SE513223C2 - Svepande linsantenn - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 513 223 2 riktningen kommer att resultera i en reflektion av den elektromagnetiska vågen. I det visade optiska systemet förväntas avstånden för de ledande gallertrådarna vara mycket större än ljusvåglängden, dvs. k< separationen. Dessutom kommer ett ledande jordplan att fullständigt reflektera rnikrovågen som utbreder sig.

Två dokument Us-A-4 706 094 och Us-A-4 636 799 Visa; båda ferro- elektriska block mellan galler med parallella trådar. I enlighet med det första dokumentet används endast styrande fält tvärs över blocket, dvs. i vågens utbredningsriktning. I enlighet med det andra dokumentet anordnas spänningarna på trådarna så att fältet kan anta godtyckliga riktningar i planet vinkelrätt mot trådarna. I det första dokumentet påpekas det att de "normalt" högkonduktiva trådarna endast sänder vinkelrät, linjär polarisation men att de kan ersättas med resistiva trådar som är i stånd att sända även parallell polarisation med viss förlust.

WO-A1 93/ 10571 demonstrerar en utveckling av US-A-4 636 799 där endast fält vinkelräta mot trådarna används. Här behövs endast ett skikt med trådar och det ferroelektriska materialet har uppdelats i en mångfald block så att gallret med trådar kan placeras i mitten av det ferroelektriska skiktet.

Det skall emellertid noteras att dokumenten citerade ovan riktar sig till användningen av högkonduktiva trådar och en spänningsgradient åstadkoms då genom att pålägga olika spänningar på de individuella trådarna i enlighet med ett givet mönster. Vidare hänför sig de beskrivna anordningarna till användning av det ferroelektriska materialet för "elektrooptiska linser" som primärt riktar användningen till frekvenser motsvarande elektrisk strålning i nanometerområdet.

Vidare har inget av dokumenten visat en anordning som år i stånd att svepa mikrovågsstrålning i två ortogonala plan i en enkel ferroelektrísk skiva. Det har heller inte visats att detta kan göras genom att använda ett flertal skikt med ferroelektriskt material utan förluster. 10 15 20 25 _30 513 223 Därför finns det forfarande ett behov av ett förfarande och en anordning som fungerar även vid ett mycket lägre frekvensområde, dvs. i mikrovågsområdet.

SAMMANFATTNING Den föreliggande uppfinningen visar ett förfarande och en anordning för alstrande av en linsanordning innefattande en skiva av ferroelektriskt material, vars transmissionsfasgradient varieras över linsens yta med hjälp av ett styrbaxt statiskt elektriskt fält. Linsen kan innefatta en hel antennapertur, t.ex. ett matningshorn, eller utgöra en yta som täcker en slitsad vågledarantenn, vara en del av en mikrovågsantennapertur eller ett element i en konventionell mikrovägsgruppapertur. Uppdelningen av aper- turen beror av hur många frihetsgrader som önskas kunna styras samtidigt.

I ett allmänt fall skall N lober och M nollställen styras samtidigt. I det enklaste fallet med N=l och M=O kommer linsen att täcka hela antenn- aperturen.

Den föreliggande uppfinningen grundar sig på det faktum att riktningen för trådarna i styrgallren för linsanordningen måste löpa vinkelrätt mot riktningen för E-fältets riktning för en penetrerande högfrekvent radiovåg. I enlighet med ett syfte med den föreliggande uppfinningen för att erhålla full stymingsmöjlighet för en antennlob både i planet X-Z och planet Y-Z skapas statiska elektriska fält med hjälp av två spänningskällor som alstrar ett fält- som verkar längs trådarna för ett galler och ett annat fält som verkar tvärs över trådarna i det andra gallret för den kontinuerligt svepande linsen. För att erhålla låga förluster och ingen ändring av den styrande E-fälts- polariteten när spänningskällorna sveps, påläggs en förspänningskälla av storleksordningen flertalet hundra voltimellan de två spänningskällorna.

Ett förfarande i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det bifogade oberoende patentkravet 1 och :av de beroende patentkraven 2 till 4.

På motsvarande sätt fastställs en kontinuerligt svepande linsantenn- anordning i enlighet med den föreliggande uppfinnirigen genom det bifogade 10 15 20 25 30 513 223 4 oberoende patentkravet 5 och ytterligare utföringsformer definieras av de beroende patentkraven 6 till 8.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans ytterligare syften och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning tillsammans med de bifogade ritiiingarna, i vilka: FIG. 1 är en skiss som illustrerar principen i enlighet med den föreliggande uppfinningen, FIG. 2 illustrerar en utföringsfonn av ett svepande línselement i enlighet med principen visad i FIG. l, och FIG. 3 är en mer detaljerad vy av utföringsforrnen för svepningen illustrerad i FIG. 2.

DETALJERAD BESKRIVNING Exempel på utfóringsformer I ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper kommer de dielektriska egenskaperna att förändras under inverkan av ett elektriskt fält. Detta' kommer ytterligare att diskuteras nedan i samband med beskrivningen av lobstyrning. En sådan ändring av de dielektriska egenskaperna för en ferroelektrisk skiva kommer att användas för att skapa en styrbar kontinuerligt svepande linsantenn. Antennaperturen eller en del av en apertur kan byggas upp med hjälp av ett línselement med högkonduktiva galvaniskt isolerade parallella metalltrådar (i en riktning Y). Genom att belägga trådarna med ett sådant material som uppvisar ferroelektriska egenskaper kommer att uppnås en fasgradient tvärs över skivan om ett elektriskt fält med en lämpligt gradient påförs över skivan som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna. lO 15 20 25 30 -513 2 2 3 i Arrangemanget bygger på det faktum att riktningen för trådarna i styrgallret í linsanordningen måste löpa vinkelrätt mot riktningen för E-fältet för en penetrerande högfrekvent radiovåg. I enlighet med den föreliggande uppñn- ningen fór att erhålla full styrning av antennloben måste statiska elektriska fält skapas både längs trådarna i ena gallret och tvärs över trådarna i det andra gallret för att skapa en kontinuerligt svepande lins för ett antenn- arrangemang.

De statiska elektriska fälten i X- och Yfriktningarna kommer att erhållas med användning av två separata skikt med parallella trådar. Trådarna i det första och andra skiktet i arrangemanget är parallella med varandra, se även FIG. 1.

Ett skikt av högkonduktiva trådar 24 är placerade på en första sida av skivan 50 ord av ett material som uppvisar de ferroelektiiska egenskaperna.

Trådarna 24 bildar då det första gallret l. Ett annat skikt av resistiva trådar 34 är placerade på den andra sidan av skivmaterialet och bildar sedan det andra gallret 2. Det undre gallret skall t. ex. belysas med ett linjärt polariserat fält som utbreder sig längs Z-axeln. Den utbredande vägens E-fältsvektor är anordnad att vara vinkelrät mot trådarna 24 och 34 (Ey=E¿=O). Med andra ord löper trådarna 24 och 34 i en Y-riktning i enlighet med FIG. 1. Ändarna av de högkonduktiva trådarna 24 på den övre sidan av linsen 50 är alla successivt elektriskt anslutna vid intervall längs en resistiv tråd 25, medan de andra ändarna av de högkonduktiva trådarna 24 förblir icke anslutna. En variabel spânningskälla (Ux) 26 är ansluten tvärs över den resistiva tråden 25 som är ansluten till trådarna 24 och spännings- potentialgradienten tvärs över tråden 25 kommer att fördelas över hela första gallret 1 med hjälp av trådarna 24. Ändarna av de resistiva trådarna 34 i gallret 2 vid den undre sidan av skivan 50 är kopplade i parallell med hjälp av en metallisk tråd 32 vid en ände och en annan mettallisk tråd 33 vid den andra änden av trådarna 34. En andra variabel spänningskälla (Ux) 36 är kopplad till trådarna 32 och 33, och följaktligen tvärs över det andra gallret 2 av parallella trådar 34. På grund av 10 15 20 25 30 4513 223 6 spänningen påförd tvärs över de resistiva trådarna 34 kommer då en elektrisk potentialgradient skapas i Y-riktningen. Nu som indikerat i FIG. 2 kan loben för antennen som har den kontinuerligt svepande linsen med hjälp av Ux styras i planet X-Z och genom Uy i planet Y-Z. I FIG. 2 representerar E den elektriska fåltvektorn och H den magnetiska fältvektorn för den utbredande vågen från RF-kållan. P representerar utbredningsvektorn (eller Poynting- vektorn). .

Vidare i likhet med FIG. 2, demonstrerar FIG. 3 strukturen för den kontinuerligt svepande linsen, som kommer att styra antennloben i planet X-Z med hjälp av spänningen Ux och i planet Y-Z med hjälp av spänningen Uy. För att erhålla låga förluster och ingen ändring av E-fåltspolariteten vid svepning av spänningar-na Ux och Uy påförs en förspänningskâlla 40 (Ubias) av storleksordningen 5 till 10 kV mellan de två spånningskällorna 26 och 36 för Ux och Uy. för X- respektive Y-riktningen. Syrnbolerna visade indikerar att förspånningen är ansluten inom de variabla spänningskällornas spännings- område, lämpligen vid en mittpunkt. På ett motsvarande sätt indikeras genom jordningen vid symbolen för fórspänningskällan hur anordningen enligt den belysande utföringsformen refereras till en systemjord.

För att erhålla en impedansanpassning mot omgivningen, kommer det i de flesta fall vara nödvändigt att täcka linselementets yta på ena eller på båda. sidorna med en transformator 60. Denna transformator ändrar, stegvis eller kontinuerligt irnpedansnivån så att reflektionen, när den utbredande vågen går in i eller lämnar den ferroelektriska skivan 50, blir tilläckligt låg inom arbetsfrekvensområdet. Det är också möjligt att ha den stegvisa eller kontinuerliga ändringen av irnpedansen att även gå in i det ferroelektriska materialet.

I FIG. 3 demonstreras en mer detaljerad utföringsfonn av ett svepande linselement i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Ett typiskt önskat frekvensområde fór en antenn som innefattar linselementet i enlighet med uppfinningen kan vara av storleksordningen 30 - 40 GHz. I den belysande 10 15 20 25 .30 »513 223 utföringsformen inbegriper linselementet en platt skiva av materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna.

I denna utíöringsfonn kan materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna vara i form av en kvadratisk skiva 50 med måtten ungefär 10 x 10 cm och med en tjocklek av ungefär 0,5 cm. Till exempel är typiska sådana material -bariumtitanaL barium-strontiumtitanat eller blytitanat i ñnfördelad polylcxistallin eller kerarnisk form. Ett lärnplig keramiskt material, till exempel tillgângliggjort på marknaden av Paratek Inc., Aberdeen, MD, USA, är ett material som identifieras som Composition 4, vilket uppvisar en relativ dielektricitetskonstant ar (Enc=0) = 118 och med en avstårnbarhet på 10% i enlighet med specifikationen. Denna linsskiva kan till exempel placeras i anslutning till ett matarhorn, täcka en slitsad vågledarantenn, eller som ett element i en konventionell gruppapertur.

Vidare är ovanpå och/eller under skivan 50 i linselementet anordnat en irnpedanstransformator 60 för att erhålla en impedansanpassning för det aktuella linselementet, som kan uppvisa ett impedansvärde av storleks- ordningen 40 ohm. I utföringsformen illustrerad i FIG. 3 finns det en impedanstransformator på vardera sidan av linselementet. I denna belysande utföringsform består båda av ett antal skikt 61, 62, 63 och 64 av dielektriskt material som uppvisar en stegvis ändring i den dielektriska konstanten för en stegvis anpassning av irnpedansen för linselementet till omgivningen (tex. fria luften z 377 ohm). Om linselementet till exempel kombineras med en slitsantenn kan det finnas behov av endast en transformator på sidan som vänds mot luften.

Beskrivning av lobstyg' g Om Ux = Uy = 0 kommer antennloben att samrnanfalla med ytnormalen för det plana linselement som illumineras med ett infallande fält vinkelrätt mot det plana linselementet. När till exempel Ux och Uy ändras till Uxo respektive Uyo kommer det att skapas ett statiskt elektriskt fält över materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna i enlighet med: 10 15 20 25 30 513 223 8 E(x,y)=(Um-x/xa-Uy°~y/ya+Ubm)/d (1) d representerar då tjockleken av materialet som uppvisar de feiroelektriska egenskaperna, ya representerar utsträclcningen av skivan i aperturens Y- riktning och xa representerar dess utsträckning i X-riktningen. 5(X> y) 5 5(Ubiß)" C ' Eeïßy) (2) Om dielektricitetskonstanten s ligger inom ett område som är approximativt linjärt som en funktion av E, kommer detta att resultera i en fasgradient över linsen för den utsända vågen i enlighet med: A4>(X,y)=(21fd/?~J~«/ßl><,Yl (3) Loben kommer approximativt att peka i riktningen för ytnorrnalen för fasgradienten i mitten av aperturen (x = y = O). Vinkeln Cbx mellan axeln Z och projektionen av loben på planet X-Z kommer approximativt att bli <1>x = awn()) (4) Symbolen eo representerar den dielektriska konstanten för det omgivande mediet (normalt luft). På ett analogt sätt blir vinkeln (Dy mellan axeln Z och projektionen av loben på planet X-Y approximativt: <1>, = awn( Följaktligen kommer en fullständig lobstyrning att enkelt erhållas i båda planen X-Z och X-Y. En ändring av lobriktningen erhålls ögonblickligen med en ändring av de pålagda elektriska spånningarna som matar respektive 10 515 225 galler. Gallren måste båda vara ortogonala mot E-fältet för den utsända radiofrekventa vågen, men de statiska fâltgradientema tvärs över respektive galler kommer att vara vinkelråta mot varandra beroende på den individuella konstruktionen av gallren med avseende på sättet fåltgradientema skapas.

Det inses av faclcmannen att olika modifieringar och förändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfattning, som definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (8)

10 15 20 25 30 513 223 lC- PATENTKRAV

1. Förfarande för att erhålla en kontinuerligt svepande linsantenn, kännetecknat av stegen: anordnande av ett reflektorelement i form av en skiva (50) av ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, anordnande av ett första galler (1) av högkonduktiva trådar (24), på en första sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektríska egenskaper, varvid de högkonduktiva trådarna (24) i det första gallret (l) är elektriskt anslutna vid en ände av de högkonduktiva trådarna (24) med intervall längs den resistiva tråden (25), anordnande av ett andra galler (2) av resistiva trådar (34) på en andra sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid trådarna i det andra gallret (2) löper parallellt mot det första gallret (1) och trådarna (34) i det andra gallret (2) är anslutna i parallell med hjälp av en första (32) och en andra (33) högkonduktiv tråd, varvid de resistiva trådarna i det andra gallret (2) är anslutna långs den första och andra högkonduktiva tråden (32, 33), anslutande av en första variabel spänningskålla Ux (26) över den resistiva tråden (25) ansluten till det första gallret (1) av högkonduktiva trådar (24) vilket bildar en statisk potentialgradient långs den resistiva tråden (25), samt anslutning av en andra spänningskälla Uy (36) till den första och andra högkonduktiva tråden (32, 33) för att skapa en statisk potentialgradient längst de resistiva trådarna (34) i det andra gallret, därmed bildande vinkelräta statiska E-fålt tvärs över skivan (50), belysande en sida av skivan (50) av material, som uppvisar ferroelektriska egenskaper, med ett linjärt polariserat rriikrovågsfält, vars E- vektor är vinkelrät mot riktningen för trådarna (24, 34) i det första och andra gallret ( 1, 2), styrande av den dielektriska konstanten tvärs över ytan av det linselementet genom styrning av spänningen för den första och den andra spänningskållan (26, 36) för att därmed styra riktningen för en antennlob alstrad genom avböjd rnildovågseffekt genom den svepande linsantennen. 10 15 20 25 .30 513 225

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med anordnande av en fórspänning Ubias (40) mellan det första och andra gallret (1, 2), eller den första och andra spänningskällan (26, 36), för att erhålla lågförlustfunktion och för att garantera att den statiska E-fâltspolariteten inte ändras.

3. Förfarande enligt krav 1,3 kännetecknat av det ytterligare steget att anordna det första och andra gallret så att trådarna (24, 34) år parallella och med samma inbördes avstånd inom varje galler.

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med anordnande av en irnpedansanpassning mot omgivningen genom täckande av åtminstone en yta på linselementet med en transformatoranordning, vilken stegvis, eller kontinuerligt, ßrändrar impedansen så att kopplingen mot omgivningen blir tillräckligt hög inom antennens arbetsfrekvensområde.

5. Kontinuerligt svepande linsantennanordning, kännetecknad av ett reflektorelement i form av en skiva (50) av ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, ett första galler ( 1) av högkonduktiva trådar (24) på en första sida av skivan av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, ett andra galler (3) av högkonduktiva trådar (34) på en andra sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid de högkonduktiva trådarna (24) i det första gallret (1) är elektriskt anslutna vid en ände av de högkonduktiva trådarna (24) vid intervaller längs den resistiva tråden (25), ett andra galler (2) av resistiva trådar (34) på en andra sida av skivan av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid trådarna i det andra gallret (2) löper parallellt med trådarna i det första gallret (l) och trådarna (34) i det andra gallret (2) är anslutna i parallell med hjälp av en forsta (32) och en andra (33) högkonduktiv tråd, samt de resistiva trådarna i det andra gallret (2) är anslutna längs den första och andra högkonduktiva tråden (32, 33), och lO 15 20 25 30 1513 223 12 att en första variabel spänningskälla Ux (26) ansluten över den resistiva tråden (25) ansluten till det första gallret (1) med högkonduktiva trådar (24) och bildar en statisk potentialgradient längs den resistiva tråden (25), samt en andra variabel spânningskälla Uy (36) är ansluten till den första och andra högkondulctiva tråden (32, 33) för att skapa en potentialgradient längs de resistiva trådarna (34) och därmed bildande vinkelräta statiska E-fált tvärs över skivan (50), samt att en sida av skivan (50) av material, som uppvisar ferroelektriska egenskaper, belyses med ett linjärt polariserat rníldovågsfält som har sin E- vektor vinkelrätt mot riktningen för trådarna (24, 34) i det första och andra gallret (1, 2)), varvid den dielektriska konstanten över ytan av linselementet styrs med hjälp av spänningen från den första och andra spänningskällan (26, 36) och då styr riktningen för en antennlob alstrad genom avböjd mikrovågseffekt som passerar genom den svepande linsantennen.

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av att en förspånning Ubas (40) anordnas mellan det första och andra gallret (1, 2), för att erhålla lågförlustfunktion och garantera att den statiska E-fältspolariteten inte ändras.

7. Anordning enligt laav 5, kännetecknad av att trådarna (24, 34) i det första och andra gallret är anordnade så att respektive trådare är parallella-- och med inbördes lika avstånd i varje galler.

8. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av en írnpedansanpassning mot omgivningen i form av en transformatoranorclning som täcker åtminstone en yta av línselementet, och vilken transformatoranordning, stegvis, eller kontinuerligt, förändrar irnpedansnivån så att kopplingen mot omgivande medium blir tillräckligt hög inom arbctsfrekvensområdet för den svepande linsantennen.