EP0042612B1 - Einrichtung zur Polarisationsumwandlung elektromagnetischer Wellen - Google Patents

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EP0042612B1
EP0042612B1 EP81104793A EP81104793A EP0042612B1 EP 0042612 B1 EP0042612 B1 EP 0042612B1 EP 81104793 A EP81104793 A EP 81104793A EP 81104793 A EP81104793 A EP 81104793A EP 0042612 B1 EP0042612 B1 EP 0042612B1
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EP
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lines
meander
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layers
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Erich Dipl.-Ing. Kandler
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H01Q15/244—Polarisation converters converting a linear polarised wave into a circular polarised wave
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H01Q1/425—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome comprising a metallic grid

Definitions

  • the invention relates to a device for converting electromagnetic waves with a given polarization into those with circular polarization using a plurality of grating structures which are arranged in layers in front of a radiation aperture and which consist of conductors which are in the form of periodic meandering lines which are essentially parallel with respect to their main direction of expansion are trained.
  • radar antennas in particular target follower radar antennas
  • linear polarization since this enables the greatest range to be achieved under normal conditions.
  • rain cloud echo signals which have a spectral distribution similar to that of destination echo signals, cannot be distinguished from "real" destination echo signals.
  • circular polarization With circular polarization, the rain cloud echo signals are strongly attenuated. In general, due to the large level difference, a sufficient distinction between flight destinations and rain clouds is possible.
  • this problem is usually solved in such a way that the linear polarization of the antenna is converted into a circular polarization by a polarization grating, which is integrated in the radome attached in front of the radiation aperture.
  • the object of the invention is to design a device for converting electromagnetic waves with a given polarization into those with circular polarization of the type mentioned in such a way that the ellipticity of the circular polarization generated is considerably reduced over the entire bandwidth compared to the known circular polarization gratings.
  • this object is achieved in that at least one of the lattice structures is designed in such a way that its meandering lines are not all in phase with respect to their geometrical shape, but rather neighboring lines have a phase offset from one another.
  • the middle lattice structure is one whose neighboring meandering lines always have a phase shift
  • the two outer lattice structures are those whose meandering lines are all in phase with one another.
  • the middle lattice structure can be designed as such, the meandering lines of which are all in phase with one another, while the two outer lattice structures are those whose neighboring meandering lines always have a phase shift.
  • the individual lattice structures are advantageously arranged spatially with respect to one another such that the axes of the meandering lines, which are essentially parallel to one another, are offset from one another when viewed from above. This measure increases the bandwidth of the circular polarization grating, in particular at the upper frequency limit.
  • the meandering lines of a lattice structure are advantageously implemented as etched metal strips on a plastic film.
  • insulating layers are inserted between the foils, which e.g. can be formed in the form of a honeycomb structure, but can also consist, for example, of polymethacrylimide rigid foam as real layers of insulating material.
  • the circular polarization grating according to the invention can be used as an aperture cover of an antenna or can be integrated into such a cover (radome). Such an integration into the reflector cover can advantageously be realized in particular in the case of a target follower radar antenna with a reflector mirror.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a section of a three-layer circular polarization grating according to the invention.
  • This grid consists of three carrier layers 1, 2 and 3, which are realized by plastic films. Etched meandering metal structures 4 to 10 are provided on these layers 1 and 3, which run parallel with respect to their axes and of which on each layer only a few are shown as an example.
  • the two metal structures 4, 5 and 9, 10 on the two outer carrier layers 1 and 3 are congruent, whereas the metal structures 6, 7 and 8 of the middle carrier layer 2 are offset such that they are approximately in the gaps between the Metal structures 4, 5 and 9, 10 run.
  • a layer 14 or 15 made of insulating material is introduced for spacing, which is preferably designed as a honeycomb structure Metal structures 9 and 10 of the carrier layer 3.
  • the situation is different for the middle carrier layer 2.
  • the individual meandering metal structures 6, 7 and 8 have a geometric phase offset from one another. It is pointed out once again that only a small part of the meandering metal structures is shown for each of the three carrier layers 1, 2 and 3, which in their entirety form a lattice structure per layer. 3 shows a top view of the upper carrier layer 3, onto which, among other things, the meandering metal structures 9 and 10 are applied. It can be seen from this figure that the individual metal structures running parallel to one another have no geometrical phase offset with respect to one another. In the same way, the lower carrier layer 1 is formed with its metal structures 4 and 5.
  • FIG. 4 A top view of a section of the middle carrier layer 2 with its meandering metal structures 6, 7 and 8 is shown in FIG. 4.
  • the length of a meandering period is labeled I.
  • the offset is 1/4.
  • An offset other than 1/4 can also lead to an improvement in the measurement parameter “ellipticity of circular polarization”.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the structure of the three-layer meander circular polarization grid according to FIG. 3, have.
  • the interface is designated A-B in Fig. 3.
  • the middle carrier layer 2 on the other hand, has a metal layer 13 with a phase-shifted meandering structure, cf. the meandering lines 6, 7 and 8 in Fig. 4 on.
  • the interface for this is designated in Fig. 4 with C-D.
  • the middle meander line structure can be a geometrically "in-phase” lattice, while the two outer structures each consist of meander lines that are "staggered” in terms of phase.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen mit einer gegebenen Polarisation in solche mit zirkularer Polarisation unter Verwendung mehrerer vor einer Strahlungsapertur in Schichten angeordneter Gitterstrukturen, die aus Leitern bestehen, welche in Form von bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung im wesentlichen parallel verlaufenden, periodischen Mäanderlinien ausgebildet sind.
  • Beispielsweise Radarantennen, insbesondere Zielfolgeradarantennen, werden im allgemeinen für lineare Polarisation ausgelegt, da damit unter Normalbedingungen die grösste Reichweite erzielt werden kann. Mit einer linear polarisierten Antenne kann man jedoch Regenwolken-Echosignale, die eine ähnliche Spektralverteilung wie Flugziel-Echosignale aufweisen, von «echten» Flugziel-Echosignalen nicht unterscheiden. Bei zirkularer Polarisation werden die Regenwolken-Echosignale stark gedämpft. Im allgemeinen ist durch den grossen Pegelabstand dann eine ausreichende Unterscheidung zwischen Flugzielen und Regenwolken möglich. Technologisch wird dieses Problem gewöhnlich so gelöst, dass die lineare Polarisation der Antenne durch ein Polarisationsgitter, welches in das vor der Strahlungsapertur angebrachte Radom integriert ist, in eine zirkulare Polarisation umgewandelt wird. Ein Mass für die Güte eines solchen Zirkularpolarisationsgitters sind die Elliptizität der erzeugten Zirkularpolarisation und die Einfügungsdämpfung (Einfügungdämpfung = dielektrische Verluste und Reflexionen am Polarisator).
  • Bei den bekannten Zirkularpolarisationsgittern weisen alle Schichten gleiche Mäanderlinienstrukturen auf, die zwar - wie nach der US-PS 3754271 - bei Draufsicht von Schicht zu Schicht hinsichtlich ihrer Achsenlage versetzt sein können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen mit einer gegebenen Polarisation in solche mit zirkularer Polarisation der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die Elliptizität der erzeugten Zirkularpolarisation über die gesamte Bandbreite gegenüber den bekannten Zirkularpolarisationsgittern erheblich verringert wird.
  • Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest eine der Gitterstrukturen so ausgebildet ist, dass deren Mäanderlinien hinsichtlich ihres geometrischen Verlaufs nicht alle gleichphasig sind, sondern benachbarte Linien einen Phasenversatz untereinander aufweisen.
  • Bei Verwendung dreier in Schichten angeordneter Gitterstrukturen ist z.B. die mittlere Gitterstruktur eine solche, deren benachbarte Mäanderlinien stets einen Phasenversatz aufweisen, und die beiden äusseren Gitterstrukturen sind solche, deren Mäanderlinien zueinander alle gleichphasig verlaufen. Genauso lässt sich aber auch bei Verwendung dreier in Schichten angeordneter Gitterstrukturen die mittlere Gitterstruktur als eine solche ausbilden, deren Mäanderlinien zueinander alle gleichphasig verlaufen, während die beiden äusseren Gitterstrukturen solche sind, deren benachbarten Mäanderlinien stets einen Phasenversatz aufweisen.
  • Die einzelnen Gitterstrukturen werden in vorteilhafter Weise räumlich zueinander so angeordnet, dass die an sich im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Achsen der Mäanderlinien jeweils zweier benachbarter Gitterstrukturen bei Draufsicht zueinander versetzt sind. Durch diese Massnahme wird die Bandbreite des Zirkularpolarisationsgitters, insbesondere an der oberen Frequenzgrenze, vergrössert.
  • In vorteilhafter Weise werden die Mäanderlinien einer Gitterstruktur als geätzte Metallstreifen auf einer Kunststoff-Folie realisiert. Zur Abstandshaltung werden dabei zwischen den Folien Isolierstoffschichten eingefügt, welche z.B. in Form einer Wabenstruktur ausgebildet sein können, aber auch beispielsweise aus Polymethacrylimid Hartschaumstoff als echte Isolierstoffschichten bestehen können.
  • Bei einer gekrümmten, d.h. nicht ebenen Gitterstruktur, werden in zweckmässiger Weise die vorstehend angegebenen Massnahmen hinsichtlich des Verlaufs der Mäanderlinien auf die Projektion in einer Ebene senkrecht zur Hauptstrahlachse, d.h. parallel zur Strahlungsapertur bezogen.
  • Das Zirkularpolarisationsgitter nach der Erfindung kann als Aperturabdeckung einer Antenne verwendet werden oder in eine solche Abdekkung (Radom) integriert werden. Insbesondere bei einer Zielfolgeradarantenne mit einem Reflektorspiegel ist eine solche Integration in die Reflektorabdeckung vorteilhaft zu realisieren.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in vier Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 die perspektivische Ansicht des Aufbaus eines dreischichtigen Zirkularpolarisationsgitters nach der Erfindung,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch den Aufbau dieses dreischichtigen Gitters,
    • Fig. 3 in Draufsicht die Gitterstruktur der beiden äusseren Schichten, und
    • Fig. 4 in einer Draufsicht die Gitterstruktur der Mittelschicht.
  • In Fig. 1 ist die perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines dreischichtigen Zirkularpolarisationsgitters nach der Erfindung dargestellt. Dieses Gitter besteht aus drei Trägerschichten 1, 2 und 3, welche durch Kunststoff-Folien realisiert sind. Auf diesen Schichten 1, und 3 sind geätzte mäanderlinienförmige Metallstrukturen 4 bis 10 vorgesehen, welche bezüglich ihrer Achsen parallel verlaufen und von denen auf jeder Schicht nur einige wenige als Beispiel eingezeichnet sind. Bei Draufsicht auf das Gitter sind die beiden Metallstrukturen 4, 5 und 9, 10 auf den beiden äusseren Trägerschichten 1 und 3 deckungsgleich, wogegen die Metallstrukturen 6, 7 und 8 der mittleren Trägerschicht 2 so versetzt sind, dass sie etwa in den Lücken zwischen den Metallstrukturen 4, 5 bzw. 9, 10 verlaufen. Zwischen den Trägerschichten 1, 2 und 3 ist zur Abstandshaltung jeweils eine Schicht 14 bzw. 15 aus Isolierstoffmaterial eingebracht, welches vorzugsweise als Wabenstruktur ausgebildet ist.Die mäanderlinienförmigen Metallstrukturen 4 und 5 der Trägerschicht 1 sind hinsichtlich ihres geometrischen Verlaufs zueinander gleichphasig, ebenso wie die mäanderlinienförmigen Metallstrukturen 9 und 10 der Trägerschicht 3. Anders verhält sich dies bei der mittleren Trägerschicht 2. Hier weisen die einzelnen mäanderförmigen Metallstrukturen 6, 7 und 8 einen geometrischen Phasenversatz zueinander auf. Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass bei jeder der drei Trägerschichten 1, 2 und 3 nur ein kleiner Teil der mäanderlinienförmigen Metallstrukturen dargestellt ist, die in ihrer Gesamtheit pro Schicht jeweils eine Gitterstruktur bilden. Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht die obere Trägerschicht 3, auf welche unter anderem die mäanderlinienförmigen Metallstrukturen 9 und 10 aufgebracht sind. Es ist aus dieser Figur zu erkennen, dass die einzelnen parallel zueinander verlaufenden Metallstrukturen keinen geometrischen Phasenversatz untereinander aufweisen. In gleicher Weise ist die untere Trägerschicht 1 mit ihren Metallstrukturen 4 und 5 ausgebildet.
  • Eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der mittleren Trägerschicht 2 mit ihren mäanderlinienförmigen Metallstrukturen 6, 7 und 8 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Länge einer Mäander-Periode ist mit I bezeichnet. In diesem Beispiel beträgt der Versatz 1/4. Es kann auch ein anderer Versatz als 1/4 zu einer Verbesserung des Messparameters «EIliptizität der Zirkularpolarisation» führen.
  • Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsansicht den Aufbau des dreischichtigen Mäander-Zirkularpolarisationsgitters nach Fig. 1. Es ist zu sehen, dass die beiden äusseren Trägerschichten 1 und 3 Metallschichten 11 bzw. 12 mit einer geometrisch gleichphasigen Mäanderstruktur, vergleiche 9 und 10 in Fig. 3, aufweisen. Die Schnittstelle ist in Fig. 3 mit A-B bezeichnet. Die mittlere Trägerschicht 2 weist dagegen eine Metallschicht 13 mit einer phasenmässig versetzten Mäanderstruktur, vgl. die mäanderförmigen Linien 6, 7 und 8 in Fig. 4, auf. Die Schnittstelle hierzu ist in Fig. 4 mit C-D bezeichnet.
  • Durch schichtmässiges Vertauschen von hinsichtlich ihrer geometrischen Phase «gleichen» und «versetzten» Mäanderstrukturen sind auch noch andere Kombinationen eines dreischichtigen Mäander-Gitteraufbaus möglich. So kann z.B. die mittlere Mäanderlinienstruktur ein geometrisch «gleichphasiges» Gitter sein, während die beiden äusseren Strukturen jeweils aus phasenmässig zueinander «versetzten» Mäanderlinien bestehen.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen mit einer gegebenen Polarisation in solche mit zirkularer Polarisation unter Verwendung mehrerer vor einer Strahlungsapertur in Schichten (1, 2, 3) angeordneter Gitterstrukturen (4 bis 10), die aus Leitern bestehen, welche in Form von bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung im wesentlichen parallel verlaufenden, periodischen Mäanderlinien ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Gitterstrukturen so ausgebildet ist, dass deren Mäanderlinien (6, 7, 8) hinsichtlich ihres geometrischen Verlaufs nicht alle gleichphasig sind, sondern benachbarte Linien einen Phasenversatz untereinander aufweisen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung dreier in Schichten angeordneter Gitterstrukturen die mittlere Gitterstruktur eine solche ist, deren benachbarte Mäanderlinien (6, 7, 8) zueinander stets einen Phasenversatz aufweisen, und die beiden äusseren Gitterstrukturen solche sind, deren Mäanderlinien (4, 5 bzw. 9, 10) zueinander alle gleichphasig verlaufen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung dreier in Schichten angeordneter Gitterstrukturen die mittlere Gitterstruktur eine solche ist, deren Mäanderlinien zueinander alle gleichphasig verlaufen, und die beiden äusseren Gitterstrukturen solche sind, deren benachbarte Mäanderlinien zueinander stets einen Phasenversatz aufweisen.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Gitterstrukturen räumlich zueinander so angeordnet sind, dass die an sich im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Achsen der Mäanderlinien (4, 5 bzw. 6, 7, 8) jeweils zweier benachbarter Gitterstrukturen bei Draufsicht zueinander versetzt sind.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mäanderlinien (4 bis 10) geätzte Metallstreifen auf einer Kunststoff-Folie (1,2,3) sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstandshaltung zwischen den Folien Isolierstoffschichten (14, 15) vorgesehen sind, welche in Form einer Wabenstruktur oder als Hartschaumstoff ausgebildet sind.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gekrümmten, d.h. nicht ebenen Gitterstruktur, die in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Massnahmen hinsichtlich des Verlaufs der Mäanderlinien auf die Projektion in einer Ebene senkrecht zur Hauptstrahlachse, d.h. parallel zur Strahlungsapertur, bezogen sind.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Aperturabdeckung einer Antenne.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne eine Zielfolgeradarantenne mit einem Reflektorspiegel ist und dass die Gitterstrukturen in die Reflektorabdekkung (Radom) integriert sind.
EP81104793A 1980-06-24 1981-06-22 Einrichtung zur Polarisationsumwandlung elektromagnetischer Wellen Expired EP0042612B1 (de)

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