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Phasenschieber zur Verwendung bei einer elektronisch phasenge-
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steuerten Antenne.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektronisch gesteuerten
Phasenverschiebung von zwei Hochfrequenz-Signalen zur Verwendung bei einer aus mehreren
Einzelstrahlern bestehenden phasengesteuerten Antenne.
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Gewöhnlich wird bei einer elektronisch phasengesteuerten Antenne für
die phasenmäßige Beeinflussung jedes hinsichtlich seiner Phasenlage zu behandelnden
Hochfrequenz-Signals ein eigener Phasenschieber benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen als unumstößlich scheinenden
Sachverhalt aufzuheben und Maßnahmen anzugeben, durch welche die Eigenschaften einer
phasengesteuerten Antenne wesentlich verbessert werden bzw. die Kosten reduziert
werden. Insbesondere sollen sich durch diese Maßnahmen Einsparungen bei der Phasenschieberzahl
oder bei der Abtastfähigkeit der Antenne ergeben.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das erste
Signal einem steuerbaren nichtreziproken Ferritphasenschieber in dessen einer Ausbreitungsrichtung
und das zweite Signal diesem Phasenschieber in dessen anderer Ausbreitungsrichtung
zugeführt ist und daß Einrichtungen bzw. Maßnahmen zur gegenseitigen Entkopplung
der beiden den Phasenschieber durchlaufenden Hochfrequenz-Signale vorgesehen sind.
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Die Phasenlagen zweier Hochfrequenz-Signale werden somit von einem
einzigen nichtreziproken Phasenschieber komplementär verschoben. Mit der angegebenen
Einrichtung nach der Erfindung lassen sich beispielsweise zwei symmetrische Einzelstrahler
einer phasengesteuerten Antenne mit einem einzigen Phasenschieber steuern, so daß
sich eine Ersparnis an Phasenschiebern von 50 % ergibt. Ein Satz Phasenschieber
kann auch dazu verwendet werden, zwei Abtastkeulen gleichzeitig zu bewegen und somit
entweder die Abtastgeschwindigkeit oder das Abtastgebiet zu verdoppeln.
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Die Einrichtungen bzw. Maßnahmen zur gegenseitigen Entkopplung der
beiden den Phasenschieber durchlaufenden Hochfrequenz-Signale können z.B. darin
bestehen, daß pro Phasenschieber zwei Zirkulatoren vorgesehen sind oder unterschiedliche
Polarisationen für die Ubertragung der beiden Signale verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von 13 Figuren näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bis 3 Anordnspn zur Dual-Phasensteuerung mit Hilfe
eines nichtreziproken Ferritphasenschiebers und zweier Zirkulatoren, Fig. 4 eine
Anordnung zur dualen Phasensteuerung mit orthogonalen Linearpolarisationen innerhalb
eines Hohlleiters, Fig. 5 eine Anordnung mit dualer Phasensteuerung und dualer Polarisationserregung
mit Hilfe eines Ferritphasenschiebers mit Faraday-Drehung innerhalb eines Hohlleiters,
Fig. 6 eine lineare Strahlergruppe mit sechs Einzelstrahlern und drei Phasenschiebern,
Fig. 7 eine Phasensteuerungs-Ausführungsmöglichkeit für eine ebene Strahlergruppe,
Fig. 8 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung zur Verbesserung
der Abtastfähigkeit, Fig. 9 und 10 Antennendarstellungen, aus denen sich die Verdoppelung
des Abtastbereiches bzw. der Abtastgeschwindigkeit entnehmen läßt,
Fig.
11 eine phasengesteuerte Antenne nach der Erfindung mit einem +-1200-Abtastbereich,
Fig. 12 eine Strahlergruppe mit doppelter Strahl- und doppelter Polari sationserregung,
Fig. 13 das Speisesystem einer dual-polarisierten Antennenanordnung nach der Erfindung.
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Der Phasenhub eines nichtreziproken Ferritphasenschiebers ist je nach
Ausbreitungsrichtung komplementär. Dies bedeutet, daß ein solcher Phasenschieber
bei Betrieb in der einen Ausbreitungsrichtung die Phase um +g und bei Beaufschlagung
durch ein in die andere Ausbreitungsrichtung laufendes Hochfrequenz-Signal um -
ändert. Diese Eigenschaft läßt sich dazu heranziehen, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt
ist, im Empfangsfall die Phase von zwei Strahlern 1 und 2 bzw. von zwei Phasenfronten
bei einem Strahler 3 mittels eines einzigen reziproken Phasenschiebers 4 und zweier
Zirkulatoren 5 und 6 gleichzeitig zu steuern. Im Beispiel von Fig. 1 gelangt an
den Strahler 1 ein Signal A e-ja und an den Strahler 2 ein SignalB Das Signal vom
Strahler 1 gelangt über den als Entkopplungseinrichtung wirkenden Zirkulator 5 an
den Ferritphasenschieber 4 und wird von dort über den ebenfalls als Entkopplungseinrichtung
wirkenden Zirkulator 6 an einen Anschluß 7 durchgeschaltet, so daß dort das Signal
A . ej(#-α) liegt. In gleicher Weise läuft das Signal B . eavom Einzelstrahler
2 über den Zirkulator 6 zum Ferritphasenschieber 4 und von dort über den Zirkulator
5 zu einem Anschluß 8, von welchem das phasenverschobene Signal 3. eJ ) abgenommen
wird. Die Schaltrichtung des Zirkulators 5 ist im Uhrzeigersinn, während diejenige
des Zirkulators 6 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn verläuft.
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Im Beispiel nach Fig. 2 gelangt ein Signal A ej von einet Einzelstrahler
3 über einen Verteiler 9 zu den beiden Zirkulatoren 5 und 6. Von dort läuft das
Signal jeweils in den nichtreziproken Ferritphasenschieber 4 hinein und dann zum
jeweils anderen Zirkulator 6 bzw. 5. An den beiden Ausgängen 8 und 7 werden dann
zwei in entgegengesetzter Richtung phasenverschobene Signale A .ej(α-#) bzw.
A. ej(α=#) abgenommen.
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Grundsätzlich kann dieses Prinzip auch für den Sendefall verwendet
werden. Für eine eindeutige Zuordnung der Strahlrichtung im Sende- und Empfangsfall
ist lediglich die Magnetisierung der Zirkulatoren 5 bzw. 6 in den Phasenschiebereinrichtungen
umzuschalten. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 3. Den beiden Anschlüssen 7 und 8 der
Zirkulatoren 6 bzw. 5 werden die beiden Signale A. ein bzw. B ej° zugeführt. ueber
den nichtreziproken Ferritphasenschieber 4 laufen dann die beiden Signale in zueinander
entgegengesetzter Richtung unter Phasenverschiebung von einem Zirkulator zum anderen.
An den Einzelstrahlern 1 und 2 liegen dann die Signale A e bzw. 3. e jç vor. Die
Phasen von zwei entkoppelten Hochfrequenz-Sendesignalen werden somit von nur einem
einzigen Phasenschieber 4 gesteuert.
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Eine derartige Einrichtung erlaubt entweder eine Halbierung der Phasenschieberanzahl
oder eine wesentliche Verbesserung der Abtastfähigkeit der Antenne. Es ist bei diesen
Phasenschiebern sowohl eine analoge als auch eine digitale Steuerung möglich.
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Die Entkopplung der beiden den Phasenschieber durchlaufenden Hochfrequenz-Signale
kann auch dadurch erfolgen, daß unterschiedliche Polarisationen für die Übertragung
der beiden Signale verwendet werden. Fig. 4 zeigt in diesem Zusammenhang einen Hohlleiter
10 mit rundem Querschnitt, in dessen Innenraum ein nichtreziproker Ferritphasenschieber
11 angeordnet ist. Dieser Phasenschieber 11 ist hinsichtlich seiner jeweiligen Phasenverschiebung
<p von außen elektronisch steuerbar. Zu jeder Seite des Ferritphasenschiebers
11 ist am Hohlleiter 10 eine Signaleinkopplungseinrichtung 12 bzw. 13 angebracht,
die für die Einkopplung von zueinander orthogonal linearisierten Signalen ausgelegt
sind. In die Einkopplungseinrichtung 12 wird ein horizontal polarisiertes Signal
A j ja und in die Einkopplungseinrichtung 13 ein vertikal polarisiertes Signal 3.
ei eingekoppelt. Zu beiden Seiten des Phasenschiebers 11 ist außerhalb der beiden
Signaleinkopplungseinrichtungen 12 und 13 jeweils ein Polarisationsfilter 14 bzw.
15 in den Hohlleiter 10 eingesetzt. Das Filter 14 sperrt die horizontal polarisierte
Strahlung und das Filter 15 die vertikal polarisierte Strahlung. Die in die Einkopplungseinrichtung
12
eingegebene Strahlung gelangt somit über den Phasenschieber 11 und durch das Polarisationsfilter
15 zum rechten Ausgang des Hohlleiters 10 und wird dort im phasenverschobenen Zustand
als Signal A ei( )abgegeben. In gleicher Weise wandert das Signal B3. , > welches
über die Einkopplungseinrichtung 13 in den Hohlleiter 10 eingegeben wird, über den
Ferritphasenschieber 11 durch das Polarisaionsfilter 14 und wird am linken Ende
des Hohlleiters 10 ebenfalls im phasenverschobenen Zustand, jedoch in der anderen
Richtung7 als Signal B ej(α-#) entnommen. Zirkulatoren sind bei der Anordnung
nach Fig. 4 nicht mehr erforderlich.
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Es läßt sich anstelle eines runden Hohlleiters auch ein quadratischer
Hohlleiter verwenden.
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Eine andere Einrichtung zur elektronisch gesteuerten Phasenverschiebung
von zwei Hochfrequenz-Signalen zur Verwendung bei einer phasengesteuerten Antenne
nach der Erfindung zeigt Fig. 5. Zur Entkopplung werden hier ebenfalls unterschiedliche
Polarisationen für die Übertragung der beiden Signale benutzt. Es ist ebenfalls
innerhalb eines runden Hohlleiters 16 ein nichtreziproker, elektronisch steuerbarer
Ferritphasenschieber 17 angeordnet, der jedoch nach dem Prinzip der Faraday-Drehung
arbeitet. Zu einer Seite des Phasenschiebers 17 sind zwei Signaleinkopplungseinrichtungen
18 und 19 angebracht, über welche die Signale in Form zweier entgegengesetzt zirkularpolarisierter
Wellen in den Hohlleiter 16 eingeführt werden. Der Phasenschieber 17 ist zwischen
Sende- und Empfangsbetrieb hinsichtlich seiner Betriebsrichtung umschaltbar ausgebildet.
Die Ein- bzw. Ausspeisung der in der Phase verschobenen Signale erfolgt über ein
Ringhybrid 20. Liegen z.B. am Ende des Hohlleiters 16, welcher mit einem Hornstrahler
21 abgeschlossen sein kann, die beiden entgegengesetzt zirkularpolarisierten Signale
Ae j und B 3. vor, so stehen am Summenausgang des Hybrides 20 unter Zugrundelegung
einer Phasenverschiebung f durch den Phasenschieber 17 das Signal A ej('P-3L) )
und am Differenzausgang das Signal 3 ej(α-#) e an. Dieser Phasenschiebertyp
kann ohne weiteres in einem dual-polarisierten Rundhohlleiter oder Hornstrahler
integriert werden.
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Fig. 6 und 7 zeigen Strahlergruppenanordnungen von phasengesteuerten
Antennen, bei denen nur mehr-halb so viele Phasenschieber erforderlich sind wie
bei gewöhnlichen phasengesteuerten Strahlergruppen. In Fig. 6 ist eine regelmäßige
aufgebaute, lineare, phasengesteuerte Strahleranordnung mit insgesamt sechs Einzelstrahlern
22 bis 27 aargestellt. Um die Phase dieser sechs Strahler 22 bis 27 über einen Parallel-Leitungsverteiler
zu steuern, werden nurmehr drei Phasenschieber 28, 29 und 3G mit den zugehörigen
Entkopplungseinrichtungen benötigt. Die Phasenschieber 28, 29 und 30 entsprechen
z.B. den Anordnungen nach den Fig. 1 bis 3. Von einem Sender bzw. Empfänger 31 bestehen
gleich lange Zuführungsleitungen zu den Phasenschiebern 28, 29 und 30. Zwei Signalausgänge
a und b sind bei den Phasenschiebern 28, 29 und 30 jeweils zusammengefaßt. Die anderen
beiden Ausgänge sind jeweils über gleich lange Leitungen mit einem der Einzelstrahler
22 bis 27 verbunden. Der Phasenschieber 28 steuert die beiden äußere Einzelstrahler
22 und 27, der Phasenschieber 29 die beiden Einzelstrahler 23 und 26 und der Phasenschieber
30 die beiden Einzelstrahler 24 und 25. An den von jeweils einem Phasenschieber
beaufschlagten Einzelstrahlern liegen somit komplementäre Phasenverhältnisse vor.
An den symmetrisch zueinander liegenden, äußeren Einzelstrahlern 22 und 27 besteht
die Phasenlage -ç) bzw.
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an den symmetrischen Einzelstrahlern 23 und 26 die Phasenlage bzw.
und und an asz den ebenfalls symmetrischen, inneren Einzelstrahlern 24 und 25 die
Phasenlage -f1 bzw. +P1. Es entsteht dann eine homogene Phasenfront. Da Zuführungsleitungen
mit gleicher Länge verwendet werden müssen, um die Bandbreite der Antenne nicht
zu reduzieren, ist die Länge der Strahlerreihe begrenzt.
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Die angegebene Steuerung arbeitet jedoch zumindest bis zu einer linearen
Strahlergruppe mit bis zu 16 Strahlern ohne Komplikationen.
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Fig. 7 zeigt eine mögliche Phasensteuerung für eine ebene Strahlergruppe,
welche aus regelmäßig in Zeilen und Spalten liegenden Einzelstrahlern aufgebaut
ist. Die Steuerung nach Fig. 7 arbeitet nach dem gleich Prinzip wie diejenige nach
Fig. 6. Vier komplementäre Strahler 32, 33, 34 und 35 werden jeweils über drei Phasenschieber
gesteuert. Die Einzelstrahler 32, 33 liegen beispielsweise
in
einer Spalte und die Einzelstrahler 34, 35 in einer benachbarten anderen Spalte.
Die Signale der Einzelstrahler 32 und 33 laufen über gleich lange Leitungen zu einem
Phasenschieber 36, der genauso beispielsweise den Anordnungen nach Fig. 1 entspricht
wie der Phasenschieber 37, welcher über ebenfalls gleich lange Leitungen an den
Einzelstrahlern 34 und 35 liegt. Die beiden anode ren Ausgänge der beiden Phasenschieber
36 und 37 sind jeweils zusammengefaßt und sind auch über gleich lange Leitungen
an einen dritten Phasenschieber 38 angeschlossen, der ebenfalls entsprechend den
Anordnungen nach den Fig. 1 bis 3 aufgebaut und mit seinen beiden anderen, zusammengefaßten
Ausgängen an einen Sender oder Empfänger geführt ist. Wesentlich ist, daß die beiden
Einzelstrahler 32 und 34 bzw. die anderen beiden Einzelstrahler 33 und 35 in jeweils
einer Zeile liegen, derart, daß zwischen den Einzelstrahlern 32 bis 35 in Bezug
zur Antennenmitte 39 symmetrische Verhältnisse bestehen. Bei derartigen ebenen Gruppen
können auch zwei komplementäre Strahlen erzeugt werden.
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Da ein Phasenschieber nach der Erfindung zwei entkoppelte Signale
phasenmäßig komplementär steuert, wird es möglich, zwei komplementäre Phasenfronten
mit einem Phasenschiebersatz simultan zu steuern. Verglichen mit dem üblichen Phasensteuerungsbetrieb
folgt daraus, daß die Antenne entweder doppelt so schnell das gleiche Gebiet oder
mit gleicher Geschwindigkeit das doppelte Gebiet abtasten kann. Eine Prinzipdarstellung
im Zusammenhang mit dieser Verbesserung der Abtastfähigkeit durch die Verwendung
der erfindungsgemäßen Phasenschieber zeigt Fig. 8. Es sind zwei Antennen 40 und
41 mit jeweil N Einzelstrahlern vorgesehen. Ein einziger Phasenschieber 42 von ingesamt
N Phasenschiebern steuert jeweils die Phasenlage eines Einzelstrahlers der Antenne
40 und eines Einzelstrahlers der Antenne 41. Die Phasenlage der beiden hierdurch
erzeugten Strahlen 43 und 44 ist zueinander komplementär. Die Signalzuführung für
den Strahl 43 erfolgt ber den Eingang 45 des Phasenschiebers 42, während die Signalzufuhrung
für den Strahl 44 über einen Eingang 46 des Phasenschiebers 42 vorgenommen wird.
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Aus Fig. 9 wird deutlich, daß der Abtastbereich der phasengesteuerten
Antenne insgesamt doppelt so groß wird, sofern die gleiche Ahtastgeschwindigkeit
zugrunde
gelegt wird. Mit dem Strahl 43 wird ein Abtastgebiet 47 und mit dem Strahl 44 ein
Abtastgebiet 48 winkelmäßig gleichzeitig überstrichen. Die Winkelauslenkung, ausgehend
von der Nullachse, ist bei beiden Strahlen 43 und 44 jeweils gleich.
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Aus Fig. 10 geht hervor, daß es genauso gut möglich ist, mit der Phasensteuerung
nach der Erfindung ein Abtastgebiet 49, welches sonst mit einer einzigen Keule überstrichen
wird, mit den beiden Strahlen 43 cnd 44 doppelt so schnell zu überstreichen. Jeder
der beiden Strahlen 43 und 44 muß nämlich lediglich über das halbe Abtastgebiet
49 schwenken. Die beiden Strahlen 43 und 44 sind auch in diesem Fall winkelmäßig
komplementär, d.h. die Auslenkung, ausgehend von der Null-Linie, ist bei beiden
Strahlen 43 und 44 jeweils gleich.
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Fig. 11 zeigt eine besonders vorteilhafte phasengesteuerte Antenne
unter Verwendung der Einrichtung zur Phasenverschiebung nach der Erfindung. Es wird
dort mit zwei getrennten Antennen 50 und 51, die jeweils aus in einer Ebene angeordneten
Einzelstrahlern zusameingesetzt sind, und mit nur einem Phasenschiebersatz 52 ein
bis +120° großer Abtastsektor überwacht. Die Phasenschieber 52 sind z.B. entsprechend
den Darstellungen in den Fig. 1 bis 4 aufgebaut.
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Die Signalzufuhrung für die Antenne 51 erfolgt über einen Eingang
57 und die Signalzuführung für die Antenne 50 über einen anderen Eingang 54 am Phasenschiebersatz
52. Die sich entsprechenden Ausgänge der Phasenschieber 52 sind mit den Einzelstrahlern
der Antenne 50 bzw. mit den Einzelstrahlern der Antenne 51 über Leitungen verbunden,
deren Länge gleichmäßige Phasenfronten an den Antennen 50 und 51 gewährleistet.
Die beiden Einzelstrahlerebenen 50 und 51 sind in einem spitzen Winkel von 600 zueinander
aufgebaut. Die Antenne 50 erzeugt eine Keule 55, welche um +60° gegenüber ihrer
Normalen schwenkbar ist. Das gleiche gilt für die Keule 56, welche durch die Antenne
51 gebildet wird. Im Sendefall können bei einer derartigen Anordnung Energiereflexionen
oder Signalinterferenzen in bestimmten Richtungen entstehen, wenn die zwei Strahlenkeulen
55 und 56 mit Hilfe ihrer Polarisation oder ihrer Frequenz nicht entkoppelt sind.
Es ist deswegen zweckmäßig,
bei der Anordnung nach Fig. 11 den
Strahlerebenen 50 und 51 jeweils unterschiedlich polarisierte Einzelstrahler, und
zwar mit orthogonaler Linearpolarisation, zu verwenden. Signalinterferenzen im gemeinsamen
Bereich werden dann eliminiert. Zwei Gruppen von senkrecht und waagrecht polarisierten
Dipolstrahlern 57 und 58 sind z.B. gut geeignet, um in der Nähe der Strahlergruppenebenen
einen Bereich von +120° abzutasten. In diesem Fall gilt das Phasenschieberprinzip
nach den Fig. 1 bis 3 auch für reziproke Phasenschieber, wobei die Phasenverschiebung
von zwei zueinander entkoppelten Signalen in beiden Fällen um + erzeugt wird. Es
ist dann nicht mehr erforderlich, den Phasenschieber zwischen Sende- und Empfangsfall
umzuschalten. Grundsätzlich ist es möglich, sofern zwei Polarisationen und zwei
Zirkulatoren verwendet werden, die Phasen von vier entkoppelten Signalen mit einem
Phasenschieber zu steuern.
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Fig. 12 zeigt eine lineare Strahlergruppe mit entkoppelter Phasensteuerung
nach der Erfindung, wobei jeder der Strahler 59, z.B. quadratische Hohlleiter oder
Hornstrahler, mit zwei Polarisationen, in diesem Fall orthogonalen Linearpolarisationen,
erregt wird. Die eine Strahlerreihe hat somit die Wirkung, zweier Antennen, welche
einen Strahl 60 und einen Strahl 61 erzeugen.
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Diese beiden Strahlen 60 und 61 sind polarisationsmäßig entsprechend
unterschiedlich betrieben. Die phasenmäßige Steuerung erfolgt über die nichtreziproken
polarisationsmäßig entkoppelten Ferritphasenschieber 62. Die Signalzuführung für
den Strahl 60 wird über den Eingang 63 und die Signalzuführung für den Strahl 61
über den Eingang 64 vorgenommen. Als Phasenschieber 62 lassen sich beispielsweise
Anordnungen ähnlich denen nach Fig. 2, jedoch mit zwei Polarisationen'verwenden.
Die zwei aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Polarisationen resultierenden
Antennen können so konzipiert werden, daß die das gleiche Phasenzentrum haben. Mit
dieser kompakten Anordnung ist es z.B. möglich, einen Zylinderparabolreflektor zu
erregen. Die Signaleingänge 63 und 64 können auch kombiniert werden, so daß zwei
lineare oder zwei zirkulare Polarisationen erzeugt werden.
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Ein besonders einfaches Speisesystem zur Erzeugung von Strahlung in
links- und rechtszirkularer Polarisation ist in Fig. 13 dargestellt. Danach werden
die zwei Polarisationen in entsprechend der Anordnung nach Fig. 5 aufgebauten Phasenschiebern
65 durch zwei Rechteckhohlleiter 66 und 67 erregt. Das mit linkszirkularer Polarisation
abzugebende Signal wird über einen Eingang 68 eines magischen T's und das mit rechtszirkularer
Polarisation zu übertragende Signal über einen Eingang 69 dieses magischen T's eingegeben.
Die Einkoppelstellen 70 bzw. 71 der Rechteckhohlleiter 66 bzw. 67 in die quer dazu
verlaufenden Hohlleiter 72, 73 und 74, welche die Phasenschieber 65 enthalten, entsprechen
den Einkoppelstellen 19 und 18 der Phasenschieberanordnung nach Fig.5.
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Über Hornstrahler 75 werden die Strahlungskeulen der Antenne mit der
entsprechenden Zirkularpolarisationen nach Wahl abgestr2hlt.
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13 Patentansprüche 13 Figuren