DE69728603T2

DE69728603T2 - Linsenantenne mit verbesserter dielektrischer Linse zur Reduzierung von durch intern reflektierte Wellen verursachten Störungen

Info

Publication number: DE69728603T2
Application number: DE69728603T
Authority: DE
Inventors: Akio Minato-ku Kuramoto; Kosuke Minato-ku Tanabe
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2017-05-31
Also published as: DE69728603D1; JPH09321533A; EP0810686A3; EP0810686A2; US5952984A; CN1099723C; JP2817714B2; AU2372097A; NO972453D0; NO972453L; NO319496B1; EP0810686B1; CA2206443A1; CA2206443C; CN1167350A; AU716231B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen einer Linsenantenne, die eine dielektrische Linse aufweist, die an einer Apertur eines Horns angebracht ist, und insbesondere eine Linsenantenne, die eine verbesserte dielektrische Linse zur effektiven Verringerung von Störungen aufweist, die durch elektromagnetische Wellen verursacht werden, die intern in der Linse reflektiert werden.
Wie dem Fachmann bekannt ist, besteht eine Linsenantenne aus einer dielektrischen Linse, die an einer Apertur (Mündung) eines Horns fest angeordnet ist. Die dielektrische Linse fungiert als Wellenkollimationselement. Eine Linsenantenne wird normalerweise in terrestrischen Sichtlinien-Mikrowellenkommunikationssystemen verwendet. Eine Linsenantenne ist in US-A-5 166 698 gezeigt.
Bevor wir uns der Erfindung zuwenden, halten wir es für angebracht, eine bekannte Linsenantenne mit Bezug auf 1 zu beschreiben.
1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer bekannten Linsenantenne, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und die eine plankonvexe dielektrische Linse 12 und ein konisches Horn 14 aufweist, das als sich verbreiternder Wellenleiter dient. Die plankonvexe Linse 12 besteht aus einem dielektrischen Material, z. B. Polyethylen, Polystyrol usw., mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von etwa 2 bis 4. Die Linse 12 hat eine ebene Fläche 16, die einem freien Raum zugewandt ist, und einen Drehungshyperboloid (der mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist) auf der Innenseite. Das Horn 14 hat eine kreisförmige Apertur, an der die Linse 12 mit ihrem Umfang fest angeordnet ist. Das Horn 14 hat eine Innenwand, die mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist, und einen Flansch 20, an dem ein entsprechender Flansch 22 eines Wellenleiterteils 24 befestigt ist. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Wellenleiter.
Wie dem Fachmann bekannt ist, transformiert die Linse 12 die sphärische Wellenfront der Welle, die von einer Quelle 28 (d. h. einer Primärantenne) abgestrahlt wird, in eine ebene Wellenfront. Um es genauer zu sagen, das Feld (nämlich das elektromagnetische Feld) über der ebenen Fläche (nämlich der ebenen Wellenfront) kann überall phasengleich gemacht werden, indem die Linse so geformt wird, daß alle Wege von der Wellenquelle 28 zur Linsenebene die gleiche elektrische Länge haben (Fermatsches Prinzip).
Wie in 1 gezeigt wird ein Teil einer gegebenen einfallenden Welle 30 an zwei Punkten der Linse 12 reflektiert: an der konvexen Fläche 18 (die reflektierte Komponente ist mit einem gestrichelten Pfeil 29 gekennzeichnet) und an der ebenen Fläche 16. Die Reflexion von der konvexen Fläche 18 kehrt nicht zur Quelle 28 zurück, außer an den Punkten an oder nahe einer Achse 32, und ist daher nicht von Bedeutung. Die Energie, die von der Linsenebene 16 reflektiert wird, kehrt jedoch genau entlang der Strahlungslinie 30 zurück und kann die Energie, die von der Wellenquelle 28 abzustrahlen ist, ungünstig beeinflussen.
Es ist daher sehr erwünscht, den oben erwähnten unerwünschten Einfluß zu reduzieren, der durch die Reflexionen von der ebenen Linsenfläche verursacht wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Linsenantenne bereitzustellen, die eine verbesserte dielektrische Linse zur Reduzierung von Störungen hat, die durch intern reflektierte Wellen verursacht werden.
Ein Aspekt der Erfindung besteht in einer Linsenantenne mit einem konischen Horn; und einer Linse, die an einer Apertur des Horns befestigt ist, wobei die Linse auf einer ersten Seite, die einem freien Raum zugewandt ist, eine ebene Fläche und auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite einen Drehungshyperboloid aufweist und aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektriziztätskonstante besteht, die von 2 bis 4 reicht, wobei die Linse eine kreisförmige Linse mit einem Durchmesser r ist, wobei die Linse mit einem zylindrischen Abschnitt versehen ist, der von der ebenen Fläche der Linse vorsteht, wobei der zylindrische Abschnitt einen Durchmesser von etwa r/3 und eine Höhe von etwa 0,17λ₀ hat, wobei λ₀ eine Wellenlänge einer Mittenfrequenz eines Frequenzbereichs ist, der bei der Linsenantenne verwendet wird, wobei der zylindrische Abschnitt mit der Linse konzentrisch ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Linsenantenne mit einem konischen Horn; und einer Linse, die an einer Apertur des Horns befestigt ist, wobei die Linse auf einer ersten Seite, die einem freien Raum zugewandt ist, eine ebene Fläche und auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite einen Drehungshyperboloid aufweist und aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektriziztätskonstante besteht, die von 2 bis 4 reicht, wobei die Linse eine kreisförmige Linse mit einem Durchmesser r ist, wobei die Linse mit einem zylindrischen Abschnitt versehen ist, der von der ebenen Fläche der Linse ausgespart ist, wobei der zylindrische Abschnitt einen Durchmesser von r/3 und eine Höhe von etwa 0,17λ₀ hat, wobei λ₀ eine Wellenlänge einer Mittenfrequenz eines Frequenzbereichs ist, der bei der Linsenantenne verwendet wird, wobei der zylindrische Abschnitt mit der Linse konzentrisch ist.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor, die folgendes zeigen:
1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Linsenantenne, die in den einleitenden Abschnitten der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Linsenantenne gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Linsenantenne in 2;
4 ist ein Vektordiagramm zur Verwendung bei der Beschreibung des Betriebs der ersten Ausführungsform;
5 ist ein Diagramm, das ein Strahlungsmuster der Linsenantenne gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Diagramm, das Reflexionsverluste in der ersten Ausführungsform zeigt;
7 ist ein Diagramm, das Reflexionsverluste nach dem Stand der Technik zeigt; und
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Linsenantenne gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 2 bis 6 beschrieben.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Linsenantenne 40 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Linsenantenne 40 weist eine kreisförmige plankonvexe dielektrische Linse 42 auf, die an einer Apertur eines konischen Horns 14' gehalten wird, wie nach dem Stand der Technik, der in 1 gezeigt ist. Die Linse 42 besteht aus einem geeigneten dielektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante, die von 2 bis 4 reicht. Wie gezeigt, hat die Linse 42 einen Mittelabschnitt, der um eine Strecke h nach außen vorsteht. Der vorstehende Abschnitt ist im wesentlichen scheibenförmig und kann somit nachstehend als Scheibe oder zylindrischer Abschnitt 44 bezeichnet werden. Dieser Scheibenabschnitt 44 ist auf der Linse 42 so ausgebildet, daß er mit dieser konzentrisch ist. Man beachte, daß der Scheibenabschnitt 44 Teil der Linse 42 ist und bei der Herstellung der Linse 42 so geformt wird. Der einfacheren Beschreibung halber ist die ebene Fläche des Scheibenabschnitts 44 mit dem Bezugszeichen 44a bezeichnet, während die ebene Fläche der Linse 42 mit Ausnahme der ebenen Fläche 44a mit 42a bezeichnet ist. Wie beim Stand der Technik in 1 hat die Linse 42 einen Drehungshyperboloid 18' auf der Innenseite (siehe 3). Die verbleibenden Abschnitte der Linsenantenne 40 sind genau die gleichen wie bei den Gegenstücken in 1, und auf deren Beschreibung wird demzufolge hier verzichtet.
Bei der Wahl der Durchmesser der Linse 42 und des Scheibenabschnitts 44 als D1 bzw. D2 wird bevorzugt, daß der Durchmesser D2 auf etwa ein Drittel von D1 festgelegt wird (nämlich (D1)/3). Diese Beziehung zwischen den Abmessungen D1 und D2 wird folgendermaßen bestimmt. Es ist bekannt, daß das elektromagnetische Feld nahe dem Rand der Linse 42 kleiner ist als in oder nahe ihrer Mitte. Das heißt, die Menge der Wellen, die nahe dem Rand der Linse 42 reflektiert werden, unterscheidet sich von der in oder nahe ihrer Mitte. Um das unerwünschte Phänomen effektiv zu reduzieren, das von den reflektierten Wellen verursacht wird, ist es sehr erwünscht, die Mengen der Wellen, die von den Flächen 42a und 44a reflektiert werden, auszugleichen. Im Hinblick darauf wird bevorzugt, daß der Durchmesser D2 so bestimmt wird, daß er etwa gleich einem Drittel von D1 ist (nämlich (D1)/3).
In 3 sind zwei Wellen 50 und 52 gezeigt, die von der Wellenquelle 28 ausgehen. Die Wellen 50 und 52 sind jeweils so gerichtet, daß sie durch die Flächen 42a und 44a treten. Wie oben erwähnt, wird die Energie jeder der Wellen, die durch die Linsenebene treten (z. B. 42a und 44a) teilweise von der ebenen Grenzfläche reflektiert. In 3 bezeichnen die Bezugszeichen 50r und 52r jeweils die reflektierten Wellen der Wellen 50 und 52. Es versteht sich, daß die reflektierte Welle 52r im Vergleich zu der reflektierten Welle 50r um die elektrische Weglänge "2 × h" verzögert ist. Gemäß der Untersuchung, die von den Erfindern durchgeführt worden ist, wurde festgestellt, daß die Höhe "h" vorzugsweise etwa 0,17λ₀ war (λ₀ ist eine Wellenlänge einer Mittenfrequenz eines festgelegten Frequenzbereichs). Dies bedeutet, daß die reflektierte Welle 52r im freien Raum (Luft oder Vakuum) im Vergleich zur reflektierten Welle 50r um 2 × 0,17λ₀ = 0,34λ₀ verzögert wird.
Ferner haben die Erfinder eine Computersimulation unter folgenden Bedingungen durchgeführt. Die Linse 42 wurde aus Polycarbonat mit einer relativen Dielektrizitätskonstante (ε_r) von 2,85 hergestellt, während die Durchmesser D1 und D2 200 mm bzw. 60 mm waren. Es wird angenommen, daß das verfügbare Frequenzband von 37,00 GHz bis 39,50 GHz reichte, und demzufolge war die Mittenfrequenz 38,25 GHz (λ₀ = 7,84 mm). Somit wurde die Höhe "h" des Scheibenabschnitts 44 nach der folgenden Gleichung berechnet: h = 0,17λ0/εr 1/2 = (0,17 × 7,84)/2,851 /2 = 0,8 mm Wie oben erwähnt, wird die Welle, die von der ebenen Fläche 44a reflektiert wird (z. B. 52r), im Vergleich zu der Welle, die von der ebenen Fläche 42a reflektiert wird (z. B. 50r), um 0,34λ₀ (im freien Raum (Luft oder Vakuum)) verzögert.
Ein bestimmtes Beispiel, das den Vorteil der ersten Ausführungsform gegenüber dem Stand der Technik aufweist, wird nachstehend beschrieben. Zuerst wird der Fall beschrieben, wo der oben erwähnte Scheibenabschnitt 44 nicht vorgesehen ist (wie beim Stand der Technik, der in 1 dargestellt ist).
Die Parameter in Verbindung mit der Linsenebene 16 sind folgendermaßen definiert:
E_1i: Welle, die auf die Linsenebene 16 fällt;
E_1t: Welle, die durch die Ebene 16 tritt;
E_1r: Welle, die von der Ebene 16 reflektiert wird; und
R₁: Reflexionskoeffizient (Vektor) der Ebene 16.
Ferner wird folgendes angenommen: |R1|= |E1r/E1i| = 0,3 ... (1)
Da der Reflexionsverlust RL gegeben ist durch 10 log |R|², gilt
Andererseits sind in Verbindung mit der ersten Ausführungsform die Parameter, die der Ebene 44a des Scheibenabschnitts 44 zugeordnet sind, folgendermaßen definiert:
E_2i: Welle, die auf die Linsenebene 44a fällt;
E_2t: Welle, die durch die Ebene 44a tritt;
E_2r: Welle, die von der Ebene 44a reflektiert wird; und
R₂: Reflexionskoeffizient (Vektor) der Ebene 44a.
Ferner sind die Parameter, die der Ebene 42a der Linse 42 zugeordnet sind, folgendermaßen definiert:
E_3i: Welle, die auf die Linsenebene 42a fällt;
E_3t: Welle, die durch die Ebene 42a tritt;
E_3r: Welle, die von der Ebene 42a reflektiert wird; und
R₃: Reflexionskoeffizient (Vektor) der Ebene 42a Rt = R2 + R3
Da E_2i = E_3i und |E_2r| = |E_3r|, gilt:
Somit ist die Phasendifferenz (die mit 8 bezeichnet ist) zwischen E_2r und E_3r wie folgt gegeben: θ = 0,17 × 2 × 2π = 0,68π
Oben wird angenommen, daß die Wellenmengen, die an den Ebenen 40a und 42a reflektiert werden, einander gleich sind.
4 ist ein Vektordiagramm, das die Beziehung zwischen E_2r und E_3r zeigt, deren Phasendifferenz θ ist.
Wenn wir annehmen, daß |E_2r/|E_2i| = 0,3, dann erhalten wir
Infolgedessen ist der Reflexionsverlust (der mit RL' bezeichnet ist) in dem vorstehenden Fall wie folgt:
Aus der vorstehenden Berechnung geht hervor, daß der Reflexionsverlust um 3,3 dB im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden kann.
Die Erfinder haben eine Computersimulation durchgeführt, um ein Wellenstrahlungsmuster zu berechnen, wenn eine vertikal polarisierte Welle vom Wellenleiter 26 angelegt wird. 5 ist ein Diagramm, das das Ergebnis der Computersimulation zeigt, das deutlich zeigt, daß ein gutes Strahlungsdiagramm erreicht werden kann, auch wenn der Scheibenabschnitt 44 ausgebildet ist.
Ferner haben die Erfinder die Reflexionsverluste untersucht, die in der ersten Ausführungsform (das Ergebnis ist in 6 dargestellt) und beim Stand der Technik (das Ergebnis ist in 7 dargestellt) auftreten, beide über die Frequenzen, die von 35 GHz bis 40 GHz reichen. Dieser Frequenzbereich schließt das Frequenzband (37,0 GHz bis 39,5 GHz) ein, in dem die erfindungsgemäße Linsenantenne vorzugsweise benutzt wird. Bei diesen Untersuchungen wurde ein Referenzpegel (0 dB) be stimmt, wenn die Wellen, die vom Wellenleiter 26 abgestrahlt wurden, an der ebenen Fläche der Linse 12 (1) und 42 (3) total reflektiert wurden. Wie in 6 gezeigt, war der größte Reflexionsverlust in der ersten Ausführungsform etwa –16,4 dB. Im Gegensatz dazu war der größte Reflexionsverlust beim Stand der Technik etwa –11,0 dB, wie in 7 dargestellt. Das heißt, diese Prüfung zeigt, daß die erste Ausführungsform in der Lage war, den Reflexionsverlust um etwa 5,4 dB im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren.
8 ist eine Darstellung, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie gezeigt, weist eine Linsenantenne 40' eine dielektrische Linse 42' auf, die eine zylindrische Aussparung 44' mit der Tiefe h hat. Im übrigen ist die zweite Ausführungsform in 8 mit der ersten Ausführungsform in bezug auf die Struktur identisch. Bei der zweiten Ausführungsform wird jede Welle, die von der Innenfläche der Aussparung 44' reflektiert wird, um das 0,34-fache der Wellenlänge kürzer (2h = 0,34) als die, die von der Innenfläche ohne die Aussparung 44' reflektiert wird. Es versteht sich, daß der Betrieb, wie er oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben ist, auf die zweite Ausführungsform anwendbar ist.
Es versteht sich, daß die vorstehende Offenbarung nur für zwei mögliche Ausführungsformen repräsentativ ist und daß das Konzept, auf dem die Erfindung beruht, nicht spezifisch darauf beschränkt ist.

Claims

Linsenantenne mit: einem konischen Horn; und einer Linse, die an einer Apertur des Horns befestigt ist und Wellen von dem konischen Horn kollimiert, wobei die Linse eine kreisförmige Linse mit einem Durchmesser r ist, wobei die Linse auf einer ersten Seite, die einem freien Raum zugewandt ist, eine erste ebene Fläche und auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite einen Drehungshyperboloid aufweist und aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante besteht, die von 2 bis 4 reicht, wobei die Linse mit einem zylindrischen Abschnitt versehen ist, der eine zweite ebene Fläche parallel zu der ersten ebenen Fläche hat und von der ersten ebenen Fläche um eine vorbestimmte Strecke verschoben ist, wobei der zylindrische Abschnitt mit der Linse konzentrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke so gewählt wird, daß die Wellen, die intern an der ersten und zweiten ebenen Fläche reflektiert werden, phasenungleich sind.
Linsenantenne nach Anspruch 1, wobei der zylindrische Abschnitt von der ersten ebenen Fläche vorsteht und einen Durchmesser von etwa r/3 hat.
Linsenantenne nach Anspruch 1, wobei der zylindrische Abschnitt von der ersten ebenen Fläche vertieft ist und einen Durchmesser von etwa r/3 hat.
Linsenantenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die vorbestimmte Strecke etwa 0,17λ₀ ist, wobei λ₀ eine Wellenlänge einer Mittenfrequenz eines Frequenzbereichs ist, der bei der Linsenantenne verwendet wird.