EP0956615A1 - Transmissions-polarisator - Google Patents

Transmissions-polarisator

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EP0956615A1
EP0956615A1 EP98962261A EP98962261A EP0956615A1 EP 0956615 A1 EP0956615 A1 EP 0956615A1 EP 98962261 A EP98962261 A EP 98962261A EP 98962261 A EP98962261 A EP 98962261A EP 0956615 A1 EP0956615 A1 EP 0956615A1
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EP
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circuit board
conductor track
conductor
structures
printed circuit
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EP98962261A
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Wolfgang Menzel
Dietmar Pilz
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Airbus Defence and Space GmbH
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DaimlerChrysler Aerospace AG
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Abstract

Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle. Bekannte Vorrichtungen zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromatischen Welle behalten die Entkopplung eines Signals, also das Verhältnis zwischen Nutz- und Kreuzpolarisation des einlaufenden Signals, bei. Darüber hinaus weisen sie für viele Anwendungen zu grosse Abmessungen auf. Die neu zu schaffende Vorrichtung soll die Entkopplung des Signals verbessern. Bei der Transmission einer elektromagnetischen Welle durch den Transmissions-Polarisator wird der kreuzpolarisierte Anteil eines eintreffenden Signals weitestgehend reflektiert und dadurch wird die Entkopplung des transmittierten Signals deutlich verbessert. Ausserdem kann der Transmissions-Polarisator bereits in Form einer einzigen planaren Leiterplatte realisiert werden. Der Transmissions-Polarisator eignet sich zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle von Linearer Polarisation nach Zirkularer Polarisation oder umgekehrt oder auch zur Drehung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle um einen festen Winkel.

Description

Beschreibung
Transmi ssi onπ-Pol πri sator
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Begriff der Änderung der Polarisation einer einfallen- den elektromagnetischen Welle kann vielfältige Bedeutung haben. Beispielsweise kann darunter verstanden werden die Umwandlung von linearer in zirkuläre Polarisation oder umgekehrt oder auch eine Drehung der Polarisationsrichtung der einfallenden elektromagnetischen Welle.
Die gezielte Änderung der Polarisation elektromagnetischer Wellen wird in vielen Anwendungsbereichen zur Erhöhung der Signalqualität eingesetzt. So dient beispielsweise in der Radartechnik die zirkuläre Polarisation dazu, Regenechos zu unterdrücken und erhöht so die Radar-Reichweite bei schlechtem Wetter. Auf ähnliche Weise erlaubt die zirkuläre Polarisation in der Funkkommunikation bei Frequenzen im Mi- krowellenbereich die Reduzierung von sogenannten Intersym- bol-Interferenzen.
Derartige Interferenzen entstehen, wenn elektromagnetische Signale auf dem Weg vom Sender zum Empfänger an Objekten reflektiert werden. Bei der Reflexion einer elektromagnetischen Welle ändert sich deren Polarisation. Im Extremfall des senkrechten Einfalls einer zirkulär polarisierten Welle auf einen ebenen Reflektor behält die reflektierte Welle die Drehrichtung im Raum bei, kehrt aber die Ausbreitungs- richtung im Raum um, so daß zum Beispiel aus einer rechts- zirkular polarisierten Welle eine linkszirkular polarisierte Welle wird. Eine für rechtszirkulare Polarisation ausgelegte Antenne kann deshalb das reflektierte, linkszirkular polarisierte Signal nicht empfangen, so daß im Empfänger das störende Signal nicht erscheint. Entsprechend werden störende Signale, deren Polarisationsrichtung bei einer Reflexion nicht vollständig umgekehrt wurde, gedämpft.
Eine gebräuchliche Vorrichtung zur Änderung der Polarisa- tion einer einfallenden elektromagnetischen Welle ist beispielsweise der aus der Literatur bekannte Mäanderleitungs- Polarisator [Derek McNamara, "An octave bandwith meander- line polariser consisting of five identical sheets", IEEE - APS 1981, Vol. 1, p. 237 - 240]. Dieser weist folgende Merkmale auf:
- fünf planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatten, die hintereinander, Flachseite zu Flachseite, angeordnet sind, - die Leiterplatten tragen auf der Vorderseite jeweils mehrere in einer Vorzugsrichtung angeordnete, elektrisch leitfähige Leitungen,
- eine einzelne Leitung ist mäanderförmig und erstreckt sich über den Querschnitt einer Leiterplatte,
- die mäanderförmigen Leitungen auf allen Leiterplatten sind parallel ausgerichtet, d.h. die beiden in der Ebene der Vorderseite der Leiterplatte liegenden Hauptachsen einer mäanderförmigen Leitung auf einer Leiterplatte und die beiden in der Ebene der Vorderseite der Leiterplatte liegenden Hauptachsen einer mäanderförmigen Leitung auf einer anderen Leiterplatte unterscheiden sich nicht.
Insbesondere der mehrschichtige Aufbau eines Mäanderlei- tungs-Polarisators aus mehreren hintereinander geschichteten Leiterplatten bedingt seine vergleichsweise große räumliche Ausdehnung, die eine Anwendung dieses Polarisators in vielen Einsatzbereichen erschwert, wenn nicht sogar verhindert.
Bei geeigneter Dimensionierung eines Mäanderleitungs-Pola- risators wird eine auf ihn einfallende elektromagnetische Welle mit linearer Polarisation in eine Richtung A in eine elektromagnetische Welle mit zirkularer Polarisation in eine Drehrichtung B umgewandelt. Eine zweite einfallende elektromagnetische Welle mit dazu senkrechter Polarisation (Kreuzpolarisation) , also mit linearer Polarisation in einer zur Richtung A senkrechten Richtung A" wird in eine elektromagnetische Welle mit zirkularer Polarisation in eine zur Drehrichtung B entgegengesetzten Drehrichtung B1 umgewandelt. Das bedeutet, die Entkopplung eines Signals, also das Verhältnis zwischen Nutz- und Kreuzpolarisation, beziehungsweise das Verhältnis zwischen rechts- und links- zirkularer Polarisation, kann durch einen Mäanderleitungs- Polarisator nicht verbessert werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle anzugeben, die die Entkopplung eines Signals verbessert.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung (Patentansprüche 2 bis 10) sowie bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung (Patentansprüche 11 und 12) .
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung, mindestens eine planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatte enthält, die mindestens eine Leiterplatte sowohl auf ihrer Vorderseite als auch auf ihrer Rückseite jeweils eine Vielzahl von homogen verteilten Leiterbahnstrukturen trägt, die mindestens eine Leiterplatte aus Elementarzellen aufgebaut ist, die sich jeweils zusammensetzen aus einer Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Lei- terplatte, einer ihr gegenüberliegenden Leiterbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte sowie aus dem zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen liegenden Substrat der Leiterplatte, innerhalb einer jeden Elementarzelle die beiden Leiter- bahnstrukturen derart angeordnet sind, daß die beiden in der Ebene der Vorderseite liegenden Hauptachsen einer Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte und die beiden in der Ebene der Rückseite liegenden Hauptachsen einer Leiterbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte jeweils gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel verdreht sind.
Ein augenfälliger optischer Unterschied zwischen dem be- kannten Mäanderleitungs-Polarisator und einer typischen Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß sich bei dem ersten ein einziges Einzelelement - eine langgezogene Mäanderleitung - über den ganzen Querschnitt einer Leiterplatte erstreckt, während bei der zweiten eine Vielzahl von Einzelelementen - Elementarzellen oder Leiterbahnstrukturen - in Reihen angeordnet sind, die sich über den Querschnitt der Leiterplatte erstrecken.
Ein erster Vorteil der Erfindung gegenüber dem Mäanderlei- tungs-Polarisator besteht darin, daß die erwünschte Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle erfindungsgemäß bereits mittels einer einzelnen Leiterplatte erzielt werden kann und somit die räumlichen Abmessungen einer typischen Ausführungsform der Erfindung wesentlich kleiner sind als die eines Mäanderleitungs-Po- larisators, wodurch sich die Anzahl der potentiellen Anwendungsgebiete im Vergleich zu diesem deutlich erhöht.
Vor allem aber weist die erfindungsgemäße Vorrichtung funk- tionelle Unterschiede zu einem Mäanderleitungs-Polarisator auf, wodurch der Hauptvorteil - ein hoher Grad an Signal- Entkopplung - erzielt werden kann:
Eine auf die erfindungsgemäße Vorrichtung einfallende elek- tromagnetische Welle mit bestimmter Polarisation, zum Beispiel eine elektromagnetische Welle mit linearer Polarisation in eine Richtung A, erfährt eine Änderung ihrer Polarisation, beispielsweise in eine elektromagnetische Welle mit zirkularer Polarisation in eine Drehrichtung B. Eine zweite einfallende elektromagnetische Welle mit zur ersten Welle senkrechter Polarisation (Kreuzpolarisation) wird weitestgehend reflektiert. Das bedeutet, daß die Entkopplung eines Signals, also das Verhältnis zwischen Nutz- und Kreuzpolarisation, nach der Transmission des Signals durch die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Reflexion des kreuzpolarisierten Anteils entscheidend verbessert wird.
Darüber hinaus gehende Verbesserungen der Entkopplung eines Signals nach dessen Transmission sind durch nachfolgend be- schriebene Ausführungsformen der Erfindung erzielbar, deren Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination zur Verbesserung beitragen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß jede einzelne Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Vorderseite liegenden Hauptachsen unterschiedliche Geometrien aufweist, und/oder - daß jede einzelne Leiterbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Rückseite liegenden Hauptachsen unterschiedliche Geometrien aufweist.
Diese unterschiedliche Geometrien der Leiterbahnstrukturen können beispielsweise in Form von Rechtecken, Kreuzen oder Ellipsen realisiert werden. Die Vorteile von derartigen Formgebungen bestehen in deren besonders hohen Grad der Entkopplung eines Signals nach dessen Transmission durch die Leiterplatte.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb einer jeden Elementarzelle die Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte und die Lei- terbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte derart angeordnet, daß die Projektionen der umschreibenden Vielecke der Leiterbahnstrukturen beider Seiten der Leiterplatte auf die Ebene der Vorderseite der Leiterplatte sich überschneiden.
Hier und im folgenden ist mit Projektion die bezogen auf die Ebene der Vorderseite der Leiterplatte senkrechte Pro- jektion von Koordinaten gemeint. Ein geeignetes Koordinatensystem wird beispielsweise von den Hauptachsen der Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte aufgespannt. Der Begriff des umschreibenden Vielecks bezieht sich vor allem auf Leiterbahnstrukturen in der Form von Kreuzen oder ähnlichen Gebilden und bedeutet eine Verkürzung der Randkontour sowie eine Vergrößerung der umschlossenen Fläche, beispielsweise derart, daß ein Kreuz von einem Trapez oder Rechteck umschrieben wird. Für eine Elementarzelle, die zwei Leiterbahnstrukturen in der Form von Kreuzen beinhaltet, bedeutet die Erfüllung der obigen Anordnungsanforderung, demnach nicht zwangsläufig, daß sich auch die Projektionen der Leiterbahnstrukturen selbst überschneiden.
Ist dies jedoch der Fall, so kann dadurch eine weitere Verbesserung des Entkopplungsgrades erzielt werden. Demnach sind in einer noch vorteilhafteren Ausgestaltung der Erfindung die Leiterbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte und die Leiterbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte derart angeordnet, daß die Projektionen der Leiterbahnstrukturen beider Seiten der Leiterplatte auf die Ebene der Vorderseite der Leiterplatte sich überschneiden. Eine weitere Verbesserung des Entkopplungsgrades kann bei idealer, mittiger Überschneidung der Projektionen der Leiterbahnstrukturen erzielt werden. Demnach sind in einer noch vorteilhafteren Ausgestaltung der Erfindung die Lei- terbahnstruktur auf der Vorderseite der Leiterplatte und die Leiterbahnstruktur auf der Rückseite der Leiterplatte derart angeordnet,
- daß die Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen der Leiterbahnstruktur der Vorderseite der Leiterplatte auf die Ebene der Vorderseite der Leiterplatte aufeinander fällt mit der Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen der Leiterbahnstruktur der Rückseite der Leiterplatte auf die Ebene der Vorderseite der Leiterplatte.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung weisen alle Leiterbahnstrukturen zumindest einer Seite zumindest einer Leiterplatte die gleiche Form und die glei- chen Abmessungen auf, und/oder alle Leiterbahnstrukturen zumindest einer Seite zumindest einer Leiterplatte zueinander in zumindest einer Vorzugsrichtung einheitliche Abstände auf.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die einzelnen Leiterbahnstrukturen jeweils einer Seite einer Leiterplatte zueinander parallel ausgerichtet, und - die einzelnen Leiterbahnstrukturen jeweils einer Seite einer Leiterplatte bezüglich mindestens einer Achse innerhalb der planaren Oberfläche der Leiterplatte symmetrisch angeordnet, vorzugsweise derart angeordnet, - daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen jeweils einer Seite einer Leiterplatte kollinear in zueinander senkrecht stehenden Reihen angeordnet sind, oder
- daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen jeweils einer Seite einer Leiterplatte radialsymmetrisch angeordnet sind. Die kollineare Anordnung der Leiterbahnstrukturen in zueinander senkrecht stehenden Reihen kann man sich vorstellen als homogene Auffüllung eines rechtwinkligen Rasters auf der Leiterplatte mit Leiterbahnstrukturen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält diese mehrere planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatten, die mit ihren Flachseiten parallel zueinander, hintereinander, vorzugsweise deckungsgleich, angeordnet sind.
Im folgenden werden anhand der Figuren 1 und 2 beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher er- läutert. Es zeigen
Figur 1: Die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2: Eine Elementarzelle der Leiterplatte gemäß Figur 1.
Die Figur 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf, hier anhand der speziellen Ausführungsform einer planaren, dielektrischen Leiterplatte 1, die eine einfallende, in y-Richtung linear polarisierte elektromagnetische Welle 3 nach der Transmission in eine zirkulär polarisierte elektromagnetische Welle 4 umwandelt. Mit Ex und Ey sind die Feldstärkevektoren in der x- und y- Richtung bezeichnet. Die Leiterplatte 1 trägt sowohl auf ihrer Vorderseite 11 als auch auf ihrer Rückseite 12 jeweils eine Vielzahl von homogen verteilten Leiterbahnstrukturen 21, 22. Die Leiterplatte 1 ist aus Elementarzellen 2 aufgebaut, die sich je- weils zusammensetzen aus einer Leiterbahnstruktur 21 auf der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1, einer ihr gegenüberliegenden Leiterbahnstruktur 22 auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 sowie aus dem zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen 21, 22 liegenden Substrat der Leiterplatte 1. Zu beachten ist, daß die auf der Rückseite 12 befindlichen Leiterbahnstrukturen 22 in der Figur 1 nicht perspektivisch korrekt eingezeichnet sind, sondern daß die gestrichelten Linien jeweils deren Projektionen auf die Vorderseite 11 wiedergeben!
Innerhalb einer jeden Elementarzelle 2 sind die beiden Leiterbahnstrukturen 21, 22 derart angeordnet, daß die beiden in der Ebene der Vorderseite 11 liegenden Hauptachsen einer Leiterbahnstruktur 21 auf der Vorderseite 11 der Leiter- platte 1 und die beiden in der Ebene der Rückseite 12 liegenden Hauptachsen einer Leiterbahnstruktur 22 auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 jeweils gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel verdreht sind.
Eine einzelne Leiterbahnstruktur 21 auf der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 weist in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Vorderseite 11 liegenden Hauptachsen unterschiedliche Geometrien auf. Ebenso weist eine einzelne Leiterbahnstruktur 22 auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Rückseite 12 liegenden Hauptachsen unterschiedliche Geometrien auf. Diese unterschiedlichen Geometrien sind in beiden Fällen durch die Ausgestaltung der Leiterbahnstrukturen 21, 22 in Form von Rechtecken verwirklicht. Innerhalb einer jeden Elementarzelle 2 sind die Leiterbahnstruktur 21 auf der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 und die Leiterbahnstruktur 22 auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 derart angeordnet, daß die Projektion des Schnitt- punktes der Hauptachsen der Leiterbahnstruktur 21 der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 auf die Ebene der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 aufeinander fällt mit der Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen der Leiterbahnstruktur 22 der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 auf die Ebene der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1. Das bedeutet, die Leiterbahnstrukturen 21, 22 sind derart angeordnet, daß hier jeweils die Zentren der beiden Rechtecke übereinander liegen.
Alle Leiterbahnstrukturen 21, 22 jeweils einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 weisen die gleiche Form und die gleichen Abmessungen auf, nämlich die eines jeweils identischen Rechteckes. Alle Leiterbahnstrukturen 21, 22 jeweils einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 weisen zueinander in zwei Vorzugsrichtungen, hier in waagrechter und senkrechter
Richtung innerhalb der planaren Oberfläche der Leiterplatte 1, einheitliche Abstände auf.
Die einzelnen Leiterbahnstrukturen 21, 22 jeweils einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 sind zueinander parallel ausgerichtet. Außerdem sind die einzelnen Leiterbahnstrukturen 21, 22 jeweils einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 bezüglich zweier Achsen innerhalb der planaren Oberfläche der Leiterplatte 1 symmetrisch angeordnet. Hier sind dies auf der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 die senkrechte und die waagrechte Achse durch den Mittelpunkt und auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 zwei Achsen durch den Mittelpunkt, die jeweils um den gleichen Winkel aus der Senkrechten und der Waagrechten um den Mittelpunkt verdreht sind. Darüber hinaus sind die einzelnen Leiterbahnstruk- turen 21, 22 jeweils einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 kollinear in zueinander senkrecht stehenden Reihen angeordnet und die zueinander senkrecht stehenden Reihen auf einer Seite 11, 12 der Leiterplatte 1 schneiden sich jeweils im Zentrum einer Leiterbahnstruktur 21, 22.
Die Figuren 2a und 2b zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer Elementarzelle 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1 im Detail. Figur 2a zeigt eine Projek- tion auf die Flachseite der Leiterplatte 1 gemäß Figur 1, Figur 2b zeigt einen Schnitt durch die Leiterplatte 1 gemäß Figur 1. Unter dem Begriff Elementarzelle 2 soll verstanden werden a) eine Leiterbahnstruktur 21 der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1, b) das unter ihr liegende Substrat der Dicke h und der Permittivitat εr der Leiterplatte 1 sowie c) die auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 liegende, zweite, gegen die erste um den Winkel i verdrehte Leiterbahnstruktur 22.
In dem in den Figuren 2a und 2b dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Leiterbahnstruktur 21 die Form eines Rechteckes Rl mit den unterschiedlichen Seitenlängen al und bl und die Leiterbahnstruktur 22 die Form des Rechteckes R2 mit den unterschiedlichen Seitenlängen a2 und b2. Durch die unterschiedlichen Seitenlängen erfüllen die Rechtecke Rl, R2 die Anforderung nach unterschiedlichen Geometrien in Richtung ihrer jeweiligen beiden parallel zur Ebene der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 liegenden Hauptachsen x, y und ξ, ψ.
Innerhalb der Elementarzelle 2 sind die Leiterbahnstruktur 21 auf der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 und die Leiterbahnstruktur 22 auf der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 derart angeordnet, daß die Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen x, y der Leiterbahnstruktur 21 der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 auf die Ebene der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 aufeinander fällt mit der Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen ξ, ψ der Leiterbahn- Struktur 22 der Rückseite 12 der Leiterplatte 1 auf die Ebene der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1. Das bedeutet, die Leiterbahnstrukturen 21, 22 sind derart angeordnet, daß hier jeweils die Zentren der beiden Rechtecke übereinander liegen.
Alle Leiterbahnstrukturen 21, 22 beider Seiten 11, 12 der Leiterplatte 1 weisen zueinander in zwei Vorzugsrichtungen einheitliche Mittenabstände auf, wodurch ihre Anordnung auf der Leiterplatte 1 eindeutig bestimmt wird. Hier sind diese Vorzugsrichtungen die x- und die y-Richtung des x-y-Koordi- natensystems der Leiterbahnstruktur 21. Diese Richtungen entsprechen in dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Senkrechten und der Waagrechten der Leiterplatte 1. Die Mittenabstände von einer Leiterbahnstruk- tur 21 zu ihren jeweils vier benachbarten Leiterbahnstrukturen 21 definieren die Abmessungen einer Elementarzelle 2. Der Mittenabstand zweier Leiterbahnstrukturen 21 in Querrichtung der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 (oder in x- Richtung des x-y-Koordinatensystems der dargestellten Lei- terbahnstruktur 21) trägt in Figur 2a die Bezeichnung A.
Der Mittenabstand zweier Leiterbahnstrukturen in Längsrichtung der Vorderseite 11 der Leiterplatte 1 (oder in y-Richtung des x-y-Koordinatensystems der dargestellten Leiterbahnstruktur 21) trägt in Figur 2a die Bezeichnung B.
Eine optimale Dimensionierung einer Leiterplatte 1 (hinsichtlich der Form Rl, R2 und der Abmessungen al, bl, a2 , b2 der Leiterbahnstrukturen 21, 22; der Abstände A, B der Leiterbahnstrukturen 21, 22 einer Leiterplattenseite 11, 12 untereinander; des Winkels i, um den die Leiterbahnstrukturen 21, 22 zweier Leiterplattenseiten 11, 12 gegeneinander verdreht sind; der Dicke h und der Permittivitat εr des Leiterplattensubstrates) wird zweckmäßigerweise mittels feldtheoretischer Berechnungen erstellt. Hierbei werden in der Luft und im Dielektrikum Entwicklungen für die Feldstärken angesetzt, deren Koeffizienten durch die Rand- und Stetigkeitsbedingungen auf den Metall- und Dielektrikum- Oberflächen berechnet werden.
Damit ergibt sich beispielhaft für eine Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz von 30 Gigahertz von linearer Polarisation nach zirkularer Polarisation folgende optimierte Dimensionierung:
Signalfreguenz 30 GHz
Anzahl der Leiterplatten 1
Form der Leiterbahnstrukturen identische Rechtecke Rl auf der Vorderseite 11, identische Rechtecke R2 auf der Rückseite 12
Abmessungen der Leiterbahnstrukturen al = 3,35 mm bl = 1,65 mm a2 = 0,50 b2 = 3,05 mm
Anordnung der Leiterbahnstrukturen zueinander senkrechte Reihen
A = 4,0 mm
B = 5,2 mm Verdrehung der Leiterbahnstrukturen l = 33° Dicke des Leiterplattensubstrates h = 1,57 mm
Permittivitat des Leiterplattensubstrates Er = 2,33 Entsprechend ergibt sich in einem zweiten Beispiel für eine Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz von 35 Gigahertz von linearer Polarisation nach zirkularer Polarisa- tion folgende optimierte Dimensionierung:
Signalfrequenz 35 GHz
Anzahl der Leiterplatten 1
Form der Leiterbahnstrukturen identische Rechtecke Rl auf der Vorderseite 11, identische Rechtecke R2 auf der Rückseite 12
Abmessungen der Leiterbahnstrukturen al = 2,76 mm bl = 1,38 m a2 = 0,30 mm b2 = 2,58 mm
Anordnung der Leiterbahnstrukturen zueinander senkrechte Reihen
A = 4,74 mm
B = 3,01 mm
Verdrehung der Leiterbahnstrukturen l = 32° Dicke des Leiterplattensubstrates h = 1,52 mm
Permittivitat des Leiterplattensubstrates εr = 2,5
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erweist sich in den Ausführungsformen dieser beiden Beispiele als besonders geeignet für die Änderung der Polarisation von einfallenden elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen von 30 bzw. 35 Gigahertz von linearer Polarisation nach zirkularer Polarisation und damit für eine Anwendung zum Beispiel in der Radartechnik. Die Erfindung ist aber nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So ist zum Beispiel denkbar, anstatt der Änderung der Polarisation in Form einer Umwandlung der Polarisation von linearer Polarisation in zirkuläre Polarisation oder umgekehrt, eine Änderung der Polarisation in Form einer Drehung der Polarisation, beispielsweise um 90 Grad, durchzuführen.
Anwendungsmöglichkeiten für eine derartige Vorrichtung zur Drehung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle liegen allgemein im Bereich gefalteter Linsen- oder Reflektorstrukturen, speziell bei der Erzeugung eines sogenannten Fan-Beams (d.h. einer Antennenabstrahlung, die in einer Richtung eine starke Bündelung, aber in der anderen Richtung eine schwache oder gar keine Bündelung besitzt) mit Hilfe eines speziellen Hohlleiters. Eine solche Anordnung ist leicht zu entwickeln, wenn das elektri- sehe Feld in Richtung der grossen Keulenbreite (sogenanntes H-Ebenen-Horn) liegen soll. Probleme gibt es, wenn das Feld in der anderen Richtung liegen soll (sogenanntes E-Ebenen- Horn) .
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die das Feld um 90 Grad dreht, kann man nun aber ein H-Ebenen-Horn verwenden und die Vorrichtung zur Drehung einsetzen.
Ferner ist es möglich, die einheitlichen Abmessungen und/ oder Rechteck-Formen der Leiterbahnstrukturen zu ändern. So können durchaus auch Leiterbahnstrukturen mit verschiedenen Formen und Abmessungen auftreten, beispielsweise auf verschiedenen Leiterplatten oder auf verschiedenen Seiten einer Leiterplatte oder in verschiedenen Reihen auf einer Seite einer Leiterplatte oder alternierend innerhalb einer Reihe oder in anderer Anordnung.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die rechtecki- gen Leiterbahnstrukturen so angeordnet, daß sie zueinander parallele und zueinander senkrechte Reihen bilden, wobei sich die zueinander senkrechten Reihen jeweils im Zentrum einer Leiterbahnstruktur schneiden. Es ist aber durchaus vorstellbar, daß die zueinander parallelen Reihen gegenein- ander versetzt sind, so daß die zueinander senkrechten Reihen sich nicht mehr im Zentrum einer Leiterbahnstruktur schneiden, sondern im Zentrum von jeweils vier benachbarten Leiterbahnstrukturen, d. h. am Schnitt- oder Kontaktpunkt von jeweils vier Elementarzellen. Außerdem ist es vorstell- bar, anstelle der axialsymmetrischen eine radialsymmetrische Anordnung der Leiterbahnstrukturen zu verwenden.
Außerdem ist es denkbar, mehrere Leiterplatten in Strahlrichtung hintereinander anzuordnen.

Claims

Pa fintansprüdip.
1. Vorrichtung zur Änderung der Polarisation einer ein- fallenden elektromagnetischen Welle, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, sie enthält mindestens eine planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatte (1) , die mindestens eine Leiterplatte (1) trägt sowohl auf ihrer Vorderseite (11) als auch auf ihrer Rückseite
(12) jeweils eine Vielzahl von homogen verteilten Leiterbahnstrukturen (21, 22) , die mindestens eine Leiterplatte (1) ist aus Elementarzellen (2) aufgebaut, die sich jeweils zusammensetzen aus einer Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite
(11) der Leiterplatte (1) , einer ihr gegenüberliegenden Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) sowie aus dem zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen (21, 22) liegenden Substrat der Leiterplatte (1) , innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) sind die beiden Leiterbahnstrukturen (21, 22) derart angeordnet, daß die beiden in der Ebene der Vorderseite (11) liegenden Hauptachsen (x, y) einer Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die beiden in der Ebene der Rückseite (12) liegenden Hauptachsen (ξ, ψ) einer Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) jeweils gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel (i) verdreht sind.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jede einzelne Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Vorderseite (11) liegenden Hauptachsen (x, y) unterschiedliche Geometrien auf- weist, und/oder daß jede einzelne Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) in Richtung ihrer beiden in der Ebene der Rückseite (12) liegenden Hauptachsen (ξ, ψ) unterschiedliche Geometrien aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Leiterbahnstrukturen (21, 22) die Form von Rechtecken (Rl, R2) aufweisen, oder daß die Leiterbahnstrukturen (21, 22) die Form von Kreuzen aufweisen, oder daß die Leiterbahnstrukturen (21, 22) die Form von Ellipsen aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Lei- terplatte (1) und die Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) derart angeordnet sind, daß die Projektionen der umschreibenden Vielecke der Leiterbahnstrukturen (21, 22) beider Seiten (11, 12) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der
Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) sich überschneiden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) derart angeordnet sind, daß die Projektionen der Leiterplattenstrukturen (21, 22) beider Seiten (11, 12) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der Vorderseite (11) der Leiter- platte (1) sich überschneiden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) derart angeordnet sind, daß die Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen (x, y) der Leiterbahnstruktur (21) der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) aufein- ander fällt mit der Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen (ξ, ψ) der Leiterbahnstruktur (22) der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß alle Leiterbahnstrukturen (21, 22) zumindest einer Seite (11, 12) zumindest einer Leiterplatte (1) die gleiche Form und die gleichen Abmessungen aufweisen, und/oder daß alle Leiterbahnstrukturen (21, 22) zumindest einer Seite (11, 12) zumindest einer Leiterplatte (1) zueinander in zumindest einer Vorzugsrichtung einheitliche Abstände aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) zueinander parallel ausgerichtet sind, und daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) bezüglich mindestens einer Achse innerhalb der planaren Oberfläche der Leiterplatte (1) symmetrisch angeordnet sind, vorzugsweise derart angeordnet sind, daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) kollinear in zueinander senkrecht stehenden Reihen angeordnet sind, oder daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) radialsymmetrisch angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß sie mehrere planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatten (1) enthält, die mit ihren Flachseiten parallel zueinander, hintereinander, vorzugsweise deckungsgleich, angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie genau eine planar aufgebaute, dielektrische Leiterplatte (1) enthält, - die sowohl auf ihrer Vorderseite (11) als auch auf ihrer Rückseite (12) eine Vielzahl von homogen verteilten, rechteckförmigen Leiterbahnstrukturen (21, 22) trägt, und daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die Lei- terbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) derart angeordnet sind, daß die Projektion des Schnittpunktes der Haupt- achsen (x, y) der Leiterbahnstruktur (21) der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) aufeinander fällt mit der Projektion des Schnittpunktes der Hauptachsen (ξ, ψ) der Leiterbahnstruktur (22) der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) auf die Ebene der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) , und daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) zueinander derart parallel ausgerichtet sind, und daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) bezüglich zweier zueinander senkrecht stehenden Achsen innerhalb der planaren Oberfläche der Leiterplatte (1) symmetrisch angeordnet sind, derart, daß die einzelnen Leiterbahnstrukturen (21, 22) jeweils einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) kollinear in zueinander senkrecht stehenden Reihen angeordnet sind, und - daß sich die zueinander senkrecht stehenden Reihen auf einer Seite (11, 12) einer Leiterplatte (1) jeweils im Zentrum einer Leiterbahnstruktur (21, 22) schneiden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) die Leiterbahnstrukturen (21) die Form von Rechtecken (Rl) der Kantenlängen 3,35 mm und 1,65 mm haben, daß auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) die Leiterbahnstrukturen (22) die Form von Rechtecken (R2) der Kantenlängen 0,50 mm und 3,05 mm haben, daß die zur ersten Symmetrieachse der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) parallelen Reihen der Leiterbahnstrukturen (21) einen Mittenabstand (A) von 4 , 0 mm haben, daß die zur zweiten Symmetrieachse der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) parallelen Reihen der Leiterbahn- Strukturen (21) einen Mittenabstand (B) von 5,2 mm haben, daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die beiden Leiterbahnstrukturen (21, 22) derart angeordnet, daß die beiden in der Ebene der Vorderseite (11) liegenden Hauptachsen (x, y) einer Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die beiden in der Ebene der Rückseite (12) liegenden Hauptachsen (ξ, ψ) einer Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) jeweils gegeneinander um einen Winkel (i) von 33 Grad verdreht sind, daß das Substrat der Leiterplatte (1) eine Dicke (h) von 1,57 mm und eine Permittivitat (εr) von 2,33 hat.
12 . Vorrichtung nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) die Leiterbahnstrukturen (21) die Form von Rechtecken (Rl) der Kantenlängen 2,76 mm und 1,38 mm haben, daß auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) die Leiterbahnstrukturen (22) die Form von Rechtecken (R2) der Kantenlängen 0,30 mm und 2,58 mm haben, daß die zur ersten Symmetrieachse der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) parallelen Reihen der
Leiterbahnstrukturen (21) einen Mittenabstand (A) von 4,74 mm haben, daß die zur zweiten Symmetrieachse der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) parallelen Reihen der Leiterbahn- Strukturen (21) einen Mittenabstand (B) von 3,01 mm haben, daß innerhalb einer jeden Elementarzelle (2) die beiden Leiterbahnstrukturen (21, 22) derart angeordnet, daß die beiden in der Ebene der Vorderseite (11) liegenden Hauptachsen (x, y) einer Leiterbahnstruktur (21) auf der Vorderseite (11) der Leiterplatte (1) und die beiden in der Ebene der Rückseite (12) liegenden Hauptachsen (ξ, ψ) einer Leiterbahnstruktur (22) auf der Rückseite (12) der Leiterplatte (1) jeweils gegeneinander um einen Winkel (i) von 32 Grad verdreht sind, daß das Substrat der Leiterplatte (1) eine Dicke (h) von 1,52 mm und eine Permittivitat (εr) von 2,5 hat.
13. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Änderung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle von linearer Polarisation nach zirkularer Polarisation oder umgekehrt.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Drehung der Polarisation einer einfallenden elektromagnetischen Welle um einen festen Winkel, vorzugsweise um 90 Grad.
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