DE3536348A1 - Fresnel zone plate for focusing microwave radiation for a microwave antenna - Google Patents

Fresnel zone plate for focusing microwave radiation for a microwave antenna

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Abstract

A reflecting Fresnel zone plate is described for focusing microwave radiation for a microwave antenna. The alternating zones are constructed to be either reflective and absorbent or permeable to radiation or are both reflective, measures being provided for phase shifting of the radiation which is reflected by adjacent zones. The reflective zone plate can be produced, for example, using printed circuit board technology.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fresnel'sche Zonenplatte zur Fokussierung von Mikrowellen-Strahlung für eine Mikrowellen-Antenne, also für Hochfrequenzschwingungen im Dezimeter-, Zentimeter- und gegebenenfalls Millimeter-Wellenlängenbereich.The present invention relates to a Fresnel Zone plate for focusing microwave radiation for a microwave antenna, i.e. for high-frequency vibrations in decimeters, centimeters and if necessary Millimeter wavelength range.

Der Mikrowellenbereich bekommt auch in der nichtkommerziellen Nachrichtentechnik immer größere Bedeutung, z. B. beim sogenannten Satelliten-Fernsehen. Zum Empfang von elektromagnetischen Schwingungen im Mikrowellenbereich werden im allgemeinen Parabolspiegel verwendet, die das Wellenfeld fokussieren. Solche Paraboloid-Reflektoren sind relativ teuer in der Herstellung und erfordern eine aufwendige Halterung, um dem Winddruck standhalten zu können. Gegen eine verbreitete Aufstellung solcher Paraboloid-Reflektoren sprechen auch ästhetische und städtebauliche Gesichtspunkte.The microwave range also gets into the non-commercial Telecommunications are becoming increasingly important, e.g. B. in so-called satellite television. To receive electromagnetic vibrations in the microwave range are generally used parabolic mirrors that the Focus wave field. Such paraboloid reflectors are relatively expensive to manufacture and require an elaborate bracket to withstand the wind pressure to be able to. Against a widespread list of such Paraboloid reflectors also speak aesthetic and urban planning aspects.

Aus der Veröffentlichung "B. C. Discovery", Seiten 20, 21, Herbst 1981, ist ferner bereits eine Mikrowellen-Antenne für 12 GHz bekannt, die eine Fresnel'sche Zonenplatte als fokussierendes Element enthält. Diese bekannte Zonenplatte besteht aus halbzölligem Kiefernsperrholz und arbeitet ähnlich wie eine Linse in Transmission. Die Zonen sind durch Aussägen gebildet, d. h. sie bestehen abwechselnd aus Luft und aus dem Sperrholz, das für die es durchdringende Mikrowellen-Strahlung gerade die richtige Phasenverzögerung erzeugt.From the publication "B. C. Discovery", pages 20, 21, Fall 1981, is also already a microwave antenna known for 12 GHz, which is a Fresnel zone plate contains as a focusing element. This well-known Zone plate consists of half-inch pine plywood  and works much like a lens in transmission. The zones are formed by sawing, i.e. H. they exist alternating between air and plywood, that for the penetrating microwave radiation just the right phase lag is generated.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine als fokussierendes Element für Mikrowellen-Antennen und dergl. geeignete Fresnel'sche Zonenplatte anzugeben, die sich einfach herstellen läßt, unempfindlich gegen Feuchtigkeitseinflüsse ist und sich leicht in Gebäudeflächen, wie Fassaden und Dächer sowie auch in Wände von Wohnwagen und dergl. integrieren läßt. The present invention is based on this State of the art, based on the task focusing element for microwave antennas and to indicate suitable Fresnel zone plate, which is easy to manufacture, insensitive to Influences of moisture and is easily found in building surfaces, like facades and roofs as well as in walls of caravans and the like can be integrated.

Diese Aufgabe wird bei einer Fresnel'schen Zonenplatte zur Fokussierung von Mikrowellen-Strahlung für eine Mikrowellen-Antenne, mit Zonen zweier Arten, die alternieren und unterschiedliche mikrowellen-optische Eigenschaften haben gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sie als Reflektor ausgebildet ist und daß die Zonen zumindest der einen Art reflektieren. Die Zonen der anderen Art können absorbieren, transmittieren oder bezüglich denen der ersten Art phasenverschoben reflektieren. Letzteres wird aus Energiegründen bevorzugt.This task is done with a Fresnel zone plate for focusing microwave radiation for a Microwave antenna, with zones of two types that alternate and different microwave optical properties have solved according to the invention in that it is designed as a reflector and that the zones reflect at least one kind. The zones of the other type can absorb, transmit or reflect out of phase with those of the first kind. The latter is preferred for energy reasons.

Die vorliegende Zonenplatte hat als fokussierendes Element für Mikrowellen-Antennen eine Reihe erheblicher Vorteile, nämlich
1. die Zonenplatte kann auch mit großen Abmessungen einfach hergestellt werden, z. B. durch photolithographische Ätzung ähnlich wie Leiterplatten für elektrische Schaltungen, ferner durch Siebdruck, durch Stanztechnik und dergl.;
2. da die Zonenplatte als Reflektor arbeitet, wird im Gegensatz zu einer linsenartig wirkenden Zonenplatte kein Raum auf ihrer Rückseite benötigt, sie läßt sich also einfach an Gebäudeflächen, wie Wänden, Dächern und dergl. anbringen, ohne störend zu wirken. Gewünschtenfalls kann die Zonenplatte auch durch einen Anstrich getarnt werden.
3. Wird die reflektierende Zonenplatte, wie es bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Fall ist, für eine außeraxiale Fokussierung ausgelegt, so läßt sich die Anordnung leicht so treffen, daß die Stützstruktur des Empfangs- oder Sendeelements, z. B. eines Hornes, außerhalb des kollimierten (parallelen) Teils des Strahlungsbündels liegt, so daß dieses nicht gestört oder abschattiert wird.The present zone plate has a number of significant advantages as a focusing element for microwave antennas, namely
1. the zone plate can also be easily manufactured with large dimensions, for. B. by photolithographic etching similar to printed circuit boards for electrical circuits, further by screen printing, by stamping technology and the like .;
2. since the zone plate works as a reflector, in contrast to a lens-like zone plate, no space is required on the back, so it can be easily attached to building surfaces such as walls, roofs and the like without being disruptive. If desired, the zone plate can also be camouflaged with a coat of paint.
3. If the reflective zone plate, as is the case with a preferred embodiment of the invention, is designed for off-axis focusing, the arrangement can easily be made so that the support structure of the receiving or transmitting element, e.g. B. a horn, outside the collimated (parallel) part of the radiation beam, so that it is not disturbed or shaded.

Die vorliegende Zonenplatte läßt sich auch für mobile Zwecke leicht auf einer flexiblen Folie oder dergl. herstellen, so daß sie bequem transportiert und bei Bedarf einfach aufgespannt werden kann.The present zone plate can also be used for mobile Easily manufacture purposes on a flexible sheet or the like, so that it can be easily transported and when needed can simply be stretched.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fresnel'schen Zonenplatte sind Gegenstand von Unteransprüchen.Developments and refinements of the invention Fresnel zone plate are the subject of Subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.The invention will now be described with reference to FIG the drawings, for example, explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a graphical representation to explain the principle of a preferred embodiment of the invention.

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine außeraxial fokussierende reflektierende Fresnel'sche Zonenplatte für eine Mikrowellen-Antenne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 is a plan view of an off-axis focusing reflective Fresnel zone plate for a microwave antenna according to an embodiment of the invention and

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Gebäuden, an einen eine Mikrowellen-Antenne angebracht ist, die eine Fresnel'sche Zonenplatte gemäß der Erfindung als fokussierendes Element enthält. Fig. 3 is a schematic representation of buildings on which a microwave antenna is attached, which contains a Fresnel zone plate according to the invention as a focusing element.

Für die folgende Erläuterung sei angenommen, daß die Mikrowellen-Antenne, in der die vorliegende Fresnel'sche Zonenplatte als fokussierendes Element verwendet wird, als Empfangsantenne dient und daß sich der die zu empfangenden Hochfrequenzschwingungen abstrahlende Sender in großer Entfernung von der Antenne befindet, so daß ein ebenes Wellenfeld auf die Fresnel'sche Zonenplatte auffällt. Die Fresnel'schen Zonenplatten gemäß der Erfindung sind selbstverständlich nicht auf Empfangsantennen beschränkt sondern können in entsprechender Weise auch in Sendeantennen verwendet werden.For the following explanation it is assumed that the Microwave antenna in which the present Fresnelian Zone plate is used as a focusing element serves as a receiving antenna and that the to receiving high-frequency vibrations emitting transmitter located at a great distance from the antenna, so that a flat wave field on the Fresnel zone plate stands out. The Fresnel zone plates according to the invention are of course not on receiving antennas limited but can also in a corresponding manner be used in transmit antennas.

Der als fokussierendes Element dienenden Fresnel'schen Zonenplatte ist ein Antennenelement, z. B. ein Empfangs- oder Sende-Horn zugeordnet, wie es bei Mikrowellen-Antennen üblich ist.The Fresnelian serving as the focusing element Zone plate is an antenna element, e.g. B. a receiving assigned or transmit horn, as is the case with microwave antennas is common.

Wie erwähnt, wird die Fresnel'sche Zonenplatte vorzugsweise für einen schrägen Einfall der Mikrowellen-Strahlung ausgelegt, so daß das die fokussierte Strahlung aufnehmende Antennenelement und seine Stützstruktur das einfallende Wellenfeld nicht stören oder abschattieren. Außerdem läßt sich dadurch oft eine unauffälligere Anordnung des Antennenelements erreichen.As mentioned, the Fresnel zone plate is preferred for an oblique incidence of microwave radiation designed so that the receiving the focused radiation Antenna element and its support structure the incident Do not disturb or shade the wave field. Furthermore can often be a more inconspicuous arrangement of the Reach antenna element.

Bei schrägem Einfall der Mikrowellen-Strahlung liegt der Brennpunkt der reflektierenden Fresnel'schen Zonenplatte in einer Ebene, die von der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Wellenfeldes und der Normalen der ebenen, reflektierenden Zonenplatten aufgespannt wird. Um eine hohe Intensität im Brennpunkt zu erzielen wird in Analogie zum "blaze" bei optischen Beugungsgittern der Brennpunkt auf die Achse der an der Zonenplatte spiegelnd reflektierten Strahlung gelegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Im Brennpunkt P(y o , z o ) erhält man maximale Intensität, wenn die Punkte mit den Koordinaten x, y auf der ebenen Zonenplatte, für die n = n o +K; K = 0, 1, 2, . . .When the microwave radiation is incident obliquely, the focal point of the reflecting Fresnel zone plate lies in a plane which is spanned by the direction of propagation of the incident wave field and the normal of the plane, reflecting zone plates. In order to achieve a high intensity in the focal point, in analogy to the "blaze" in optical diffraction gratings, the focal point is placed on the axis of the radiation which is reflected specularly on the zone plate, as shown in FIG. 1. In the focal point P ( y o , z o ) one obtains maximum intensity if the points with the coordinates x, y on the flat zone plate for the n = n o + K ; K = 0, 1, 2,. . .

gilt, metallisch reflektieren. Hierbei liegen die Punkte mit gleichem s-Wert, d. h. die Zonenkonturen, auf Ellipsen. Diese haben die allgemeine mathematische Form wobei für den betrachteten Fall giltapplies, reflect metallic. The points with the same s value, ie the zone contours, lie on ellipses. These have the general mathematical form where applies to the case under consideration

D = (s+f) sinα/cos2 α; B 2= (s 2-f 2) cos2 α+D 2; A 2 = B 2 cos2 α. D = ( s + f ) sin α / cos 2 α ; B 2 = ( s 2 - f 2 ) cos 2 α + D 2 ; A 2 = B 2 cos 2 α .

f ist die Brennweite der Zonenplatte;
α ist der Reflexionswinkel zwischen der Flächennormalen und der Richtung des einfallenden Wellenfeldes bzw. der Achse des in den Brennpunkt kollimierten Strahlungsbündels. Alle Längeneinheiten sind auf die betreffende Wellenlänge normiert. f is the focal length of the zone plate;
α is the angle of reflection between the surface normal and the direction of the incident wave field or the axis of the radiation beam collimated in the focal point. All length units are standardized to the relevant wavelength.

Fig. 2 zeigt eine Zonenplattenkonstruktion für eine Brennweite f = 38λ und einen Reflexionswinkel von α = 37° bei einer Zonenplattengröße von 80λ × 80λ. Die schwarz gezeichneten Zonen der Zonenplatte gemäß Fig. 2 sind also reflektierend, die weiß gezeichneten Zonen sind absorbierend oder für die Mikrowellen-Strahlung durchlässig. Fig. 2 shows a zone plate construction for a focal length f = 38λ and a reflection angle of α = 37 ° with a zone plate size of 80λ × 80λ. The zones shown in black in the zone plate according to FIG. 2 are thus reflective, the zones shown in white are absorbent or transparent to the microwave radiation.

Zonenplatten der oben beschriebenen Art lassen sich einfach unter Anwendung der Technik der geätzten bzw. gedruckten Leiterplatten herstellen.Zone plates of the type described above can be simply using the technique of etched or manufacture printed circuit boards.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf eine die Mikrowellen-Strahlung spiegelnd reflektierende Oberfläche Zonen aus einem die Mikrowellen-Strahlung absorbierenden Material durch Siebdruck aufzubringen. Auf diese Weise lassen sich z. B. leicht transportable fokussierende Elemente für Mikrowellen-Strahlung durch Bedrucken von spiegelnd bedampften Polyesterfolien und dergl. herstellen.Another option is to click on the the Surface reflecting microwave radiation Zones made of a microwave radiation absorbing Apply material by screen printing. On this way z. B. easily transportable focusing elements for microwave radiation Printing of mirror-coated steamed polyester films and the like.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf eine spiegelnd reflektierende, insbesondere metallische, ebene Oberfläche eine Phasenstruktur entsprechend einer Fresnel'schen Zonenplatte aufzubringen, z. B. durch Siebdruck. Die Phasenstruktur aus einem geeigneten Dielektrikum wird so bemessen, daß zwischen benachbarten Zonen ein Gangunterschied von einer 1/2 Wellenlänge auftritt. Schließlich lassen sich solche Phasenstrukturen, bei denen dann alle Zonen reflektieren und in vorteilhafter Weise zur fokussierten Strahlung beitragen, durch ein entsprechendes Reliefmuster realisieren, das z. B. durch Prägen oder auch Ätzen und dergl. hergestellt werden kann.Another option is to reflect on one reflective, in particular metallic, flat surface a phase structure corresponding to a Fresnel Apply zone plate, e.g. B. by screen printing. The phase structure from a suitable dielectric is dimensioned so that between adjacent zones Path difference of 1/2 wavelength occurs. Finally, such phase structures can be which then reflect all zones and more advantageously Contribute to focused radiation, by means of a corresponding relief pattern, the Z. B. by embossing or etching and the like. can be manufactured.

Die Phasenstruktur, also die Dielektrikumsschicht oder das Reliefmuster, können ein Rechteckprofil haben, bevorzugt, wenn auch in der Herstellung teuerer, ist jedoch ein Sinusprofil, das so bemessen ist, daß sich für alle Elementar-Kugelwellen, die von den reflektierenden Zonen ausgehen, konstruktive Interferenz im Brennpunkt ergibt. The phase structure, i.e. the dielectric layer or the relief pattern, can have a rectangular profile, preferred, albeit more expensive to manufacture however, a sinus profile that is dimensioned such that itself for all elementary spherical waves that are reflected by the Out of zones, constructive interference in the Focus results.  

Die Phasenstrukturen werden selbstverständlich, wie es aus der Optik bekannt ist, entsprechend dem an die Phasenstruktur angrenzenden Medium bemessen, das im einfachsten Falle aus der Umgebungsluft (ε = 1) besteht.As is known from optics, the phase structures are of course dimensioned according to the medium adjacent to the phase structure, which in the simplest case consists of the ambient air ( ε = 1).

Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Montage einer Mikrowellen- Antenne, die eine reflektierende Zonenplatte der in Fig. 2 dargestellten Art als fokussierendes Element enthält. Die Zonenplatte 10 ist an einer senkrechten Außenfläche 12 eines Hauses 10 in der Nähe des Daches so angeordnet, daß sie der zu empfangenden Mikrowellen-Strahlung 16 frei ausgesetzt ist. Die Mikrowellen-Strahlung wird durch die reflektierende Zonenplatte 10 in einen Brennpunkt 18 fokussiert, bei dem eine Hornantenne 20 angeordnet ist, die mit einem zugehörigen Eingangsverstärker 22 beispielsweise oben an einer benachbarten Garage 24 angeordnet sein kann. Der Vorverstärker 22 ist über ein Kabel 26 mit im Haus 14 befindlichen Fernsehgeräten 28, gegebenenfalls über einen nicht dargestellten Umsetzer, verbunden. FIG. 3 shows an example of mounting a microwave antenna which contains a reflective zone plate of the type shown in FIG. 2 as a focusing element. The zone plate 10 is arranged on a vertical outer surface 12 of a house 10 near the roof so that it is freely exposed to the microwave radiation 16 to be received. The microwave radiation is focused by the reflective zone plate 10 into a focal point 18 , in which a horn antenna 20 is arranged, which can be arranged with an associated input amplifier 22, for example on top of an adjacent garage 24 . The preamplifier 22 is connected via a cable 26 to television sets 28 located in the house 14 , possibly via a converter (not shown).

Claims (13)

1. Fresnel'sche Zonenplatte zur Fokussierung von Mikrowellen- Strahlung für eine Mikrowellen-Antenne, mit Zonen zweier Arten, die alternieren und unterschiedliche mikrowellen-optische Eigenschaften haben, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Reflektor ausgebildet ist und daß zumindest die Zone der einen Art die zu fokussierende Mikrowellen- Strahlung reflektieren.1. Fresnel zone plate for focusing microwave radiation for a microwave antenna, with zones of two types that alternate and have different microwave-optical properties, characterized in that it is designed as a reflector and that at least the zone of one type reflect the microwave radiation to be focused. 2. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Art die Mikrowellen-Strahlung absorbieren. 2. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized in that the zones of the second type the Absorb microwave radiation.   3. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Art für die zu fokussierende Mikrowellen-Strahlung im wesentlichen transparent sind.3. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized in that the zones of the second kind for the microwave radiation to be focused essentially are transparent. 4. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der zweiten Art bezüglich denen der ersten Art phasenverschoben reflektieren.4. Fresnel zone plate according to claim 1, characterized characterized in that the zones of the second kind with respect reflect those of the first type out of phase. 5. Fresnel'sche Zonenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen nicht-kreisförmig sind.5. Fresnel zone plate according to one of the preceding Claims, characterized in that the zones are non-circular. 6. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 5, bei der die Mikrowellen-Strahlung ein im wesentlichen kollimiertes und ein fokussiertes Bündel bilden, die sich an der Zonenplatte treffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen so ausgebildet sind, daß der Fokuspunkt des fokussierten Bündels außerhalb des kollimierten Bündels liegt.6. Fresnel zone plate according to claim 5, wherein the microwave radiation is essentially collimated and form a focused bundle that itself meet at the zone plate, characterized, that the zones are formed so that the focus point of the focused bundle outside of the collimated Bundle lies. 7. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen in Leiterplattentechnik ausgebildet sind.7. Fresnel zone plate according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the zones in printed circuit board technology are trained. 8. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Metallplatte enthält, die mit einer Schicht aus einem Dielektrikum überzogen ist, welche eine Fresnel'sche Phasenplatte bildet, deren alternierende Zonen einen Gangunterschied von einer 1/2 Wellenlänge der an den benachbarten Zonen reflektierten Strahlung erzeugt. 8. Fresnel zone plate according to claim 4, characterized characterized that it contains a metal plate, which are covered with a layer of a dielectric which is a Fresnel phase plate forms, the alternating zones of a path difference of a 1/2 wavelength that at the neighboring Zones of reflected radiation are generated.   9. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Phasenplatte sich von innen nach außen mit einer durch die Fresnel'sche Zonenkonstruktion bestimmten Periodizität wenigstens annäherend sinusförmig ändert.9. Fresnel zone plate according to claim 8, characterized characterized in that the thickness of the phase plate itself from the inside out with one through Fresnel's Zone construction at least determined periodicity changes approximately sinusoidally. 10. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine metallisch reflektierende Zonenplatte mit einem die alternierenden Zonen bildenden Reliefmuster aufweist.10. Fresnel zone plate according to claim 4, characterized characterized as being a metallic reflective Zone plate with one that forms the alternating zones Has relief pattern. 11. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reliefmuster ein rechteckwellenförmiges Profil hat.11. Fresnel zone plate according to claim 11, characterized characterized in that the relief pattern is a rectangular wave Profile. 12. Fresnel'sche Zonenplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reliefmuster ein im wesentlichen sinusförmiges Profil hat.12. Fresnel zone plate according to claim 11, characterized characterized in that the relief pattern is essentially a has a sinusoidal profile. 13. Fresnel'sche Zonenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einer Gebäudefläche angebracht und daß in ihrem Fokuspunkt ein Mikrowellen-Antennenelement, wie ein Hornantennenelement angeordnet ist.13. Fresnel zone plate according to one of the preceding Claims, characterized in that they are on a Building area attached and that in its focus point a microwave antenna element, such as a horn antenna element is arranged.
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