DE3801301C2

DE3801301C2 - Fresnel'sche Zonenplatte als Reflektor für eine Mikrowellen-Sende/Empfangsantenne

Info

Publication number: DE3801301C2
Application number: DE19883801301
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Huder; Wolfgang Dr Menzel
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2008-01-20
Also published as: DE3801301A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Fresnel′sche Zonenplatte als Reflektor für eine Mikrowellen-Sende/Empfangsantenne, insbe sondere Millimeterwellen-Sende/Empfangsantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Fresnel′sche Zonenplatte ist beispielsweise aus der DE 35 36 348 A1 bekannt.

Reflektorantennen werden allgemein in den unterschiedlich sten Anwendungsgebieten benötigt, um aus einer sphärischen Wellenfront eines näherungsweise punktförmigen Strahlers eine ebene oder zumindest näherungsweise ebene Wellenfront zu bilden oder umgekehrt eine ebene oder zumindest nähe rungsweise ebene Wellenfront in einem Punkt oder annähernd in einem Punkt zu konzentrieren.

Im Mikrowellenbereich, insbesondere Millimeterwellenbereich, werden diese Antennen beispielsweise als Millimeterwellen- Radarsensoren, in Peilsystemen oder in der hochfrequenten Datenübertragung, wie z. B. in Richtfunkstrecken, einge setzt.

Üblicherweise werden Reflektorantennen nach den Gesetzen der geometrischen Optik konstruiert und weisen eine gekrümmte Reflektoroberfläche mit z. B. parabolischer oder hyperboli scher Kontur auf.

Die Herstellung solcher Antennen ist wegen der gekrümmten Oberfläche i. a. schwierig; ihr Platzbedarf ist groß.

In der eingangs genannten DE 35 36 348 A1 wird eine Mikro wellen-Sende/Empfangsantenne beschrieben, bei der der Re flektor als Fresnel′sche Zonenplatte ausgebildet ist. Die Zonenplatte besteht dabei aus einer ebenen Metallplatte, die entweder mit einer Schicht aus einem dielektrischen Material überzogen ist, dessen Oberfläche reliefartig ausgebildet ist, oder deren Oberfläche selbst reliefartig ausgebildet ist. Die Tiefe und Form dieser Reliefstrukturen sind dabei so gewählt, daß sich alternierende erste und zweite reflek tierende Zonen ausbilden, die die auftreffenden Teilwellen der Mikrowellenstrahlung phasenverschoben reflektieren, und zwar so, daß sich die an den ersten Zonen reflektierten Teilwellen überwiegend phasenrichtig mit den an den zweiten Zonen reflektierten Teilwellen addieren.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß die Herstellung einer solchen Fresnel′schen Zonenplatte insbesondere für Milli meterwellen schwierig ist, da die Reliefstruktur eine be trächtliche ("makroskopische") Tiefe aufweist, die mit hoher Präzision zu erstellen ist. Wird die Zonenplatte mit der dielektrischen Schicht verwendet, kommt noch hinzu, daß die reliefartig strukturierte Oberfläche des Dielektrikums aufgrund ihrer "makroskopischen" Tiefe leicht zerstört werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Fresnel′sche Zonenplatte der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach herzustellen ist und deren Oberfläche nicht so leicht zerstört werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentan spruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, mit einem ebenen Reflektor eine sphärische oder zumindest annähernd sphäri sche Wellenfront in eine ebene oder zumindest annähernd ebene Wellenfront umzuwandeln oder umgekehrt.

Erfindungsgemäß wird hierzu eine an sich bekannte Fresnel′ sche Zonenplatte der eingangs genannten Art mit alternieren den ersten und zweiten reflektierenden Zonen in Form metal lischer Oberflächen dahingehend modifiziert, daß der Zwi schenraum zwischen den Zonen mit einem homogenen dielektri schen Material mit der relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r (vorzugsweise ε_r < 1) und/oder mit einem homogenen magne tischen Material mit der relativen Permeabilitätskonstanten µ_r (vorzugsweise µ_r < 1) ausgefüllt ist, wobei der Abstand d_R der ersten Zonen von den zweiten Zonen bzw. die Dicke des dielektrischen und/oder magnetischen Materials gleich oder zumindest annäherend gleich gewählt ist einem Viertel der Wellenlänge λ′ der Mikrowelle in dem Zwischenraum zwischen den ersten und zweiten Zonen oder einem ungeradzahlig Viel fachen davon.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zonenplatte sind die ersten reflektierenden Zonen in Form mehrerer konzen trisch angeordneter metallischer Kreisringe realisiert, während die zweiten Zonen auf der Oberfläche einer einfachen Metallplatte ausgebildet sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen vor allem darin, daß eine solche Zonenplatte sehr einfach auf ätztech nischem Wege hergestellt werden kann, da das Dielektrikum eine konstante Dicke besitzt, und daß der Reflektor wegen der sehr flachen Reliefstruktur seiner Oberfläche mecha nisch nicht so leicht zerstört werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen nicht maßstabsgetreuen Ausschnitt einer Reflektorantenne im Querschnitt mit der erfin dungsgemäßen Fresnel′schen Zonenplatte;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Zonenplatte in der Draufsicht für Frequen zen um 94 GHz im Maßstab von etwa 1 : 1.

Der nicht maßstabsgetreue Ausschnitt der Reflektorantenne im Querschnitt mit der erfindungsgemäßen Zonenplatte in Fig. 1 zeigt eine ebene metallische Platte 1, mehrere konzentrisch angeordnete Kreisringe 31, 32 und 33 in einer zur Platte 1 parallelen Ebene 3 im Abstand d_R. Senkrecht über dem Mittel punkt 30 der Kreisringe 31-33 befindet sich der beispiel haft als idealer Punkt angenommene Ursprung 4 bzw. Brenn punkt 4 der als ideal sphärisch angenommenen Wellenfront, in dem beispielsweise bei einer Sendeantenne der Primärstrahler (z. B. Hornstrahler) angebracht sein könnte, im Abstand d_p von der Kreisringebene 3. Die Abstände der Innen- und Außen kanten der Kreisringe 31-33 von diesem Punkt 4 sind - in der Zählweise bei der Außenkante des innersten Kreisringes 31 beginnend und über die Innen- bzw. Außenkante des zweit innersten Kreisringes 32 nach außen gehend - mit d₁-d₅ bezeichnet, die Innen- und Außenradien der Kreisringe 31-33 entsprechend mit r₁-r₅.

Mit 2 ist der Zwischenraum zwischen der Kreisringebene 3 und der metallischen Platte 1 bezeichnet. Er kann vorteilhaft mit einem homogenen dielektrischen Material mit ε_r < 1 bzw. mit einem homogenen magnetischen Material mit µ_r < 1 ausge füllt werden. Mit 7 ist eine zur Kreisringebene 3 parallele weitere Ebene bezeichnet, in der der Ursprung 4 bzw. Brenn punkt 4 der als ideal sphärisch angenommenen Wellenfront liegt, mit 6 der Zwischenraum zwischen der weiteren Ebene 7 und der Kreisringebene 3.

Mit 5 ist ein angenähert er Strahlengang einer von dem Ursprung 4 ausgehenden sphärischen Teilwelle bezeichnet, die ein dielektrisches Material mit ε_r < 1 im Zwischenraum 2 durch läuft und an der metallischen Platte 1 reflektiert wird.

Damit die von dem Ursprung 4 ausgehende sphärische oder zumindest annähernd sphärische Wellenfront in eine ebene oder zumindest annähernd ebene Wellenfront umgewandelt wird, ist in einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Antenne zum einen der Abstand d_R gleich oder zumindest annähernd gleich einem Viertel der Wellenlänge λ′ der Mikro welle in dem Zwischenraum 2 zwischen der Kreisringebene 3 und der metallischen Platte 1 oder einem ungeradzahlig Viel fachen davon gemäß der Beziehung

mit i = 1 oder 2 oder 3 usw.
wobei

λ_o ist gleich der Freiraumwellenlänge der Mikrowelle im Vakuum, die näherungsweise gleich ist der Wellenlänge der Mikrowelle in Luft.

Zum anderen ist bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Antenne mit der erfindungsgemäßen Zonenplatte der Abstand d₁ der Außenkante des innersten Kreisringes 31 um ein Viertel der Wellenlänge λ′′ der Mikrowelle in dem Zwischenraum 6 zwischen dem Primärstrahler 4 und der Kreisringebene 3 oder um ein ungeradzahlig Vielfaches davon länger oder zumindest annähernd um diese Strecke länger als der Abstand d_p und die Abstände d₂-d₅ der Innen- und Außenkanten der übrigen Kreisringe 32-33, in der Zählweise von innen nach außen gehend und dabei nicht zwischen Innen- und Außenkante eines Kreisringes differenzierend, jeweils um die Hälfte der Wellenlänge λ′′ der Mikrowelle in dem Zwischenraum 6 oder um ein ganzzahlig Vielfaches davon länger oder zumindest annä hernd um diese Strecke länger als der Abstand d₁ gemäß der Beziehung

mit i = 1, 2, 3 . . .
je nach Anzahl (i) der Kreisringe und

λ_o ist wieder gleich der Freiraumwellenlänge der Mikrowelle im Vakuum bzw. näherungsweise in Luft.

Bei diesen Beziehungen bleiben Nebeneffekte, wie schräger Einfall der Mikrowellen auf das dielektrische oder magne tische Material oder Streuung an den Metallkanten der Kreis ringe, unberücksichtigt. Diese Effekte rufen je nach Größe des Einfallswinkels oder des Streuanteils eine mehr oder minder diffuse Nebenstrahlung hervor, die jedoch durch entsprechende, im Bereich des fachmännischen Könnens liegen de Maßnahmen auf ein unkritisches Maß verringert werden können.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Reflektors läßt sich beispielhaft an einer bevorzugten Ausführungsform der An tenne erklären, bei der der Zwischenraum 2 zwischen der Kreisringebene 3 und der metallischen Platte 1 mit einem homogenen dielektrischen Material mit ε_r < 1 ausgefüllt ist, wobei sich für den Abstand d_R gemäß Gleichung (1) und (2) mit i = 1 ergibt:

Die etwa in der Mitte des innersten Kreisringes 31 bzw. etwa in der Mitte von aufeinander folgenden Kreisringen 32, 33 auftreffenden Strahlen der als ideal sphärisch angenommenen Wellenfront haben Laufwegsunterschiede von jeweils einer Freiraumwellenlänge λ_o für den Fall, daß in den Gleichungen (3) und (4) λ′′ = λ_o und i = 1 gesetzt sind.

Etwa in der Mitte zwischen zwei aufeinander folgenden Kreis ringen 31, 32 oder 32, 33 auf das dielektrische Material auftreffende Strahlen der als ideal sphärisch angenommenen Wellenfront weisen einen Laufwegsunterschied von λ_o/2 auf, bezogen auf die Laufwege der Strahlen der Wellenfront, die mittig auf den nächstinneren bzw. nächstäußeren Kreisring treffen. Da die Dicke des Dielektrikums 2 (der Abstand d_p) gleich ist λ_o/4, wird der Strahl, der das Dielektri kum 2 durchläuft und an der Oberfläche der metallischen Platte 1 reflektiert wird und anschließend das Dielektrikum 2 ein zweites Mal durchläuft, phasenrichtig mit den mittig auf den benachbarten Kreisringen reflektierten Strahlen von der Antenne abgestrahlt.

Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zonen platte in der Draufsicht für Frequenzen um 94 GHz im Maßstab von etwa 1 : 1 gemäß Fig. 2 wird vorteilhaft mit RT/Duroxid 5880, einem dielektrischen Trägermaterial mit der relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r = 2,2 gefertigt. Der Abstand d_R einer solchen Antenne beträgt dann etwa d_R = 0,54 mm. Die Radien r_i der Kreisringe 31-38 berechnen sich dabei nach der Formel

Es versteht sich,, daß die Erfindung mit fachmännischem Können auf vielerlei Art und Weise aus- und weitergebildet sowie für die unterschiedlichen Anwendungen abgewandelt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. möglich, auch den Zwischenraum 6 zwischen dem Ursprung 4 bzw. Brennpunkt 4 und der Kreisringebene 3 mit einem homogenen dielektrischen Material mit ε_r < 1 oder einem homogenen magnetischen Material mit µ_r < 1 auszu füllen.

Weiterhin ist denkbar, sowohl den Zwischenraum 2 als auch den Zwischenraum 6 mit dem gleichen (dielektrischen oder magnetischen) Material auszufüllen bzw. mit unterschied lichen Materialien auszufüllen, wobei bei letzterem unter schiedliche dielektrische oder unterschiedliche magnetische Materialien genommen werden können oder ein dielektrisches Material in dem einen Zwischenraum mit einem magnetischen Material in dem anderen Zwischenraum kombiniert werden kann oder verschiedene oder gleiche Mischungen aus dielektrischen und/oder magnetischen Materialien für die Zwischenräume genommen werden können.

Schließlich ist es denkbar, zur Verringerung störender diffuser Nebenstrahlung die einzelnen Ebenen (die Oberfläche der metallischen Platte 1, die Kreisringebene 3, gegebenen falls auch die Oberfläche 7 des den Zwischenraum 6 ausfül lenden Materials gemäß Fig. 1) leicht gekrümmt auszuführen.

Claims

1. Fresnel′sche Zonenplatte als Reflektor für eine Mikro wellen-Sende/Empfangsantenne, insbesondere Millimeterwellen- Sende/Empfangsantenne, zur Umwandlung einer sphärischen oder zumindest annähernd sphärischen Wellenfront in eine ebene oder zumindest annähernd ebene Wellenfront oder umgekehrt, mit alternierenden ersten und zweiten re flektierenden Zonen, wobei die zweiten reflektierenden Zonen auf der Oberfläche einer ebenen Metallplatte (1) ausge bildet sind und die ersten reflektierenden Zonen als ebene metallische Oberflächen in einer zur Metallplattenober fläche in einem Abstand d_R parallel verlaufenden Ebene (3) ausgebildet sind, wodurch die zweiten reflektierenden Zonen bezüglich den ersten reflektierenden, Zonen phasen verschoben reflektieren, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Zwischenraum (2) zwischen der Metallplatte (1) und der die metallischen Oberflächen enthaltenden Ebene (3) mit einem homogenen dielektrischen Material mit der relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r und/oder mit einem homogenen magnetischen Material mit der relativen Permeabilitätskonstanten µ_r ausgefüllt ist;
- daß der Abstand d_R gleich oder zumindest annähernd gleich ist einem Viertel der Wellenlänge der Mikrowelle in dem Zwischenraum (2) oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon.

2. Fresnel′sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß auch der Zwischenraum (6) zwischen einer zur Ebene (3) parallelen und den Ursprung (4) bzw. Brennpunkt (4) der sphärischen oder zumindest annähernd sphärischen Wellenfront enthaltenden weiteren Ebene (7) ebenfalls mit einem homogenen dielektrischen Material mit der relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r und/oder mit einem homogenen magnetischen Material mit der relativen Permeabilitätskon stanten µ_r ausgefüllt ist.

3. Fresnel′sche Zonenplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein homogenes dielektrisches Material mit ε_r < 1 und/oder ein homogenes magnetisches Material mit µ_r < 1 die Zwischenräume (2, 6) ausfüllt.

4. Fresnel′sche Zonenplatte nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als dielektrisches Material RT/Duroxid 5880 vorgesehen ist.

5. Fresnel′sche Zonenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten reflektierenden Zonen als konzentrisch angeordnete Kreisringe (31-38) ausgebildet sind.