WO1999043049A1 - Mikrowellen-reflektorantenne - Google Patents

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WO1999043049A1
WO1999043049A1 PCT/DE1999/000354 DE9900354W WO9943049A1 WO 1999043049 A1 WO1999043049 A1 WO 1999043049A1 DE 9900354 W DE9900354 W DE 9900354W WO 9943049 A1 WO9943049 A1 WO 9943049A1
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reflector
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reflector antenna
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Wolfgang Menzel
Dietmar Pilz
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Daimlerchrysler Aerospace Ag
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
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    • H01Q19/185—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces wherein the surfaces are plane
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    • H01Q19/19—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface
    • H01Q19/195—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface wherein a reflecting surface acts also as a polarisation filter or a polarising device
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Definitions

  • the invention relates to a reflector antenna for polarized microwaves with a primary radiator, a subreflector that is permeable to microwaves of a desired polarization and a main reflector for bundled reflection of the microwaves with a polarization rotated in the desired direction
  • a reflector antenna for polarized microwaves with a primary radiator a subreflector that is permeable to microwaves of a desired polarization and a main reflector for bundled reflection of the microwaves with a polarization rotated in the desired direction
  • FIG. 6 An embodiment of the known antenna is shown in FIG. 6. With the primary radiator 1 arranged in the area of the main reflector 3 and directed towards the sub-reflector 2, a spherically propagating microwave with a certain polarization is generated. The subreflector 2 - 2 -
  • the bundling takes place in that the main reflector 3 has a metallic reflector with a parabolic shape for converting the spherical wave into a plane wave.
  • the bundling according to WO 95/18980 can also be carried out with a microwave lens which is arranged in front of or behind the subreflector 2.
  • microwave antennas of this type have several disadvantages. If a parabolic reflector is used for bundling, there is a difficulty in adapting the twist reflector to the parabolic shape without impairing the rotation of the polarization direction or the properties of the parabolic reflector. The mechanical production of such an antenna must therefore meet special requirements with regard to accuracy and the permissible tolerances, which leads to considerable cost disadvantages.
  • the invention is therefore based on the object of providing a microwave antenna for polarized microwaves, in which the outlay for mechanical production is substantially less, without having to accept significant restrictions with regard to the directional characteristic.
  • a reflector antenna of the type mentioned which is characterized in that the main reflector is formed from a plurality of dipoles lying in one plane with mutually parallel axes, which form an angle of approximately 45 ° to the vector of the incident electric field have, the dipoles are dimensioned such that a phase shift of 180 ° arises between the reflected electrical field components parallel and perpendicular to the respective dipole axis and that, furthermore, the phase of the resulting reflected electrical field with respect to the phase of the incident electrical field at each dipole is shifted in such a way that the total field generated by all dipoles has predetermined (eg flat) wave fronts.
  • the type of the specified wave fronts depends on the requirements of the respective application. In addition to antennas with pencil beam characteristics, e.g. Antennas with fan beam or cosecans characteristics possible or antennas with multiple lobes.
  • a particular advantage of the solution with flat wave fronts is that the advantages of a folded reflector - 4 -
  • Antenna with polarization rotation namely a small depth of the antenna without restricting the maximum geometric aperture, with the advantages of planar manufacturing technology, which are primarily due to their significantly lower technical complexity.
  • the accuracy of the antenna or the characteristic of the antenna pattern is determined by the number and density of the dipoles.
  • the focus of the effort required for production is thus shifted from mechanical production to the calculation of the individual dipoles.
  • Such a calculation can be carried out with appropriate computer programs and is therefore not so important in terms of cost.
  • For mechanical production photographic or the like. Processes are used with which even the smallest metallic structures can be produced in a known manner.
  • the main reflector is formed in particular by a dielectric plate with a low dissipation factor, on which the dipoles are each in the form of a metallization structure on the side facing the incident microwaves, and on the side facing away from the incident microwaves a continuous metallization layer is applied.
  • the metallization structures are preferably rectangular in shape, but they can e.g. also have the shape of a cross or a disc.
  • the subreflector is preferably a substrate with a metallization in the form of a polarization grating. 5 -
  • the sub-reflector can additionally have metallization structures for beam shaping of the microwaves emanating from the primary radiator and / or the main reflector.
  • the primary radiator may preferably be a horn antenna or a microstrip antenna.
  • any other antenna shape that suitably illuminates the reflector is also conceivable.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of the reflector antenna according to the invention
  • FIG. 2 shows the electrical field components on a single dipole of the reflector antenna according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a plan view of the main reflector of the reflector antenna according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows a diagram of the course of the field strength in the H plane of the reflector antenna according to FIG. 1
  • FIG. 5 shows a diagram of the course of the field strength in the E plane of the reflector antenna according to FIG. 1
  • FIG. 6 shows a known reflector antenna for polarized microwaves. - 6 -
  • the embodiment of the invention shown in FIG. 1 has a primary radiator 1, which is directed onto a subreflector 2.
  • the subreflector 2 has the property of a polarization filter.
  • the primary radiator 1 lies in the plane of a main reflector 3, which is arranged parallel to the subreflector 2 and has the property that it reflects the polarization plane of an incident wave rotated by 90 ° and also delays its phase in such a way that the reflected waves total form plane wave fronts.
  • the antenna works in such a way that the primary radiator 1 generates polarized waves which spread out in a spherical shape and hit the subreflector 2.
  • the plane of polarization of these waves and the direction of transmission of the sub-reflector 2 form an angle of 90 °, so that the waves are reflected and then fall onto the main reflector 3.
  • the main reflector 3 reflects the waves with a polarization plane rotated by 90 °, the re-reflected waves can now pass through the sub-reflector 2 and also (in the example) have plane wave fronts.
  • the primary radiator 1 is a horn antenna known per se, but can alternatively also be a microstrip line antenna. However, any other antenna shape that suitably illuminates the reflector is also conceivable.
  • the subreflector 2 is a polarization filter in the form of a substrate 21 with a corresponding metallization 22 - 7 -
  • the main reflector 3 consists of a planar dielectric 31 with a low loss factor, which is provided on the rear side (that is, on the side facing away from the incident microwaves) with a continuous metallic layer 32.
  • the structures 33 are aligned parallel to one another, their axis including an angle of typically 45 ° with the direction of polarization of the electric field.
  • FIG. 2 One of these metallization structures 33, each of which has the property of a dipole, is shown in FIG. 2 with the corresponding field components.
  • the incident electric field E ⁇ n can be broken down into a portion E j_ n parallel and a portion - ⁇ xin perpendicular to the axis of the metallization structure 33.
  • the field - ⁇ out reflected on the structure is accordingly composed of a portion - ⁇ yout parallel and a portion - ⁇ xout perpendicular to the axis of structure 33.
  • the polarization plane of the reflected wave is rotated by 90 ° with respect to the polarization plane of the incident wave (cf. FIG. 2).
  • the additional phase shift ⁇ 0 is selected depending on the coordinates of the individual metallization structure on the main reflector in such a way that in the example the waves reflected on all structures have a flat wave front overall, i.e. are bundled.
  • a periodic overall arrangement is assumed.
  • the phases of the reflection factor for the polarization of the wave parallel and perpendicular to the axis of the structures are first calculated for a plane wave that falls on a periodic arrangement of these structures, all of which have a certain selected length and width.
  • a structure at a specific location of the main reflector is then given in a second step those dimensions in which the corresponding measured arrangement of the same structures has a phase shift of 180 ° between the two components .
  • Eyaus and - ⁇ xaus of the reflected electric field that is, a rotation of the plane of polarization of the reflected electric field with respect to that of the incident electric field by 90 °
  • the mathematical determination of the relationship between the dimensions of the structures and the phase of the reflection factor can be carried out, for example, using a field-theoretical method.
  • the spectral range method is particularly suitable for this.
  • developments are made for the field strengths, the coefficients of which can be determined by the boundary or continuity conditions on the metal or dielectric surfaces.
  • reference is made to the explanations in "Numerical Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Passive Structures" by Tatsuo Itho, John Wiley & Sons, 1989, in particular pages 334 ff.
  • the sub-reflector is 45 mm from the main reflector.
  • the diameter of the antenna is 150 mm.
  • FIG. 4 shows the measured far field diagram in the H plane for this antenna, while in FIG. 5 the far field diagram is shown in the E plane.
  • the sub-reflector 2 can additionally have a beam-shaping property. This can be achieved in that, in the case of a single-layer structure, the inside of the polarization grating, or in the case of a multi-layer structure, other layers are given further metallization structures. This allows, for example, additional bundling, which further reduces the focal length or the depth of the antenna. - 11 -
  • the antenna is designed in such a way that the main reflector has the property of producing wavefronts which lead to a far field diagram which does not have the greatest gain, but e.g. has a so-called fan beam or a so-called cosecans shape or even multiple lobes as far-field characteristics.

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Abstract

Es wird eine Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler, einem für Mikrowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Subreflektor und einem Hauptreflektor zur gebündelten Reflexion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass der Hauptreflektor aus einer Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen mit zueinander parallelen Achsen gebildet ist, die einen Winkel von etwa 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei die Dipole so bemessen sind, dass zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschiebung von 180° entsteht und dass ferner an jedem Dipol die Phase des resultierenden reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feldes in der Weise verschoben ist, dass das von allen Dipolen erzeugte Gesamtfeld ebene Wellenfronten aufweist.

Description

Rpsc-hreibung
Mikrowellen-Reflektorantenne
Die Erfindung betrifft eine Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler, einem für Mi- krowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Subreflektor und einem Hauptreflektor zur gebündelten Reflexion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Antenne ist bereits aus "Antenna Engineering Handbook"; 2 Edition; Editors: R.C. Johnson, H. Jasik (McGraw-Hill, New York, 1961) Seiten 17-28 bis 17-30 bekannt.
Eine Ausführungsform der bekannten Antenne ist in Figur 6 gezeigt. Mit dem im Bereich des Hauptreflektors 3 angeordneten und auf den Subreflektor 2 gerichteten Primärstrahler 1 wird eine sich kugelförmig ausbreitende Mikrowelle mit einer bestimmten Polarisation erzeugt. Der Subreflektor 2 - 2 -
hat die Eigenschaft eines Polarisationsfilters und ist so angeordnet, daß er Wellen mit dieser Polarisation reflektiert. Die Welle gelangt somit zu dem Hauptreflektor 3, an dem sie erneut reflektiert und dabei in ihrer Polarisa- tionsrichtung in der Weise gedreht wird (Twistreflektor) , daß sie nun ungehindert durch den Subreflektor 2 hindurchtreten kann. Das sich von einer solchen Antenne ausbreitende Feld wird nicht durch Speiseleitungen, Primärstrahler, Subreflektor oder ähnliches behindert, wie es bei anderen, nicht auf eine Polarisationsrichtung beschränkten Reflektorantennen der Fall ist.
Die Bündelung erfolgt dabei dadurch, daß der Hauptreflektor 3 zur Umwandlung der Kugelwelle in eine ebene Welle einen metallischen Reflektor mit einer parabolischen Form aufweist. Alternativ dazu kann die Bündelung gemäß der WO 95/18980 auch mit einer Mikrowellenlinse erfolgen, die vor oder hinter dem Subreflektor 2 angeordnet ist.
Mikrowellenantennen dieser Art haben jedoch verschiedene Nachteile. Wenn zur Bündelung ein parabolischer Reflektor verwendet wird, besteht die Schwierigkeit, den Twistreflektor an die parabolische Form anzupassen, ohne dadurch die Drehung der Polarisationsrichtung oder die Eigenschaften des Parabolreflektors zu beeinträchtigen. An die mechanische Fertigung einer solchen Antenne müssen deshalb im Hinblick auf die Genauigkeit und die zulässigen Toleranzen besondere Anforderungen gestellt werden, was zu erheblichen Kostennachteilen führt.
Auch der Einsatz einer Mikrowellenlinse anstelle eines Parabolreflektors kann hier nur geringfügig Abhilfe schaffen, da auch die Fertigung von Linsen relativ aufwendig ist und diese gegenüber Reflektoren andere Nachteile aufweisen. - 3 -
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenantenne für polarisierte Mikrowellen zu schaffen, bei der der Aufwand für die mechanische Fertigung wesentlich geringer ist, ohne daß im Hinblick auf die Richtcha- rakteristik wesentliche Einschränkungen in Kauf genommen werden müssen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer Reflektorantenne der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß der Hauptreflektor aus einer Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen mit zueinander parallelen Achsen gebildet ist, die einen Winkel von etwa 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei die Dipole so bemessen sind, daß zwischen den reflektierten elektri- sehen Feldkomponenten parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschiebung von 180° entsteht und daß ferner an jedem Dipol die Phase des resultierenden reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feld in der Weise verschoben ist, daß das von allen Dipolen erzeugte Gesamtfeld vorgegebene (z.B. ebene) Wellenfronten aufweist. Die Art der vorgegebenen Wellenfronten richtet sich dabei nach den Erfordernissen der jeweiligen Anwendungen. Neben Antennen mit Pencil- Beam-Charakteristik sind z.B. Antennen mit Fan-Beam- oder Cosecans-Charakteristik möglich oder Antennen mit mehreren Keulen.
Ein besonderer Vorteil der Lösung mit ebenen Wellenfronten besteht darin, daß die Vorteile einer gefalteten Reflektor- - 4 -
antenne mit Polarisationsdrehung, nämlich eine geringe Tiefe der Antenne ohne Einschränkung der maximalen geometrischen Apertur, mit den Vorteilen der planaren Herstellungstechnik, die in erster Linie in ihrem wesentlich geringeren technischen Aufwand liegen, verbunden werden.
Die Genauigkeit der Antenne bzw. die Charakteristik des Antennendiagramms wird durch die Anzahl und Dichte der Dipole bestimmt. Der Schwerpunkt des zur Herstellung erforderli- chen Aufwands wird somit von der mechanischen Fertigung auf die Berechnung der einzelnen Dipole verlagert. Eine solche Berechnung kann mit entsprechenden Rechnerprogrammen durchgeführt werden und fällt somit kostenmäßig nicht so stark ins Gewicht. Zur mechanischen Fertigung können fotolitogra- phische o.a. Verfahren angewandt werden, mit denen in bekannter Weise auch kleinste metallische Strukturen erzeugt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne ist der Hauptreflektor insbesondere durch eine dielektrische Platte mit niedrigem Verlustfaktor gebildet, auf der sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die Dipole in Form von jeweils einer Metallisierungsstruktur befinden, und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite eine durchgehende Metallisierungsschicht aufgebracht ist.
Die Metallisierungsstrukturen haben vorzugsweise eine rechteckige Form, sie können jedoch z.B. auch die Form eines Kreuzes oder einer Scheibe aufweisen.
Der Subreflektor ist vorzugsweise ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters. 5 -
Der Subreflektor kann zusätzlich Metallisierungsstrukturen zur Strahlformung der von dem Primärstrahler und/oder dem Hauptreflektor ausgehenden Mikrowellen aufweisen.
Der Primärstrahler kann vorzugsweise eine Hornantenne oder eine Mikrostreifenleitungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede andere Antennenform, die den Reflektor in geeigneter Weise ausleuchtet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
FIG. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne
FIG. 2 eine Darstellung der elektrischen Feldkomponenten an einem einzelnen Dipol der Reflektorantenne gemäß FIG. 1
FIG. 3 eine Draufsicht auf den Hauptreflektor der Reflek- torantenne gemäß FIG. 1
FIG. 4 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der H- Ebene der Reflektorantenne gemäß FIG. 1
FIG. 5 ein Diagramm des Verlaufs der Feldstärke in der E- Ebene der Reflektorantenne gemäß FIG. 1
FIG. 6 eine bekannte Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen. - 6 -
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist einen Primärstrahler 1 auf, der auf einen Subreflektor 2 gerichtet ist. Der Subreflektor 2 hat die Eigenschaft eines Polarisationsfilters. Der Primärstrahler 1 liegt in der Ebene eines Hauptreflektors 3, der parallel zu dem Subreflektor 2 angeordnet ist und die Eigenschaft hat, daß er die Polarisationsebene einer einfallenden Welle um 90° gedreht reflektiert und außerdem ihre Phase in der Weise verzögert, daß die reflektierten Wellen insgesamt ebene Wel- lenfronten bilden.
Die Antenne arbeitet in der Weise, daß der Primärstrahler 1 polarisierte Wellen erzeugt, die sich kugelförmig ausbreiten und auf den Subreflektor 2 treffen. Die Polarisations- ebene dieser Wellen und die Durchlaßrichtung des Subreflek- tors 2 bilden einen Winkel von 90°, so daß die Wellen reflektiert werden und anschließend auf den Hauptreflektor 3 fallen.
Da der Hauptreflektor 3 die Wellen mit einer um 90° gedrehten Polarisationsebene reflektiert, können die erneut reflektierten Wellen nun durch den Subreflektor 2 hindurchtreten und weisen außerdem (hier im Beispiel) ebene Wellenfronten auf.
Der Primärstrahler 1 ist eine an sich bekannte Hornantenne, kann aber alternativ hierzu auch eine Mikrostreifenlei- tungsantenne sein. Denkbar ist jedoch auch jede andere Antennenform, die den Reflektor in geeigneter Weise ausleuch- tet.
Der Subreflektor 2 ist als Polarisationsfilter in Form eines Substrates 21 mit entsprechender Metallisierung 22 - 7 -
realisiert und ist relativ zu der Polarisationsachse des elektrischen Feldes des Primärstrahlers 1 so angeordnet, daß dieses Feld reflektiert wird.
Der Hauptreflektor 3 besteht aus einem planaren Dielektrikum 31 mit niedrigem Verlustfaktor, das auf der Rückseite (das heißt auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite) mit einer durchgehenden metallischen Schicht 32 versehen ist. Auf der Vorderseite des Dielektrikums 31 befin- det sich eine Anordnung von einzelnen Metallisierungsstrukturen 33, die eine im wesentlichen rechteckige Grundform aufweisen, deren Abmessungen jedoch in Abhängigkeit von ihrem Ort auf dem Hauptreflektor 3 sehr unterschiedlich sind (vgl. hierzu auch FIG. 3) . Die Strukturen 33 sind parallel zueinander ausgerichtet, wobei ihre Achse mit der Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes einen Winkel von typischerweise 45° einschließt.
Eine dieser Metallisierungsstrukturen 33, die jeweils die Eigenschaft eines Dipols haben, ist mit den entsprechenden Feldkomponenten in Figur 2 gezeigt. Das einfallende elektrische Feld E^n kann in einen Anteil E j_n parallel und einen Anteil -^xin senkrecht zur Achse der Metallisierungsstruktur 33 zerlegt werden. Das an der Struktur reflektier- te Feld -^aus setzt sich entsprechend aus einem Anteil -^yaus parallel und einem Anteil -^xaus senkrecht zu der Achse der Struktur 33 zusammen. Durch geeignete Wahl der Länge und Breite der Struktur kann nun erreicht werden, daß die Anteile -^yaus und -^xaus einerseits eine Phasenverschiebung von 180° zueinander und andererseits eine zusätzliche gleiche Phasenverschiebung Δ0 gegenüber der einfallenden Welle Ein aufweisen. 8 -
Durch die Phasenverschiebung von 180° zwischen den Anteilen
-^yaus und -^xaus an jeder Metallisierungsstruktur wird erreicht, daß die Polarisationsebene der reflektierten Welle um 90° gegenüber der Polarisationsebene der einfallenden Welle gedreht ist (vgl. Figur 2) . Die zusätzliche Phasenverschiebung Δ0 wird in Abhängigkeit von den Koordinaten der einzelnen Metallisierungsstruktur auf dem Hauptreflektor jeweils so gewählt, daß hier im Beispiel die an allen Strukturen reflektierten Wellen insgesamt eine ebene Wel- lenfront aufweisen, d.h. gebündelt sind.
Zur Vereinfachung der Dimensionierung der einzelnen Metallisierungsstrukturen geht man von einer periodischen Gesamtanordnung aus. In einem ersten Schritt errechnet man zunächst für eine ebene Welle, die auf eine periodische Anordnung dieser Strukturen einfällt, die alle eine bestimmte gewählte Länge und Breite aufweisen, die Phasen des Reflexionsfaktors für die Polarisation der Welle parallel sowie senkrecht zu der Achse der Strukturen. Es werden mehrere solche Datensätze für Anordnungen von Strukturen mit jeweils anderen Längen und Breiten ermittelt.
Zu der Dimensionierung des Hauptreflektors erhält dann in einem zweiten Schritt eine Struktur an einem bestimmten Ort des Hauptreflektors diejenigen Abmessungen, bei denen die entsprechende gemessene Anordnung aus gleichen Strukturen eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den beiden Komponenten .Eyaus und -^xaus des reflektierten elektrischen Feldes (das heißt also eine Drehung der Polarisationsebene des reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der des einfallenden elektrischen Feldes von 90°) und zusätzlich eine für die Bündelung der Gesamtwelle erforderliche Phasenverschiebung Δ0 zeigte. - 9 -
Die rechnerische Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den Abmessungen der Strukturen und der Phase des Reflexionsfaktors kann zum Beispiel mit Hilfe eines feldtheoretischen Verfahrens erfolgen. Hierfür eignet sich besonders das Spektralbereichsverfahren. In der Luft und im Dielektrikum werden Entwicklungen für die Feldstärken angesetzt, deren Koeffizienten durch die Rand- bzw. Stetigkeitsbedingungen auf den Metall- bzw. den dielektrischen Oberflächen ermittelt werden können. Im einzelnen sei hierzu auf die Ausfüh- rungen in "Numerical Techniques for Microwave and Millime- ter-Wave Passive Structures" von Tatsuo Itho, John Wiley & Sons, 1989, insbesondere die Seiten 334 ff, verwiesen.
Da eine periodische Anordnung der Strukturen nur eine An- naherung an die tatsächlichen Verhältnisse darstellt, kann eine Optimierung durch eine Berechnung der Gesamtanordnung erfolgen.
Für regelmäßige Strukturen aus Rechtecken, Kreuzen, Schei- ben und ähnlichem können Ganzbereichsfunktionen für die
Entwicklung der unbekannten Stromdichteverteilungen in bekannten Basisfunktionen verwendet werden. Mit Hilfe des an sich bekannten Galerkinverfahrens (vgl. z.B. den zuvor genannten Artikel von T. Itho et al.) können dann die Koeffi- zienten der Basisfunktionen bestimmt werden. Durch eine Überlagerung der Felder, die durch die berechneten Stromdichteverteilungen erregt werden, mit den Feldern, die durch Streuung der einfallenden Wellen an den Dielektrika errechnet werden, lassen sich präzise Aussagen über das Streuverhalten der Anordnung aus metallischen Strukturen und Dielektrika machen. Aus der Kenntnis des Zusammenhangs zwischen den geometrischen Abmessungen und dem daraus folgenden Streuverhalten lassen sich dann Designregeln für die Herstellung des Hauptreflektors ermittelt. Hierzu wird auf - 10 -
die Ausführungen in "Proceedings of APMC I", Seiten 225 bis 227 vom Dezember 1997 mit dem Titel "Füll Wave Analysis of a Planar Reflektor Antenna" von D. Pilz und W. Menzel verwiesen. Für eine beispielhaft realisierte Antenne mit einer Mittenfrequenz von 20 GHz ergibt sich die in Figur 3 dargestellte Anordnung von Metallisierungsstrukturen 33 auf dem planaren Dielektrikum 31. Die Anordnung weist insgesamt 364 rechteckige Strukturen auf, deren Mittelpunkte ein Gitter mit einer Maschenweite von 6 x 6 mm bilden. Die Abmessungen der Strukturen variieren in Abhängigkeit von den oben erläuterten Phasenbedingungen im Bereich zwischen 1 mm und 5,8 mm.
Als Subreflektor dient für diese Antenne ein Polarisations- filter mit Leiterbahnen mit einer Breite von 120 μm und einem Abstand von 600 μm, die sich auf einem Substrat mit einer Höhe von 254 μm und einer Dielektrizitätszahl von 2,5 befinden. Der Subreflektor hat dabei einen Abstand von 45 mm von dem Hauptreflektor. Der Durchmesser der Antenne be- trägt 150 mm.
Figur 4 zeigt für diese Antenne das gemessene Fernfelddiagramm in der H-Ebene, während in Figur 5 das Fernfelddiagramm in der E-Ebene darstellt ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Subreflektor 2 zusätzlich eine strahlformende Eigenschaft haben. Dies kann dadurch erreicht werden, daß bei einer einschichtigen Struktur die Innenseite des Polarisations- gitters, oder bei einer mehrschichtigen Struktur andere Lagen weitere Metallisierungsstrukturen erhalten. Dadurch ist zum Beispiel eine zusätzliche Bündelung möglich, durch die die Brennweite bzw. die Tiefe der Antenne weiter vermindert wird. - 11 -
Ferner ist denkbar, daß die Antenne so gestaltet wird, daß der Hauptreflektor die Eigenschaft besitzt, Wellenfronten zu erzeugen, die zu einem Fernfelddiagramm führen, das nicht den größten Gewinn besitzt, sondern z.B. als Fernfeldcharakteristik einen sogenannten Fan-Beam oder eine sogenannte Cosecans-Form oder auch mehrere Keulen besitzt.

Claims

- 12 -Patentansprüche
1. Reflektorantenne für polarisierte Mikrowellen mit einem Primärstrahler, einem für Mikrowellen einer gewünschten Polarisation durchlässigen Subreflektor und einem Hauptreflektor zur gebündelten Reflexion der Mikrowellen mit einer in die gewünschte Richtung gedrehten Polarisation, a urch gekenn 7.ei ebnet, daß der Hauptreflektor (3) eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Dipolen (33) mit zueinander parallelen Achsen aufweist, die einen Winkel von etwa 45° zu dem Vektor des einfallenden elektrischen Feldes aufweisen, wobei die Dipole (33) so bemessen sind, daß zwischen den reflektierten elektrischen Feldkomponenten parallel und senkrecht zu der jeweiligen Dipolachse eine Phasenverschie- - 13 -
bung von 180° entsteht und daß ferner an jedem Dipol (33) die Phase des reflektierten elektrischen Feldes gegenüber der Phase des einfallenden elektrischen Feld in der Weise verschoben ist, daß das von allen Dipolen (33) erzeugte Ge- samtfeld vorgegebene Wellenfronten aufweist.
2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Wellenfronten ebene Wellenfronten sind.
3. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor (3) eine dielektrische Platte (31) mit niedrigem Verlustfaktor aufweist, auf der sich auf der den einfallenden Mikrowellen zugewandten Seite die Dipole in Form von jeweils einer Metallisierungsstruktur (33) befinden und bei der auf der den einfallenden Mikrowellen abgewandten Seite eine durchgehende Metallisierungsschicht (32) aufgebracht ist.
4. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils eine rechteckige Form aufweisen.
5. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- net, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils die
Form eines Kreuzes aufweisen.
6. Reflektorantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsstrukturen (33) jeweils die Form einer Scheibe aufweisen.
7. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) ein Substrat mit einer Metallisierung in Form eines Polarisationsgitters (21) ist. - 14 -
8. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (2) weitere Metallisierungsstrukturen zur Strahlformung der von dem Primärstrahler (1) und/oder dem Hauptreflektor (3) ausgehenden Mikrowellen aufweist.
9. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (1) eine Hornantenne ist.
10. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (1) eine Mi- krostreifenleitungsantenne ist.
11. Reflektorantenne nach einem der Ansprüche 3 bis 10, insbesondere für eine Mittenfrequenz von etwa 20 GHz, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptreflektor 360 bis 380, vorzugsweise 364 rechteckige Metallisierungsstrukturen aufweist, deren Mittelpunkte ein Gitter mit einer Maschenweite von etwa 6 x 6 mm bilden und daß der Subreflektor Leiterbahnen mit einer Breite von etwa 120 μm und einem Abstand von etwa 600 μm auf einem Substrat mit einer Dicke von etwa 254 μm und einer Dielektrizitätszahl von etwa 2,5 aufweist.
12. Reflektorantenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Antenne etwa 150 mm und der Abstand zwischen dem Hauptreflektor und dem Subreflektor etwa 45 mm beträgt.
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