DE60209091T2

DE60209091T2 - Antenne mit dielektrischer Platte

Info

Publication number: DE60209091T2
Application number: DE60209091T
Authority: DE
Inventors: Michael St. Albans Scorer; Philip Charles Hitchin Wilcockson
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Kelvin Hughes Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: EP1313167B1; DE60209091D1; US6819296B2; DK1313167T3; ATE317597T1; GB2382468A; US20030095074A1; GB2382468B; GB0127772D0; EP1313167A1; GB0225992D0

Description

Diese Erfindung betrifft Antennen der Art mit einem Wellenleiter, der sich entlang einer ersten Richtung erstreckt und so angeordnet ist, daß er Energie von einer Fläche des Leiters in einer zweiten Richtung in rechten Winkeln zur ersten Richtung ausbreitet, wobei die Antenne ein dielektrisches Element mit im allgemeinen Plattenform mit einer Kante, die sich im allgemeinen parallel zur Fläche des Leiters erstreckt, umfaßt, so daß Energie vom Wellenleiter in das Element an seiner Kante eintritt, und das entgegengesetzte Oberflächen aufweist, die in Richtungen gewandt sind, die zur ersten und zur zweiten Richtung senkrecht sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere Radarantennen wie z.B. für Schiffe.
Herkömmliche Marineradarantennen weisen eine Stangenform auf und sind horizontal so montiert, daß sie sich um eine vertikale Achse drehen. Ein geschlitzter Wellenleiter erstreckt sich horizontal über die Breite der Antenne, wobei sich die Schlitze entlang einer Seite des Wellenleiters zu einem Horn öffnen. Um einen Strahl mit einer relativ schmalen Breite in der Höhe zu erreichen, muß die Öffnung des Horns in einer vertikalen Richtung relativ groß sein. Dies führt zu einer Antenne mit einer relativ großen Größe in der vertikalen Richtung. Dies ist ein Nachteil, da es den Windwiderstand der Antenne erhöht, so daß sie relativ robust gemacht werden muß, Lager mit einer schweren Konstruktion aufweisen muß und durch einen Hochleistungsmotor angetrieben werden muß.
Es war lang bekannt, daß die Abmessungen einer Radarantenne unter Verwendung eines dielektrischen Materials verringert werden können. Das Dielektrikum weist die Wirkung der Einschränkung der Mikrowellenenergie, wenn sie von der Antenne ausgeht, auf und kann die Verwendung einer Antennenform mit niedrigerem Profil ermöglichen ("Gain enhancement of microwave antennas by dielectric-filled radomes", James et al., Proc. IEE, Band 122, Nr. 12, Dez. 1975, S. 1353–1358). WO 95/29518 beschreibt eine Antenne mit mehreren Platten aus dielektrischem Material, die sich parallel zur Richtung des Hauptenergiestrahls erstrecken. EP-A1 1035615 beschreibt eine planare Antenne mit einem Wellenleiter und einer Vielzahl von dielektrischen Streifen, die entlang einer Fläche des Wellenleiters angeordnet sind. Die dielektrischen Streifen sind mit Unstetigkeiten wie z.B. Metallisierungen oder dielektrischen Riffelungen versehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Antenne bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne der vorstehend angegebenen Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element mindestens eine Stufenunstetigkeit aus dielektrischem Material auf mindestens einer der Oberflächen aufweist, die so angeordnet ist, daß Energie gestreut wird und die Eigenschaften der von der Antenne abgestrahlten Energie verbessert werden.
Die Stufenunstetigkeit erstreckt sich vorzugsweise entlang der Länge des dielektrischen Elements. Das dielektrische Element kann zwei Stufen aufweisen, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind. Das dielektrische Element kann eine Stufe an beiden Oberflächen aufweisen und weist vorzugsweise zwei Stufen, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind, an beiden Oberflächen auf. Die Antenne weist vorzugsweise ein einziges dielektrisches Element auf, wobei die Dicke des dielektrischen Elements wesentlich geringer ist als die Höhe der Antenne. Die Antenne umfaßt vorzugsweise ein Polarisationsgitter, das vor der Fläche des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die Antenne zwei Hornplatten umfaßt, die sich vom Polarisationsgitter nach vorn erstrecken, und eine Hinterkante des dielektrischen Elements zwischen den Hornplatten angeordnet ist. Die oder jede Unstetigkeit kann vor den Hornplatten angeordnet sein. Der Ort der oder jeder Unstetigkeit ist vorzugsweise so ausgewählt, daß Reflexionen erzeugt werden, die zu Störenergie, die innerhalb der Antenne erzeugt wird, im Wesentlichen um 180° phasenverschoben sind. Der Ort der oder jeder Unstetigkeit ist vorzugsweise so ausgewählt, daß Nebenkeulen eines Strahls der Energie gesteuert werden und die Spitzenverstärkung verstärkt wird.
Eine Radarantenne für ein Schiff gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
1 ist eine Seitenschnittansicht der Antenne; und
2 ist eine perspektivische Ansicht von Teilen der Antenne.
Die Antenne erstreckt sich in einer horizontalen Richtung 1 und richtet ein Strahlungsbündel in einer zweiten horizontalen Richtung 2 in rechten Winkeln. Die Antenne ist durch eine Halterung (nicht dargestellt) zur Drehung um eine vertikale Achse 3 abgestützt, so daß das Strahlungsbündel im Azimut abgelenkt wird.
Ein Wellenleiter 4 erstreckt sich über die Breite der Antenne an ihrer Rückseite. Der Wellenleiter 4 weist eine hohle Metallkonstruktion und einen rechteckigen Querschnitt auf. Die nach vorn gewandte vertikale Fläche 5 des Wellenleiters 4 ist in der üblichen Weise geschlitzt, so daß Energie von dieser Fläche ausgebreitet wird. Energie wird zu einem Ende des Wellenleiters 4 von einer herkömmlichen Quelle (nicht dargestellt) geliefert. Der Wellenleiter 4 ist innerhalb eines Zwischengehäuses 6 aus Metallblech und mit rechteckigem Querschnitt mit einem offenen hinteren Ende 7 und einem vorderen Ende 8 abgestützt, das durch eine Wand geschlossen ist, die mit parallelen vertikalen Schlitzen 9 geschnitten ist, um ein Polarisationsgitter 10 zu bilden. Das Polarisationsgitter 10 ist 94,1 mm hoch, ist 1 mm dick und ist von der geschlitzten Fläche 5 des Wellenleiters 4 um 57,4 mm beabstandet. Zwei Drosselstangen 11 und 12 erstrecken sich entlang des Wellenleiters 4 innerhalb des Zwischengehäuses 6. Zwei Metallhornplatten 13 und 14, die an der oberen und der unteren Oberfläche des Zwischengehäuses 6 befestigt sind, stehen vom Polarisationsgitter 10 um einen Abstand von 77 mm nach vorn vor.
Die Antenne umfaßt auch ein einzelnes dielektrisches Element 20 mit einer Platte 21, die 13 mm dick ist, das heißt wesentlich geringer als die Höhe des Polarisationsgitters 10 und der Antenne selbst. Die Platte 21 besteht aus Schaumkunststoff wie z.B. PVC, der unter dem Namen Forex vertrieben wird, und weist einen rechteckigen Querschnitt auf, der 339 mm lang, das heißt in der Richtung 2 der Strahlausbreitung, ist. Die hintere Kante 22 der Platte 21 erstreckt sich parallel zum Wellenleiter 4 und zum Polarisationsgitter 10 und ist vom Gitter um 55,5 nun beabstandet, so daß sie zwischen den Hornplatten 13 und 14 liegt. Die vordere Kante 23 der Platte 21 erstreckt sich parallel zur hinteren Kante 22. Zwei Streifen 24 und 25 aus dem gleichen Material sind an die obere Oberfläche 26 bzw. die untere Oberfläche 27 der Platte 21 geklebt. Die Streifen 24 und 25 sind jeweils 6 mm dick und 71 mm breit, wobei sie sich über die Breite der Platte 21 erstrecken. Die Streifen 24 und 25 sind von der hinteren Kante 22 der Platte 21 um 49,4 mm beabstandet. Die Streifen 24 und 25 weisen jeweils eine nach hinten gewandte vertikale Kante 28 und eine nach vorn gewandte vertikale Kante 29 auf, die Unstetigkeiten in der Oberfläche des dielektrischen Elements 20 bilden. Anstelle der Verwendung von separaten Streifen, die an die Platte geklebt sind, könnte die Platte einteilig mit den Seitenstreifen ausgebildet werden, wie z.B. durch Formen oder maschinelle Bearbeitung.
Das dielektrische Element 20 ist innerhalb einer Antennenverkleidung 30 eingeschlossen, die ein offenes Hinterende 31, das an der Außenseite der Hornplatten 13 und 14 abgedichtet ist, und ein kuppelförmiges, geschlossenes Vorderende 32 aufweist. Die Antennenverkleidung 30 ist 1 mm dick und besteht aus geschäumtem PVC wie z.B. Forex. Intern weist die Antennenverkleidung 30 eine Höhe von 98,1 mm auf und ist von der vorderen Kante 23 des dielektrischen Elements 20 um 6 mm beabstandet. Die Antennenverkleidung 30 stellt einen Umgebungsschutz für die Antenne an ihrer nach vorn gewandten Seite bereit; es besteht auch eine gewisse Form von Schutzabdeckung (nicht dargestellt) entlang ihrer nach hinten gewandten Seite. Das dielektrische Element 20 ist innerhalb der Antennenverkleidung 30 durch ein aufgeblähtes Polystyrol-Schaummaterial 34 abgestützt, das das Vorderende der Antennenverkleidung und den Raum innerhalb der Hornplatten 13 und 14 vor dem Polarisationsgitter 10 füllt.
Im Betrieb wird ein Hauptteil der vom Wellenleiter 4 ausgebreiteten Energie locker entlang des dielektrischen Elements 20 in der Richtung der Achse 2 eingeschränkt. Die Energie wird auch von Unstetigkeiten innerhalb der Antenne wie z.B. dem Vorderende der Hornplatten 13 und 14 gestreut. Diese andere Störenergie wirkt sich nachteilig auf den gesandten Strahl aus. Die Positionierung der durch die Stufen 28 und 29 eingeführten Unstetigkeiten wird ausgewählt, um die Eigenschaften des gesandten Strahls zu verbessern, indem Reflexionen erzeugt werden, die zu dieser Störenergie um ungefähr 180° phasenverschoben sind. Es wurde festgestellt, daß diese Unstetigkeiten 28 und 29 verwendet werden können, um die Nebenkeulen des Strahls zu steuern und die Spitzenverstärkung zu verstärken. Das Material 34, das die Antennenverkleidung 30 füllt, und das Material der Antennenverkleidung selbst haben keine merkliche Wirkung auf den gesandten Strahl.
Die Antenne der vorliegenden Erfindung weist ein relativ kleines Profil mit einer Höhe von nur über 100 mm auf, kann jedoch einen Strahl mit Eigenschaften ähnlich zu jenen einer herkömmlichen Antenne mit einer Höhe von ungefähr 300 mm erzeugen. Die verringerte Höhe verringert den Windwiderstand der Antenne und verringert die Belastung an den Antennenlagern und am Motorantrieb.
Die Streifen 24 und 25 führen zwei Unstetigkeiten auf jeder Seite der Platte 21 ein, aber in anderen Anordnungen kann es nur erforderlich sein, eine Unstetigkeit zu haben, und diese kann auf nur einer Seite vorgesehen sein. Eine einzelne Unstetigkeit könnte durch einen Streifen bereitgestellt werden, der sich über seine Breite verjüngt, so daß er eine Stufe entlang einer Kante erzeugt und sich sanft mit der Oberfläche der Platte an der anderen Kante kombiniert. Unstetigkeiten könnten in anderen Weisen erzeugt werden, wie z.B. durch schmale Rippen oder durch Schlitze oder andere Einbuchtungen in der Platte. Die Platte muß keine konstante Dicke entlang ihrer Länge aufweisen, sondern könnte sich beispielsweise vom Wellenleiter weg auf eine verringerte Dicke verjüngen. Es ist zu erkennen, daß die vorstehend angegebenen Abmessungen für eine spezielle Konstruktion sind und für eine Antenne, die im S-Band bei 3,05 GHz arbeitet, sind. Die Abmessungen für andere Konstruktionen und eine Antenne mit einer anderen Frequenz können leicht durch Skalieren der Abmessungen im Verhältnis zur Frequenz und durch weitere Experimentierung ermittelt werden.

Claims

Antenne mit einem Wellenleiter (4), der sich entlang einer ersten Richtung (1) erstreckt und angeordnet ist, um Energie von einer Fläche (5) des Wellenleiters in einer zweiten Richtung (2) in rechten Winkeln zu ersten Richtung abzustrahlen, wobei die Antenne ein dielektrisches Element (20) mit im allgemeinen Plattenform mit einer Kante (22), die sich im allgemeinen parallel zur Fläche (5) des Wellenleiters erstreckt, umfaßt, so daß Energie vom Wellenleiter in das Element an seiner Kante (22) eintritt, und das entgegengesetzte Oberflächen (26 und 27) aufweist, die in Richtungen (3) senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung (1 und 2) gewandt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (20) mindestens eine Stufenunstetigkeit (28, 29) aus einem dielektrischen Material auf mindestens einer der Oberflächen (26, 27) aufweist, die so angeordnet ist, daß Energie gestreut wird und die Spitzenverstärkung der Antenne verstärkt wird.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stufenunstetigkeit (28, 29) entlang der Länge des dielektrischen Elements (20) erstreckt.
Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (20) zwei Stufen (28 und 29) aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind.
Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element (20) eine Stufe (28 und 29) an beiden Oberflächen (26 und 27) aufweist.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Element zwei Stufen (28 und 29), die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind, an beiden Oberflächen (26 und 27) aufweist.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne ein einzelnes Plattenelement (20) aufweist und daß die Dicke des dielektrischen Elements wesentlich geringer ist als die Höhe der Antenne.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Polarisationsgitter (10), das sich vor der Fläche (5) des Wellenleiters (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne zwei Hornplatten (13 und 14) umfaßt, die sich vom Polarisationsgitter (10) nach vorn erstrecken, und daß sich eine hintere Kante (22) des dielektrischen Elements (20) zwischen den Hornplatten (13 und 14) befindet.
Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Unstetigkeit (28, 29) vor den Hornplatten (13 und 14) angeordnet ist.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der oder jeder Unstetigkeit (28, 29) so ausgewählt ist, daß Reflexionen erzeugt werden, die zu Störenergie, die innerhalb der Antenne erzeugt wird, im Wesentlichen um 180° phasenverschoben sind.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der oder jeder Unstetigkeit (28, 29) so ausgewählt ist, daß Nebenkeulen eines Strahls der Energie gesteuert werden und die Spitzenverstärkung verstärkt wird.