DE3604355A1

DE3604355A1 - Dielektrischer wellenleiter

Info

Publication number: DE3604355A1
Application number: DE19863604355
Authority: DE
Inventors: Haruo Imaizumi
Original assignee: Junkosha Co Ltd
Current assignee: Junkosha Co Ltd
Priority date: 1985-01-16
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1987-08-20
Also published as: GB2185861B; GB2185861A; JPS61163704A; GB8601998D0; US4825221A

Description

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Leitung, wie sie zur Übertragung von Energie elektromagnetischer Wellen, zum Beispiel von Millimeter- oder Submilli meterwellen, verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine dielektrische Leitung, die Mittel be sitzt zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen direkt von einem Endabschnitt der Leitung in die Umgebung, ohne daß dazu ein metallischer Wellenleiter benötigt wird.

Wenn man einen metallischen Wellenleiter zum Führen von Mikrowellen benutzt, damit elektromagnetische Wellen von dem Endabschnitt einer dielektrischen Übertragungs leitung abgestrahlt werden, so befestigt man für ge wöhnlich eine Metallantenne mit einer Trichteröffnung an dem Endabschnitt. Um ebene Wellen abzustrahlen, ver wendet man beispielsweise eine Linsen-Antennenanordnung, bei der die Metallantenne als Primär-Abstrahlantenne und eine dielektrische Linse in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen Verwendung finden. Man verwendet auch ein Reflektor-Antennensystem, bei dem ein aus Metall bestehender reflektierender Spiegel verwendet wird, oder man verwendet eine Cassegrain- Antennensystem, bei der zwei reflektierende Spiegel verwendet werden.

Mit der Entwicklung eines Halbleiters für die Über tragung elektromagnetischer Wellen im Millimeter- Wellenlängenbereich hat der Einsatz von dielektri schen Übertragungsleitungen als Wellenleiter in und zwischen Geräteteilen von Funk-Nachrichtenübertragungs einrichtungen, Radarsystemen und anderen Systemen zu genommen. Fig. 15 zeigt eine dem Stand der Technik zu zurechnende dielektrische Leitung 1′ mit einem mittle rem Kern 2 aus porösem Kunststoffmaterial mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante und einem Mantel 3, der den Kern 2 koaxial umschließt und aus einem Kunst stoff mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante besteht. Dadurch läßt sich die Energie elektromagneti scher Wellen in dem Kern 2 begrenzen, so daß die Wel len sich hauptsächlich innerhalb des Kerns fortpflanzen. Die Außenfläche des Mantels 3 ist von einer Isolier- Schutzschicht 4 umgeben.

Die oben erläuterte dielektrische Leitung besitzt eine Reihe von Vorteilen: einfach Verarbeitung und Verbin dung mit anderen Teilen, große Flexibilität auf Grund geringer Einfügungsdämpfung und größerer Platz für Hochfrequenzwellen als bei metallischen Wellenleitern. Aus den genannten Gründen wurde die dielektrische Lei tung immer stärker eingesetzt.

Wenn aus dem Endabschnitt der oben beschriebenen di elektrischen Leitung elektromagnetische Wellen abge strahlt werden sollen, so wird für gewöhnlich ein metallischer Wellenleiter und ein Metallhorn oder Me talltrichter mit Hilfe eines als "Launcher" bezeich neten Verbinders an die dielektrische Leitung gekoppelt, und zwar aus folgenden Gründen:

1. Man kann vorhandene und fertige Abstrahlmethoden für elektromagnetische Wellen in Verbindung mit einem metallischen Wellenleiter und einem Metall horn verwenden;
2. Bei der Abstrahlung oder der Übertragung elektro magnetischer Wellen behält der Launcher das Phasen zentrum bei, welches von der dielektrischen Lei tung zu einem metallischen Wellenleiter oder einem Horn über den Launcher zu übertragen ist;
3. der Endabschnitt der dielektrischen Leitung läßt sich sicher fixieren, weil er sich an der Stelle des metallischen Leitungsrohrs befindet. Die elektromagnetischen Wellen in dem metallischen Leitungsrohr werden selbst dann nicht gestört, wenn das Rohr auf der Außenseite mit einer Be festigungsvorrichtung festgemacht ist, weil näm lich außerhalb des Rohr keine elektromagnetischen Wellen vorhanden sind.

Wenn allerdings ein metallischer Wellenleiter an die dielektrische Leitung angeschlossen werden soll, erweist sich die Ausrichtung der Übertra gungskonstanten am Verbindungsabschnitt als der art schwierig, daß eine Zunahme der Einfügungs dämpfung, eine Dämpfungbeeinträchtigung auf Grund Reflexion, eine Verschiebung der Phasenebene sowie weitere Probleme hervorgerufen werden.

Wird die dielektrische Leitung zur Änderung der Polarisationsebene verdreht, ergibt sich als wei teres Problem, daß die Ausrichtung mit dem metalli schen Wellenleiter das Frequenzband enger macht.

Ein eingehendes Studium der Mittel zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen vom Endabschnitt einer dielektrischen Leitung führt nun zu dem erfindungs gemäßen Konzept, wonach nicht - wie im Stand der Technik - ein metallischer Wellenleiter angeschlos sen wird, sondern in Verbindung mit dem Endab schnitt der dielektrischen Leitung Mittel vorge sehen werden, die dazu dienen, die von dem End abschnitt in Form einer ebenen Front abgestrahl ten elektromagnetischen Wellen zu extrahieren.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeich net. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Das Leitungsende der di elektrischen Leitung kann konvexe oder konkave Form besitzen oder in Form eines konischen Endabschnitts ausgebildet sein. Alternativ kann das Ende der Lei tung flach gehalten sein, wobei dem flachen Ende (der Stirnseite) gegenüberliegend eine Linse angeordnet ist. Der einen Stirnseite des Endabschnitts kann gegen überliegend ein Spiegel angeordnet werden. In einer speziellen Ausführungsform besitzt der Energieübertra gungsabschnitt in der dielektrischen Leitung eine Dielektrizitätskonstante, die in Richtung auf den End abschnitt zu in axialer Richtung abnimmt. Der Energie übertragungsabschnitt der Leitung besteht vorzugswei se aus ungesintertem oder unvollständig gesintertem, expandierten Polytratrafluoräthylen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-10 Querschnitte von Ausführungsformen der Er findung, und zwar

Fig. 1 eine Leitung, deren Ende konvex gestaltet ist,

Fig. 2 eine Leitung mit konkavem Ende,

Fig. 3 eine Leitung mit konischem Ende,

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der der Mantel in der Nähe des Endabschnitts entfernt wurde und der Kern im Bereich des Endab schnitts freiliegt und an der Spitze ko nisch zuläuft,

Fig. 5 eine Ausführungsform mit flacher Stirnsei te und in Längsrichtung zum Leitungsende hin abnehmender Dielektrizitätskonstanten,

Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der das Ende konisch zuläuft und die Dielektrizitäts konstante des Kerns zum Leitungsende hin in Längsrichtung abnimmt,

Fig. 7 eine Ausführungsform, bei der die Enden der Abdeckung und des Mantels in rechtem Winkel zur Leitung abgeschnitten sind, während der Kern ein Stück aus der Leitung vorsteht und dann zum Ende hin konisch verjüngt ist und zusätzlich eine zur Spitze hin in Längsrichtung abnehmende Dielektri zitätskonstante aufweist,

Fig. 8 eine Leitung mit unter rechtem Winkel in Längsrichtung der Leitung angeordneter Stirnseite und einer dieser benachbart an geordneten konvexen Linse,

Fig. 9 und 10 Ausführungsbeispiele, bei denen das Ende einer Leitung, zum Beispiel das Leitungs ende gemäß Fig. 8, im Brennpunkt einer Parabolantenne angeordnet ist,

Fig. 11-14 Leitungen mit konisch verjüngten Enden als Primärstrahler für Antennen des Casse grain-Typs und,

Fig. 15 eine dielektrische Übertragungsleitung nach dem Stand der Technik.

Eine dielektrische Übertragungsleitung besitzt Mittel zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen von einer Empfangs-Endzone der Leitung, um so elektromagnetische Wellen zu senden, ohne daß eine metallische Trichteran tenne oder ein metallischer Wellenleiter benötigt wer den. Hierbei werden Anpaßprobleme im wesentlichen ver mieden. Die hierzu vorgesehenen Mittel bestehen darin, daß das Ende der Leitung eine spezielle Kontur erhält, daß die Dielektrizitätskonstante des Leitungsmaterials in der Nähe der Endzone der Leitung in Längsrichtung in Form eines Gradienten variiert wird, und daß ein reflektierender Spiegel oder eine Linse angeordnet wird, um die von der Leitung emittierten Wellen zu empfangen. Dieser Wellenleiter eignet sich für die drahtlose Nach richtenübertragung, Radaranlagen und ähnliche Einrich tungen.

Bevor spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrie ben werden, sei auf die hier verwendete dielektrische Leitung nach der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 52-14 118 (Veröffentlichungsnummer 56-24 241) hinge wiesen. Die dort beschriebene dielektrische Leitung ist so aufgebaut, daß ihr Übertragungsabschnitt für elektro magnetische Wellenenergie aus ungesintertem oder unvoll ständig gesintertem, expandierten Polytetrafluoräthylen besteht. Die vorgeschlagene dielektrische Leitung be sitzt verschiedene Vorteile: sie vermag elektromagneti sche Wellen hoher Energiedichte mit geringen Übertra gungsverlusten zu übertragen, sie läßt sich leicht ver arbeiten und bezüglich ihrer Dielektrizitätskonstanten bei der Herstellung einstellen, und sie weist große Flexibilität auf.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der eine dielektrische Leitung 1 einen Endabschnitt besitzt, dessen Stirnseite als konvexe Fläche 5 ausge bildet ist. Diese konvexe Seite 5 wirkt als konvexe Linse bezüglich der elektromagnetischen Wellen, die von der Stirnseite des Endabschnitts der Leitung abge strahlt werden. Mithin werden die elektromagnetischen Wellen in Form einer ebenen Front von der Stirnseite der Leitung 1 abgestrahlt.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der dielektrische Leitung 1 im Endabschnitt eine konkave Stirnseite 6 besitzt.

Bei der dritten Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Endabschnitt der dielektrischen Leitung 1 als konischer Endabschnitt 7, ähnlich wie eine Bleistiftspitze, aus gebildet, um eine ebene Wellenfront zu erzeugen.

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der Mantel 3 in der Nähe des Endabschnitts der Leitung 1 entfernt ist, um den Kern 2 ein bestimmtes Stück freizulegen. Der so freigelegte Kern 2 ist an seinem vorderen Endbereich zugespitzt und bildet eine konische Spitze 8, die eine ebene Wellenfront erzeugt.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der die dielektrische Leitung 1 eine Stirnseite 10 besitzt, die unter rechtem Winkel zur Längserstreckung der Leitung geschnitten ist, und der Endabschnitt ist so ausgebildet, daß seine Dielektrizitätskonstante entlang der Achse in Richtung auf die Stirnseite 10 zu nach und nach abnimmt. Um eine in Längsrichtung abnehmende Di elektrizitätskonstante des aus expandiertem Polytetra fluoräthylen bestehenden Kerns zu erreichen, kann man ein Ende des Polytetrafluoräthylens während des Ex pansionsvorganges festhalten, während man lediglich das andere Ende zieht. Durch ein solches Verfahren nimmt das lokale Expansionsverhältnis entlang der Leitung zu, während die Dielektrizitätskonstante abnimmt. Man kann einen Gradienten bei der Sintertemperatur vorsehen, wodurch die Dielektrizitätskonstante bei ansteigender Temperatur abnimmt, oder man wickelt als Mantel ein Band abnehmender Dichte in Längsrichtung um den Kern der Leitung.

Wenn Einheitsabschnitte entlang der Kernachse abnehmen de Dielektrizitätskonstanten ε₁, ε₂, ε₃ und ε₄ besitzen (tatsächlich besitzen die Abschnitte jeweils eine kontinuierlich abnehmende Dielektrizitätskonstante), wie beipielhaft in Fig. 5 dargestellt ist, gelten die Beziehungen ε₁<ε₂<ε₃<ε₄. Andererseite besitzt nicht nur der Kern 2 eine abnehmende Dielektrizitätskonstante, sondern auch der Mantel 3 kann eine in ähnlicher Weise abnehmende Dielektrizitätskonstante besitzen entsprechend der Beziehung ε_1′<ε_2′<ε_3′<ε_4′. Speziell dann, wenn die Dielektrizitätskonstanten des Kerns 2 so geändert werden, wie es in Fig. 5 angedeutet ist, wird die Aus richtung der charakteristischen Impedanzen mit dem Außen raum verbessert. Dieser Aufbau, bei dem der Kern 2 eine sich ändernde Dielektrizitätskonstante besitzt, wird in seiner Wirksamkeit noch erhöht, wenn man die dielektri schen Leitungen 1 nach den Fig. 6 und 7 kombiniert mit den Strukturen nach den Fig. 3 und 4.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der dielektri sche Stoff für die dielektrischen Leitungen 1 der jewei ligen Ausführungsbeispiele expandiertes ungesintertes oder unvollständig gesintertes Polytetrafluoräthylen. Bei diesem Stoff handelt es sich um ein hochkristallines Material mit hohem Molekulargewicht, dessen Innenstruk tur eine Anzahl feiner Knoten aufweist, die miteinander durch eine Anzahl feiner Fibrillen verbunden sind, was zu einer Anzahl komplizierter Hohlräume zwischen Knoten und Fibrillen führt, so daß insgesamt eine poröse Fein struktur mit durchgehender Porösität gebildet wird.

Das dielektrische Material mit der porösen Feinstruk tur wird hergestellt, in dem extrodiertes Polytetra fluoräthylen (PTFE) im ungesintertem Zustand einige bis zu 100 mal in mindestens einer axialen Richtung expandiert wird, wie es in der japanischen Patentver öffentlichung 51-18 991 beschrieben ist. Bei diesem expandiertem PTFE-Produkt kann dessen spezifisiches Gewicht, Porösität, Dielektrizitätskonstante sowie andere Eigenschaften in einem bemerkenswert großem Bereich variiert werden, in dem man Geschwindigkeit und Ausmaß der Streckung ändert. Es ist möglich, einen solchen dielektrischen Stoff für eine Übertragungslei tung herzustellen, der die Fortpflanzungseingenschaften für elektromagnetische Wellen besitzt, wie sie oben er wähnt wurden. Das expandierte Produkt wird entweder teilweise gesintert oder bei einer Temperatur thermisch fixiert, die nicht niedriger ist als der Schmelzpunkt (327° Celsius) des PTFE, vorzugsweise bei 340° bis 380°, insbesondere bei 360° bis 375° Celsius während 1-15 Minuten, oder es wird ohne Sintern bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts, jedoch nicht unterhalb von 250° Celsius fixiert. Durch geeignetes Ändern des Aus maßes der Sinterung oder der thermischen Fixierung des expandierten Produkts läßt sich die Dielektrizitäts konstante des porösen PTFE-Materials nach Bedarf ein stellen. Dies wiederum stellt einen bedeutsamen Schritt für die Einstellung der Eigenschaften und der Leistung der dielektrischen Leitung 1 der vorliegenden Erfindung dar, zusammen mit den Schritten zum ändern des Prozent satzes oder der Geschwindigkeit der Streckung.

Zusätzlich zu der axialen Änderung der Dielektrizitäts konstanten der dielektrischen Leitung 1 gemäß der Er findung läßt sich der Linseneffekt wie bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 1 erreichen, in dem man die Di elektrizitätskonstante des Kerns 2 in radialer Richtung ändert.

All die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele be trafen den Fall, daß die dielektrische Leitung 1 einen bearbeiteten Endabschnitt aufweist, so daß seine charakteristische Impedanz sich nach und nach derjeni gen des Raums am Ende der Leitung annähert. Bei der sechsten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 8 hin gegen ist die dielektrische Leitung 1 an der Stirnseite 10 unter einem rechtem Winkel bezüglich der Längsrich tung der Leitung abgeschnitten, und mit Abstand von der Stirnseite ist eine dielektrische Linse derart angeord net, daß ihr Brennpunkt auf der Stirnseite 10 liegt. Diese dielektrische Linse 11 hat die Form eines Form stücks aus dem oben beschriebenen, ungesinterten, kon tinuierlich porösen Polytetrafluoräthylen-Harzes, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung 59-23 483 offenbart ist. Auf Grund der dielektrischen Linse 11 werden die von der Stirnseite 10 der Leitung 1 abge strahlten elektromagnetischen Wellen in eine ebene Front umgewandelt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 9 ist die dielektische Linse nach Fig. 8 ersetzt durch eine reflektierende Antenne, zum Beispiel eine Parabolantenne 12, und die dielektrische Leitung 1 ist so angeordnet, daß ihre Stirnseite 10 sich im Brenn punkt der Antenne 12 befindet. Obschon in Fig. 9 die axial symmetrische Parabolantenne 12 dargestellt ist, kann man auch gemäß Fig. 10 eine Offset-Parabolantenne 12′ verwenden.

Alternativ kann man die dielektrische Leitung 1, bei der der eine Endabschnitt konisch geformt ist, zum Beispiel so, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, als den Primärstrahler für Antennen des Cassegrain-Typs ver wenden, wie es in den Fig. 11 und 12 gezeigt ist. Fig. 11 zeigt den Fall einer Nahfeld-Cassegrain-Antenne 13, und Fig. 12 zeigt den Fall einer Fernfeld-Cassegrain- Antenne 13′. Weiterhin zeigen die Fig. 13 und 14 An tennenstrukturen 13 und 13′, bei denen die Versorgungs achsen der Primärstrahler bezüglich der Antennenstrahl- Achsen versetzt sind.

Abweichend von der obigen Beschreibung läßt sich die Erfindung nicht nur anwenden bei einer dielektrischen Leitung mit Stufenindexprofil, sondern auch bei einer Leitung mit Gradientenindexprofil. Die dielektrische Leitung kann anstelle eines kreisförmigen Querschnitts einen elyptischen oder einen quadratischen Querschnitt besitzen. Hier wird kreisförmiger Querschnitt bevor zugt, wenn die Polarisationsebene gedreht oder geän dert wird. Quadratischer Querschnitt eignet sich bes ser, wenn eine vertikale oder horizontale Polarisations ebene zu bilden ist.

Außerdem kann die dielektrische Leitung mit einem Grenzbedingungs-Einstellabschnitt oder einem Abschirm teil aus Metall ausgestattet sein, außerdem mit einer Absorbtionsschicht aus leitendem Harz.

Wenn die von dem einen Endabschnitt der Leitung ab zustrahlenden elektromagnetischen Wellen keine Ebene Front gemäß der Erfindung bilden sollen, so läßt sich dies dadurch erreichen, daß die dielektrische Leitung eine zur Längsachse senkrecht verlaufende Stirnfläche erhält.

Durch die Erfindung werden folgende Effekte erzielt:

1. Da kein Verbindungabschnitt mit einem metallischen Wellenleiter vorhanden ist, lassen sich Einfügungs dämpfungen, Reflexionen und eine Verengung des Frequenzbandes im Gegensatz zum Stand der Technik weitestgehend ausschalten;
2. Die ebene Wellenfront kann von der Stirnseite der Leitung einfach dadurch abgestrahlt werden, daß man die Stirnseite in geeigneter Weise formt, und der Abstrahlwinkel läßt sich je nach Bedarf frei steuern;
3. Wenn der Wellenleiter einem Reflektor gegenüber steht, wie es in der Reflektorantenne der Fall ist, kann es dazu kommen, daß ein metallischer Wellen leiter die elektromagnetischen Wellen reflektiert. Bei der erfindungsgemäßen dielektrischen Leitung ist die Hülse und die metallische Schutzschicht unter Freilegung des Kerns und des Mantels oder lediglich des Kerns entfernt, so daß der größte Anteil der elektromagnetischen Wellen, die von der Reflektorantenne abgestrahlt werden, die di elektrische Leitung durchdringen, so daß sich nur geringfügige Streuverluste ergeben; und
4. Selbst dann, wenn die Polarisationsebene nicht in der dielektrischen Leitung gehalten wird, lassen sich die elektromagnetischen Wellen effektiv ab strahlen.

Claims

1. Dielektrische Übertragungsleitung zum Übertragen elektromagnetischer Wellen, die von einem Endabschnitt der Leitung in die Umgebung abgestrahlt werden können, da durch gekennzeichnet, daß der Endab schnitt (5; 6; 7; 8; 10, 11) der Leitung eine solche Kontur aufweist, daß die elektromagnetischen Wellen unter Bildung einer vorgegebenen Wellenfront emittiert werden.

2. Leitung nach Anspruch 1, bei der an dem Endab schnitt eine konvexe Fläche gebildet ist.

3. Leitung nach Anspruch 1, bei der an dem Endab schnitt eine konkave Fläche gebildet ist.

4. Leitung nach Anspruch 1, bei der an dem Endab schnitt ein konisches Endstück gebildet ist.

5. Leitung nach Anspruch 1, bei der ein flacher Endabschnitt (10) vorgesehen und dieser zugewandt eine Linse (11) angeordnet ist.

6. Leitung nach Anspruch 1, bei der der Stirn seite des Endabschnitts gegenüberliegend ein Spiegel angeordnet ist.

7. Leitung nach Anspruch 1, bei der der Wellen energie-Übertragungsabschnitt eine Dielektrizitätskon stante besitzt, die mit zunehmender Annäherung an den Endabschnitt in axialer Richtung abnimmt.

8. Leitung nach Anspruch 1 oder einem der fol genden, bei der Übertragungsabschnitt für die elektro magnetische Wellenenergie in der dielektrischen Leitung aus unvollständig gesintertem, expandierten Polytetra fluoräthylen besteht.