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Strahlunqssystem
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sektor-Strahlungssystem mit einer
Vielzahl von Strahlungselementen, die beispielsweise durch Öffnungen oder Schlitze
in einer Wand, vorzugsweise in einer Schmalwand eines Wellenleiters gebildet sind,
und mit einem Sektorhorn, dessen Schenkel bzw. Seitenflächen sich quer bzw.
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senkrecht zur Achse des zur Speisung dienenden Wellenleiters erstrecken
und vorzugsweise auseinander divergieren.
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Im allgemeinen besteht ein Sektor-Strahlungssystem im wesentlichen
aus einer Gruppe von nebeneinander angeordneten Strahlungselementen, beispielsweise
aus einer Reihe von geneigten bzw. schrägen Schlitzen, die aus der schmäleren Wand
eines Wellenleiters, z.B. eines Hohlleiters, der zur Speisung dient, herausgeschnitten
sind, sowie aus einem Sektor-Horn mit Schenkeln bzw. Flügeln, die in einer Ebene
senkrecht zur Achse des Wellenleiters auseinander streben.
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Die Form des Strahlungsdiagramms hängt im wesentlichen (selbstverständlich
unter Berücksichtigung der Grenzen einer solchen Schematisierung) von der Verteilung
der Anregung der Strahlungselemente, von der Geometrie des Sektorhorns sowie von
der Ausbildung der Strahlungsöffnung dieses Sektorhorns ab.
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Bei einem Strahlungssystem mit der in Fig. 1 gezeigten schematischen
Ausbildung würde der Verteilungsfluß bzw. die Abstrahlung in der vertikalen Ebene
(senkrecht zur Symmetrieebene und senkrecht zu der Längsachse der Antenne) gleichförmig
und symmetrisch abnehmen bezüglich der Symmetrieebene. Es wird allgemein angenommen,
daß die Verschiebung (Phasenverschiebung) an der Kante des Sektorhornes einen Wert
von #/8 nicht übersteigt.
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Dies bestimmt die obere Grenze des Winkels der Fig. 1. Unter Berücksichtigung
der Bedingungen bezüglich des oben beschriebenen Amplituden- und Phasensystems für
eine vorgegebene, bestimmte Frequenz besteht zwischen der Abmessung A der Fig. 1
und der Ausbildung des Strahles in einer vertikalen Ebene, wie eine feste Beruhrung
sie oben definiert wurde,/wobei diese Bedingungen im allgemeinen annähernd einen
linearen Verlauf mit einem Proportionalitätsfaktor besitzt, welcher von der Dämpfung
der Verteilung der Abstrahlung an den Kanten abhängt. Bei einem Sektorhorn, welches
durch schräge Schlitze an der Schmal wandung eines rechteckförmigen Hohlleiters
bzw. Wellenleiters angeregt wird, kann die oben angegebene proportionale Beziehung
durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: A = 61,50 x Wellenlänge Strahlbreite
a - 3dB (in Grad) Der Wert A ist dabei in der gleichen Einheit ausgedrückt, in welcher
auch die Wellenlänge ausgedrückt wird.
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Auf diese Weise sind die Öffnung A sowie die Geometrie des Sektorhornes
festgelegt, sobald die Frequenz und die Form der Strahlungscharakteristik bestimmt
wurden und die Verteilung der als Strahlungselemente dienenden Sachlitze festgelegt
wurde.
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Es wurde vielfach versucht, durch verschiedene Ausführungen eine beachtliche
Reduzierung der Dimensionen und vor allem der Dimensionen A und L, die durch den
Winkel α miteinander verbunden sind, zu erreichen.
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So wurde beispielsweise im kanadischen Patent 498.510 (angemeldet
am 15.12.1953) eine technische Lösung vorgeschlagen mit dem Ziel, eine angestrebte
Ausbildung des Strahles bei reduzierten Querabmessungen bzw. -bei einem reduzierten
Querschnitt mit Hilfe einer dielektrischen Linse zu erreichen (vgl. Fig. 2).
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Eine solche Lösung weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen (vor
allem technologischer Natur und bezüglich der Kosten) auf, wobei diese Nachteile
vor allem mit der Realisierung der Oberflächen der Linsen verbunden sind.
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Eine unterschiedliche Technik mit der gleichen Zielbesetzung ist im
italienischen Patent 675.010 (angemeldet am 17.3.1966) beschrieben, wobei eine dielektrische
Struktur verwendet wird, um einen gezielten Ausbreitungseffekt an der Trennfläche
verschiedener Medien zu erhalten.
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Es hat sich herausgestellt, daß diese bekannte Struktur bzw.
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Einrichtung insgesamt sehr schwer herzustellen ist und insbesondere
unter ungünstigen klimatischen Bedingungen sehr störanfällig ist und leicht bricht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese und andereNachteile
zu überwinden, und zwar mit einer Einrichtung, die sehr einfach in der Konstruktion
ist, mit minimalen Kosten herstellbar ist, reduzierte Abmessungen aufweist und die
gleichen elektrischen Eigenschaften, wie bekannte Einrichtungen, besitzt.
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Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, bei einem Sektor-Strahlungssystem
metallische Elemente, z.B. in Form von Bändern,
Drähten, Streifen,
Gittern usw. vorzusehen, die eine Bündelung bzw. Schrumpfung des Strahles bewirken.
Diese metallischen Elemente sind vorzugsweise in der Öffnungsebene des Sektor-Hornes
angeordnet und verlaufen parallel zur Achse des zur Speisung dienenden Wellenleiters.
Diese Elemente verändern die Verteilung der Abstrahlung bzw. die Abstrahlcharakteristik
an der Strahlungsöffnung, und zwar dadurch, daß das elektrische Feld an bestimmten
Punkten symmetrisch zur Symmetrieebene aufgehoben wird.
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Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, bei bestimmten vorgegebenen Strahlungscharakteristiken
die Öffnung A des Sektor-Horns zu reduzieren, und zwar auf Werte, die kleiner sind
als sie durch die obige Gleichung an sich bestimmt sind.
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So wurde beispielsweise bei einer Ausführungsform, bei der zwei Metallelemente
parallel zur Achse des Wellenleiters aufgrund einer berechneten Optimierung verwendet
wurden, durch welches Element die Öffnung des Hornes in Reihe gleichgroße Zonen
unterteilt ist, ein Wert für diese Öffnung erhalten, welcher sich zu einem entsprechenden
Wert eines Systems ohne die oben erwähnten Elemente aus Metall wie 1:1,22 verhält.
Es muß an dieser Stelle erwähnt werden, daß es bei einem Sektor-Strahlungssystem
notwendig ist, den Pegel desjenigen Signals zu dämpfen, welches sowohl im Falle
eines Senders als auch im Falle eines Empfängers im rechten Winkel zu der Nominal-
bzw. Nennpolarisation polarisiert ist.
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Diese Dämpfung wird bei verschiedenen Ausführungen von Sektor-Strahlungsseystemen
durch ein Gitter aus Metallplatten erreicht, die im Sektor-Horn senkrecht zu der
Symmetrieebene angeordnet sind, oder aber in einem gewissen Abstand von dem zur
Speisung dienenden Wellenleiter.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
die Reduzierung der Divergenz des abgestrahlten Strahles bzw. der Strahler- bzw.
Antennencharakteristik in einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieebene sowie die
voranstehend erwähnte Dämpfung der Strahlungskomponente, die im rechten Winkel zur
Nominal- bzw. Nennkomponente verläuft, dadurch erreicht, daß eine einzige Struktur
vorgesehen ist, die voneinem flachen metallischen Gitter gebildet wird, welches
in der Öffnungsebene des Sektorhornes angeordnet ist. Dieses Gitter besitzt dann
sowohl Metallelemente, die parallel zur Achse des Speisewellenleiters verlaufen,
als auch eine Vielzahl von aus Metall bestehenden Querstreben bzw. -streifen, die
senkrecht zu dieser Achse angeordnet sind.
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Das aus Metall gefertigte Gitter besteht beispielsweise aus einem
Metallband, vorzugsweise aus einem Band aus einer Aluminiumlegierung, in welchem
Band dann eine vorzugsweise gleichförmige Struktur von rechteckförmigen Öffnungen
herausgeschnitten ist, um die oben erwähnten, horizontale und vertikal verlaufenden
Metallelemente in Form von Streifen zu erhalten.
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Diese Öffnungen können entweder dadurch erzielt werden, daß ein Band
z.B. aus Aluminium oder Beryllium-Kupfer, in einem gleichförmigen Arbeitsgang perforiert
wird.
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Um die inneren Elemente der Antenne abzudecken und um dem Gitter die
erforderliche mechanische Festigkeit zu verleihen, wird das Gitter z.B. mit Hilfe
eines Klebers oder mit Hilfe eines geeigneten, klebenden Harzes mit geringen dielektrischen
Verlusten auf einer ebenen Abschlußplatte befestigt, die beispielsweise aus Fiberglas
oder aus einem Harz besteht, welches für elektromagnetische Strahlungen durchlässig
ist.
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Diese ebene Abschlußplatte hat darüber hinaus die elektrische Funktion,
Störungseffekte bei der Ausbreitung des Nennsignals
bzw. des Signals
mit der Nenn-Polarisation zu kompensieren, soweit derartige Störeffeke durch die
Dämpfung streben bzw.
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streifen für das senkrecht zu diesem Nenn-Signal polarisierte Signal
erzeugt werden.
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Das metallische Gitter sowie die Abschlußplatte sind beispielsweise
als Einheit in der Ausgangsöffnung des Sektorhorns in einem dort vorgesehenen geeigneten
Schlitz gehalten.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des metallischen Gitters
zusammen mit der Verschlußplatte besteht darin, die Struktur des Gitters auf fotografischem
Wege, z.B. durch ein Foto-Ätzverfahren, aus einem metallischen Leiter herzustellen,
welcher an einer Oberfläche einer aus Harz oder Fiberglas bestehenden Platte angeordnet
ist.
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Ausgehend von einem Sektor-Strahlungssystem der eingangs geschilderten
Art ist das erfindungsgemäße Sektor-Strahlungssystem vorzugsweise so ausgebildet,
daß eine flache Struktur an der Öffnung ebene eines Sektorhornes angeordnet ist,
wobei diese Struktur von einem Metallgitter gebildet ist, welche aus metallischen
Elementen parallel zur Achse des Wellenleiters zur Bündelung bzw. Verkleinerung
des abgestrahlten Strahles bzw. der Charakteristik des Sektorhornes sowie aus metallischen
Streifen besteht, die im rechten Winkel zu dieser Achse verlaufen und zur Dämpfung
der Strahlungskomponente dienen, die senkrecht zur Richtung der Nenn- bzw. Sollpolaritsation
gerichtet ist.
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Ein grundsätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß das Metallgitter extrem einfach auszuführen ist und beispielsweise in Form eines
aufwickelbaren Bandes hergestellt werden kann, um den Transport, die Lagerhaltung
usw. zu vereinfachen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Gitter jederzeit
auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden kann,
so daß es für
Antennen mit unterschiedlicher Länge geeignet ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Abschlußplatte neben ihrer
reinen mechanischen Funktion als Abschluß- und Versteifungskörper auch eine Kompensation
vonStöreffekten vornimmt, die beispielsweise durch das Vorhandensein der Dämpfungsstreifen
für das Signal in Querpolarisation zurückzuführen sind.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit Hilfe einer geeigneten
Wahl der geometrischen und elektrischen Parameter des Gitters und der Abschlußplatte,
der Dicke des Gitters und des Verhältnisses zwischen Öffnungen und verschlossenen
Teilen am Gitter und von der Dicke und von der Dicke und dielektrischen Konstante
der Abdeckung Bedingungen erfüllt werden können, bei denen die verschiedenen Charakteristiken
optimale Werte aufweisen (Anpassung des Gitters bzw. der Gitterabmessungen an das
Signal mit Nennpolarisation, Unterdrückung des Signals mit Querpolarisation sowie
Änderung des Feldes in der Öffnung des Sektorhornes).
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in den niedrigen
Herstellungskosten für das Strahlungssystem.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstell-ung eine perspektivische
Ansicht eines Strahlungsystems mit einem Sektor-Horn; Fig. 2 einen Schnitt durch
das Strahlungssystem zusammen mit einer dielektrischen Linse; Fig. 3 eine perspektivische
Darstellung, wobei Teile des Strahlungssystems entsprechend der Erfindung sichtbar
sind; Fig. 4A einen Schnitt durch das Strahlungssystem gemäß Fig. 3; Fig. 4B eine
Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform für das Gitter; Fig. 5 die relativ
abgestrahlte Leistung als Funktion des Strahlungswinkels in einer Ebene senkrecht
zur Symmetrieebene.
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In Fig. 3 ist ein zur Speisung dienender Hohll eiter 1 gezeigt sowie
Strahlungselemente, die durch Spalte 2 gebildet sind, ein Vektorhorn 3, ein metallisches
Gitter 4 und eine Abschlußplatte 5.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß das gesamte Strahlungssystem an einem
Trägerkörper 6 befestigt ist, wobei das gesamter Gitter 4 einschließlich der Platte
5 in einem Doppelschlitz untergebracht ist, der in den Schenkeln 3 des Hornes vorgesehen
ist.
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In der Fig. 4B ist ein Gitter dargestellt, welches aus zwei sich in
Längsrichtung erstreckenden Elementen 8 und einer Vielzahl von Querstreben 9 besteht,
wobei dieses Gitter durch Perforierung oder aber auf fotografischem Wege, z.B. durch
Ätzen usw. mit einer Vielzahl von rechteckförmigen Bereichen 10 hergestellt ist.
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Die in Fig. 5 dargestellte Kurve, die experimentell mit einem Sektor-Strahlungssystem
entsprechend der Erfindung ermittelt wurde, welches mit einem Gitter mit zwei sich
in Längsrichtung erstreckenden Elementen versehen war und mit einem Signal von 9.375
MHz betrieben wurde, gibt mit der nicht-unterbrochenen Linie den Winkel fluß bzw.
die vom Strahlungswinkel abhängige Leistung in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieebene
wieder, wobei diese Leistung bzw. dieser Winkel fluß relativ zu der von dem erfindungsgemäßen
System abgegebenen Leistung angegeben ist. Die mit unterbrochenen Linien wiedergegebene
Kurve der Fig. 5 zeigt den Winkelfluß des gleichen Strahlungssystems, welche nicht
mit den sich in Längsrichtung erstreckenden Elementen 8 zum Einschrumpfen bzw.
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Bündeln des Strahles versehen ist. Es läßt sich feststellen, daß die
Divergenz des Strahles in beiden Fällen, die mit Alpha und Beta bezeichnet ist,
einen Wert von 22,20 bei Vorhandensein der sich in Längsrichtung erstreckenden Elemente
8 und einen Wert von 270 ohne diese Elemente aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wurde voranstehend in der bevorzugten Ausführung
beschrieben, in der die Erfindung tatsächlich ausgeführt wurde. Es versteht sich
jedoch, daß Änderungen und strukturelle Variationen möglich sind, ohne daß deswegen
der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.