DE4445851A1 - Rundstrahlantenne und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Rundstrahlantenne und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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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,
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.
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