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TECHNISCHER BEREICH
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einspeisung
von elektrischer Leistung in eine Aperturantenne und auf eine Aperturantenne.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Einspeisung
von elektrischer Leistung in eine Aperturantenne, das entwickelt
ist, um die Dicke der Aperturantenne reduzieren zu können und
die Montage der Aperturantenne zu erleichtern, und die Erfindung
betrifft insbesondere eine Aperturantenne (plain antenna), die in
der Lage ist, vertikal polarisierte Wellen und horizontal polarisierte
Wellen oder linksdrehend polarisierte Wellen und rechtsdrehend polarisierte
Wellen auszusenden und zu empfangen.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Aperturantenne mit einem schleifenartigen
Antennenelement bekannt. Bei der Aperturantenne dieser Bauart sind
beide Enden eines quadratischen oder kreisförmigen schleifenartigen Antennenelements
mit symmetrischen Leitungsanschlüssen
eines Symmetrierglied-Konversionsschaltkreises
und eines Impedanzwandlungs-Schaltkreises über symmetrische Leitungen
verbunden, und unsymmetrische Leitungsverbindungs-Anschlüsse des
Symmetrierglied-Konversionsschaltkreises und des Impedanzwandlungs-Schaltkreises
sind über
ein koaxiales Kabel mit einem Empfänger oder einem Sender verbunden.
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Wenn
ein Zuführpunkt
auf einem horizontalen Abschnitt des Antennenelements vorgesehen
ist, dann wird eine Aperturantenne für horizontal polarisierte Wellen
erhalten, und wenn ein Zuführpunkt
an einem vertikalen Abschnitt angeordnet ist, dann wird eine Aperturantenne
für vertikal
polarisierte Wellen erhalten.
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Wenn
das schleifenartige Antennenelement mit Seitenelementabschnitten
(Verschiebungselementabschnitte) versehen ist, dann wird eine Phasendifferenz
von 90° zwischen
der horizontal polarisierten Welle und der vertikal polarisierten
Welle in Abhängigkeit
der Recktanz erzielt, die von den Bereichen und der Ausbildung der
Seitenelementabschnitte gebildet wird, wobei die linear polarisierten
Wellen in zirkular polarisierte Wellen konvertiert werden, und wobei
eine Aperturantenne für
zirkular polarisierte Wellen ausgebildet ist. Wenn die Seitenelementabschnitte
an Positionen von ungefähr –45° und ungefähr +135° bezüglich dem
Leistungseinspeisungspunkt des Antennenelements bei Betrachtung
von vorne vorgesehen sind, dann wird eine Aperturantenne für linksdrehend
polarisierte Wellen erzielt. Wenn die Seitenelementabschnitte an
Positionen von ungefähr
+45° und
ungefähr –135° bezüglich dem
Leistungszuführpunkt
des Antennenelements und bei Vorderansicht angeordnet sind, dann
wird eine Aperturantenne für
rechtsdrehend polarisierte Wellen erzielt.
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Die
herkömmliche
Aperturantenne benötigt also
einen Symmetrierglied-Konversionsschaltkreis und
einen Impedanzwandlungs-Schaltkreis, d. h. es werden eine Vielzahl
von Teilen, und eine Vielzahl von Schritten bei der Montage benötigt, was
zu hohen Herstellungskosten führt.
Eine Aperturantenne mit einer geringen Größe und einer kleineren Dicke ist
daher von Vorteil. Außerdem
ist eine einzelne Antenne nicht in der Lage horizontal polarisierte
Wellen und vertikal polarisierte Wellen oder linksdrehend polarisierte
Wellen und rechtsdrehend polarisierte Wellen zu senden und zu empfangen.
Um beide Arten der Polarisationsmoden, nämlich horizontal polarisierte
Wellen und vertikal polarisierte Wellen oder linksdrehend polarisierte
Wellen und rechtsdrehend polarisierte Wellen verarbeiten zu können, müssen daher
Antennen zweier Systeme installiert sein, was einen beträchtlichen
Raum benötigt
und teuer ist.
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Aus Nakano Hisamatsu u. a.:
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In:
Proceedings of the 1997 Communications Society Conference of IEICE,
3.–6.
September 1997, Seite 6 ist eine Aperturantenne bekannt, bei der
ein Aperturantennenelement parallel zu einer Grundebene angeordnet
ist, und bei der eine Zuführleiter
zwischen den Aperturantennenelement und der Grundebene ebenfalls
parallel zu der Grundebene angeordnet ist. Bei der vorstehenden
bekannten Aperturantenne ist das Aperturantennenelement schleifenförmig aus
einem leitenden Drahtelement ausgebildet, was ebenfalls aufwendig
herzustellen ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Aperturantenne bereitzustellen,
die unter Verwendung einer geringeren Anzahl von Teilen und in kleinerer
Größe hergestellt
werden kann, und die in der Lage ist, zwei Arten von Polarisationsmoden,
horizontal polarisierte Wellen und vertikal polarisierte Wellen,
oder linksdrehend polarisierte Wellen und rechtsdrehend polarisierte
Wellen zu verarbeiten, obwohl nur eine Antenne verwendet wird.
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Die
vorstehende Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur
Zuführung
von elektrischer Leistung zu einer Aperturantenne;
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2 zeigt
eine graphische Darstellung von Echodämpfungseigenschaften der Aperturantenne von 1;
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3 zeigt
eine graphische Darstellung einer Strahlungscharakteristik der Aperturantenne
von 1, wenn θ =
0° (Richtung:
von der Antenne nach vorne);
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4 zeigt
eine graphische Darstellung des Achsenverhältnisses und der Verstärkung der
Aperturantenne von 1 in Abhängigkeit der Frequenz;
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5 zeigt
eine graphische Darstellung einer weiteren Aperturantenne
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6 zeigt
eine schematische Darstellung einer Aperturantenne für horizontal
polarisierte Wellen und vertikal polarisierte Wellen;
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7(a) zeigt eine Vorderansicht einer weiteren
Aperturantenne und
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7(b) zeigt eine Seitenansicht hiervon;
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8 zeigt
eine graphische Darstellung einer weiteren Aperturantenne;
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9(a) zeigt eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Aperturantenne
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9(b) zeigt eine Seitenansicht hiervon;
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10 zeigt
eine Vorderansicht einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Aperturantennenelements;
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11 zeigt
eine graphische Darstellung des Achsenverhältnisses/Frequenzcharakteristika von
drei Arten von Aperturantennen;
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Aperturantenne 1 für rechtsdrehend
polarisierte Wellen, mit einem Aperturantennenelement 2,
das als quadratische Schleife ausgebildet ist, und eine Umfangslänge C (ungefähr eine
Wellenlänge)
hat; einen Zuführleiter 3,
der als invertiertes L ausgebildet ist, und eine Länge LV +
LH hat; Seitenelementabschnitte (Verschiebungselementabschnitte) 4a und 4b mit
einer Länge ΔL zur Erzeugung
von zirkular polarisierten Wellen, und eine Grundebene 5,
die eine Metallplatte ist, und die größer ausgebildet ist, als das
Aperturantennenelement 2.
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Hier
sei angenommen, daß die
Drahtstärke (Radius)
des Aperturantennenelements 2 gleich p ist, die Höhe des Aperturantennenelements 2 von
der Grundebene 5 gleich h ist, die Umfangslänge ist,
C = 1,032 λ1.472, h = 0.0491 λ1.472, ΔL = 0.0.29 λ1.472, LV
= 0.014 λ1.472, und LH = 0.236 λ1.472,
wobei λ1.472 eine Wellenlänge im freien Raum bei einer
Frequenz von 1.472 GHz ist.
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Das
Aperturantennenelement 2 ist über der Grundebene 5 und
parallel zu der Grundebene 5 angeordnet. Die Grundebene 5 weist
einen Leiter durch das Loch 6 auf, das gegenüber einem
Punkt der Schleife des Aperturantennenelements 2 angeordnet ist.
Der Zuführleiter 3 kommt
nicht in Kontakt mit der Grundebene 5, führt durch
das Leitungsloch 6 nach oben, biegt in horizontaler Richtung
ab, und ist parallel mit dem Aperturantennenelement 2 entlang
der Schleife des Aperturantennenelements 2 angeordnet.
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Ein
Ende der Zuführleitung 3 auf
der hinteren Oberfläche
der Grundebene 5 ist mit einem zentralen Leiter 7a einer
koaxialen Zuführleitung
verbunden, und ein äußerer Leiter 7b der
koaxialen Zuführleitung ist
mit der Grundebene 5 verbunden, um von dem Zuführleiter 3 über elektromagnetische
Kopplung elektrische Leistung zu der Grundebene zuzuführen.
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2 bis 4 zeigen
die Charakteristika der Aperturantenne, wobei 2 Echodämpfungseigenschaften
einer 50 Ohm-Koaxialleitung zeigt. Ein Band, in dem die Echodämpfungseigenschaft
nicht größer als –14 dB ist,
ist 1.5% (von 1.461 GHz bis 1.483 GHz).
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3 zeigt
eine Strahlungscharakteristik bei θ = 0° (Richtung: vordere Oberfläche der
Antenne), wobei die Halbleistungsstrahlbreite der rechtsdrehenden
Störwellen
(ER) ungefähr 70° beträgt, und die inverse Störwellenkomponente
(EL) –20
dB oder weniger beträgt.
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4 zeigt
das Achsenverhältnis
(A. R.) und die Verstärkung
in Abhängigkeit
der Frequenz, wobei ein Zirkular-Ablenk-Wellenstrahlungsband, bei
dem das Achsenverhältnis
nicht mehr als 3 dB beträgt,
ungefähr
0.5% beträgt.
Die Verstärkung
einer zentralen Frequenz beträgt
9.4 dB, und eine Verstärkungsänderung
beträgt
in diesem Band ungefähr
0.1 dB.
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Wenn
die Positionen der Seitenelementabschnitte 4a und 4b um
180° gedreht
werden, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, und die Richtung
des Zuführleiters 3 rechts/links
invertiert wird, dann wird eine Aperturantenne für linksdrehend polarisierte
Wellen erhalten. Wenn die Seitenelementabschnitte 4a und 4b von
dem Aperturantennenelement 2 entfernt werden, dann wird
eine Aperturantenne für linear
polarisierte Wellen erhalten, die mit den horizontal polarisierten
Wellen oder den vertikal polarisierten Wellen korrespondiert.
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5 zeigt
eine weitere Aperturantenne, bei der das Leiterzuführungsloch 6 in
der Grundebene 5 an einer Position angeordnet ist, die
mit einer Ecke des Aperturantennenelements 2 korrespondiert,
und der Zuführleiter 3 ist
parallel mit einer Seite des Aperturantennenelements 2 angeordnet.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Aperturantenne 11,
die in der Lage ist, sowohl horizontal polarisierte Wellen als auch vertikal
polarisierte Wellen zu senden und zu empfangen. Die Aperturantenne 11 umfaßt ein Aperturantennenelement,
das als quadratische Schleife mit einer Umfangslänge C (von ungefähr einer
Wellenlänge)
ausgebildet ist, zwei Zuführleiter 13 und 14,
die eine Länge
LV + LH (von ¼ Wellenlänge) haben,
und eine Grundebene 15.
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Das
Aperturantennenelement 12 ist über der Grundebene 15 und
parallel zur Grundebene 15 angeordnet, und die Zuführleiter 13 und 14 haben
die Gestalt eines invertierten L, das durch die Grundebene 15 führt, und
sind zwischen dem Aperturantennenelement 12 und der Grundebene 15 angeordnet. Die
Grundebene 15 hat durchgehende Löcher 16 und 17 gerade
unter einem mittleren Punkt eines horizontalen Abschnittes 12H des
Aperturantennenelements 12 und gerade unter einem mittleren
Punkt eines vertikalen Abschnitts 12V. Die beiden Zuführleiter 13 und 14 haben
keinen Kontakt mit der Grundebene 15, sondern sind mit
ihren Enden, die Zuführpunkte sind,
mit einem in den Löchern 16 und 17 angeordneten
Leiter verbunden.
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Der
Zuführleiter 13,
der vertikal durch das Loch 16 gegenüber dem Horizontalelement 12H nach
oben führt,
ist im rechten Winkel nach links gebogen, wie aus der Vorderansicht
hervorgeht, und erstreckt sich entlang dem Horizontalelementabschnitt 12H und
dem linken Vertikalelementabschnitt 12V, und erstreckt
sich bis zu einem mittleren Punkt des linken vertikalen Elementabschnitts 12V.
Der Zuführleiter 14,
der sich durch das Loch 17 gegenüber dem rechten vertikalen
Elementabschnitt 12V nach oben erstreckt, ist rechtwinklig
gebogen (nach oben in 6), und erstreckt sich entlang
dem vertikalen Elementabschnitt 12V und dem oberen horizontalen
Elementabschnitt 12H und erstreckt sich bis zu einem mittleren
Punkt des oberen Elementabschnitts 12H.
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Die
Enden der Zuführleiter 13 und 14,
die sich auf die andere Seite der Grundebene 15 erstrecken,
sind mit zentralen Leitern 18a und 19a separater
koaxialer Zuführleitungen
verbunden, und äußere Leiter 18b und 19b der
koaxialen Zuführleitungen sind
mit der Grundebene 5 verbunden, um von dem Zuführleiter 13 oder 14 zu
dem Aperturantennenelement 12 über elektromagnetische Kopplung
elektrische Leistung zuzuführen.
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Wenn
die elektrische Leistung von dem horizontalen Zuführleiter 13 zugeführt wird,
dann werden horizontal polarisierte Wellen von dem Aperturantennenelement 12 abgestrahlt,
und wenn die elektrische Leistung von dem vertikalen Zuführleiter 14 zugeführt wird,
dann werden vertikal polarisierte Wellen abgestrahlt. Durch Wechsel
der Zuführung
der elektrischen Leistung mittels Wechsel (Schalten) des horizontalen
Zuführleiters 13 und
des vertikalen Zuführleiters 14 können horizontal
polarisierte Wellen und vertikal polarisierte Wellen unter Verwendung
einer einzigen Aperturantenne 11 empfangen oder übertragen
werden.
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Die
elektrische Leistung wird über
elektromagnetische Kopplung dem Aperturantennenelement 12 über die
Zuführleiter 13 und 14 zugeführt, die
nahe dem Aperturantennenelement 12 angeordnet sind, das
schleifenförmig
ausgebildet ist; d. h., die elektrische Leistung wird dem Aperturantennenelement
zugeführt,
indem die Zuführleitungen
zweier Systeme gewechselt (geschaltet) werden, so daß sowohl
horizontal polarisierte Wellen als auch vertikal polarisierte Wellen
verarbeitet werden können.
Die Zuführleitungen
sind nicht mit dem Aperturantennenelement 12 verbunden
und haben eine niedrige Impedanz, was es ermöglicht, den Abstand zwischen dem
Aperturantennenelement und der Grundebene zu erniedrigen, und so
eine Antenne bereitzustellen, die eine kleinere Dicke und eine höhere Empfindlichkeit
hat. Die Antenne kann auf einfache Weise hergestellt werden, da
zwischen dem Antennenelement und den Zuführleitungen keine Verbindung
nötig ist.
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7 zeigt ein Aperturantennenelement 22 einer
Aperturantenne 21 für
horizontal/vertikal polarisierte Wellen, das als elektrisch leitende
Metallplatte ausgebildet ist, die die Form einer ebenen rechtwinklingen
Schleife mit einer vorbestimmten Breite in radialer Richtung hat.
Zuführleiter 23 und 24 ebenfalls mit
inverser L-förmiger
Ausbildung sind ähnlich
wie das Aperturantennenelement 22 aus einer Metallplatte
ausgebildet, und haben eine Breite, die größer ist als die Zuführleiter,
die aus Drähten
hergestellt sind. Eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt erstreckt sich
in der Mitte zwischen dem inneren Umfang und dem äußeren Umfang
des Aperturantennenelements 22 und hat eine Umfangslänge, die
ungefähr
der Wellenlänge
im freien Raum λ1.472 bei einer Frequenz von 1.472 GHz entspricht.
Der Unterschied zwischen der inneren Umfangslänge und der äußeren Umfangslänge ist
groß,
und das Frequenzband wird breiter als bei der Ausbildung von 6.
Auf ähnliche
Weise ermöglichen
die Zuführleiter 23 und 24 in
der Form einer flachen Platte ein weiteres Frequenzband als die Zuführleiter
aus Drähten.
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8 zeigt
eine Aperturantenne 31 für zirkular polarisierte Wellen
mit einem Aperturantennenelement 32, das als Schleife ausgebildet
ist, und das mit zwei Seitenelementabschnitten (Verschiebungselementabschnitten) 33 mit
einer Elementlänge
von ΔL =
0.029 λ1.472 als seitliche Elemente zur Synthetisierung
der zirkular polarisierten Wellen versehen ist. Wie der Zeichnung
zu entnehmen ist, erstrecken sich die Seitenelementabschnitte 33 von
zwei Orten in Richtung zur Mitte, d. h. an einer Ecke zwischen dem unteren
horizontalen Elementabschnitt 32H, wo ein Zuführpunkt 34a eines
Zuführleiters 34 angeordnet ist,
und einem rechten vertikalen Elementabschnitt 32V, wo ein
Zuführpunkt 35a eines
anderen Zuführleiters 35 angeordnet
ist, und einer Ecke, die symmetrisch um 180° gegenüber dem Mittelpunkt liegt.
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Wenn
die elektrische Leistung von dem horizontalen Zuführleiter 34 eingeleitet
wird, dann ist die Phase der vertikal polarisierten Wellenkomponente gegenüber der
Phase der horizontal polarisierten Wellenkomponente um 90° verzögert, aufgrund
der Recktanz der Verschiebungselementabschnitte 33, und
die rechtsdrehend polarisierten Wellen werden von dem Aperturantennenelement 32 in
+Z-Richtung abgestrahlt (nach oben in der Zeichnung). Wenn die elektrische
Leistung von dem vertikalen Zuführleiter 35 eingespeist
wird, dann ist außerdem
die Phase der horizontal polarisierten Wellenkomponente gegenüber der
vertikal polarisierten Wellenkomponente um 90° verzögert, und die linksdrehend
polarisierte Wellen werden von dem Aperturantennenelement 32 in
+Z-Richtung abgestrahlt. Durch Wechsel (Schalten) des horizontalen
Zuführleiters 34 und
des vertikalen Zuführleiters 35 können linksdrehend
polarisierte Wellen und rechtsdrehend polarisierte Wellen unter
Verwendung einer einzigen Aperturantenne 31 gesendet und
empfangen werden.
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9 zeigt das Aperturantennenelement 41, nach
einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung, das eine Metallplatte mit einem zentralen
Loch umfaßt,
und wobei Seitenelementabschnitte 42 von zwei Ecken nach
innen vorspringend ausgebildet sind, wobei die beiden Ecken um 180° bezüglich dem Mittelpunkt
des Aperturantennenelements voneinander getrennt sind, ähnlich wie
bei dem Aperturantennenelement für
zirkular polarisierte Wellen von 8, so daß zirkular
polarisierte Wellen gesendet und empfangen werden können.
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Ein
Aperturantennenelement 51 von 10 umfaßt eine
quadratische Metallplatte mit einem zentralen Loch 52,
das in radialer Richtung verlängert
ist, wobei die Breite des schleifenförmigen Aperturantennenelements
vergrößert ist
und die Bereiche der Seitenelementabschnitte 53 vergrößert sind.
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11 zeigt
Achsenverhältnischarakteristika
von Aperturantennen unter Verwendung der Aperturantennenelemente
von 8, 9 und 10,
wobei eine Kurve A die Charakteristika eines Aperturantennenelements 32 von 8 wiedergeben,
das aus einem Draht hergestellt ist, und eine Kurve B, die Charakteristika
eines Aperturantennenelements 41 von 9 wiedergibt,
das aus einer Metallplatte hergestellt ist, und eine Kurve C, die
Charakteristika eines weiteren erfindungsgemäßen Aperturantennenelements 51 von 10 wiedergibt,
das aus einer Metallplatte hergestellt ist. Auf der Ordinate ist
das Achsenverhältnis
aufgetragen (A. R.), auf der Abszisse ist die Frequenz (f) aufgetragen,
und aus der Darstellung von 11 geht
hervor, daß das
Frequenzband mit der Breite des Elements zunimmt, und das Antennenelement 51 das
breiteste Frequenzband aufweist, wie von der Kurve C angegeben ist.
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Obwohl
die oben genannten Ausführungen anhand
von quadratischen Aperturantennenelementen beschrieben wurden, ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungen
beschränkt,
und das Aperturantennenelement kann auch kreisförmig ausgebildet sein. Die
Erfindung kann außerdem
im Rahmen der technischen Lehre der Erfindung vielfach variiert
werden, und die Erfindung schließt derartige modifizierte Ausführungen selbstverständlich mit
ein.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Zufuhr elektrischer Leistung zu einer Aperturantenne, das oben
beschrieben ist, ist die Zuführleitung
mit dem Aperturantennenelement nicht verbunden, und die elektrische
Leistung wird dem Aperturantennenelement von dem Zuführleiter über elektromagnetische
Kopplung zugeführt,
der nahe bei dem Aperturantennenelement angeordnet ist. Hierdurch
wird es möglich,
die Eingangsimpedanz der Aperturantenne zu erniedrigen, und den
Abstand zwischen dem Antennenelement und der Grundebene zu erniedrigen, so
daß eine
Antenne mit verringerter Dicke und höherer Empfindlichkeit bereitgestellt
werden kann. Die Antenne kann außerdem auf einfache Weise hergestellt
werden, da zwischen dem Antennenelement und der Zuführleitung
keine Verbindung nötig
ist.
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Mittels
dem oben genannten erfindungsgemäßen Verfahren
kann die elektrische Leistung zu einem Aperturantennenelement von
Zuführleitungen einer
Vielzahl von Systemen zugeführt
werden. Durch Wechsel der Zuführleitungen
zweier Systeme ist es möglich,
elektromagnetische Wellen zweier Arten von Polarisationsmoden zu
senden und zu empfangen, d. h. horizontal polarisierte Wellen und
vertikal polarisierte Wellen, oder linksdrehend polarisierte Wellen
und rechtsdrehend polarisierte Wellen, wodurch es möglich ist,
eine Aperturantenne bereitzustellen, die eine verringerte Dicke
hat und in ihrer Wirkung vervielfacht ist. Durch Erweiterung der
Breite des schleifenförmigen
Aperturantennenelements kann außerdem
die Frequenzbandbreite verbreitert werden. Durch Ausbildung der
Zuführleiter
in der Form von flachen Platten, ist es außerdem möglich, das Frequenzband noch
weiter zu erweitern, so daß die
Aperturantenne eine weiter verbesserte Wirkungsweise hat.