SE420965B - Linsantenn - Google Patents

Description

7901047-6 2 kan väljas i stort sett godtyckligt med hänsyn till transmissionen genom lin- sen. Vid transmission av horisontell komponent uppträder närmare bestämt cut- off vid en linstjocklek som är lika med 'ß12 där 1\ är våglängden och linsens totala tjocklek måste således överstiga 1/2 våglängd vid lägsta arbetsfrekvens för att en horisontell komponent skall kunna transmitteras. Men dessutom ställs ' krav på att korspolarisationen och s k bilober undertryckes i största möjliga” utsträckning. Med korspolarisation avses en fasavvikelse mellan horisontell och vertikal komponent, t ex då dessa komponenter utträder från linsen i den- nas apertur. God korspolarisationsundertryckning kräver således att den i ÅSO polariserade vågens horisontella och vertikala komponenter under transmission genom linsen har genomlöpt mycket nära llka stora totala fasvridningar eller uppvisar en fasdifferens som ligger nära ett heltal gånger 2f“'radlaner. En förbättring i faslikheten mellan horisontell och vertikal komponent och där- med ökad korspolarisationsundertryckning ernås genom en ökad linshöjd. Före- komsten av s k bilober har bl a samband med oregelbundenheter i transmissions- fasvridningen, dvs förekomsten av elektriskt olika långa strålvägn'genom linsen, vid transmission mellan dess fokalpunkter och motsvarande aperturer. God bilobs- undertryckning kräver m a o en jämn fasfront över linsens apertur, vilket inne- bär att såväl centrala som perifera strålar I linsen har en ringa fasdistorsion. Även bilobsundertryckningen ökar med linshöjden, vilket hänger samman med att den ideella radiella fördelningen av dielektricitetskonstanten för vertikal res- pektive horisontell E-komponent skiljer sig mera för linser med ringa höjd.

En ökning av linshöjden ger emellertid en minskning i den vinkel antennens strålningsdiagram täcker i ett plan vinkelrätt mot linsens plana begränsnings- ytor (eller vertikalplanet i det givna exemplet med horisontell lins). Liten höjd är alltså önskvärd då strålningsdiagrammet skall täcka en stor vinkel i nämnda plan. Liten linshöjd är även eftersträvansvärd på grund av att risken för upp- 'komst av högre moder, vilka resulterar i en ogynnsam fältfördelning, ökar med ökande linshöjd. Slutligen innebär stor linshöjd en ökning av plastvolymen (vid en lins fylld med díelektriskt plastmaterial) och därmed högt pris samt större vikt och ökat utrymmesbehov. _ Kravet på hög korspolarisationsundertryckníng och hög bilobsundertryck- ning står således i motsats till kravet på stor vinkel hos strålningsdiagrammet i nämnda plan vinkelrätt mot linsplanet, kraftig undertryckning av högre moder samt liten vikt, litet utrymmesbehov och lågt pris. Ändamålet med uppfinningen är att vid en linsantenn av beskrivet slag minska 'linshöjden och därmed uppnå de fördelar som sammanhägner med liten linshöjd med bibehållande av de antennprestanda som hör samman med en högre eller tjockare lins. _ Enligt uppfinningen uppnås detta därigenom att en del av avståndet mellan de ledande planen utgöres av luft eller ett dielektrikum med motsvarande dielek- 3 7901047-6 trlcítetskonstant, och attljockeleken eller höjden hos nämnda spalt av luft eller motsvarande är så dímensíonerad relativt tjockleken eller höjden hos det skivfor- made linselementet, att en våg med E-fältvektorn parallell med linsplanet bibringas i huvudsak samma totala fasförskjutning eller en fasförskjutning som skiljer sig en heltalsmultípel av 27T'vid passage genom linsen relativt en våg som har sin E-fältvektor vinkelrätt mot linsplanet.

Det visar sig att med bibehållande av antennens prestanda med avsende på fram- förallt korspolarisationsundertrycknlngen och bilobsundertryckningen det totala avståndet mellan de ledande metallplanen i detta fall kan minskas till ungefär hälf- ten jämfört med samma avstånd i en lins som är helt fylld med en plastkropp. Av detta avstånd utgöres ungefär hälften av dielektrikum med varierande brytningsindex, medan resten är luft. Dielektrikats eller plastkroppens tjocklek i fallet med kombination av dielektrikum och luft blir således ungefär fyra gånger mindre än i fallet med hel» fylld lins.

Vid en första föredragen utföringsfonn av uppfinningen ligger den dielektriska kroppen mitt emellan de båda ledande planen och är således omgiven på båda sidor av lika stora luftgap.

Detta ger linsantennen högpasskaraktär liksom den helfyllda linsen. Om man i detta fall undersöker den resulterande eller effektiva dielektricitetskonstanten för kombinationen av dielektrisk plastkropp och luftspalt enligt uppfinningen visar det sig att nämnda effektiva dielektricitetskonstant för den horisontella komponenten är högre än för den vertikala komponenten vid centrum av linsen, medan nära periferin det motsatta förhållandet råder och den effektiva dielektricitetskonstanten är högre för den vertikala än för den horisontella komponenten. Dielektricitetskonstantens värde är avgörande för fasvridningen av respektive våg och resultatet blir att de skillnader i fasvridning av den horisontella och vertikala komponenten, som de nämnda skillnaderna i den effektiva dielektricitetskonstanten vid centrum respektive perife- rin ger upphov till,"tar ut varandra" och ut från linsen kommer den horisontella och vertikala komponenten med liten fasskillnad, vilket visar sig gälla inom ett mycket brett frekvensområde ovanför cut-off-frekvensen, av storleksordningen ett flertal oktaver.

Vid en annan utföringsfonn av linsatennen enligt uppfinningen ligger linselemen- tet,t ex plastkroppen, direkt an mot det ena ledande planet, vid horisontell lins mot det understa planet, varigenom hela luftgapet ligger ovanför den dielektriska skivan.

I detta fall får antennen bandpasskaraktär. Én närmare undersökning visar att den effektiva dielektricitetskonstanten i detta fall är avsevärt större för den vertikala komponenten än för den horisontella komponenten både vid centrum av linsen och vid periferin. Vid lämplig dimensionering av linsen är skillnaden mellan dielektricitets- konstanten för den vertikala och horisontella komponenten så stor att den vertikala komponenten kommer ut från linsen Zïelektriska radianer senare än den horisontella komponenten och således i fas med denna. Även detta gäller med tillfredställande approximation inom ett brett frekvensområde, av storleksordningen en till två okta- V91”. 7901047-6 Q Uppfinningen förklaras mera detaljerat med hänvisning till ritningarna, där fig 1 visar en sidovy av en föredragen utföringsfonm av en linsantenn enligt uppfinning- en, fig 2 visar ett vertikalsnitt genom densamma taget längs linjen II-II, fig 3 visar ett horisontalsnitt taget längs linjen III-III i fig 1 med tre strålbanor inritade, fig 4 visar ett vertikalsnitt genom en annan utföringsfonn av linsantennen enligt uppfinningen, fig 5 visar en kurva över den effektiva dielektricitetskonstan- tens variation med avståndet från linsens centrum i fallet enligt fig 1 och 2 under förutsättning att den dielektriska skivan i sig är optimalt dimensionerad för verti- kal polarisation och fig 6 visar motsvarande kurva för fallet enligt fig 4.

Enligt fig 1 och 2 består linsantennen av en cirkulär skiva 10 av dielektriskt plastmaterial, vars dielektricitetskonstant ökar in mot centrum av skivan och vilken skiva ligger mitt emellan två cirkulära metallplattor 11 och 12. Vid omkretsen över- går varje metallplatta i en vinkelställd krage 13, 14 som har formen av en mantelyta av en stgmpad kon och mellan sig definierar ett runt omkretsen förlöpande trattfor- migt utrymme 15. Antennen är avsedd för transmittering av strålning som är polarise- rad i 45° relativt linsplanet och har för detta ändamål minst en matare för sådan polariserad strålning vid omkretsen. Matarna kan exempelvis täcka hela omkretsen och vara utformade på det sätt som är beskrivet i patentansökningen 7901045-3 till vilken hänvisas. Enligt denna patentansökning är matarna trådformiga och ligger i ett plan som sett radiellt bildar 450 med linsplanet. Två sådana trådforrniga ma- tare betecknade med 18 och 19 är antydda i fig 1 varvid mataren 19 är belägen på bortre sidan av linsen. Matarna är symmetriska och matning sker i mittpunkten.

I fig 3 visas strålningen i horisontalplanet för en sådan matare, närmare be- stämt för mataren 18, varvid 20 betecknar mittstrålen och 21, 22 de båda ytterstrå- larna i loben. I 7 1 Såsom framgår av fig 1 och 2 är tjockleken D hos den mitt emellan de ledande planen 11, 12 placerade skivan 10 väsentligt mindre än avståndet H mellan de ledande ' metallplanen 11, 12 så att företrädesvis lika stora luftgap 16, 17 bildas på vardera sidan av skivan 10. Experiment har visat att optimal dimensionering erhålles om ski- vans 10 tjocklek D är av samma storleksordning som sammanlagda tjockleken av luftga- pen 16, 17. I föreliggande exempel antages att den dielektriska skivan i sig är opti- malt dimensionerad för vertiakalt polariserad våg i enlighet med vad som gäller för en lins av s.k. Lunebergs-typ d.v.s. att zCrl = z _ lr/mz därEWär dielektricitetskonstanten, r är radien räknat i förhållande till li nsens centrum och R är skivans 10 ytterradie.

Dimensioneringsexempel: 0,52 1,12 8)) , därh 'är våglängden i skivan10. 7901047-6 Kombinationen av díelektrlsk skiva och de båda luftgapen på ömse sidor om skivan ger i varje punkt en resulterande eller effektiv dielektricitetskonstant EE eff som skiljer sig från dielektricitetskonstanten f(?¶för enbart skivan. Med ovan angivna dimensionering av den dielektriska skivan li exemplet har antagits op- timal Luneberg-dimensionering för den vertikala komponenten ) och geanetriska dimen- sionering av skiva och luftgap erhålles ett ÉÉ eff för den i fig 1 och 2 visade konstruktionen som funktion av r/R vilken framgår av Fig 5. I fig 5 anger streckad linje den effektiva dielektricitetskonstanten fïeff för den vertikala komponenten och heldragen linje Ögff för den horisontella komponenten. Fig 5 gäller för en central stråle men liknande förhållanden kommer även att gälla för andra strålar. Av figuren framgår att Éàff för den horisontella komponenten är högre i centrum av linsen (r/R=0) än ¿%ff för den vertikala komponenten, medan det motsatta förhållan- det råder vid linsens periferi (r/R=1). Den totala fasvridnigen ß för en våg från en matare till aperturen vid den motsatta sidan av linsen är given genom uttrycket: Å- ø Bömyfeff 0 2 där l är avstândsvariabeln längs strålbanan och L är strâlbanans längd. Man inser att den olikhet i fasvridning av den horisontella och vertikala komponenten hos den be- traktade mittstrâlen i loben, som förorsakas av olikheten i Éïeff vid mitten av strålbanan (centrum av linsen),motverkas av den olikhet i fasvridning av horisontell och vertikal komponent som förorsakas av olikheten i ¿É eff vid ytterkanterna av linsen. Vid viss dimensionering kommer således de horisontella och vertikala kompo- nenterna ut från linsen praktiskt taget faslika, vilket är ett önskemål. Detta har verifierats genom praktiska experiment som visat att sedan väl optimal dimensionering uppnåtts, så att fasskillnaden mellan vertikal och horisontell komponent i antennens apertur är noll eller obetydlig vid en given frekvens, denna faslikhet bibehâlles med tillräcklig noggrannhet (fasolikhet mindre än ca 30°) inom ett mycket brett fre- kvensområde omfattande ett flertal oktaver. Antennen har i detta fall högpasskarak- tär. dl Till följd av avvikelsen i den resulterande eller effektiva dielektricitetskon- stanten ff eff relativt den ideella för en Luneberg-lins (lf =2 i centrum av lin- sen och 1 vid periferin) gäller här att fokalpunkten flyttas ut från skivans perife- ri. Matarna, som skall vara placerade i fokalpunkten, placeras därför ett stycke utanför periferin.

Fig 4 visar en andra utföringsfonn av uppfinningen där den dielektriska skivan 10 ligger direkt an mot den undre ledande plattan 11, så att ett enda luftgap 23 bil- das ovanför skivan 10. Den horisontella dielektriska skivan 10 antages även i detta exempel vara optimalt dimensionerad, d.v.s. dimensionerad på det sätt som Luneberg 7901047-6 e angivit för en horisontell skivlins avsedd för en ertikalt dimensionerad våg.

Den har således en dielektricitetskonstant som följer det tidigare givna sambandet.

Ett exempel på geometrisk dimensionering-i detta fall är följandea o,s7l 1,3ñ 8A ll En bestämning av den resulterande eller effektiva dielektricitetskonstanten Éí ff för kombinationen av dielektrisk skiva och luftgap som funktion av avståndet e till linsens centrum vid den angivna dimensioneringen och för en central strâle i loben ger i detta fall det resultat som är angivet i fig 6, varvid heldragen linje åter gäller för den horisontella komponenten och streckad linje för den vertikala komponenten. _ Man ser att den effektiva dielektricitetskonstanten ÉE eff för den vertikala komponenten i detta fall ligger väsentligt högre än den motsvarande effektiva dielek~ tricitetskonstanten för den horisontella komponenten och att skillnaden mellan koefficienterna är i stort sett konstant från centrum av linsen till periferin. De visade kurvorna gäller för en central strâle i loben men liknande förhållanden kommer även att gälla för mera perifera strålar. Den vertikala komponenten kommer således att fördröjas avsevärt mera än den horisontella komponenten. Vid en viss dimensione- ring av antennen komer den vertikala komponenten ut från linsen Zlïelektriska radia- ner senare än den horisontella komponenten och de båda komponenterna ligger således i fas i apperturen,-vilket är önskvärt. Detta gäller approximativt över hela appertu~ ren. Det visar sig vidare att, sedan en sådan optimal dimensionering uppnåtts, ovan- nämnda förhållande med nära nog ingen fasskillnad eller acceptabel fasskillnad mellan horisontell och vertikal komponent (<35°) bibehâlles inom ett brett frekvensomräde av storleksordningen 1 - 2 oktaver. Antennen har i detta fall passbandskaraktär.

Claims (6)

7901047-6 Patentkrav

1. Antenn, företrädesvis inom mikrovågsområdet, innefattande ett runt skivformigt linselement (10) av Luneberg-typ, t ex en rund skiva av di- elektriskt plastmaterial, vilket linselement har radiellt varierande, företrädesvis mot periferin avtagande, brytningsindex (dielektricitets- konstant) och är omgívet på de plana sidorna av två ledande plan (11.12) samt har matare (18,19) fördelade över åtminstone en del av omkretsen, vilka matare är så utformade och orienterade att de utsänder respektive' är känsliga för mottagning av en polariserad våg, vars polarisationsrikt- ning bildar en sådan vinkel med linselementets plan, företrädesvis #50, att vågen har en väsentlig E-komponent både i linselementets plan och vinkelrätt häremot, k ä n n e t e c k n a d av att en del (16,17; 23) av avståndet mellan de ledande planen (i1,l2) utgöres av luft eller ett di- elektrikum med motsvarande dielektricitetskonstant, och att tjockleken eller höjden (H-D) hos nämnda spalt av luft (16,l7; 23) eller motsvaran- de är så dimensionerad relativt tjockleken eller höjden (0) hos det skiv- formade linselementet (10), att en våg med E-fältvektorn parallell med linsplanet bibringas i huvudsak samma totala fasförskjutning eller en Fas- förskjutning som skiljer sig en heltalsmultipel av 2'W vid passage genom linsen relativt en våg som har sin E-fältvektor vinkelrätt mot linsplanet.

2. Antenn enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att det skivformiga linselementet (10) ligger mitt emellan de ledande planen (11,12) så att lika stora luftgap (16,l7) bildas på vardera sidan av linselementet. (Fig 1 och 2)

3. Antenn enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att det skiv- formiga linselementet (10) ligger an mot det ena ledande planet (11), så att ett enda luftgap (23) utbildas mellan skivelementets (10) motsatta sida och det motliggande ledande planet (12). (Fig A)

4. H. Antenn enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att luftgapets (23) eller luftgapens (16,17) sammanlagda tjocklek (H-0) är av samma storleksordning som tjockleken (D) av det skivformiga linselemen- tet (10). 7901047-6

5. S. Antenn enligt någct av patentkraven l-4, k ä n n e t e c k n a d av att det totala avståndet (H) mellan de ledande planen (11,12) är större än 1 1*, företrädesvis större än 2 'É vid lägsta arbetsfrekvens, varvid ¶\ är våglängden i luft.

6. Antenn enligt något av patentkraven I-5, k ä n n e t e c k n a d av att matarna (l8,l9) har formen av tunna trådar, som är fördelade runt hela omkretsen av antennen, och vilka trådar ligger i plan som bildar ü5° med det skivformiga linselementets (10) plan och är böjda till symmetrisk form i sitt eget plan, varvid matning sker i symmetrlpunkten.