DE3889834T2 - Lens / polarizer / radom. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem, welches folgendes enthält:The present invention relates to an antenna system, which contains:
eine Antenne;an antenna;
eine dielektrische Linse, die so angeordnet ist, daß sie mindestens einen Teil der Apertur der Antenne überdeckt, wobei die dielektrische Linse aus einem Material mit einer Dielektrizitätskonstanten über 2.0 gefertigt ist und so geformt ist, daß sie das Antennendiagramm in gewünschter Weise modifiziert; unda dielectric lens arranged to cover at least a portion of the aperture of the antenna, the dielectric lens being made of a material having a dielectric constant greater than 2.0 and being shaped to modify the antenna pattern in a desired manner; and
eine Zwischenschicht, die zwischen der Antenne und der dielektrischen Linse angeordnet ist;an intermediate layer disposed between the antenna and the dielectric lens;
wodurch das Antennendiagramm der an der Apertur der Antenne austretenden Energie modifiziert wird.thereby modifying the antenna pattern of the energy exiting the aperture of the antenna.
Es ist manchmal notwendig, die Gestalt des Antennendiagramms einer Gruppe von Antennen zu modifizieren. In einem solchen Fall wäre es übliche Praxis, die Antenne neu zu konstruieren, um das gewünschte modifizierte Antennendiagramm zu erhalten. Ein derartiger Lösungsversuch wäre aber verhältnismäßig schwierig und teuer bei der Verwirklichung, insbesondere, wenn die praktische Ausführung den Austausch einer beträchtlichen Anzahl von Systemen in dem Feld erforderlich machte. Die Schrift EP-A-0 31 28 beschreibt ein System der zuvor eingangs definierten Art, bei welchem die dielektrische Linse von den Sende- und Empfangshohlräumen der Antenne durch einen Block aus Polystyrolschaum getrennt ist, der als ein Teilreflektor wirksam ist. Die dielektrische Linse, welche aus Polyäthylen oder Polystyrol gefertigt sein kann, ist so ausgelegt, daß sie die Bündelung des Antennensystems erhöht. Die Dicke des Polystyrolblockes ist so gewählt, daß sie 14 mm für eine Frequenz von 9,9 Ghz ausmacht. Die Schrift F-A-2 373 891 beschreibt ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem, bei welchem eine lineare Reihe von Strahlerelementen vor sich einen Winkelfilter angeordnet findet, der aus drei perforierten, parallelen Metallplatten besteht. Die Platten werden durch Teile in Position gehalten, die aus energieabsorbierendem kohlenstoffversetztem Schaumgummi gefertigt sind. Diese Teile sind an einander gegenüberliegenden Enden der linearen Reihe von Strahlerelementen angeordnet.It is sometimes necessary to modify the shape of the antenna pattern of a group of antennas. In such a case, it would be common practice to redesign the antenna to obtain the desired modified antenna pattern. Such an attempt at a solution would, however, be relatively difficult and expensive to implement, particularly if the practical implementation required the replacement of a considerable number of systems in the field. Document EP-A-0 31 28 describes a system of the type defined above, in which the dielectric lens is separated from the transmitting and receiving cavities of the antenna by a block of polystyrene foam which acts as a partial reflector. The dielectric lens, which may be made of polyethylene or polystyrene, is designed to increase the directivity of the antenna system. The thickness of the polystyrene block is chosen to be 14 mm for a frequency of 9.9 GHz. The document FA-2 373 891 describes a phased array antenna system in which a linear array of radiating elements is placed in front of an angle filter consisting of three perforated parallel metal plates. The plates are held in position by members made of energy absorbing carbon-filled foam rubber. These members are placed at opposite ends of the linear array of radiating elements.
Die Veröffentlichung EP/A 0 044 502 beschreibt einen Polarisator zur Erzeugung zirkularpolarisierter elektromagnetischer Wellen, welcher einen Mehrschichtaufbau besitzt, in dem meanderförmige Leiter in einer zueinander parallelen Anordnung auf Parallelflächen einiger der Schichten vorgesehen sind.Publication EP/A 0 044 502 describes a polarizer for generating circularly polarized electromagnetic waves, which has a multilayer structure in which meandering conductors are provided in a mutually parallel arrangement on parallel surfaces of some of the layers.
Die Veröffentlichung US-A-3 611 392 beschreibt als primäre Einspeisung für ein frontbeaufschlagtes Antennensystem eine dielektrische Linsenanordnung, die aus Polyäthylen gebildet ist, und im wesentlichen pilzförmige Gestalt hat. Der Stiel koppelt die Anordnung an eine Speise- Wellenleitung. Innere Reflexion an der Frontfläche der Linse entsprechend der Kopfoberfläche der Pilzgestalt wird durch eine dort vorgesehene Schicht vermindert, die als Viertelwellentransformator wirksam ist.Publication US-A-3 611 392 describes as a primary feed for a front-loaded antenna system a dielectric lens arrangement which is made of polyethylene and has a substantially mushroom-shaped configuration. The stem couples the arrangement to a feed waveguide. Internal reflection at the front surface of the lens corresponding to the head surface of the mushroom shape is reduced by a layer provided there which acts as a quarter-wave transformer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Antennensystem, wie es zuvor eingangs definiert worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antenne eine Gruppenantenne ist, und daß die genannte Zwischenschicht eine Viertelwellen-Impedanzanpassungsschicht ist.According to the present invention, an antenna system as defined above is characterized in that said antenna is an array antenna and that said intermediate layer is a quarter-wave impedance matching layer.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch eine Linsen-Polarisator-Radom- Anordnung, die an einer vorhandenen Gruppenantenne befestigt ist, um das Antennendiagramm in einer gewünschten Weise zu modifizieren, ohne daß andere Betriebseigenschaften einer solchen Gruppenantenne wesentlich beeinflußt werden. Die Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung enthält eine geeignet geformte dielektrische Linse zusammen mit Impedanzanpassungs- und Filterstrukturen, wobei die Linsen- Polarisator-Radom-Anordnung für die Befestigung an der vorhandenen Gruppenantenne so ausgebildet ist, daß sich eine einheitliche Struktur ergibt.A preferred embodiment of the present invention is provided by a lens-polarizer-radome An arrangement which is attached to an existing array antenna in order to modify the antenna pattern in a desired manner without significantly affecting other operating characteristics of such an array antenna. The lens-polarizer-radome arrangement comprises a suitably shaped dielectric lens together with impedance matching and filter structures, the lens-polarizer-radome arrangement being designed for attachment to the existing array antenna to form a unitary structure.
Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise im Querschnitt gezeigte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Gestalt der Kombination einer Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung und einer Gruppenantenne ist; undFig. 1 is a perspective, partially cross-sectional view of a preferred embodiment of the present invention in the form of a combination of a lens-polarizer-radome arrangement and an array antenna; and
Fig. 2 und 2A den Aufbau eines Polarisators, der in der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet wird, zeigen.Fig. 2 and 2A show the structure of a polarizer used in the embodiment of Fig. 1.
Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, woraus man erkennt, daß die Einzelteile der betrachteten Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung innerhalb eines mit Flansch versehenen Rahmens 10 montiert sind, der so bemessen ist, daß er in irgendeiner herkömmlichen Art an der Frontseite einer Gruppenantenne 12 befestigt werden kann, vorliegend einer linearen Reihe von nicht näher bezeichneten Hornsektoren. Die Einzelteile der betrachteten Linsen-Polarisator-Radom- Anordnung sind eine dielektrische Linse 13, ein Viertelwellen-Anpassungselement 15, ein Polarisationsfilter 17 und ein Polarisator 19. Zusätzlich sind, wie dargestellt, Absorber 21, 23 und 24 vorgesehen.Referring now to Fig. 1, it can be seen that the components of the lens-polarizer-radome arrangement under consideration are mounted within a flanged frame 10 which is dimensioned so that it can be attached in any conventional manner to the front of an array antenna 12, in this case a linear series of unspecified horn sectors. The components of the lens-polarizer-radome arrangement under consideration are a dielectric lens 13, a quarter-wave matching element 15, a polarizing filter 17 and a polarizer 19. In addition, as shown, absorbers 21, 23 and 24 are provided.
Die dielektrische Linse 13, welche vorliegende aus Polyäthylen gefertigt ist, das eine Dielektrizitätskonstante von annähernd 2, 3 besitzt, hat solche Gestalt, daß sie eine erste Oberfläche 13a aufweist, die in der Form komplementär zu den Enden der sektorartigen Hornstrahler (nicht bezeichnet) ist. Anders ausgedrückt, die erste Oberfläche 13a ist so geformt, daß sie nahezu eine Fläche der Phasengleichheit bezüglich Feldern darbietet, welche durch die sektorartigen Hornstrahler (nicht bezeichnet) erzeugt werden. Eine zweite Oberfläche 13b der dielektrischen Linse 13 ist so gestaltet, daß sie die Phasenverzögerung von Strahlen, die durch die dielektrische Linse 13 gelangen, in der erforderlichen Weise einstellt, um eine gewünschte Verteilung über die Apertur (nicht bezeichnet) der Linsen- Polarisator-Radom-Anordnung zu erreichen. Wie bekannt, besteht eine unmittelbare Beziehung der Phasenverzögerung an irgendeinem Punkt durch die dielektrische Linse 13 hindurch zu der Dicke der dielektrischen Linse und zu der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten und es besteht eine inverse Beziehung zu der Wellenlänge der elektromagnetischen Energie, welche ausgesendet oder empfangen wird. In dem dargestellten Beispiel, bei dem es erwünscht ist, den Elevationswinkel des oberen 3dB-Punktes des Antennendiagramms zu erhöhen, d. h., die Überdeckung in Elevationsrichtung zu vergrößern, wird der Querschnitt der dielektrischen Linse 13 in der dargestellten Weise gestaltet. Es sei hier bemerkt, daß die erste Oberfläche 13a der dielektrischen Linse 13 nicht konzentrisch mit dem Ende der nicht näher bezeichneten sektorartigen Hornstrahler zu sein braucht. Um die Elevations-Seitenstrahlungskeulen zu optimieren, ist es tatsächlich vorliegend vorzuziehen, daß die dielektrische Linse 13 so gedreht wird, daß das obere Ende der ersten Oberfläche 13a etwas näher an den sektorartigen Hornstrahlern liegt, als das untere Ende der ersten Oberfläche 13a.The dielectric lens 13, which is made of polyethylene having a dielectric constant of approximately 2.3, is shaped to have a first surface 13a which is complementary in shape to the ends of the sector horns (not labeled). In other words, the first surface 13a is shaped to present a near surface of phase equality with respect to fields generated by the sector horns (not labeled). A second surface 13b of the dielectric lens 13 is shaped to adjust the phase retardation of rays passing through the dielectric lens 13 as required to achieve a desired distribution across the aperture (not labeled) of the lens-polarizer-radome assembly. As is known, the phase delay at any point through the dielectric lens 13 is directly related to the thickness of the dielectric lens and to the square root of the dielectric constant, and is inversely related to the wavelength of the electromagnetic energy being transmitted or received. In the example shown, where it is desired to increase the elevation angle of the upper 3 dB point of the antenna pattern, i.e., to increase the coverage in the elevation direction, the cross-section of the dielectric lens 13 is designed in the manner shown. It should be noted here that the first surface 13a of the dielectric lens 13 need not be concentric with the end of the unspecified sector-shaped horns. In fact, in order to optimize the elevation side lobes, it is preferable here that the dielectric lens 13 is rotated so that the upper end of the first surface 13a is slightly closer to the sector-shaped horns than the lower end of the first surface 13a.
Das Viertelwellen-Anpassungselement 15 ist vorliegend ein Blatt aus Schaumgummi mit einer Dicke einer Viertelwellenlänge der elektromagnetischen Energie, welche durch die dielektrische Linse 13 in der einen oder anderen Richtung hindurchläuft. Die Dielektrizitätskonstante des Schaumgummis ist annähernd gleich der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten des Polyäthylens der dielektrischen Linse 13. Das Viertelwellen-Anpassungselement 15 ist mittels einer elektrisch dünnen Schicht aus Hochfrequenz-durchlässigem Klebstoffan der ersten und zweiten Oberfläche 13a bzw. 13b der dielektrischen Linse 13 befestigt. Der Polarisationsfilter 17 und der Polarisator 19 werden vorliegend dazu verwendet, die zirkular polarisierte Energie in linear polarisierte Energie und umgekehrt umzusetzen und Änderungen in den Kreuz-Polarisations-Komponenten der elektromagnetischen Energie aus jedem sektorartigen Hornstrahler (nicht bezeichnet) zu kompensieren. Wie bekannt, erhöht sich eine solche Kreuz-Polarisations-Komponente mit den Abweichungswinkeln von der Hauptebene. Der Polarisationsfilter 17 ist herkömmlicher Bauart und vorliegend aus parallelen Metallplatten gefertigt, die etwa 0,4 Wellenlängen bezogen auf das obere Ende des interessierenden Frequenzbandes, d. h., etwa 1,9 cm (3/4 Zoll) beabstandet sind. Der Polarisationsfilter 17 ist, wie dargestellt, dem Polarisator 19 angepaßt. Bei der Sendung wird dann nur horizontal polarisierte Energie durch den Polarisationsfilter 17 zu dem Polarisator 19 durchgelassen.The quarter wave matching element 15 is here a sheet of foam rubber having a thickness of a quarter wavelength of the electromagnetic energy passing through the dielectric lens 13 in one direction or the other. The dielectric constant of the foam rubber is approximately equal to the square root of the dielectric constant of the polyethylene of the dielectric lens 13. The quarter wave matching element 15 is attached to the first and second surfaces 13a and 13b of the dielectric lens 13 by means of an electrically thin layer of radio frequency transparent adhesive. The polarizing filter 17 and polarizer 19 are here used to convert the circularly polarized energy to linearly polarized energy and vice versa and to compensate for changes in the cross polarization components of the electromagnetic energy from each sector horn (not labeled). As is known, such cross-polarization component increases with angles of deviation from the principal plane. The polarization filter 17 is of conventional design and is here made of parallel metal plates spaced apart by about 0.4 wavelengths from the upper end of the frequency band of interest, i.e., about 1.9 cm (3/4 inch). The polarization filter 17 is matched to the polarizer 19 as shown. During transmission, only horizontally polarized energy is then passed through the polarization filter 17 to the polarizer 19.
Bezugnehmend nun auf die Fig. 2 und 2A erkennt man, daß der Polarisator 19 vorliegend aus vier Blättern aus dielektrischem Material besteht, welche gegenüber der Hochfrequenzenergie im wesentlichen durchlässig sind, die durch die Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung tritt. Vor dem Zusammenbau wird eine metallische Mäanderlinie 19a, 19b, 19c, 19d und 19e auf jeder der Blätter entsprechend der Tabelle von Fig. 2A gebildet. Die Mäanderlinien sind so orientiert, daß jede von ihnen unter einem Winkel von 45º gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Es ergibt sich dann, daß linear polarisierte Energie, welche durch den Polarisator 19 gelangt, in zirkular polarisierte Energie umgewandelt wird. Da der Polarisator 19 ein reziprok arbeitendes Gerät ist, wird zirkular polarisierte Energie, die durch den Polarisator 19 tritt, in linear polarisierte Energie umgewandelt.Referring now to Figs. 2 and 2A, it can be seen that the polarizer 19 is presently made up of four sheets of dielectric material which are substantially transparent to the radio frequency energy passing through the lens-polarizer-radome assembly. Prior to assembly, a metallic meander line 19a, 19b, 19c, 19d and 19e is formed on each of the sheets according to the table of Fig. 2A. The meander lines are oriented such that each of them is at an angle of 45º from the horizontal. It then follows that linearly polarized energy passing through the polarizer 19 is converted into circularly polarized energy. Since the polarizer 19 is a reciprocating device, circularly polarized energy passing through the polarizer 19 is converted into linearly polarized energy.
Um die betrachtete Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung zu vervollständigen, werden Absorber 21, 23 und 24 aus einem bekannten absorbierenden Material gefertigt und (beispielsweise durch Festkitten mit einer elektrisch dünnen Schicht aus Hochfrequenz-durchlässigem Klebstoff) an dem Außenrand der dielektrischen Linse 13 und der anliegenden Flächen befestigt. Die Absorber 21, 23 und 24 sind somit dahingehend wirksam, daß sie unerwünschte Nullstellen im Antennendiagramm und Abstrahlung von den Enden der dielektrischen Linse 13 verhindern. Zusätzlich werden Räume zwischen den Einzelteilen der soeben beschriebenen Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung vorzugsweise mit dielektrischem Material (nicht dargestellt) ausgefüllt, das eine Dielektrizitätskonstante von annähernd 1,0 aufweist. Eine solche Füllung hat dann nicht wesentlichen elektrischen Einfluß und dient vielmehr nur dazu, die Linsen-Polarisator-Radom-Anordnung zu einer einheitlichen Konstruktion zu machen.To complete the lens-polarizer-radome assembly under consideration, absorbers 21, 23 and 24 are made of a known absorbing material and are secured (for example by cementing with an electrically thin layer of radio frequency transparent adhesive) to the outer edge of the dielectric lens 13 and the adjacent surfaces. The absorbers 21, 23 and 24 are thus effective in preventing undesirable nulls in the antenna pattern and radiation from the ends of the dielectric lens 13. In addition, spaces between the individual parts of the lens-polarizer-radome assembly just described are preferably filled with dielectric material (not shown) having a dielectric constant of approximately 1.0. Such a filling does not have any significant electrical influence and rather only serves to make the lens-polarizer-radome arrangement into a uniform construction.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |