SE515297C2 - Förfarande för att erhålla en svepande kontinuerlig linsantenn samt linsantenn - Google Patents

Description

515 297 2 elektromagnetiska vågen. I det visade optiska systemet förväntas galler- ledningstrådavstånden vara mycket större än ljusets våglängd, dvs. 2» << trådseparationen. Dessutom kommer ett ledande jordplan totalreflektera en mikrovåg som utbreder sig.

Två dokument US-A-4 706 094 och US-A-4 636 799 visar båda ett ferroelektriskt 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 arran- geras spänningen 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 också sända parallell polarisation med viss förlust.

WO, Al, 93/ 1057 l demonstrerar en utveckling av det amerikanska patentet US-A-636 799 där endast fält vinkelräta mot trådarna används. Här behövs endast ett skikt av 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 kan emellertid noteras att dokumenten citerade ovan riktar sig till användningen av högkonduktiva trådar och en spänningsgradient erhålls då genom att pålägga olika spänningar på de individuella trådarna i enlighet med ett givet mönster. Vidare är anordningarna beskrivna relaterade till utnyttjande av det ferroelektriska materialet för "elektrooptíska linser", vilket primärt inriktar användningen till frekvenser motsvarande elektromagnetisk strålning i nanometerområdet.

Vidare har inget av dokumenten visat en anordning som är i stånd att svepa mikrovågsstrålning i två ortogonala plan i en enda ferroelektrisk skiva. Inte heller har det visats att detta kan göras genom användning av flera skikt av ferroelektriskt material utan stora förluster. 515 297 s Därför finns det fortfarande ett önskemål om ett förfarande och en anordning som kommer att arbeta även vid ett mycket lägre frekvensområde, dvs., i mikrovågsområdet.

SUMMERING Den föreliggande uppfinningen visar ett förfarande och en anordning för alstrande av en linsanordning som innefattar en skiva av ferroelektriskt material, vars transmíssionsfasgradient varieras över linsens yta med hjälp av styrbara statiska elektriska fält. Linsen kan inbegripa en hel antenn- apertur, t.ex. ett matarhorn eller utgöra en yta som täcker en slitsad vågledare, vara en del av en antennapertur för mikrovåg eller ett element i en konventionell gruppapertur för mikrovåg. Uppdelningen av aperturen kommer att bero av antalet frihetsgrader som skall 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 täcka hela antennaperturen.

I enlighet med den föreliggande uppfinningen appliceras en elektro- magnetiskt transparent högresistiv film på båda sidorna av en platta som uppvisar ferroelektriska egenskaper. Vid två motstående kanter av dessa resistiva filmer appliceras högkonduktiva trådar och ansluts elektriskt längs den resistiva filmen. Paren högkonduktiva trådar vid de två motstående kanterna för var och en av de två filmerna på plattan som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna löper vinkelrätt mot varandra. Det första paret högkonduktiva trådar parallella med y-axeln kopplade till en variabel spånningskälla (Ux), medan det andra paret högkonduktiva trådare parallella med x-axeln är kopplade till en andra variabel spänningskålla (Uy). På detta sätt kan en lob styras i planet X-Z genom Ux och i planet Y-Z genom Uy. För att erhålla låga förluster och ingen ändring av det styrande E-fältets polaritet när spänningskällorna sveps, påförs en förspänningskälla av storleks- ordningen åtskilliga hundratals volt mellan de två spänningskällorna. En annan fördel med den föreliggande konstruktionen är att den kommer att arbeta oberoende av den passerande mikrovågseffektens polarisation. 515 297 4 Ett förfarande i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det bifogade oberoende patentkravet 1 och av de beroende patentkraven 2 till 3.

På samma sätt fastställs en svepande kontinuerlig linsantennanordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen av det bifogade oberoende patentkravet 4 och ytterligare utföringsformer definieras i de beroende patentkraven 5 till 6.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna i vilka: FIG. l är en skiss som illustrerar principen i enlighet med den föreliggande uppfinningen, FIG. 2 illustrerar en utföringsform av ett svepande linselement i enlighet med principen visad i FIG. 1 , samt FIG. 3 är en mera detaljerad vy av utföringsformen för svepandet illustrerat i FIG. 2 och inkluderande en transformeringsanordning på varje sida av den svepande linsen.

DETALJERAD BESKRIVNING Exempel på utföringsformer I ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper kommer de dielektriska egenskaperna ändra sig under påverkan av ett elektrisk fält.

Detta kommer ytterligare diskuteras nedan i samband med en beskrivning av lobstyrning. En sådan ändring av en ferroelektrisk skivas dielektríska egenskaper kommer att utnyttjas för att skapa en styrbar svepande kontinuerlig linsantenn. Antennaperturen eller den del av en apertur kan byggas upp med hjälp av ett linselement som har ett elektromagnetiskt transparent högresistivt (med låg konduktivitet) ñlmskikt på varje sida av en 515 2 9" 7 5 skiva ord av ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper. Denna film måste vara tunn, lämpligen av storleksordningen l till 10 pm, och transparent för en elektromagnetisk våg i ett område, till exempel, 30 till 60 GHz och uppvisa en mycket hög resistans, till exempel av storleksordningen 500 MQ/ kvadrat. Genom att utforma en kontinuerlig resistiv yta kommer en elektrostatisk potential skapad tvärs över filmens yta att distribueras homogent. Genom att göra filmen mycket tunn och med en mycket hög ytresistans kan en effektförlust för en passerande elektromagnetisk våg minimeras. Vid två motstående kanter av vart och ett av de två skikten av elektromagnetiskt transparenta, högresistiva filmer ansluts två högkonduktiva trådar 22, 23 respektive 32, 33 längs respektive kanter av de resistiva filmskikten, och ansluts elektriskt till respektive spännings- anslutningar på variabla spänningskällor. På detta sätt kommer ett elektriskt fält att skapas över vart och ett av de högresistiva filmskikten vinkelrätt mot deras respektive två ändtrådar, och en fasgradient kommer att erhållas tvärs-över skivan som uppvisar ferroelektriska egenskaper, om ett elektriskt fält som har en lämplig gradient påförs på detta sätt tvärs över skivan som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna.

De statiska elektriska fälten i X- och Y-riktningarna kommer att uppnås med hjälp av de två separata skikten resistiva filmer. Ett skikt av högresistiv film 24 är placerad på en första sida av skivan 50 gjord av ett material som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna och det andra skiktet av resistiv film 34 är placerat på den andra sidan av skivan som uppvisar ferroelektriska egenskaper.

En variabel spänningskälla (Ux) 26 är kopplad tvärs över den resistiva filmen 24 med hjälp av de högkonduktiva trådarna 22 och 23 och en spännings- potentialgradient kommer att fördelas över hela den första filmen 24.

En andra variabel spänningskälla (Uy) 36 är kopplad till trådarna 32 och 33, och följaktligen tvärs över den andra resistiva filmen 34. Beroende på spänningen pålagd tvärs över den resistiva filmen 34 kommer en elektrisk 515 297 6 potentialgradient då att skapas i Y-riktningen. Nu som indikerat i Figur 2, kan loben för antennen som har den svepande kontinuerliga linsen med hjälp av UK styras i planet X-Z och med Uy i planet Y-Z. I Figur 2 representerar E den elektriska fältvektorn och H den magnetiska fältvektorn för vågen som utbreder sig från RF-källan. P representerar utbrednings- vektorn (eller Poyntingvektorn). Det skall emellertid noteras att den föreliggande konstruktionens funktion kommer att vara oberoende av polarisationen för mikrovågen som passerar genom linsanordningen. Alltså kan polarisationen vara cirkulär eller linjär vid vilken som helst godtycklig vinkel relativt koordinatsystemet, till exempel indikerat i Figurerna 1 och 2.

Vidare, på samma sätt som i Figur 2, demonstrerar Figur 3 strukturen för den svepande kontinuerliga linsen, vilken kommer att styra en antennlob 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- fältpolariteten vid svepning av spänningarna Ux och Uy, påläggs en förspänningskälla 40 (Ubias) av storleksordningen 5 till 10 kV mellan de två spänningskälloma 26 och 36 för X- respektive Y-riktningen. Symbolerna som visas indikerar helt enkelt att förspänningen är ansluten inom de variabla källornas spänningsomräde, lämpligen vid en mittpunkt. På ett liknande sätt indikeras av jordningen vid symbolen för förspänningskällan hur anordningen enligt den belysande utföringsformen är refererad till systemjord.

För att erhålla en impedansanpassning till omgivningen kommer det i det flesta fall vara nödvändigt att täcka linselements yta på en sida eller på båda sidorna med en transformator 60. Denna transformator ändrar impedans- nivån, steg för steg eller kontinuerligt, så att reflektioner, när vågen som utbreder sig går in i eller lärnnar den ferroelektriska skivan 50, blir tillräckligt små inom det operativa frekvensområdet. Det är även möjligt att ha den steg för steg eller kontinuerliga ändringen av impedans till och med gående in i det ferroelektriska materialet. 515 2 9 7 4 7 ._ Figur 3 demonstrerar en mer detaljerad utföringsform av ett svepande linselement i enlighet med den föreliggande uppñnningen. Ett typiskt önskat frekvensområde för en antenn som inkluderar linselementet enligt den föreliggande uppfinningen kan vara av storleksordningen 30 - 40 GHz. I den belysande utföringsformen inkluderar linselementet en platt skiva 50 av materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna.

I denna utföringsform kan materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna vara i form av en flat fyrkantig skiva 50 som har måtten ungefär 10 >< 10 cm och en tjocklek av ungefär 0,5 cm. Exempelvis är typiska sådana material bariumtitanat, bariumstrontíumtitanat eller blytitanat i finkorning slumpartad polykristallisk eller keramisk form. En lämplig keram, till exempel gjord tillgänglig på markanden av Paratek Inc., Aberdeen, MD, USA, är till exempel ett material identifierat som Composition 4, vilket uppvisar en relativ dielektricitetskonstant e; (EDC=0) = 118 och med en avstämbarhet av 10% i enlighet med specifikatíonen. Denna linsskiva kan till exempel placeras i samband med ett matningshorn, täcka en slitsad vågledarantenn, eller som ett element i en konventionell gruppapertur.

Vidare, på översidan och eller undersidan av skivan 50 för linselementet kan det arrangeras en impedanstransformator 60 för att erhålla en impedans- anpassning för det föreliggande linselementet, vilket kan representera ett impedansvärde av storleksordningen 40 ohm. I utföringsformen illustrerad i Figur 3 finns det en impedanstransformator på varje sida av linselementet. I denna belysande utföringsform består båda transformatorema av ett antal skikt 61, 62, 63 och 64 av dielektriskt material som uppvisar en stegvis ändring av reflektorelements impedans mot omgivningen (t.ex. fri luft z 377 ohm). Om linselementet till exempel kombineras med en slitsantenn kan det vara behov av endast en transformator på sidan som är vänd mot luft.

Beskrivning av lobstvrnirrg Om UX = Uy = 0 kommer antennloben sammanfalla med ytans ytnormal i det enkla fallet med det plana linselement som belyses med ett infallande fält 515 297 s vinkelrätt mot det plana ytelementet. När till exempel Ux och Uy ändras till Um respektive Uyo kommer det skapas ett statiskt elektriskt fält över materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna i enlighet med: E(x,y) ==(Um -x/xa - Uyo -y/ya + UbiaQ/d (1) d representerar då tjockleken för materialet som uppvisar de ferroelektriska egenskaperna, ya representerar utstråckningen av skivan i aperturens Y- riktning och xa representerar dess utsträckning i X-riktningen. Om e ligger inom ett område som är approximativt linjärt som funktion av E kommer dielektricitetskonstanten (kapacitivitet) att variera över ytan i enlighet med: s(><,y)E-=(U.,m)-C-E(x,y) <2) Detta resulterar i en fasgradient över ytan för den sända vågen i enlighet med: A Loben kommer approximativt att peka i ytnorrnalens riktning för fasgradienten i mitten av aperturen (x = y = O). Vinkeln (DX mellan axeln Z och lobens projektion på planet X-Z kommer approximativt bli <1>X = atan(«vd><(Aø(x,y))1,s=0-(t 4210)) <4) På ett analogt sätt blir approximativt vinkeln (Dy mellan axeln Z och lobens projektion på planet X-Y: , = atan(d/dy(A§0(X,Y))|,=,~.0-(Ä» /(2ff))) (5) 515 297 9 Följaktligen kommer i båda planen X-Z och X-Y erhållas en fullständig lobstyrning. En ändring av lobriktningen erhålls ögonblickligen med en ändring av de pålagda elektriska spånningarna som matar respektive film.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfattning, vilken definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (6)

515 297 io PATENTKRAV

1. l. Förfarande för att erhålla en svepande kontinuerlig linsantenn, kännetecknat av stegen: arrangerande av ett linselement i form av en skiva (50) av ett material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, arrangerande av en första elektromagnetiskt transparent, högresistiv ñlm (24) på en första sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid den första högresistiva filmen (24) vid två motstående kanter är försedd med första och andra högkonduktiva trådar (22, 23) elektriskt anslutna längs respektive motstående kant, arrangerande av en andra elektromagnetiskt transparent, högresistiv filrn (34) på en andra sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid den andra högresistiva filmen (34) vid två motstående kanter är försedd med en tredje och en fjärde högkonduktiv tråd (32, 33) elektriskt ansluten längs respektive motstående kant, varjämte de tredje och fjärde trådarna (32, 33) för den andra högresistiva filmen (34) löper vinkelrätt mot de första och andra trådarna (22, 23) för den första högresistiva filmen (24), anslutning av en första variabel spänningskälla Ux (26) till de första och andra ledande trådarna (22, 23) för den första resistiva filmen (24) för bildandet av en statisk potentialgradient tvärs över den första högresistiva filmen (24), och anslutning av en andra variabel spänningskälla Uy (36) till den tredje och fjärde ledande tråden (32, 33) för den andra högresistiva filmen (34) för att skapa en statisk potentialgradient tvärs över den andra resistiva filmen (34), därmed utformande vinkelräta statiska E-fält tvärs över skivan (50), belysande en sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper med ett mikrovågsfält med godtycklig polarisation, styrande av dielektricitetskonstanten tvärs över linselementets yta genom att styra spänningarna för de första och andra spänningskällorna (26, 36) för att därmed styra riktingen för en antennlob genererad genom avböjd mikrovågseffekt med hjälp av den svepande linsantennen. 515 297 11

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget att arrangera en förspänning Ubias (40) mellan de första och andra elektro- magnetiskt transparenta filmerna (24, 34), eller de första och andra spänníngskällorna (26, 36), för att erhålla lågförlustfunktion och garantera ingen ändring av en statisk E-fältspolaritet.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget att arrangera en impedansanpassning mot omgivningen genom täckande av åtminstone en yta av linselementet med en transformeringsanordning (60), vilken, steg för steg eller kontinuerligt, ändrar impedansen så att kopplingen till omgivningen blir tillräckligt stor inom ett operativt frekvensområde för antennen.

4. Kontinuerligt svepande linsantenn, kännetecknad av ett linselement i form av en skiva (50) av ett material som uppvisar ferroelektríska egenskaper, en första elektromagnetiskt transparent, högresistiv film (24) på en första sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektríska egenskaper, varvid den första högresistiva filmen (24) vid två _motstående kanter är försedd med en första och andra högkonduktiv tråd (22, 23) elektriskt ansluten längs respektive motstående kant, en andra elektromagnetiskt transparent, högresistiv film (34) på en andra sida av skivan av material som uppvisar ferroelektriska egenskaper, varvid den andra högresistiva filmen (34) vid två motstående kanter är försedd med en tredje och fjärde högkonduktiv tråd (32, 33) elektriskt ansluten längs respektive motstående kant, varjämte de tredje och fjärde trådarna (32, 33) för den andra högresistiva filmen (34) då löper vinkelrätt mot de första och andra trådarna (22, 23) för den första högresistiva filmen (24), och att en första variabel spänningskälla Ux (26) är ansluten till den ledande första och andra tråden (22, 23) för den första elektromagnetiskt transparenta, resistiva ñlrnen (24) skapande en statisk potentialgradient tvärs över den första resistiva filmen (24), och andra variabel spänningskälla 515 297 12 Uy (36) är ansluten till den tredje och fjärde högkonduktíva tråden (32, 33) för den andra elektromagnetiskt transparenta, resistiva filmen (34) för att skapa en statisk potentíalgradient tvärs över den andra resistiva filmen (34), därmed bildande vinkelräta statiska E-fält tvärs över skivan (50), samt att en sida av skivan (50) av material som uppvisar ferroelektríska egenskaper illumineras med en mikrovågskälla som har en godtycklig polarisatíon, varvid en dielektricitetskonstant tvärs över linselementets yta styrs med hjälp av de första och andra spänningskällornas (26, 36) spänning och därmed styr en riktning för en antennlob genererad av genom avböjd mikrovägseffekt som passerar genom den svepande linsantennanordningen.

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknar! av att en förspänning Ubias arrangeras mellan de första och andra elektromagnetiskt transparenta resistiva filmerna (24, 34) för att erhålla làgförlustfunktion och för att garantera ingen ändring av den statiska E-fältspolariteten.

6. Anordning enligt krav 4, känneteeknad av en impedansanpassning mot omgivningen i form av en transformationsanordning (60) som täcker åtminstone en yta av linselementet, vilken transformationsanordning, steg för steg eller kontinuerligt, ändrar impedansnivän så att kopplingen mot ett omgivande medium blir tillräckligt stor inom ett operativt frekvensområde för den svepande linsantennanordningen.