Unterschied in

C- __ in der Mitte der Strahlungsstrecke (die Mitte der Linse), durch den Unterschied in der Phasendrehung der horizontalen und vertikalen Komponente entgegengewirkt wird, welche Phasendrehung durch den Unterschied in C- __ an den ausseren Rändern der

eff

Linse verursacht wird. Bei einer bestimmten Bemessung werden die horizontalen und vertikalen Komponenten die Linse also nahezu gleichphasig verlassen, was auch erwünscht ist. Dies wurde bestätigt durch praktische Versuche, die gezeigt haben dass, wenn eine optimale Bemessung erreicht wird, so dass der Phasenunterschied zwischen der vertikalen und horizontalen Komponente in der Oeffnung der Antenne bei einer bestimmten Frequenz 0 oder sehr gering ist, diese Phasengleichheit mit ausreichender Genauigkeit (Phasen— abweichung weniger als etwa 30 ) innerhalb eines grossen Frequenzbereiches, der eine Anzahl Oktaven bestreicht, beibehalten wird. Die Antenne hat in diesem Fall einen HochpassCharakter.

Die Abweichung in der resultierenden oder effektiven Dielektrizitätskonstante <__ „_ in bezug auf die ideale Konstante für eine Luneberg-Linse (0=2 in der Mitte der Linse und 1 am Rande) führt dazu, dass der Fokuspunkt von dem Rand der Scheibe verschoben wird. Die Zuführungsleiter, die im Fokus angeordnet werden, werden dagegen in einem Abstand von dem Rand ausserhalb desselben angeordnet.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei die dielektrische Scheibe 10 unmittelbar an der unteren leitenden Platte 11 _anliegtm so dass nur ein Luftspalt 23 über der Scheibe 10 gebildet wird. Die horizontale dielektrische Scheibe 10 ist ebenfalls in diesem Fall optimal bemessen, d»h. bemessen auf die Art und "Weise wie beschrieben durch Luneberg für eine horizontale Scheibenlinse für eine vertikal polarisierte Welle. Sie hat folglich eine Dielektrizitätskonstante entsprechend der

030036/0584

22.1.80 ft PHF 79002

obengenannten Beziehung.

Ein Beispiel einer geometrischen Bemessung in diesem Fall ist wie folgt:

D ä 0,5
H = 1,3

R = 8.

Eine Bestimmung der resultierenden oder effektiven Dielektrizitätskonstante C _ff für eine Kombination aus einer dielektrischen Scheibe und einem Luftspalt als Funktion des Abstandes zu der Mitte der Linse bei einer bestimmten Bemessung und für einen zentralen Strahl in der Keule ergibt in diesem Fall das Resultat, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, wobei die gezogene Linie für die horizontale Komponente und die gestrichelte Linie für die vertikale Komponente gilt.

Es dürft einleuchten, dass die effektive Dielektrizitätskonstante c_ „ für die vertikale Komponente in diesem Fall wesentlich hoher ist als die entsprechende effektive Elektrizitätskonstante für die horizontale Komponente und dass die Differenz zwischen den Koeffizienten von der Mitte der Linse zu dem Rand nahezu konstant ist. Die dargestellten Kurven gelten für einen zentralen Strahl in der Keule aber gleiche Beziehungen gelten ebenfalls für Randstrahlen. Die vertikale Komponente wird also wesentlich mehr verzögert als die horizontale Komponente. Für eine gewisse Bemessung der Antenne verlässt die vertikale Komponente die Linse um 2 Tf elektrische rad später als die horizontale Komponente und die zwei Komponente sind folglich in ,der Oeffnung gleichphasig, was erwünscht ist. Dies gilt nahezu über die ganze Oeffnung. ¥enn eine derartige optimale Bemessung erreicht wird, wird die Beziehung ³& mit nahezu- keinem Unterschied oder einem akzeptierbaren Phasenunterschied zwischen der horizontalen und vertikalen Komponent ( «=C 35 ) innerhalb eines grossen Frequenzbereiches in der Grössenordnung von 1-2

030036/0584

22.1.80 iX PHF 79OO2

Oktaven beibehalten. Die Antenne hat in diesem Fall einen Bandpasscharakter.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch den Linsenteil einer Antenne nach der Erfindung, wobei die dielektrische Scheibe JO in der Mitte zwischen zwei leitenden Flächen 3I und 32 angeordnet ist, so dass auf beiden Seiten der Scheibe 30 ein gleich grosser Luftspalt 33 bzw. Jh gebildet wird, aber in diesem Fall sind die Luftspalte nicht konstant sondern haben eine Höhe h. die mit dem Radius r_ von der Mitte der Linse aus variiert. Insbesondere variiert die Höhe h der Luftspalte von einem Minimalwert in der Mitte der Linse zu einem Maximalwert an dem Rande entsprechend einer gleichmässigen Kurve.

Figur 8 zeigt mit einer gezogenen und einer gestrichelten Linie die resultierende bzw. effektive Dielektrizitätskonstante C für eine vertikale bzw. horizontale Komponente in der Linsenantenne nach Figur 7· Zum Vergleich zeigt die strichpunktier— te Linie die Dielektrizitätskonstante C- für die dielektrische Scheibe 30 allein. Wie aus Figur 8 ersichtlich, ist an jeder Stelle der Linse die effektive Dielektrizitätskonstante für die zwei Wellen nahezu gleich, wobei die resultierende Phasenver— Schiebung ebenfalls gleich sein wird.

In Wirklichkeit wird die Höhe h der Luftr spalte 33, 34 gegenüber der Höhe bzw. Dicke T der dielektrischen Scheibe 30 für verschiedene Radien r von der Mitte aus durch Komputerberechnung bestimmt, so dass eine maximale Gleichheit zwischen den effektiven Dielektrizitätskonstanten für vertikale urid horizontale Komponente an jeder Stelle· der Linse erhalten wird und ebenfalls derart, dass die Abweichung in der effektiven Dielektrizitätskonstante als Funktion des Radius r_ möglichst genau der Aenderung, wie diese durch Luneberg beschrieben worden ist, folgt.

Wie obenstehend erwähnt, wird die gewünschte Gleichheit weitgehend erreicht und dies gilt für nahezu das

030036/058A

22.1.80 /ζ PHF 79002

ganze Frequenzband. Wesentliche Abweichungen von der erforderlichen Gleichheit werden nur im unteren Teil des Frequenzbandes auftreten, wo der Grenzfrequenz
für die horizontale Komponente angenähert wird.

Figure 9 zeigt eine alternative Konstruktion der Ausführungsform aus Figur 7» wobei die
variierende Grosse der Luftspalte kj und kk auf den beiden Seiten der dielektrischen Scheibe kO dadurch erreicht worden ist, dass die beiden Hauptflächen

A 51 A-6 der dielektrischen Scheibe eine konvexe Form haben. Die leitenden Flächen kl und k2 können in diesem Fall, wie dargestellt, ebenfalls eine konvexe
Form oder eine flache Form habe. Dies ergibt nahezu das gleiche Resultat wie für die Ausführungsform

nach Figur 7 beschrieben worden ist. Im Grunde kann auch eine der leitenden Flächen an einer der Hauptflächen des scheibenförmigen Linsenelementes eine
flache Form haben.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf

die Verwendung einer dielektrischen Scheibe mit radial variierender Dielektrizitätskonstante als Linsenelement sondern andere Elemente können ebenfalls im Rahmen der Erfindung verwendet werden, beispielsweise ein Element, das als künstliches Dielektrikum aufgebaut ist oder jeder andere Linsenelementtyp, der entsprechend dem Lüneberg-Prinzip funktioniert.

030036/0584

Leerseite

Claims

NACHQEREICHTJ

PHF 79002

PATENTANSPRÜCHE:

G)

1.1 Antenne, vorzugsweise, im Mikrowellenbereich., mi"C einem kreisrunden scheibenförmigen Linsenelement vom Luneberg-Typ,'beispielsweise einer kreisrunden Scheibe aus dielektrischem plastischem Werkstoff mit einer radial variierenden Brechzahl (Dielektrizitätskonstante), die vorzugsweise in Richtung des Urnfangs abnimmt, umgeben an den Hauptseiten durch zwei leitende "Flächen und mit Zuführungsleitungen, die über wenigstens einen Teil des Umfangs verteilt sind, welche Zufuhrungsleitungen derart gebildet und ausgerichtet sind, dass sie eine polarisierte Welle ausstrahlen und für den Empfang derselben empfindlich sind, wobei die Polarisationsrichtung mit der Ebene des Linsenelementes einen Winkel einschliesst, der wesentlieh von 90° abweicht, vorzugsweise ^5°, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Abstandes zwischen den leitenden Flächen durch Luft oder ein Dielektrikum mit einer entsprechenden Dielektrizitätskonstante gebildet wird, und dass die Höhe des genannten Luftraumes derart gegenüber der Höhe des scheibenförmigen Linsenelementes bemessen ist, dass eine Welle mit einem E-Feldvektor parallel zu der Linsenebene im wesentlichen derselben Gesamtphasenverschiebung oder einer Phasenverschiebung zugeordnet ist, die um ein ganzes Vielfaches von 2 Tf abweicht bei Durchgang durch die Linse gegenüber einer Welle mit einer E-Feldkomponente senkrecht zu der Linsenebene. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten leitenden Flächen und das scheibenförmige Element eine flache Form haben und dass sie parallel zueinander engeordnet sind, so dass der Luftraum bzw. die Lufträume konstant ist bzw. sind und zwar über die ganze Linse und die Gesamthöhe des

030036/0584

22.1.80 2 PHF 79002

Luftspaltes bzw. der Luftspalte derselben Grössenordming ist wie die Höhe des scheibenförmigen Linsenelemeures.
3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Linsenelement in der Mitte zwischen den leitenden Flächen liegt, so dass auf beiden Seiten des Linsenelementes ein gleich grosser Luftspalt gebildet wird, welche Luftspalte derart gegenüber dem Linsenelement bemessen sind,

ID dass in der Mitte der Linse ein Unterschied zwischen der resultierenden Dielektrizitätskonstante auftritt für eine Welle mit einem E-Feldvektor parallel zu der

Linsenebene und für eine Welle mit einem E-Feldvekcor senkrecht dazu, welcher Unterschied durch einen

ΪΞ entsprechenden Unterschied zwischen den Dielektrizitätskonstanten für die genannten zwei Wellen aber mit entgegengesetztem Vorzeichen am Rande im wesentlichen ausgeglichen wird.
h. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekenn— zeichnet, dass das scheibenförmige Linsenelement eine der leitenden Flächen berührt, so dass zwischen der gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen Elementes und der gegenüberliegenden leitenden Fläche ein einziger Luftspalt gebildet wird, welcher Luftspalt gegenüber dem Linsenelement derart bemessen ist, dass es zwischen der resultierenden Dielektrizitätskonstante für eine Welle mit einem E-Feldvektor parallel zu der Linsenebene und der resultierenden Dielektrizitätskonstante für eine Welle mit einem E-Feldvektor senkrecht dazu einen Unterschied gibt, welcher Unterschied von der Mitte der Linse zu dem Rand im wesentlichem konstant ist und einem Unterschied in der Gesamtphasenverschiebung für die zwei Wellen entspricht, was nahezu gleich 2 Tf ist.

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Flächen und/oder das scheibenförmige Linsenelement derart geformt sind, dass die Höhe des Luftspaltes bzw. der Luftspalte von

030036/0584

22.1.80 3 PHF 79002

einem Minimalwert in der Mitte der Linse zu einem
Maximalwert am Rande derselben entsprechend einer
kontinuierlich zunehmenden Funktion ändert, was derart ist, dass für jeden radialen Abstand gezählt von der Mitte die resultierende Dielektrizitätskonstante für eine Welle mit einer E-Feldkomponente parallel zu der Linsenebene im wesentlichen der resultierenden
Dielektrizitätskonstante für eine Welle mit einem E-Feldvektor senkrecht zu der Linsenebene entspricht.

IG 6. Antenne nach Anspruch 5 > dadurch gekennzeichnet, dass die variierende Höhe dadurch erreicht wird, dass wenigstens eine der leitenden Flächen, vorzugsweise aber die beiden Flächen, von dem Luftspalt aus gesehen eine konvexe Form haben.

;5 7· Antenne nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die variierende Höhe dadurch erreicht worden ist, dass wenigstens eine der Hautflächen,
vorzugsweise die beiden Flächen des scheibenförmigen Linsenelementes konvex sind.

2D 8. Antenne nach Anspruch 6 oder 7> dadurch

gekennzeichnet, dass die variierende Höhe durch eine Kombination aus der konvexen Form der beiden leitenden Flächen und den Hauptflächen des scheibenförmigen Linsenelementes erreicht worden ist.

9· Antenne nach einder der Ansprüche 5-8,

dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Lin— senelement in der Mitte zwischen den leitenden Flächen liegt, so dass auf beiden Seiten des scheibenförmigen Elementes gleich grosse Luftspalte gebildet werden,

welche Spalte in Richtung von der Mitte zu dem Umfang der Linse beide grosser werden.

10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 — 9>
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsleitungen die Form von dünnen Drähten haben, die um den ganzen Umfang der Antenne verteilt sind und welche Drähte
in einer Ebene liegen die mit der Ebene des scheibenförmigen Linsenelementes einen Winkel von 45
einschliessen und zu einer symmetrischen Form in der

030036/0584

BAD ORIGINAL

22.1.80 4 PHP 79002

eigenen Ebene abgewinkelt sind, wobei die Zuführung am Symmetxiepunkt durchgeführt wird.

030036/0584