DE3840451C2

DE3840451C2 - Linsenantenne

Info

Publication number: DE3840451C2
Application number: DE19883840451
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Huder; Wolfgang Dr Menzel
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2008-12-02
Also published as: DE3840451A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenantenne gemäß Ober begriff des Anspruchs 1. Eine Linsenantenne dieser Art ist bereits aus der DE-OS 21 40 527 bekannt.

Übliche Linsenantennen sind entweder rotationssymmetrische An ordnungen und weisen dann Richtcharakteristiken mit gleichen oder annähernd gleichen Keulenbreiten in allen Schnittebenen auf, oder es handelt sich um Zylinderlinsen, wobei die Linse nur die Strahlbündelung in einer Ebene durchführt, während die Strahlformung in der zweiten, dazu orthogonalen Ebene, mit der Speiseeinrichtung geschehen kann.

Um mit einer Linsenantenne eine Richtcharakteristik mit stark unterschiedlichen Keulenbreiten in zwei orthogonalen Schnitt ebenen zu erzeugen, kann neben der Zylinderlinsenanordnung auch eine nach den an sich bekannten Vorschriften dimensionierte Linse mit unterschiedlichen Linsenkonturen in den beiden Schnittebenen verwendet werden (vgl. z. B.: R. C. Johnson, H. Jasik: "Antenna Engineering Handbook", 2nd Edition (Mc Graw- Hill, New York, 1984) Kap. 16, Seite 4).

Dies führt jedoch zu einer ellipsenförmigen Apertur, die vom Primärstrahler auszuleuchten ist. Als Primärstrahler kann dann beispielsweise ein Pyramidenhorn mit stark unterschiedlichen Seitenlängen eingesetzt werden. Von Nachteil sind bei diesem Strahler die nichtidentischen Phasenzentren in H-Ebene und E- Ebene und die festgelegte Polarisationsebene, die mit der Ebene der kleinsten oder der größten Keulenbreite übereinstimmt.

Die aus der eingangs erwähnten DE-OS 21 40 527 bekannte Lin senantenne ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des gewünschten räumlichen Strahlungsdiagramms eine von der Kugel form abweichende dielektrische Linse als ruhender Strahler und mindestens ein Erreger vorgesehen sind, wobei der Erreger, bei spielsweise ein Hornstrahler, auf der Oberfläche der Linse be wegt bzw. dessen Bewegung simuliert wird. Die Linse kann dabei als Zylinderlinse oder als Kugelschichtlinse ausgebildet sein. Die Zylinderlinse kann eine sich nach unten verjüngende Kontur aufweisen. Beschrieben sind ferner Zylinderlinsen mit sich ste tig bzw. unstetig in beiden Hauptachsen ändernden Dielektrika, die ggf. sich in ihrer Kontur auch nach unten verjüngen. Eine ähnliche Linsenantenne ist aus der DE-OS 28 49 438 bekannt.

Aus der US-PS 2,547,416 ist eine dielektrische Linse bekannt, die eine kreisrunde und von einem Speisehornstrahler bestrahlte Apertur aufweist und bei der durch unterschiedliche Linsenkon turen in den beiden orthogonalen Schnittebenen der Linse eine Korrektur in der E- bzw. H-Ebene vorgenommen wird.

Weitere von einem Hornstrahler bestrahlte dielektrische Linsen mit kreisrunden oder zylindrischen Aperturen sind bekannt aus der US-PS 4,318,103 und der US-PS 3,576,577 bzw. aus den Arti kel von A. D. Olver et al: "Improved radiation characteristics of conical horns with plastics-foam lenses"; in: IEE Proc., Vol. 130, Pt. H, No. 3, April 1983, Seiten 197 bis 202, dem Artikel von L. J. Du et al: "Microwave Lens Design for a Conical Horn Antenna"; in: Microwave Journal, Sept. 1976, Seiten 49 bis 52, und dem Artikel von P. J. B Clarricoats et al: "Radiation Pattern of a Lens-Corrected Conical Scalar Horn"; in: Love, A. W. (Editor): "Electromagnetic Horn Antennas", IEEE Press, 1976, Seite 300 bis 301.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Linsenantenne der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der Richtcharakteristik mit stark unterschiedli chen Keulenbreiten in zwei orthogonalen Schnittebenen eine freie, unabhängige Verstellbarkeit der Ebene der linearen Po larisation innerhalb der Richtcharakteristik ermöglicht ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan spruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteil hafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Ausführung der erfindungs gemäßen Linsenantenne, und zwar ihre Apertur (Fig. 1a) und zwei zueinander orthogonale Längs schnitte (Fig. 1b und 1c)

Fig. 2 eine vorteilhafte konstruktive Ausführungsform der Linse der erfindungsgemäßen Linsenantenne gemäß Fig. 1 für eine bestimmte Antenne.

Wie die prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Linsenantenne in Fig. 1 zeigt, dient als Speiseantenne ein rotationssymmetrischer und deshalb kostengünstig herzu stellender Hornstrahler 3, der auch ein rotationssym metrisches Richtdiagramm erzeugt (z. B. ein beispielsweise in dem oben zitierten "Antenna Engineering Handbook", Kap. 15, S. 19-23 beschriebenen Zwei-Moden-Hornstrahler nach Potter). Dieses ist mit seinem Phasenzentrum im Brennpunkt einer dielektrischen Linse 4 mit kreisrunder Apertur angeordnet und bestrahlt letztere. Die Linsen kontur 1 ist in der xz-Ebene nach den bekannten Vor schriften so gewählt, daß eine vom Brennpunkt ausgehende Kugelwelle des Speisehornstrahlers 3 von der Linse 4 in eine Welle mit ebenen Phasenfronten überführt wird.

In der zweiten dazu orthogonaler yz-Ebene ist die Linsen kontur 2 so gestaltet, daß die vom Brennpunkt ausgehende Kugelwelle des Speisehornstrahlers 3 nach dem Durchlaufen der Linse 4 weiterhin nichtebene Phasenfronten aufweist. Eine mögliche Linsenkonturform 2 ist hier beispielhaft eine solche mit konstanten Krümmungsradius R im gesamten Linsenbereich. Es sind aber auch andere Linsenkonturen möglich, die diese Bedingung erfüllen. In der xz-Schnitt ebene, in der die Welle nach Durchlaufen der Linse 4 ebene Phasenfronten aufweist, wird die Keulenbreite am kleinsten sein und im wesentlichen vom Linsendurchmesser und der Richtcharakteristik des Speisehornstrahlers 3 bestimmt. In der dazu orthogonalen yz-Ebene kann die Keulenbreite durch Wahl des Krümmungsradius R der Linsenkontur 2 in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Die Lage der x'z-Ebene der linearen Polarisation wird nur vom Speisehornstrahler 3 bestimmt und kann durch axiale Verdrehung des Speisesystems 3 gegen die Linse 4 beliebige Winkel 3 annehmen, ohne daß damit die Form der Antennen richtcharakteristik beeinflußt würde.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte konstruktive Ausführungs form der Linse (4 in Fig. 1) der erfindungsgemäßen Linsen antenne für Frequenzen des Mikrowellen-, insbesondere Millimeterwellenbereichs und zwar für Frequenzen f = 30 GHz...100 GHz, insbesondere für f = 60 GHz...70 GHz, vorzugsweise für f = 61 GHz. Gezeigt ist die Antenne in der Draufsicht (Fig. 2c), im Längsschnitt (Fig. 2a) und Querschnitt (Fig. 2b) sowie in einer perspektivischen Gesamtsicht (Fig. 2d).

Vorzugsweise besteht die Linse aus einem dielektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r < 1 (z. B. Plexiglas). Es kann aber auch ein Material mit einer relativen Permittivitätskonstante µ_r < 1 verwendet werden.

Die Linsenoberfläche kann, falls nötig, mit Anpaß strukturen versehen werden, wie sie dem Stand der Technik entsprechen.

Neben dem Vorteil, daß die o. a. Anforderungen hinsichtlich der Richtcharakteristik und der davon unabhängig wählbaren Polarisationsebene des Strahlungsfeldes erfüllt werden, ist als weiterer Vorteil der Erfindung die kostengünstige Herstellung zu nennen, in dem z. B. der Speisehornstrahler als Drehteil und die Linse als Spritzgußteil aus Plexiglas oder ähnlichem hergestellt wird.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Linsen antenne ist ihr Einsatz in Radarsensoren insbesondere für Verkehrsüberwachungs- bzw. -steuerungssysteme.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Könnenn aus- und weitergebildet bzw. an die unter schiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist z. B. möglich, den Primärstrahler, d. h. den Speise hornstrahler um die Hauptstrahlrichtung (z-Achse in Fig. 1) drehbar anzuordnen, um so auf bequeme Art und Weise die Polarisationsebene (x'z in Fig. 1) um beliebige Winkel ϕ drehen zu können.

Weiterhin ist es denkbar, zu Justierzwecken den Speise hornstrahler entlang der Hauptstrahlrichtung verschiebbar anzuordnen.

Ferner ist es möglich, die Linse selbst um die Haupt strahlrichtung der Antenne drehbar oder entlang der Haupt strahlrichtung verschiebbar anzuordnen.

Schließlich ist es denkbar, mehrere solcher Linsen hinter einander anzuordnen mit einer gemeinsamen Hauptstrahl richtung.

Claims

1. Linsenantenne, mit einem linear polarisierten Speisehorn strahler und einer für elektromagnetische Strahlung durchlässi gen Linse aus dieelektrischem Material, welche Linse auf der dem Speisehornstrahler zugewandten Seite in Richtung des Spei sehornstrahlers gewölbt ist und in zwei zueinander orthogonalen und jeweils parallel zur Hauptstrahlrichtung der Antenne ausgerichteten Schnittebenen unterschiedliche Linsenkonturen aufweist und welcher Speisehornstrahler mit seinem Phasenzen trum im Brennpunkt der Linse angeordnet ist und diese be strahlt, wobei die Linsenkontur in der ersten der beiden zu einander orthogonalen Schnittebenen so gewählt ist, daß eine vom Brennpunkt der Linse ausgehende Kugelwelle nach dem Durch laufen der Linse in eine Welle mit ebenen Phasenfronten über führt ist und wobei die Linsenkontur in der hierzu orthogonalen zweiten Schnittebene so gewählt ist, daß die vom Brennpunkt der Linse ausgehende Kugelwelle in dieser Schnittebene weniger stark gebündelt wird wie in der ersten Schnittebene und deshalb nach dem Durchlaufen der Linse weiterhin nichtebene Phasenfronten aufweist, dadurch gekennzeichnet,

1. daß der Speisehornstrahler (3) rotationssymmetrisch aus gebildet ist und ein rotationssymmetrisches Richtdiagramm erzeugt;
2. daß die Linse (4) eine kreisrunde Apertur aufweist und der Speisehornstrahler (3) diese bestrahlt;
3. daß der Speisehornstrahler (3) um die Hauptstrahlrichtung (z) der Antenne drehbar und/oder entlang dieser Richtung (z) verschiebbar angeordnet ist, und/oder
4. daß die Linse (4) um die Hauptstrahlrichtung (z) der An tenne drehbar und/oder entlang dieser Richtung (z) ver schiebbar angeordnet ist.

2. Linsenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehornstrahler (3) ein Zwei-Moden-Hornstrahler ist.

3. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Linsenkontur (2) in der zweiten Schnittebene einen konstanten Krümmungsradius (R) im gesamten Linsenbereich aufweist.

4. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material der Linse (4) eine relative Dielektrizitätskonstante ε_r <1 und/oder eine relative Permittivitätskonstante µ_r <1 aufweist.

5. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Linse (4) mit An paßstrukturen versehen ist.

6. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Linse (4) als Spritzgußteil vor zugsweise aus Plexiglas hergestellt ist.

7. Linsenantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch die Verwendung in Radarsensoren insbesondere für Verkehrsüberwachung bzw. -steuerungssysteme.