DE69717877T2

DE69717877T2 - Dauerhafte, leichte Radar-Linsen-Antenne

Info

Publication number: DE69717877T2
Application number: DE69717877T
Authority: DE
Inventors: Sam H. Wong
Original assignee: Boeing North American Inc
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: IL120126A; JPH09222506A; JP4256943B2; US5675349A; EP0789421A3; EP0789421B1; EP0789421A2; IL120126A0; DE69717877D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Radarantennen und bezieht sich insbesondere auf Radarantennen, die als Radarkuppel wirken, und die auch als Linsen zur Fokussierung der Strahlung wirken, die durch sie hindurch läuft.
Wenn ein Radar bei einem Automobil verwendet wird, muss es sich an die Umgebung des Fahrens auf einer Straße anpassen, indem es eine Radarkuppel vorsieht, die das Radar vor Straßenschmutz genauso wie vor der Luft schützt. Es ist wünschenswert, dass die Radarkuppel eine Fokussierungsfunktion für die Antenne ausführt. Eine herkömmliche Radarkuppel, die widerstandsfähig genug ist, um eine solche Funktion zu bieten, ist im Allgemeinen sogar für eine halbpräzise Fokussierung als ungeeignet angesehen worden.
Die schnelle Führung eines Antennenstrahls mit einer Linsenantenne wird gewöhnlicherweise erreicht durch elektronisches Umschalten zwischen mehreren Einspeisungstrichtern. Es wird jedoch unpraktisch, dies bei den meisten Raketensensoranwendungen zu tun. Die Erzeugung eines adäquaten Abtastgesichtsfeldes hat unakzeptabel hohe Einleitungsverluste der Serienverbindungsschaltung zur Folge. Es hat auch unakzeptabel hohe Antennenseitenschleifenpegel für weit außen liegende, von der Achse entfernte Strahlen zur Folge.
Eine Abtastung kann erreicht werden durch Bewegung einer haltbaren, leichtgewichtigen Antennenlinse hin und her vor einer festen Antenneneinspeisung. Jedoch ist die Führungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zum Gewicht der Linse, und es sind auch Radarkuppeln des Standes der Technik schwer. Glücklicherweise können Leichtigkeit und Haltbarkeit miteinander aufgewogen werden. Wenn eine Linse mit mäßigem Gewicht von beträchtlicher Haltbarkeit in einer geschützten Umgebung angeordnet wird, kann sie leicht modifiziert werden, so dass sie weniger haltbar, jedoch sehr leicht ist. Das vordere Ende einer Rakete hinter einer getrennten Radarkuppel ist eine solche geschützte Umgebung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile durch Modifikation einer herkömmlichen Fresnel-Linsenkonstruktion. Die herkömmliche Oberfläche einer gekrümmten Linse wird durch Stufen ersetzt, die sie vorzugsweise in drei Stufen annähern. Die Dicke der gestuften Linse ist bei jedem Schritt eine halbe Wellenlänge oder ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Radarbetriebsfrequenz in dem Medium der Linse. Eine Trennung von einer halben Wellenlänge oder einem Mehrfachen einer halben Wellenlänge der Schritte bewirkt, dass sich Reflektionen von den Vorder- und Rückseiten auslöschen. Dies sorgt für eine nahezu perfekte Impedanzeinpassung, wodurch die (unerwünschte) stehende Welle zwischen der Linse und dem Einspeisungstrichter minimiert wird. Dies vermeidet dadurch weiterhin die Notwendigkeit, andere Verfahren zur Reduzierung einer stehenden Welle zu vermeiden, wie beispielsweise (a) eine Beschichtung von einer oder von beiden Oberflächen mit einer Antireflektionsbeschichtung, oder (b) die Ausrichtung der gekrümmten oder gestuften Seite nach vorne, um eine Fokussierung der reflektierten Signale bei der Antenneneinspeisung zu vermeiden. Beschichtungen sind teuer und die ebene Seite der Linse (anders als die gestufte Seite) muss nicht vor Straßenschmutz geschützt werden. Die Linse und die Radarkuppel können daher als integrale Einheit geformt werden, was in einer Automobilumgebung wünschenswert ist.
Diese Linse ist auch dünn genug (und daher leicht genug), dass sie sehr schnell von Seite zu Seite bewegt werden kann, vorzugsweise durch eine Kombination von Nocken und Federn. Dies gestattet eine sehr schnelle Abtastung, wenn auch über ein begrenztes Sichtfeld. Die kardanartige Aufhängung der Linse und des Einspeisungstrichters sorgen zusammen für eine langsamere Abtastung, ergeben jedoch ein unbegrenztes Sichtfeld. Die Kombination der beiden erzeugt eine schnelle Abtastung und eine unbegrenzte Sicht, was bei Raketeneinsätzen wünschenswert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Kontur einer Fresnel-Linse in drei Ausführungsbeispielen: volle Zone 10, Teilzone 12 und gestufte Zone 14.
Fig. 2 zeigt die Details der Linse 14 mit gestufter Zone.
Fig. 3 zeigt die Linse 14 im Betrieb, die Radarsignale sowohl direkt von dem Einspeisungstrichter oder von den Einspeisungstrichtern 46, 48, 50 als auch indirekt von einem umschließenden Gehäuse 40 bricht.
Fig. 4 zeigt die Linse 14, wie sie senkrecht zum Strahlungsstrahl durch sie hindurch bewegt wird, wodurch die Richtung des Strahles verändert wird.
Fig. 5 zeigt eine kardanartige Aufhängung 56 der Linse 14 und des · Einspeisungstrichters oder der Einspeisungstrichter 46, 48, 50 miteinander.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 wird eine Linse 14 aus einem Material hergestellt, vorzugsweise aus einem Plastik, welches einen geeigneten Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung mit einer erwünschten Frequenz halt, und welches hart und fest ist. Das Plastik, welches unter dem Handelsnamen LEXAN verkauft wird, hat die erwünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften und wird bevorzugt.
Die Linse 14 hat eine Vorderseite 16 und eine Rückseite 18, wobei die Vorderseite bzw. vordere Oberfläche 16 eben ist. Die Rückseite bzw. hintere Oberfläche 18 weist eine Vielzahl von gestuften Fresnel-Zonen 20 auf. Jede gestufte Fresnel-Zone 20 besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von Stufen 22, 24, 26, vorzugsweise drei. Jede Stufe 22, 24, 26 ist auch parallel und liegt um eine feste Distanz entfernt von der Vorderseite 16. Fig. 2 zeigt jede gestufte Fresnel-Zone 20, die einer konzeptionellen, ähnlich brechenden, herkömmlichen Fresnel-Zone 28 entspricht. D. h., um die Lage von jeder Stufe von jeder gestuften Fresnel-Zone 20 auf der Rückseite 18 der tatsächlichen Linse 14 zu bestimmen, ist zuerst ihre Distanz d von der Vorderseite 20 zu bestimmen. Dann sieht man sich eine konzeptionell herkömmliche Fresnel-Linse 10 an, die in ähnlicher Weise bricht. Sie wird auch in eine gleiche Anzahl von Zonen 28 auf ihrer Rückseite 30 aufgeteilt. Es ist die tage des Teils 32 der entsprechenden herkömmlichen Zone 28 zu finden, die um die gleiche Distanz d von ihrer Vorderseite entfernt ist. Dies ist der Ort, wo die Stufe 22, 24, 26 angeordnet werden sollte.
Fig. 3 zeigt die Linse 14, die von einer Quelle 34 von elektromagnetischer Strahlung 36 mit der erwünschten Frequenz betrieben wird bzw. durchlaufen wird. Diese Quelle ist vorzugsweise an einem verjüngten Ende 38 eines verjüngten Gehäuses 40 gelegen, welches zur Rückseite 18 der Linse 14 weist. Das verjüngte Gehäuse 40 kann leitend sein oder eine Hochfrequenz absorbieren, wie erwünscht.
In den Fig. 1 und 2 ist die Distanz d zu jeder Stufe 22, 24, 26 von der Vorderseite 16 ein integrales Vielfaches der halben Wellenlänge (λ&epsi;) bei der erwünschten Frequenz. Dies gestattet, dass sich Reflektionen von den Vorder- und Rückseiten 16, 18, 22, 24, 26 auslöschen. Diese Auslöschung verringert oder eliminiert stehende Wellen innerhalb des Gehäuses 40.
Fig. 4 zeigt die Linse 14, wie sie senkrecht zum Strahlungsstrahl durch sie hindurch bewegt wird, wodurch die Richtung des Strahls verändert wird. Die Linse 14 ist dadurch, dass sie so dünn ist, sehr leicht und kann daher leicht in einer Richtung parallel zur ihrer Vorderseite 16 durch irgendwelche geeigneten Mittel bewegt werden. Die bevorzugten Bewegungsmittel sind eine Nocke 42 auf einer Seite der Linse 14 und eine Feder 44 auf der gegenüberliegenden Seite. Die Bewegung der Linse 14 senkrecht zur Strahlung 26 verändert die Richtung des Strahls, der aus der Linse 14 austritt, und dies ist viel einfacher als zu versuchen, den Einspeisungstrichter oder eine andere Quelle 34 für elektromagnetische Strahlung zu bewegen. Diese Bewegung gestattet eine feine Steuerung der Richtung des Strahles. Eine starke Bewegung kann, falls erwünscht, vorgesehen werden durch eine Vielzahl von Einspeisungstrichtern 46, 48, 50 an dem verjüngten Ende 38 des Gehäuses 40. Da jeder Einspeisungstrichter 46, 48, 50 an einer geringfügig unterschiedlichen Position liegt, erzeugt jeder einen Strahl, der aus der Linse 14 in eine geringfügig andere Richtung austritt. Eine starke Bewegung kann auch vorgesehen werden, indem man die ganze Vorrichtung kardanartig aufhängt.
Erste und zweite Bewegungsmittel zur Bewegung der Linse 14 in ersten und zweiten Richtungen parallel zu ihrer Vorderseite 16 und senkrecht zueinander können vorgesehen werden. Wie zuvor sind die bevorzugten Bewegungsmittel in beiden Richtungen eine Nocke 42, 52 auf einer Seite der Linse 14 und eine Feder 44, 54 auf der gegenüberliegenden Seite.
Fig. 5 zeigt die kardanartige Aufhängung 56 der Linse 14 und des Einspeisungstrichters oder der Einspeisungstrichter 46, 48, 50 miteinander.

Claims

1. Linse die ein Material aufweist, wobei:

(a) das Material einen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung bei einer gewünschten Frequenz aufweist;

(b) der Brechungsindex innerhalb des Materials eine gewünschte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung mit der gewünschten Frequenz erzeugt;

(c) das Material eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche besitzt;

(d) die vordere Oberfläche planar (eben) ist;

(e) die hintere Oberfläche eine Vielzahl von gestuften Fresnel- Zonen aufweist;

(f) wobei jede gestufte Fresnel-Zone im Wesentlichen aus einer Vielzahl von Stufen besteht;

(g) jede Stufe parallel ist zu und einen festen Abstand hat von der vorderen Oberfläche; und

(h) der Abstand zu jeder Stufe von der vorderen Oberfläche ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge bei der gewünschten Frequenz ist, und zwar gemessen in dem Material aus dem die Linse besteht oder aufgebaut ist.

2. Linse nach Anspruch 1, wobei jede Fresnel-Zone drei Stufen besitzt.

3. Linse nach Anspruch 1, wobei ferner eine sich verjüngende Umschließung vorgesehen ist, die zur hinteren Oberfläche der Linse hinweist.

4. Linse nach Anspruch 3, wobei die sich verjüngende Umschließung leitend ist.

5. Linse nach Anspruch 3, wobei die sich verjüngende Umschließung Hochfrequenz absorbiert.

6. Linse nach Anspruch 3, wobei eine Quelle elektromagnetischer Strahlung mit der gewünschten oder Sollfrequenz vorgesehen ist, und zwar angeordnet an einem verjüngten Ende der sich verjüngenden Umschließung.

7. Linse nach Anspruch 1, wobei ferner Bewegungsmittel vorgesehen sind zur Bewegung der Linse in einer Richtung parallel zur vorderen Oberfläche der Linse.

8. Linse nach Anspruch 7, wobei die Bewegungsmittel eine Nocke auf einer Seite der Linse aufweisen und eine Feder auf einer entgegengesetzten Seite der Linse.

9. Linse nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist:

(a) erste Bewegungsmittel zur Bewegung der Linse in einer ersten Richtung parallel zur vorderen Oberfläche der Linse; und

(b) zweite Bewegungsmittel zur Bewegung der Linse in einer zweiten Richtung parallel zur vorderen Oberfläche der Linse und senkrecht zur ersten Richtung, und/oder wobei vorzugsweise jedes der Bewegungsmittel eine Nocke auf einer Seite der Linse und eine Feder auf einer entgegengesetzten Seite der Linse aufweisen.

10. Linse nach Anspruch 1, wobei

(f) jede gestufte oder abgestufte Fresnel-Zone einer konzeptionell ähnlich bzw. in gleicher Weise brechenden, konventionellen Fresnel- Zone entspricht, und wobei

(i) jede Stufe jeder abgestuften Fresnel-Zone eine Stelle auf der hinteren Oberfläche aufweist, die die Gleiche ist wie die Stelle an der hinteren Oberfläche eines Teils der entsprechenden, konzeptionell ähnlich oder gleich brechenden, konventionellen Fresnel-Zone, wobei der erwähnte Teil der konventionellen Fresnel-Zone den gleichen Abstand von der vorderen Oberfläche besitzt, wie die Stufe der abgestuften Fresnel-Zone.