DE69907948T2

DE69907948T2 - Dielektrischer laminierter reflektor für parabolantenne

Info

Publication number: DE69907948T2
Application number: DE69907948T
Authority: DE
Inventors: Alain Reineix; Marc Thevenot; Bernard Jecko
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: AU1275800A; DE69907948D1; WO2000030215A1; FR2786031A1; US6456254B1; EP1131858A1; JP2002530911A; ES2198157T3; EP1131858B1

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Parabolantennen. Nach Kenntnis der Erfinder sind die heute üblicher Weise benutzten Parabolreflektoren aus Strukturen gebildet, die entweder komplett metallisch oder mit einer Metallisation versehen sind, die als reflektierende Oberfläche dient.
Diese Reflektoren haben gewiß große Dienste erbracht. Dennoch zeigen sie die folgenden Eigenschaften auf:

– metallischer Verlust,
– keine frequenzselektive Reflektion,
– fragwürdiges Aussehen,
– nicht-triviale Herstellung,
– Verformung bei Temperaturänderung.

Man hat versucht, reflektierende Strukturen zu realisieren, darunter Parabolreflektoren, ausgehend von einem Stapel dielektrischer Schichten (siehe Dokument DE-A-3601553). Jedoch waren die auf dieser Technologieart basierenden Versuche bisher nicht zufriedenstellend.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine neue Parabolantenne vorzuschlagen, die es erlaubt, die Nachteile der herkömmlichen Technik zu beseitigen.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel mittels eines Reflektors erreicht, der aus n aneinandergefügten Schichten aus dielektrischem Material aufgebaut ist, die durch n + 1 verschiedene Paraboloid-Flächengleichungen definiert sind, welche so ausgelegt sind, daß sie einen gemeinsamen elektromagnetischen Brennpunkt definieren, wobei der elektromagnetische Brennpunkt der Fläche i durch den Ort definiert ist, an dem sich die elektromagnetischen Wellen treffen, welche an dieser Fläche reflektiert werden, während sie die diversen Schichten durchqueren und sich auf dem Weg zwischen der Fläche und dem Brennpunkt befinden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede Schicht ein homogenes Stück Dielektrikum (Plastik, Keramik, Luft, etc.) mit Dielektrizitätskonstante ε größer oder gleich 1, das geringe Verluste aufweist.
Diese Schichten können entweder mittels einfacher Juxtaposition geschichtet sein und durch eine äußere Ummantelung gehalten werden, oder aneinandergeklebt sein.
Vorzugsweise sind alle Schichten durch die gleiche Kontur begrenzt.
Die Erfinder haben ermittelt, daß ein solcher Reflektor, falls er korrekt angeordnet ist, die folgenden Eigenschaften aufweist:

– er reflektiert die elektromagnetische Energie und konzentriert sie auf einen Brennpunkt,
– er wirkt in einem Bereich um eine feste vorbestimmten Frequenz,
– er reflektiert die elektromagnetischen Wellen nicht, die nicht den Wirkungsfrequenzen entsprechen (der Reflektor weist also eine Filterfunktion auf),
– die Größe des nutzbaren Frequenzbands ist von der Wahl des Materials und der Anzahl der Schichten abhängig,
– er ermöglicht sehr schwache Verluste, sogar bei sehr hohen Frequenzen, und
– er besteht komplett aus für elektromagnetische Wellen transparentem dielektrischem Material.

Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Hierbei handelt es sich lediglich um Beispiele welche den Schutzbereich nicht einschränken. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht eines geschichteten dielektrischen Reflektors,
2 schematisch eine Fläche einer parabolischen Kontur in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, die durch Definition einer Paraboloidgleichung gegeben ist,
3 schematisch die Richtwirkung eines erfindungsgemäßen zylindrischen Reflektors,
4 schematisch die Richtwirkung eines erfindungsgemäßen Reflektors mit rechtwinkliger Kontur,
5, 6, 7 und 8 schematisch vier Varianten von Schichtstapeln, um die Bestimmung des nutzbaren Bands und des Reflektionskoeffizienten für einen erfindungsgemäßen Parabolreflektor zu veranschaulichen,
9 ein bestimmtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für einen Schichtstapel,
10 den Absolutbetrag des Reflektionskoeffizienten als Funktion der Frequenz für diesen Schichtstapel,
11 und 12 schematisch einen Reflektor mit zentralem Brennpunkt bzw. einen Reflektor mit dezentralem Brennpunkt,
13 die theoretische Richtwirkung eines erfindungsgemäßen dielektrischen Reflektors,
14 die an einem erfindungsgemäßen dielektrischen Reflektor gemessene Richtwirkung, und
15 schematisch eine Zweiband-Antenne.
In der beigefügten 1 ist ein erfindungsgemäßen Reflektor dargestellt, der aus n aneinandergefügten Schichten aus dielektrischem Material aufgebaut ist, die mit 1, 2, 3, ... n – 1, n bezeichnet sind und jeweils durch zwei Paraboloidflächen definiert sind. Folglich definiert der Stapel aus n Schichten n + 1 Paraboloid-Flächengleichungen S₁, S₂... S_i... S_n, S_n+1, In 1 ist der Durchmesser im Zentrum der n Schichten durch e₁, e₂, e₃, etc. bezeichnet. Dieser Durchmesser e kann von Schicht zu Schicht variieren. Er kann für eine Schicht auch zwischen ihrem Zentrum und ihrem Außenbereich variieren.
Die durch den Stapel von n Schichten erzeugte Kontur des Reflektors wird mit C bezeichnet.
Jede Schicht besitzt eine entsprechende Dielektrizitätskonstante ε₁, ε₂, ε₃... ε_n.
Im Rahmen der Erfindung ist jede der Schichten 1 bis n ein homogenes Stück Dielektrikum, beispielsweise aus Plastik, aus Keramik, aus Luft, etc., das eine konstante Dielektrizität ε größer oder gleich 1 besitzt und schwache Verluste aufweist.
In 1 ist unter dem Bezugszeichen Se symbolisch eine äußere Ummantelung dargestellt, die geeignet ist, den so gebildeten Schichtstapel zu halten.
Alternativ kann man auch in Betracht ziehen, die Schichten aneinanderzukleben.
Vorzugsweise sind, wie bereits angedeutet wurde, im Rahmen der Erfindung alle Schichten 1 bis n durch die gleiche Kontur C begrenzt.
In der Praxis kann diese Kontur C viele verschiedene Ausführungsformen haben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das allerdings nicht als einschränkend erachtet werden darf, weisen die den erfindungsgemäßen Reflektor bildenden Schichten aus dielektrischem Material eine rechteckige oder kreisförmige Kontur auf.
Die Abmessungen der Schichten, die Materialien aus denen sie gebildet sind, sowie die relative Positionierung jeder dieser Schichten sind entsprechend den folgenden Kriterien derart gewählt, daß in einem gegebenen Frequenzband die Eigenschaften eines exzellenten Reflektors vorliegen.
Die Flächen der Schichten 1 bis n stimmen mit Paraboloiden überein, und ihre relativen Positionen bestimmen sich durch die Position des Brennpunkts jedes Paraboloids.
Um die Flächen zu beschreiben, welche die dielektrischen Schichten begrenzen, sowie die relative Position jeder dieser Schichten S_i, wird die den Brennpunkt I_i erzeugende Paraboloidgleichung sowie die Brennweite f_i benötigt.
Die Gleichung jedes Paraboloids erhält man aus der folgenden vektorellen Relation:
in welcher P_i der Scheitel des Paraboloids S_i ist.
Nach der Projektion dieser Relation in ein kartesisches Koordinatensystem, entsprechend der Darstellung in 2, bei dem die Z-Achse parallel zur Achse ist, die den Scheitel des Paraboloids und dessen Brennpunkt verbindet, ist die Fläche des Paraboloids durch folgende Gleichung definiert: (x – xi)2 + (y – yi)2 = 4fi(fi + z – zi)
Die Fläche S_i wird durch den Teil des Paraboloids gebildet, der innerhalb des die Schichten umgebenden Zylinders liegt. Sie sind durch die Kontur C begrenzt.
Die den Reflektor bildende Juxtaposition der dielektrischen Schichten ist also durch die Menge der Paare Brennpunkt-Brennweite (I_i, f_i) definiert.
Jeder dieser beiden Parameter ist von der Wirkungsfrequenz des Reflektors und von der Permitivität ε_i der jeweiligen dielektrischen Schicht abhängig.
Zur Positionierung der verschiedenen Paraboloidflächen wird die durch den Brennpunkt I_i und den Scheitel P_i der Fläche S_i laufende Achse (I_i, P_i) verwendet, die den n + 1 Paraboloidflächen gemeinsam ist, die den Reflektor bilden. Das heißt, daß alle Punkte I_i und P_i für alle i = 1 bis i = n + 1 auf einer Linie liegen.
Um genauer zu sein: Der Reflektor kann auf Grundlage der folgenden Parameter definiert werden:

– gewünschte Richtwirkung und Abschnitt der zylindrischen Hülle, welcher die Kontur der dielektrischen Schichten definiert,
– Strahlungsdiagramm,
– für den Aufbau des Systems zur Verfügung stehendes Material (verschiedene ε_i),
– Frequenz der zu reflektierenden elektromagnetischen Signale,
– nutzbare Bandbreite um die Wirkungsfrequenz des Reflektors.

Der gleichmäßig ausgeleuchtete Richtwirkungsbereich steht in direktem Zusammenhang zur durch den Reflektor projizierten Ebene S (oder dem Abschnitt des umhüllenden Zylinders) und ist durch folgende Relation definiert:
in der λ die Wellenlänge darstellt.
Im Fall, daß der den Reflektor beinhaltende Zylinder einen rechteckigen Abschnitt der Abmessungen L_x und L_y aufweist, ist der gleichförmig ausgeleuchtete theoretische Richtbereich bei Vernachlässigung aller Verluste durch folgende Relation definiert:
in der λ die Wellenlänge darstellt.
Ist im Gegensatz dazu der den Reflektor beinhaltende Zylinder ein Kreis mit Radius R, so kann der gleichförmig ausgestrahlte Richtwirkungsbereich bei Vernachlässigung aller Verluste durch folgende Relation definiert werden:
in der λ die Wellenlänge darstellt.
Die Abmessungen des Reflektors werden in Abhängigkeit der gewünschten Richtwirkung festgesetzt, wobei die voranstehenden Formeln angewendet werden.
Das normierte Strahlungsdiagramm kann auf Grundlage der folgenden Aspekte gesteuert werden.
Diese Eigenschaft folgt dem Gesetz der Strahlungsöffnungen.
Für eine zylindrische Hülle rechteckiger Form, deren Seiten die Längen L_x und L_y haben, drückt sich das normierte Strahlungsdiagramm für eine rechteckige Öffnung durch folgende Relation aus:
wobei θ den Winkel ausgehend von der Achse (Oz) des Zylinders mißt, und ϕ der in der Ebene (O, x, y) der Öffnung liegende Winkel ist, der als Ursprung die Achse (Ox) hat (siehe 4) .
Wenn die zylindrische Hülle ein Kreis mit Radius R ist, ist das normierte Strahlungsdiagramm für eine gleichmäßig ausgeleuchtete kreisförmige Öffnung durch folgendes Gesetz gegeben:
wobei J₁ die Bessel-Funktion der Ordnung 1 ist und θ den Winkel ausgehend von der Zylinderachse Oz mißt (siehe 3).
Im allgemeinen Fall entspricht das normierte Strahlungsdiagramm bei gleichförmiger Ausleuchtung der räumlichen Fourier-Transformierten der Öffnungsgeometrie.
Die Qualität des Reflektors wird im wesentlichen durch die Anzahl der ihn aufbauenden Schichten bestimmt.
Um eine durch die Leistungsanforderungen bei der benutzten zentralen Wirkungsfrequenz des Reflektors geforderte Reflektionsstärke zu erreichen, ist die Anzahl der Schichten abhängig vom Kontrast der Permitivitäten ε_i zwischen den direkt benachbarten Schichten.
Das Gesetz, das die Variation der Dicke einer Schicht in Abhängigkeit der Permitivität beschreibt, folgt einem 1/√ε-Verlauf.
Man folgert daraus, daß die Wahl großer ε es erlaubt, die Tiefe des Reflektors zu verringern. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verwendung kleiner Permitivitäten, den Durchmesser e_i der Schichten zu vergrößern, was in bestimmten Fällen die Realisierung erleichtert (Formguß, Benutzung, ...).
Die mit der Kenntnis der Permitivitäten ε_i in Verbindung stehende Wirkungsfrequenz erlaubt es, den Abstand e_i zu bestimmen, der die beiden Seiten S_i und S_i+1 Jeder Schicht voneinander trennt. Dieser Abstand wird auf der Achse I_i, P_i gemessen, die durch den Brennpunkt I_i und den Scheitel P_i der betrachteten Paraboloidfläche läuft.
Für eine auf den Wert f₀ (in Hertz) zentrierte Wirkungsfrequenz berechnet sich der Wert des Abstands e_i in Metern auf Grundlage folgender Relation:
Die Kenntnis des Abstands e_i jeder Schicht erlaubt es, die Scheitel P_i der Paraboloide relativ zueinander zu positionieren.
Die Bestimmung der Position des Brennpunkts und der Brennweite für jede Schicht kann aufgrund der folgenden Aspekte erfolgen.
Um zufriedenstellende Reflektionseigenschaften zu bieten, erfordert solch ein Reflektor, daß die elektromagnetischen Wellen nahezu senkrecht einfallen.
Im allgemeinen wählt man die erste Brennweite f₁ derart, daß der durch die einfallende Wellenfront und die Tangente an die Fläche S₁ gebildete Winkel unterhalb von 20 Grad bleibt. Gerade beim größten Durchmesser des Paraboloids ist θ am größten.
Man erhält also:

– wobei R_max den größten Abstand zwischen der Achse I_i, P_i und der Kontur der Schichten darstellt.

Die Parameter der nachfolgenden Flächen werden sukzessiv bestimmt. Dazu ist es ratsam, sich eines Numerik-Tools zur Elektromagnetismus-Simulation zu bedienen (beispielsweise basierend auf finiten Zeitdifferenzen) und die Brennweite für jede Fläche zu bestimmen.
Zu diesem Zeitpunkt sind die f_i die einzigen fehlenden Parameter, da die Positionen der Brennpunkte I_i Funktionen der e_i und f_i sind.
Ein sehr guter Kompromiß zur Vermeidung zu vieler Rechenschritte, besteht darin, für alle Schichten den gleichen Schnitt zu benutzen.
Genauer gesagt: die Bestimmung der Brennweiten f_i jeder Paraboloidfläche S_i wird im Hinblick auf das Erreichen eines gemeinsamen und einheitlichen elektromagnetischen Brennpunkts auf folgende Weise durchgeführt.
Jede Schicht ist durch ihren auf der Rotationsachse des Systems gegebenen Durchmesser e_i, durch die Brennweite f_i, welche die konkave Paraboloidfläche S_i der Schicht definiert, und durch die konvexe Paraboloidfläche S_i+1 der Brennweite f_i+1 definiert.
Um den dielektrischen Reflektor zu studieren, betrachtet man die Propagation in einer Symmetrieebene des Reflektors. Genauer gesagt: die Achse des Paraboloids sollte in der betrachteten Ebene enthalten sein. Man ermittelt jene Brennweiten der verschiedenen Paraboloidgrenzflächen, welche es erlauben, eine maximale elektromagnetische Energie im Brennpunkt des Reflektors zu konzentrieren.
Dieser Vorgang wird schrittweise, Grenzfläche für Grenzfläche, durchgeführt, wobei man mit der dem Brennpunkt am nächsten liegenden Schicht beginnt.
Die Wahl der mit der Fläche S₁ assoziierten Brennweite f₁ legt die Brennweite des dielektrischen Reflektors fest. Das bedeutet, daß der Brennpunkt des gesamten Reflektors mit dem Brennpunkt der ersten Grenzfläche S₁ übereinstimmt. Um das Paraboloidprofil der zweiten Grenzfläche zu ermitteln, ordnet man der zweiten Fläche S₂ totalreflektierende Eigenschaft zu.
Man variiert f₂, um zu versuchen, das gesamte Beugungssignal im angenommenen Brennpunkt zu konzentrieren. Um f₃ zu bestimmen ersetzt man S₃ durch eine elektrische Wand und so fort, bis man alle Brennweiten bestimmt hat.
Beim derzeitigen Wissenstand ist es im allgemeinen nicht möglich, das um die zentrale Frequenz f₀ liegende Frequenzband im voraus zu kennen. Dennoch kann man dieses Band für jede denkbare Struktur mittels eines sehr einfach durchzuführenden numerischen Verfahrens ermitteln.
Das Verfahren besteht darin, die Impedanz der Welle zu berechnen, zurückgeführt auf das Niveau der ersten Schnittfläche S1. Die Berechnung muß im komplexen Zahlenraum durchgeführt werden. Um die Auflösung zu beginnen, führt man den Effekt der letzten Schicht n auf das Niveau der Schnittfläche n zurück. Das Ergebnis liefert die von der elektromagnetischen Welle auf dem Niveau der Schnittfläche n gesehene Impedanz. Diese Überlegung wird wiederholt, um die auf dem Niveau der Schnittfläche n – 1 gesehene Impedanz zu bestimmen, und so fort, bis die Impedanz auf der ersten Schnittfläche S₁ bekannt ist.
Setzt man einen Stapel aus den drei Schichten z₁, z₂ und z₃ der jeweiligen Dicken L₁, L₂ und L₃ voraus, die, wie in 5 gezeigt, zwischen zwei Milieus z₀, z₄ quer zu einer ein fallenden Welle angeordnet sind, dann ist die Wellenimpedanz gegeben durch:
Man eliminiert nun die letzte Schnittfläche zwischen z₃ und z₄ und ersetzt die Schicht 3 durch ein Milieu der Impedanz z_e3 (siehe 6).
Man erhält also:
Der nächste Schritt folgt der selben Überlegung. Dabei wird die Schnittfläche zwischen z₂ und z_e3 eliminiert und die Schicht 2 durch ein Milieu der Impedanz z_e2 ersetzt (siehe 7).
Man erhält also:
Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Schichten durch eine einzige Schnittfläche ersetzt sind, die das Einfallsmilieu (im allgemeinen Luft) und ein unendliches Milieu mit Impedanz z_e1 voneinander trennt (siehe 8).
Man erhält also:
Wenn die Impedanz des Schichtstapels auf das Niveau der ersten Schnittfläche zurückgeführt worden ist, kann man den Reflektionskoeffizienten bei senkrechtem Einfall nach der folgenden Relation berechnen:
Der Betrag und die Phase des Reflektionskoeffizienten sind bekannt wodurch das für den Reflektor nutzbare Frequenzband abgeschätzt werden kann.
In 9 ist schematisch ein Beispiel für einen Verbund von Schichten dargestellt, die verschiedene Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Genauer gesagt: das in 9 dargestellte Beispiel entspricht einer Struktur, die umfaßt:

– ein aus Luft gebildetes Einfallsmilieu, das eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 1 aufweist,
– eine erste Schicht von 2 mm Dicke, die eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 9 aufweist,
– eine zweite Schicht mit der Dicke 3 mm, die eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 4 aufweist,
– eine dritte Schicht der Dicke 2 mm, die eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 9 aufweist,
– eine vierte Schicht der Dicke 3 mm, die eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 4 aufweist,
– eine fünfte Schicht der Dicke 2 mm, die eine Dielektrizitätskonstante ε gleich 9 aufweist, und
– ein aus Luft bestehendes Umgebungsmilieu mit ε gleich 1.

Der auf Basis dieser Struktur durch Berechnung erhaltene Betrag des Reflektionskoeffizienten ist in 10 abgebildet.
Der Fachmann weiß, daß ein zum Empfang benutzter Parabolreflektor die einfallende Energie im Brennpunkt konzentriert, die aus der Richtung kommt, in die er gerichtet ist (Richtung der Achse (I_i, P_i)).
Dieses Prinzip ist für alle Typen von Parabolreflektoren gleich.
Dennoch kann man zwei Familien unterscheiden: Reflektoren mit zentralem Brennpunkt und Reflektoren mit dezentralem Brennpunkt.
Bei einem Reflektor mit zentralem Brennpunkt befindet sich der Brennpunkt auf der Bahn der einfallenden Welle, wie es in 11 gezeigt ist. Diese zeigt, daß das Empfangssystem für elektromagnetische Energie für den einfallenden Strahl einen Schatten bildet.
Im Gegensatz dazu liegt bei Reflektoren mit dezentralem Brennpunkt die nutzbare Fläche des Reflektors nicht mehr unmittelbar senkrecht über dem Brennpunkt.
Die im Brennpunkt befindliche Empfangsantenne stört demnach das einfallende Feld nicht mehr.
Aus diesem Grund bevorzugt man im Bereich der Erfindung die Benutzung der Reflektoren mit dezentralem Brennpunkt.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, einen Reflektor zu konzipieren, der nur zwei Typen von Dielektrika hat.
Eine weitere Vereinfachung kann darin bestehen, Luft als Dielektrikum zu verwenden, was schließlich darauf hinausläuft, daß nur ein festes Material verwendet wird, welches das zweite wechselnde Dielektrikum bildet.
In diesem Fall besteht der Reflektor aus einem Wechsel von Schichten der Dielektrizität ε₁ und aus Luft ε₂ = 1.
Die mindestens benötigte Anzahl an dielektrischen Schichten, um einen Reflektionskoeffizienten nahe 100% im nutzbaren Band des Reflektors zu erhalten, ist durch die folgende Tabelle gegeben:
Wenn das Zwischendielektrikum nicht aus Luft besteht (ε₂ ≠ 1), verkleinert sich der Permitivitätskontrast zwischen ε₁ und ε₂ und die Anzahl der benötigten Schichten nimmt zu.
Insbesondere haben die Erfinder einen Parabolreflektor mit zentralem Brennpunkt realisiert, der in einem Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt von 16 cm mit Dielektrizität ε₁ = ε_r = 2,5 enthalten ist, wobei die Flächen mittels numerischer Simulation berechnet wurden, die auf einem Berechnungscode basiert, der das Verfahren der finiten Zeitdifferenzen verwendet. Der erhaltene Reflektor funktioniert rund um 40 GHz.
In der beigefügten 13 ist die theoretische Richtwirkung dieses erfindungsgemäßen Parabolreflektors aus dielektrischem Material als durchgezogene Linie dargestellt, und in der selben Figur ist die theoretische Kurve der Richtwirkung eines metallischen Parabolreflektors mit der selben Brennweite und dem gleichen Radius r = 8 cm gestrichelt dargestellt.
Die in 13 dargestellten Richtwirkungskurven sind als Funktion der Frequenz gegeben.
Die Erfinder haben gleichermaßen einen weiteren Parabolreflektor realisiert, bei dem sich Schichten aus einem einzelnen Material mit Zwischenschichten aus Luft abwechseln. Die besagten dielektrischen Schichten besaßen eine Dielektrizitätskonstante ε_r = 2,38. Nur zwei Paraboloidflächen S₁ und S₂ wurden definiert. Wie schon vorher erwähnt, waren diese identischen Schichten ε_r = 2,38 abwechselnd mit Schichten aus Luft übereinander angeordnet. Insbesondere haben die Erfinder Reflektoren realisiert, die 7 identische Schichten mit ε_r im Wechsel mit Schichten aus Luft aufweisen.
Dieser Reflektor wurde ebenso ausgelegt, um in einem Bereich um 40 GHz zu arbeiten, und seine Abmessungen und die Gestalt seiner Kontur sind identisch zum vorangehenden Beispiel, d. h. zylindrisch kreisförmig mit Durchmesser D = 16 cm.
Die Kurve der theoretischen Richtwirkung dieses Reflektors als Funktion der Frequenz und die Kurve der tatsächlich gemessenen Richtwirkung sind, ebenso als Funktion der Frequenz, in 14 dargestellt.
Zu diesen Kurven der Richtwirkung als Funktion der Frequenz sollte bemerkt sein, daß die Reflektionsfähigkeit im nutzbaren Frequenzband leicht oszilliert (1 dB).
Der Unterschied von ungefähr 2 dB zwischen Theorie und Messung kann dem Einfluß der Schattenzone des im Brennpunkt des Reflektors positionierten Empfanghorns zugerechnet werden.
Bei der theoretischen Berechnung der Richtwirkung hat man diese Schattenzone nicht berücksichtigt.
Letztendlich haben die Erfinder festgestellt, daß die derart erzielten geschichteten dielektrischen Reflektoren insbesondere die folgenden technischen Vorteile aufzeigen:

– diese Reflektortypen funktionieren in einem Bereich, der um eine bei der Entwicklung vordefinierten Frequenz f₀ liegt,
– die Größe nutzbaren Frequenzbands um f₀ kann durch geeignete Wahl der benutzten Materialien festgelegt werden,
– die Verwendung von Materialien mit schwachen dielektrischen Verlusten erlaubt es, Reflektoren in Betracht zu ziehen, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten,
– außerhalb des nutzbaren Frequenzbands bleibt der Reflektor gegenüber elektromagnetischen Wellen transparent. Diese Eigenschaft kann benutzt werden, um Probleme der Kompatibilität, der Antennenentkopplung oder der elektromagnetischen Verbergung zu lösen,
– die Anwendungstoleranzen sind bei diesen Reflektoren weniger gravierend als bei metallischen Parabolantennen,
– man kann in Betracht ziehen, eine oder mehrere Störungen im Material einzuführen, um die dielektrische Periodizität zu brechen. Das kann es ermöglichen, eine Transmissionspitze im vom Reflektor ursprünglich reflektierten Frequenzband zu erzeugen. Diese Besonderheit kann es ermöglichen, eventuelle elektromagnetische Parasitäreffekte zu verringern. Solch eine Störung kann gebildet werden, indem in einen Schichtstapel einer gegebenen Periodizität, eine oder mehrere spezielle abweichende Schichten hinzugefügt werden, die diese Periodizität nicht einhalten, oder dadurch, daß eine oder mehrere Schichten in dieser Periodizität fehlen. Eine solcher Bruch der Periodizität des Stapels an einem oder mehreren Orten erlaubt es, Frequenzbänder im Reflektionsband des Reflektors zu erzeugen, für welche die Energie die Strukturen durchquert und nicht mehr in den Brennpunkt gelangt. Ein solcher Aufbau gewährleistet, daß die Anordnung eine frequenzielle Filterfunktion und möglicherweise sogar eine räumliche Filterfunktion hat. Folglich kann die Vorrichtung für zwei benachbarte Frequenzen auf zwei komplett verschiedene Arten reagieren: bei der ersten Frequenz ist sie transparent und bei der zweiten Frequenz konzentriert sie die Energie im Brennpunkt.

Darüber hinaus ist zu bemerken, daß bei einer industriellen Fertigung die dielektrischen Schichten mittels Formguß plastischer Materialien erzeugt werden können, was niedrige Fabrikationskosten bedeutet.
Des weiteren kann die Verwendung von Materialien mit schwachen dielektrischen Verlusten es ermöglichen, die Leistungsfähigkeit der Systeme bei jenen Frequenzen zu verbessern, bei welchen die metallischen Verluste der klassischen Reflektoren groß werden.
Im folgenden werden nun bestimmte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Reflektors beschrieben, basierend auf identischen dielektrischen Schichten aus gleichen Material.
a) Antikollisions-Radarreflektor für Fahrzeuge.
Ein solches System arbeitet vorhergesehener Weise in einem Bereich um die Frequenz 75 GHz. Aus ökonomischen Gründen wurde die Machbarkeit eines dielektischen Reflektors in Betracht gezogen, der mit Materialien realisiert wird, die Permitivitäten nahe derer derzeit benutzter plastischen Materialien aufweisen. Bei derartigen Frequenzen ist der Durchmesser des Reflektors von der Größenordnung 80 mm. Des weiteren sehen die vorgeschlagenen Beispiele Schichten der Permitivität ε₁ vor, die alle identisch sind.
Erstes Beispiel: ε₁ = 2.2 und ε₂ = 1 (7 Schichten mit ε₁ und 6 Schichten aus Luft).
Zweites Beispiel: ε₁ = 3 (6 Schichten mit ε₁ und 5 Schichten aus Luft)
Für diese beiden Beispiele wurde willkürlich eine Brennweite von f₁ = 0.04 m gewählt. Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Brennweite oder auf die angegebenen Permitivitätspaare (ε₁, ε₂).
b) Parabolantenne für TV-Empfang.
Der TV-Empfang erfolgt bei 12 GHz. Es wird ein Beispiel für eine dielektrische Parabolantenne mit 7 identischen Schichten, gebildet aus einem Material der Permitivität ε₁ = 2.5 vorgeschlagen. Diese Schichten stehen im Wechsel mit 6 Schichten aus Luft (ε₂ = 1). Die Brennweite wurde willkürlich zu f₁ = 40 cm gewählt. Andere Werte für f₁, für ε₁ und für ε₂ sind denkbar.
c) Parabolreflektor für eine Zweiband-Antenne.
Für ein System, das die elektromagnetische Energie für zwei getrennte Frequenzbänder fokussieren soll, kann man in Betracht ziehen, zwei Systeme übereinander zu legen, die so konzipiert sind, daß sie bei verschiedenen Frequenzen operieren, wie schematisch in 15 dargestellt ist.
Folglich ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Reflektor mit zwei Operationsmodi zu realisieren. Ein solcher Typ von Reflektor kann so ausgelegt werden, daß er beispielsweise rundum freq1 = 4 GHz und freq2 = 5.6 GHz operiert.
Er kann aus zwei Gruppen von sechs dielektrischen Schichten der Permitivität ε₁ = 3 aufgebaut sein. Diese Schichten stehen im Wechsel mit Schichten aus Luft (ε₂ = 1). Die erste Gruppe von dielektrischen Schichten reflektiert und konzentriert die im ersten nutzbaren Frequenzband enthaltene elektromagnetische Energie und die zweite Gruppe von Schichten konzentriert die im zweiten Frequenzband enthaltene Energie. Der Durchmesser des Reflektors ist von der Größenordnung 180 cm. Die Wahl von ε₁, ε₂ und der Brennweite kann an die gewünschten Wirkungsfrequenzbänder und an die zur Verfügung stehenden Materialien angepaßt werden.
Ein solcher Reflektor kann den folgenden Merkmalen entsprechen:
Natürlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebe ne spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erstreckt sich über alle Sinn entsprechenden Varianten.
Gemäß eines der Erfindung entsprechenden Ausführungsbeispiels kann eines der benutzten Materialien variable elektri sche Eigenschaften (Permitivität, Permeabilität) haben, die von einer äußeren Quelle abhängig sind. Das Frequenzband der Reflektionswirkung des Reflektors wäre folglich vom Pegel der angewendeten Quelle abhängig. Das Band der Reflektionswirkung und die Transmissionsbänder sind folglich steuerbar.
In den voranstehenden Tabellen bezeichnen die Ausdrücke E- 2, E-3, E-4 entsprechend 10^–2 m, 10^–3 m bzw. 10^–4 m.
Es sollte bemerkt werden, daß im erfindungsgemäßen Reflektor die jeweiligen geometrischen Brennpunkte der verschiedenen verwendeten Paraboloidflächen nicht mit dem elektromagneti schen Brennpunkt übereinstimmen, d. h. dem Brennpunkt, auf dessen Ebene ein Strahl konzentriert wird, der aus einer Einfallsrichtung auf den Reflektor auftrifft, die parallel zur Achse des Reflektors ist. Wie bereits vorher bemerkt, stimmt der elektromagnetische Brennpunkt des Reflektors mit dem geometrischen Brennpunkt der ersten konkaven Paraboloidfläche überein. Die Diskrepanz zwischen dem elektromagnetischen Brennpunkt und den geometrischen Brennpunkten der folgenden Paraboloidflächen resultiert aus der Tatsache, daß die an den folgenden Schnittflächen reflektierten Wellen den entsprechenden geometrischen Brennpunkt nicht erreichen, aber den gemeinsamen elektromagnetischen Brennpunkt aufgrund der Tatsache, daß diese Wellen dem kumulierten Effekt der beim Hin- und Rückweg durchquerten Schichten ausgesetzt sind.

Claims

Reflektor, welcher eine Parabolantenne bildet, dadurch gekennzeichnet, daß er n aneinandergefügte Schichten aus dielektrischem Material aufweist, die durch n + 1 verschiedene Paraboloid-Flächengleichungen (S₁, S₂, S_n+1) definiert sind, welche so ausgelegt sind, daß sie einen gemeinsamen elektromagnetischen Brennpunkt definieren, wobei der elektromagnetische Brennpunkt der Fläche i durch den Ort definiert ist, an dem sich die elektromagnetischen Wellen treffen, welche an dieser Fläche reflektiert werden, während sie die diversen Schichten (1. i–1) durchqueren und sich auf dem Weg zwischen der Fläche und dem Brennpunkt befinden.
Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht aus einem homogenen Stück Dielektrikum mit Dielektrizitätskonstante ε größer oder gleich 1 besteht und geringe Verluste aufweist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schichten durch die gleichen Kontur begrenzt sind.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mittels einfacher Juxtaposition geschichtet sind und durch eine äußere Ummantelung gehalten werden.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aneinandergeklebt sind.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine rechtwinklige Kontur aufweist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine kreisförmige Kontur aufweist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand e_i zwischen den zwei Flächen S_i und S_i+1 jeder Schicht bestimmt wird auf Grundlage der Relation:
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennweite derart gewählt ist, daß der durch die einfallende Wellenfront und die Tangente an die Randfläche der Schicht definierte Winkel θ kleiner als 20 Grad bleibt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Nutzbandbreite bestimmt wird, indem der auf das Niveau der ersten Schnittfläche reduzierte Wellenwiderstand berechnet wird, indem auf iterative Weise die letzte Schnittfläche gelöscht wird und die vorletzte Schicht durch eine Umgebung entsprechenden Wellenwiderstands ersetzt wird.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er einen bezüglich der Antenne dezentrierten Brennpunkt aufweist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er nur aus zwei Arten von Dielektrika gebildet ist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er Luft als Dielektrikum benutzt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Wechsel von Schichten aus festem dielektrischen Material und von Schichten aus Luft gebildet ist.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Störung (défaut) aufweist, die geeignet ist, die dielektrische Periodizität zu brechen, um eine Transmissionsspitze im Freuqenzband zu erzeugen.
Reflektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Störung gebildet wird durch das Hinzufügen mindestens einer speziell unterschiedlichen Schicht in einen Stapel von Schichten gegebener Periodizität, welche diese Periodizität nicht einhält, oder durch das Fehlen mindestens einer Schicht in der Periodizität.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen Brennpunkt/Scheitelpunkt (P_i, I_i) aller Paraboloidflächen ausgerichtet sind.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Stapel von Schichten gebildet ist, die wechselweise eine Permittivität ε₁ oder eine Permittivität ε₂ aufweisen, und daß die Anzahl an Schichten folgendermaßen gegeben ist:
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß er 7 Schichten der Permittivität ε₁ > 1 wechselnd mit 6 Schichten aus Luft umfaßt.
Reflektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß er 7 Schichten der Permittivität ε₁ = 2,2 wechselnd mit 6 Schichten aus Luft umfaßt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß er Schichten entsprechend der folgenden Tabelle umfaßt:

bei welcher e_i den auf der Rotationsachse gemessenen Abstand zwischen den zwei Flächen jeder Schicht bezeichnet und f_i die Brennweite jeweiliger dieser Flächen bezeichnet.
Reflektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß er 7 Schichten der Permittivität ε₁ = 2,4 wechselnd mit 6 Schichten aus Luft umfaßt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 19 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß er Schichten entsprechend der folgenden Tabelle umfaßt:
bei welcher e_i den auf der Rotationsachse gemessenen Abstand zwischen den zwei Flächen jeder Schicht bezeichnet und f_i die Brennweite jeweiliger dieser Flächen bezeichnet.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß er 6 Schichten der Permittivität ε₁ > 1 wechselnd mit 5 Schichten aus Luft aufweist.
Reflektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß er 6 Schichten der Permittivität ε₁ = 3 wechselnd mit 5 Schichten aus Luft umfaßt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß er Schichten entsprechend der folgenden Tabelle umfaßt:
bei welcher e_i den auf der Rotationsachse gemessenen Abstand zwischen den zwei Flächen jeder Schicht bezeichnet und f_i die Brennweite jeweiliger dieser Flächen bezeichnet.
Reflektor nach einem der Ansprüche 21 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Antikollisionsradar-Reflektor für Automobile darstellt.
Reflektor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Parabolschüssel für TV-Empfang darstellt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Übereinanderschichtung von zwei Untergruppen besteht, die ausgelegt sind, um bei verschiedenen Frequenzen zu arbeiten, und selbst durch entsprechende Stapelung von aneinandergefügten Schichten aus dielektrischem Material gebildet sind.
Reflektor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Gruppen von je 6 dielektrischen Schichten der Permittivität ε₁ = 3 wechselnd mit Schichten aus Luft umfaßt.
Reflektor nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der folgenden Tabelle entsprechen:

bei welcher e_i den auf der Rotationsachse gemessenen Abstand zwischen den zwei Flächen jeder Schicht bezeichnet und f_i die Brennweite jeweiliger dieser Flächen bezeichnet.
Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß eines der benutzten Materialien elektrische Eigenschaften wie beispielsweise Permittivität und/oder Permeabilität aufweist, die variabel und von einer äußeren Quelle abhängig sind.