DE69019328T2

DE69019328T2 - Magische Mikrowellenquelle und ihre Anwendung bei einer Antenne mit elektronischem Absuchen.

Info

Publication number: DE69019328T2
Application number: DE69019328T
Authority: DE
Inventors: Claude Chekroun; Gerard Collignon
Original assignee: Thomson CSF Radant
Current assignee: Thomson CSF Radant
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2010-12-19
Also published as: US5144327A; FR2656468A1; DE69019328D1; EP0435739B1; FR2656468B1; EP0435739A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine sogenannte magische Mikrowellenstrahlungsquelle und ihre Anwendung auf die Beleuchtung einer aktiven Linse, um eine elektronisch ausrichtbare Antenne zu bilden.
In einer Antenne mit elektronischer Strahlablenkung können bekanntlich gewisse Störerscheinungen durch Mehrfachreflexionen an Schnittstellen auftreten, die den Pegel der Sekundärkeulen oder der diffusen Abstrahlung erhöhen. Um diese Mehrfachreflexionen zu eliminieren, kann man die in die Antenne selbst reflektierte Energie vor ihrer erneuten Aussendung absorbieren. Hierzu ist es insbesondere bekannt, zur Aufteilung der für die Speisung jedes strahlenden Elements der Antenne erforderlichen Leistung eine große Zahl von Richtkopplern zu verwenden, die die reflektierte Energie absorbieren. Eine solche Struktur ist jedoch leider komplex, schwer abzustimmen und teuer.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strahlungsquelle vorzuschlagen, die zumindest teilweise die Absorption der von der Linse reflektierten Strahlung unabhängig vom Einfallswinkel dieser Strahlung bewirkt, sofern sie nur außerhalb der Hauptkeule der Antenne liegt. Dies versteht man in der vorliegenden Beschreibung unter einer magischen Quelle in Analogie mit den Mikrowellenweichen, die unter dem Namen "Magisches T" bekannt sind.
Genauer betrachtet ist Gegenstand de Erfindung eine Mikrowellenstrahlungsquelle, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Die Erfindung hat auch eine eine solche Quelle verwendende Antenne mit elektronischer Strahlablenkung zum Gegenstand, wie sie in Anspruch 6 definiert ist.
Andere Gegenstände, Besonderheiten und Ergebnisse der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der bei liegenden Figuren hervor.
Figur 1 zeigt eine Antenne mit elektronischer Strahl ablenkung in zwei orthogonalen Ebenen, die die erfindungsgemäße Quelle verwendet.
Die Figuren 2a und 2b zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Elements aus der erfindungsgemäßen Quelle, während Figur 2c zur Erläuterung der Figur 2b dient.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Antenne mit elektronischer Strahlablenkung, in der die erfindungsgemäße Quelle integriert ist.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
Außerdem wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der ganzen nachfolgenden Beschreibung anhand des Sendebetriebs erläutert, aber natürlich funktioniert die Vorrichtung symmetrisch auch als Empfangsantenne.
Figur 1 zeigt also schematisch eine Ausführungsform einer die erfindungsgemäße Quelle verwendenden Antenne mit elektronischer Strahlablenkung in zwei Ebenen.
Die Antenne enthält eine Mikrowellenstrahlungsquelle I, die eine elektromagnetische Welle liefert, welche sich in Richtung OZ fortpflanzt und deren elektrisches Feld E in Richtung OY senkrecht zur Richtung OZ ausgerichtet ist. Auf dem Weg der elektromagnetischen Welle sind nacheinander eine erste Mikrowellenlinse L&sub1;, ein Gitter G, das die Drehung der Polarisation der Welle bewirkt, und schließlich eine zweite Mikrowellenlinse L&sub2; angeordnet.
Die Mikrowellenstrahlungsquelle I besteht in dieser Ausführungsform aus einem Stapel von Elementarquellen I&sub1;, I&sub2;, .. Ii, .. In, wobei die Stapelrichtung entlang der Achse OY verläuft.
Die Linse L&sub1; enthält in analoger Form einen Stapel von Kanälen C&sub1;, C&sub2;, .. Ci, ... Cn, wobei die Stapelrichtung wieder entlang der Achse OY verläuft. Jeder dieser Kanäle enthält elektronisch steuerbare Phasenschiebermittel. Es ist damit möglich, durch Veränderung der Phasenverschiebungswerte den von der Quelle 1 in der Ebene des Felds E, d.h. der Ebene YOZ, gelieferten Strahl elektronisch abzulenken. Eine Ausführungsform einer solchen Linse ist beispielsweise in der französischen Patentschrift 2 469 808 beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Quelle in die Linse L&sub1; integriert sein, wie dies in der französischen Patentanmeldung 84 11066 beschrieben ist.
Um außerdem eine elektronische Ablenkung in der senkrechten Ebene zu erzielen, d.h. in einer Ebene XOZ, wobei die Achse OX senkrecht zu den Achsen OY und OZ verläuft, fügt man gemäß dieser Ausführungsform eine zweite Linse L&sub2; hinzu, die von derselben Art wie die Linse L&sub1; ist, aber deren Stapelung der Kanäle sich mit der Stapelung der Kanäle der Linse L&sub1; kreuzt, d.h. in Richtung der Achse OX verläuft. Das Polarisationsdrehungsgitter G sorgt dafür, daß das elektrische Feld E stets senkrecht zur Stapelung der Kanäle verläuft.
Figur 2a zeigt eine Ausführungsform einer Elementarquelle Ii aus dem die Quelle I der vorhergehenden Figur bildenden Stapel.
Diese Elementarquelle enthält hintereinander in Richtung der Achse OZ:
- eine erste leitende Ebene 1, die einen Kurzschluß bildet und im wesentlichen parallel zur Ebene XOY verläuft,
- eine zweite Ebene 2, die ebenfalls im wesentlichen parallel zur Ebene XOY verläuft und ein Einfallsfilter 2 bildet,
- eine dritte Ebene 3, die ebenfalls parallel zur Ebene XOY verläuft und ein strahlendes Element trägt.
Das Ganze befindet sich zwischen zwei leitenden Ebenen P, die im wesentlichen parallel zur Ebene XOZ verlaufen.
Das strahlende Element ist beispielsweise vom Schlangenlinientyp. Es wird von einer leitenden Schicht 31 auf einem isolierenden Substrat 30 in Form einer Pseudosinuskurve gebildet, die sich im wesentlichen in Richtung OX erstreckt. Zu beiden Seiten der Schlangenlinie 31 sind periodisch kapazitive Elemente 32 angeordnet, die auch unter dem englischen Namen "Stub" bekannt sind und zur Impedanzanpassung der Ebene 3 dienen.
Die ein Einfallsfilter bildende Ebene 2 wird in dieser Ausführungsform von einem isolierenden Substrat gebildet, das im wesentlichen über seine ganze Oberfläche mit einer Widerstandsschicht bedeckt ist.
Die Ebene 2 besitzt von den Ebenen 1 und 3 je einen Abstand D&sub1;&sub2; bzw. D&sub2;&sub3;.
Der Abstand D&sub1;&sub2; wird in der Größenordnung einer halben Wellenlänge (λo) beim Betrieb der Quelle mit senkrechtem Einfall gewählt (der Einfallswinkel wird bezüglich der Achse OZ gemessen: Θ = 0).
Der Abstand D&sub2;&sub3; wird ebenso wie die Parameter des strahlenden Elements so festgelegt, daß die Quelle für die Einfallswinkel entsprechend der Hauptkeule des strahlenden Elements angepaßt ist. Es sei daran erinnert, daß im Fall einer Schlangenlinie die Parameter von der Amplitude der die Schlangenlinie bildenden Pseudosinuskurve, von der Halbperiode der Sinuskurve und der Lage und Länge der Stubs gebildet werden.
Für eine Welle mit senkrechtem Einfall (Θ = 0), wobei der Abstand D&sub1;&sub2; gleich der halben Wellenlänge ist, wird ein Kurzschluß in die Ebene des Filters 2 gebracht, unabhängig vom Aufbau des Filters. Letzteres ist also transparent und erzeugt keine Verluste.
Für andere Einfallswinkel als die entsprechend der Hauptkeule ist die Schlangenlinie transparent, und der Reflexionskoeffizient der Antenne gleicht dem des Einfallsfilters 2.
Bekanntlich wird die Wellenlänge λ(Θ) für einen Einfallswinkel Θ gleich λo/cos Θ. Für Θ = π/3 wird der Abstand D&sub1;&sub2; gleich λ/4, womit ein offener Schaltkreis parallel zum Filter 3 erzeugt wird. Für diesen Einfallswinkel wird die Welle also vollständig in der Widerstandsebene 2 absorbiert, wobei diese Absorption mit der Entfernung von dem Einfallswinkel Θ = π/3 abnimmt.
Es ergibt sich also, daß eine von der Quelle ausgesendete Welle, die später an einer der Schnittflächen der Antenne reflektiert wird, von der Quelle absorbiert wird und nicht zu Störkeulen am Ausgang der Antenne führt.
Figur 2b zeigt eine Variante zu Figur 2a betreffend die Ausführung der Ebene 2.
Die Ebene 2, die ein Einfallsfilter bildet, besteht hier aus einem isolierenden Substrat 20, auf das Widerstandselemente R aufgebracht sind. Diese Elemente sind über Anschlüsse 23 an zwei Leiterbahnen 21 und 22 angeschlossen, die sich im wesentlichen parallel zur Achse OX erstrecken. Die Widerstandselemente R können Widerstände oder Dioden sein.
Figur 2c zeigt das Ersatzschaltbild der Ebene 2 in Figur 2b. Dieses Ersatzschaltbild enthält zwischen den beiden Ebenen P zwei Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; in Reihe. An die beiden Klemmen des Kondensators C&sub2; sind in Reihe eine Induktivität L und ein Widerstand r angeschlossen.
Diese Ausführungsvariante, die einen imaginären Beitrag (induktiv oder kapazitiv) zur durch die Ebene 2 eingeführten Impedanz liefert, kann durch Einwirkung auf die Parameter des Filters 2 die Anpassung dieses Filters erzielen und damit die Absorption der reflektierten Wellen für einen von Θ = π/3 abweichenden Einfallswinkel. Die Parameter des Filters 2 bestehen aus dem Abstand zwischen den Bahnen 21 und 22 (Kondensator C&sub2;), der Lage der Bahnen 21 oder 22 bezüglich der Ebenen P (Kondensator C&sub1;), dem Wert der Widerstände R und der Länge der Anschlüsse 23 (Induktivität L und Widerstand r).
Wenn die Widerstandselemente R aus Dioden bestehen, kann man durch gezielte Veränderung des Stroms der Dioden die erwähnten Parameter variieren und damit die Absorption der reflektierten Wellen für Einfallswinkel erreichen, deren Wert somit elektronisch einstellbar ist.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Quelle I gemäß der Erfindung, die mit der Linse L&sub1; integriert ist.
In dieser Figur erkennt man wieder die drei Ebenen 1, 2 und 3 aus Figur 2, die sich in Richtung der Ebene XOY erstrecken und die Quelle I bilden. Die Vorrichtung enthält weiter die leitenden Ebenen P, die parallel zur Ebene XOZ verlaufen und zwischen sich die Kanäle I&sub1;, I&sub2; ... Ii definieren.
Gemäß dieser Ausführungsform verlängern sich die leitenden Ebenen P und bilden die Kanäle C&sub1;, C&sub2; ... Ci, .. der Linse L&sub1;. In jedem dieser Kanäle C sind Ebenen D parallel zur Ebene XOY angeordnet, die je elektronisch steuerbare Phasenschiebermittel tragen. Diese Phasenschiebermittel enthalten Dioden 40, die über Anschlüsse 41 im wesentlichen parallel zur Achse OY an Leiter 42 angeschlossen sind, die im wesentlichen parallel zur Achse OX verlaufen. Diese Leiter verbinden die Gesamtheit der Dioden einer Phasenschieberebene mit einer steuerbaren Vorspannung. Diese Art von Phasenschieberebenen in Form von Kanälen ist in der oben erwähnten französischen Patentschrift 2 462 808 beschrieben.
Die elektronische Ablenkung, die durch Steuerung der Phasenschieberebene D erzeugt wird, erfolgt in der Ebene des Feldes E (YOZ), wie oben beschrieben.
Natürlich ist es, wie in Figur 1 gezeigt, auch möglich, hinter der Linse L&sub1; ein Gitter G und eine Linse L&sub2; anzuordnen, um eine elektronische Strahlablenkung in der Ebene XOZ zu erreichen.

Claims

1. Mikrowellen-Strahlungsquelle zum Aussenden oder Empfangen einer Strahlung gemäß einer ersten Richtung (OZ), deren elektrisches Feld im wesentlichen in einer zweiten Richtung (OY) orthogonal zur ersten Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Stapelung von Kanälen (I&sub1;, ... In) enthält, die durch leitende Ebenen (C&sub1;, C&sub2;, ... Ci, ...) voneinander getrennt sind, mit einer Stapelrichtung im wesentlichen parallel zur zweiten Richtung (OY), und daß jeder Kanal hintereinander entlang der ersten Richtung (OZ) und im wesentlichen senkrecht zu dieser aufweist:

- eine erste leitende Ebene (1), die einen Kurzschluß bildet,

- eine zweite Ebene (2), die ein Einfallsfilter bildet und zur ersten Ebene einen Abstand (D&sub1;&sub2;) von etwa einer halben Wellenlänge der Strahlung besitzt, sowie Widerstandsmittel enthält,

- eine dritte Ebene (3), die ein strahlendes Mikrowellenelement vom Schlangenlinientyp (31) trägt, wobei sich die Schlangenlinie im wesentlichen entlang einer dritten Richtung (OX) senkrecht zu den beiden anderen erstreckt und wobei das strahlende Element und das Filter solche Eigenschaften besitzen, daß das Filter zumindest teilweise eine unter einem Einfallswinkel ungleich Null in der Ebene (YOZ) empfangene Mikrowellenenergie absorbiert.

2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ebene (2) eine Widerstandsschicht im wesentlichen auf ihrer ganzen Oberfläche besitzt.

3. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ebene (2) ein isolierendes Substrat (20) enthält, auf das zwei im wesentlichen zur dritten Richtung (OX) parallele Leiterbahnen und Widerstandselemente (R) aufgebracht sind, die zwischen den Leiterbahnen angeschlossen sind (23).

4. Quelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R) Widerstände sind.

5. Quelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R) Dioden sind.

6. Antenne mit elektronischer Strahlablenkung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Quelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche enthält und daß jeder der Kanäle außerdem hinter der dritten Ebene (3) mehrere Phasenschieberebenen (D) aufweist, die die sie durchquerende Welle je um eine elektronisch steuerbare Phasendifferenz verschieben.