Pierwszenstwo: 21. IX.1963 Niemiecka Republika Demokratyczna Opublikowano: 21. XI. 1966 51941 KI. 21 a', 46/02 MKP ll(M II Ul II UKD [BIBLIOTEKA iUijn;Uu 'Puientowegc Twórca wynalazku: inz. Hans-KlausNoefke ~ Wlasciciel patentu: VEB Rafena-Werke Fernseh-uind Nachrichtentechnik Radeberg, Radeberg (Niemiecka Republika Demo¬ kratyczna) Samonosny element konstrukcyjny do anten o wlasciwosciach przy¬ spieszania lub opózniania fazy Przedmiotem wynalazku jest samonosny element konstrukcyjny do anten, fetory oddzialywuje na rozklad fazy elektromagnetycznego poila promienio¬ wania, Samonosny element konstrukcyjny wedlug wynalazku, jest stosowany w szczególnosci w tech¬ nice antenowej jako zewnetrzna warstwa okrywa¬ jaca do reflektorów lub jako soczewka, za pomo¬ ca której mozliwe jest uzyskanie wymaganego roz¬ kladu fazy. Samonosny element konstrukcyjny moze byc takze uzyty do obudowy, wzglednie do okrycia anteny i z tego tez powodu musi byc obli¬ czany z uwzglednieniem mozliwosci minimalnego oddzialywania na faze.Znana jest konstrukcja elementu anteny, wyka¬ zujaca wlasciwosci przyspieszania fazy. Konstru¬ kcja ta stanowi równolegle polaczenia duzej ilosci falowodów o prostokatnym przekroju poprzecznym.Przez dobranie odjpowiedniich wymiarów elemen¬ tów tej konstrukcji mozna uzyskac zadana zale¬ znosc fazy od czestotliwosci i/albo polaryzacji.Konstrukcja ta jest wykonana z przygotowanych uprzednio plaskich zeber, które wsuwane zostaja jedno w drugie i laczone ze soba w sposób trwaly przez nitowanie, spawanie, lutowanie lub klejenie.Przy zastosowaniu konstrukcji do budowy powie¬ rzchni reflektora, zebra polaczone zostaja za po¬ moca jednego ze wspomnianych sposobów takze i z jego powierzchnia.Opisany wyzej sposób wytwarzania konstrukcji jest bardzo kosztowny. Poniewaz wymiary przekro- 10 15 20 25 30 2 ju poprzecznego falowodu sa odwrotnie proporcjo¬ nalne do czestotliwosci roboczej, przeto wraz z cze¬ stotliwoscia rosna takze koszty wytwarzania. Ze wzrostem czestotliwosci rosnie ponadto szkodliwy wplyw grubosci blachy, z która nie mozna zejsc zbyt nisko ze wzgledu na wytrzymalosc materialu.Znana jest równiez konstrukcja elementu anteny o wlasciwosciach opózniania fazy, wykonana przy zastosowaniu dielektryka. Zadana zaleznosc od cze¬ stotliwosci i/ albo polaryzacji otrzymuje sie w tym przypadku przez nadanie konstrukcji odpowie¬ dnich ksztaltów i przez wlasciwy wybór pomiedzy dielektrykiem jednorodnym i niejednorodnym o od- powiedniej wzglednej stalej dieiekfcrycanej. Kon¬ strukcje takie sa wykonywane w znany sposób przez obróbke wiórowa lub bezwiórowa.Opisana konstrukcja jest pracochlonna i bardzo kosztowna, szczególnie przy duzych wymiarach an» ten. Dlatego tez konstrukcje tego rodzaju znajduja znikome zastosowanie przy seryjnej produkcji an¬ ten. Niezaleznie od tego, ze wzgledu na wytrzy¬ malosc konstrukcji stosowane byc musza liczne usztywnienia, które wywieraja znowu ujemny wplyw na wlasciwosci elektryczne anteny. Ponie¬ waz dielektryk musi czynic takze zadosc wymaga¬ niom pod wzgledem wytrzymalosci mechanicznej i odpornosci na wplywy atmosferyczne, przeto wie¬ le materialów nie znajduje zastosowania do tego celu, chociaz wykazuja one bardzo dobre wlasciwo* sci elektryczne. 5194151941 3 Znane jest wreszcie stosowanie konstrukcji samo- nosnych przy wytwarzaniu dowolnie zakrzywionych plaszczyzn. Technika takich konstrukcji jest pro¬ sta, ulatwia zachowanie tolerancji produkcyjnych a czesci skladowe wykazuja w seriach produkcyj¬ nych daleko idaca jednorodnosc. Konstrukcje te wykonywane sa z tworzyw sztucznych. W razie po¬ trzeby, na przyklad w przypadku reflektora, po¬ wierzchnia tworzywa jest metalizowana.Stosowanie w antenach o zwyklej konstrukcji metalowej lub o korzystniejszej pod wzgledem eko¬ nomicznym konstrukcji samonosnej, dodatkowych elementów przyspieszajacych lub opózniajacych faze, powieksza pracochlonnosc wykonania a tym samym i koszt produktu. Okrycia lub obudowy an¬ ten wykonane z materialu o strukturze samonosnej z rdzeniem komórkowym maja te wade, ze zmie¬ niaja rozklad fazy, a tym samym zmieniaja cha¬ rakterystyke kierunkowa anteny.Celem wynalazku jest zmniejsoenie dodatkowych kosztów niezbednych przy stosowaniu srodków wy¬ wierajacych wplyw na faze oraz usuniecie wad te¬ chnologicznych i elektrycznych, jakie towarzyszy¬ ly tym srodkom, w dotychczasowym wykonywaniu anten.Zadaniem wynalazku jest stworzenie elementów konstrukcji antenowych z materialu o strukturze samonosnej, w szczególnosci reflektora i okrycia, tak aby elementy te mogly bez stosowania dodatko¬ wych srodków technicznych oddzialywac w zadany sposób na faze, przez co zapewniona jest wyzsza jakosc konstrukcji antenowych przy równoczesnym nizszym koszcie ich wytwarzania.Zgodnie z wynalazkiem zadanie to zostalo rozwia¬ zane przez wybór materialu i nadanie ksztaltu poszczególnym elementom tworzacym konstrukcje samonosna, jak równiez przez obróbke powierz¬ chniowa poszczególnych elementów tej konstrukcji.W wyniku wyboru wlasciwego materialu, nadania odpowiedniego ksztaltu i zastosowania wlasciwej obróbki powierzchniowej uzyskane zostaly poza¬ dane wlasciwosci elektryczne konstrukcji anteny.Zastosowany do budowy anten material o stru¬ kturze samonosnej sklada sie z dwóch zewnetrznych warstw okrywajacych o duzej wytrzymalosci me¬ chanicznej i z rdzenia zlozonego z elementów o ksztalcie ulowym. Rdzen stanowi uklad równo¬ bocznych szesciokatów, których powierzchnie ogra¬ niczajace sa prostopadle do warstw okrywajacych.Zadana wytrzymalosc mechaniczna materialu o strukturze samonosnej uzyskuje sie przez stoso¬ wanie róznych zestawów materialu na warstwy okrywajace i materialu na rdzen oraz przez wybór odpowiednich wymiarów dla elementów skladowych rdzenia. Pod wzgledem wlasciwosci elektrycznych materialu o konstrukcji samonosnej, istnieje duza swoboda w wyborze zarówno materialów na wyko¬ nanie elementów skladowych struktury samonosnej jak i wymiarów elementów skladowych rdzenia.Wlasciwosci elektryczne materialu o strukturze samonosnej okreslaja wlasciwosci czwórnika jaki ten material soba przedstawia oraz wlasciwosci jakie ten material wykazuje przy promieniowaniu.O wlasciwosciach czwórnika decyduje wspóldzia¬ lanie warstw okrywajacych z rdzeniem, o promie¬ niowaniu decyduje sam rdzen. Na wlasciwosci ele- 4 ktryczne warstw okrywajacych mozna wplywac w szerokich granicach przez wybór materialu, wy¬ bór grubosci tych warstw, jak równiez rodzaj ich powierzchni i ich obróbke. Na warstwy okrywajace s stosowane jest najczesciej tworzywo sztuczne meta¬ lizowane, w razie potrzeby calkowicie lub czescio¬ wo.Wlasciwosci warstw okrywajacych staja sie za¬ lezne od polaryzacji w wyniku umieszczenia na 10 nich pasków metalicznych lub siatek ortogonalnych.Przez wlasciwy dobór wielkosci oddzialywujacych mozna tak wykonac warstwy okrywajace, ze wysta¬ pia na nich minimalne odbicia przy maksymalnej przenikliwosci dielektrycznej. Wlasciwosci elektry- 15 czne rdzenia zaleza równiez od zastosowanego do jego wykonania materialu oraz jego konstrukcji.Ilosc mozliwych do uzyskania kombinacji jest w przypadku rdzenia wieksza, poniewaz mozna sto¬ sowac materialy zarówno jednorodne jak i nieje- 20 dnorodne o znacznie wiekszych grubosciach.Przy rdzeniu niejednorodnym korzystne jest sto¬ sowanie komórkowego przekroju poszczególnych je¬ go elementów. Wlasciwosci elektryczne rdzenia, w odniesieniu do dlugosci fali roboczej oraz w za- 25 leznosci od polozenia w konstrukcji, moga byc zmieniane w szerokich granicach przez wybór ma¬ terialu, wybór wysokosci i ksztaltu komórek.Przy zastosowaniu metalu lub metalizowanego dielektryka jako materialu na rdzen uzyskuje sie 30 uklad polaczonych równolegle falowodów. Za pomo¬ ca takiego rdzenia mozna uzyskac zgodnie ze znany¬ mi prawami fizycznymi, przyspieszajace oddzialy¬ wania na faze w zaleznosci od czestotliwosci lub polaryzacji, przy czym predkosc fazowa moze sie 35 zmieniac od nieskonczonosci az do predkosci zbli¬ zonej do predkosci fazowej w wolnej przestrzeni.Przy zastosowaniu dielektryka jako materialu na rdzen koimórkowy uzyskuje sie w ogólnym przy¬ padku wlasciwosc opózniania fazy w zaleznosci od 40 czestotliwosci i polaryzacji. Jezeli przekroje poprze¬ czne komórek sa male lub duze w stosunku do dlu¬ gosci fali roboczej, wówczas wlasciwosci elektryczne rdzenia okresla stala dielektryczna zalezna od kata zawartego pomiedzy kierunkiem padania fali a kie- « runkiem osi komórek, jak równiez od polaryzacji.Fakt ten umozliwia zmiane wlasciwosci elektry¬ cznych komórkowego rdzenia wykonanego z mate¬ rialu dielektrycznego równiez przez zmianie polo¬ zenia kmórek w stosunku do polaryzacji i kata pa- 50 dania. Wystepujaca w ogólnym przypadku zale¬ znosc od polaryzacji, wynikajaca ze wzgledów pro¬ dukcyjnych, moze byc w razie potrzeby zwiekszona, moze byc równiez zmniejszona az do pominiecia.W ten sposób staje sie mozliwe wykonanie prze- 55 nikalnego elektrycznie okrycia anteny równiez przy jej konstrukcji samonosnej z rdzeniem komórko¬ wym przy równoczesnej mozliwosci pominiecia wplywu tego okrycia na rozklad fazy.Przy zastosowaniu dielektryka jednorodnego jako 60 materialu na rdzen komórkowy uzyskuje sie wla¬ sciwosc opózniania fazy w zaleznosci od czestotliwo¬ sci, przy czym zjawisko opózniania fazy jest w tym przypadku niezalezne od polaryzacji. Przez odpowie¬ dnie dobranie wzglednej stalej dielektrycznej oraz 65 przez odpowiednia konstrukcje rdzenia mozna w sze-51941 s rokich granicach wplywac na przebieg zjawiska.Przy bardzo wielkich czestotliwosciach korzystne jest stosowanie polistyrenu piankowego, poniewaz stala dielektryczna tego materialu mozna zmienic przez zmiane jego gestosci, a poza tym material s ten ma dobre wlasciwosci elektryczne i daje sie latwo obrabiac.Mozliwosc wplywania na zmiane wlasciwosci elektrycznych rdzenia pozwala na kazdorazowe do¬ pasowanie tych wlasciwosci do okreslonych wa- ia runków promieniowania anteny.Spelnienie narzuconych warunków konstrukcji wymaganych od czwornika, tzn. uzyskanie mini¬ malnego wspólczynnika odbicia przy maksymalnym wspólczynniku przenoszenia, osiaga sie przez od- 13 powiednie dobranie materialu na warstwe okrywa¬ jaca oraz na rdzen, jak równiez przez odpowiednie Uksztaltowanie konstrukcji i obróbke powierzchnio¬ wa.Wynalazek nie ogranicza sie jedynie do kon- ^ strukcji zlozonej z jednego rdzenia i dwóch warstw okrywajacych, lecz znajduje równiez zastosowanie w przypadku konstrukcji zlozonej z kilku rdzeni i odpowiadajacej im ilosci warstw okrywajacych.Wynalazek zostanie blizej objasniony na kilku 25 przykladach wykonania przedstawionych na rysun¬ ku, na którym fig. 1 do 8 przedstawiaja rózne od¬ miany rdzenia komórkowego w przekroju poprze¬ cznym, fig. 9-przekrój radiatora anteny kierunko¬ wej dla polaryzacji liniowej, poziomej i pionowej 30 z ogniskiem zaleznym od polaryzacji, fig. 10-prze¬ krój poprzeczny rdzenia z materialu o strukturze samnosnej z fig. 9, fig. 11 -przekrój radiatora an¬ teny kierunkowej dla polaryzacji liniowej, pozio¬ mej i pionowej z ogniskiem zaleznym od czesto¬ tliwosci i fig. 12 przedstawia przekrój poprzeczny rdzenia z materialu o strukturze samonosnej do okrycia anteny kierunkowej.Na fig. 1 do 8 sa przedstawione w przekroju po¬ przecznym niektóre odmiany rdzenia komórkowego w dwóch prostopadlych do siebie kierunkach uprzy¬ wilejowanych. Glówne wymiary komórek w kie¬ runku poziomym oznaczone sa litera a, a w kie¬ runku pionowym litera b. Na fig. 1 i 2 przedsta¬ wione sa w przekroju poprzecznym rdzenie ulowe.Przez zmiane stosunków boków szesciokata rdzen ten moze uzyskiwac przekrój poprzeczny wedlug figur 3 do 6, a w przypadku granicznym uzyskuje on przekrój prostokatny wedlug fig. 7 i 8. Rdzenie przedstawione na fig. 3 16 stosuje sie szczególnie przy ortogonalnej polaryzacji liniowej, poniewaz 50 wprowadzaja one najmniejsze znieksztalcenia pola, w przypadku optymalnego zorientowania rdzenia.Zgodnie z fig. 9. warstwa okrywajaca 1 wykonana jest z metalizowanej wzmocnionej zywica, tkaniny szklanej. Warstwa okrywajaca" 2, wykonana jest 55 równiez z tkaniny szklanej, wzmocnionej zywica.Jej powierzchnia wewnetrzna stanowi wycinek po¬ wierzchni paraboloidy obrotowej o ognisku 12. Po¬ miedzy tymi dwiema warstwami znajduje sie rdzen komórkowy wykonany z metalu lub z metalizo- 60 wanej folii dielektrycznej o przekroju pokazanym na fig. 10. Wymiar a jest równy najwiekszej dlu¬ gosci fali roboczej, a wymiar b jest równy okolo jednej czwartej najmniejszej dlugosci fali roboczej.Wskutek tego fale o polaryzacji poziomej niezalezne 65 * sa od czestotliwosci i odbijaja sie od wewnetrznej powierzchni* warstwy 2, natomiast fale o polaryza¬ cji pionowej przechodza do rdzenia. Ksstalt po¬ wierzchni 1 jest tak dobrany, ze przy uwzglednie¬ niu najwiekszej predkosci fazowej w rd«eniu o róznej grubosci przeznaczonym dla okreslonego pasma czestotliwosci, skuteczna powierzchnia re¬ flektora anteny jest dla fal pionowo spolaryzowa¬ nych wycinkiem powierzchni paraboloidy obroto¬ wej o ognisku f1 .Do wykonania rdzenia komórkowego stosuje sie bardzo cienkie blachy lub metalizowana folie tak, ze zaklócajace odbicia polaryzacji pionowej po¬ woduje glównie tylko warstwa 2, Przez wybór mi¬ nimalnej warstwy 2 uwzledniajacy warunki wy¬ trzymalosciowe, odbicia te znajduja sie w dopu¬ szczalnych granicach.Konstrukcja przedstawiona na fig. 11 utworzona z rdzenia 6 i dwóch warstw 4 i 5 obliczona jest wylacznie ze wzgledu na. wytrzymalosc. Zewnetrzna powierzchnia warstwy 5 jest wycinkiem powierz¬ chni paraboloidy obrotowej o ognisku f5 i jest me¬ talizowana. Ukosnie przed otworem reflektora an¬ teny znajduje sie oslona, wykonana z materialu o strukturze samonosnej, która dziala równoczesnie jako soczewka opózniajaca faze. pbie warstwy 7 i 8 wykonane sa z tkaniny szklanej wzmcnionej zywica. Rdzen 9 wykonany jest w tym przypadku z polistyrenu piankowego. Wzgledna stala diele¬ ktryczna oraz wysokosc rdzenia sa tak dobrane, ze soczewka z dostatecznym przyblizeniem wyrównuje w okreslonym pasmie czestotliwosci zmiany rozkla¬ du fazy spowodowane wzbudzeniem parabolicznego reflektora poza jego ogniskiem, w punkcie ff a je¬ dnoczesnie nie zmienia rozkladu fazy w pasmie czestotliwosci polozonym znacznie nizej. Ognisko skuteczne ukladu radiatora zlozonego z reflektora i soczewki korekcyjnej zalezy w£ec od czestotliwo¬ sci.Na fig. 12 przedstawiony jest w przekroju po¬ przecznym rdzen komórkowy okrycia anteny kie¬ runkowej, która napromieniowana jest pod stalym katem przy polaryzacji pionowej i poziomej. Rdzen ten sklada sie z nasyconych zywica papierowych komórek ul&wych, których glówne wymiary a i b sa male w porównaniu do dlugosci fali roboczej.Warstwjrs okrywajace skladaja sie z równoleglych plaszczyzn z tkaniny szklanej wzmocnionej zy¬ wica. W celu kompensacji zaleznosci od polaryzacji, stosunek wymiaru a do b jest odpowiednio dobra¬ ny. W ten sposób moze byc pojminieta zmiana roz¬ kladu fazy spowodowana przez pokrycia. PL