EP0044503B1 - Umpolarisiereinrichtung zur Erzeugung zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Umpolarisiereinrichtung zur Erzeugung zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen Download PDF

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EP0044503B1
EP0044503B1 EP81105474A EP81105474A EP0044503B1 EP 0044503 B1 EP0044503 B1 EP 0044503B1 EP 81105474 A EP81105474 A EP 81105474A EP 81105474 A EP81105474 A EP 81105474A EP 0044503 B1 EP0044503 B1 EP 0044503B1
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polarisation
aperture
lines
grid structure
polarization
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Anton Dipl.-Ing. Brunner
Klaus Dr. Rieskamp
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • 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
    • 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
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H01Q15/12—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism functioning also as polarisation filter
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a polarity reversal device for generating circularly polarized electromagnetic waves using a single or multi-layer grating structure, each consisting of several, in the form of lines, meandering lines, line-rectangular combinations or the like Radiation aperture is attached, from which linearly polarized electromagnetic waves emanate, but which have differently distributed cross-polarization components over the course of the aperture.
  • Primary radiator, e.g. B. for search and target tracking radar antennas are usually carried out for easier polarization because of linear polarization.
  • the linear polarization of the antenna is often converted into a circular polarization by a grating structure in front of the antenna aperture.
  • a polarization converter with a lattice structure is e.g. B. is known from US-A-3 754 271.
  • Such a cross polarization suppression grid is known per se and is used to suppress or decouple the cross polarization or in general the orthogonal or depolarization compared to a desired linear or circular polarization for many applications, e.g. B. to avoid crosstalk in double polarization operation or to achieve the necessary accuracy in direction finding, of great importance.
  • gratings with metal strips or wires running perpendicular to the E vector can be used. The cross polarization component running parallel to the wires is reflected and thus suppressed. By using several such grating layers, the degree of suppression of the cross-polarization component is further increased.
  • the object of the invention is to avoid the expense of two gratings and to convert the given linear polarization of an antenna into a circular polarization with the aid of a single grating-like arrangement, the cross-polarization component which is distributed over the antenna aperture and which differs from place to place to be suppressed during the conversion, d. H. that the polarization resulting from co- and cross-polarization and different from aperture location to aperture location is to be converted into a pure, desired circular polarization at all aperture locations.
  • these two tasks namely polarization conversion and orthogonal polarization suppression, could only be carried out in separate facilities.
  • the above-mentioned object is achieved in that the lines, meandering lines, line-rectangle combinations or the like of the grating structure arranged directly in front of the radiation aperture are oriented with respect to their main direction of expansion are that at every point they are inclined at 45 ° to the E-vector of the cross-polarized E-vector field of the incident and polarizing wave.
  • the incident field is known or it can be easily determined.
  • the principle according to the invention can be used both for a flat polarization grating and for a curved, e.g. B. conical, apply when the orientation of the conductor structure is related to the projection in a plane perpendicular to the main radiation axis, ie to the antenna axis.
  • the conductors of the lattice structure are advantageously etched metal strips on a plastic film.
  • insulating layers which consist of hard foam or can be formed as a honeycomb structure are arranged for spacing between the individual foils.
  • the polarity reversal device according to the invention can be conveniently with an aperture cover (radome) of an antenna, for. B. a target tracking radar antenna.
  • radome aperture cover
  • the invention is explained below with reference to an embodiment shown in four figures.
  • the arrows 2 indicate the directions of the E vectors at the different locations of the aperture 1.
  • This vector distribution i.e. H. the polarization distribution can be calculated or measured.
  • FIG. 2 shows the same aperture 1 with a metal grating structure 3 in front of it, which generates the desired circular polarization from the polarization shown in FIG. 1.
  • the meandering conductors 4 have an orientation which is inclined at 45 ° to the respective E-vectors 2 at the corresponding points in FIG. 1. As a result, all e-vectors over the aperture 1, regardless of their inclination, are converted into the desired circular polarization without generating an orthogonal component that rotates in the opposite direction.
  • the meandering shape of the conductor 4 is indicated only in a small area of the aperture 1 to simplify the drawing.
  • Fig. 3 shows a section of a polarization grating according to the invention with three metal grating structures one above the other, each on a plastic film 5, 6 and 7 z. B. are produced by an etching process.
  • Each of these three lattice structures consists of a multiplicity of meandering conductor tracks 8.
  • the conductor tracks 8 attached to the middle film 6 and at least approximately parallel to one another in a small area lie between the conductor tracks 8 applied to the other two films 5 and 7 a certain distance can be maintained between the foils 5, 6 and 7, insulating layers 9 and 10 are arranged between these foils, which are advantageously embodied in a honeycomb structure, in particular for reasons of weight saving.
  • the thickness of the entire grating is, for example, a third wavelength.
  • FIG. 4 shows two conductor tracks 8 arranged on a film and running approximately parallel in a short area in relation to the direction of the E-vector of the incident wave present at this point.
  • the meandering conductor tracks 8 have, for example, an amplitude of one eighth wavelength and in this area a distance of approximately one tenth wavelength.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Umpolarisiereinrichtung zur Erzeugung zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen unter Verwendung einer ein- oder mehrschichtigen Gitterstruktur, die jeweils aus mehreren, in Form von Linien, Mäanderlinien, Linien-Rechteck-Kombihationen o. dgl. verlaufenden Leitern besteht und die vor einer Strahlungsapertur angebracht ist, von der linear polarisierte elektromagnetische Wellen ausgehen, die aber über den Aperturverlauf unterschiedlich verteilte Kreuzpolarisationsanteile aufweisen.
  • Primärstrahler, z. B. für Such- und Zielfolgeradarantennen, werden der leichteren Realisierbarkeit wegen zumeist für lineare Polarisation ausgeführt. Da bei Radaranwendungen für eine Verringerung der Reflexionswirkungen von Regenwolken jedoch die Verwendung zirkularer Polarisation günstiger ist, wird die lineare Polarisation des Antenne häufig durch eine Gitterstruktur vor der Antennenapertur in eine zirkulare Polarisation umgewandelt. Ein solcher Polarisationswandler mit Gitterstruktur ist z. B. aus US-A-3 754 271 bekannt. Danach erzeugen unter 45° zum E-Vektor (= elektrischer Feldvektor) der einfallenden Welle verlaufende Mäanderlinien durch die kapazitive bzw. induktive Beeinflussung der senkrecht und parallel zu ihnen liegenden E-Vektor-Komponenten einen Phasenunterschied, für den bei geeigneter Dimensionierung und Schichtung der für zirkulare Polarisation notwendige Wert von 90° erreicht wird. Auch andere Gitterstrukturen, bestehend aus geraden Linien in bestimmten Abständen in mehreren Schichten oder aus Linien-Rechteck-Kombinationen, zur Erzeugung zirkularer Polarisation sind bekannt.
  • Eine einwandfreie Zirkularpolarisation ohne gegendrehenden Orthogonalanteil wird jedoch durch die bekannte Gitterstruktur aus US-A-3 754 271 nur dann erreicht, wenn vor der Umpolarisierung eine Linearpolarisation vorliegt, die keine über den Aperturverlauf unterschiedlichen Kreuzpolarisationskomponenten aufweist. Nur dann kann mit dem bekannten Gitter die Bedingung erfüllt werden, daß seine Mäanderlinien bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung so orientiert sind, daß sie an jeder Aperturstelle zu den jeweiligen E-Vektoren des linear polarisierten E-Vektorfeldes der einfallenden und umzupolarisierenden Welle unter 45° geneigt sind. Dies liegt daran, weil beim aus US-A-3 754 271 bekannten Gitter alle Mäanderlinien in ihrer Hauptausdenhungsrichtung parallel und an jeder Stelle der Strahlungsapertur gleich gerichtet verlaufen. Sollte demnach die umzupolarisierende Linearpolarisation über diese Strahlungsapertur hinweg unterschiedlich verteilte Kreuzpolarisationskomponenten aufweisen, so gäbe es bei Verwendung des aus US-A-3 754 271 bekannten Umpolarisiergitter zur Verhütung gegendrehender und damit störender Anteile bei der zu erzeugenden Zirkularpolarisation nur die eine Möglichkeit, nämlich ein eigenes Gitter zur Sperrung der Kreuzpolarisationskomponenten überhaupt, d. h. ein sogenanntes Kreuzpolarisations-Unterdrückungsgitter dem aus US-A-3 754 271 bekannten Gitter vorzuschalten.
  • Ein solches Kreuzpolarisations-Unterdrükkungsgitter ist für sich bekannt und ist zur Unterdrückung bzw. Entkopplung der Kreuzpolarisation oder im allgemeinen der Orthogonal- oder Depolarisation gegenüber einer gewünschten Linear- oder Zirkularpolarisation für viele Anwendungen, z. B. zur Vermeidung von Übersprechen bei Doppelpolarisationsbetrieb oder zur Erzielung der nötigen Genauigkeit bei Peilverfahren, von großer Wichtigkeit. Dazu können in bekannter Weise bei linearer Polarisation Gitter mit bezüglich des E-Vektors senkrecht verlaufenden Metallstreifen oder Drähten verwendet werden. Die parallel zu den Drähten verlaufende Kreuzpolarisationskomponente wird reflektiert und damit unterdrückt. Durch die Verwendung mehrerer solcher Gitterschichten wird der Grad der Unterdrückung der Kreuzpolarisationskomponente noch erhöht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand zweier Gitter zu vermeiden und mit Hilfe einer einzigen gitterartigen Anordnung die gegebene Linearpolarisation einer Antenne in eine zirkulare Polarisation umzuwandeln, wobei der über die Antennenapertur verteilte, von Ort zu Ort unterschiedliche Kreuzpolarisationsanteil bei der Umwandlung unterdrückt werden soll, d. h. daß die aus Ko- und Kreuzpolarisation resultierende und von Aperturstelle zur Aperturstelle unterschiedliche Polarisation an allen Aperturstellen in eine reine, gewünschte zirkulare Polarisation umgewandelt werden soll. Diese beiden Aufgaben, nämlich die Polarisationsumwandlung und die Orthogonalpolarisationsunterdrückung, konnten bisher nur in getrennten Einrichtungen durchgeführt werden.
  • Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Umpolarisiereinrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird die vorstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Linien, Mäanderlinien, Linien-Rechteck-Kombinationen o. dgl. der unmittelbar vor der Strahlungsapertur angeordneten Gitterstruktur bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung so orientiert sind, daß sie an jeder Stelle zu dem an dieser Stelle vorliegenden E-Vektor des mit den Kreuzpolarisationsanteilen versehenen E-Vektorfeldes der einfallenden und umzupolarisierenden Welle unter 45° geneigt sind. In der Regel ist das einfallende Feld bekannt oder es kann leicht ermittelt werden. Nach Berechnung oder Messung der Aperturpolarisationsverteilung kann dann der Verlauf der Leiterstruktur angegeben werden.
  • Das Prinzip nach der Erfindung läßt sich sowohl für ein ebenes Polarisationsgitter als auch für ein gekrümmtes, z. B. kegelförmiges, anwenden, wenn die Orientierung der Leiterstruktur auf die Projektion in einer Ebene senkrecht zur Hauptstrahlungsachse, d. h. zur Antennenachse, bezogen ist.
  • In vorteilhafter Weie sind die Leiter der Gitterstruktur geätzte Metallstreifen auf einer Kunststoff-Folie.
  • Bei Verwendung einer mehrschichtigen Gitterstruktur werden dabei zur Abstandshaltung zwischen den einzelnen Folien Isolierstoffschichten angeordnet, welche aus Hartschaum bestehen oder aber als Wabenstruktur ausgebildet werden können.
  • Die Umpolarisiereinrichtung nach der Erfindung läßt sich in zweckmäßiger Weise mit einer Aperturabdeckung (Radom) einer Antenne, z. B. einer Zielfolgeradarantenne, zusammenfassen. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in vier Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen :
    • Figur 1 das E-Vektorfeld über die Apertur einer Parabol-Reflektorantenne,
    • Figur 2 den Verlauf der Leiterstruktur einer gitterartigen Umpolarisiereinrichtung nach der Erfindung,
    • Figur 3 die Schrägansicht eines Ausschnitts der dreischichtig ausgebildeten Einrichtung nach Fig. 2, und
    • Figur 4 in Draufsicht einen Ausschnitt der mäanderförmigen Leiterbahnen.
  • In Fig. 1 ist über eine Apertur 1 einer in einer Ansicht von vorne gezeigten Parabolreflektorantenne die E-Vektorverteilung der von dieser Antenne ausgehenden elektromagnetischen Strahlung dargestellt. Die Pfeile 2 geben die Richtungen der E-Vektoren an den verschiedenen Stellen der Apertur 1 an. Diese Vektorverteilung, d. h. die Polarisationsverteilung kann errechnet oder gemessen werden.
  • Fig. 2 zeigt die gleiche Apertur 1 mit einer Metallgitterstruktur 3 davor, welche aus der in Fig. 1 dargestellten Polarisation die gewünschte Zirkularpolarisation erzeugt. Die mäanderförmig verlaufenden Leiter 4 weisen eine Orientierung auf, die unter 45° zu den jeweiligen E-Vektoren 2 an den entsprechenden Stellen von Fig. 1 geneigt ist. Dadurch werden alle E-Vektoren über der Apertur 1, unabhängig von ihrer Neigung, in die gewünschte Zirkularpolarisation übergeführt, ohne daß ein gegendrehender orthogonaler Anteil erzeugt wird. In Fig. 2 ist zur Vereinfachung der Zeichnung nur in einem kleinen Bereich der Apertur 1 die Mäanderform der Leiter 4 angedeutet.
  • Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Polarisationsgitters nach der Erfindung mit drei Metallgitterstrukturen übereinander, welche jeweils auf einer Kunststoff-Folie 5, 6 und 7 z. B. nach einem Ätzverfahren hergestellt sind. Jede dieser drei Gitterstrukturen besteht aus einer Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen 8. Bei Draufsicht liegen die auf der mittleren Folie 6 angebrachten, in einem kleinen Bereich zumindest angenähert parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen 8 zwischen den auf den beiden anderen Folien 5 und 7 aufgebrachten Leiterbahnen 8. Damit ein bestimmter Abstand zwischen den Folien 5, 6 und 7 gehalten werden kann, sind zwischen diesen Folien Isolierstoffschichten 9 und 10 angeordnet, welche insbesondere aus Gründen der Gewichtsersparnis vorteilhaft in einer Wabenstruktur ausgeführt sind. Die Dicke des gesamten Gitters beträgt beispielsweise eine Drittelwellenlänge.
  • Fig. 4 zeigt zwei auf einer Folie angeordnete und in einem kurzen Bereich angenähert parallel verlaufende Leiterbahnen 8 in bezug zur Richtung des an dieser Stelle vorliegenden E-Vektors der einfallenden Welle. Die mäanderförmigen Leiterbahnen 8 weisen beispielsweise eine Amplitude von einer Achtelwellenlänge und in diesem Bereich einen Abstand von etwa einer Zehntelwellenlänge auf.

Claims (6)

1. Umpolarisiereinrichtung zur Erzeugung zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen unter Verwendung einer ein- oder mehrschichtigen Gitterstruktur (3), die jeweils aus mehreren in Form von Linien, Mäanderlinien, Linien-Rechteck-Kombinationen o. dgl. verlaufenden Leitern besteht und die vor einer Strahlungsapertur (1) angebracht ist, von der linear polarisierte elektromagnetische Wellen ausgehen, die aber über den Aperturverlauf unterschiedlich verteilte Kreuzpolarisationsanteile aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien, Mäanderlinien (4), Linien-Rechteck-Kombinationen o. dgl. der unmittelbar vor der Strahlungsapertur (1) angeordneten Gitterstruktur (3) bezüglich ihrer Hauptausdehnungsrichtung so orientiert sind, daß sie an jeder Stelle zu dem an dieser Stelle vorliegenden E-Vektor (2) des mit den Kreuzpolarisationsanteilen versehenen E-Vektorfeldes der einfallenden und umzupolarisierenden Welle unter 45° geneigt sind.
2. Umpolarisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mäanderförmigen Leiter (4) o. dgl. geätzte Metallstreifen (8) auf einer Kunststoffolie (5, 6, 7) sind.
3. Umpolarisiereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrschichtiger Gitterstruktur zur Abstandshaltung zwischen den Folien (5, 6, 7) lsollerstoffschichten (9, 10) angeordnet sind, welche aus Hartschaum bestehen oder als Wabenstruktur ausgebildet werden können.
4. Umpolarisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer gekrümmten, d. h. nicht ebenen Gitterstruktur, die in Anspruch 1 angegebene Orientierung der Linien, Mäanderlinien, Linien-Rechteck-Kombinationen o. dgl. auf die Projektion in einer Ebene senkrecht zur Hauptstrahlungsachse bezogen ist.
5. Umpolarisiereinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Aperturabdeckung einer Antenne.
6. Umpolarisiereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Zielfolgeradarantenne mit einem abgedeckten Reflektorspiegel ist und daß die Gitterstruktur in der Reflektoraperturabdeckung (Radom) enthalten ist.
EP81105474A 1980-07-17 1981-07-13 Umpolarisiereinrichtung zur Erzeugung zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen Expired EP0044503B1 (de)

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