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Dokumentenidentifikation DE69212829T2 27.02.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0587810
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON LINSEN MIT VARIABLEM BRECHUNGSINDEX
Anmelder Thomson multimédia, Courbevoie, FR
Erfinder HARRISON, David, F-67000 Strasbourg, FR;
FUJIMOTO, Masahiro, KAWASAKI-SHI 216, JP;
MAIER, Gerhard, D-7735 Dauchingen, DE
Vertreter Ahrens, T., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 30455 Hannover
DE-Aktenzeichen 69212829
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 25.05.1992
EP-Aktenzeichen 929173268
WO-Anmeldetag 25.05.1992
PCT-Aktenzeichen EP9201168
WO-Veröffentlichungsnummer 9222846
WO-Veröffentlichungsdatum 23.12.1992
EP-Offenlegungsdatum 23.03.1994
EP date of grant 14.08.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.02.1997
IPC-Hauptklasse H01Q 15/08

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Linse mit einem variablen Brechungsindex, z.B. eine Luneburg-Typ-Linse, die als Teil eines Mikrowellen- Antennensystems verwendet werden kann, und ein geeignetes Verfahren zur Herstellung dieser Linse.

Es ist bekannt, z.B. aus US 4,288,337, daß Linsen der genannten Art als Radar- Reflektoren oder - wie es von E.F.Buckley, "Stepped-Index Luneburg-Lenses"; Electronic Design, 13. April 1960 bekannt ist - als Teil eines Antennensystems verwendbar sind.

Wie Buckley in dem Artikel beschrieben hat, ist es ein bekannter Prozeß für die Herstellung von Luneburg-Linsen, eine hemisphärische Mantel-Konstruktion (shell-konstruktion) mit einer gegebenen Anzahl von Lagen oder Schichten zu verwenden.

Gemäß dem US-Patent können die Lagen oder Schichten für die Herstellung der Luneburg- und Eaton-Lippmann-Linsen für Mikrowellen-Anwendung in dielektrischer Form erzeugt bzw. hergestellt werden. In solchen Fällen ist die Beziehung zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante E und dem Brechungsindex n

n=ES (1)

Eine gemischte Dielektrizität kann erhalten werden durch Mischen von erweiterten Partikeln, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die beinhaltet: expandierte oder gestreckte Polystyrole, expandierte Polyethylene, expandierte Polyurethane, Glaskugeln oder Kügelchen oder Siliziumoxid-Kugeln (Silica-Balloons) oder Kügelchen, mit metall-beschichteten Partikeln bestehend aus expandierten Partikeln, Oberflächen, die mit einem dünnen Film beschichtet worden sind, ausgewählt aus der Gruppe Chrom, Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Silber und Magnesium in passenden oder geeigneten Proportionen zum Erhalt einer gewünschten Dielektrizitäts-Konstante, um dasselbe dann in die gewünschte Form (Gestalt) durch Verwendung eines Binders zu formen.

Wie M.A. Mitchel et al. in dem Artikel "A multiple-beam multiple frequency spherical Lens Antenna System providing hemispherical Coverage", 6. Int. Conference on Antennas and Propagation (ICAP), 1989, Teil 1, S.394-398, beschreibt, kann für dielektrisches Material, wie Polystyren, die Relation zwischen seiner relativen Dielektrizitätskonstante E und seiner Dichte d ausgedrückt werden durch die folgende Gleichung

E = 0,4 E&sub0;(d/d0) + 0,6 (1 + E&sub0; - D (d/d0)) (2)

wobei:

E&sub0; die relative Dielektrizitäts-Konstante des unexpandierten dielektrischen Materials ist; und

d0 die Dichte des unexpandierten dielektrischen Materials ist.

Unter Verwendung der Gleichung (2), haben Mitchel et al. Mantel oder Schalen für eine Mantel-Konstruktion (shell construction) einer Luneburg-Linse hergestellt.

Durch die erwähnten Verfahren für die Herstellung der Linsen ist es gerade möglich, die Variation des benötigten Brechungsindexes anzunähern, der abhängig von der Dielektrizitäts-Konstante ist. Kein praktisches Schema für eine weiche Veränderung des Brechungsindexes wurde erreicht.

Durch Verwenden der Schalen oder Gerüste (shells) mit unterschiedlichen Dielektrizitäts-Konstanten und mit unterschiedlichen Brechungsindizes, traten Brechungsverluste auf, wodurch Leistung von den Dielektrizitäts-Grenzen oder -Grenzflächen reflektiert wurde.

In dem US-Patent 3,470,561, das eine sphärische Luneburg-Linse erläutert, wird erwähnt, daß die Änderung des Brechungsindexes n als eine Funktion der Polystyren-Dichte d (in lbs./ft³) durch folgende Gleichung gegeben wird

n = (1 + 0,02d)0,5.

Ein anderes Verfahren für die Veränderung oder Variation des Brechungs- Index n, das von dem US-Patent beschrieben wird, wird erhalten mit einem variabel belasteten künstlichen Dielektrizitätsmedium.

Auch wird die Herstellung von mehreren im wesentlichen identischen Orangenscheiben-geformten Keilen erwähnt, die kollektiv die herzustellende Luneburg- Linse bilden.

Die Herstellung dieser Orangenschnitten-Form-Keile ist sehr kostenintensiv.

Darüber hinaus offenbart die US-A-3,133,285 eine sphärische Luneburg-Linse, die mehrere Pyramiden-Sektoren enthält, wovon jede eine abgestufte (graded) dielektrische Konstante und eine vierkantige Basis hat.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Linse mit einem gegebenen variablen Brechungsindex vorzuschlagen, die eine genauere Darstellung des gewünschten Profils des Brechungsindexes durch Verwenden von Teilen erlaubt, die in einfacher Weise herstellbar sein können.

Dies wird erreicht mit einer Linse gemäß Anspruch 1 oder mit einem Verfahren gemäß dem ersten Verfahrensanspruch.

Gemäß der Erfindung wird eine herzustellende Linse mit einem Symmetriepunkt und einem variablen Brechungsindex n durch eine Anzahl von Teilen gebildet, die eine gegebene Änderung des Brechungsindex n so haben, daß die herzustellende Linse den gegebenen variablen Brechungsindex hat. Die Formen oder Gestalten der Teile bilden zusämmen die Form oder Gestalt der Linse. Die meisten der Teile haben dieselbe Form, d.h. sie sind pyramidenähnlich oder -gleich.

Die Art des Symmetriepunktes hängt von der Form der Linse ab, die hergestellt werden soll. Wenn die Linse sphärisch ist, kann der Symmetriepunkt identisch mit dem Mittenpunkt der Kugel sein. Wenn die Linse hemisphärisch ist, dann kann der Symmetriepunkt der Mittenpunk der Kugel sein, die aus zwei der hemisphärischen Linsen gebildet werden kann.

Wenn die Linse zylindrisch ist, kann der Symmetrie"punkt" die Mittenlinie des Zylinders sein.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Flächenwirkungsgrad (aperture efficiency) eines Antennensystems, das die herzustellende Linse beinhaltet, verbessert ist, verglichen mit der Verwendung einer Linse vom Manteltyp (shell type). Dies wird erreicht durch Vermeiden oder durch Herabsetzen der Leistungsreflektionen von den dielektrischen Grenzen oder Grenzflächen, die normalerweise an den Mantel- Schnittstellen auftreten.

Ein anderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Phase der parallel gerichteten Strahlen (colliminated rays) an Zuführpunkten eines Antennensystems genauer ist, wodurch der Flächenwirkungsgrad vergrößert werden kann.

Durch Vermeiden oder Reduzieren der elektromagnetischen Felder innerhalb der Linse, die veranlaßt werden, tangential zu (den) Mantel-Oberflächen sich auszubreiten, wodurch Oberflächenwellen ausgebildet werden, kann der Flächenwirkungsgrad auch erhöht werden.

Durch Verwenden identischer Teile, d.h. pyramidenähnlich gestalteter Teile, die eine Gestalt haben können, die sich von einem Symmetriepunkt der jeweiligen Linse zu ihrer äußeren Oberfläche erstrecken, hat die Erfindung den Vorteil, daß ein identisches Verfahren zur Herstellung jedes Teiles verwendet werden kann, die gemeinsam oder kollektiv die Linse bilden.

Durch Verwenden von unterschiedlichen Arten von Teilen, wobei eines der Teile, das aus Unterteilen aufgebaut sein kann, um den Symmetriepunkt herum angeordnet ist, und die anderen Teile sich von der äußeren Oberfläche des ersten Teils zu der äußeren Oberfläche der herzustellenden Linse erstrecken, kann ein scharfer Winkel an dem Scheitelpunkt einer pyramidenähnlichen Gestalt vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung wird besser mit Hilfe der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen verstanden, die von Zeichnungen begleitet werden.

Figur 1 zeigt einen Teil mit Pyramiden-Gestalt, das zur Herstellung einer Linse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel verwendbar ist.

Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf die Linse, die aus Teilen zusammengesetzt ist, die in Figur 1 gezeigt sind.

Figur 3 zeigt im Prinzip einen Herstellungsprozeß für das Teil von Figur 1.

Figur 4 zeigt im Prinzip einen anderen Herstellungsprozeß für eine Linse gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In der folgenden Beschreibung werden Mittel und Details mit derselben Funktion oder Bedeutung, die in mehreren Figuren verwendet werden, mit derselben Bezugsziffer benannt und wenn sie einmal erklärt worden sind, werden sie in der weiteren Beschreibung nur insoweit erläutert, als es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Teile, wie das Teil 10 von Figur 1 verwendet. Mehrere davon bilden zusammen eine herzustellende Linse. Die Basis 11 des Teiles 10, die fünf Kanten oder Ränder 12,...,16 hat, kann flach oder gerundet sein.

Andere Kanten oder Ränder 17,...,21 laufen von der Basis 11 zu dem Scheitelpunkt 22 (Apex) des pyramidenförmig ausgebildeten Teils 10. Seine nicht gezeigte Höhe h wird definiert durch den kürzesten Abstand zwischen der Basis 11 und dem Scheitelpunkt 22.

Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf die Linse 23, die durch eine Anzahl von Teilen 10, 10a,...10e hergestellt werden soll, die alle dieselbe Form und dieselbe Zusammensetzung wie das Teil 10 haben. Obwohl man in Figur 2 nur sechs identische Teile 10,...,10e mit einer fünfkantigen Basis 11 erkennt, ist es notwendig, zwölf davon für die Bildung der sphärischen Linse 23 zu verwenden.

In diesem Beispiel treffen sich die Scheitelpunkte 22 der zwölf Teile in dem Symmetriepunkt der Linse 23. Die Basis 11 der zwölf Teile bildet zusammen die äußere Oberfläche der Linse 23.

In der weiteren Beschreibung wird ein Herstellungsverfahren für das Teil 10 in seinem Prinzip beschrieben. Da alle zwölf Teile, die zusammen die Linse 23 bilden, identisch sind, kann dasselbe Verfahren für die anderen dargestellten Teile 10a,...,10e verwendet werden, auch für die nicht gezeigten Teile.

Das Material, aus dem das Teil 10 aufgebaut ist, ist dielektrisches Material, wie Polystyren, in einem solchen Fall ist die Beziehung zwischen dem Brechungsindex n und der Dielektrizitäts-Konstante E gemäß Gleichung (1).

Der Brechungsindex n(r) und die relative Dielektrizitäts-Konstante E(r) variieren für eine Luneburg-Linse, die nicht dargestellte Brennpunkte an ihrer äußeren Oberfläche für parallele Wellen hat, mit einem Radius gemäß den folgenden Gleichungen

n(r) = (1 - (r/r&sub0;)²)0,5 (3a)

E(r) = 1 - (r/r&sub0;)² (3b),

wobei r der tatsächliche Radius und r&sub0; der Radius der sphärischen Linse 23 ist.

Die Form oder Gestalt des Teiles 10 in diesem pyramidenähnlichen Ausführungsbeispiel kann erreicht werden durch Komprimieren oder Zusammendrücken des expandierten dielektrischen Materials, wie Polystyren, bei einer erhöhten Temperatur.

Um die notwendige Dielektrizitäts-Konstanten-Änderung längs der Höhe h zu erhalten, würde eine größere Formungskraft an dem Scheitelpunkt 22 angewendet, als an der Basis 11 des Teiles 10.

Da die Abhängigkeit der relativen Dielektrizitäts-Konstante E von der Dichte gemäß Gleichung (2) ausgedrückt werden kann, kann eine nicht zusammengedrückte oder nicht komprimierte Form 25, wie in Fig. 3 dargestellt, verwendet werden, um die endgültige Pyramidentyp-Gestalt des Teiles 10 zu erhalten. Die unkomprimierte Gestalt 25 kann z.B. durch Formen oder Schneiden erreicht werden.

Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist im Prinzip in Fig. 4 dargestellt. Unterschiedliche Arten von Teilen werden hier verwendet, um die Linse 23 aufzubauen.

Ein Mittenteil 26, der aus Unterteilen (sub-parts) hergestellt werden kann, hat eine sphärische Form und ist um den Symmetriepunkt 24 (vgl. Figur 2) angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel benötigt man zwölf äußere Teile, die pyramidenähnliche Form haben, da die abgeschnittenen Teile 27 zueinander identisch sind und sich von der äußeren Oberfläche des Mittenteils 26 zu der äußeren Oberfläche der Linse 23 erstrecken.

Es kann erwähnt werden, daß die äußeren Teile mit der Form des abgeschnittenen Teils 27 flache oder gerundete Kanten an ihren Basen haben können. In dem ersten Fall wird die sphärische Form der Linse 23 nur angenähert.

In einer Version dieser Ausführung kann der Mittenteil 26 eine homogene dielektrische Konstante haben, z.B. für den Fall, daß die Größe des Mittenteils 26 so klein ist, daß eine Abweichung einer gewünschten Strahlen-Trajektrie vernachlässigt werden kann.

Für eine andere Version dieses Ausführungsbeispiels hat der Mittenteil 26 keine sphärische Form, sondern jede andere Form, z.B. eine solche mit flachen Ebenen, wobei die Anzahl der Ebenen identisch mit der Anzahl der äußeren Teile ist.

Es ist auch möglich, daß einige der verwendeten äußeren Teile mehr oder weniger spitze oder zugespitzte Scheitelpunkte haben und der Rest davon abgeschnittene Scheitelpunkte (Bereiche). In diesem Fall kann ein verwendeter Mittenteil mit einer geeigneten Form leichter fixiert werden.

Versionen der bevorzugten Ausführungsbeispiele können zumindest eine der folgenden Variationen beinhalten:

- Durch Verwenden geeigneter pyramidenähnlich geformter Teile, wie dem Teil 10 oder dem abgeschnittenen Teil 27, können Linsen mit nichtsphärischen Formen hergestellt werden,

- die Realisierung des Profils des Brechungsindex n kann durch andere Prozesse erreicht werden, z.B. durch Zusätze (doping), durch Mischen oder durch thermische Prozesse, wobei metall-beschichtete Partikel verwendet werden können,

- die Grenzen der einzelnen Teile 10,26,27 können zusammen verbunden werden oder miteinander in Verbindung gebracht werden, z.B. durch einen geeigneten Kleber oder durch ein Schmelzverfahren,

- durch Verwenden eines geeigneten Materials kann die herzustellende Linse in der Lage sein, andere elektromagnetische Wellen, wie sichtbares Licht oder Infrarot-Licht zu brechen,

- die herzustellende Linse kann jede gewünschte Beziehung zwischen der Dielektrizitäts-Konstante E bzw. dem Brechungsindex und dem normalisierten Radius r/r&sub0;, z.B. in der Weise haben, daß der Brennpunkt für parallele Strahlen oder Wellen innerhalb oder außerhalb der Oberfläche der Linse liegt,

- durch Verwenden eines Materials mit einem geeigneten Brechungsindex können sogar Linsen hergestellt werden, die in der Lage sind, jede andere Welle, z.B. Akkustikwellen, zu brechen,

- anstelle der pyramidenähnlichen Teile 10 bzw. 27 mit den fünf-kantigen Basen können andere pyramidenähnliche Teile verwendet werden, z.B. sechsunddreißig davon, mit drei-kantiger Basis, um eine sphärische Linse aufzubauen,

- für den Aufbau einer benötigten Linse, die nur ein Teil einer sphärischen Linse ist (hemisphärisch, viertelsphärisch oder ähnlich), kann eine sphärische Linse geschnitten werden, wodurch nur ein Aufbauschritt für die Herstellung von zwei oder mehr benötigten Linsen notwendig ist, oder andere Arten von Teilen können verwendet werden, die kollektiv (zusammen) eine nicht-sphärische Linse ausbilden.

Die Erfindung erläutert eine Linse mit einem gegebenen variablen Brechungsindex durch Zusammenbringen mehrerer Teile, die ihrerseits bevorzugt einen variablen Brechungsindex haben, und demgemäß wird auch ein Verfahren vorgeschlagen, um diese Linsen herzustellen.

Die Realisierung des gewünschten Brechungsindexes der Teile kann erreicht werden durch Zusammendrücken oder Komprimieren des dielektrischen Materials einer ersten Form in seine endgültige Form oder durch Mischen von dielektrischen Materialien, die metall-beschichtet sein können.

Äußere Teile, die sich zu der äußeren Oberfläche der herzustellenden Linse erstrecken, haben pyramidenähnliche Form oder Gestalt mit einem angespitzten oder zugespitzten bzw. einem abgeschnittenen oder abgestumpften Scheitelpunkt. In dem ersten Fall treffen sich die Scheitelpunkte der äußeren Teile in dem Symmetriepunkt der Linse; in dem zweiten Fall wird ein Mittenteil verwendet, das um den Symmetriepunkt angeordnet ist.

Es ist auch möglich, daß einige der verwendeten äußeren Teile einen spitz zulaufenden Scheitelpunkt haben und der Rest von ihnen abgeschnittene oder abgestumpfte Scheitelpunkte. In diesem Fall kann ein verwendetes Mittenteil leicht nahe dem Symmetriepunkt der Linse fixiert oder angeordnet werden.

Verglichen mit Linsen, die mit bekannten Herstellungsverfahren hergestellt werden, haben die mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Linsen einerseits den Vorteil, daß der Flächenwirkungsgrad (aperture efficiency) erhöht wird durch Vermeiden von Reflexionen von den dielektrischen Grenzen oder Grenzflächen und durch Vermeiden von elektromagnetischen Feldern innerhalb der Linse, die sich tangential zu der Manteloberfläche ausbreiten, wodurch sich Oberflächenwellen ausbilden.

Zusätzlich ist die Phase der Kollimator-Strahlen an Zuführpunkten genauer, was auch zu einem erhöhten Flächenwirkungsgrad führt oder beiträgt.

Andererseits können die Teile, die die Linse kollektiv formen, leicht hergestellt werden.

Wenn identische Teile verwendet werden, können dieselben Verfahrensschritte für ihre Herstellung eingesetzt werden.

Wenn dielektrisches Material verwendet wird, kann die herzustellende Linse bevorzugt als Teil eines Mikrowellen-Antennensystems eingesetzt werden.


Anspruch[de]

1. Linse (23) mit einem Symmetriepunkt (24) und einem gegebenen variablen Brechungsindex (n(r)), welche Linse (23) aufweist

- Teile (10,26,27) mit jeweiligen Brechungs-Indizes (Indexen), wobei die Formen der Teile (10,26,27) zusammen oder kollektiv die Form oder Gestalt der Linse (23) bilden und wobei die Teile (10,26,27) beinhalten

- äußere Teile (10,27), die sich zu der äußeren Oberfläche der Linse (23) erstrecken und einen variablen oder sich ändernden Brechungsindex (n) haben und pyramidenähnlich gestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile eine fünf-kantige (Pentagonal-) Basis oder eine drei-kantige (Triangular-) Basis haben.

2. Linse (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile (10,27) eine Gestalt haben, die sich von dem Symmetriepunkt (24) der Linse (23) zu ihrer (äußeren) Oberfläche erstreckt.

3. Linse (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Teil (26) um den Symmetriepunkt (24) herum angeordnet ist und einer oder mehrere der äußeren Teile (27) sich von der (äußeren) Oberfläche des Mittenteils (26) zu der (äußeren) Oberfläche der Linse (23) erstrecken.

4. Linse (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (10,26,27) aus dielektrischem Material gebildet sind und die gewünschte Brechung bzw. der gewünschte Brechungsindex (n) von einem oder mehreren der Teile (10,26,27) zumindest teilweise durch die Variation oder Änderung der Dichte (d) des dielektrischen Materials bewirkt wird.

5. Linse (23) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Dichte (d) durch Zusammendrücken eines nicht komprimierten Blocks von dielektrischem Material mit einer ersten gegebenen Form oder Gestalt (25) in seine endgültige Gestalt (10,27) erhalten wird.

6. Linse (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Luneburg-Typ-Linse ist.

7. Linse (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine sphärische Form hat und zwölf äußere Teile (10) mit fünf-kantigen (Pentagonal-) Basen oder sechsunddreißig Teile (10) mit drei-kantigen (Triangular-) Basen beinhaltet.

8. Linse (23) mit einer hemisphärischen Form, einer viertel-sphärischen Gestalt oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch Schneiden, Sägen oder dergleichen hergestellt wird.

9. Verfahren für die Herstellung einer Linse (23) mit einem Symmetriepunkt (24) und einem gegebenen variablen Brechungs- Index (n(r)), umfassend die Schritte:

- Herstellen von Teilen (10,26,27) mit jeweiligen Brechungs-Indizes und Formen bzw. Gestalten in einer solchen Weise, daß die Teile (10,26,27) kollektiv oder zusammen die Form der Linse (23) bilden, wobei zumindest einige der Teile (10,26,27) äußere Teile (10,27) mit einem variablen Brechungs-Index (n) und einer pyramidenähnlichen Gestalt sind und in einer solchen Weise zusammengesetzt sind, daß sie sich zu der äußeren Oberfläche der Linse (23) erstrecken,

dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile (10,27) so erzeugt sind, daß sie eine fünf-kantige (pentagonale) Basis oder eine drei-kantige (triangulare) Basis haben.







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