DE3536348C2 - - Google Patents

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DE3536348C2 DE19853536348 DE3536348A DE3536348C2 DE 3536348 C2 DE3536348 C2 DE 3536348C2 DE 19853536348 DE19853536348 DE 19853536348 DE 3536348 A DE3536348 A DE 3536348A DE 3536348 C2 DE3536348 C2 DE 3536348C2
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Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Fresnel'schen Zonenplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention is based on a Fresnel Zone plate with the features of the preamble of claim 1.

Der Mikrowellenbereich, also der Dezimeter-, Zentimeter- und gegebenenfalls Millimeter-Wellenlängenbereich, bekommt auch in der nichtkommerziellen Nachrichtentechnik immer größere Bedeutung, z. B. beim sogenannten Satelliten-Fernsehen. Zum Empfang von elektromagnetischen Schwingungen im Mikrowellenbereich werden im allgemeinen Parabolspiegel verwendet, die das Wellenfeld fokussieren. Solche Parabolspiegel sind jedoch relativ teuer in der Herstellung und erfordern eine aufwendige Halterung, um dem Winddruck standhalten zu können. Gegen eine verbreitete Aufstellung von Parabolspiegel-Mikrowellenantennen sprechen auch ästhetische und städtebauliche Gesichtspunkte.The microwave range, i.e. the decimeter, centimeter and possibly millimeter wavelength range always in non-commercial communications technology greater importance, e.g. B. in so-called satellite television. For receiving electromagnetic vibrations in the microwave range parabolic mirrors are generally used, that focus the wave field. Such parabolic mirrors are however, relatively expensive to manufacture and require one elaborate bracket to withstand the wind pressure. Against a widespread installation of parabolic mirror microwave antennas also speak aesthetic and urban planning Points of view.

Aus der Veröffentlichung "B. C. Discovery", Seiten 20, 21, Herbst 1981, ist bereits eine Mikrowellenantenne für 12 GHz bekannt, die eine Fresnel'sche Zonenplatte als fokussierendes Element enthält. Die Zonenplatte besteht aus halbzölligem Kiefernsperrholz und arbeitet ähnlich wie eine Linse in Transmission. Die Zonen sind durch Aussägen gebildet, d. h. sie bestehen abwechselnd aus Luft und aus dem Sperrholz, das für die es durchdringende Mikrowellenstrahlung gerade die richtige Phasenverzögerung erzeugt.From the publication "B. C. Discovery", pages 20, 21, Fall 1981, is already a microwave antenna for 12 GHz known that a Fresnel zone plate as a focusing Contains item. The zone plate consists of half-inch Pine plywood and works much like a lens in Transmission. The zones are formed by sawing, i.e. H. they alternate between air and plywood, that for the microwave radiation penetrating it generates the correct phase delay.

Aus der US-PS 31 89 907 ist eine Hochfrequenzantenne bekannt, die als fokussierendes Element eine Fresnel'sche Zonenplatte mit einer ersten und einer zweiten Schar alternierender, durch Kreise oder Ellipsen begrenzter Zonen enthält. Die Zonen der einen Schar sind aus einem metallischen, elektrisch leitfähigen oder einem opaken Material, während die Zonen der anderen Schar nichtleitend oder transparent sind. Die Achse der auf die Zonenplatte einfallenden Mikrowellenstrahlung und die Achse der von der Zonenplatte reflektierten und fokussierten Mikrowellenstrahlung können einen von 90° verschiedenen Winkel mit der Ebene der Zonenplatte bilden.From US-PS 31 89 907 a high frequency antenna is known a Fresnel zone plate as the focusing element alternating with a first and a second group, contains zones delimited by circles or ellipses. The Zones of a coulter are made of a metallic, electrical conductive or an opaque material, while the zones of  other group are non-conductive or transparent. The axis the microwave radiation incident on the zone plate and the axis of the reflected from the zone plate and focused microwave radiation can be 90 ° form different angles with the plane of the zone plate.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine Zonenplatte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, daß bei gleichbleibenden Abmessungen der Fresnel'schen Zonenplatte die Fokussierungseigenschaften verbessert werden.The present invention is based on this state the technology, the task, a zone plate in the Develop the preamble of claim 1 specified type such that the Fresnel's dimensions remain the same Zone plate the focusing properties can be improved.

Diese Aufgabe wird bei der Zonenplatte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.With the zone plate, this task becomes the one in the generic term of claim 1 specified type by the characterizing Features of claim 1 solved.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zonenplatte sind Gegenstand der Unteransprüche. Besonders bevorzugt wird aus Energiegründen die Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zonen der beiden Scharen in Bezug aufeinander phasenverschoben reflektieren.Further developments and advantageous refinements of Zone plate according to the invention are the subject of the dependent claims. Is particularly preferred for energy reasons the embodiment of the invention in which the zones of the two coulters out of phase with respect to each other reflect.

Die vorliegende Zonenplatte hat als fokussierendes Element für Mikrowellen-Antennen eine Reihe erheblicher Vorteile, nämlichThe present zone plate has as a focusing Element for microwave antennas a number of significant Advantages, namely

  • 1. die Zonenplatte kann auch mit großen Abmessungen einfach hergestellt werden, z. B. durch photolithographische Ätzung ähnlich wie Leiterplatten für elektrische Schaltungen, ferner durch Siebdruck, durch Stanztechnik und dergl.; 1. The zone plate can also be of large dimensions simply be made, e.g. B. by photolithographic Etching similar to circuit boards for electrical circuits, also by screen printing, through stamping technology and the like;  
  • 2. da die Zonenplatte als Reflektor arbeitet, wird im Gegensatz zu einer linsenartig wirkenden Zonenplatte kein Raum auf ihrer Rückseite benötigt, sie läßt sich also einfach an Gebäudeflächen, wie Wänden, Dächern und dergl. anbringen, ohne störend zu wirken. Gewünschtenfalls kann die Zonenplatte auch durch einen Anstrich getarnt werden.2. since the zone plate works as a reflector, is in Contrast to a lens-like zone plate no space on the back needed, it can be So simply on building surfaces, such as walls, roofs and the like. Attach without being distracting. If desired the zone plate can also be replaced by a Painting to be camouflaged.
  • 3. Wird die reflektierende Zonenplatte, wie es bei der Erfindung der Fall ist, für eine außeraxiale Fokussierung ausgelegt, so läßt sich die Anordnung leicht so treffen, daß die Stützstruktur des Empfangs- oder Sendeelements, z. B. eines Hornes, außerhalb des kollimierten (parallelen) Teils des Strahlungsbündels liegt, so daß dieses nicht gestört oder abschattiert wird.3. Will the reflective zone plate, as is the case with the case of the invention is designed for off-axis focusing, so the arrangement can easily be made so that the support structure of the receiving or transmitting element, e.g. B. a horn, outside of the collimated (parallel) part of the radiation beam, so that this is not disturbed or shaded.

Die vorliegende Zonenplatte läßt sich auch für mobile Zwecke leicht auf einer flexiblen Folie oder dergl. herstellen, so daß sie bequem transportiert und bei Bedarf einfach aufgespannt werden kann.The present zone plate can also be used for mobile Easily manufacture purposes on a flexible sheet or the like, so that it can be easily transported and when needed can simply be stretched.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fresnel'schen Zonenplatte sind Gegenstand von Unteransprüchen.Developments and refinements of the invention Fresnel zone plate are the subject of Subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be described with reference to FIG the drawings, for example, explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a graphical representation to explain the principle of a preferred embodiment of the invention.

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine außeraxial fokussierende reflektierende Fresnel'sche Zonenplatte für eine Mikrowellen-Antenne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 is a plan view of an off-axis focusing reflective Fresnel zone plate for a microwave antenna according to an embodiment of the invention and

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Gebäuden, an denen eine Mikrowellen-Antenne angebracht ist, die eine Fresnel'sche Zonenplatte gemäß der Erfindung als fokussierendes Element enthält. Fig. 3 is a schematic representation of buildings on which a microwave antenna is attached, which contains a Fresnel zone plate according to the invention as a focusing element.

Für die folgende Erläuterung sei angenommen, daß die Mikrowellen-Antenne, in der die vorliegende Fresnel'sche Zonenplatte als fokussierendes Element verwendet wird, als Empfangsantenne dient und daß sich der die zu empfangenden Hochfrequenzschwingungen abstrahlende Sender in großer Entfernung von der Antenne befindet, so daß ein ebenes Wellenfeld auf die Fresnel'sche Zonenplatte auffällt. Die Fresnel'schen Zonenplatten gemäß der Erfindung sind selbstverständlich nicht auf Empfangsantennen beschränkt sondern können in entsprechender Weise auch in Sendeantennen verwendet werden.For the following explanation it is assumed that the Microwave antenna in which the present Fresnelian Zone plate is used as a focusing element serves as a receiving antenna and that the to receiving high-frequency vibrations emitting transmitter located at a great distance from the antenna, so that a flat wave field on the Fresnel zone plate stands out. The Fresnel zone plates according to the invention are of course not on receiving antennas limited but can also in a corresponding manner be used in transmit antennas.

Der als fokussierendes Element dienenden Fresnel'schen Zonenplatte ist ein Antennenelement, z. B. ein Empfangs- oder Sende-Horn zugeordnet, wie es bei Mikrowellen-Antennen üblich ist.The Fresnelian serving as the focusing element Zone plate is an antenna element, e.g. B. a receiving assigned or transmit horn, as is the case with microwave antennas is common.

Wie erwähnt, ist die Fresnel'sche Zonenplatte für einen schrägen Einfall der Mikrowellen-Strahlung ausgelegt, so daß das die fokussierte Strahlung aufnehmende Antennenelement und seine Stützstruktur das einfallende Wellenfeld nicht stören oder abschattieren. Außerdem läßt sich dadurch oft eine unauffälligere Anordnung des Antennenelements erreichen.As mentioned, the Fresnel zone plate for an oblique incidence of microwave radiation designed so that the receiving the focused radiation Antenna element and its support structure the incident Do not disturb or shade the wave field. Furthermore can often be a more inconspicuous arrangement of the Reach antenna element.

Bei schrägem Einfall der Mikrowellen-Strahlung liegt der Brennpunkt der reflektierenden Fresnel'schen Zonenplatte in einer Ebene, die von der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Wellenfeldes und der Normalen der ebenen, reflektierenden Zonenplatten aufgespannt wird. Um eine hohe Intensität im Brennpunkt zu erzielen wird in Analogie zum "blaze" bei optischen Beugungsgittern der Brennpunkt auf die Achse der an der Zonenplatte spiegelnd reflektierten Strahlung gelegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Im Brennpunkt P (y o , z o ) erhält man maximale Intensität, wenn die Punkte mit den Koordinaten x, y auf der ebenen Zonenplatte, für dieWhen the microwave radiation is incident obliquely, the focal point of the reflecting Fresnel zone plate lies in a plane which is spanned by the direction of propagation of the incident wave field and the normal of the plane, reflecting zone plates. In order to achieve a high intensity in the focal point, in analogy to the "blaze" in optical diffraction gratings, the focal point is placed on the axis of the radiation which is reflected specularly on the zone plate, as shown in FIG. 1. In the focal point P ( y o , z o ) one obtains maximum intensity if the points with the coordinates x, y on the flat zone plate for the

n = n o + K; K = 0, 1, 2, . . . n = n o + K; K = 0, 1, 2,. . .

gilt, metallisch reflektieren. Hierbei liegen die Punkte mit gleichem s-Wert, d. h. die Zonenkonturen, auf Ellipsen. Diese haben die allgemeine mathematische Formapplies, reflect metallic. The points with the same s value, ie the zone contours, lie on ellipses. These have the general mathematical form

wobei für den betrachteten Fall giltwhere applies to the case under consideration

D = (s-f) sin α/cos²α;
B² = (s²-f²) cos²α+D²;
A² = B² cos²a. D = ( s - f ) sin α / cos² α ;
B ² = (s ²- f ²) ² cos α + D;
A ² = B ² cos² a .

f ist die Brennweite der Zonenplatte;
α ist der Reflexionswinkel zwischen der Flächennormalen und der Richtung des einfallenden Wellenfeldes bzw. der Achse des in den Brennpunkt fokussierten Strahlungsbündels. Alle Längeneinheiten sind auf die betreffende Wellenlänge normiert. f is the focal length of the zone plate;
α is the angle of reflection between the surface normal and the direction of the incident wave field or the axis of the radiation beam focused in the focal point. All length units are standardized to the relevant wavelength.

Fig. 2 zeigt eine Zonenplattenkonstruktion für eine Brennweite f = 38 λ und einen Reflexionswinkel von α = 37° bei einer Zonenplattengröße von 80 λ × 80 λ. Die schwarz gezeichneten Zonen der Zonenplatte gemäß Fig. 2 sind also reflektierend, die weiß gezeichneten Zonen sind absorbierend oder für die Mikrowellen-Strahlung durchlässig. Fig. 2 shows a zone plate structure for a focal length f = λ 38 and λ a reflection angle of α = 37 ° with a zone plate size of 80 × 80 λ. The zones shown in black in the zone plate according to FIG. 2 are thus reflective, the zones shown in white are absorbent or transparent to the microwave radiation.

Zonenplatten der oben beschriebenen Art lassen sich einfach unter Anwendung der Technik der geätzten bzw. gedruckten Leiterplatten herstellen.Zone plates of the type described above can be simply using the technique of etched or manufacture printed circuit boards.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf eine die Mikrowellen-Strahlung spiegelnd reflektierende Oberfläche Zonen aus einem die Mikrowellen-Strahlung absorbierenden Material durch Siebdruck aufzubringen. Auf diese Weise lassen sich z. B. leicht transportable fokussierende Elemente für Mikrowellen-Strahlung durch Bedrucken von spiegelnd bedampften Polyesterfolien und dergl. herstellen.Another option is to click on the the Surface reflecting microwave radiation Zones made of a microwave radiation absorbing Apply material by screen printing. On this way z. B. easily transportable focusing elements for microwave radiation Printing of mirror-coated steamed polyester films and the like.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf eine spiegelnd reflektierende, insbesondere metallische, ebene Oberfläche eine Phasenstruktur entsprechend einer Fresnel'schen Zonenplatte aufzubringen, z. B. durch Siebdruck. Die Phasenstruktur aus einem geeigneten Dielektrikum wird so bemessen, daß zwischen benachbarten Zonen ein Gangunterschied von einer ½ Wellenlänge auftritt. Schließlich lassen sich solche Phasenstrukturen, bei denen dann alle Zonen reflektieren und in vorteilhafter Weise zur fokussierten Strahlung beitragen, durch ein entsprechendes Reliefmuster realisieren, das z. B. durch Prägen oder auch Ätzen und dergl. hergestellt werden kann.Another option is to reflect on one reflective, especially metallic, plane  surface a phase structure corresponding to a Fresnel Apply zone plate, e.g. B. by screen printing. The phase structure from a suitable dielectric is dimensioned so that between adjacent zones Path difference of a ½ wavelength occurs. Finally, such phase structures can be which then reflect all zones and more advantageously Contribute to focused radiation, by means of a corresponding relief pattern, the Z. B. by embossing or etching and the like. can be manufactured.

Die Phasenstruktur, also die Dielektrikumsschicht oder das Reliefmuster, können ein Rechteckwellenprofil haben, bevorzugt, wenn auch in der Herstellung teurer, ist jedoch ein Sinusprofil, das so bemessen ist, daß sich für alle Elementar-Kugelwellen, die von den reflektierenden Zonen ausgehen, konstruktive Interferenz im Brennpunkt ergibt.The phase structure, i.e. the dielectric layer or the relief pattern, can have a rectangular wave profile, preferred, albeit more expensive to manufacture however, a sinus profile that is dimensioned such that itself for all elementary spherical waves that are reflected by the Out of zones, constructive interference in the Focus results.

Die Phasenstrukturen werden selbstverständlich, wie es aus der Optik bekannt ist, entsprechend dem an die Phasenstruktur angrenzenden Medium bemessen, das im einfachsten Falle aus der Umgebungsluft (ε r = 1) besteht.Of course, as is known from optics, the phase structures are dimensioned according to the medium adjacent to the phase structure, which in the simplest case consists of the ambient air ( ε r = 1).

Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Montage einer Mikrowellen- Antenne, die eine reflektierende Zonenplatte der in Fig. 2 dargestellten Art als fokussierendes Element enthält. Die Zonenplatte 10 ist an einer senkrechten Außenfläche 12 eines Hauses 10 in der Nähe des Daches so angeordnet, daß sie der zu empfangenden Mikrowellen-Strahlung 16 frei ausgesetzt ist. Die Mikrowellen-Strahlung wird durch die reflektierende Zonenplatte 10 in einen Brennpunkt 18 fokussiert, bei dem eine Hornantenne 20 angeordnet ist, die mit einem zugehörigen Eingangsverstärker 22 beispielsweise oben an einer benachbarten Garage 24 angeordnet sein kann. Der Vorverstärker 22 ist über ein Kabel 26 mit im Haus 14 befindlichen Fernsehgeräten 28, gegebenenfalls über einen nicht dargestellten Umsetzer, verbunden. FIG. 3 shows an example of mounting a microwave antenna which contains a reflective zone plate of the type shown in FIG. 2 as a focusing element. The zone plate 10 is arranged on a vertical outer surface 12 of a house 10 near the roof so that it is freely exposed to the microwave radiation 16 to be received. The microwave radiation is focused by the reflective zone plate 10 into a focal point 18 , in which a horn antenna 20 is arranged, which can be arranged with an associated input amplifier 22, for example on top of an adjacent garage 24 . The preamplifier 22 is connected via a cable 26 to television sets 28 located in the house 14 , possibly via a converter (not shown).

Claims (10)

1. Fresnel'sche Zonenplatte zum Fokussieren von längs einer Achse einfallender Mikrowellenstrahlung in einen außeraxialen Brennpunkt, für eine Mikrowellenantenne, mit einer ersten und einer zweiten Schar alternierender, durch Ellipsen begrenzter Zonen, von denen wenigstens die der ersten Schar reflektieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der Ellipsen längs der Schnittlinie der Zonenplatte mit der Ebene, die von der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Mikrowellenstrahlung und der Achse der fokussierten Strahlung aufgespannt wird, fortschreitend gegeneinander versetzt sind.1. Fresnel zone plate for focusing along an axis incident microwave radiation into an off-axis focal point, for a microwave antenna, with a first and a second family of alternating zones delimited by ellipses, at least those of which reflect the first family, characterized in that the center points of the ellipses are progressively offset from one another along the intersection line of the zone plate with the plane spanned by the direction of propagation of the incident microwave radiation and the axis of the focused radiation. 2. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Schar die Mikrowellenstrahlung absorbieren.2. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized that the zones of the second group the Absorb microwave radiation. 3. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Schar für die zu fokussierende Mikrowellenstrahlung im wesentlichen transparent sind.3. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized in that the zones of the second group for the microwave radiation to be focused essentially are transparent. 4. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Schar bezüglich denen der ersten Schar phasenverschoben reflektieren.4. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized in that the zones of the second group with respect reflect those of the first group out of phase. 5. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen in Leiterplattentechnik ausgebildet sind. 5. Fresnel zone plate according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the zones in printed circuit board technology are trained.   6. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Metallplatte enthält, die mit einer Schicht aus einem Dielektrikum überzogen ist, welche eine Fresnel'sche Phasenplatte bildet, deren alternierende Zonen einen Gangunterschied von ½ Wellenlänge der an benachbarten Zonen reflektierten Mikrowellenstrahlung erzeugt.6. Fresnel zone plate according to claim 4, characterized characterized that it contains a metal plate, which are covered with a layer of a dielectric which forms a Fresnel phase plate, whose alternating zones have a path difference of ½ wavelength of the reflected from neighboring zones Microwave radiation generated. 7. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine metallisch reflektierende Zonenplatte mit einem die alternierenden Zonen bildenden Reliefmuster aufweist.7. Fresnel zone plate according to claim 4, characterized characterized as being a metallic reflective Zone plate with one that forms the alternating zones Has relief pattern. 8. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reliefmuster ein rechteckwellenförmiges Profil hat.8. Fresnel zone plate according to claim 7, characterized characterized in that the relief pattern is a rectangular wave Profile. 9. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen ein im wesentlichen sinusförmiges Profil bilden.9. Fresnel zone plate according to claim 6 or 7, characterized in that the zones are essentially one Form sinusoidal profile. 10. Fresnel'sche Zonenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Antennenanordung verwendet ist, wobei die Zonenplatte (10) an einer Gebäudefläche (12) angebracht ist und daß im Brennpunkt (18) ein Mikrowellen-Antennenelement (20) angeordnet ist.10. Fresnel zone plate according to one of the preceding claims, characterized in that it is used in an antenna arrangement, the zone plate ( 10 ) being attached to a building surface ( 12 ) and in that the focal point ( 18 ) is a microwave antenna element ( 20 ) is arranged.
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