DE4400864A1 - Luneburglinse und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine für Peilverfahren im GHz-Be­ reich anwendbare Luneburglinse sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen.

Luneburglinsen dieser Art sind bekannt (Grabau/Pfaff, Funkpeiltechnik, Seiten 218 und 219). Sie besitzen die Form einer Kugel aus verlustarmem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 2 im Mittelpunkt der Kugel und einer Dielektrizitätskonstante von nur wenig größer als 1 am Außenumfang der Kugel. Solche Luneburglinsen eignen sich zur Konstruktion von Antennen mit mehrfachen gleichzeitig nutzbaren Antennen­ keulen.

Solche Luneburglinsen werden bisher durch Ineinander­ schachtelung von Kugelschalen unterschiedlicher Dielek­ trizitätskonstante hergestellt, wobei die höchste Dielek­ trizitätskonstante von etwa 2 die innerste Kugelschale aufweist und die der äußersten Kugelschale am Übergang zur Luft möglichst nahe an 1 kommt. Solche Luneburglinsen sind deshalb in der Herstellung sehr aufwendig und teuer, die Zusammensetzung aus einzelnen Schalen erzeugt Sprünge in der Dielektrizitätskonstante an den Schalenoberflächen, die zu unerwünschten Reflexionen führen können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Luneburglinse aufzuzeigen, die sehr einfach und billig auch in Massen­ produktion herstellbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung solcher Luneburglinsen sowie eine einfache Vorrichtung zum Aus­ führen dieses Herstellungsverfahrens aufzuzeigen.

Der erste Teil der Aufgabe wird ausgehend von einer Lune­ burglinse laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Lösungen für die weiteren Teile der Aufgaben ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Luneburglinse kann sehr einfach auch in Massenproduktion mit stets gleichbleibenden elektrischen Eigenschaften hergestellt werden, da in der Kugel keine sprunghaften Änderungen der Dielektrizi­ tätskonstante vorhanden sind, sondern die Abnahme der Dielektrizitätskonstante von innen nach außen stetig und kontinuierlich erfolgt, sind auch keine unerwünschten Reflexionen zu befürchten. Eine erfindungsgemäße Lune­ burglinse eignet sich daher insbesondere für Mikrowellen­ peiler und Mikrowellen-Empfangsanlagen und auch für Mobilfunkanwendungen im Mikrowellenbereich.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Luneburglinse mit stetig abnehmender Dichte des Zweikomponenten-Schaum­ stoffes von innen nach außen kann auf einfache Weise durch entsprechende Steuerung der Geschwindigkeit, mit der die Komponenten des Mehrkomponenten-Schaumstoffes zusammengeführt werden, erfolgen. Die Komponenten werden über getrennte Kanäle mit einer solchen Fördergeschwin­ digkeit der Mündung einer Kanüle zugeführt, daß noch während des Austritts und Mischens der Komponenten der Schaumstoff aufschäumt und auszuhärten beginnt, während der weiteren Zufuhr wird der Schaumstoff immer zäher und die jeweils später nachgeführten Schaumstoffmengen stoßen auf einen immer größeren Widerstand durch die älteren bereits zäher gewordenen Schaumstoffschichten. Bevor dann die inneren später nachkommenden Schichten zäh geworden sind, werden sie nur kleinere Wegstrecken zurücklegen, dadurch ergibt sich eine stetige zunehmende Dichte des Schaumstoffes in Richtung auf die Mündung der Kanüle und somit mit der Zeit eine Schaumstoffkugel, deren Dichte vom Mittelpunkt nach außen stetig abnimmt. Da mit abnehmender Dichte auch die Dielektrizitätskon­ stante des Schaumstoffes abnimmt, läßt sich so der er­ wünschte Verlauf der Dielektrizitätskonstante vom Kugel­ mittelpunkt zum Kugelumfang herstellen.

Dieses langsame Aufschäumen kann im einfachsten Fall nur mittels einer Kanüle im freien Raum erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Kugelhohlform in der Größe der gewünschten Luneburglinse zu verwenden, in die von außen die Kanüle eingeführt wird, so daß ihre Mündung im Mittelpunkt der Kugelhohlform liegt. Werden nun wieder die Komponenten des Schaumstoffes durch die Kanüle zur Mündung zugeführt, so wird der zuerst ent­ stehende Schaumstoff sich mit relativ geringer Dichte bilden bis er die Innenwand der Kugelhohlform erreicht. Der Schaumstoff, der durch weiterhin zugeführte Kompo­ nenten gebildet wird, findet dann einen immer größer werdenden Widerstand an dem bereits zäheren und an der Innenwand der Kugelform anliegenden Schaumstoff, wird also immer mehr verdichtet. Durch entsprechende Steuerung der Zuführgeschwindigkeit der Schaumstoffkomponenten kann so auf einfache Weise die gewünschte stetig abneh­ mende Dichte vom Kugelmittelpunkt nach außen erreicht werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Kugelform einen kugelförmigen Ballon aus einem elastisch nachgie­ bigen Material, beispielsweise aus Gummi, zu verwenden, der innerhalb einer Druckkammer angeordnet ist. Entschei­ dend für die Wachstumsgeschwindigkeit des Inneren der Kugel ist der zeitliche Verlauf der Druckdifferenz zwischen der Mündung der Kanüle im Kugelmittelpunkt und dem Außenumfang der Kugel. Die mit der Härtung zunehmende Zähigkeit des Materials ist an diesen Druckverhältnissen maßgeblich beteiligt. Durch Steuerung des Druckes in der Druckkammer kann der Außendruck auf den die Kugelform bildenden Ballon zeitabhängig gesteuert werden, und zwar so, daß die flexible Kugelform mit der Linse zusammen­ wächst, indem der zeitliche Verlauf des Druckes in der Druckkammer unter Beachtung der mit zunehmendem Durch­ messer kleiner werdenden Spannkraft des Ballons so ge­ steuert wird, daß sich für die aufschäumende Masse der gewünschte Druckverlauf ergibt.

Zur Erzielung eines gewünschten Verlaufes der Dielektri­ zitätskonstante kann es von Vorteil sein, der einen oder anderen Komponente des Schaumstoffes ein fein verteiltes Material mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante bei zu­ mischen, beispielsweise feinste Barium-Titanat-Kristalle. Durch entsprechende Dosierung und Steuerung der Material­ menge über die Zeit während des Aufschäumvorganges können so unter Berücksichtigung der von innen nach außen ab­ nehmenden Dichte des Schaumstoffes gleichzeitig auch noch zusätzliche vorbestimmte Verläufe der Dielektrizi­ tätskonstante von innen nach außen in der Kugel einge­ stellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungs­ beispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäß her­ gestellten Luneburglinse, die aus einer Kugel 1 aus einem Zweikomponenten-Schaumstoff, beispielsweise Polyurethan besteht, an deren Umfang gleichmäßig verteilt Strahler 2 angeordnet sind. Eine Luneburglinse besitzt die Eigen­ schaft, daß eine ebene Wellenfront 3 auf dem diametral gegenüberliegenden Punkt 4 fokussiert wird. Eine Lune­ burglinse mit über die ganze Kugeloberfläche verteilten Strahlern 2 besitzt also für jeden Strahler eine eigene Antennenkeule, wobei die Apertur etwa dem Durchmesser der Kugel 1 entspricht.

Der Zweikomponenten-Schaumstoff der Kugel 1 besitzt die Eigenschaft, daß seine Dichte vom Außenumfang 5 der Kugel zum Mittelpunkt 6 der Kugel hin zunimmt und zwar so, daß im Mittelpunkt etwa eine Dielektrizitätskonstante von 2 entsteht und am Außenumfang 5 annähernd eine Di­ elektrizitätskonstante von 1. Dies kann gegebenenfalls durch Zusatz von fein verteiltem Pulver entsprechend hoher Dielektrizitätskonstante erreicht werden, wobei auch die Menge dieses zugesetzten Pulvers von innen nach außen abnimmt.

Fig. 2 zeigt eine einfache Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Luneburglinse nach Fig. 1. Sie besteht beispielsweise aus einer starren Hohlkugelform 10, in die von außen bis zum Kugelmittelpunkt eine Kanüle 11 mit zwei getrennten und erst an der Mündung 12 zusammen­ geführten Kanälen hineinragt. Über die beiden getrennten Kanäle der Kanüle 11 werden über gesteuerte Dosierpumpen 13 und 14 die beiden Komponenten A und B des Zweikompo­ nenten-Schaumstoffes zugeführt, die erst an der Mündung 12 der Kanüle 11 zusammengeführt werden. Zusätzlich kann über eine weitere Dosierpumpe 15 der einen Komponente A oder B oder beiden Komponenten noch ein fein verteiltes Material C höherer Dielektrizitätskonstante beigemengt werden. Die Dosierpumpen sind über eine zentrale Steuer­ vorrichtung im Sinne des erfindungsgemäßen Herstellungs­ verfahrens gesteuert und zwar so, daß schließlich inner­ halb der Hohlform 10 der Zweikomponentenschaumstoff mit der gewünschten von innen nach außen abnehmenden Dichte und damit entsprechend stetig abnehmender Dielektrizi­ tätskonstante erzeugt wird. Nach Öffnen der Hohlkugelform 10 und Herausziehen der Kanüle entsteht so eine Lune­ burglinse nach Fig. 1.

Eine andere Möglichkeit der Herstellung einer solchen Luneburglinse besteht darin, anstelle der starren Hohl­ kugelform einen Ballon 10 aus elastisch nachgiebigem Material, beispielsweise Gummi, zu verwenden, der in einer Druckkammer 17 angeordnet ist. In den Raum zwischen Druckkammer 17 und Ballon 10 kann gesteuert über die zentrale Steuervorrichtung 16 mittels einer Pumpe 18 ein vorbestimmter Gegen-Luftdruck am Umfang des Ballons 10 erzeugt werden. Die Druckpumpe 18 wird zusammen mit den Dosierpumpen für die beiden Komponenten A und B sowie gegebenenfalls für die Beimengung C in Abhängigkeit von der Zeit so gesteuert, daß der Schaumstoff der zuerst gespritzten Mengen schon zäh zu werden beginnt, noch während die Komponenten A und B durch die Kanüle weiterhin nachfließen. Mit zunehmend größer werdendem Schaumstoff wird auch der Ballon immer mehr ausgedehnt, die mit zu­ nehmendem Durchmesser kleiner werdende Spannkraft des Ballons 1 wird durch den Gegendruck in der Druckkammer entsprechend kompensiert, so daß sich für die aufschau­ mende Masse der gewünschte Druckverlauf ergibt.

Claims (11)

1. Luneburglinse in Form einer Kugel, die innen eine größere Dielektrizitätskonstante als am Außenumfang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel aus einem Ein- oder Mehrkomponen­ ten-Schaumstoff besteht, dessen Dichte vom Außenumfang zur Kugelmitte hin stetig zunimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Komponenten-Schaumstoff ein fein verteiltes Material hoher Dielektrizitätskon­ stante beigemengt ist.

3. Verfahren zum Herstellen einer Luneburglinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß über eine Kanüle die Komponenten eines Ein- oder Mehrkomponenten-Schaumstoffes mit einer solchen Geschwindigkeit getrennt zur Kanülenmündung zugeführt werden, daß noch während des Zuführens der Komponenten der aus tretende Schaumstoff aufschäumt und auszuhärten beginnt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer Komponente des Komponenten-Schaumstoffes ein pulverförmiges Material hoher Dielektrizitätskonstante in gesteuerter Dosierung beigemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Schaumstoffes über die Kanüle im Mittelpunkt einer Kugelhohlform zugeführt werden.

6. Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine geschlossene Kugelhohlform (10) in die von außen bis zum Mittelpunkt eine mehrkanalige Kanüle (11) ragt, deren bis zum Mittelpunkt voneinander getrennte Kanäle mit steuerbaren Dosiervorrichtungen (13, 14) für die Zufuhr von Schaumstoffkomponenten (A, B) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeich­ net durch eine geschlossene starre Kugelform (10) in der Größe der gewünschten Luneburglinse.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kugelhohlform ein in einer Kammer (17) angeordneter Ballon (10) aus elastisch nachgiebigem Material ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Raum zwischen Kammer (17) und Ballon (10) mit einer Vorrichtung (18) zum Erzeugen eines gesteuerten Gegendruckes verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens den Dosiervorrichtungen (13, 14) zum Zuführen der Schaum­ stoffkomponenten (A, B) eine zusätzliche gesteuerte Dosiervorrichtung (15) zum Zumischen eines pulver­ förmigen Materials hoher Dielektrizitätskonstante zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtungen (13, 14, 15) und die Vor­ richtung (18) zum Erzeugen des Gegendruckes über eine zentrale Steuervorrichtung (16) gesteuert sind.