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Dokumentenidentifikation DE3604355C2 15.10.1992
Titel Antenne, gebildet aus einer dielektrischen Übertragungsleitung
Anmelder Junkosha Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Imaizumi, Haruo, Ohmiya, Saitama, JP
Vertreter Klunker, H., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat.; Schmitt-Nilson, G., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Hirsch, P., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 12.02.1986
DE-Aktenzeichen 3604355
Offenlegungstag 20.08.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.10.1992
IPC-Hauptklasse H01Q 13/24

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Antenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Antenne kann auch als dielektrische Übertragungsleitung bezeichnet werden, welche zur Übertragung von Energie elektromagnetischer Wellen, beispielsweise von Millimeter- oder Submillimeterwellen, verwendet wird. Wenn hierbei z. B. ein metallischer Wellenleiter zum Führen der Mikrowellen benutzt wird, damit die elektromagnetischen Wellen von dem Endabschnitt der Antenne oder der dielektrischen Übertragungsleitung abgestrahlt werden, dann wird für gewöhnlich noch eine Metallantenne mit einer Trichteröffnung an dem Endabschnitt befestigt.

Um ebene Wellen abzustrahlen, wird beispielsweise eine Linsen-Antennenanordnung verwendet, bei der die Metallantenne als Primär-Abstrahlantenne und eine dielektrische Linse in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen Verwendung finden. Andererseits kann auch ein Reflektor-Antennensystem zum Einsatz gelangen, welches einen aus Metall bestehenden, reflektierenden Spiegel aufweist, oder es wird ein Cassegrain-Antennensystem mit zwei reflektierenden Spiegeln benutzt.

Mit der Entwicklung eines Halbleiters für die Übertragung elektromagnetischer Wellen im Millimeter-Wellenlängenbereich hat der Einsatz von dielektrischen Übertragungsleitungen als Wellenleiter in und zwischen Geräteteilen- von Funk- Nachrichtenübertragungseinrichtungen, Radar- oder dergleichen Systemen zugenommen.

Fig. 5 zeigt eine dem Stand der Technik US-PS 34 34 774 zuzurechnende dielektrische Leitung 1 mit einem mittleren Kern 2 aus porösem Kunststoffmaterial mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante und mit einem Mantel 3, der den Kern 2 koaxial umschließt und aus einem Kunststoff mit relativ niedriger Dielektriziätskonstante besteht. Dadurch läßt sich die Energie elektromagnetischer Wellen in dem Kern 2 begrenzen, so daß die Wellen sich hauptsächlich innerhalb des Kernes fortpflanzen. Die Außenfläche des Mantels 3 ist von einer isolierenden Schutzschicht 4 umgeben. Die dielektrische Leitung gem. Fig. 5 besitzt eine Reihe von Vorteilen: Einfache Verarbeitung und Verbindung mit anderen Teilen und große Flexibilität aufgrund geringer Einfügungsdämpfung.

Wenn aus dem Endabschnitt der oben beschriebenen dielektrischen Leitung elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden sollen, so werden für gewöhnlich ein metallischer Wellenleiter und ein Metallhorn oder Metalltrichter mit Hilfe eines als "Launcher" bezeichneten Verbinders an die dielektrische Leitung gekoppelt, und zwar aus folgenden Gründen:

  • 1. Es können vorhandene und fertige Abstrahltechnologien für elektromagnetische Wellen in Verbindung mit einem metallischen Wellenleiter und einem Metallhorn verwendet werden;
  • 2. bei der Abstrahlung oder der Übertragung elektromagnetischer Wellen behält der Launcher das Phasenzentrum bei, welches von der dielektrischen Leitung zu einem metallischen Wellenleiter oder einem Horn über den Launcher zu übertragen ist;
  • 3. der Endabschnitt der dielektrischen Leitung läßt sich sicher an der Stelle des metallischen Wellenleiters bzw. Leitungsrohres befestigen. Die elektromagnetischen Wellen in dem metallischen Leitungsrohr werden selbst dann nicht gestört, wenn das Rohr auf seiner Außenseite mittels einer Befestigungsvorrichtung befestigt ist, weil außerhalb des Rohres keine elektromagnetischen Wellen vorhanden sind.


Wenn allerdings ein metallischer Wellenleiter an die dielektrische Leitung bzw. an den Antennen-Endabschnitt angeschlossen werden soll, erweist sich die Ausrichtung der Übertragungskonstanten an dem betreffenden Verbindungsabschnitt als derart schwierig, daß eine Zunahme der Einfügungsdämpfung, eine Dämpfungsbeeinträchtigung aufgrund von Reflexion, eine Verschiebung der Phasenebene sowie weitere Probleme hervorgerufen werden.

Wird die dielektrische Leitung zur Änderung der Polarisationsebene verdreht, ergibt sich als weiteres Problem, daß die Ausrichtung mit dem metallischen Wellenleiter das Frequenzband enger macht. Darüber hinaus ist eine Antenne der gattungsgemäßen Art im wesentlichen bereits aus der US-PS 42 74 097 bekannt. Gemäß Fig. 8 der vorgenannten Druckschrift besteht eine solche Antenne beispielsweise aus einem stabförmigen Keramik-Kern, welcher von einem entsprechenden Keramik-Mantel umgeben ist, wobei die Dielektrizitätskonstante des Mantels kleiner ist als diejenige des Kernes. Die zur Energieabstrahlung dienende Stirnseite dieser bekannten Antenne ist mit einem λ/4-Anpassungstransformator abgeschlossen, um diese Antenne mit der umgebenden Atmosphäre zur Energieabstrahlung zu koppeln. Somit kommt auch die aus der vorgenannten Druckschrift bekannte Antenne nicht ohne ein Anpassungselement aus.

Ferner ist aus der US-PS 44 63 329 ein dielektrischer Wellenleiter bekannt, der im wesentlichen aus ungesintertem oder teilweise gesintertem oder vollständig gesintertem, expandiertem Polytetrafluorethylen in Stabform besteht. Dieser dielektrische Wellenleiter kann außerdem auch mehrschichtig aufgebaut sein, ferner kann die Dielektrizitätskonstante in der Längsrichtung des Wellenleiters veränderbar, insbesondere stufenweise veränderbar, sein. Im übrigen ist vorgesehen, daß ein Endabschnitt des aus gesintertem PTFE bestehenden stabförmigen Wellenleiters zusätzlich noch beispielsweise mit einem metallischen Wellenleiter verbunden ist, um die erwünschte Abstrahlung der elektromagnetischen Wellenenergie zu erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Antenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei welcher zum Abstrahlen der elektromagnetischen Wellenenergie auf die Anbringung eines metallischen Wellenleiters oder eines Anpassungstranformators am Endabschnitt verzichtet und außerdem die Ausrichtung der charakteristischen Impedanzen mit dem Außenraum verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Ünteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig 1 eine Ausführungsform mit einer ebenen Stirnseite des Endabschnitts und mit in Längsrichtung zu dem Endabschnitt hin abnehmenden Dielektrizitätskonstanten;

Fig. 2 eine Antenne mit unter rechtem Winkel in Längsrichtung der Antenne angeordneter Stirnseite und mit einer dieser benachbart angeordneten, konvexen Linse;

Fig. 3 und 4 jeweils Ausführungsbeispiele, in denen das Antennenende, z. B. das Antennenende gemäß Fig. 2, im Brennpunkt einer Parabolantenne angeordnet ist; und

Fig. 5 eine dielektrische Übertragungsleitung nach dem Stand der Technik;

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei der eine dielektrische Leitung 1 eine den Endabschnitt bildende Stirnseite 10 besitzt, die unter rechtem Winkel zur Längserstreckung der Leitung geschnitten ist, und der Endabschnitt ist so ausgebildet, daß seine Dielektrizitätskonstante entlang der Achse in Richtung auf die Stirnseite 10 zu nach und nach abnimmt. Um eine in Längsrichtung abnehmende Dielektrizitätskonstante des aus expandiertem Polytetraflouräthylen bestehenden Kerns zu erreichen, kann man ein Ende des Polytetraflouräthylens während des Expansionsvorganges festhalten, während man lediglich das andere Ende zieht. Durch ein solches Verfahren nimmt das lokale Expansionsverhältnis entlang der Leitung zu, während die Dielektrizitätskonstante abnimmt. Man kann einen Gradienten bei der Sintertemperatur vorsehen, wodurch die Dielektrizitätskonstante bei ansteigender Temperatur abnimmt, oder man wickelt als Mantel ein Band abnehmender Dichte in Längsrichtung um den Kern der Leitung.

Wenn Einheitsabschnitte entlang der Kernachse abnehmende Dielektrizitätskonstanten ε1, ε2, ε3 und ε4 besitzen (tatsächlich besitzen die Abschnitte jeweils eine kontinuierlich abnehmbare Dielektrizitätskonstante), wie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, gelten die Beziehungen ε&sub1;>ε&sub2;>ε&sub3;>ε&sub4;. Der Mantel 3 besitzt ebenfalls eine abnehmbare Dielektrizitätskonstante entsprechend der Beziehung ε&min;&sub1;>ε&min;&sub2;>ε&min;&sub3;>ε&min;&sub4;. Dadurch, daß die Dielektrizitätskonstanten des Kerns 2 und des Mantels 3 so geändert werden, wie es in Fig. 1 angedeutet ist, wird eine verbesserte Ausrichtung der charakteristischen Impedanzen mit dem Außenraum erreicht.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der dielektrische Stoff für die dielektrischen Leitungen 1 der jeweiligen Ausführungsbeispiele expandiertes ungesintertes oder unvollständig gesintertes Polytetraflouräthylen. Bei diesem Stoff handelt es sich um ein hochkristallines Material mit hohem Molekulargewicht, dessen Innenstruktur eine Anzahl feiner Knoten aufweist, die miteinander durch eine Anzahl feiner Fibrillen verbunden sind, was zu einer Anzahl komplizierter Hohlräume zwischen Knoten und Fibrillen führt, so daß insgesamt eine poröse Feinstruktur mit durchgehender Porösität gebildet wird.

Das dielektrische Material mit der porösen Feinstruktur wird hergestellt, in dem extrodiertes Polytetraflouräthylen (PTFE) im ungesintertem Zustand einige bis zu 100 mal in mindestens einer axialen Richtung expandiert wird, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung 51-18 991 beschrieben ist. Bei diesem expandiertem PTFE-Produkt kann dessen spezifisiches Gewicht, Porösität, Dielektrizitätskonstante sowie andere Eigenschaften in einem bemerkenswert großem Bereich variiert werden, in dem man Geschwindigkeit und Ausmaß der Streckung ändert. Es ist möglich, einen solchen dielektrischen Stoff für eine Übertragungsleitung herzustellen, der die Fortpflanzungseingenschaften für elektromagnetische Wellen besitzt, wie sie oben erwähnt wurden. Das expandierte Produkt wird entweder teilweise gesintert oder bei einer Temperatur thermisch fixiert, die nicht niedriger ist als der Schmelzpunkt (327° Celsius) des PTFE, vorzugsweise bei 340° bis 380°, insbesondere bei 360° bis 375° Celsius während 1-15 Minuten, oder es wird ohne Sintern bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts, jedoch nicht unterhalb von 250° Celsius fixiert. Durch geeignetes Ändern des Ausmaßes der Sinterung oder der thermischen Fixierung des expandierten Produkts läßt sich die Dielektrizitätskonstante des porösen PTFE-Materials nach Bedarf einstellen. Dies wiederum stellt einen bedeutsamen Schritt für die Einstellung der Eigenschaften und der Leistung der dielektrischen Leitung 1 der vorliegenden Erfindung dar, zusammen mit den Schritten zum Ändern des Prozentsatzes oder der Geschwindigkeit der Streckung.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel betraf den Fall, daß die dielektrische Leitung 1 einen ebenen Endabschnitt aufweist.

Diese Ausführungsform läßt sich gemäß Fig. 2 dadurch verbessern, daß mit Abstand von der Stirnseite 10 eine dielektrische Linse 11 derart angeordnet ist, daß ihr Brennpunkt auf der Stirnseite 10 liegt. Diese dielektrische Linse 11 ist ein Formteil aus dem oben beschriebenen, ungesinterten, kontinuierlich porösen Polytetrafluorethylen, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung 59-23 483 offenbart ist. Auf Grund der dielektrischen Linse 11 werden die von der Stirnseite 10 der Leitung 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen in eine ebene Front umgewandelt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 ist die dielektische Linse nach Fig. 2 ersetzt durch eine reflektierende Antenne, zum Beispiel eine Parabolantenne 12, und die dielektrische Leitung 1 ist so angeordnet, daß ihre Stirnseite 10 sich im Brennpunkt der Antenne 12 befindet. Obschon in Fig. 3 die axial symmetrische Parabolantenne 12 dargestellt ist, kann man auch gemäß Fig. 4 eine Offset-Parabolantenne 12&min; verwenden.

Abweichend von der obigen Beschreibung läßt sich die Erfindung nicht nur anwenden bei einer dielektrischen Leitung mit Stufenindexprofil, sondern auch bei einer Leitung mit Gradientenindexprofil. Die dielektrische Leitung kann anstelle eines kreisförmigen Querschnitts einen elyptischen oder einen quadratischen Querschnitt besitzen. Hier wird kreisförmiger Querschnitt bevorzugt, wenn die Polarisationsebene gedreht oder geändert wird. Quadratischer Querschnitt eignet sich besser, wenn eine vertikale oder horizontale Polarisationsebene zu bilden ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Antenne, gebildet aus einer dielektrischen Übertragungsleitung (1), mit einem aus dielektrischem Material bestehenden Kern (2), der einen zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellenenergie dienenden Endabschnitt (10) aufweist, und mit einem den Kern (2) umgebenden Mantel (3), wobei die Dielektrizitätskonstante (ε) des Kerns größer ist als die (ε&min;) des Mantels gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
    1. a) der Kern (2) besteht aus expandiertem Polytetrafluorethylen;
    2. b) der Mantel (3) erstreckt sich bis zur den Endabschnitt (10) bildenden Stirnseite der Übertragungsleitung (1), wobei deren Längsachse senkrecht auf der Stirnseite steht;
    3. c) der Kern (2) weist eine in axialer Richtung zu dem Endabschnitt hin abnehmende Dielektrizitätskonstante ( ε1, ε2. . .) auf; und
    4. d) der Mantel (3) weist eine in axialer Richtung zu dem Endabschnitt hin abnehmende Dielektrizitätskonstante (ε&min;1, ε&min;2, . . .) auf.
  2. 2. Antenne nach Anspruch 1, bei der mit vorgebenem Abstand von dem Endabschnitt (10) eine Einrichtung zum Formen einer Wellenfront der abgestrahlten elektromagnetischen Wellenenergie vorgesehen ist.
  3. 3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Formen der Wellenfront eine dielektrische Linse (11) ist.
  4. 4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, bei der einer Stirnseite des Endabschnitts (10) gegenüberliegend, ein Spiegel (12; 12&min;) angeordnet ist.
  5. 5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) aus unvollständig gesintertem, expaniertem Polytetrafluorethylen besteht.
  6. 6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) aus ungesintertem, expandiertem Polytetrafluorethylen besteht.






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