DE4445851A1 - Rundstrahlantenne und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rundstrahlantenne für den Mi­ krowellenbereich insbesondere Millimeterwellenbereich, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfah­ ren zu deren Herstellung gemäß Oberbegriff des Patentan­ spruchs 9. Eine solche Antenne ist bereits aus der DE 40 02 058 A1 bekannt.

In der DE 33 35 049 A1 ist eine Doppelkonusantenne mit Rundstrahlcharakteristik für den Mikrowellenbereich, ins­ besondere Millimeterwellenbereich, beschrieben, ein­ schließlich eines Wellentypwandlers von der Rechteckhohl­ leiterwelle zur Welle in einer Koaxialleitung, welche zur Speisung der Doppelkonusantenne dient. Von Vorteil ist bei der bekannten Antenne die große relative Bandbreite, die mit dem beschriebenen Wellentypwandler erzielt werden kann (bis zu ca. 25%); von Nachteil sind dagegen die merklichen Transmissionsverluste (typisch ca. 1-2 dB im Millimeterwellenbereich) dieses Wellentypwandlers, die den Gewinn der Antenne um denselben Betrag reduzieren. Ein weiteres Problem stellt die mechanische Fixierung des ko­ axialen Mittelleiters im Oberteil der Doppelkonusantenne dar, da die Leitungsabmessungen einer Koaxialleitung im Millimeterwellenbereich sehr klein sein müssen.

Die Antenne der DE 40 02 058 A1 weist demgegenüber einen einfacheren mechanischen Aufbau und geringere Transmis­ sionsverluste auf. Die Antenne enthält einen Wellentyp­ wandler, der die Grundwelle in einem Rechteckhohlleiter umwandelt in einen rotationssymmetrischen Wellentyp für einen Rundhohlleiter. Je nach Wahl des Rundhohlleiterwel­ lentyps (E₀₁-Welle oder H₀₁-Welle) ist die von der Antenne abgestrahlte elektromagnetische Welle linear vertikal oder linear horizontal polarisiert.

Erreicht wird dies mit einem Antennenaufbau, bei dem der Rechteckhohlleiter seitlich an den Rundhohlleiter ange­ setzt ist. Am offenen Ende des Rundhohlleiters ist eine rotationssymmetrische Hornantenne angeschlossen, der ein kugelförmiger Reflektor gegenüberliegt, wobei die Rota­ tionsachsen von Rundhohlleiter, Hornantenne und Reflektor zusammenfallen. Als Halterung für den Reflektor und gleichzeitig als Radom ist ein Hohlzylinder vorgesehen, der sowohl den Reflektor wie auch die Hornantenne voll­ ständig einschließt.

Beide bekannten Antennenanordnungen weisen insbesondere bei starker Strahlungsbündelung in der Ebene senkrecht zur Ebene mit Rundstrahlcharakteristik einen großen Durchmes­ ser auf, welcher nicht in der für die gewünschte Strah­ lungsbündelung benötigten Aperturabmessung begründet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rundstrahl­ antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die mög­ lichst kompakt in ihrem Aufbau ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, das möglichst einfach in sei­ ner Ausführung ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe im Hinblick auf die zu schaffende Rundstrahlantenne ist durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben und im Hinblick auf das anzugebende Herstellungsverfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 9. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Wei­ terbildungen der erfindungsgemäßen Antenne (Ansprüche 2 bis 8) bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens (Ansprüche 10 bis 15).

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne be­ steht darin, daß sie sehr kompakt in ihrem Aufbau ist. Dies bezieht sich insbesondere (aber nicht nur) auf ihre Außenabmessungen in der Ebene senkrecht zur Ebene mit Rundstrahlcharakteristik.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit ihm die Antennen auf besonders ein­ fache und kostengünstige Weise hergestellt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die gesamte Antenne als ein einziges zusammenhängendes Bauteil hergestellt.

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

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Antenne;

Fig. 2 einzelne Verfahrensschritte einer besonders vor­ teilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung des geschlitzten Rundhohlleiters der Antenne gemäß Fig. 1.

Die Rundstrahlantenne in Fig. 1 enthält einen Wellentyp­ wandler 1, der den Grundwellentyp in einem Rechteckhohl­ leiter 6 (H₁₀-Wellentyp) umwandelt in einen rotationssym­ metrischen Wellentyp in einem ersten Rundhohlleiter. Über diesen ersten Rundhohlleiter schließt sich ein zweiter Rundhohlleiter 2 an, dessen metallische Wand mit Schlitzen 3 versehen ist. Die Längsachsen beider Rundhohlleiter fal­ len zusammen; die Schlitze sind quer zur Längsachse des zweiten Rundhohlleiters 2 in dessen Mantel 5 eingebracht. Sie liegen auf einer spiralförmig sich um den Mantel win­ denden Linie und sind gleichmäßig auf dem Mantel verteilt. Das dem Wellentypwandler 1 gegenüberliegende Ende des zweiten Rundhohlleiters 2 ist kurzgeschlossen. Mit den Schlitzen 3 wird in der Ausbildung der Antenne als Sen­ deantenne die elektromagnetische Energie der Rundhohllei­ terwelle in den Freiraum abgestrahlt. Der zweite Rundhohl­ leiter 2 ist außen mit einer Schicht 4 aus dielektrischem Material umgeben, die sowohl als Radom als auch als mecha­ nische Halterung für den zweiten Rundhohlleiter 2 dient.

Als Rundhohlleiterwellentyp eignet sich insbesondere die E₀₁-Welle. Ein hierfür geeigneter Wellentypwandler wird z. B. in S. Silver: "Microwave Antenna Theory and Design" (Peter Peregrinus Ltd., London, 1984), S. 308 beschrieben.

Für Abmessungen und Anordnung der Schlitze (Schlitzlänge, Schlitzbreite, Schlitzwinkel, Schlitzabstand, Anzahl der Schlitze) im Rundhohlleiter gelten die an sich bekannten Regeln für Schlitzantennen, insbesondere Schlitzarrayan­ tennen. Dimensionierungsvorschriften hierfür resultieren aus der Hohlleiterwellenlänge und den Wandströmen der ver­ wendeten Rundhohlleiterwelle, den elektromagnetischen Eigenschaften der Schlitze, der zulässigen Welligkeit der Rundstrahlcharakteristik und der geforderten Antennen­ richtcharakteristik in der Ebene senkrecht zur Ebene mit Rundstrahlcharakteristik. Dimensionierungsvorschriften sind z. B. den Kapiteln 3, 8 und 9 des Lehrbuches "R.C. Johnson, H. Jasik: "Antenna Engineering Handbook", 2nd Edition (McGraw-Hill Book Comp., 1984) zu entnehmen. So kann z. B. auch der metallische Kurzschluß am Ende des Rundhohlleiters durch einen Absorber für die elektromagne­ tische Welle im Rundhohlleiter ersetzt werden, was zwar die Antenneneigenschaften beeinflußt, die prinzipielle Funktion der Antenne aber gewährleistet.

Die einzelnen Schritte zur Herstellung des zweiten Rund­ hohlleiters einer solchen Antenne mit galvanoplastischem Verfahren sind in Fig. 2 gezeigt. Auf einem zylindrischen Kern 10 (Fig. 2a), dessen Abmessungen den Innenabmessungen des Rundhohlleiters 2 entsprechen und dessen Material so ausgewählt wird, daß es nach der galvanischen Beschichtung ätztechnisch entfernt werden kann (z. B. Aluminium), wird galvanisch eine Kupferschicht 11 abgeschieden, deren Dicke mindestens gleich der gewünschten Hohlleiterwandstärke sein muß (Fig. 2b). Anschließend wird die Oberfläche auf einer Drehbank bearbeitet, bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist. Die Schlitze 12 werden in die Kupferschicht eingefräst oder photoätztechnisch eingebracht (Fig. 2c). Das so bearbeitete Teil wird außen mit einer Kunststoff­ schicht 13 beschichtet (z. B. durch Eintauchen in ein Kunststoffbad und Aushärten des Kunststoffes) (Fig. 2d). Die Dicke der Kunststoffschicht 13 kann, wenn nötig, durch Abdrehen feineingestellt werden (Fig. 2e). In einem letz­ ten Schritt wird der Kern z. B. ätztechnisch aus der Struk­ tur gelöst (Fig. 2f).

Eine nach diesem Verfahren hergestellte Rundstrahlantenne ist von vornherein mit einem dielektrischen Radom (nämlich der Kunststoffschicht 13) versehen, welches gleichzeitig als Träger für die metallische Antennenstruktur dient. Die Wandstärke des geschlitzten Hohlleiters 2 kann damit sehr klein gemacht werden, was die Abstrahlungseigenschaften der Schlitze 12 bzw. 3 günstig beeinflußt. Das dielektri­ sche Material muß aufgrund des Herstellungsverfahrens der Antenne resistent sein gegen das im letzten Schritt be­ nutzte Ätzmittel und es muß für Mikrowellen, insbesondere Millimeterwellen, transparent sein.

Es bietet sich an, nicht nur den zweiten Rundhohlleiter, also die eigentliche Antennenstruktur selbst, sondern An­ tenne und Wellentypwandler als zusammenhängendes Bauteil galvanoplastisch herzustellen. Damit erspart man sich das Anbringen eines Flansches oder anderer Befestigungsstruk­ turen an der Antenne.

Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene Antenne als Sende- und/oder Empfangsantenne benutzt werden kann.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die geschil­ derten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern viel­ mehr auf weitere übertragbar ist.

So ist es z. B. möglich, die Schlitze in Gruppen zu unter­ teilen, die dann auf Linien liegen, die sich vom einen En­ de des zweiten Rundhohlleiters (2 in Fig. 1) zu dessen an­ derem Ende erstrecken und gleichmäßig auf dem Hohlleiter­ mantel verteilt sind, so daß der Abstand von direkt be­ nachbarten Linien konstant ist. Die Linien können gerade Linien sein, die parallel zur Hohlleiterlängsachse verlau­ fen oder schräg hierzu. Es können aber auch bogenförmige Linien sein oder schlangenförmige Linien mit mindestens einem Wendepunkt.

Ferner ist es möglich, anstelle der Herstellung auf galva­ noplastischem Wege spanabhebende Verfahren (Fräsen, Drehen usw.) einzusetzen oder Kombinationen beider Verfahren.

Schließlich ist es möglich, den ersten und/oder zweiten Rundhohlleiter mit einem dielektrischen Material auszufül­ len ("dielektrischer Kern").

Claims (17)

1. Rundstrahlantenne für den Mikrowellenbereich, insbe­ sondere den Millimeterwellenbereich, welche Antenne in ih­ rer aus Rechteck- und Rundhohlleitern aufgebauten Zu- und/ oder Ableitung einen Wellentypwandler enthält, welcher den Grundwellentyp in dem Rechteckhohlleiter der Zu- und/oder Ableitung in einen rotationssymmetrischen Wellentyp für einen ersten Rundhohlleiter umwandelt,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Wellentypwandler (1) ein zweiter Rundhohllei­ ter (2) angeschlossen ist, dessen Längsachse mit der des ersten Rundhohlleiters zusammenfällt;
• - daß der zweite Rundhohlleiter (2) mit mehreren, auf seinem Mantel verteilten Schlitzen (3) zur Abstrahlung und/oder Empfang von elektromagnetischen Wellen verse­ hen ist und an seinem dem ersten Rundhohlleiter abge­ wandten Ende kurzgeschlossen ist.

2. Rundstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitze (3) gleichmäßig auf dem Mantel verteilt sind.

3. Rundstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitze (3) quer zur Längsachse des zweiten Rundhohlleiters (2) auf dessen Mantel verteilt sind und daß der Wellentypwandler (1) im ersten und zwei­ ten Rundhohlleiter den E₀₁-Wellentyp anregt.

4. Rundstrahlantenne nach. Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Schlitze (3) entlang einer sich um den Mantel des zweiten Rundhohlleiters (2) win­ denden spiralförmigen Linie angeordnet sind oder in Grup­ pen zusammengefaßt sind, wobei die Schlitze der einzelnen Gruppen jeweils auf einer sich von einem zum anderen Ende des zweiten Rundhohlleiters erstreckenden Linie angeordnet sind und die einzelnen Linien auf dem Mantel des zweiten Rundhohlleiters gleichmäßig verteilt sind und benachbarte Linien jeweils konstanten Abstand voneinander haben.

5. Rundstrahlantenne nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linien der einzelnen Schlitzgruppen ge­ rade sind, die parallel zur Längsachse des zweiten Hohl­ leiters verlaufen, oder bogen- oder schlangenförmig ge­ schwungene Linien mit keinem oder einem oder mehreren Wen­ depunkten.

6. Rundstrahlantenne nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rundhohlleiter (2) an seinem dem Wellentypwandler (1) ge­ genüberliegenden Ende anstelle des Kurzschlusses mit einem Absorber für Mikrowellen versehen ist.

7. Rundstrahlantenne nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zweite Rundhohlleiter (2) mit einem als Radom und Halterung die­ nenden Überzug (4) aus dielektrischem Material versehen ist.

8. Rundstrahlantenne nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Überzug (4) mit Strukturen zur Polari­ sationswandlung versehen ist.

9. Rundstrahlantenne nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten und/oder zweite Rundhohlleiter mit einem dielektrischen Material ausgefüllt ist (sind).

10. Verfahren zur Herstellung einer Rundstrahlantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Rundhohlleiter (2) oder der zwei­ te Rundhohlleiter und der Wellentypwandler (1) mit dem zu­ gehörigen ersten Rundhohlleiter und dem Rechteckhohlleiter (6) auf galvanoplastischem Wege und/oder mittels spanabhe­ bendem Verfahren, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen, hergestellt wird (werden).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rundhohlleiter (2) und der Wellentypwandler (1) mit erstem Rundhohlleiter und Rechteckhohlleiter (6) als ein zusammenhängendes Bauteil auf galvanoplastischem Wege und/oder mittels spanabhebendem Verfahren, vorzugs­ weise Drehen und/oder Fräsen, hergestellt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3) im Mantel des zweiten Rundhohlleiters (2) auf photoätztechnischem Wege oder mittels eines spanabhebenden Verfahrens, vorzugsweise Fräsen, eingebracht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem Verfahren der zweite Rundhohlleiter der Rundstrahlantenne zumindest in Teilschritten auf galvanoplastischem Wege hergestellt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - auf einem zylindrischen Kern (10), dessen Abmessungen den Innenabmessungen des zweiten Rundhohlleiters (2) entsprechen und dessen Material so ausgewählt ist, daß es nach einer galvanischen Beschichtung auf ätztechni­ schem Wege wieder entfernt werden kann, wird galvanisch eine Metallschicht (11) abgeschieden, deren Dicke min­ destens gleich der gewünschten Hohlleiterwandstärke des zweiten Rundhohlleiters (2) entspricht;
• - anschließend wird vorzugsweise mit einem spanabhebenden Verfahren, beispielsweise mittels Drehen oder Fräsen, die Metallschicht (11) soweit wieder entfernt, bis die gewünschte Wandstärke erreicht ist;
• - danach werden die Schlitze (12) mittels spanabhebendem Verfahren, vorzugsweise durch Fräsen, oder auf photo­ ätztechnischem Wege in die Metallschicht (11) einge­ bracht;
• - danach wird auf die Metallschicht (11) außen eine Außenschicht (13) aus dielektrischem Material aufge­ bracht;
• - zum Schluß wird der zylindrische Kern (10) auf ätztech­ nischem Wege wieder entfernt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) aus Aluminium und/oder die Metallschicht (11) aus Kupfer und/oder die Außenschicht (13) aus Kunst­ stoff besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (13) durch Eintauchen der Me­ tallschicht (11) in ein Bad mit flüssigem Kunststoff und nach der Entfernung der Metallschicht (11) aus dem Bad durch Aushärten des an der Metallschicht (11) haftenden Kunststoffs aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (13) auf der Metallschicht (11) bis auf eine vorgegebene Schichtdicke, vorzugsweise mit­ tels eines spanabhebenden Verfahrens, beispielsweise durch Drehen, abgetragen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des ersten und/oder zweiten Rundhohlleiters mit einem dielektrischen Material ausge­ füllt wird.