EP0042611B1

EP0042611B1 - Leitergitterstruktur zur Polarisationsumwandlung elektromagnetischer Wellen

Info

Publication number: EP0042611B1
Application number: EP81104792A
Authority: EP
Inventors: Erich Dipl.-Ing. Kandler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-06-24
Filing date: 1981-06-22
Publication date: 1984-09-19
Also published as: US4437099A; DE3023561C2; EP0042611A1; DE3023561A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine in einer nicht ebenen Fläche vor der Strahlungsapertur einer Antenne angeordnete ein- oder mehrschichtige Leitergitterstruktur zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen mit einer gegebenen linearen Polarisation in solche mit zirkularer Polarisation.
Beispielsweise Radargeräte, insbesondere Zielfolgeradargeräte, werden oft für lineare Polarisation gebaut, da mit dieser unter Normalbedingungen die größte Reichweite erzielt werden kann. Mit einer linear polarisierten Antenne kann man aber Regenwolken-Echosignale, die eine ähnliche Spektralverteilung wie Flugziel-Echosignale haben, von »echten« Flugziel-Echosignalen nicht unterscheiden. Bei Verwendung von Zirkularpolarisation werden dagegen Regenwolken-Echosignale stark gedämpft und es ist eine Unterscheidung zwischen Flugzielen und Regenwolken leichter möglich. Es wird deswegen in vielen Fällen die Linearpolarisation einer Antenne, beispielsweise durch ein vor der Strahlungsapertur angebrachtes Polarisationsgitter, welches in das Radom gewöhnlich integriert ist, in Zirkularpolarisation umgewandelt. Solche bekannten und beispielsweise in der US-Patentschrift 3 754 271 beschriebenen Zirkularpolarisationsgittersind eben ausgebildet.
Ein solches ebenes Zirkularpolarisationsgitter läßt sich jedoch häufig in ein bereits bestehendes, gekrümmtes Radom vor einer Strahlungsapertur wegen der dort verfügbaren Einbaumaße nicht einbauen.
Aus DE-A-2 800 101 ist eine vor einer Hohlleiteröffnung angeordnete, gekrümmte Leitergitterstruktur bekannt, die lineare in zirkulare Polarisation umwandelt. Dieses aus parallel verlaufenden Mäanderlinien bestehende Gitter hat die Form eines Halbzylinders und verläuft somit in einer nicht ebenen Fläche vor der Strahlungsapertur. Alle Mäanderlinien des Gitters haben dabei etwa gleiche Amplituden und auch etwa gleiche Abstände voneinander. Das Gitter läßt sich so entstanden denken, daß eine ebene, regelmäßige Mäanderlinien-Struktur über die gekrümmte Fläche gelegt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei dieser bekannten Ausführung eines gekrümmten Zirkularpolarisationsgitters sich insbesondere bei stärker gekrümmten Gittern Abweichungen von der Zirkularpolarisation in Richtung auf eine elliptische Polarisation einstellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine beliebig gekrümmte Leitergitterstruktur zu schaffen, die sich in ein bereits bestehendes Radom einbauen läßt und ohne Einbuße hinsichtlich der Zirkular-Polarisationsfähigkeit arbeitet.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der geometrische Verlauf der Gitterstruktur auf der nicht ebenen Fläche durch die Projektion einer fiktiven, in der Aperturebene angeordneten und eine zirkulare Polarisation erzeugenden Gitterstruktur auf die nicht ebene Fläche bestimmt ist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die bei ebenen Zirkularpolarisationsgittern verwendeten Leiterstrukturen durch Projektion auf nicht ebene, insbesondere gekrümmte Flächen zu übertragen.
Aus US-A-3 907 565 ist es in anderem Zusammenhang bekannt, eine Spiralantenne auf der Oberfläche eines Radoms so anzuordnen, daß diese Spiralantenne, sofern sie auf eine ebene Fläche projiziert wird, geometrisch richtig verläuft. Die Voraussetzungen, die zum einen bei der Spiralantenne nach der US-A-3 907 565 und zum anderen beim Polarisationsgitter nach der Erfindung vorliegen, lassen sich aber nicht vergleichen. In der US-A-3 907 565 ist erkannt worden, daß die Anbringung einer ebenen Spiralantenne innerhalb eines kuppelförmigen Radoms zu verhältnismäßig ungünstigen Strahlungseigenschaften führt, weil zwischen der Antennenebene und der gekrümmten Radomfläche ein freier, über seine Ausdehnung nicht konstanter Luftraum entsteht, der Diskontinuitäten im Mikrowellen-Frequenzbereich ergibt. Es wurde nun versucht, zur Vermeidung dieser Diskontinuitäten die Spiralantenne entsprechend dem Radom mitzuformen. Dabei wurde festgestellt, daß eine Krümmung der Spiralantenne bis zu einem bestimmten Grad deren Strahlungsverhalten nicht allzu sehr stört. Diese Betrachtung gilt auch für denjenigen Fall, bei dem die Spiralantennenkonfiguration durch Projektion einer ebenen Spiralantenne auf die Radomoberfläche entstanden ist und damit bei senkrechter Draufsicht auf das Radom von oben identisch mit der ebenen Spiralantenne erscheint. Nicht mehr akzeptabel in ihrem Strahlungsverhalten ist allerdings die Antenne dann, wenn die Krümmung des Radoms größer ist, was z. B. bei einer Flugzeug-Radarnase gewöhnlich der Fall ist. Die Verbreiterung der Spirallinien in den äußeren Bereichen der Antenne ist dann so groß, daß die einwandfreie Funktion der Antenne nicht mehr gewährleistet ist. Es werden dannn keine ebenen Wellen mehr abgestrahlt. Diese Schwierigkeiten lassen sich erwiesenermaßen nur dadurch vermeiden, daß im zu projizierenden Bild die Dicke der Spiralbahnen nach außen hin kompensiert, d. h. verringert wird. Es müssen also bei der bekannten Antenne ab einer bestimmten Krümmung eigens Maßnahmen getroffen werden, durch welche die Spiralbahnen auf der Radomoberfläche zumindest angenähert so aussehen, als sei eine an sich ebene Spiralantenne auf die gewölbte Radomoberfläche aufgeklebt.
Bei der Erfindung dagegen ist erkannt worden, daß ein Polarisationsgitter auch dann ohne jegliche Einbuße hinsichtlich der Zirkular-Polarisationsfähigkeit arbeitet, wenn es so in eine beliebige, nicht ebene, also auch stark gekrümmte Fläche eingebracht ist, daß sein Verlauf der Projektion eines ebenen, in der Strahlungsaperturebene angebrachten Gitters entspricht. Kompensationen bei der Bemessung der Gitterleiterbreite oder -abstände, beispielsweise im äußeren Gitterbereich, sind nicht erforderlich; sie würden die Qualität der Zirkular-Polarisation sogar erheblich verringern, da sich dann Leiterabmessungen ergeben, die zu elliptische Polarisation hervorrufenden Phasenveränderungen führen würden. Diese Unterschiede zwischen dem Polarisationsgitter nach der Erfindung einerseits und der Spiralantenne andererseits bei stärker gekrümmter, mittels geometrischer Projektion aus einer ebenen Form entstandener Ausführungen ergeben sich deswegen, weil das Gitter vor einer eine ebene Welle abgebenden Strahlungsapertur angebracht ist, wogegen die Spiralantenne selbst eine Strahlungsquelle bildet.
Als Metallstrukturen werden für das Gitter wegen der wirtschaftlichen Herstellung auf Flächen aufgeätzte Muster in zweckmäßiger Weise häufiger verwendet als rostartige Lamellengitter und dergleichen. Deshalb ist es zweckmäßig, als gekrümmte Fläche die Kegelmantelfläche auszuwählen, die durch Aufrollen der in einer ebenen Fläche geätzten Metallstrukturen gebildet werden kann. Beim kegelmantelförmigen Zirkular- polarisationsgitter tritt bei der Herstellung zwar das Problem auf, das ebene Muster in der Kegelgrundfläche auf die Kegelmantelfläche zu projizieren. Da die Leiterschichten nicht ohne weiteres in Kegelform hergestellt werden können, wickelt man die Kegelmantelfläche in vorteilhafter Weise in die ebene Form ab. Das gleiche Herstellungsprinzip gilt für andere, nicht ebene Flächen, auf denen das anzufertigende Zirkular- polarisationsgitter verlaufen soll.
Für die insbesondere bei Zielfolgeradareinrichtungen übliche Frequenzbandbreite kommen verschiedene Leitermuster des Zirkularpolarisationsgitters in Frage. Die Gitterstruktur kann beispielsweise aus stetigen Linien, Mäanderlinien, aneinandergereihten Rechteckzeilen oder dergleichen bestehen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von mehreren, in sieben Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 untereinander in Seitenansicht und Draufsicht ein kegelmantelförmiges Zirkularpolarisationsgitter nach der Erfindung mit einer Linienstruktur,
Fig. untereinander in Seitenansicht und Draufsicht ein kegelmantelförmiges Zirkularpolarisationsgitter nach der Erfindung mit Mäanderstrukturen,
Fig. untereinander in Seitenansicht und Draufsicht ein kegelmantelförmiges Zirkularpolarisationsgitter nach der Erfindung mit Linien-Rechteck-Muster,
Fig. 4 die Abwicklung der Kegelmantelfläche des Gitters nach Fig. 1,
Fig. die Abwicklung der Kegelmantelfläche des Gitters nach Fig. 2,
Fig. 6 die Abwicklung der Kegelmantelfläche des Gitters nach Fig. 3 und
Fig. 7 die Abwicklung einer Kegelmantelfläche, auf welche als einfaches Beispiel eine Sinuslinie mit ihrer Grundlinie projiziert wurde.

Fig. 1 zeigt oben in einer Seitenansicht und darunter in einer Draufsicht ein Zirkular-Polarisationsgitter nach der Erfindung, welches kegelmantelförmig ausgebildet und mit dem Radom des Reflektorspiegels einer Zielfolgeradarantenne integrierbar ist. Das Gitter besteht aus metallischen Leitern 1, welche sowohl in der Draufsicht als auch in der Seitenansicht geradlinig und parallel zueinander verlaufen und gleiche Abstände zueinander aufweisen. Der Parameter für den Linienabstand ist mit k bezeichnet.
Ein ähnliches Zirkular-Polarisationsgitter zeigt in Seitenansicht und Draufsicht die Fig. 2. Hierbei besteht jedoch die Gitterstruktur nicht aus geradlinigen, sondern aus mäanderförmig ausgebildeten Metalleitern 2. Diese verlaufen in Draufsicht und Seitenansicht bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung parallel zueinander und weisen gleiche Abstände untereinander auf. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur ein kleiner Teil der Gitterstruktur als Mäanderlinie dargestellt.
Ein ähnliches Zirkular-Polarisationsgitter zeigt ebenfalls in Seitenansicht und Draufsicht die Fig. 3. Im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die Gitterstruktur nach Fig. jedoch aus einem Linien-Rechteck-Muster. Dieses Muster ist so ausgebildet, daß sowohl in der Draufsicht als auch in der Seitenansicht zueinander parallel verlaufende Linien und Rechteckreihen vorgesehen sind, wobei stets zwei Rechteckreihen unmittelbar benachbart sind und erst dann wieder eine Linie folgt. Die einzelnen Rechtecke sind mit 3 und die Linien mit 4 bezeichnet, wobei auch in dieser Figur nur einige Rechtecke angedeutet sind.
Bei den vorstehend beschriebenen kegelförmigen Zirkular-Polarisationsgittern tritt - wie bereits erwähnt - das Problem auf, das ebene Muster in der Kegelgrundfläche auf die Kegelmantelfläche zu projizieren. Da die Gitterstruktur nicht in der Kegelmantelform hergestellt werden kann, wird diese Kegelmantelfläche dazu in die ebene Form abgewickelt.
Fig. 4 zeigt die Abwicklung der Kegelmantelfläche mit dem Zirkular-Polarisationsgitter nach Fig. 1. Die Linien dieser Gitterstruktur sind in Fig. 4 ebenfalls mit 1 bezeichnet. Die Abwicklung der Kegelmantelfläche nach Fig.4 ergibt sich durch Aufschneiden des Kegelmantels nach Fig. 1, ausgehend von einem Randpunkt 5, 6 an der Kegelgrundfläche bis zur Spitze 7 der Kegelmantelfläche. Die beiden in der Abwicklung auseinanderfallenden Punkte 5 und 6 fallen bei der tatsächlichen Kegelmantelfläche gemäß Fig. 1 zusammen. Der Punkt 7 der Abwicklung der Kegelmantelfläche bildet die Spitze des kegelmantelförmigen Zirkular-Polarisationsgitters nach Fig. 1.
Die Fig. 5 und 6 zeigen gleichartige Abwicklungen der Kegelmantelfläche für die Zirkular- Polarisationsgitter nach den Fig. 2 und 3.
Auch gekrümmte Linien-Muster, die in Form von mathematischen Gleichungen explizit für die ebene Fläche eines Zirkular-Polarisationsgitters gegeben sind, können auf den Kegelmantel zur Ausbildung eines kegelmantelförmigen Zirkular- Polarisationsgitters projiziert werden.
Fig. 7 zeigt die Abwicklung einer Kegelmantelfläche, auf welche eine ebene Sinuslinie mit deren Grundlinie projiziert wurde. In der Abwicklung ergibt sich dann in diesem Bereich des Kegelmantels eine gekrümmte Grundlinie 8, um die eine verzerrte Sinuslinie 9 verläuft. Würde man die in Fig. 7 dargestellte Abwicklung zu einer tatsächlichen Kegelmantelfläche zusammenrollen, d. h. die Punkte 5 und 6 miteinander verbinden, so daß sich eine Spitze 7 bildet, so ergäbe sich bei Draufsicht und Seitenansicht auf die Kegelmantelfäche eine geradlinige und senkrechte Grundlinie 8, um welche eine unverzerrte Sinuslinie 9 schwingt.
Die in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 3 dargestellten oder ähnliche, hinsichtlich ihrer Oberflächengestalt passend ausgebildete Zirkular-Polarisationsgitter lassen sich ohne Schwierigkeiten in bereits bestehende Radome, z. B. einer Zeilfolgeradarantenne, einbauen, bei denen aufgrund der verfügbaren Einbaumaße ein ebenes Zirkular-Polarisationsgitter nicht verwendet werden kann. Eine elektrische Einbuße ist durch eine Gestaltung des Gitters nach der Erfindung nicht gegeben.

Claims

1. In einer nicht ebenen Fläche vor der Strahlungsapertur einer Antenne angeordnete ein-oder mehrschichtige Leitergitterstruktur (1) zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen mit einer gegebenen linearen Polarisation in solche mit zirkularer Polarisation, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Verlauf der Gitterstruktur (1) auf der nicht ebenen Fläche durch die Projektion einer fiktiven, in der Aperturebene angeordneten und eine zirkulare Polarisation erzeugenden Gitterstruktur auf die nicht ebene Fläche bestimmt ist.

2. Leitergitterstruktur nach Anspruch 1, zur Verwendung bei einer Reflektorspiegelantenne mit kreisflächenförmiger Strahlungsapertur, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht ebene Fläche eine vor dieser Strahlungsapertur nach außen ragende Kegelmantelfläche ist, deren Symmetrieachse mit der Mittelsenkrechten auf der Strahlungsapertur (=Kegelgrundfläche) zusammenfällt.

3. Leitergitterstruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Herstellung in einer ebenen Aufwicklungsform und eine anschließende Zusammenfügung bzw. Aufrollung dieser Form.

4. Leitergitterstruktur nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch in die ebene Aufwicklungsform geätzte Metallstreifen.

5. Leitergitterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch stetige Linien (1), Mäanderlinien (2), aneinandergereihte Rechteckzeilen (3) oder dergleichen.

6. Leitergitterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Aperturabdeckung einer Antenne.

7. Leitergitterstruktur nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Integration in die Aperturabdeckung des Reflektorspiegels einer Zielfolgeradarantenne.