DE3530647A1 - Hohlraumresonator-antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlraumresonator- Antenne entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlraumresonator-Antenne entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Aus "A Cavity-Backed Resonant Slot Array - Theory and Measurement" von F. J. Paoloni (IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. AP-28, No. 2, MARCH 1980) ist eine mit einer dielektrischen Füllung versehene Hohl­ raumresonator-Antenne von quaderförmigem Grundkörper be­ kannt, deren Koppelöffnungen als zueinander parallel ver­ laufende Schlitze ausgebildet sind, deren Länge einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Grundwellenlänge entspricht. Um eine korrekte Anregung dieses bekannten Hohlraumresonators zu erhalten, befinden sich innerhalb desselben im Bereich der Knotenpunkte des anzuregenden Wellenfeldes metallische Stifte, durch welche die Ober- mit der Unterseite des Antennenkörpers kurzgeschlossen werden. Die Anordnung der Stifte bildet somit ein Moden­ filter. Die vorliegende Hohlraumresonator-Antenne ist für linear polarisierte Wellen ausgelegt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hohlraumresonator- Antenne von einfachem Aufbau zu konzipieren, die sowohl für lineare als auch für zirkulare Polarisation geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1. Wesent­ lich ist somit die Größe und Gestalt der einzelnen Koppel­ öffnungen in Verbindung mit deren Anordnung relativ zu dem innerhalb des Resonatorkörpers anzuregenden Wellenfeldes von stehenden Wellen, wonach ausschließlich Halbwellen gleicher Polarität über die Koppelöffnungen in den Außen­ raum gelangen können bzw. umgekehrt. Die Koppelöffnungen können so angeordnet sein, daß sowohl horizontale als auch vertikale lineare Polarisationen möglich sind, wobei bei Anregung entsprechender Hohlleiterwellen auch Zwischen­ werte elektrisch einstellbar sind. Darüber hinaus ist der Resonatorkörper sowohl für rechts- als auch für links­ drehende zirkulare Polarisation geeignet.

Die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 2 stellen eine vorteilhafte Variante dar. Es wird hierbei durch bestimmte Maßnahmen eine Phasenverschiebung zwischen den aus den einzelnen Koppelöffnungen austretenden Wellen­ anteilen erreicht, um auf diese Weise eine bestimmte Richtcharakteristik zu erzielen, deren Hauptmaximum unter einem Winkel zur Normalen der strahlenden Fläche verläuft. Diese Wirkung wird erreicht durch die Anbringung einer wellenabsorbierenden bzw. diese stark dämpfenden Be­ schichtung an den inneren Längs- bzw. Unfangsseiten des Antennenkörpers in Verbindung mit einer bestimmten Ver­ teilung der Koppelöffnungen. Es werden hierbei innerhalb des Hohlraumresonators keine stehenden Wellen sondern Wanderwellen angeregt, wobei die Verteilung der Koppel­ öffnungen derart ist, daß zwischen den, aus einander benachbarten Koppelöffnungen austretenden Wellenanteilen jeweils eine bestimmte Phasenverschiebung besteht, so daß das aus den Wellenanteilen der einzelnen Koppelöffnungen zusammengesetzte Richtstrahldiagramm unter einem Winkel zur Normalen der strahlenden Fläche verläuft, der quan­ titativ durch das Ausmaß der Phasenverschiebung der ein­ zelnen, aus den Koppelöffnungen austretenden Wellenan­ teile bestimmt ist.

Die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 stellen vorteilhafte konkrete Ausgestaltungen der Koppelöffnungen dar.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird in sehr einfacher Weise eine Impedanzanpassung zwischen dem Hohlleiter und dem Grundkörper der Hohlraumresonator-Antenne erreicht. Diese Impedanzanpassung, welche durch Variierung der Eintauchtiefe des Hohlleiters in den Grundkörper erreich­ bar ist, erfordert keinerlei zusätzliche Bauteile.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 wird erreicht, daß Wellentypen höherer Ordnung, die durch den direkten Über­ gang von dem Hohlleiter auf den Grundkörper des Antennen­ resonators angeregt würden, innerhalb des zwischenge­ schalteten Hohlkörpers weitestgehend gedämpft werden, so daß innerhalb des Grundkörpers im wesentlichen nur der Wellentyp angeregt wird, der dessen Auslegungsdaten ent­ spricht. Der somit als Modenfilter wirkende Hohlkörper ist hohlleiterartig ausgestaltet und weist in der Regel eine geringere Quererstreckung auf als der Grundkörper. Er ist an den Grundkörper stumpf nach Art eines Hohl­ leiters angeschlossen.

Gemäß den Ansprüchen 7 und 8 kann jeweils zwischen dem Hohlleiter und dem Hohlkörper bzw. dem Modenfilter sowie zwischen dem Modenfilter und dem Grundkörper jeweils da­ durch eine Impedanzanpassung erreicht werden, indem der Hohlleiter in den Hohlkörper und der Hohlkörper in den Grundkörper um eine bestimmte Strecke hineinragen. Es ist jedoch auch denkbar, eine derartige Impedanzanpassung lediglich bei einem der genannten Bauteile vorzunehmen.

Besondere Vorteile, insbesondere für die Richtcharak­ teristik ergeben sich dann, wenn der Grundkörper gemäß Anspruch 9 mit einer dielektrischen Füllung versehen ist. Die dielektrische Füllung ist derart ausgewählt, daß die Wellenlänge innerhalb des Hohlraumresonators auf die Freiraumwellenlänge reduziert wird. Durch das Dielektrikum läßt sich eine Richtstrahlcharakteristik erreichen, welche durch lediglich ein Hauptmaximum in Richtung der Flächen­ normalen der strahlende Fläche charakterisiert ist.

Die Merkmale der Ansprüche 10 und 11 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 2 dar.

Es ist darüber hinaus die Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zur Herstellung eines Hohlraumresonators mit einer dielektrischen Füllung zu konzipieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des An­ spruchs 12. Wesentlich ist somit, daß von einem dielek­ trischen Grundkörper ausgegangen wird, der mit einer me­ tallischen, die Wandungen des Hohlraumresonators bilden­ den Schicht überzogen wird, wobei in diese Schicht die Koppelöffnungen und sonstige Öffnungen, z. B. für den An­ schluß eines Hohlleiters eingearbeitet werden. Dieses Herstellungsverfahren ist besonders einfach und preis­ wert durchführbar.

Gemäß Anspruch 13 werden die Koppelöffnungen durch Foto­ ätzung, Prägung oder dergleichen hergestellt. Zur Her­ stellung einer bestimmten Verteilung der Koppelöffnungen können somit grundsätzlich alle Techniken eingesetzt wer­ den, die zur Herstellung von gedruckten Schaltungen be­ kannt sind. Es ist auf diesem Wege gleichzeitig auch mög­ lich, zusammen mit den metallischen Wandungen des Hohl­ raumresonators auch aktive elektrische Komponenten sowie eine eventuell erforderliche Anpassungsschaltung zusammen mit diesem herzustellen.

Die Merkmale des Anspruchs 14 stellen eine vorteilhafte Vorgehensweise bei der Herstellung der metallischen Schicht auf den dielektrischen Grundkörper dar. Hierbei wird zunächst eine beispielsweise aus Silber bestehende Schicht auf den Grundkörper aufgedampft, wobei an­ schließend diese Silberschicht auf galvanischem bzw. elektrolytischem Wege durch Kupfer verstärkt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei­ spielen. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Hohlraumresonator- Antenne;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Hohlraumresonator-Antenne;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Hohlraumresonator-Antenne;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenne in Schnittdarstellung;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer anderen erfindungsgemäßen Antenne in Schnittdarstellung;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer weiteren erfindungs­ gemäßen Antenne.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hohlraumresonator-Antenne. Diese be­ steht gemäß Fig. 1 aus einem flachen quaderförmigen, hohl ausgebildeten Grundkörper 1, dessen Vorderseite 2 Koppel­ öffnungen 3 in gleichmäßiger Verteilung trägt und dessen Rückseite 4 mit einem Hohlleiter 5 in noch zu erläutern­ der Weise in Verbindung steht.

Der Grundkörper 1′ des Hohlraumresonators entsprechend Fig. 2 ist als flacher Zylinder ausgebildet, dessen Vorderseite 2′ Koppelöffnungen 3′ trägt und dessen Rück­ seite 4′ in ebenfalls noch zu erläuternder Weise mit einem Hohlleiter 5′ in Verbindung steht. Die Koppelöff­ nungen 3′ sind hier als zueinander konzentrische Kreis­ ringflächen ausgebildet.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein X-Y-Z Koordinaten­ system eingetragen, wobei die X-Y Ebene jeweils parallel zu den Ebenen der Vorderseiten 2, 2′ verläuft, wobei die Z-Achse normal zu dieser Ebene verläuft.

Die Koppelöffnungen 3, 3′ weisen in Richtung der X- bzw. der Y-Achse jeweils solche Abstände voneinander auf, die einer halben Wellenlänge von der Welle entsprechen, die empfangen bzw. abgestrahlt werden soll. Es sind die Verteilung der Koppelöffnungen 3, 3′ über die Vorder­ seite 2, 2′ sowie die Koppelöffnungen 3, 3′ darüber hinaus derart beschaffen, daß jeweils die positiven Halbwellen der innerhalb der Grundkörper 1, 1′ befindlichen stehenden Wellenfelder aus diesen Koppelöffnungen herausragen, so daß auf der Vorderseite 2, 2′ eine gleichförmige Ampli­ tudenbewegung ansteht.

Die Grundkörper 1, 1′ sind mit einem Dielektrikum von geringer Dämpfung ausgefüllt, welches so gewählt ist, daß durch dessen dielektrische Eigenschaften die dem jeweiligen Hohlraumresonator zuzuordnende Wellenlänge der Wellenlänge des Außenraumes in etwa entspricht. Durch die dielektrische Füllung des Grundkörpers 1, 1′ in Ver­ bindung mit der beschriebenen Verteilung der Koppelöff­ nungen 3, 3′ wird eine Richtcharakteristik erreicht, bei welcher in einer Richtung parallel zur Z-Achse ein Hauptmaximum vorhanden ist, wobei nur geringe Nebenzipfel auftreten. Es exisitiert somit nur diese eine Richtung des Hauptmaximums, unter welcher die aus den Koppel­ öffnungen auftretenden Einzelwellen gleichphasig schwingen.

Die Herstellung des Grundkörpers 1, 1′ erfolgt erfindungs­ gemäß besonders einfach dadurch, indem von dem bereits vorgeformten bzw. in sonstiger Weise gestalteten Dielek­ trikum ausgegangen wird, wobei auf dieses Dielektrikum die metallischen Wandungen des Grundkörpers aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise auf galvanischem Wege dadurch geschehen, indem auf das Dielektrikum unmittel­ bar zunächst eine Silberschicht aufgebracht wird und diese anschließend auf galvanischem bzw. elektroly­ tischem Wege durch Kupfer verstärkt wird, wobei die Verteilung der Koppelöffnungen 3, 3′ durch Fotoätzung hergestellt werden. Es können jedoch bei der Herstellung der Verteilung der Koppelöffnungen praktisch diejenigen Verfahren grundsätzlich Anwendung finden, die von der Technik der gedruckten Schaltungen her bekannt sind.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Hohlraumresonator, an dessen Grundkörper 6 rückseitig ein weiterer Hohl­ körper 7 angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Hohlleiter 8 in Verbindung steht. Der Übergang von dem Hohlleiter 8 in den Hohlkörper 7 sowie der Übergang von dem Hohlkörper 7 in den Grundkörper 6 sind hier identisch ausgebildet, d. h. daß sich in der Rückseite 9 des Hohl­ körpers 7 eine Öffnung befindet, deren Maße denjenigen des Hohlleiters 8 entsprechen und in welche der Hohl­ leiter 8 eingesetzt ist. Bekanntlich werden beim Über­ gang eines Hohlleiters in einen Hohlraumresonator stets und unvermeidbar Wellen höherer Ordnung angeregt, die elek­ trische Verluste verursachen. Der Hohlkörper 7 ist in seinen Abmessungen bezüglich des Hohlleiters 8 und be­ züglich des Grundkörpers 6 derart bemessen, daß durch den Übergang angeregte Wellentypen höherer Ordnung aus dem Spektrum weitestgehend herausgedämpft werden. Der Hohlkörper 7 wirkt somit als Modenfilter, so daß in dem durch den Grundkörper 6 umgrenzten Hohlraum anstehenden Wellenfeld im wesentlichen nur solche Wellentypen (Moden) auftreten, die zur Abstrahlung über die Koppel­ öffnungen bzw. zum Empfang durch die Koppelöffnungen er­ wünscht sind.

Die in Fig. 3 beschriebene Form des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators mit Modenfilter ist grundsätzlich bei beliebigen Formen des Grundkörpers 6 anwendbar, d. h. sowohl bei solchen mit kreisförmiger Vorderseite als auch bei solchen mit rechteckiger oder quadratischer Vorder­ seite. Bekanntlich tritt bei der Verbindung eines Hohl­ leiters mit einem Hohlraumresonator das Problem deren unterschiedlicher Impedanzen auf, so daß in der Regel besondere Anpassungsmaßnahmen erforderlich sind. Dies kann beispielsweise auf schaltungstechnischem Wege er­ reicht werden.

In den Darstellungen der Fig. 4 und 5 ist mit den Ziffern 10 der jeweilige Grundkörper des Hohlraumresonators be­ zeichnet, dessen Vorderseite 11 jeweils die Koppelöff­ nungen trägt. Während in Fig. 5 ein Hohlleiter 12 un­ mittelbar in den Grundkörper 10 hineinragt, befindet sich bei Fig. 4 zwischen dem Hohlleiter 12 und dem Grundkörper 10 ein als Modenfilter konzipierter Hohlkörper 13. Eine Impedanzanpassung zwischen den miteinander verknüpften Bauteilen, nämlich in Fig. 4 dem Hohlleiter 12, Hohl­ körper 13 und dem Grundkörper 10 und in Fig. 5 dem Hohl­ leiter 12 und dem Grundkörper 10 wird dadurch erreicht, daß der Hohlleiter eine gewisse Strecke in den Grund­ körper 10 bzw. den Hohlkörper 13 hineinragt, wobei in gleicher Weise der Hohlkörper 13, dessen Vorderseite 14 wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 offen ist, in den Grundkörper 10 hineinragt. Qauntitativ wird das Aus­ maß der Anpassung durch das Ausmaß des Ineinanderragens dieser Bauteile erreicht.

Fig. 6 zeigt den Grundkörper 15 eines erfindungsgemäßen Hohlraumresonators, an welchen ein Hohlleiter 16 ange­ schlossen ist und der innenseitig im Bereich seiner Längsseiten 17 eine Beschichtung 18 trägt, welche aus einem Material von hoher elektrischer Dömpfungsfähigkeit wie z. B. Nickel besteht. Es kann jedoch hier grundsätz­ lich jedes andere Material eingesetzt werden, welches für Mikrowellen der hier eingesetzten Frequenz stark absorbierend bzw. dämpfend wirkt. Erreicht wird auf diese Weise, daß sich in Abweichung von den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 innerhalb des Grundkörpers 15 keine stehenden Wellen, welche an den Seitenflächen reflektiert werden sondern Wanderwellen ausbilden, die sich in Rich­ tung auf die Seitenflächen 17 hin ausbreiten. Es können nunmehr die Koppelöffnungen auf der Vorderseite 19 des Grundkörpers 15 derart gewählt werden, daß zwischen den aus diesen Koppelöffnungen austretenden Teilwellenzügen eine bestimmte Phasenverschiebung besteht, so daß die Richtcharakeristik, insbesondere das Hauptmaximum des Hohlraumresonators beispielsweise in einer Richtung liegt, welche durch die strichpunktierte Linie 20 angedeutet ist. Es ist darüber hinaus möglich, insbesondere bei zylin­ drischen Grundkörpern 15, die Verteilung der Koppelöff­ nungen auf der Vorderseite 19 ensprechend rotations­ symmetrisch auszubilden, so daß die Richtcharakteristik einer auf diese Weise gebildeten Antenne durch ein Empfangs- bzw. Sendeoptimum unter einem Winkel α zur Horizontalen gekennzeichnet ist. Eine derartige Empfangsantenne ist beispielsweise besonders für den Satellitenempfang in einem azimutalen Bereich von 360° anwendbar, wobei der Elevationswinkel α beispiels­ weise 30° betragen kann. Die Herstellung einer solchen Antenne entsprechend der Fig. 6 kann nach dem eingangs bereits beschriebenen Verfahren erfolgen.

Claims (14)

1. Hohlraumresonator-Antenne, mit einem Grundkörper (1, 1′, 6, 10, 15), dessen eine Seite mit Koppelöff­ nungen (3, 3′) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelöffnungen (3, 3′) in Abhängigkeit von dem innerhalb des mit einem Hohlleiter (5, 5′, 8, 12, 16) in Verbindung stehenden Grundkörpers (1, 1′, 6, 10, 15) an­ zuregenden Wellenfeldes so bemessen und angeordnet sind, daß jeweils Halbwellen gleicher Polarität aus- bzw. einkoppelbar sind.

2. Hohlraumresonator-Antenne, mit einem Grundkörper (15), dessen eine Seite mit Koppelöffnungen (3, 3′) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseiten (17) bzw. die Umfangsseiten des Grundkörpers innenseitig mit einer Beschichtung (18) aus einem elektrisch stark dämpfenden Material überzogen sind und daß die Koppel­ öffnungen hinsichtlich der Verteilung ihrer Gestal­ tungen und Bemessungen - zumindest in einer Richtung gesehen - derart ausgebildet sind, daß die über die einander benachbarten Koppelöffnungen ein- bzw. aus­ koppelbaren Wellenanteile zueinander phasenverschoben sind.

3. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelöffnungen (3, 3′) rechteckig oder quadratisch ausgestaltet sind.

4. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1′) zylin­ drisch ausgestaltet ist und daß die Koppelöffnungen (3′) als zueinander konzentrische Kreisringe ausge­ staltet sind.

5. Hohlraumresonator-Antenne nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (12, 16) um eine bestimmte Strecke in den Grundkörper (10, 15) hineinragt.

6. Hohlraumresonator-Antenne nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hohlleiter (8, 12) und dem Grundkörper (6, 10) ein hohlleiterartig ausgebildeter Hohlkörper (7, 13) angeordnet ist und daß der Hohlkörper (7, 13) in Ab­ hängigkeit von den Abmessungen des Hohlleiters (8, 12) einerseits und des Grundkörpers (6, 10 ) andererseits bzw. des in letzterem anzuregenden Wellenfeldes dahin­ gehend bemessen ist, daß Wellentypen höherer Ordnung, deren Anregung durch die Querschnittssprünge zwischen dem Hohlleiter (8, 12) und dem Grundkörper (6, 10) be­ dingt sind, gedämpft werden.

7. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlkörper (7, 13) um eine be­ stimmte Strecke in den Grundkörper (10) hineinragt.

8. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (12) um eine bestimmte Strecke in den Hohlkörper (13) hineinragt.

9. Hohlraumresonator-Antenne nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1, 1′, 6, 10, 15) in an sich bekannter Weise mit einer elektrischen Füllung versehen ist.

10. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Koppelöffnungen rotationssymmetrisch ausgebildet sind.

11. Hohlraumresonator-Antenne nach Anspruch 2 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (18) aus Nickel oder einem elektrisch vergleichbaren Material besteht.

12. Verfahren zur Herstellung einer Hohlraumresonator-An­ tenne mit einer dielektrischen Füllung, deren Vorder­ seite mit Koppelöffnungen versehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein dem Innenraum der Hohlraumreso­ nator-Antenne entsprechend gestalteter Körper aus einem dielektrischen Werkstoff allseitig mit einer metallischen Schicht überzogen wird und daß in die metallische Schicht zumindest die Koppelöffnungen eingearbeitet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Koppelöffnungen durch Fotoätzung, Prägung oder dergleichen hergestellt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die metallische Schicht auf galvanischem Wege auf eine elektrisch leitfähige Grundschicht auf­ gebracht wird.