SE463692B - Antennanordning med reflektor eller lins bestaaende av ett frekvensstyrt galler - Google Patents

Description

kallas frekvensstyrda galler eller frekvenssvepande galler (engelska: frequency scanned gratings, blazed gratings).

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ändamålet med uppfinningen är att tillhandahålla ett antennsystem, väsentligen utgörande av matarantenn och reflektor eller lins bestående av ett frekvensstyrt galler, där reflektorns eller linsens kröknigsform ej är direkt bestämd av önskade strålningsegenskaper utan kan väljas för att uppnå andra fördelar. Till exempel kan en plan reflektor eller lins väljas vilket ger en konstruktion som är enkel och billig att tillverka och som har en hög antennverkningsgrad. Ytterligare ändamål är applikationer där man önskar antenner vars riktverkan kan frekvensstyras.

Problemlösningen kännetecknas av att det frekvensstyrda gallret, som reflekterar eller transmitterar det infallande elektromagnetiska fältet till ett diffrakterat fält utgörande av första ordningens diffrakterade gitter-lob, har ett kvasi-periodiskt gallermönster. Det kvasi-periodiska gallermönstret bestämmer huvudsakligen det av gallret reflekterade eller transmitterade díffrakterade fältets strálningsdiagram och därmed väsentligen bestämmer och formar antennanordningens strålningsdiagram och strálningsegenskaper.

Kort beskrivning av ritningarna; Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare i utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. la visar i tvärsnitt ett exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler bestående av elektriskt ledande element.

Fig. lb visar ovanifrån samma exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler som i fig la.

Fig. 2 visar exempel på olika alternativa utförande av de elektriskt ledande elementen.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. 3a 3b . 4a 4b 5a . 5b . 7a 7b 8a 8b 692 LD -P» cyx (JJ visar i tvärsnitt ett exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler bestående av aperturer i en elektriskt ledande yta. visar ovanifràn samma exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler som i fig 3a. visar i tvärsnitt ett exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler med angivande av koordinatsystem och dimensioner för att beskriva galler periodiciteten. visar ovanifrån samma exempel på ett frekvensstyrt reflektions- galler som i fig 4a. visar från sidan ett utföringsexempel med en matarantenn och en plan reflektor bestående av ett frekvensstyrt reflektionsgaller. visar ovanifràn samma utföringsexempel som i fig 5a. visar ett koordinatsytem. visar i tvärsnitt ett exempel på ett frekvensstyrt transmissionsgaller bestående av elektriskt ledande element i tre lager. visar ovanifrån samma exempel på ett frekvensstyrt transmissionsgaller galler som i fig 7a. visar från sidan ett utföringsexempel med en matarantenn och en plan lins bestående av ett frekvensstyrt transmissionsgaller. visar ovanifrån samma utföringsexempel som i fig 8a.

Beskrivning av utföringsexempel: Uppfinningen bygger på så kallade frekvensstyrda galler eller frekvenssvepande galler (eng. frequency scanned gratings, blazed gratings). Dessa galler har egenskapen att vid belysning av ett elektromagnetiskt fält reflektera eller transmittera det infallande fältet till första ordningens diffrakterade gitter-lob (galler-lob).

Fig l visar ett exempel på ett frekvensstyrt reflektionsgaller bestående av elektriskt ledande element 1 som är etsade i ett periodiskt gallermönster på ett dielektriskt substrat 2 och placerade över ett elektriskt ledande jordplan 3 med stöd av ett dielektriskt distanslager 4. Det periodiska elementet l utgörs i detta fall av enkla dipoler. I au,- 465 692 4 praktiska tillämpningar består ett galler av hundratals eller tusentals element placerade i ett periodiskt gallermönster. Exempel på andra typer av element som kan användas i stället för enkla dipoler visas i fíg 2, och är korsade dipoler 8, ringar 9, tripoler 10, rektanglar ll, Jerusalem kors 12, etc.

Fig 3 visar ett annat exempel på ett frekvensstyrt reflektionsgaller där det periodiska gallermönstret av elektriskt ledande element har ersatts av ett elektriskt ledande plan 13 där ett periodiskt gallermönster av aperturer 14 är utetsat. Det periodiska aperturelementet 14 utgörs här av korsade slitsar. Andra typer av aperturelement är också möjliga och kan vara aperturer med former liknande de i fíg 2.

För ett frekvensstyrt reflektionsgaller väljs normalt gallrets periodicitet så att vid belysning av en elektromagnetisk våg 5 fås ett reflekterat sprídet fält där förutom den reflekterade grundvågen 6 också första ordningens diffrakterade våg 7 (första ordningens diffrakterade gitterlob) är utbredande. Den reflekterade grundvàgen 6 har en utbredningsriktning som bestäms enbart av infallsvinklarna för den infallande vågen 5. Däremot för den diffrakterade vågen 7 år reflektionsriktningen beroende av belysningsvinklarna, gallrets periodicitet, och frekvensen.

I en teoretisk betraktelse av ett frekvensstyrt galler kan man anta ett plant och oändligt periodiskt galler som är belyst av en plan elektromagnetisk våg. Förutsättnigen är då att gallrets eventuella krökningsradier och avståndet mellan gallret och den elektromagnetiska källan eller mottagaren är tillräckligt stora i jämförelse med våglängden och periodiciteten. För ett periodiskt reflektionsgaller med en geometri definierad som i fig 4 har vi följande relationer mellan belysnigsvinklarna (0,$) för den infallande vågen 5 och reflektionsvinklarna (0_1,ó_l) för den första ordningens diffrakterade gitter-lob 7: 5 463 692 sin(a2) s1n0_1 cosö_l = s1n0 cosö - Dlsín(a2_al) Å cos(a2) s1n0_l s1nö_l - s1n6 sinö - D1sín(a2_al) där Å är våglängden och D1, D2, al, az, beskriver periodiciteten, se fíg 4. Vinkeln 0 definieras här som vinkeln mellan den infallande vågens utbredningsriktining och z-axeln och vinkeln ö som vinkeln mellan infallsplanet och x-axeln. På samma sätt definieras 0_1 som vinkeln mellan utbredningsriktiningen för den reflekterade diffrakterade vågen 7 och z-axeln och vinkeln ö_1 som vinkeln mellan reflektionsplanet för den diffrakterade vågen 7 och x-axeln. Ovanstående ekvationer ger att för en infallande våg 5 med våglängden A och infallsvinklarna (6,ö) bestäms reflektionsriktiningen (0_1,ó_1) för den diffrakterde gitter-loben 7 av gallrets periodicitet dvs Dl, D2, al och az.

Det är den reflekterade diffrakterade vågen (gitter-loben) 7 som tjänar som det frekvensstyrda fältet genom att gallret konstrueras så att huvuddelen av den infallande effekten sprids till den diffrakterade vågen. Metoder och lösningar för hur galler med denna egenskap skall konstrueras finns beskrivet i; F.S. Johansson, "Periodic arrays of metallic elements as frequency scanning surfaces", Proceedings Fifth Intern. Conf. on Ant. & Prop., York, UK, pp 71-74, mars 1987, och i; F.S.

Johansson, "Frequency scanned gratings consisting of photo-etched arrays", IEEE Trans. Ant. & Prop., utkommer augusti 1989. Av dessa artiklar framgår det att effektkonvertering till den diffrakterade vågen kan fås med konverteringsförluster på mindre än 1%.

I föreliggande uppfinning utnyttjas det faktum att för ett frekvensstyrt reflektionsgaller beror reflektionsriktningen för den diffrakterade vågen på periodiciteten. Genom att låta gallret ej vara strikt periodiskt utan ha ett kvasi-periodiskt gallermönster fås en möjlighet att påverka och forma det reflekterade diffrakterade fältets strålningsdiagram. Med en reflektor bestående av ett frekvensstyrt reflektionsgaller som effektivt 463 692 6 konverterar det infallande fältet till det diffrakterade, bestämmer det diffrakterade fältet i stort också strålningsdiagrammet för hela antennsystemet. Med kvasi-periodiskt gallermönster menas att periodiciteten längs gallrets yta varierar långsamt.

Fig 5 visar ett utföringsexempel med ett matarhorn 15 som belyser en plan reflektor 16 bestående av ett frekvensstyrt reflektionsgaller av enkla elektriskt ledande dipoler etsade i ett kvasi-periodiskt gallermönster.

Gallret kan exempelvis ha ett utförande som visas i Fig l. Det kvasi- periodiska gallermönstret är här valt så att då matarhornet 15 belyser reflektorn 16 med ett elektromagnetiskt fält vars frekvens är fixerad, fås ett reflekterat diffrakterat fält som huvudsakligen strålar i en och samma riktiníng. Med en effektiv konvertering till det diffrakterade fältet ger i princip reflektorantenn-systemet en antennvinst som är jämförbar med den klassiska parabolantennen. Eftersom reflektionsriktningen för det diffrakterade fältet även beror på frekvensen beror också antennens strålriktning på frekvensen. Detta medför att antennens strålriktning kan frekvensstyras.

För utföringsexemplet i Fig 5 är det frekvensstyrda reflektionsgallrets kvasi-periodiska gallermönster bestämt av att varje elektromagnetisk stràle 5 fràn matarantennen 15 som belyser galler-reflektorn l6 reflekteras i diffrakterade strålar 7 som strålar i en och samma riktning. Med koordinatsystem definierade som i Fig 4 och Fig 6 innebär detta att relationerna mellan de lokala belysnings vinklarna (0,ö) på galler-reflektorn och den lokala periodiciteten (Dl, D2, al, az) fås genom att i ekvationerna ovan satta 0_1 - wo och ö_l - l80°, där Wo är den önskade strålriktningen från reflektorns normal (i detta exempel vald till 30°).

I exemplet ovan har gallermönstret valts för att erhålla maximal antennvinst. Andra intressanta alternativ kan vara att välja det kvasi- periodiska gallermönstret så att speciellt formade antenndiagram erhålls.

Genom att använda ett frekvensstyrt transmissionsgaller kan ett linsantenn-system konstrueras. Fig 7 visar ett exempel på ett 1 463 692 frekvensstyrt transmissíonsgaller bestående av ett periodiskt gallermönster av elektriskt ledande element l i tre lager separerade av dielektriska substrat 2. Det periodiska elementet l utgörs här av enkla dipoler.

Principen för ett frekvensstyrt transmissionsgaller är att välja gallrets periodicitet så att vid belysning av en elektromagnetisk våg 5 fås ett spridet fält där förutom grundvågorna 6,17 också första ordningens diffrakterade gittter-lober 7,18 är utbredande. Skillnaden mot reflektionsgallret är att vi nu också har ett transmitterat fält bestående av den transmitterade grundvâgen l7 och den transmitterade diffrakterade gitter-loben 18.

För transmissionsgaller är det normalt den transmitterade diffrakterade gitter-loben 18 som tjänar som det frekvensstyrda fältet genom att konstruera gallret så att huvuddelen av den infallande effekten sprids till denna våg. Metoder och lösningar för hur galler med denna egenskap skall erhållas finns beskrivet i; F.S. Johansson, "Frequency scanned gratings consisting of photo-etched arrays", IEEE Trans. Ant. & Prop., utkommer augusti 1989.

Fig 8 visar ett utföringsexempel med ett matarhorn 15 som belyser en plan lins 19 betáende av ett frekvensstyrt transmissionsgaller av elektriskt ledande dipoler etsade i ett kvasi-periodiskt gallermönster. Gallret kan exempelvis ha ett utförande som visas i Fig 7. Det kvasi-periodiska gallermönstret är valt så att då matarhornet 15 belyser linsen 19 med ett elektromagnetiskt fält vars frekvens är fixerad, fås ett transmitterat diffrakterat fält som huvudsakligen strålar i en och samma riktning.

Eftersom stràlriktnigen för det diffrakterade fältet beror på frekvensen kan som tidigare antennens stràlriktning frekvensstyras.

Beskrivningarna ovan är gjorda för fallet då antennerna fungerar som sändare. Eftersom reciprocitet gäller är det underförstått att antennerna även kan användas som mottagare. anus 692 ß 463 Uppfinningen är icke begränsad till de visade och beskrivna utföringsformerna utan kan varieras på ett flertal satt inom ramen för efterföljande krav. Det är givetvis tänkbart att låta de frekvensstyrda kvasí-periodiska gallrerna ha element vars dimensioner också varierar längs gallerytan, för att på så sätt erhålla en högre konverteringseffektivitet till det diffrakterade fältet. Det är också v tänkbart att det frekvensstyrda gallret utgörs av en elektriskt ledande yta som är korrugerad i ett kvasi-periodiskt gallermönster eller att gallret utgörs av dielektriska material vars densitet och/eller form varierar kvasi-periodiskt.

Claims (5)

PATENTKRAV

1. Antennanordning, för högfrekvenstillämpningar, väsentligen utgörande av matningsantenn (15) och reflektor (16) eller lins (19) bestående av ett frekvensstyrt galler som reflekterar eller transmitterar det infallande elektromagnetiska fältet till ett diffrakterat fält utgörande av första ordningens diffrakterade gitter-lob (galler-lob), k å n n e t e c k n a d d å r a v , att det frekvensstyrda gallret har ett kvasi-períodiskt gallermönster, där det kvasi-periodiska gallermönstret huvudsakligen är bestämmande för det av gallret reflekterade eller transmitterade diffrakterade fältets strålningsdiagram och är därmed väsentligen avgörande för antennanordningens strâlningsdiagram och stràlningsegenskaper.

2. Antennanordning enligt krav 1, k å n n e t e c k n a d d ä r a v , att det frekvensstyrda gallret utgörs av en eller flera ytor med elektriskt ledande element (1, 8-12) placerade i ett kvasi-periodiskt gallermönster och/eller en eller flera elektriskt ledande ytor (13) perforerade med aperturer (14) i ett kvasi-periodiskt gallermönster.

3. Antennanordning enligt föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att det frekvensstyrda gallret är uppbyggt av ett eller flera skikt av dielektriska substrat (2,4), där ytorna med elektriskt ledande element (1) och/eller de elektriskt ledande ytorna (13) med aperturer (14) är etsade på en del av skikten.

4. Antennanordning enligt något av förgående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att det frekvensstyrda gallret även innehåller en elektriskt ledande yta (3).

5. Antennanordning enligt något av förgående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att det frekvensstyrda gallret utgörs av en plan struktur.