DE2418506A1 - Antennenanordnung - Google Patents
AntennenanordnungInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/0428—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave
- H01Q9/0435—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna radiating a circular polarised wave using two feed points
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/065—Patch antenna array
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Description
Dipi.-Ing. H. Seiler Dipi.-Ing, J.Pfenning Dipl.-Phys. K. H. Meinig
1 Berlin 19
Oldenburgallee 1O Tel. 030/304 55 21/22
Drahtwort: Seilwehrpatent
Postscheckkonto: Berlin-West 59 38-1O2
11. April Me/ochu
1509 South.Macedonia .avenue, Muncie, Indiana 47302,
USA
Ant ennenanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf Antennenanordnungen im Mikrostreifen-Aufbau
und auf den Phasenabgleich von aus mehreren Absonnitten sich zusammensetzenden Anordnungen.
j3ei der Konstruktion von Antennen ist darauf zu achten, daß
diese die jeweils gewünschte elektrische !funktion einwandfrei
erfüllen können, wie z,a. das Ausstrahlen und .empfangen von
■Hjp-Signalen, die linear, rechtdrehend oder linksdrehend
polarisiert sein können, wobei gleichzeitig.optimale Verstärkung,
ausreichende Bandbreite und verschiedene andere elektriücne jiigenscn&ften angestrebt werden.
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Aüch ist es notwendig, daß die Anordnungen leicht, einfach,
billig und insbesondere dann, wenn sie in fahrzeuge eingebracht sind, eine unaufi'äilige G-estaltung aufweisen, jjerartige
Antennen werden z.B. häufig an üochgeschwinaigkeitsflugzeugen,
Lenkwaffen und ria^eten angebracht, so daß sie keine übergroßen
Ab we χ errangen von der aerodynamisenen Kontur ergeoen
dürfen. Manenmal muß aus ästiietischen oder sicherheit stechnischen
G-runden die hier zu befrachtende Antenne so versteckt
angebracht werden, daß sie nicht onne weiteres zu. sehen ist. Die ideale elektrische Antenne ist demnach sehr dünn und ragt
auf keiner beite ausihrer Anbringungsoberfläche heraus,
z.B. einer Ji1IUgzeughaut ο. dgl. , wobei sie dennoch alien
elektrischen Anforderungen gewachsen ist.
jiine Mikrostreifen-Antenne riea.cn ü.rt einer gedruckten Schaltung,
hergestellt durch Ätzen eines einseitig mit Metall beschichteten Isolierstoffträgers, unter Verwendung herkömmlicher Ätzverfahren,
entspricht weitgehend diesen Idealvorstellungen. Diese Antennen besitzen im allgemeinen eine Dicke, die zwischen
0,8 nun und 3,2 mm liegt. Ihre Herstellung ist relativ billig und mit hoher vViedergabegenauigkeit zuverlässig. Die Herstellungskosten
sind deshalu niedrig, weil die Anordnungen der einzelnen Antennenelemente zusammen mit den entsprechenden
HF-Zuleitung er. s Piiasenvers cniebungslrr eis en bzw» Impedanzan-
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passungsschaltungen als integraler .Bestandteil der elektrischen
Schaltungen mittels preiswerter Ätzverfahren gleichzeitig mit hergestellt werden können. Dadurch ergeben sich viele
Vorteile gegenüber komplizierten herkömmlichen aufbauten
zur erzielung von polarisierten btrahlungscharakteris^iiten,
wie z.B. der liipol-Drehkreuzanorunung, der Drehkreuz-behiitzanordnung
mit Hohlraum usw.
Während sich andere Patentanmeldungen, wie z.xs. 99 4öl bzw.
die Ub-Po 3 713 162 auf einige längliche Formen von Mikrostreifen-Antennenstrahlern
beziehen, sind auch andere formen von Miicrostreifen-AHtennens tranlern für das benden bzw.
Jünpfangen von HP-Signalen bestimmter, z.B. linearer, rechtsdrehender
oder linksdrehender Polarisierung sehr vorteilhaft.
Insbesondere ist festgestellt worden, dais sich die neuen
Mikrostreifen-Antennenelemente besonders für die Verwendung
in einer gruppierten Anordnung mehrerer solcher ülemente eignen, wobei die einzelelemente miteinander in Phase liegen
und eine fächerförmige oder enggebündelte Abstrahlung erzeugt
wird, wenn die Antennenelemente auf einer ebenen oder sogar
einer gekrümmten Oberfläche angebracht werden.
- 4 3/094«
Die notwendigen relativen Phasenverschiebungen für die
erfindungsgemäß aufgebauten Anordnungen lassen sich, auf wirtschaftliche
Weise mittels Phasenverschiebungsschaltungen erreichen, die nach Art von gedruckten Schaltungen vorgesehen
werden, wobei die HF-Zuleitung, die Stromkreise für die Impedanzanpassung usw. in einer Ebene mit anderen elektrischen
Leitern, wie ζ.ή. den HF-btrahlern, HP-Zuleitungen usw. angeordnet
werden können. Der Ausdrucic "in einer ü/bene" ist so
zu verstehen, daß der xntegral geformte Mikrostreifen auch
in einer gekrümmten Lbene liegen kann. In diesem iPall wäre
die Anordnung "in einer Jibene" eine "einschichtige" Anordnung, und dieser EaIl wird in der Beschreibung ohne weiteren Hinweis
mit eingeschlossen.
Eine fächerförmige oder en&gebündelte Antennenanordnung kann
durch entsprechende Schaltung von Dioden oder anderen Steuerelementen, diekombiniert mit integralen Phasenverschiebungsstromkreisen
usw. einen Teil der Mikrostreifenstruktur bilden,
gesteuert werden.
Da die beschriebenen Mikrostreifen-Antennenstrukturen für
Antennenstrahler, die dazugehörigen Zuleitungen, die Impedanzanpassungsstromkreise
und die Phasenverschiebungsstromkreise nur eine einzige gedruckte Schaltung darstellen, wobei
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der Schaltungsträger einseitig mittels eines Ji1Ot oätzver fahr ens
bearbeitet wird, müssen keine mehrschichtig geätzten Schaltungen in Übereinstimmung gebracht werden, und die Schaltungsträger müssen nicht wie bei Verwendung von zwei oder mehr gedruckten
Schaltungen aufeinander ausgerichtet werden.
Die i/inspeisung an einer einzelnen Stelle längs einer Seite
eines quadratischen oder rechteckigen Mikrostreifenstrahlers
kann zu ei^er linearpolarisierten Abstrahlung unter bestimmten
Voraussetzungen fuhren. Die ungefähre .Resonanzfrequenz eines
derart linearpolarisierenden Strahlers wird von der Abmessung des Stranlers senkrecht zur Seite der Einspeisung des HJ?-
Signals bestimmt. Im JPalle eines quadratischen Stranlers wird die .Resonanzfrequenz durch die Länge irgendeiner seiner Seiten
bestimmt, während em rechteckiger Strahler zwei Resonanzfrequenzen
aufweist. Seine erste resonanzfrequenz wird durch die Länge der kürzeren Seite bestimmt, ?;obei das utf-Signal ander
längeren Seite eingespeist wird, während seine zweibo
.Resonanzfrequenz durch die Länge der lungeren Seite bestimmt
wird 5 wobei das üb'-Signal an der kürzeren Seite des rechteckigen
Strahlers eingespeist wird.
Die entsprechende Abmessung ist in beiden fällen im wesentlichen
gleich der halben Wellenlänge der erwarteten ßetriebs-
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frequenz, wobei die Dielektrizitätskonstante der Isolierstoffunterlage
der Mikrostreifenstruktur eine Abmessungskorrektur
erforderlich macht. Demnach ibt die betreffende Abmessung
etwa gleich der »«ellenlange der üü1-Schwingung im freien
.Raum dividiert durch das Doppelte der Quadratwurzel der relativen
Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffs.
Die notwendigen iiJ?-Zuleitungen werden vorzugsweise ebenfalls
mittels eines jpotoätzv erfahr ens einschichtig mit den anderen
elektrischen Leitern, wie z.'n„ den HF-Strahlern hergestellt.
Mittels des bekannten Impedanzanpassungsverfahrens werden die Abmessungen der Hi'-Zuleitung derart bestimmt, daß die pjitenne
impedanz der Impedanz des anzuschließenden Koaxialkabels oder
einer anderen mit den HF-Zuleitungen zu verbindenden njj'-Leitung
angepaßt ist.
Kreispolarisierte Antennencharakteristiken können dadurch erzeugt werden', daß die benachbarten beißen eines quadratischer].
Mikrostreifenstrahlerü mit Signalen gespeist werden9 die eine
relative Phasenverschiebung von 90 besitzen«, wodurch die not- j
wendige konjugierte Phasenanordnung der abgestrahlten leider
erreicht wir do Jis können wahlweise rechts- oder links dreh ende
kreispolarisierte Signale erzeugt
843/094S
— ν —
Durch .Einspeisung an der Ecke eines quadratischen Mikrostreifenstrahlers
kann ebenfalls eine Kreispolarisierung erzeugt werden. Der Strahler muß ferner nicht von genau quadratischer
Gestalt aelnif da festgestellt worden ist, daß auch
mittels anders geformter Strahler {z.B. mittels eines kreisförmigen Mikrostreifenstrahlers, der mittels um 90° zueinander
phasenverschobener Signale an um 90° längs des Außenrandes des Strahlers ver&etzten Stellen gespeist wir.d) die gewünschte
kreispolarisierte Abstrahlung erreicht werden kann.
Die notwendigen HP-Zuleitungen, Phasenverschieber bzw· Impedanzanpassungsnetze
werden bevorzugt einstückig mit den Hikrostreifenstrahlern
mittels eines Ätzverfahrens hergestellt, wodurch die Herstellungskosten gesenkt und die Vorrichtung
vereinfacht wird.
£s ist festgestellt worden, daß sich die Mikrostreifenstrahler
besonders für die Gruppierung in einer linearen oder zweidimensional en Anordnung eignen, wodurch eine fächerförmige oder
enggebündelte Antennencharakteristik mit hoher Verstärkung erzielt wird. Derartige Anordnungen uoertreffen die Leistungsfähigkeit
bekannter Anordnungen und erreichen fast die theoretische Maximalverstärkung. Diese unerwartete und außergewöhnliche
Leistungsfähigkeit von Mikrostreifen-Antennenanordnungen
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resultiert wahrscheinlich teilweise aus der im hohen Maße gleichmäßigen Verteilung der ^lächenströme, die hierbei auftreten.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen von MirkoStreifenstrahlern
können elektronisch dadurch gesteuert werden, daß regelbare Phasenverschiebungsschaltkreise integral mit den Ηϊ-Zuleitungen,
Impedanzanpassungsnetzen und den Mirkostreifenstrahlern vorgesehen
werden. Bei einem der im .Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispiele sind schaltbare Dioden mit den gedruckten
Phasenabgeleichelementen verbunden, wobei die Dioden mittels
j eines entsprechend programmierten Kleinrechners oder anderer bekannter Steuermittel0regelt werden können, um die erforderliche
Phasenverschiebung zwischen den den verschiedenen Strahleifn
der Anordnung zugeführten HF-Signalen zu erzeugen, und die fächerförmige oder enggebündelte Antennenabstrahlung in jede
gewünschte fiichtung zu lenken.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es ebenfalls, die normalen Leitungsverluste in den Zuleitungen der Anordnung zur Erzeugung
eines Amplitudenabfalls über die Öffnung der .anordnung heranj
zuziehen, wodurch unerwünschte seitliche Ausweitungen reduziert werden.
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jus folgt die Beschreibung von einigen ü.usf ohrungsoeispielen
der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausfuhrungybeispiel
eines linear bzw. kreispolarisierenden Mikrostreif
en-Ant ennenelements,
Pig. 2 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines linear polarisierenden Mikrostreifen-Antennenelements
mit zwei Resonanzfrequenzen,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein ÄusführungsDeispiel
eines kreispolarisierenden Mikrostreifen-ü.ntenner
elements,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres .ausführungsbeispiel
eines kreispolarisierenden Mikrostreifen-Antennenelements,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine beispielhafte lineare
Anordnung von Mikrostreif en- .antennenelement en,
- 10 -
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- ίο -
Fig. 6 ein Diagramm mit der theoretischen Maximalverstärkung und den bei αen
erfxndungsgemäßen .anordnungen von Mikro- !
streif en.-Antennenelement en gemessenen
Verstärkungen,
. 7 ein BLardiagramm der Verstärkungscharakteristik für eine ebene erfindungsgemäße
Anordnung von Antennenelementen und einer Bezugsverstärkungscharakteristiii
eines tiornstrahlersrmit MοrmverStärkung
zum Vergleich,
i?xg. 8 eine Draufsicht auf eine zweidimensionale :
Anordnung von Mikrostreifen,-Antennenelement en,
J1Ig. 9 eine schematische Darstellung einer ;
elektrisch abtastbaren, m Phase arbeiten-'
den Anordnung von Mikrostreifen-Antennene
1 em en t en, und
Eig.10 eine schematische Darstellung einer anordnung
zur Er2ielung eines Ampiituaenabfalls
über die öffnung der Anordnung
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- li -
zwecks !Reduzierung der Seitenkeulen.
Pig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für ein linear polarisierendes Mikrostreifen-Antennenelement
gemäß der Erfindung. In Fig. 1 ist eine gleichmäßig dimensionierte HP-Zuleitung 20 dargestellt, wobei der'Fachmann
weiß, daß die Abmessungen der Zuleitung so gewählt werden müssen, daß die Impedanz des Strahlers 22 an die Impedanz
eines Koaxialkabels oder einer anderen HF-Leitung angepaßt
i ist, welche an der Stelle 24 an den Jüingang der JiF-Zuleitung j
20 angeschlossen ist, um als Quelle für HF-ünergie zu dienen, j
oder um HF-Energie, die von dem Antennenelement empfangen worden ist, einem empfänger zuzuführeno Die HF-Zuleitung 20 und
der Strahler 22 bestehen aus einer Schicht leitfähigen Materials, das unter Verwendung eines bekannten Herstellungsverfahrens
für gedruckte Schaltungen von einem Substrat 26 aus Isolierstoff weggeätzt worden ist. Die Unterseite des Substrats
ist auf einer leitenden, ebenen Oberfläche 28 aus z.B. Kujfer
- (oder einem anderen leitfähigen Material) befestigt.. Wahlweise kann das Mikrostreifenteil auf dem isolierenden Substrat
auch der Gestalt der elektrisch leitfähigen Haut eines Fahrbzw. Flugzeuge oder einer anderen leitfähigen Oberfläche
angepaßt sein.
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Der quadratische Strahler 22 sollte so bemessen sein, daß die
Länge seiner Seiten etwa der halben Wellenlänge CCj/2) bei
der zu übertragenden Betriebsfrequenz entspricht, wobei entsprechend
der Dielektrizitätskonstante des isolierenden Substrats 26 eine Korrektur erforderlich isü. Genau genommen,
muß die Seitenlange des Quadrats gleich der halben freien ~Wellenlänge dividiert durch die Quadratwurzel der relativen
Dielektrizitätskonstante des Substrats 26 sein.
Obgleich die Seitenlange theoretisch gleich der halben Wellenlänge
sein müßte, muß sie in Wirklichtkeit etwas kurzer sein,
um sicherzustellen , daß die Strahlereingangsimpedanz im wesentlichen
reell ist. Somit wird sichergestellt, daß der imaginäre! Teil der üchlitzreaktanz, der von der ^egenüberliegenden
Seite des Strahlers reflektiert wird, im wesentlichen den imaginären Teil der Reaktanz des diesseitigen Schlitzes ausgleicht.
Bei einem typischen Äusführungsbelspiel beträgt die Seitenlange des Strahlers 22 ca. 0,49 mal der freien
vVellenlänge dividiert durch die Quadratwurzel der relativen
Dielektrizitätskonstante des Suostrats«, Im allgemeinen er- j
weist sich eine Seitenlänge gleich 0,4-7 bis 0,49 mal der halben
Wellenlänge /Ln/2. als geeignet. Wenn also im folgenden !eil J
der Beschreibung die Strahlerabmessungen auf die halo wellen- j
länge bezogen werden, versteht es sich von selbst, daß die j
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betreffende Abmessung in Wirklichkeit etwas kurzer als die
hai be wellenlänge ist, um sicherzustellen, daß die Ante.-ineneingangsimpedanz
im wesentlichen im v/iderstandsbereich liegt.
Der Mikrostreifenstrahler muß nicht unbedingt eine quadratisch«;
Gestalt aufweisen, um eine linear polarisierte Abstrahlung
I zu erzeugen, viiie. z.ß. ausJ^ig. 2 hervorgeht, kann em rechtj
eckiger Strahler 30 entweder von einer Hi'-Zuleitung 32, die
ι indie längere Seite des rechteckigen Strahlers mit der Ab-
! messung/^ d2/^ mündet oder von einer n.)?-Zuleitung 34, diemit
i der kürzeren Seite mit der Abmessung Λ.,.,/2 verbunden ist, ge-
i speist werden, üs ist festgestellt worden, daß die elektrischen
' xii'-Plächenströme längs der überfläche des Strahlers 30 im
i wesentlichen parallel zu aer jeweils einmündenden iii1-Zuleitung
i fließen, wie durch die Pfeile 36 und 38 angedeutet ist. Ob-
j gleich die jü?-Zuleitungen bevorzugt mit aen jeweiligen Mittel-
ι punkten der entsprecnenden Seiten verbunden sein sollten, um
! die größtmögliche Gleichförmigkeit der .tflächenstromverteilung
j zu erzielen, wäre es auch möglich, die üF-Zuleitungenrait ande-
■ ren Punkte aer Hechteckseiten zu veroinden, ohne die linearen
j PolarisationseigerischL.ften des Clements wesentlich zu be-
■ einträchtigen.
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Beim Ausiührungsbeispxel der Ji1Xg. 2 wird die Resonanzfrequenz
des Strahlers 30 duz?ch die Länge der kürzeren Seite bestimmt,
wenn die HE1-Zuleitung 32 als Speiseleitung dient} wenn daeegei|i
dxe üJ?-Zuleitung 34 als Speiseleitung dient, wird die Resonant
frequenz durch dxe Lange der längeren Seite festgelegt. Auf diese Weise kann derselbe Strahler bei zwei verschiedenen
Betriebsfrequenzen betrieben weraen. Bei der Festlegung der abmessungen des rechteckigen Strahlers 30 gelten dxe gleiciien
Überlegungen wie bei der Wahl der .abmessungen des Straiiiers
22 in Ji1Xg. Io Also mißt die kürzere Seite ca. die halbe welle:
länge äer ersten gewünschten Resonanzfrequenz, wahrend die
längere Seite etwa gleich der halben Wellenlänge eier zweiten gewünschten Resonanzfrequenz ist.
Bei Einspeisung an einer .ticke über eine üb'-Zuleitung 21, wie
in J1Xg. 1 dargestellt, kann der quadratische Strahler 22 auch
zur Krexspolarisierung verwendet werden. Bei der in Ji1Ig. 1
dargestellten Lage des Strahlers 22 muß der Abstand zwischen den linken und rechten Seiten etwas kleiner als die halbe
Wellenlänge seh, während der Abstand zwischen den oberen und unteren beiten etwas größer als die halbe wellenlänge sein
muß, um über den quadratischen Strahler 22 zwei zueinander orthogonale Admittanzen 0,01 + 50,01 und 0,01 - j0,01 zu
erhalten. Wenn dann die Einspeisung der hochfrequenz von der
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Ecke aus üoer HJi1-Zuleitung 21 erfolgt, weisen die abgestrahlten
Zeltler konjugierte Phasen auf, so daß das abgestrahlte
G-esamtfeld kreispolarisiert ist. Durch geeignete
Wahl der Einspeisungsecke für die Hochfrequenz kann wahlweise
eine linke oder rechte Kreispolarisierung erzielt werden. Werden die Abmessungen so gewählt, wie soeben beschrieben
wurde, führt einspeisung an der in Pig. I dargestellten Ecke
zu einer rechten Kreispolarisierung, während bei einspeisung
an einer der beiden benachbarten ecken eine linke Kreispolarisierung
erzielt würdet
Auch ein quadratischer Strahler 40 für Hochfrequenz, wie in
j Pig. 3 dargestellt;, stellt ein kreispolarisierendea Antenneni
element dar, wenn an zwei benachbarten Seiten 42 und 44 um 90 zueinander phasenverschobene Hochfrequenzen eingespeist
werden. Wie in Pig. 3 dargestellt, wird die Seite 42 von
einer nP-Zuleitung 46 gespeist, während die Seite 44 von
einer Hi1-Zuleitung 48 gespeist wird. Beide HP-Zuleitungen
sind an ihren anderen enden mit einer aufgedruckten Phasenverschiebungsvorrichtung
50 verbunden, deren HP-Eingang/Ausgang 52 einer linken Kreispolarisierung entspricht, während
HP-Eingang-/Ausgang 54 einer rechten Kreispolarisierung entspricht
ο Wenn HP-eingang/ausgang 52 verwendet wird, sind die
durcn die HJ1-Zuleitung 48 gespeisten HP-Signale um 90 gegen-
■ -16 -__.
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über ähnlichen Hx'-Signalen verschoben, die über die iii1-Zuleitung
46 eingespeist werden. Bei Jiinspeisun^ über deu L·^-
iiingang/AUSgang 54 sind die üollen der beiden ni-Signale
vertauscht, so daß das vorher um 90° verauseilenae ü-ß'-Signal
nunmehr um 90 nachexlt.
Unter der Annahme, daü die der Seite 44 zugeführten rür-Signale
die funktion cosM_/t aufweisen, und daß die der Seite 42 züge- I
führten iuf-Signale der Funktion cos ^t -I'/Z) folgen, verläuft}
zum Zeitpunkt t = 0 die .dichtung des elektrischen flächen- '
Stroms im wesentlichen senkrecht zur Seite 44 und parallel ! zur Seite 42. Später, wemi^t =7f/2t hat sich die iu.oh.tung der!
abstrahlenden elektriöcnen üTlächenströme um 90° gedreht, so
daß äie jetzt parallel zur Seite 44 und senkrecht zur beite
42 verläuft,. Zu einem noch späteren Zeitpunkt, wennoot =// ,
hat die .Richtung der elektrischen Flächenströme um weitere 90° gedreht, so daß sie dann parallel zur Seite 42 und senkrecht
zur Seite 44 verläuft, viienn schiießiichdc^t =
hat die liichtung des elektrischen flächenstroms um weitere
90° gedreht, um somit parallel zur Seite 44 und senkrecht zur Seite 42 zu verlaufen. Auf diese Weise erzeugt der Strahle
40 eine Kreispolarisierung, wobei der jJrehsirm der Kreispolari
sierung davon abhängt, in welcher iieihenfolge die um 90 zueinander
phasenverschobenen hochfrequenten Ströme den beiden
Seiten 42 und 44 zugeführt werden.
_ ..... - 17 -
_ ..... - 17 -
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-ti'ig. 4 zeigt ein weitei'es Ausführungs bei spiel eines kreispolarisierenden
iinten-.enelements -gemäiä dtr Erfindung, bei dem
ein Strahler 66 nicht die quadratische ü-estalt aes Strahlers
40 m ü'ig. 3 besitzt, jiin quadratic cn er Phasenverschiebungsstromkreis
60, der in seiner liestalt der Phabenverschiebungsvorrichtung
50 der JJ'ig. 3 ähnelt, ist mit zwei ϋϊ-Zuleitungen
62 bzw. 64 verbunden, die den bpeisestellen 68 bzw. 70 um
' /2 zueinander phasenverschobene nochfrequenzsignale zuführen,
wobei die Speisestellen βό und 70 längs des Umfangs
des kreisförmigen Strahlers 66 um 90° zueinander versetzt
sind. Auch mittels dieser Anordnung kann wahlweise eine rechts- oder linksdrehende Kreispolarisierung erzeugt werden.
aus Jj1Ig. 4 ist zu ersehen, äaii der Strahler 66 bezüglich zweiejr
zueinander senkrechter Achsen 72 und 74, die sicn im Mitfcel-
punict des kreisförmigen Strahlers 66 schneiden una durch die ;
um 90° zueinander versetzten Speisesteilen 68 und 70 verlaufen,!,
: bezüglich dieser symmetrisch aufgebaut ist. x)iese feststellung
gilt auch für die cipeisesteile(n) der quadratischen oder
; rechteckigen Strahler der vorhin beschriebenen Ausführungsbei-|
j j
: spiele, wobei die zueinander üenkrechten Achsen parallel
; zu aen deiten der quadratischen bzw. rechteckigen Strahler
! verlaufene
- 18 -
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i)ie oben beschriebenen üiikrosureif eu-Atitennenelemente lassen
sich zu außergewöhnlicii wirksamen Unordnungen gruppieren,
wobei mehrere Einzel antennen derart gruppiert werden, dab eine! fächerförmige oder enggebündelte Abstrahlung resuliert. iin ; Ausführungsbeispiel für eine steuerbare Anordnung von Btrahlerii ist in -«'ig. 5 dargestellt. Die gesamte "anordnung kann als i integraler gedruckter schaltkreis zusammen mit allen erforaer-l j liehen Phasenverschiebungsstromkreisen usw. hergestellt wer- j j den, um somit eine extrem einfache una billige anordnung mit I ! außergewöhnlich guten Antenneneigenschaften zu sahaffen. !
sich zu außergewöhnlicii wirksamen Unordnungen gruppieren,
wobei mehrere Einzel antennen derart gruppiert werden, dab eine! fächerförmige oder enggebündelte Abstrahlung resuliert. iin ; Ausführungsbeispiel für eine steuerbare Anordnung von Btrahlerii ist in -«'ig. 5 dargestellt. Die gesamte "anordnung kann als i integraler gedruckter schaltkreis zusammen mit allen erforaer-l j liehen Phasenverschiebungsstromkreisen usw. hergestellt wer- j j den, um somit eine extrem einfache una billige anordnung mit I ! außergewöhnlich guten Antenneneigenschaften zu sahaffen. !
: Die beispielshafte lineare Anordnung aus vier elementen in ;
: i
ι ü'ig. 5 weist Strahler 8ü, 82, 84 bzw. 86 für die Übertragung j
! i
i you HJi-Signalen auf, welche auf einer Isolierstoff schicht 88 ι
: auf der Basisebene 90 vorgesehen sind. Jeder dieser Strahler i
; wird von jeweils einer Hü-Zuleitung 92, 94} 96 dzw. 98 ge- ;
speist, jede von welchen Zuleitungen an den jeweiligen Ausgang;
i !
j von steuerbaren Phasenverschiebern 100, 102, 104 bzw. IO6 :
angeschlossen ist. Obgelich diese Phasenverscmeber mit gleich-
ι ί
; phasigen ti^-Bingangssignalen gleicher Stärke von der Zuleitungs-
! anordnung 108 aus versorgt weruen, können die ausgangssignale
; in den iiü1-Zuleitungen 92 bis 98 mittels eines Steuersignals
; in den iiü1-Zuleitungen 92 bis 98 mittels eines Steuersignals
i in eine Leitung 110 relativ zueinander phasengesteuert werden,
wodurch eine steuerbare Fächerabstrahlung erreicht wird.
j 1
L- 19 - i
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2A18506
Auch bei einer zweidimensional en .anordnung der jmtei.Lenelemente
können die relativen Phasenverschiebungen so gesteuert werden, daß ein steuerbares enggebundeltes Abstrahlmuster
erzeugt wird.
.as wird angenommen, dato dxe außergewöhnliche Leistungsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Mikrostreifen-Antennen-Anordnungen
durch die außergewöhnlich gleichförmige Ausstrahlung
("illumination") der Anordnungsöffnung verursacht wird. Die
recht genaue Übereinstimmung zwischen der erwarteten und
experimentell gemessenen Antennenverstärkung für eine deraritg
Anordnung über der theoretischen maximalen Verstärkung ist in J1Xg. 6 dargestellt, und aus dieser .Figur ist zu erstehen,
daß die erwarteten und experimentell gemessenen Ergebnisse fast den theoretisch maximalen Wert erreichen.
Der einzige ü-rund, weshalb die theoretische Maximal ν er Stärkung
nicht erreicht wird, ist schexubar die Tatsache, daß in
Wirklichkeit die üii'-Zuleitung in Abiiängigkeit von der frequenz!
und der ziuleitungslänge die Verstärkung verminderte. i)ie theore-j-
tisch maximale Verstärkung G- für eine absolut gleichförmige
ausgestrahlte Öffnung beträgt:
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In Wirklichkeit vermindert jedcäi die Dämpfung in der Zuleitung
die Verstärkung:
G- = lü Log - «C Leitung
wobei
oC = <oL/msL χ L in mm, d.h.. der Leitung und G-auf
den tatsächlichen bzw. gegenwärtigen Wert bezogen ist.
Die Dämpfung ist eine .Funktion der Frequenz und der Leitungs- j
länge. Im X-Band, wenn die Länge der Mikrostreifen-Zuleitung
ca. 0,8 mm beträgt, oeträgto£_ungefähr 0,12 dB/25,4 mm. Da
bei exnem Zuleitungsnetz für gleiche Leistungen und Phasen die Länge der Zuleitung gleich der halben üntermenhöhe plus
der halben üntennenbreite beträgt, ist bei einer derartigen
Anordnung
<=L*z 1/2 xoC/mrn χ (vY + H) in mm.
Bei einer Antenne mit den Abmessungen 127 mm mal 76 mm, i
ergibt sich oCzu 0,48 dB. Diese Verluste mindern auch die Ver-j
Stärkung einer gruppierten Anordnung. Bei einem Ausführungs- j beispiel mit den Abmessungen 76 mm χ 127 mm χ 0,8 mm wurde ;
ein Verstärkungsfaktor gemessen (Fig. 7)>
der die theoretische;
' ι
L ___ -2X- I
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Erwartung gemäß -ö'ig. 6 übertraf. Die abweichungen liegen
innerhalb des erwarteten Abweichungsbereichs von — 1/2 d_ß
bei der Messung der Antennenverstäricung.
Die gesteuerten Phasenverschieber IOD, 102, 104 und 106
in Pig. 5 können z.B. konventionelle pin-i)ioden mit gedruckten
Phasenverschiebungsstromkreisen sein, wobei die pin-Dioden von einen Kleinrechner oder einem anderen geeigneten
Steuermittel gesteuert werden, um zwischen den einzelnen HF-Signalen, die den einzelnen elementen der Anordnung zugeführt
werden, die gewünsc'nten relativen Phasenverschiebungen zu erzeugen.
J1Ig. 7 zeigt, daß die im Versuch gemessene Verstärkung einer
Mikrostreifenantenne mit den Abmessungen 76 mm χ 127 mm χ 0,8
mm bei einer frequenz von 9,92 GHz ca. 21 dB bei der maximalen mittleren Keule beträgt, im Vergleich zum Verstärkungsverlauf
gemäß der um 180° versetzt en Standardverstärkung ist dies ein günstiger Wert.
Die Ji'ig. 8 zeigt eine weitere .anordnung der Mikrostreif en-'
Strahler, von denen jeder so gestaltet ist, wie in der genannten
Patentschrift bzw. Patentanmeldung beansprucnt wurde und mehrere
Speisestellen aufweist, die von eine*., gemeinsamen Speisenetz
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derart versorgt werden, daß jede Speisestelle eines jeden
Strahlers mit einem Ηϊ-Signal gleicher Phase und Stärke versorgt
wird. Vorzugsweise oeträgt die Breite eines jeden Strahlers der Anordnung ca. die halb Wellenlänge der gewünschten
Betriebsfrequenzj wobei der Abstand zwiscinen benachbarten
Strahlern ebenfalls ca. eine halbe »velienlänge Deträgt. vVie schon betont wurde, sind diese abmessungen entsprechend
der relativen Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffs korrigiert, so daß sie jweils etwas weniger als die
halbe Wellenlänge betragen, damit sichergestellt ist, daii die
ü/ingang-simpedanzen aller Strahler im wesentlicnen widerständen
entsprechen.
Während die einzelnen Mikrostreifen-Strahier der ü'ig. 8 in
! ihrer G-estalt den länglichen, in den genannten Patentschriften
bzw. Patentanmeldungen veröffentlichten Strahlern entsprechen,
wobei Speisestellen mindestens einmal pro v/elienlänge an den
Längsseiten der, Strahler vorgesehen sind, ist entsprechend der
! Erfindung festgestellt worden, daß eine Anordnung von Strahler^!
entsprechend J1Ig. 8 eine unerwartet hohe Verstärkung auf-
! weist, die fast der für eine Öffnung theoretisch größtmöglicneii
Verstärkung entspricht. Diese Tatsache ist wahrscheinlich auf j die außerordentlich gleichförmigen i'lächenströme zurückzufuhre^,
die durch eine derartige Unordnung erzeugt weraen»
- 23 -
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Durch entsprechende Steuerung der relativen Phasenwinkel der
HF-Signale der einzelnen Strahler kann die Anordnung entsprechend J1Ig. 8 gesteuert werden. Die Anordnung der Ji1Ig. 8
stellt deshalb eine sehr wirksame Antenne mit einer sehr hohen Verstärkung von fast 100% der theoretisch größtmöglichen Verstärkung
dar. Sie ist sehr zuverlässig und wenig störanfällig, dabei von minimaler Dicke und sehr billig, so daß eine fast
ideale Antennenstruktur geschaffen wurde.
Inig. 9 zeigt eine weitere in Phase betriebene Anordnung von
Mikrostreifen-Antennenelementen, welche elektrisch steuerbar
sind. Vier Strahler 150, 152, 154 und 156 werden üoer ein Versorgungsnetz
gespeist, dessen .eingang an der Stelle 158 vorgesehen
ist, und welches vier aufgedruckte Mikrowellen-Phasenverschieber 160, 162, 164 und 166 mit HJT-Signalen gleicher |
Stärke und Phase versorgt. Die relative Phasenlage der aus- j gangssignale dieser Phasenverschieber (und daher auch der Mn- |
gangssignale zu den verschiedenen Strahlern der Anordnung) ' hängt ab von der Lage der schaltbaren Dioden 168 in-jedem j
Phasenverschieber und dem Schaltzustand dieser Dioden· Die j
I Dioden können ein- oder ausgeschaltet werden, indem von einem j
Kleinrechner oder von einer anderen entsprechend programmierten]
Steuervorrichtung ein Signalstrom erzeugt wird, wodurch die j relative Phasenverzögerung bei jedem der Mikrowellen-Phasenver
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sableberii 160, 162, 164 und 166 zwischen O und 180° verändert
werden kann. Durch eine entsprechende Steuerung der Dioden 168 könnendie Mikrostreifen-Strahler in jeder erforderlichen
Kombination erregt v/erden, wodurch Abstrahlungsverteilungen
jeder gewünschten Gestalt erzeugt werden können. i*ie .anzahl der .Dioden 168 kann erhöht werden, um die durch die
Mikrowellen-Phasenverscüieber 160, 162, 164 und 166 zu
erzielenden relativen Phasenverschiebungen genauer steuern zu können. Die Unzahl der AnteiiMenelemente kann ebenfalls
erhöht werden üuer die vier Strahler der J1Ig. 9 hinaus, um
die Bandbreite weiter zu reduzieren und um die Verstärkung der Unordnung zu vergrößern.
Bei Verwendung einer iiP-Zuleitungsanordnang, wie sie in J1Ig.
10 dargestellt ist, können unerwünschte Seitenkeulen der Abstrahlung der üntennenanordnung reduziert werden, ßel aen
bisherigen Ausführungsbeispielen gemäß Pig. 5, ö und 9 wurden
die Jiinzelelemente der Anordnungen über ein symmetrisches Versorgungsnetz
mit HP-Signalen gleicher Stärke gespeist« iiis
auf die durch die Phasenversehieber verursachten Phasenverschiebungen
waren die HE-Signaie miteinander in Phase.
Bei dem in Pig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch
werden die im Zuleitungsnetz erwarteten Verluste dazu verwenaei,
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die Stärken der an die verschiedenen Strahler gespeisten HJj1-Signale
zu variieren. iJs wurde alsO die Amplitudenverteilung
derart eingeengt, daß unerwünschte Seitenkeulen der .abstrahlung
reduziert werden.
ζ.3. wurden die ZuIeitunosverbindungssteilen 180 bzw. 182
um jeweils eine hai be Wellenlänge bezüglich der normalen xuascnlußstelien
184 bzw. 186 versetzt. Der Unterschied bezüglich der Gesamtlängen der H^-Zuleitungen zwischen dem gemeinsamen
Eingang/Ausgang 188 und Speisesteilen 19ü und 192 einerseits,
und äen Speisesteo.1 en 194 und 196 andererseits beträgt nunmehr
eine ganze Wellenlänge im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen,
bei denen kein Unterschied vorhanden war. Die relativen Phasenl^gen der hi'-jiingangssignale der Einzelelemente
sind hiervon nxcht betroffen. Dadurch, daß die Zuleitungen zu den bpeisestellen 190 und 192 langer sind als die
Zuleitungen zu denSpeisestellen 194 und 196, ist die Amplitude des üJj'-Signals an den Speisestellen 190 und 192 kleiner
als an den Speisestellen 194 und 196. i)urch diese Veränderung
! der ümplitudenverteilung m der Anordnung werden die unerj
wünschten Seitenkeulen der Abstrahlung reduziert. Bei einer
Anordnung mit einer größeren Anzahl von einzelelementen könnte
mittels dieses Verfahrens eine noch bessere Amplitudengestaltuni
erzielt werden.
- 26 -
Λ098Α3/0948
Auch bei den in den genannten Patentschriften und Patentanmeldungen
offenbarten länglichen Mikrostreifen-Strahlern
kann die oben erwähnte Amplitudenbeeinflussung angewandt werden.
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Claims (1)
- Ans'prüche1./ Antennenanordnung, bestehend aus einer elektrisch leitenden Basisoberfläche, einer einschichtigen Anordnung von elektrischen Leitern in Jj1OrIn eines Strahlers und einer HF-Zuleitung sowie einem Isolierstofftrager, welcher Torzugsweise zwischen der Basisoberfläche und der einschichtigen Anordnung d.er elektrischen leiter vorgesehen ist, gekennzeichnet durch , eine wenigstens an einer Stelle angeordnete ein Abstrahlun^smuster vorbestimmter Polarisierungseigenschaften vorgebende Verbindung zwischen der HF-Zuleitung und dem Außenrand des Strahlers.2. Antennenanordnung nadh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,'daß die HF-Zuleitung nur an einer Stelle, eine lineare Polarisierungscharakteristik erzeugend, mit dem Außenrand des Strahlers verbunden ist.3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Zuleitung nur an einer Stelle mit dem Außenrand des Strahlers so verbunden ist, daß eine kreisförmige PoIa-risierungscharakteristik vorgegeben wird.- 28 -409843/0948- 28 -4· Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hi'1-Zuleitung aus einer ersten Zuleitung, die nur
an exner ersten Stelle mix dem Außenraüd des Strahlers,
exne lineare Polarisierungscharakteristik erzeugend,
verbunden ist, und aus einer zweiten Zuleitung, die nur an einer zweiten Stelle mit dem Außenrand des Strahlers verbunden ist, und eine kreisförmige Polarisierungscharakteristik vorgibt, besteht.5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -ϋϊ-Zuleitung einen ersten, nur mit einer ernten
Stelle am üußenrand des Strahlers veroundenen Abschnitt,
einen zweiten, nur mit einer zweiten Stelle am AUisenrand
des Strahlers verbundenen Abschnitt und fhasenverschie-j Düngemittel, die zwischen aen ersten und zweiten Abschnitten und einera gemeinsamen Hi-Eingang/üUsgang verbundensind, aufweist, wobei die Phasenlagen der Htf-Signale in de j ersten und zweiten abschnitten bezüglich·.der Phasenlage
j des HP-Signals am gemeinsamen HP-Eingang/ausgang durch jdie Phasenverschiebungsmittel steuerbar sind. !!6. Antennenanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,; daß die Phasenverschiebungsmittel eine relative Phasenver-i Schiebung von 90 und damit eine Kreispolarisierung vorgeD409843/09487. Antennenanordnungnach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungsmi-ttel eine geschlossene, rechteckige leiterbahn mit vier BCkenaufweisen, wobei die ersten und zweiten Abschnitte der HJP-Zuleitung mit benachbarten Ecken verbunden sind und der gemeinsame HP— Eingang/Ausgang eine der verbleibenden beiden .ticken bei recht s dreh end er JCreispolarisierung und die andere der verbleibenden Ecken bei linksdrehender Kreispolarisierung ist.j 8. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine quadratiscne ü'läche darstellt.j 9. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,j daß der Strahler eine kreisförmige Jj1Iaehe darstellt.IU. Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus mehreren getrennten Strahlern und entsprechenden HJj'-Zuleitungen aufgebaute Anordnung zu einer in Phase gebrachten Anordnung aus mehreren Elementen zusammengefügt ist, und daß Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen UM1-Zuleitungen vorgesehen sind, so daß sämtliche Strahler mit einem gemeinsamen H^-Eingang/Ausgang verbunden sind.40 9843/0948- 50 -11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch steuerbare Phasenvers chi ober, die in den üb1- Zuleitungen vorgesehen sind, um die relative Phasenlage des HJT-Signals eines jeden Strahlers und damit auch die Abscrahlungsrichtung der Strahlungscharakteristik der Anordnung zu steuern.12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverbchieber einen integralverbundenen Teil des einscnientigen Systems von elektrischen Leitungen bilden.13· A ntennenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Phasenverschieuer zwecks Steuerung der von ihm zu bewirkenden Phasenverschiebung schaltbare Dioden aufweist.14· Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen verschiedene Übertragungslängen zwischen dem gemeinsamen üingang-Ausgang und den verschiedenen Strahlern aufweisen, ao daß über der Öffnung der Anordnung eine abfallende Amplitudenverteilung erzeugt wird, wodurch die Seitenkeulen der StRahlungscharakteristik der Anordnung reduziert werden.- 31 -409843/094815· Antennenelement nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine quadratische Fläche darstellt, deren Seitenlänge im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der erwarteten Betriebsfrequenz ist.iö. Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine rechteckige Fläche darstellt, wobei die längere Seite der Fläche etwas kurzer als die halbe Wellenlänge einer ersten erwarteten Betriebsfrequenz ist, welche an der kürzeren Seite der Fläche eingespeist j wird, und wobei die kürzere Seite der Fläciie etwas kürzer als die halbe Wellenlänge einer zweiten erwarteten Betriebsfrequenz ist, welche an der längeren Seite der Fläche eingespeist wird.j 17. Antennenä-ement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler bezüglich zweier zueinander senkrechter Achsen symmetrisch ist, wobei die HF-Zuleitung mindestens an einer der Schnittstellen der Achsen mit dem Außenrand des Strahlers mit dem Strahler verbunden ist.409843/094818. Antennenanordnung, gekennzeichnet,durch eine elektrisch leitende Basisoberfläche, eine einschichtige Anordnung
von elektrischen Leitern, bestehend aus mehreren Stranle und einem bystem von HF-Zuleitungen, welche mit einem
gemeinsamen Eingang/Ausgang verbunden sind, ein isolierstoff blatt, welches zwischen der Basisoberfläche und
der einschichtigen Anordnung von elektrischen Leitern
vorgesehen ist, wobei jeder der Strahler eine längliche, zusammenhängende und leitende Ooerfläche darstellt, die von dem isolierstoxfblatt getrennt ist, eine Breite etwa gleich der halben wellenlänge einer erwarteten Betriebsfrequenz und eine Länge von fliehr als einer solchen well eh· länge besitzt, wobei längs einer der längeren Seiten
mehrere im Abstand voneinander befindliche Speisestellenj vorgesehen sind, deren Aostand voneinander nicht mehr als eine Wellenlänge beträgt, und wobei der Abstand zwischen! den einzelnen Strahlern senkrecht zu ihren längeren
Seiten etwa eine halbe Wellenlänge beträgt, una wobei
ferner das Zuleitungsystem mit den bpeisesteilen verbunden ist.- 33 -409843/094819. Antennenanordnung nach. Anspruch. 18, dadurch gekennzeichnet, daß das' ZuIeitungssystem zwischen dein gemeinsamen Eingang/Ausgang und den verschiedenen ötrahlern aus Abschnitten verscniedener Transmissionsläng'en besteht, wodurch über der Öffnung der Anordnung eine
abfallende Amplitudenverteilung erzeugt wird, wodruch die öeitenkeulen der Strahlungscharakteristik der Anordnung reduziert werden.A098A3/0948
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