NO319496B1 - Linseantenne med dielektrisk linse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt forbedringer ved en linseantenne med dielektrisk linse festet til et horns åpning og gjelder nærmere bestemt en linseantenne med en forbedret dielektrisk linse for effektivt å minske forstyrrelser forårsaket av elektromagnetiske bølger reflektert internt i linsen.

Som kjent på området består en linseantenne av en dielektrisk linse festet ved et horns åpning (munning). Det dielektriske objektiv virker som et bølgekollimerende element. En linseantenne brukes typisk i jordbundne kommunikasjonssystemer med mikrobølge-utbredelse langs linjer med fri sikt.

Før foreliggende oppfinnelse forklares, synes det å være fornuftig å beskrive en kjent linseantenne med henvisning til fig. 1 på de vedføyde tegninger.

Fig. 1 er en delvis bortskåret sideskisse av en kjent linseantenne generelt betegnet med henvisningstallet 10 og som omfatter en plankonveks dielektrisk linse 12 og et konisk horn 14 som tjener som en utoverbøyet bølgeleder. Den plankonvekse linse 12 er fremstilt i et dielektrisk material som polyetylen, polystyren, e.l. med en relativ permittivitet på i området mellom omtrent 2 og 4. Linsen 12 har en plan overflate 16 som vender mot det frie rom og en hyperbolsk generatrise på innsiden (betegnet med henvisningstallet 18). Hornet 14 har en sirkulær åpning som linsen 12 er festet til ved sin omkrets. Hornet 14 har en innervegg belagt med et elektrisk ledende lag og har en flens 20 som en tilsvarende flens 22 på bølgelederelementet 24 er festet til. Henvisningstallet 26 betegner en bølgeleder.

Slik det er kjent på området omformer linsen 12 den kuleformede bølgefront på bølgen utstrålt fra en kilde 28 (dvs. en primærantenne), til en plan bølgefront. For å være mer eksplisitt kan feltet (dvs. det elektromagnetiske felt) over planoverflaten (dvs. den plane bølgefront) hvor som helst bringes i fase ved å utforme linsen slik at alle baner fra bølgekilden 28 til linseplanet har lik elektrisk lengde (Fermats prinsipp).

Som vist i fig. 1 reflekteres en del av en gitt innfallende bølge 30 på to steder på linsen 12, nemlig ved den konvekse overflate 18 (idet den reflekterte komponent er angitt med en stiplet pil 29) og den plane overflate 16. Refleksjonen fra den konvekse overflate 18 går ikke tilbake til kilden 28 unntatt fra steder ved eller nær en akse 32, og har således ingen konsekvenser. Energi reflektert fra linseplanet 16 går imidlertid tilbake nøyaktig langs utstrålingslinjen 30 og kan ha negativ virkning på energien som stråles ut fra bølgekilden 28.

Det er derfor meget ønskelig å redusere den ovenfor nevnte uønskede påvirkning som forårsakes av refleksjonene fra den plane linseoverflate

Med foreliggende oppfinnelse er det således fremskaffet en linseantenne som omfatter et konisk horn og en linse festet til en åpning i hornet og som kollimerer bølger fra det koniske horn, idet linsen er en sirkulær linse med diameter lik r og har en første plan overflate på en første side som vender mot det frie rom, og en hyperbolsk generatrise på en andre side motsatt den første, idet linsen er fremstilt i et dielektrisk material med en relativ permittivitet på i området mellom 2 og 4, og er er utført med et sylindrisk parti som har en andre plan overflate parallelt med den første plane overlate og forskjøvet fra den første plane overflate en forutbestemt avstand, idet det sylindriske parti er konsentrisk i forhold til linsen.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk, særlig fra US-patent nr. 5 166 698, har da linseantennen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den forutbestemte avstand er vaigt slik at bølger som reflekteres internt ved den første og den andre plane overflate er ute av fase.

I en utførelse av denne linseantenne rager i henhold til oppfinnelsen det sylindriske parti ut fra den første plane overflate, mens det sylindriske parti i en alternativ utførelse er tatt ut fra den første plane overflate, og i begge tilfeller har det forskjøvne, sylindriske parti fortrinnsvis en diameter på omtrent 1/3 av den sirkulære linses diameter, dvs. r/3.

I en foretrukket utførelse av linseantennen er i henhold til oppfinnelsen den forutbestemte avstand fortrinnsvis omtrent 0,17 XQ, idet XQ er bølgelengden for en senterfrekvens i et frekvensområde som linseantennen benyttes for.

Med oppfinnelsen er det på denne måte fremskaffet en linseantenne som har en forbedret dielektrisk linse som reduserer forstyrrelser forårsaket av internt reflekterte bølger.

Disse og andre særtrekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse sett i sammenheng med de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er en delvis gjennomskåret sideskisse av en linseantenne omtalt i foreliggende

beskrivelses innledning,

fig. 2 er en perspektivskisse av en linse i henhold til en første utføretsesform av

foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 er en delvis gjennomskåret sideskisse av linseantennen vist i fig. 2,

fig. 4 er et vektordiagram som tjener til å beskrive virkemåten for den første utføretses-form,

fig. 5 er en grafisk fremstilling som viser et strålemønster for linseantennen i henhold

til den første utførelsesform,

fig. 6 er et diagram som viser refleksjonstap i den første utførelsesform,

fig. 7 er et diagram som viser refleksjonstap med tidligere kjent teknikk, og fig. 8 er en perspektivskisse av en linse i henhold til en andre utførelsesform av

foreliggende oppfinnelse.

En første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives med henvising til fig. 2 - 6.

Fig. 2 er en perspektivskisse av en linseantenne 40 i henhold til den første utføresles-form. Linseantennen 40 omfatter en sirkulær, plankonveks dielektrisk linse 42 som er understøttet ved åpningen av et konisk horn 14', slik som med den tidligere kjente antenne vist i fig. 1. Linsen 42 er fremstilt i et egnet dielektrisk material med relativ permittivitet i området mellom omtrent 2 og 4. Som vist har linsen 42 et midtparti som rager utover med en høyde h. Det fremskutte parti har hovedsakelig fasong av en plate og blir således heretter betegnet en plate eller et sylindrisk parti 44. Platepartiet 44 er dannet på linsen 42 på en slik måte at det er konsentrisk i forhold til linsen. Det skal bemerkes at platepartiet 44 utgjør en del av linsen 42 og utformes på denne måte når linsen 42 produseres. For å lette beskrivelsen er den plane overflate av platepartiet 44

betegnet med henvisningstallet 44a, mens den plane overflate av linsen, bortsett fra den plane overflate 44a, er betegnet 42a. Slik som med tidligere kjent teknikk vist i fig. 1 har linsen 42 en hyperbolsk generatrise 18' på innsiden (se fig. 3). De gjenværende partier av linseantennen 40 er nøyaktig de samme som motstykkene i fig. 1 og beskrivelse av disse er derfor utelatt.

Idet diametrene for linsen 42 og platepartiet 44 betegnes henholdsvis D1 og D2, foretrekkes det at diameteren D2 utgjør omtrent en tredjedel av D1 (dvs. (D1)/3). Forholdet mellom dimensjonene av diametrene D1 og D2 bestemmes på følgende måte. Det er kjent at det elektromagnetiske felt nær kanten av linsen 42 er mindre enn det ved og nær midten av denne. Det vil si at mengden av bølger som reflekteres fra nærheten av kanten av linsen 42 er forskjellig fra mengden ved eller nær dens midtpunkt. I den hensikt effektivt å redusere det uønskede fenomen forårsaket av reflekterte bølger, er det meget ønskelig å utligne mengden av bølger som reflekteres fra overflatene 42a og 44a. På denne bakgrunn foretrekkes det at diameteren D2 bestemmes slik at den blir lik omtrent en tredjedel av D1 (dvs. (D1)/3).

I fig. 3 er det vist to bølger 50 og 52 som stammer fra bølgekilden 28. Bølgene 50 og 52 styres slik at de passerer gjennom henholdsvis overflaten 42a og 44a. Som nevnt ovenfor blir energien i hver av bølgene som passerer gjennom linseplanet (slik som 42a og 44a) delvis reflektert fra planets avgrensing. I fig. 3 betegner 50r og 52r hver av de reflekterte bølger fra bølgene 50 og 52. Det skal forstås at den reflekterte bølge 52r forsinkes med den elektriske banelengde "2 x h" sammenlignet med den reflekterte bølge 50r. Ifølge undersøkelser utført av oppfinnerne er det blitt funnet at høyden "h" fortrinnsvis bør være omtrent 0,17 k0 (hvor XQ er bølgelengden for en senterfrekvens i et nominelt frekvensområde for konstruksjonen). Dette betyr at den reflekterte bølge 52r blir forsinket eller holdt tilbake med 2 * 0,17 \ 0 = 0,34 k0 uttrykt i det frie rom (luft eller vakuum) sammenlignet med den reflekterte bølge 50r.

Oppfinnerne utførte også en datamaskinsimulering under de etterfølgende betingelser. Det vil si at linsen 42 var fremstilt i polykarbonat med en relativ permittivitet (sr) på 2,85, mens diametrene D1 og D2 var på henholdsvis 200 mm og 60 mm. Det ble antatt at det tilgjengelige frekvensbånd befant seg i området fra 37,00 til 39,50 GHz, og følgelig var senterfrekvensen 28,25 GHz (*.0 = 7,84 mm). Derfor ble høyden "h" av platepartiet 44 beregnet ved utnyttelse av den etterfølgende ligning: h = 0,17 yer<1/2> = (0,17 x 7,84)/2,85<1/2> * 0,8 mm

Som nevnt ovenfor blir bølgen reflektert fra planoverflaten 44a (slik som bølgen 52r) forsinket 0,34 k0 (uttrykt for et fritt rom (luft eller vakuum)) sammenlignet med bølgen reflektert fra planoverflaten 42a (slik som bølgen 50r).

Et spesielt eksempel som viser fordelen ved den første utførelsesform i forhold til tidligere kjent teknikk skal nå bli drøftet. Først omtales det et tilfelle hvor det ovenfor nevnte plateparti 44 ikke er anordnet (slik som med tidligere kjent teknikk vist i fig. 1).

Parametrene forbundet med linseplanet 16 defineres som følger:

E^: bølge innfallende på linseplanet 16,

E1t: bølge som passerer gjennom planet 16,

E1r: bølge reflektert fra planet 16, og

R1: refleksjonskoeffisient (vektor) ved planet 16.

Anta dessuten at:

Siden refleksjonstapet RL er gitt ved 10 log |R|<2>, blir da:

I forbindelse med den første utførelsesform defineres på den annen side parametrene forbundet med planet 44a av platepartiet 44, som følger:

E2j: bølge innfallende på linseplanet 44a,

E2t: bølge som passerer gjennom planet 44a,

E2r: bølge reflektert fra planet 44a, og

R2: refleksjonskoeffisient (vektor) ved planet 44a.

Videre defineres parametrene forbundet med planet 42a av linsen 42, som følger:

E3j: bølge innfallende på linseplanet 42a,

E3t: bølge som passerer gjennom planet 42a,

E3r: bølge reflektert fra plantet 42a, og

R3: refleksjonskoeffisient (vektor) ved planet 42a, idet

Rt = R2 + R3

Derfor er faseforskjellen (betegnet 6) mellom E2r og E3r gitt ved:

I det som er angitt ovenfor antas det at de bølgemengder som reflekteres ved planene 40a og 42a er lik hverandre.

Fig. 4 er et vektordiagram som viser forholdet mellom E2r og E3r, og hvis faseforskjell er ø.

Anta at |E2rÆ2i| = 0,3, da oppnås:

Som et resultat blir refleksjonstapet (betegnet RL') i tilfellet ovenfor, som følger:

Av beregningen ovenfor forstås det at refleksjonstapet kan reduseres med 3,3 dB sammenlignet med tidligere kjent teknikk.

Oppfinnerne utførte en datamaskinsimulering for å bestemme et bølgestrålemønster i det tilfelle en vertikal polarisert bølge forsterkes fra bølgelederen 26. Fig. 5 er en grafisk fremstilling som viser resultatet av datamaskinsimuleringen og som klart angir at et godt strålemmønster kan oppnås selv om platepartiet 44 er utformet.

Videre undersøkte oppfinnerne refleksjonstap som opptrer i den første utførelsesform (idet resultatet er vist i fig. 6) og ved tidligere kjent teknikk (idet resultatet er vist i ftg. 7), når begge tilfeller dekker over et frekvensområde mellom 35 og 40 GHz. Dette frekvensområde inneholder frekvensbåndet (37,0 - 39,5 GHz) som linseantennen som realiserer foreliggende oppfinnelse, fortrinnsvis benyttes i. Ved denne undersøkelse ble et referansenivå (0 dB) bestemt når bølgene utstrålet fra bølgelederen 26 ble fullstendig reflektert ved planoverflatene for linsen 12 (fig. 1) og 42 (fig. 3). Som vist i fig. 6 var det verste refleksjonstap i den første utførelsesform omtrent -16,4 dB. I motsetning til dette var det verste refleksjonstap med den tidligere kjente teknikk omtrent -11,0 dB slik som inntegnet i fig. 7. Det vil si at denne undersøkelse antyder at den første utførelse var i stand til å redusere refleksjonstapet med omtrent 5,4 dB sammenlignet med tidligere kjent teknikk.

Fig. 8 er en skisse som viser en andre utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Som vist har linseantennen 40' en dielektrisk linse 42' som har en sylindrisk uttagning 44' med dybde h. Bortsett fra dette er den andre utførelsesform vist i fig. 8 identisk med den første utførelsesform med hensyn til struktur og oppbygning. Med den andre utførelse blir hver bølge reflektert fra den indre overflate av uttagningen 44' kortere enn bølger som reflekteres fra en indre overflate forskjellig fra uttagningen 44', dvs. 0,34 av en bølgelengde (2h = 0,34) kortere. Forståelig nok gjelder virkemåten drøftet ovenfor med hensyn til den første utførelsesform også som virkemåte for den andre utførelses-form.

Claims (4)

1. Linseantenne (40) som omfatter et konisk horn (14) og en linse (42) festet til en åpning i hornet og som kollimerer bølger fra det koniske horn, idet linsen er en sirkulær linse med diameter (D1) lik r og har en første plan overflate (42a) på en første side som vender mot det frie rom, og en hyperbolsk generatrise (18) på en andre side motsatt den første, idet linsen er fremstilt i et dielektrisk material med en relativ permittivitet på i området mellom 2 og 4, og er er utført med et sylindrisk parti (44) som har en andre plan overflate (44a) parallelt med den første plane overlate (42a) og forskjøvet fra den første plane overflate en forutbestemt avstand (h), idet det sylindriske parti (44) er konsentrisk i forhold til linsen (42), karakterisert ved at den forutbestemte avstand (h) er valgt slik at bølger som reflekteres internt ved den første og den andre plane overflate (42a, 44a) er ute av fase.

2. Linseantenne som angitt i krav 1, og hvor det sylindriske parti rager (44) ut fra den første plane overflate (42a) og har en diameter (D2) på omtrent r/3.

3. Linseantenne som angitt i krav 1, og hvor det sylindriske parti (44') er tatt ut fra den første plane overflate (42') og har en diameter (D2) på omtrent r/3.

4. Linseantenne som angitt i krav 1, 2 eller 3, og hvor den forutbestemte avstand (h) er omtrent 0,17 X0, idet X0 er bølgelengden for en senterfrekvens i et frekvensområde som linseantennen benyttes for.