DE3840451A1 - Linsenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenantenne gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Übliche Linsenantennen sind entweder rotationssymmetrische Anordnungen und weisen dann Richtcharakteristiken mit gleichen oder annähernd gleichen Keulenbreiten in allen Schnittebenen auf, oder es handelt sich um Zylinderlinsen, wobei die Linse nur die Strahlbündelung in einer Ebene durchführt, während die Strahlformung in der zweiten, dazu orthogonalen Ebene, mit der Speiseeinrichtung geschehen kann.

Um mit einer Linsenantenne eine Richtcharakteristik mit stark unterschiedlichen Keulenbreiten in zwei orthogonalen Schnittebenen zu erzeugen, kann neben der Zylinderlinsen­ anordnung auch eine nach den an sich bekannten Vor­ schriften dimensionierte Linse mit unterschiedlichen Linsenkonturen in den beiden Schnittebenen verwendet werden (vgl. z.B.: R.C. Jackson, H. Jasik: "Antenna Engineering Handbook", 2nd Edition (Mc Graw-Hill, New York, 1984) Kap. 16, S. 4).

Dies führt jedoch zu einer ellipsenförmigen Apertur, die von Primärstrahler auszuleuchten ist. Als Primärstrahler kann dann beispielsweise ein Pyramidenhorn mit stark unterschiedlichen Seitenlängen eingesetzt werden. Von Nachteil sind bei diesem Strahler die nicht identischen Phasenzentren in H-Ebene und E-Ebene und die festgelegte Polarisationsebene, die mit der Ebene der kleinsten oder der größten Keulenbreite übereinstimmt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Linsenantenne zu schaffen, die ebenfalls eine Richt­ charakteristik mit stark unterschiedlichen Keulenbreiten in zwei orthogonalen Schnittebenen aufweist, bei der jedoch mit der Festlegung dieser Ebenen nicht die Ebene der linearen Polarisation festgelegt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung.

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

Fig. 1 die prinzipielle Ausführung der erfindungs­ gemäßen Linsenantenne, und zwar ihre Apertur (Fig. 1a) und zwei zueinander orthogonale Längs­ schnitte (Fig. 1b und 1c)

Fig. 2 eine vorteilhafte konstruktive Ausführungsform der Linse der erfindungsgemäßen Linsenantenne gemäß Fig. 1 für eine bestimmte Antenne.

Wie die prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Linsenantenne in Fig. 1 zeigt, dient als Speiseantenne ein rotationssymmetrischer und deshalb kostengünstig herzu­ stellender Hornstrahler 3, der auch ein rotationssym­ metrisches Richtdiagramm erzeugt (z.B. ein beispielsweise in dem oben zitierten "Antenna Engineering Handbook", Kap. 15, S. 19-23 beschriebenen Zwei-Moden-Hornstrahler nach Potter). Dieses ist mit seinem Phasenzentrum im Brennpunkt einer dielektrischen Linse 4 mit kreisrunder Apertur angeordnet und bestrahlt letztere. Die Linsen­ kontur 1 ist in der xz-Ebene nach den bekannten Vor­ schriften so gewählt, daß eine vom Brennpunkt ausgehende Kugelwelle des Speisehornstrahlers 3 von der Linse 4 in eine Welle mit ebenen Phasenfronten überführt wird.

In der zweiten dazu orthogonalen yz-Ebene ist die Linsen­ kontur 2 so gestaltet, daß die vom Brennpunkt ausgehende Kugelwelle des Speisehornstrahlers 3 nach dem Durchlaufen der Linse 4 weiterhin nichtebene Phasenfronten aufweist. Eine mögliche Linsenkonturform 2 ist hier beispielhaft eine solche mit konstanten Krümmungsradius R im gesamten Linsenbereich. Es sind aber auch andere Linsenkonturen möglich, die diese Bedingung erfüllen. In der xz-Schnitt­ ebene, in der die Welle nach Durchlaufen der Linse 4 ebene Phasenfronten aufweist, wird die Keulenbreite am kleinsten sein und im wesentlichen vom Linsendurchmesser und der Richtcharakteristik des Speisehornstrahlers 3 bestimmt. In der dazu orthogonalen yz-Ebene kann die Keulenbreite durch Wahl des Krümmungsradius R der Linsenkontur 2 in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Die Lage der x′z-Ebene der linearen Polarisation wird nur vom Speisehornstrahler 3 bestimmt und kann durch axiale Verdrehung des Speisesystems 3 gegen die Linse 4 beliebige Winkel 3 annehmen, ohne daß damit die Form der Antennen­ richtcharakteristik beeinflußt würde.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte konstruktive Ausführungs­ form der Linse (4 in Fig. 1) der erfindungsgemäßen Linsen­ antenne für Frequenzen des Mikrowellen-, insbesondere Millimeterwellenbereichs und zwar für Frequenzen f = 30 GHz...100 GHz, insbesondere für f = 60 GHz...70 GHz, vorzugsweise für f = 61 GHz. Gezeigt ist die Antenne in der Draufsicht (Fig. 2c), im Längsschnitt (Fig. 2a) und Querschnitt (Fig. 2b) sowie in einer perspektivischen Gesamtsicht (Fig. 2d).

Vorzugsweise besteht die Linse aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε _r <1 (z.B. Plexiglas). Es kann aber auch ein Material mit einer relativen Pemittivitätskonstante µ _r <1 verwendet werden.

Die Linsenoberfläche kann falls nötig, mit Anpaß­ strukturen versehen werden wie sie dem Stand der Technik entsprechen.

Neben dem Vorteil, daß die o.a. Anforderungen hinsichtlich der Richtcharakteristik und der davon unabhängig wählbaren Polarisationsebene des Strahlungsfeldes erfüllt werden, ist als weiterer Vorteil der Erfindung die kostengünstige Herstellung zu nennen, in dem z.B. der Speisehornstrahler als Drehteil und die Linse als Spritzgußteil aus Plexiglas oder ähnlichem hergestellt wird.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Linsen­ antenne ist ihr Einsatz in Radarsensoren insbesondere für Verkehrsüberwachungs- bzw. -steuerungssysteme.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Können aus- und weitergebildet bzw. an die unter­ schiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist z.B. möglich, den Primärstrahler, d.h. den Speise­ hornstrahler um die Hauptstrahlrichtung (z-Achse in Fig. 1) drehbar anzuordnen, um so auf bequeme Art und Weise die Polarisationsebene (x′z in Fig. 1) um beliebige Winkel ϕ drehen zu können.

Weiterhin ist es denkbar, zu Justierzwecken den Speise­ hornstrahler entlang der Hauptstrahlrichtung verschiebbar anzuordnen.

Ferner ist es möglich, die Linse selbst um die Haupt­ strahlrichtung der Antenne drehbar oder entlang der Haupt­ strahlrichtung verschiebbar anzuordnen.

Schließlich ist es denkbar, mehrere solcher Linsen hinter­ einander anzuordnen mit einer gemeinsamen Hauptstrahl­ richtung.

Claims (9)

1. Linsenantenne, mit einem Speisehornstrahler und einer für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Linse aus dielektrischem Material, welche Linse auf der dem Speise­ hornstrahler zugewandten Seite konkav gekrümmt ist und in zwei zueinander orthogonalen und jeweils parallel zur Hauptstrahlrichtung der Antenne ausgerichteten Schnittebe­ nen unterschiedliche Linsenkonturen aufweist und welcher Speisehornstrahler mit seinem Phasenzentrum im Brennpunkt der Linse angeordnet ist und diese bestrahlt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Speisehornstrahler (3) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ein rotationssymetrisches Richt­ diagramm erzeugt;
• - daß die Linse (4) eine kreisrunde Apertur aufweist und der Speisehornstrahler (3) diese bestrahlt,
• - daß die erste Linsenkontur (1) in der einen Schnitt­ ebene so gewählt ist, daß eine vom Brennpunkt der Linse (4) ausgehende Kugelwelle nach dem Durchlaufen der Linse (4) in eine Welle mit ebenen Phasenfronten überführt ist;
• - daß die zweite Linsenkontur (2) in der hierzu ortho­ gonalen Schnittebene so gewählt ist, daß die vom Brennpunkt der Linse (4) ausgehende Kugelwelle nach dem Durchlaufen der Linse (4) weiterhin nichtebene Phasenfronten aufweist.

2. Linsenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehornstrahler (3) um die Hauptstrahlrichtung (z) der Antenne drehbar und/oder entlang dieser Richtung (z) verschiebbar angeordnet ist.

3. Linsenantenne nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehornstrahler (3) ein 2-Moden-Hornstrahler ist.

4. Linsenantenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsenkontur (2) einen konstanten Krümmungsradius (R) im gesamten Linsen­ bereich aufweist.

5. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Linsenmate­ rial eine relative Dielektrizitätskonstante ε _r <1 und/oder eine relative Permittivitätskonstante µ _r <1 aufweist.

6. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Linse (4) mit Anpaßstrukturen versehen ist.

7. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) als Spritzguß­ teil vorzugsweise aus Plexiglas hergestellt ist.

8. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) um die Haupt­ strahlrichtung (z) der Antenne drehbar und/oder entlang dieser Richtung (z) verschiebbar angeordnet ist.

9. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Radarsensoren insbesondere für Verkehrsüberwachung bzw. -steuerungs­ systeme.